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细菌的概念及分类

2017-04-10  穿冰人

细菌(bacteria)是微生物的一大类群,在自然界分布广、种类多,与人类生产和生活的关系也十分密切,是微生物学的主要研究对象。由于细菌的细胞结构在原核生物中具有代表性,而且近年来研究得较为深入,故作为本章重点。

一、细菌的形态和排列

尽管细菌种类繁多,就单个有机体而言,其基本形态可分为球状、杆状与螺旋状三种:分别被称为球菌、杆菌和螺旋菌。

(一) 球菌 细胞呈球形或椭圆形。它们中的许多种,在分裂后产生的新细胞常保持一定的空间排列方式,在分类鉴定上有重要意义。

1、单球菌 细胞单个,分散。

2、双球菌 细胞沿一个平面分裂,新个体成对排列。如肺炎双球菌。

3、链球菌 细胞沿一个平面分裂,新个体不但可保持成对的样子,并可连成链状。如溶血链球菌、乳链球菌。链的长短往往具特征性,例如乳链菌每2-3个细胞形成一串,而无乳链球菌则形成很长的链。

4、四联球菌 细胞分裂沿两个互相垂直的平面进行,分裂后四个细胞特征性地连在一起,呈田字形。如四联微球菌。

5、八叠球菌 细胞沿着三个互相垂直的方面进行分裂,分裂后每八个细胞特征性地叠在一起呈一立方体。。

6、葡萄球菌 细胞无定向分裂,多个新个体形成一个不规则的群集,犹如一串葡萄。如金黄色葡萄球菌、白色葡萄球菌。

上述排列是细菌种的特征。但是,一定种的全部细胞,不一定都按照一种方式排列,占优势的排列方式才是重要的。

(二)杆菌 细胞呈杆状或圆柱形。各种杆菌的长度与直径比例差异很大,有的粗短,有的细长。短杆菌近似球状,长的杆菌近丝状。一般来说,同一种杆菌其粗细比较稳定,而长度则经常因培养时间、培养条件不同而有较大变化。有的杆菌很直,有的稍弯曲。有的两端截平,如炭疽芽孢杆菌,有的略尖,如鼠疫巴斯德氏菌,有的半圆。

杆菌细胞常沿一个平面分裂,大多数菌体分散存在,但有的杆菌呈长短不同的链状,有的一个紧挨一个呈栅栏状或八字形。以上排列方式,在一些情况下并非形态学特征,而是生长阶段或培养条件等原因造成。因此,对大多数杆菌来说,其细胞排列方式在分类鉴定中作用不大。

杆状菌是细菌中种类最多。工农业生产中所用的细菌大多是杆菌。杆菌中也有不少是致病菌。

(三)螺旋菌 细胞呈弯曲杆状的细菌统称螺旋菌。螺旋形细菌细胞壁坚韧,菌体较硬,常以单位细胞分散存在。不同种的细胞个体,在长度、螺旋数目和螺距等方面有显著区别,据此可再分为弧菌与螺旋菌两种状态。

弧菌 菌体只有一个弯曲,其程度不足一圈,犹如'C'字,或似逗号,如霍乱弧菌,又名逗号弧菌。这类菌往往与一些略弯曲的杆菌很难区分。

螺旋菌 菌体回转如螺旋状。螺旋数目和螺距大小因种而异。有的菌体较短,螺旋紧密;有些很长,并呈现较多的螺旋和弯曲,例如减少螺菌等。在观察形态时,应特别注意螺旋的和波浪的细胞形态、旋转或波纹的数目以及细胞长度。

弧菌与螺旋菌的显著特征,前者往往为偏端单生鞭毛或丛生鞭毛,后者两端都有鞭毛。

值得注意的是,螺旋菌与螺旋体目的生物在形态上很相似,螺旋体也是一类原核微生物,但不是细菌。有关螺旋体的知识,将在第四节中叙述。

球菌、杆菌和螺旋菌是细菌的三种基本形态。此外,还有些具有其他形态的细菌,如柄杆菌属,细胞呈杆状或梭形,并具有一根特征性的细柄,可附着于基质上。又如球衣菌属,能形成衣鞘,杆状的细胞呈链状排列在衣鞘内而成为丝状。

细菌的形态明显地受环境条件的影响,如培养温度、培养时间、培养基的组成与浓度等发生改变,均可能引起细菌形态的改变。一般处于幼龄阶段和生长条件适宜时,细菌形态正常、整齐,表现出特定的形态。在较老的培养物中,或不正常的条件下,细胞常出现不正常形态,尤其是杆菌,有的细胞膨大,有的出现梨形,有的产生分枝,有时菌体显著伸长以至呈丝状等,这些不规则的形态统称为异常形态。若将它们转移到新鲜培养基中或适宜的培养条件下又可恢复原来的形态。

依其生理机能的不同,可将异常形态区分为畸形和衰颓形两种。

畸形 由于化学或物理因子的刺激,阻碍了细胞的发育而引起的形态异常。例如巴氏醋杆菌通常为短杆状,由于培养温度改变。使之变为纺锤状、丝状或链锁状。

衰颓形 由于培养时间过长,细胞衰老,营养缺乏,或因自身代谢产物积累过多等原因而造成的形态异常。这种细胞,繁殖能力丧失,形体膨大,形成液泡,着色力弱,有时菌体尚存,实已死亡了。例如乳酷芽孢杆菌,正常形态长杆状,衰老时则成为分枝状的衰颓形。

上述原因导致的形态异常往往是暂时的,在一定条件下又可恢复正常。因此,在观察比较细菌形态时,必须注意因培养条件的变化而引起的形态变化。

二、细菌的大小

细菌大小随种类不同差别很大。有的与最大的病毒粒子大不相近,在光学显微镜下勉强可见,有的与藻类细胞差不多,几乎肉眼就可辨认,但多数细菌居于二者之间。

尽管细菌细胞微小,采用显微镜测算。球菌大小以其直径表示,杆菌和螺旋菌以其长度与宽度表示。不过螺旋菌的长度是菌体两端点间的距离,而不是真正的长度,它的真正长度应按其螺旋的直径和圈数来计算。

