1、1,微生物学MICROBIOLOGY,2,第一章 绪论 Introduction 第一节 微生物的定义和基本特点 一.微生物的定义：是对所有形体微小、单细胞的或个体结构较为简单的多细胞的、或没有细胞结构的低等生物的通称. 微生物不是一个正式的学术名词(即分类学名词) 微生物：Microorganism 或 Microbe 二.微生物种类和范围：细菌 Bacteria、 放线菌 Actinomycetes、酵母菌 Yeast、 丝状真菌(霉菌)Mould、立克次氏体 Rickettsia、支原体 Mycoplasma、衣原体 Chlamydia、 螺旋体 Spirochaeta、病毒 Virus
2、 蓝细菌 Cyanobacteria、单细胞藻 Protoalgae、 原生动物 Protozoan,3,三. 微生物在生物界或生物圈的地位分类学家对所有生命所确定的六界系统1. 原核生物界Monera：包括细菌和蓝细菌；2. 原生生物界Protistae：包括大部分藻类与原生动物；3. 真菌界Fungi：包括酵母菌、霉菌和粘菌；4. 病毒界Virusia：包括真病毒和亚病毒(类病毒、卫星RNA、朊病毒)5. 植物界Plantae6. 动物界Animalia 经典微生物学所研究的对象是细菌、放线菌、 酵母菌、霉菌、病毒和原核生物藻类等。,4,微生物的一级分类1.原核微生物：细菌、放线菌、蓝细菌
3、、立克次氏体、支原体、衣原体、螺旋体；(这类微生物不具有真正的细胞核构造)2.真核微生物：酵母菌、霉菌、蕈菌、单细胞藻类、原生动物；(这类微生物具有完整的细胞核结构)3.非细胞型微生物(亦称分子生物)：病毒(这类生物仅由生物大分子核酸与蛋白组成),5,生物圈的三界划分：细菌、古细菌、真核生物,6,不同生命形式的演化树,purple bacteria 紫色细菌 cyanobacteria 蓝细菌 flavobacteria 黄杆菌 aquifex 嗜水微生物 thermo- 嗜热微生物 halophilie 嗜盐细菌 methanobacteria 甲烷细菌 thermoproteus 嗜热变形
4、杆菌 ciliates 纤毛虫 entamobae 变形虫 flagellates 鞭毛虫 slime molds 粘菌 trichomonads 毛滴虫 microsporidia 微孢子虫 diplomonads,7,微生物保持了生物圈的许多记录：它是生物圈中的年长者，大约迄今32亿年以前，微生物就悄悄地出现在地球上了，后来才陆续出现了植物、动物和人类；微生物是自然界最大的“食客”，它能利用的食粮远远多于动植物所能利用的范围，糖类、脂肪酸、蛋白质、无机盐，人工合成的有机或无机化合物，甚至其它生物厌恶的石油和天然气等，微生物都能加以利用；它是自然界中的“集团军”，一个感冒的人，打一个喷嚏就含
5、有1500万个左右的病菌，土壤更是微生物的“大本营”，通常在一克土壤里就有数亿个微生物；它是自然界中的“超生大户”，如大肠杆菌平均20分钟分裂一次，若每个子细胞都具有同样的繁殖能力，那么从理论上24小时可繁殖72代；微生物还是生物圈中的善变者，当外界环境一变化，在千分之一秒内，它们就会发生相应的反应，这种特性使得微生物在大自然的选择作用下能在其它生物不能生存的环境中安居乐业，例如，海洋深处的硫细菌可在250甚至300的高温条件下正常生长，大多数细菌能耐0-196（液氮）的任何低温，一些嗜盐菌甚至能在32%的饱和盐水中正常生活，许多微生物尤其是产芽孢的细菌可在干燥条件下保存几十年,8,微生物之所
6、以有如此多的能耐，与它代谢类型极其多样是分不开的。它们具有动植物不具备的特别的代谢途径和功能，如厌氧生活、生物固氮和不释放氧的光合作用等。其“食谱”之广也是动植物所不能相比的。凡自然界存在的有机物，几乎都能被微生物利用，甚至用其它方法难以降解的农药、清洁剂、橡胶以及毒性较大的化工产品，如甲苯、萘、酚等都能被微生物分解。我们不禁要产生这样的疑问：是不是地球上所有的物质都能找到相应的微生物将其分解呢？能不能分离到一种微生物用来对付现今最令人头疼的“白色污染”呢？为什么在90的高温、-80低温的极端温度下微生物还能进行生命活动呢？为什么在几千米深海，几万米的高空中还能找到正常生活的微生物呢？而在这些
