细菌学教学课件第三章细菌的结构与功能.ppt

第三章 细菌的结构与功能,原核细胞真核细胞,1、绪论2、细菌分类、形态与进化3、细菌结构与功能4、细菌与宿主之间的相互作用5、细菌的基因表达6、细菌的基因调控7、细菌的抗药性8、细菌的微生态9、细菌与合成生物学,10、细菌的基因组学11、细菌与疾病12、细菌与免疫13、细菌与疫苗14、细菌与食品安全15、细菌的细胞工厂16、细菌与生物制药17、复习18、考试,杆菌,球菌,霍乱弧菌,梅毒螺旋体,细菌的结构,基本结构,细胞壁、细胞膜、细胞质、核体,附属结构,荚膜、S层、鞭毛、菌毛、芽胞,特殊结构 生物被膜,一、细菌的基本结构与功能,（一）细胞壁 按细胞壁结构与组成差异,分为G+和G-,比较项目 G+G-细胞壁厚度 2080nm 1015nm细胞壁分层 不分层 分三层：外膜层，内壁层为肽聚糖 层，之间为质周区肽聚糖 含量高,层数多,交联度高 含量低，层数少，交联度低磷壁酸 有 无，仅E.coli含有脂多糖 无 有，位于外膜层蛋白质 约10%约60%，位于外膜层脂类 无或少量 可达2030%，位于外膜层壁内的氨基酸 少数几种 许多种质膜自细胞壁分开 不容易 相当容易抗原决定因子 磷壁酸上的糖类,C抗原 脂多糖的O侧链,O抗原溶酶分解作用 极敏感 较不敏感对青霉素作用 较敏感 较不敏感,1.1.2 肽聚糖（peptidoglycan）或胞壁质（murein）,肽聚糖的组成N-乙酰葡萄糖胺（NAG）N-乙酰胞壁酸（NAM）L-丙氨酸D-谷氨酸二氨基庚二酸(DAP)或赖氨酸D-丙氨酸,肽聚糖的交联,肽聚糖的结构,肽聚糖的多样性,（1）金黄色葡萄球菌（2）表皮葡萄球菌（3）玫瑰色微球菌（4）绿色乳杆菌（5）唾液链球菌（6）乳脂明串珠菌,星星木棒杆菌（2-4位肽桥）,多数G-和许多G+（3-4位直接交联）,G+的外壳：磷壁酸，这是通过磷酸基团相互连接的甘油或核糖醇的聚合物，且在甘油及核糖醇基团上连接有D-型氨基酸或葡萄糖等,G-的外壳,1.1.3.G-的外膜的脂多糖(lipopolysaccharides，LPSs),类脂A：是脂多糖的生物活性部分，它是由葡糖胺、脂肪酸、磷酸盐组成的一种磷脂。葡糖胺双糖单位通过焦磷酸聚合成亲水的类脂A骨架，多种长链的脂肪酸结合到双糖上，这部分决定了类脂A的疏水特性。核心多糖：是由内外两部分较短的低聚糖组成，如酮脱氧辛糖酸(KDO)，7碳糖(庚糖)，葡萄糖，半乳糖和N-乙酰葡萄糖胺组成。O-侧链：含有半乳糖、葡萄糖、鼠李糖、甘露糖(都是六碳糖)，以及一种或几种独特的双脱氧糖，如-脱氧岩藻糖，可立糖，泊雷糖或泰威糖，这些糖连接成四或五分子的序列，常常是分支的，当这些糖序列不断重复时，就形成了长的O-侧链多糖。,沙门氏菌(Salmonella)的脂多糖结构：类脂A、核心多糖和O-侧链（O-抗原）组成。,1.1.3.1 脂多糖（LPS）的结构,O-抗原特异性：类脂A，核心多糖相当保守，但O-特异性侧链的化学构成及糖的组成则高度变化。它位于脂多糖分子的最外层，是细菌细胞主要的表面抗原。它是由双糖（如宋内志贺菌）、四糖（如福氏志贺菌）或五糖为一单位重复排列在核心多糖链上，由单糖的种类及其与核心多糖的排列和结合方式的差异决定了O-抗原的特异性。多样性：O-抗原多样性是生物界中最主要的多样性之一，编码这些抗原的基因簇成为研究DNA水平上分子进化最好的材料之一。以志贺氏菌为例，不同群志贺菌的LPS-O多糖的基因定位不同。宋内志贺氏菌LPS-O多糖痢疾志贺氏菌LPS-O多糖福氏志贺菌LPS-O多糖,1.1.3.2 LPS的生物学功能,1.LPS对细菌的保护作用2.LPS的免疫原性3.内毒素作用4.