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1、微 生 物 学第一章绪论第一章绪论一、什么是微生物（一）定义：传统定义：微生物（microorganism,microbe）是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。它们是一些个体微小（一般小于 0.1mm）、构造简单的低等生物。现代定义：一般是指绝大多数凭肉眼看不见或看不清，必须借助显微镜才能看见或看清，以及少数能直接通过肉眼看见的单细胞、多细胞和无细胞结构的微小生物的总称。（二）类群：1.原核类：细菌（真细菌，古生菌），放线菌，蓝细菌，支原体，立克次氏体，衣原体等。2.真核类：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原生动物，显微藻类3.非细胞类：病毒，亚病毒（类病毒，拟病毒，朊病毒）（三）特点：小小
2、（个体微小）m（微米）级：光学显微镜下可见（细胞）n m（纳米）级：电子显微镜下可见（细胞器，病毒）简简（构造简单）单细胞微生物简单多细胞非细胞（即“分子生物”）低低（进化地位低）原核类：细菌（真细菌，古生菌），放线菌，蓝细菌，支原体，立克次氏体，衣原体等。真核类：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原生动物，显微藻类。非细胞类：病毒，亚病毒（类病毒，拟病毒，朊病毒）1mm=103 m=106 nm=107分辨率：肉眼:0.1mm；显微镜:0.2 m；电子显微镜:10 二、为什么要学习微生物1微生物无处不在2微生物对人类有利也有害。因此，发掘、利用、改造和保护有益微生物；控制、消灭和改造有害微生物3最
3、终目的:为人类社会的进步服务细菌数亿/g 土壤，土壤中的细菌总重量估计为：10034 1012吨每张纸币带细菌：900 万个人体体表及体内存在大量的微生物：皮肤表面：均 10 万个 细菌/平方厘米口腔：细菌种类超过 500 种肠道：微生物总量达 100 万亿粪便干重的 1/3 是细菌，每克粪便的细菌总数为：1000亿个每个喷嚏的飞沫含 4500-150000 个细菌福：1、微生物在许多重要产品中所起的不可替代的作用，例如：面包、奶酪、啤酒、抗生素、疫苗、维生素、酶等重要产品的生产.2、体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证；帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障3、是人类生存环境中必不可少
4、的成员，有了它们才使得地球上的物质进行循环.4、以基因工程为代表的现代生物技术的发展及其美妙的前景也是微生物对人类作出的又一重大贡献。祸：鼠疫 艾滋病(AIDS)癌症 肺结核 虐疾 霍乱 埃博拉病毒 疯牛病 SARS 禽流感三、微生物学与人类进步的关系（一）微生物与医疗保健（在医疗保健战线上的六大“战役”）1外科消毒术的建立2寻找人畜病原菌3免疫防治法的应用 4化学治疗剂的发明5抗生素治疗的兴起6用遗传工程和生物工程技术使微生物生产生化药物（二）微生物与工业发展（微生物在工业发展过程中的六个里程碑）1自然发酵与食品、饮料的酿造2罐头保藏3厌氧纯种发酵技术4深层液体通气搅拌培养5代谢调控理论在发
5、酵工业上的应用6生物工程的兴起（三）微生物学促进了农业进步（四）微生物与能源、生态和环境保护（五）微生物学对生物学基础理论研究的贡献1以微生物作为研究对象解决了生物学上的许多重大争论问题2是分子生物学的三大来源和三大支柱之一3遗传学研究对象的微生物化促使经典遗传学发展为分子遗传学4微生物与基因工程5高等生物研究和利用中的微生物化趋向方兴末艾6微生物学中的一套独特实验技术迅速扩散到生命科学的各研究领域四、微生物的共性(五大共性)1.体积小,结构简单，表面积/体积比值大杆菌的平均长度：2 微米；1500 个杆菌首尾相连=一粒芝麻的长度；10-100 亿个细菌加起来重量=1 毫克大的比表面积特别有利
6、于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。2.代谢活力强,吸收多,转化快吸收营养物质和排出废物，有最大的代谢速率。从单位重量来看，微生物的代谢强度比高等生物大几千倍到几万倍。消耗自身重量 2000 倍食物的时间：大肠杆菌：1 小时人：500 年（按 400 斤/年计算）（发酵乳糖的细菌 1 小时内可以分解其自身重1000-10000 倍的乳糖）产阮假丝酵母（Candida utilis）合成蛋白质的能力比大豆强100 倍，比食用公牛强 10 万倍。3.生长旺,繁殖快大肠杆菌一个细胞重约 10 12 克，平均 20 分钟繁殖一代，24 小时后，就有了
