REVIEW Q: Microorganism (Microbe）？

呼伦贝尔学院优秀课 第一章 原核生物（形态、构造和功能） Procaryotes 高明华 呼伦贝尔学院

根据外表特征原核生物粗分为6类：细菌(狭义的)、放线菌、蓝细菌、枝原体、立克次氏体和衣原体。 微生物包括： 原核生物（prokaryotes） 真核微生物（eukaryotic microorganisms） 非细胞微生物（acelluar microorganisms） 原核生物(prokaryote)，广义的细菌，指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作核区(nucler region)的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌(eubacteria)和古生菌(archaea) 两大类群。 根据外表特征原核生物粗分为6类：细菌(狭义的)、放线菌、蓝细菌、枝原体、立克次氏体和衣原体。

Contents 第一节：细菌 第二节：放线菌 第三节：蓝细菌 第四节：支原体、立克次氏体和衣原体

教学提示 重点讲授细菌的形态和染色方法，细菌的基本 结构和特殊结构，细菌生长繁殖的方式。 重点讲授放线菌的形态构造和繁殖，放线菌的群体特征。 讲授蓝细菌的基本特征。 简介支原体、立克次氏体和衣原体。

第一节 细菌（bacteria） 一、细胞的基本形态和大小 （一）形态 细菌(bacteria)是指一类细胞细短(直径约0.5µm，长度0.5~5µm)、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。广义的细菌是指所有的原核微生物。 一、细胞的基本形态和大小 （一）形态 细菌三型 球状 杆状 螺旋状

细菌电镜照片(SEM) Scanning Electron Micrograph Coccus Spirilla Bacillus

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。

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。

枯草芽孢杆菌 地衣芽孢杆菌

假单胞菌 铜绿假单胞菌 （ 绿脓杆菌）

Capsule stain of Enterobacter aerogenes （产气肠杆菌）

炭疽病的病原菌 ---炭疽杆菌 （Bacillus anthraci）

破伤风梭菌 （Clostridium tetani）

肉毒梭菌 (Clostridium botulinum ) 其产生的A型肉毒毒素比氰化钾还强一万倍。 1899年由法国学者Tissier从母乳营养儿的粪便中分离出的一种厌氧的革兰氏阳性杆菌，末端常常分叉，故名双歧杆菌 。 Bifidobacteria (SEM) 肉毒梭菌 (Clostridium botulinum ) 其产生的A型肉毒毒素比氰化钾还强一万倍。

3. 螺旋菌 helically curved rods 菌体弯曲呈螺旋状 弧菌 螺旋菌 螺旋体菌

弧 菌 蛭弧菌 菌体只有一个弯曲，其程度不足一圈，形似“C”字或逗号，鞭毛偏端生。 霍乱弧菌

螺旋菌 菌体回转如螺旋，螺旋数目和螺距大小因种而异。鞭毛二端生，细胞壁坚韧，菌体较硬。

螺旋体 菌体柔软，用于运动的类似鞭毛的轴丝位于细胞外鞘内。 梅毒密螺旋体 问号钩端螺旋体 Leptospira interrogans

（二 ） 大小 细菌的大小测量单位是微米（µm） 0.5-1.0µm (0.5-1.0)µm×(1.0-3.0)µm

二、细胞的结构 细菌的基本结构和特殊结构 细胞壁 细胞膜 细胞浆 核物质 基本结构 细菌结构 荚膜 鞭毛 菌毛 芽孢 特殊结构 性毛

一般结构：一般细菌都有的构造 特殊结构：部分细菌具有的或 一般细菌在特殊环境下才有的

（一）细菌细胞的一般构造 1. 细胞壁（cell wall) 是位于细胞最外的一层厚实、坚韧的外被，主要成分为肽聚糖，具有固定细胞外形和保护细胞不受损伤等多种生理功能。约占干重的10%~25%。 通过革兰氏染色法(Gram stain)可将所有的细菌分为革兰氏阳性菌（G+）和革兰氏阴性菌（G-）。 细菌细胞壁除了绝大多数的真细菌以肽聚糖为基本成分外，在 G+、G-细菌、抗酸菌中还各有自己的特点。 见图1-2和表1-2

