微生物细胞的结构与功能
第三章 微生物细胞的结构与功能
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别，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入研究的古细菌
（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讨论。
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裹，只有称作核区(nuclear region)的裸露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现）。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详细阐述原核生物细胞的各部分构造和功能。
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，而把部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造称为特殊构造。
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，有固定细胞外形和保护细胞等多种生理功能。通过染色、质壁分离（plasmolysis）或制成原生质体后再在光学显微镜下观察，可证实细胞壁的存在；用电子显微镜观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
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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，也就丧失了这些重要功能；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，保护细胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等有害物质的损伤；④赋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别。
图3-2 革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁构造的比较
表3-1 革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁成分的比较
1革兰氏阳性细菌细胞壁的特点是厚度大（20~80nm）和化学组分简单，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸。
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图3-3
革兰氏阳性细菌肽聚糖的立体结构（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）。看似复杂的肽聚糖分子，若把它的
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-糖苷键很容易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
100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部分组成，其中的肽有四肽尾和肽桥两种，聚糖则由N-乙酰胞壁酸相互间隔连接而成，呈长链骨架状（基本组成单位剖析一下，就显得十分简单了（部分组成：为原核生物所特有的已糖。人的泪液和鼻涕以及部分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，主要的变化发生在肽桥上。磷壁酸可分两类，其一为壁磷壁酸，它与肽聚糖分子间进行共价结合，含量会随培养基成分而改变，一般占细胞壁重量的
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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行共价结合后形成。其含量与培养条件关系不大。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周围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增强某些致病菌如A族链球菌(Streptococcus)对宿主细胞的粘连、避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用；
④赋予革兰氏阳性细菌以特异的表面抗原；
⑤可作为噬菌体的特异性吸附受体；
⑥能调节细胞内自溶素(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，则细菌会因细胞
