原核微生物形态结构.ppt

第二章：原核微生物形态结构,细菌（bacteria）放线菌(actinomycetes）蓝细菌(cyanobacteria)其他几种原核微生物(others),1.细菌的形态和染色2.观察细菌的方法3.细菌细胞的大小4.细菌的细胞构造5.细菌的繁殖方式6.细菌的群体形态,第一节 细菌（Bacteria）,一、细菌的形态构造及其功能,1.细菌细胞的形态,球菌(Coccus)杆菌(Bacillus)螺旋菌(Spirlla)其他形状的细菌,（一）细菌细胞的形态与染色,a.球菌(coccus),单球菌双球菌四联球菌八叠球菌葡萄球菌链球菌,单球菌和双球菌（显微镜下示意图）,单球菌(single coccus),上：显微镜效下：电镜照片,四联球菌(Micrococcus lactis),八叠球菌(Sarcina ureae),八叠球菌（显微镜下示意图）,链球菌,链球菌（显微镜下示意图）,链球菌（电镜照片）,显微镜下的杆菌,b.杆菌(bacillus),c.螺旋菌（Spirlla),显微镜下的螺旋菌,d.幽门螺旋菌,左：显微数码摄像,右：结构示意图,2.观察细菌的方法,(1)观察工具(2)观察方法,(1)观察工具（tools）,普通光学显微镜,暗视野显微镜,相差显微镜,荧光显微镜,电子显微镜,M9gfp,M22gfp,绿色和红色荧光菌,(2)观察方法,活体观察染色观察,细菌染色法,死菌,正染色,负染色：,简单染色法,鉴别染色法,革兰氏染色法,抗酸性染色法,芽孢染色法,荚膜染色法等,活菌:用美蓝或TTC（氯化三苯基四唑）等作活菌染色,姬姆萨染色法,染色观察,3.细菌细胞的大小,细胞的大小是细菌分类特征,不同细菌细胞大小不同,同一细菌的不同菌龄细胞大小不同,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或平均值,4.细菌细胞的结构,（二）细菌细胞的结构,细胞壁细胞膜细胞质和内含物核区,1.细菌细胞的基本结构,细胞壁（cell wall),a.细胞壁的化学组成b.细胞壁的结构c.细胞壁与革兰氏染色d.细胞壁的功能e.无壁细胞与原生质体,a.细胞壁化学组成,高等植物 纤维素,霉菌 几丁质,酵母 甘露聚糖，葡聚糖,细菌,肽聚糖,N乙酰葡萄糖胺N乙酰胞壁酸短肽,脂多糖,磷壁酸,peptide chains vary among species,M:N乙酰胞壁酸G:N乙酰葡萄糖胺,-1,4糖苷键,肽聚糖,磷壁酸,磷壁酸是结合在G+细菌细胞壁上的一种酸性多糖，主要成分为甘油磷壁酸或核糖醇磷壁酸。,1.浓缩细胞周围的Mg2+离子，提高细胞膜上一些酶的活力；2.贮藏元素；3.调节细胞内自溶素的活力，防治细胞因自溶死亡；4.作为噬菌体的特异性吸附受体；5.赋予G+细菌特异的表面抗原，可用于细菌鉴定；6.增强某些致病菌对宿主细胞的粘连避免被白细胞吞噬，有抗补体的作用。,磷壁酸的功能,假肽聚糖(Pseudopeptidoglycan)古生菌(Archaeal),N乙酰葡糖胺,N乙酰塔罗糖胺糖醛酸,脂多糖 Lipopolysaccharide(LPS)O-特异侧链 核心多糖 类脂A,脂多糖功能：具有控制细胞的透性、提高Mg2+浓度、决定细胞壁抗原多样性等作用,Peptidoglycan is found only in bacteriaKeeps cells from lysing,due to turgor pressure,23nm,810nm,2080nm,b.细胞壁的结构,G+G-,Gram Positive Cell Wall,Fig 4.32b,磷壁酸,肽聚糖,细胞膜,Gram Negative Outer Membrane,Porins-proteins that allow small molecules to cross membrane-specific and non-specific,周质空间,c.细胞壁与革兰氏染色,d.细胞壁的功能,固定细胞外形协助鞭毛运动保护细胞免受外力的损伤为正常细胞分裂所必需阻拦有害物质进入细胞与细菌的抗原性、致病性和对噬菌体的敏感性密切相关,原生质体（左侧为大肠杆菌的原生质体，右侧为杆状的大肠菌）,e.