單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),,,*,,北京大學(xué)微生物課件,天狼后期工作室,,,北京大學(xué)微生物課件,1,,緒 論,,一、,什么是微生物,二、人類對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)史,三、微生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人類的進(jìn)步,四、微生物的五大共性,五、微生物學(xué)及其分科,,,緒 論,2,一、什么是微生物,,1 定義：,微生物,（microorganism, microbe）是一切肉眼看不見或 看不清楚的微小生物的總稱。它們都是一些個(gè)體微?。ㄒ话?lt;0.1mm）、構(gòu)造簡(jiǎn)單的低等生物。,2,種類,：包括屬于原核類的細(xì)菌（真細(xì)菌和古生菌）、放線菌、藍(lán)細(xì)菌（舊稱“藍(lán)綠藻”或“藍(lán)藻”）、支原體、立克次氏體和衣原體；屬于真核類的真菌（酵母菌、霉菌和蕈菌）、原生動(dòng)物和顯微藻類；以及屬于非細(xì)胞類的病毒和亞病毒（類病毒、擬病毒和朊病毒）。,,,一、什么是微生物,3,,,北京大學(xué)微生物學(xué)課件,4,3 特點(diǎn)：,,,小（個(gè)體微?。? µm（微米）級(jí)：光學(xué)顯微鏡下可見（細(xì)胞）,nm（納米）級(jí)：電子顯微鏡下可見（細(xì)胞器，病毒）,簡(jiǎn)（構(gòu)造簡(jiǎn)單） 單細(xì)胞,簡(jiǎn)單多細(xì)胞,非細(xì)胞（即“分子生物”）,低（進(jìn)化地位低） 原核類：細(xì)菌（真細(xì)菌，古生菌），放線菌，藍(lán)細(xì)菌，,,支原體，立克次氏體，衣原體等,真核類：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原生動(dòng)物，,顯微藻類,非細(xì)胞類：病毒，亞病毒（類病毒，擬病毒，朊病毒）,,,,,,,3 特點(diǎn)：,5,4 微生物并非生物分類學(xué)上的名詞，而是所有形體微小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 的低等 生物的總稱。,生物的分類概貌：（兩界系統(tǒng)、三界系統(tǒng)、四界系統(tǒng)、五界系統(tǒng)、六界系統(tǒng)、三總界五界系統(tǒng)、三域?qū)W說）,,非細(xì)胞生物 亞病毒,病毒,生物,原核生物 細(xì)菌,放線菌 原核生物界 微生物,藍(lán)細(xì)菌,細(xì)胞生物 古生菌,真核生物 真菌 酵母菌,霉菌 真菌界,蕈菌,單細(xì)胞藻類 真核原生生物界,原生動(dòng)物,植物 植物界,動(dòng)物 動(dòng)物界,,,,,,,,,,,,,4 微生物并非生物分類學(xué)上的名詞，而是所有形體微小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn),6,二、人類對(duì)微生物世界的認(rèn)識(shí),,（一）一個(gè)難以認(rèn)識(shí)的微生物世界,原因：個(gè)體微小，外貌不顯，雜居混生，因果難聯(lián)（形態(tài)與其作用的后果之間）,例：,①,艾滋?。ˋIDS），由人類免疫缺陷病毒（HIV）引起,從感染病毒至發(fā) 病一般要經(jīng)過12-13年的潛伏期。,,②,在發(fā)霉的花生、玉米等胚的附近，常易生長(zhǎng),Aspergillus flavus,(黃曲霉)，它會(huì)產(chǎn)生劇毒真菌毒素—黃曲霉毒素（aflatoxin），若經(jīng)常食用這類霉變食物，就會(huì)誘發(fā)肝癌等疾病。,,,由于上述認(rèn)識(shí)微生物的4個(gè)障礙遲遲未能解決，因此人類在其長(zhǎng)期的歷史發(fā)展中，,盡管也有自發(fā)地利用酵母菌等若干有益微生物的活動(dòng)，但更多的還是被各種病原微生,物所害，例如,鼠疫,（“黑死病”，歷史上3次大流行曾殺死近2億人口，死亡最慘重的二,戰(zhàn)1.1億）、,天花,、,瘧疾,、,麻風(fēng),、,梅毒,、,肺結(jié)核,（“白疫”）,和,流感,的大流行等。直到今,天，在全球范圍內(nèi)，不但傳染病仍是死亡的首因（1997年全球達(dá)5220萬人），而且還,面臨著舊病卷土重來、新病不斷出現(xiàn)（近20年來又出現(xiàn)30余種）的嚴(yán)峻形勢(shì)。,,“視而不見，嗅而不聞，觸而不覺，食而不察，得其益而不感其好，受其害而不知其,惡”,,,二、人類對(duì)微生物世界的認(rèn)識(shí),7,（二）微生物學(xué)發(fā)展史,,,整個(gè)微生物學(xué)發(fā)展史是一部逐步克服上述認(rèn)識(shí)微生物的4個(gè)障礙（如顯微鏡的發(fā),明，滅菌技術(shù)的應(yīng)用，純種分離和培養(yǎng)技術(shù)的建立等），不斷探究它們的生命活,動(dòng)規(guī)律，并開發(fā)利用有益微生物和控制、消滅有害微生物的歷史?，F(xiàn)扼要地將它,分為5個(gè)時(shí)期。（史前期、初創(chuàng)期、奠基期、發(fā)展期、成熟期）,,1 史前期,時(shí)間：約8000年前-1676,實(shí)質(zhì)：朦朧階段,開創(chuàng)者：各國(guó)勞動(dòng)人民。其中尤以我國(guó)的制曲、釀酒技術(shù)著稱,特點(diǎn)：,①,未見細(xì)菌等微生物的個(gè)體;,,②,憑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)利用微生物的有益活動(dòng)（進(jìn)行釀酒、發(fā)面、制醬、釀,醋、漚肥、輪作、治病等）,,,,（二）微生物學(xué)發(fā)展史,8,2 初創(chuàng)期,時(shí)間：1676-1861,實(shí)質(zhì)：形態(tài)描述階段,開創(chuàng)者：,列文虎克—微生物學(xué)的先驅(qū)者,特點(diǎn)：,①,自制單式顯微鏡，觀察到細(xì)菌等微生物,的個(gè)體（標(biāo)志）；,②,出于個(gè)人愛好對(duì)一些,微生物進(jìn)行形態(tài)描述。,標(biāo)志,：1676年列文虎克用自制的單式望遠(yuǎn)鏡觀察到細(xì)菌的個(gè)體,,3 奠基期,時(shí)間：1861-1897,實(shí)質(zhì)：生理水平研究階段,開創(chuàng)者：,巴斯德—微生物學(xué)奠基人；科赫—細(xì)菌學(xué)奠基人,,,2 初創(chuàng)期,9,特點(diǎn)：,①,微生物學(xué)開始建立；,②,創(chuàng)立了一整套獨(dú)特的微生物學(xué)基本研究方法（科 赫）；,③,開始運(yùn)用“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”的思想方法開展研究；,④,建立了許 多應(yīng)用性分支學(xué)科（細(xì)菌學(xué)、消毒外科術(shù)、免疫學(xué)、土壤微生物學(xué)、病毒學(xué)、植物病理學(xué)和真菌學(xué)）；,⑤,進(jìn)入尋找人類和動(dòng)物病原菌的黃金時(shí)期。,標(biāo)志,：1861年巴斯德根據(jù),曲頸瓶試驗(yàn),徹底推翻生命的自然發(fā)生說并建立胚,種學(xué)說（germ theory）。,,,科赫學(xué)派的重要業(yè)績(jī)：,①,科赫法則:病原微生物總是在患傳染病的動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)而不存在于健康個(gè)體中；這一,微生物可以離開動(dòng)物體，并被培養(yǎng)成純種培養(yǎng)物；這種純培養(yǎng)物接種到敏感動(dòng)物體,后，應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)特有的病癥；該微生物可以從患病的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中重新分離出來，并可,在實(shí)驗(yàn)室中再次培養(yǎng)，此后它仍然應(yīng)該與原始病原微生物相同。