二细菌2

制造生物传感器
趋磁细菌中的磁粒线
（五）核区（nucleoid)与质粒(plasmid)
1. 核区（nucleoid)，也称原核、拟核（nucleoid）、核 质体（nuclear body）或细菌染色体
原核生物负载遗传信息的主要物质基础 控制细菌生长发育、新陈代谢和遗传变异的中心
原核的主要成分：
2.载色体(chlorosome)--光合细菌进行光合作用的场所
又称色素体，是由光合细菌的细胞质膜内陷并折叠 而形成的层状、囊状或管状结构
Chlorosomes in Chlorobium tepidum Chlorosomes in green sulfur bacteria
3.类囊体(thylakoids)--- 蓝细菌光合作用的场所
互不相容性
耐碱性
按功能可将质粒分为: 抗药性质粒 (R因子) 致育质粒 (F因子) 大肠杆菌素质粒 (Col因子) 降解质粒
质粒是基因工程操作中必不可少的工具!
Construction of a Plasmid Vector
http://highered.mcgraw-hill.com/classware/ala.do?isbn=0072992913&alaid=ala_925244&showSelfStudyTree=
② 蛋白质
a、周边蛋白（peripheral protein）
膜内、外表面，多为水溶性蛋白，占膜蛋白的20～30%。
b、整合蛋白（integral protein）
镶嵌于磷脂双分子层中，非水溶性蛋白，占膜蛋白的70～80%。
作用：结构组分；转运养料的透性酶或具催化活性的酶
③ 糖和其它成分
膜中的糖：主要为糖蛋白和糖脂。影响细胞的抗原性 和免疫性。
细菌细胞的特殊构造
荚膜
大荚膜 微荚膜 粘液层（slime layer） 菌胶团（zoogloea）
胞 外 胞内
整个菌体
鞭毛（flagella）—运动器官 菌毛（fimbriae）—附着 性毛（pili）—接合
芽孢（endospora）—— 休眠体
细胞质浓缩
胞囊
(六) 芽孢(Endospore)
通常指某些细菌在生长后期于细胞内形成的一种 圆形、椭圆形或圆柱形的、厚壁、折光性高、含水量 极低而抗逆性极强的内生休眠体。
sulfur granules in Thioploca
④聚-羟基丁酸 （-hydroxybutyric acid，PHB）
生物塑料
热可塑性
可被彻底降解
良好的生物相容性 对紫外辐射具有一定抗性 气体分子不易通过
可再生
⑤磁小体(Magnetosomes)
趋磁细菌中的贮存颗粒，含有磁铁矿晶体颗粒，呈 链状排列在细胞内。
一个大型的环状dsDNA分子；长度为 0.25～3.00 mm，60% 蛋白质 10% RNA 30%
E. coli 的原核 碱基对：4.6×106 长：1,100～1,400μm
The bacterial chromosome and supercoiling
2. 质粒(plasmid)
质粒是染色体之外的遗传物质，具有独立复 制能力的小型共价闭合环状DNA分子。
孢外壁（外孢子衣）:主要含 脂蛋白, 透性差 孢子衣(芽孢衣):主要含疏水性 角蛋白,非常致密，抗酶解和 药物,多价阳离子难通过。 皮层：主要含芽孢肽聚糖和 DPA-Ca，体积大，渗透压高 核心：芽孢壁，芽孢质膜， 芽孢质和芽孢核区 芽孢囊：产芽孢细菌的营养 细胞外壳
芽孢皮层（cortex）的特点
质粒的特点:
能独立复制 可转移性 可消除性 可与核染色体整合和脱离http://highered.mcgrawhill.com/classware/ala.do?isbn=0072992913&alaid=ala_925247&showSelfStudyTr ee=true
可重组 带有非必要的遗传物质
内含物的共同特点
☆ 内含物用来储存各种细胞物质； ☆ 降低细胞内渗透压或酸度； ☆ 养料缺少时可被分解利用； ☆ 种类和数量随细菌的种类而异，也随细 胞的环境条件而变。
① 糖原（glycogen）＆ 淀粉粒（starch）