7、72 代，其子代数量可达4722366500 万亿个，重量达到 4722 吨；48 小时后：2.2 1043 个后代，重量达到 2.2 10 25 吨，相当于 4000 个地球重量实际上，由于各种原因，细菌的指数分裂速度只能维持几个小时，液体培养基中，细菌细胞的数量一般仅能达到 108-109 个/ml生产效率高，发酵周期短4.分布广，种类多（多样性）在各种自然环境界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表，万米高空，万米海底，强酸、强碱、高热的极端环境，常年封冻的冰川等）都生存有大量的微生物微生物的种类多主要体现在下列 5 个方面：物种的多样性；微生物的生理代谢类型的多样性；代谢产物的物种的多
8、样性；微生物的生理代谢类型的多样性；代谢产物的多样性；遗传基因的多样性；生态类型的多样性多样性；遗传基因的多样性；生态类型的多样性5.适应性强,易变异微生物对极端恶劣的环境的适应能力，堪称“世界之最”。个体小，数量多，单细胞（大多数），繁殖快，分布广泛，与外界环境直接接触，即使自发变异的频率很低（10-5-10-10），也可以在短时间内产生大量变异后代。福：抗生素效价提高，酶活性提高，代谢产物产量提高等福：抗生素效价提高，酶活性提高，代谢产物产量提高等祸：耐药性的产生祸：耐药性的产生五、微生物学及其研究内容与分科微生物学(Microbiology)定义：是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物
9、的形态构造、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动基本规律，并将其应用于工业发酵、医药卫生、生物工程和环境保护等实践领域的科学。根本任务：1.发掘、利用、改造和保护有益微生物2.控制、消灭和改造有害微生物最终目的：为人类社会的进步服务六、微生物学发展简史影响认识微生物的四大障碍：1.个体过于微小2.群体外貌不显3.种间杂居混生4.形态与其作用的后果很难被认识（一）可分为五个时期1.史前期：约 8000 年前-1676实质：朦胧阶段8000 年前我国就开始出现了曲蘖酿酒；4000 年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒；2500 年前我国发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病；公元六世纪(北魏时期
10、)贾思勰的巨著“齐民要术”详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋等；公元九世纪到十世纪我国已发明用鼻苗法种痘；16 世纪，古罗巴医生 G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不见的生物(living creatures)引起的；1641 年，我国明末医生吴又可也提出“戾气”学说，认为传染病的病因是一种看不见的“戾气”，其传播途径以口、鼻为主。2.初创期：1676-1861实质：形态描述阶段开创者：列文虎克（Robert Hooke）1664 年，英国人虎克（Robert Hooke）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。3.奠基期：1861-1897实质：生理水平研究阶段开创
11、者：巴斯德，德国人柯赫特点：建立了一系列研究微生物所必要的独特方法和技术，从而解决了认识微生物的第二、三、四个障碍；借助于良好的研究方法，开创了寻找病原微生物的“黄金时期”；把微生物学的研究从形态描述推进到生理学研究的新水平；开始客观上以辩证唯物主义的“实践一理论一实践”的思想方法指导科学实验；微生物学以独立的学科形式开始形成，但当时主要还是以其各应用性分支学科的形式存在微生物学奠基人：法国化学家巴斯德(1)彻底否定了“自然发生”学说：著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机质的腐败。(2)免疫学预防接种：首次制成狂犬疫苗(3)发现并证实发酵是由微生物引起的：化学家
12、出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗酒病”和“蚕病”(4)其他贡献 巴斯德消毒法：6065作短时间加热处理，杀死有害微生物细菌学奠基人：德国人柯赫（1）微生物学基本操作技术方面的贡献a）细菌纯培养方法的建立 土豆切面营养明胶营养琼脂（平皿）b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养c）流动蒸汽灭菌d）染色观察和显微摄影（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献：a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌b）发现了肺结核病的病原菌；（1905 年获诺贝尔奖）c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则著名的柯赫原则1、在每一相同病例中都出现这种微生物；2、要从寄主分离出这样的微生物并在培
