微生物细胞的结构功能和细胞化学.ppt

微生物生理学,曲阜师范大学生命科学学院曲晓华邮箱：,什么是微生物生理学？,微生物生理学是从微生物生理生化的角度研究微生物细胞的形态结构和功能、新陈代谢、生长繁殖等微生物生命活动规律的学科。,微生物生理学的形成和发展,19世纪中后期，巴斯德和科赫奠定了微生物生理学；微生物生理学的进一步发展归功于俄国的微生物学家维诺格拉德斯基和荷兰的微生物学家贝格林克；微生物生理学发展的一个重要转折点是德国布赫纳发现酵母菌的无细胞制剂可将蔗糖转化为酒精，从此微生物生理学的研究进入分子水平，并诞生了生物化学；上世纪60年代以后，由于雅可布和莫纳德研究诱导酶形成机制而建立的操纵子学说，标志着微生物生理学朝向代谢调控研究的兴起，并进一步将微生物生理学、生物化学和遗传学结合在一起，形成分子生物学。分子生物学的迅速发展，使得人们利用分子手段有目的地改造生物，也大大地促进了微生物生理学的发展。,本课程主要从微生物生理学角度阐述微生物的生命活动规律，系统地介绍了微生物学的基础理论、基本方法及进行情况，融新理论、新技术、新方法为一体，为求反映微生物学的最新发展动态及趋势。重点内容包括：微生物的结构功能和细胞化学、微生物的营养与物质运输、微生物的分解代谢、微生物的合成代谢、微生物的代谢调节、微生物的次级代谢及其调节、微生物的生长繁殖与环境、微生物的分化、基因组时代的微生物生理学等。,本课程的主要内容：,关于本课程的一些说明：,本课程适用对象：生物技术、生物工程专业本科生考核方式：考试（期末考试70%+实验和平时成绩30%）,参考书籍、杂志：书籍：1周德庆.微生物学教程（第三版）.北京：高等教育出版社，2011 2沈萍主编.微生物学.北京：高等教育出版社，2000 3王镜岩，朱圣庚，徐长法主编.生物化学（第三版）.北京：高等教育出版社，20024于自然，黄熙泰主编.现代生物化学.北京：化学工业出版社，2001 5Prescott等著，沈萍等译，微生物学（第五版），北京：高等教育出版社，20036Madigan M T,Martinko J M,Parker J.Brock Biology of Microorganisms.9th ed.New Jersey:Prentice Hall,2000 杂志：微生物学报、真菌学报、病毒学报、生物工程学报等。,第一章 微生物的结构功能和细胞化学,细胞(cell)是生物形态结构和生命活动的基本单位。通过对细胞不同结构层次的了解，来研究细胞生命活动的基本规律。细胞学说 除了病毒、类病毒等是非细胞的生物以外，其它生物有机体的结构和功能单位都是细胞。,对生物细胞结构的认识，是随着显微技术、电子显微镜、X射线衍射法和生化技术等不断应用于细胞研究而不断深化的过程。技术(研究手段)的进步极大地促进了细胞结构和功能深入到分子水平上的研究，如细胞膜的结构与功能的研究在分子水平上的深化、细胞核DNA的复制与转录、表达调控、细胞周期的调控等研究均在分子水平上取得了迅速进展。,原核生物和真核生物，就是根据其细胞核的结构的差异而提出的。这一概念最早是在20世纪60年代由著名细胞生物学家Ris提出来的。真核细胞：核物质外有核膜包围，具有明显的核结构；原核细胞：核物质外没有核膜，核物质分散于原生质中。,微生物是一类既分布于真核生物，又分布于原核生物中的生物。属于原核生物的生物都是微生物，可分为两大系：古生菌（archaebacteria）和真细菌(eubacteria)。古生菌包括产甲烷菌、嗜热嗜酸菌和极端嗜盐菌等。大多数原核生物属于真细菌，其中包括细菌、放线菌、衣原体、支原体、立克次氏体和蓝细菌等。,细菌细胞结构模式图,真核细胞具有典型的细胞结构，其主要特点是以生物膜为基础进一步分化，使细胞内部产生许多功能区室，它们各自分工负责又相互协调和协作，如细胞核、核膜、核仁和核基质等。真核细胞的种类繁多，既包括大量的单细胞生物和原生生物细胞，又包括全部的多细胞生物。属于真核生物的微生物主要是真菌（酵母菌、霉菌）、原生动物、真核藻类和微型后生动物等。,酵母菌细胞结构模式图,原核微生物与真核微生物的比较,*几丁质，是由N-乙酰葡萄糖胺以-1.4糖苷键连接的多聚体。*真核微生物中的酵母菌、原生动物也有10m 的。,微生物有许多共同点，它们在结构和功能上的相似性甚至超过形态上的相似性：遗传物质的本质相同，它们的细胞内同时兼有DNA和RNA（病毒除外）；都具有选择性的膜结构；ATP是生物用来进行能量转换的主要枢纽物质之一；一般都有产生能量与合成细胞物质的完整的酶系统；细胞元素组成、糖代谢、核苷酸与氨基酸（赖氨酸除外）的生物合成途径基本相同；蛋白质与核酸生物合成的方式也基本相同。