原核生物

微生物学之原核生物笔记，包括原核生物的分类、生活条件，细菌的结构，介绍了蓝细菌、放线菌（G+菌）、古生菌等的生活繁殖方式等内容。

第二章 原核生物

• 第一节细菌
  • 一、细菌的基本形态及观察
    • (一)菌的基本形态
      • (球菌:猪链球菌，金黄色葡萄球菌
      • 单球菌：单球菌(monococcus)
        • 1
        • 单平面分裂，子细胞分散而单独存在
      • 双球菌：单平面分裂，子细胞成双排列
        • 肺炎双球菌
      • 四联球菌：两个互相垂直的平面分裂，子细胞呈田字形排列
        • 四联加夫基菌
        • 1
      • 八叠球菌：三个互相垂直平面分裂，子细胞呈立方体排列
        • 藤黄八叠球菌
        • 1
      • 葡萄球菌：无定向，子细胞呈葡萄状排列
        • 金黄色葡萄球菌
        • 1
      • 链球菌：单平面分裂，子细胞呈链状排列
        • 1
        • 猪链球菌
      • 杆菌:大肠杆菌，枯草芽孢杆菌，
        • 1
      • 螺旋菌:
        • S小于1——弧菌
        • 1=<S<6——螺菌
        • 7<S——螺旋体
        • 幽门螺杆菌:人体胃部分离出的微生物
        • 霍乱弧菌：病原菌：霍乱弧菌 烈性肠道传染病，我国甲类传染病
    • (二) 细菌细胞的大小
      • 常用测量单位:微米
      • 最大细菌：纳米比亚硫磺珍珠菌
      • 工具：测微尺
      • 1.不同细菌细胞大小不同 2.同一细菌的不同菌龄细胞大小不后细胞大小与营养等因素相关 3.大小的测量结果是近似值或平均作
    • (三）观察细菌的方法
      • 观察工具:普通光学显微镜,电子显微镜
      • 显微镜观察细菌的方法：
        • 细菌染色法
          • 死菌
            • 正染色
              • 简单染色法
              • 鉴别染色法
                • 革兰氏染色法
                  • 时间:1884年
                  • 细胞的复合式染色法
                  • ·创始人:Christian Gram·
                  • ·意义:细菌鉴定
                  • 过程：初染（结晶紫染液）——媒染（碘液）——脱色（酒精）——复染（沙黄或者）
                  • 原理
                    • 1.革兰氏阳性细菌肽聚糖的含量与交联后程度都比较高，肽聚糖层多、所以细胞壁较厚、壁上的间隙较小媒染后形成的结晶紫-碘复合物就不易被乙期洗脱出细胞壁2.加上它基本上不含脂质，乙醇洗脱时细胞壁非但没有出现缝隙，反而欣聚糖层的网孔因脱水而变得通透性更小，结果结晶紫-碘复合物就留在细胞内而蓝紫。
                    • 1.革兰氏阴性细菌的肽聚糖含量与交联程度较低层次仅1～2层，故其壁较薄，壁上的孔隙较大 2.加上细胞壁的脂质含量高，乙醇洗脱后，细胞壁因脂质被溶解而孔隙更大，所以结晶紫-碘复合物极易被乙醇脱色成无色，经过番红复染，结果就呈现红色。
                • 抗酸性染色法
                • 芽孢染色法
                • 姬姆萨染色法
            • 负染色:荚膜染色法等
          • 活菌:用美蓝作活菌染色
  • 二、细菌细胞的结构
    • (一)细胞壁
      • 1通过质壁分离和适当的染色，在光学显微镜下观察;。
      • 2制备原生质体，观察细胞形态的变化;
      • 3电镜——观察细菌的超薄切片
      • 细胞壁的作用
        • (1）固定外形和提高机械强度;
        • (2）阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质进入细胞一定的屏障作用
        • (3）细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需;
        • (4）赋予细菌特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体敏感性;
      • 革兰氏阴性和阳性菌为什么不一样??
