第一章细菌的形态与结构
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第一章细菌的形态与结构. 细菌 ( bacteria ) 是原核生物界中一种具有细胞壁的单细胞微生物。 原核微生物细菌的主要特点是:①细胞内没有核膜和核仁 , 故叫核区或核体;核区内含有一条双链 DNA 构成的细菌染色体;②无线粒体和内质网 , 能量代谢和氧化还原反应均在细胞膜上进行;③ 70S 核糖体分布在细胞质中 ;④ 二分裂法繁殖。. 第一节、细菌的形态与大小. 细菌的外形与排列 细菌的大小 观察细菌的方法. 一、细菌的形态与排列.

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第一章细菌的形态与结构


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  • 细菌(bacteria)是原核生物界中一种具有细胞壁的单细胞微生物。

  • 原核微生物细菌的主要特点是:①细胞内没有核膜和核仁,故叫核区或核体;核区内含有一条双链DNA构成的细菌染色体;②无线粒体和内质网,能量代谢和氧化还原反应均在细胞膜上进行;③70S核糖体分布在细胞质中;④二分裂法繁殖。


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第一节、细菌的形态与大小

  • 细菌的外形与排列

  • 细菌的大小

  • 观察细菌的方法


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一、细菌的形态与排列

  • 细菌的繁殖方式是简单的二分裂法裂殖,有的细菌分裂后彼此分离,单个存在;另一些细菌则分裂后彼此仍有原浆带相连,形成一定的排列。各种细菌的个体外形和排列方式,在正常情况下是相对稳定而有特征的,可以作为细菌分类和鉴定的依据。

  • 细菌的外形有球形,杆形和螺旋形,分别被称为:

  • 球菌(Coccus)

  • 杆菌(Bacillus)

  • 螺旋菌(Spirlla)


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球菌

杆菌

螺旋菌


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1.球菌(coccus)按球菌分裂的方向,及分裂后的排列,分为6种球菌。

单球菌

双球菌

四联球菌

八叠球菌

葡萄球菌

链球菌


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球菌的分裂方向及分裂后的排列


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(1)单球菌(single coccus)

分裂后的细胞分散而单独存在的球菌.

尿素微球菌(Micrococcus ureae)


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(2)双球菌(double coccus)

向一个平面分裂,分裂后两两相连存在,菌体为肾状或矛头状。

双球菌(显微镜下示意图)


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肺炎双球菌,瓜子状,尖端向外,背端相连


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(3)四联球菌 ( tetracoccus )

先后向两个互相垂直的平面分裂,分裂后四个球菌连在一起,排列成方形。


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四联球菌


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(4)八叠球菌(Sarcina )

先后向三个互相垂直的平面分裂,分裂后八个球菌立体的叠在一起,似包裹状。

如藤黄八叠球菌(Sarcina ureae)


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八叠球菌


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(5)葡萄球菌(Staphylococcus)

向多个平面分裂,分裂后若干球菌不规则的堆在一起,形成葡萄串状。

金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)


Streptococcus

葡萄球菌(streptococcus)


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电镜下的葡萄球菌很像新疆的马奶葡萄


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(6)链球菌(streptococcus)

向一个平面连续分裂,分裂后连成三个以上的长或短链。

乳链球菌 (Streptococcus lactis)


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马腺疫链球菌


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链球菌(肉汤培养物,革蓝氏染色)


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2.杆菌(bacillus)杆菌只有一个分裂方向,即与菌体长轴垂直分裂,分裂后有不同的排列:

单杆菌:大多数杆菌,大肠杆菌等 双杆菌:肺炎双杆菌   链杆菌:炭疽杆菌  球杆菌:巴氏杆菌  分枝杆菌:结核分枝杆菌  棒状杆菌:化脓棒状杆菌


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大肠杆菌


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炭疽杆菌


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炭疽芽胞杆菌 3-10 μm

大肠杆菌 2-3 μm

布氏杆菌 0.6-1.5μm

不同杆菌的大小、长短、粗细很不一致


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大肠杆菌与白细胞(比例)