7、苛刻的极端环境中，比单细胞微生物高级得多的人类却无法生存呢？,9,四. 微生物的特点 微生物与动植物相比，具有以下特点1. 生长旺，繁殖快：以细菌而言，一般20-30min分裂一次，一个细菌24小时可繁殖72代，这样原始的一个细菌将变成272个细菌，如按每10亿个细菌重1mg计，272个细菌将超过4722吨。微生物的这种繁殖速度给其工业化生产提供了有利条件。2. 食谱杂，培养易：自然界中的易利用物质如蛋白质、糖类、脂肪和无机盐以及难利用物质如纤维素、石油、塑料，甚至有害物质如氰、酚类、聚氯联苯、有关农药等均能被不同种类的微生物利用、分解和转化。利用微生物的这个特点可以开展废物综合利用和环境污染
8、的处理。因微生物食谱杂，故对营养要求一般不高。很 多不易被动植物所利用的农副产品和工厂下脚料，如麸皮、饼粉、酒糟等均可作为培养微生物的营养基质。微生物代谢反应条件温和，不受地域、设备和环境条件的严格限制。,10,5.吸收多，转化快：微生物素有小型“活化工厂”之称。从单位重量来看，微生物的代谢强度是高等动物的千倍和万倍，如1kg酒精酵母1天内可“消耗”几千公斤糖并转变为酒精；每个乳酸菌细胞可产生其体重103-104倍的乳酸。6.适应强，易变异：微生物“随遇而安”的能力很强，善于随“机”应变，根据环境变化随时调整细胞内的代谢模式，以提高对外界环境的抵抗能力(形成休眠体：芽孢、孢子等)。肺炎双球菌只
9、要有荚膜就可抵抗人体血液中白血球的吞噬。在生产实践中，可利用该特点来进行菌种保藏(休眠体 )和诱变育种(物理诱变和化学诱变)。,11,第二节 微生物学发展简史 微生物学发展分六个时期一. 感性认识时期(史前期：8000年前1676年)1. 古代人们的酿酒技术，可上溯到4000年前；2. 蘑菇的人工栽培技术，可上溯到2000年前；3. 种“人痘”预防天花，可上溯到1000年前；二. 微生物的发现(初创期：16761860年)1. Leeuwenhoek的工作：1675年，荷兰人Leeuwenhoek用自制的可放大200-300倍的显微镜观察雨水、牙垢、腐败物和血液等，首次看到原生动物；1683年
10、第一次发现细菌；他将这些微小生物称为“微动体”，并于1695年在皇家学术刊物上发表论文。应当说，显微镜的发明是导致微生物的发现以及后来微生物学诞生的直接原因。2. 微生物“猎人”追寻微生物的踪迹及其行为：十七世纪末至十九世纪中叶。,12,Leeuwenkoek所描述的“微动体”,13,早期显微镜,14,第四节 微生物学与分子生物学一. 微生物学与分子遗传学的诞生(1928-1953年)1.1928年，Griffith通过研究肺炎链球菌发现转化transformation现象2.1944年，Avery等证实引起细菌转化的物质是DNA；3.1952年，Hershey和Chase证明T2噬菌体的遗传
11、物质不是蛋白而是DNA；4.1953年，Watson和Crick提出著名的DNA双螺旋结构模型；5.1956年，Kornberg获得大肠杆菌DNA聚合酶，离体合 成DNA的互补链；6.1958年，Meselson和Stahl利用大肠杆菌证明DNA的“半保留复制”；7.1958年，Crick提出遗传信息传递的“中心法则”(DNARNA蛋白质)。,15,二.微生物学与分子生物学的诞生(1959-1973年)1.1959年，Sinsheimer发现噬菌体174的核酸为单链DNA(ssDNA)；2.1961年，Jacob和Monod通过研究大肠杆菌诱导酶的形成机制而建立操纵子学说分子生物学的基础；3.
