第二章原核微生物-微生物学.doc

<p>第二章 原核微生物（Prokaryotes）

微生物三大类：Prokaryotic/eukaryotic/acellular microorganism
主要章节，以第一节为主
比较原核细胞与真核细胞
主要内容：细菌（bacteria） 放线菌(actinomycetes）蓝细菌(cyanobacteria)
古菌（Archaea）和其他几种原核微生物(others)
原核生物：广义上都可称之为细菌（bacteria）,指一大类细胞核无核膜包裹的原始单细胞生物。
包括（真）细菌（eubacteria/bacteria）和古（生）菌（archaea）两大类。
（真）细菌主要要有：细菌（狭义的）、放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体、立克次氏体

第一节 &nbsp;细 菌（bacteria）
大量存在,小，单细胞，具肽聚糖细胞壁，水生型强，分布极其广泛，多喜中性偏碱环境；
多数发酵后出现腐臭气味；
有害菌：各类病原菌、产生有毒物质的细菌、引起食品和工农业产品腐败变质、减产
有益菌：工业微生物、医药微生物、污染物讲解菌、动植物正常菌群、物质循环
一、细菌的形态大小
（一）细菌细胞形态
较稳定，为分类学依据之一
三大类：球菌(coccus) 杆菌(bacillus) 螺旋菌(spirillum)
其他形状的细菌

1 球菌(coccus):球形，常因为分裂具有方向性以及新细胞暂时不分开，而形成各种细胞堆积―――图示并解释(分裂面的情况)：
单球菌 双球菌 四联球菌 八叠球菌 葡萄球菌 链球菌
如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是引起伤口化脓的主要微生物;肺炎双球菌（Diplococcus pneumoniae）、乳链球菌（Streptococcus lactis）、尿素微球菌（Micrococcus ureae）、藤黄八叠球菌（Sarcina lutea）。
2 杆菌(bacillus) 图示并解释：
杆状、棒状、丝状，单个或成链。杆菌短径(‘粗细’)稳定，但长度变化大。单生、双生或成链
如大肠杆菌（Escherichia coli），为短杆状G－肠道正常或条件致病菌；芽孢杆菌属（Bacillus）是最常见G＋杆菌，如枯草杆菌（Bacillus subtilis）、炭疽杆菌（Bacillus anthracis）等。
3 螺旋菌（spirllum/spirochete) 细胞壁较坚韧，细胞成刚性
弧菌 (vibrio)：弧状，靠鞭毛运动
如霍乱弧菌（Vibrio cholerae）
螺菌（spirllum）：螺旋状，靠鞭毛运动，如幽门螺杆菌（Helicobater pylori）
4 其它形态细菌: 图示并解释：
柄细菌：杆状细胞一端有细柄
鞘细菌（球衣菌）：较多杆状细胞包裹于一个丝状衣鞘中
细菌的多态：有些细菌不同生长期、不同菌龄、不同生理状态、老化时可能出现不同形态

（二）细菌细胞的大小
数μm, 0.2～80μm,光学显微镜可见。P15；
如大肠杆菌（Escherichia coli）约0.5*1-2μm
图示并解释：
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可能不同；杆菌短径较稳定，而长度变化较大
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，在显微镜下用测量

二 细菌细胞的结构
基本结构：所有细胞具备的结构，细胞壁、细胞膜、细胞质、核糖体、细胞核、简单内膜系统如简体、载色体等
特殊结构：某些细菌才有的结构，鞭毛、纤毛、荚膜、芽孢、质粒
（＋P32细菌形态和结构的观察方法，待加，加上染色介绍）
（一） 革兰氏染色（Gram staining)
1884, 丹麦，Christian Gram
1革兰氏染色步骤: 图示并解释：
（细胞图片、干燥固定后）结晶紫初染→碘液媒染→乙醇脱色→沙黄/番红复染
2 革兰氏染色结果 &nbsp;图示并解释：
革兰氏阳性菌（G+）：保持初染的紫色，如芽孢杆菌、多数球菌、放线菌
革兰氏阴性菌（G－）：初染紫色被乙醇褪去，复染成红色

