当前位置:首页 >> 学科竞赛 >>

细胞与微生物讲义


细胞生物学讲义(简版)
一、细胞生物学的发展 (一)细胞的发现 1665 年英国物理学家罗伯特·虎克用他自制的显微镜观察栓皮栎的软木切片时,看到了 一个个蜂窝状的小室。他把这样的“小室”称为细胞。其实,他所看到的是植物细胞死亡后留 下来的细胞空腔,是一个死细胞。尽管如此,虎克的工作还是使生物学的研究进入了微观领 域。此后,许多人在动、植物中都看到和记载了细胞构造的轮廓。

(二)细胞学说的建立 自虎克发现细胞之后约 170 年,到 1839 年创立了细胞学说。在这期间内,人们对动物、植 物细胞及其内含物进行了较为广泛的研究,积累了大量的资料。直到 19 世纪 30 年代已有人 注意到植物和动物在结构上存在某种一致性,它们都是由细胞所组成的。在这一背景下,德 国植物学家施莱登于 1838 年提出了细胞学说的主要论点,次年又经德国动物学家施旺加以 充实,最终创立了细胞学说。 细胞学说的主要内容是: 细胞是动、 植物有机体的基本结构单位, 也是生命活动的基本单位。 这样,就论证了整个生物界在结构上的统一性,细胞把生物界的所有物种都联系起来了,生 物彼此之间存在着亲缘关系。这是对生物进化论的一个巨大的支持。细胞学说的建立有力地 推动了生物学的发展,为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据,恩格斯对此评价很高,把 细胞学说誉为 19 世纪自然科学的三大发现之一。 (三)细胞学的发展 进入本世纪以来,染色方法的改进,高速离心机的应用,特别是电镜的问世和放射性同位素 的应用等,已使细胞生物学发展进入了较高的层次。从 1953 年开始,逐渐兴起在分子水平 上探讨生命奥秘的分子生物学。分子生物学取得的卓越成就对细胞学的发展是一个巨大的推 动。细胞学逐渐发展成从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上深入探讨细胞生命活 动的学科。 二、细胞的形态与大小 1.细胞的形状 一个细胞与其他细胞分离而单独存在时,称游离细胞。游离细胞常呈球形或近于球形。 但实际上由于细胞表面张力或原生质粘度的不均一性等原因,很多单独存在的游离细胞并不 呈球状。例如,动物的卵细胞、植物的花粉母细胞是球状或近于球状的细胞,人的红细胞呈 扁圆状,某些细菌呈螺旋状,精子和许多原生动物具有鞭毛或纤毛,变形虫和白血球等为不 定形细胞。 许多细胞构成组织,这样的细胞称组织细胞。组织细胞的形状受相邻细胞的制约,并和细 胞的生理功能有关。例如肌肉细胞适于伸缩,神经细胞适于接受刺激、产生兴奋、传导兴奋。 2.细胞的大小 细胞的体积很小,肉眼一般是看不见的,需要借助显微镜才能看到。在显微技术和电镜技 术中常用的单位有:微米(μm 或 μ)、纳米(又叫毫微米 nm)和埃三种。 1m=102cm=106μm=109? 细胞的直径多在 10μm~100μm 之间。有的很小,如枝原体,其直径为 0.1μm~0.2μm, 是最小的细胞。细菌的直径一般只有 1μm~2μm。有的细胞较大,如番茄、西瓜的果肉细胞 直径可达 1mm;棉花纤维细胞长约 1cm~5cm;最大的细胞是鸟类的卵(鸟类的蛋只有其中 的蛋黄才是它的细胞,卵白是供发育用的营养物质,不屑于细胞部分),如鸵鸟蛋卵黄的直 径可达 5cm。

1

细胞的大小与生物体的大小没有相关性。参天的大树与新生的小苗;大象与昆虫,它们的 细胞大小相差无几。鲸是最大的动物,但是它的细胞并不大,生物体积的加大,主要是细胞 数目的增多造成的。 三、原核细胞和真核细胞 构成生物体的细胞可以分成两类:原核细胞和真核细胞。原核细胞代表原始形式的细胞, 结构简单,只有一些低等的生物,如细菌、蓝藻、放线菌、枝原体等是由原核细胞构成的。 真核细胞结构复杂,大多数生物都是由真核细胞所构成。 1.原核细胞 原核细胞外部由质膜包围,质膜的结构与化学组成和其核细胞相似。在质膜之外还有一层 坚固的细胞壁保护。原核细胞壁的化学组成与真核细胞不同,是由一种叫胞壁质的蛋白多糖 所组成,少数原核细胞的壁还含有其他多糖和类脂,有的原核细胞壁外还有胶质层。 原核细胞内有一个含 DNA 的区域,称类核或拟核。类核外面没有核膜,只由一条 DNA 构 成。这种 DNA 不与蛋白质结合形成核蛋白。原核细胞中没有内质网、高尔基体、线粒体和质 体等,但有核糖体和中间体。核糖体分散在原生质中,是蛋白质合成的场所。中间体是质膜 内陷形成的复杂的褶叠构造,其中有小泡和细管样结构。有些原核细胞含有类囊体等结构。 类囊体具有光合作用功能。在原核细胞中还有糖原颗粒、脂肪滴和蛋白颗粒等内含物。 2.真核细胞 真核细胞结构比原核细胞复杂,在同一个多细胞体内,功能不同的细胞,其形态结构也有 不同。在真核细胞中,动物细胞和植物细胞也有重要区别。动物细胞质膜外无细胞壁,无明 显的液泡。此外,在细胞核的附近有中心粒,在细胞有丝分裂时,发出星状细丝,称为星体。 植物细胞和动物细胞的主要区别是:植物细胞具有质体;其次,植物细胞的质膜外被细胞 壁,相邻细胞间有一层胶状物粘合作用,称中层或胞间层。在两个相邻细胞间的壁上,有原 生质丝相连,称胞间连丝,使细胞间互相沟通。最后在植物的分化细胞中往往有大液泡。 四、真核细胞的亚显微结构 我们通常把光镜下看到的结构称为细胞的显微结构。 光镜可以把物体放大几百倍到一千多 倍,分辨的最小极限达到 0.2 微米,是肉眼分辨率的 1000 倍。 电子显微镜下看到的结构,一般称为亚显微结构。亚显微结构水平能将分辨率提高到甚至 几个埃,放大倍数可达到几十万倍,能使人们对于细胞结构的研究取得更多进展。 1.细胞膜 细胞膜即细胞质膜,它不仅是细胞与外界环境的分界层,而重要的是它控制着细胞内外的 物质交换。此外,在真核细胞内还有丰富的膜系统。它们组成具有各种特定功能的细胞器和 亚显微结构。例如,线粒体、叶绿体、高尔基体、溶酶体、细胞核、内质网等都是由膜围成 的, 有的并由膜构成内部的复杂结构。 细胞膜和内膜系统以及线粒体膜、 叶绿体膜等统称为“生 物膜”。 生物膜对细胞的一系列催化过程的有序反应和整个细胞的区域化提供了一个必需的结 构基础。 (1)质膜的化学组成 细胞膜主要由脂类和蛋白质组成,蛋白质约占膜干重的 20%~70%,脂类约占 30%~ 80%,此外还有少量的糖类。不同细胞的细胞膜中各成分的含量出膜的功能而有所不同。 构成质膜的脂类中有磷脂、 糖脂和类固醇等, 其中以磷脂为主要组分。 磷脂主要由脂肪酸、 磷酸和甘油组成。它是兼性分子,既有亲水的极性部分,又有流水的非极性部分,磷脂分子 的构形是一个头部和两条尾巴。这种一头亲水,一头疏水的分子称为兼性分子。 糖脂和胆固醇也都属于兼性分子。 一般地说, 功能多而复杂的生物膜蛋白质比例大。 相反, 膜功能越简单,所含蛋白质的种类越少。例如,神经髓鞘主要起绝缘作用,蛋白质的只有三 种,与类脂的重量比仅为 0.23。线粒体内膜则功能复杂,因此含有蛋白质的种类约 30 种~
2

