原核微生物的形态结构和功能.docx

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原核微生物的形态结构和功能

第一章原核微生物的形态结构与功能

第一节细菌

细菌（Bacteria）是一类个体微小、具有细胞壁的单细胞原核微生物

一、细菌的个体形态

1、球菌（Coccus）

细胞个体呈球形或椭圆形，不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式，常被作为分类依据。

（1）单球菌如尿素微球菌（Micrococcusureae）。

（2）双球菌如肺炎双球菌（Diplococcuspneumoniae）。

（3）链球菌如乳链球菌（Streptococcuslactis）。

（4）四链球菌如四链微球菌（Micrococcustetragehus）。

（5）八叠球菌如尿素八叠球菌（Sarcinaureae）。

（6）葡萄球菌如金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）。

2、杆菌（Bacillus）

细胞呈杆状或圆柱形，一般其粗细（直径）比较稳定，而长度则常因培养时间、培养条件不同而有较大变化。

3、螺旋菌（Spirilla）

包括：

弧菌、螺菌、螺旋体。

4、细菌的特殊形态

柄细菌、肾形菌、臂微菌、网格硫细菌、贝日阿托氏菌（丝状）、具有子实体的粘细菌、三角形、方形等特殊形态的细菌。

二、细菌的个体大小

细菌大小的测定：

（1）测量：

测微尺

（2）长度单位：

微米（μm）

（3）表示：

球菌：

直径

杆菌：

宽×长

螺菌：

宽、长、螺距

细菌大小测量结果的影响因素：

个体差异；

干燥、固定后的菌体会一般由于脱水而比活菌体缩短1/3-1/4；

染色方法的影响，一般用负染色法观察的菌体较大；

幼龄细菌一般比成熟的或老龄的细菌大；

环境条件，如培养基中渗透压的改变也会导致细胞大小的变化。

细菌细胞的重量约为1×10－9～1×10－10mg，

即每克细菌约含1～10万亿个菌体细胞

三、细菌的细胞结构与功能

（一）细菌细胞的基本结构

1、细胞壁

细胞壁（cellwall）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）实细胞壁存在的方法：

1）细菌超薄切片的电镜直接观察；

2）质、壁分离与适当的染色，可以在光学显微镜下看到细胞壁；

3）机械法破裂细胞后，分离得到纯的细胞壁；

4）制备原生质体，观察细胞形态的变化。

（2）细胞壁的功能：

1）固定细胞外形和提高机械强度；

2）为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需；

3）阻拦有害物质进入细胞；

4）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。

（3）细胞壁的化学组成与结构

1）革兰氏染色

Christian.Gram（革兰）于1884年发明的一种鉴别不同类型细菌的染色方法。

2）革兰氏阳性细菌的细胞壁

特点：

厚度大（20－80nm）

化学组分简单，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸。

肽聚糖厚约20～80nm，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。

壁磷壁酸，它与肽聚糖分子间进行共价结合，含量会随培养基成分而改变，一般占细胞壁重量的10%，有时可接近50%。

用稀酸或稀碱可以提取。

外壁层：

位于肽聚糖层的外部。

内壁层：

紧贴胞膜,仅由1～2层肽聚糖分子构成,占细胞壁干重5－10%,无磷壁酸。

3）革兰氏阴性细菌的细胞壁

肽聚糖埋藏在外膜层之内，是仅由1～2层肽聚糖网状分子组成的薄层（2～3nm），含量约占细胞壁总重的10%，故对机械强度的抵抗力较革兰氏阳性菌弱。

外膜（outermembrane）位于革兰氏阴性细菌细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和脂蛋

外膜蛋白（outermembraneprotein）嵌合在LPS和磷脂层外膜上的蛋白，有20余种。

周质空间（periplasmicspace,periplasm）

4）革兰氏阳性和阴性细菌的比较

（4）革兰氏染色的机制

第一步：

结晶紫使菌体着上紫色

第二步：

碘和结晶紫形成大分子复合物，分子大，能被细胞壁阻在细胞内。

第三步：

酒精脱色，细胞壁成分和构造不同，出现不同的反应。

G+菌：

细胞壁厚，肽聚糖含量高，交联度大，当乙醇脱色时，肽聚糖因脱水而孔径缩小，故结晶紫-碘复合物被阻留在细胞内，细胞不能被酒精脱色，仍呈紫色。

G-菌:

肽聚糖层薄，交联松散，乙醇脱色不能使其结构收缩，因其含脂量高,乙醇将脂溶解，缝隙加大，结晶紫-碘复合物溶出细胞壁，酒精将细胞脱色，细胞无色，沙黄复染后呈红色。

2、细胞膜

细胞质膜（cytoplasmicmembrane），又称质膜（plasmamembrane）、细胞膜（cellmembrane）或内膜（innermembrane），是紧贴在细胞壁内膜、包围着细胞质的一层柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜。

细胞膜的组成：

蛋白质（占50%～70%）、磷脂（占20%～30%）、多糖（占1.5%～10%）

（1）观察方法：

质壁分离后结合鉴别性染色在光学显微镜下观察；

原生质体破裂；

超薄切片电镜观察；

（2）细胞膜的化学组成与结构模型：

1972年，辛格（提出的细胞膜液态镶嵌模型：

①膜的主体是脂质双分子层；

②脂质双分子层具有流动性；

③整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂质双分子层的疏水性内层中；

④周边蛋白表面含有亲水基团，故可通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连；

⑤脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合；

⑥脂质双分子层犹如一"海洋"，周边蛋白可在其上作“漂浮”运动，而整合蛋白则似“冰山”状沉浸在其中作横向移动。

（3）细胞膜的生理功能：

a、细胞内、外的物质交换的主要屏障和介质；

b、合成细胞壁和糖被的各种组分的重要基地；

c、是细胞的产能场所；

d、传递信息。

e、是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位；

（4）间体（mesosome，或中体）：

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。

3、细胞质和内含物

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。

（1）颗粒状贮藏物（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。

1）多糖类贮藏物：

糖原粒和淀粉粒。

2）聚-β-羟丁酸（poly-β-hydroxybutyrate，PHB）

类脂性质的碳源类贮藏物，PHB于1929年被发现，至今已发现60属以上的细菌能合成并贮藏。

巨大芽孢杆菌（Bacillusmegaterium）在含乙酸或丁酸的培养基中生长时，细胞内贮藏的PHB可达其干重的60%。

3）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。

4）异染粒（metachromaticgranules）

颗粒大小为0.5～1.0μm，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。

5）硫粒（sulfurglobules）

（2）磁小体（megnetosome）

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。

一些自细菌细胞内的多角形或六角形内含物其大小与噬菌体相仿，约10nm，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。

（3）羧酶体（carboxysome）

（4）气泡（gasvesicles）

许多光合营养型、无鞭毛运动的水生细菌中存在的充满气体的泡囊状内含物，大小为0.2～1.0μm×75nm，内由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白质膜包裹。

（5）载色体（Chromatophore）

光和细菌进行光和作用的部位相当于绿色植物的叶绿体

（6）核糖体（ribosome）

核糖体是核糖核蛋白体（ribosomes）的简称，在化学组成上含2/3的核糖核酸（rRNA）和1/3的蛋白质。

原核生物含70S核糖体，由30S和50S两个亚单位组成。

（7）质粒（plasmid）

染色体外的共价闭合环状双链小分子DNA。

细菌染色体外的遗传物质，由共价闭合环状双链DNA分子组成，分子量约为2～100×10D，携带1～100个基因,一个菌细胞可有一至数个质粒。

质粒的特点：

可自我复制，稳定遗传。

对生存不是必要的。

复制与染色体分开，但同步进行。

不同质粒携带不同遗传信息。

无质粒细菌可通过接合、转化、传导等方式获得，不能自发产生。

例：

细菌抗药性因子、大肠杆菌的F因子。

质粒应用:

基因工程，体外重组.