多糖部分在细菌致病中的作用5.增强机体的非特异性免疫,脂多糖信号在胞内的传递,1.LPS刺激可使多种细胞浆内Ca+浓度升高2.LPS刺激能激活靶细胞膜上的CAPK3.LPS刺激可激活靶细胞内的Src蛋白激酶家族4.LPS刺激细胞可引起细胞内Raf-1的活化，活化Raf-1的具有Src/Thr激酶活性5.LPS激活的蛋白酪氨酸磷酸化脂多糖信号在胞内的传递途径还可能与NF-kB活化有关,1.1.4.细胞壁结构与革兰氏染色的关系,革兰氏染色法是细菌细胞的复合染色法，由丹麦医生Hans Christian Gram于1884年创立。G+和G-细菌细胞壁在结构上的差异反应在革兰氏染色反应中，细胞内形成一种不溶性的结晶紫-碘复合物。可以用酒精脱去复合物的（显红色）为G-细菌。不能从细胞中逸出复合物的（显紫色）为G+细菌革兰氏反应不直接与细胞壁的化学性质有关，因为酵母也是革兰氏阳性反应的生物，它具有很厚的细胞壁，但其化学成分却完全不同。因此，赋予革兰氏阳性反应的不是由于细胞壁的化学组分而是由于壁的物理结构。,革兰氏阳性 革兰氏阴性,不同细菌的革兰氏染色特点,革兰氏染色法原理,基本步骤：（1）结晶紫初染（2）碘液媒染（3）95%乙醇脱色（4）沙黄复染 G+菌：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，酒精将细胞脱色，细胞无色，沙黄复染后呈红色。,阴性 阳性,1.1.5.细菌细胞壁的功能,（1）保护作用。决定细胞的抗膨压性。由于壁具有一定坚韧性和弹性，可承受细胞内高浓度溶质而产生很高的渗透压，使细胞在渗透压较低的生活环境下不致于膨大破裂。（2）细胞的形态学特征。主要取决于肽聚糖分子的结构。除壁后的原生质体丧失原有形状而一律呈球状；用机械方法把细胞破裂，使内容物逸出并除去壁上各种附着物后的细胞壁精致品，却保留完整的细菌细胞形状。,（3）物质交换与分子筛。羧基和磷酸基等阴性基团使细胞表面呈负电性，细胞能将Mg2+等阳离子吸附在细胞表面，从而提高细胞的稳定性，并有利于提高某些酶的活性。胞壁高度带电聚合物的组成提供了离子交换机制，帮助一些离子和营养物质的吸收，大分子结构可起分子筛作用。（4）细菌的抗原性和致病性。对溶菌酶、青霉素等的敏感性以及对噬菌体在细胞表面的受位，还决定细菌革兰氏染色的性质。,1.1.6特殊细胞壁结构（古生菌）,假肽聚糖细胞壁 甲烷杆菌属：假肽聚糖组成，其糖骨架是由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸，以-1.3糖苷键交替连接而成，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,1.1.6.2 独特多糖细胞壁 甲烷八叠球菌的细胞壁含有独特的多糖,并可染成G+。这种多糖含半乳糖胺、葡糖醛酸、葡萄糖和乙酸，不含磷酸和硫酸。1.1.6.3 硫酸化多糖细胞壁 属极端嗜盐古生菌盐球菌属的细胞壁是由硫酸化多糖组成的，其中含葡萄糖、甘露糖、半乳糖和他们的氨基糖以及糖醛酸和乙酸。,1.1.6.4 糖蛋白细胞壁 极端嗜盐的另一属古生菌盐杆菌属的细胞壁是由糖蛋白组成的，其中包括葡萄糖、葡糖胺、甘露糖、核糖和阿拉伯糖，而它的蛋白部分则由大量酸性尤其是天冬氨酸组成。这种带强负电荷的细胞壁可以平衡环境中高浓度的Na+，从而使其能很好地生活在2025%高盐溶液中。蛋白质细胞壁 少数产甲烷菌的细胞壁是由蛋白质组成的。但有的是由几种不同蛋白组成，如甲烷球菌和甲烷微菌，而另一些则由同种蛋白的许多亚基组成，如甲烷螺菌属。