第三章--微生物的结构与功能.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 原核微生物,一般构造：,一般细菌都有的构造,特殊构造：,部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造,原核微生物是指一大类细胞微小、细胞核无核膜（只有称为核区的裸露,DNA,）的原始单细胞生物。,与真核微生物的区别：,基因组由无核膜包裹的双链环状,DNA,组成。,缺乏由单位膜分隔、包围的细胞器。,核糖体为,70S,型。,第一节 原核微生物,第一节 原核微生物,一、细胞壁,细胞壁（,cell wall）,是位于细胞最外的一层厚实、坚韧的,外被，主要由肽聚糖构成。,一、细胞壁,1,、革兰氏阳性菌的细胞壁,特点：厚度大（2080,nm）,化学组分简单，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸。,一、细胞壁,1,、革兰氏阳性细菌的细胞壁,肽聚糖(,peptidoglycan),磷壁酸（,teichoic acid）,又称粘肽(,mucopeptide)、,胞壁质(,murein),或粘质复合物,(,mucocomplex)，,是真细菌细胞壁中的特有成分。,结合在革兰氏阳性细菌细胞壁上的一种酸性多糖,一、细胞壁,1,、革兰氏阳性细菌的细胞壁,（,1,）肽聚糖,厚约2080,nm，,由40层左右的网格状分子交织成的网套覆盖在整个细胞上。,双糖单位,原核生物所特有的已糖,一、细胞壁,1,、革兰氏阳性菌的细胞壁,（,1,）肽聚糖,由四个氨基酸分子按,L,型,与,D,型交替方式连接而成,双糖单位中的,-1,4-,糖苷键很容易被,溶菌酶(,lysozyme),所水解，从而引起,细菌因肽聚糖细胞壁的“散架”而死亡,。,一、细胞壁,1,、革兰氏阳性细菌的细胞壁,（,1,）肽聚糖,目前所知的肽聚糖已超过100种，在这一“肽聚糖的多样性”中，主要的变化发生在肽桥上。,跨越肽聚糖层,并与细胞膜相,交联的,膜磷壁,酸,（又称,脂磷,壁酸,），由甘,油磷酸链分子,与细胞膜上的,磷脂进行共价,结合后形成。其含量与培养条件关系不大。可用45%,热酚水提取，也可用热水从脱脂的冻干细菌中提取。,一、细胞壁,1,、革兰氏阳性菌的细胞壁,（,2,）磷壁酸,革兰氏阳性细菌细胞壁上特有的化学成分，主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。,壁磷壁酸,，它与肽,聚糖分子间进行共,价结合，含量会随,培养基成分而改变,，一般占细胞壁重,量的10%，有时可,接近50%。用稀酸,或稀碱可以提取。,一、细胞壁,1,、革兰氏阳性菌的细胞壁,（,2,）磷壁酸,主要生理功能：,细胞壁形成负电荷环境，增强细胞膜对二价阳离子的吸收；,贮藏磷元素；,增强某些致病菌对宿主细胞的粘连、避免被白细胞吞噬以及抗补,体的作用；,革兰氏阳性细菌特异表面抗原的物质基础；,噬菌体的特异性吸附受体；,能调节细胞内自溶素(,autolysin),的活力，防止细胞因自溶而死亡。,可作为细菌分,类、鉴定的依据,一、细胞壁,2,、革兰氏阴性菌的细胞壁,肽聚糖,外膜,外膜蛋白,周质空间,一、细胞壁,2,、革兰氏阴性菌的细胞壁,（,1,）肽聚糖,埋藏在外膜层之内，是仅由12层肽聚糖网状分子组成的薄层(23,nm)，,含量约占细胞壁总重的10%，故对机械强度的抵抗力较革兰氏阳性菌弱。,内消旋二氨基庚二酸(,m-DAP),（只在原核微生物细胞壁上发现）,没有特殊的肽桥，只形成较为疏稀,、机械强度较差的肽聚糖网套,一、细胞壁,2,、革兰氏阴性菌的细胞壁,（,2,）外膜(,outer membrane),位于革兰氏阴性细菌细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等若干种蛋白质组成的膜，有时也称为外壁。