        • G+和G细胞壁结构成分比较
      • 细菌细胞壁的特有成分
        • 肽聚糖(peptidoglycan)
          • 聚糖——:双糖单位:N-乙酰葡萄胺(G)和N-乙酰胞壁酸(M)
          • 四肽尾
            • G+: L—赖氨酸
            • G-:M一二氨基庚二酸
          • 肽桥
            • G+：多样性
            • G-:多样性
            • 肽聚糖的多样性表现为肽桥的多样性
            • 青霉素抑制位点：肽桥
            • 大肠杆菌：没有特殊的肽桥，只形成较为疏稀、 机械强度较差的肽聚糖网套
            • 溶菌酶作用原理
              • NAM——β-1,4糖苷键——NAG 破坏糖苷键
      • G+特有结构
        • G+细胞壁上特有的化学成分:磷壁酸
          • 分类
            • 壁磷壁酸teichoic
            • 膜磷壁酸lipoteic
          • 生理功能
            • 协助肽聚糖加固细胞壁;
            • 使细胞壁形成负电荷，增强对二价阳离子的吸收;
            • 贮藏磷元素;
            • 能调节细胞壁的增长自溶素(autolysin)的活力。
            • 是革兰氏阳性细菌特异表面抗原的物质基础;
            • 是噬菌体的特异性吸附受体;
        • 主要成分:甘油磷酸或核糖醇磷酸
      • G-特有结构
        • 外膜
          • 组成
            • 脂多糖层
              • 脂质A
              • 核心多糖
              • o一特异侧链(LPS)
            • 磷脂双分子层
              • 孔蛋白：3个蛋白构成，有开关口
              • 脂蛋白：：连接肽聚糖层与外膜层孔蛋白
            • 脂蛋白
          • 外膜层的主要功能
            • ★O-特异性侧链结构的多变，决定了G-细、胞表面抗原决定簇的多样性;
            • LPS负电荷较强，与磷壁酸相似，有吸附Mg2+、Ca2+等阳离子提高其在细胞表面浓度的作用，对细胞膜结构起稳定作用;
            • ★脂质A是G-致病物质—内毒素的物质基础,
            • ★控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能;
            • ★噬菌体在细胞表面的吸附受体;
      • LPS
        • 内层
          • 脂质A:内毒素的主要成分
          • 核心多糖
            • 内核心区
              • 3个2-酮3-脱氧新糖酸KDO
              • [3个L-甘油D甘露庚糖hep
            • 外核心区5个己糖Hex:包括葡糖胺、半乳糖、葡萄糖
        • 外层
          • O-特性侧链:多个4Hex单位，含葡萄糖、半乳糖等
            • O特异性抗原的结构基础
      • 周质空间periplasmic space
        • 位置:肽聚糖与细胞膜之间的狭窄区域。
        • 意义:进出细胞物质的重要中转站和反应场所。
        • 在周质空间中，存在着多种周质蛋白:
      • 细胞壁缺损型
        • 缺壁细菌：
          • 自然界长期进化中形成的:支原体
          • 实验室中形成的
            • 自发缺壁突变:L型细菌
            • 人工方法去壁
              • 部分除尽:球状体(G-)
              • 彻底除尽:原生质体(G+
      • 支原体（Mycoplasma)
        • 在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。因它的细胞膜中含有一般原核生物所没有的固醇，所以即使缺乏细胞壁，其细胞膜仍有较高的机械强度。