（1）革兰氏阳性的细胞壁 细胞壁的特点是厚度大(20~80nm,从几层至25层)和化学成分简单，一般含60%~95%肽聚糖和10%~30%磷壁酸。

肽聚糖 (peptidoglycan)：是真细菌细胞壁所特有的成份， G+菌细胞壁化学组成以肽聚糖为主，由两种氨基糖形成的聚糖链和与之相连的四肽尾及连接前后两个四肽尾的肽桥聚合而成的多层网状结构大分子化合物。

Structure of the Repeating Unit in Peptidoglycan 双糖单位（聚糖链） 四肽尾 肽桥

磷壁酸 (teichoic acid) 磷壁酸又名垣酸，是大多数G+菌所特有的成分，约占细胞壁成分的10%。 分壁磷壁酸和膜磷壁酸两类。图1-2 生理功能：P18 拓展阅读

The Gram-positive cell wall has a peptidoglycan layer that is relatively thick (ca. 40nm) and comprises approximately 90% of the cell wall. The cell walls of most Gram-positive eubacteria also have teichoic acids.

（2）革兰氏阴性的细胞壁 G-细胞壁的特点是厚度较G+细菌薄，层次较多，成分较复杂，肽聚糖层很薄 (仅2~3nm)，机械强度较G+细菌弱。 主要成份为：脂多糖(LPS)、磷脂、脂蛋白、肽聚糖。 LPS的功能：P19

G-有肽聚糖，仅占细胞壁干重的5%~10%。肽聚糖结构与G+基本相同，区别有二：四肽尾中的3号位上L-Lys往往被内消旋二氨基庚二氨酸取代(m-DAP)；没有特殊的肽桥，故前后两单体间的连接仅通过甲四肽尾的第四个氨基酸(D-Ala)的羧基与乙四肽尾的第三个氨基酸(m-DAP)的氨基直接相连。肽聚糖网套较稀疏、机械强度较差。

外膜（外壁层）是G-细菌细胞壁所特有的结构它位于壁的最外层，化学成分为脂多糖、磷脂和若干种外蛋白。

（3）G+ 细菌与G-细菌一系列生物学特性的比较 抗酸细菌的细胞壁：分枝菌酸

如结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)，麻风分枝杆菌等。分枝杆菌都属抗酸菌。 抗酸细菌的细胞壁： 抗酸细菌（acid-fast bacteria），是一类细胞壁中含有大量分枝菌酸等蜡质的特殊G+ 细菌。 因为这类细菌在抗酸染色中，被酸性复红染上色后，能抵抗酸性的盐酸乙醇脱色作用，可以被染成红色的细菌。 如结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)，麻风分枝杆菌等。分枝杆菌都属抗酸菌。 细胞壁的结构：肽聚糖——杂多糖链——分枝菌酸 磷酯键 Ara和Gal β-羟基脂肪酸

细胞壁的功能 1. 固定细胞外形和提高机械强度，使其免受渗透压等外力的损伤； 2. 为细胞生长、分裂和鞭毛运动所必须； 3. 阻拦大分子有害物质进入细胞； 4. 赋予细菌特定的抗原以及对抗生素和噬菌体的敏感性。

（4）革兰氏染色 Gram stain C.Gram（革兰）于1884年发明的一种鉴别不同类型细菌的染色方法。 不同细菌细胞壁的化学组成和结构不同，通过革兰氏染色法可将所有的细菌分为革兰氏阳性菌（G+）和革兰氏阴性菌（G-）。

Procedures of Gram Staining ◆用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染 ◆用碘溶液进行媒染，其作用是提高染料和细 胞间的相互作用从而使二者结合得更牢固。 ◆用乙醇或丙酮冲洗进行脱色。在经历脱色后 仍将结晶紫保留在细胞内的为革兰氏阳性细 菌，而革兰氏阴性细菌的结晶紫被洗掉，细 胞呈无色。 ◆用一种与结晶紫具有不同颜色的碱性染料对 涂片进行复染。例如沙黄，它使原来无色的 革兰氏阴性细菌最后呈现桃红到红色，而革 兰氏阳性细菌继续保持深紫色

