原核生物的形態結構和功能教學建議

一、目的要求

掌握原核微生物的基本形態、基本結構和特殊結構以及相應的功能。

二、教學內容

1．細菌的形態構造及功能，羣體特徵

2．放線菌

3．藍細菌

4．其他原核微生物

三、重點與難點內容

細菌細胞壁結構與功能，細菌特殊結構與功能

四、教學方法

採用多媒體教學

在有細胞構造的微生物中，按其細胞，尤其是細胞核的構造和進化水平上的差別，可把它們分為原核微生物和真核微生物兩個大類。近年來正在越來越深入研究的古細菌（archaebacteria）或古生菌（archaea），儘管其在進化譜系上與真細菌（eubacteria）和真核生物相互並列，但其在細胞構造上卻與真細菌較為接近，同屬於原核生物。因此，有關古生菌細胞構造和功能的內容，擬放在原核微生物一節中加以討論。

第一節細菌

原核微生物是指一大類細胞核無核膜包裹，只有稱作核區(nuclearregion)的裸露DNA的原始單細胞生物，包括真細菌和古生菌兩大羣。真細菌的細胞膜含由酯鍵連接的脂類，細胞壁中含特有的肽聚糖（無壁的支原體除外），DNA中一般沒有內含子（但近年來也有例外的發現）。細菌、放線菌、藍細菌、枝原體、立克次氏體和衣原體等都屬於真細菌。以下就以最常見的細菌作主要代表詳細闡述原核生物細胞的各部分構造和功能。

把一般細菌都有的構造稱一般構造，而把部分細菌具有的或一般細菌在特殊環境下才有的構造稱為特殊構造。

一、細菌的形狀和大小

1、細菌的基本形態

基本外形：球狀——球菌；桿狀——桿菌；螺旋狀——螺旋菌

性狀簡介：

a球菌

細胞呈球狀或橢圓形。根據這些細胞分裂產生的新細胞所保持的一定空間排列方式有以下幾種情形：

單球菌——尿素微球菌；雙球菌——肺炎雙球菌；鏈球菌——溶血鏈球菌；四聯球菌——四聯微球菌；八疊球菌——尿素八疊球菌；葡萄球菌——金黃色葡萄球菌

b桿菌：桿菌細胞呈桿狀或圓柱形。

c螺旋菌

細胞呈彎曲桿狀的細菌統稱為螺旋菌。

弧菌偏端單生鞭毛或叢生鞭毛

螺旋菌兩端都有鞭毛

2、細菌的大小

細菌大小的度量單位：以?m為單位。

細菌大小的表示：

球菌一般以直徑來表示。

桿菌和螺旋菌則以長和寬來表示。如1?2.5?m

細菌大小的測定：在顯微鏡下使用顯微測微尺測定。

二、細菌的細胞構造

（一）細胞壁

細胞壁（cellwall）是位於細胞最外的一層厚實、堅韌的外被，主要由肽聚糖構成，有固定細胞外形和保護細胞等多種生理功能。通過染色、質壁分離（plasmolysis）或製成原生質體後再在光學顯微鏡下觀察，可證實細胞壁的存在；用電子顯微鏡觀察細菌超薄切片等方法，更可確證細胞壁的存在。細胞壁的主要功能有：①固定細胞外形和提高機械強度，從而使其免受滲透壓等外力的損傷。例如，有報道説大腸桿菌（Escherichiacoli）的膨壓(turgor)可達2個大氣壓（相當於汽車內胎的壓力）；②為細胞的生長、分裂和鞭毛運動所必需。失去了細胞壁的原生質體，也就喪失了這些重要功能；③阻攔酶蛋白和某些抗生素等大分子物質（分子量大於800）進入細胞，保護細胞免受溶菌酶、消化酶和青黴素等有害物質的損傷；④賦予細菌具有特定的抗原性、致病性以及對抗生素和噬菌體的敏感性。

原核生物的細胞壁除了具有以上的共性外，在革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和古生菌中，還有其各自的特性，這就是細胞壁的多樣性。