13、养基中培养出来；3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生；4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。4.发展期：1897-1953实质：生化水平研究阶段开创者：E.Bchner,生物化学奠基人特点：(1)进入了微生物生化水平的研究。并发现代谢途径的同一性。对无细胞酵母菌“酒化酶”进行研究。以研究微生物对维生素需要、酶的特性、寻找和研究抗生素以及逐步深入到以研究它们的遗传变异和基因为主的新阶段。因此，微生物学家就从“微生物猎人”而发展为“维生素猎人”、“酶猎人”、“抗生素猎人”和“基因猎人”了。(2)应用微生物的分支学科更为扩大，出现了抗生素等新学科。(3)开
14、始出现微生物学史上的第二个“淘金热”一一寻找各种有益微生物代谢产物的热潮。(4)一门以研究微生物基本生物学规律的综合学科-普通微生物学开始形成，代表人物是美国加里福尼亚大学伯克利分校的 Mbd roffD，(5)各相关学科和技术方法相互渗透，相互促进，加速了微生物学的发展。5.成熟期：1953-实质：分子生物学水平研究阶段开创者：J.Watson,F.Crick。分子生物学奠基人特点：(1)微生物学从一门在生命科学中较为孤立的以应用为主的学科，迅速成长为一门十分热门的前沿基础学。(2)在基础理论的研究方面，逐步进入到分子水平的研究，微生物迅速成为分子生物学研究中的最主要的对象。(3)在应用研究
15、方面，向着更自觉、更有效和可人为控制的方向发展，至70 年代初，有关发酵工程的研究已与遗传工程、细胞工程和酶工程等紧密结合，微生物已成为新兴的生物工程中的主角。七、我国微生物的发展：汤飞凡：沙眼病原体的分离和确证抗生素的总产量已耀居世界首位两步法生产维生素 C 的技术居世界先进水平八、主要参考书周德庆著：微生物学教程（第一、二版）武汉大学、复旦大学编：微生物学.（第二版）沈萍著：微生物学.九、复习题1简述微生物的定义和类群2试述微生物学与人类进步的关系3试述微生物的共性，讨论其对人类的利弊4简述微生物的发展简史上5 个时期的特点和代表人物5试述微生物学的多样性第二章原核微生物的形态、构造与功能
16、第二章原核微生物的形态、构造与功能一、研究意义1.形态是入门的向导，构造是研究的基础。2.提高定向筛选的效率。3.掌握发酵进程。4.及时检测杂菌。5.分类鉴定中应用。微生物分为三大类群（根据进化地位、性状上明显差别）1.原核微生物(prokaryotes)2.真核微生物（eukaryotic microorganisms）3.非细胞微生物(acellular microorganisms)原核微生物与真核微生物属于细胞型微生物二、原核生物的定义及种类1原核生物：指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作核区的裸露 DNA 的原始单细胞生物。包括两大类群真细菌（eubacteria）（包括普通细菌、放
17、线菌、蓝细菌、枝原体、立克次氏体和衣原体等）和古生菌（archaea）2古生菌（Archaea）：一类生活在条件十分恶劣的极端环境（如高温、高盐、高酸等）下的古老的微生物。“伯杰氏手册”将古生菌分为 5 个主要类群：产甲烷菌、极端嗜盐菌、还原硫酸盐细菌、极端嗜热S0代谢菌、无细胞壁古生菌。它们的细胞结构（如细胞壁结构和化学、膜脂类结构、分子生物学及代谢）既不完全相同于原核生物，也不同于真核生物，但其结构与真细菌更为接近。3原核生物 6 种类群细菌化能营养“三菌”放线菌光能营养：蓝细菌人工培养：支原体“三体”立克次氏体专行细胞寄生衣原体第一节 细菌（bacteria，bacterium 单数）细
18、菌：细胞细短（直径约0.5um,长 0.55um）；结构简单；胞壁坚韧；二分裂繁殖；水生性强；单细胞原核生物生活特性：喜温暖、潮湿、富含有机物；微碱环境（大多数）；腐生或寄生，好氧或厌氧，自养或异养本节内容一、细胞的形态、构造及功能（一）个体形态和排列基本形状：球状、杆状、螺旋状1、球状(球菌 coccus，cocci)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、杆状（杆菌 bacillus,bacilli)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。杆状细菌的排列方式常因生长阶段和培养条件