      • L型细菌原体（Mycoplasma)
        • 细菌在某些环境条件下通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型
      • 原生质体与球形体
        • 原生质体（(protoplast）
          • 人为条件下，用溶菌酶处理或在含青霉素的培养基抑制细胞壁合成形成由细胞膜包裹的脆弱细胞。
        • 球形体（sphaeroplast)
          • 原生质球，用上述同样方法对G-处理后而获得的残留部分细胞壁（外壁层）的球形体。
    • (二)细胞壁以内的结构
      • 1细胞膜：磷脂双分子层。蛋白质，糖类
        • 结构与功能关系:液态镶嵌模型
          • 1
        • 细胞膜的化学组成
          • 磷脂双分子层
          • 磷脂分子层中加入固醇类物质可以提高膜的稳定性
          • 原核生物与真核生物细胞膜成分的最大区别就是其中一般不含固醇，支原体含有固醇。
        • 细胞膜的生理功能:
          • ①物质运输
          • ②维持细胞内正常渗透压的屏障;
          • ③合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS、荚膜多糖等）的重要基地;
          • ④细胞的产能场所:膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系
          • ⑤鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位;
      • 2内膜系统
        • 细胞膜内陷延伸或折叠形成的结构
      • 3细胞质和内含物
        • 细胞质:细胞质膜包围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称
        • 主要成分:核糖体、贮藏物、多种酶类和中间代谢物、质粒、气泡或伴孢晶体等。
        • 贮藏物:由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒，主要功能是贮存营养物。
        • 气泡（gas vocuoles）
          • 水生细菌充满气体的泡囊状内含物内由数排柱形小空泡组成
          • 每个细胞内含有几个到数百个功能:调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、O,和营养物质。
        • 磁小体(megnetosome)
          • 1975年由RP BlakemoreD在趋磁细菌中发现成分是Fe,O。外被一层磷脂、糖蛋白膜，大小20—100nm,每个细胞2-20颗
          • 形状:平截八面体、平行六面体或六棱柱体等
          • 生活在无氧或有氧无氧的过渡区
          • 功能:导向作用
          • 鞭毛运动是趋磁行为的动力,磁场决定运动方向
      • 4，核区·又称原核、拟核、核基因组(genome)是一个大型环状DNA分子
        • ·长度0.25-3.00mm
        • ·一般为单倍体
        • 染色体DNA
          • ·细菌负载遗传信息的主要物质基础
          • ·在细胞内以高度折叠、紧密缠绕状态存在( E.coli 细胞长2um，染色体DNA1.1～1.4mm)
          • 。与类组蛋白结合——约束和稳定DNA
        • 质粒plasmid——染色体以外的遗传成分
          • ·共价闭合环状的超螺旋小型双链DNA
          • 能通过性毛在细胞之间传递·质粒上携带着决定细菌某些遗传特性的基因
          • ·能自主复制，在基因工程中起着重要的作用
      • 5芽孢(spore)
        • 概念和特点
          • 产芽孢细菌在生长发育后期，其菌体内形成的一个圆形、厚壁、折光性强、具抗逆性的休眠体