壁迅速水解而死亡。
图3-5 甘油磷壁酸的结构模式（左）及其单体（虚线范围内）的分子结构（右）
2、革兰氏阴性细菌的细胞壁
（1）肽聚糖
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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%，故对机械强度的抵抗力较革兰氏阳性菌弱。其结构单体与上述革兰氏阳性菌基本相同，差别仅在于：
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没有特殊的肽桥，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的氨基直接相连，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、磷脂和脂蛋白等若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）三部分组成。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——内毒素的物质基础；
2+2+②因其负电荷较强，故与磷壁酸相似，也有吸附Mg、Ca等阳离子以提高其在细胞表面浓
度的作用；
③由于LPS结构的多变，决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性，例如，根据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（1983年）；
④是许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；
⑤具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能，例如，它可透过若干种较小的分子（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
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某些染料等较大分子进入细胞膜。要维持LPS结构的稳定性，必须有足够的存在。如果用EDTA
2+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
的分子结构较为复杂，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基础，其结构见图3-7
。
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图3-7 沙门氏菌LPS中类脂A（即内毒素）的分子结构； 图3-8 LPS中三种独特糖的结构 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），它们的结构见图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行地理定位等。
（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楚。其中的脂蛋白(lipoprotein)是一种通过共价键使外膜层牢固地连接在肽聚糖内壁层上的蛋白，分子量约为7200。另有两种蛋白研究得较为清楚，都称孔蛋白（porins）。每个孔蛋白分子是由三个相同分子量（36000）蛋白亚基组成的一种三聚体跨膜蛋白，中间有一直径约1nm的孔道，通过孔的开、闭，可阻止某些抗生素进入外膜层。已知有两种孔蛋白，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（具有运送营养物质的作用）；
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。此法系根据突然改变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，使其发生质壁分离（plasmolysis），接着快速地用4℃的0.005mol/L MgCl2溶液稀释并降温，使细胞外膜突然破裂并释放周质蛋白。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不同，就产生了一系列形态、构造、化学组分、染色反应、生理功能和致病性等的差别，这些差别对微生物学的研究和实际应用都十分重要，现列表如下（表3-2）。
3、古生菌的细胞壁
在古生菌中，除了热原体属(Thermoplasma)没有细胞壁外，其余都具有与真细菌类似功能的细胞壁。然而，从细胞壁的化学成分来看，则差别甚大。已研究过的一些古生菌，它们细胞壁中没有真正的肽聚糖，而是由多糖（假肽聚糖）、糖蛋白或蛋白质构成的。例如：
（1）假肽聚糖(pseudopeptidoglycan)细胞壁
