第一章原核生物的形态、构造和功能22·形内含物，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CO,固定中起着关键作用。存在于化能自养的Thiobacillus（硫杆菌属）、Beggiatoa（贝日阿托氏菌属）和一些光能自养的蓝细菌中。④气泡（gasvacuoles）：是存在于许多光能营养型、无鞭毛运动水生细菌中的泡囊状内含物，内中充满气体，大小为0.2~1.0μm×75nm，内有数排柱形小空泡，外由2nm厚的蛋白质膜包裹。具有调节细胞比重，以使其漂浮在最适水层中的作用，借以获取光能、氧和营养物质。每个细胞含数个至数百个气泡，它主要存在于多种蓝细菌中。（4）核区（nuclearregionorarea）又称核质体（nuclearbody）、原核（prokaryon）、拟核(nucleoid)）或核基因组（genome)。指原核生物所特有的无核膜包裹、无固定形态的原始细胞核。用富尔根（Feulgen）染色法可见到呈紫色、形态不定的核区。核区的化学成分是一个大型的环状双链DNA分子，一般不含蛋白质，长度约0.25~3.00tm，例如E.coli的核区约1.1~1.4mm，已测得其基因组大小为4.64Mh（百万碱基对），共由4300个基因组成（1997年）；Bacillussubtilis（枯草芽孢杆菌）的核区约1.7mm，已测得其基因组大小为4.21Mb，含4100个基因（1997年）。每个细胞所含的核区数目与该细菌的生长速度密切相关，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%。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。核区是细菌等原核生物负载遗传信息的主要物质基础，其详细功能见第七章。2.细菌细胞的特殊构造这里把不是所有细菌细胞都具有的构造，称作特殊构造，般指糖被（包括英膜和粘液层）、鞭毛、菌毛和芽孢等（图1-1)。（1）糖被（glycocalyx）包被于某些细菌细胞壁外的-层厚度不定的透明胶状物质。糖被的有无、厚薄除与菌种的遗传性相关外，还与环境尤其是营养条件密切相关。糖被按其有无固定层次、层次厚薄又可细分为英膜（capsule或macrocapsule，即大英膜）、微英膜（microcapsule）、粘液层（slimelayer）和菌胶团（zoogloea）等数种。层次厚：（大）英膜在壁上有固定层次层次薄：微英膜包裹在单个细胞上“松散，未固定在壁上：粘液层糖被（包裹在细胞群上：菌胶团【动胶菌属（Zoogloea）含有】英膜的含水量很高，经脱水和特殊染色后可在光镜下看到。在实验室中，若用碳黑墨水对产英膜细菌进行负染色（即背景染色），也可方便地在光镜下观察到英膜。糖被的成分一般是多糖，少数是蛋白质或多肽，也有多与多肽复合型的，例如Xanthobacter（黄色杆菌属）的菌种，既有含α一聚谷氨酰胺的荚膜，又有含大量多糖的粘液层。这种粘液层无法通过离心沉淀，有时甚至将液体培养的容器倒置时，整个呈凝胶状态的培养物（culture，菌体和培养液的总称）仍不会流出。现将糖被的主要成分及其代表菌表解如下：
