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原核微生物TheProkaryotes 微生物学第2章 原核生物是指一类细胞核无核膜包裹 只存在称为核区的裸露DNA的原始单细胞生物 包含真细菌和古生菌个两类群 Chapter2 1 细菌 Bacteria 细菌是一类细胞细短 结构简单 胞壁坚韧 多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物 基本形状Basicshapes 球状 coccus 杆状 rod 螺旋状 spirillum 一 形态 Morphology 弧菌 vibrio 螺菌 spirillum 螺旋体 spirochete Stella星状菌 Haloarcula嗜盐菌 柄杆菌 其它形状 大多数细菌的大小范围是 长 2 8mm 宽 0 2 2mm 二 大小 Size 三 细胞的结构 Cellstructure 细胞壁是位于细胞表面 内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧 略具弹性的细胞结构 1 细胞壁 cellwall 细胞壁的功能 functionsofcellwall 固定细胞外形和提高机械强度 为细胞的生长 分裂和鞭毛运动所必需 渗透屏障 阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质进入细胞 保护细胞免受溶菌酶 消化酶和青霉素等有害物质的损伤 细菌特定的抗原性 致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性的物质基础 染色方法 proceduresofGramstain 初染 碱性染料结晶紫 媒染 碘溶液 脱色 乙醇 复染 番红 1 革兰氏阳性细菌的细胞壁 Gram positivecellwall 厚度大 20 80nm化学组分简单 肽聚糖 peptidoglycan 磷壁酸 teichoicacid 肽聚糖 peptidoglycan 是真细菌细胞壁中的特有成分 由肽和聚糖组成 形成网状结构 每个肽聚糖单体包括双糖单位 肽尾和肽桥 A 肽聚糖 peptidoglycan 革兰氏阳性细菌细胞壁的肽聚糖由40层左右的网格状分子交织成的网套覆盖在整个细胞上 肽桥 连接前后两个肽尾 B 磷壁酸 teichoicacid 磷壁酸是结合在革兰氏阳性细菌细胞壁上的一种酸性多糖 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 磷壁酸的生理功能 functionsofteichoicacid 形成负电荷环境 增强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 噬菌体的特异性吸附受体 革兰氏阳性细菌特异表面抗原的物质基础 能调节细胞内自溶素的活力 防止细胞自溶死亡 厚度较G 细菌薄层次多 肽聚糖层 peptidoglycanlayer 外膜 outermembrane 成分较复杂 肽聚糖 peptidoglycan 脂多糖 lipopolysaccharide LPS 磷脂 phospholipid 外膜蛋白 outermembraneprotein 2 革兰氏阴性细菌的细胞壁 Gram negativecellwall A 肽聚糖层 peptidoglycanlayer G 菌肽聚糖单体与G 菌基本相同 但有两点差别 B 外膜 outermembrane 也称为外壁 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 脂多糖的功能 functionsofLPS LPS结构多变 决定G 菌表面抗原决定簇多样性 LPS负电荷较强 有吸附Mg2 等阳离子提高其在细胞表面浓度的作用 对胞膜结构起稳定作用 类脂A是G 菌致病物质 内毒素的物质基础 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 外膜蛋白 outermembraneprotein 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 C 周质空间 periplasmicspace periplasm 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 呈胶状 周质空间是进出细胞的物质的重要中转站和反应场所 3 细胞壁缺陷细菌 bacteriawithoutcellwall 