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第二章原核微生物的形态、构造和功能本章重点:原核（细胞）微生物的基本形态、构造、类群；非丝状原核微生物（细菌）的形态特征（与染色）、构造及功能、繁殖方式、菌落特征、基本类群。本章难点：丝状原核微生物（放线菌）的形态特征、构造及功能；放线菌的菌落特征、繁殖方式、基本类群。建议学时：10学时原核微生物：即广义的细菌，指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作核区的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌和古生菌两大类群。第一节细菌一、概述：1、生境：温暖、潮湿、富含有机质的地方。2、细菌对人类的危害：（1）有些细菌能引起传染病；（2）不少腐败菌能引起工农业产品的腐败变质。3、细菌对人类的贡献：（1）工业上：利用细菌生产氨基酸、核苷酸、酶制剂、乙醇、丙酮、丁醇、有机酸、抗生素等。（2）农业上：生产生物杀虫剂、细菌肥料。（3）医药上：生产各种疫苗、类毒素、代血浆。（4）在环保、国防上：二、细菌的形态和大小（一）基本形态细菌的基本形态(引自Madiganetal.，2000)1、球菌Coccus：①单球菌分裂后的细胞分散而单独存在的为单球菌。如尿素微球菌（Micrococcusureae）。②双球菌分裂后两个球菌成对排列，如肺炎双球菌（Diplococcuspneumoniae）。③链球菌分裂是沿一个平面进行，分裂后细胞排列成链状，如乳链球菌（Streptococcuslactis）。④四联球菌沿两个相垂直的平面分裂，分裂后每四个细胞在一起呈田字形，称四联球菌。如四联微球菌（Micrococcustetragenus）。⑤八叠球菌按3个互相垂直的平面进行分裂后，每8个球菌在一起成立方形，如尿素八叠球菌（Sarcinaureae）。⑥葡萄球菌：分裂面不规则，多个球菌聚在一起，像一串串葡萄。如金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）。2、杆菌Bacillus(Bacterium)：(1)形态：短杆状、纺锤状、棒状、梭状、月亮状、分枝状、竹节状等(2)排列方式：链状、栅状、“八”字状及有鞘衣的丝状等。3、螺旋菌Spirillum：是细胞呈弯曲杆状细菌统称，一般分散存在。根据其长度、螺旋数目和螺距等差别，分为弧菌Vibrio（菌体只有一个弯曲，形似C字）和螺旋菌（螺旋状，超过1圈）。与螺旋体Spirochaeta区别：无鞭毛。①弧菌菌体弯曲呈弧形或逗号形。如逗号弧菌（Vibriocomma）是霍乱病的病原菌。②螺旋菌菌体回转如螺旋，螺旋数目的多少及螺距大小随菌种不同而异。如减少螺菌。（二）细菌大小细菌的大小球状细菌直径（µm）尿素微球菌（Micrococcusureae）1.0～1.5金黄色微球菌（Micrococcusaureus）0.8～1.0乳链球菌（Streptococcuslactis）0.5～0.6最大八叠球菌（Sarcinamaxima）4.0圆褐固氮菌（Azotobocterchroococcum）4.0～6.0旋动泡硫菌（Thiophysavolutans）7.0～8.0杆状细菌长度（µm）宽度（µm）普通变形杆菌（Proteusvulgaris）0.5～4.00.4～0.5大肠杆菌（Escherichiacoli）1.0～2.00.5德氏乳杆菌（Lactobacillusdelbruckii）2.8～7.00.4～0.7枯草杆菌（Bacillussubtilis）1.2～3.00.8～1.2巨大芽孢杆菌（Bacillusmegatherium）3.0～9.01.0～2.0螺旋状细菌长度（µm）宽度（µm）霍乱弧菌（Vibriocholerae）1.0～3.00.3～0.6红色螺菌（Spirillumrubrum）1.0～3.20.6～0.8迂回螺菌（Spirillumvolutans）10～201.5～2.0如何测量：显微测微尺细胞重量10-13-10-12g，每g细菌（三）常用的细菌染色法：由于细菌细胞既微小又透明，故一般先要经过染色才能作显微观察。