（二）细胞壁（cell wall)
1 细胞壁的功能―――活性壁
l 固定细胞外形
l 保护细胞免受外力的损伤
l 协助鞭毛运动
l 为正常细胞分裂所必需
l 阻拦有害物质进入细胞
l 与细菌的抗原性、致病性和对噬菌体的敏感性密切相关
2 细菌细胞壁（cell wall）的结构 &nbsp;图示并解释：
革兰氏阳性菌（G+）：厚的肽聚糖（Peptidoglycan）层，另含磷壁酸，无外壁层
革兰氏阴性菌（G－）：在较薄的肽聚糖层外还有较厚的由脂多糖和脂蛋白构成的外壁层；不含磷壁酸
3 细胞壁的化学组成
高等植物：纤维素(cellulose)
霉菌：几丁质(chitin)
酵母：甘露聚糖，葡聚糖
细菌：肽聚糖，磷壁酸，脂多糖
肽聚糖（图示并解释）: N－乙酰葡萄糖胺和N－乙酰胞壁酸交替以β-1,4糖苷键相连成骨架，由短肽把骨架连成多层网状结构
短肽（图示并解释）：由4～5个氨基酸构成，其中往往含D-型氨基酸和二氨基庚二酸（diaminopimelic acid；DAP）
图示各结构单位一级结构

注：
纤维素：葡萄糖单位以β-1,4糖苷键连接而成的线性结构
淀粉：直链淀粉由葡萄糖单位以α-1,4糖苷键连接而成的线性结构；支链淀粉的线性段同直链淀粉，分支处为α-1,6糖苷键连接
几丁质（壳多糖）：为N－乙酰葡萄糖胺（N-acetylglucosamine; NAG）由β-1,4糖苷键连接而成的线性结构，与纤维素极相似，只是每个葡萄糖残基的C2上被乙酰化的氨基取代
N－乙酰胞壁酸(N-acetylmuramic acid, NAM)：N－乙酰葡萄糖胺中葡萄糖残基C3上被丙酸取代
磷壁酸(teichoic acid)：在G＋中存在，占有些细菌细胞壁干重的50％；主链是由醇（核糖醇或甘油）与磷酸分支交替连接成，侧链是单个的D－alanine或glucose
脂多糖:是G－特有的，构成外膜外表面的主要物质，由脂质和杂多糖共价连接成

溶菌酶（lysozyme/muramidase）作用：破坏肽聚糖的ß（1，4）糖苷键，使细菌细胞壁溶解，细胞破裂
青霉素(penicillin)的作用：结构与D-型氨基酸相似，干扰新生细胞壁的形成，造成新生细胞细胞壁不完整或缺壁而死亡。G+对青霉素敏感

4 G+、G-细胞壁比较（图示并解释）
革兰氏阳性菌（G+）：厚的肽聚糖层，20～80nm,多层（约40层），网格紧密；含磷壁酸；无外壁层
革兰氏阴性菌（G－）：肽聚糖层薄，2～3nm,单层，网格疏松；不含磷壁酸；肽聚糖层外还有较厚的由脂多糖和脂蛋白构成的外壁层。

附：革兰氏染色的可能机理（结合结构和染色过程讲解，并说明假阳性或假阴性出现的可能原因）
在染色过程中，细胞内形成了深紫色的结晶紫-碘的复合物。这种复合物可被酒精从G-细胞内浸出，而G＋菌则较困难：

G＋菌：细胞壁肽聚糖层厚，网格结构紧密，含脂量低，当它被酒精脱色时，肽聚糖层网格孔径缩小甚至关闭，从而阻止了结晶紫-碘的复合物的逸出，故而成深紫色
G-菌：细胞壁肽聚糖壁层薄，网格结构稀疏，酯类含量又高，当它被酒精脱色时，酯类物质溶解，细胞壁通透性增大，结晶紫-碘的复合物被抽提出来，紫色退去，细胞被复染成红色
假阴性：过度脱色、老化、死亡的G+细胞可能染色结果为革兰氏阴性

5 缺壁细菌：
自发缺壁突变：L型细菌(首先被英国的Lister医学研究院发现)
人工方法去壁：
彻底除尽：原生质体
部分去除：球状体
自然界长期进化中形成：支原体