40 种,蛋白质与类脂的比值达 3.2 之多。构成质膜的蛋白质(包括酶)的种类很多,这和不 同种类细胞的质膜功能有关,少者几种,多者可能有数十种。由于分离提纯困难,迄今提纯 的膜蛋白还为数不多。从分布位置看,质膜的蛋白质可分为两大类。一类只是与膜的内外表 面相连,称为外在性蛋白或周缘蛋白。另一类嵌入双脂质内部,有的甚至还穿透膜的内外表 面,称为内在性蛋白。分高外在性蛋白比较容易,但内在性不易分一般外在性蛋白占全部胰 蛋白的比例较小,而内在性蛋白所占的比例较大。 质膜中的多糖主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。一般认为,多糖在接受外界刺激的信息 方面有重要作用。 (2)质膜的分子结构模型 关于质膜的分子结构,有许多不同的模型,其中受到广泛支持的是“流动镶嵌模型”。其主 要特点有两个:一是强调了膜的流动性。认为脂类的双分子层或者膜的蛋白质都是可以流动 或运动的。二是显示了膜脂和膜蛋白分布的不对称性。如有的蛋白质分子镶在类脂双分子层 表面,有的则部分或全部嵌入其内部,有的则横跨膜层。 在类脂层外面的蛋白质称为外在性蛋白, 嵌入类脂层中的蛋白质和横跨类脂层的蛋白质称 为内在性蛋白。各种生物膜在功能上的差别可以用镶嵌在类脂层中的蛋白质的种类和数量的 不同得到解释。 外在性蛋白主要处于水的介质中,而内在性蛋白只是部分暴露于水中,而主要处于油脂介 质中,内在蛋白在这种双相环境中所以能保持稳定,是因为它也像磷脂分子那样具有亲水和 疏水两个部分。暴露在水介质中的部分由亲水性氨基酸组成,而嵌在脂质在的蛋白质部分主 要是由疏水性氨基酸组成的。现在已能分离出某些内在性蛋白,发现它们的疏水性氨基酸含 量显著多于亲水性氨基酸,而外在性蛋白的这两类氨基酸的比例是大体相等的。 多糖只分布于膜和外侧,表现出不对称性。脂质在膜中的分布也是不完全对称的,例如不 饱和脂肪酸和固醇在膜的外侧较多。流动镶嵌模型认为质膜的结构成分不是静止的,而是可 以流动的。许多试验证明,质膜中类眼分子的脂肪酸键部分在正常生理情况下处于流动状态。 一般认为膜脂所含脂肪酸的碳链愈长或不饱和度愈高,流动性愈大。环境温度下降膜脂的流 动性减弱,相反,在一定限度内温度升高则脂质的流动性增加。 质膜中的蛋白质也是能够运动的。人们常提到的一个实验证据是 1970 年 Frye.L.D 和 Eddidin.M 的工作。他们用不同的荧光染料标记的抗体分别与小鼠细胞和人细胞的膜抗原相 结合,它们能分别产生绿色和红色荧光。当这两种细胞融合后形成一个杂交细胞时,开始一 半呈绿色,一半呈红色,说明它们的抗原(蛋白质)是在融合细胞膜中互相分开存在的。但 在 37℃下保温 40 分钟后,两种颜色的荧光点就呈均匀分布。 这说明抗原蛋白质可以在细胞膜中移动而重新分布。这一过程基本上不需能量,因为它不 因缺乏 ATP 而受抑制。 膜蛋白的运动受很多因素影响。膜中蛋白质与脂类的相互作用、内在蛋白与外在蛋白相互 作用、膜蛋白复合体的形成、膜蛋白与细胞骨架的作用等都影响和限制蛋白质的流动。质膜 中蛋白质的移动显然应和质膜的功能变化有关。 (3)物质通过质膜进出细胞 物质进出细胞必须通过质膜,质膜对物质的通透有高度选择性。通透过程可分 5 种类型: 自由扩散、促进扩散、伴随运送、主动运输和内吞外排作用。 通过细胞膜物质运输的五种形式 (1)简单扩散;(2)易化(协助)扩散;(3)主动运输;(4)内吞外排作用 自由扩散 指物质顺浓度梯度直接穿过脂双层进行运输的方式。既不需要细胞提供能量也 不需要膜蛋白协助。一般来说,影响物质进行自由扩散速度的因素主要是物质本身分子大小、 物质极性大小、膜两侧物质的浓度差及环境温度等。
3