第一节细菌：23葡聚糖：Leuconostocmeseteroiudes（肠膜状明串珠菌）纯多精果聚糖：Streptocus mutans（变异链球菌）纤维素：Acerobacterxytinum（木醋杆菌）多糖海藻酸：Azotobactervinelandi（棕色固菌）杂多糖透明质酸：Streptococcus spp（若十链球菌）糖被成分「聚D-谷氨酸：Bacillusanuhracis（炭疽杆菌）多肽聚谷氨酰胺：Xanuthomonasspp（若干黄单胞菌）多肽和多糖：Bacillusmegaterium（巨大芽孢杆菌）蛋白质：Yersinia pestis（鼠疫耶尔森氏菌）糖被的功能为：①保护作用，其上大量极性基团可保护菌体免受十旱损伤；可防止噬菌体的吸附和裂解；一些动物致病菌的英膜还可保护它们免受宿主白细胞的吞噬，例如，有英膜的Streptococcuspneumuniae（肺炎链球菌）就更易引起人的肺炎；又如，Klebsiellapneumoniae（肺炎克雷伯氏菌）的英膜既可使其粘附于人体呼吸道并定植，又可防止白细胞的吞曦；贮藏养料，以备营养缺乏时重新利用，如Xanthobacterspp的糖被等；?作为透性屏障和离子交换系统，以保护细菌免受重金属离子的毒害：④表面附着作用，例如可引起龋齿的Streptococcussalixarius（唾液链球菌）和S.mutans就会分泌种已糖基转移酶，使蔗糖转变成果聚糖，由它把细菌牢牢粘附于齿表，这时细菌发酵糖类所产生的乳酸在局部发生累积，严重腐蚀齿表琅质层，引起龋齿（据1998年统计，我国5岁儿童的龋齿率在农村为78.28%，城市为75.69%）；某些水生丝状细菌的鞘衣状荚膜也有附着作用；③细菌间的信息识别作用，如Rhizobium（根瘤菌属）；?堆积代谢废物。糖被在科学研究和生产实践中都有较多的应用：①用于菌种鉴定；②用作药物和生化试剂。如Leuconostoc mesenteroides的糖被可提取葡聚糖以制备生化试剂和“代血浆”；③用作工业原料，如Xanthomonascampestris（野油菜黄单胞菌）的糖被（粘液层）可提取一种用途极广的胞外多糖—黄原胶（xanthan），已被用于石油开采中的钻井液添加剂以及印染和食品等工业中；④用于污水的生物处理，例如形成菌胶团的细菌，有助于污水中有害物质的吸附和沉降；等等。当然，若管理不当，有些细菌的糖被也会给人类带来有害作用，除了上述几种致病作用外，还会影响制糖厂和食品厂的生产，并影响食糖、酒类、面包或牛奶等的质量。（2)鞭毛（flagellum，复数flagella）生长在某些细菌表面的长丝状、波曲的蛋白质附属物，称为鞭毛，其数目为一至数十条，具有运动功能。鞭毛的长约15~20um，直径为0.01~0.02m。由于鞭毛过细，通常只能用电镜进行观察；但通过特殊的鞭毛染色法使染料沉积到鞭毛表面上后，这种加粗的鞭毛能在光镜下观察；另外，在暗视野中，通过对细菌的悬滴标本或水漫片的观察，也能视其中的细菌是否作有规则的运动，来判断有否鞭毛；最后，通过琼脂平板培养基上的菌落形态或在半固体直立柱穿刺线上群体扩散的情况，也可推测某菌是否长有鞭毛。原核生物（包括古生菌）的鞭毛都有共同的构造，它由基体、钩形鞘和鞭毛丝3部分组成，G*和G-细菌的鞭毛构造稍有区别。现以典型的G-细菌E：coli的鞭毛为例作一介绍（图1-11)：
第-章原核生物的形态，构造和功能24钩形鞘（毛钩）L环外膜鞭毛杆肽聚糖P环S-M环细胞质膜Mot蛋白Fli蛋白图1-11G-细菌鞭毛的一般构造鞭毛的基体（basal body）由4个称作环（ring）的盘状物组成，最外层为L环，它连接在细胞壁的外膜上，接着为连在细胞壁内壁层肽聚糖上的P环，第三个是靠近周质空间的S环，它与第四环即M环连在一起合称S-M环（或内环），共同嵌埋在细胞质膜上。.S-M环被一对Mol蛋白包围，由它驱动S-M环的快速旋转。在S-M环的基部还存在一个Fli蛋白，起着键钮的作用，它可根据细胞提供的信号令鞭毛进行正转或逆转。