细菌具有最典型的 原核生物 结构,其中 细胞壁 、细胞膜、 细胞质 和核质是所有细菌共有的结构, 荚膜 、鞭毛、菌毛、 芽孢 为仅某些细菌特有的结构。
细菌结构
简介
细菌结构没有 叶绿体 ,也没有 线粒体 ,大部分不能进行 光合作用 。部分细菌细胞膜上拥有叶绿素,可进行光合作用。
细菌(英文:germs; 学名 : 细菌界 )广义的细菌即为原核生物是指一大类 细胞核 无核膜包裹,只存在称作 拟核 区(nuclear region)(或拟核)的裸露 脱氧核糖核酸 的原始 单细胞动物 ,包括真细菌(eubacteria)和 古菌 (archaea)两大类群。人们通常所说的即为狭义的细菌,狭义的细菌为 原核生物 的一类,是一类形状细短,结构简单,多以二分裂方式进行繁殖的原核生物,是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体,是大自然物质循环的主要参与者。
细菌主要由 细胞壁 、细胞膜、 细胞质 、核 质体 等部分构成,有的细菌还有 荚膜 、鞭毛、菌毛、纤毛‘等特殊结构。绝大多数细菌的直径大小在0.5~5μm之间。
细胞壁
细胞壁厚度因细菌不同而异,一般为15-30nm。主要成分是 肽聚糖 ,由N- 乙酰 氨基葡萄糖 和 N-乙酰胞壁酸 构成 二糖 单元,以β-1,4糖苷[gān]键连接成大分子。N-乙酰[xiān]胞壁酸分子上有四肽侧链,相邻 聚糖 纤维之间的短肽通过肽桥( 革兰氏阳性菌 )或 肽键 (革兰氏阴性菌)桥接起来,形成了肽聚糖片层,像 胶合板 一样,粘合成多层。
肽聚糖中的 多糖 链在各物种中都一样,而横向短肽链却有种间差异。革兰氏阳性菌细胞壁厚度约为20~80nm,包含15至50层肽聚糖片层,每层厚度约1nm。其肽聚糖含量占细胞壁干重的50%至80%,含20-40%的磷壁酸(teichoic acid),部分革兰氏阳性菌细胞壁还含有少量蛋白质。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm,仅2-3层 肽聚糖 ,其他成分较为复杂,由外向内依次为 脂多糖 、 细菌外膜 和 脂蛋白 。此外,外膜与 细胞 之间还有间隙。
肽聚糖是 革兰阳性菌 细胞壁的主要成分,凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质,都有抑菌或杀菌作用。如 溶菌酶 是 N-乙酰胞壁酸 酶, 苄青霉素 抑制转肽酶的活性,抑制肽桥形成。
细菌 细胞壁 的功能包括:保持细胞外形;抑制机械和渗透损伤( 革兰氏阳性菌 的细胞壁能耐受20kg/cm2的压力);介导细胞间相互作用(侵入 宿主 );防止大分子入侵;协助细胞运动和分裂。
脱壁的细胞称为细菌 原生质 体(bacterial protoplast)或球状体(spheroplast,因脱壁不完全),脱壁后的细菌原生质体,生存和活动能力大大降低。
细胞膜
细胞膜是典型的单位膜结构,厚约8~10nm,外侧紧贴 细胞 壁,某些革兰氏阴性菌还具有细胞外膜。通常不形成 内膜系统 ,除 核糖体 外,没有其它类似 真核生物 的 细胞器 ,呼吸和 光合作用 的电子传递链位于细胞膜上。某些行光合作用的 原核生物 ( 蓝菌门 和 紫细菌 ),质膜内褶形成结合有色素的内膜,与捕光反应有关。某些革兰氏阳性细菌质膜内褶形成小管状结构,称为中膜体( 中介体 )或间体(图3-11),中膜体扩大了细胞膜的表面积,提高了代谢效率,有拟 线粒体 (Chondroid)之称,此外还可能与 脱氧核糖核酸 的复制有关。
细胞质与核质体
