微生物学教案 第三章 微生物细胞的结构与功能微生物细胞的构造与功能第三章 微生物细胞的构造与功能在有细胞构造的微生物中，按其细胞，尤其是细胞核的构造和进化水平上的差异，可把它们分为原核微生物和真核微生物两个大类近年来正在越来越深化探究的古细菌〔archaebacteria〕或古生菌〔archaea〕，尽管其在进化谱系上与真细菌〔eubacteria〕和真核生物相互并列，但其在细胞构造上却与真细菌较为接近，同属于原核生物因此，有关古生菌细胞构造和功能的内容，拟放在原核微生物一节中加以探讨第一节 原核微生物原核微生物是指一大类细胞核无核膜包袱，只有称作核区(nuclear region)的袒露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌和古生菌两大群真细菌的细胞膜含由酯键连接的脂类，细胞壁中含特有的肽聚糖〔无壁的枝原体除外〕，DNA中一般没有内含子〔但近年来也有例外的发觉〕细菌、放线菌、蓝细菌、枝原体、立克次氏体和衣原体等都属于真细菌以下就以最常见的细菌作主要代表具体阐述原核生物细胞的各局部构造和功能细菌细胞的模式构造见图3-1其中把一般细菌都有的构造称一般构造，而把局部细菌具有的或一般细菌在特别环境下才有的构造称为特别构造。
图3-1 细菌细胞构造模式图一、细胞壁细胞壁〔cell wall〕是位于细胞最外的一层厚实、坚韧的外被，主要由肽聚糖构成，有固定细胞外形和爱护细胞等多种生理功能通过染色、质壁分别〔plasmolysis〕或制成原生质体后再在光学显微镜下视察，可证明细胞壁的存在；用电子显微镜视察细菌超薄切片等方法，更可确证细胞壁的存在细胞壁的主要功能有：①固定细胞外形和提高机械强度，从而使其免受渗透压等外力的损伤例如，有报道说大肠杆菌〔Escherichia coli〕的膨压(turgor)可达2微生物细胞的构造与功能个大气压〔相当于汽车内胎的压力〕；②为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需失去了细胞壁的原生质体，也就丢失了这些重要功能；③阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质〔分子量大于800〕进入细胞，爱护细胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等有害物质的损伤；④给予细菌具有特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性原核生物的细胞壁除了具有以上的共性外，在革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和古生菌中，还有其各自的特性，这就是细胞壁的多样性图3-2和表3-1就是革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌细胞壁在构造和成分上的主要差异。
图3-2 革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比拟表3-1 革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁成分的比拟1革兰氏阳性细菌细胞壁的特点是厚度大〔20~80nm〕和化学组分简洁，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸 微生物细胞的构造与功能图3-3革兰氏阳性细菌肽聚糖的立体构造〔片段〕图3-4 革兰氏阳性细菌肽聚糖的单体构造〔左：简化的单体分子；右：单体的分子构造箭头处为溶菌酶的水解点〕〔1〕肽聚糖(peptidoglycan)又称粘肽(mucopeptide)、胞壁质(murein)或粘质复合物(mucocomplex)，是真细菌细胞壁革兰氏阳性菌——金黄色葡萄球菌〔Staphylococcus aureus〕具典型的肽聚糖，20~80nm，由40层左右的网格状分子交织成的网套覆盖在整个细胞上肽聚糖N-乙酰葡糖胺和图3-3〕看似困难的肽聚糖分子，假设把它的图3-4〕从图3-4可知，每一肽聚糖单体由三 ①双糖单位：由一个N-乙酰葡糖胺通过β-1,4-糖苷键与另一个N-乙酰胞壁酸相连，后者这一双糖单位中的β-1,4-糖苷键很简单被一种广泛分布于卵清、(lysozyme)所水解〔水解位点在1碳和N-乙酰葡糖胺的4碳间〕，从而引起细菌因肽聚糖细胞壁的“散架”而死亡。