,（二）细胞膜(cell membrane),细胞膜液态镶嵌模型,1.2.1 细胞膜意义位于细胞壁内层包裹细胞质的膜称细胞膜或质膜，是各类细胞都具有的结构，是细胞内部与环境分隔的边界。真核细胞还有各种细胞器的膜，它们与质膜在形态结构和属性上具有一定的共性，总称生物膜。生物膜在细胞代谢中承担着物质的转运，能量转换以及信息传递等重要生物功能。,.细菌细胞膜的化学组分,细菌的脂类约80%是磷脂，即甘油分子C3位置以磷酸酯键与磷酸基相连，后者的一个羟基连接一个极性基团，细菌中常见的是磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酰甘油（PG）和磷脂酸（PA）。双磷脂酰甘油存在于线粒体、叶绿体及许多细菌中。还有少量的糖脂。细菌的膜蛋白质约占细胞总蛋白质的10-20%，这些蛋白质都是球蛋白，在膜上以高度非对称方式分布。,间体：是部分细胞膜内陷、折叠、卷曲形成的囊状物，多见于革兰阳性菌。其功能类似于真核细胞的线粒体。,1.2.3 间体(mesosome),间体,1.2.4 细菌质膜间体系统的功能,细菌没有复杂的内膜系统，其唯一的内膜结构是由细胞膜内陷而形成的片状、囊状或分支小管状膜结构，称为间体或中体（mesosome）间体与细胞壁合成，以及细胞分裂时横隔壁的形成有关，它能积累细胞壁的前体物，其自溶酶活性比质膜高。间体还与DNA合成、子核向子细胞移动有关。有人认为它与转化DNA进入 受体有关。此外称为侧性 间体的与细胞外酶的分泌有 关。,苛求芽孢杆菌的间体,海洋消化囊菌,具有横跨整个细胞的平行膜,运动外硫红螺菌,具有一个大范围的胞质内膜系统,表 细菌质膜系统的功能,G+细菌质膜间体功能 G-细菌细胞膜的功能(1)主动运输(1)活化和诱导转运系统(2)电子传递和氧化磷酸化(2)电子传递磷酸化(3)分泌胞外蛋白质毒素和酶(3)运转蛋白质进入周质区或到表面部位(4)细胞壁生物合成-“类脂中间产物”(4)细胞壁肽聚糖生物合成和外膜合成中的转移“类脂中间产物”的转移(5)蛋白质合成与膜相结合的核糖体(5)蛋白质合成和核糖体与膜 的结合(6)磷脂的生物合成(6)磷脂的生物合成(7)DNA固着,复制,无丝分裂(7)DNA固着,复制,无丝分裂,细胞质：细菌细胞膜内包裹的、除核体以外的所有物质，是一种无色、透明、均质的胶体，基本成分为水、蛋白质、脂类、多糖、核糖核酸及无机盐类等，是细菌进行营养物质代谢及合成核酸和蛋白质的场所。含有各种酶系统、核糖体、质粒、包含物等。,（三）细胞质(cytoplasm),核糖体（ribosome),是分散在细胞质中的颗粒状结构，由核糖体核酸（占2/3）和蛋白质（占1/3）组成。,沉降系数：70s，由50s大亚基和 30s 小亚基构成。功能：是细胞合成蛋白质的机构。,质粒(plasmids),细菌染色体外的共价闭合环状双链DNA分子。控制细菌某些特定的遗传特性。,核体,质粒,1.3.3内含物（inclusion),贮存营养物质和其他物质的颗粒样结构，有脂肪滴、糖原、异染颗粒等。,脂肪滴,气泡,异染颗粒,（四）核体(nuclear body),细菌不具有成形的核，无核膜、核仁，遗传物质称为核质或拟核。功能是负载遗传信息。核质由单一密闭环状DNA分子反复回旋卷曲盘绕组成松散网状结构。,核体,1.4.1 化学组成 细菌细胞超薄切片电镜照片显示出一个不易染色的细丝物质区域，这些细丝物质就是DNA，DNA没有核膜包裹而游离于细胞质中，附着于质膜的一个点上，所以原核生物的核质又称类核或拟核（nucleoid），习惯上也叫“染色体”。,1.4 细菌细胞的遗传物质,DNA分子必定要高度折叠和卷曲才能容纳在细胞中特定的区域。