由于膜主要由类脂和蛋白质组成,双层类脂分子构成质膜的基本骨架,所以物质通过膜的 扩散和它的脂溶性程度有直接关系。大量实验证明,许多物质通过膜的扩散都和它们在脂肪 中的溶解度成正比。 水几乎是不溶于脂的,但它经常能够迅速通过细胞膜。有人推测膜上有许多小孔,膜蛋白 的亲水基团嵌在小孔表面,因此水可通过质膜自由进出细胞。 易化扩散 这也是一种顺浓度梯度的运动,但扩散是通过镶嵌在质膜上的蛋白质的协助来 进行的。有实验说明,K+不能通过磷脂双分子层的人工膜,但如在人工膜中加入少量缬氨霉 素时,K+便可通过。激氨霉素是一种多肽,是含有十二个氨基酸的脂溶性抗生素。缬氨霉素 和 K+有特异的亲和力,在它的帮助下 K+可以透过膜由高浓度处向低浓度处扩散。缬氨霉 素就相当于质膜中起载体作用的蛋白质。葡萄糖过红细胞膜进入细胞的过程也是以这种促进 扩散的方式进行的。但葡萄糖通过膜进入细胞的过程,特别是在小肠上皮细胞,往往是以主 动运输方式进行的。 主动运输 物质由低浓度向高浓度(逆浓度梯度)进行的物质运输。主动运输过程中,需 要细胞提供能量。 一般动物细胞和植物细胞的细胞内 K+的浓度远远超过细胞外的浓度, 相反, Na+的含量 一般远远低于周围环境。为了细胞逆浓度梯度排出 Na+,吸收 K+的机制,发展了一种离子 泵的概念,即靠这种泵的作用在排出 Na+的同时抽进 K+。现在已经知道离子泵的能量来源 是 ATP。凡是具有离子泵的组织细胞,其质膜中都有 ATP 酶系。有实验证明,当注射 ATP 给 枪乌贼(由于中了毒不能合成自己的 ATP)巨大神经细胞时,细胞膜立即开始抽排钠和钾离 子,并且一直继续到 ATP 全部用完为止。 关于泵的作用机制,有各种解释。例如,一个存在于神经和肌肉细胞中的离子泵的模型, 要求有一个蛋白质的载体,它横跨质膜,在质膜外侧一端和 Na+结合,而在内侧一端和 Na +结合。在有 ATP 提供情况下,载体蛋白内外旋转,使 K+转入内侧,而 Na+转入外侧。这 样离子脱离载体蛋白后,K+即积累于细胞内,而 Na+进入细胞外的环境中。整个过程可以 反复进行。 另外还有一种方式的物质运输,也是物质逆浓度梯度进入细胞的过程,叫伴随运输,又叫 协同运输。在此过程中物质运动并不直接需要 ATP,而是借助其他物质的浓度梯度为动力进 行的。后一种物质是通过载体和前一种物质相伴随运动的。比如动物细胞对氨基酸和葡萄糖 的主动运输,就是伴随 Na+的协同运输。 内吞作用和外排作用 大分子物质要以形成小泡的方式才能进入细胞。 它们先与膜上某种 蛋白质进行特异性结合,然后这部分质膜内陷形成小囊,将该物质包在里面。随后从质膜上 分离下来形成小泡,进入细胞内部。这个过程称做内吞作用。内吞的物质为固体者称为吞噬 作用,若为液体则称为胞饮作用。变形虫利用吞噬作用来获取食物。吞噬后的小泡再与细胞 质的溶酶体融合逐步将其吞进的物质分解。哺乳动物的多形核白细胞和巨噬细胞利用吞噬作 用来消灭侵入的病菌。 与内吞作用相反,有些物质通过形成小泡从细胞内部逐步移到细胞表面,与质膜融合而把 物质向外排出。这种运送方式称为外排作用。分泌蛋白颗粒就是通过这种方式排出体外的。 内吞作用和外排作用与其他主动运输一样也需要能量供应。如果氧化酸化作用被抑制,那么 吞噬作用应就会被阻止;如果分泌细胞中的 ATP 合成受阻,则外排作用也不能继续进行。 (4)细胞膜与细胞的识别 细胞识别是指生物细胞对同种和异种细胞的认识,对自己和异己物质的认识。无论单细胞 生物和高等动植物,许多重要的生命活动都和细胞的识别能力有关。比如,草履虫有性生殖 过程中的细胞接合,开花植物的雌蕊能否接受花粉进行受精,都要靠细胞识别的能力。高等 动物和人类的免疫功能更要依靠细胞的识别能力。细胞识别的功能是和细胞膜分不开的。因
4