12、1961年，Nirenberg通过研究大肠杆菌的无细胞蛋白质合成体系首次破译遗传密码；4.1969年，Shapiro用噬菌体和80噬菌体分离出大肠杆菌操纵子；5.1970年，Koana等人工合成第一个基因(酵母丙氨酸tRNA基因)；6.1970年，Baltimore和Temin等从Rous肉瘤病毒中发现逆转录酶，并修正“中心法则”；7.1967年，Yuan等在大肠杆菌中发现类限制性内切酶基因工程的孕育；,16,8.1968年，Jordan和Shapiro首次从大肠杆菌中分离到乳糖操纵子的部分DNA第一个基因；9.1970年，Smith在大肠杆菌中发现类限制性内切酶基因工程工具酶； 10.197
13、2年，Berg将SV40和噬菌体的DNA首次实现体外重组； 11.1973年，Boyer和Cohen等将大肠杆菌的二种质粒体外重组并成功转化到大肠杆菌受体菌中完整的基因工程试验，故1973年为基因工程元年； 三.微生物学与分子生物学的发展(1973年以后)1.在基因工程中微生物的重要作用：载体构建、重组子转化以及基因工程下游技术。2.微生物学研究与新的生命本质的揭示：逆转录病毒中逆转录酶的发现；朊病毒Prion发现的重要意义“中心法则”是否还需要修改？蛋白质与遗传本质如何相关？3.微生物学研究与生命起源：古细菌的发现介于原核生物与真核生物之间的一类生物；病毒在生物的分子演化中的作用及其与生命起
14、源的关系。,17,一、微生物的分类和命名,微生物分类：把各种微生物按照其亲缘关系分群归类，编排成系统,1、微生物的分类单位,主要分类单位： 界（Kingdom） 门（Phylum）纲（Class）目（Order）科（Family）属（Genus）种（Species）,次要分类单位：亚门、亚纲、亚目、亚 科、亚属,第四节 微生物的分类和命名,18,种 (Species) ：,是一大群表型特征高度相似、亲缘关系极其接近、与同属内其它种有着明显差异的菌株的总称。,亚种（Subspecies）：,如果某纯种的某一主要特征与典型种的不同，其余特征则完全相符，而这一特征又是稳定的，则把该纯种称为典型种的变
15、种。,菌株（Strain）：,同一种不同来源的微生物的纯培养。,19,2微生物的命名：双名法,（1）每一种微生物的学名由两个拉丁字、希腊字或拉丁化的其它文字组成,（2）第一个字是属名，用名词，字首字母大写；第二个字是种名，用形容词，字首字母不大写,20,（3）属名规定了微生物的主要特征，如形态特征、生理特征；种名补充说明微生物的次要特征，如颜色、形状、用途等,（4）附加部分： 命名者的姓，位于种名之后 b. 亚种(变种)，以subsp(var) .开始后加变种名,21,常用微生物的名称:,Staphylococeus aureus 金黄色葡萄球菌 Escherichia coli 大肠杆菌 B
16、acillus subtilis 枯草(芽孢)杆菌 Bacillus subtilis Var. Niger 枯草杆菌黑色变种Corynebacterium pekinese Chen et al 北京棒状杆菌 Saccharomyces cerevisiae 酿酒酵母 Saccharomyces carlsbergensis 卡氏酵母 Aspergillus niger 黑曲霉 Aspergillus oryzae 米曲霉Streptomyces sp. 链霉菌 Rhizopus sp. 根霉 Penici11ium sp. 青霉 Mucor sp. 毛霉 Schizosaccharomyc
17、es pombe 粟酒裂殖酵母,22,二、微生物的分类依据,1.形态特征 群体形态（培养特征）个体形态,2.生理生化特征 营养要求 酶代谢产物,23,3、生态特征 4、血清学反应 5、细胞壁成分 6、红外吸收光谱 7、GC含量 8、DNA杂合 9、其它,24,三、微生物分类方法,1、经典分类法：,是一种随机的和不系统的根据少数几种特征进行分类的方法。主要以形态特征和生理生化特征为主要依据，结合生态特征、血清学反应、细胞壁成分、对噬菌体敏感程度等特征进行分类,25,2.遗传分类法,是一种从遗传学角度估计微生物之间亲缘关系的一种分类方法，其主要分类依据是GC含量和DNA杂合情况,3.数值分类法,亦