（三）细胞膜(cell membrane)：
质膜（cytoplasmic membrance）
1细胞膜液体镶嵌模型（图示并解释）
（复习）物质组成和结果
2细菌细胞膜的多种功能―――选择透性、多功能
l 维持细胞内正常渗透压以保证屏障作用；
l 控制细胞内、外的物质的运送、交换
l 合成细胞壁各种组分和荚膜等大分子的场所
l 进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地（相当于线粒体和叶绿体的功能）
l 鞭毛着生点和提供其运动所需的能量等
l
（四）细胞质(cytoplasm )和内含物( inclusion body)
核糖体（ribosome）
1、细菌核糖体（图示并解释）：70S,由50S大亚基（含23S rRNA）和30S小亚基（含16S rRNA）构成，合成蛋白质的最小功能单位。（
注：真核生物细胞质中含80S核糖体，由60S大亚基（含28S rRNA）和40S小亚基（含18S rRNA）构成，而叶绿体和线粒体中含70S核糖体）。

2、链霉素、四环素、氯霉素等能抑制70S核糖体合成蛋白质的功能，但对80S核糖体不起作用
其它内含物：
贮藏物(reserve granule):如异染颗粒、聚β-羟基丁酸、硫滴、脂肪滴等
气泡(gas vacuoles)
羧酶体(carboxysome)
磁小体(megnetosome)

（五）细胞核－核区（nuclear region or area）
原始态核：primitive form nucleus
拟核：nucleoid
细菌染色体：bacterial chromosome
l 是一个大型环状DNA分子，长度为0.25-3.00mm
l 无核膜，无组蛋白
l 又称核质体、原核、拟核、核基因组(genome）
l 每个细胞所含的核区数一般1—4个
l 细菌除在染色体复制时间内呈双倍体外,一般均为单倍体
（六）质粒(plasmid) （图示并解释）：
大多数细菌细胞质中，含有1～多个小型环状DNA,带几个或几十个基因，为非必需基因
1质粒的特性（图示并解释）
l 不同质粒间、质粒与染色体间可以发生基因重组
l 质粒可以自行消失，也可通过结合、转化从一个细菌传给另一个细菌
l 质粒可以自我复制，稳定遗传；也可携带外源基因，一起复制、遗传；还可以完全整合到染色体上，与之一起复制、遗传
2 质粒功能
l R因子（抗药性因子）： 与抗药性有关
l F因子（致育因子）：与有性接合有关
l 其他质粒：与抗生素、色素合成有关
l 基因工程中作为目的基因载体

（七）芽孢(endospore/spore)
l 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、含有吡啶－2，6二羧酸钙（DPA-Ca），含水量极低、抗逆性极强的休眠体
l 由于一个营养细胞内仅生成一个芽孢，无繁殖功能
l 芽孢是生物界中抗性最强的生命体，尤其抗热，高压蒸气灭菌121℃ 最少要12 min。
l 芽孢在普通条件下可保持几年至几十年的生活力。
l 芽孢种类: 不膨大/膨大；位于中间/端生
1 芽孢的构造（图示并解释）
2 芽孢的形成过程（图示并解释）
3 芽孢的萌发（图示并解释）
萌发过程：适温下吸水膨胀，孢子壁溶解，逐渐成为营养细胞，进入繁殖周期

间歇灭菌法：常压下煮沸（100℃）15～30min（杀死营养细胞），室温过夜（芽孢萌发）。如此重复3次，可以杀灭所有营养细胞和芽孢
4 研究芽孢的意义
l 细菌分类、鉴定中的重要形态学指标
l 指导菌种保藏
l 制定灭菌参数
5 伴孢晶体（parasporal crystal）
少数芽孢杆菌在形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体，称为伴孢晶体。 能溶解于昆虫碱性肠液中，使昆虫中毒死亡
实用意义：细菌杀虫剂—生物农药，如用苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)和其伴孢晶体制成的生物农药（ Bt制剂）已经广泛由于生物防治，对膜翅目昆虫有特效

