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第一章微生物细胞
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第一章 微生物细胞 微生物学教案 1-1
第一章 微生物细胞
内容提要:
微生物除病毒外都具有细胞结构,且一个即为独立的生活个体。
而微生物细胞分原核和真核两大类,其基本化学成分相近,一般以有机物和无机物两类状态存在,由于组成成分的不同,其生理功能各异。
尽管原核生物体小、形态简单,但结构复杂,使之具备了进行独立生命活动的全部功能。
另外,原核和真核微生物细胞中虽然基本化学成分相近,但结构有很大区别,如细胞壁、细胞核、细胞质等。
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本章重点和难点:
原核细胞的结构与功能,原核细胞和真核细胞的区别。
1.1细胞的化学性质
微生物细胞可区分原核和真核两类,它们的基本化学成分相近。
1.1.1细胞的化学成分
微生物细胞的化学成分以有机物<99%)和无机物<1%)两种状态存在。
有机物包括各种大分子,它们是蛋白质、核酸、类脂和碳水化合物。
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蛋白质主要是各种酶,也有一些蛋白质存在于细胞结构成分中。
类 酯不溶于水的化合物<其中甘油三酯是富含能量的贮藏物质,磷酯是各种膜的组分,它们的非水溶性特点同控制透过性有关)DXDiTa9E3d
碳水化合物既是结构成分,也是贮藏物质
核 酸贮存遗传信息的物质,并在蛋白质合成中有重要功能。
细胞中也存在许多较小的有机分子,如氨基酸、嘌呤、嘧啶、核苷酸以及辅酶等,在细胞干物质中有机成分达99%。
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各类有机成分中都有为数众多的不同种化合物,一个大肠杆菌(Escherichiacoli>细胞中至少有5000多种有机物分子(表1-1>,随着研究的深入,将不断发现新的化合物。
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细胞中的无机成分包括小分子无机物和各种离子,可分为大量元素和微量元素两类。
它们在细胞中的含量只约为干物质的1%,但具有重要功能。
表1—2列举了细胞中常见的无机离子。
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第一章 微生物细胞微生物学教案 1-2
在细胞的各种组分中,水是含量最多的物质,以重量计微生物含水量为70%—90%。
细胞质中一切生化反应都是在液相中进行的,水是理想的生物学溶剂。
虽然纯水的电化学性质呈中性,即电子和质子数相同,但它的氢、氧两元素成分的负电性完全不同,其电荷有些不对称,因而产生极性。
于是水成为很好的溶剂,易于同其它分子的氢键结合和具有黏附性,显示大的表面张力和高比热。
水的极性也有利于使非极性物质团聚在一起。
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1.1.2细胞的有机单体和多聚体
细胞中的各种大分子有机物都是由单体连接而成的多聚体,大多数单体是包括几个至约30个碳原子的有机物。
细菌细胞中有4类重要的单体物质,它们是:
糖类,构成多糖;脂肪酸,构成类脂;核苷酸,是核酸的基本单位;氨基酸,为蛋白质的基本组分。
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1.1.2.1碳水化合物和多糖
生物的各种含碳物质中最重要的是含4(C4>、5(C5>、6(C6>和7(C7>个碳原子的碳水化合物(糖>。
C5糖具有特殊的意义,因为它是核酸的结构主链。
C6糖是构成细胞壁的多糖和能量贮藏物的基本结构。
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糖的羟基能被其它基团代换而形成衍生物。