4、核区（nuclearregionorarea）

原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核

（二）细菌细胞的特殊结构

1、鞭毛（flagellum，复flagella）

某些细菌细胞表面着生的一至数十条长丝状、螺旋形的附属物，具有推动细菌运动功能，为细菌的“运动器官”。

（1）观察和判断细菌鞭毛的方法

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

（2）鞭毛着生的方法

（3）鞭毛的结构

（4）鞭毛的运动

靠鞭毛丝旋转而动，其动力来自质子动力，与细胞膜内外质子浓度差和电势差决定。

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。

每个细菌约有250～300条菌毛。

有菌毛的细菌一般以革兰氏阴性致病菌居多，借助菌毛可把它们牢固地粘附于宿主的呼吸道、消化道、泌尿生殖道等的粘膜上，进一步定植和致病。

3、性毛（pili，单数pilus）

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（即供体菌）中，其功能是向雌性菌株（即受体菌）传递遗传物质。

有的性毛还是RNA噬菌体的特异性吸附受体。

4、荚膜（capsule）

包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质。

[也叫糖被（glycocalyx）]

荚膜按其有无固定层次、层次厚薄又可细分为：

大荚膜（macrocapsule）

微荚膜（microcapsule）

粘液层（slimelayer）

菌胶团（zoogloea）

荚膜（capsule）

荚膜的特点

（1）主要成分是多糖、多肽或蛋白质，尤以多糖居多。

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它的存在。

（2）产生荚膜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。

（3）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。

（4）细菌荚膜与人类的科学研究和生产实践有密切的关系。

5、特殊的休眠构造——芽孢（spore或endospore）

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。

1）细菌芽孢的结构

2）细菌芽孢的特点

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。

芽孢是细菌的休眠体，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。

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。

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。

（相差显微镜直接观察；芽孢染色）

3）芽孢的形成与芽孢的萌发过程

4）芽孢的耐热机制

芽孢与母细胞相比不论化学组成、细微结构、生理功能等方面都完全不同

a、芽孢中含有独特的2，6-吡啶二羧狻钙盐（DPA-Ca）；

b、渗透调节皮层膨胀学说（osmoregulatoryexpandedcortextheory）（dipicolinicacid-Ca）。

四、细菌的繁殖

一个母细胞产生二个或二个以上子细胞的过程称为繁殖。

一般为无性繁殖，二分裂法（binaryfission）。

同形裂殖：

裂殖后形成的子细胞大小相等。

异形裂殖：

分裂产生两个大小不等的子细胞。

细菌分裂过程：

①核分裂

②形成横隔壁

③子细胞分离

五、细菌的培养特征

细菌的培养特征是指细菌在培养基上所表现的群体形态和生长情况。

1、细菌的菌落特征

菌落（colony）在培养基表面或里面聚集形成一个以母细胞为中心的一堆肉眼可见的、具有一定形态的子细胞群体。

菌苔（lawn）大量细胞密集生长,结果长成的各“菌落”连接成一片。

细菌的菌落特征包括：

大小、形状、边缘、光泽、质地、透明度、颜色、隆起和表面状况。

2、细菌的其他培养特征

斜面培养特征：

菌苔的生长程度、形状、光泽、质地、透明度、颜色、隆起和表面状况等。

液体培养特征：

半固体培养

六、细菌的分类依据

（1）形体特征；

（2）培养特性；

（3）生理特性；

（4）生化反应；

（5）血清学反应；

（6）生态；

（7）细胞的化学成分；遗传学特性。

七、细菌的分类系统

目前国际上运用最多的是《伯捷氏鉴定细菌手册》，1997年出版了第八版，目前已出版了第九版。

第八版由14个国家128位细菌分类专家集体编。

分为19个部，每个部里再列出科、属、种、变种、亚种、型、菌株或品系、群。

八、细菌中的名命名法则

以金黄色葡萄球菌（StaphylococusaureusRosenbach1939）为例，Staphylococus是属名；aureus是形容词（金黄色的）；Rosenbach是人名；1939是发现年份。