,本章的内容以原核生物的结构与功能为重点,由表及里、从结构到功能依次介绍：包括细胞表面及其附着物、细胞质膜、细胞质、细胞核和染色体等与细胞起源、生命本质密切相关的重要结构。,第一节 细胞表面及其附着物,细胞表面（cell surface）在细胞的生命活动中有着十分独特的作用，因为它是细胞与细胞外环境进行接触的重要部位。近年来，对细胞表层结构的化学组成及物理结构的研究有了较大的进展，在此基础上加深对其结构的机能和性质的认识，从而能更有效地控制微生物的生命活动。,细胞表面是一个具有复杂结构的多功能体系。以细菌为例，细胞表面包括丝状体结构、荚膜和细胞壁等。细胞表面是细胞质膜功能的扩展，具有多种功能：它保护细胞，使细胞有一个相对稳定的内环境；参与细胞内外的物质交换和能量交换；参与细胞识别、信息的接收和传递；参与细胞运动；维护细胞的各种形态，并且与免疫等都有十分密切的关系。,微生物细胞表面的一些特殊结构，并不是细胞生存必不可少的结构。它们只是在细胞的生理活动过程中起着特定的作用。,一、丝状体结构对大多数进行活跃运动的游泳细胞来说，其运动常取决于从细胞表面突出的丝状结构的特殊运动器。原核微生物中的丝状结构主要是鞭毛。真核微生物中的丝状结构有鞭毛和纤毛。,在液态环境中能迅速进行自由运动的微生物，大多数在细胞表面都存在鞭毛或纤毛，如细菌中的大肠杆菌、巨大芽孢杆菌等，原生动物中的草履虫、眼虫等。另外在许多细菌表面还存在一些非鞭毛状的丝状结构，称为菌毛和线毛，它们在化学成分上同鞭毛相似，但与运动无关。,（一）鞭毛（flagellum,复数fiagella）和纤毛(cilia)定义：生长在某些细菌表面的长丝状、波曲的蛋白质附属物，称为鞭毛，具有运动功能。鞭毛或纤毛都是细胞表面特化的运动结构，两者极为相似。一般来说，描述纤毛它比细胞长度要短，数量较多；而鞭毛比细胞长，数量少。,将具有丝状体结构的微生物细胞，经过一定的方法处理去掉细胞壁，发现细胞上的丝状体仍然保留，说明这种丝状体结构不是起源于细胞壁。根据电子显微镜观察表明，丝状体起源于细胞膜下的基体。鞭毛和纤毛都有很大的活动范围，纤毛的活动有的是剧烈的、活跃的推进，随后慢慢恢复；有的是以旋转的活动，拍打的频率在不同的细胞类型之间可以有所变化，有的每分钟可达1500次。,1.鞭毛和纤毛的结构和化学组成 鞭毛和纤毛都呈丝状结构，在原核微生物和真核微生物之间存在着一定的差异（表）。,原核微生物和真核微生物鞭毛和纤毛的主要区别,原核生物中细菌的鞭毛不存在“9+2”结构。根据电子显微镜观察表明，原核生物鞭毛都有共同的构造，它由3部分组成：基体、鞭毛钩和鞭毛丝,鞭毛的基部结构比较复杂，它贯穿细胞壁，定位于细胞膜。它是一种直径为2050nm的类似圆盘结构，比较容易破碎，其主要作用是将鞭毛固定在细胞膜与细胞壁上，其上有一中心杆，杆上有一些环状结构。,在G-细菌中，外层的一对环为 L环和P环，L环连接在脂多糖层（外膜）上；P环连接在肽聚糖层。内层的一对环为S环和M环，共同被嵌埋在细胞质膜上,C环连接在细胞膜和细胞质的交界处。G+菌不存在外层的一对环，所以对鞭毛运动来说，S环和M环才是必需的一对。它们被Mot蛋白包围，由它驱动S、M环的快速旋转。,c,在S、M环的基部还存在一个Fli蛋白，起着键钮的作用，它可根据细胞提供的信号令鞭毛进行顺转或逆转。已有大量证据表明，鞭毛的基部结构实为一个精致、巧妙的超微型马达，其能量来自细胞膜上的质子动力（真核微生物可来自ATP的水解）。鞭毛的基部结构由9-10种不同的蛋白质组成，这些蛋白质的分子量在900060000之间，因种而异。,鞭毛钩将鞭毛的基部和鞭毛丝连接起来，直径约17nm,长度45nm，由单一的多肽链（即一种蛋白亚单位）组成，其分子量因细菌种类不同而变化，例大肠杆菌、沙门氏菌的多肽亚单位分子量为42000，枯草杆菌为33000，在组成鞭毛钩亚单位的氨基酸组成中，苯丙氨酸和蛋氨酸的含量较多。,鞭毛丝呈波浪形，大多数细菌鞭毛的丝状结构是裸露的，而某些弧菌、假单胞菌的一些鞭毛的丝状体外有鞘包围。鞭毛丝由单一蛋白质鞭毛蛋白的亚基构成，鞭毛蛋白是一种很好的抗原，即H抗原（Hauch）。这些亚基以螺旋序列围绕着柱形轴整齐地排列着。因此，鞭毛的结构是由蛋白质亚基的特性所决定的。蛋白质分子量一般在3000054000，在低pH（34）或在去垢剂溶液中不稳定，易分解。组成蛋白质的氨基酸有胱氨酸、组氨酸、酪氨酸等，一般不含半胱氨酸。