甲烷杆菌属(Methanobacterium)古生菌的细胞壁是由假肽聚糖组成的（图3-9）。它的多糖骨架是由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸(N-acetyltalosaminouronic acid)以β-1,3糖苷键（不被溶菌酶水解！）交替连接而成，连在后一氨基糖上的肽尾由L-glu、L-ala
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和L-lys三个L型氨基酸组成，肽桥则由L-glu
一个氨基酸组成。
图3-9 甲烷杆菌细胞壁中假肽聚糖的结构（单体）
（2）独特多糖细胞壁
甲烷八叠球菌(Methanosarcina)的细胞壁含有独特的多糖，并可染成革兰氏阳性。这种多糖含半乳糖胺、葡糖醛酸、葡萄糖和乙酸，不含磷酸和硫酸。
（3）硫酸化多糖细胞壁
一属极端嗜盐古生菌——盐球菌属(Halococcus)的细胞壁是由硫酸化多糖组成的。其中含葡萄糖、甘露糖、半乳糖和它们的氨基糖，以及糖醛酸和乙酸。
（4）糖蛋白(glycoprotein)
细胞壁极端嗜盐的另一属古生菌——盐杆菌属(Halobacterium)的细胞壁是由糖蛋白组成的，其中包括葡萄糖、葡糖胺、甘露糖、核糖和阿拉伯糖，而它的蛋白部分则由大量酸性氨基
+酸尤其是天冬氨酸组成。这种带强负电荷的细胞壁可以平衡环境中高浓度的Na，从而使其能很
好地生活在20%～25%高盐溶液中。
（5）蛋白质细胞壁
少数产甲烷菌的细胞壁是由蛋白质组成的。但有的是由几种不同蛋白组成，如甲烷球菌
(Methanococcus)和甲烷微菌(Methanomicrobium)，而另一些则由同种蛋白的许多亚基组成，例如甲烷螺菌属(Methanospirillum)。
4、缺壁细菌
虽然细胞壁是原核生物的最基本构造，但在自然界长期进化中和在实验室菌种的自发突变中都会发生缺细胞壁的种类；此外，在实验室中，还可用人为的方法抑制新生细胞壁的合成或对现成细胞壁进行酶解而获得缺壁细菌。现把四类缺壁细菌归纳如下：
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（1）L型细菌（L-form of bacteria）
1935年，在英国李斯德预防研究所中发现一种由自发突变而形成的细胞壁缺损细菌——念珠状链杆菌（Streptobacillus moniliformis），它的细胞膨大，对渗透敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落。由于李斯德（Lister）研究所的第一字母是“L”，故称L型细菌。后来发现，许多革兰氏阳性或阴性细菌在实验室或宿主体内都可形成L型。严格地说，L型细菌应专指那些实验室或宿主体内通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷菌株。
（2）原生质体（protoplast）
指在人为条件下，用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉素抑制新生细胞壁合成后，所得到的仅有一层细胞膜包裹着的圆球状渗透敏感细胞，一般由革兰氏阳性细菌形成。
（3）球状体(sphaeroplast)
又称原生质球，指还残留着部分细胞壁，尤其是革兰氏阴性细菌外膜的原生质体。
上述原生质体和球状体的共同特点是：无完整的细胞壁，细胞呈球状，对渗透压极其敏感，革兰氏染色阴性，即使有鞭毛也无法运动，对相应噬菌体不敏感，细胞不能分裂，等等。当然，如在形成原生质体或球状体以前已有噬菌体侵入，则它仍能正常复制、增殖和裂解；同样，如在形成原生质体前正在形成芽孢，则该芽孢也仍能正常形成。原生质体或球状体比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质，故是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。
（4）支原体(Mycoplasma)
是在长期进化过程中形成的、适应自然生活条件的无细胞壁的原核生物。因它的细胞膜中含有一般原核生物所没有的甾醇，所以即使缺乏细胞壁，其细胞膜仍有较高的机械强度。
5、革兰氏染色的机制
通过一个多世纪的实践证明，由革兰(C.Gram)于1884年发明的革兰氏染色法是一种极其重要的鉴别染色法，它不仅可用于鉴别真细菌，也可鉴别古生菌。60年代初，萨顿(Salton)曾提出细胞壁在革兰氏染色中的关键作用。至1983年，彼弗里奇(T.Beveridge)等用铂代替革兰氏染色中媒染剂碘的作用，再用电子显微镜观察到结晶紫与铂复合物可被细胞壁阻留，这就进一步证明了革兰氏阳性和阴性菌主要由于其细胞壁化学成分的差异而引起了物理特性（脱色能力）的不同，正是这一物理特性的不同才决定了染色反应的不同。其中细节为：通过结晶紫初染和碘液媒染后，在细胞膜内形成了不溶于水的结晶紫与碘的复合物（CVI dye complex）。革兰氏阳性细菌由于其细胞壁较厚、肽聚糖网层次多和交联致密，故遇乙醇或丙酮作脱色处理时，因失水反而使网孔缩小，再加上它不含类脂，故乙醇处理不会溶出缝隙，因此能把结晶紫与碘复合物牢牢留在壁内，使其仍呈紫色。反之，革兰氏阴性细菌因其细胞壁薄、外膜层的类脂含量高、肽聚糖层薄和交联度差，在遇脱色剂后，以类脂为主的外膜迅速溶解，薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘复合物的溶出，因此，通过乙醇脱色后细胞退成无色。这时，再经沙黄等红色染料进行复染，就使革兰氏阴性菌呈现红色，而革兰氏阳性菌则仍保留紫色（实为紫加红色）了。