,一、细胞壁,2,、革兰氏阴性细菌的细胞壁,（,2,）外膜(,outer membrane),脂多糖（,lipopolysaccharide,LPS）,位于革兰氏阴性细菌细胞壁最外层,的一层较厚（810,nm）,的类脂多糖,类物质，由,类脂,A,、,核心多糖,(,core,polysaccharide),和,O-,特异侧链,（,O-specific side chain，,或称,O-,多糖,或,O-,抗原）三部分组成。,2,、革兰氏阴性菌的细胞壁,（,2,）外膜(,outer membrane),脂多糖的主要功能,LPS,结构的多变，决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇,的多样性；,根据,LPS,抗原性的测定，,沙门氏菌属(,Salmonella,),的,抗原型多达2107种，一般,都源自,O-,特异侧链种类的,变化。,这种多变性是革兰氏阴性,细菌躲避宿主免疫系统攻,击，保持感染成功的重要,手段。也可依此用灵敏的,血清学方法对病原菌进行,鉴定，在传染病的诊断,中有其重要意义。,2,、革兰氏阴性菌的细胞壁,（,2,）外膜(,outer membrane),脂多糖的主要功能,LPS,负电荷较强，与磷壁酸相似，也有吸附,Mg,2+,、Ca,2+,等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用，对细胞膜结构起稳定作用。,2,、革兰氏阴性菌的细胞壁,（,2,）外膜(,outer membrane),脂多糖的主要功能,类脂,A,是革兰氏阴性细菌致病物质内毒素的物质基础；,2,、革兰氏阴性菌的细胞壁,（,2,）外膜(,outer membrane),脂多糖的主要功能,具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能；,许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；,一、细胞壁,2,、革兰氏阴性菌的细胞壁,（,3,）外膜蛋白(,outer membrane protein),嵌合在,LPS,和磷脂层外膜上的蛋白。有20余种，但多数功能尚不清楚。,一、细胞壁,2,、革兰氏阴性细菌的细胞壁,（,3,）外膜蛋白(,outer membrane protein),孔蛋白（,porins）,是由三个相同分子量（36000）蛋白亚基组成的,一种三聚体跨膜蛋白，中间有一直径约1,nm,的孔道，通过孔的开,、闭，可对进入外膜层的物质进行选择。,非特异性孔蛋白,特异性孔蛋白,可通过分子量小于800900,的任何亲水性分子,只容许一种或少数几种相关,物质通过，如维生素,B,12,和核,苷酸等。,一、细胞壁,2,、革兰氏阴性菌的细胞壁,（,3,）外膜蛋白(,outer membrane protein),脂蛋白(,lipoprotein),是一种通过共价键使外膜层牢固地连接在,肽聚糖内壁层上的蛋白，分子量约为7200。,（,4,）周质空间,（,periplasmic space,）,又称壁膜间隙。在革兰氏阴性细菌中，一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间（宽约,1215nm,），呈胶状。在周质空间中，存在着多种周质蛋白（,periplasmic proteins,），包括：,水解酶类，例如蛋白酶、核酸酶等；,合成酶类，例如肽聚糖合成酶；,结合蛋白（具有运送营养物质的作用）；,受体蛋白（与细胞的趋化性相关）。,一、细胞壁,5.,缺壁细菌,（1）,L,型细菌（,L-form of bacteria）,细菌在某些环境条件下（实验室或宿主体内）通过自发突变,而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型。