18、称统计分类法，其特点是根据较多的特征（一般5060个，可多达100个）并借助计算机进行分类,26,附：极端环境中的生命 一、在温泉里: 如果你希望找到真正的“活化石”细菌，那么你最好到美国的黄石公园去。那里最著名的景观便是间歇泉与泉水中五颜六色的细菌群。 那是些什么样的细菌呢？答案是：它们是我们的祖先！ 它们虽被叫作“细菌”，但不是普通意义上的细菌。它们隶属于古细菌，是独立于普通生物的一界。它们是地球上最古老的生命形式。 二、在酸性环境里： 大多数温泉水都是呈酸性的，因此，要在这样的环境中生存，就必须适应它。 长期的进化，使不同生物发展出了很强的对酸性环境的适应能力。,27,美国黄石公园的间歇
19、泉,28,泉石上的彩色细菌区域,29,古细菌对氧气可是“退避三舍”，哪怕只那么一丁点氧分子就让它们一命呜呼。它们的大多数同伴在20亿年前地球上首次出现氧气时灭绝了，史称“氧的大屠杀”。唯有那么一点点幸存者在其他生物都不敢涉足、几乎没有溶解氧气的少数温泉中繁衍生息。那么，它们“吃”什么呢？硫！ 它们有一种特殊的本领，能氧化硫化氢、硫黄和其他硫化物为硫酸，并利用这类氧化作用释放的能量来同化二氧化碳。同时，在它们体内累积硫黄粒。使它们带上不同的颜色，如上图。河流中的黄色物质都是古细菌群，当然还有一些硫细菌（Mathanobacillus），它们不属于古细菌。（下图示古细菌）,30,古细菌archae
20、bacteria,31,绿色硫细菌green sulfur bacteria,32,细菌的进化： 1、最早的细菌生活在38-35亿年前的无氧环境中。由于早期地球有机物丰富，细菌靠分解原始海洋中的现成有机物生活。是异养细菌 2、后来，原始海洋中的有机物消耗殆尽，由出现了靠化学反应合成有机物的化能合成细菌和靠光合作用生产有机物的光合自养菌，如蓝藻菌。异养细菌以它们合成的有机物为营养来源。 3、后来大气中有了氧气，杀死了很多不适应的厌氧细菌，幸存者中出现了一些好氧细菌和兼性细菌。后来又出现了寄生细菌等等。,33,细菌的贡献：由于有了细菌，自然界的有机物才能被分解，才不会到处是生物遗体，才有了食物链（
21、即有机物在自然界的不断循环）。人体消化道的细菌帮助我们分解食物，这一点对食草动物和白蚁十分重要，否则它们将不能消化植物纤维而被活活饿死！好氧细菌共生在原始的真核细胞（细胞有细胞核的生物）中，后来特化为我们细胞中极为重要的线粒体（提供我们能量）.总之，细菌是地球生物圈的基础。细菌将永远生活在我们身边。如果您想知道在哪儿可以找到现代生物的祖先，地球上最古老的生物。不妨去美国黄石公园的温泉看看，那些生活在沸水中的细菌便是我们的祖先！它们的近亲也生活在世界上的各个温泉。以后如果您到了一个温泉，不妨看看那些滑滑的石头，那上面全是些不平凡的细菌！,34,细菌：最先由荷兰人Leeuwehoek在十七世纪于雨
22、水中发现。出现于距今38-35亿年前的无氧环境中，可能是支原体一类的细菌，仅仅0.1微米（一微米是千分之一毫米）。支原体没有细胞壁，故细胞柔软，形成分枝状的细胞，故称支原体。细菌细胞内没有细胞核，遗传物质分散于细胞质内，因而细菌属于原核生物（细胞内没有细胞核的生物）。在过去，细菌被划分为植物(仅仅因为有细胞壁！)但在在现代分类学中，细菌已独立一界。广义的细菌就全部囊括了所有的原核生物。细菌微小，大多数只有0.5-2微米，但少数却有0.1-0.3毫米，如纳米比亚硫磺珍珠细菌。细菌细胞结构简单，但有有趣的运动器官。如鞭毛。细胞表面还有菌毛，有些中空菌毛可以把细菌的遗传物 质运送到其它细菌,故细菌又
23、有性别之分。细菌的细胞壁由肽聚糖组成，十分坚固。但青霉素可以阻止它的合成，从而杀死细菌。,35,第二章 原核微生物学 第一节 细菌 世界上最古老的生物也是最成功的生物。 细菌是一种个体微小、形态简单、具有细胞壁、以二 分裂法进行繁殖的单细胞的原核微生物。 原核微生物主要的共同特点：细胞内有明显核区， 但无核膜包围；核区内含有一条双链DNA构成的细菌染 色体；能量代谢和许多合成代谢均在质膜上进行；蛋 白质的合成“车间”核糖体分布在细胞质中。 细菌形态和大小 细菌的基本形态有杆状、球状 和螺旋状，杆菌、球菌和螺旋菌。 1. 球菌 coccus：菌体呈球形或近球形的细菌称球菌 单球菌coccus 双
24、球菌diplococcus 链球菌 streptococcus 四联球菌tetrads 八叠球菌 sarcina 葡萄球菌 staphylococcus不论哪种类型的排列，在显微镜下都能看到游离的单个球菌。,36,原核微生物与真核微生物的细胞差异,37,球菌的排列,38,双球菌,39,链球菌,40,四联球菌,41,八叠球菌,42,葡萄球菌,43,金黄色葡萄球菌,44,球 菌,45,奈瑟氏球菌,46,奈瑟氏球菌,47,2. 杆菌 bacillus 杆状细菌是细菌中种类最多的一类，因菌种不同，菌体细胞长短粗细不一。根据长短分为长杆菌、短杆菌、球杆菌等；根据菌体某个部位是否膨大可分为棒状杆菌、梭状杆