,由于细菌鞭毛仅有单一蛋白质组成，对它的自身装配较为简单，但对鞭毛的形成过程还不完全了解。一些实验资料表明，鞭毛蛋白的亚单位在细胞质内合成，然后通过鞭毛中央的空腔输送到鞭毛的远端，进行装配，使鞭毛延长，鞭毛的生长在一定程度上是连续的。在此过程中，有多个基因控制亚单位的合成、装配与鞭毛的转动。,在真核生物中，各种细胞的鞭毛或纤毛的轴，典型的结构都呈“9+2”图形（图）。,(9+2)：中央有2根微管，外周有9对二联管微管环绕，中央的2根微管之间有架桥（微管桥）相连，外包中央鞘。外周的二联管有A管（亚纤维）和B管（亚纤维）组成，A管亚纤维上伸出内外2条动力蛋白臂。每对二联管微管都由A管向中央鞘伸出突起，称为辐条。A管和相邻的B管间有细纤丝相连。有这种“9+2”微管结构组成的轴称为轴丝，其外有鞭毛外膜包裹着。鞭毛通过一个基板或“生毛体”插入细胞质的外层，生毛体本身来自一个能自我复制的中心粒。,真核微生物鞭毛的长度可达150m,直径约150300nm。纤毛的长度约510m，直径0.30.5m，在光学显微镜下就能观察到。通过生化分析表明，其化学组成主要为蛋白质，并含有少量的脂类、多糖和核酸。被称为动力蛋白（dynein）和微管蛋白(tubulin)的两种蛋白质是较主要的。,动力蛋白具有ATP酶活性，是构成周围微管上短臂的蛋白质，是一种能被Ca2+和Mg2+激活的ATP酶，由14S及30S两部分组成，14S部分为小球形分子，分子量约540000。30S部分呈短的丝状结构，分子量约5000000。微管蛋白是构成微管的蛋白质，有A和B两种，为小球形分子，分子量5500060000。蛋白质的氨基酸均属普通氨基酸，其中天门冬氨酸和谷氨酸的含量较高。,2.鞭毛和纤毛的运动和运动机制鞭毛是鞭毛微生物的运动工具，这也是原核微生物实现其趋性的最有效的方式。由于鞭毛过细，通常只能用电镜才能观察。还可以通过特殊的鞭毛染色法使染料沉积到鞭毛表面，然后在光学显微镜下观察，另外用半固体培养基作细菌的穿刺培养也可推测鞭毛的存在与否。关于鞭毛和纤毛的确切运动机制，目前还停留在学说推论的阶段。,原核微生物的鞭毛旋转的分子机制还不十分清楚。主要靠鞭毛基部的转动子（包括Mot蛋白、Fli蛋白）导致S和M环相对旋转而工作，它们位于细胞膜的水平面或附着在细胞壁的内表面。,细胞运动的方向由鞭毛转动的方式与转动的方向来控制，但也受环境条件的影响（趋化性等）。运动时需要的能量主要来自质子动力，因为在细菌鞭毛中尚未发现有ATP酶，这与“92”结构的真核微生物不同。也有人认为，细菌鞭毛转动的能量可来自细胞内ATP的水解，在这里，鞭毛的基部起着能量转换器的作用，将能量从细胞质或细胞膜传送到鞭毛，使鞭毛运动。,鞭毛菌的运动速度极高，一般每秒达2080m，最高时可达100m。极生鞭毛菌的速度超过周生鞭毛菌，鞭毛可以相当高的频率来转动，在具有鞭毛的螺菌（Spirillum sp）中每秒达50转，已超过了一般电动机的转速。鞭毛转动的结果使菌体运动，鞭毛可改变其旋转方向，这种改变可自发进行，也可应对外界刺激的反应而进行。,真核微生物：真核微生物的鞭毛和纤毛都存在“92”结构。近年来由于对鞭毛和纤毛内蛋白成分的分析，及受纤维中肌丝滑行学说的影响，因而提出鞭毛和纤毛的运动是由于二联体微管间的滑行引起的，当改变了各组微管间的相对位置时，就会使鞭毛和纤毛摆动（滑动论）。,纤毛的运动是由于放射辐和中央鞘之间的连接和脱离在连续往返地进行中，引起周围的二联体微管一对挨一对（共9对）地互相滑动，每一对微管均能发出一个纵行的冲击，推动相邻的微管，从而带动丝状体转动。此过程需要能量，真核生物的鞭毛和纤毛中均含有ATP酶，水解ATP产生自由能，成为运动所需的能量。,在一般情况下，具有鞭毛的微生物在液体环境中是处于持续不断地随机运动中的。但是如果遇到某种环境因素的变化对其有所影响时，大多数运动细菌具有对环境刺激作出改变其运动方向的能力，显示出趋避性。如光合细菌对光的运动、好氧细菌对氧的趋避性等。趋避性运动对于有运动能力的微生物来说，是对外界环境的一种适应。,（二）菌毛（fimbria）和性毛（pilus）菌毛是一种长在细菌体表的纤细、中空、短直且数量较多的蛋白质类附属物，直径一般为710nm,长度2002000nm。在细胞上的数量较多，多达数百根。菌毛也由蛋白质组成，不同的类型其分子量与氨基酸组成不同。,菌毛不具备运动功能，菌毛的主要功能是粘连作用,有菌毛的细菌，在液体静止培养时会形成菌膜。菌毛由菌毛蛋白（pilin）亚单位所构成，根据其形态、分布和吸附特性等可分为六种类型，其中最常见的是型，它能牢固地吸附在动植物、真菌以及多种其它细胞上，有的是噬菌体的吸附位点。