,因英国李斯德（,Lister）,预防研究所首先发现而得名,（1935年，念珠状链杆菌,Streptobacillus moniliformis,）,大肠杆菌、变形杆菌、葡萄球菌、链球菌、分枝杆菌和霍乱弧菌等,20多种细菌中均有发现，被认为可能与针对细胞壁的抗菌治疗有关。,特点：,没有完整而坚韧的细胞壁，细胞呈多形态；,有些能通过细菌滤器，故又称“,滤过型细菌,”；,对渗透敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似,的小菌落（直径在0.1,mm,左右）；,一、细胞壁,6,、革兰氏染色的机制,（1）用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染,（2）用碘溶液进行媒染,（3）用乙醇冲洗进行脱色,（4）用复红对涂片进行复染。它使原来无色的革兰氏阴性细菌最后呈现红色，而革兰氏阳性细菌继续保持深紫色,成份,占细胞壁干重的,%,革兰氏阳性细菌,革兰氏阴性细菌,肽聚糖,含量很高（,5090,）,含量很低（,10,）,磷壁酸,含量较高（,50,）,无,类脂质,一般无（,2,）,含量较高（,20,）,蛋白质,无,含量较高,一、细胞壁,G,+,和,G,-,主要由于其细胞壁 化学成分的差异而引起物理特性（脱色能力）的不同，并决定了染色反应的不同,通过结晶紫初染和碘液媒染后，在细胞壁内形成了不溶于水的结晶紫与碘的复合物。,G,+,由于其细胞壁较厚，肽聚糖网层次多和交联致密，故遇乙醇或丙酮作脱色处理时，因失水而使网孔收缩，能把结晶紫与碘复合物牢牢地留在壁内。,G,-,细胞壁薄，外膜层的类脂含量高，肽聚糖层薄和交联度差，遇到脱色剂后，以类脂为主的外膜被溶解，薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘复合物的溶出，因此，被脱色成无色。,革兰氏染色的机制,4,、特殊的休眠构造芽孢,某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（,endospore,或,spore，,偶译“内生孢子”）。,二、细胞壁以内的构造,原生质体,二、细胞壁以内的构造,原生质体,4,、特殊的休眠构造芽孢,细菌芽孢的特点,整个生物界中抗逆性最强的生命体，是否能消灭芽孢是衡量,各种消毒灭菌手段的最重要的指标。,常规加压蒸汽灭菌的条件：,121，15,min,以上,115，30,min,以上,芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可以重新转变成为营,养态细胞；产芽孢细菌的保藏多用其芽孢。,产芽孢的细菌多为杆菌，也有一些球菌。芽孢的有无、形态、,大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。,芽孢与营养细胞相比化学组成存在较大差异，容易在光学显微,镜下观察。（相差显微镜直接观察；芽孢染色）,（,1,）产芽孢细菌的种类,能产芽孢的细菌属不多，最主要的是属于革兰氏阳性杆菌的两个属,好氧性的芽孢杆菌属和厌氧性的梭菌属。球菌中只有芽孢八叠球菌属产生芽孢。螺菌中的孢螺菌属也产芽孢。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。,（,2,）芽孢的构造,4,、特殊的休眠构造芽孢,（3）芽孢的形成,DNA,浓缩，束状染色质形成；,细胞膜内陷，细胞发生不对称分裂，小体积部分即为前芽孢（,forespore,）；,前芽孢的双层隔膜形成，芽孢的抗辐射性提高；,两层隔膜间充填芽孢肽聚糖后，合成,DPA,，累积钙离子，开始形成皮层，再经脱水，使折光率增高；,芽孢衣合成结束；,皮层合成完成，芽孢成熟，抗热性出现；,芽孢囊裂解，芽孢游离外出。