大肠杆菌

从不同代期的光谱分析中可以看出：在代期为 0时（亲代DNA）为由15N构成的重密度带。 复制一代以后为14N15N组成的中间密度带。 没有得到15N构成的重密度带，这表明在复制 过程中亲代DNA不能作为完整的单位保留下来； 亦未得到14N轻密度带，表明子代DNA分子不 能重新合成。复制两代以后出现两条带，一条 为轻密度带14N，另一条为14N15N的中间密 度带。随后，随着代期的延长，中间密度带被 稀释，从而说明大肠杆菌DNA的复制为半保留 复制。后来证明这是生物界DNA复制的普遍方 式。

肽聚糖层也分为两层，直至中央会合，形 成由细胞质膜和肽聚糖组成的隔膜。隔膜 完全形成后，两个子细胞分开，完成了一 次细胞分裂。
大肠杆菌DNA的复制方式

遗传信息通过实代DNA分子的复制，从亲代 传递给子代，从而保证了遗传的稳定性。 因此DNA的复制对生物的遗传具有重要的意 义。
双链DNA半保留复制

分裂过程 接种到新鲜培养基中的大肠杆菌细 胞，从周围环境中选择性地吸收营养物质。在 细胞内合成所需的RNA、DNA、蛋白质及酶等 大分子物质，细胞体积不断增大，随后开始分 裂过程。首先是拟核开始分裂，同时细胞中央 的细胞膜也开始对称地向中心凹陷生长，使拟 核均等地分配到凹陷两侧。随着细胞膜的向内 凹陷，母细胞的肽聚糖层也跟着由四周向中心 生长，把细胞膜分为两层，每层分别成为子细 胞的细胞膜。
大肠杆菌


大肠杆菌的认识 大肠杆菌的形态结构 生理生化（产能机制） 大肠杆菌的分裂繁殖
大肠杆菌的认识

大肠埃希氏菌(E. coli)通常称为大肠杆菌， 是Escherich在1885年发现的，在相当长的 一段时间内，一直被当作正常肠道菌群的 组成部分，认为是非致病菌。直到20世纪 中叶，才认识到一些特殊血清型的大肠杆 菌对人和动物有病原性，尤其对婴儿和幼 畜（禽），常引起严重腹泻和败血症，它 是一种普通的原核生物，是人类和大多数 温血动物肠道中的正常茵群
质粒

在大肠杆菌中，除遗传物质的主要载体染 色体之外，还有一种闭合环状的双链DNA遗 传因子，即质粒。质粒具有自我复制的特 性，不同质粒的基因及质粒和染色体基因 均可发生基因重组，质粒可通过细菌的接 合而转移，也可随细胞的分裂而传递或丢 失。由于质粒具有这些特性，所以在分子 生物学和遗传工程中质粒经常作为外源基 因的载体。大肠杆菌中已发现的质粒有F因 子、R因子和Col因子等。
无氧呼吸

在无氧条件下，底物脱下的氢经部分呼吸 链传递，最后交给氧化态的无机物（个别 为有机氧化物）的呼吸类型。大肠杆菌含 有硝酸盐还原酶，在无氧条件下以硝酸盐 作为最终电子受体而将硝酸盐还原为亚硝 酸盐。
发酵

发酵是厌氧或兼性厌氧微生物获取能量的一种 方式。在此过程中，有机质氧化释放的电子不 经电子传递链而是直接交给另一内源性有机物。 基质在发酵过程中氧化不彻底，发酵的结果仍 积累某些有机物。大肠杆菌在无氧条件下进行 混合酸发酵，通过发酵将葡萄糖转变成琥珀酸、 乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种产 物。大肠杆菌将丙酮酸分解成乙酰辅酶A与甲 酸。甲酸在酸性条件下（pH6.2以下）经甲酸 脱氢酶进一步分解为CO2和H2，因此大肠杆菌 发酵葡萄糖既产酸又产气。

在快速生长时，染色体一次复制尚未结束， 在尚不分开的染色体上又开始了新的复制， 导致染色体复制的时间大为缩短，细胞分 裂的代时（细菌繁殖一代所需时间）大为 缩短。由此可知：抑制DNA的复制，即可抑 制细胞的分裂。如用丝裂霉素C处理对数生 长期的大肠杆菌，由于抑制了DNA的合成， 虽然细菌能继续生长，但却不能分裂。
大肠杆菌染色体DNA的复制

大肠杆菌染色体DNA的复制是从染色体的一 个特定位置，即复制起始区（oriC）开始的 双向复制，在环状染色体的相对位置上的 终止区（terC）终止。整个复制过程可划分 为3个阶段：复制的发动，复制叉的延伸和 复制的终止。首先是切口酶在复制起点将 一股超螺旋的DNA切开，在解旋酶的作用下 DNA双螺旋解旋形成一个复制泡，此时切口 被封闭，复制泡的两边各形成一个复制叉。 一个顺时针移动，另一个逆时针移动，在 复制叉处开始DNA的复制。