细菌和其它原核生物一样,没有 核膜 ,DNA集中在细胞质中的低电子密度区,称 拟核 、拟核或核质体(nuclear body)。细菌一般具有1-4个核质体,多的可达20余个。核质体是环状的 双链DNA 分子,所含的遗传信息量可编码2000~3000种 蛋白质 ,空间构建十分精简,没有 内含子 。由于没有核膜,因此DNA的复制、 核糖核酸 的 转录 与蛋白的质合成可同时进行,而不像 真核生物 那样这些生化反应在时间和空间上是严格分隔开来的。
每个细菌 细胞 约含5000~50000个 核糖体 ,部分附着在细胞膜内侧,大部分游离于 细胞质 中。细菌核糖体的 沉降 系数为70S,由大亚单位(50S)与小亚单位(30S)组成,大亚单位含有23SrRNA,5SrRNA与30多种蛋白质,小亚单位含有16SrRNA与20多种蛋白质。30S的小亚单位对 四环素 与 链霉素 很敏感,50S的大亚单位对 红霉素 与 氯霉素 很敏感。
细菌 拟核 脱氧核糖核酸 以外的,可进行自主复制的遗传因子,称为 质粒 (plasmid)。质粒是裸露的环状 双链DNA 分子,所含遗传信息量为2~200个基因,能进行 自我复制 ,有时能整合到核DNA中去。质粒DNA在遗传工程研究中很重要,常用作 基因重组 与基因转移的载体。
胞质颗粒是 细胞质 中的颗粒,起暂时贮存营养物质的作用,包括 多糖 、 脂类 、多 磷酸盐 等。
其他结构
荚膜
荚膜许多细菌的最外表还覆盖着一层多糖类物质,边界明显的称为荚膜(capsule),如 肺炎球菌 ,边界不明显的称为粘液层(slime layer),如 葡萄球菌 。荚膜对细菌的生存具有重要意义,细菌不仅可利用荚膜抵御不良环境;保护自身不受 免疫细胞 吞噬;而且能有选择地粘附到特定 细胞 的表面上,表现出对靶细胞的专一攻击能力。例如, 伤寒 沙门杆菌能专一性地侵犯肠道 淋巴 组织。细菌荚膜的纤丝细菌还能把细菌分泌的 消化酶 贮存起来,以备攻击靶细胞之用。
鞭毛
鞭毛是某些细菌的运动器官,由一种称为 鞭毛蛋白 (flagellin)的弹性蛋白构成,结构上不同于 真核生物 的鞭毛。细菌可以通过调整鞭毛旋转的方向(顺和逆时针)来改变运动状态。
菌毛
菌毛是在某些细菌表面存在着一种比鞭毛更细、更短而直硬的丝状物,须用电镜观察。特点是:细、短、直、硬、多,菌毛与细菌运动无关,根据形态、结构和功能,可分为普通菌毛和性菌毛两类。前者与细菌 吸附 和侵染 宿主 有关,后者为中空管子,与传递 遗传物质 有关。
纤毛
纤毛是从一些 真核细胞 表面伸出的、能运动的突起。
芽孢
有些细菌在生长发育的后期,个体缩小, 细胞壁 增厚,形成 芽孢 。芽孢是细菌的休眠体,对不良环境有较强的抵抗能力。小而轻的芽孢还可以随风四处飘散,落在适当环境中,又能萌发成为细菌。细菌快速繁殖和形成芽孢的特性,使它们几乎无处不在。
某些细菌处于不利的环境,或耗尽营养时,形成 内生孢子 ,又称芽孢,是对不良环境有强抵抗力的休眠体,由于芽孢在细菌细胞内形成,故常称为内生孢子。
芽孢 的生命力非常顽强,有些湖底沉积土中的 芽孢杆菌 经500-1000年后仍有活力, 肉毒杆菌 的芽孢在pH 7.0时能耐受100℃煮沸5-9.5小时。 芽孢 由内及外有以下几部分组成:
1.芽孢 原生质 (spore protoplast,核心core):含浓缩的原生质。
2.内膜(inner membrane):由原来繁殖型细菌的细胞膜形成,包围芽孢原生质。还有细模质。
3.芽孢壁(spore wall):由繁殖型细菌的 肽聚糖 组成,包围内膜。发芽后成为细菌的 细胞壁 。
4.皮质(cortex):是 芽孢 包膜中最厚的一层,由肽聚糖组成,但结构不同于细胞壁的肽聚糖,交联少, 多糖 支架中为胞壁酐而不是 胞壁酸 ,四肽侧链由L-Ala组成。
5.外膜(outer membrane):也是由细菌细胞膜形成的。
6.外壳(coat): 芽孢 壳,质地坚韧致密,由类 角蛋白 组成(keratinlike protein),含有大量二硫键,具 疏水性 特征。