微米[micrometer,缩写μm,1微米=10-3毫米(mm)]是测量细菌大小的常用单位。最小的细菌只0.2微米,最大的可长达80微米,但一般不超过几微米。球菌直径多为0.5-1微米;杆菌直径与球菌相似,长度约为直径的一倍或几倍。杆菌还可细分为小型杆菌(0.2-0.4×0.7-1.5微米)、中型杆菌(0.5-1×2-3微米)和大型杆菌(1-1.25×3-8微米);螺旋菌为0.3-1×1-50微米。细菌大小的比较见表2-2。

三、细菌细胞的结构

研究和认识细菌细胞的结构,是分子生物学的重要内容之一。细菌是最小的细胞生物,20世纪50年代以前,对其结构与组成知道甚少。由于电子显微镜的使用和生化技术的进展,已逐渐认识到原核细胞与真核细胞间的重大区别。典型的原核细胞--细菌,其结构可分为两部分:一是不变部分或基本结构,如细胞壁、细胞膜、细胞核和核糖体,为全部细菌细胞所共有;二是可变部分或特殊结构,如鞭毛、散毛、荚膜、芽孢和气泡等。这些结构只在部分细菌发现,可能具某些特定功能。在适宜条件下,所有这些结构都可以通过电子显微镜像观察,并能对它们在细胞中的排列、分布加以分析研究。

单纯观察结构是不够的,关键是要了解细胞每个结构的化学组成。细胞的组成也可分为两类,一类是不变的,为所有细菌或原核生物所共有,是生命活动所绝对需要的;另一类是可变的,在部分细胞中发现,可能具备某种特殊功能。

为了检查这些化学组成,常常把某一结构进行分离提纯和分析。现已很详尽地了解了许多不同细菌细胞的结构组成,这对于进一步了解细胞机能是很重要的。

(一)细胞壁

细胞壁是位于细胞表面,内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具弹性的结构。占细胞于重的10-25%。

细胞壁具有保护细胞免受机械性或渗透压的破坏,维持细胞外形的功能。失去细胞壁后,各种开头的细菌都将变成球形。细菌在一定范围的高渗溶液中原生质收缩,出现质壁分离现象,在低渗溶液中,细胞膨大,但均不会改变形状或破裂,这些都与细胞壁具有一定坚韧性和弹性有关,细胞壁的化学组成,使之具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性,细胞壁可能为鞭毛运动提供可靠的支点,具有鞭毛的细菌失去细胞壁后,仍保持其鞭毛,但不能运动,可见细胞壁的存在是鞭毛运动所必需的。细胞壁实际上是多孔性的,具一定屏障作用,水和某些化学物质可以通过,但对大分子物质有阻拦作用。

细胞壁在电子显微镜下清晰可见,并可测知厚度。用机械方法使细菌破裂后,细胞内含物逸去,借差异离心术,可以分离得到纯的细胞壁(图2-9)。采用质壁分离与染色方法,可在光学显微镜下看到细胞壁(图2-10)。如果用阿拉(Hale)法阿拉(Hale)法即先用1%的磷钼酸,然后用1%的甲基绿溶液染色染色,细胞质不着色,细胞壁却呈绿色。

不同的细菌,细胞壁的化学组成和结构不同。通过革兰氏染色法可将所有细菌的重要方法,1884年由丹麦人革兰氏发明。其染色要点:先用结晶紫染液染色,再加媒染剂--碘液处理,使菌体着色,然后用乙醇脱色,最后用复染液(沙黄或番红)复染。显微镜下菌体呈红色者为革兰氏染色阴性细菌(常以G-表示),呈深紫色者为革兰氏染色阳性反应细菌(常以G+表示)。G+菌与G-菌细胞壁的化学组成结构具有明显差异。

1、革兰氏阳性细菌(Gram-positivebacteria)

细胞壁的化学组成以肽聚糖(peptidoglycam)为主,这是原核生物所特有的成分,占细胞壁物质总量的40-90%。另外还结合有其他多糖及一类特殊的多聚物--磷壁(酸)质(teichoicacid)。肽聚糖是一个大分子复合体,由若干个N-乙酰葡萄胺(简写NAG)和N-乙酰胞壁酸(,简写NAM)以及少数氨基酸短肽链组成的亚单位聚合而成。NAG和NAM相间排列,以β1,4葡萄糖苷键连接,形成肽聚糖多糖链,其长度因菌种而异,一般每条多糖链有10-56个二糖单位(或氨基糖),例如金黄色葡萄球菌最短,只有9个二糖单位,而地衣芽孢杆菌可多达79个单位。以肽键连接的氨基短肽,形成了肽聚糖的肽链,其氨基酸的组成和排列顺序,通常为L-丙氨酸、D-谷氨酸、L-二氨基酸(即L-赖氨酸或二氨基庚二酸等)和D-丙氨酸。这些短肽,通过D-乳酰羧基连在部分或全部N-乙酰胞壁酸的残基上。相邻的短肽通过一定的方式将肽聚糖亚单位交叉联结成重复结构。革兰氏阳性细菌肽聚糖分子中的75%的亚单位纵横交错连接,从而形成了紧密编织、质地坚硬和机械性强度很大的多层的三度空间风格结构。如枯草芽孢杆菌的肽聚糖分子可达20层之多。

磷壁(酸)质又名垣酸,是大多数革兰氏阳性细胞壁组成基质所特有的化学成分。它以末端的磷酸二酯键连接于N-乙酰胞壁酸第六位碳原子上,可能占细胞壁干重50%,它是多元醇和磷酸的聚合物,能溶于水。其主链一般由数十个磷酸核糖醇或磷酸甘油组成,有的还具有由氨基酸或还原糖构成的侧链。根据主链组成的不同,分别称为甘油型和核糖醇型两种。

