《微生物学》讲义Word文档下载推荐.docx

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dd分布广泛

有高等生物的地方均有微生物生活，动植物不能生活的极端环境也有微生物存在。

ee数量多

在局部环境中数量众多，如每克土壤含微生物几千万至几亿个。

ff易变异

相对于高等生物而言，较容易发生变异。

在所有生物类群中，已知微生物种类的数量仅次于被子植物和昆虫。

微生物种内的遗传多样性非常丰富。

所以微生物是很好的研究对象，具有广泛的用途。

二、二、微生物学的重要性

微生物与人类生活所有方面紧密联系，下面仅列出几个：

1、1、环境

微生物在碳循环、氮循环和磷循环（地球化学循环）中承担主要作用，构成生物体的所有基本成分。

它们可与植物相连系存在共生的关系，维持土壤肥力和环境中有毒化合物的清洁剂（生物除污）。

某些微生物是破坏植物的病原菌，它们毁灭重要的作物，但是，也可有另外的作用，即它们是针对这些疾病的生物防治剂。

2、2、医药

某些微生物可引起众所周知的疾病如：

天花（天花病毒）、霍乱（霍乱弧菌；

细菌）和疟疾（疟原虫属，原生动物）。

但是，微生物也能向我们提供抗生素）和其他的医学上的重要药物，通过此种方式控制它们。

3、3、食品

微生物在生产食品的许多加工业中已被应用了几千年，从酿造、酒的酿制、干酪和面包制作到酿造酱油；

害处方面，微生物引起食品酸败和常由于携带在食品上的微生物而引起疾病。

4、4、生物工程

传统的微生物已被用于合成许多重要的化合物，如丙酮、醋酸。

最近，遗传工程技术的进步已经引导可在微生物中克隆药用的重要多肽，然后，可以大规模的生产。

5、5、科学研究

微生物由于比其更复杂的动物和植物更容易操作，已被广泛用作模式生物去研究生物化学和遗传学的过程。

几百万个同样的、单细胞的拷贝，能以大量、非常快速而且低值获得均质的实验材料。

另外的益处是大多数人对用这些微生物进行实验没有种族上的异议。

三、三、微生物学的研究内容与成就

1、1、微生物学的基本内容

微生物学是研究微生物生命活动规律的学科。

它的基本内容是：

①微生物细胞的结构和功能，研究细胞的构建及其能量、物质、信息的运转；

②微生物的进化和多样性，研究微生物的种类，它们之间的相似性和区别，以及微生物的起源；

③生态学规律，研究不同微生物之间以及它们同环境之间的相互作用；

④微生物同人类的关系。

2、2、微生物学的发展史

●● 

17世纪中叶荷兰人吕文虎克（AntonivanLeeuwenhoek）用自制的简单显微镜观察并发现了许多微生物。

一大批研究者在19世纪下半叶推动了微生物学研究的蓬勃发展，其中贡献最突出的有巴斯德、科赫、贝耶林克和维诺格拉德斯基。

微生物学的一套基本技术在19世纪后期均已完善，包括显微术、灭菌方法、加压灭菌器（Chamberland，1884）、纯培养技术、革兰氏染色法（Gram，1884）、培养皿（Petri，1887）和琼脂作凝固剂等。