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两端尖细

两端齐平

白喉棒状杆菌

炭疽芽胞杆菌

杆菌的形态多样


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双歧杆菌

分枝杆菌

杆菌的形态多样

电子显微镜细菌照片


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3.螺旋菌(Spirlla)

  • 菌体呈弯曲呈螺旋状的细菌统称螺旋菌或螺菌。根据弯曲螺旋的程度不同,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(霍乱弧菌)。

  • 螺旋菌: 菌体有两个以上的弯曲,捻转呈螺旋状(鼠咬热螺菌)。


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副溶血弧菌


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螺菌

鼠咬热螺菌


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幽 门 螺 旋 菌


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影响细菌形态的因素:

培养时间、培养温度、培养基成分、浓度、pH值等环境条件对细菌形态都有明显的影响。

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。


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  • 衰老型和多形性 在正常情况下,细菌的个体形状和排列是规则和一致的,在老龄培养物中,会出现和正常形状不一样的个体,这就是衰老型和退化性。当这些衰老型的培养物,重新处于正常的培养环境中,可恢复正常形状(慢性猪丹毒杆菌)。但有些细菌,即使在正常环境中生长,起形状也很不一致,这种现象称多形性(溶血巴氏杆菌,支原体,L型细菌)。


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二 细菌的大小

测量单位:常用微米(um)表示。

大小表示:球菌——直径;如葡萄球菌约为0.5---1.0微米

杆菌、螺旋菌——宽×长;如大肠杆菌约为0.3—0.5×1.0—3.0um。


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细菌的大小

测量方法:测微尺

长度单位:微米

表示方法:

球菌:直径

杆菌:长*宽

螺菌:长、宽


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细菌细胞的大小

  • 球菌平均直径为1um

  • 小杆菌0.2-0.4um×0.7-1.5um;

  • 大杆菌为1~1.25um×3-8um;

  • 螺形菌一般为0.4-2um×2-20um 。

光学显微镜下用目镜测微尺测细菌大小


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细菌细胞的大小的意义

细胞的大小是细菌分类特征

不同细菌细胞大小不同

同一细菌的不同菌龄细胞大小不同

细菌细胞大小还与营养等因素相关

掌握细菌大小的特点,便于去鉴定它们


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三、观察细菌的方法

1. 观察工具(tools)

普通光学显微镜

暗视野显微镜

相差显微镜

荧光显微镜

电子显微镜


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压滴法

悬滴法

菌丝埋片法

2.用显微镜观察细菌的方法

活体观察

染色观察


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染色观察

简单染色法

革兰氏染色法

正染色

抗酸性染色法

鉴别染色法

芽 孢 染 色 法

死菌

姬姆萨染色法

细菌染色法

负染色:

荚膜染色法等

活菌: 用美蓝或TTC(氯化三苯基四氮唑)等

作活菌染色


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第二节 细菌的结构

  • 一般结构:

  • 细胞壁 细胞膜

  • 细胞质及内含物 核体

  • 特殊结构:

  • 荚膜 鞭毛

  • 芽胞 菌毛


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Eukaryotic cell


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细菌细胞的结构示意图


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细菌细胞


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一 一般结构:

(一)细胞壁(cell wall)

细胞壁是位于菌体的最外层,内侧紧贴细胞膜的一层无色透明,坚韧而有弹性的结构。细胞壁约占细胞干重的10%—25%。

  • 细胞壁的结构与化学组成

  • 细胞壁与革兰氏染色

  • 细胞壁的功能

  • 无壁细胞与原生质体


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1.细菌细胞壁的结构及成分

  • 革兰氏阳性菌细胞壁:由肽聚糖和磷壁酸组成

磷壁酸:占40%。G+菌所特有,其主链由数十个磷酸甘油或磷酸核糖醇组成,有的还有由D—Ala和还原糖组成的侧链。

肽聚糖:

占30~70% ,不同菌种中肽聚糖(肽链)组分不同。


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革兰氏阴性菌细胞壁的结构

  • 革兰氏阴性菌细胞壁:分内壁层和外壁层。

外壁层:位于肽聚糖层的外部。

脂多糖;

脂蛋白、

包括: 蛋白质层: 基质蛋白、 外壁蛋白;

磷脂.