25、菌等；另外还有链杆菌等。,48,长 杆 菌,49,长 杆 菌,50,短杆菌,51,短杆菌,52,球杆菌,53,梭状芽孢杆菌,54,链杆菌,55,3.螺旋菌 spirilla 菌体呈弯曲状的细菌称为螺旋菌，具体可以分为弧菌(vibiro)和螺菌(spirillum)。弧菌菌体呈弧状或逗号形，螺菌菌体迥转成螺旋状。,56,螺旋菌spirillum,57,螺旋体spirochete,58,* 注意螺旋菌与螺旋体spirochete的区别：螺旋体是介于细菌和原生动物之间的单细胞原核生物，形态学和运动机制独特。螺旋体菌体细长、柔软、弯曲呈螺旋状而得名。无鞭毛，具有细菌所有的基本结构，其细胞壁不及细菌的坚
26、韧，内含脂多糖和胞壁酸。细菌的形态常受环境因素的影响。如培养温度、培养时间、培养基中物质的组成及浓度等发生改变均可引起细菌形态的改变。一般处于幼龄及培养条件适宜时，细菌形态正常、整齐；在较老的培养物中，或在不正常的培养条件下，细菌细胞形态表现异常，如移置到新鲜培养基内并在适宜条件下培养，会重新出现正常的细菌形态。细菌的形态常是细菌分类鉴定的指标之一。,59,* 细菌的异常形态：细胞膨大，或出现梨形，或产生分枝，或细胞拉长,1畸形：由于化学或物理因素的刺激，阻碍了细胞的发育而引起的异常形态,2衰颓形：由于培养时间过长，营养缺乏，代谢排泄物浓度积累过高等使细胞衰老而引起的异常形态,60,细菌形态总
27、结,61,二.细菌的大小 细菌通常用微米um作为测量单位1.球菌：测量直径，一般在0.5-2um； 2.杆菌：测量长和宽，长一般在1-5um，宽一般在0.5-1um；3.螺菌：一般只测量其弯曲形长度，而不测量其真正的总长度测量细菌大小用测微尺在显微镜下进行。菌种不同，细菌大小存在较大差异；染色方法不同，同种细菌也会出现差异；细菌细胞大小随菌龄变化，一般幼龄菌比老龄菌要大。故细菌大小常是平均值或代表性数值。,62,三.细菌的细胞生物学(细菌细胞的形态结构) 细菌细胞无完整的细胞核(不有核膜)，无线粒体等细胞器。细菌的细胞结构，一般分为基本结构和特殊结构二部分。基本结构：细胞壁、细胞膜、间体、核质
28、体、细胞原生质等；特殊结构：荚膜、鞭毛、芽孢等。,63,原核生物细胞(细菌)电镜解剖图,64,典型的细菌细胞结构示意图,65,(1)细胞壁 cell wall细胞壁是位于细胞最外层的一层坚韧而略具弹性的结构。通过特殊染色可在光镜下看到。细菌细胞壁的主要化学成分是肽聚糖(peptidoglycan)而肽聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺(N-acetylglucosamine简写NAG)和N-乙酰胞壁酸(N-acetylmuramic acid，简写NAM)以及短肽聚合而成的多层网状结构大分子化合物。NAG和NAM相间排列，以-1,4糖苷键连接，形成肽聚糖的多糖链。以肽键连接的氨基酸短肽形成肽聚糖的肽链，
29、其氨基酸的组成和排列顺序，通常为L-Ala,D-Glu,L-二氨基酸和D-Ala；这些短肽通过D-乳酰羧基连在部分或全部NAM的残基上。相邻短肽通过一定的方式将肽聚糖亚单位交叉连接成重复结构。* 细菌细胞壁的永恒性细菌化石的基础,66,肽聚糖的结构示意图,67,肽聚糖中NAG与NAM的交联方式,68,E.coli peptidoglycan,69,金黄色葡萄球菌肽聚糖结构,70,肽聚糖的交联及其局部放大 四肽之间有一甘氨酸五肽桥,71,肽聚糖中的肽桥连接方式 纵向：四肽链，横向：五肽桥,72,细胞壁肽聚糖肽桥连接细节,73,N-乙酰胞壁酸的化学结构,74,不同种类细菌细胞壁中肽聚糖的结构与组成
30、不完全相同，细胞壁的厚度也不等。根据细菌细胞壁厚度与化学组 分的差异，通过“革兰氏染色”可以将所有细菌分为革兰氏阳性细菌(G+)革兰氏阴性细菌(G-)二大类。革兰氏染色法是丹麦医生Gram于1884年首创，系微生物学中最重要的染色方法之一。革兰氏染色程序：细菌涂片草酸铵结晶紫初染碘 液媒染酒精脱色沙黄复染镜检美国微生物学会推荐的标准方法：将以下三种细菌涂 片于同一块载玻片，进行同条件染色。标准G+细菌 待检细菌样品 标准G-细菌 金黄色葡萄球菌 大肠杆菌关于革兰氏染色的原理，一般认为与细菌细胞壁的化学组分和结构、细胞壁的渗透性有关。,75,革兰氏染色方法图示,76,大肠杆菌的革兰氏染色(阴性)