多糖是含有许多单体的高分子化合物,单体之间由糖苷键进行共轭结合。
只含少数几个单体的聚合物称为寡糖。
糖苷链有O和p两种定向。
由a—1,4-糖苷键构成的葡聚糖(糖原及淀粉>是细菌和动植物中重要的碳和能量贮藏物;由B-1,4—糖苷键连接的葡聚糖存在于细菌细胞壁中,也是植物的细胞壁组分(纤维素>。
多糖也能同其它大分子化合物如蛋白质和类脂相结合,构成糖蛋白和糖脂,它们在细胞膜上作为表面受体分子而起重要作用。
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1.1.2.2.脂肪酸和类酯
脂肪酸是类脂的主要组分。
类脂的独特性质是既含有高度疏水区,又含有高度亲水区。
简单类脂(脂肪>由脂肪酸和甘油通过酯键而形成,称为甘油三酯;复杂的类脂还含有其它成分(磷、氮、硫或小分子亲水化合物、如糖、胆胺和胆碱等>。
磷脂是很复杂的重要类脂,是细胞膜的主要结构成分。
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类脂的疏水和亲水的双重性质,使它成为膜的理想结构成分,决定细胞的通透性,控制细胞内外物质的转运。
1.1.2.3核苷酸和核酸
核酸是以核苷酸为单体形成的长链大分子,即多核苷酸,包括脱氧核糖核酸(DNA>和核糖核酸(RNA>。
DNA携带着细胞的遗传模板,RNA则是按模板转换为多肽过程的中间分子,核酸最先是从细胞核中分离获得,但也存在于细胞质中。
核苷酸由3种化学结构分子组成,即碱基、核糖和磷酸。
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1.碱基:
嘧啶(pyrimidine>和嘌呤(purine>是参与构成核苷酸的是两类碱基,为含氮原子的杂环化合物。
嘧啶是1,3—二氮杂苯,重要的核酸嘧啶碱基有胞嘧啶(cytosine,C>、胸腺嘧啶(thymine,T>和尿嘧啶(uracil,U>,它们都能以烯醇式和酮式两种互变异构体存在。
嘌呤是由一个嘧啶环和一个咪唑环并联而成的1,3,7,9—四氮杂茚,重要的核酸嘌吟碱基有腺嘌呤(ade—nine,A>、鸟嘌呤(guanine,G>和次黄嘌呤(hypoxanthine>,它们都有两种异构体。
图1—1为核酸中碱基的结构。
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2.核苷酸中的糖分子:
每个核苷酸中都有1个五碳糖分子,即核糖或脱氧核糖。
脱氧核糖是核糖的2位碳原子上的OH被H置换,脱去了氧。
它们的结构如图1—2。
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第一章 微生物细胞微生物学教案 1-3
3.核苷酸中的磷酸:
磷酸是3价酸,在核酸中它的两个价键被酯化。
单糖和碱基由p-糖苷键连接,通过单糖1位碳原子上的OH同嘧啶1位碳原子的H(或嘌呤9位碳原子上的H>结合脱水而形成。
单糖和磷酸由酯键连接,通过单糖5,位碳原子上醇基的H同磷酸的一个OH结合脱水而成。
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核苷酸是构成核酸的单体,各个核苷酸之间由磷酸的一个基团和单糖3,位碳原子上的OH结合脱水而连接,形成含磷酸二酯键的长链核酸。
一个酯键存在于核苷酸内,另一个酯键存在于两个核苷酸之间。
磷酸的第三个基团在核酸中仍是游离的,所以核酸呈酸性。
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由核苷酸连接而成的长链核酸,其中一端的磷酸含有两个自由基,称为5"-P末端,简称5"末端;另一端则在单糖的3"碳原子上含有一个游离的OH,称为3"-OH末端,简称3"末端。
根据常规,阅读核酸时一般是从5’末端到3,末端。
环状核酸虽然无从区别M2ub6vSTnP
第一章 微生物细胞微生物学教案 1-4