电镜观察小心制备的大肠杆菌染色体，可见它是一团具有许多环状结构超卷曲的DNA大分子，中央有一电子稠密的支架（scaffold），其周围附着有上百个超螺旋的环，环的长度约为20nm,当用极微量的DNA酶处理此DNA大分子时，可使一个超螺旋环中的一条DNA链上打开一个刻口，而招致环由超螺旋构型转变为开环的构型,细菌染色体示意图高度折叠的超卷曲构型一个环上的一条DNA链被DNA酶切开一个刻口变为开环3.另一开环,1.4.2 染色体结构,(1)功能上相关的几个结构基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点即启动子和操纵子，在基因转录时协同动作。（2）蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在。（3）RNA基因通常是多拷贝的。大多数E.coli菌株都含有16SrRNA、23SrRNA和5SrRNA基因各7个拷贝，以便装配大量的核糖体，使细菌能在20分钟内使细胞内的蛋白质含量加倍。,1.4.3 细菌的结构即经济又有效,二、细菌附属结构及其功能,荚膜S层鞭毛菌毛芽孢,（一）荚膜(capsule),荚膜：某些细菌在其细胞壁外包绕一层黏液性物质，用理化方法去除后并不影响细胞的生命活动。,肺炎链球菌荚膜,荚膜,(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。,2.1.1 荚 膜,菌胶团(zoogloea):包裹在细胞群体上的胶状物质。,大多数细菌的荚膜是多糖，如猪链球菌；少数菌的荚膜为多肽，如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶氏菌等；极少数二者均有，如巨大芽孢杆菌。,2.1.2 荚膜的化学组成,抗吞噬作用：荚膜具有抵抗宿主吞噬细胞的作用，因而荚膜是病原菌的重要毒力因子。抗有害物质的损伤作用：荚膜处于细胞的最外层，有保护菌体避免和减少受有害物质的损伤作用。营养物质的贮存场所与废物排出之地,2.1.3 荚膜的功能,（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）。,荚膜形成的条件,（二）细菌表面S-层结构及其功能,2.2.1 S-层定义S-层（S-layers）又称细胞表面层（Surface layers），是由蛋白质或糖蛋白构成的单分子晶格状聚合物，存在于许多古生菌和细菌的最外层，完全覆盖了细胞的表面，是生物进化过程中最简单的一种生物膜。2.2.2 S-层的发现1953年，Houwink利用电子显微镜观察到了在水螺菌（Aquaspirillum）细胞壁外有一均一规则排列的大分子形成的外表面单层结构，这是有关S-layer研究的首篇报道。至于S-layers名称，是1987年8月在奥地利首都维也纳举行的EMBO有关晶格细胞表面层研讨会上正式采纳的，代表surface layers。目前研究发现在300多种细菌和古生菌含有S-层。,2.2.3 S-层的形态结构,细菌细胞表面S-层的冰冻蚀刻电镜照片,S-层与其它细胞表层结构的关系,(a)嗜酸热硫化叶菌(古生菌)(b)杀鲑气单胞菌(G-)(c)苏云金芽孢杆菌(G+)PM:质膜;PG:肽聚糖层;OM:外膜;CW:细胞壁;S:S-层,S-层的超微结构,S-层是由蛋白质亚单位组成的单分子晶状结构，厚度为520nm，在古生菌中可达70nm，比细胞膜略厚（78nm），比G+细菌的细胞壁略薄（2080nm）。在电镜下，S-层蛋白亚单位的排列极为整齐而又有规则，认为是一种结晶或类结晶，其排列为多边形。每两个晶格中心之间的距离为5-32nm。