核糖醇磷壁(酸)质是以磷酸二酯键把两个相邻的核糖醇第一位和第五位的碳原子连接起来。大多数核糖醇残基在第二位碳原子上接一个D-丙氨酸,而第三和第四位碳原子上可由不同的糖(葡萄糖、半乳糖、N-乙酰葡萄糖胺)取代。核糖醇磷壁(酸)质的链较长,少者为10个残基,多者有40-50个残基。甘油磷壁(酸)质在相邻的两个磷酸甘油第一位与第三位碳原子上的羟基则与D-丙氨酸或糖连接。少量的甘油磷壁(酸)质也分布在细胞膜中,被称为膜磷壁(酸)质或脂磷壁(酸)质,它们同膜中的糖脂共价结合。除个别球菌外,革兰氏阳性细菌的细胞壁都只含一种磷壁(酸)质。磷壁(酸)质的存在,使细胞壁形成了一个负电荷环境,大大加强了细胞膜对二价离子的吸附,尤其是Mg2+。而高浓度Mg2+的存在,对于保持膜的硬度,提高细胞壁合成酶的活性极为重要;另有报道认为,磷壁(酸)质在细胞表面构成了有利于噬菌体吸附的受体位点,也是细胞壁深层的一种抗原物质。

2、革兰氏阴性细菌(Gram-negtivebacteria)

革兰氏阴性细菌细胞壁的组成和结构比革兰氏阳性细菌更复杂。其结构层次明显,分为内壁层和外壁层。

内壁层紧贴细胞膜,厚约2-3nm,是一单分子层或双分子层,占细胞壁干重5-10%,由肽聚糖组成。肽聚糖多糖链结构与革兰氏阳性细菌相同,但肽链中的L-赖氨酸往往被其他二氨基酸取代。由于它们只有30%的肽聚糖亚单位彼此交织联结,故其网状结构不及革兰氏阳性细菌的坚固,显得比较疏松(图2-16和图2-17)。外壁层覆盖于肽聚糖层的外部、表面不规则,切面呈波浪形。外壁层可再分为内、中、外三层。最外层为脂多糖层,中间为磷脂层,内层为脂蛋白层,它以脂类部分与肽聚糖肽链中的二氨基庚二酸连接。某些细菌的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性均与这些成分有关。脂多糖是革兰氏阴性细菌细胞外壁层的主要成分,也是革兰氏阴性细菌细胞壁中独有的成分,其化学组成因种而有一定差别。分子结构非常复杂,分子量在一万以上。它由三个部分组成,即核心。O-侧链和脂质。核心部分由5-10种糖类。乙醇胺和磷酸盐组成核心链,其中2-酮-3-脱氧辛酸和庚糖是少见的成分,多个核心链通过磷酸酯键彼此连接。核心的一体抗原。不同种或型的细菌,O-侧链的组成和结构(如多糖的种类和序列)均有变化,构成了各自的特异性抗原,像沙门氏菌,根据O-抗原可再细分为1,000多个血清型,这些血清型的沙门氏菌,核心部门相同,而O-抗原的差异,使之在免疫学和临床诊断中具有重要意义。非致病性革兰氏阴性细菌细胞壁组成中不具O-侧链,只有核心。核心的另一端以共价键连接脂质,由葡萄糖、半乳糖、N-乙酰葡萄糖胺、脂肪酸和磷酸组成,是脂多糖的主要毒性成分。

综上所述,除支原体外,几乎所有的原核生物都具有坚韧的细胞壁,通过革兰氏染色法,可将它们分为革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌两大类,二者的细胞壁差别很大。革兰氏阳性细菌的细胞壁较厚,只有一层,主要由肽聚糖组成,革兰氏阴性细菌却有内壁层和外壁层两 (图2-20),它们的成分也不同,从化学组成看,革兰氏阳性细菌却有内壁层和外壁层两层(40-90%),含脂量低,而革兰氏阴性细菌正好相反(表2-3)。此外,二者肽聚糖亚单位联结的方式也有些差异。肽聚糖亚单位间的交联,通常由一条肽链的第四个基的羧基同另一条和第三个氨基酸的自由氨基,以氨基酸间桥连接,并通过以下几种方式构成肽聚糖同网格:1.直接以肽链交联,如大肠杆菌(图2-21,A);2.加进单一的氨基酸,多种革兰氏阴性细菌属此方式(图2-21,B);4.通过一条与连接在胞壁酸上的四肽链基本相同的额外多肽链交联,如溶壁微球菌。细菌细胞组成中,胞壁酸、磷壁(酸)质、二氧基庚二酸、D-氨基酸等是细菌以及与之相近的原核生物细胞壁中所特有的。D-氨基酸的存在,有助于抵抗普通蛋白酶和肽酶的分解作用。

3.细菌细胞壁与革兰氏染色反应

关于革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁结构和组成的区别对革兰氏染色反应有何关系,尚待研究。现在大多认为,在染色过程中,细胞内形成了深紫色晶紫-碘复合物。这种复合物可被酒精从革兰氏阴性细菌细胞内浸出,而阳性菌则较困难。这是由于阳性细菌细胞壁较厚,尤其是肽聚糖含量较高,网格结构紧密,含脂量又低,当它被酒精脱色时,引起了细胞壁肽聚糖层网状结构的孔么缩小以至关闭,从而阻止了不溶性结晶紫-碘复合物的逸出,故菌体呈深紫色;可是,革兰氏阴性细菌的细胞壁肽聚糖层较薄,含量较少,而脂抽提出来,故革兰氏阴性细菌菌体呈复染液的红色。此外还有其他的解释。但很多观点都涉及到细胞壁的结构与组成,结晶紫-碘复合物与细胞壁、细胞膜的关系。研究者发现,细胞内的核酸和核蛋白、脂类、磷酸盐复体如多元醇磷酸盐、或多糖和核酸,这些物质都能保留结晶紫-碘复合物在细胞内不至脱色。