,②,微生物研究方法（瓊脂平板培養(yǎng)技術(shù)、顯微鏡技術(shù)、染色方法、懸滴培,養(yǎng)法以及顯微攝影技術(shù)）,③,平板分離方法（尋找并分離多種傳染病的病原菌）,,,特點(diǎn)：①微生物學(xué)開始建立；②創(chuàng)立了一整套獨(dú)特的微生物學(xué)基本研,10,巴斯德學(xué)派的主要貢獻(xiàn)：,①胚種學(xué)說：,曲頸瓶試驗(yàn)：1862年，巴斯德終于設(shè)計(jì),出一個(gè)巧妙的曲頸瓶試驗(yàn)。他給燒瓶安,裝了一像橫著眼放的S形狀的長(zhǎng)頸，當(dāng),把燒瓶中的肉湯煮沸時(shí)，不僅瓶中的微,生物被殺死了，水蒸汽把瓶頸中的微生,物也殺死了。等到湯放涼時(shí)，新鮮的空,氣就可以通過瓶頸自由進(jìn)到瓶子中，而,帶菌的灰塵由于比空氣重，在長(zhǎng)頸向下,彎曲處就被攔截住了。經(jīng)過這樣處理的培養(yǎng)液放許多天也不會(huì)變質(zhì)。而如果把培養(yǎng)液傾斜，讓它通過長(zhǎng)頸的彎曲部，或者把長(zhǎng)頸打斷，培養(yǎng)液中很快就會(huì)充滿了微生物。這樣就令人信服地證明了，是空氣中的微生物使湯腐敗的，而不是湯腐敗產(chǎn)生微生物。②巴斯德消毒法:低溫維持法，63 ℃、30min;高溫瞬時(shí)法，72 ℃、15s。,,,巴斯德學(xué)派的主要貢獻(xiàn)：,11,4 發(fā)展期,時(shí)間：1897-1953,實(shí)質(zhì)：生化水平研究階段,開創(chuàng)者：E. Büchner—生物化學(xué)奠基人,特點(diǎn)：,①,對(duì)無細(xì)胞酵母菌“酒化酶”進(jìn)行生化研究（標(biāo)志）；,②,發(fā)現(xiàn)微生物的,代謝統(tǒng)一性；,③,普通微生物學(xué)開始形成（代表人物是美國(guó)加里福尼亞,大學(xué)伯克利分校的M. Doudoroff）；,④,開展廣泛尋找微生物的有益代,謝產(chǎn)物；,⑤,青霉素的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)的猛進(jìn)。,標(biāo)志：1897年德國(guó)人E. Büchner用無細(xì)胞酵母菌壓榨汁中的“酒化酶”,（Zymase）對(duì)葡萄酒進(jìn)行酒精發(fā)酵成功。,5 成熟期,時(shí)間：1953-至今,實(shí)質(zhì)：分子生物學(xué)水平研究階段,開創(chuàng)者：J. Watson和F. Crick—分子生物學(xué)奠基人,特點(diǎn)：廣泛運(yùn)用分子生物學(xué)理論和現(xiàn)代研究方法，深刻揭示微生物的各種生,命活動(dòng)規(guī)律；以基因工程為主導(dǎo)，把傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)酵提高到發(fā)酵工程新,水平；大量理論性、交叉性、應(yīng)用性和實(shí)驗(yàn)性分支學(xué)科飛速發(fā)展；微生,物學(xué)的基礎(chǔ)理論和獨(dú)特實(shí)驗(yàn)技術(shù)推動(dòng)了生命科學(xué)各領(lǐng)域飛速發(fā)展；微生,物基因組的研究促進(jìn)了生物信息學(xué)時(shí)代的到來。,標(biāo)志：1953年4月25日，J. Watson和F. Crick在英國(guó)的«自然»雜志上發(fā)表,關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型。,,,4 發(fā)展期,12,微生物學(xué)史簡(jiǎn)表,分 期,史前期,初創(chuàng)期,奠基期,發(fā)展期,成熟期,時(shí)間/年,約8000年前-1676,1676-1861,1861-1897,1897-1953,1953-至今,實(shí)質(zhì),朦朧階段,形態(tài)描述階段,生理水平研究階段,生化水平研究階段,分子生物學(xué)水平研究階段,開創(chuàng)者,各國(guó)勞動(dòng)人民。其中尤以我國(guó)的制曲、釀酒技術(shù)著稱,列文虎克—微生物學(xué)的先驅(qū)者,巴斯德—微生物學(xué)奠基人；科赫—細(xì)菌學(xué)奠基人,E. Büchner—生物化學(xué)奠基人,J. Watson和F. Crick—分子生物學(xué)奠基人,特點(diǎn),①,未見細(xì)菌等微生物的個(gè)體;,②,憑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)利用微生物的有益活動(dòng)（進(jìn)行釀酒、發(fā)面、制醬、釀醋、漚肥、輪作、治病等,①,自制單式顯微鏡，觀察到細(xì)菌等微生物的個(gè)體；,②,出于個(gè)人愛好對(duì)一些微生物進(jìn)行形態(tài)描述。,①,微生物學(xué)開始建立；,②,創(chuàng)立了一整套獨(dú)特的微生物學(xué)基本研究方法（科赫）；,③,開始運(yùn)用“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”的思想方法開展研究；,④,建立了許多應(yīng)用性分支學(xué)科（細(xì)菌學(xué)、消毒外科術(shù)、免疫學(xué)、土壤微生物學(xué)、病毒學(xué)、植物病理學(xué)和真菌學(xué)）；,⑤,進(jìn)入尋找人類和動(dòng)物病原菌的黃金時(shí)期。,①,對(duì)無細(xì)胞酵母菌“酒化酶”進(jìn)行生化研究；,②,發(fā)現(xiàn)微生物的代謝統(tǒng)一性；,③,普通微生物學(xué)開始形成（代表人物是美國(guó)加里福尼亞大學(xué)伯克利分校的M. Doudoroff）；,④,開展廣泛尋找微生物的有益代謝產(chǎn)物；,⑤,青霉素的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)的猛進(jìn)。,①,廣泛運(yùn)用分子生物學(xué)理論和現(xiàn)代研究方法，深刻揭示微生物的各種生命活動(dòng)規(guī)律；,②,以基因工程為主導(dǎo)，把傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)酵提高到發(fā)酵工程新水平；,③,大量理論性、交叉性、應(yīng)用性和實(shí)驗(yàn)性分支學(xué)科飛速發(fā)展；,④,微生物學(xué)的基礎(chǔ)理論和獨(dú)特實(shí)驗(yàn)技術(shù)推動(dòng)了生命科學(xué)各領(lǐng)域飛速發(fā)展；,⑤,微生物基因組的研究促進(jìn)了生物信息學(xué)時(shí)代的到來。,標(biāo)志,,1676年列文虎克用自制的單式望遠(yuǎn)鏡觀察到細(xì)菌的個(gè)體,1861年巴斯德根據(jù)曲頸瓶試驗(yàn)徹底推翻生命的自然發(fā)生說并建立胚種學(xué)說（germ theory）。,1897年德國(guó)人E. Büchner用無細(xì)胞酵母菌壓榨汁中的“酒化酶”（Zymase）對(duì)葡萄酒進(jìn)行酒精發(fā)酵成功。,1953年4月25日，J. Watson和F. Crick在英國(guó)的,«,自然,»雜志上發(fā)表關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型。,,,微生物學(xué)史簡(jiǎn)表分 期史前期初創(chuàng)期奠基期發(fā)展期成熟期時(shí)間/年,13,三、微生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人類的進(jìn)步,,（一）醫(yī)療保健戰(zhàn)線上的六大“戰(zhàn)役”,,1 外科消毒術(shù)的建立：1864年時(shí)英國(guó)一般的醫(yī)院外科手術(shù)的死亡率高達(dá),80%，其中最好的愛丁堡醫(yī)院為45%，因此，當(dāng)時(shí)的外科醫(yī)生常被稱為“劊,子手”。當(dāng)J.Lister發(fā)明外科消毒術(shù)（石炭酸消毒）后，1868年，愛丁堡醫(yī),院的外科手術(shù)死亡率已降低到15%左右,2 尋找人畜病原菌：在19世紀(jì)末至20世紀(jì)初的30年間，炭疽芽孢桿菌、麻,風(fēng)分支桿菌、肺炎鏈球菌、傷寒沙門氏菌、結(jié)核分枝桿菌、逗號(hào)弧菌、破,傷風(fēng)梭菌、鼠疫巴斯德氏菌（目前已改稱鼠疫耶爾森氏菌）、痢疾志賀氏,菌,3,免疫防治法,的發(fā)明和廣泛應(yīng)用：疫苗（種痘最早起源于我國(guó)宋朝真宗,（998~1022）年代的人痘。