细菌主要的染色法如下：三、细菌细胞结构其结构分为基本结构和特殊结构。基本结构是细胞不变部分，每个细胞都有，如细胞壁、膜、核。特殊结构是细胞可变部分，不是每个都有，如鞭毛、荚膜、芽孢，是细菌分类鉴定的重要依据。（一）基本结构1、细胞壁cellwall：细胞壁在细菌菌体的最外层。为坚韧、略具有弹性的结构。细胞壁约占细胞干重的10%～25%。各种细菌的细胞壁厚度不等，一般在10～80nm之间。（1）功能：1）维持细胞外形；2）保护细胞免受机械损伤和渗透压危害；3）鞭毛运动支点；4）正常细胞分裂必需；5）一定的屏障作用；6）噬菌体受体位点所在；7)与细菌的抗原性、致病性有关。（2）形态特征G+和G-细胞壁构造(3)细胞壁的构成：组成细胞壁的物质主要有肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、蛋白质等。其中磷壁酸只存在于G+菌中，脂多糖只存在于G-菌中，G+菌中肽聚糖含量多，蛋白质含量少，G-菌中肽聚糖含量少，蛋白质含量多。革兰氏染色CristeinGram，1884发明（Koch实验室）而后一些学者在此基础上作了某些改进，革兰氏染色法是细菌学中最重要的鉴别染色法。表革兰氏染色程序和结果步骤方法结果阳性（G+）阴性（G—）初染结晶紫30s紫色紫色媒染碘液30s仍为紫色仍为紫色脱色95%乙醇10～20s保持紫色脱去紫色复染蕃红（或复红）30～60s仍显紫色红色凡是不能被乙醇脱色，呈蓝紫色，称为革兰氏阳性菌G+凡是经乙醇脱色，呈复染剂颜色，称为革兰氏阴性菌G-革兰氏染色中最关键的一步是脱色，如果脱色过度，会将G+误认为G-；如果脱色不足，会将G-误认为G+。1）革兰氏阳性菌Grampositive以金黄色葡萄球菌为例，Staphylococcusaureus（i）细胞壁构成：一连续层，厚20-80nm两部分：网状骨架：微纤丝组成基质：骨架埋于基质中(ii)化学组成：主要是肽聚糖（网状骨架）和磷壁酸（基质）i）肽聚糖peptidoglycan(粘肽、胞壁质)是真细菌细胞壁中的特有成分，也是原核微生物特有成分（古生菌没有）。是呈多层网状结构的大分子复合体，由许多亚单位（肽聚糖单体）交联而成。亚单位a.双糖单位：N-乙酰胞壁酸（NAM）和N-乙酰葡萄糖胺（NAG）通过β-1，4糖苷键相连而成。M和G交替连接，从而形成了肽聚糖层的骨架。——聚糖b.短肽：连接在胞壁酸分子上的、由四个氨基酸以L、D交替连接起来：L-Ala-D-Glu-L-Lys-D-Ala。含D-谷氨酸、D-和L-丙氨酸和二氨基庚二酸或赖氨酸。（含D型氨基酸是原核生物的特征）c.肽桥：短肽之间连接。肽短肽全部或部分连至NAM上，短肽之间也有连接，组成一网状结构。生理功能：是真细菌细胞壁中的特有成分，它构成了壁的坚硬度，决定细胞的形态，并防止渗透压引起的裂解。ii)磷壁酸teichoicacid(垣酸)G+特有成分。多元醇与磷酸复合物，通过磷酸二酯键与NAM相连。其中，与肽聚糖分子进行共价结合的，称壁磷壁酸，其含量会随培养基成分而改变；另一类是跨越肽聚糖层并与细胞膜相交联的，称为膜磷壁酸或脂磷壁酸。根据多元醇不同，有甘油型（以磷酸甘油为重复单位）、核糖醇型（以磷酸核糖醇为重复单位）等5种类型。生理功能：a.通过分子上的大量负电荷浓缩细胞周围的Mg2+，以提高细胞膜上一些合成酶的活力；b.贮藏元素；c.调节细胞内自溶素的活力，借以防止细胞因自溶而死亡；d.作为噬菌体的特异性吸附受体；e.赋予G+细菌特异的表面抗原，因而可用于菌种鉴定；f.增强某些致病菌（如A族链球菌）对宿主细胞的粘连，避免被白细胞吞噬，并有抗补体的作用。2)革兰氏阴性菌Gramnegative以大肠杆菌为例：（i）细胞壁构成：G—细菌细胞壁比G＋细菌细胞壁薄（15～20nm），层数较多而结构较复杂。i）内壁层：（肽矩躺层）厚2-3nm，单（双）分子层，由肽聚糖构成。与G+区别：交联低；DAP取代L-Lys（肽尾的第三位氨基酸）；无特殊肽桥（是两个短肽在3、4位氨基酸之间直接连接，因而机械强度较低。）。ii)外壁层（外膜）：内层：脂蛋白层，以脂类部分与肽聚糖相连。