微生物细胞的结构与分裂.ppt

第二章微生物第二章微生物细胞的结构与分裂细胞的结构与分裂2.1 2.1 微生物的细胞结构与功能微生物的细胞结构与功能2.2 2.2 细胞分裂细胞分裂2.3 2.3 真核微生物的真核微生物的生活史生活史2.1 2.1 微生物的细胞结构与功能微生物的细胞结构与功能原核微生物原核微生物无核膜包围，只有裸露无核膜包围，只有裸露DNADNA，无有丝分裂，缺少由膜包，无有丝分裂，缺少由膜包围的其他细胞器（如线粒体、围的其他细胞器（如线粒体、内质网、叶绿体等）的原始内质网、叶绿体等）的原始单细胞生物。单细胞生物。真核微生物真核微生物细胞核有核膜包围成一个细胞核有核膜包围成一个明确的核，能进行有丝分明确的核，能进行有丝分裂，还具有由膜包围的其裂，还具有由膜包围的其他细胞器的生物。他细胞器的生物。细菌细胞结构与功能细菌细胞结构与功能v一般构造：一般构造：如细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体、核糖体等，是所有细菌都有的构造v特殊构造：特殊构造：主要有鞭毛、菌毛、性菌毛、糖被和芽孢等，并非所有细菌都有的构造一般构造：一般细菌都有的构造特殊构造：部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造5 5细菌细胞壁细菌细胞壁cell wall:cell wall:细胞壁的功能：细胞壁的功能：细胞壁赋予细胞以硬度和形状，为细胞细胞壁赋予细胞以硬度和形状，为细胞生长、分裂和鞭毛运动所必需，并能阻拦生长、分裂和鞭毛运动所必需，并能阻拦某些大分子物质进入细胞，保护细胞免受某些大分子物质进入细胞，保护细胞免受有害物质的损伤，它还决定了细菌具有特有害物质的损伤，它还决定了细菌具有特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性等特有的生理功能。体的敏感性等特有的生理功能。G G与与GG细菌细菌cwcw的模式结构的模式结构 细胞壁是位于菌体的外层，内侧紧贴细胞膜细胞壁是位于菌体的外层，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壁约占细胞干重的10%10%25%25%。主要由肽聚糖构主要由肽聚糖构成。成。（肽聚糖）（肽聚糖）（肽聚糖）（肽聚糖）概念：肽聚糖是由概念：肽聚糖是由N N乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸（NAMNAM）和）和N N乙酰葡糖胺（乙酰葡糖胺（NAGNAG）以及短）以及短肽链（主要是四肽）组成的亚单位聚合而成肽链（主要是四肽）组成的亚单位聚合而成的大分子聚合物。的大分子聚合物。细胞壁的基本骨架细胞壁的基本骨架肽聚糖肽聚糖肽聚糖网格状结构肽聚糖网格状结构肽聚糖网格状结构肽聚糖网格状结构革兰氏阳性菌肽聚糖单体革兰氏阳性菌肽聚糖单体革兰氏阳性菌肽聚糖单体革兰氏阳性菌肽聚糖单体 NAG 与与 NAM 残基以残基以-1,4糖苷键交替连接，形成聚糖苷键交替连接，形成聚糖的骨架（主链）；一组相同的短肽侧链接于糖的骨架（主链）；一组相同的短肽侧链接于NAM上；上；相连主链上的短肽侧链通过一条肽桥、或直接相连，从相连主链上的短肽侧链通过一条肽桥、或直接相连，从而形成网状分子结构。而形成网状分子结构。