19、而发生变化，一般不作为分类依据。3、螺旋状（螺旋菌 spirilla,spirilla）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。螺旋菌：菌体回转如螺旋，螺旋满 26 环，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：菌旋转周数在 6 环以上，菌体柔软，用于运动的类似鞭毛的轴丝位于细胞外鞘内。4、其它形状1）柄杆菌（prosthecate bacteria）细胞上有柄（stalk）、菌丝（hyphae）、附器（appendages）等细胞质伸出物，细胞呈杆状或梭状，并有特征性的细柄。一般生活在淡水中固形物的表面，其异常形态使得菌体的表面积与
20、体积之比增加，能有效地吸收有限的营养物；2）星形细菌（star-shaped bacteria）3）方形细菌（square-ahaped bacteria）4）异常形态（畸形，衰颓型）环境条件的变化：正常形态物理、化学因子的刺激阻碍细胞正常发育环境条件恢复正常培养时间过长细胞衰老营养缺乏异常形态自身代谢产物积累过多常用的染色方法常用的染色方法简单染色法正染色革兰氏染色法鉴别染色法抗酸性染色法死菌芽孢染色法姬姆萨染色法细菌染色法负染色：荚膜染色法等活菌：用美蓝或 TTC（氧化三苯基四氮唑）等作活菌染色（二）大小1、范围一般细菌的大小范围：测量单位um（微米）球菌：0.5 1 um（直径）杆菌：0
21、.2 1 um（直径）X 1 80 um（长度）螺旋菌：0.3 1 um（直径）X 1 50 um（长度）(长度是菌体两端点之间的距离，而非实际长度)2、测量方法显微镜测微尺；显微照相后根据放大倍数进行测算3、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。（三）构造一般构造：一般细菌都有的构造特殊构造：部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造1、细胞壁（cell wall）（1）概念：是紧贴细胞质膜
22、外侧的一层厚实、坚韧的外被。（2）证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；（3）细胞壁的功能：1）固定细胞外形和保护细胞免受外力损伤；2）为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需；3）渗透屏障，阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质（分子量大于800）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；（4）革兰氏染色、细胞壁的化学组成与结构：革兰氏染色法 1）结晶紫初染 2）碘溶液媒染 3）乙醇脱色4）沙黄复染：革兰氏阴性细菌
23、呈红色，革兰氏阳性细菌呈深紫色G+菌：单层，厚（2025nm），组分简单，90%肽聚糖（含量高，交联紧密），10%磷壁酸G-菌：多层，薄（1015nm），组分复杂，内壁层：肽聚糖（含量低,交联疏松），外膜有脂多糖、磷脂、脂蛋白1）G G+细菌的细胞壁细菌的细胞壁G+细菌的细胞壁特点：厚度大（2025nm）化学组分简单，一般只含90%肽聚糖和 10%磷壁酸。肽聚糖（peptidoglycan）：又称粘肽(mucopeptide)、胞壁质(murein)或粘质复合物G+细菌的细胞壁（mucocomplex），是真细菌细胞壁中的特有成分。磷壁酸（teichoic acid）：又称“垣酸”，结合在革兰
24、氏阳性细菌细胞壁上一种酸性多糖A、肽聚糖：厚约 2025nm，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。（N乙酰胞壁酸原核生物所特有的已糖）肽聚糖单体由三部分组成：1、双糖单位2、四肽尾3、肽 桥双糖单位中的-1,4-糖苷键很容易被溶菌酶(lysozyme)所水解，从而引起细菌因肽聚糖细胞壁的“散架”而死亡。由四个氨基酸分子按 L 型与 D 型交替方式连接而成。D 型氨基酸和 DAP 可保护肽聚糖免受肽酶的水解。肽桥：肽桥：短肽尾中的第四个氨基酸残基 D-丙氨酸的羧基通过肽键与相邻另一短肽尾中的第三个氨基酸的氨基相连。但有些细菌的肽桥不是两个短肽尾直接的连接，而是通过一个短肽作
25、为肽桥连接于两条短肽尾的氨基酸之间，例如金黄色葡萄球菌中的短肽为5 个甘氨酸残基组成。大部分革兰氏阴性菌中的肽桥不需要短肽而直接通过 D-丙氨酸和碱性氨基酸的氨基相连而成。目前所知的肽聚糖已超过100 种，在这一“肽聚糖的多样性”中，主要的变化发生在肽桥上。B、磷壁酸：革氏阳性细菌细胞壁上特有的化学成分（酸性多糖）按成分分为甘油磷酸核糖醇磷酸按结合部位分为壁磷壁酸膜磷壁酸壁磷壁酸，它与肽聚糖分子间进行共价结合（以末端磷酸二酯键连接在M 第 6 位碳原子上），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。跨越肽聚糖层并与细胞膜相交联的膜磷壁酸（又称