1796年英國(guó)醫(yī)生E.Jenner首次為一男孩接種,牛痘苗并取得很大的成功，從此，種牛痘就成為預(yù)防天花最有效的措施,了）、菌苗、類毒素及抗血清、,卡介苗,等。,,,三、微生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人類的進(jìn)步,14,4 化學(xué)治療劑的發(fā)明和普及：,化學(xué)治療劑：為了抑制或殺死潛伏于人或動(dòng)物體內(nèi)部的病原菌，就必須尋找一類對(duì)病原菌有強(qiáng)大毒力而對(duì)其宿主基本無毒的藥物，這就是化學(xué)治療劑。,砷凡納明—梅毒；百浪多息（有效成分是磺胺）--鏈球菌感染；磺胺藥—治療各種感染（產(chǎn)褥熱），對(duì)許多病原菌有很高的療效。,5 抗生素的大規(guī)模生產(chǎn)和推廣：青霉素（1929，英國(guó)細(xì)菌學(xué)家A. Fleming）；鏈霉素、土霉素、紅霉素、新霉素、萬古霉素、卡那霉素、慶大霉素,歲。,圖中央是青霉菌，周圍是致病細(xì)菌。距青霉素最遠(yuǎn)的細(xì)菌個(gè)大、色濃，活力十足；距青霉菌較近的細(xì)菌個(gè)較小、色較淺，活力較差；而最接近青霉菌的細(xì)菌個(gè)最小、色發(fā)白，顯然已經(jīng)死亡,,,,4 化學(xué)治療劑的發(fā)明和普及：圖中央是青霉菌，周圍是致病細(xì)菌。,15,6 利用工程菌生產(chǎn)多肽類生化藥物,主要特點(diǎn)是利用微生物作為各種不同生物有關(guān)目的基因的受體，由微生物來生產(chǎn)各種生化藥物，其中出抗微生物藥物外，還包括治療各類其他疾病的藥物，例如疫苗（病毒衣殼蛋白、細(xì)胞組分疫苗等）、抗體、干擾素、胰島素、激素以及其他各種多肽類藥物等。,,,“戰(zhàn)果”：原先猖獗的細(xì)菌性傳染病得到了較好的控制（從人類死亡率的首位退居到四五位之后），天花等烈性傳染病已徹底絕跡（1979年10月26日由WHO—世界衛(wèi)生組織宣布在地球上絕跡），人類平均壽命約提高了25歲。,,,6 利用工程菌生產(chǎn)多肽類生化藥物,16,（二）微生物在工業(yè)發(fā)展過程中的六個(gè)里程碑,,1 自然發(fā)酵與食品、飲料的釀造：酒、醬、醋、泡菜、豆豉、酸牛奶、,干酪、面包等,2 罐頭保藏：1804年，法國(guó)廚師N. Appert經(jīng)10年試驗(yàn)后發(fā)明,3 厭氧純種發(fā)酵技術(shù)：本世紀(jì)初，在工業(yè)發(fā)酵的早期，人們首先發(fā)展了,不需通氣攪拌等復(fù)雜裝置的厭氧純種發(fā)酵技術(shù)，利用它來進(jìn)行乙醇、,丙酮、丁醇、乳酸或甘油生產(chǎn)。,4 深層液體通氣攪拌培養(yǎng)：抗生素、有機(jī)酸和酶制劑等發(fā)酵工業(yè),5 代謝調(diào)控理論在發(fā)酵工業(yè)上的利用：從50年代中期起，由于對(duì)微生物,代謝途徑和調(diào)控研究的逐步深入，在發(fā)酵工業(yè)上找到了能突破微生物,代謝調(diào)控以累積有用代謝產(chǎn)物的手段，并很快用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn),上，例如谷氨酸（1956）和核苷酸類物質(zhì)—肌苷酸（1966）的發(fā)酵生,產(chǎn)等。,,,（二）微生物在工業(yè)發(fā)展過程中的六個(gè)里程碑,17,生物工程的興起,,生物工程學(xué)（biotechnology,又譯生物技術(shù)）。包括五大工程，即遺傳,工程、細(xì)胞工程、微生物工程（發(fā)酵工程）、酶工程（生化工程）和生,物反應(yīng)器工程。,生物工程學(xué)所包括的主要領(lǐng)域及其作用簡(jiǎn)括如下：,,改造物種 常規(guī)菌（或常規(guī)細(xì)胞株）,生物工程（學(xué)）,①遺傳工程,②細(xì)胞工程,“工程菌”（或“工程細(xì)胞株”）,商品生產(chǎn) ③微生物工程,④酶工程,⑤生物反應(yīng)器工程,大量產(chǎn)品 經(jīng)濟(jì)效益,社會(huì)效益,生態(tài)效益,,,,,,,生物工程的興起,18,（三）微生物在當(dāng)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分顯著的作用,,以菌治害蟲、以菌治植病、以菌治草的生物防治技術(shù)；以菌增肥效和以,菌促生長(zhǎng)（如赤霉菌產(chǎn)生赤霉素等）的微生物增產(chǎn)技術(shù)；以菌作飼,（餌）料、以菌當(dāng)藥物（藥用真菌）和以菌當(dāng)蔬菜（各種食用菌）的單,細(xì)胞蛋白和食用菌生產(chǎn)技術(shù)；以及以菌產(chǎn)沼氣等生物能源技術(shù)；等等。,,,（四）微生物與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系,,微生物是占地球面積70%以上的海洋和其他水體中光合生產(chǎn)力的基礎(chǔ)；,是一切食物鏈的重要環(huán)節(jié)；是污水處理的關(guān)鍵角色；是生態(tài)農(nóng)業(yè)中最重,要的一環(huán)（可惜不被認(rèn)識(shí)?。?；是自然界重要元素循環(huán)的首要推動(dòng)者；,以及是環(huán)境污染和監(jiān)測(cè)的重要指示生物；等等。,,,（三）微生物在當(dāng)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分顯著的作用,19,（五）微生物學(xué)對(duì)生命科學(xué)基礎(chǔ)理論研究的重大貢獻(xiàn),,,微生物的“五大共性”加上培養(yǎng)條件簡(jiǎn)便,,1 以微生物作為研究對(duì)象解決了生物學(xué)上的許多重大問題（基因工程的開,創(chuàng)、PCR技術(shù)的建立等）。,,獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的近一半工作都與微生物有關(guān),2 是分子生物學(xué)的三大來源和三大支柱之一：生物化學(xué)、微生物學(xué)和遺傳學(xué),3 遺傳學(xué)研究對(duì)象的微生物化促使經(jīng)典遺傳學(xué)發(fā)展為分子遺傳學(xué),4 微生物與基因工程,基因工程即遺傳工程，在其操作中有基因供體、基因載體、工具酶和基因,受體等四個(gè)主要方面,5　高等生物研究和利用中的微生物化趨向方興未艾,植物、動(dòng)物的單細(xì)胞培養(yǎng),微生物學(xué)中的一套獨(dú)特實(shí)驗(yàn)技術(shù)迅速擴(kuò)散到生命科學(xué)的各研究領(lǐng)域（消毒,滅菌、無菌操作、純種分離、培養(yǎng)技術(shù)等）,,在20世紀(jì)生命科學(xué)發(fā)展的四大里程碑（DNA功能的闡明，中心法則的提出，遺,傳工程的成功和人類基因組計(jì)劃的實(shí)施）中，微生物發(fā)揮了無可爭(zhēng)辯的關(guān)鍵作用。,,,（五）微生物學(xué)對(duì)生命科學(xué)基礎(chǔ)理論研究的重大貢獻(xiàn),20,四、微生物的五大共性,,（一）體積小，面積大,（二）吸收多，轉(zhuǎn)化快,（三）生長(zhǎng)旺，繁殖快,（四）適應(yīng)強(qiáng)，易變異,（五）分布廣，種類多,,,四、微生物的五大共性,21,,（一）體積小，面積大,,,E.coli,（大腸桿菌）平均長(zhǎng)度2μm，寬0.5μm1500個(gè),E.coli,頭尾相連，相當(dāng)于一粒3mm長(zhǎng)的芝麻。120個(gè),E.coli,肩并肩，等于一根頭發(fā)寬（60μm）細(xì)胞單重為10,-12,g ，1mg: 10億個(gè)細(xì)菌重。,,比面值：某一物體單位體積所占有的表面積。,任何物體，其體積越小，單位體積所占有面積（面積/體積）即比面值越大。,立方體：1m,3,, 比面值為6，分割成1cm的立方體。,為0.01m,2,×6/0.01m,3,=600,E.coli,：比面值為30萬,,這樣一個(gè)極端突出的小體積，大面積體制，具有一個(gè)巨大的營(yíng)養(yǎng)物吸收面，,代謝廢物排泄面和環(huán)境信息的接受面，有利于外界交流。