          • .一个营养细胞内仅生成
          • 一个芽孢，无繁殖功能·大多数为G+菌
          • ·代谢活性低
          • ·对干燥、热、化学物质、
          • 辐射等具有高度抗性
        • 产芽孢细菌的种类
          • 好氧性的芽孢杆菌属
          • 厌氧性的梭菌属
        • 芽孢的构造
          • 1
        • 芽孢的萌发
          • 活化:人为条件下用短时期热处理,可逆
          • 出芽:芽孢衣中蛋白质三维空间发生可逆性变化，使芽孢透性增加，蛋白质溶解随后皮层膨胀、溶解、消失，外界水分进入核心使核心膨胀各种酶类活化，并合成细胞壁
          • 生长:芽孢核心合成DNA、RNA和蛋白质，出芽并萌发成新的细胞
        • 芽孢形成及萌发芽孢的耐热机制研究意义
          • 芽孢的耐热机制——石头调节皮层膨胀学说
            • 1芽孢衣对多价阳离子和水分的透性很差皮层的离子强度很高
            • 2皮层产生极高的渗透压去夺取芽孢核心的水分
            • 3皮层的充分膨胀核心部分的细胞质却变的高度失水
            • 4因此具有较强的耐热性
          • 研究芽孢的意义
            • 细菌分类、鉴定中的重要形态学指标
            • 许多产芽孢菌是强烈致病菌
            • ◆制定灭菌参数
            • 有些芽孢会产生有益的代谢产物
          • 破伤风及破伤风梭菌：
            • 破伤风(tetanus)是破伤风梭菌经由皮肤或黏膜伤口侵入人体，厌氧生长，产生外毒素而引起肌痉挛的一种特异性感染。破伤风毒素主要侵袭神经系统中的运动神经元
            • 破伤风是破伤风杆菌侵入人体伤口、并在伤口内繁殖和产生外毒素所引起的一种急性特异性感染，以患者全身或局部肌肉持续性痉挛和阵发性抽搐为主
        • 伴孢晶体
          • 伴随着芽孢的产生一般多具有毒性
          • 应用:细菌杀虫剂
          • 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—毒素
    • (三)细胞壁以外的结构
      • 糖被
        • (包裹在单个细胞上：
          • (在壁上有固定层
            • 层次厚:大荚膜
            • 层次薄:微荚膜
            • 荚膜与菌落的关系
              • 产荚膜菌：光滑型(S型) 菌落:光泽、湿润粘液状
              • 无荚膜菌：粗糙型(R型) 菌落:干燥、粗糙
          • 松散，未固定在壁上:粘液层
        • 包裹在细胞群上:菌胶团:动胶菌属
        • 组成:
          • 因种而异，除水外，主要是多糖（同型多糖和异型多糖），此外还有多肽、蛋白质、糖蛋白等。功能:
        • 功能：
          • 保护作用、致病功能、储藏养料
        • 变形链球菌:引起龋齿的细菌产酸菌，可使碳水化合物分解产酸，导致牙齿无机质脱矿
        • 糖被应用：
          • 鉴定菌种
          • 提取葡聚糖—“代血浆”
          • 胞外多糖:黄原胶用于石油开采菌胶团用于处理污水
      • 鞭毛：
        • 定义:生长在某些细菌体表的长丝状蛋白质附属物
        • 功能:运动
        • 长度:15—20um直径:0.01—0.02um常用电镜观察
        • 观察方法:染料沉积使之加粗后用显微镜观察
        • 判断鞭毛有无的方法:半固体培养基,平板培养菌落边缘,悬滴法
          • 半固体的形态特征
            • 运动的细菌:培养基中的穿刺线呈云雾状
            • 不运动的细菌:培养基中的穿刺线很清晰
        • 结构
          • 鞭毛丝、：数条鞭毛蛋白亚基沿央孔道螺旋状缭绕而成的中空圆柱体。
            • 靠鞭毛丝旋转而动