内壁层:紧贴胞膜,仅由1—2层肽聚糖分子构成,占细胞壁干重5— 10%,无磷壁酸。


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细菌细胞壁示意图(Cell Walls of Bacteria)

G+菌

G-菌


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高等植物: 纤维素

霉菌: 几丁质

酵母: 甘露聚糖,葡聚糖

细胞壁化学组成

N-乙酰葡萄糖胺

N-乙酰胞壁酸

短肽

肽聚糖

磷壁酸

细菌

脂多糖


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G+` G-细胞壁成分的区别

占细胞壁干重的%

成 分

G-

G+

肽聚糖

含量很高(30-95)

含量很低(5-20)

含量较高(<50)

0

磷壁酸

类脂质

一般无(<2)

含量较高(10-20)

0

含量较高

蛋白质


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N-乙酰葡糖胺

N-乙酰胞壁酸

溶菌酶作用点

青霉素作用点

肽聚糖(peptidoglycan)是由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸以β-1、4糖苷键相连,然后再与四肽链和五肽桥连接成三维空间网格结构,故细胞壁坚韧。


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2.细胞壁与革兰氏染色

结晶紫初染 碘液媒染 乙醇脱色 沙黄复染


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  • 革兰氏染色法是细菌细胞的复合染色法,由丹麦医生Hans Christian Gram于1884年创立。

  • 基本步骤:

  • 涂片固定——结晶紫初染1min——碘液媒染1min——95%乙醇脱色0.5min——番红复染1min

  • 结果:

  • 革兰氏阳性菌——紫色;

  • 革兰氏阴性菌——红色。


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革兰氏染色法

阳性菌

阴性菌


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革兰氏染色及G+菌和G-菌


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G+菌----紫色


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G-菌----淡红色


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革兰氏染色反应的原理和意义

原理:

意义:

革兰氏染色意义在于,缩小了鉴别细菌的范围


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3、细胞壁的功能

  • 维持细菌外形,保护细菌免受外界损害

  • 吸收与排泄

  • 与染色反应和药物的敏感性有关

  • 其它


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4、细胞壁缺陷型( L型细菌)

  • 细胞壁缺陷型或L型(bacterial L form):细胞壁缺损后仍能生长和分裂的细菌为L型细菌。特点是耐高渗透压、多形性和革兰氏阴性。青霉素或溶菌酶可使细菌失去细胞壁。

  • 原生质体(protoplast):革兰阳性菌细胞壁缺失后,原生质仅被一层细胞膜包围。

  • 原球体(spheroplast):革兰阴性菌肽聚糖层受损后尚有外膜保护。

  • 某些L型仍有一定的致病力,通常引起慢性感染。


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左侧为大肠杆菌的原球体, 右侧为有胞壁的大肠杆菌


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蜡样芽胞杆菌L型的镜下形态(多形性)

细菌L型的形态和染色性

细菌L型呈高度多形性,大小不一。着色不匀,无论其原为革兰阳性或阴性菌,形成L型大多染成革兰阴性。


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自发缺壁突变:L型细菌

缺壁

细菌

实验室中形成

彻底除尽:原生质体

人工方法去壁

部分去除:球状体

自然界长期进化中形成:支原体


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(二)、细胞膜1.性状:细胞膜是紧贴细胞壁内侧包围细胞质的一层柔软、富有弹性的半透明薄膜。2.细胞膜的结构与化学组成

蛋白质

主要包括 磷脂

糖类

少量核酸


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细胞膜的结构1972年Singer和Nicolson提出的细胞膜液态镶嵌模型。