为细胞膜是细胞的外表面,自然对外界因素的识别过程发生在细胞膜。如哺乳动物和人类的 细胞识别:当外来物质(例如大分子、细菌或病毒,在免疫学上称它们为抗原)进入动物和 人体,免疫系统以两种方式发生反应,一是制造抗体,一是产生敏感细胞。抗体和敏感细胞 与抗原相结合,通过一系列反摧毁抗原,把抗原从体内消除掉。抗原与抗体的识别,主要取 决于细胞膜上表面的某些受体。 (5)细胞膜与细胞连接 在多细胞生物体内,细胞与细胞之间通过细胞膜相互联系,形成一个密切相关,彼此协调 一致的统一体,称为细胞连接。动物细胞间的连接方式有紧密连接、锚定连接(粘附、桥粒、 半桥粒)以及通讯连接(间隙连接、突触、胞间连丝)等。 植物细胞间则通过胞间连丝连接。 紧密连接:亦称结合小带,这是指两个相邻细胞的质股紧靠在一起,中间没有空隙,而且 两个质膜的外侧电子密度高的部分互相融合,成一单层,这类连接多见于胃肠道上皮细胞之 间的连接部位。 锚定连接:是相邻细胞膜之间有较大间隙的一种连接方式,连接处相邻细胞膜间存在着 15nm~20nm 的间隙。在这部分细胞膜下方的细胞质增浓,由肌动蛋白组成的环形微丝穿行 其中。粘合带一般位于紧密连接的下方,又称中间连接,具有机械支持作用。见于上皮细胞 间。 桥粒是相邻细胞间的纽扣样连接方式。在桥位处两个细胞质腹之间隔有宽约 250? 的间 隙,其中有一层电子密度稍高的接触层,将间隙等分为二。在桥粒处内侧的细胞质呈板样结 构,汇集很多微丝。这种结构和加强桥粒的坚韧性有关。桥粒多见于上皮,尤以皮肤、口腔、 食管、阴道等处的复层扁平上皮细胞间较多。桥粒能被胰蛋白酶、胶原酶及透明质酸酶所破 坏,故其化学成分中可能含有很多蛋白质。 通讯连接:间隙连接是两个细胞的质膜之间有 20?~40? 的间隙的一种连接方式。在间隙 与两层质腹中含有许多颗粒。这些颗粒的直径大约有 80? 左右,它们互相以 90? 的距离规则 排列。间隙连接的区域比连接大得多,以断面看长得多。间隙连接为细胞间的物质交换。化 学信息的传递提供了直接通道。间隙连接主要分布于上皮、平滑肌及心肌等组织细胞间。 胞间连丝:植物细胞间特有的连接方式,在胞间连丝连接处的细胞壁不连续,相邻细胞的 细胞膜形成直径约 20nm~40nm 的管状结构,使相邻细胞的细胞质互相连通。胞间连丝是植 物细胞物质与信息交流的通道,对于调节植物体的生长与发育具有重要作用。 总的来讲,细胞间连接的主要作用在于加强细胞间的机械连接。此外对细胞间的物质交换 起重要作用。一般认为,间隙连接在细胞间物质交换中起明显的作用;中间连接部分也是相 邻细胞间易于物质交流的场所;紧密连接是不易进行细胞间物质交换的部分;桥粒的作用看 来也只是在于细胞间的粘着。 2.细胞质 真核细胞质膜以内核膜以外的结构称为细胞质。细胞质主要包括细胞质基质和细胞器。 (1)细胞质的基质 细胞质基质亦称透明质,是细胞质中除去所有细胞器和各种颗粒以外的部分,呈均质半透 明的胶体状物质。其中包含了许多物质,如小分子的水、无机离子,中等分子的脂类、氨基 酸、核苷酸,大分子的蛋白质、核酸、脂蛋白、多糖。 细胞质的基质主要有两个方面的功能:一是含有大量的酶,生物代谢的中间代谢过程大多 是在细胞质基质中完成,如糖酵解途径、磷酸戊糖途径、脂肪酸合成等;二是细胞质基质作 为细胞器的微环境,为维护细胞器正常结构和生理活动提供所需的环境,也为细胞器的功能 活动提供底物。 (2)细胞器 (重点)
5

①线粒体 线粒体是一种普遍存在于真核细胞中的细胞器,各种生命活动所需的能量大部分 都是靠线粒体中合成的 ATP 提供的,因此有细胞的“动力工厂”之称。 线粒体主要由蛋白质和脂类组成,其中蛋白质占线粒体干重的一半以上。此外还有少量的 DNA、RNA、辅酶等。线粒体含有许多种酶类,其中有的酶是线粒体某一结构特有的(标记 酶),比如线粒体外膜的标记酶为单胺氧化酶,内膜为细胞色素氧化酶,膜间隙为腺苷酸激 酶,线粒体基质的为苹果酸脱氢酶。 在大多数情况下,线粒体呈圆形、近似圆形、棒状或线状。 在电子显微镜下, 线粒体为内外两层单位膜构成的封闭的囊状结构。 可分为以下四个部分: 外膜 为一个单位膜,膜中蛋白质与脂类含量几乎均等。物质通透性较高。 内膜 也是一个单位膜,膜蛋白质含量高,占整个膜的 80%左右。内膜对物质有高度地选 择通透性。部分内膜向线粒体腔内突出形成嵴。同时内膜内表面排列着一些颗粒状的结构, 称为基粒。基粒包括三个部分:头部(F1 因子,为水溶性蛋白质,具有 ATP 酶活性)、腹部 (F0 因子,由疏水性蛋白质组成)、柄部(位于 F1 与 F0 之间)。 膜间隙 为内外膜之间围成的胜除。其内充满无定形物,主要是可溶性酶、反应底物以及 辅助因子等。 基质 由内膜封闭形成的空间,其中含有脂类、蛋白质、核糖体、RNA 及 DNA。 研究表明,内外膜的通透性差别很大。外膜容许电解物质、水、蔗糖和大至 10 000 道尔 顿的分子自由透入。 外膜上可能有 20?~30 ? 的小孔, 便于小分子的通过。 内膜与外膜相反, 离子各分子的通过要有特殊的载体帮助才能实现。 在线粒体内膜上存在的电子传递链,能将代谢脱下的电子最终传给氧并生成水,同时释放 能量,这种电子传送链又称呼吸键。它的各组分多以分子复合物形式存在于线粒体内膜中。 在线粒体内膜中,各组分按严格的排列顺序和方向(氧还电位由低到高),参与电子传递。 糖、脂肪、氨基酸的中间代谢产物在线粒体基质中经三羧酸循环进行最终氧化分解。在氧 化分解过程中,产生 NADH 和 FADH2 两种高还原性的电子载体。在有氧条件下,经线粒体内 膜上呼吸键的电子传递作用, O2 还原为 H2O; 将 同时利用电子传递过程中释放的能量将 ADP 合成 ATP。 关于 ATP 形成,即氧化磷酸化作用的机制,目前,最为公认的是化学渗透假说。它认为, 电子在线粒体内膜上传递过程中,释放的能量将质子从线粒体基质转移至膜间隙,在内膜两 侧形成质子梯度。 利用这一质子梯度, ATP 酶复合体参与下, 在 驱动 ADP 磷酸化, 合成 ATP。 催化 NADH 氧化的呼吸链中,每传递两个电子,可产生 3 个 ATP 分子;而催化琥珀酸氧化的 呼吸链中,每传送两个电子,只产生两个 ATP 分子。 线粒体中的 DNA 分子通常与线粒体内膜结合存在, 呈环状, 和细菌 DNA 相似。 已经证明, 在线粒体中有 DNA 聚合酶,并且离体的线粒体在一定条件下有合成新 DNA 的能力。线粒体 DNA 也是按半保留方式进行复制的, 其复制时间与核 DNA 不同, 而与线粒体的分裂增殖有关。 一般是在核 DNA 进行复制后,在核分裂前(G2)期,线粒体 DNA 进行复制,随后线粒体分 裂。 在细胞进化过程中,最早的线粒体是如何形成的?这就是线粒体的起源问题。目前,有两 种不同的假说,即内共生假说和分化假说。内共生假说认为线粒体是来源于细菌,是被原始 的前真核生物吞噬的细菌。这种细菌与前真核生物共生,在长期的共生过程中通过演化变成 了线粒体。另一种假说,即分化假说则认为线粒体在进化过程中的发生是由于质膜的内陷, 再经过分化后形成的。 ②叶绿体 叶绿体是质体的一种,是绿色植物进行光合作用的场所。质体是植物细胞所特有的。它可 分为具色素的叶绿体、有色体和不具色素的白色体。
6