4.细胞壁缺陷细菌

用溶菌酶处理细胞或在培养基中加入霉素等因子,使可破坏或抑制细胞壁的形成,成为细胞壁缺陷细菌。通常包括原生质体、球形体和细菌L-型。用溶菌酶除去革兰氏阴性菌细胞壁时,若先用乙二胺四乙酸(EDTA)处理一下外壁,则效果要好些。

原生质体(protoplast) 在革兰氏阳性细菌培养物中加溶菌酶或在含青霉素等的培养基里培养阳性细菌,便可破坏或抑制细胞壁的合成。细菌除去细胞壁后剩下的部分叫做原生质体。原生质体由于没有坚韧的细胞壁,故任何形态的菌体均呈球形。对环境条件很敏感,而且特别脆弱,渗透压、振荡、离心以至通气等因素都易引起原生质体破裂,有的原生质体还保留着鞭毛,但不能运动,也不能被相应的噬菌体感染。可是其他生活性基本不变,在适宜条件下照样生长繁殖,形成菌落,如用即将形成芽孢的营养体获得的原生质体还可形成芽孢。原生质体的获得,给微生物学工作者提供了另一种类型的生物学实体,以研究基本生物学过程;用原生质体融合新技术,可培育新的优良菌种。

球形体(spheroplast) 多用革兰氏阴性细菌,以上述同样方法处理便可获得。该类菌由于细胞壁肽聚糖含量少,虽被溶菌酶除去,但外壁层中脂多糖、脂蛋白仍然全部保留,外壁的结构存在,所以,球形体较之原生质体外界环境具一定抗性,并能在普通培养基上生长。

细菌L-型(bacterialL-form)是细菌在某些环境条件下所形成的变异型。没有完整而坚韧的细胞壁,细胞呈多形态,有的能通过滤器,故又称'滤过型菌'。在低渗条件下生长缓慢,在固体培养基上形成一种直径约0.1mm的微小菌落,中心部分深埋于培养基内,呈典型的'油煎蛋'状。这些变异型,有些是能回复至亲代的'不稳定'变异株,有些是不能回复的'稳定'变异株。由于它最先被英国Lister医学研究院发现,故名细菌L-型。现在,大肠杆菌、变形杆菌、葡萄球菌、链球菌、分枝杆菌和霍乱弧菌等20多种细菌中的均有发现。

(二)细胞膜

细胞膜(cellmembrace)又称原生质膜或质膜(plasmalemma),是外侧紧贴于细胞壁而内侧包围细胞质的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜。细菌细胞经质壁分离后,再用中性或碱性染料着色,可在光学显微镜下查见细胞膜(图2-10)。若要制备供电子显微镜研究用的质膜,必须将细胞先用显微镜仔细观察,细胞膜表现为两条细线,中间被一个较亮的区域隔开,犹如火车的两条轨道。总厚约7-8纳米,膜的光亮区(透明层)厚约4纳米,膜的内、外两层致密层各厚约2纳米(图2-22,参阅图2-20,A,注意细胞壁内侧的两条黑线)。

研究细胞膜的化学组成及有关性质时,常以革兰氏阳性细菌的材料,因为革兰氏阳性细菌的细胞壁易被溶菌酶除去,剩下的原生质体,通过渗透裂解,很容易得到纯的细胞膜。经研究得知,细菌细胞膜的化学组成和结构与其他生物的相似。细菌细胞膜占细胞干重的10%左右。其化学组成主要是脂类(20-30%)和蛋白质(60-70%),此外还有少量糖蛋白和糖脂(约2%)以及微量核酸。

脂类 细菌细胞中的脂类几乎全部分布在细胞膜中,主要为极性类脂--甘油磷脂。甘油磷脂由甘油、脂肪酸、磷酸和含氮碱组成。含氮碱部分常因菌种、菌体生理状态和环境条件而异。

其中甘油第三位碳原子上的羟基同磷酸结合,第一、第二位碳原子则同长链脂肪酸结合,而磷酸的羟基末端常与含氮碱结合。虽然磷脂的化学成分可因菌种而异,但它们都是两性分子,其结构可以分为两个类似的部分,即亲水的头部或极性端(X部分)和疏水的尾部或非极性端(R部分)。磷脂分子在水溶液中很容易形成具有高度定向性的双分子层,相互平行排列于膜内,亲水的极性基指向双分子层的外表面(即面向水分较多的外界和原生质),疏水的非极性基朝内(即排列在组成膜的内部),这样就形成了膜的基本结构。

磷脂中的脂肪酸有不饱和及饱和脂肪酸两种。不饱和脂肪酸分子中有两个或几对碳原子具双键,使细胞膜具备了流动的特征。如果磷脂分子中只含饱和脂肪酸,在生理温度下,脂肪酸末端便排列成固定的晶格。但是,不饱和脂肪酸的双键可导致膜结构的变形。当磷脂分子中二者同时存在时,在一定条件下就阻碍了形成晶格结构所需的有秩序排列。因此,膜的流动性很大程度上取决于不饱和脂肪酸的结构和相对含量。这种结构,使得膜中脂类在低温条件下仍能维持膜中蛋白质的活性。环境中的温度或某些化学成分的改变,都会引起细胞膜发生'分相'现象,即一部分脂区从流动态变为凝胶态,另一部分则从凝胶态变为流动态。所以,膜中磷脂层的某些部分,随着外界环境的变化以及膜中指类的不同,结构上常出现'变相'和'分相'现象。这正好反映了膜功能的多样性以及调节机制的复杂性。

