第2章 原核微生物

【学时1】第二章原核微生物原核微生物即广义的细菌，指一大类细胞核无核膜包裹,只存在核区(nuclear 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。

其中除少数属古生菌外,多数原核生物都属真细菌。

真细菌包括细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体和立克次氏体等。

§2-1细菌的大小与形态细菌是一类细胞细短（直径0.5μm，长0.5~5μm），结构简单，具有坚韧细胞壁和原始核质，无核膜、核仁，除核糖体外无其他的细胞器，多以二分裂繁殖,水生性较强的原核生物。

细菌是单细胞的原核微生物。

细菌的个体微小，我们用肉眼无法看到它的个体，观察细菌最常用的仪器是光学显微镜。

因为小，所以细菌大小的计量一般以微米（μm）为单位。

被称为生物界超级明星的大肠杆菌（E.coli）平均长2μm，宽0.5μm。

形象地说，1500个细菌长径相连仅有芝麻的长度3mm，单个细胞的湿重为10—12g，约109个E.coli细胞仅1mg重。

1985年在红海澳大利亚海域发现大型细菌费氏刺尾鱼菌长200~500μm，体积是E.coli的106倍。

1997年德国科学家在非洲西部大陆架土壤中发现迄今最大的细菌——纳米比亚嗜硫珠菌，其直径0.32~1.00mm，肉眼可见，以海底H2S为生。

此后芬兰学者又在1998年报道一种最小的细菌——纳米细菌，是一种可引起尿结石的细菌，直径是E.coli 的1/10（50nm）。

在显微镜下我们看到不同的细菌长相也各有不同，科学家通常根据外形把它们分为3个类群：圆球状的称为球菌，瘦瘦长长像杆子一样的称为杆菌，细胞略呈弯曲或螺旋状的称为螺旋菌。

（长/直径＜1.3为球菌；长/直径＞1.3为杆菌。

）1.球菌（coccus）１球状的细菌为球菌。

根据其分裂方向和随后相互间的连接方式分为六类：孤身只影的，称为单球菌，例如尿素小球菌；成双成对的，称为双球菌，例如肺炎双球菌；4个菌体成“田”字形联合在一起的，称为四联球菌，例如四联小球菌；8个菌体像“叠罗汉”一样地叠在一起的，称为八叠球菌，例如藤黄八叠球菌；菌体像一条条珍珠项链一样连在一起的，称为链球菌，例如乳酸链球菌；菌体不规则地聚集在一起，看起来像一串串葡萄的，叫作葡萄球菌，例如金黄色葡萄球菌。

2.杆菌（bacillus）杆菌中也有长杆菌（细胞长宽之比较大，例如结核杆菌）、短杆菌（细胞长宽之比较小，例如谷氨酸生产菌之一的黄色短杆菌）、棒杆菌（细胞一端大，另一端小，例如另一种谷氨酸生产菌谷氨酸棒杆菌）等之分。

有的杆状菌体能连在一起，这样的杆菌称为链杆菌（例如炭疽杆菌，美国遭“9.11”恐怖袭击后，又有恐怖分子采用信件传播炭疽热，这种传染病就是由炭疽杆菌引起的）。

还有的杆菌菌体上能长出侧枝，这样的杆菌称为分枝杆菌。

杆菌是细菌中种类最多的，工业生产中用到的细菌大多是杆菌。

当然其中也有许多像结核杆菌、炭疽杆菌、破伤风杆菌之类的致病菌。

总之，杆菌有链杆菌、梭杆菌、棒杆菌、球杆菌、分枝杆菌、双歧杆菌等。

3.螺旋菌（spiral bacterium）螺旋菌菌体是弯曲的，有些弯曲不到一圈，有点像弓或逗号的形状，长2-3μm，称为弧菌，如霍乱弧菌，又称逗号弧菌；而其他弯曲超过一圈的呈螺旋状的，菌体长3-6μm称螺旋菌，鼠咬热螺菌、幽门螺杆菌。