叶绿体主要由脂类和蛋白质分子组成,此外在叶绿体基质中还有少量 DNA 和 RNA。 电镜观察,叶绿体由双层单位膜构成。 外被:由两层单位膜构成,外膜通透性大,内膜物质有较强选择通透性。内外膜间围有膜 间隙。 基质:叶绿体内充满流动状态的基质,基质中有许多片层结构。每片层是由周围闭合的两 层膜组成,呈扁囊状,称为类囊体。类囊体内也是水溶液。小类囊体互相堆叠在一起形成基 粒,这样的类囊体称为基粒类囊体。组成基粒的片层称为基粒片层。大的类囊体横贯在基质 中,连接于两个或两个以上的基粒之间。这样的片层称为基质片层,这样的类囊体称基质类 囊体。光合作用过程中光能向化学能的转化是在类囊体膜上进行的,因此类囊体膜亦称光合 膜。在叶绿体的基质中有颗粒较大的油滴和颗粒较小的核糖体。基质中存在 DNA 纤维,各种 可溶性蛋白(酶),以及其他代谢有关的物质。 蓝藻和光合细菌等原核生物没有叶绿体。蓝藻的类囊体是分布在细胞内,特别是分散在细 胞的周边部位。光合细菌的光合作用是在含有光合色素的细胞内膜进行的。这种内膜呈小泡 状或扁囊状,分布于细胞周围,称为载色体。 叶绿体中的 DNA 含量比线粒体显著多。其 DNA 也是呈双链环状,不与组蛋白结合,能以 半保留方式进行复制。同时还有自己完整的蛋白质合成系统。当然,叶绿体同线粒体一样, 其生长与增殖受核基因及其自身基因两套遗传系统控制,称为半自主性细胞器。 关于叶绿体的起源和线粒体一样也有两种互相对立的假说,即内共生说和分化说。按内共 生假说,叶绿体的祖先是兰藻或光合细菌。 ③内质网 内质网是细胞质中由膜围成的管状或扁乎囊状的结构,互相连通成网,构成细胞质中的扁 平囊状系统。 内质网根据不同的形态结构,可分为两种类型:一种是粗面内质网,其结构特点是由扁平 囊状结构组成,膜的外侧有核糖体附着。现在有大量实验证明,各种分泌蛋白质(如血浆蛋 白、血浆清蛋白、免疫球蛋白、胰岛素等)都主要是在粗面内质网的结合核糖体上合成的。 还有种内质网是滑面内质网,多由小管与小囊构成不规则的网状结构,膜表面光滑,无核糖 体颗粒附着。主要存在于类固醇合成旺盛的细胞中。 内质网的功能包括以下几点: *蛋白质的合成与转运(粗面内质网); *蛋白质的加工(如糖基化); *脂类代谢与糖类代谢(滑面内质网); *解毒作用(滑面内质网上有分解毒物的酶)。 ④核糖体 核糖体是在各类细胞中普遍存在的颗粒状结构,是一种非常重要的细胞器。核糖体是无膜 的细胞器, 主要成分是蛋白质与 RNA。 核糖体的 RNA 称为 rRNA, 约占 60%, 蛋白质约占 40%, 蛋白质分子主要分布在核糖体的表面,而 rRNA 则位于内部,二者靠非共价键结合在一起。 在真核细胞中很多核糖体附着在内质网的膜,称为附着核糖体,它与内质同形成复合细胞 器,即粗面内质网。在原核细胞质膜内侧也常有核糖体着附。还有一些核糖体不附着在跟上, 呈游离状态,分布在细胞质基质内,称游离核糖体。附着在内质网膜上的核糖体与游离核糖 体所合成的蛋白质种类不同,但核糖体的结构与化学组成是完全相同的。 核糖体由大、小两个亚单位组成。由于沉降系数不同,核糖体又分为 70S 型和 80S 型。 70S 型核糖体主要存在于原核细胞及叶绿体、线粒体基质中,其小亚单位为 30S,大亚单位 为 50S;80S 型核糖体主要存在于真核细胞质中,其小亚单位为 40S,大亚单位 60S。