枝原体 L型细菌 球状体 G 原生质体 G A L型细菌 L formofbacteria 细菌在某些环境条件下通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型 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Streptobacillusmoniliformis L型细菌没有完整坚韧的细胞壁 细胞呈多形态 有些能通过细菌滤器 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 1mm左右 B 原生质体 protoplast 在人为条件下 用溶菌酶处理或在含青霉素的培养基中培养而抑制新生细胞壁合成而形成的仅由一层细胞膜包裹的 圆球形 对渗透压变化敏感的细胞 一般由革兰氏阳性细菌形成 原生质体对环境条件敏感 在适宜条件可生长繁殖 形成菌落 恢复成有细胞壁的正常结构 易导入外源遗传物质 C 球状体 sphaeroplast 又称原生质球 采用上述同样方法 针对G 菌处理后而获得的残留部分细胞壁 外壁层 的球形体 与原生质体相比 它对外界环境具有一定的抗性 可在普通培养基上生长 D 枝原体 mycoplasma 在长期进化过程中形成的 适应自然生活条件的无细胞壁的原核生物 细胞膜中含有一般原核生物所没有的甾醇 有较高的机械强度 又称质膜 plasmamembrane 细胞膜 cellmembrane 或内膜 innermembrane 是紧贴在细胞壁内侧 包围着细胞质的一层柔软 脆弱 富有弹性的半透性薄膜 厚约7 8nm 由20 30 的磷脂和50 70 的蛋白质组成 2 细胞质膜 cytoplasmicmembrane 细胞膜的功能 functionsofcytoplasmicmembrane 选择性地控制细胞内 外的营养物质和代谢产物的运送 维持细胞内正常渗透压的屏障 合成细胞壁和糖被的各种组分的重要基地 含有能量代谢的酶系 是细胞的产能场所 鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位 A 磷脂 lipid 每个磷脂由分子由一个带正电荷 能溶于水的极性头 磷酸端 和一个不带电荷 不溶于水的非极性尾 烃端 构成 B 膜蛋白 proteins 膜蛋白约占细菌细胞膜的50 70 比任何一种生物膜都高 而且种类也多 细胞膜是一个重要的代谢活动中心 C 液态镶嵌模型 fluidmosaicmodel 1972年 辛格 J S Singer 和尼科尔森 G L Nicolson 细胞质膜内褶而形成的囊状构造 其中充满着层状或管状的泡囊 多见于革兰氏阳性细菌 D 间体 mesosome 细胞质 cytoplasm 是细胞质膜包围的除核区外的一切半透明 胶状 颗粒状物质的总称 含水量约80 细胞内含物 inclusionsbody 指细胞质内一些形状较大的颗粒状构造 3 细胞质和内含物 cytoplasmandinclusions 1 贮藏物 reservematerials 贮藏物是一类由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒 主要功能是贮存营养物 磷源 氮源 碳源及能源 类脂性质的碳源类贮藏物 无毒 可塑 易降解 被认为是生产医用塑料 生物降解塑料的良好原料 A 聚 羟丁酸 poly hydroxybutyrate PHB B 糖原粒和淀粉粒 glycogenosomeandstarchgrain 多糖类贮藏物 真细菌中以糖原为多 C 异染粒 metachromaticgranules 无机偏磷酸的聚合物 一般在含磷丰富的环境下形成 功能是贮藏磷元素和能量 并可降低细胞的渗透压 D 藻青素 cyanophycin 一种内源性氮源贮藏物 同时还兼有贮存能源的作用 通常存在于蓝细菌中 磁小体是趋磁细菌细胞中含有的大小均匀 数目不等的Fe3O4颗粒 外有一层磷脂 蛋白或糖蛋白膜包裹 2 磁小体 megnetosome 3 羧酶体 carboxysome 羧酶体是一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物 内含1 5 二磷酸核酮糖羧化酶 在自养细菌的CO2固定中起着关键作用 4 气泡 gasvocuoles 气泡是存在于许多光合营养型 无鞭毛运动的水生细菌中的充满气体的泡囊状内含物 能调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能 