在复制时DNA双链分开，作为合成子链的模板。 复制后双链DNA分子中的一条链为亲代的DNA， 而另一条链则为新合成的DNA。这种方式的复 制称为半保留复制。半保留复制首先是在大肠 杆菌中得到证明的。1958年梅塞尔森和斯塔 尔首先将大肠杆菌在重同位素15N的培养基上 培养十几个小时，以保证全部DNA都被15N所 标记，然后再将大肠杆菌转入14N培养液，间 隔一定时间取样，提取菌体DNA并经氯化铯密 度梯度离心，进行紫外线吸收光谱分析。
细胞质

细胞质是细菌的内环境，是蛋白质、各种 酶类和核酸生物合成的场所，也是吸收营 养物质后进行物质合成和分解代谢的场所。 大肠杆菌的细胞质中含有糖原颗粒、核糖 体和质粒等结构。
核糖体

核糖体是细胞质中一种核糖核蛋白颗粒， 是蛋白质合成的场所。大肠杆菌的核糖体 呈椭圆球形，体积为 13.5nm×20nm×40um。由65％的核糖核 酸和35％的蛋白质组成。大肠杆菌的核糖 体分散在细胞质中，完整核糖体的沉降系 数为70S，由30S和50S两个大小不同的亚 基组成。

大肠杆菌的细胞表面还含有一种比鞭毛更 细、较短且直硬的丝状体叫菌毛，可分为 普通菌毛和性菌毛。普通菌毛主要用于吸 附于动植物、真菌以及各种细胞的表面， 有的是噬菌体吸附的位点。性菌毛是在F因 子的控制下形成的，它是细菌接合的“工具”。 通过性菌毛的接合，可在细菌之间传递质 粒或染色体基因等。
大肠杆菌生理生化

大肠杆菌为兼性厌氧菌，其营养类型为化 能异养。呼吸类型为：在有氧条件下进行 有氧呼吸产能，在无氧条件下进行无氧呼 吸和发酵产能
有氧呼吸

有氧呼吸 有氧呼吸是指以分子氧作为最终电子受体的生 物氧化过程。大肠杆菌可以利用葡萄糖等作为碳源和能 源。葡萄糖经EMP途径分解为丙酮酸，丙酮酸再经TCA 循环彻底氧化为CO2和H2O，并从中获得大量能量。在 此过程中，底物氧化释放的电子通过电子传递链最后交 给氧。电子传递链又称呼吸链，其功能之一是传递电子， 功能之二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP，即 电子传递磷酸化作用。大肠杆菌呼吸链的组分与线粒体 呼吸链的组分有所不同，但详细组分还不是十分清楚。 大肠杆菌的呼吸链上有两个部位释放质子（线粒体呼吸 链上有3个部位释放质子）。因此大肠杆菌呼吸链的P： O比为2，即一对电子经呼吸链的电子传递可得到两个分 子的ATP。
细胞膜

大肠杆菌细胞膜的结构和其它生物细胞膜 的结构相似。但其细胞膜中蛋白质的含量 高且种类多。其细胞膜具选择透性，从而 可控制营养物质进出细胞。大肠杆菌细胞 的生物活性非常活跃，含有丰富的酶系。 如各种脱氢酶系，氧化磷酸化酶系，电子 传递系统，透性酶等。因此细胞膜是原核 生物能量转化的场所，并能通过它对外界 环境的各种刺激作出反应，并可传递信息， 参与细胞壁的合成等
染色体环状复制

大肠杆菌的染色体为双链环形DNA，总长度为 4.6×106bp，DNA总长度可达1 100～1 400μm。凯恩斯通过精辟的实验证明了大肠杆 菌DNA是以环状方式复制的。首先将大肠杆菌 生长在含[3H]胸腺嘧啶的培养基中，这样在放 射性培养基上生长时所合成的全部DNA都是具 放射性的。培养接近两代时，分离出菌体的完 整DNA，可以从其放射自显影图上看到分枝的 环状图式。后来在有些病毒中也发现了环状复 制。因为复制环的图式象希腊字母θ，故称这 种复制为θ复制。
拟核

大肠杆菌的细胞核无核膜和核仁，没有固定的 形态，结构简单，称为拟核，也称细菌染色体。 拟核具有高度紧密的结构，由RNA、蛋白质和 超螺旋环状DNA组成。大肠杆菌的全部基因都 包含在这条DNA上。环状DNA的总长度可达 1300μm，大约含有3000～4000个基因，目 前已经确定了1400多个基因的结构、功能及 在基因图上的位置。通过研究大肠杆菌基因的 结构、功能及表达调控可揭示其它生物的遗传 现象和规律。
一些特殊结构