肽聚糖单体肽聚糖单体网状结构网状结构G+菌肽聚糖单体菌肽聚糖单体G菌肽聚糖单体菌肽聚糖单体溶菌酶对细胞壁的作用溶菌酶对细胞壁的作用可切断可切断NAM和和NAG之间的之间的 1，4糖苷键，糖苷键，引起细菌裂解。引起细菌裂解。对对G菌，在菌，在EDTA存在下，受溶菌酶作存在下，受溶菌酶作用。用。溶菌酶处理后的菌溶菌酶处理后的菌细胞应保存在弱高渗细胞应保存在弱高渗（0.1 0.2M）蔗糖液）蔗糖液中。中。青霉素对细菌细胞壁的作用青霉素对细菌细胞壁的作用 Penicillium与转肽酶结合，而使该酶失活，抑制了侧链末端的丙氨酸与五肽桥的连接，破坏了细菌细胞壁的完整性（即抑制肽聚糖的合成），因此，Penicillium仅对正在生长着的细菌，且主要是对G+菌有效。细胞壁缺损型细菌细胞壁缺损型细菌概念：自发突变或人为得到缺壁细菌。概念：自发突变或人为得到缺壁细菌。缺壁细菌缺壁细菌实验室或宿主体内形成实验室或宿主体内形成自然界长期进化形成自然界长期进化形成支原体支原体缺壁突变缺壁突变L型细菌型细菌人工去壁人工去壁基本去尽基本去尽 原生质体（原生质体（G）部分去掉部分去掉 球状体（球状体（G-）原生质体：原生质体：人为用溶菌酶除人为用溶菌酶除CW或青霉素抑制或青霉素抑制CW合成得到合成得到CM包裹的球状细胞，一般包裹的球状细胞，一般G最易形成原生质体。最易形成原生质体。球状体球状体又称原生质球，指还残留了部分细胞壁（尤其是又称原生质球，指还残留了部分细胞壁（尤其是G-细菌细菌外膜层）的原生质体。外膜层）的原生质体。共同特点：共同特点：对环境条件变化敏感；对环境条件变化敏感；即使有鞭毛，也不能运动；即使有鞭毛，也不能运动；对噬菌体不敏感；对噬菌体不敏感；外源基因容易导入，有利于遗传学基本研究；外源基因容易导入，有利于遗传学基本研究；不同菌种或菌株的原生质体间易发生细胞融合，因而可用于杂不同菌种或菌株的原生质体间易发生细胞融合，因而可用于杂交育种。交育种。酵母菌的细胞结构与其酵母菌的细胞结构与其他真核生物基本相同，他真核生物基本相同，右图是电子显微镜下的右图是电子显微镜下的酿酒酵母细胞结构示意酿酒酵母细胞结构示意图。图。酵母菌细胞的构造酵母菌细胞的构造酵母细胞的细胞壁酵母细胞的细胞壁(1)(1)细胞壁结构：细胞壁结构：酵母细胞壁呈酵母细胞壁呈“三明治三明治”结构结构外层：甘露聚糖（外层：甘露聚糖（约占约占40%-45%40%-45%，以，以-糖苷键联结（并非所有酵母菌都有）糖苷键联结（并非所有酵母菌都有）)内层：葡聚糖（内层：葡聚糖（约占约占30-40%30-40%，由，由D-D-葡萄糖以葡萄糖以-糖苷键联结）糖苷键联结）中间层：蛋白质（含中间层：蛋白质（含5-10%5-10%，多为酶类），多为酶类）细细胞胞壁壁（2 2）壁外成分：）壁外成分：有些菌壁外含有由多糖构成的类似荚膜的结构。有些菌壁外含有由多糖构成的类似荚膜的结构。包括异多糖、甘露聚糖和淀包括异多糖、甘露聚糖和淀粉类物质。粉类物质。（3 3）细胞壁的少量组分）细胞壁的少量组分脂类脂类(3%-8%)(3%-8%)和几丁质（和几丁质（1%-2%)1%-2%)和灰分和灰分.蜗牛酶蜗牛酶 ：水解酵母菌细胞壁制备原生质体或水解酵母子囊壁以释放单倍体子囊孢子。：水解酵母菌细胞壁制备原生质体或水解酵母子囊壁以释放单倍体子囊孢子。