,P2,P4,P6,不同S-层类型的电镜照片,2.2.6 S-层的化学组成,大多数S-层是由单一的同源性蛋白质或糖蛋白组成，其分子量为40200kDa，这种分子量的差异是由于蛋白降解所致。乳酸杆菌的S-层蛋白分子量较小，立克次氏体的S-层蛋白分子量较大。炭疽芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌的S-层蛋白非常相似，由814862个氨基酸残基组成。20%的氨基酸构成螺旋，40%为折叠，非周期性的折叠在545%之间。S-层蛋白的等电点一般为46，但个别的如乳杆菌属和帜热甲烷嗜热菌为810。,细菌细胞表面S-层与其它外鞘 结构关系的示意图,古生菌,G-,G+,2.2.7 S-层的合成与组装,中等大小的细菌，完整的S-层大约含有5105个单体，合成S-层的速度快，约每秒合成500个S-层蛋白多肽，并且运送到细胞表面组装成S-层。S-层的基因为单拷贝，含有极强的启动子，如嗜酸乳酸杆菌S-层基因，是乳酸脱氢酶基因启动子的两倍。S-层蛋白亚单位在合成时含有一个典型的信号肽序列。利于其穿过细胞周浆和外膜而达到相应的位置。S-层是一个自我组装系统，用于组装的全部信息和能量都包含在蛋白单体中。,2.2.8 S-层蛋白基因和功能结构,1986年克隆到了S-层蛋白基因短芽孢杆菌(B.brevis)47。该基因存在于E.coli中时对宿主细胞的生长有负面作用，即宿主细胞易于裂解。2000年前，共克隆到43个S-层蛋白基因，来自于19个属31个种。2001年，新增44个S-层蛋白基因，扩大了6个属11个种。在G+细菌中，在许多S-层蛋白的N-末端存在一个保守结构域（motifs），称为SLH（S-layer-homologous）。SLH由三个区段组成，各含5060个氨基酸。现已证实，正是这个SLH起着锚定在细胞表面的作用，通过非共价键锚定在细胞壁的肽聚糖上。,2.2.9 S-层的生物功能,1、保护性屏障作用。S-层可防止毒性噬菌体和蛭弧菌的攻击，这对水生细菌尤为重要。2.作为分子筛和离子通道。3.作为胞外酶的吸附位点。如芽孢杆菌中，胞外淀粉酶可在S-层上紧密排列，而不干扰营养物质或代谢产物穿过S-层的网络。4.决定或维持细胞的形状。5.在病原菌中的致病意义。有证据表明，S-层是细菌的毒力因子，就杀鲑气单胞菌而言，S-层缺陷突变株的毒力比野生株低105倍；S-层能增加该菌对巨噬细胞中蛋白酶的抵抗力，有助于它逃脱机体的杀灭作用而使感染扩散。,0 S-层的应用前景,1.在生物技术和仿生学方面。S-层可开发成超滤膜分子筛，以及功能生物分子固定化的良好介质。2.在开发疫苗方面前景广阔。可与特异性抗原或半抗原结合可作为佐剂系统加以使用。3.在纳米材料方面。可作为形成有序排列的纳米金属或半导体材料的模板，这些具有特殊性质的材料可广泛用于纳米电子学和非线性光学的研究。,2.3 细菌鞭毛的结构与其运动功能,2.3.1 细菌的鞭毛(flagella),极生单毛假单胞菌,端生丛毛螺菌,周生鞭毛普通变形菌,2.3.2 鞭毛超微结构,（1）鞭毛丝：为中空、坚硬的圆柱体，由分子量为36104的单一蛋白构成，称为鞭 毛蛋白，其顶端是封盖蛋白；（2）钩形鞘：连结鞭毛丝和基体的一段短小、弯曲的部分，相当于一个弹性联轴节，比鞭毛丝略宽，由不同的蛋白亚基组成；（3）基体：包埋于细胞中，固定在细胞质膜与细胞壁上，是鞭毛中最复杂的部分。,G-,G+,三部分：,G-菌鞭毛的超微结构 左：箭头所指是弯曲的钩形鞘和基体的位置。右：鞭毛基体,鞭毛不是直的而是螺旋形，平展时，在两个相邻弯曲间表现出恒定的长度，叫做波长，这种波长对各种生物体来说是恒定的。