一般只写学名，省略人名及年代，印刷时属以下学名用斜体字。

九、食品中常见的细菌

1、假单胞杆菌属（Pseudomonas）

具有很强的分解脂肪和蛋白质的能力，是引起食品腐败变质的主要细菌。

直的或弯杆状（0.5～1μm×1.5～4μm），革兰氏阴性菌，极生鞭毛，可运动、不生芽孢。

荧光假单胞菌（Ps.fluorescens）

腐败假单胞菌（Ps．putrefacicus）

菠萝假单胞菌（Ps.ananas）

2、醋酸杆菌属（Acetobacter）

具有很强的氧化能力，可将乙醇氧化成乙酸，主要用于制造食醋，以及日常生活中危害水果、蔬菜，使酒、果汁变酸。

革兰氏阴性菌杆状菌，单生或成链状，无芽孢，需氧，运动或不运动。

3、无色杆菌属（Achromobacter）

革兰氏阴性杆菌，有鞭毛，能运动。

分布于土壤中，多数能分解葡萄糖产酸，使禽肉、和海产品变质发粘。

4、产碱杆菌属（Alcaligenes）

革兰氏阴性菌。

不分解糖产酸，能生成色素，使乳制品及其他动物性食品产生粘性而变质，能在培养基上产碱。

5、黄杆菌属

菌落可产生黄色、桔红色、红色或褐色非水溶性色素，有很强的分解蛋白质的能力，可产生热稳定性的胞外酶，故可在低温下使乳剂乳制品酸败。

有的黄杆菌可在4oC条件下引起牛乳变粘等，对禽、鱼、蛋等食品同样引起腐败变质。

6、埃希氏杆菌（Escherichia）

食品中重要的腐生菌，存在于人及动物的肠道中，在水、土壤中也极为常见。

大肠杆菌是食品卫生的指示菌。

7、沙门氏菌（salmonella）

该菌常常污染鱼、肉、禽、乳、蛋，特别是肉类，是人类重要的肠道致病菌，误食有此菌污染的食品，可引起肠道传染病或食物中毒。

8、变形杆菌

G-，卵圆形，幼龄时呈丝状，周生鞭毛，运动性强。

广泛分布于水、土壤及人畜粪便之中。

有强分解蛋白质的能力，是食品腐败菌，可引起食物中毒。

9、利斯特氏菌属

是人畜共患病菌，可引起人脑膜炎、败血症、肺炎等。

10、乳杆菌属

G+，分解糖的能力强，常被用来生产乳酸、干酪、酸乳等乳制品生产的发酵剂。

11、明串珠菌属

常用来生产葡聚糖，一种代血浆物质。

但也常常给食品带来污染，如牛乳的变粘以及制糖工业中增加糖液粘度，影响过滤而延长了时间，降低了产量。

12、双歧杆菌属

最早发现于婴儿粪便中。

G+，多形态杆菌，Y形、V形、弯曲状、棒状、勺状等。

专性厌氧。

目前市场上保健饮品风行，其中发酵制品及一些保健饮料常常加入双歧杆菌，以提高产品的保健效果。

13、芽孢杆菌属

G+，产生芽孢，此菌芽胞有抗热性，因此是食品工业中经常遇到的污染菌。

其中蜡样芽胞杆菌可引起食物中毒，炭疽芽孢杆菌是引起人畜共患的烈性传染病。

14、梭状芽孢杆菌属

为厌氧性革兰氏阳性杆菌，是罐装食品中引起食品腐败的主要菌种，腐败梭菌可以引起蛋白质食物的变质。

肉类罐装食品中最重要的是肉毒梭状芽孢杆菌，其芽孢耐热性极大，能产生很强的毒素。

15、微球菌属

污染食品可使食品变色，可在低温下生长，引起冷藏食品的腐败变质。

16、链球菌属

如溶血链球菌、乳房链球菌等，可引起食物中毒和乳房炎。

17、葡萄球菌属

呈葡萄串状，革兰氏阳性（G+），如金黄色葡萄球菌，可引起感染。

污染食品产生肠毒素，使人食物中毒。

第二节古细菌的形态结构与功能

1977年WoeseC.R（沃斯）等人研究发现产甲烷细菌的核苷酸序列奇特，认为是地球上细胞生物的第三种生命形式，由于这类具有独特基因结构或系统发育的单细胞生物，通常生活在地球上极端的环境或生命出现初期的自然环境中，因此把这类生命命名为古细菌（Archacbacteria）。