1、革蘭氏陽性細菌的細胞壁

革蘭氏陽性細菌細胞壁的特點是厚度大（20~80nm）和化學組分簡單，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸。

又稱粘肽(mucopeptide)、胞壁質(murein)或粘質複合物(mucocomplex)，是真細菌細胞壁中的特有成分。革蘭氏陽性菌——金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）具典型的肽聚糖，它的肽聚糖厚約20~80nm，由40層左右的網格狀分子交織成的網套覆蓋在整個細胞上。肽聚糖分子是由肽與聚糖兩部分組成，其中的肽有四肽尾和肽橋兩種，聚糖則由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸相互間隔連接而成，呈長鏈骨架狀。看似複雜的肽聚糖分子，若把它的基本組成單位剖析一下，就顯得十分簡單。每一肽聚糖單體由三部分組成：

①雙糖單位：由一個N-乙酰葡糖胺通過β-1,4-糖苷鍵與另一個N-乙酰胞壁酸相連，後者為原核生物所特有的已糖。這一雙糖單位中的β-1,4-糖苷鍵很容易被一種廣泛分佈於卵清、人的淚液和

鼻涕以及部分細菌和噬菌體中的溶菌酶(lysozyme)所水解（水解位點在N-乙酰胞壁酸的1碳和N-乙酰葡糖胺的4碳間），從而引起細菌因肽聚糖細胞壁的'“散架”而死亡。

②四肽尾或四肽側鏈(tetrapeptidesidechain)：是由四個氨基酸分子按L型與D型交替方式連接而成。在金黃色葡萄球菌中，接在N-乙酰胞壁酸上的四肽尾為L-ala→D-glu→L-lys→D-ala，其中兩種D型氨基酸在細菌細胞壁之外很少出現。

③肽橋或肽間橋(peptideinterbridge)：在金黃色葡萄球菌中，肽橋為甘氨酸五肽，它起着連接前後兩個四肽尾分子的“橋樑”作用。目前所知的肽聚糖已超過100種，在這一“肽聚糖的多樣性”中，主要的變化發生在肽橋上。

（2）磷壁酸（teichoicacid）

是結合在革蘭氏陽性細菌細胞壁上的一種酸性多糖，主要成分為甘油磷酸或核糖醇磷酸。磷壁酸可分兩類，其一為壁磷壁酸，它與肽聚糖分子間進行共價結合，含量會隨培養基成分而改變，一般佔細胞壁重量的10%，有時可接近50%。用稀酸或稀鹼可以提取。其二為跨越肽聚糖層並與細胞膜相交聯的膜磷壁酸（又稱脂磷壁酸），由甘油磷酸鏈分子與細胞膜上的磷脂進行共價結合後形成。其含量與培養條件關係不大。可用45%熱酚水提取，也可用熱水從脱脂的凍幹細菌中提取。磷壁酸有五種類型，主要為甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸兩類，前者在乾酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)等細菌中存在，後者在金黃色葡萄球菌和芽孢桿菌屬(Bacillus)等細菌中存在。表示甘油磷壁酸的構造及其與肽聚糖分子中的N-乙酰胞壁酸的共價連接方式。

磷壁酸的主要生理功能為：

①其磷酸分子上較多的負電荷可提高細胞周圍Mg的濃度，進入細胞後就可保證細胞膜上一些需Mg的合成酶提高活性；2+2+

②貯藏磷元素；

③增強某些致病菌如A族鏈球菌(Streptococcus)對宿主細胞的粘連、避免被白細胞吞噬以及抗補體的作用；

④賦予革蘭氏陽性細菌以特異的表面抗原；

⑤可作為噬菌體的特異性吸附受體；

⑥能調節細胞內自溶素(autolysin)的活力，藉以防止細胞因自溶而死亡。因為在細胞正常分裂時，自溶素可使舊壁適度水解並促使新壁不斷插入，而當其活力過強時，則細菌會因細胞壁迅速水解而死亡。