细菌细胞膜中的蛋白质组成与普通蛋白质没有区别,但含量约占细胞膜的75%,比任何一种生物膜的都高,而且种类也多,如转运蛋白质、电子转运蛋白质以及多种酶类。它们杂乱无章地分布于膜上,无论种类和数量,在细菌不同生长时期都有很大变化。根据蛋白质在膜上的分布情况,可以分为两大类:一类是外周蛋白质,亦称可溶性蛋白质,占膜蛋白质含量的20-30%,主要分布在膜内、外两则的表面,通过静电作用,以离子键与脂的极性端结合;另一类是固有蛋白质,占膜蛋白质含量的70-80%,它们插入或贯串于磷脂双分子层中(即非极性端)。有的蛋白质也是一个两性分子,极性端伸入水相,而非极性部分则与磷脂的非极性端呈疏水性结合),形成稳定的膜结构。有些固有蛋白质分子甚至可以从膜的一侧穿过两层磷脂分子而至另一侧之外。暴露于膜外侧的蛋白质分子有的还带有糖类物质。细胞膜的结构见图2-24。

关于细胞膜的结构,一直是人们研究的重要理论问题之一,提出了一些假说或模型,均未能公认,有待进一步探讨。除前面介绍的假说外,还有'单位膜'假说和'板块膜模型'。

'单位膜'假说,在50年前一直用此理论解释。它认为,磷脂双分子层是膜的主体,极性基部分分别朝向内、外表面,非极性基部分向内,而蛋白质以β-折叠形式,通过静电引导力作用与磷脂的极性结合,组成'蛋白质-磷脂-蛋白质'这种三层结构,犹如'夹心面包'。

而'板块膜膜型'认为,在磷脂双分子层中,一部分呈现为流动态,一部分呈现为凝胶态,从整个膜的平面看,为许多不同组织结构、不同性质的膜同时共存。

综上所述,目前对于膜的结构虽然看法不一致,但有几点却是公认的:1.磷脂双分子层构成了膜的基本骨架;2.磷脂分子在细胞膜中以多种形式不断运动,从而使膜结构具有流动性; 3.膜蛋白质无规则的、以不同深度分布于膜的磷脂层中;4.膜中的蛋白质和磷脂,不论数量和种类,均随菌体生理状态而变化。

对整个细胞型生物而言,细胞膜是一个极其重要的结构。例如支原体,它可以没有细胞壁,但绝不能没有细胞膜,如其受损,就会导致死亡。细胞膜是一个重要的代谢活动的中心,繁多的膜蛋白质,各具特殊活性,按其功能又可分为下面四种:

1.渗透酶 对于菌体与交换物质起着重要作用。它们与各种无机的和有机的营养分子结合,并转运到细菌细胞内。如半乳糖苷渗透酶与乳糖分子结合后,使之进入菌体内。同时能逆浓度梯度将营养物运入细胞,废物或多余的物质又可排出体外。

2.合成酶 包括合成细胞膜脂类分子以及细胞壁上各种大分子化合物的种种酶类。

3.呼吸酶 细菌进行有氧呼吸时,必须通过呼吸链传递电子和氢离子以产生ATP。而呼吸链就是由琥珀酸脱氢酶、NADH2脱氢酶、细胞色素氧化酶等组成。这些酶都分布在膜上。

4.ATP合成酶 在其作用下,细胞可产生ATP。呼吸作用能产生大量ATP,这又与细胞膜的选择半渗透性有关。近年的'化学渗透说'认为:假定细胞膜对H+和OH-不具渗透性。但细菌在呼吸时,其电子传递体膜内外的pH梯度,即膜外H+浓度高,膜内OH-浓度高。当体外H+通过ATP酶重新进入体内时,能量便能产生。。

除细胞膜外,很多细菌还具有内膜系统。包括间体、载色体、羧酶体、类囊片等。

间体 用电子显微镜观察细菌细胞的超薄切片,在细胞质中可见一个或数个较大的、不规则的层状、管状或囊状物,称为间体(mesosome)。它是细菌细胞质中主要的、典型的单位膜结构,与细胞膜连接。用适当的方法去掉细胞细胞壁后,有些细菌的间体便伸展成为细胞膜的一部分;有些细菌的间体,一部分成为细胞膜,另外还留下一些泡沫状物体,似乎与细胞膜向内简单延伸或折叠而成,或者它们很复杂,以满足细胞膜活性增加的需要。间体在革兰氏性细菌细胞中发育良好而且比较清楚,革兰氏阴性细菌中不甚明显。用不同浓度梯度离心法可提纯间体。分析表明,间体的化学组成与细胞膜相比,仅在含量上有差别。

对间体的生理功能还不完全了解。据推测它可能是呼吸作用的电子传递系统的中心,相当于高等生物的线粒体,因其上具有细胞素氧化酶、琥珀酸脱氢等呼吸酶系,故有人称之为'氦线粒体';可能还具有合成细胞壁特别是横隔壁所需的酶,因细胞分裂时,常见间体位于新形成的横隔壁处;在电子显微镜下可以看到DNA复制点和细胞膜,是和间体相结合的现象,因此,也许与核分裂有关;另外,间体的一边与细胞膜连接,尤其另一边则与核物质紧密接触,似乎与真核生物的内质网一样,起着向核运送物质和能量的作用;芽孢的形成,可能与间体有关。

载色体(chromatophore)亦称色素体,是光合细菌进行光合作用的部位,相当于绿色植物的叶绿体,由单层的与细胞膜相连的内膜所围绕,直径可大于100nm。主要化学组成是蛋白质和脂类。它们含有菌绿素、胡萝卜素等色素以及光合磷酸化所需的酶系和电子传递体。绿硫菌科的载色体,是由一系列膜组成的囊泡构成,以分散状态充满于细胞质中。而红硫菌科也叫光合膜,是由细胞膜内陷延伸成为囊状、管状或层状系统。

