第二章 原核微生物

第二章原核微生物微生物古生菌（Archaea）细菌（Bacteria）真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生动物等非细胞型：病毒细胞型原核微生物真核微生物古生菌在进化谱系上与真细菌及真核生物相互并列，且与后者关系更近，而其细胞构造却与真细菌较为接近，同属于原核生物。原核微生物：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（eubacteria）和古生菌（archaea）两大类。广义的细菌。第一章原核微生物细菌（bacteria）1放线菌(actinomycetes）2蓝细菌(cyanobacteria)3其他几种原核微生物(others)4一、细菌概述细菌细胞（个体）的形态构造及其功能细菌的群体形态细菌〖概述〗1、细菌（bacteria）指真细菌。一类细胞细短（φ约0.5μm，长度约0.5～5μm）、结构简单、细胞壁坚韧、多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物。2、细菌在自然界的分布细菌是微生物的一大类群，在自然界分布广、种类多。到处寄生和腐生，尤其温暖潮湿、富含有机物的地方。大量细菌活动、生长繁殖形成肉眼可见菌落、菌苔，粘稠，具臭、酸败等气味；液体中生长会使液体变混浊、或产生沉淀、或液面漂浮白色气沫。头发和手指上的细菌3、细菌与人类的关系与人类生产生活关系十分密切，有害也有利。（1）害：人和动、植物多种传染病的病原微生物，引起食品、工农业产品腐烂变质。（2）利：是微生物学的主要研究对象，并被广泛应用于食品生产、工业（化工、石油开采、冶金）、农业（杀虫剂、细菌肥料、沼气发酵、饲料青贮）、医学（抗生素、菌苗、类毒素、代血浆、医用酶类）、环境保护（三废处理）、环境监测（气象、考古）、生物工程等各个方面、是科学研究中重要的实验对象。细菌（Bacteria）的形态构造及其功能1（一）形态和染色1、细菌的个体形态2、细菌的大小3、细菌的染色3（三）细菌的繁殖（二）细菌的细胞结构1、一般结构2、特殊构造21、细菌的个体（细胞）形态球菌(Coccus)杆菌(Bacillus)螺旋菌(Spirlla)其他形状的细菌（一）形态和染色引自GregoryN.Stephanopoulos，2003球菌(coccus)细胞呈球形或椭圆形，细胞分裂后产生的新细胞，常保持一定的空间排列方式排列方式可作为分类鉴定的依据。据此又把球菌分为以下类型：引自GregoryN.Stephanopoulos，2003LOGO金黄色葡萄球菌Staphylococcusaureus淋病奈瑟氏球菌Neisseriagonorrhoeae肺炎链球菌Streptococcuspneumoniae引自GregoryN.Stephanopoulos，2003杆菌(bacillus)杆状的细菌称为杆菌。杆状细菌的排列方式常因生长阶段和培养条件而发生变化，一般不作为分类依据。引自GregoryN.Stephanopoulos，2003LOGO结核分枝杆菌Mycobacteriumtuberculosis芽孢杆菌Bacillus,Clostridium铜绿假单胞菌（绿脓杆菌）Pseudomonasaeruginosa引自GregoryN.Stephanopoulos，2003LOGO炭疽病的病原菌------炭疽杆菌Bacillusanthracis引自GregoryN.Stephanopoulos，2003螺旋菌（Spirlla)弧菌(vibrio)螺菌（spirllum）螺旋体(spirochaeta)螺旋状的细菌称为螺旋菌。引自GregoryN.Stephanopoulos，2003螺旋菌：细胞呈弯曲杆状的细菌统称螺旋菌。螺旋菌细胞壁坚韧，菌体较硬，常以单细胞分散存在，不同种的细胞个体，在长度、螺旋数目和螺距等方面有显著区别。据此可再分为两种形态。