无壁细胞细胞与原生质体,缺壁细菌,实验室中形成,自然界长期进化中形成：支原体,自发缺壁突变：L型细菌,人工方法去壁,彻底除尽：原生质体,部分去除：球状体,细胞壁以内的构造原生质体,1.细胞膜（cell membrane）2.细胞质和内含物(cytoplasm andinclusion body)3.核区(nuclear region or area)4.特殊的休眠构造芽孢(endospore,spore),细胞膜定义 细胞膜是一层紧贴在细胞壁内侧，包围着细胞质的柔软、脆弱、富有弹性的半透性膜，由磷脂（2030%）和蛋白质（5070%）组成，厚约78nm。,细胞膜（cell membrane),a:内嵌蛋白;b、c:内嵌蛋白或整合蛋白d:外周蛋白;e:多酶复合体;f:脂双分子层,f,a,b,c,d,e,细胞膜结构,细菌染色体DNA的复制模式,Structure of Cytoplasmic Membrane,细胞膜的功能,1.能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.合成细胞壁各种组分和荚膜等大分子的场所；4.进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地；5.许多酶和电子传递链组分的所在部位；6.鞭毛着生点和提供其运动所需的能量等。,间体（Mesosome)的功能,相当于真核细胞的线粒体,相当于真核细胞的内质网,与细胞壁合成有关,可能与核分裂有关,有学者认为间体是一种赝象,细胞质定义 细胞质是指被细胞膜包围的除核区以外的一切半透明、胶状体、颗粒状物质的总称。,细胞质(cytoplasm)和内含物(inclusion body),细胞内含物定义 是细胞质内一些 形状较大的颗粒状构造。细胞内含物包括：,贮藏物(reserve granule磁小体(megnetosome)羧酶体(carboxysome)气泡(gas vocuoles)核糖体(ribosome)质粒(circular covalently closed DNA),糖原：大肠杆菌、克雷伯氏菌、蓝细菌芽孢杆菌等,聚羟丁酸：固氮菌、产碱菌、肠杆菌,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、白喉棒杆菌和分枝杆菌含有,硫源：紫硫细菌、丝硫细菌、贝日阿托氏菌等,碳源及能源类,贮藏物(reserve granule),磁小体(megnetosome),1975年由R P Blakemore 在趋磁细菌中发现,主要成分是Fe3O4外被一层磷脂、蛋白或糖蛋白膜,是单磁畴晶体,无毒,大小20-100nm,每个细胞有2-20颗,形状为平截八面体、平行六面体或六棱柱体等,实用前景：生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器,羧酶体（carboxysome）,存在于一些自养细菌内的多角形或六角形内含物,大小约10nm（与噬菌体相仿）,内含1，5二磷酸核酮糖羧化酶,在自养细菌的CO2固定中起关键作用,气泡（gas vocuoles）,是许多光合型、无鞭毛水生菌中充满气体的泡囊状内含物,大小为0.21.0um75nm,内由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白膜包裹,每个细胞中含几个或数百个气泡,功能：调节细胞比重以使细菌漂浮在最适水层中获取光能、O2，和营养物质,核糖体（Ribosome),核糖体,核糖体亚基连在,核糖体（Ribosome),、,质粒染色体,质粒(circular covalently closed DNA),质粒功能,R因子：与抗药性有关,F因子：与有性接合有关,其他质粒：与抗生素，色素合成有关,基因工程中作为目的基因载体,核区（nuclear region or area）,又称核质体、原核、拟核、核基因组(genome）,是一个大型环状DNA分子。长度为,每个细胞所含的核区数一般14个,细菌除在染色体复制时间内呈双倍体外,一般均为单倍体,2.细菌细胞的特殊构造,芽孢和伴孢晶体糖被鞭毛菌毛和性毛,细菌芽孢在光学显微镜下的形态及其在胞内的位置,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 由于一个营养细胞内仅生成一个芽孢，无繁殖功能 芽孢在普通条件下可保持几年至几十年的生活力 芽孢是生物界中抗性最强的生命体。