认为:膜是由球形蛋白与磷脂按照二维排列方式构成的流体镶嵌式,流动的脂类双分子层构成了膜的连续体,而蛋白质象孤岛一样无规则地漂流在磷脂类的海洋当中。

细胞膜液态镶嵌模型


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Structure of Cytoplasmic Membrane


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细胞膜的功能

进行内外营养物质,代谢产物交换的场所;

维持渗透压;

细胞壁能量的产生和代谢的主要场所;


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间体:

由细胞膜内褶形成的一种管状、层状或串状物,一般位于细胞分裂的部位或附近。

间体


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间体(Mesosome)的功能(细胞膜内陷成管状、囊状的结构)

相当于真核细胞的线粒体、内质网;

间体

与细胞壁合成有关

可能与核分裂有关


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(三)细胞质(cytoplasm)和内含物( inclusion body)

是胞膜包围的胶体物质,为无色、透明、粘稠状物质。其主要成分是水、蛋白质、核酸、脂类,糖、无机盐。

  • 核区(nuclear region)

  • 质粒(circular covalently closed DNA)

  • 核糖体(ribosome)

  • 内含物(inclusion body)

    (异染颗粒,气泡等)


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1、核区(nuclear region or area)

核区又称核质体、原核、拟核、核基因组(genome),是一个大型环状DNA分子。长度为0.25-3.00um,每个细胞所含的核区数一般1—4个,细菌除在染色体复制时间内呈双倍体外,一般均为单倍体。


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由大型环状双链DNA

纤丝不规则地折叠或

缠绕而构成的无核膜、

核仁的区域


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2、质粒(circular covalently closed DNA )


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2.质粒:细菌染色体外的遗传物质,由共价闭合环状双链DNA分子组成.

分子量约为2—100×106D.携带1—100个基因, 一个菌细胞可有一至数个质粒。

  • 质粒的特点:

  • 可自我复制,稳定遗传。对生存不是必要的。复制与染色体分开,但同步进行。

  • 不同质粒携带不同遗传信息。

  • 无质粒细菌可通过接合、转化、转导等方式获得,不能自发产生。

  • 例:细菌抗药性因子、大肠杆菌的F因子。

  • 质粒应用:基因工程,体外重组.


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3、核糖体(Ribosome)

核糖体

核糖体(ribosome):细菌合成蛋白质的场所,游离存在于细胞质中。原核细胞70S(30S、50S)真核细胞的是80S(40S、60S)。


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是分散在细胞质中的颗粒状结构,

由核糖体核酸(占60%)和蛋白质(占40%)组成。

细菌的核糖体

沉降系数为:70s,由50s大亚基和 30s 小亚基构成。

功能:是细胞合成蛋白质的机构。


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4、内含物(inclusion body)

碳源及能源类

糖原:大肠杆菌、克雷伯氏菌、 蓝细菌芽胞杆菌等

聚-ß-羟丁酸: 固氮菌、产碱菌、肠杆菌

硫源:迂回螺菌、白喉棒状杆菌、结核分枝杆菌

藻青素:蓝细菌含有

氮源类

藻青蛋白:蓝细菌含有

磷源(异染粒):迂回螺菌、白喉棒状杆菌和分枝杆菌含有


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异染颗粒:某些细菌细胞内的一种酸性小颗粒,为多聚偏磷酸盐,用美蓝染色时,颗粒为红色,菌体是兰色。

红色螺菌的电子显微镜图片

功能:贮存磷元素和能量,降低渗透压。


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气泡(gas vocuoles)

  • 在成熟或老龄细菌细胞浆内,可见有空泡,内有液体的叫液泡,可以溶解营养物质,调节渗透压;有的细菌有气泡,可使细菌浮于培养基的表面,获取氧气和光能.


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二.特殊结构:

  • 荚膜(capsule)

  • 鞭毛 (flage,复flaglla)

  • 菌毛(fimbria,复fimbriae)

  • 芽孢(endospore/spore)


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(一)、荚膜(capsule)

1.概念

有些细菌在生活过程中,可在细胞壁外产生一种黏液样的物质封闭包围整个菌体,该结构即为荚膜.