1）弧菌菌体只有一个弯曲，其程度不是一圈，犹如C字，或似逗号，如霍乱弧菌。2）螺菌菌体回转如螺旋状，螺旋2～6环，小型、坚韧的螺旋状细菌。螺旋数目和螺矩大小因种而异。3）螺旋体螺旋6环以上，体大而柔软。螺旋体是介于细菌与原生动物之间的单细胞原核微生物，细胞非常细长、螺旋状、柔软而且易弯曲、无鞭毛，但能作特殊的弯曲扭动或象蛇一样的运动，繁殖方式为二分裂。在自然界存在的细菌中，杆菌最为常见；球菌次之；螺旋状的最少。引自周德庆《微生物学教程第二版》细菌的其他形态引自GregoryN.Stephanopoulos，2003LOGO环境条件的变化会导致异常形态：物理、化学因子的刺激培养时间过长阻碍细胞正常发育细胞衰老营养缺乏自身代谢产物积累过多异常形态正常形态环境条件恢复正常阻碍细胞正常发育细胞衰老营养缺乏自身代谢产物积累过多异常形态正常形态环境条件恢复正常环境条件的变化会导致异常形态：细菌电子显微镜照片2、细菌细胞的大小普通光学显微镜下用测微尺测细菌大小细菌菌体微小，大小随种类不同差别很大，有的与最大的病毒粒大小相近，在光学显微镜下勉强可见，有的与藻类细胞差不多，几乎肉眼就可辩认，但多数细菌属于二者之间。测量细菌大小的常用单位是微米(micrometerμm)。最小的细菌只有50nm，最大的可长达200~500μm，但一般不超过几微米。以E.coli（0.5μm×3μm）为例：120个细胞“并肩”排列，约一根头发丝的宽度（60μm）；1500个细胞头尾衔接起来仅3毫米；109个E.coli细胞重1mg。不同细菌大小的比较引自周德庆，2003细菌细胞大小的表示方法（1）球菌大小以直径表示：多为0.5~1μm。（2）杆菌以长和宽表示：杆菌直径与球菌相似，长度均为直径的几倍。0.2～1.25×0.7～8μm。（3）螺旋菌以长和宽表示：0.3～1×1～50μm（长度是菌体两端间的距离，而不是真正的长度）。细菌细胞大小的重要生物学意义不同细菌细胞大小不同细胞的大小是细菌分类特征同一细菌的不同菌龄细胞大小不同细菌细胞大小还与营养等因素相关细胞大小的测量结果只是近似值或平均值★同种细菌大小受菌龄、环境因素等条件影响，幼龄比成熟或老龄菌大得多，长度受菌令影响更强烈，其他生长条件或多或少都会影响菌体大小，渗透压的影响更直接。★因此测量菌体的大小要注意：①培养时间；②培养条件；③所用染色方法（不同染料附着在细胞上的多少不同）。★同种细菌大小受菌令、环境因素等条件影响，幼令比成熟或老龄菌大得多，长度受菌令影响更强烈，其他生长条件或多或少都会影响菌体大小，渗透压的影响更直接。★因此测量菌体的大小要注意：①培养时间；②培养条件；③所用染色方法（不同染料附着在细胞上的多少不同）。细菌染色法死菌正染色负染色：简单染色法鉴别染色法革兰氏染色法抗酸性染色法芽孢染色法荚膜染色法等活菌:姬姆萨染色法3、细菌的染色用美蓝或TTC（氯化三苯基四唑）等作活菌染色革兰氏染色法Thegramstain制片干燥固定染色水洗干燥镜检结晶紫初染碘液媒染酒精脱色番红复染引自GregoryN.Stephanopoulos，2003LOGOC.Gram于1884年发明的一种鉴别不同类型细菌的染色方法。引自GregoryN.Stephanopoulos，2003细菌细胞由外向里依次有鞭毛、菌（纤）毛、荚膜、细胞壁、细胞膜、细胞质，细胞质中又有液泡、储存性颗粒、核质等。（二）细菌的细胞构造细菌的结构引自沈萍，2003一般构造：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Cellstructure引自周德庆，2003（1）细胞壁（cellwall)细胞壁的结构细胞壁的功能细胞壁的化学组成细胞壁与革兰氏染色无壁细胞与原生质体1、细菌细胞的一般构造细胞壁的功能固定细胞外形协助鞭毛运动保护细胞免受外力的损伤为正常细胞分裂所必需阻拦有害物质进入细胞与细菌的抗原性、致病性和对噬菌体的敏感性密切相关1）G+阳性细菌细胞壁(厚壁菌门)G+细菌细胞壁厚度大（20～80nm）、化学组分简单，细胞壁的化学组成以肽聚糖为主，占壁物质总量的40－90％；另外结合有其它多糖及一类特殊多聚物—磷壁酸（一般10%）。