,有一种同细菌结合有关的菌毛叫性菌毛（线毛、伞毛），是细菌结合的工具。细菌的结合是将遗传物质从供体传递到受体菌的一种方式，作为供体或受体的能力是由它的遗传性决定的。性菌毛和菌毛有一定的区别，在细胞上的数量比菌毛少，通常只有110根，其作用也不同。一般见于G-细菌的雄性菌株中，具有向雌性菌株传递遗传物质的作用。,二、荚膜和粘液层荚膜是细胞分泌的一种富含水分的粘性物质。这层位于细胞壁周围、厚度不定的透明胶状物封闭了细胞壁，使细胞与外界环境有明显的边缘。在形态上可以分成两类：,大荚膜：厚度在0.2m以上，在光学显微镜下可见，有明确的外界面。常用黑墨水负染后观察；微荚膜：厚度在0.2m以下，不易用光学显微镜观察到，通过免疫学方法可以证明它的存在，用胰蛋白酶可很容易地将这类微荚膜除去。有时这类粘性物质在细胞的表面呈疏散状态，被称为粘液层，其组成成分不同于荚膜。荚膜和粘液层的存在对生命活动往往不是必要的，但荚膜的存在却使某些病原细菌有抵御吞噬作用和提高它们对实验动物的毒力（增加致病菌的感染力）。,1.荚膜的形成、特点 产生荚膜的能力是微生物的一种遗传特性也与环境条件密切相关。培养基中的碳氮比、溶解氧等都与荚膜的形成有直接的关系，有的也受温度的影响，如产气杆菌和肺炎克氏杆菌在低于最适温度时可大量形成荚膜。还有些细菌的荚膜物质的形成需要专一性的底物存在。例如当培养基中含有蔗糖时，一些细菌（牛链球菌和肠膜明串珠菌）才能形成更多的粘液。,通常情况下，具有荚膜物质的细菌在固体培养基上形成的菌落表面湿润、有光泽、有粘性，称为光滑型菌落；而无荚膜物质的细菌形成的菌落表面比较干燥、无粘性、称为粗糙型菌落。荚膜的观察：负染色法,2.荚膜的化学组成及生理作用荚膜的化学组成因菌种而异，除了大量的水分以外（约占90%），主要成分是多糖表面多糖与胞外多糖，少数是蛋白质或多肽，也有多糖与多肽复合型的。多糖包括纯多糖（同一种单糖组成）和杂多糖（一种以上的单糖组成）。细菌荚膜多糖由一种或一种以上的单糖或单糖衍生物组成。,杂多糖是指一种以上的单糖或单糖衍生物等组成的多糖，如铜绿色假单胞菌的多糖由D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、D-鼠李糖和D-葡萄糖醛酸等组成。杂多糖的组成方式很多，不同细菌的荚膜，其多糖重复单位的构成不同（图）。,荚膜的存在更有利于细菌的生存。荚膜的生理功能为：1）保护作用：废水（污水）生物处理中具有荚膜的细菌形成菌胶团，免遭原生动物等吞噬、侵害，并有助于废水（污水）中有害物质的吸附和沉降等。2）抗干燥：荚膜是一种高度水化的结构，其上大量极性基团可保护菌体免受干旱损伤，因此当环境中缺水时，具有一定的抗干燥能力。,3）贮存物质：当环境中C/N高时，有利于荚膜物质的形成，当碳源物质减少或耗尽时，有些机体可以利用荚膜物质生长。4）有利于固氮菌的生存：保护细胞内某些厌氧反应。,思考题,1.微生物生理学的概念。2.原核微生物和真核微生物的特点及包括的种类.3.原核微生物和真核微生物的相同点和不同点有哪些?4.原核微生物和真核微生物鞭毛和纤毛的主要区别 及真核微生物鞭毛和纤毛的相同点和不同点.5.原核微生物鞭毛的基本结构和化学组成.6.真核微生物鞭毛的基本结构和化学组成.7.菌毛的主要功能及其与性菌毛的主要区别.8.荚膜的化学组成及生理作用,三、细胞壁（cell wall）在微生物中，除了原生动物、螺旋体、支原体和病毒以外，其它微生物细胞表面还有一层富有弹性的坚韧组织，它位于表面附属物下面，并赋予微生物细胞以特有的形态学特征，这种结构称为细胞壁。,从各种微生物材料中分离得到的细胞壁厚度约在1080nm之间，细胞壁的厚度和重量常随微生物的种类、菌龄等不同而异。破碎细胞壁的方法一般分为两大类：第一类是化学或酶学的方法，如用碱法或溶菌酶破壁。第二类是机械方法，如超声波破碎等。微生物细胞壁具有各种形状，每种形状都是有细胞壁中某些大分子的排列所决定的。因此，很难笼统阐述细胞壁的结构。现以细菌细胞壁为主介绍其结构和功能：,（一）细菌细胞壁 细菌细胞壁的组成成分复杂，它是决定革兰氏染色反应的结构成分，细菌细胞壁的化学组成与其它真核微生物的化学组成有着显著的区别。,1.细菌细胞壁的基本骨架 组成细菌细胞壁的基本骨架（支持骨架）是一种称为肽聚糖(peptidoglycan)的复合物，或称胞壁质（murein），这是一种几乎存在于所有细菌中的粘肽。