霉菌的构造霉菌的构造细胞膜细胞膜液泡液泡内质网内质网细胞壁细胞壁线粒体线粒体细胞核细胞核核糖体核糖体由细胞壁、细胞膜、细胞质、由细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、线粒体、核糖体、内细胞核、线粒体、核糖体、内质网及各种内含物（肝糖、脂质网及各种内含物（肝糖、脂肪滴、异染粒等）等组成。肪滴、异染粒等）等组成。幼龄菌往往液泡小而少，老龄幼龄菌往往液泡小而少，老龄菌具有较大的液泡。菌具有较大的液泡。除少数低等水生霉菌细胞壁含纤维素外除少数低等水生霉菌细胞壁含纤维素外,大部分霉菌细胞壁主要由几丁质组成大部分霉菌细胞壁主要由几丁质组成.霉菌细胞壁：霉菌细胞壁：霉菌的细胞壁可用蜗牛消化酶等消化霉菌的细胞壁，制备霉菌的原生质体。霉菌的细胞壁可用蜗牛消化酶等消化霉菌的细胞壁，制备霉菌的原生质体。细胞壁以内的构造细胞壁以内的构造细胞壁以外的构造细胞壁以外的构造:鞭毛、菌毛、和性菌毛鞭毛、菌毛、和性菌毛荚膜、微荚膜及粘液层荚膜、微荚膜及粘液层细菌鞭毛着生方式多样：细菌鞭毛着生方式多样：端生端生：有一端生和二端生，其分别有一：有一端生和二端生，其分别有一根与一束。根与一束。周生周生：肠杆菌科、芽胞杆科。：肠杆菌科、芽胞杆科。侧生侧生：反皱月形单胞菌。：反皱月形单胞菌。鞭毛的生理功能鞭毛的生理功能-运动性：运动性：趋性趋性(Taxis)：生物体对其环境中的不同理、化与生物因子有方向性的应答运动过程。鞭：生物体对其环境中的不同理、化与生物因子有方向性的应答运动过程。鞭毛是原核生物实现趋性的最有效方式。毛是原核生物实现趋性的最有效方式。正、负趋性正、负趋性：若生物向着理、化与生物的高梯度向移动若生物向着理、化与生物的高梯度向移动,则称为正趋性则称为正趋性,反之为负趋性。反之为负趋性。趋化性：趋化性：(Chemotaxis)对某一化学物质对某一化学物质趋光性趋光性:(Phototaxis)对某一波长的光物质对某一波长的光物质趋氧性：趋氧性：(Oxygentaxis)对对O2物质物质趋磁性：趋磁性：(Magnetotaxis)对磁性物质对磁性物质细菌荚膜细菌荚膜定义定义：位于细胞壁外的一层厚度不等胶粘物位于细胞壁外的一层厚度不等胶粘物,可分为微荚膜、荚膜、可分为微荚膜、荚膜、粘液层或菌胶团等粘液层或菌胶团等。成分成分：其富含水分的含多糖、多肽或其复合物之胶状物其富含水分的含多糖、多肽或其复合物之胶状物。荚膜的主要功能：荚膜的主要功能：保护：免受干旱损伤、抗宿主白细胞吞噬。保护：免受干旱损伤、抗宿主白细胞吞噬。储藏：储藏营养物。储藏：储藏营养物。堆积与附着：堆积代谢产物，附着于各种物体表层。堆积与附着：堆积代谢产物，附着于各种物体表层。核质体核质体(Nuclear Body;Nucleoid)细菌细菌DNA：长度：一般为：长度：一般为：0.253mm例例：大大 肠肠 杆杆 菌菌 的的 DNA长长 约约 1mm。生生长长迅迅速速的的细细菌菌在在核核分分裂裂之之后后细细胞胞往往往往来来不不及及分分裂裂,所所以以细细胞胞中中常常有有24个个核核质质体体，而而生生长长缓缓慢慢的的细细菌菌细细胞胞中中一一般般只只有有12个个核核区区，不在染色体复制时期一般是单倍体。不在染色体复制时期一般是单倍体。功能：负载遗传信息。功能：负载遗传信息。又叫又叫核区核区、拟核、类核等，、拟核、类核等，由大型环状双链由大型环状双链DNA纤丝不规则地折叠或缠绕而构成的纤丝不规则地折叠或缠绕而构成的无核膜、核仁的区域无核膜、核仁的区域 质粒质粒(plasmids)细菌染色体外的共价闭合环状双链的小型细菌染色体外的共价闭合环状双链的小型DNA分子分子分子量约为分子量约为100 106 D.