两个不同的末端,但仍按此规则阅读。
1.1.2.4氨基酸和蛋白质
氨基酸是构成蛋白质的单体。
大多数氨基酸只含C、H、O、N,细胞中20种普通氨基酸中有两种还含S。
全部氨基酸都有羧基(一C00H>和氨基(一NU2>两个重要功能团,它们使各氨基酸共价结合形成肽键而构成多肽。
直接连接在羧基碳原子的碳称为。
碳原子,不同氨基酸中连接在。
碳原子上的侧基(以R代表>种类不同,性质各异,从甘氨酸中的一个氢原子到苯丙氨酸的复杂环状结构。
图1-3表示20种普通氨基酸的结构,图中氨基酸的3字母编码和1字母编码在生物学文献中普遍采用。
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氨基酸的化学性质在很大程度上是由侧链来决定的,侧链本身若是羧基,则使氨基酸呈酸性,如天冬氨酸和谷氨酸。
有几种氨基酸含非极性疏水侧链。
半胱氨酸含一个巯基(一SH>可通过二硫键(R--S--S—R>和另一氨基酸连接。
氨基酸侧链化学性质的差别是构成各种特性不同的蛋白质的重要因素之一。
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蛋白质在细胞的功能中起关键作用。
微生物细胞有两类蛋白,催化蛋白(酶>和结构蛋白。
各种蛋白都是以肽键相连接含特定氨基酸顺序的聚合体,根据氨基酸的数目分别称为二肽、三肽,直至多肽。
蛋白质可以只有一个多肽,也可含几个多肽。
在生物体内存在少至15个氨基酸和多于10000个氨基酸的蛋白质。
所有蛋白质在细胞中折叠存在,呈现复杂的结构排列。
氨基酸的线性排列称为蛋白质(多肽>的一级结构。
维持蛋白质一级结构的线性排列靠肽键,一个肽键接着另一个肽键,构成蛋白质均一的骨架。
多肽链可以有许多方式折叠和卷曲,形成具有特定构型的二级结构,其特征是具有螺旋形,最常见的是。
a—螺旋(a-helix>。
线型的多肽链盘绕成柱筒状。
在此情况下各个氨基酸的氧和氮原子在扭卷的结构中彼此靠得非常近,使氢键得以形成,以维持α—螺旋结构。
有些多肽可以形成不同结构,如B-片层(B-Sheet>,此时多肽中的氨基酸链向前向后折叠,而不是成螺旋形。
有的多肽可形成含有。
—螺旋和p-片层两个片段的二级结构,还有的多肽可以含有几个片段,每个片段表现为。
—螺旋或p片层,这些片段称为区段sQsAEJkW5T
第一章 微生物细胞微生物学教案 1-5
(domains>,它们是蛋白质分子中具有特定功能的多肽区。
在此基础上再进一步折叠形成更稳定的蛋白质三级结构分子,它们含有一些暴露区或槽沟,在蛋白质同其它分子的结合中起重要作用。
如果某种蛋白质含有一个以上的多肽,则以多肽为亚单位排列形成蛋白质分子的四级结构。
它可以含有相同的亚单位,也可以含不同的亚单位,含多个亚单位的蛋白质的各亚单位通过非共价键(氢键>或共价键(一般是二硫键>结合在一起。
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白质遇到影响其折叠特性的外界因素,如极端温度和过高与过低pH或某些化学物质,高级结构受到破坏,蛋白质会发生变性,但这时一级结构仍然保持。
一般而言,当变性时蛋白质的生物学性质就丧失了;如果变性条件不太严厉且很快解除时,多肽可重新折叠。
变性与蛋白质生物活性相关联,说明蛋白质的生物活性不决定于蛋白质的初级结构本身,而是由初级结构所产生的独特折叠方式而决定的。
所以多肽的折叠伴随有下列两种情况的出现:
①多肽获得了同特定生物功能相协调的独特形状;②折叠过程使蛋白质分子转变为化学上稳定的形态。
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1.2原核生物细胞的结构与功能
原核生物虽然个体微小、形态简单,但细胞结构很复杂,使之具备进行独立生命活动的全部功能。
细胞的外层包括细胞壁和细胞质膜,这两部分也统称为膜套(envelope>。
许多细菌在细胞壁外面还有表层结构,如表面层和外被多糖。
除少数种类外,细菌都具有细胞壁。