2、革蘭氏陰性細菌的細胞壁

（1）肽聚糖

革蘭氏陰性細菌的肽聚糖可舉大腸桿菌為代表。它的肽聚糖埋藏在外膜層之內，是僅由1~2層肽聚糖網狀分子組成的薄層(2~3nm)，含量約佔細胞壁總重的10%，故對機械強度的抵抗力較革蘭氏陽性菌弱。其結構單體與上述革蘭氏陽性菌基本相同，差別僅在於：

①四肽尾的第3個氨基酸不是L-lys，而是被一種只有在原核微生物細胞壁上才有的內消旋二氨基庚二酸(m-DAP)所代替；

②沒有特殊的肽橋，其前後兩個單體間的連接僅通過甲四肽尾的第4個氨基酸——D-ala的羧基與乙四肽尾的第3個氨基酸——mDAP的氨基直接相連，因而只形成較為疏稀、機械強度較差的肽聚糖網套。

（2）外膜(outermembrane)

位於革蘭氏陰性細菌細胞壁外層，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等若干種蛋白質組成的膜，有時也稱為外壁。

脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）：是位於革蘭氏陰性細菌細胞壁最外層的一層較厚（8~10nm）的類脂多糖類物質，由類脂A、核心多糖(corepolysaccharide)和O-特異側鏈（O-specificsidechain，或稱O-多糖或O-抗原）三部分組成。其主要功能為：

①其中的類脂A是革蘭氏陰性細菌致病物質——內毒素的物質基礎；

②因其負電荷較強，故與磷壁酸相似，也有吸附Mg、Ca等陽離子以提高其在細胞表面濃度的作用；

③由於LPS結構的多變，決定了革蘭氏陰性細菌細胞表面抗原決定簇的多樣性，例如，根據LPS抗原性的測定，國際上已報道過的沙門氏菌屬(Salmonella)的抗原型多達2107種（1983年）；④是許多噬菌體在細胞表面的吸附受體；

⑤具有控制某些物質進出細胞的部分選擇性屏障功能，例如，它可透過若干種較小的分子（嘌呤、嘧啶、雙糖、肽類和氨基酸等），但能阻攔溶菌酶、抗生素（青黴素等）、去污劑和某些染料等較大分子進入細胞膜。要維持LPS結構的穩定性，必須有足夠的存在。如果用EDTA等螯合劑去除Ca和降低離子鍵，就會使LPS解體。這時，其內壁層的肽聚糖分子就會暴露出來，因而易被溶菌酶所水解。

在LPS中，類脂A的種類較少（大約有7~8種），它是革蘭氏陰性細菌內毒素的物質基礎。在LPS的核心多糖區和O-特異側鏈區中有幾種獨特的糖，例如2-酮-3-脱氧辛糖酸（KDO）、L-甘油-D-甘露庚糖和阿比可糖（Abq,即3,6-二脱氧-D-半乳糖）。在沙門氏菌中，LPS中的O-特異側鏈種類極多，因其抗原性的差異故很易用靈敏的血清學方法加以鑑定，這在傳染病的診斷中有其重要意義，例如由此可對某傳染病的傳染原進行地理定位等。

（3）外膜蛋白(outermembraneprotein)

指嵌合在LPS和磷脂層外膜上的蛋白。有20餘種，但多數外膜蛋白的功能還未清楚。其中的脂蛋白(lipoprotein)是一種通過共價鍵使外膜層牢固地連接在肽聚糖內壁層上的蛋白，分子量約為7200。另有兩種蛋白研究得較為清楚，都稱孔蛋白（porins）。每個孔蛋白分子是由三個相同分子量（36000）蛋白亞基組成的一種三聚體跨膜蛋白，中間有一直徑約1nm的孔道，通過孔的開、閉，可阻止某些抗生素進入外膜層。已知有兩種孔蛋白，其一是非特異性孔蛋白(nonspecificporin)，其充水孔道可通過分子量小於800~900的任何親水性分子，如雙糖、氨基酸、二肽和三肽；另一為特異性孔蛋白(specificporin或specificchannelprotein)，其上存在專一性結合位點，只容許一種或少數幾種相關物質通過，其中最大的孔蛋白可通過分子量較大的物質，如維生素B12和核苷酸等。除脂蛋白和孔蛋白外，還有一些外膜蛋白與噬菌體的吸附或細菌素的作用有關。