31、,77,金黄色葡萄球菌的革兰氏染色(阳性),78,G+细菌和G-细菌的混合染色结果,79,1) 革兰氏阳性细菌G+ (Gram-postive bacteria)多数G+细菌细胞壁由二部分构成：微细纤丝microfibric组成的网状骨架和基质matrix。其化学组分除肽聚糖外，还有结合有其它多糖及一类特殊的多聚物磷壁(酸)质teichoic acid。磷壁(酸)质又称垣酸，是多数G+细菌细胞壁中组成基质所特有的化学成分，可分为甘油型和核糖醇型磷壁(酸)质二种；除个别球菌外，G+细菌细胞壁只含一种磷壁(酸)质。磷壁(酸)质的存在使细胞壁形成一个负电荷环境，大大加强了细胞膜对二价阳离子的吸附，尤
32、其是Mg2+。高浓度Mg2+的存在对于保持细胞膜的硬度，提高细胞壁合成酶的活性极为重要；同时磷壁(酸)质在细胞表面构成噬菌体吸附的受体位点。,80,G+细菌细胞壁超薄切片的电镜图象,81,G+细菌细胞壁结构示意图,82,G+细菌cell Envelope,83,G+细菌细胞壁构架示意,84,2)革兰氏阴性细菌G- (Gram-negative bacteria)G-细菌细胞壁的组成和结构比G+细菌更复杂，其结构层次明显，分为内壁层和外壁层。内壁层紧贴细胞膜，为肽聚糖层，其网状结构不及G+细菌的坚固，显得比较疏松。外壁层覆于肽聚糖层之外部，可再分为内、中、外三层。外为脂多糖层，中间磷脂层，内是脂
33、蛋白层；部分G-细菌的抗原性、致病性及对噬菌体的敏感性均与这些组分有关。脂多糖是G-细菌细胞外壁层的主要成分，也是G-细菌细胞壁中的独有成分，其化学成分因种而有差异，由核心、O-侧链和质组成。O-侧链具有抗原性(菌体抗原，O抗原)。不同种或型的细菌，O-侧链的组成和结构均有变化，构成了各自的特异性抗原。 非致病性G-细菌细胞壁中不具有O-侧链，只有核心。O抗原的差异在免疫学和临床诊断中具有重要意义。,85,G-细菌细胞壁超薄切片的电镜图象,86,G-细菌细胞壁结构示意图,87,G-细菌cell Envelope,88,G-细菌细胞壁构架示意,89,G-细菌细胞壁脂多糖LPS三部分的结合方式,9
34、0,脂多糖结构,91,3) G-细菌和G+细菌细胞壁的差异比较 性 质 革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌 厚 度nm 20-80 内：2-3 外：8层 次 单层 多层 肽聚糖结构 多层，75%亚单位交联 单层，30%亚单位交联 与细胞膜关系 不紧密 紧密 磷壁(酸)质 有或无 无多 糖 有 无 蛋 白 质 有或无 内：无 外：有 脂 多 糖 1-4% 内：无 外：11-22% 脂 蛋 白 无 内：有或无 外：有 对青霉素反应 敏感 不够敏感 细菌细胞壁的组成中，胞壁酸(NAG、NAM)、磷壁(酸)质、二氨基庚二酸、D-氨基酸等是细菌以及与之相近的原核微生物细胞壁中所特有的。D-氨基酸的存在有助于
35、抵抗普通蛋白酶和肽酶的分解作用。,92,G-细菌和G+细菌细胞壁的结构比较示意,93,G-细菌和G+细菌细胞壁肽聚糖交联度比较,94,4) 细胞壁缺陷细菌用溶菌酶处理细菌细胞或在培养基中加入青霉素等因子，便可破坏或抑制细胞壁的形成，成为细胞壁缺陷细菌。包括原生质体、球形体和细菌L-型 原生质体protoplast：用溶菌酶或青霉素处理G+细菌获得，细菌除去细胞壁后剩下的部分称原生质体。原生质体对环境条件敏感，但在适宜条件下可生长，并形成菌落 球形体 spheroplast：用溶菌酶或青霉素处理G-细菌获得，因该类菌细胞壁肽聚糖含量少，虽被溶菌酶除去，但外壁层全部保留，故球形体对外界环境有一定抗
36、性，并能在普通培养基中生长。 细菌L-型 bacterial L-form：这是G+和G-细菌在某些环境条件下所形成的变异型。无完整而坚韧的细胞壁，细胞多形态，有的能通过细菌滤器。最先被Lister研究所发现，故名L-型。,95,5)古细菌细胞壁 细胞壁不含肽聚糖(胞壁质)和D型氨基酸，含拟胞壁质或杂多糖。可分为四个类型类型1：大多数G+古细菌，细胞壁主要为拟胞壁质或杂多糖；类型2：只存在于G+的炽热甲烷热菌，在拟胞壁质外还有蛋白质表层；类型3：为典型的G-古细菌细胞壁，见于所有嗜热嗜酸菌、多数嗜盐古细菌和产甲烷菌中。与G-真细菌不同，细胞膜外仅有一个蛋白质或糖蛋白组成的表层，坚固热稳定。类型