一个菌细胞可有一或多个一个菌细胞可有一或多个质粒质粒,每个质粒上有几十个基因每个质粒上有几十个基因。Structure of a bacterium highlighting the bacterial plasmid.质粒的特点：质粒的特点：1、可以在细胞质中独立于染色体之外（即以游离状态）存在，也可以插入到染色体上以附加体的形式存在；2、在细胞分裂时，可以不依赖于细菌染色体而独立进行自我复制，也可以插入到细菌染色体中与染色体一道进行复制；3、质粒可以通过转化或接合作用而由一个细胞转移到另一个细胞，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；4、质粒对于细胞生存并不是必要的。质粒已作为基因工程中的克隆载体质粒的种类质粒的种类:1、大肠杆菌的大肠杆菌的F因子因子2、细菌抗药质粒（细菌抗药质粒（R因子）因子）3、大肠杆菌素质粒（、大肠杆菌素质粒（Col因子）因子）4、降解质粒、降解质粒5、Ti质粒质粒2.2 细胞分裂任何生物细胞的生命都是有一定限度的，要延续细胞生命必须进任何生物细胞的生命都是有一定限度的，要延续细胞生命必须进行细胞分裂，细胞分裂是实现生物体生长、繁殖以及世代之间物行细胞分裂，细胞分裂是实现生物体生长、繁殖以及世代之间物质与机能连续性的一种必要方式。质与机能连续性的一种必要方式。细胞分裂细胞分裂无丝分裂无丝分裂有丝分裂有丝分裂减数分裂减数分裂细胞分裂细胞分裂一、细胞的有丝分裂：一、细胞的有丝分裂：有丝分裂是细胞分裂的主要形式。有丝分裂是细胞分裂的主要形式。多细胞生物体的细胞由有丝分裂而增多，即有丝分裂是生多细胞生物体的细胞由有丝分裂而增多，即有丝分裂是生物体的体细胞分裂，分裂结果使生物体变粗、变长、变大。物体的体细胞分裂，分裂结果使生物体变粗、变长、变大。有丝分裂使细胞核和细胞质各分成两半。细胞核的分裂在有丝分裂使细胞核和细胞质各分成两半。细胞核的分裂在染色体开始分裂前已经复制成一倍。染色体数目的正确分裂染色体开始分裂前已经复制成一倍。染色体数目的正确分裂是有丝分裂的关键，而细胞质的分裂不一定十分正确。是有丝分裂的关键，而细胞质的分裂不一定十分正确。有丝分裂的过程按如下几个时期进行：有丝分裂的过程按如下几个时期进行：间期、前期、中期、后期、末期间期、前期、中期、后期、末期二、细胞的减数分裂二、细胞的减数分裂 减数分裂是生物个体数增加，它是有丝分裂的一种特殊减数分裂是生物个体数增加，它是有丝分裂的一种特殊形式。形式。这种分裂是二倍细胞变成单倍细胞或生殖细胞成熟时的这种分裂是二倍细胞变成单倍细胞或生殖细胞成熟时的一种分裂方式，它要进行连续二次的分裂。一种分裂方式，它要进行连续二次的分裂。在二次分裂中，染色体仅分裂一次，而细胞则分裂二次，在二次分裂中，染色体仅分裂一次，而细胞则分裂二次，结果产生结果产生4个子细胞，使每个子细胞的染色体数目减少一半。个子细胞，使每个子细胞的染色体数目减少一半。对高等生物来讲，生殖细胞的前身是二倍的卵母和精母细胞。对高等生物来讲，生殖细胞的前身是二倍的卵母和精母细胞。要形成单倍的精子和卵子必须经过减数分裂方能进行结合、遗要形成单倍的精子和卵子必须经过减数分裂方能进行结合、遗传而成二倍的体细胞，否则倍数会不断增加，生物就无法维持传而成二倍的体细胞，否则倍数会不断增加，生物就无法维持其遗传稳定性。其遗传稳定性。