微生物细胞的结构和功能.docx

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微生物细胞的结构和功能

第二章生物细胞的结构和功能

第一节原核微生物

一、原核微生物是指一大类细胞微小、细胞无核膜包裹（只有称作核区的裸露DNA）的原始单细胞生物。

他们与真核微生物的主要区别有：

a.基因组由无核膜包裹的双链环状DNA组成；b.缺乏由单位膜分隔、包裹的细胞器；c核糖体为70S型。

二、原核微生物分为两个域：

细菌域、古生菌域。

细菌和古生菌

1、细菌的基本形态：

球菌、杆菌、螺旋菌

A.球菌：

细胞个体呈球状或椭球状。

不同的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列，但常被作为分类的依据。

分为单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌。

B.杆菌：

一般粗细（直径）比较稳定，而长度则常因培养时间、条件不同有很大的差异。

杆菌有的笔直有的弯曲，杆菌两端的形状在分类上是比较重要的依据，而杆菌杆状的排列方式不作为分类依据。

C.螺旋菌：

螺菌、螺旋体

除过上述3种基本形态外，还有许多具有其他形态细菌，如柄杆菌（细胞上有柄、菌丝、附器，细胞呈杆状或梭状），球衣菌，支原体

2、古生菌：

具有比较独特的个体形态，比如能在高盐、高热的环境中生存。

3、支原体：

由于只有细胞膜，没有细胞壁，故细胞柔软，形态多变，具有高度多形性。

三、原核生物的细胞大小

小型原核微生物：

支原体：

0.3um.与痘病毒差不多

纳米细菌（超微细菌）：

0.2nm.有的小于0.05nm

最大的细菌：

纳米比亚硫珍珠菌；最小的细菌：

纳米细菌

四、原核微生物构造：

1、细胞壁：

通过染色、质壁分离、制备原生质体以及用电子显微镜观察细菌超薄切片等方法，可证实细胞壁的存在。

细胞壁主要功能：

固定外形、提高机械强度、支持细胞生长和运动、阻拦有害物质进细胞。

A、革兰氏阳性菌的细胞壁：

其最大的特点是厚度大和化学成分简单，一般只含有90%肽聚糖和10%的磷壁酸，从而与层次多、厚度低、成分复杂的革兰氏阴性菌的细胞壁有明显的差别。

1）、肽聚糖：

又称黏肽、胞壁质或黏质复合物，是真细菌类细胞壁中的特有成分。

（注意了解双糖单位、四肽尾或四肽侧链、肽桥或太间桥）

2）、磷壁酸：

是结合在革兰氏阳性菌细胞壁上的一种酸性多糖，主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。

磷壁酸课分为两类：

壁磷壁酸和膜磷壁酸；

磷壁酸的主要功能：

a其磷酸分子上有较多的负电荷可提高细胞周围Mg+的浓度，进入细胞后保证了一些合成酶的活性；b贮藏磷元素；c增强某些致病菌对宿主细胞的黏连，避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用；d赋予革兰氏阳性菌以特异的表面抗原；e可作为噬菌体的特异性吸附受体；f能调节细胞内自溶素的活性。

B、革兰氏阴性菌的细胞壁：

主要由脂多糖、磷脂、脂蛋白和肽聚糖组成；

1）、肽聚糖：

埋藏在外膜层之内，含量约占细胞壁总重的5%—10%。

其结构单体与革兰氏阳性菌基本相同，差别：

a短肽尾中的3个L—赖氨酸往往被二氨基庚二酸取代；b没有特殊的肽桥，仅通过氨基直接相连，形成较为稀疏、机械强度较差的肽聚糖网套。

2）、外膜：

位于革兰氏阴性菌细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等若干种蛋白质组成的膜，也称为外壁-。

脂多糖是位于革兰氏阴性菌细胞壁最外层的一层较厚的类脂多糖类物质，由类脂A、核心多糖和O—特异侧链3部分组成：

a类脂A：

由2个N—乙酰葡糖胺和5个长链饱和脂肪酸组成是，G-治病物质——内毒素的物质基础；b核心多糖：

主要由多糖和磷酸组成，负电荷较强，与磷壁酸相似，也有吸附Mg+、Ca+等阳离子以提高其在细胞膜表面的浓度的作用；c、O—特异侧链：

主要由多种多糖组成，其结构较多变，决定了G-细菌细胞壁表面抗原决定簇的多样性。

脂多糖的主要功能：

a其中类脂A是G-致病物质——内毒素的物质基础；b负电荷较强，与磷壁酸相似，也有吸附Mg+、Ca+等阳离子以提高其在细胞膜表面的浓度的作用；c由于脂多糖结构的多变，决定了G-细菌细胞壁表面抗原决定簇的多样性；d是许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；e具有控制某种物质进出细胞的部分选择性屏障功能。

