微生物(第三、四章)

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1、1微生物微生物讲座讲座第三章第三章 微生物的形态和构造二真核微生物微生物的形态和构造二真核微生物凡是细胞核具有核膜、能进行有丝分裂、细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等细 胞器的微小生物，就称真核微生物。真核生物与原核生物间的差别见表 3-1。高中生物竞赛高中生物竞赛辅导讲义辅导讲义2主要的真核微生物有：由于大型真菌（蕈菌）和显微藻类一般在植物学中有详细介绍，而原生动物则在动物 学中有较多描述，因此，这里就着重介绍真菌中的酵母菌和霉菌。真菌是一类低等的真核生物，它们主要有以下五个特点：不能进行光合作用；以 产生大量孢子进行繁殖；一般具有发达的菌丝体；营养方式为异养吸收型；陆生性 较强。第一节

2、酵母菌酵母菌（yeast）是一个通俗名称，由于例外情况较多，因此很难对它下一个确切的定 义。可以认为，酵母菌一般具有以下五个特点：个体一般以单细胞状态存在；多数营 出芽繁殖，也有的裂殖；能发酵糖类产能；细胞壁常含甘露聚糖；喜在含糖量较高、 酸度较大的水生环境中生长。酵母菌在自然界分布很广，主要生长在偏酸性的含糖环境中，例如，在水果、蔬菜、 蜜饯的表面和在果园土壤中最为常见，此外，在油田和炼油厂附近土层中也很易分离到能 利用烃类的酵母菌。酵母菌的种类很多。据 KregerVanRij（1982）的资料，当时已知的酵母有 56 属，500 多种。酵母菌与人类的关系极其密切。可以认为，酵母菌是人类的

3、第一种“家养微生物” 。 千百年来，酵母菌及其发酵产品大大改善和丰富了人类的生活，例如乙醇和有关饮料的生 产，面包的制造，甘油的发酵，石油及油品的脱蜡，饲用、药用或食用单细胞蛋白 （SCP，singlecellprotein）的生产，从酵母菌体中提取核酸、麦角甾醇、辅酶 A、细胞色素 C、凝血质和维生素等生化药物，以及近年来将酵母菌尤其是 Saccharomycescerevisiae（酿 酒酵母）作为遗传工程中具有良好发展前途的受体菌等。上述的单细胞蛋白一般是指来自 各类微生物体的蛋白，它是继动物蛋白和植物蛋白后的另一类重要的可供动物作营养的蛋 白质来源。良好的单细胞蛋白必须具备无毒、易消化

4、吸收、必需氨基酸的含量丰富、核酸 含量较低、口味好、制造容易和价格低廉等条件，而酵母菌基本上具备以上条件。此外， 酵母菌一般还能利用无机氮源或尿素来合成蛋白质，生长速度快，再加上细胞体积大等优 点，因此，自然成了目前最重要的单细胞蛋白来源。只有少数（约 25 种）酵母菌能引起人或其他动物的疾病，其中最常见的是 Candidaalbicans（白假丝酵母，即“白色念珠菌” ）和 Cryptococcusneoformans（新型隐球菌） 。它们一般属于条件性致病菌，常可引起人体一些表层（皮肤、粘膜）或深层（各内脏、 器官）的疾病，例如鹅口疮、阴道炎、轻度肺炎或慢性脑膜炎等。一、细胞的形态构造酵母

5、菌是典型的真核微生物，其细胞直径一般比细菌粗 10 倍，例如，典型的酵母菌3Scerevisiae 细胞的宽度为 2.510m，长度为 4.521m。因此，在光学显微镜下， 可模糊地看到它们细胞内的种种结构分化。酵母菌细胞的形态通常有球状、卵圆状、椭圆状、柱状或香肠状等多种，当它们进行 一连串的芽殖后，如果长大的子细胞与母细胞并不立即分离，其间仅以极狭小的面积相连， 这种藕节状的细胞串就称假菌丝；相反，如果细胞相连，且其间的横隔面积与细胞直径一 致，则这种竹节状的细胞串就称真菌丝。 酵母菌细胞的典型构造可见图 3-1，现分述如下。（一）细胞壁细胞壁厚约 25m，约占细胞干重的 25，是一种坚韧