7

核糖体是蛋白质合成的场所。 因此核糖体是细胞不可缺少的基本结构, 存在于所有细胞中。 核糖体往往并不是单个独立地执行功能,而是由多个核糖体串连在一条 mRNA 分子上高效地 进行肽键的合成。这种具有特殊功能与形态的核糖体与 mRNA 的聚合体称为多聚核糖体。 ⑤高尔基复合体, 1898 年最初在神经细胞发现这种细胞器,以发明者的名字命名,称高尔基体形中高尔基 器。其主要成分是脂类、蛋白质及多糖物质组成。其标志酶为糖基转移酶。 在电镜下可见高尔基体是由滑面膜围成的扁囊状和泡状结构组成的。膜上无核糖体,因此 它不能合成蛋白质。典型的高尔基体表现一定的极性。它的形状犹如一个圆盘,盘底向着核 膜或内质网一侧凸出,而凹面向着质膜一侧。凸面称形成面,凹面称成熟面。形成面的膜较 薄,与内质网膜相似,成熟面的膜较厚,与质膜相似。 高尔基器的第一个主要功能是为细胞提供一个内部的运输系统, 它把由内质网合成并转运 来的分泌蛋白质加工浓缩,通过高尔基小泡运出细胞,这与动物分泌物形成有关。高尔基体 对脂质的运输也起一定的作用。高尔基体的第二个重要功能是能合成和运输多糖,这可能与 植物细胞壁的形成有关。第三个方面就是糖基化作用,即高尔基体中含有多种精基转移酶, 能进一步加工、修饰蛋白质和脂类物质。 关于高尔基体的发生,倾向于认为它是由内质网转变来的。 ⑥溶酶体 溶酶体是由一个单位膜围成的球状体。主要化学成分为脂类和蛋白质。溶酶体内富含水解 酶,由于这些酶的最适 pH 值为酸性,因而称为酸性水解酶。其中酸性磷酸酶为溶酶体的标 志酶。 由于溶酶体外面有膜包着,使其中的消化酶被封闭起来,不致损害细胞的其他部分。否则 膜一旦破裂,将导致细胞自溶而死亡。 溶酶体可分成两种类型: 一是初级溶酶体, 它是由高尔基囊的边缘膨大而出来的泡状结构, 因此它本质上是分泌泡的一种,其中含有种种水解酶。这些酶是在租面内质网的核糖体上合 成并转运到高尔基囊的。初级溶酶体的各种酶还没有开始消化作用,处于潜伏状态。二是次 级溶酶体,它是吞噬泡和初级溶酶体融合的产物,是正在进行或已经进行消化作用的液泡。 有时亦称消化泡。在次级溶酶体中把吞噬泡中的物质消化后剩余物质排出细胞外。吞噬泡有 两种,异体吞噬泡和自体吞噬泡,前者吞噬的是外源物质,后者吞噬的是细胞本身的成分。 溶酶体第一方面的功能是参与细胞内的正常消化作用。大分子物质经内吞作用进入细胞 后,通过溶酶体消化,分解为小分子物质扩散到细胞质中,对细胞起营养作用。第二个方面 的作用是自体吞噬作用。溶酶体可以消化细胞内衰老的细胞器,其降解的产物重新被细胞利 用。第三个作用是自溶作用。在一定条件下,溶酶体膜破裂,其内的水解酶释放到细胞质中, 从而使整个细胞被酶水解、消化,甚至死亡,发生细胞自溶。细胞自溶在个体正常发生过程 中有重要作用。如无尾两栖类尾巴的消失等。 ⑦圆球体和糊粉粒 植物细胞有具水解酶活性的结构,如圆球体。它们都是由一个单位膜围成的球状体。圆球 体具有消化作用及贮存脂肪功能;糊粉粒也具消化作用,并且为蛋白质的贮存场所。 ⑧微体 微体也是一种由单位膜围成的细胞器。它呈圆球状、椭圆形、卵圆形或哑铃形。根据酶活 性的差别可分为两种类型:过氧物体和乙醛酸循环体。 过氧化物酶体:是具有过氧化氢酶活性的小体,内含许多氧化酶、过氧化氢酶,能将对细胞 有害的的 H2O2 转化为 H2O 和 O2。在植物叶肉细胞中,过氧化物酶体执行光呼吸的功能。

8

乙醛酸循环体:除含过氧化物酶体有关的酶系外,还含有乙醛酸循环有关的酶系,如异柠檬 酸裂合酶、苹果酸合成酶等。乙醛酸循环体除了具有分解过氧化物的作用,还参与糖异生作 用等过程 ⑨液泡与液泡系 在植物细胞中有大小不同的液泡。成熟的植物细胞有一个很大的中央液泡,可能占细胞体 积的 90%,它是由许多小液泡合并成的。动物细胞中的液泡较小,差别也不显著。 液泡由一层单位膜围成。其中主要成分是水。不同种类细胞的液泡中含有不同的物质,如 无机盐、糖类、脂类、蛋白质、酶、树胶、丹宁、生物碱等。 液泡的功能是多方面的, 强维持细胞的紧张度是它所起的明显作用。 其次是贮藏各种物质, 例如甜菜中的蔗糖就是贮藏在液泡中,而许多种花的颜色就是由于色素在花瓣细胞的液泡中 浓缩的结果。第三,液泡中含有水解酶,它可以吞噬消化细胞内破坏的成分。最后,液泡在 植物细胞的自溶中也起一定的作用。植物有些衰老退化的细胞通过自溶被消化掉。这时液泡 破坏, 其中的水解酶被释放出来, 导致细胞成分的分解和细胞的死亡。 例如蚕豆子叶中约 80% 的 RNA 是在种子萌发的最初 30 天内逐渐被分解的。但如果把液泡破坏,其中的核糖核酸酶 释放出来的话, 可在几小时内使核糖体 RNA 分解完。 这说明一旦液泡破坏, 水解酶释放出来, 可以很快使细胞自溶。 3.细胞核 真核细胞具有细胞核。 除了哺乳动物成熟红细胞及高等植物的筛管细胞等少数几种细胞能 在无核状态下进行生命活动外,多数真核细胞都具有细胞核。细胞核是遗传信息的贮存场所, 对于细胞结构及生命活动具有重要的调控作用。 (1)核膜 在电镜下真核细胞的核主要包括核膜、染色质、核仁和核基质四部分。 真核细胞具有核膜,核膜亦称核被膜,使遗传物质 DNA 与细胞质分开。原核生物,如细 菌、 兰藻等不具核膜,即 DNA 和细胞质之间没有膜隔开。核膜由内外两层膜组成。内膜平滑, 外膜靠细胞质的一侧有时附着有核糖体,并且常可看到外膜与粗面内质网是连续的,所以内 外膜之间的核周腔经过内质网似乎可能和细胞处相通。内外两膜在很多地方愈合形成小孔, 称为核膜孔。 离子、比较小的分子可以通透核膜。但像球蛋白、清蛋白等高分子则不能原样通过核膜。 高分子的进出核要由核膜孔通过。 (2)染色质 染色质是间期细胞核中易被碱性染料染色的物质, DNA 与蛋白质为主组成的复合结构, 由 是遗传物质的存在形式。在分裂期,细长的染色质高度凝集并螺旋化,缩短变粗,形成染色 体。染色体与染色质是化学组成一致、而在细胞周期的不同时期出现的两种不同构型结构。 在真核细胞中,核小体是构成染色质的基本单位,核小体是 DNA 与组蛋白结合形成的。 另外,染色质的成分还包括少量的 RNA 和非组蛋白。 在间期核中,染色质的形态不均匀。根据其形态及染色特点可分为常染色质和异染色质两 种类型。 常染色质:折叠疏松、凝缩程度低,处于伸展状态,碱性染料染色时着色浅。具有转录活 性的染色质一般为常染色质。 异染色质:折叠压缩程度高,处于凝集状态,经碱性染料染色着色深。其 DNA 中重复序 列多,复制较常染色质晚。其中部分异染色质是由原来的常染色质凝集而来,还有一些异染 色质除复制期外,在整个细胞周期中均处于集缩状态。 (3)核仁 光学显微镜下观察,真核细胞的间期核中可见到 1 个或多个球状小体称为核仁。
9