羧酶体(Carboxysome)又称多角体,是自养细菌所特有的内膜结构。大小约为50-500nm,由厚约3.5nm的蛋白质单层膜所包围,可能是固定CO2的场所。羧酶体中含有自养生物4所特有的5-磷酸核酮糖激酶和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶,这两种酶是卡尔文循环中固定CO2的关键性酶类,通过卡尔文循环,使自养菌与异养菌一样含有了磷酸己糖。一些光合细菌,如蓝细菌以及化能自养菌如硝化杆菌科细胞中均具羧酶体。

在蓝细菌细胞中还具有类囊体(thylakoid),由单位膜组成,上面含有叶绿素、胡萝卜素等光合色素和有酶类,故又称光合作用膜,是蓝细菌进行光合作用的场所。

(三)细胞核

细菌的核位于细胞质内。没有核膜,没有核仁,没有固定形态,结构也很简单。这是原核生物与真核生物的主要区别之一。正因为细菌的核比较原始,故称为原始形态的核或拟核(nucleoid),它实际上是DNA性质的、与高等生物细胞核功能相似的核物质,所以又称染色质体或细菌染色体。

在没有找到适当的染色方法之前,细菌是否有核,认识不一。早期细胞学者认为细菌无核,只有细胞质,颗粒和液泡;有的认为整个菌体就相当于高等生物的核;也有人认为细菌具有发育比较原始、没有形成集中构造、扩散于细胞质中的核。

近年来,由于同位素放射显影术、重金属投影术和电子显微镜超薄切片等技术的应用,细菌细胞核在超薄切片电子显微镜图上表现为一上个反差较弱的区域,有人称它为核区。它含有丝状物质,但缺乏确定的膜包围。丝状物是由双链的,可能是环状的DNA分子折叠缠绕而成。当原生质体被温和地裂解时,丝状物从细胞中涌出成为一根长丝,可能是一个分子,拉直后,其长度比细胞长度大若干倍。丝的长度却是1,100-1,400微米!可见,细胞内的DNA必然是一种高度折叠缠绕、错综复杂的'超线圈'结构。这对于遗传性状的传递起着重要作用。

细菌的DNA由于含有磷酸基,使之带有很高的负电荷。在细胞内,这些负电荷被Mg2+以及有机碱如精胺、亚精胺和腐胺等中行。而真核生物的DNA,其负电荷则被碱性蛋白质如组蛋白质、鱼精蛋白等白等中和。这是原核生物与真核生物的又一区别。

如果以适当的方法处理,细菌的核在光学显微镜下也可以看见。因细菌细胞内含有大量的RNA,当其着色后,便影响了对核的观察,如先用RNA酶或1mlo/LHC160℃处理5-10分钟,随后再用对DNA有特异性的染色方法,如富尔根染色法或姬姆萨以及其他染色法,细胞中的核物质便可显示出来。在静止期的细菌,核多呈球形、棒状或哑铃状。正常情况下,一个菌体内具体一个核;而细菌处于活跃生长时,由于DNA的复制先于细胞分裂,一个菌体内往往有2-4个核;低速率生长时,则可见1-2个核。核的分裂一般从一端开始,因而在分裂过程中常出现H、X和Y形核。各种原核生物的DNA分子量,通过物理法测定表明,它们都很接近,绝大多数在1-3×10 9道尔顿之间,蓝细菌略高,支原体偏低。

质粒(plasmid) 很多细菌细胞质中,除染色体外还有质粒。它是存在于细菌染色体外或附加于染色体上的遗传物质,绝大多数由共价闭合环状双螺旋DNA分子所构成,分子量较细菌染色体小,约2-100×106道尔顿。每个菌体内有一个或几个,也可能有很多个质粒,每个质粒可以有几个甚至5、0-100个基因。不同质粒的基因可以发生重组,质粒是基因与染色体基因间也可重组。很多细菌,如杆菌、痢疾杆菌、绿脓杆菌、根瘤土壤杆菌、金黄色葡萄球菌、乳酸链球菌等均具质粒。

按其功能,质粒可分为,抗药性质粒(R因子),对某些抗生素或其他药物表现抗性;致育因子(F因子),它是最早发现的与细菌有性接合有关的质粒;大肠杆菌素质粒(Col因子),使大肠杆菌能产生大肠杆菌素,以抑制其他细菌生长,有的质粒对某些金属离子具有抗性,包括碲(Te6+)、砷(As3+)、汞(Hg2+)、镍(Ni2+)、钻(Co2+)、银(Ag+)、镉(Cd2+)等;有的质粒对紫外线、X射线具有抗性。在假单胞菌科中还发现了一类极为少见的分解性质粒,能分解樟脑、二甲苯等。现在研究得较多而且较为清楚的是大肠杆菌的F因子、R因子和Col因子。

质粒可以从菌体内自行消失,也可通过物理化学手段,如用重金属、吖啶类染料或高温处理其消除或抑制;没有质粒的细菌,可通过接合、转化或转导等方式,从具质粒的细菌中获得,但不能自发产生。这一现象表明:质粒存在与否,无损于细菌生存。但是,许多次生代谢产物如抗生素、色素等的产生、以至芽粒的形成,均受质粒的控制。

质粒既能自我复制、稳定遗传,也可插入细菌染色体中或其携带的外源DNA片段共同复制增殖;它可通过转化、转导或接合作用单独转移,也可携带着染色体片段一起转移。所以质粒已成为遗传工程中重要的运载工具之一。

(四) 核糖体

核糖体(ribosome)是细胞中的一种核糖核蛋白质的颗粒状结构。由65%的核糖酸和35%的蛋白质组成。原核生物的核糖体常以游离状态或多聚核糖体状态分布于细胞质中。而真核细胞的核糖体既可以游离状态存在于细胞质中,也可结合于内质网上;线粒体、叶绿体、细胞核内也有各自在结构上特殊的核糖体。原核生物核糖体沉降系数均为70S;真核微生物细胞器核糖体变为70S,而细胞质中的却为80S。70S核糖体在Mg2+浓度低于0.1mmol/L时可解离为30S和50S两个大小不同的亚基;当Mg2+浓度达10mmlo/L以上时,大小亚基又重新聚合。两个亚基的组成可用图2-30表示。S值因分子量及分子形状而定,分子量大或分子形状密集S值大,反之则低。由于两亚基结合后的形态与分散时的形态略有改变,故30S与50S结合后的S值而不是80S。