（八）糖被(glycocalyx) （图示并解释）
糖被为包于某些细菌细胞壁外面的一层厚度不定的透明胶状物质。
分为荚膜（capsule/macrocapsule)、微荚膜（microcapsule)、粘液层（slime layer)等。
细菌糖被实用意义：
l 鉴定菌种
l 提取葡聚糖—“代血浆”
l 胞外多糖：黄原胶用于石油开采

1荚膜成分：多糖、多肽（含D-型氨基酸）、水分（图示并解释）
2荚膜功能
l 保护作用：保护细菌免受干旱损坏，防止噬菌体的吸附和裂解，使致病菌免受突破主白细胞吞噬
l 贮藏养料
l 作为透性屏障或离子交换系介质
l 附着作用
l 细菌间的信息识别作用
l 堆积代谢 废物
3 菌胶团（zoogloea）：有些细菌其荚膜物质相互融合，连为一体，多个菌体包含其中。如肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）
（九）鞭毛（Flagellum) （图示并解释）
生长在某些细菌体表的长丝状蛋白质附属物，称为鞭毛，其数目为一至数条，中空；具有运动功能。
鞭毛一般长度为15—20μm直径为0.01—0.02μm
鞭毛的结构（图示并讲解，待加）
鞭毛着生情况（图示并解释）：单鞭毛、多鞭毛；端生、周生、丛生

（十）菌毛（fimbria):（伞毛、纤毛、线毛）：
由蛋白质构成，较短，无运动性
功能：作为噬菌体的吸附位点
作为附着到哺乳动物细胞或其他物体的工具
(十一)性（纤）毛（pilus）
l 构造和成分与菌毛相同，
l 但比菌毛长。
l 数量仅一至少数几根。
l 性毛见于革兰氏阴性细菌的雄性菌珠中。
l 其功能是向雌性菌珠（受体菌）传递遗传物质（图示并讲解）。

三、 细菌繁殖方式
简单二分裂（图示并解释）
偶尔存在有性结合

四、细菌群体的形态（细菌的培养特征）
1 细菌的菌落特征
l 菌落（clone)：一个微生物细胞在固体培养基上生长繁殖形成的肉眼可见的细胞群落。
l 不同微生物有其不同的菌落特征
l 细菌的菌落特征：湿润，较光滑，多半透明，易用接种环挑起；有腐臭味
l 有荚膜菌，菌落十分光滑、透明、蛋清样、较大；有鞭毛菌的菌落扁平、边沿不规则
细菌的菌落特征的描述：要结合培养基核培养条件，主要内容包括：
大小、颜色、质地
边缘是否整齐及其形状、
表面是否凸起、是否光滑、是否反光、是否透明、是否湿润
与培养基结合是否紧密、是否易被接种环挑起
是否产生可溶性色素
是否发出特殊气味

2 细菌的其它培养特征
l 在半固体培养基中穿刺培养（图示并解释）
l 在明胶培养基中穿刺培养（明胶液化情况；图示并解释）
l 在半固体斜面培养基上画线接种培养（图示并解释）
l 细菌在肉汤培养基中的表面生长特征：絮状、环状、浮膜状、膜状
l 多数细菌能悬浮在液体培养基中，使液体培养基浑浊

思考题
1 简述细菌的主要形态类型
2 试述肽聚糖化学组成和结构
3 试述细菌基本结构和特殊结构及其功能
4 简述述革兰氏染色的步骤及其可能机理
5 试述G+、G-细菌细胞壁结构和化学组成的异同
6 简述溶菌酶、青霉素、链霉素的杀菌机理
7 试述芽孢的结构特点、形成过程、功能及其萌发条件
8 试述间歇灭菌法的原理和用途
9 试述细菌质粒的特点及其功能
10 什么叫菌落特征？细菌的菌落特征包括哪些方面？
11 简述细菌菌落的主要特征。
第二节 放线菌(actinomyces)
一、什么是放线菌
放线菌是一类具有丝状与分枝细胞的G+细菌。60～70％的抗生素由放线菌产生。放线菌多数腐生，一般分布在含水量较低、有机物丰富和呈微碱性的土壤中，可达107cells／g左右