,芽孢(endospore/spore),枯草芽孢杆菌,产芽孢细菌的种类芽孢的构造芽孢形成芽孢萌发芽孢的耐热机制研究芽孢的意义伴孢晶体细菌的其他休眠构造,芽孢,芽孢,产芽孢细菌的种类,菌体,细菌芽孢构造的 模式图,孢外壁,芽孢衣,皮层,芽孢质,芽孢核区,芽孢膜,芽孢壁,核心,芽孢的形成过程,Sporulation,Initiated when nutrients limiting,Stages determined by mutational analysis,200 genes involved,SASP=small acid-soluble spore proteinsCortex is composed of peptidoglycanExosporium is a thin protein covering,8 h for entire process,芽孢的耐热机制,1.是由芽孢化学组成的特点决定的2.含有吡啶2，6二羧酸（DPA-Ca）3.含有芽孢特有的芽孢肽聚糖4.芽孢平均含水40，皮层含水705.芽孢中酶的分子量较营养细胞小,研究芽孢的意义,细菌分类、鉴定中的重要形态学指标,指导菌种保藏,制定灭菌参数,苏云金芽孢杆菌和伴孢晶体,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内毒素，称为伴孢晶体。,实用意义：细菌杀虫剂生物农药,细菌的其他休眠构造,细菌的休眠构造除上述芽孢外，还有孢囊（cyst,由固氮菌产生）等。,孢囊也是在逆境中产生的。,孢囊也是在逆境中产生的休眠体。,和芽孢一样没有繁殖功能。,孢囊,细胞内浓缩并外包多（410余层）蛋白质、肽聚糖（近G菌）抗热、辐射及药物等无特殊贮藏物芽孢杆菌属、梭菌属,芽孢与孢囊的比较,细胞壁以外的构造,糖被（glycocalyx）鞭毛(flage，复flaglla)菌毛（fimbria，复fimbriae）性毛（pili，单数pilus）,鞭毛,菌毛,性毛,糖被,糖被(glycocalyx),某些细菌细胞壁外的一层粘液性胶状物质。根据糖被的形状和厚度的不同，将荚膜分为四类：,(大）荚膜：粘液状物质具有一定外形，相对稳定地附着在细胞壁外，厚度：0.2m。微荚膜（microcopsule)：粘液状物质较薄，厚度：0.2m，与细胞表面牢固结合。粘液层(slime layer)：粘液物质没有明显的边缘，比荚膜松散,可向周围环境中扩散,增大黏性。菌胶团(zoogloea):包裹在细胞群体上的胶状物质。,荚膜成分,多糖,纯多糖,杂多糖,多肽,蛋白质：鼠疫耶尔森氏菌,葡聚糖：肠膜状明串珠菌,纤维素：木醋杆菌,果聚糖：变异链球菌,多肽和多糖：巨大芽孢杆菌,海藻酸：棕色固氮菌,透明质酸：若干链球菌,聚-D-谷氨酸：炭疽杆菌,聚谷氨酰胺：若干黄单胞菌,荚膜的观察：,荧光显微镜 负染色 特殊染色,荧光显微镜下的荚膜,Chemical composition of some bacterial capsules.,荚膜的生理功能,1、荚膜富含水分，可保护细胞免于干燥；2、能抵御吞噬细胞的吞噬；3、为主要表面抗原（K抗原），是有些病原菌的毒力因子；4、能保护菌体免受噬菌体和其他物质（溶菌酶和补体）的侵害；5、是某些病原菌必须的粘附因子；6、贮藏养料，是细胞外碳源和能源的储备物质,荚膜与生产实践的关系,应用：荚膜也可以成为有价值的材料。如：Leucomostoc mesenteroides 的葡聚糖荚膜已用于生产代血浆的主要成分右旋糖酐和葡聚糖凝胶制剂；从野菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）荚膜提取黄原胶，它是优良的食品添加剂，又是石油开采中优良的压浆剂；用产菌胶团的菌进行污水处理等；通过荚膜的血清学反应进行细菌鉴定（荚膜膨胀试验）。危害：食品变质发粘；增强致病力；造成严重龋齿等。,荚膜与菌落形态,光滑（Smooth,S-)型菌落产荚膜的细菌在固体培养基上形成的菌落表面湿润、有光泽、呈粘液状，称S-型菌落。,粗糙（Rough,R-)型菌落不产荚膜的细菌形成的菌落表面干燥、粗糙、称R-型菌落。