上海交通大學(xué)微生物課件第3章

第3章微生物細胞(xìbāo)的結(jié)構(gòu)與功能農(nóng)業(yè)(nóngyè)與生物學(xué)院共六十五頁第一節(jié)原核(yuánhé)微生物特殊構(gòu)造：部分細菌具有(jùyǒu)的或一般細菌在特殊環(huán)境下才有的構(gòu)造一般構(gòu)造：一般細菌都有的構(gòu)造共六十五頁證實細胞壁存在(cúnzài)的方法：（1）細菌超薄切片(qiēpiàn)的電鏡直接觀察；（2）質(zhì)、壁分離與適當(dāng)?shù)娜旧?，可以在光學(xué)顯微鏡下看到細胞壁；（3）機械法破裂細胞后，分離得到純的細胞壁；（4）制備原生質(zhì)體，觀察細胞形態(tài)的變化；一、細胞壁細胞壁（cellwall）是位于細胞表面，內(nèi)側(cè)緊貼細胞膜的一層較為堅韌，略具彈性的細胞結(jié)構(gòu)。共六十五頁細胞壁的功能(gōngnéng)：（1）固定(gùdìng)細胞外形和提高機械強度；（2）為細胞的生長、分裂和鞭毛運動所必需；（3）滲透屏障，阻攔酶蛋白和某些抗生素等大分子物質(zhì)（分子量大于800）進入細胞，保護細胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等有害物質(zhì)的損傷；（4）細菌特定的抗原性、致病性以及對抗生素和噬菌體的敏感性的物質(zhì)基礎(chǔ)；共六十五頁

1.革蘭氏陽性(yángxìng)細菌的細胞壁肽聚糖(peptidoglycan)磷壁酸（teichoicacid）又稱粘肽(mucopeptide)、胞壁質(zhì)(murein)或粘質(zhì)復(fù)合物(mucocomplex)，是真細菌細胞壁中的特有(tèyǒu)成分。結(jié)合在革蘭氏陽性細菌細胞壁上的一種酸性多糖共六十五頁A、肽聚糖厚約20~80nm，由40層左右的網(wǎng)格(wǎnɡɡé)狀分子交織成的網(wǎng)套覆蓋在整個細胞上。雙糖(shuānɡtánɡ)單位原核生物所特有的已糖共六十五頁A、肽聚糖單體(dāntǐ)由四個氨基酸分子按L型與D型交替方式(fāngshì)連接而成雙糖單位中的β-1,4-糖苷鍵很容易被溶菌酶(lysozyme)所水解，從而引起細菌因肽聚糖細胞壁的“散架”而死亡。共六十五頁青霉素b-內(nèi)酰胺環(huán)結(jié)構(gòu)與D-丙氨酸末端(mòduān)結(jié)構(gòu)相似，從而能占據(jù)D-丙氨酸的位置與轉(zhuǎn)肽酶結(jié)合，并將酶滅活，肽鏈之間無法彼此連接，抑制了細胞壁的合成。共六十五頁A、肽聚糖目前(mùqián)所知的肽聚糖已超過100種，在這一“肽聚糖的多樣性”中，主要的變化發(fā)生在肽橋上。共六十五頁跨越肽聚糖層并與細胞膜相交聯(lián)的膜磷壁酸（又稱脂磷壁酸），由甘油磷酸鏈分子與細胞膜上的磷脂進行共價結(jié)合后形成。其含量與培養(yǎng)條件關(guān)系不大。可用45%熱酚水提取，也可用熱水從脫脂(tuōzhī)的凍干細菌中提取。B、磷壁酸革蘭氏陽性細菌細胞壁上特有(tèyǒu)的化學(xué)成分，主要成分為甘油磷酸或核糖醇磷酸。壁磷壁酸，它與肽聚糖分子間進行共價結(jié)合，含量會隨培養(yǎng)基成分而改變，一般占細胞壁重量的10%，有時可接近50%。用稀酸或稀堿可以提取。共六十五頁二價(èrjià)陽離子，特別是高濃度的Mg2+。的存在，對于保持膜的硬度，提高細胞膜上需Mg2+的合成酶的活性極為重要。B、磷壁酸主要(zhǔyào)生理功能：細胞壁形成負電荷環(huán)境，增強細胞膜對二價陽離子的吸收；貯藏磷元素；增強某些致病菌對宿主細胞的粘連、避免被白細胞吞噬以及抗補體的作用；革蘭氏陽性細菌特異表面抗原的物質(zhì)基礎(chǔ)；噬菌體的特異性吸附受體；能調(diào)節(jié)細胞內(nèi)自溶素(autolysin)的活力，防止細胞因自溶而死亡?？勺鳛榧毦诸?、鑒定的依據(jù)共六十五頁