引自周德庆，2003A、肽聚糖（粘肽、胞壁质、粘质复合物）☆肽聚糖是真细菌细胞壁的特有成分。结构：（以G+细菌金黄色葡萄球菌Staphylococcusaureus为例）肽聚糖是聚合物，由肽和聚糖两部分组成肽聚糖网格状分子，交织成一个致密的网套覆盖在整个细胞上。肽：包括四肽尾和肽桥；聚糖：由NAG（N-乙酰葡萄糖胺）和NAM（N-乙酰胞壁酸）两种单糖相互间隔连接成的长链。每一个肽聚糖单体由3个部分组成。G+细菌的肽聚糖单体G+细菌肽聚糖的单体图解左：简化的单体分子；右：单体的分子构造。箭头示溶菌酶的水解点引自周德庆，2003多个双糖单位相连形成肽聚糖的多糖链，……NAM－NAG－NAM－NAG……，其长度因菌种而异（金黄色葡萄球菌9个、地衣芽孢杆菌79个）。G＋细菌（金黄色葡萄球菌）肽聚糖的立体结构（片段）类型甲肽尾上连接点肽桥乙肽尾上连接点实例ⅠⅡⅢⅣ第4氨基酸第4氨基酸第4氨基酸第4氨基酸-CO·NH--(Gly)5--(肽尾）1～2－-D-Lys-第3氨基酸第3氨基酸第3氨基酸第2氨基酸E.coli（G-）S.Aureus（G+）M.Luteus（G+）C.Poinsettiae（G+）肽聚糖分子中的4种主要肽桥类型G+细菌的肽聚糖层多个肽聚糖单体相连就形成了肽聚糖网状结构，在G+细菌中75%以上亚单位交叉连接成重复网状结构，这种结构质地坚韧、机械强度大，金葡菌肽聚糖层由40层左右网状分子组成，厚约20～80nm。肽聚糖可被溶菌酶破坏；青霉素也可干扰短肽之间肽键的形成从而破坏细胞壁肽聚糖的合成。B、磷壁质（垣酸）是结合在G+细菌细胞壁上的一种酸性多糖，磷壁酸是G+细菌细胞壁所特有的成分。化学组成:多元醇（甘油和核糖醇）和磷酸的聚合物，能溶于水。类型:壁磷壁酸：与肽聚糖分子间发生共价结合，以其末端的磷酸二酯键连接于NAM的第六位碳原子上，可能占细胞壁干重的10%～50％，含量多少与培养基的成分有关。膜磷壁酸（脂磷壁酸）：跨越肽聚糖层并与细胞膜相交连，含量与培养基关系不大。磷壁酸(teichoicacids)结构甘油磷壁酸的结构模式（左）及其单体（虚线范围内）的分子结构（右）引自周德庆，2003磷壁酸的功能Ⅰ、磷壁酸带负电苛，可与环境中的Mg2+等阳离子结合，提高细胞表面这些离子的浓度，以保证细胞膜上一些合成酶维持高活性的需要。Ⅱ、保证致病菌与宿主间的粘连避免被白细胞吞噬，并有抗补体的作用。Ⅲ、赋于G+菌以特异的表面抗原，因而可用于菌种鉴定。Ⅳ、提供某些噬菌体以特异的吸附受体位点。Ⅴ、调解细胞内自溶素的活力，以防止细胞因自溶而死亡。Ⅵ、贮藏元素。G－细菌CW的组成和结构比G+细菌更为复杂，层次较多，但比G+菌细胞壁薄，肽聚糖层很薄（2～3nm），故机械强度较G+细菌弱。2）革兰氏阴性细菌（薄壁菌门）细胞壁引自周德庆，2003A、内壁层紧贴细胞膜厚约2~3nm由肽聚糖组成，肽聚糖的含量占细胞壁的10%弱，一般由1～2层肽聚糖网状分子组成。肽聚糖多糖链结构与G+细菌基本相同。差别为（以Escherichia.coli为例）：a、四肽尾中的L－赖AA往往被二氨庚二酸（m-DAP）取代。b、没有特殊的肽桥，前后两单体间的连接仅通过短肽尾上D-Ala上的-COOH与m-DAP的-NH2直接相连。交连程度只有30%，形成较稀疏、机械强度较差的肽聚糖网套。引自路福平，2005MGL-AlaD-GluDAPD-AlaMGL-AlaD-GluDAPD-AlaMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMMMMMMG-细菌——E.coli肽聚糖结构（局部）左：肽桥的连接方式；右：网的一部分M＝N－乙酰胞壁酸G＝N－乙酰葡糖胺G＋细菌与G－细菌肽聚糖的组成不同肽尾第三氨基酸不同G＋赖氨酸G－二氨基庚二酸G，M都是ß－1，4－糖苷键连接肽桥G＋：不同形式G－：肽键G+(a)和G-(