,體積小、面積大是,微生物五大共性的基礎(chǔ)，由它可發(fā)展出一系列其它共性。,,,北京大學(xué)微生物學(xué)課件,22,（二）吸收多，轉(zhuǎn)化快,,地鼠 體重30g ，每天吃掉糧食30—40g ，,1個(gè)人每年消耗糧食相當(dāng)于4倍體重的糖。,E.coli,每小時(shí)消耗其細(xì)胞重量2000倍的糖。,資料表明，發(fā)酵乳糖的細(xì)菌在1小時(shí)內(nèi)可分解其自重1000-10000倍的乳,糖；,Candida utilis,（產(chǎn)朊假絲酵母）合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強(qiáng)100,倍，比食用公牛強(qiáng)10萬倍。,,好處：為微生物的迅速生長(zhǎng)繁殖和為人們生產(chǎn)大量發(fā)酵產(chǎn)品提供了充分,的物質(zhì)基礎(chǔ)。,,這個(gè)特性為微生物的高速生長(zhǎng)繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物提供了充分的物,質(zhì)基礎(chǔ)，從而使微生物能在自然界和人類實(shí)踐中更好的發(fā)揮其超小型,“活的化工廠”的作用。,,,（二）吸收多，轉(zhuǎn)化快,23,（,三）生長(zhǎng)旺，繁殖快,,微生物具有極高的生長(zhǎng)和繁殖速度。例：大腸桿菌,Escherichia coli,在37℃的牛奶中,13分鐘可分裂1代,。以20分鐘1代計(jì)，則細(xì)菌24小時(shí)分裂,72次，其后代數(shù)為4.722╳10,21,個(gè)，重4772噸；48小時(shí)后達(dá)2.2╳10,43,個(gè)，重2.2╳10,25,噸，相當(dāng)于4000個(gè)地球重。事實(shí)上，由于種種客觀條件,的限制，細(xì)菌的指數(shù)分裂速度只能維持?jǐn)?shù)小時(shí)，因而在液體發(fā)酵時(shí)細(xì)菌細(xì),胞的濃度一般僅能達(dá)到10,8,—10,9,個(gè)/ml左右。,,實(shí)踐意義：,（1）發(fā)酵工業(yè)上：具有生產(chǎn)效率高、發(fā)酵周期短的優(yōu)點(diǎn)。有人統(tǒng)計(jì)，一,頭500kg重的食用公牛，每晝夜只能從食物中“濃縮”0.5kg蛋白質(zhì)；同等重,的大豆，在合適的栽培條件下，24h可生產(chǎn)50kg蛋白質(zhì)；而同樣重的酵母,菌，只要以糖蜜（糖廠下腳料）和氨水做主要養(yǎng)料，在24h內(nèi)卻可真正合,成50000kg的優(yōu)良蛋白質(zhì)。,（2）基礎(chǔ)理論研究：它使科研周期大為縮短、經(jīng)費(fèi)減少、效率提高。,（3）有害微生物：但對(duì)于病原菌，霉腐微生物來說這個(gè)特性會(huì)給人類帶來極大的麻煩甚至禍害，因此應(yīng)加以控制。,,,（三）生長(zhǎng)旺，繁殖快,24,（四）適應(yīng)強(qiáng)，易變異,,1 適應(yīng)性：,①,微生物具有極其靈活的適應(yīng)性或代謝調(diào)節(jié)機(jī)制。（誘導(dǎo)酶，,20萬-30萬個(gè)蛋白質(zhì)分子，2000-3000種執(zhí)行不同生理功能的蛋,白質(zhì)）,,②,微生物對(duì)極端環(huán)境的驚人適應(yīng)力堪稱世界之最。如抗熱、抗,寒、抗干燥、抗酸、抗堿、抗高鹽、抗缺O(jiān),2,、抗高壓、抗輻,射、抗有毒物質(zhì)毒害等均有極強(qiáng)能力。,,2 變異性：微生物的個(gè)體一般都是單細(xì)胞、簡(jiǎn)單多細(xì)胞甚至是非細(xì)胞的，,它們通常都是單倍體，加之具有繁殖快、數(shù)量多以及與外界環(huán)境,直接接觸等特點(diǎn)，因此即使其變異頻率十分低?。ㄒ话銥?0,-5,-,10,-10,），也可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生出大量變異的后代。,,,（四）適應(yīng)強(qiáng)，易變異,25,（1）有益變異：1943年時(shí)，每毫升青霉素（,青霉素產(chǎn)生菌產(chǎn)黃青霉）,發(fā)酵液中該菌只分泌約20單位的青霉素，而病人每天卻要注射幾十萬單位。因此諾貝爾獎(jiǎng)獲得者之一H. W. Florey在回憶當(dāng)時(shí)這種菌種以原始的表面培養(yǎng)法進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)說：“那時(shí)一茶匙黃色粉末，其提煉價(jià)值除研究工作精力與時(shí)間不計(jì)外，約需數(shù)千英鎊?！?0余年來，通過世界各國(guó)微生物遺傳育種工作者的不懈努力，是該菌產(chǎn)量變異逐漸累積，加上其他條件的改進(jìn)，目前國(guó)際上先進(jìn)的國(guó)家，其發(fā)酵水平每毫升已超過5萬單位，甚至接近10萬單位。利用變異和育種使產(chǎn)量獲得如此大幅度的提高，這在動(dòng)植物育種工作中簡(jiǎn)直是不可思議的。這也就是為什么幾乎所有微生物發(fā)酵工廠都特別重視菌種選育工作的一個(gè)主要原因。,,（2）有害變異：抗藥性變異。青霉素1943年剛問世時(shí)，對(duì)金黃色葡萄球菌的最低制菌濃度為0.02µg/ml，過了幾年，制菌濃度不斷提高，有的菌株耐藥性竟比原始菌株提高1萬倍。反映在醫(yī)療實(shí)踐上，是40年代初剛使用青霉素治療時(shí)，即使是嚴(yán)重感染的病人，也只要每天分?jǐn)?shù)次共注射10萬單位即可，而現(xiàn)在，成人每天要注射100萬單位左右，新生兒也不少于40萬單位。,,,（1）有益變異：1943年時(shí)，每毫升青霉素（青霉素產(chǎn)生菌產(chǎn)黃,26,（五）分布廣，種類多,,1分布廣：微生物因其體積小、重量輕和數(shù)量多等原因，可以到處傳播以至,達(dá)到,“無孔不入”,的地步，只要條件合適，它們就可,“隨遇而安”,。地球上除,火山中心區(qū)域外，在土壤圈、水圈、大氣圈以至巖石圈到處都有微生物的,蹤跡。,,（1）人體腸道中的正常菌群：在人體腸道中，經(jīng)常聚集著100－400種不同,種類的微生物，估計(jì)它們的個(gè)體總數(shù)大于100萬億，重量約等于糞便干重的,1/3。其中數(shù)量最多的是一類厭氧菌，主要是,Bacteroids fragilis,（脆弱擬,桿菌），數(shù)量達(dá)到10,10,-10,11,個(gè)/g。（雙岐桿菌）,（2）萬米深海底部的耐熱硫細(xì)菌：1974年4月和1977年2月，科學(xué)家發(fā)現(xiàn),在東太平洋加拉帕戈斯群島東部，深度1萬米的海底溫泉中，硫細(xì)菌的含量,達(dá)每ml含100萬-100億個(gè)，它們既耐高溫（100℃）又耐高壓（1140大氣,壓）,（3）幾萬米高空中的微生物：在85km的高處，通過地球物理火箭采集到,了微生物。,（4）地層下的微生物：有人在南極洲的羅斯島和泰羅爾盆地128m和427m,的沉積巖心中。找到了活細(xì)菌。,,,（五）分布廣，種類多,27,2 種類多：,,（1）物種的多樣性：迄今為止，人類已描述過的生物總數(shù)約200萬種。據(jù)估計(jì)，微生物的總數(shù)約在50至600萬種之間，其中已記載過的僅約20萬種。,,（2）生理代謝類型的多樣性：①分解地球上貯量最豐富的初級(jí)有機(jī)物—天然氣、石油、纖維素、木質(zhì)素的能力為微生物所壟斷；②微生物有著最多樣的產(chǎn)能方式，諸如細(xì)菌的光合作用，嗜鹽菌的紫膜光合作用，自養(yǎng)細(xì)菌的化能合成作用，以及各種厭氧產(chǎn)能途徑等；③生物固氮作用；④合成,次生代謝產(chǎn)物,等各種復(fù)雜有機(jī)物的能力；⑤對(duì)復(fù)雜有機(jī)分子基團(tuán)的生物轉(zhuǎn)化能力；⑥分解氰、酚、多氯聯(lián)苯等有毒和劇毒物質(zhì)的能力；⑦抵抗極端環(huán)境的能力；等等。微生物的分解復(fù)雜有機(jī)物的能力，產(chǎn)能方式，生物固氮作用，合成各種復(fù)雜有機(jī)物，分解有毒物質(zhì)的能力，抵抗極端環(huán)境的能力，繁殖方式等多種多樣。,,次生代謝產(chǎn)物是指那些對(duì)細(xì)胞自身生命不是必需的、分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物。