2.革蘭氏陰性(yīnxìng)細菌的細胞壁肽聚糖外膜外膜蛋白周質(zhì)空間(kōngjiān)共六十五頁

2.革蘭氏陰性(yīnxìng)細菌的細胞壁A、肽聚糖埋藏在外膜層之內(nèi)，是僅由1~2層肽聚糖網(wǎng)狀分子組成(zǔchénɡ)的薄層(2~3nm)，含量約占細胞壁總重的10%，故對機械強度的抵抗力較革蘭氏陽性菌弱。內(nèi)消旋二氨基庚二酸(m-DAP)（只在原核微生物細胞壁上發(fā)現(xiàn)）沒有特殊的肽橋，只形成較為疏稀、機械強度較差的肽聚糖網(wǎng)套共六十五頁Figure1.

Bacterialcellwallstructureandendolysintargets.(a)Schematicrepresentationofthebacterialcellwall,andofhowphageendolysinsgainaccesstotheirsubstrate.Holinproteins(blue)insertthemselvesintothecytoplasmicmembraneandcanoligomerize,therebyformingmembranelesions.Theendolysins(red)passthroughtheseporestoaccessthepeptidoglycan.LysisfromtheoutsideispossiblewithGram-positivecellwalls,inwhichthethickandhighlycross-linkedpeptidoglycannetworkisusuallyaccessiblefromtheoutside.InGram-negativecells,theoutermembraneappearstorepresentanefficientbarrierforpreventionoflysisbyfreeendolysin.(b)ThisdepictsthefinestructureofatypeA1γpeptidoglycan,suchasthatofE.coli,Listeriaandmanyotherbacteria.Theinterpeptidebridgeconsistsofadiaminoacid(m-DAP)thatisdirectlycross-linkedtotheterminald-Alaoftheoppositepeptidechain.Thebondspotentiallyattackedbyendolysinsofdifferentenzymaticspecificitiesareindicatedbynumbers:1,N-acetylmuramoyl-l-alanineamidase;2,l-alanoyl-d-glutamateendopeptidase;3,d-glutamyl-m-DAPendopeptidase(notethatthisactivityhasnotyetbeenidentifiedinaphageendolysin);4,interpeptidebridge-specificendopeptidases(seetext);5,N-acetyl-β-d-glucosaminidase;and6,N-acetyl-β-d-muramidase(alsoknownasmuramoylhydrolaseand‘lysozyme’)andlytictransglycosylase.Abbreviations:CCWP,carbohydratecellwallpolymer;GlcNAc,N-acetylglucosamine;LU,linkageunit;m-DAP,meso-diaminopimelicacid;MurNAc,N-acetylmuramicacid;P,phosphategroup.