,荚膜的形成条件,（1）荚膜的形成是微生物的遗传特征之一，是“种”的特征。但不是细菌的必要结构，失去荚膜的菌株照样能够生活。（2）荚膜的形成与组成明显受培养基成分和培养条件的影响（与环境密切相关）。如肠膜明串珠菌(Leuconosto mesenterondes)以蔗糖为碳源时合成葡聚糖成分的荚膜。,鞭毛（Flagellum),1.概念：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，具有运动功能。鞭毛一般长度为1520um直径为0.010.02um,2.细菌鞭毛有无的判断方法 电镜观察 鞭毛染色，光学显微镜观察 在暗视野中，通过对细菌的悬滴标本或水浸片的观察，视其中的细菌是否做有规律的运动，来判断是否具有鞭毛；通过琼脂平板培养基上的菌落形态或在半固体直立柱穿刺线上群体扩散的情况，也可推测某菌是否长有鞭毛。,鞭毛的着生方式,细菌鞭毛的类型,鞭毛的类型,鞭毛染色观察照片：蜡样芽孢杆菌（周生鞭毛）；假单胞菌（偏端单生鞭毛）,透射电镜照片,鞭毛的化学组成,鞭毛蛋白：3万6万Dolton，不同种由不同球蛋白分子亚基构成，有些含多糖、类脂等，为极好抗原。,鞭毛的结构,由鞭毛丝、鞭毛钩、基体三部分组成：,鞭毛丝：中空螺旋状、丝状结构，球蛋白亚基螺旋排列。,鞭毛钩：又称钩形鞘，是连接鞭毛丝和基体的一个弯曲筒状部分，蛋白质亚基组成。,在G-菌和G+菌中基体部分结构有差异：G菌：L环、P环、S环、M环 G+菌：S环，M环,基体：由若干个盘状物即环组成。,The Flagellum,1000 H+/rotation,40 genes involved,Flagella Structure,鞭毛丝结构图解,：鞭毛蛋白亚基,鞭毛丝由直径 4.5nm 的鞭毛蛋白亚基沿央孔道（直径为20nm）螺旋状缭绕而成。每周为8-10个亚基鞭毛蛋白亚基是一种球状蛋白分子量3-6万,鞭毛运动与细菌的趋避性运动,趋避性运动,化学趋避性运动氧趋避性运动光趋避性运动,Steps in Biosynthesis of Flagella,某些菌体表面存在的短而多的附属物。纤毛比鞭毛更短、更细，且又直又硬。数量很多，不具有运动功能，但与菌的致病性吸附等有关,纤毛(pilus)与菌毛(fimbria）,定义：一种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，直径为310nm。,菌毛,菌毛蛋白0.007-0.0090.5-20um由菌毛蛋白亚基卷成中1-数百根空螺旋附着，接合细胞质许多G杆菌和球菌,细菌的鞭毛和菌毛的比较,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珠中。,其功能是向雌性菌珠（受体菌）传递遗传物质。,鞭毛,DNA结合位点,（三）细菌的繁殖,细菌细胞壁合成模式：,(a)G+球菌和某些G-杆菌(b)杆状细菌,蓝绿色为新生长区,缓慢生长的细菌，在分裂前，染色体被复制了一次O是复制起始点，T是复制终止区,迅速生长中的细菌的DNA复制更复杂，在原来的细胞分裂前新的一轮DNA复制即开始了,（四）细菌的群体形态,细菌的菌落特征,细菌的其它培养特征,细菌的菌落特征,固体培养基表面细菌菌落（照片）,细菌菌落特征正面图,细菌在琼脂培养基中穿刺培养的生长特征,细菌在半固体培养上的培养特征,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,第二节 放线菌(actinomyces),什么是放线菌,放线菌的形态构造,放线菌的繁殖,放线菌的菌落特征,放线菌的生理,放线菌与人类生活,放线菌是一类具有丝状与枝细胞的细菌,有原核细胞壁的主要成分是肽聚糖有的放线菌产生有鞭毛的孢子,其鞭毛类型与细菌相同，菌丝直径与细菌相仿放线菌噬菌体的形状与细菌的相似最适生长PH相近，一般呈微碱性DNA重组的方式与细菌的相同，核糖体同为70S对溶菌酶敏感；凡细菌所敏感的抗生素，放线菌也同样敏感,放线菌的分布与生活方式,放线菌一般分布在含量较低；有机物丰富和呈微生物碱性的土壤中。107个g左右,能看到：北方春季深层黑土地的白丝,能闻到：泥土特有的“泥腥味”,放线菌的形态结构（模式图）,基内菌丝（Substrate mycelium)又称营养菌丝，功能是吸收营养，直径 长度100600um，色素可有可无。