,双糖单位：N-乙酰葡萄糖胺（G）N-乙酰胞壁酸（M）,-1,4糖苷键,单体结构：每个肽聚糖分子单体由3部分组成，双糖单位、肽尾 和肽桥。,单体结构,双糖单位,N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺通过-1.4-糖苷键连接成二糖重复单位，形成异聚糖（直链），每条聚糖链含2060个二糖单位，长度为50100nm。这些聚糖链通过N-乙酰胞壁酸与四肽尾结合，即短肽通过肽键接在胞壁酸的乳酸酰残基上。最后形成交联的三维网状结构（图），这种结构大大增强了细胞壁的强度。,革兰氏阳性细菌肽聚糖四肽连接方式,肽聚糖大分子在细胞壁中排列成层，分子之间又以肽桥交联成网状结构。组成肽桥的氨基酸种类和排列顺序，也因不同菌而异，大致可以分为4型：I、II、III、IV型。肽聚糖是一种独特的物质，其组成成分是在动植物中从未见到过的，因此细胞壁中肽聚糖层的存在几乎是所有原核生物的鉴别性特征。,2.其他聚合物 细菌细胞壁除了由肽聚糖组成的网络结构外，还有其它一些聚合物附属于肽聚糖的骨架上。例如磷壁酸、多糖类和多肽或蛋白质等，在革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌间，参与的聚合物和组成结构不同。,1）革兰氏阳性细菌的细胞壁除了肽聚糖外，磷壁酸的存在是G+细菌的一个重要特征。磷壁酸是一种结合在G+细菌细胞壁上的酸性多糖，有5种类型，主要有核糖醇型（ribititol）和甘油型(glecerol)两种。前者是由磷脂键连接起来的五碳糖醇的聚合体，后者是三碳糖醇的聚合体（图）。,磷壁酸的类型与基本结构,细胞壁所含磷壁酸的类型因菌种不同而异，它们由磷酸甘油或核糖醇分子的重复单位借磷酸酯桥相连而成。磷壁酸可以是核糖醇磷壁酸，也可以是甘油型磷壁酸，它们以共价键的方式结合到肽聚糖的N-乙酰胞壁酸上，位于肽聚糖层的表面，构成革兰氏阳性菌重要的表面抗原。磷壁酸中羧基可以被取代，甘油磷壁酸羧基多为D-丙氨酸所取代，而核糖醇磷壁酸可被葡萄糖、半乳糖、N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰半乳糖及琥珀酸等取代，取代物按细菌种类而不同（图）。,磷壁酸按其结合部位分为壁磷壁酸和膜磷壁酸。壁磷壁酸与肽聚糖相连，含量会随培养基成分的不同而改变。膜磷壁酸又称为脂磷壁酸，它是两端（amphopathic）分子，一端是类脂结合在胞浆膜上，另一端是甘油磷壁酸聚合体，它跨越细胞壁，伸展至细胞膜与其交联，脂磷壁酸具有抗原特异性，其抗体能引起细胞壁或完整的细胞团聚。其含量与培养条件关系不大。,大部分磷壁酸含有D-丙氨酸，D-丙氨酸通常附着在甘油的第2或3位置上，或者附着在核糖醇的第3或4位置上，但在某些较复杂的磷壁酸中，D-丙氨酸只附着在其中的一种糖基上。除了D-丙氨酸外，其它取代基如葡萄糖、乳糖等可以附着在甘油醇和核糖醇的自由羟基上。,磷壁酸的生理功能:磷壁酸的存在使细胞呈电负性，通过静电引力在细胞的一定区域维持高浓度的二价离子（Mg2+），以保持细胞壁的稳定和提高有关合成细胞壁的酶活性。增强某些致病菌对宿主细胞的粘连、避免被白细胞吞噬等。赋予G+细菌特异的表面抗原，可用于菌种鉴定。储存磷元素；可作为噬菌体的特异性吸附受体；调节细胞内自溶素的活力，防止细胞因自溶而死亡。,另外，在一些革兰氏阳性细菌中，发现还有少量蛋白质存在，它们通常有规则地排列在细胞壁的外表面，主要是结构蛋白和酶蛋白，在细胞壁装配和修饰中起重要作用。,2）革兰氏阴性细菌的细胞壁 G-细菌细胞壁的特点是：厚度较G+细菌薄，呈多层结构，成分较复杂，肽聚糖层很薄（仅23nm），故机械强度较G+细菌弱。,在G-细菌中，肽聚糖网络是以单层状存在的，它占细胞壁干重的10%。G-细菌肽聚糖的结构可以E.coli为代表，其肽聚糖层埋藏在外膜脂多糖（LPS）层之内。四肽尾不含赖氨酸，而只含内消旋二氨基庚二酸（m-DAP）；并且没有肽间桥，故前后两单体之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，因而只形成较稀疏、机械强度较差的肽聚糖网套。,除了支持骨架肽聚糖层外，还有位于肽聚糖层表面的外壁层（外膜），在电子显微镜观察的超薄切片中，外壁层类似于细胞质膜，是典型的非对称性的磷脂双层结构，因此，常被称作外膜。外膜是细菌细胞对外界的物理性和功能性保护屏障，它们都附着于骨架的外表面上，以共价键方式结合，含量达到了细胞壁干重的80%。