中层：磷脂层。外层：脂多糖层，外壁重要成分，8-10nm。G—细菌细胞壁外膜同细胞质膜相同之处也是双层类脂，但除磷脂外还含有多糖和蛋白质。外膜中含有几种蛋白，如脂蛋白、通透蛋白。有些蛋白具有通孔作用（porin），调控外界分子进入细胞；有的蛋白分子可以作为噬菌体的受体。iii）周质空间：G—细菌细胞壁的外膜与细胞质膜之间存在明显的壁膜间隙，一层薄的肽聚糖处于其间，肽聚糖层和细胞质膜之间的间隙较宽，肽聚糖层至外膜之间的间隙较窄。大肠杆菌的壁膜间隙宽度为12～15nm，呈胶胨态。其间含有三类蛋白质：水解酶，催化食物的初步降解；结合蛋白，启动物质转运过程；化学受体（chemoreceptors），在趋化性中起作用的蛋白。(ii)脂多糖lipopolysaccharideLPS，G-特有成分。i）结构：类脂A+核心多糖+O-侧链LPS的多糖部分包括核心多糖和O-特异多糖。O-特异多糖由重复分支的碳水化合物分子组成，含有已糖（葡萄糖、半乳糖和鼠李糖）和二脱氧已糖。由于糖的种类不同，使各种G—细胞具有不同特性的LPS。核心多糖（corepolysaccharide）的主要组分是酮脱氧辛酸（ketodeoxyoctonate,KDO）。ii)功能：a.内毒素物质基础；b.吸附镁、钙离子以提高它们在细胞表面的浓度；c.决定G-表面抗原多样性；d.噬菌体受体位点。（iii）G+与G-比较（iv）革兰氏染色机制通过结晶紫液初染和碘液媒染后，在细菌的细胞膜内可形成不溶于水的结晶紫与碘的复合物。G+细菌由于其细胞壁较厚、肽聚糖网层次多和交联致密，故遇脱色剂乙醇（或丙酮）处理时，因失水而使网孔缩小，再加上它不含类脂，放乙醇的处理不会溶出缝隙，因此能把结晶紫与碘的复合物牢牢留在壁内，使其保持紫色；反之，G-细菌因其细胞壁薄、外膜层类脂含量高、肽聚糖层薄和文联度差，遇脱色剂乙醇后，以类脂为主的外膜迅速溶解，这时薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘复合物的溶出，因此细胞退成无色这时，再经沙黄等红色染料复染，就使G-细菌呈现红色，而G+细菌则仍保留最初的紫色（实为紫加红色）了。3）古生菌：是与真细菌和真核生物相互独立的生物类群，主要包括一些独特生态类型的原核生物，其细胞壁功能与真细菌相似，但化学成分差别很大，它不含真正的肽聚糖，而含假肽聚糖、糖蛋白或蛋白质。4)缺壁细菌：缺壁细菌指细胞壁缺乏或缺损的细菌。2、细胞膜cellmembrane(1)形态特征：在细胞壁与细胞质之间的一层柔软而富有弹性的半透性膜，厚7-8nm。在电镜下观察到的细胞膜，是在内外两暗色层之间夹着一浅色中间层的一种双层膜结构。(2)化学组成：蛋白和磷脂，蛋白含量高达75%，种类也多。膜不含甾醇类。1)磷脂：膜是由两层磷脂分子整齐地对称排列而成的其中每一个磷脂分子由一个带正电菏且能溶于水的极性头（磷酸端）和一个不带电荷、不溶于水的非极性端（烃端）所构成。两个极性头分别朝向内外两表面，呈亲水性，而两个非极性端的疏水尾则埋入膜的内层，于是形成了一个磷脂双分子层。2)蛋白：i．整合蛋白（或内嵌蛋白）：嵌埋在呈液态的磷脂双分子层中，具运输功能。ii．周边蛋白（或膜外蛋白）：“漂浮”在磷脂双分子层的外表面，具有酶促作用。（它们都可在磷脂表层或内层作侧向运动，以执行其相应的生理功能。）(3)膜结构——液态镶嵌模型①膜的主体是脂质双分子层；②脂质双分子层具有流动性；③整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂质双分子层的疏水性内层中；④周边蛋白表面含有亲水基团，故可通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连；⑤脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合；⑥脂质双分子层犹如“海洋”，周边蛋白可在其上作“漂浮”运动，而整合蛋白则似“冰山”沉浸在其中作横向移动。(4)功能：1）高度选择透性膜，控制物质运输；2）渗透屏障，维持正常渗透压；3）重要代谢活动中心；4）与壁、荚膜合成有关；5）鞭毛着生点