二、细胞壁以内的构造——原生质体
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1、细胞质膜(cytoplasmic membrane)
又称质膜(plasma membrane)、细胞膜(cell membrane)或内膜(inner membrane)，是紧贴在细胞壁内侧、包围着细胞质的一层柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜，厚约7～8nm，由磷脂（占20%～30%）和蛋白质（占50%～70%）组成。通过质壁分离、鉴别性染色或原生质体破裂等方法可在光学显微镜下观察到；用电子显微镜观察细菌的超薄切片，则可更清楚地观察到它的存在。电镜观察到的细胞质膜，是在上下两暗色层之间夹着一浅色中间层的双层膜结构。这是因为，组成细胞膜主要成分的磷脂，是由两层磷脂分子按一定规律整齐地排列而成的。其中每一个磷脂分子由一个带正电荷且能溶于水的极性头（磷酸端）和一个不带电荷、不溶于水的非极性尾（烃端）所构成。极性头朝向内外两表面，呈亲水性，而非极性端的疏水尾则埋入膜的内层，于是形成了一个磷脂双分子层。在极性头的甘油3C上，不同种微生物具有不同的R基，如磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸或磷脂酰肌醇等（图3-10）。在原核微生物的细胞质膜上多数含磷脂酰甘油，此外，在革兰氏阴性细菌中，多数还含磷脂酰乙醇胺，在分枝杆菌中则含磷脂酰肌醇，等等。而非极性尾则由长链脂肪酸通过酯键连接在甘油的C1和C2位上组成，其链长和饱和度因细菌种类和生长温度而异，通常生长温度
要求越高的种，其饱和度也越高，反之则低。
图3-10 磷脂的分子结构
在常温下，磷脂双分子层呈液态，其中嵌埋着许多具运输功能、有的分子内含有运输通道的整合蛋白（integral protein）或内嵌蛋白（intrinsic protein），在磷脂双分子层的上面
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则“漂浮着”许多具有酶促作用的周边蛋白（peripheral protein）或膜外蛋白(extrinsic protein)。它们都可在磷脂表层或内层作侧向移动，以执行其相应的生理功能。至今有关细胞质膜的结构与功能的解释，较多的学者仍倾向于1972年由辛格（J.S.Singer）和尼科尔森（G.L.Nicolson）所提出的液态镶嵌模型(fluid mosaic model)。其要点为：①膜的主体是脂质双分子层；②脂质双分子层具有流动性；③整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂质双分子层的疏水性内层中；④周边蛋白表面含有亲水基团，故可通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连；⑤脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合；⑥脂质双分子层犹如一“海洋”，周边蛋白可在其上作“漂浮”运动，而整合蛋白则似“冰山”状沉浸在其中作横向移动。有关细胞质膜的模式构造可见图3-11
。
图3-11 细胞质膜构造的模式图
细胞膜的生理功能为：
①选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送；
②是维持细胞内正常渗透压的屏障；
③合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS、荚膜多糖等）的重要基地； ④膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞的产能场所；
⑤是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位。
原核微生物的细胞质膜上一般不含胆固醇等甾醇，这一点与真核生物明显不同。但缺乏细胞壁的原核生物——枝原体（Mycoplasma）则属例外。在其细胞膜上因含有hopanoid类甾醇而增强了坚韧性，故在一定程度上弥补了因缺壁而带来的不足。多烯类抗生素因可破坏含甾醇的细胞质膜，故可抑制枝原体和真核生物，但对其他的原核生物则无抑制作用。
间体（mesosome，或中体）是一种由细胞质膜内褶而形成的囊状构造，其中充满着层状或管状的泡囊。多见于革兰氏阳性细菌。每个细胞含一至少数几个。着生部位可在表层或深层，前者与某些酶如青霉素酶的分泌有关，后者与DNA的复制、分配以及与细胞分裂有关。近年来也有学者提出不同的看法，认为“间体”仅是电镜制片时因脱水操作而引起的一种赝像。