细胞内主要的碳源和能源的储存物质
糖原颗粒直径：20～100nm
区分：糖原较小，被碘液染成红褐色； 淀粉粒较大，被碘液染成兰色；
（二）细胞质膜（plasma membrane）
紧贴在细胞壁内侧并包围原生质的一层柔软 而富有弹性的膜。
细 胞 膜 的 模 式 结 构
厚度：约7～8nm 成分：磷脂（占20～30%）蛋白质（占50～70%）
① 磷脂双分子层结构
甘油 -CH2-CHOHCH2OH
细胞膜均含两性的磷脂酰甘油，多数G－菌含有磷脂酰乙醇 胺，在分枝杆菌中则含磷脂酰肌醇等。 磷脂酰甘油中的脂肪酸有饱和与不饱和之分。膜的流动性 主要取决于这两种脂肪酸相对含量的高低。
(三) 间体及其它内膜系统
内膜结构：许多原核生物类群演化出的由细 胞膜内陷、折叠而形成的层状、管状或囊状 的特殊结构。
内 膜 结 构
间体 类囊体 载色体 羧酶体 气泡
1. 间体(mesosome)
细胞膜内褶形成的囊状结 构,其中充满着层状或管状 的泡囊，在G+菌中常见。 位于表层或深层，一个 细胞1到几个。 可能与某些酶的分泌有 关，或与 DNA的复制， 分配和细胞分裂有关。
5.芽孢的形成过程
轴丝形成：DNA复制成两套，在 细胞中央逐渐浓缩成轴状结构， 并通过间体与细胞膜相连。
隔膜形成：细胞膜内陷，产生隔 膜，将细胞分成大小二个部分。 大量合成芽孢 2,6-吡啶二 羧酸钙, 原生质失水浓缩； 在皮层外形成孢子衣
前孢子形成：较大部分的细胞膜 延伸包围较小部分直至完全包围， 形成前孢子，具有双层膜。
（四）细胞质及其内含物
（1）细胞质（cytoplasm）
细胞质通常是指被细胞膜包围的除核区以外 的一切透明、胶状、颗粒状物质的总称。 特点：含水量约为80%、不流动、 易被碱性染料着色 主要成分：蛋白质、核酸、脂类、糖、无机盐、 颗粒状内含物
（2）核糖体（ribosome）
化学组成：RNA（65%）＋蛋白质（35%） 游离分散存在 快速繁殖期，其数目：1～7×104 个/菌 缓慢生长时，其数目：2,000 个/菌
孢外壁出现，双层 膜间形成原始皮层
Bacterial Endospore Formation
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芽孢的生长周期
芽 孢 的 形 成
芽 孢 的 萌 发
6.伴孢晶体（Parasporal crystal）
某些芽孢细菌，如苏云金芽孢杆菌在形成芽孢的同时 还可以在细胞内形成一个菱形、方形或不规则形的蛋 白质结构——δ内毒素，称为伴胞晶体。
1.芽孢在细胞中的位置和形态 观察
Terminal 顶端
Subterminal 偏端
Central 中央
2、特点：抗逆性极强
（1）具有惊人的抗热能力
肉毒梭菌芽孢需100℃、5.0～9.5 h或121℃、10min才被杀死 热解糖梭菌 营养细胞在50℃、几min条件下即被杀死
芽孢则需132℃、4.4min才能杀死其中的90%
（2）耐紫外线、电离辐射、干燥及化学药剂等
芽孢的抗紫外线能力通常是营养细胞的一倍
（3）芽孢有非常强的休眠能力
一般的芽孢 几年---几十年 普通高温放线菌的芽孢在湖底冻土中, 7500年
一种芽孢杆菌的芽孢在琥珀蜜蜂肠道中, 2500万年---4000万年
3、芽孢的结构及化学成分
孢子衣 皮层
孢外壁 核心壁
膜中的微量元素：参与膜蛋白和磷脂的结合作用，并 与酶在膜上的催化活性有关。
2. 细 胞 质 膜 的 功 能
细胞质膜的功能
渗透屏障，维持细胞内正常的渗透压 控制细胞内外营养物质和代谢废物的运输和 交换 参与细胞壁各种组分以及荚膜等大分子的生 物合成 光合磷酸化和氧化磷酸化的产能基地 酶和电子传递链组成成分的所在部位 参与DNA复制与子细胞的分裂 提供鞭毛着生位点及其运动所需能量
②异染粒（metachromatic granule）
无机偏磷酸盐的聚合物
Metachromatic granules in Spirillum volutans (迂回螺菌)