除了上述这3个类群之外，还有一类丝状细菌，其杆状菌体连成长链，外面由一个共同的黏质衣鞘包围，形成丝状或毛发状的菌丝。

这样的细菌称为鞘衣细菌，常见于下水道或其他有机质丰富的水里。

２３【学时2】§2-2 细菌细胞的结构与功能如果我们把细菌切开来观察，可以看到细菌的细胞结构。

细菌细胞的结构主要可分为基本结构和特殊结构。

细胞壁、细胞膜、细胞质、核质这些是各种细菌都有的结构，称它们为细菌的基本结构。

而荚膜、鞭毛、菌毛、芽胞这些结构不是每种细菌都有的，仅仅为某些细菌特有，所以称为细菌的特殊结构。

见图示：一、细菌的基本结构细菌基本结构从外到内有细胞壁、细胞膜、细胞质、核质等，我们主要讲前面这四个基本结构。

1.细胞壁一般的细菌都有细胞壁，细胞壁包裹在细胞的最外层。

细胞壁的主要作用是：①保护细菌；②维持菌体的形态；③参与物质交换；与细菌的致病性有关。

细菌细胞壁的化学成分很复杂，而且不同的细菌细胞壁的化学组成不同。

因为细胞壁成分不同，细菌革兰染色以后，有两情况，一种被染成红色，一种染成紫色，由此可以将细菌分为两类：革兰氏阳性菌和革兰氏阴性细菌。

其细胞壁化学组成，既有相同又有不同之处。

相同之处是：不管是G +还是 G ＿，它们的细胞壁中都含有肽聚糖，也可以说肽聚糖是细菌细胞壁的特有成分；另一方面，这两种菌的细胞壁组成成分也有不同之处。

（1）革兰氏阳性菌G+（如金黄色葡萄球菌）细胞壁比较厚（大约20-80nm），除了含有15-20层的肽聚糖外（肽聚糖是G+主要成分），大多数还含有大量的磷壁酸（又称垣酸yuan，G+菌特有成分）。

交联度达75%，大约占细胞干重的50~80%。

肽聚糖是真细菌细胞壁的特有成分，是一种网状结构的大分子化合物。

肽聚糖由肽和聚滩两部分组成，其中的肽包括有四肽尾和肽桥两种。

而聚糖则是有N-乙酰葡萄糖胺（G）和N-乙酰胞壁酸（M）两种单糖相互间隔连接成的长链。

这种肽聚糖网格分子交织成一个致密的网套覆盖在整个细胞上。

每个肽聚糖单体由三部分组成：①双糖单位：有一个G通过β—1，4葡萄糖苷键与另一个M相连；②四肽尾（四肽侧链）：是由4个氨基酸分子按L型与D型交替连接而成。

在金黄色葡萄球菌中连在M上的是L-Ala→D-Glu→L-Lys→D-Ala；③肽桥：为氨基酸五肽，起着连接前后两个四肽尾分子的桥梁作用。

肽桥变化多样，形成了肽聚糖多样性。

磷壁酸：是结合在G+细菌细胞壁上的一种酸性多糖，主要成分是甘油磷酸或核糖醇磷酸。

主要分两类：一类是与肽聚糖分子进行共价结合的壁磷壁酸，另一类是跨越肽聚糖层与细胞膜交联的膜磷壁酸或脂磷壁酸。

其生理功能是①浓缩Mg2+提高细胞膜上合成酶的活力②贮藏元素③调节细胞内自溶素活力，借以防止细胞因自溶而死亡④作为噬菌体特异性吸附受体⑤赋予G+细菌特异表面抗原⑥增强某些致病菌对宿主细胞的粘连，避免被白细胞吞噬。

（2）革兰氏阴性菌G—（如大肠杆菌）细胞壁比较薄（大约10-15 nm），但是它的结构较复杂。

含有2-3层的肽聚糖（内壁层），交联度25%，以及8~10 nm特殊组成成分的外膜，外膜大约占细胞壁干重的80%左右。

外膜由内到外是脂蛋白、脂质双层（磷脂层）和脂多糖（LPS）三部分组成。

其中最外层的脂多糖由脂质A、核心多糖和特异多糖三部分组成，与细菌的致病性有关的是脂质A，脂质A是细菌内毒素的主要成分，它耐热，所以一般难以去除。

（3）革兰氏染色及其原理由于细菌个体微小且无色透明，为便于观察，需要给细菌染上颜色。

1884年，丹麦科４学家革兰姆（Christian Gram）创造了一种复合染色法——革兰染色。

（注：染色是染原生质，固定时膜已被破坏，失去过滤性，染料大分子通过细胞壁进入原生质）革兰染色的步骤是：涂片→风干→固定（火焰）→初染1min（草酸胺结晶紫）→媒染（卢戈碘液，1min）→脱色（95%乙醇一滴接一滴30~60s）→复染（2%番红2~3min）→镜检。