3）、外膜蛋白：

指嵌合在LPS和磷脂层外膜上的蛋白质。

有20余种，但多数外膜蛋白的功能还不清楚。

脂蛋白：

是通过一种共价键使外膜层牢固的连接在肽聚糖内壁层上的蛋白；

孔蛋白：

由3个相同相对分子质量蛋白亚基组成的一种三聚体跨膜蛋白，中间有一直径约1nm的孔道，通过孔道的开、闭，可阻止某些抗生素进入外膜层。

已知的孔蛋白有两种：

a非特异性孔蛋白，其充水孔道可通过相对分子质量小于800—900的任何亲水性分子；b特异性孔蛋白：

其上存在专一性结合位点，只允许一种或少数几种相关物质通过，其中最大的孔蛋白可通过相对分子质量较大的物质。

除脂蛋白和孔蛋白外，还有一些外膜蛋白与噬菌体的吸附或细菌素的作用有关。

4）、周质空间：

又称周质或壁膜间隙。

在G-中一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间（宽约12—15nm），呈胶状。

在周质空间只存在很多种周质蛋白：

水解酶、合成酶、结合蛋白、受体蛋白。

5）、外膜与内膜的黏合位点：

在G-细胞壁的许多部位上，存在着外膜与内膜的直接接触点，称为外膜与内膜的黏合位点，每点直径约20—100nm，其功能是促进营养物质进入细胞内。

C、抗酸细菌的细胞壁

抗酸细菌是一类细胞壁中含有大量分枝菌酸等蜡质的特殊革兰氏阳性菌，因为它们被酸性复红染上色后就不能再被盐酸乙醇脱色，故称抗酸细菌。

D、古生菌的细胞壁

古生菌中除了热原体属没有细胞壁外，其余都具有与真细菌类似功能的细胞壁。

从细胞壁的化学成分上来看，则差别很大。

一些古生菌，它们的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。

（了解假肽聚糖细胞壁、独特肽聚糖细胞壁、硫酸化多糖细胞壁、糖蛋白细胞壁、蛋白质细胞壁）

E、缺壁细菌

在自然长期进化中和实验室菌种的自发突变中都会发生缺细胞壁的种类：

1）、L型细菌：

专指那些实验室或宿主体内通过在自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷菌株；特点：

没有完整而坚韧的细胞壁，细胞呈多种形态，对渗透压敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落。

2）、原生质体：

是指在人为条件下，用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉素抑制新细胞壁合成后，所得到的仅有一层细胞膜包裹的圆球状渗透压敏感细胞，一般由G+形成。

3）、球状体：

又称原生质球，指还残留着部分细胞壁，一般由G-形成。

与原生质体相比，它对外界环境具有一定的抗性，待细胞壁再生后，可在普通培养基上生长。

4）、支原体：

最小的原核生物（寄生），是一类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。

其直径在0.1—0.3um，可以通过细菌过滤器。

2、革兰氏染色的机制

A、革兰氏染色的步骤：

a用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染；b用碘液进行媒染，其作用是提高燃料和细胞间的相互作用，从而使二者结合的更牢固；c用乙醇和丙酮进行脱色处理10—30s，在经历脱色后，仍将结晶紫保留在细胞内的是G+；d用一种与结晶紫不同的红色燃料进行复染，呈红色的是G-。

B、了解革兰氏染色的机理：

P49

3、青霉素的抑菌机制：

青霉素是D—丙氨酰—D—丙氨酸的结构类似物。

A、当青霉素存在时，转肽酶即与之结合，使五肽末端的丙氨酸不能被转移，甘氨酸桥无法与赖氨酸相连，肽桥不能形成，也不能形网状结构，造成缺乏机械强度的：

“缺损”细胞壁；

B、低渗条件下，细胞容易破裂死亡；

C、青霉素只能抑制正在生长繁殖的细胞，对休眠期的细胞无作用；

D、具有选择毒性作用，在杀死病原菌的同时而对宿主细胞无作用。

4、细胞壁以内的构造——原生质体

（1）、细胞质膜：

又称质膜，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，由磷脂（占20%—30%）和蛋白质（占50%—70%）组成。