应用电子显微镜和其他物理方法研究表明:大肠杆菌体呈椭圆球形,体积为13.5×20×40纳米。30S亚基上有一凹陷的颈部,将其分为头部与躯干两部分;50S亚基的外形带有三个角,中间凹下;50S亚基的外形带有三个角,中间凹下,并有一个很大的空穴。当二者结合成70S时,30S的亚基水平地50S亚基结合,腹面与50S亚基结合面上有相当大的空隙,蛋白质生物合成过程可能就在其中进行。

采用温和的条件,小心地从细胞中分离核糖体时,可以得到3-4个以至上百个成串的核糖体,叫做多聚核糖体。它由一条长的mRNA分子与一定数目的核糖体结合而成,每个核糖体可能独立完成一条肽链的合成,所以这种多聚核糖体的外观呈念珠状,每个核糖体可以独立完成一条肽链的合成,所以这种多聚核糖体在一条mRNA链上可同时合成几条肽链,这就大大提高了翻译效率。因此细菌能在很短时间内大量生长繁殖。

核糖体是蛋白质的合成'车间'或'装配机',其数量多少与蛋白质合成直接相关,往往随菌体生长速率而变,据估计,快速繁殖时核糖体数目高,每个菌体可有1-7×10 4个。缓慢繁殖时,其数量可减至2,000个左右。原核生物细胞中平均约含15,000个,而真核细胞平均约含10 6-10 7个。

(五)细胞质及其内含物

细胞质是细胞膜内的物质,除细胞核外,皆为细胞质。它无色透明,呈粘液状,主要成分为水、蛋白质、核酸、脂类,并有少量糖及无机盐。由于富含核酸,因而嗜碱性强,幼龄菌囊体等均属细胞内结构,此外还有气泡和颗粒状内含物。

气泡(gasvacuold) 某些光合细菌和水生细菌的细胞质中,含有几个乃至很多个充满气体的圆柱形或纺锤形气泡(图2-23),它由许多气泡囊(gasvesicle)组成。其膜不同于真正的膜,它只含蛋白质而无磷脂。蛋白质亚单位排列成一个坚硬的结构,以对抗外部施加于该结构的压力,使之维持正常功能。膜的外表亲水,而内侧绝对疏水,故气泡只能透气而不能透过水和溶质。

气泡的生理功能有待进一步研究。实验表明,许多漂浮于湖水和海水中的某些光合与非光合性细菌、蓝细菌等都有气泡,使之具有浮力。蓝细菌就是一个典型的例子,由于大生长,有气泡的细胞漂浮于湖水表面,并随风聚集成块,常使湖内出现水华;有些光合细菌利用气泡集中在水下10-30米深处,这样既能吸收适宜的光线和营养进行光合作用,又可避免直接与氧接触;盐杆菌属的细菌,细胞中气泡显著,它们是专性好氧菌,可生活在含氧极少的饱和盐水中。因此,人们推测,气泡的作用可能是使菌体浮于盐水表面,以保证细胞更接近空气。

颗粒状内含物 在许多细菌细胞中,常含有各种较大的颗粒,大多系细胞贮藏物,如异染颗粒、聚β-羟基丁酸、肝糖、硫滴等。这些内含物常因菌种而异,即使同一种菌,颗粒的多少也随菌龄和培养条件不同而有很大变化。往往在某些营养物质过剩时,细菌就将其聚合成各种贮藏颗粒,当营养缺乏时,它们又被分解利用。

1.异染颗粒又名捩转菌素(volutin),可能是磷源和能源性贮藏物。颗粒随菌龄增长而变大。在细菌旺盛同化营养物的后期数量尤多。主要成分是多聚偏磷酸盐,可能还含有RNA、蛋白质、脂类与Mg2+。嗜碱性或暑中性较强,用蓝色染料(如甲苯胺蓝或甲烯蓝)染色后不呈蓝色而呈紫红色,故称异染颗粒。白喉杆菌和鼠疫杆菌具有特征性的异染颗粒,常排列在菌体的两端,所以又叫极体,在菌种鉴定上有一定意义。这种颗粒最早见于迂回螺菌细胞内,故亦称迂回体。

2.聚β-羟基丁酸颗粒 它为细菌所特有,是一种碳源和能源性贮藏物。它是D-3-羟基于酸的直链聚合物。这些颗粒易被脂溶性染料苏丹黑着色,在光学显微镜下可以看见。假单胞菌、根瘤菌、固氮菌肠杆菌等细胞内均有,而巨大芽孢杆菌的聚-β-羟基丁酸颗粒较大,直径约0.2-0.7微米,每个颗粒含有几千分子的聚-β-羟基丁酸。有些细菌的颗粒由一个4-6纳米宽的膜包围,但它并非一个单位膜结构。羟基丁酸分子呈酸性,当其聚合为聚-β-羟基丁酸时就成为为中性脂肪酸了,这样便能维持细胞中内性环境,避免菌体内酸性增高。

3.肝糖(blycogne)粒和淀粉粒 肝糖粒较小,只能在电子显微镜下观察,如用稀碘液染成红褐色,可在光学显微镜下看到。有的细菌积累淀粉粒,用碘液可染成深蓝色。

4.硫滴 某些硫磺细菌细胞内可积累硫滴。如贝氏硫菌属、发光硫菌属,当其生活在含H2S的环境中时,细胞内则积累折光性很强的硫滴。它是硫原贮藏物质,也可被细菌重新利用。