结果是，G+被染成紫色，G＿而染成红色，为什么会出现这种结果呢？1983年T.Beveridge等人用铂代替媒染剂碘的作用，再用电镜观察到结晶紫与铂复合物可被细胞壁阻留，从而证明了G+和G—细菌主要由于其细胞壁化学成分的差异而引起物理特性（脱色能力）的不同，从而决定了最终染色反应的不同。

革兰染色染色机理1：G+细菌的细胞壁较厚，肽聚糖网层次多及交联致密，故遇脱色机乙醇（或丙酮）处理时，因失水而使网孔缩小，再加上不含类脂，结晶紫与碘形成的复合物不致因乙醇的处理溶出缝隙，被牢牢留在细胞壁内使其保持紫色；相反，G—细菌因细胞壁薄、外膜层类脂含量高、肽聚糖薄及交联度差，遇脱色剂乙醇后，以类脂为住的外膜迅速溶解，这时薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘复合物的溶出，因此细胞褪成无色，再经红色染料复染，就使G—细菌呈现红色，而G+细菌则仍保留最初的紫色（实为紫加红色）。

革兰染色染色机理2：G—细菌因为细胞壁中脂类物质比较多，肽聚糖含量少，在染色过程中，脂溶剂乙醇，溶解了脂类物质，使革兰氏阴性菌细胞壁的通透性增加，于是结晶紫-碘的复合物被乙醇带出来，这样革兰氏阴性菌被脱色，最后被复红染成了红色；而革兰氏阳性菌，细胞壁中肽聚糖含量多，结晶紫-碘复合物很难被带出来，所以最后还是结晶紫的紫色。

革兰染色的关键：要控制好脱色时间和染色时间，否则实验会出现假阳性或假阴性，本来应该是红的最后成紫，本来应该是紫的倒染成红色。

【学时3】缺壁细菌：自发突变或人为方法引起，分为四类：①L型细菌：实验室或宿主体内通过自发而形成的遗传性稳定的细胞壁缺损菌株，对渗透压敏感，在S培养基上形成油煎蛋似小菌落。

５②原生质体：人为条件下，用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉素抑制新生细胞壁合成，所得到的仅有一层细胞膜包裹的圆球状渗透敏感细胞。

G+细菌最易形成原生质体。

③球状体（又称原生质球）：还残留了部分细胞壁（尤其是G—细菌的细胞壁外膜层）的原生质体。

④支原体：是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，因为细胞膜中特有甾醇，故即使缺乏细胞壁，细胞仍有较高的机械强度。

2.细胞膜（1）概念及组成细胞膜（或称细胞质膜），是一层紧贴在细胞壁内侧、紧包在细胞质外的、柔软富有弹性的一层具有半透性的生物膜。

细胞膜由脂类、蛋白质和糖类组成。

厚度大约是7~8nm，由20~30%的磷脂和50~70%的蛋白质，其余为糖类组成。

它的结构基本上是脂质双层。

许多细菌的细胞质膜会向内陷进，形成一个或数个较大而不规则的层状、管状或囊状物，称为中体或间体。

在细胞分裂时，细胞中部的细胞膜会向内凹陷形成横隔壁。

图(2)细胞膜的作用及功能：①选择性地控制细胞内外营养物质和代谢产物的运送②维持细胞内外正常渗透压的结构屏障③是合成细胞壁和糖被有关成分（肽聚糖、磷壁酸、LPS和荚膜多糖等）重要场所④膜上含有与氧化磷酸化能量代谢有关的酶系，为产能基地⑤鞭毛基体着生位点，并可提供鞭毛旋转运动所需能量。

3.细胞质细胞质是被细胞膜包裹除核区以外的一切半透明、胶体状及颗粒状物质的总称。

含水量占80%，不流动。

细胞质不是单纯的液体，还含有一些特定功能的细胞组分，称为细胞内含物，指细胞质内一些形状较大的颗粒状构造，主要有：６（1）贮藏物①聚—B—羟基丁酸（PHB）：是一种存在于许多细菌细胞质内属于类脂性质的碳源类物质，贮藏碳源和能源。

具有无毒可降解的特点。