20世纪上半叶微生物学事业欣欣向荣。

微生物学沿着两个方向发展，即应用微生物学和基础微生物学。

在应用方面，对人类疾病和躯体防御机能的研究，促进了医学微生物学和免疫学的发展。

青霉素的发现（贝mmn9，1929）和瓦克斯曼（Waksman）对土壤中放线菌的研究成果导致了抗生素科学的出现，这是工业微生物学的一个重要领域。

环境微生物学在土壤微生物学研究的基础上发展起来。

微生物在农业中的应用使农业微生物学和兽医微生物学等也成为重要的应用学科。

应用成果不断涌现，促进了基础研究的深入，于是细菌和其它微生物的分类系统在20世纪初中叶出现了，对细胞化学结构和酶及其功能的研究发展了微生物生理学和生物化学。

微生物遗传与变异的研究导致了微生物遗传学的诞生。

微生物生态学在20世纪60年代也形成一个独立的学科。

20世纪80年代以来，在分子水平上对微生物的研究迅速发展，分子微生物学应运而生：

在短短的时间内取得了一系列进展，并出现了一些新的概念，较突出的有，生物多样性、进化、三原界学说；

细菌染色体结构和全基因组测序；

细菌基因表达的整体调控和对环境变化的适应机制；

细菌的发育及其分子机理；

细菌细胞之间和细菌同动植物之间的信号传递；

分子技术在微生物原位研究中的应用。

经历约150年成长起来的微生物学，在2l世纪将作为统一生物学的重要内容而继续向前发展，其中两个活跃的前沿领域将是分子微生物遗传学和分子微生物生态学。

四、四、微生物学的应用前景

继续采用微生物作为生命科学的研究材料。

微生物生产与动植物生产并列为生物产业的三大支柱。

在工业中许多产品利用微生物来生产，如各种生物活性物质（抗生素等）、化工原料（酒精等）。

微生物在农业生产中也有着多方面的作用。

微生物在食品加工中有广泛用途，发酵食品和许多调味品都离不开微生物。

微生物是消除污染、净化环境的重要手段。

在新兴的生物技术产业中，微生物的作用更是不可替代。

作为基因工程的外源DNA载体，不是微生物本身（如噬菌体），就是微生物细胞中的质粒；

被用作切割与拼接基因的工具酶，绝大多数来自各种微生物。

由于微生物生长繁殖快、培养条件较简易，当今大量的基因工程产品主要是以微生物作为受体而进行生产，尤其是大肠杆菌、枯草芽胞杆菌和酿酒醉母。

借助微生物发酵法，人们已能生产外源蛋白质药物（如人胰岛素和干扰素等）。

尽管基因工程所采用的外源基因可以来自动植物，但由于微生物生理代谢类型的多样性，它们是最丰富的外源基因供体。

与高等动植物相比，已知微生物种类只是估计存在数量的很小一部分。

哺乳动物和鸟类的物种几乎全部为人们所掌握，被子植物已知种类达93%，但细菌已知种数仅为估计数的12%，真菌为5%，病毒为4%（Bull，1992）。

目前研究的也只是已知种类的很少一部分。

根据SCI（sciencecitationindex）资料，1991—1997发表的微生物学文献大量集中在8个属，尤其是埃希氏杆菌，其中大肠杆菌又占主要部分（Galvez等，1998）。

可以想像，既然对少数已知微生物的研究就已为人类作出了重要贡献，通过对多样性微生物的开发必然会为社会带来巨大利益。

微生物学事业方兴未艾。

微生物基因组学研究将全面展开，以微生物之间、微生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为主要内容的微生物生态学、环境微生物学、细胞微生物学将基因组信息在基础上获得长足发展。