例如抗生素等。,伴隨細(xì)胞最基本的代謝過程而產(chǎn)生的化合物稱為初生代謝（也稱主流代謝）產(chǎn)物。初生代謝產(chǎn)物大都是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、分子量較小的化合物。例如乙酸等。,,,2 種類多：,28,,（3）代謝產(chǎn)物的多樣性：1992年，有人報(bào)道僅微生物產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物就有16500種，且每年還以500種新化合物的數(shù)目增長(zhǎng)著。僅,E.coli,一種細(xì)菌即產(chǎn)生2000-3000種不同的蛋白質(zhì)；“工具酶”中的Ⅱ型限制性內(nèi)切酶，在各種微生物中就已發(fā)現(xiàn)了1143種（1990年初）,,（4）遺傳基因的多樣性：微生物基因組測(cè)序工作。截止2000年5月，已發(fā)表的微生物基因組有31個(gè)，即將發(fā)表的15個(gè)，正在進(jìn)行的106個(gè)。,,（5）生態(tài)類型的多樣性：廣泛分布；微生物與微生物或與其他生物間還存在著眾多的相互依存關(guān)系。,,,,北京大學(xué)微生物學(xué)課件,29,五、微生物學(xué)及其分科,,微生物學(xué)（Microbiology）是一門在細(xì)胞、分子或群體水平上研究微生物,的形態(tài)構(gòu)造、生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布和分類進(jìn)化等生命活動(dòng)基本,規(guī)律，并將其應(yīng)用于工業(yè)發(fā)酵、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物工程和環(huán)境保護(hù)等實(shí)踐領(lǐng),域的科學(xué)，其根本任務(wù)是發(fā)掘、利用、改善和保護(hù)有益微生物，控制、消,滅或改造有害微生物，為人類社會(huì)的進(jìn)步服務(wù)。,,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)（1990年），微生物學(xué)分支學(xué)科已達(dá)181門之多。,,1 按研究微生物的基本生命活動(dòng)規(guī)律為目的來分 總學(xué)科稱普通微生物學(xué)（General Microbiology）,分科如微生物分類學(xué)，微生物生理學(xué)，微生物遺傳學(xué)，微生物生態(tài)學(xué)和分子微生物學(xué)等。,,,,五、微生物學(xué)及其分科,30,2 按微生物應(yīng)用領(lǐng)域來分 總學(xué)科稱應(yīng)用微生物學(xué)（Applied Microbiology）,分科如工業(yè)微生物學(xué)，農(nóng)業(yè)微生物學(xué)，醫(yī)學(xué)微生物學(xué)，藥用微生物學(xué)，診斷微生物學(xué)，抗生素學(xué)，食品微生物學(xué)等。,,3 按研究的微生物對(duì)象分 如細(xì)菌學(xué)，真菌學(xué)（菌物學(xué)），病毒學(xué)，原核生物學(xué)，自養(yǎng)菌生物學(xué)和厭氧菌生物學(xué)等。,,4 按微生物所處的生態(tài)環(huán)境分 如土壤微生物學(xué)，微生態(tài)學(xué)，海洋微生物學(xué)，環(huán)境微生物學(xué)，水微生物學(xué)和宇宙微生物學(xué)等。,,5 按學(xué)科間的交叉、融合分 如化學(xué)微生物學(xué)，分析微生物學(xué)，微生物生物工程學(xué)，微生物化學(xué)分類學(xué)，微生物數(shù)值分類學(xué)，微生物地球化學(xué)和微生物信息學(xué)等。,,6 按實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)分 如實(shí)驗(yàn)微生物學(xué)，微生物研究方法等。,,,,2 按微生物應(yīng)用領(lǐng)域來分 總學(xué)科稱應(yīng)用微生物學(xué)（Appli,31,本章重點(diǎn)內(nèi)容：,,１什么是微生物？它包括那些類群？,２微生物有哪五大共性？其中最基本的是哪一個(gè)？為什么？,３請(qǐng)說出微生物的先驅(qū)者，微生物學(xué)奠基人，細(xì)菌學(xué)奠基人分別是哪位科學(xué)家？,,,本章重點(diǎn)內(nèi)容：,32,胚種學(xué)說：,意大利的科學(xué)家斯巴蘭扎尼1765年設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)。他準(zhǔn)備了兩組瓶子，分別裝入肉湯，一組開著口，讓空氣進(jìn)出；另一組先煮沸45分鐘，把里邊的微生物都?xì)⑺?，然后立刻把瓶口封好，不讓空氣中可能有的微生物進(jìn)去。頭一組瓶子里的肉湯很快就腐敗、變臭，長(zhǎng)滿了微生物，而煮過并封口的瓶子中的肉湯始終沒有細(xì)菌。斯巴蘭扎尼由此得出結(jié)論，就連微生物也不可能自然產(chǎn)生。,但是，那些自然發(fā)生論者對(duì)斯巴蘭扎尼的實(shí)驗(yàn)并不服氣，他們說經(jīng)過像斯巴蘭扎尼那樣嚴(yán)酷的處理，空氣中的"生命力"都被煮死了。他們認(rèn)為生命的自然發(fā)生需要一定的條件。特別是不久后化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了氧氣，而氧是發(fā)酵和生命所必須的，,消毒并封口后的器皿中缺少氧氣，生命自然發(fā)生的條件被破壞了。,如何才能既讓空氣自由進(jìn)出，又不讓其中的微生物進(jìn)到燒瓶中呢？在朋友的啟發(fā)下，1862年，巴斯德終于設(shè)計(jì)出一個(gè)巧妙的曲頸瓶試驗(yàn)。他給燒瓶安裝了一像橫著眼放的S形狀的長(zhǎng)頸，當(dāng)把燒瓶中的肉湯煮沸時(shí)，不僅瓶中的微生物被殺死了，水蒸汽把瓶頸中的微生物也殺死了。等到湯放涼時(shí)，新鮮的空氣就可以通過瓶頸自由進(jìn)到瓶子中，而帶菌的灰塵由于比空氣重，在長(zhǎng)頸向下彎曲處就被攔截住了。經(jīng)過這樣處理的培養(yǎng)液放許多天也不會(huì)變質(zhì)。而如果把培養(yǎng)液傾斜，讓它通過長(zhǎng)頸的彎曲部，或者把長(zhǎng)頸打斷，培養(yǎng)液中很快就會(huì)充滿了微生物。這樣就令人信服地證明了，是空氣中的微生物使湯腐敗的，而不是湯腐敗產(chǎn)生微生物。,,,胚種學(xué)說：,33,,第一章,,原核生物的形態(tài)、構(gòu)造和功能,,,第一節(jié) 細(xì)菌,一、細(xì)胞的形態(tài)構(gòu)造及其功能,二、細(xì)菌的群體形態(tài),第二節(jié) 放線菌,一、放線菌的形態(tài)構(gòu)造,二、放線菌的繁殖,三、放線菌的群體特征,第三節(jié) 藍(lán)細(xì)菌,第四節(jié) 支原體、立克次氏體和衣原體,一、支原體,二、立克次氏體,三、衣原體,,,第一章 原核生物的形態(tài)、構(gòu)造和功能第一節(jié) 細(xì)菌,34,原核生物：,即,廣義的細(xì)菌,，指一大類細(xì)胞核無核膜包裹，只存在稱作核區(qū)(nuclear,region)的裸露DNA的原始單細(xì)胞生物。,根據(jù)外表特征：,細(xì)菌（狹義的）,、放線菌、藍(lán)細(xì)菌、支原體、立克次氏體和衣原體,狹義的細(xì)菌包括真細(xì)菌（eubacteria）和古生菌（archaea）兩大類群。其中除少,數(shù)屬古生菌外，多數(shù)的原核生物都是真細(xì)菌。,第一節(jié) 細(xì) 菌,細(xì)菌,（bacteria）是一類細(xì)胞細(xì)而短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，細(xì)胞壁堅(jiān)韌，以二等分裂方式繁,殖，水生性較強(qiáng)的原核微生物。,細(xì)胞的形態(tài)構(gòu)造及其功能,（一）形態(tài)和染色：,1 形態(tài)：在自然界所存在的細(xì)菌中，以桿菌為最常見，球菌次之，而螺旋狀的則最少。