已有大量证据表明，鞭毛基体实为一个精致、巧妙的超微型马达，其能量来自细胞膜上的质子动势（potonmotivepotential)。据计算，鞭毛旋转一周约消耗1000个质子。把鞭毛基体与鞭毛丝连在一起的构造称钩形鞘或鞭毛钩（hook），直径约17nm，其上着生一条长约15~20jum的鞭毛丝（filament）。鞭毛丝是出许多直径为4.5nm的鞭毛蛋白（fiagellin）亚基沿着中央孔道（直径为20nm）作螺旋状缠绕而成，每周有8~10个亚基。鞭毛蛋白是一种呈球状或卵圆状的蛋白质，相对分子质量为3万~6万，它在细胞质内合成后，由鞭毛基部通过中央孔道不断输送至鞭毛的游离端进行自装配。因此，鞭毛的生长是靠其顶部延伸而非基部延伸。G*细菌如Bacillussubtilis（枯草芽孢杆菌）的鞭毛结构较简单，除其基体仪有S和M两环外，其他均与G-细菌相同。鞭毛的生理功能是运动，这是原核生物实现其趋性（taxis）的最有效方式。生物体对其环境中的不同物理、化学或生物因子作有方向性的应答运动称为趋性。这些因子往往以梯度差的形式存在。若生物向着高梯度方向运动，就称正趋性，反之则称负趋性。按环境因子性质的不同，趋性又可细分为趋化性（chemotaxis）、趋光性（phototaxis）、趋氧性（oxygentaxis）和趋磁性（magnetotaxis）等多种
第一节细菌25.有关鞭毛运动的机制曾有过“旋转论"（rotationtheory）和"挥鞭论”（bendingtheory）的争议。1974年，美国学者M.Silveman和M.Simon曾通过“逆向思维方式创造性地设计了一个巧妙的“拴菌"试验（tethered-cell experiment)，即设法把单毛菌鞭毛的游离端用相应抗体牢固地“"在载玻片上，然后在光镜下观察该细胞的行为，结果发现，该菌只能在载玻片上不断打转而未作伸缩“挥动”，因而肯定了“旋转论”的正确性。鞭毛菌的运动速度极高，一般每秒达20~80um，最高时高达100um；极生鞭毛菌的速度超过周生鞭毛菌；有的螺菌（Spirillumsp）的鞭毛每秒可转40周，已超过了一般电动机的转速。在各类细菌中，弧菌、螺菌类普遍着生鞭毛：在杆菌中，假单胞菌都长有端生鞭毛，其余的有周生鞭毛或不长鞭毛的；球菌一般无鞭毛，仅个别属如Planococcus（动球菌属）才长有鞭毛。鞭毛在细胞表面的着生方式多样，主要有单端鞭毛菌（monotricha）、端生丛毛菌（lophotricha）、两端鞭毛菌（amphitricha）和周毛菌（peritricha）等，现表解并举例如下：根：Vibriocholere（霍乱颠菌）等1端生束：Pseudomonausfiuorescens（荧光假单胞菌）等一根：Spirochaetamorsusmuris（鼠咬热螺旋体）等两端生束：Spirillumnubrum（红色螺菌）等鞭毛着肠杆菌科：E.eoli，Saimonellatyphi（伤寒抄门氏菌），生方式周生Proteuswulgaris（酱通变形杆菌）等芽孢杆菌科：Bacllussubtilis（枯草芽抱杆菌）、Clostridiumacetobutylicum（丙酮丁醇梭菌）等侧生：Selenomonasruninatium（反台月形单胞菌）鞭毛的有尤和着生方式在细菌的分类和鉴定工作中，是一项有用的形态学指标。（3）菌毛（fimbria，复数fimbriae）又称纤毛、伞毛、线毛或须毛，是一种长在细菌体表的纤细、中空、短直且数量较多的蛋白质类附属物，具有使菌体附着于物体表面上的功能。