,基内菌丝,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11.4um,长短不一，形状不一，颜色较深。,Cncnc-micro,气生菌丝,孢子丝(Reproductive mycelium)：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。,放线菌孢子丝类型,直形,弯曲丛生,成束,单轮生无螺旋,开环钩形原始螺旋形,松螺旋,紧螺旋,螺旋单轮生,无螺旋两级轮生,螺旋两级轮生,放线菌的菌落形态,菌落质地硬而且致密，菌落小而不广泛延伸,菌落表面呈紧密的绒状或坚实、干燥多皱。,接种针难以挑取，有时可挑碎，有时可将整个菌落挑起。,Cncnc-micro,老龄菌：幼龄菌菌落与细菌难以区分。菌落周围具放射状菌丝。,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。,Cncnc-micro,放线菌的繁殖方式,分生孢子,孢子囊孢子,菌丝断裂,其他方式,放线菌的生活史：,孢子萌发,基内菌丝,气生菌丝菌丝,孢子丝,5 孢子丝分化形成的孢子,放线菌的繁殖,（2）沿横隔断裂形成孢子,（3）成熟孢子,（1）孢子丝中形成横隔,横隔断裂形成孢子的过程,分生孢子繁殖,放线菌生理,绝大多数为异养型，能利用不同的碳水化合物。,氮源以Pr,蛋白胨，以及某些氨基酸最合适，硝酸盐、铵盐和尿素次之.,一般都需要金属离子。,大多放线菌是好气性的。,最适温度23370C,放线菌与人类,绝大多数抗生素由放线菌产生,用来生产纤维素、酶、维生素,具固氮作用，用于生产生物菌肥,少数寄生型放线菌可引起动植物病害有的放线菌能破坏棉毛织品和纸张,链杆状,丝状聚合体,球状（正在分裂）,第三节 蓝细菌的形态,蓝细菌生理,是光能自养型生物：只需空气、阳光、水分、少量无机盐,没有有性生殖，以裂殖为之，也可芽生殖，极少数有孢子,已知蓝细菌有20多种具固氮作用。,第四节 其他几种原核微生物,立克次氏体,支原体,衣原体,1、立克次氏体（Rickettsia）,是落基山斑疹伤寒的病源体立克次氏体是一类专性寄生于真核细胞内的革兰氏阴性原核生物，有着以下几方面的特点：,(1).细胞较大，光镜下清晰可见；(2).细胞形状多变，有球状、杆状、双球状、丝状等；(3).具细胞壁，G；(4).除少数外，均在真核细胞内营细胞内专性寄生，宿主为节 肢动物和脊椎动物；(5).以二等分裂方式繁殖；(6).对四环素和青霉素等抗生素敏感；(7).产能代谢途径不完整，只能利用谷氨酸和谷氨酰胺产能，不能利用葡萄糖或有机酸；(8).可培养在鸡胚、敏感动物或细胞株的组织培养物上；(9).对热敏感，56，30分致死；(10).基因组很小。,2、支原体（Mycoplasma）,支原体是一类无细胞壁、介于独立生活和细胞内寄生生活间的最小型原核生物。表现出以下几方面的特点：,(1).细胞很小，支原体的直径一般约为150300nm，光镜下勉强可见；(2).缺乏细胞壁，革兰氏染色阴性，多形，对渗透压较敏感，对抑制细胞壁合成的青霉素等抗生素不敏感；(3).细胞膜含甾醇，比其它原核生物的膜更坚韧；(4).菌落小，在固体培养基表面呈“油煎蛋”状；(5).以二分裂和出芽等方式进行繁殖；(6).能在含血清、酵母膏或甾醇等营养丰富的培养基上生长；(7).多数能以糖类作能源，能在有氧或无氧条件下进行氧化型或发酵型产能代谢；(8).对能抑制蛋白质生物合成的四环素、红霉素等抗生素和破坏细胞膜结构的抗生素都很敏感；(9).基因组很小。,3、衣原体(Chlamydia),1.有细胞构造，,2.细胞内同时含有DNA和RNA两种核酸,3.有革兰氏阴性菌特征的含肽聚糖的细胞壁,有核糖体,4.有不完整的酶系统，尤其缺乏产能代谢的酶系统,5.二等分裂繁殖；,6.对抑制细菌的抗生素如青霉素和磺胺等都很敏感,7.鸡胚卵黄囊膜、小白鼠腹腔、或HeLa细胞培养,8.三珠衣原体基因组为别为1.05Mb,1.07Mb,1.23Mb.,衣原体（Chlamydia psittaci)在寄主细胞质中的形态,始体,中间体,寄主细胞膜,正分裂的网状体,包涵体,衣原体,