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近二十年来越来越受到学术界重视的、有很多独特之处的古生菌的细胞质膜，研究发现，它的质膜虽然在本质上也是由磷脂组成，但它比真细菌或真核生物具有更明显的多样性。
①亲水头（甘油）与疏水尾（烃链）间是通过醚键而不是酯键连接的；
②组成疏水尾的长链烃是异戊二烯的重复单位（如四聚体植烷、六聚体鲨烯等），它与亲水头通过醚键连接成甘油二醚（glycerol diether）或二甘油四醚(diglycerol tetraether)等，而在真细菌或真核生物中的疏水尾则是脂肪酸；
③古生菌的细胞质膜中存在着独特的单分子层膜或单、双分子层混合膜，而真细菌或真核生物的细胞质膜都是双分子层。具体地说，当磷脂为二甘油四醚时，连接两端两个甘油分子间的两个植烷（phytanyl）侧链间会发生共价结合，形成了二植烷(diphytanyl)，这时就形成了独特的单分子层膜（图3-12）。目前发现，单分子层膜多存在于嗜高温的古生菌中，其原因可能是这种膜的机械强度要比双分子层质膜更高。
④在甘油的3C分子上，可连接多种与真细菌和真核生物细胞质膜上不同的基团，如磷酸酯基、硫酸酯基以及多种糖基等。
⑤细胞质膜上含多种独特脂类。仅嗜盐菌类即已发现有细菌红素（bacterioruberin）、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、番茄红素、视黄醛[retinal，可与蛋白质结合成视紫红质(bacteriorhodopsin)]和萘醌等
。
图3-12 甘油二醚和二甘油四醚的分子构造及由其形成的双层和单层膜
2、细胞质和内含物
细胞质（cytoplasm）是细胞质膜包围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称。含水量约80%。原核微生物的细胞质是不流动的，这一点与真核生物明显不同。细胞质的主要成分为核糖体（由50S大亚基和30S小亚基组成）、贮藏物、多种酶类和中间代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等，少数细菌还有类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等。细胞质内形状较大的颗粒状构造称为内含物(inclusion body)，包括各种贮藏物和羧酶体、气泡等。
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（1）贮藏物(reserve materials)
贮藏物是一类由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒，主要功能是贮存营养物。种类
很多，表解如下：
①聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxybutyrate, PHB)：是存在于许多细菌细胞质内属于类脂性质的碳源类贮藏物，不溶于水，可溶于氯仿，可用尼罗蓝或苏丹黑染色，具有贮藏能量、碳源和降低细胞内渗透压的作用。当巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）在含乙酸或丁酸的培养基中生长时，细胞内贮藏的PHB可达其干重的60%。在棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii的孢囊中也含PHB。PHB的结构（式中的n一般大于1,000,000
）是：
PHB于1929年被发现，至今已发现60属以上的细菌能合成并贮藏。由于它无毒、可塑、易降解，故认为是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。若干产碱菌(Alcaligenes
固氮菌(Azotobacter spp)和假单胞菌(Pseudomonas spp)是主要的生产菌种。近年来，又发现在一些革兰氏阳性和阴性好氧菌、光合厌氧细菌中，都存在PHB类化合物，它们与
基不同（R=CH3时即为PHB）。这类化合物可统称为聚羟链烷酸(polyhydroxyalkanoate, PHA)其结构是：
) spp)、仅是R，
PHB
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②多糖类贮藏物：包括糖原和淀粉类。在真细菌中以糖原为多。糖原可用碘液染成褐色，在光学显微镜下可见。
③异染粒(metachromatic granules)：又称迂回体或捩转菌素(volutin granules)，这是因为它最早是在迂回螺菌(Spirillum volutans)被发现并可用美蓝或甲苯胺蓝染成红紫色的缘故。颗粒大小为0.5～1.0μm，是无机偏磷酸的聚合物，分子呈线状，n值在2～10间。一般在含磷丰富的环境下形成。功能是贮藏磷元素和能量，并可降低细胞的渗透压。在白喉棒杆菌