第二章第二章微生物的形态

第一节第一节原核生物和真核生物

一、一、细胞

细胞：

是生命活动的基本单位，构成生物体最基本的结构和功能单位，由膜包围的能进行独立繁殖的最小原生质团。

一切有机体都是由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。

细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位。

　　没有细胞就没有完整的生命。

原生质：

是指细胞的全部活物质，包括细胞膜、细胞核、细胞质。

细胞质：

是指除核以外，质膜以内的原生质。

二、二、原核细胞和真核细胞的区别

1、1、原核生物和真核生物

原核生物和真核生物细胞之间有许多差别。

真核生物的主要特征是有细胞核和如线粒体、叶绿体的细胞器及复杂的内膜系统。

病毒属于非细胞类，细菌属于原核生物，所有其他微生物属于真核生物。

2、2、原核细胞和真核细胞的区别

ii核、核膜、染色体

原核生物细胞没有核膜，有一个明显的核区，这个核区上集中了它的主要遗传物质，由一条与类组蛋白相联系的双链DNA构成的染色体组成。

真核生物细胞则是由一条或一条以上的双链DNA与组蛋白等结合成的染色体，并由核膜包围。

iiii代谢场所

原核细胞没有独立的内膜系统，与代谢有关的酶如呼吸酶合成酶等位于细胞膜上，因此它的能量代谢在质膜上进行。

真核细胞不仅有独立的内膜系统，还有细胞骨架，呼吸酶在线粒体中，有专用的细胞器来完成各项生理功能，如线粒体、叶绿体。

iiiiii核糖体的大小和分布

原核细胞的核糖体大小为70S，常以游离状态或多聚体状态分布于细胞质中。

真核细胞的核糖体大小为80S，可以游离状态存在于细胞结合于内质网上。

线粒体和叶绿体内有各自在结构上特殊的核糖体。

表2.1原核生物和真核生物遗传的和细胞组装上的主要差别

遗传物质和复制的组装

DNA在细胞质中游离

DNA在膜包围的核中，只有一个核仁

只有一个染色体

多于一个染色体，每个染色体是双拷贝（双倍体）

DNA与类组蛋白连系

DNA与组蛋白连系

含有染色体外的遗传物质，称为质粒

只在酵母中发现质粒

在mRNA中没有发现内含子

所有基因中都发现内含子

细胞分裂以二等分裂方式，只有无性繁殖

细胞分裂为有丝分裂

遗传信息传递可通过接合、转导、转化发生

遗传信息交换发生在有性繁殖过程，减数分裂导致产生单倍体细胞（配子），它们能融合。

细胞的组装

质膜含有hopanoids、脂多糖和磷壁酸

质膜含有固醇

能量代谢与细胞质膜连系

多数情况在线粒体中发生

光合作用与细胞质中膜系统和泡囊连系

藻类和植物细胞中存在叶绿体

蛋白质合成和寻靶作用与内膜、粗糙内质网膜和高尔基体相连系

有膜的泡囊如溶酶体和过氧化物酶体有微管骨架存在

由一根蛋白鞭毛丝构成鞭毛

鞭毛有9+2微管排列的复杂结构

核糖体——70S

核糖体——80S（线粒体和叶绿体的核糖体是70S）

肽聚糖的细胞壁（只有真细菌有，古细菌中是不同的多聚体）

多糖的细胞壁，一般或者是纤维素或者是几丁质

第二节第二节原核生物

I、I、细菌

一、一、细菌的形状和大小

1、1、细菌的基本形态

ii

基本外形

球状——球菌

杆状——杆菌

螺旋状——螺旋菌

iiii性状简介

aa球菌

细胞呈球状或椭圆形。

根据这些细胞分裂产生的新细胞所保持的一定空间排列方式有以下几种情形：

见图2-1

单球菌——尿素微球菌（图2-1-1）

双球菌——肺炎双球菌（图2-1-2）

链球菌——溶血链球菌（图2-1-3）

四联球菌——四联微球菌（图2-1-4）

八叠球菌——尿素八叠球菌（图2-1-5）

葡萄球菌——金黄色葡萄球菌（图2-1-6）

bb杆菌

杆菌细胞呈杆状或圆柱形。

图2.1中B的7为长杆菌和短杆菌，8为枯草芽孢杆菌，9为溶纤维梭菌。

cc螺旋菌

细胞呈弯曲杆状的细菌统称为螺旋菌。

弧菌偏端单生鞭毛或丛生鞭毛（图2-1-10）

螺旋菌两端都有鞭毛（图2-1-11）

2、2、细菌的大小

细菌大小的度量单位：

以m为单位。

细菌大小的表示：

球菌一般以直径来表示。

杆菌和螺旋菌则以长和宽来表示。

如12.5m

细菌大小的测定：

在显微镜下使用显微测微尺测定。

二、二、

细菌的细胞构造

1、1、细胞壁

ii概念

细胞壁（cellwall）是细胞质膜外面具有一定硬度和韧性的壁套，使细胞保持一定形状，保障其在不同渗透压条件下生长，即使在不良环境中也能防止胞溶作用。

真细菌的细胞壁由肽聚糖构成，而古细菌细胞壁组成物质极为多样，从类似肽聚糖的物质、假肽聚糖，到多糖、蛋白质和糖蛋白。

真细菌细胞壁由肤聚糖构成，肤聚糖是N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）和带有交替排列的D-型或L-型氨基酸侧链的N-乙酰胞壁酸（NAM）的多聚体。