,,,原核生物：即廣義的細(xì)菌，指一大類細(xì)胞核無核膜包裹，只存在稱作,35,（1）球菌（coccus）：球狀的細(xì)菌。單球菌、雙球菌、四聯(lián)球菌、八疊球菌、鏈球菌和葡萄球菌等。,,,（1）球菌（coccus）：球狀的細(xì)菌。單球菌、雙球菌、四聯(lián),36,（2）桿菌（bacillus）：桿狀的細(xì)菌。,,細(xì)胞外形：短桿（球桿）狀、棒桿,狀、梭狀、梭桿狀、分枝狀、螺桿狀、 竹節(jié)狀（兩端平截）和彎月狀等。,,細(xì)胞的排列方式：鏈狀、柵狀、“八”字狀以及由鞘衣包裹在一起的絲狀等。,,大腸桿菌,梭狀芽孢桿菌,噬鹽桿菌,,,,（2）桿菌（bacillus）：桿狀的細(xì)菌。,37,（3）螺旋菌（spirilla）：螺旋狀的細(xì)菌。,,弧菌（vibrio）：螺旋不足一環(huán)者；,螺菌（spirillum）：滿2-6環(huán)的小型、,堅(jiān)硬,的螺旋狀細(xì)菌；,螺旋體（spirochaeta）：旋轉(zhuǎn)周數(shù)多（通常超過6環(huán)）、體長(zhǎng)而,柔軟,的螺旋狀細(xì)菌。,,,（3）螺旋菌（spirilla）：螺旋狀的細(xì)菌。,38,（4）其它形狀：如絲狀、三角形、方形和圓盤形等①柄桿菌（prosthecate bacteria）：細(xì)胞上有柄（stalk）、菌絲（hyphae）、附器（appendages）等細(xì)胞質(zhì)伸出物，,細(xì)胞呈桿狀或梭狀，并有特征性的細(xì)柄。,一般生活在淡水中固形物的表面，其異常形態(tài)使得菌體的表面積與體積之比增加，能有效地吸收有限的營(yíng)養(yǎng)物。②星形細(xì)菌（star-shaped bacteria ）③方形細(xì)菌（square-shaped bacteria） ④異常形態(tài)： 環(huán)境條件的變化如物理、化學(xué)因子的刺激等會(huì)阻礙細(xì)胞正常發(fā)育；培養(yǎng)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)缺乏、細(xì)胞衰老、自身代謝產(chǎn)物積累過多等等而使菌體成為異常形態(tài)。當(dāng)環(huán)境條件恢復(fù)正常時(shí)，則菌體也會(huì)恢復(fù)正常形態(tài)。,,2 大?。?量度細(xì)菌大小的單位是µm。,球菌以直徑大小表示，一般約0.5~1µm；桿菌以長(zhǎng)與寬表示，一般長(zhǎng)1~5µm，寬0.5~1µm；螺旋菌則測(cè)量其彎曲形長(zhǎng)度，其直徑為0.5~1µm，長(zhǎng)1~50µm。,細(xì)菌的重量更是微乎其微，如一個(gè)大腸桿菌細(xì)胞的重量?jī)H為10,-12,g，即大約10,9,個(gè)大腸桿菌細(xì)胞才達(dá)到1mg重。,,,（4）其它形狀：如絲狀、三角形、方形和圓盤形等①柄桿菌（p,39,3 染色：,,由于細(xì)菌細(xì)胞既微小又透明，故一般先要經(jīng)過染色才能做顯微鏡觀察。,,死菌 正染色 簡(jiǎn)單染色法,鑒別染色法 革蘭氏染色法,細(xì)菌染色法,抗酸性染色法,芽孢染色法,姬姆薩（Giemsa）染色法等,負(fù)染色：莢膜染色法等,活菌：用美藍(lán)或TTC（氯化三苯基四氮唑）等作活菌染色,,在上述各種染色法中，尤以革蘭氏染色法（Gram stain）最為重要。,,美藍(lán)染色活細(xì)胞無色；死細(xì)胞或代謝作用微弱的衰老細(xì)胞則呈藍(lán)色或淡藍(lán)色。抗酸性染色法，,檢查抗酸細(xì)菌(如結(jié)核桿菌、麻風(fēng)桿菌等)的一種特殊染色法。,,,,,,,,3 染色：,40,革蘭氏染色與G,+,、G,-,細(xì)菌：,1884年，,由丹麥醫(yī)生,C.Gram創(chuàng)立,步驟：,甲菌：,乙菌：,各種細(xì)菌經(jīng)革蘭氏染色法染色后，能區(qū)分成兩大類，一類最終染成紫色，稱革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌（Gram positive bacteria, G,+,）,另一類被染成紅色，稱革蘭氏陰性細(xì)菌（Gram negative bacteria, G,-,）。,,,革蘭氏染色與G+、G-細(xì)菌：1884年，步驟：甲菌： 乙菌：,41,（二）構(gòu)造,,一般構(gòu)造：一般細(xì)菌都具有的構(gòu)造，包括細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和核區(qū),特殊構(gòu)造：僅在部分細(xì)菌中才有的或在特殊環(huán)境條件下才形成的構(gòu)造，主要,是鞭毛、菌毛、性菌毛、糖被（包括莢膜和粘液層）和芽孢等。,,,（二）構(gòu)造,42,1 細(xì)菌細(xì)胞的一般構(gòu)造,,（1）細(xì)胞壁（cell wall）,,細(xì)胞壁,是位于細(xì)胞最外的一層厚實(shí)、堅(jiān)韌的外被，主要成分為肽聚糖，具有固定細(xì)胞外形和保護(hù)細(xì)胞不受損傷等多種生理功能。,,細(xì)胞壁的主要功能有：,①固定細(xì)胞外形和提高機(jī)械強(qiáng)度，使其免受滲透壓等外力的損傷；,②為細(xì)胞的生長(zhǎng)、分裂和鞭毛運(yùn)動(dòng)所必需；,③阻攔大分子有害物質(zhì)（某些抗生素和水解酶）進(jìn)入細(xì)胞；,④賦予細(xì)菌特定的抗原性以及對(duì)抗生素和噬菌體的敏感性。,,細(xì)菌細(xì)胞壁成分的多樣性,：G,+,、G,-,細(xì)菌和古生菌中有自己的特點(diǎn),,,1 細(xì)菌細(xì)胞的一般構(gòu)造,43,,,,北京大學(xué)微生物學(xué)課件,44,G,+,細(xì)菌與G,-,細(xì)菌細(xì)胞壁構(gòu)造與成分的比較,,G,+,G,-,構(gòu) 造,厚、一層,薄、兩層,成 分,（占細(xì)胞壁干重%）,肽聚糖,磷壁酸,類脂,蛋白質(zhì),含量很高（30,～,95）,含量較高（,＜,50）,一般無（,＜2,）,0,含量很低（5,～20）,0,含量較高（約20）,含量較高,,,G+細(xì)菌與G-細(xì)菌細(xì)胞壁構(gòu)造與成分的比較G+G-構(gòu) 造厚、一,45,1）G,+,細(xì)菌的細(xì)胞壁,,特點(diǎn)：厚度大（20-80nm），化學(xué)組分簡(jiǎn)單、一般含90%肽聚糖和10%磷,壁酸。40層網(wǎng)狀分子。,肽聚糖,（peptidoglycan）,是真細(xì)菌細(xì)胞壁中的特有成分。,以,Staphylococcus aureus,(金黃色葡萄球菌)為例。,,,1）G+細(xì)菌的細(xì)胞壁,46,每一肽聚糖單體由3部分組成：,①,雙糖單位：,由一個(gè),N,-乙酰葡萄糖胺通過,β,-1，4-糖苷鍵與另一個(gè),N,-乙酰胞壁酸相連。,②,四肽尾,（tetrapeptide side chain）：,是由4個(gè)氨基酸分子按,L,型與,D,型交替方式連接而成。在,S.aureus,中，接在,N,-乙酰胞壁酸上的四肽尾為,L,-Ala、,D,-Glu、,L,-Lys、,D,-Ala。,③,肽橋,（peptide interbridge）：,在,S.aureus,中，肽橋?yàn)楦拾彼嵛咫?，它起著連接前后2個(gè)四肽尾分子的“橋梁”作用。,,,每一肽聚糖單體由3部分組成：,47,肽橋的變化甚多，由此形成了“肽聚糖的多樣性”（目前已超過100種）,,,肽聚糖分子中的4種主要肽橋類型,,,類型,甲肽尾上連接點(diǎn),肽 橋,乙肽尾上連接點(diǎn),實(shí) 例,Ι,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,第四氨基酸,第四氨基酸,第四氨基酸,第四氨基酸,-CO·NH-,-(Gly),5,-,-(肽尾),1-2,-,-,D,-Lys-,第三氨基酸,第三氨基酸,第三氨基酸,第二氨基酸,E.coli,(G,-,),S.aureus,(G,+,),M.luteus,(G,+,)*,C.poinsettiae,(G,+,）**,*,Micrococcus luteus,(藤黃微球菌),**,Corynebacterium poinsettiae,（星星木棒桿菌）,,,肽橋的變化甚多，由此形成了“肽聚糖的多樣性”（目前已超過10,48,磷壁酸,（teichoic acid）是結(jié)合在G,+,細(xì)菌細(xì)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。