37、4：单个细胞外有一个电子致密弹性层，还有蛋白原纤维鞘将若干细胞连在一起。见于甲烷螺菌和甲烷丝菌。拟胞壁质的聚糖链由N-乙酰葡萄糖胺(或N-乙酰半乳糖胺)和N-乙酰氨基塔罗糖醛酸以-1,3键交替连接。含拟胞壁质的G+古细菌无磷壁酸或磷壁醛酸。只有L-氨基酸。,96,(2)细胞膜 cell membrane or cytoplasmic membrane or plasma membrane细胞膜是外侧紧贴细胞壁而内侧包围细胞原生质的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜。细胞膜厚度约7-8nm，其基本构造为双层磷脂，蛋白质横跨磷脂层或位于表面。细菌细胞膜基本由脂类和蛋白质构成。脂20%，Pr70% 脂类
38、：细菌细胞的脂类几乎全部分布在细胞膜中，主要为极性类脂甘油磷脂，由甘油、脂肪酸、磷酸和含氮碱组成；含氮碱部分因菌种、菌体生理状态和环境条件而异。磷脂中的脂肪酸有饱和与不饱和脂肪酸二种，其中不饱和脂肪酸使细胞膜具备了流动特征。如果磷脂分子中只含饱和脂肪酸，在生理温度下，脂肪酸便排列成固定晶格。,97,但是不饱和脂肪酸可导致膜结构变形。当磷脂分子中二者同时存在时，在一定条件下就阻碍了形成晶格结构所需的有序排列。因此，细胞膜的流动性很大程度上取决于不饱和脂肪酸的结构和相对含量。这种结构使得膜中脂类在较低的温度条件下仍能维持膜中蛋白质的活性。环境中的温度或某些化学成分的改变，都会引起细胞膜发生“相变”
39、现象溶胶/凝胶(phase transition)，即一部分脂区从流动态变为凝胶态，另一部分则从凝胶态变为流动态。所以，细胞膜中磷脂层的某些部位，随外界环境条件的变化以及膜中脂类的不同，结构上常出现“相变”现象。这正好反映细胞膜功能的多样性以及调节机制的复杂性。低温抑制细菌繁殖，原因之一就是降低了细菌细胞膜的流动性，阻止细胞内外的物质运输。,98,2) 蛋白质 含量占细胞膜的70%左右，高于任何一种生物膜。根据蛋白质的分布可分为二大类：一类是外周蛋白(可溶性蛋白)，分布于膜内、外两侧的表面，占膜蛋白的20-30%；另一类是固有蛋白，插入或横跨于磷脂双分子层，占膜蛋白的70-89%。细菌细胞膜是
40、一个重要的代谢活动中心，众多膜蛋白各具特殊活性，按功能分为： 渗透酶(透性酶)：负责细菌细胞与外界的物质交换，具有重要的转运功能； 合成酶：负责合成细胞膜脂类分子以及细胞壁的各种大分子；,99, 呼吸酶：细菌进行有氧呼吸的呼吸链(电子传递链)的酶系琥珀酸脱氢酶、NADH2脱氢酶、细胞色素氧化酶等均分布与细胞膜上； ATP合成酶：氧化磷酸化酶系，在其作用下，细胞产生ATP。3) 细菌细胞膜结构理论：磷脂双分子层构成膜的基本骨架；磷脂分子在细胞膜中以多种形式不断运动，使膜具有流动性；膜蛋白无规则的、以不同深度分布与膜的磷脂层中细胞膜中的蛋白和磷脂，不论数量与种类，均随菌体生理状态而变化。,100,
41、细胞膜双分子层结构示意图,101,细胞质膜的立体结构示意图,102,(3)中体(间体) mesosome细胞膜内陷而成的层状、管状或囊状物，为细菌细胞质中主要的、典型的单位膜结构。其功能可能是呼吸作用的电子传递系统中心，相当于高等生物的线粒体；另外也可能参与细胞壁的合成、核质分裂和芽孢细菌的芽孢形成,103,一种细菌的间体m、核n、细胞膜cm、细胞壁cw,104,(4) 细胞核 nucleoid(拟核)细菌细胞核无核膜、无核仁、无固定形态，结构简单。此为原核生物与真核生物的主要区别原核原始的核。所以细菌细胞核也称为核质体或细菌染色体，为环状双链DNA。细菌染色体为高度折叠缠绕的“超螺旋”结构，
42、正常情况下，一个菌体只有一个核质体，细菌处于活跃生长期可有2-4个核质体，出现H、X和Y形核。细菌DNA的分子量为109daltons数量级。细菌染色体是细菌遗传的物质基础。,105,一种双球菌的核质体(n),106,处于复制状态的大肠杆菌染色体DNA,107,(5)细胞质(细胞原生质) cytoplasm细胞质是细胞膜内除却细胞核外的胶状物质，主要成分为水、蛋白质、核酸、脂类、多糖及少量无机盐类。细胞质中含有各种内含物(非所有细菌共有)： 核糖体 ribosome核糖体是分散存在于细菌细胞质中的沉降系数为70S的亚微颗粒，是细胞合成蛋白质的重要场所，由65%的RNA和35%的蛋白质组成。*