细胞质膜里面为细胞质,包括细胞的各种结构成分和贮藏物质(图1-4>。
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究和描述细胞的细微结构时,采用的度量单位是纳M(nm,lnm=10-9m>。
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1.2.1细胞壁
包在表面较坚韧略具有弹性的结构是细胞壁,是一层较薄的膜状结构,占菌体干重
第一章 微生物细胞微生物学教案 1-6
的10-25%。
1.2.1.1化学成分
细菌细胞壁的主要成分是肽聚糖<肽聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺,NAG和N-乙酰胞壁酸,NAM以及短肽聚合而成多层网状结构的大分子化合物)。
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细胞壁和革兰氏染色 革兰氏染色法(Gramstain>: 一种鉴别染色法,当用脱色剂处理时,根据保留或失去原始着色剂<结晶紫)与否,细菌被划分为革兰氏阳性或革兰氏阴性。 利用这种方法可以把所有的细菌分二大类 zvpgeqJ1hk 染色梗概: 细胞→结晶紫染色→加碘液媒染→丙酮、酒精脱色→复红复染。 不同细菌为什么会被染为两种不同颜色 紫色或G-菌: 红色),有二种学说。 1、细胞壁渗透学说<根据细胞壁结构说明) 革兰氏阴性细菌结构: G-比G+薄<15-20nm),结构较复杂,可分两层。 外层壁中脂类含量高,约占胞壁干重11~12%,内层壁为肽聚糖,占胞壁干重10%。 NrpoJac3v1 G—为什么会被染成红色? 因为脂类物质较多,肽聚糖少,用丙酮或酒精<脂溶剂)溶掉脂类,使细胞壁的透性增加,从而把初染结晶紫颜色抽取出来,复染上复红颜色而被染成红色。 1nowfTG4KI 革兰氏阳性细菌结构: 只有一层厚壁,30—40nm,成分是肽聚糖(占细胞壁成分的60-90%>加磷壁酸,脂类1~4%。 fjnFLDa5Zo 第一章 微生物细胞微生物学教案 1-7 G+为什么会被染成紫色? 因为肽聚糖含量较多,脂类物质含量较低,用丙酮或酒精<脂溶剂)处理脱水,引起壁的肽聚糖层孔径变小,通透性降低,使初染结晶紫颜色抽取不出来,也不能复染上复红颜色而保留、保持原来的紫色。 tfnNhnE6e5 2、化学机制学说: 某些微生物学家提出,如果细胞具有阳性酸就表现G+反应,反之G—反应,认为RNA和磷酸聚甘油的组分是决定G+G—反应。 HbmVN777sL 说明: 一些差异<附加)见表 G+ G- 对青霉素的敏感性 高 低 碱性染料的抑制作用 高 低 营养要求 对物理因素破坏作用的抗性 大多数较复杂 强 较简单 弱 一般G-的染色反应比较稳定,而G+性质常在某些条件下有变化,绝大多数为G+,但有些表现为阴、阳不定。 <与菌龄有关)V7l4jRB8Hs 1.2.1.2功能: ①保护细胞及维持外形<如果人工去掉细胞膜后,所有菌的原生质均变成圆形)。 第一章 微生物细胞微生物学教案 1-8 ②具有分子筛作用<屏障作用),水及一些简单的化合物可以通过,大分子物质不能通过 ③具有膨压作用,膨压本身有一定坚韧和弹性,在低渗环境中不会膨胀破裂,在高渗环境中防止原生质过度收缩。 ④为鞭毛运动提供活动之点<没有细胞壁鞭毛不能运动)。 1.2.2细胞膜 是细胞壁和原生质之间一层柔软并具有半透性的生物膜<质膜、原生质膜、胞浆膜)。 细胞膜生理功能: ①起渗透屏障作用并进行物质的运输<具有选择性)。 ②参与细胞壁的生物合成。 <如在细菌细胞膜上存在着载体脂类,这种脂类与细胞壁中肽聚糖的合成有关) ③是合成代谢和能量代谢的场所,因细胞膜上具有多种酶,如呼吸酶等 ④与细菌分裂过程中DNA复制后的分离有关。 ⑤与细胞的运动有关。 <细菌鞭毛的基粒位于细胞膜上) 1.2.3细胞质及内含物 1.核糖体 细胞质中无胞膜的颗粒结构,直径150-200埃。 核蛋白体功能: 是合成蛋白场所;成分,RNA35-66%,蛋白质45-65%。 