对低等生物，如衣藻、真菌等有性世代的有性生殖过程中的合对低等生物，如衣藻、真菌等有性世代的有性生殖过程中的合子是二倍体，而它们的孢子和营养体（植株、菌丝体）是单倍子是二倍体，而它们的孢子和营养体（植株、菌丝体）是单倍的。由于这些生物有性世代的二倍体阶段是很短的，也必须进的。由于这些生物有性世代的二倍体阶段是很短的，也必须进行减数分裂回到单倍体世代。行减数分裂回到单倍体世代。减数分裂的过程：第一次分裂，染色体和细胞都分裂。第二次减数分裂的过程：第一次分裂，染色体和细胞都分裂。第二次分裂，染色体不分裂仅细胞分裂。分裂，染色体不分裂仅细胞分裂。减数分裂的意义：减数分裂的意义：各种生物由于减数分裂和两性细胞结合（受精作用）过各种生物由于减数分裂和两性细胞结合（受精作用）过程的交替进行，使染色体数目和遗传性状有规律地保持相程的交替进行，使染色体数目和遗传性状有规律地保持相对稳定；对稳定；在减数分裂过程中，通过同源染色体之间的交换和重组，在减数分裂过程中，通过同源染色体之间的交换和重组，引起变异的发生，这为杂交育种提供了理论和实践基础，引起变异的发生，这为杂交育种提供了理论和实践基础，在生物界的遗传和进化上具有重要意义。在生物界的遗传和进化上具有重要意义。2.3 真核微生物的生活史生活史：生物在生长发育一个循环周期中的一系列变化。生活史：生物在生长发育一个循环周期中的一系列变化。例如，丝状真菌从一种孢子开始，经过一定的生长繁殖，包括例如，丝状真菌从一种孢子开始，经过一定的生长繁殖，包括无性繁殖和有性繁殖两个阶段，最后有产生同一种孢子，这一无性繁殖和有性繁殖两个阶段，最后有产生同一种孢子，这一循环称为丝状真菌的生活史。循环称为丝状真菌的生活史。高等动植物只有有性生殖，从性细胞受精后，经过生长发育，高等动植物只有有性生殖，从性细胞受精后，经过生长发育，直至生命结束。直至生命结束。低等生物（包括真核微生物）繁殖后代，通过有性生殖、无性低等生物（包括真核微生物）繁殖后代，通过有性生殖、无性生殖或准性生殖来完成的。生殖或准性生殖来完成的。u生物在整个生活周期中可以从形态、细胞功能和染色体倍数变化的几个方生物在整个生活周期中可以从形态、细胞功能和染色体倍数变化的几个方面来完成它们的生长发育过程，但不同生物其生活史在以下几方面的表现是面来完成它们的生长发育过程，但不同生物其生活史在以下几方面的表现是不同的。不同的。多细胞的高等动植物是二倍体生物，它们的体细胞为二倍体，通过减数分多细胞的高等动植物是二倍体生物，它们的体细胞为二倍体，通过减数分裂产生两性生殖细胞，即精、卵细胞。两性细胞相互融合，形成二倍体的受裂产生两性生殖细胞，即精、卵细胞。两性细胞相互融合，形成二倍体的受精卵，经过有丝分裂产生许多二倍体的体细胞。精卵，经过有丝分裂产生许多二倍体的体细胞。真核微生物，多数属于单倍体生物。它们的体细胞是单倍的，用来接合的真核微生物，多数属于单倍体生物。它们的体细胞是单倍的，用来接合的两个体细胞不需要进行减数分裂就可以成为接合子。它们是二倍体的体细胞，两个体细胞不需要进行减数分裂就可以成为接合子。它们是二倍体的体细胞，经过减数分裂产生单倍体的有性孢子，有性孢子萌发后产生单倍的营养体。经过减数分裂产生单倍体的有性孢子，有性孢子萌发后产生单倍的营养体。典型担子菌的生活史典型担子菌的生活史 酵母菌有两个类型生活史较为特别。酵母菌有两个类型生活史较为特别。营养体既可以单倍体也可以双倍体形式存在，酿酒酵母营养体既可以单倍体也可以双倍体形式存在，酿酒酵母是这类生活史的代表。