,外膜在细菌细胞膜（内膜）和肽聚糖的外侧，包围整个细菌，因此外膜成为细菌细胞与外部环境的分界屏障，是高特异性结构。由脂多糖、磷脂及若干种外膜蛋白所组成。现分别介绍其中的脂多糖和外膜蛋白。,脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)脂多糖是外膜的主要成分，位于G-细菌细胞壁最外层，是一种类脂多糖类复合物，可以用温热的酚水溶液或冷的三氯醋酸溶液从细菌细胞或细胞壁制剂中提取出来。脂多糖由类脂A、一个核心区（多糖核心）和O-特异侧链（多糖O抗原）三部分组成。,类脂A 由葡萄糖胺双糖（glueosominc disaccharide cone）单位通过焦磷酸键聚合成双糖链，多种长链脂肪酸结合到双糖链上，双糖的羟基已被C12、C14和C16脂肪酸所脂化，这些分子决定了它的疏水性。核心区 核心区由一组糖类所组成，朝细胞外表面方向与类脂A相结合，一般是由内（R）核心层和外核心层组成。内（R）核心层包括一个与磷酸乙醇胺相连的2-酮3-脱氧辛糖酸（KDO）和2个庚糖分子；外核心层由5个己糖组成。核心区的多糖成分有差别，其中KDO是共有的成分。,O特异侧链 O特异侧链结合在核心上，位于脂多糖分子的最外层，它是一种决定革兰氏阴性细菌菌体抗原（O抗原）的特异性成分，代表细菌细胞主要表面抗原，所以也称O抗原。它可由重复的寡聚糖长链所构成，其顺序和成分是具有菌株特异性的，它们含有半乳糖、甘露糖、鼠李糖和岩藻糖等，可呈直线排列的三糖为一个单位，也可以是分支排列的四糖或五糖为一个单位的重复排列，这种重复排列单位多至25个，由构成重复单位单糖的种类、配列及结合方式来决定抗原的特异性。,LPS的主要功能有：A.是G-菌致病物质的基础，类脂A为G-细菌内 毒素的毒性中心。b.具有吸附Mg2+、Ca2+等阳离子以提高它们在细胞表面的浓度的作用。c.脂多糖特别是其中的O-特异性多糖的组成和结构的变化决定了G-细菌细胞表面抗原决定族的多样性。如国际上根据脂多糖的结构特性而鉴定过沙门氏菌属(Salmonella)的抗原类型多达2107个(1983年)。d.是许多噬菌体在细菌细胞表面的吸附受体。,外膜蛋白 外膜蛋白是革兰氏阴性细菌细胞壁中的又一组成成分，指嵌合在LPS和磷脂层外膜上的20余种蛋白，多数功能还不清楚。,其中的脂蛋白具有使外膜层与内壁肽聚糖层紧密连接的功能；另有一类可在外膜上形成一物质通过的通道，可控制某些物质进入外膜的跨膜蛋白，称孔蛋白（porin）,有特异性和非特异性两种，阻止某些抗生素、去污剂和其它毒性物质进入体内，而允许营养物质进入，这一功能是由构成外膜特异蛋白质来完成。,两种输入机制：a.由贯穿外膜的通道（孔蛋白）来完成，它允许亲水性水分子物质通过，这是非特异性扩散。b.对于扩散孔不易通过的物质是由外膜小蛋白分子特异性运输通过外膜，一类特异性较低的是负责麦芽糊精、核苷酸的运送蛋白，另一类特异性高的是负责铁离子复合物和维生素B12的输送蛋白。可防止胰蛋白酶、溶菌酶等进入，从而保护了位于外膜内侧的肽聚糖层。,脂蛋白以共价键连接到肽聚糖上，将外膜与肽聚糖层连接起来，由于这种脂蛋白的化学结构是由布朗（Braun）等人确定的，故又称布朗蛋白（Braun protein）。这些脂蛋白具有其背离肽聚糖方向的亲脂末端，并可通过水性相互作用而包埋入亲脂双层膜中，也可游离于外膜内。,在G-细菌中，其外膜与细胞膜间的狭窄胶质空间（约1215nm）称壁膜间隙（周质空间），其中存在着多种蛋白，包括水解酶类、合成酶类和运输蛋白等。,3）古生菌的细胞壁古生菌除了热原体属没有细胞壁外，其余的都具有和真细菌类似功能的细胞壁。但它们的细胞壁中没有细菌肽聚糖的胞壁酸和D-氨基酸特征，它们没有真正的肽聚糖，细胞壁是由多糖（假肽聚糖）、糖蛋白或蛋白质构成。,假肽聚糖细胞壁甲烷杆菌属,-1,3糖苷键不被溶菌酶水解,N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸交替连接而成，连在后一氨基糖上的肽尾由L-glu、L-ala和L-lys三个L型氨基酸组成，肽桥则由L-glu一个氨基酸组成。,4）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G+细菌。（因被酸性复红染色后不能像其他G+细菌那样被乙醇脱色）抗酸细菌革兰氏染色呈阳性，但细胞壁的构造却类似与G-细菌。（其细胞壁类脂含量高达60%，而肽聚糖含量很低）,5）细菌细胞壁的主要功能：固定细胞外形和提高机械强度，在生活机体内主要起保护作用，并赋于细胞以一定的形态学特征；对渗透压的忍受范围之广主要依靠细胞壁；提高细胞的稳定性和有利于提高某些酶活性，阻拦有害物质进入细胞。