共六十五頁B、外膜(outermembrane)位于革蘭氏陰性細菌細胞壁外層，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等若干種蛋白質(zhì)組成(zǔchénɡ)的膜，有時也稱為外膜。共六十五頁（3）革蘭氏陰性(yīnxìng)細菌的細胞壁B、外膜(outermembrane)脂多糖(duōtánɡ)（lipopolysaccharide,LPS）位于革蘭氏陰性細菌細胞壁最外層的一層較厚（8~10nm）的類脂多糖類物質(zhì)，由類脂A、核心多糖(corepolysaccharide)和O-特異側(cè)鏈（O-specificsidechain，或稱O-多糖或O-抗原）三部分組成。共六十五頁脂多糖的主要(zhǔyào)功能LPS結(jié)構(gòu)的多變，決定了革蘭氏陰性(yīnxìng)細菌細胞表面抗原決定簇的多樣性；根據(jù)LPS抗原性的測定，沙門氏菌屬(Salmonella)的抗原型多達2107種，一般都源自O(shè)-特異側(cè)鏈種類的變化。這種多變性是革蘭氏陰性細菌躲避宿主免疫系統(tǒng)攻擊，保持感染成功的重要手段。也可依此用靈敏的血清學(xué)方法對病原菌進行鑒定，在傳染病的診斷中有其重要意義。共六十五頁脂多糖的主要(zhǔyào)功能LPS負電荷較強，與磷壁酸相似(xiānɡsì)，也有吸附Mg2+、Ca2+等陽離子以提高其在細胞表面濃度的作用，對細胞膜結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作用。共六十五頁脂多糖的主要(zhǔyào)功能類脂A是革蘭氏陰性(yīnxìng)細菌致病物質(zhì)——內(nèi)毒素的物質(zhì)基礎(chǔ)；共六十五頁C、外膜蛋白(outermembraneprotein)嵌合在LPS和磷脂層外膜上的蛋白。有20余種，但多數(shù)(duōshù)功能尚不清楚。共六十五頁C、外膜蛋白(outermembraneprotein)孔蛋白（porins）是由三個相同分子量（36000）蛋白亞基組成的一種三聚體跨膜蛋白，中間有一直徑約1nm的孔道，通過孔的開、閉，可對進入外膜層的物質(zhì)進行(jìnxíng)選擇。如OmpF和OmpC.非特異性孔蛋白(dànbái)特異性孔蛋白可通過分子量小于800~900的任何親水性分子只容許一種或少數(shù)幾種相關(guān)物質(zhì)通過，如維生素B12和核苷酸等。共六十五頁C、外膜蛋白(outermembraneprotein)脂蛋白(lipoprotein)是一種通過共價鍵使外膜層牢固地連接(liánjiē)在肽聚糖內(nèi)壁層上的蛋白，分子量約為7200。共六十五頁D、周質(zhì)空間(kōngjiān)(periplasmicspace,periplasm)周質(zhì)空間是進出細胞(xìbāo)的物質(zhì)的重要中轉(zhuǎn)站和反應(yīng)場所共六十五頁D、周質(zhì)空間(kōngjiān)

在周質(zhì)空間(kōngjiān)中，存在著多種周質(zhì)蛋白（periplasmicproteins）水解酶類；合成酶類；結(jié)合蛋白；受體蛋白；共六十五頁革蘭氏陽性和陰性細菌(xìjūn)的比較共六十五頁共六十五頁3.特殊細胞壁的細菌(xìjūn)：不能被鹽酸乙醇脫色,故為抗酸用抗酸性染色對宿主體內(nèi)的分枝桿菌病原體進行(jìnxíng)檢測,細胞壁含60%左右的類脂，胎聚糖很少。肺結(jié)核分枝桿菌，恥垢分枝桿菌共六十五頁4.古生菌的細胞壁沒有真正(zhēnzhèng)意義的肽聚糖,不同種類的古生菌其細胞壁的組成差異比較大,可由肽聚糖(假肽聚糖、獨特多糖、硫酸化多糖等）、糖蛋白、蛋白質(zhì)組成。共六十五頁5。細胞壁缺陷(quēxiàn)細菌：缺壁突變——L型細菌