鞭毛的形状和波长一部分由鞭毛蛋白质的结构决定，在某种程度上还由鞭毛旋转方向决定。这里讨论的基本鞭毛结构在原核生物机制中是基本不变的，在细菌和古细菌的各种种类中鞭毛基本结构与运动是非常相似的。鞭毛的结构在相关各群细菌中是高度保守的，这进一步说明鞭毛运动性有很深进化根源。,2.3.3 鞭毛的合成,鞭毛的合成是一个复杂的过程，涉及至少40多个基因，除鞭毛蛋白基因外，还有10个或更多基因用于编码钩形鞘蛋白和基体蛋白。fla、fli和flg基因是运动所必需的，这些基因具有几种功能，包括编码鞭毛器官的结构蛋白，将鞭毛组分从膜运到细胞外部，还有在新的鞭毛合成中调控其周围的一些生化变化。细胞中，从细胞分裂周期中发出的代谢因子信号紧密地调节着鞭毛合成。细菌的鞭毛可被去除，因此可对鞭毛丝的再生进行研究。认为鞭毛蛋白是一种呈球状或卵圆状蛋白，在细胞质内合成，通过鞭毛丝的中央髓孔进行运输的。当它们到达顶端时，鞭毛蛋白亚基在特定丝状体帽的指引下自发聚合，所以鞭毛丝是在其顶端而非基部生长的。由鞭毛蛋白分子来合成鞭毛的过程称为自我组装：鞭毛丝组装所必需的所有信息都存在于蛋白亚单位本身的结构中，虽然在鞭毛丝延长期，生长速率很慢，但鞭毛的生长或多或少是不间断的，如果尖端部分折断，它是可再生。,鞭毛丝的生长。鞭毛蛋白亚基通过鞭毛髓孔运输并加到正在生长的端部,2.3.4 鞭毛运动的机理,原核鞭毛的工作原理不同于真核鞭毛，其鞭毛丝的形状像一个刚性的螺旋，当螺旋转动时，细菌运动。大量的证据表明，鞭毛的作用与小船的螺旋桨相似，而具有直鞭毛或异常的长钩形鞘区域的细菌突变株不能游动。,鞭毛旋转的方向决定了细菌运动的性质。在进行正常的向前运动时，极生单鞭毛逆时针（CCW）转动，而细胞本身进行缓慢的顺时针（CW）旋转。随着拖曳在后面的鞭毛的运动，旋转的螺旋状鞭毛丝推动着细胞前进。同时，单鞭毛细菌还可通过改变鞭毛旋转方向而随机停止并翻滚。周生鞭毛细菌，其鞭毛CCW旋转时向前运动，这时鞭毛的钩形鞘区域弯曲，形成一个旋转簇，推动它们前进，而鞭毛CW旋转则使该簇解开，细胞发生翻滚。,鞭毛运动的机理。显示鞭毛某些较重要的组分和驱动旋转的质子流,马达的转子部分看起来主要由杆，以及在基体的胞质侧与其相连的M环和C环组成。M环和C环由多种蛋白构成，其中FliG对鞭毛旋转的形成尤其重要。而马达定子部分的两个最重要蛋白则是MotA和MotB，它们形成一个穿越质膜的质子通道。MotB还将Mot复合体锚定在细胞壁肽聚糖上。有证据表明，在鞭毛转动时MotA和FliG直接相互作用。在原核生物中，鞭毛的转动是由质子或钠离子,梯度驱使的，鞭毛的每一次旋转大约需要转移1000个质子。而真核鞭毛则是直接由ATP驱动。,鞭毛并不是以一个恒定的速度旋转，而是随质子动力的强度来提高或降低旋转的速度。鞭毛旋转可使细菌以高达60细胞长度/秒的速度在液体介质中运动，虽然这只相当于0.00017km/h的速度，但是每秒钟移动其自身长度的倍数与其它高等生物比较的话，它是相当快的。,细菌鞭毛 真菌鞭毛1 单股（由平行蛋白纤维形成）没有 1 由鞭毛轴丝和鞘构成，鞭毛轴丝周围 鞘，表现为中空螺旋状 有九股，中心有两股（9+2）2 长4-5um，直径为120A 2 长200um，直径为2000A3 有抗原特性 3 无抗原特性4 几乎全部由蛋白构成 4 大约70%蛋白，20%脂肪，10%多糖5 鞭毛蛋白中很少含芳香族氨基酸，不含 5 含有构成蛋白质的各种氨基酸 胱氨酸，含酸性氨基酸如谷氨酸6 游离鞭毛，没有ATP酶活性 6 游离鞭毛,细菌鞭毛与真菌鞭毛的比较,鞭毛是运动器官。鞭毛有抗原性。与致病性有关。