,可分兩類：,①壁磷壁酸，與肽聚糖分子進(jìn)行共價(jià)結(jié)合的，其含量會(huì)隨培養(yǎng)基成分而改變；,②膜磷壁酸或脂磷壁酸，跨越肽聚糖層并與細(xì)胞膜相交聯(lián)的。,,,磷壁酸（teichoic acid）是結(jié)合在G+細(xì)菌細(xì)胞壁上,49,主要生理功能：,,①通過分子上的大量負(fù)電荷濃縮細(xì)胞周圍的Mg,2+,，以提高細(xì)胞膜上一些,合成酶的活力；,②貯藏元素；,③調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)自溶素（autolysin）的活力，借以防止細(xì)胞因自溶而死亡；,④作為噬菌體的特異性吸附受體；,⑤賦予G,+,細(xì)菌特異的表面抗原，因而可用于菌種鑒定；,⑥增強(qiáng)某些致病菌（如A族鏈球菌）對(duì)宿主細(xì)胞的粘連，避免被白細(xì)胞吞,噬，并有抗補(bǔ)體的作用。,,,磷壁酸有5種類型，主要為甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸兩類。,,,主要生理功能：,50,2）G,-,細(xì)菌的細(xì)胞壁：,,特點(diǎn)是厚度薄，層次較多，成份較復(fù)雜，肽聚糖層很?。▋H2-3nm），故機(jī)械強(qiáng)度較G+細(xì)菌弱。1-2層網(wǎng)狀分子構(gòu)成。,,肽聚糖,，以,E.coli,為典型代表。其肽聚糖層埋藏在外膜脂多糖（LPS）層之內(nèi)。,,差別：,①四肽尾的第三個(gè)氨基酸分子不是,L,-Lys，而是被一種只存在于原核生物細(xì)胞壁上的特殊氨基酸—內(nèi)消旋二氨基庚二酸（,m-DAP,）所替代；,②沒有特殊的肽橋，故前后兩單體間的連接僅通過甲四肽尾的第四個(gè)氨 基酸（,D,-Ala）的羧基與乙四肽尾的第三個(gè)氨基酸（,m-DAP,）的氨基直接相連，因而只形成較稀疏、機(jī)械強(qiáng)度較差的肽聚糖網(wǎng)套。,,,2）G-細(xì)菌的細(xì)胞壁：,51,革蘭氏陰性細(xì)菌只有30%的肽聚糖亞單位彼此交織聯(lián)結(jié)，比較疏松,,,革蘭氏陰性細(xì)菌只有30%的肽聚糖亞單位彼此交織聯(lián)結(jié)，比較疏松,52,外膜,（outer membrane,又稱“外壁”）是G,-,細(xì)菌細(xì)胞壁所特有的結(jié)構(gòu)，它位于壁的最外層，化學(xué)成分為脂多糖、磷脂和若干種外膜蛋白。,外膜具有控制細(xì)胞的透性、提高M(jìn)g,2+,濃度、決定細(xì)胞壁抗原多樣性等作用，因而可用于傳染病的診斷和病原的地理定位。,,,脂多糖,（lipopolysaccharide,LPS）,是位于G,-,細(xì)菌細(xì)胞壁最外層的,一層較厚（8-10nm）的類脂多糖類物質(zhì)，由類脂A、核心多糖,（core polysaccharide）和,O,-特異側(cè)鏈（,O,-specific side chain）3,部分組成。類脂A是G,-,病原菌致病物質(zhì)內(nèi)毒素的物質(zhì)基礎(chǔ)。,,,,外膜（outer membrane,又稱“外壁”）是G-細(xì)菌,53,,,北京大學(xué)微生物學(xué)課件,54,外膜蛋白,（outer membrane proteins）,指嵌合在LPS和磷脂層外膜上的20余種蛋白，多數(shù)功能還不清楚。,,①孔蛋白（porins）：是由三個(gè)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，可對(duì)進(jìn)入外膜層的物質(zhì)進(jìn)行選擇。非特異性孔蛋白：可通過分子量小于800~900的任何親水性分子 特異性孔蛋白：只容許一種或少數(shù)幾種相關(guān)物質(zhì)通過，如維生素B,12,和核苷酸等。,②脂蛋白(lipoprotein)：是一種通過共價(jià)鍵使外膜層牢固地連接在肽聚糖內(nèi)壁層上的蛋白，分子量約為7200。,周質(zhì)空間(periplasmic space,periplasm)：在G,-,細(xì)菌中，其外膜與細(xì)胞膜間的狹窄膠質(zhì)空間（約12-15nm）稱周質(zhì)空間,其中存在著多種周質(zhì)蛋白，包括水解酶類、合成酶類和運(yùn)輸?shù)鞍椎取?周質(zhì)空間是進(jìn)出細(xì)胞的物質(zhì)的重要中轉(zhuǎn)站和反應(yīng)場(chǎng)所。,,表1-3 G,+,細(xì)菌與G,-,細(xì)菌一系列生物學(xué)特性的比較（P16）,,,外膜蛋白（outer membrane proteins）,,55,3）,古生菌,（Archaea）的細(xì)胞壁：,,,是一個(gè)在進(jìn)化途徑上很早就與真細(xì)菌和真核生物相互獨(dú)立的生物類群，主要包括一些獨(dú)特生態(tài)類型的原核生物，如產(chǎn)甲烷菌及大多數(shù)嗜極菌（extremophile）,包括極端嗜鹽菌、極端嗜熱菌和,Thermoplasma,(熱原體屬)等,,在古生菌中，除,Thermoplasma,沒有細(xì)胞壁外，其余都具有與真細(xì)菌功能相似的細(xì)胞壁。但古細(xì)菌的細(xì)胞壁不含真正的肽聚糖，而含假肽聚糖、糖蛋白或蛋白質(zhì)。,,假肽聚糖,的結(jié)構(gòu)雖與肽聚糖相似，但其多糖骨架則是由,N,-乙酰葡糖胺和,N,-乙酰塔羅糖醛酸以,β,-1，3-糖苷鍵（不被溶菌酶水解）交替連接而成，連在后一氨基糖上的肽尾由,L,-Glu、,L,-Ala、,L,-Lys和,L,-Glu3個(gè),L,型氨基酸組成，肽橋則由,L,-Glu1個(gè)氨基酸組成。（P17）,,,3）古生菌（Archaea）的細(xì)胞壁：,56,4）缺壁細(xì)菌,①L型細(xì)菌（L-form of bacteria）：指細(xì)菌在某些環(huán)境條件下（實(shí)驗(yàn)室或,宿主體內(nèi)）通過自發(fā)突變而形成的遺傳性穩(wěn)定的細(xì)胞壁缺陷變異型。因,英國(guó)李斯德（Lister）預(yù)防研究所首先發(fā)現(xiàn)而得名（1935年，念珠狀鏈桿,菌,Streptobacillus moniliformis,）；在大腸桿菌、變形桿菌、葡萄球,菌、鏈球菌、分枝桿菌和霍亂弧菌等20多種細(xì)菌中均有發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為可,能與針對(duì)細(xì)胞壁的抗菌治療有關(guān)。,特點(diǎn)：沒有完整而堅(jiān)韌的細(xì)胞壁，細(xì)胞呈多形態(tài)；,有些能通過細(xì)菌濾器，故又稱“濾過型細(xì)菌”,；對(duì)滲透敏感，在固體培養(yǎng)基上形成,“油煎蛋”,似的小菌落（直徑在0.1mm左右）。（支原體）,,,4）缺壁細(xì)菌①L型細(xì)菌（L-form of bacteria,57,,②原生質(zhì)體（protoplast）：指在人為條件下，用溶菌酶處理或在含青霉素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)而抑制新生細(xì)胞壁合成而形成的僅由一層細(xì)胞膜包裹的，圓球形、滲透壓變化敏感的細(xì)胞，一般,由革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌,形成。,特點(diǎn)：對(duì)環(huán)境條件變化敏感，,低滲透壓,、振蕩、離心甚至通氣等都易引起其破裂； 有的原生質(zhì)體具有鞭毛，但不能運(yùn)動(dòng)，也不被相應(yīng)噬菌體所感染；在適宜條件（如,高滲培養(yǎng)基,）可生長(zhǎng)繁殖、形成菌落，形成芽孢，及恢復(fù)成有細(xì)胞壁的正常結(jié)構(gòu)。 比正常有細(xì)胞壁的細(xì)菌更易導(dǎo)入外源遺傳物質(zhì)，是研究遺傳規(guī)律和進(jìn)行原生質(zhì)體育種的良好實(shí)驗(yàn)材料。,③球狀體(sphaeroplast)：又稱原生質(zhì)球：采用上述同樣方法，針對(duì),革蘭氏陰性細(xì)菌,處理后而獲得的殘留部分細(xì)胞壁（外壁層）的球形體。與原生質(zhì)體相比，它對(duì)外界環(huán)境具有一定的抗性，可在,普通培養(yǎng)基,上生長(zhǎng)。