            • M环动力:质子动力，由细胞膜你额外质子浓度差和电势差决定
            • G+和G-的区别:L环和P环
          • 鞭毛钩、
          • 基体
        • 鞭毛的功能
          • 趋性运动趋光性、趋化性、趋氧性、趋磁性
        • 鞭毛运动的机理
          • 旋转论——拴菌实验
          • 挥鞭论
      • 3菌毛
        • 不参与运动，周身分布，运动和不运动的细菌都有菌毛,其染色体基因决定。比鞭毛短、数目较鞭毛多
        • 菌毛的功能
          • 促进细胞的黏附，粘附于宿主的呼吸道、消化道、泌尿生殖道等粘膜上，进一步定植和致病。
          • ·促使某些细菌缠集在一起而在液体表面形成菌膜·菌毛抗原
      • 4性丝
        • 构造和成分:菌毛相同。
        • 数量:一至几根。
        • 一般见于G-的雄性菌珠中。
        • 功能:向雌性菌珠（受体菌）传递遗传物质,参与质粒的转移
  • 三、细菌的繁殖
    • 无性繁殖，多为裂殖，少芽殖。
    • >二分裂:对称二分裂、不等二分裂。>三分裂、复分裂:
    • 细菌分裂过程:
      • >①菌体伸长，核质体分裂DNA先复制〉
      • ②细胞壁扩增形成横隔壁
      • >③细胞分裂子细胞分离
  • 四、细菌的菌落
    • 菌落colony:以母细菌为中心聚集在一起，形成一个肉眼可见的，具有一定形态结构的子细胞群
    • 菌苔lawn:成片的菌落连在一起
    • 克隆clone:一个菌落是由一个细菌繁殖而来的
    • 菌落的意义:在微生物分离，纯化、鉴定、计算等研究及选育工作有重要意义
    • 细菌菌落的特征
      • 容易挑起表面较光滑、湿润、较粘稠
      • 与固体培养基结合不紧密用接种针
      • 质地均匀，颜色一致。
      • 菌种鉴定和判断纯度的重要依据
    • 液体培养特征：液体培养基中不能形成菌落
• 第二节放线菌
  • 放线菌的概念
    • 一类具分支状菌丝体和以外生孢子繁殖的陆生较强的原核生物。
    • 基本特征与细菌相同
    • 与细菌的差异:其细胞形态为分枝状
    • 与霉菌相似:具有分枝状菌丝、孢子繁殖。菌丝。
    • 分布:在含水量低有机物丰富和呈碱性的土壤中
    • 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”
    • 功能:70%的抗生素都是放线菌的次生代谢产物
    • 金霉素（金色链霉菌)土霉素（龟裂链霉菌)庆大霉素（棘孢小单孢菌)利福霉素（诺卡氏菌属)
    • 多数腐生:通过分解有机物获取能量少数寄生:寄居在他种生物中吸取养分引起人、动物(如皮肤、脑、肺和脚部感染）、植物（如马铃薯和甜菜的疮痂病）的疾病。
  • 2，形态与构造
    • 菌丝按形态和功能分为:
      • 营养菌丝:吸收营养排泄代谢产物,产生色素气生菌丝:颜色深
      • 孢子丝:繁殖作用
      • 孢子丝的形态多样是菌种鉴定的依据
    • 孢子形状:圆形、椭圆形、杆状或柱形孢子表面形状:光滑、瘤状、鳞片状、刺状 孢子丝:排列方式不同
    • 繁殖方式
      • 无性繁殖：
        • 菌丝断裂：生物个体生长到一定阶段，其菌丝断裂成数段，每一段又各自发展成一个个体。
          • 常见于液体培养
        • 分生孢子：凝聚分裂、横膈膜分裂
        • 孢子囊孢子：在菌丝上形成孢子囊(sporangium)，在孢子囊内形成孢子，孢子囊成熟后，破裂，释放出大量的孢囊孢子
    • 4.放线菌的菌落
      • 菌落圆形，有褶皱
      • 与培养基结合紧密、坚实，不易挑取。
      • 菌落的底和面呈不同颜色
    • 代表菌：链霉菌属
      • 1大多数抗生素是链霉菌产生的
      • 2孢子丝形态多样
• 第三节蓝细菌
  • 蓝藻或蓝绿藻（blue-green algae)
    • 一类含有叶绿素a，具有产氧性光合作用的大型原核生物。
    • 蓝细菌被认为是地球上生命进化过程中第一个产氧的光合生物，对地球上从无氧到有氧的转变、真核生物的进化起着里程碑式的作用。