与细菌相同之处：
l 有原核，细胞壁的主要成分是肽聚糖，核糖体为70S
l 菌丝直径与细菌相仿
l 最适生长pH与细菌相近，一般呈微碱性
l 对溶菌酶和青霉素敏感
l 凡细菌所敏感的抗生素，放线菌也同样敏感
二、放线菌的形态结构
菌丝：细胞丝状、分枝，叫菌丝。放线菌菌丝多核无隔，核单倍
菌丝体：同一个体的菌丝交织而成的菌丝团
菌丝体模式图

1、基内菌丝（Substrate mycelium)
又称营养菌丝，功能是吸收营养，直径 0.2-1.2um长度100－600um，色素可有可无。
2、气生菌丝（Aerial mycelium)
基内菌丝长到一定时期，长出培养基外，伸向空间的菌丝，直径1－1.4um, 长短不一，形状不一，颜色较深。
3、孢子丝(Reproductive mycelium)
为繁殖菌丝。当气生菌丝生长发育到一定阶段，气生菌丝上分化出的可形成孢子的菌丝。孢子的形状及在气生菌丝上排列的方式随种而异。
放线菌孢子丝形态图示。

由于菌丝和孢子常具不同色素，使菌落正面，背面呈不同色泽。

三、放线菌的繁殖
（一）放线菌的繁殖方式：以产生无性孢子繁殖为主，可以段殖。孢子壁厚，耐干旱
l 分生孢子
l 孢囊孢子
l 菌丝断裂---段殖
（二） 放线菌 生活史
四、放线菌的菌落特征
l （菌丝生长较慢、分枝、交互缠绕）菌落质地硬，而且致密，菌落小，不透明。边沿在显微镜下菌丝成放射状
l 菌落表面呈紧密的绒状或坚实、干燥多皱。
l （基内菌丝与培养基结合紧密）接种针难以挑取，有时可挑碎，有时可将整个菌落挑起。
l 后期孢子成熟后菌落表面粉状、颗粒状，常具色泽
l 具泥腥味
五、代表属
l 链霉菌属（Streptomyces）：种类多，主要抗生素产生菌，如链霉素、土霉素、四环素、丝裂霉素（抗肿瘤）
l 诺卡氏菌属（Nocardia）：利福霉素－特效抗结核分枝杆菌和麻风分支杆菌
l 放线菌属（Actinomyces）:多为致病菌

第三节 蓝细菌(cyanobacteria)
l 又名蓝藻（blue algae）或蓝绿藻（blue-green algae），原核，G-,单细胞或多细胞丝状，二分裂繁殖。
l 为光合菌，含叶绿素a，存在于由细胞膜内陷折叠而成的内囊体（thylakoid）膜上，行放氧光合作用，
l 细胞基本结构与细菌同
l 对青霉素、溶菌酶敏感
l 很多种类能自生固氮或共生固氮，如念珠藻属有异形胞专司自生固氮
l 有些种类细胞聚集成菌胶团
l 主要属：念珠藻属(如地木耳)、微囊藻属、鱼腥藻属、腔球藻属，后三属在富营养化水体中形成水华
螺旋藻、发菜念珠藻、地木耳（葛仙米）

为原始地球上的先锋生物：
行放氧光合作用，固定CO2为有机C, 产生O2; 能自生固氮，积累有机N; 无机营养(自养，不需要有机营养物)。只要有空气、阳光、水分和无机盐类，便能大量生长，积累含C、N有机物和O2。