26、脂磷壁酸），由甘油磷酸链分子与细胞膜上的磷脂进行共价结合后形成。其含量与培养条件关系不大。可用 45%热酚水提取，也可用热水从脱脂冻干细菌中提取。磷壁酸的主要生理功能磷壁酸的主要生理功能（自学）：p191、细胞壁形成负电荷环境，增强细胞膜对二价阳离子的吸收，提高膜结合酶的活力；二价阳离子，特别是高浓度的 Mg2+。的存在，对于保持膜的硬度，提高细胞膜上需Mg2+的合成酶的活性极为重要。2、贮藏磷元素；3、增强某些致病菌对宿主细胞的粘连、避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用；4、革兰氏阳性细菌特异表面抗原的物质基础；可作为细菌分类、鉴定的依据5、噬菌体的特异性吸附受体；6、能调节细胞内自溶素(aut
27、olysin)的活力而调节细胞壁的增长，防止细胞因自溶而死亡。C、细胞壁中含有一些特殊成分的革氏阳性细菌大部分 G+细菌细胞壁含脂量很低，但棒杆菌属、分支杆菌属诺卡氏菌属棒杆菌属、分支杆菌属诺卡氏菌属的细胞壁却含有丰富的称为分支菌分支菌酸酸（Mycolic acid）的枝链羟基脂质：R1 CHCHCOOHR1，R2 为很长的碳氢链OHR2分支菌酸与肽聚糖复合在一起。分支杆菌具有抗酸染色抗酸染色的特性，是由于细胞壁中含分支菌酸的缘故。分支菌酸被认为与这些细菌（白喉棒杆菌，结核分支杆菌）的致病性致病性有关。用抗酸性染色（一种鉴别染色技术）对宿主体内的分枝杆菌病原体（红色，非抗酸性细菌呈兰色）进行检
28、测A A 族链球菌族链球菌细胞壁中有特异性的 MM 蛋白蛋白，它有抗吞噬作用。大多数金黄色葡萄球菌（金黄色葡萄球菌（StaphylococcusStaphylococcus aureusaureus）细胞壁中有葡萄球菌葡萄球菌 A A 蛋白（蛋白（SPASPA），它与肽聚糖共价结合，对胰酶敏感，有抗吞噬和抗噬菌体的作用。2）革兰氏阴性细菌的细胞壁革兰氏阴性细菌的细胞壁A、肽聚糖（参见 P16）埋藏在外膜层之内，是仅由12 层肽聚糖网状分子组成的薄层(23nm)，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。革兰氏阳性菌与阴性菌肽聚糖结构的差别：革兰氏阳性菌与阴性菌肽聚糖结构
29、的差别：没有特殊的肽桥，只形成较为疏稀、机械强度较差的肽聚糖网套内消旋二氨基庚二酸（m-DAP)（只在原核微生物细胞壁上发现）肽聚糖只存在于真细菌中，古生菌和真核生物细胞壁中没有肽聚糖。D-谷氨酸、D-丙氨酸、m-DAP 在蛋白质中未出现过。B、外膜(outer membrane)（参见 P19）又称外壁层，位于革兰氏阴性细菌细胞壁外层，可分为内、中、外三层，从内到外由脂蛋白、磷脂和脂多糖等若干种蛋白质组成的膜。脂多糖（脂多糖（lipopolysaccharidelipopolysaccharide，LPSLPS）位于细胞壁最外层的一层较厚的类脂多糖类物质(相对分子质量在 1 0000 以上)
30、由三部分组成：类脂 A（内毒素的主要成分）、核心多糖、O-特异侧链（O-多糖，O-抗原）O-特异侧链糖的种类、顺序和空间构型是菌株特异的，是抗原特异性的物质基础KDO：2-酮-3-脱氧辛糖酸；Hep：L-甘油-D-甘露庚糖；Man：甘露糖；Rha：鼠李糖；Gal：半乳糖；Abe：阿可比糖LPS 层的主要功能：1）LPS 结构的多变，决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性；根据 LPS 抗原性的测定，沙门氏菌(Salmonella)的抗原型多达 2107 种，一般都源自O-特异侧链种类的变化。这种多变性是革兰氏阴性细菌躲避宿主免疫系统攻击，保持感染成功的重要手段。也可依此用灵敏的血清学方
31、法对病原菌进行鉴定，在传染病的诊断中有其重要意义。2）LPS 负电荷较强，与磷壁酸相似，也有吸附 Mg2+、Ca2+等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用，对细胞膜结构起稳定作用。3）类脂 A 是革兰氏阴性细菌致病物质内毒素的物质基础；4）具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能；5）许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；外膜蛋白外膜蛋白(outer membrane protein)(outer membrane protein)嵌合在 LPS 和磷脂层外膜上的蛋白。有20 余种，但多数功能尚不清楚。孔蛋白（孔蛋白（porinsporins）是由三个相同分子量（36000）蛋白亚基组成的一种三聚