(Corynebacterium diphtheriae)和结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)中极易见到，
因此可用于有关细菌的鉴定。异染粒的化学结构为：6
④藻青素（cyanophycin）：通常存在于蓝细菌中，是一种内源性氮源贮藏物，同时还兼有贮存能源的作用。一般呈颗粒状，由含精氨酸和天冬氨酸残基（1:1）的分枝多肽所构成，分子量在25,000～125,000范围内。例如柱形鱼腥蓝细菌(Anabaena cylindrica)的藻青素结构为：
（2）磁小体(megnetosome)
1975年，勃莱克摩(R.P.Blakemore)在一种称为折叠螺旋体(Spirochaeta plicatilis)的趋磁细菌中发现。目前所知的趋磁细菌主要为水生螺菌属(Aquaspirillum)和嗜胆球菌属
(Bilophococcus)中。这些细菌细胞中含有大小均匀、数目不等的磁小体，其成分为Fe3O4，外有一层磷脂、蛋白或糖蛋白膜包裹，是单磁畴晶体，无毒，大小均匀（20～100nm），每个细胞内有2～20颗。形状为平截八面体、平行六面体或六棱柱体等。其功能是导向作用，即借鞭毛游向对该菌最有利的泥、水界面微氧环境处生活。目前认为趋磁菌有一定的实用前景，包括生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器等。
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（3）羧酶体(carboxysome)
又称羧化体，是存在于一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物。其大小与噬菌体相仿，约10nm，内含1,5-二磷酸核酮糖羧化酶，在自养细菌的CO2固定中起着关键作用。在排硫硫杆菌（Thiobacillus thioparus）、那不勒斯硫杆菌(T. neapolitanus)、贝日阿托氏菌属（Beggiatoa）、硝化细菌和一些蓝细菌中均可找到羧酶体。
（4）气泡（gas vocuoles）
是在许多光合营养型、无鞭毛运动的水生细菌中存在的充满气体的泡囊状内含物，大小为0.2～1.0μm×75nm，内由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白质膜包裹，其功能是调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、O2和营养物质。每个细胞含几个至几百个气泡。如鱼腥蓝细菌属(Anabaena)、顶孢蓝细菌属(Gloeotrichia)、盐杆菌属(Halobacterium)、暗网菌属(Pelodictyon)和红假单胞菌(Rhodopseudomonas)的一些种中都有气泡。
3、核区（nuclear region or area）
又称核质体(nuclear body)、原核(prokaryon)、拟核(nucleoid)或核基因组(genome)。指原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核。用富尔根(Feulgen)染色法染色后，可见到呈紫色的形态不定的核区。它是一个大型环状双链DNA分子，只有少量蛋白质与之结合，长度一般为0.25～3.00mm，例如，大肠杆菌的核区DNA长约1.1～1.4mm，枯草芽孢杆菌的约为
1.7mm，嗜血流感杆菌(Haemophilus influenzae)约0.832mm。每个细胞所含的核区数与该细菌的生长速度有关，一般为1～4个。在快速生长的细菌中，核区DNA可占细胞总体积的20%。细菌的核区除在染色体复制的短时间内呈双倍体外，一般均为单倍体。核区是细菌负载遗传信息的主要物质基础。
4、特殊的休眠构造——芽孢
某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（endospore或spore，偶译“内生孢子”）。每一营养细胞内仅生成一个芽孢。芽孢是整个生物界中抗逆性最强的生命体，在抗热、抗化学药物、抗辐射和抗静水压等方面，更是首屈一指。一般细菌的营养细胞不能经受70℃以上的高温，可是，它们的芽孢却有惊人的耐高温能力。例如，肉毒梭菌(Clostridium botulinum)的芽孢在100℃沸水中要经过5.0～9.5h才被杀死，至121℃时，平均也要10min才杀死：热解糖梭菌(C.
thermosaccharolyticum)的营养细胞在50℃下经数分钟即可杀死，但它的一群芽孢却须在132℃下经4.4min才能杀死其中的90%。芽孢的抗紫外线能力一般是其营养细胞的一倍。巨大芽孢杆菌芽孢的抗辐射能力要比大肠杆菌的营养细胞强36倍。芽孢的休眠能力更是突出。在其休眠期间，不能检查出任何代谢活力，因此称为隐生态（cryptobiosis）。一般的芽孢在普通
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的条件下可保持几年至几十年的生活力。但文献中还有许多更突出的记载，如：环状芽孢杆菌