,4,、特殊的休眠构造芽孢,（,4,）芽孢萌发,由休眠状态的芽孢变成营养状态细菌的过程，称为芽孢的萌发，包括活化,(activation),、出芽,(germination),和生长,(outgrowth),三个具体阶段。,芽孢衣中富含半胱氨酸的蛋白质的三维空间结构发生可逆性变化，从而使芽孢的透性增加，随之促进与发芽有关的蛋白酶活动。接着，芽孢衣上的蛋白质逐步降解，外界阳离子不断进入皮层，于是皮层发生膨胀、溶解和消失。接着外界的水分不断进入芽孢的核心部位，使核心膨胀、各种酶类活化，并开始合成细胞壁。,4,、特殊的休眠构造芽孢,（,5,）芽孢的耐热机制,芽孢与母细胞相比不论化学组成、细微结构、生理功能等方面都完全不同,渗透调节皮层膨胀学说,芽孢衣对多价阳离子和水分的透性很差,皮层的离子强度很高，产生极高的渗透压夺取芽孢核心的水分，结果造成皮层的充分膨胀。,核心部分的细胞质却变得高度失水，,因此，具极强的耐热性。,（,6,）研究芽孢的意义,芽孢是少数几属细菌所特有的形态结构。芽孢的存在和特点是细菌分类鉴定中的重要形态指标。,芽孢具有高度耐热性。用高温处理含菌试样，可以提高芽孢产生菌的筛选效率。,芽孢的代谢活动基本停止，休眠期特别长。为产芽孢菌的长期保藏带来了方便。,芽孢具有高度耐热性和抗逆性。能否消灭芽孢成了衡量灭菌手段的重要指标。,4,、特殊的休眠构造芽孢,（,7,）伴孢晶体（,parasporal crystal）,少数芽孢杆菌，例如苏云金芽孢杆菌(,Bacillus thuringiensis,),在其形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体,内毒素，称为伴孢晶体。,伴孢晶体对200多种昆虫尤其是鳞翅目的幼虫有毒杀作用，因而可将这类产伴孢晶体的细菌制成有利于环境保护的生物农药细菌杀虫剂。,特点：不溶于水，对蛋白酶类不敏感；容易溶于碱性溶剂。,4,、特殊的休眠构造芽孢,（,7,）伴孢晶体（,parasporal crystal）,伴孢晶体,鳞翅目幼虫口服,伴孢晶体在肠道迅速溶解（中肠,pH 为9.0-10.5）,吸附于上皮细胞，引起渗透性丧失，肠道穿孔,肠道中的碱性溶液进入血液，后者,pH升高，昆虫全身麻痹而死亡,4,、特殊的休眠构造芽孢,（,7,）伴孢晶体（,parasporal crystal）,三、细胞壁以外的构造,1,、糖被,包被于细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质。,荚膜的含水量很高，层次厚，层次固定。,糖被的主要成分是多糖、多肽或蛋白质，尤以多糖居多。,荚膜的功能,保护作用，保护菌体免受干旱损伤；防止噬菌体的吸附和裂解；保护菌体免受白细胞的吞噬。,贮藏养料，以便营养缺乏时重新利用。,作为渗透屏障或离子交换系统，可保护细菌免受重金属离子的毒害。,表面吸附作用。,细菌间的信息识别作用。,堆积代谢废物。,3,、鞭毛(,flagellum),（1）原核生物的典型鞭毛,生长在某些细菌体表的长丝状、波曲形的蛋白质附属物。其数目为一至数十根，具有运动功能。鞭毛是细菌最重要的运动结构。,长度为,15-20,微米，直径,0.01-0.02,微米。观察鞭毛最直接的方法是利用电子显微镜。利用特殊的鞭毛染色法也可利用光学显微镜观察。,三、细胞壁以外的构造,3,、鞭毛(,flagellum,，复,flagella),观察和判断细菌鞭毛的方法,电子显微镜直接观察,鞭毛长度：1520,m；,直径：0.010.02,m,光学显微镜下观察：鞭毛染色和暗视野显微镜,根据培养特征判断：半固体穿刺、菌落（菌苔）形态,3,、鞭毛(,flagellum),鞭毛的结构及其运动机制,原核生物鞭毛的构造由基体、钩形鞘和鞭毛丝,3,部分组成。,基体由,4,个盘状物（环）组成。最外层的,L,环连在细胞壁最外层的外膜上，,P,环连在肽聚糖内壁层，,S,环靠近周质空间，,S,环和,M,环连在一起，称作,S-M,环，共同嵌埋在细胞质膜上。