5.多肽(polypeptide) 有的芽孢杆菌如苏云金芽孢杆菌等,在细胞质内常形成一种菱形的多肽结晶,通常称为伴孢晶体,具有毒杀某些昆虫的作用。

综上所述,上同微生物其贮藏性内含物不同。例如厌气性梭状芽孢杆菌只含有聚-β-羟基丁酸,大肠杆菌只贮藏糖原,但有些光合细菌二者兼有。它们的形成对微生物是有利的。一方面,当环境中缺乏氮源而碳源和能源丰富时,细胞内就贮存较多的内含物;直至达到细胞干重的50%。如果把这样的细胞移入有氮培养基时,这些贮藏物被酶分解而作为能源和碳源用于合成反应;另一方面,这些贮藏物以聚体形式存在,有利于维持细胞内环境的平衡,避免不适合的pH、渗透压等的危害。同时,有些贮藏物若在细胞内大量积累,还可被人们利用。

(六)荚膜

荚膜(capsule) 有些细菌生活在一定营养条件下,可向细胞壁表面分泌一层松散透明、粘度极大、粘液状或胶质状的物质即为荚膜。这些物质,有时用负染色法可在光学显微镜下看见。根据荚膜在细胞表面存在的状况,可以分为以下四类。

这种物质若具一定外形,厚约200纳米,而且相对稳定地附着于细胞壁外者,称为荚膜或大荚膜(macrocapsule)。它与细胞结合力较差,通过液体震荡培养或离心便可得到荚膜物质。如果这种物质的厚度在200纳米以下者即为微荚膜。。它与细胞表面结合较紧,光学显微镜不能看见,但可采用血清学方法证明其存在。微膜易被胰蛋白质酶消化。

没有明显边缘,又比荚膜疏松,而且向周围环境扩散,并增加培养基粘度,这种类型的粘性物质层叫粘液层(slimelayer)。有的微生物,其附着性粘液物并非在整细胞表面产生,而是局限于一个区域,通常是在一端,使细胞特异性地附着于物体表面。这种局限化了的粘液层,叫'粘接物'。

荚膜物质互相融合,连为一体,组成共同的荚膜,多个菌体包含其中,称为'菌胶团'。肠膜明串珠菌,在蔗糖液中串生,并在其外形成一个共同的厚的荚膜。

产荚膜细菌由于有粘液物质,在固体琼脂培养基上形成的菌落,表面湿润、有光泽、粘状液、称为光滑型(smooth)菌落。而无荚膜细菌形成的菌落,表面干燥、粗糙,称为粗糙型(rough)菌落。产荚膜常常可突变为无荚膜菌体,被称为R型向S型转化。

荚膜的化学组成因菌种而异,主要是多糖,有的也含有多肽、蛋白、脂以及由它们组成的复合物--脂多糖、脂蛋白等(表2-5)。荚膜多糖又叫胞外多糖,它可能是一种单糖形成的同型多糖(或均质多糖),像肠膜明串珠菌、牛链球菌,在以蔗糖为碳源时,合成的葡聚糖液层即是:有的由两种以上的单糖组成异型多糖(或杂质多糖),如肺炎双球菌Ⅲ型的荚膜,由D-谷氨酸聚合而成;巨大芽孢杆菌等则由蛋白质与多糖组成;痢疾志贺氏菌的荚膜是多糖-多肽-磷酸复合物。有的胞外多糖常与磷酸、醋酸、延胡索酸或丙酮酸相结合。从结构看,大多数细菌荚膜是一种聚合物均匀结构,而有些细菌并非如此。通过荚膜膨胀试验表明:以多糖为骨架,多肽填充其间,如巨大芽孢杆菌荚膜就是这种结构。

产生荚膜是微生物的一种遗传特性,种的特征,但并非细胞绝对必要的结构,失去荚膜的变异株同样正常生长。而且,即使用特异性水解荚膜物质的酶处理,也不杀死细胞。

荚膜的形成与环境条件密切相关。肠膜明串珠菌,只有在人或动物体内,或者在环境中CO2分压较高时才形成荚膜;大肠杆菌需在丰富的碳水化合物和较低温度条件下才能形成。另外,产荚膜细菌也不是在整生活期内都能形成荚膜,如某些链球菌,早期形成,后期消失;肺炎双球菌缓慢生长时才能形成。

荚膜虽不是细胞的重要结构,但它是细胞外碳源和能源性贮藏物质,并能保护细胞免受干燥的影响,同时能增加某些病原菌的致病能力,使之抵御宿主吞噬细胞的吞噬。例如能引起肺炎的肺炎双球菌Ⅲ型,如果失去了荚膜,则成为非致病菌。有些具荚膜的病菌并非荚膜本身有毒,而是利于在人体大量生长繁殖所致。当然,有的荚膜有毒,如流感嗜血杆菌、肺炎克氏杆菌、和多杀巴斯德氏菌[出血败血性民氏杆菌,等。有些细菌能藉荚膜牢固地粘附在牙齿表面,引起龋齿。

产荚膜细菌,常常给生产带来麻烦,食品工业中的粘性面包、粘性牛奶,都是由于污染了些类细菌引起的。对制糖工业威胁更大,由于产荚膜细菌的大量繁殖,增加了糖液粘度,影响了过滤速度,使生产蒙受损失。

在一定条件下,有害的东西可变为有益的物质。肠膜明串珠菌,在人为控制下,让其得用蔗糖以合成大量荚膜物质--葡聚糖。葡聚糖是生产右旋糖酐的原料,而右旋糖酐是代血浆的主要成分,具体维持血液渗透压和增加血溶量的作用,临床上还用于抗休克、消肿和解毒。在医疗上十分重要。

提纯的荚膜物质,有的具抗原性和半抗原性,人们常通过血清学反应进行细菌鉴定。像炭疽杆菌,由于荚膜化学组成的微小差异,通过荚膜膨胀试验,可将其分为70多个型。

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