是这类生活史的代表。营养体只能以二倍体形式存在，路德类酵母是这类型的代表。营养体只能以二倍体形式存在，路德类酵母是这类型的代表。真菌的生活周期包括无性繁殖、有性繁殖或准性繁殖。有真菌的生活周期包括无性繁殖、有性繁殖或准性繁殖。有性繁殖往往比无性繁殖少得多，只在特定条件下才出现。性繁殖往往比无性繁殖少得多，只在特定条件下才出现。不产生有性孢子的半知菌纲中的真菌，往往以准性繁殖来不产生有性孢子的半知菌纲中的真菌，往往以准性繁殖来完成它们的生活史。完成它们的生活史。有的真菌本身能产生有性孢子，但也有可能进行准性繁殖。有的真菌本身能产生有性孢子，但也有可能进行准性繁殖。霉菌的生殖霉菌的生殖霉菌的基因重组一般也可以通过有性生殖或准性生殖霉菌的基因重组一般也可以通过有性生殖或准性生殖过程完成过程完成准性生殖是指不经过减数分裂就能导致基因重组的生准性生殖是指不经过减数分裂就能导致基因重组的生殖过程殖过程异核体的形成、二倍体的形成以及体细胞交换和单倍异核体的形成、二倍体的形成以及体细胞交换和单倍体化体化 霉菌的有性生殖霉菌的有性生殖有性孢子繁殖有性孢子繁殖两个性细胞结合产生新个体的过程两个性细胞结合产生新个体的过程a a）质配：两个性细胞结合，细胞质融合，成为双核细胞，每）质配：两个性细胞结合，细胞质融合，成为双核细胞，每个核均含单倍染色体（个核均含单倍染色体（n+nn+n）。）。b b）核配：两个核融合，成为二倍体接合子核，此时核的染色）核配：两个核融合，成为二倍体接合子核，此时核的染色体数是二倍（体数是二倍（2n2n）。）。c c）减数分裂：具有双倍体的细胞核经过减数分裂，核中的染）减数分裂：具有双倍体的细胞核经过减数分裂，核中的染色体数目又恢复到单倍体状态。色体数目又恢复到单倍体状态。霉菌的准性生殖霉菌的准性生殖菌丝联结菌丝联结 形态上无区别、形态上无区别、遗传特性有差别遗传特性有差别的体细胞之间的体细胞之间 细胞核由一根菌细胞核由一根菌丝进入另一根菌丝进入另一根菌丝形成含两种或丝形成含两种或两种以上基因型两种以上基因型的异核菌丝的异核菌丝 异核体异核体 核融合核融合 杂合双倍体杂合双倍体 有丝分裂过有丝分裂过程中染色体程中染色体之间的交换之间的交换 体细胞交换及体细胞交换及单倍体化单倍体化 体体准性生殖与有性生殖的比较准性生殖与有性生殖的比较 讨论生物多样性生物多样性定义：生物在基因、物种、生态系统和景观等不同组建层次上的变异性。生物多样性是近年来国内外最为流行的一个词汇。由于自然资源的合理利用和生态环境的保护是人类实现可持续发展的基础，因此生物多样性的研究和保护已经成为世界各国普遍重视的一个问题。现在无论是联合国还是世界各国政府每年都投入大量的人力和资金开展生物多样性的研究与保护工作，一些非政府组织也积极支持和参与全球性的生物多样性的保护工作。生物多样性公约是国际社会所达成的有关自然保护方面的最重要公约之一。该公约于1992年6月5日在联合国所召开的里约热内卢世界环境与发展大会上通过的正式通过，并于1993年12月29日起生效（因此每年的12月29日被定为国际生物多样性日），2001年根据第55届联合国大会第201号决议，国际生物多样性日由原来的每年12月29日改为5月22日。到目前为止，已有 100多个国家加入了这个公约。我们目前已经知道大约有200万种生物，这些形形色色的生物物种就构成了生物物种的多样性。据可靠的数据说明每天约有100多种生物在地球上绝灭。