    • 特点
      • 细胞壁似于G-菌
      • 形态多样:球状、杆状和丝状等;
      • 类囊体:光合作用的部位，含叶绿素a和辅助色素。水生种类:有气泡使菌体漂浮以利光合作用。
      • 分布广“先锋生物”
      • 细胞的几种特化结构
      • 特化结构：异形胞heterocyst :位于丝状细胞链的中间或末端，光镜下壁厚、色浅、中空与邻近细胞间有孔道相同。固氮场所。
      • 蓝细菌的繁殖无性二分裂繁殖
    • 蓝细菌的价值和意义
      • 1一部分能进行固氮作用
      • 2能开发成螺旋藻产品，如螺旋蓝细菌
      • 3促进了好氧生物的进化与发展
    • 蓝细菌的危害:
      • N、P等富营养化的海水“赤潮”，湖泊“水华”的元凶
    • 代表：螺旋藻
• 第四节其他原核微生物
  • 支原体（Mycoplasma)：
    • 定义: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
    • 目前已知的可独立生长和生活的最简单的生命形式
    • 特点:
      • 细胞膜中含有甾醇
      • 无细胞壁，呈G-，对青霉不敏感菌落呈荷包蛋状
      • 二分裂繁殖■培养条件苛刻危害:
    • 危害
      • 呼吸道、肺部、尿道生殖系统的炎症植物黄化病等的病原体
  • 立克次氏体（Rickettsia)
    • 定义:一类介于细菌与病毒之间，较接近于细菌的、专性活细胞内寄生繁殖的原核微生物。
    • 特点:
      • ·有细胞壁，G-
      • ·多数在真核细胞内营细胞内专性寄生·二分裂繁殖
      • ·对热敏感，有些能产生内毒素·存在不完整的产能代谢途径
    • 危害:
      • 斑疹伤寒等严重传染病的病原体. 节肢动物为媒介，叮咬和排泄物传播
  • 衣原体(Chlamydia)
    • 定义:介于立克次氏体与病毒之间能通过细菌过滤器的生物。已知细胞型生物中最简单的生物
    • 特点
      • ·缺乏能量代谢系统，必需依赖宿主获得ATP，“能量寄生物”。
      • ·细胞内同时含有DNA和RNA·对抑制细菌的抗生素如青霉素和磺胺等都很敏感
      • ·鸡胚卵黄囊膜、小白鼠腹腔、或HeLa细胞培养
    • 汤飞凡与沙眼
      • ·病原体:沙眼衣原体·慢性传染性结膜角膜炎
      • ·睑结膜表面形成粗糙不平的外观，形似沙粒，故名沙眼。. 人类是沙眼衣原体的自然宿主。它主要寄生于机体粘膜上皮细胞。. 1956年首次通过鸡胚细胞分离出沙眼衣原体
  • 螺旋体
    • 细长柔软弯曲呈螺旋运动的单细胞原核生物
    • 全长3~500微米，具有细菌细胞的所有内部结构介于细菌与原虫之间，广泛分布在自然界和动物体内。
    • 病原体:梅毒螺旋体
    • 传播途径:性接触传播，或胎盘传给下一代慢性全身性疾病
    • 早期侵犯皮肤、粘膜，晚期扩散到心血管、骨骼、中枢神经与各内脏器官
    • 病程长，可自愈，也可复发，死亡率20%
    • 革兰氏阴性，其大小和特性均介于通常的细菌与病毒之间。
• 第五节古菌
  • 定义:具有独特基因结构或系统发育生物大分子序列的单细胞原核生物，其细胞结构类似原核生物，也具有真核生物的部分特征。
  • 包括:极端厌氧的产甲烷菌，极端嗜盐菌以及嗜热嗜酸菌等。
  • 古菌的发现
    • 20世纪70年代，(Carl Woese）博士研究了原核生物的进化关系
    • 研究细菌的核糖核蛋白体中RNA序列时发现差异
  • 古菌的细胞壁
    • 细胞壁中没有真正的肽聚糖，而是由多糖（假肽聚糖）、糖蛋白或蛋白质构成的。
    • 细胞壁物质极为多样
  • 主要类群
    • >产甲烷菌>嗜盐菌>嗜热菌>嗜冷菌>嗜碱菌
    • 产甲烷菌
      • 特点
        • ①生长非常缓慢，
        • ②严格厌氧，对氧气和氧化化剂非常敏感,③只能利用少数简单的化合物;
        • ④在中性偏碱和适宜温度环境条件;⑤代谢主要终产物是甲烷和二氧化碳。
      • 应用:能源
• 结构简单，种类繁多，主要以二分裂繁殖和水生性较强的单细胞原核微生物

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