A、细菌的细胞质膜：

1）、可通过质壁分离、鉴别性染色或原生质体破裂等方法在光学显微镜下观察到。

2）、细胞质膜要点：

a主体是脂质双分子层；b脂质双分子层具有流动性；c占膜总量较多的整合蛋白不易抽取；d占膜总量20%—30%、与膜结合较为松散的周边蛋白，其表面的亲水基团通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连；e脂质分子间或脂质分子与蛋白质分子间无共价键结合；f周边蛋白可在脂质双分子层上漂动。

3）、细胞膜的胜利功能：

a选择性的控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送；b维持细胞内正常渗透压的屏障；c合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS、荚膜等）的重要基地；d膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞产能的场所；e是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的功能部位；f膜上某些蛋白质受体与趋化性有关。

B、古生菌的细胞质膜：

其本质也是由磷脂组成，单它比真核生物的细胞膜具有更明显的多样性：

a亲水头（甘油）与疏水头（烃链）间是通过醚键而不是酯键连接的；b组成疏水尾的长链烃是异戊二烯的重复单位，它与亲水头通过醚键连接成甘油二醚或二甘油四醚等，而在真细菌或真核生物中的疏水尾则是脂肪酸；c古生菌的细胞质膜中存在这独特的单分子层膜或单、双分子层混合膜，而在真细菌或真核生物的细胞质膜都是双分子层膜；d在甘油的C3分子上，可连接多种与真细菌或真核生物细胞膜上不同的基团；e细胞膜上含多种独特的脂质。

（2）、细胞质和内含物

细胞质又称细胞质机质，是细胞质膜包围的除核区以外一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称。

细胞质的主要成分分为核糖体、贮藏物、质粒、酶类、中间代谢物和吸入的营养物质等，少数细菌还有类囊体、羧酶体、气泡、半孢晶体或磁小体等。

形状较大的颗粒状或泡囊状构造，称为内含物。

A、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，其主要功能是贮存营养物。

1）、多糖内存物：

包括糖原和淀粉。

在真细菌中以糖原为多。

糖原颗粒较小，可用碘液染成褐红色，在光学显微镜下可见，颗粒大小为20—100nm，均匀分布在细胞质中。

2）、聚—B—羧丁酸（PHB）：

不溶于水，可溶于氯仿，有贮藏能量、碳源和降低细胞内渗透压的作用。

PHB发现，至今已发现60属以上的细菌能合成并贮藏。

由于它无毒、可塑、易降解，故是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。

3）、硫粒：

很多真细菌在进行产能代谢或生物合成时，常涉及对还原性硫化物（如硫化氢、硫代硫酸盐等）的氧化，在环境中还原性硫素丰富时，常在细胞内以折光性很强的硫粒的形式积累硫元素，当环境中缺乏还原性硫时，可以被细菌再利用。

4）、藻青素：

通常存在于蓝细菌中，是一种内源性氮源贮藏物，同时还兼有贮存能源的作用。

一般呈颗粒状，由含精氨酸和天门氨酸残基的分支多肽构成，相对分子质量在25000—125000范围内。

5）、异染粒：

又称迂回体，颗粒大小为0.5—1.0um，是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。

B、磁小体：

趋磁细菌中含有大小均匀、数目不等的磁小体，其成分为Fe3O4，外有一层磷对该脂、蛋白或糖蛋白膜包裹。

其功能是导向作用，借鞭毛游向对该菌最有利的泥、水界面微氧环境生活。

应用前景：

包括生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器等。

C、羧酶体：

又称羧化物，是存在一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物。

其大小和噬菌体相仿，直径约100nm。

D、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一种充满气体的泡囊状内含物。

E、质粒：

染色体外DNA分子，能够独立复制，通常情况下是闭合环状超螺旋DNA分子，存在1000—100000bp。

每个细胞可以有一个或多个质粒，是编码细菌的非必需遗传信息，如抗药性、性别等。

质粒特点：

a双链环状DNA分子；b能够独立于染色体存在与复制，可以整合到染色体上去；c通常都可遗传或传递到子代，但分裂时有时会在子代中丢失；d并不是宿主细胞和繁殖所必需的。

（3）、核区：

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。

特点：

a为无核膜包裹的核区，是细菌负载遗传信息的