,2.3.5 鞭毛的生物学功能,许多革兰阴性菌和少数革兰阳性菌菌体表面存在着一种比鞭毛更细、更短而直硬的丝状物，与细菌的运动无关。菌毛蛋白具有抗原性。菌毛在光镜下看不到，必须用电镜观察。分为普通菌毛和性菌毛两类。,（四）菌毛（filus/fimbriae),仅见于少数革兰阴性菌。数量少，1-4根。比普通菌毛长而粗，中空呈管状。性菌毛由致育因子（F）编码，故又称F菌毛。F+菌内的质粒或DNA可通过性菌毛 进入F-菌体内,性菌毛是某些噬菌体吸附于 菌细胞的受体。,2.4.1 性菌毛(sex pilus),遍布菌细胞表面，每菌可达数百根。是细菌的粘附结构，能与宿主细胞表面的特异性受体结合。与细菌的致病性密切相关。,2.4.2 普通菌毛(ordinary pilus),菌毛比鞭毛更短、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。只能在电子显微镜下观察到。,2.4.3 菌毛与鞭毛的比较,某些细菌在一定的环境条件下，能在菌体内部形成一个圆形或卵圆形小体，是细菌的休眠形式。芽胞形成后细菌即失去繁殖能力。产生芽胞的都是革兰阳性菌。,（五）芽胞(spore),芽胞的结构,由外向内,外衣 外膜 皮质 芽孢壁 内膜 芯髓,2.5.2 芽胞形状、位置,细菌形成芽胞的能力是由菌体内的芽胞基因决定的。芽胞一般只在动物体外才能形成，其形成条件因菌种而异。一个细菌只形成一个芽胞，一个芽胞发芽也只生成一个菌体，细菌数量并未增加，因而芽胞不是细菌的繁殖方式。与芽胞相比，未形成芽胞而具有繁殖能力的菌体可称为繁殖体。,2.5.3 芽胞的形成,(1)对高温、干燥、辐射、化学药物有强大的抵抗力。(2)含水量低、壁厚而致密，通透性差,不易着色，折光性强。(3)芽胞内新陈代谢几乎停止，处于休眠状态，但保持潜在萌发力。(4)不是繁殖器官，一个芽孢萌发只产生一个营养状态的细胞。,2.5.4 芽孢的特点,芽胞的抵抗力强，可在自然界中存在多年，是重要的传染源。但芽胞并不直接引起疾病，只有发芽成为繁殖体后，才能迅速大量繁殖而致病。芽胞抵抗力强，故应以杀灭芽胞作为可靠的灭菌指标。,2.5.5 研究芽胞的意义,生物被膜可在各种惰性和活性组织表面形成，黄色表示的生物膜是在环境、生物技术和人体健康方面微生物生命活动的一部分,3.1.1 生物被膜现象,三、生物被膜(biofilms),Jones 等采用扫描和放射电子显微镜检查废水处理厂滴滤器上的生物膜:由多种有机体组成，染色后发现生物膜中包裹细胞的基质是多糖。1973年，Characklis等从工业用水中发现细菌粘液附着力强，且对消毒剂抗性强 1978年，Costerton等研究牙菌斑，提出生物膜的理论，解释了微生物为何附着于有生命或无生命的物体表面及受益于这种小生境的机制 1987 年,Costerton 认为，生物膜包括单个细胞和微生物菌落，镶嵌在一种高度水合化，主要携带负电荷的多聚物基质中,3.1.2 生物被膜的发现与定义,1995 年,Costerton等强调，生物膜为能粘附于表面、界面及相互之间，包括细菌菌落和絮状物以及在多孔基质孔隙中隐藏的细菌。2002年，Donlan等对生物膜的最新认识是：生物膜是一种不可逆的粘附于非生物或生物表面的微生物细胞菌落,包裹于细胞外多聚物基质（EPS，extracellular polymeric substances）中(主要是多聚糖)，在基质中可见一些非细胞物质,例如矿物质晶体，腐蚀颗粒，泥土或沉渣颗粒，血液成分。,3.1.3 生物被膜的形成,3.1.3.1 细胞粘附 这种粘附作用主要是通过细菌表面的特定粘附素蛋白(adhesin)识别宿主表面的受体(receptor)完成的，具有选择性和特异性。