经研究发现,核仁结构主要是四种。第一种结构是直径为 150?~200 ? 的颗粒成分。第 二结构是直径为 20? ~30 ? 的纤维成分。第三种结构是伸入到核仁中的染色质,它的电子密 度比较低。第四种结构部分是基质,即上述三种结构以外的部分。 核仁是核糖体 RNA(tRNA)合成及核糖体亚单位前体组装的场所,与核糖体的生物发生 密切相关。核糖体 RNA 是在核仁合成的。如组成 80S 型核糖体的 rRNA 共有四种:5S、5.8S、 18S、28S,其中后三种是在核仁中合成的。 (4)核基质 间期核内非染色或染色很淡的基质称核内基质。 染色质和核仁悬浮于其中, 它含有蛋白质、 RNA、酶等。核内基质亦称核液。 4.细胞骨架 (重点) 细胞骨架普遍存在于真核细胞中,蛋白质纤维构成的网架体系。主要包括细胞膜骨架、细 胞质骨架和细胞核骨架三部分。细胞骨架对于细胞形态的维持、细胞运动、物质运输、细胞 增殖及分化等具有重要作用。 (1)细胞膜骨架 指细胞膜下由蛋白质纤维组成的网架结构,称为细胞膜骨架。膜骨架一方面直接与膜蛋白结 合,另一方面又能与细胞质骨架相连,主要参与维持细胞质膜的形态,并协助细胞膜完成某 些生理功能。 (2)细胞质骨架 要指存在于细胞质中的三类成分:微管、微丝和中间纤维。它们都是与细胞运动有关的结 构。 微管:它是中空的圆筒状结构,直径为 18nm~25nm,长度变化很大,可达数微米以上。 构成微管的主要成分是微管蛋白。这种蛋白既具有运动功能又具有 ATP 酶的作用,使 ATP 水 解,获得运动所需的能量。除了独立存在于细胞质中的微管外,纤毛、鞭毛、中心粒等基本 上也是由许多微管聚集而成,细胞分裂时出现的纺锤丝也是由微管组成。此外,微管常常分 布在细胞的外线,起细胞骨架的作用。微管和功能在不同类型的细胞内并不完全相同,组成 纤毛、鞭毛的微管主要与运动有关,而神经细胞中的微管可能与支持和神经递质的运输有关。 微丝:微丝是原生质中一种细小的纤丝,直径约为 50 ?~60 ?,常呈网状排列在细胞膜 之下,在光镜下看不见,但如果微丝集合成束,则可在光镜下看到。微丝的成分是肌动蛋白 和肌球蛋白,这是肌纤维的运动蛋白。由此可知,它有运动功能,细胞质的流动、变形运动 等都和微丝的活动有关。动物细胞在进行分裂时,细胞中央发生横缢,将细胞分成两个,也 必须由微丝收缩而产生。有的微丝主要起支架作用,与维持细胞的形状有关。 中间纤维:其粗细介于微管和微丝之间,也是由蛋白质组成。不同组织中,中间纤维的蛋 白质成分有明显的差异。中间纤维与微管、微丝一起形成一个完整的骨架体系,细胞起支撑 作用。同时参与桥粒的形成。它外连细胞膜,内与核内的核纤层相通,它在细胞内信息传递 过程中可能起重要作用。 (3)细胞核骨架 真核细胞核中也存在着一个以蛋白质为主要结构成分的网架体系, 称为核骨架。 狭义地讲, 核骨架就是指核基质,广义地讲,核骨架则包括了核基质、核纤层和核孔复合体等。核基质 为 DNA 复制提供空间支架,对 DNA 超螺旋化的稳定起重要作用。核纤层为核被膜及染色质 提供结构支架。 (5)鞭毛和纤毛 鞭毛和纤毛是动物细胞及某些低等植物细胞表面的特化结构,具有运动功能。纤毛与鞭毛 结构基本相同,包括两部分:鞭杆、基体。