为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需；具有特定的抗原性以及对抗生素和噬菌体的敏感性。,G+细菌和G-细菌细胞壁生理学特性比较,（二）真核微生物的细胞壁1.真菌的细胞壁真菌细胞壁主要由多糖、少量蛋白质和脂类物质组成。多糖是细胞壁微纤维与基质的主要成分。微纤维部分可使细胞壁保持坚韧性，它们都有单糖的-1、4聚合物，基质包括甘露聚糖、葡聚糖和少量蛋白质。多糖成分与真菌种类有一定的关系，在低等真菌里，微纤维由纤维素组成，在高等真菌里，微纤维由几丁质组成。即使在同一真菌，在其不同的生长阶段，细胞壁的成分也有明显不同（表）,不同真菌的细胞壁多糖,酵母菌的细胞壁：葡聚糖等是微纤维的构成成分，如酿酒酵母，有两层明显的壁含有等量的葡聚糖和甘露聚糖，这两种成分可占细胞壁成分的85%，另外还有少量的蛋白质、葡萄糖胺和脂等。外壁有甘露聚糖和蛋白质等组成，这层壁可让乙酸、丙酸及甘油酸等通过，但阻碍蛋白胨等渗入；内层由葡聚糖和甘露糖组成，能渗透乙酸和丙酸，阻碍琥珀酸和甘油酸通过。,2.藻类的细胞壁藻类的细胞壁厚度一般为1020 nm,有的仅为35 nm,如蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidis）。大多数藻类细胞壁中的微纤维由纤维素组成，也有些种类由木聚糖和甘露糖组成的多糖来代替纤维素。藻类细胞壁中的微纤维可占细胞壁干重的5080%，其余部分为间质多糖所占。,间质多糖主要是杂多糖，其成分随种类而异：褐藻的细胞壁：含有褐藻酸（由D-甘露糖醛酸和L-葡萄糖醛酸组成的多糖）；蛋白核小球藻的细胞壁：含有由半乳糖-鼠李糖组成的多聚糖；硅藻的细胞壁：含二氧化硅和碳酸钙，其中硅的含量可达细胞壁干重的50%以上。,四、鞘皮某些丝状细菌如浮游球衣细菌（Sphaerotilus natans）会形成管状外套，称为鞘皮。,鞘皮包围在若干个细胞外面，使单个细胞包在鞘内排列成丝状。在光学显微镜下就能观察到具有鞘皮的细菌，有时菌体可自由地离开这层管状外套，留下一个空壳。鞘皮由含葡萄糖、葡萄糖醛酸、半乳糖和岩藻糖的异聚糖以及蛋白质构成网状纤维体，间隙中以脂质填充，成为像内胎状的空管。,鞘皮是由菌体分泌形成的，一旦形成后与菌体无直接关系。在一些细菌中，如醋化醋杆菌木质变种（Acetobacter aceti var xylinum）会分泌纤维素，由它形成“醋醭”，即围绕着细胞的皮革状皮膜。纤维素在这里起着一种胶合剂的作用，且与荚膜在结构和功能上有所不同。鞘皮的功能是保护鞘内的细胞，可使其逃脱原生动物和微型后生动物的吞噬。细胞单个、杆状或呈假分支，在鞘内呈链状排列，鞘上一般有固着器，可附着在固形物上。,思考题,1.G+和G-细胞壁的结构和组成。2.磷壁酸的类型和生理功能；3.LPS的组成和生理功能。4.G+细菌和G-细菌细胞壁生理学特性比较。5.真核微生物细胞壁的组成。,第二节 原生质体,一般将完全脱去细胞壁的微生物细胞（包括完整的动物细胞）称为原生质体。部分失去细胞壁的称为原生质球状体。细胞是原生质体具体的形态结构单位。而细胞结构是原生质体存在的具体形式。原生质体除了细胞膜（质膜）外，还包括细胞核和细胞质.细胞膜、细胞核和细胞质以其紧密的方式互相联系，互相依存，互相制约。,一、细胞质膜(cytoplasmic membrace)细胞质膜也称原生质膜（plasma membrace），一般简称质膜，它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。质膜是与细胞起源、生命本质密切相关的重要结构，位于细胞壁内直接与原生质接触，能使细胞独立于环境而存在，可使生命体有更大的相对独立性。质膜是细胞生存必不可少的一种重要结构，它的损伤与破坏直接导致机体生长停止与死亡。,除了质膜以外，在真核生物中还有各种构成细胞器的膜，称为细胞内膜。相对于细胞内膜，质膜也被称为外周膜。在原核生物中，如有些细菌的质膜向细胞内延伸成为间体或质膜体，具有真核细胞器的部分功能。,（一）细胞质膜的结构与化学组成 无论是动物、植物还是微生物，无论是细胞质膜还是内膜系统的膜都有着相同的超微结构。在漫长的生命进化过程中质膜的出现是一个重要的关键阶段，有了它才确定了细胞为生命的基本单位。细胞质膜和不同的内膜，各有其不同的功能，但它们基本的化学组成、分子结构却有着共同特征。