實驗室或宿主體內(nèi)形成基本去盡——原生質(zhì)體（G+）缺壁細菌人工去壁部分去除(qùchú)——球狀體（G-）

在自然界長期進化中形成——枝原體共六十五頁（1）L型細菌(xìjūn)（L-formofbacteria）細菌在某些環(huán)境條件下（實驗室或宿主體內(nèi)(tǐnèi)）通過自發(fā)突變而形成的遺傳性穩(wěn)定的細胞壁缺陷變異型。因英國李斯德（Lister）預(yù)防研究所首先發(fā)現(xiàn)而得名（1935年，念珠狀鏈桿菌Streptobacillusmoniliformis）大腸桿菌、變形桿菌、葡萄球菌、鏈球菌、分枝桿菌和霍亂弧菌等20多種細菌中均有發(fā)現(xiàn)，被認為可能與針對細胞壁的抗菌治療有關(guān)。特點：沒有完整而堅韌的細胞壁，細胞呈多形態(tài)；有些能通過細菌濾器，故又稱“濾過型細菌”；對滲透敏感，在固體培養(yǎng)基上形成“油煎蛋”似的小菌落（直徑在0.1mm左右）；共六十五頁（2）原生質(zhì)體（protoplast）在人為條件下，用溶菌酶處理或在含青霉素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)而抑制新生細胞壁合成(héchéng)而形成的僅由一層細胞膜包裹的，圓球形、對滲透壓變化敏感的細胞，一般由革蘭氏陽性細菌形成。特點(tèdiǎn)：對環(huán)境條件變化敏感，低滲透壓、振蕩、離心甚至通氣等都易引起其破裂；有的原生質(zhì)體具有鞭毛，但不能運動，也不被相應(yīng)噬菌體所感染；在適宜條件（如高滲培養(yǎng)基）可生長繁殖、形成菌落，形成芽孢。及恢復(fù)成有細胞壁的正常結(jié)構(gòu)。比正常有細胞壁的細菌更易導(dǎo)入外源遺傳物質(zhì)，是研究遺傳規(guī)律和進行原生質(zhì)體育種的良好實驗材料。共六十五頁（3）球狀體，又稱原生質(zhì)球采用上述同樣方法，針對革蘭氏陰性細菌處理后而獲得的殘留部分細胞壁（外壁層）的球形體。與原生質(zhì)體相比，它對外界(wàijiè)環(huán)境具有一定的抗性，可在普通培養(yǎng)基上生長。共六十五頁（4）枝原體(Mycoplasma)在長期進化(jìnhuà)過程中形成的、適應(yīng)自然生活條件的無細胞壁的原核生物。因它的細胞膜中含有一般原核生物所沒有的甾醇，所以即使缺乏細胞壁，其細胞膜仍有較高的機械強度。共六十五頁

6.革蘭氏染色(rǎnsè)C.Gram（革蘭）于1884年發(fā)明的一種鑒別(jiànbié)不同類型細菌的染色方法。共六十五頁簡單染色法正染色革蘭氏染色法鑒別染色法抗酸性染色法芽孢染色法死菌姬姆薩染色法負染色：莢膜染色法等細菌染色法

活菌：用美藍或TTC（氧化(yǎnghuà)三苯基四氮唑）等作活菌染色共六十五頁革蘭氏染色(rǎnsè)步驟1、用堿性染料結(jié)晶紫對菌液涂片(túpiàn)進行初染2、用碘溶液進行媒染，其作用是提高染料和細胞間的相互作用從而使二者結(jié)合得更牢固。3、用乙醇或丙酮沖洗進行脫色。在經(jīng)歷脫色后仍將結(jié)晶紫保留在細胞內(nèi)的為革蘭氏陽性細菌，而革蘭氏陰性細菌的結(jié)晶紫被洗掉，細胞呈無色。4、用一種與結(jié)晶紫具有不同顏色的堿性染料對涂片進行復(fù)染。例如沙黃，它使原來無色的革蘭氏陰性細菌最后呈現(xiàn)桃紅到紅色，而革蘭氏陽性細菌繼續(xù)保持深紫色共六十五頁共六十五頁二、細胞壁以內(nèi)(yǐnèi)的構(gòu)造--原生質(zhì)體(proplast)1、細胞質(zhì)膜（cellmembrane)(1)Membraneofbacteria細胞質(zhì)膜（cytoplasmicmembrane），又稱質(zhì)膜（plasmamembrane）、細胞膜（cellmembrane）或內(nèi)膜（innermembrane），是緊貼在細胞壁內(nèi)側(cè)、包圍著細胞質(zhì)的一層柔軟、脆弱、富有彈性的半透性薄膜，厚約7～8nm，由磷脂（占20%～30%）和蛋白質(zhì)（占50%～70%）組成。