O2和营养物质 5 载色体 chromatophore 载色体是光和细菌进行光和作用的部位 相当于绿色植物的叶绿体 核糖体是蛋白质合成的场所 主要成分是RNA和蛋白质 由一个大亚基和一个小亚基组成 原核生物的核糖体称为70S核糖体 6 核糖体 ribosome 7 质粒 plasmid 质粒是一种存在于染色体以外的遗传物质 通常是环状的双链DNA 又称拟核 nucleoid 是指原核生物所特有的无核膜结构 无固定形态的原始细胞核 4 核区 nuclearregion 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 5 芽孢 孢囊和粘液孢子 endospore cystandmyxospore 一个营养细胞形成一个芽孢 所以 芽孢并不是一种繁殖体 而是细菌的休眠体 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 芽孢是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 15min115 30min 1 芽孢的特点 featuresofspore 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 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 2 芽孢的形成和萌发 sporeformationandgermination 3 抗性机制 theresistanceofspore 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 渗透调节皮层膨胀学说 少数芽孢杆菌 例如苏云金芽孢杆菌 Bacillusthuringiensis 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 4 伴孢晶体 parasporalcrystal 5 孢囊和粘液孢子 cystandmyxospore 粘细菌 myxobacteria 的营养体和粘孢子 棕色固氮菌 Azotobactervinelandii 的营养体 2 m 和孢囊 3 m 6 糖被 glycocalyx 包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质 菌胶团 zoogloea 荚膜 capsule 粘液层 slimelayer 经特殊的荚膜染色 特别是负染色 又称背景染色 后可在光学显微镜清楚地观察到 产生糖被是微生物的一种遗传特性 其菌落特征及血清学反应是是细菌分类鉴定的指标之一 荚膜等并非细胞生活的必要结构 但它对细菌在环境中的生存有利 细菌糖被与人类的科学研究和生产实践有密切的关系 保护作用 避免干旱 噬菌体和吞噬贮藏养料 以备营养缺乏时重新利用作为透性屏障和离子交换系统 可保护细菌免受重金属离子的毒害表面附着作用细菌间的信息识别作用堆积代谢废物 荚膜的功能 某些细菌细胞表面着生的一至数十条长丝状 螺旋形的蛋白质附属物 具有推动细菌运动功能 为细菌的 运动器官 7 鞭毛 flagellum flagella fourbasictypesofflagellaarrangements 单端鞭毛monotrichous 两端生鞭毛amphitrichous 端生丛毛lophotrichous 周生鞭毛peritrichous 鞭毛长度 15 20 m 直径 0 01 0 02 m鞭毛的有无和着生方式具有十分重要的分类学意义 1 证明细菌鞭毛存在的方法 methodstoprovetheexistenceofflagella 电子显微镜直接观察 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 原核生物的鞭毛有共同构造由基体 basalbody 钩形鞘 hook 鞭毛丝 filament 3部分组成 鞭毛丝由球状的鞭毛蛋白沿中央孔道螺旋排列而成 2 鞭毛的结构 structureofflagella 革兰氏阴性细菌的鞭毛theflagellumofaGram negativebacterium G 和G 细菌的鞭毛构造稍有区别 G 和G 细菌鞭毛结构比较structurecomparisonofG andG flagella 3 鞭毛的生长 growthofflagella 鞭毛的生长方式是在其顶部延伸 鞭毛蛋白在细胞内合成 通过中央孔道输送到鞭毛游离的顶部进行自装配 4 鞭毛运动的机制 RotationORBending