6、的结构。其化学组分较特殊， 主要由“酵母纤维素”组成。它的结构似三明治外层为甘露聚糖（mannan） ，内层为 葡聚糖（glucan） ，它们都是复杂的分枝状聚合物，其间夹有一层蛋白质分子。蛋白质约占 细胞壁干重的 10，其中有些是以与细胞壁相结合的酶的形式存在，例如葡聚糖酶、甘聚 糖酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和脂酶等。据试验，维持细胞壁强度的物质主要是位于内层的 葡聚糖成分。此外，细胞壁上还含有少量类脂和以环状形式分布在芽痕周围的几丁质。现把葡聚糖、甘露聚糖、纤维素和几丁质的分子结构图示如下（图 3-2） 。用玛璃螺（Helixpomatia）的胃液 制得的蜗牛消化酶，内含图 3-1 酵母菌 细

7、胞的模式构造纤维素酶、甘露聚糖酶、 葡糖酸酶、几丁质酶和脂酶等 30 余种 酶类，它对酵母菌的细胞壁具有良好的 水解作用，因而可用来制备酵母菌的原4生质体，也可用它来水解酵母菌的子囊壁，借以把能抗一般酶水解的子囊孢子分离出来。（二）细胞膜将酵母原生质体放在低渗溶液中破裂后，再经离心、洗涤等手续就可得到纯净的细胞 膜。细胞膜在电子显微镜下观察时，也是一种三层结构。它的主要成分是蛋白质（约占干 重 50） 、类脂（约占 40）和少量糖类。在酵母细胞膜上所含的各种甾醇中，尤以麦角甾醇居多。它经紫外线照射后，可形成 丁种维生素（D2） 。据报道，Saccharomycesfermentati（发酵酵母

8、）所含的总甾醇量可达细 胞干重的 22，其中的麦角甾醇达细胞干重的 9.66。此外，Pichiaguilliermondii（季氏毕 赤氏酵母） 、Saccha-romycescerevisiae（酿酒酵母） 、Scarlsbergensis（卡尔斯伯酵母） 、 Rhodotorulaminuta（小红酵母）和 Sdelbrueckii（戴氏酵母）等，也含有较多的麦角甾醇。细胞膜是由上下两层磷脂分子以及嵌杂在其间的甾醇和蛋白质分子所组成的。磷脂的 亲水部分排在膜的外侧，疏水部分则排在膜的内侧（图 3-3） 。细胞膜的功能是：用以调节细胞外溶质运送到细胞内的渗透屏障；细胞壁等大分 子成分的生物合

9、成和装配基地；部分酶的合成和作用场所。（三）细胞核酵母菌具有用多孔核膜包裹起来的定形细胞核真核，活细胞中的核可用相差显微 镜加以观察；如用碱性品红或姬姆萨染色法对固定的酵母细胞进行染色，还可观察到核内 的染色体（其数目因种而不同） ；在电子显微镜下，可发现核膜是一种双层单位膜，其上存 在着大量直径为 4070nm 的核孔，用以增大核内外的物质交换。酵母细胞核是其遗传信息的主要贮存库。在 Saccharomycescerevisiae 的核中存在着 17 条染色体。因为单倍体酵母细胞中 DNA 的分子量为 11010Da（道尔顿，Datlon） ，比人 细胞中 DNA 的分子量低 100 倍，只

10、比 Escherichiacoli 中的分子量大 10 倍，因此很难在显 微镜下加以观察。除细胞核外，在酵母的线粒体和环状的“2m 质粒”中也含有 DNA。酵母线粒体中 的 DNA 是一个环状分子，分子量为 5106Da，比高等动物线粒体中的 DNA 大 5 倍，类 似于原核生物中的染色体。可通过密度梯度离心而与染色体 DNA 相分离。线粒体上的5DNA 量约占酵母细胞总 DNA 量的 1523，它的复制是相对独立进行的。2m 质粒是 1967 年后才在 Scere-visiae 中发现的，它可作外源 DNA 片段的载体，并通过转化而完成 组建“工程菌”等重要的遗传工程研究。（四）其他细胞构造

11、在成熟的酵母菌细胞中，有一个大形的液泡（vacuole） 。其内含有一些水解酶以及聚 磷酸、类脂、中间代谢物和金属离子等。液泡的功能可能是起着营养物和水解酶类的贮藏 库的作用，同时还有调节渗透压的功能。在有氧条件下，酵母菌细胞内会形成许多线粒体。它的外形呈杆状或球状，大小为 0.30.53m，外面由双层膜包裹着。内膜经折叠后形成嵴，其上富含参与电子传递和 氧化磷酸化的酶，在嵴的两侧均匀地分布着圆形或多面形的基粒。嵴间充满液体的空隙称 为基质（ma-trix） ，它含有三羧酸循环的酶系。在缺氧条件下生长的酵母菌细胞，只能形成 无嵴的简单线粒体。这就说明，线粒体的功能是进行氧化磷酸化。在有的酵母菌