形状: 小球形成不对称形,由大小二亚基组成。 2.颗粒状内含物 ①异染颗粒 用染料多色美兰染色,菌体部分兰色颗粒红紫色,故称异染颗粒。 ②脂类颗粒 细菌在代谢过程中积累起来,但不能被细菌作养料。 ③多糖颗粒 有糖原和淀粉二类,可作为细菌的能量来源。 ④聚β-羟基丁酸 ⑤气泡 部分细菌具有之,气泡吸收空气,其中可被细菌利用,气泡并使细菌具有浮力,对抗地心引力。 第一章 微生物细胞微生物学教案 1-9 1.2.4原核 1.2.5细菌的特殊结构 1.荚膜和粘液层 某些细菌细胞壁外的一层较松厚,而且较固定的粘液性物质称之。 如果粘液性物质没有明显的边缘,则叫粘液层。 如果细菌荚膜连在一起,其中包含有许多细菌叫菌胶团。 83lcPA59W9 成分: 多糖成多肽 功能: A.保护作用: 保护细菌免受干燥的影响,保护不受其它细菌吞噬作用。 B.具荚膜的致病菌毒力强,失去荚膜的致病力下降。 C.提供养料和堆积代谢废物的作用。 D.是鉴定细菌依据之一。 2.鞭毛细胞表面鞭状细长的原生质突起<鞭毛不是生命所必须,而是适应的产物)。 水生细菌多生1至4根鞭毛,陆生菌多生周毛菌,在潮湿下翻滚;大多数球菌不具有鞭毛,许多杆菌具有鞭毛,螺旋菌具有或不具有鞭毛。 mZkklkzaaP 成分: 蛋白质及少量的多糖,脂类。 作用: 运动器官。 第一章 微生物细胞微生物学教案 1-10 根据鞭毛数目与排列情况不同分为: 一端单毛菌: 菌体一端只有一条鞭毛。 二端单毛菌: 菌体二端各有一条鞭毛。 丛毛菌: 菌体一端成二端各有一丛鞭毛(偏端丛生鞭毛菌、二端丛生鞭毛菌> 周毛菌: 在菌体四周都有鞭毛。 具有鞭毛的菌能运动,没有的不能运动。 单毛、丛毛菌一般呈直线运动,周毛菌则无规则地缓慢运动或者滚动<合力不一致),二端鞭毛菌比单端鞭毛菌快<双火车头作)。 AVktR43bpw 3.芽孢某些细菌生长到一定阶段,有细胞内形成一个圆形成圆柱形的对不良环境条件具有较强的抵抗力休眠体叫之。 细菌的芽孢都生长在细胞内,又称内生孢子(Endospora>,细菌中只有少数几个属具有芽孢。 ORjBnOwcEd 芽孢抗干燥<在干燥下可存活几年、几十年),抗紫外线,抗有毒化学物、热、化学药品抵抗力强,能使细菌渡过不良环境。 一般芽孢能耐高温,大多数抗80℃10’以上,如引起人的破伤风杆菌芽孢耐100℃60’,部分的炭疽杆菌芽孢需进行处理140℃180’或180℃3’才能被杀死。 2MiJTy0dTT 芽孢抗性强的原因: a.含水量低。 b.有厚、致密的壁。 c.含与抗热性有关的吡啶二羧酸<营养细胞不具有之)。 d.芽孢内具有抗热性的酶。 芽孢萌发后变成营养细胞,抗性损失,芽孢不是繁殖器官,只是休眠体。 4.孢囊由营养细胞缩短变成球菌,表面形成一层厚的孔壁称之。 有些细菌产生芽孢,有些细菌形成另一种休眠细胞叫孢囊。 一个营养细胞产生一个孢囊,一个孢囊又能产生许多细胞,与芽孢一样具有抗性,但并不特别抗热,也不完全休眠。 gIiSpiue7A 5.伴孢晶体是某些芽孢杆菌,如苏云金杆菌,在细胞内产生一种晶体状多肽类内含物称之。 菱形、方形、或不规则形,一个菌只产生一个伴孢晶体。 对人畜无害处或小害,对鳞翅目昆虫产生毒性的毒性晶体,可以使昆虫肠道穿孔,使昆虫全身麻痹死亡。 uEh0U1Yfmh 第一章 微生物细胞微生物学教案 1-11 1.2.6 真核细胞与原核细胞结构的异同 思考题: 1-1细菌细胞的化学成分主要有哪些? 1-2细菌细胞中几种主要无机离子有何功能? 1-3根据G染色的不同,可将细菌的细胞壁分为几种类型? 各有何结构特点? 试述G染色的原理与方法。 1-4芽胞是如何形成的? 有何特点? 为什么说芽胞不是细菌的繁殖方式? 1-5根据鞭毛的着生位置和数量的不同可分为几种类型? 1-6细菌鞭毛和菌毛在形态和功能上有什么不同? 1-7试述荚膜的化学组成和功能。 1-8原核和真核细胞结构有何区别? 申明: 所有资料为本人收集整理,仅限个人学习使用,勿做商业用途。
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