32、体跨膜蛋白，中间有一直径约1nm 的孔道，通过孔的开、闭，可对进入外膜层的物质进行选择。非特异性孔蛋白：可通过分子量小于800900 的任何亲水性分子特异性孔蛋白：只容许一种或少数几种相关物质通过，如维生素B12 和核苷酸等。脂蛋白脂蛋白(lipoprotein)(lipoprotein)是一种通过共价键使外膜层牢固地连接在肽聚糖内壁层上的蛋白，分子量约为7200。C、周质空间(periplasmic space,periplasm),又称壁膜间隙在革兰氏阴性细菌中，一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间（宽约1215nm），呈胶状。周质空间是进出细胞的物质的重要中转站和反应场所。在周质空间中，存
33、在着多种周质蛋白（periplasmic proteins）：水解酶类；合成酶类；结合蛋白；受体蛋白；水解酶类；合成酶类；结合蛋白；受体蛋白；D.粘合位点：P19革兰氏阴性菌细胞壁的许多部位，外膜与质膜直接接触，是加固革兰氏阴性菌细胞壁并支撑外膜的另一结构。有人认为物质可通过粘合位点进入细胞而不必穿越周周空间。革兰氏阳性和阴性细菌一系列生物学特性的比较（参见周德庆P16）3）革兰氏染色原理革兰氏染色的阳性或阴性，与细胞的物理结构有关。细胞壁结构与革兰氏染色的关系细胞壁结构与革兰氏染色的关系肽聚糖脂类革氏阳性菌含量高，交联密一般无革氏阴性菌含量低，交联疏松含量高乙醇作用结果脱水作用孔径缩小，结构
34、更紧密大分子复合物滞留紫色脂溶作用孔径增大，结构变得疏松大分子复合物溶出红色（5）细胞壁缺陷细菌：（参见 P21）自发突变L 型细菌实验室或宿主体内形成基本去尽原生质体（G+）人工去壁缺壁细菌部分去除球状体（G-）在自然界长期进化中形成枝原体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）通过自发突变通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型细胞壁缺陷变异型。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
35、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。特点：没有完整而坚韧的细胞壁，细胞呈多形态；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）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由革兰氏阳性细菌形成。特点：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；有的原生质体具有鞭毛，但不能运动，
36、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良好实验材料。3）球状体(sphaeroplast)，又称原生质球采用上述同样方法，针对革兰氏阴性细菌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。4）支原体(Mycoplasma)在长期进化过程中形成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。因它的细胞膜中含有甾醇细胞膜中含有甾醇(一般原核一般原核生物没有生物没有)
37、，所以即使缺乏细胞壁，其细胞膜仍有较高的机械强度。青霉素的杀菌作用青霉素的杀菌作用作用原理：-内酰胺环的结构与肽聚糖单体五肽尾末端D-Ala-D-Ala 二肽结构相近，因而可竞争性地抑制转肽酶的活性，抑制肽聚糖单体间的交联，形成缺损的细胞壁。作用特点：对生长旺盛生长旺盛的革氏阳性革氏阳性菌有明显的抑制作用。青霉素 b-内酰胺环结构与 D-丙氨酸末端结构相似，从而能占据 D-丙氨酸的位置与转肽酶结合，并将酶灭活，肽链之间无法彼此连接，抑制了细胞壁的合成。溶菌酶的作用：溶菌酶的作用：通过水解 N-乙酰葡萄糖胺与 N-乙酰胞壁酸间的-1,4-糖苷键，引起细胞壁“散架”，形成细胞壁完全脱去或部分除去的
38、原生质体（革氏阳性菌）或球状体（革氏阴性菌）。在低渗溶液中，原生质体或球状体因吸水膨胀并最终导致破裂而死亡；在等渗蔗糖溶液中，能得到原生质体或球状体。古生菌的细胞壁（周德庆古生菌的细胞壁（周德庆 p16p16）古生菌除了热原体属没有细胞壁外，其余都有与真细菌类似功能的细胞壁。古生菌细胞壁中没有真正的肽聚糖，而是由假肽聚糖、糖蛋白或蛋白质构成。假肽聚糖：双糖单位：N-乙酰葡糖胺 1，3 糖苷键N-乙酰塔罗糖胺（不被溶菌酶水解）肽尾：L-Glu,L-Ala,L-Lys 3个肽桥：L-Glu 1 个氨基酸组成2、细胞膜（cell membrane）细胞质膜（cytoplasmic membrane）