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(大)荚膜:粘液状物质具有一定外形,相对稳定地附着在细胞壁外,厚度:>0.2µm。

微荚膜(microcopsule):粘液状物质较薄,厚度:<0.2µm , 与细胞表面牢固结合。

粘液层(slime layer):粘液物质没有明显的边缘,比荚膜松散,可向周围环境中扩散,增大黏性。

菌胶团(zoogloea):包裹在细胞群体上的胶状物质。


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电镜下荚膜


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炭疽杆菌荚膜,菌体外阴影(组织片)


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显微镜下的荚膜


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纯多糖

葡聚糖果聚糖纤维素

多糖

杂多糖

海藻酸透明质酸

2.荚膜成分

多肽

聚-D-谷氨酸

多肽和多糖蛋白质


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3.产生条件

  • 具有种的特征,即能产生荚膜的品种.

  • 需要丰富的营养,常需在动物组织中才能明显形成荚膜.


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4.荚膜功能

保护细菌免受干旱损坏

防止噬菌体的吸附和裂解

保护作用

使致病菌免受宿主白细胞吞噬

是营养物质的贮藏场所和废物排出的地方

与细菌的致病性有关

鉴定细菌


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5.细菌荚膜实用意义

鉴定菌种

胞外多糖:黄原胶用于石油开采

菌胶团用于处理污水

提取葡聚糖—“代血浆”


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1.概念

细菌细胞膜的内侧伸向细胞壁外的一种丝状物,称为鞭毛,其数目为一至数条,具有运动功能。鞭毛一般长度为15—20um直径为0.01 —0.02um

(二)、鞭毛(Flagellum)

细菌鞭毛显微镜照片


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细菌纤毛与鞭毛的电子显微镜图片


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2.分类

根据鞭毛的数量和在菌体上的排列可将细菌分为一端单毛菌、两端单毛菌、丛毛菌和周毛菌四类;细菌是否产生鞭毛,以及鞭毛的数目和排列方式,都具有种的特征,也可作为鉴定细菌的依据之一。


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丛毛菌

单毛菌

两端单毛菌

周毛菌

鞭毛菌分类


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破伤风梭菌的周身鞭毛


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菌体

鞭毛

伤寒杆菌的周身鞭毛


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3. 鞭毛的化学组成

鞭毛蛋白,3万~6万Dolton,不同种由不同球蛋白分子亚基构成,有些含多糖、类脂等,为极好抗原。


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4.鞭毛的结构


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鞭毛的结构

鞭毛丝:中空螺旋状、丝状结构,球蛋白亚基螺旋排列。

鞭毛钩:又称钩形鞘,是连接鞭毛丝和基体的一个弯曲筒状部分,蛋白质亚基组成。

基体:由若干个盘状物即环组成。

G–菌:L环、P环、S环、M环

G+菌:S环,M环


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5.鞭毛的观察:

1)光学显微镜(悬滴法)

2)光学显微镜 特殊鞭毛染色

3)电镜

4)半固体穿刺培养


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电镜下的大肠杆菌(示鞭毛)


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6.鞭毛的作用

  • 细菌的运动器官

  • 趋利避害

  • 鉴定细菌的依据


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运动的细菌

运动的细菌


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细菌的运动


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(三)、菌毛(Pilus)

(伞毛、纤毛、线毛)


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  • 1.概念

    大多数革兰氏阴性菌和少数革兰氏阳性菌的菌体上生长有一种较短的毛发状细丝,称为菌毛,又称纤毛或伞毛。比鞭毛数量多。菌毛的直径约5~l0nm,长度约0.2—1.5um,少数达4um,只能在电子显微镜下才能看见。