(B.circulans)的芽孢在植物标本上（英国）已保存200～300年；一种高温放线菌
(Thermoactinomyces sp) 的芽孢在建筑材料中（美国）已保存2000年；普通高温放线菌（T. vulgaris）的芽孢在湖底冻土中（美国）已保存7500年；一种芽孢杆菌(Bacillus sp) 的芽孢在琥珀内蜜蜂肠道中（美国）已保存2500万～4000万年。
（1）产芽孢细菌的种类
能产芽孢的细菌属不多，最主要的是属于革兰氏阳性杆菌的两个属——好氧性的芽孢杆菌属(Bacillus)和厌氧性的梭菌属(Clostridium)。球菌中只有芽孢八叠球菌属(Sporosarcina)产生芽孢。螺菌中的孢螺菌属(Sporospirillum)也产芽孢。此外，还发现少数其他杆菌可产生芽孢，如芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）、脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)、考克斯氏体属(Coxiella)、鼠孢菌属（Sporomusa）和高温放线菌属（Thermoactinomyces）等。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。
（2）芽孢的构造
从图3-13
和以下的表解中就可以较清楚地了解芽孢的细致构造和主要功能。
图3-13
细菌芽孢构造模式图
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皮层(cortex)在芽孢中占有很大体积（36%～60%），内含大量为芽孢皮层所特有的芽孢肽聚糖，其特点是呈纤维束状、交联度小、负电荷强、可被溶菌酶水解。此外，皮层中还含有占芽孢干重7%～10%的吡啶二羧酸钙盐（calcium picolinate, DPA-Ca），但不含磷壁酸。皮层的渗透压可高达20个大气压左右，含水量约70%，略低于营养细胞（约80%），但比芽孢整体的平均含水量（40%左右）高出许多。芽孢的核心（core）又称芽孢原生质体，由芽孢壁、芽孢质膜、芽孢质和核区四部分组成，它的含水量极低（10%～25%），因而特别有利于抗热、抗化学药物（如H2O2），并可避免酶的失活。除芽孢壁中不含磷壁酸以及芽孢质中含DPA-Ca
心中的其他成分与一般细胞相似。图3-14示芽孢特有的芽孢肽聚糖和吡啶-2,6-二羧酸钙盐的分子构造。
图3-14 芽孢特有的肽聚糖和DPA-Ca的分子构造
（3）芽孢形成(sporulation, sporogenesis)
产芽孢的细菌当其细胞停止生长即环境中缺乏营养及有害代谢产物积累过多时，就开始形成芽孢。从形态上来看，芽孢形成可分七个阶段（图3-15）：
外，核
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①DNA浓缩，束状染色质形成；
②细胞膜内陷，细胞发生不对称分裂，其中小体积部分即为前芽孢（forespore）； ③前芽孢的双层隔膜形成，这时芽孢的抗辐射性提高；
④在上述两层隔膜间充填芽孢肽聚糖后，合成DPA，累积钙离子，开始形成皮层，再经脱水，使折光率增高；
⑤芽孢衣合成结束；
⑥皮层合成完成，芽孢成熟，抗热性出现；
⑦芽孢囊裂解，芽孢游离外出。在枯草芽孢杆菌中，芽孢形成过程约需8h，其中参与的基因约有200个。在芽孢形成过程中，伴随着形态变化的还有一系列化学成分和生理功能的变化（见图3-16）
。
微生物细胞的结构与功能
图3-15
芽孢形成的七个阶段
图3-16 好氧芽孢杆菌在芽孢形成过程中的形态与生理变化
（4）芽孢萌发(germination)
由休眠状态的芽孢变成营养状态细菌的过程，称为芽孢的萌发，它包括活化(activation)、出芽(germination)和生长(outgrowth)三个具体阶段。在人为条件下，活化作用可由短期热处理或用低pH、强氧化剂的处理而引起。例如，枯草芽孢杆菌的芽孢经7天休眠后，用60℃处理5min即可促进其发芽。当然也有要用100℃加热10min才能促使活化的芽孢。由于活化作用是可逆的，故处理后必须及时将芽孢接种到合适的培养基中去。有些化学物质可显著促进芽孢的萌发，称作萌发剂(germinants)，例如L-丙氨酸、Mn、表面活性剂(n-十二烷胺等)和葡萄糖等。相反，D-丙氨酸和重碳酸钠等则会抑制某些细菌芽孢的发芽。发芽的速度很快，一般仅需几分钟。这时，芽孢衣中富含半胱氨酸的蛋白质的三维空间结构发生可逆性变化，从而使芽孢的透性增加，随之促进与发芽有关的蛋白酶活动。接着，芽孢衣上的蛋白质逐步降解，外界阳离子不断进入皮层，于是皮层发生膨胀、溶解和消失。接着外界的水分不断进入芽孢的核心部位，使核心膨胀、各种酶类活化，并开始合成细胞壁。在发芽过程中，为芽孢所特有的耐热性、光密度和折射率等特性都逐步下降，DPA-Ca、氨基酸和多肽逐步释放，核心中含量较高的可防2+
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★ 微生物学实验一