1972年由J.S.SingerandG.L.Nicolson提出的液態(tài)鑲嵌(xiāngqiàn)模型（fluidmosaicmodel),共六十五頁磷脂(línzhī)在極性頭的甘油3C上，不同種微生物具有(jùyǒu)不同的R基，如磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰膽堿、磷脂酰絲氨酸或磷脂酰肌醇等。非極性尾則由長鏈脂肪酸通過酯鍵連接在甘油的C1和C2位上組成，其鏈長和飽和度因細菌種類和生長溫度而異。共六十五頁膜蛋白具運輸功能(gōngnéng)的整合蛋白（integralprotein）或內(nèi)嵌蛋白（intrinsicprotein）具有酶促作用(zuòyòng)的周邊蛋白（peripheralprotein）或膜外蛋白(extrinsicprotein)共六十五頁（二）細胞(xìbāo)的結(jié)構(gòu)間體（mesosome,或中體）細胞質(zhì)膜內(nèi)褶而形成的囊狀構(gòu)造，其中充滿(chōngmǎn)著層狀或管狀的泡囊。多見于革蘭氏陽性細菌。DNA復(fù)制、分配以及細胞分裂有關(guān)近來，也有學(xué)者認為“間體”僅是電鏡制片時因脫水操作而引起的一種贗像共六十五頁細胞質(zhì)的主要成分為核糖體、貯藏物、多種酶類和中間代謝物、質(zhì)粒、各種(ɡèzhǒnɡ)營養(yǎng)物和大分子的單體等，少數(shù)細菌還有類囊體、羧酶體、氣泡或伴孢晶體等。2、細胞質(zhì)和內(nèi)含(nèihán)物

細胞質(zhì)（cytoplasm）是細胞質(zhì)膜包圍的除核區(qū)外的一切半透明、膠狀、顆粒狀物質(zhì)的總稱。含水量約80%。原核生物的細胞質(zhì)是不流動的，這與真核生物細胞不同。共六十五頁（1）顆粒狀貯藏(zhùcáng)物(reservematerials)：貯藏(zhùcáng)物是一類由不同化學(xué)成分累積而成的不溶性沉淀顆粒，主要功能是貯存營養(yǎng)物。

糖原：大腸桿菌、克雷伯氏菌、芽孢桿菌和藍細菌等碳源及能源類聚β-羥丁酸（PHB）：固氮菌、產(chǎn)堿菌和腸桿菌等硫粒：紫硫細菌、絲硫細菌、貝氏硫桿菌等貯藏物藻青素：藍細菌藻青蛋白：藍細菌磷源（異染粒）：迂回螺菌、白喉棒桿菌、結(jié)核分枝桿菌氮源類共六十五頁（A）聚-β-羥丁酸(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)巨大芽孢桿菌(gǎnjūn)（Bacillusmegaterium）在含乙酸或丁酸的培養(yǎng)基中生長時，細胞內(nèi)貯藏的PHB可達其干重的60%。類脂性質(zhì)(xìngzhì)的碳源類貯藏物共六十五頁PHB于1929年被發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)，至今已發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)60屬以上的細菌能合成并貯藏。它無毒、可塑、易降解，被認為是生產(chǎn)醫(yī)用塑料、生物降解塑料的良好(liánghǎo)原料。共六十五頁（B）多糖類貯藏(zhùcáng)物在真細菌中以糖原為多糖原粒較小，不染色需用電鏡觀察(guānchá)，用碘液染成褐色，可在光學(xué)顯微鏡下看到。糖原粒淀粉粒有的細菌積累淀粉粒，用碘液染成深蘭色。共六十五頁（C）硫粒（sulfurglobules）很多真細菌在進行(jìnxíng)產(chǎn)能代謝或生物合成時，常涉及對還原性的硫化物如H2S，硫代硫酸鹽等的氧化。在環(huán)境中還原性硫素豐富時，常在細胞內(nèi)以折光性很強的硫粒的形式積累硫元素。當(dāng)環(huán)境中環(huán)境中還原性硫缺乏時，可被細菌重新利用。共六十五頁（2）磁小體(megnetosome)功能是導(dǎo)向作用(zuòyòng)，即借鞭毛游向?qū)υ摼钣欣哪?、水界面微氧環(huán)境處生活。實用前景，包括(bāokuò)生產(chǎn)磁性定向藥物或抗體，以及制造生物傳感器等共六十五頁4、特殊的休眠(xiūmián)構(gòu)造——芽孢某些細菌在其生長發(fā)育后期，在細胞內(nèi)形成一個圓形或橢圓形、厚壁、含水量極低、抗逆性極強的休眠體，稱為芽孢（endospore或spore，也譯“內(nèi)生孢子”）。由于一個營養(yǎng)細胞中只含有一個芽孢，所以(suǒyǐ)芽孢是一個休眠體，而不是一個繁殖體。（1）產(chǎn)芽孢細菌的種類：常見于芽孢桿菌屬和梭菌屬