Tethered cellexperiment 鞭毛的转速很高 可以超过一般电动机的转速 鞭毛菌的运动速度一般在每秒20 80 m 以推进方式做直线运动 以翻腾形式做短促转向运动 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 5 细菌的趋避运动 taxisofbacteria 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 生物体对其环境中的不同物理 化学或生物因子作有方向性的应答运动称为趋性 8 菌毛 fimbria fimbriae 长在细菌体表的纤细 中空 短直 数量较多的蛋白质类附属物 具有使菌体附着于物体表面的功能 9 性毛 pilus pili 构造和成分与菌毛相同 但比菌毛长 数量仅一至少数几根 性毛一般见于革兰氏阴性细菌的雄性菌株中 其功能是向雌性菌株传递遗传物质 有的性毛还是RNA噬菌体的特异性吸附受体 四 细菌的繁殖 Multiplication 细菌的繁殖方式主要为裂殖 fission 即一个细胞通过分裂而形成两个子细胞的过程 此外 少数种类进行芽殖 budding 是指在母细胞表面先形成一个突起 长大到与母细胞相仿后再分离并独立生活的繁殖方式 五 细菌的培养特征 Culturalcharacteristics 细菌的培养特征一般包括 固体培养基上的培养特征 半固体培养基上的培养特征 液体培养基中的培养特征 用于鉴定细菌 判定细菌的呼吸类型和运动性等 菌落的大小 形状 颜色色以及其它性状常随微生物种类的不同而有所不同 菌落 colony 单个 或聚集在一起的一团 微生物在适宜的固体培养基表面或内部生长 繁殖到一定程度可以形成肉眼可见的 有一定形态结构的子细胞生长群体 1 固体培养基上的培养特征 culturalcharacteristicsonsolidmedium 菌落特征描述要点 大小 形态 颜色 光泽度 透明度 质地 隆起形状 边缘特征及迁移性等 众多菌落连成一片 菌苔 lawn 2 半固体培养基上的培养特征 culturalcharacteristicsonsemisolidmedium 穿刺接种 培养后观察生长状态和扩散情况 判断培养物的运动能力 需氧情况等特性 3 液体培养基中的培养特征 culturalcharacteristicsinliquidmedium 在液体培养中的表面生长情况 菌膜 环 混浊度及沉淀等 放线菌是具有菌丝 以孢子进行繁殖 革兰氏染色阳性的一类原核微生物 属于真细菌范畴 Chapter2 2 放线菌 Actinomycetes 放线菌常以孢子或菌丝状态极其广泛地存在于自然界 土壤中最多 其代谢产物使土壤具有特殊的泥腥味 能产生大量的 种类繁多的抗生素 有的放线菌可用于生产维生素 酶制制 在甾体转化 石油脱蜡 烃类发酵 污水处理等方面也有应用 寄生型放线菌可引起人 动物 植物疾病 单细胞 大多由分枝发达的菌丝组成 菌丝直径与杆菌类似 约1mm 按形态和功能可分为营养 气生和孢子丝3种 细胞的结构与细菌基本相同 细胞壁组成与细菌类似 多数为G 一 形态 Morphology 1 基内菌丝 substratemycelium 2 气生菌丝 aerialmycelium 3 孢子丝 spore bearingmycelium 放线菌的孢子丝形态spore bearingmyceliumofActinomycete 二 生长与繁殖 Growthandmultiplication 菌落形态 能产生大量分枝和气生菌丝的菌种 如链霉菌 不能产生大量菌丝体的菌种 如诺卡氏菌 菌落质地致密 与培养基结合紧密 小而不蔓延 不易挑起或挑起后不易破碎 粘着力差 粉质 针挑起易粉碎 三 培养特征 Culturalcharacteristics 1 固体培养基上的培养特征 culturalcharacteristicsonsolidmedium 放线菌的菌落colonyofActinomycete 2 液体培养基内的培养特征 culturalcharacteristicsinliquidmedium 静置培养时 培养基不浑浊 培养物沉底 摇瓶培养时 培养基浑浊 形成菌丝球 蓝细菌是一类含有叶绿素a 能以水作为供氢体和电子供体 通过光合作用将光能转变成化学能 同化CO2为有机物质的光合细菌 Chapter2 3 蓝细菌 Cyanobacteria 分布极广 形态差异极大 有球状 杆状和丝状等形态 细胞中含有叶绿素a 进行产氧型光合作用 具有原核生物的典型细胞结构 一 蓝细菌的特征 Features 营养极为简单 不需要维生素 