古生菌细胞的形态包括球形、裂片状、螺旋形、片状或杆状，也存在单细胞、多细胞的丝状体和聚集体。

古细菌独有的特征是在细胞膜上存在聚异戊二烯甘油醚类脂；细胞壁骨架为蛋白质或假肽聚糖，且缺乏胞壁酸。

而是衍生出多样化的细胞被膜。

在古生菌同一目中，由于其不同类型的细胞壁，革兰氏染色结果可以是阳性或阴性。

革兰氏染色阳性菌种具有假磷壁酸（假肽聚糖）、甲酸软骨素和杂多糖组成的细胞壁，而革兰氏染色阴性菌种则具有由晶体蛋白或糖蛋白亚单位构成的单层细胞胞被（表面）。

有些古细菌能生活在极端的环境中，可能与其特殊细胞结构、化学组成及体内特殊酶的生理功能等有关。

古生菌的繁殖是多样的，包括：

二分裂、芽殖、缢裂、断裂和未明的机制。

古生菌多生活在地球上极端的环境或生命出现初期的自然环境中，主要粞居在陆地和水域，存在于超高温、高酸碱度、无氧和高盐的热液或地热中，；有些菌种也作为共生体而存在于动物消化道内。

它们包括好氧菌、厌氧菌和兼厌氧菌，其中严格的厌氧是古生菌的主要呼吸类型；营养方式有化能自养、化能异养或兼性营养型；古细菌一般喜欢高温。

第三节放线菌（Actinomyces）

放线菌（Actinomycetes）是一类具有丝状分枝细胞和无性孢子的G+原核微生物,由于菌落呈放射状而得名。

一、放线菌的形态与结构

（一）放线菌的个体形态

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1µm；细胞壁组成与细菌类似，革兰氏染色阳性（少数阴性）；细胞的结构与细菌基本相同，

放线菌的菌丝按形态和功能可分为：

营养菌丝、气生菌丝和孢子丝三种。

1、营养菌丝

匍匐生长于培养基内，吸收营养，也称基内菌丝。

一般无隔膜，直径0.2～0.8µm，长度差别很大，有的可产生色素。

2、气生菌丝

营养菌丝发育到一定阶段，伸向空间形成气生菌丝，叠生于营养菌丝上，可覆盖整个菌落表面。

在光学显微镜下观察，颜色较深，直径较粗（1～1.4µm），有的产色素。

3、孢子丝

气生菌丝发育到一定阶段，其上可分化出形成孢子的菌丝，即孢子丝，又称产孢丝或繁殖菌丝。

其形状和排列方式因种而异，常被作为对放线菌进行分类的依据。

（二）放线菌的菌落形态

能产生大量分枝和气生菌丝的菌种（如链霉菌）；

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；

不能产生大量菌丝体的菌种（如诺卡氏菌）；

粘着力差，粉质，针挑起易粉碎。

二、放线菌的繁殖

主要通过形成无性孢子方式进行繁殖，孢子形成的方式有三种：

（1）、凝聚分裂；

（2）、横隔分裂；

（3）、产生孢子囊。

三、放线菌的代表属

1、链霉菌属（Streptomyces）

龟裂链霉菌（S.rimosus）产生土霉素

灰色链霉菌（S.griseus）产生链霉素

红霉素链霉菌（S.erythreus）产生红霉素。

2、诺卡氏菌属（Nocardia）

3、放线菌属（Aetinomyces）

4、小单孢菌属（Micromonospora）

绛红小单孢菌（M.purpurea）和棘孢小单孢菌（M.echinospora）产生庆大霉素

5、链孢囊菌属（Streptosporangium）

粉红链孢囊菌（S.roseum）产生多霉素（polymycin）

绿灰链孢囊菌（S.viridogriseum）产生绿菌素（sporaviridin）。

四、分布特点及与人类的关系

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（其中90%由链霉菌产生）

有的放线菌可用于生产维生素、酶制制；此外，在甾体转化、石油脱蜡、烃类发酵、污水处理等方面也有应用

少数寄生型放线菌可引起人、动物（如皮肤、脑、肺和脚部感染）、植物（如马铃薯和甜菜的疮痂病）的疾病。