③硫滴（sulfur droplet）和硫粒(sulfur granules)
Sulfur globules in Chromatium
主要成分：Fe3O4、 Fe3S4 、FeS2 外膜含磷脂、蛋白质、糖蛋白
大小：均匀，20～100nm 数量：2～20粒 形状：平截八面体、平行六面体、六棱柱体
×140,000
功能：导向作用
使磁性细菌感知地球磁场； 使磁细菌游向最有利的生活环境；
应用前景：
病原菌、病毒、毒素的体外检测 生产磁性定向药物或抗体
沉降系数：70S
〔Mg2＋〕＜1.0 mmol/L，30S ＋ 50S 〔Mg2＋〕 ＞2.0 mmol/L，两个亚基重新聚合 〔Mg2＋〕 ＞20 mmol/L，形成二聚体
（3）内含物（inclusion body）
内含物：细胞质内颗粒状储藏物质。
① 糖原（glycogen）和淀粉粒（starch） ② 聚β-羟基丁酸（β-hydroxybutyric acid，PHB）及 其衍生物 ③ 异染粒（metachromatic granule） ④ 硫滴（sulfer droplet） ⑤ 磁小体(Magnetosomes)
☆ 含水量低，约为10%～25%，pH低 特别有利于抗热、化学药物（H2O2）、酶 ☆ 芽孢壁中不含磷壁酸 ☆ 芽孢质中含有DPA-Ca ☆ 芽孢核心的成分与细胞相似 ☆ 含有大量的酸溶性芽孢蛋白 （结合于核心的DNA上，防止UV, 高温干燥的损伤）
4、芽孢的抗逆性机制
a、芽孢皮层的离子强度高，具有极高的渗透压，造成 芽孢核心高度失水状态，具有极强的耐热性； b 、通过芽孢内大量存在的 DPA-Ca 的螯合作用，使芽 孢内的生物大分子形成耐热的稳定性凝胶； c、芽孢核心中含有小分子的酸溶性DNA结合蛋白，可 以保护芽孢DNA免受高热、辐射和化学药物的危害。 d、富含半胱氨酸使芽孢具有较强的抗辐射能力，多层 次厚而致密的芽孢壁和原生质的高度失水使得芽孢具 有很强的抗化学药物能力。
• 占很大体积： • 含芽孢肽聚糖，特点：呈纤维束状、交联 度小、负电荷强、可被溶菌酶水解 • 含吡啶二羧酸钙（DPA-Ca）：7%～10% ， 高度耐热 • 渗透压：高达2.03×106Pa（20个大气压） • 含水量约为70%，营养细胞约80%，芽孢 平均含水量为40%
吡啶二羧酸钙
Байду номын сангаас
芽孢核心的特点
不同形态的趋磁细菌和磁小体在细菌中的排列 (a) 螺菌体内有一条呈链状排列的磁小体，磁小体八面体形；(b) 有两条呈 链状排列的磁小体的球菌，磁小体菱形；(c) 含有成簇排列磁小体的球菌, Magnetosomes in Magnetospirllum (d) 含有一条链状磁小体的弧菌，磁小体菱形或八面体形；(e) 有两条磁小 体链的弧菌；(f) 含有多条磁小体链的杆菌，磁小体子弹状；（g-h）磁细 magnetotactium 菌的磁小体链。图a - f 中标尺为1 µ m ，图g-h 中标尺代表100 nm 。
5.气泡(gas vesicles）
A. Gas vesicles purified from Microcyclus aquaticus (水生短周期菌). B. Gas vesicles are arranged in bundles in Microcystis. C. The vesicle group in Anabaaaena flos-aquae (鱼腥藻) together as phase bright objects that scatter light.
蓝细菌细胞质膜内陷经多次重复折叠而形成的 片层状结构。
4. 羧酶体 (carboxysome)或多角体(polyhedral body) 是存在于能同化CO2自养细菌中的一种多面体结构,含 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶,自养菌固定CO2的场所
Carboxysomes in Thiobacillus thioparus (那不勒斯硫杆菌)