12、例如在 Candidaalbicans（白假丝酵母）中，还可找到只有一层约 7nm 单 位膜包裹的、直径约 3m 的圆形或卵圆形的细胞器，称为微体，它的功能可能是参与甲 醇和烷烃的氧化。二、酵母菌的繁殖方式和生活史酵母菌的繁殖方式有多种类型。繁殖方式对酵母菌的鉴定极为重要。现将几种有代表 性的繁殖方式表解如下：有人把只进行无性繁殖的酵母菌称作“假酵母” ，而把具有有性繁殖的酵母称作“真酵 母” 。（一）无性繁殖1芽殖（budding）芽殖是酵母菌最常见的繁殖方式。在良好的营养和生长条件下， 酵母生长迅速，这时，可以看到所有细胞上都长有芽体，而且在芽体上还可形成新的芽体， 所以经常可以见到呈簇状

13、的细胞团。芽体的形成过程是这样的：在母细胞形成芽体的部位，由于水解酶对细胞壁多糖的分 解，使细胞壁变薄。大量新细胞物质核物质（染色体）和细胞质等在芽体起始部位上 堆积，使芽体逐步长大。当芽体达到最大体积时，它与母细胞相连部位形成了一块隔壁。 隔壁的成分是由葡聚糖、甘露聚糖和几丁质构成的复合物。最后，母细胞与子细胞在隔壁 处分离。于是，在母细胞上就留下一个芽痕（budscar） ，而在子细胞上就相应地留下一个 蒂痕（birthsear） 。在光学显微镜下无法直接看到酵母菌的芽痕，如果用钙荧光素 （calcafluor）或樱草灵（primulin）等荧光染料染色，就可在荧光显微镜下看到它。当然若

14、在扫描电镜下摄影，就可清晰地观察到芽痕和蒂痕的细致结构。根据酿酒酵母细胞表面留下芽痕的数目，就可确定某细胞曾产生过的芽体数，因而也 可用于测定该细胞的年龄。在任何酵母群体中，50的细胞是由最近一代的细胞分裂所产6生的，故在其表面仅有一个蒂痕而无芽痕；在其余 50细胞中，25具有一个芽痕， 12.5具有两个芽痕，而 12.5则具有两个以上的芽痕。2裂殖（fission） 酵母菌的裂殖与细菌的裂殖相似。其过程是细胞伸长，核分裂为 二，然后细胞中央出现隔膜，将细胞横分为两个相等大小的、各具有一个核的子细胞。进 行裂殖的酵母菌种类很少，例如裂殖酵母属的 Schizosaccharomycesoctos

15、porus（八孢裂殖酵 母）等。3产生掷孢子等无性孢子 掷孢子（ballistospore）是掷孢酵母属等少数酵母菌产生的 无性孢子，外形呈肾状。这种孢子是在卵圆形的营养细胞上生出的小梗上形成的。孢子成 熟后，通过一种特有的喷射机制将孢子射出。因此，如果用倒置培养皿培养掷孢酵母并使 其形成菌落，则常因其射出掷孢子而可在皿盖上见到由掷孢子组成的菌落模糊镜像。此外，有的酵母如 Candidaalbicans 等还能在假菌丝的顶端产生厚垣孢子 （chlamydospore） 。（二）有性繁殖酵母菌是以形成子囊（ascus）和子囊孢子（ascospore）的方式进行有性繁殖的。它们 一般通过邻近的两个

16、性别不同的细胞各自伸出一根管状的原生质突起，随即相互接触、局 部融合并形成一个通道，再通过质配、核配和减数分裂，形成 4 个或 8 个子核，每一子核 与其附近的原生质一起，在其表面形成一层孢子壁后，就形成了一个子囊孢子，而原有营 养细胞就成了子囊。（三）生活史的三类型上代个体经一系列生长、发育阶段而产生下一代个体的全部历程，就称为该生物的生 活史或生命周期（lifecycle） 。各种酵母菌的生活史可分为三个类型。1营养体既可以单倍体（n）也可以二倍体（2n）形式存在酿酒酵母是这类生活史的 代表。其特点为：一般情况下都以营养体状态进行出芽繁殖；营养体既可以单倍体形 式存在，也能以二倍体形式存在；在特定条件下进行有性繁殖。从图 3-4 中可见其生活史的全过程：子囊孢子在合适的条件下发芽产生单倍体营养 细胞；单倍体营养细胞不断进行出芽繁殖；两个性别不同的营养细胞彼此接合，在质 配后即发生核配，形成二倍体营养细胞；二倍体营养细胞并不立即进行核分裂，而是不 断进