39、，又称质膜（plasma membrane）、细胞膜（cell membrane）或内膜（innermembrane），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 78nm，由磷脂（占 20%30%）和蛋白质（占 50%70%）组成。观察方法：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；电镜观察到的细胞质膜，是在上下两暗色层之间夹着一浅色中间层的双层膜结构，这与细胞膜的化学组成有关。（1）化学组成：磷脂（2030%）；蛋白质（5070%）A.磷脂亲水的极性端；疏水的非极性端在极性头的甘油 3C 上，不同种微生物具有不同
40、的R 基，如磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸或磷脂酰肌醇等。非极性尾则由长链脂肪酸通过酯键连接在甘油的 C1 和 C2 位上组成，其链长和饱和度因细菌种类和生长温度而异。在生理温度下，脂肪酸末端排列成固定的晶格。不饱和脂肪酸的双键可导致膜结构的变形。当磷脂分子中二者同时存在时，在一定条件下就阻碍了形成晶格结构所需要的有秩序排列。膜的流动性很大程度上取决于不饱和脂肪酸的结构和相对含量。细胞膜上长链脂肪酸的链长和饱和度因细菌种类和生长温度而异，通常生长温度要求越高的种，其饱和度也越高，反之则低。甾醇类物质甾醇类物质由磷脂分子形成的双分子膜中加入甾醇类物质可以提高膜的稳定性
41、B.膜蛋白约占细菌细胞膜的 50%50%70%70%，比任何一种生物膜都高，而且种类也多。-细胞膜是重要的代谢活动中心重要的代谢活动中心。根据作用功能蛋白：担负生理机能（转运蛋白、电子传递蛋白、ATP合成酶、合成细胞壁及糖被的酶）结构蛋白：维持膜结构根据分布整合蛋白（integral protein）或内嵌蛋白（intrinsic protein）周边蛋白（peripheral protein）或膜外蛋白(extrinsic protein)（）结构液态镶嵌模型(fluid mosaic model)P24膜的主体是脂质双分子层；脂质双分子层具有流动性；整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂
42、质双分子层的疏水性内层中；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；脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合；脂质双分子层犹如一“海洋”，周边蛋白可在其上作“漂浮”运动，整合蛋白则似“冰山”状沉浸在其中作横向移动。细胞膜是高度有序且不对称的系统，同时又是柔韧、动态的。细胞膜是高度有序且不对称的系统，同时又是柔韧、动态的。流动性：1）膜经受一定程度变形而不被破坏2）膜中各种成分按需要调整分布，表现出膜的多种功能不对称性：保证膜的方向性功能 如：能量转换中质子梯度产生物质的传递（）细胞膜的生理功能（参见P 24）物质运输,选择性地控制营养物质和代谢产物的运送；渗透屏
43、障,维持细胞内正常的渗透压；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；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；鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位；（）间体（mesosome）：细胞质膜内褶而形成的泡囊状、管状或层状的构造。多见于革兰氏阳性细菌。不同看法：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（5）古生菌细胞膜的独特性和多样性参见周德庆 p20 古生菌与真细菌细胞膜中的磷脂有明显差异真细菌：磷酸甘油酯古生菌：异戊二烯甘油醚 古生菌细胞膜中存在着独特的单分子层或单、双分子层混
44、合膜3、细胞质和内含物 P25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、酶类、中间代谢物、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、气泡或伴孢晶体等有特定功能的组分。一些内含物无膜包裹，自由存在于细胞质中，如多聚磷酸盐颗粒、藻青素颗粒和一些糖原颗粒；另一些内含物则由单层膜（不是典型的双层膜）所包裹，如聚-羟丁酸颗粒、某些糖原和硫粒、羧酶体及气泡等。内含物膜在组成上各不相同，有些为蛋白质，而另一些则包含脂类。（）颗粒状贮藏物(reserve materials)P26各种有机或无机物质