比鞭毛简单，无基体等构造，直接着生于细胞质膜上。直径一般为3~10nm，每菌一般有250~300条。菌毛多数存在于G-致病菌中。它们借助菌毛可使自已牢固地粘附在宿主的呼吸道、消化道或泌尿生殖道等粘膜上，如Neisseriagonorhoeae（淋病奈氏球菌）就可借其菌毛粘附于人体泌尿生殖道的上皮细胞上，引起严重的性病。（4)性毛（pilus，复数pili）又称性菌毛（sex-pili或F-pili），构造和成分与菌毛相同，但比菌毛长，且每个细胞仅一至少数几根。一般见于G-细菌的雄性菌株（供体菌）中，具有向雌性菌株（受体菌）传递遗传物质的作用，有的还是RNA噬菌体的特异性吸附受体。（5)芽孢和其他休眠构造某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成的一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量低、抗逆性强的休眠构造，称为芽孢（endospore，spore）。由于每一营养细胞内仪形成一个芽孢，故芽孢并无繁殖功能。芽孢是生命世界中抗逆性最强的一种构造，在抗热、抗化学药物和抗辐射等方面，十分突出。例如，Clostridiumbotulinum（肉毒梭菌）的芽孢在沸水中要经5.0~9.5h才被杀死；Bacillusmagaterium（巨大芽孢杆菌）芽孢的抗辐射能力比E.coli细胞强36倍。芽孢的
第-一章原核生物的形态、构造和功能:26休眠能力更为突出，在常规条件下，一般可保持几年至几十年而不死亡。据文献记载，有的芽孢甚至可休眠数百至数千年，最极端的例子是在美国的一块有2500万～4000万年历史的琥珀，至今从其中蜜蜂肠道内还可分离到有生命力的芽孢。能产芽孢的细菌种类很少，主要是属于+细菌的两个属一一好氧性的Bacillus（芽孢杆菌属）和厌氧性的Clostridium（梭菌属），芽孢的结构较为复杂，可从图1-12和表解中得知。芽孢衣皮层一芽孢壁芽孢膜核心芽孢跑质茅孢核区片孢外壁图1-12细菌芽抱构造模式图芽孢囊：是产芽孢菌的营养细胞外壳产芽孢（孢外壁：主要含脂蛋白，透性差（有的劳孢无此层）细菌芽孢衣：主要含疏水性角蛋白，抗酶解、抗药物，多价阳离子难通过芽孢皮层：主要含芽孢肽樂精及DPA-Ca.体积较大，渗透压高、含水量大芽抱壁：含肽聚糖，可发展成新细胞的壁芽孢质膜：含磷脂、蛋白质，可发展成新细胞的膜核心芽孢质：含DPA-Ca、核糖体、RNA和酶类核区：含DNA芽孢具有高度耐热性，但是关于耐热机制还了解得很少。较新的渗透调节皮层膨胀学说（oamoregulatoryexpanded cortextheory）认为：芽孢的耐热性在于芽孢衣对多价阳离子和水分的透性很差以及皮层的离子强度很高，这就使皮层产生了极高的渗透压去夺取芽孢核心中的水分，其结果造成皮层的充分膨胀和核心的高度失水，正是这种失水的核心才赋予了芽孢极强的耐热性。另一种学说则认为，芽孢皮层中含有营养细胞所没有的DPA-Ca，它能稳定芽孢中的生物大分子，从而增强了芽孢的耐热性。研究细菌的芽孢有着重要的理论和实践意义。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形态学指标。在实践上，芽孢的存在有利于提高菌种的筛选效率，有利于菌种的长期保，有利于对各种消毒、杀菌措施优劣的判断，等等。当然，有芽孢菌的存在，也增加了医疗器材使用上以及食品生产、传染病防治和发酵生产中的种种困难。细菌的休眠构造除芽孢外，还有数种其他形式，主要的如孢囊（cyst）。孢囊是