（2）芽孢的形成共六十五頁3）芽孢(yábāo)的構(gòu)造及其耐熱機制滲透(shèntòu)調(diào)節(jié)皮層膨脹學(xué)說芽孢衣對多價陽離子和水分的透性很差皮層的離子強度很高，產(chǎn)生極高的滲透壓奪取芽孢核心的水分，結(jié)果造成皮層的充分膨脹。核心部分的細胞質(zhì)卻變得高度失水，因此，具極強的耐熱性。共六十五頁4）細菌(xìjūn)芽孢的特點整個生物界中抗逆性最強的生命體，是否能消滅芽孢是衡量各種消毒滅菌手段(shǒuduàn)的最重要的指標(biāo)。常規(guī)加壓蒸汽滅菌的條件：121℃，15min以上115℃，30min以上芽孢是細菌的休眠體，在適宜的條件下可以重新轉(zhuǎn)變成為營養(yǎng)態(tài)細胞；產(chǎn)芽孢細菌的保藏多用其芽孢。產(chǎn)芽孢的細菌多為桿菌，也有一些球菌。芽孢的有無、形態(tài)、大小和著生位置是細菌分類和鑒定中的重要指標(biāo)。芽孢與營養(yǎng)細胞相比化學(xué)組成存在較大差異，容易在光學(xué)顯微鏡下觀察。（芽孢染色）共六十五頁伴孢晶體鱗翅目幼蟲口服伴孢晶體在腸道迅速溶解（中腸pH為9.0-10.5）吸附于上皮細胞，引起滲透性喪失，腸道穿孔腸道中的堿性溶液進入血液，后者pH升高，昆蟲全身麻痹而死亡5.伴孢晶體(jīngtǐ)（parasporalcrystal）少數(shù)芽孢桿菌，例如蘇云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis)在其形成芽孢的同時(tóngshí)，會在芽孢旁形成一顆菱形或雙錐形的堿溶性蛋白晶體——δ內(nèi)毒素，稱為伴孢晶體。特點：不溶于水，對蛋白酶類不敏感；容易溶于堿性溶劑。共六十五頁三、細菌細胞壁以外(yǐwài)的構(gòu)造1.糖被（glycocalyx）1)概念(gàiniàn)包被于某些細菌細胞壁外的一層厚度不定的膠狀物質(zhì)。糖被按其有無固定層次、層次厚薄又可細分為莢膜（capsule或macrocapsule，大莢膜）、微莢膜(microcapsule)、粘液層(slimelayer)和菌膠團(zoogloea)。共六十五頁莢膜粘液(zhānyè)層菌膠團共六十五頁2）莢膜的特點(tèdiǎn)（1）主要成分是多糖、多肽或蛋白質(zhì)，尤以多糖居多。