(4）周質空間(periplasmicspace,periplasm)

又稱壁膜間隙。在革蘭氏陰性細菌中，一般指其外膜與細胞膜之間的狹窄空間（寬約12~15nm），呈膠狀。在周質空間中，存在着多種周質蛋白（periplasmicproteins），包括：

①水解酶類，例如蛋白酶、核酸酶等；

②合成酶類，例如肽聚糖合成酶；2+2+2+2+

③結合蛋白（具有運送營養物質的作用）；

④受體蛋白（與細胞的趨化性相關）。周質蛋白可通過滲透休克法（osmoticshock）或稱“冷休克”的方法釋放。此法系根據突然改變滲透壓並使細胞發生物理性裂解的原理。其主要步驟是：將細菌放在用Tris緩衝液配製、含EDTA的20%蔗糖溶液中保温，使其發生質壁分離（plasmolysis），接着快速地用4℃的0.005mol/LMgCl2溶液稀釋並降温，使細胞外膜突然破裂並釋放周質蛋白。經離心即可從上清液中提取周質蛋白。

革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌間由於細胞壁和其他構造的不同，就產生了一系列形態、構造、化學組分、染色反應、生理功能和致病性等的差別，這些差別對微生物學的研究和實際應用都十分重要。

3、古生菌的細胞壁

在古生菌中，除了熱原體屬(Thermoplasma)沒有細胞壁外，其餘都具有與真細菌類似功能的細胞壁。然而，從細胞壁的化學成分來看，則差別甚大。已研究過的一些古生菌，它們細胞壁中沒有真正的肽聚糖，而是由多糖（假肽聚糖）、糖蛋白或蛋白質構成的。例如：

（1）假肽聚糖(pseudopeptidoglycan)細胞壁

甲烷桿菌屬(Methanobacterium)古生菌的細胞壁是由假肽聚糖組成的。它的多糖骨架是由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔羅糖胺糖醛酸(N-acetyltalosaminouronicacid)以β-1,3糖苷鍵（不被溶菌酶水解！）交替連接而成，連在後一氨基糖上的肽尾由L-glu、L-ala和L-lys三個L型氨基酸組成，肽橋則由L-glu一個氨基酸組成。

（2）獨特多糖細胞壁

甲烷八疊球菌(Methanosarcina)的細胞壁含有獨特的多糖，並可染成革蘭氏陽性。這種多糖含半乳糖胺、葡糖醛酸、葡萄糖和乙酸，不含磷酸和硫酸。

（3）硫酸化多糖細胞壁

一屬極端嗜鹽古生菌——鹽球菌屬(Halococcus)的細胞壁是由硫酸化多糖組成的。其中含葡萄糖、甘露糖、半乳糖和它們的氨基糖，以及糖醛酸和乙酸。

（4）糖蛋白(glycoprotein)

細胞壁極端嗜鹽的另一屬古生菌——鹽桿菌屬(Halobacterium)的細胞壁是由糖蛋白組成的，其中包括葡萄糖、葡糖胺、甘露糖、核糖和阿拉伯糖，而它的蛋白部分則由大量酸性氨基酸尤其是天冬氨酸組成。這種帶強負電荷的細胞壁可以平衡環境中高濃度的Na，從而使其能很好地生活在20%～25%高鹽溶液中。

（5）蛋白質細胞壁

少數產甲烷菌的細胞壁是由蛋白質組成的。但有的是由幾種不同蛋白組成，如甲烷球菌

(Methanococcus)和甲烷微菌(Methanomicrobium)，而另一些則由同種蛋白的許多亞基組成，例如甲烷螺菌屬(Methanospirillum)。

4、缺壁細菌

雖然細胞壁是原核生物的最基本構造，但在自然界長期進化中和在實驗室菌種的自發突變中都會發生缺細胞壁的種類；此外，在實驗室中，還可用人為的方法抑制新生細胞壁的合成或對現成細胞壁進行酶解而獲得缺壁細菌。