（5）细胞壁缺陷细菌 缺壁突变——L型细菌（自发突变而 形成，遗传性稳定） 实验室或 宿主体内 形成 基本去尽—原生质体（G+） （溶菌酶处理或在含青霉素 的培养基中培养） 缺 壁 细 菌 人工去壁 部分去除—球状体（G-） 在自然界长期进化中形成——支原体

1）L型细菌（L-form of bacteria） 细菌在某些环境条件下（实验室或宿主体内）通过自 发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型。 因英国李斯德（Lister）预防研究所首先发现而得名 （1935年，念珠状链杆菌 Streptobacillus moniliformis） 大肠杆菌、变形杆菌、葡萄球菌、链球菌、分枝杆菌和霍乱弧菌等20多种细菌中均有发现，被认为可能与针对细胞壁的抗菌治疗有关。 没有完整而坚韧的细胞壁，细胞呈多形态； 特点： 有些能通过细菌滤器，故又称“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）；

2）原生质体（protoplast） 特 点 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。 对环境条件变化敏感，低渗透压、振荡、离心甚至 通气等都易引起其破裂； 特 点 有的原生质体具有鞭毛，但不能运动，也不被相应 噬菌体所感染； 在适宜条件（如高渗培养基）可生长繁殖、形成菌 落、形成芽孢及恢复成有细胞壁的正常结构。 比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质，是 研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。

3）球状体(sphaeroplast) 采用上述同样方法，针对革兰氏阴性细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。

2. 细胞膜 (cell membrane) 与间体 (mesosome) （1）概念： 又称细胞质膜 (cytoplasmic membrane)，质膜 (plasma membrane)或内膜(inner membrane)，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。

（2）细胞膜的生理功能 ①选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送； ②是维持细胞内正常渗透压的屏障； ③合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS、 荚膜多糖等）的重要基地； ④膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系， 是细胞的产能场所； ⑤是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位；

（3）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。 产能，胞外酶（青霉素酶）分泌、DNA复制、分配以及细胞分裂有关。 “间体”仅是电镜制片时因脱水操作而引起的一种赝像。

3. 细胞质和内含物 （1）概念 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%。 细胞质的主要成分为核糖体、贮藏物、多种酶类和中间代 谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等，少数细菌还 有类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等。

（2）贮藏物 (reserve materials) 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聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxybutyrate, PHB) 类脂性质的碳源类贮藏物 巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）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%。

糖原粒 淀粉粒 ②多糖类贮藏物 在真细菌中以糖原为多； 糖原粒较小，不染色需用电镜观察； 用碘液染成褐色，可在光学显微镜下看到。 有的细菌积累淀粉粒，用碘液染成深兰色。

③异染粒 (metachromatic granules) 在暗视野显微镜下看到的迂回螺菌 (Spirillum volutans) 异染粒（迂回体）。经美蓝或甲苯胺蓝染成红紫色。 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：贮藏磷元素和能量，并可降低细胞的渗透压。

④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。 由含精氨酸和天冬氨 酸残基（1:1）的分枝 多肽所构成，分子量 在25000～125000。

⑤硫粒（sulfur globules） 很多真细菌在进行产能代谢或生物合成时,常涉及对还原性的硫化物如H2S, 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。 当环境中环境中还原性硫缺乏时,可被细菌重新利用。

（3）气泡（gas vocuoles） 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。 功能：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。

4. 核区（nuclear region or area） 原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核。化学成分为dsDNA，一般不含蛋白质，长度为0.25~ 3.0mm。如E.coli 的约1.1~1.4mm，基因组大小为4.64Mb，由4 300个基因组成。

小 结 1. 细菌的概念与分类 2. 细菌的基本结构有哪些 3. 细菌细胞壁的结构和功能 4. 细菌核质 5. 基本概念

清明上河图 之二