第四节 其他几种原核微生物
细菌滤器：是一类孔径在0.22～0.45um的过滤装置，绝大多数细菌不能通过，而生物大分子和病毒可以通过。
滤过性：可以通过细菌滤器
一、立克次氏体（Rickettsia）
l 是落基山斑疹伤寒的病源体
l 原核，G -
l 产能代谢途径不完整，不能独立生活，
l 专性细胞内寄生（多用鸡胚培养）
l 无滤过性(0.3-0.6×o.8-2um)
二、 支原体（Mycoplasma）
l 缺乏细胞壁，可以通过细菌滤器
l “油煎蛋”状菌落（0.1-1.0mm）
l 能在人工培养基上独立生长
l 多数腐生，少数寄生
l 为能独立生活的最小细胞生物
三、 衣原体(Chlamydia)
l 具璧，但能通过细菌滤器
l G-, 具两种细胞形态（原体和始体）
l 有不完整的酶系统，尤其缺乏产能代谢的酶系统
l 专性细胞内寄生。如沙眼衣原体（ Chlamydia trachomatis)
四、螺旋体（Spirochaeta）
l 原核，G-, 具肽聚糖璧，不能通过细菌滤器
l 细胞细长、柔软、螺旋状
l 无鞭毛，能运动
结构图示
如梅毒螺旋体（Treponema pallidum）、钩端螺旋体（Spirochaeta）
五、粘细菌（Myxobacteria）
l 原核，G-, 具肽聚糖璧，不能通过细菌滤器
l 细胞柔软，分营养细胞期和子实体期（休眠期），
l 子实体有营养细胞聚集、发育而成，肉眼可见
l 一个营养细胞发育成一个粘孢子，为休眠孢子
l 无鞭毛，细胞群体形成粘液层，细胞能在粘液中滑动
l 常见腐生菌，具较强分解纤维素、琼脂、几丁质能力
六、 古菌（Archaea）
原核生物、五界系统
（一） 古菌的发现：
u 随着免培养技术和分子生物学技术的发展，以及对极端环境微生物的深入研究，发现还存在一大类原核微生物与其他原核微生物有很大差异而更接近真核生物。由于这些菌多栖息在类似于早期（远古）的地球环境（如高热、高酸、高盐），这些生物统称为古菌（Archaea/）。而其余的原核生物统称为细菌（Bacteria).
u 1990年Woese等通过rRNA及RNA聚合酶(RNA polymerase)分子结构特征和序列的比较，建立了三域分类系统，将生物分类的最高等级命名为域(Domain)，生命三域分别为古菌域(Archaeabacteria/Archaea) 、真细菌域(Eubacteria /bacteria)和真核生物域(Eucarya)
u 现在人们认为古菌和细菌是在40亿年以前由共同祖先分叉进化，而真核生物又是从古菌分叉进化形成的。
（二） 古菌的特点
1、古菌的形态：除球形、杆状外，还有方形、三角形和盘状等
2、细胞结构：细胞壁为蛋白质或假肽聚糖，不含二氨基庚二酸和胞壁酸；细胞膜中支链烃与甘油通过醚键相连，而细菌和真核生 物中为直链链脂肪酸和甘油以脂键相连
假肽聚糖（speudopeptidoglycan）：结构与肽聚糖相似，但骨架为N-乙酰葡萄糖胺和N－乙酰塔罗糖胺糖醛酸（N-acetyltalosaminnouronic acid）以ß（1,3）糖苷键交替相连成骨架（不能被溶菌酶水解），肽桥不含D－型氨基酸（对青霉素不敏感），
3、DNA复制和转录机制和参与的酶与真核生物相同或相似，而与细菌差异大
4、16S/18S rRNA序列的系统发育分析表明古菌、细菌和真核生物为三大类群（三域）(见下图；此图不太清楚，最好参阅其它书籍)

Woese,C.R.提出的三域说，即真细菌域(Eubacteria)、古菌域(Archaebacteria)和真核生物域(Eucaryota)之间的关系图
（三） 古菌的类群 参见刘P218～
1 嗜热或超嗜热古菌(thermophiles/hyper thermophiles)：硫，厌氧，有些利用H2为能源；
2 极端嗜盐古菌(extremely alophilic archaea)：9%～32%, 12％～23％，高盐环境
3 产甲烷古菌（methane-producing archaea, &nbsp; Methanogens）利用H做能源；厌氧产甲烷
4 热原体古菌(Thermoplasma)：无壁
思 &nbsp;考 &nbsp;题
1．试述放线菌菌丝体构成及其繁殖方式
2．试述放线菌菌落特征
3．为什么把蓝细菌称为地球上的“先锋生物”？
4．试述原核微生物的主要类群及其主要生物学特征
5．支原体革兰氏染色结果如何？对青霉素敏感吗？
6．试述古菌的特点和在生物界中的进化地位</p>