②四肽尾或四肽侧链(tetrapeptide side chain)：是由四个氨基酸分子按L在金黄色葡萄球菌中，接在N-乙酰胞壁酸上的四肽尾为L-ala →D-ala，其中两种D型氨基酸在细菌细胞壁之外很少出现③肽桥或肽间桥(peptide interbridge)：在金黄色葡萄球菌中，肽桥为甘氨酸五肽，它起101种，在这一“肽聚 〔2〕磷壁酸〔teichoic acid〕是结合在革兰氏阳性细菌细胞壁上的一种酸性多糖，主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸10%，有时可接近50%用稀酸或稀碱可以提取其二为跨越肽聚糖glu 中的特有成分它的肽聚糖厚约分子是由肽与聚糖两局部组成，其中的肽有四肽尾和肽桥两种，聚糖那么由N-乙酰胞壁酸相互间隔连接而成，呈长链骨架状〔根本组成单位剖析一下，就显得非常简洁了〔局部组成：为原核生物所特有的已糖人的泪液和鼻涕以及局部细菌和噬菌体中的溶菌酶N-乙酰胞壁酸的 型与D型交替方式连接而成→ L-lys → D着连接前后两个四肽尾分子的“桥梁”作用目前所知的肽聚糖已超过糖的多样性”中，主要的改变发生在肽桥上磷壁酸可分两类，其一为壁磷壁酸，它与肽聚糖分子间进展共价结合，含量会随造就基成分而变更，一般占细胞壁重量的微生物细胞的构造与功能层并与细胞膜相交联的膜磷壁酸〔又称脂磷壁酸〕，由甘油磷酸链分子与细胞膜上的磷脂进展共价结合后形成。
其含量与造就条件关系不大可用45%热酚水提取，也可用热水从脱脂的冻干细菌中提取磷壁酸有五种类型，主要为甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸两类，前者在干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)等细菌中存在，后者在金黄色葡萄球菌和芽孢杆菌属(Bacillus)等细菌中存在图3-5表示甘油磷壁酸的构造及其与肽聚糖分子中的N-乙酰胞壁酸的共价连接方式磷壁酸的主要生理功能为：2+①其磷酸分子上较多的负电荷可提高细胞四周Mg的浓度，进入细胞后就可保证细胞膜上2+一些需Mg的合成酶提高活性；②贮藏磷元素；③增加某些致病菌如A族链球菌(Streptococcus)对宿主细胞的粘连、幸免被白细胞吞噬以及抗补体的作用；④给予革兰氏阳性细菌以特异的外表抗原；⑤可作为噬菌体的特异性吸附受体；⑥能调整细胞内自溶素(autolysin)的活力，借以防止细胞因自溶而死亡因为在细胞正常分裂时，自溶素可使旧壁适度水解并促使新壁不断插入，而当其活力过强时，那么细菌会因细胞壁快速水解而死亡 图3-5 甘油磷壁酸的构造模式〔左〕及其单体〔虚线范围内〕的分子构造〔右〕2、革兰氏阴性细菌的细胞壁〔1〕肽聚糖微生物细胞的构造与功能革兰氏阴性细菌的肽聚糖可举大肠杆菌为代表。
它的肽聚糖埋藏在外膜层之内，是仅由1~2层肽聚糖网状分子组成的薄层(2~3nm)，含量约占细胞壁总重的10%，故对机械强度的反抗力较革兰氏阳性菌弱其构造单体与上述革兰氏阳性菌根本一样，差异仅在于：①四肽尾的第3个氨基酸不是L-lys，而是被一种只有在原核微生物细胞壁上才有的内消旋二氨基庚二酸(m-DAP)所代替；②没有特别的肽桥，其前后两个单体间的连接仅通过甲四肽尾的第4个氨基酸——D-ala的羧基与乙四肽尾的第3个氨基酸——mDAP的氨基干脆相连，因而只形成较为疏稀、机械强度较差的肽聚糖网套〔图3-6〕 图3-6 革兰氏阴性细菌——大肠杆菌的肽聚糖〔2〕外膜(outer membrane)位于革兰氏阴性细菌细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等假设干种蛋白质组成的膜，有时也称为外壁〔见图3-2〕脂多糖〔lipopolysaccharide, LPS〕：是位于革兰氏阴性细菌细胞壁最外层的一层较厚〔8~10nm〕的类脂多糖类物质，由类脂A、核心多糖(core