,1.质膜的结构 长期以来，根据研究的结果提出了不少有关膜结构的理论，这里只介绍两种影响较大的理论：单位膜理论和流动镶嵌模型理论。,“单位膜”：磷脂分子是构成膜的主体，并且磷脂分子有规则地排成双层，其中磷脂分子的极性端面向双分子层的两侧，非极性分子面向双分子层的内侧，蛋白质分子位于膜的两侧，并以-折叠构型通过静电引力与磷脂分子的极性端相联系，组成蛋白质-磷脂双分子层-蛋白质这种类似三夹板式的结构（夹心饼干），也就是在电子显微镜下观察到细胞质膜的3层结构。,20世纪60年代以后，对单位膜理论的异议增加了，因为所有细胞都具有共同的单位膜结构，这很难与膜的多样性和特殊性一致起来。在生命体系中一般功能的不同常伴随着结构的差异，而单位膜理论是假定所有细胞的膜都是相同的，显然这是矛盾。20世纪60年代后期以来，电子自旋共振光谱等新的物理学技术证明磷脂的脂肪酸链具有流动性，用荧光抗体标记的融合细胞也证明膜具有流动性。在此基础上又提出一些膜的分子结构模型，其中液态（流动）镶嵌模型受到广泛支持。,“液态（流动）镶嵌模型”：是和G.Nicolson于1972年提出的，这是目前为大多数人所接受的理论。液态（流动）镶嵌模型认为膜的共同结构特点是以液态的脂质双分子层为基架，其中镶嵌着具有不同生理功能的蛋白质。其中脂质双分子层为液态可动的，其运动方向主要是与膜表现为平行的侧向移动，可动程度在不同的细胞有所不同，并与温度等因素相关。,主要特点是：强调了膜的流动性；膜内蛋白质和脂类分子分布不对称。使膜分子聚在一起主要是蛋白-蛋白、蛋白-脂类、脂类-脂类的相互作用，主要是疏水的和亲水的两种非共价键的相互作用。,细胞质膜的液态镶嵌模型,Hopanoid(藿烷类化合物),2.质膜的化学组成 质膜厚度约78 nm，主要由脂质（磷脂和糖脂）和蛋白质组成，脂质占膜表面积的7080%，含量在25%以上；蛋白质占膜干重的6070%，另外还含有少量的糖与核酸等其它成分。,由于生活细胞不断地通过质膜进行物质交换，并保持其动态平衡，质膜的化学组成也受到许多因素的影响。在微生物细胞中，同样也受到种类、培养条件等因素的影响，因而质膜的化学组成差异较大，但其主要成分的含量基本上是稳定的（表）。,细菌及真菌质膜的化学组成,1）脂质双分子层 脂质在膜中是以双分子层的形式存在的，脂质双分子层是所有细胞质膜的基础结构，组成真细菌细胞质膜的主要脂类有磷脂、糖脂和鞘脂等极性脂类，此外还含有非极性的脂醌、类胡萝卜素等。磷脂是主要成分，是甘油-3-磷酸的衍生物，最普通的磷脂为磷脂酰乙醇胺和磷脂酰甘油等，在真核生物中常见的磷脂酰胆碱却在细菌质膜中罕见。,除了磷脂外，在许多G+细菌和G-细菌的质膜中还含有糖脂，细菌的糖脂有两类：一类是糖基二脂酰甘油（以糖苷键将糖基连接在二脂酰甘油的C-3上）；第二类是脂酰化的糖（糖的一个或多个羟基被长链脂肪酸酯化）。鞘脂：以鞘氨醇代替甘油分子所形成的磷脂。在细菌中并不广泛存在。,无论是磷脂还是糖脂，其分子中都含有长链脂肪酸（通常含1519个碳原子的脂肪酸）。细菌磷脂的脂肪酸组成与其生长条件密切相关，如培养基成分、酸碱度、温度以及菌龄不同，对形成脂肪酸的类别有较大的差异。例如大肠杆菌的脂质中不饱和脂肪酸含量的比例随培养温度（1043）成反比。又如需氧菌中环丙烷脂肪酸的比例随供氧条件的改善而增加。,不同的膜脂在不同类型细胞膜中的含量、分布是不同的，但是所有磷脂分子的一个显著特点是极性强。每一个磷脂分子由一个带正电荷且能溶于水的极性头端（烃端）所构成。两个极性头分别朝向内外两表面呈亲水性；而两个非极性端的疏水尾则埋入膜的内层，于是形成了一个磷脂双分子层。这种一头亲水一头疏水的分子称为双型性分子。磷脂的极性端对维持膜上酶蛋白的活性是必需的。根据已有的资料表明，细菌细胞膜上的酶蛋白中的膜脂质不仅是酶的机能所必需，更重要的是使膜成为液态性，而且膜上很多种酶活性依赖于膜脂的存在。,脂质双分子层构成细胞膜的基质，它有以下两个主要特点：（1）脂质双层中内外两层脂质分子是非对称的，例如红细胞膜脂质双层，外层含有较多鞘磷脂和磷脂胆碱，而内层则含有较多磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸。不同细胞，脂质双分子层组成情况是不同的。（2）脂质双层不是固态物质，而是可动的液态体系。脂质双层的运动，主要是与细胞膜平行的横向运动。（可动性大小的有关因素：脂质分子中脂肪酸链的不饱和程度和环境温度）,2）膜蛋白 膜蛋白是构成质膜的重要成分，膜的大部分功能主要由膜蛋白完成。质膜内含丰富的蛋白