45、的颗粒，主要功能是贮存（碳化合物、无机物和能源），也可将分子连接为特定的形式来降低渗透压。糖原：大肠杆菌、克雷伯氏菌、芽孢杆菌和蓝细菌等碳源及能源类聚-羟丁酸（PHB）：固氮菌、产碱菌和肠杆菌等硫粒：紫硫细菌、丝硫细菌、贝氏硫杆菌等贮藏物氮源类藻青素：蓝细菌藻青蛋白：蓝细菌磷源（异染粒）：迂回螺菌、白喉棒杆菌、结核分枝杆菌A.聚-羟丁酸(poly-hydroxybutyrate,PHB)（P26）细菌特有的一种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（Bacillus megaterium）在含乙酸或丁酸的培养基中生长时，细
46、胞内贮藏PHB可达其干重的60%。作用：细菌特有的碳源和能源储藏物；维持胞内中性环境；降低胞内渗透压用途：它无毒、可塑、易降解，被认为是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。B.多糖类贮藏物（糖原粒和淀粉粒）在真细菌中以糖原为多糖原粒较小，不染色需用电镜观察，用碘液染成红棕色，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。C.异染粒(metachromatic granules)，又称迂回体或捩转菌素（参见P26）用兰色染料染色后呈红紫色组成：无机偏磷酸的聚合物（一般在含磷丰富的环境下形成。）功能：磷源和能量；可降低细胞的渗透压D.硫粒（sulfur globules）很多光合细
47、菌（紫硫细菌、紫色细菌、绿色细菌和蓝细菌），在进行产能代谢或生物合成时，常涉及对还原性的硫化物（H2S，硫代硫酸盐等）的氧化，所产生的折光性很强的硫粒，可在周质空间或细胞质中积累。功能：硫元素储藏物；参与产能代谢和生物合成E.藻青素（cyanophycin）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。微生物储藏物的特点及生理功能：微生物储藏物的特点及生理功能：不同微生物其储藏性内含物不同（例如厌气性梭状芽孢杆菌只含PHB，大肠杆菌只储藏糖原，但有些光和细菌二者兼有）微生物合理利用营养物质的一种调节方式：当环境中缺乏能源而碳源丰富时，细胞内就储藏较多的碳源类内含物，甚至达到细胞干重
48、的 50%，如果把这样的细胞移入有氮的培养基时，这些储藏物将被作为碳源和能源而用于合成反应。储藏物以多聚体的形式存在，有利于维持细胞内环境的平衡，避免不适合的pH，渗透压等的危害。（例如羟基丁酸分子呈酸性，而当其聚合成聚-羟丁酸（PHB）就成为中性脂肪酸了，这样便能维持细胞内中性环境，避免菌体内酸性增高。）储藏物在细菌细胞中大量积累，还可以被人们利用。（2）磁小体(megnetosome)P26趋磁细菌细胞中含有的大小均匀、数目不等的Fe3O4颗粒，外有一层膜包裹。存在：少数水生螺菌属等。功能：导向作用功能：导向作用。即借鞭毛游向对该菌最有利的泥、水界面微氧环境处生活。实用前景：实用前景：生产
49、磁性定向药物或抗体，制造生物传感器等。（）羧酶体(carboxysome)（参见周德庆 P21）一些自养细菌（蓝细菌、硝化细菌和硫杆菌）细胞内由单层膜围成的多角形或六角形内含物内含 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶（卡尔文循环的关键酶）作用：自养细菌的CO2 固定场所（4）气泡（gas vocuoles）（参见 P25）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0.21.0m75nm，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、功能：调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、O O2和营养物质和营养物质
50、专性好氧的盐杆菌属（Halobacterium）的细菌，却生活在含氧极少的饱和盐水中，它们细胞中气泡显著，其作用被认为是使菌体浮于盐水表面，以保证细胞更接近空气。有些厌氧性光合细菌利用气泡集中在水下10-30 米深处，这样既能吸收适宜的光线和营养进行光合作用，又可以避免直接与氧接触。蓝细菌生长时依靠细胞内的气泡而漂浮于湖水表面，并随风聚集成块，常使湖内出现“水花”。气泡的膜只含蛋白质而无磷脂。二种蛋白质相互交连，形成一个坚硬的结构，可耐受一定的压力。膜的外表面亲水，而内侧绝对疏水，故气泡只能透气而不能透过水和溶质。（5）核糖体（ribosome）原核生物核糖体的沉降系数是70S50S 大亚基3