以硝酸盐或氨作为氮源 多数能固氮 其异形细胞 heterocyst 是进行固氮的场所 分泌粘液层 荚膜或形成鞘衣 抗干旱能力强 无鞭毛 但能在固体表面滑行 进行光趋避运动 许多种类细胞质中有气泡 使菌体漂浮 保持在光线最充足的地方 以利光合作用 二 蓝细菌的形态结构 Morphologyandstructure 颤蓝细菌Oscillatoria 念珠蓝细菌Nostoc 色球蓝细菌Chroococcus 管孢蓝细菌Chamaesiphon 螺旋蓝细菌Spirulina 蓝细菌的异型胞heterocystofCyanobacteria 支原体 立克次氏体和衣原体是3类同属G 的代谢能力差 主要营细胞内寄生的小型原核生物 大小和特性均介于通常的细菌与病毒之间 从支原体 立克次氏体至衣原体 寄生性逐步增强 Chapter2 4 支原体 立克次氏体和衣原体Mycoplasma RickettsiaandChlamydia 支原体是一类无细胞壁 介于独立生活和细胞内寄生生活间的最小型原核生物 许多种类能引起人类 牲畜 家禽和作物的病害疾病 一些种类可污染实验室的组织培养物 一 支原体 Mycoplasma 多数能以糖类作能源 进行产能代谢 支原体的特点 featuresofMycoplasma 个体很小 无细胞壁 细胞膜含甾醇 较坚韧 细胞形态多变 能通过细菌过滤器 可进行人工培养 但营养要求苛刻 菌落微小 呈 油煎荷包蛋 形状 以二分裂和出芽方式繁殖 二 立克次氏体 Rickettsia 立克次氏体是一类专性寄生于真核细胞内的G 原核生物 有细胞壁 不能独立生活 存在产能代谢系统 立克次氏体的特点 featuresofRickettsia 体内酶系不完全 一些必需的养料需从宿主细胞获得 细胞较大 形态多样 细胞膜比一般细菌的膜疏松 从一种宿主传至另一宿主的特殊生活方式 对青霉素和四环素等抗生素敏感 对热敏感 56 以上 30min即被杀死 衣原体是一类在真核细胞内营专性能量寄生的小型G 原核生物 曾长期被误认为 大病毒 三 衣原体 Chlamydia 在宿主细胞内观察到的衣原体微菌落MicrocolonyofChlamydiainhostcell 衣原体的特点 featuresofChlamydia 细胞结构与细菌类似 细胞呈球形或椭圆形 直径0 2 0 3mm 能通过细菌滤器 专性活细胞内寄生 在宿主细胞内生长繁殖具有独特的生活周期 即存在原体和始体两种形态 衣原体的生活史 衣原体广泛寄生于人类 哺乳动物及鸟类 少数致病 衣原体不耐热 60度10分钟即被灭活 对红霉素 氯霉素 四环素敏感 Chapter2 5 古生菌 Archaea 古生菌是一个在进化途径上很早就与真细菌和真核生物互相独立的生物类群 1977年 CarlWoese以16SrRNA序列比较为依据 提出的独立于真细菌和真核生物之外的生命的第三种形式 一 主要类群 Maingroups 极端嗜盐古生菌 extremehalophiles 产甲烷古生菌 themethanogens 超嗜热古生菌 thermoacidophiles 热原体属古生菌 Thermoplasma 古生菌微小 一般小于1微米 显微镜下 有的像细菌那样为球形 杆状 但也有叶片状 盘状 三角形 方形或不规则形状的 二 形态和结构 Morphologyandstructure 1 形态 morphology 在细胞的结构与功能上 古生菌既有类似真细菌之处 也有类似真核生物之处 还具有一些自己独特的特点 2 细胞结构 cellstructure 1 细胞壁 cellwall 具有与真细菌类似功能的细胞壁 但细胞壁的结构和化学成分均差别甚大 热原体属 Thermoplasma 没有细胞壁 已研究过的一些古生菌 它们细胞壁中没有真正的肽聚糖 而是由多糖 假肽聚糖 糖蛋白或蛋白质构成的 假肽聚糖的结构structureofpseudopeptidoglycan 2 细胞膜 cellmembrane 古生菌的质膜在本质上也是由磷脂组成 但它比真细菌或真核生物具有更明显的多样性 磷脂的疏水尾由长链烃组成 多为异戊二烯重复单位 亲水头 甘油 与疏水尾 烃链 间通过醚键连接 细胞膜中存在着独特的单分子层膜或单 双分子层混合膜 甘油分子的C3位上 可连接多种与真核生物和真细菌细胞膜上不同的基团 细胞膜中含多种独特脂类 本章小结 原核生物的共同特征是细胞小 核结构原始 细胞壁含肽聚糖 细胞内无细胞器的分化 通过革兰氏染色可把原核生物分为G 和G 两大类 原核生物细胞共同结构有细胞壁 膜 质 核区和各种内含物 部分种类还含有糖被 鞭毛 菌毛 性毛 芽孢和胞囊等特殊结构