  • 2.化学成分

    蛋白质----空心的蛋白质管


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3.分类

  • 菌毛分为普通菌毛和性菌毛两类。前者较纤细和较短,数量较多,每个细菌有50~400条,周身排列;后者较粗、长,每个细菌一般不超过4条。

  • 性菌毛(pili):是由质粒携带的致育因子(F因子)编码产生的,故又称F菌毛。


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4.作用

  • 普通菌毛具有黏附作用,能使细菌牢固地附着于动物消化道、呼吸道和泌尿生殖道的黏膜上皮细胞上,是公认的毒力因子。

  • 性菌毛与细菌的接合有关。传递遗传物质的通道。

  • 另外,性菌毛也是噬菌体吸附在细菌表面的受体。

  • 鉴定细菌。


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性纤毛----细菌接合


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(四)、芽孢(endospore/spore)

1.概念

  • 某些细菌在其生长发育后期,当其处于特定的环境条件时,由于细胞浆和核质逐渐脱水浓缩,在菌体内形成的折光性强 、通透性低的圆形或椭圆形的坚实小体。

    2.特性

  • 由于一个营养细胞内仅生成一个芽孢,无繁

    殖功能。

  • 芽孢是生物界中抗性最强的生命体。

  • 芽孢在普通条件下可保持几年至几十年的生

    活力。


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spores

枯草杆菌


Figure gram stain of bacillus anthracis the cause of anthrax

Figure. Gram stain of Bacillus anthracis,the cause of anthrax


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肉毒梭菌

破伤风杆菌

炭疽杆菌


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肉毒梭菌芽胞染色---菌体蓝色,芽胞红色


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3.产芽胞细菌的种类

芽胞

菌体

(营养细胞)

  • 在杆菌中能形成芽孢的种类较多,在球菌和螺旋菌中只有少数菌种可形成芽孢。

  • 产生芽孢的几个属:

  • (Bacillus)芽孢杆菌属

  • (Clostridium)梭状芽孢杆菌属

  • (Sporosarcina)芽孢八叠球菌属


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4.芽孢的结构

  • 芽孢结构多层而且致密,各种理化因子不易透入,对外界不良因素有较强的抵抗力。由于芽孢的抵抗力很强,评价消毒剂的作用一般以能否杀灭芽孢为标准。


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胞外壁

芽胞衣

皮 层

芽胞质

芽胞核区

核心

芽胞膜

芽胞壁

细菌芽孢构造的模式图


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芽孢的形成过程及萌发

  • 细菌一般在营养不足时形成芽孢,并受菌体内基因的控制。芽孢不能分裂繁殖,是细菌抵抗外界不良环境,保存生命的一种休眠结构。当恢复适宜的环境条件时,芽孢开始萌发成新的营养体。


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DNA浓缩

形成束状

芽孢

裂解

质膜内陷

前芽孢双

层膜形成

皮层

合成

胞衣

合成

合成DPA

芽孢的形成过程


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芽孢萌发过程

营养体

胞子细胞

芽孢释放

芽孢

萌发

营养体


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正在形成芽孢的细菌


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5.形成条件

  • 种的特异性

  • 需一定外界条件


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6.分类:

中央芽孢

偏端芽孢

末端芽孢


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成熟芽孢的电镜照片

7.芽孢耐热机制

是由芽孢化学组成的,特点决定的含有吡啶-2,6二羧酸(DPA),含有芽孢特有的芽孢肽聚糖,芽胞平均含水40%,皮层含水70%,芽孢中酶的分子量较营养细胞小


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8.芽孢的本质

即不是细菌生活周期的必经阶段,也不是细菌繁殖的一种形式,又不是对环境的消极反应,而是一种生命形式,一种独立的休眠体。


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9.研究芽孢的意义

细菌分类、鉴

定中的重要形

态学指标

指导菌种保藏

制定灭菌参数


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10.伴胞晶体

实用意义:

细菌杀虫剂—生物农药。

少数芽孢杆菌在形成芽胞的同时,会在芽胞旁形成一颗菱形或双锥形的碱性蛋白晶体—δ内毒素,称为伴胞晶体。

苏云金杆菌芽胞和伴胞晶体


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