它是高度的交联的分子，使得细胞具有刚性、强度和保护细胞抵抗渗透压的裂解。

肽聚糖有许多独特的特性，如D-型氨基酸，它可作为抗生素攻击肽聚糖的靶目标（抗生素通过抑制或干扰肽聚糖合成而使细胞壁缺损）。

革兰氏阳性细菌细胞还含有磷壁酸。

iiii功能

细菌细胞壁的生理功能有：

保护原生质体免受渗透压引起破裂的作用；

维持细菌的细胞形态（可用溶菌酶处理不同形态的细菌细胞壁后，菌体均呈现圆形得到证明）；

细胞壁是多孔结构的分子筛，阻挡某些分子进入和保留蛋白质在间质（革兰氏阴性菌细胞壁和细胞质之间的区域）；

细胞壁为鞭毛提供支点，使鞭毛运动。

iiiiii革兰氏染色

革兰氏染色根据1884年革兰姆·

克里斯琴（ChristianGram）发明的染色反应，真细菌常常分成两类。

对染色步骤反应的差别是由于两类细菌的细胞外膜结构。

革兰氏阳性细菌有单一的膜称作细胞膜（或原生质膜），周围被厚的肽聚糖层包围（20—80nm）。

革兰氏阴性细菌只有一薄层肽聚糖（1—3nm），但是在肽聚糖层外边，仍有另一层的外膜，作为另外的屏障（图2.3）。

革兰氏染色步骤如下：

固定过的细胞用暗染色例如结晶紫染色，接着加碘液媒染，细菌细胞壁内由于染色形成结晶紫与碘的复合物。

随后加酒精从薄的细胞壁中洗出结晶紫与碘暗染色的复合物，但是结晶紫—碘复合物不能从厚的细胞壁中洗出。

最后，用较浅的石炭酸复红复染。

加石炭酸复红染色，使脱色的细胞呈粉红色，但在暗染色的细胞中没有看到粉红色，仍保持第一次的染色结果。

保持原来染色（厚的细胞壁）的细胞称作革兰氏阳性，在光学显微镜下呈现蓝紫色。

脱色的细胞（薄的细胞壁和外膜）称作革兰氏阴性，染成粉红色或淡紫色。

表2.2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

媒染剂

碘液30s

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

iviv化学组成与超微结构

aa革兰氏阳性细菌

革兰氏阳性细菌细胞壁具有较厚（30-40nm）而致密的肽聚糖层，多达20层，占细胞壁的成分60-90%，它同细胞膜的外层紧密相连（见图2.4）。

有的革兰氏阳性细菌细胞壁中含有磷壁酸（teichoi-acid）,也即胞壁质（murein）。

多糖。

bb革兰氏阴性细菌

外膜革兰氏阴性细菌特殊的是外膜上含有许多独特的结构（见图示2.5），如把外膜与肽聚糖层连接起来的布朗（Braun’s）脂蛋白，使营养物被动运输通过膜的[膜]孔蛋白和起保护细胞作用的脂多糖（LPS）。

脂多糖也称为内毒素，对哺乳动物有高度毒性。

G-细菌细胞壁外膜的基本成分是脂多糖，此外还有磷脂、多糖、和蛋白质。

外膜被分为脂多糖层（外）、磷脂层（中）、脂蛋白层（内）。

肽聚糖层G-细菌细胞壁肽聚糖层很薄，约有2-3nm厚。

它与外膜的脂蛋白层相连。

周质空间周质空间（periplasmicspace，即壁膜间隙）是革兰氏阴性细菌细胞膜与外膜两膜之间的一个透明的区域（见图2.3）。

它含有与营养物运输和营养物进入有关的蛋白质，有：

营养物进入细胞的蛋白；

营养物运输的酶，如蛋白[水解]酶；

细胞防御有毒化合物，如破坏青霉素的-内酰胺酶。

革兰氏阳性细菌以上这些酶常分泌到胞外周围，革兰氏阴性细菌则依靠它的外膜，保持这些酶与菌的紧密结合。

vvG+与G－菌的细胞壁的特征比较

表2.3两类细胞壁的特征比较

特征

G+细菌

G-细菌

肽聚糖

层厚

层薄

类脂

极少

脂多糖

外膜

缺

有

壁质间隙

很薄

较厚

细胞状态

僵硬

僵硬或柔韧

酸消化的效果

原生质体

原生质球

对染料和抗生素的敏感性

很敏感

中度敏感

2、2、细胞膜与中间体

细胞质膜（cytoplasmicmembrane），简称质膜（plasmamembrane），是围绕细胞质外的双层膜结构，使细胞具有选择吸收性能，控制物质的吸收与排放，也是许多生化反应的重要部位。

原生质膜是一个磷脂双分子层，其中埋藏着与物质运输、能量代谢和信号接收有关的整合蛋白。

另外，有通过电荷相互作用，疏松附着于膜的外周蛋白。

膜中的脂类和蛋白质互相相对运动。

iiii成分与结构

原生质膜（细胞膜）埋藏在磷脂双分子层中的是有各种功能的蛋白（图2.6），包括转运蛋白、能量代谢中的蛋白和能够对化学刺激检测和反应的受体蛋白。

整合蛋白（integral）是完全地与膜连接而且贯穿全膜的蛋白，所以这些蛋白在此区域中有疏水性氨基酸埋藏在脂中。

外周蛋白（peripheralproreins）是由于磷脂带正电荷极性头，只是通过电荷作用与膜松散连接的一类，用盐溶液洗涤可以从纯化的膜上除去。

脂类和蛋白质均在运动，而且是彼此之间相对运动。

这就是被广泛接受的称作液态镶嵌模式的细胞膜结构模型。

脂双分子层细胞膜由含有亲水区域的和疏水区域的两亲性分子磷脂组成。

在膜中磷脂以双分子层排列，极性头部亲水区指向膜的外表面，而其疏水区脂肪酸的尾部指向膜的内层。

结果，膜对于大分子或电荷高的分子成为一个选择渗透屏障，它们不易通过磷脂双分子的疏水性内层。

iiiiii功能

细胞质膜的生理功能有:

维持渗透压的梯度和溶质的转移。

细胞质膜是半渗透膜，具有选择性的渗透作用，能阻止高分子通过，并选择性地逆浓度梯度吸收某些低分子进入细胞。

由于膜有极性，膜上有各种与渗透有关的酶，还可使两种结构相类似的糖进入细胞的比例不同，吸收某些分子，排出某些分子；

细胞质膜上有合成细胞壁和形成横隔膜组分的酶，故在膜的外表面合成细胞壁；

膜内陷形成的中间体（相当于高等植物的粒线体）含有细胞色素，参与呼吸作用。

中间体与染色体的分离和细胞分裂有关，还为DNA提供附着点；

细胞质膜上有琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、细胞色素氧化酶、电子传递系统、氧化磷酸化酶及腺昔三磷酸酶（ATPase）。

在细胞质膜上进行物质代谢和能量代谢；

细胞质膜上有鞭毛基粒，鞭毛由此长出，即为鞭毛提供附着点。

iviv内膜结构

间体（mesosome）是从质膜向内伸展的细胞质中主要单位膜结构，常常同核质相联系，位于细胞分裂处。

间体的功能可能参与呼吸作用、同DNA的复制和细胞的分裂有关。

载色体（chromatophore）也称为色素体，是光合细菌进行光合作用的部位，由单层的与细胞膜相连的内膜所围绕，主要化学成分是蛋白质和脂类。

它们含有菌绿素、胡萝卜素等色素以及光合磷酸化所需的酶系和电子传递体。

在绿硫菌科和红硫菌科中存在。

羧酶体（carboxysome）又称为多角体，是自养细菌所特有的内膜结构，可能是固定CO2场所。

类囊体（thylakoid）由单位膜组成，含有叶绿素、胡萝卜素等光合色素和有关酶类，在蓝细菌中为其进行光合作用的场所。

3、3、细胞质及其内含物

细胞质：

iiii细胞质的主要成分

细菌细胞质是含水的、含有细胞功能所需的各种分子、RNA和蛋白质的混合物。

对所有的细菌都是一样的，细胞质中的主要结构是核糖体。

iiiiii核糖体

核糖体由一个小的亚基和一个大的亚基组成，核糖体的亚基是由蛋白质和RNAs组成的复合物，是细胞中合成蛋白质的场所。

原核细胞中的核糖体，尽管在形状上和功能上与真核细胞相似，但是组建核糖体亚基的蛋白质和RNAs性质上有差别。

古细菌的核糖体与真细菌的核糖体（70S）同样大小，但是对于白喉毒素和某些抗生素的敏感性却不同，而与真核生物的核糖体相似。

业已证明抗生素对人类是非常有用的，因为抑制细菌蛋白质合成的抗生素，对真核生物蛋白质合成无效果，这样就有了选择毒性。

iviv内含体

某些细菌含有与特殊功能相连系的结构，称作内含体（inclusionbodies）它常常在光学显微镜下观察到。

这些颗粒常是储存物，可以与膜结合，例如聚--经丁酸盐（PHB）颗粒；

细胞质中发现的分散颗粒如多聚磷酸盐颗粒（也称为异染粒）。

某些细菌中也能看到脂肪滴。

一个有趣的内含体是在蓝细菌（蓝绿藻）和生活在水环境中的其他光合细菌内发现的气泡，在细胞内四周排列的由蛋白质构成的气泡提供浮力，使得细菌漂浮靠近水的表面。

详情见表2.4

表2.4细菌细胞质中的内含物

内含物

存在于

组成

功能；

非单位膜被包裹的

聚-经基丁酸

许多细菌

主要是PHB

贮备碳和能源

硫滴

H2S氧化细菌和紫硫光合细菌

液状硫

能源

气泡

许多水生细菌

罗纹蛋白膜

浮力

羧基化体

自养细菌

CO2固定酶

固定CO2的部位

绿色体

绿色光合细菌

类脂、蛋白、菌绿素

捕光中心

碳氢内含物

许多利用碳氢化合物的细菌

包裹在蛋白质壳中内含物

磁石体

磁铁颗粒

趋磁性

无膜包裹的

多聚葡糖苷

高分子葡萄糖聚合物

碳源和能源

多聚磷酸盐

许多