粘附表面的蛋白、糖蛋白和糖脂常可作为受体、选择性地结合特定种类的蛋白。在生物膜形成的粘附阶段，或者在微生物菌落形成以后，一些特殊基因的转录是活跃，而这些基因是细胞外多聚糖合成所必需的。细菌本身的粘附能主动合成细胞外基质，固定细菌嵌于基质中，表明细菌之间有接触感应，这种感应能促进特殊基因的表达。3.1.3.2 微菌落的生成 细菌粘附到表面后即调整基因表达，在生长繁殖的同时分泌大量的细胞外多聚糖（EPS)粘附单个细胞而形成微菌落。,3.1.3.3 细胞外多聚物基质包裹，生物被膜成熟 表面固生细菌包裹于由其自身分泌的多聚糖基质中，形成高度有组织的结构，并非是均匀的,而是不均质性。观察生物膜的亚显微结构显示生物被膜不是由同代微生物菌落形成的单层细胞结构，而是在时间和空间上世代交替的菌落共殖的。细胞置身于由基质包绕的“塔状”或“磨菇状”居室中，在微生物菌落之间有开放的水通道，生物膜系统的诸多物质通过这种水通道的液体循环输送，可以运送养料、酶、代谢产物和排泄物等。,多种生物被膜形成示意图(a)单一类型细菌的初始定居；(b)细胞生长、分离和细胞外多糖的产生导致形成微菌落；(c)单一细胞、共聚集的细胞以及相同细胞群共粘附在初期的多种生物被膜上；(d)形成成熟的多种生物被膜,3.1.4生物被膜与细菌信息传递和基因转移的关系1、生物被膜为细菌的信息传递和基因传递提供了良好的环境。2、细菌之间的信息传递与基因转移对生物被膜的形成十分重要 证据：绿脓杆菌信号分子具有细菌密度依赖性，因此该分子在生物被膜形成起始阶段不起作用，而是在粘附发生后，启动了一个细胞分化过程，导致生物被膜的成熟。而不能合成信息分子的变异株，可发生粘附，但不能形成细胞间的空间通道，生物被膜不能最终成熟。3、细菌粘附以后，生物被膜中的细菌会出现一个快速增长期，呈对数形式增长，但单纯粘附不引起细菌数目的快速增长，对数增长后期细菌转化能力最强。,3.1.5 生物被膜在医学上的重要性1、接受人工心脏的病人，可因严重感染引起死亡。2、囊性纤维化病人体内有大量的铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），该菌可产生大量的藻酸盐聚合物，抑制抗生素的扩散。3、生物被膜在牙齿上形成牙菌斑，导致牙齿腐蚀4、眼睛与镜片接触，可导致眼睛严重过敏、发炎和感染。5、空调和其他水滞留系统内潜在的病原菌如军团菌，生物被膜可保护使其免受氯处理的影响。,3.1.6 细菌生物被膜对抗菌药物的耐药机制,1、生物被膜阻碍或延缓抗菌药物的通透。已知组成生物被膜基质的细胞外多聚糖物质能抑制抗菌药物的渗透。使抗菌药物不能透过生物被膜发挥作用。2、生物膜菌落生长速度的改变。在生物被膜菌落中至少有部分细菌处于相对营养缺乏状态，因而生长缓慢，对大多抗菌药物不敏感。3、细菌生物膜形成时间的长短。生物被膜形成时间越长对抗菌药物的耐药性越强。4、生物膜表型引起生理功能改变。生物被膜对抗菌药物的敏感性降低在一定程度上是由于一些细菌表达了一种独特和保护性的生物被膜表型。营养缺乏、有毒的代谢产物等可诱导细菌缓慢生长的条件下有利于生物被膜的形成。生物被膜相关菌落细胞能引起基因的抑制或诱导，继而发生一系列生理功能的改变。,1、找出一些化合物来干扰生物被膜中细菌的信号传递系统,使细菌较容易地受到人体免疫系统或抗菌药物的攻击。2、通过基因技术而不是化学技术找到控制生物被膜形成的化合物。3、使用弱电流通过生物被膜分泌的黏液状液体,在细菌生物被膜上打下许多微孔以利于抗菌药物通过,杀灭细菌。4、开发新型材料使生物被膜不能粘附于物体或人体表面。,3.1.7 消除生物被膜的策略,谢谢！Thank You！,