43、真核生物的核糖体的沉降系数为80S细菌的多聚核糖体：由一条长的mRNA分子和若干单个的核糖体结合而成，呈念珠状，每个核糖体独立完成一条多肽的合成，故细菌的蛋白质合成效率很高。原核生物细胞平均含15000个核糖体，真核生物细胞平均含10000-70000个核糖体。,108,细菌细胞的70S核糖体模型,109, 质粒 plasmid质粒是细菌染色体外的一种微小遗传物质，结构为共价、闭合、环状的双链DNA(cccDNA)；分子量为2-100106daltons，质粒个数因菌种1-数十个。按功能可将质粒分为：A.抗药性质粒(R因子)：对抗生素或某些药物表现抗性；B.致育因子(F因子)：与细菌的有性接合
44、有关，参与细菌的接合、转导等；C.大肠杆菌素质粒(Col因子)：产生大肠杆菌素，以抑制其它细菌生长；D.抗性质粒：对Hg2+、Ni2+、Co2+、Ag+、 Cd2+、As3+、Te6+以及紫外、X射线具有抗性；E.分解性质粒：可分解樟脑、二甲苯、酚及难分解的一些有机物质粒能自我复制，既能水平传递也可垂直遗传，是一个独立的复制子replicon，可携带外源DNA片段共同复制并转移，为基因工程中的重要运载(载体)工具。,110, 异染颗粒 metachromatic granules主要成分是多聚偏磷酸盐，可能是细菌细胞的磷源和能源性贮藏物，为嗜碱性的酸性小颗粒，用蓝色染料染色后呈紫红色，故称异染
45、颗粒。在菌种鉴定上有意义。 聚羟基丁酸颗粒 poly-hydroxybutyric acid为细菌所特有，是细菌的碳源和能源性贮藏物易被脂溶性染料苏丹黑着色，在光镜下可见。 多糖颗粒 polysaccharide granules这种颗粒一般以肝糖或淀粉粒的形式存在，可在电镜下观察到。用碘液染色呈红棕色的是肝糖粒，染成蓝色的是淀粉粒。,111, 硫粒 sulfur granules 仅存在于硫细菌中，是硫素贮藏性物质。 伴胞晶体 parasporal crystal这是苏云金芽孢杆菌在芽孢形成过程中，同时形成一种菱形的多肽晶体，为碱性蛋白质，是一种昆虫毒素(-Endotoxin)，对多种昆虫具
46、有不同程度的致病和毒杀作用。 液泡vacuole 和气泡gas vacuoole 液泡出现于衰老细菌细胞中；气泡主要存在于某些光合细菌与水生细菌的细胞质中，其生理学功能是调节渗透压，抵抗外部所施加的压力不同细菌其贮藏性内含物是不同的。同一菌种在不同条件下的内含物不尽相同。,112,2.特殊结构 只在部分细菌中才存在的细菌细胞结构，如芽孢、鞭毛、荚膜等。 (1)荚膜 capsule 细菌在一定营养条件下向细胞壁分泌的一层疏松、粘稠、透明的胶质状物质。用负染方法可在光镜下看到。荚膜在细胞表面存在的几种状况：A.具有一定外形，厚约200nm，相对稳定，称为荚膜或大荚膜macrocapsule；B.厚
47、度在200nm以下，称微荚膜microcapsule；C.无明显边缘，可向周围环境扩散，比荚膜疏松，称粘液层slime layer荚膜含90%的水，化学成分为多糖或多肽的聚合物，荚膜多糖又称胞外多糖。成分因菌种不同而异。产生荚膜是细菌的遗传特性，种的特征，但非细菌细胞的必需结构。,113,印度墨水染就的荚膜,114,荚膜内的单个与多个细菌,115,肠道细菌的荚膜染色,116,具有荚膜的布鲁斯菌Brucella,117,荚膜虽不是细菌细胞的重要结构，但它是细胞外碳源和能源性贮藏物质；并能保护细胞免受干燥的影响，同时可增强某些病原菌的致病能力，使之抵御宿主吞噬细胞的吞噬。产生荚膜的细菌在琼脂培养基
48、上形成的菌落表面湿润，粘稠透明状，边缘光滑，称光滑型(S型)菌落；不产荚膜的细菌所形成菌落为粗糙型(R型)荚膜的形成与环境条件密切相关。提纯的荚膜物质具有抗原性和半抗原性。,118,(2)鞭毛 flagella 运动性微生物细胞表面着生的一根或数根由细胞内伸出的细长、波曲、毛发状的丝状体结构，是细菌的“运动器官”。鞭毛起源于细胞膜内侧的基粒上，其化学组成主要是鞭毛蛋白，是很好的抗原(H抗原)；类似于动物的角蛋白、肌球蛋白、纤维蛋白。1)鞭毛的着生位置：鞭毛的着生位置和数目是种的特征，具有分类鉴定意义。A.偏端单生鞭毛 霍乱弧菌、荧光假单胞菌；B.两端单生鞭毛 鼠咬热螺旋体；C.偏端丛生鞭毛 红色螺菌、产碱杆菌；D.周生鞭毛 肠道杆菌、枯草杆菌。,119,细菌鞭毛着生示意图,