荚膜 荚膜是某些细菌向细胞壁外分泌的并 位于细胞壁外侧的一层厚度不定的胶状物 质。大肠杆菌的荚菌的荚膜主要由多糖组 成，具有抗原性，构成了大肠杆菌的表面 抗原，即K抗原。
鞭毛 鞭毛是某些细菌长在细胞表面的 长丝状、波曲状的附属物。其数目为一 至数根，长为菌体的苦干倍，最长可达 70μm，直径一般为10～20nm。鞭毛由 鞭毛蛋白组成，构成了细菌的鞭毛抗原。 大肠杆菌为周身鞭毛，和其运动有关。 若将大肠杆菌穿刺接种于半固体培养基， 它将沿穿刺线向周围扩散生长。


大肠杆菌为革兰氏阴性、两端钝圆的短杆 菌。其大小为：0.5～0.8μm×1.0～3.0μm。 周身鞭毛，能运动，具致育因子的菌株还 具性菌毛。 公司发酵所用的菌种为高效表达重组人粒 细胞的大肠杆菌工程菌株，是由带人粒细 胞刺激因子基因的重组质粒转化的大肠杆 菌菌株。
细胞壁

位于大肠杆菌的最外层，厚约11um，分为两 层，即外膜和肽聚糖层。外膜是大肠杆菌细胞 壁的主要成分，占细胞壁于重的80％，厚约 8nm，位于肽聚糖层的外侧，主要由磷脂、蛋 白质和脂多糖组成。脂多糖是革兰氏阴性细菌 的内毒素，也是革兰氏阴性细菌细胞壁的特有 成分，主要和其抗原性、致病性及对噬菌体的 敏感性有关。肽聚糖层由1～2层网状的肽聚糖 组成，占细胞壁干重的10％，厚约2～3nm， 是细菌等原核生物所特有的成分。
大肠杆菌的分裂繁殖

1.1 染色体复制与分裂的关系 大肠杆菌以分裂 的方式进行繁殖。它的分裂是从染色体的复制 开始的。为了使遗传物质能均等地传给两个子 代，染色体的复制必须与细胞的分裂保持一致。 染色体复制不完成，细胞就不能分裂；复制一 旦完成，即开始分裂。大肠杆菌DNA复制从起 始到完成需40min。在染色体复制完成约 20min后，细菌进行分裂。在生长缓慢时，每 一个大肠杆菌内只有一条染色体，染色体复制 完成后细胞进行分裂，然后才开始下一次复制。

后随链合成的DNA中大部分是以小段形式存 在的称为冈崎片段。每个冈崎片段都由一 个RNA引物引发。当复制叉延伸到复制终点 时，由DNA聚合酶I除去RNA引物并由DNA添 补缺口，最后由DNA连接酶封闭切口，从而 形成两个与原来完全一样的双链DNA环状分 子。

由于大肠杆菌染色体是环形的，所以两个 复制叉汇合在起点对面距起点180°的终点。 这样一个包括复制起点和终点的独立的复 制单位叫复制子。大肠杆菌只有一个起点 和一个终点，整个染色体为一个复制子。 大肠杆菌染色体的复制速度很快，每分钟 复制105核苷酸，完整染色体在40min内完 成复制，从而为细胞的分裂做好了准备， 保证了遗传物质的稳定性和连续性。

在RNA聚合酶的作用下先形成一段与模板互 补的引物RNA，然后在DNA聚合酶的作用下 根据碱基配对原则将脱氧核糖核苷酸添加 到引物RNA的3＇端，使DNA由5＇→3＇复 制，从而使新链不断延长。由于在一个复 制叉上亲代DNA的两条链皆是新DNA合成的 模板，两条链又是反向平行的，而DNA的合 成只能从5＇向3＇方向进行，所以在一个 复制叉上随着复制叉的向前延伸，一条链 的复制是连续的称为前导链，另一条链的

大肠杆菌（Escherichia coli）在自然界分布很 广，是人和动物肠道中的正常菌群。正常情况 下一般不致病，但它是条件致病菌。大肠杆菌 是单细胞原核生物，具有原核生物的主要特征： 细胞核为拟核，无核膜，细胞质中缺乏象高等 动植物细胞中的线粒体、叶绿体等具膜结构的 细胞器，核糖体为70S，以ห้องสมุดไป่ตู้分分裂繁殖。大 肠杆菌为革兰氏阴性、两端钝圆的短杆菌。其 大小为：0.5～0.8μm×1.0～3.0μm。周身鞭 毛，能运动，具致育因子的菌株还具性菌毛。