polysaccharide)和O-特异侧链〔O-specific side chain，或称O-多糖或O-抗原〕三局部组成其主要功能为：①其中的类脂A是革兰氏阴性细菌致病物质——内毒素的物质根底；2+2+②因其负电荷较强，故与磷壁酸相像，也有吸附Mg、Ca等阳离子以提高其在细胞外表浓度的作用；③由于LPS构造的多变，确定了革兰氏阴性细菌细胞外表抗原确定簇的多样性，例如，依据LPS抗原性的测定，国际上已报道过的沙门氏菌属(Salmonella)的抗原型多达2107种〔11013年〕；④是很多噬菌体在细胞外表的吸附受体；⑤具有限制某些物质进出细胞的局部选择性屏障功能，例如，它可透过假设干种较小的分子〔嘌呤、嘧啶、双糖、肽类和氨基酸等〕，但能阻拦溶菌酶、抗生素〔青霉素等〕、去污剂和微生物细胞的构造与功能某些染料等较大分子进入细胞膜。
要维持LPS构造的稳定性，必需有足够的存在假如用EDTA2+等螯合剂去除Ca和降低离子键，就会使LPS解体这时，其内壁层的肽聚糖分子就会暴露出来，因而易被溶菌酶所水解LPS的分子构造较为困难，现表解如下：2+ 在LPS中，类脂A的种类较少〔大约有7~8种〕，它是革兰氏阴性细菌内毒素的物质根底，其构造见图3-7 微生物细胞的构造与功能图3-7 沙门氏菌LPS中类脂A〔即内毒素〕的分子构造； 图3-8 LPS中三种独特糖的构造 在LPS的核心多糖区和O-特异侧链区中有几种独特的糖，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〕，它们的构造见图3-8在沙门氏菌中，LPS中的O-特异侧链种类极多，因其抗原性的差异故很易用灵敏的血清学方法加以鉴定，这在传染病的诊断中有其重要意义，例如由此可对某传染病的传染原进展地理定位等〔3〕外膜蛋白(outer membrane protein)指嵌合在LPS和磷脂层外膜上的蛋白有20余种，但多数外膜蛋白的功能还未清晰其中的脂蛋白(lipoprotein)是一种通过共价键使外膜层坚固地连接在肽聚糖内壁层上的蛋白，分子量约为7300。
另有两种蛋白探究得较为清晰，都称孔蛋白〔porins〕每个孔蛋白分子是由三个一样分子量〔36000〕蛋白亚基组成的一种三聚体跨膜蛋白，中间有始终径约1nm的孔道，通过孔的开、闭，可阻挡某些抗生素进入外膜层确定有两种孔蛋白，其一是非特异性孔蛋白(nonspecific porin)，其充水孔道可通过分子量小于800~900的任何亲水性分子，如双糖、氨基酸、二肽和三肽；另一为特异性孔蛋白(specific porin或specific channel protein)，其上存在专一性结合位点，只容许一种或少数几种相关物质通过，其中最大的孔蛋白可通过分子量较大的物质，如维生素B12和核苷酸等除脂蛋白和孔蛋白外，还有一些外膜蛋白与噬菌体的吸附或细菌素的作用有关4)周质空间* (periplasmic space, periplasm)又称壁膜间隙在革兰氏阴性细菌中，一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间〔宽约12~15nm〕，呈胶状在周质空间中，存在着多种周质蛋白〔periplasmic proteins〕，包括：①水解酶类，例如蛋白酶、核酸酶等；②合成酶类，例如肽聚糖合成酶；③结合蛋白〔具有运输养分物质的作用〕；④受体蛋白〔与细胞的趋化性相关〕。
周质蛋白可通过渗透休克法〔osmotic shock〕或称“冷休克”的方法释放此法系依据突然变更渗透压并使细胞发生物理性裂解的原理其主要步骤是：将细菌放在用Tris缓冲液配制、含EDTA的20%蔗糖溶液中保温，使其发生质壁分别〔plasmolysis〕，接着快速地用4℃的0.005mol/L MgCl2溶液稀释并降温，使细胞外膜突然裂开并释放周质蛋白经离心即可从上清液中提取周质蛋白革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌间由于细胞壁和其他构造的。