,④支原體(Mycoplasma)：在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的、適應(yīng)自然生活條件的無細(xì)胞壁的原核生物。因它的細(xì)胞膜中含有一般原核生物所沒有的甾醇，所以即使缺乏細(xì)胞壁，其細(xì)胞膜仍有較高的機(jī)械強(qiáng)度。,,,②原生質(zhì)體（protoplast）：指在人為條件下，用,58,5,）,革蘭氏染色的機(jī)制：,,,G,+,細(xì)菌與G,-,細(xì)菌主要是由于其細(xì)胞壁化學(xué)成分的差異而引起了物理特性（脫色能力）的不同，正由于這一物理特性的不同才決定了最終染色反應(yīng)的不同：通過結(jié)晶紫初染和碘液媒染后，在細(xì)菌的細(xì)胞膜內(nèi)可形成不溶于水的結(jié)晶紫與碘的復(fù)合物。G,+,細(xì)菌由于其細(xì)胞壁較厚、肽聚糖網(wǎng)層次多和交聯(lián)致密，故遇脫色劑乙醇（或丙酮）處理時(shí)，因失水而使網(wǎng)孔縮小，再加上它不含類脂，故乙醇的處理不會(huì)溶出縫隙，因而能把結(jié)晶紫與碘的復(fù)合物牢牢留在壁內(nèi)，使其保持紫色。反之，G,-,細(xì)菌因其細(xì)胞壁薄、外膜層類脂含量高、肽聚糖層薄和交聯(lián)度差，遇脫色劑乙醇后，以類脂為主的外膜迅速溶解，這時(shí)薄而松散的肽聚糖網(wǎng)不能阻擋結(jié)晶紫與碘復(fù)合物的溶出，因此細(xì)胞褪成無色。這時(shí)再經(jīng)沙黃等紅色染料復(fù)染，就使G,-,細(xì)菌呈現(xiàn)紅色，而G,+,細(xì)菌則仍保留最初的紫色（實(shí)為紫加紅色）了。,,① 肽聚糖層薄厚；,② 交聯(lián)緊密程度；,③ 是否含類脂,,,5）革蘭氏染色的機(jī)制：,59,,（2）細(xì)胞膜（cell membrane）,,1)又稱細(xì)胞質(zhì)膜(cytoplasmic)、質(zhì)膜(plasmamembrane)。是緊貼在細(xì)胞壁內(nèi)側(cè)的一層由磷脂和蛋白質(zhì)組成的柔軟、富有彈性的半透性薄膜。厚約7～8 nm，由磷脂（占20%～30%）和蛋白質(zhì)（占50%～70%）組成。,2)功能：,①是細(xì)胞生命的最后一道屏障，具保護(hù)作用。②控制的細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的運(yùn)送和交換。③合成細(xì)胞壁各種組分（LPS、肽聚糖、磷壁酸）和莢膜等大分子的場(chǎng)所。④進(jìn)行氧化磷酸化或光合磷酸化的產(chǎn)能基地。⑤許多酶和電子傳遞鏈組分的所在部位。⑥鞭毛著生點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)能量的供給部。,,,（2）細(xì)胞膜（cell membrane）,60,3)細(xì)胞膜的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)模型：,A．磷脂：親水的極性端和疏水的非極性端(磷脂層外端親水，內(nèi)部疏水)。在極性頭的甘油3C上，,不同種微生物具有不同的R基，如磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰膽堿、磷脂酰絲氨酸或磷脂酰肌醇等,；非極性尾則由長(zhǎng)鏈脂肪酸通過酯鍵連接在甘油的C1和C2位上組成，其鏈長(zhǎng)和飽和度因細(xì)菌種類和生長(zhǎng)溫度而異。,在生理溫度下，脂肪酸末端排列成固定的晶格；不飽和脂肪酸的雙鍵可導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的變形。當(dāng)磷脂分子中二者同時(shí)存在時(shí)，在一定條件下就阻礙了形成晶格結(jié)構(gòu)所需要的有秩序排列。,膜的流動(dòng)性很大程度上取決于不飽和脂肪酸的結(jié)構(gòu)和相對(duì)含量。細(xì)胞膜上長(zhǎng)鏈脂肪酸的鏈長(zhǎng)和飽和度因細(xì)菌種類和生長(zhǎng)溫度而異，通常生長(zhǎng)溫度要求越高的種，其飽和度也越高，反之則低。,B．膜蛋白：具運(yùn)輸功能的整合蛋白（integral protein）或內(nèi)嵌蛋白（intrinsic protein）具有酶促作用的周邊蛋白（peripheral protein）或膜外蛋白(extrinsic protein) 膜蛋白約占細(xì)菌細(xì)胞膜的50%～70%，比任何一種生物膜都高，而且種類也多。--------細(xì)胞膜是一個(gè)重要的代謝活動(dòng)中心。,,,,3)細(xì)胞膜的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)模型：,61,C．甾醇類物質(zhì)：由磷脂分子形成的雙分子膜中加入甾醇類物質(zhì)可以提高膜的穩(wěn)定性， 真核生物細(xì)胞膜中一般含有膽固醇等甾醇，含量為5%-25%；原核生物與真核生物的最大區(qū)別就是其細(xì)胞膜中一般不含膽固醇等甾醇（支原體例外），而是含有hopanoid類甾醇。,hopanoid類甾醇，其作用被認(rèn)為也是穩(wěn)定細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)；90%的化石燃料的前體物質(zhì)是kerogen（油原，或稱油母巖質(zhì)），Kerogen中細(xì)菌特有的hopanoid類甾醇占有很高的比例 ，Kerogen是由于細(xì)菌的活動(dòng)而形成；在地下沉積物中細(xì)菌特有的hopanoid類甾醇的含量高達(dá)10,11-12,噸，與目前地球上存在的活的生物（living organisms）體內(nèi)含有的有機(jī)碳的含量總和相當(dāng)。 hopanoid被認(rèn)為是地球上含量最豐富的生物分子。,,D．,液態(tài)鑲嵌模型,(fluid mosaic model),1972年，辛格（J.S.Singer）和尼科爾森（G.L.Nicolson）提出：,①膜的主體是脂質(zhì)雙分子層；②脂質(zhì)雙分子層具有流動(dòng)性；③整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂質(zhì)雙分子層的疏水性內(nèi)層中；④周邊蛋白表面含有親水基團(tuán)，故可通過靜電引力與脂質(zhì)雙分子層表面的極性頭相連；⑤脂質(zhì)分子間或脂質(zhì)與蛋白質(zhì)分子間無共價(jià)結(jié)合；⑥脂質(zhì)雙分子層猶如一“海洋”，周邊蛋白可在其上作“漂浮”運(yùn)動(dòng)，而整合蛋白則似“冰山”狀沉浸在其中作橫向移動(dòng)。,,,C．甾醇類物質(zhì)：由磷脂分子形成的雙分子膜中加入甾醇類物質(zhì)可以,62,,,北京大學(xué)微生物學(xué)課件,63,,,,北京大學(xué)微生物學(xué)課件,64,,4）間體mesosome,是一種由細(xì)胞膜內(nèi)褶而形成的囊狀構(gòu)造，其內(nèi)充滿著層狀或管狀的泡囊。一般位于細(xì)胞分裂部位或其鄰近。其主要功能是促進(jìn)細(xì)胞間隔的形成與遺傳物質(zhì)的復(fù)制及其相互分離有關(guān)。多見于G,+,細(xì)菌。,,,4）間體mesosome,65,（3）細(xì)胞質(zhì)和內(nèi)含物,,細(xì)胞質(zhì)（cytoplasm）是指被細(xì)胞膜包圍的除核區(qū)以外的一切半透明、膠體狀、顆粒狀物質(zhì)的總稱。主要成分有核糖體、內(nèi)含物、羧化體、各種酶類、中間代謝物、無機(jī)鹽、載色體和質(zhì)粒等。,,與真核生物明顯不同的是，原核生物的細(xì)胞質(zhì)是不流動(dòng)的,。,,1）核糖體：由65%核糖核酸和35%蛋白質(zhì)組成的顆粒體。由50S大亞基和30S小亞基組成。,,2）細(xì)胞內(nèi)含物（inclusion body，貯藏物）指細(xì)胞質(zhì)內(nèi)一些形狀較大的顆粒狀構(gòu)造。,,①貯藏物（reserve materials）：一類由不同化學(xué)成分累積而成的不溶性顆粒，主要功能是貯存營(yíng)養(yǎng)物。,,,（3）細(xì)胞質(zhì)和內(nèi)含物,66,,,北京大學(xué)微生物學(xué)課件,67,①,聚-,β,-羥丁酸,(poly-β-hydroxybutyrate,,PHB,)：巨大芽