,S-M,环类似于马达的转子，被一对,Mot,蛋白包围，驱动,S-M,环快速旋转，,S-M,环的基部还存在一个,Fli,蛋白，,Fli,蛋白是鞭毛马达的键钮，它可依据细胞提供的信号，指令鞭毛的正向或逆向旋转。,革兰氏阴性菌的鞭毛构造,3,、,鞭毛(,flagellum),鞭毛的结构及其运动机制,钩形鞘：连接鞭毛丝和基体的构造，弯形，可作,360,旋转，使鞭毛加大运动幅度。直径约,17nm,，比鞭毛丝略宽，由自己的蛋白亚基组成。,鞭毛丝：由许多直径为,4.5nm,的鞭毛蛋白亚基沿着直径为,20nm,的中央孔道螺旋状排列而成，每周为,8-10,个亚基。鞭毛丝末端有一冠蛋白。,三、细胞壁以外的构造,3,、鞭毛(,flagellum),鞭毛的结构及其运动机制,鞭毛蛋白是一种呈球状或卵圆状蛋白，它在细胞质内靠近鞭毛基部的核糖体上合成，由鞭毛基部通过中央孔道输送到鞭毛的游离端进行自装配。因此，鞭毛生长方式是其顶部延伸而非基部延伸。,3,、鞭毛(,flagellum),鞭毛推动细菌运动的特点,（1）速度,一般速度在每秒2080,m,范围，最高可达每秒100,m（,每分钟达到3000倍体长），超过了陆上跑得最快的动物猎豹的速度（每分钟1500倍体长或每小时110公里）。,有关鞭毛运动的机制，曾有过“旋转论”和“挥鞭论”的争议。,1974,年，美国学者,Silverman,和,Simon,证明鞭毛运动的机制是旋转运动。,三、细胞壁以外的构造,3,、鞭毛(,flagellum),鞭毛推动细菌运动的特点,（2）方式,细菌以推进方式做直线运动，,以翻腾形式做短促转向运动。,鞭毛推动细菌运动的特点,（3）细菌的趋避运动,鞭毛的功能是运动，这是原核生物实现其趋性（,taxis）,即趋向性的最有效方式。,化学趋避运动或趋化作用（,chemotaxis）：,细菌对某化学物质敏,感，通过运动聚集于该物质的高浓度区域或低浓度区域。,光趋避运动或趋光性（,phototaxis）：,有的细菌能区别不同波长的,光而集中在一定波长光区内。,趋磁运动或趋磁性（,magnetotaxis），,趋磁细菌根据磁场方向进行,分布。,在各类细菌中，弧菌、螺旋菌类都有鞭毛；杆状细菌中约有一半种类有鞭毛；球菌中仅个别的属、种才长鞭毛。,单端鞭毛,周生鞭毛,两端生鞭毛,端生丛毛,鞭毛的有无和着生方式在细菌的分类和鉴定中，具有十分重要的分类学意义。,第二节 真核微生物,凡是细胞核具有核膜，细胞能进行有丝分裂，细胞质中存在线粒体等细胞器的生物，称为真核微生物。,真核细胞与原核细胞相比，其形态更大、结构更为复杂、细胞器的功能更为专一。,比较项目,真核生物,原核生物,细胞大小,较大（直径,2,m,）,较小（直径,1,=1,生理特性,氧化磷酸化部位,线粒体,细胞膜,光合作用部位,叶绿体,细胞膜,生物固氮能力、化能合成作用,无,有,专性厌氧生活,罕见,常见,鞭毛运动方式,挥鞭式,旋转马达式,遗传重组方式,有性生殖、准性生殖,转化、转导、接合,繁殖方式,有性、无性,无性（二等分裂）,一、细胞壁,1,、真菌的细胞壁,真菌细胞壁的主要成分是多糖，另有少量的蛋白质和脂质。低等真菌以纤维素为主；酵母菌以葡聚糖为主；高等真菌以几丁质为主。,即使是同一种真菌，在其不同生长阶段，细胞壁的成分也会出现明显的变化，且与其功能和进化历史相关,二、鞭毛,在有些真核微生物细胞的表面长有或长或短的毛发状细胞器，具有运动功能，较长且数目较少，称为鞭毛。,真核生物的鞭毛在结构、运动机制和所耗能源形式等方面有显著的差别。,真核生物细胞的鞭毛以挥鞭方式推动细胞运动。,鞭毛是由伸出细胞外的鞭杆、嵌埋在细胞质膜上的基体以及把这两者相连的过渡区共,3,部分组成。鞭杆的横切面呈“,9+2,”型，即中心 有一对包在中央鞘中相互平行的中央微管，其外围绕一圈（,9,个）微管二联体，整个鞭杆由细胞质膜包裹。每条微管二联体由,A,、,B,两条中空的亚纤维组成。,