10

鞭杆轴心是由“9+2”排列的一束微管构成 (包括一对平行单管微管的组成的中央微管及围 绕中央微管外周的 9 个二联体微管)。 基体则无中央微管,外周由 9 个三联体微管组成,呈“9+0”结构。这与中心粒的相同。 (五)细胞增殖 中学教材中我们学过细胞周期的概念, 即进行连续分裂的细胞从上一次分裂结束到下一次 分裂完成所经历的过程。细胞周期分为分裂间期和分裂期。 1.有丝分裂 (1)分裂间期 分裂间期是细胞生长期,为分裂期作物质准备,包括 G1、S、G2 三个时期。 G1 期:细胞结束上一次有丝分裂后进入 G1 期。它是一个生长期。在这个时期内细胞进 行着一些物质的合成,并且为下阶段 S 期的 DNA 合成作准备,特别是合成 DNA 的前身物质、 DNA 聚合酶和合成 DNA 所必不可少的其他酶系,以及储备能量。 S 期:从 G1 期进入 S 期是细胞增殖的关键时刻。S 期最主要的特征是 DNA 的合成。DNA 分子的复制就是在这个时期进行的。通常只要 DNA 的合成一开始,细胞增殖活动就会进行下 去,直到分成两个子细胞。 G2 期:这个时期又叫做“有丝分裂准备期”,因为它主要为后面的分裂期作准备。在 G2 期 中, DNA 的合成终止, 但是还有 RNA 和蛋白质的合成, 为分裂期纺锤体微管的组装提供原料。 (2)分裂期(M 期) 细胞一旦完成了细胞分裂的准备,就进入有丝分裂期。细胞分裂期是一个连续的过程,为了 研究的方便,可以人为地将它分成前、中、后、末四个时期。M 期的细胞有极明显的形态变 化。间期中的染色质在 M 期浓缩成染色体形态。染色体的形成、复制和移动等活动,保证了 将 S 期复制的两套 DNA 分子平均地分到两个子细胞中去。 2.减数分裂 减数分裂是一种特殊的有丝分裂,细胞连续分裂两次,而染色体只复制一次,形成的四个 子细胞中的染色体数目比母细胞减少一半。 在进行减数分裂形成生殖细胞前要经过一个较长的生长期,称为减数分裂前间期,也包括 G1、S、G2 三个时期。但 S 期较长。 (1)第一次分裂 减数分裂的一些重要过程主要发生在第一次分裂中,特别是前期Ⅰ。 ①前期Ⅰ:时间较长,又分为五个时期。 细线期 是减数分裂过程的开始时期。染色体已经进行了复制,一条染色体应由两条染色 单体组成。但一般看不出两条染色单体。 偶线期 是同源染色体配对的时期。 粗线期 染色体明显缩短变粗。联会的同源染色体紧密结合,同源染色体的非姊妹染色单 体间发生局部交换。 双线期 联会的两条同源染色体开始分离,但在交叉点上它们还保持连在一起,所以两条 染色体并不完全分开。 终变期 一般核仁开始消失、核膜开始解体。 ②中期Ⅰ 配对的同源染色体(二价体)排列于赤道面中,形成赤道板。这时二价体因长短的不同和 交叉数目的多少和有无而呈不同形态,比如环状、棒状、C 字型、十字型等。 ③后期Ⅰ 二价体中两条同源染色体分开,分别向两极移动。但这时的每条染色体是由两条染色单体 组成的。应当强调的是,二价体由哪条染色体移向哪一极完全是随机的。
11

④末期Ⅰ 染色体到达两极后开始末期过程。部分细胞进入末期后染色体解螺旋,核膜、核仁重现, 通过胞质分裂形成两个子细胞。但也有的细胞只形成两个子核,不进行胞质分裂。 减数分裂间期:在减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ之间的间期很短,且并不进行 DNA 合成。因 而也不进行染色体的复制。在有些生物甚至没有这个间期,而由末期Ⅰ直接转为前期Ⅱ。 (2)第二次分裂 第二次减数分裂基本上与普通有丝分裂相同。前期Ⅱ时间较短。中期Ⅱ染色体排列于赤道 面,两条染色单体的着丝点分别向着两极,形成赤道板。后期Ⅱ时两条染色单体分开,移向 两极。末期Ⅱ时染色体解螺旋化形成核膜,出现核仁经过胞质分裂,完成减数分裂过程。 3.无丝分裂 无丝分裂是最早发现的一种细胞分裂方式,早在 1841 年就在鸡胚的血细胞中看到了。因 为分裂时没有纺锤丝出现,所以叫做无丝分裂。又因为这种分裂方式是细胞核和细胞质的直 接分裂,所以又叫做直接分裂。 关于无丝分裂,有不同的看法:有人认为无丝分裂不是正常细胞的增殖方式,而是一种异 常分裂现象;另一些人则主张无丝分裂是正常细胞的增殖方式之一,主要见于高度分化的细 胞,如肝细胞、肾小管上皮细胞、肾上腺皮质细胞等。 无丝分裂的早期,球形的细胞核和核仁都伸长。然后细胞核进一步伸长呈哑铃形,中央部 分狭细。最后细胞核分裂,这时细胞质也随着分裂,并且在滑面型内质网的参与下形成细胞 膜。在无丝分裂中,核膜和核仁都不消失,没有染色体的出现,当然也就看不到染色体的规 律性变化。但是,这并不说明染色质没有变化,实际上染色质也要进行复制,并且细胞要增 大。当细胞核体积增大一倍时,细胞核就发生分裂,核中的遗传物质就分配到子细胞中去。 至于核中的遗传物质 DNA 是如何分配的,还待进一步研究。 (六)细胞分化 细胞分化,简单说是在个体发育过程中细胞之间产生稳定差异的过程。任何个体都是由许 多在形态和功能上不同的细胞组成的,它们分别构成组织、器官、系统。这些具有不同形态 和功能的细胞是通过分化过程形成的。细胞分化是现代生物学的基本问题之一。 1.细胞分化的原理 (1)细胞核的全能性 在动物个体发育过程中,受精卵具有分化出各种组织和细胞,并建立一个完整个体的潜在 能力,这种细胞称为全能细胞。 在胚胎发育的囊胚细胞和原肠胚细胞,虽然具有分化出多种组织的可能,但却不能发育成 完整的个体,这部分细胞叫做多能细胞。 在动物长成后,成体中储存着保持增殖能力的细胞,它们产生的细胞后代有的可能分化为 多种组织,有的可能只分化出一种细胞。只能分化出一种细胞的类型叫做单能细胞。 看来,随着动物细胞分化程度提高,细胞分化潜能越来越窄,尽管如此,但它们的细胞核 仍保持着原有的全部遗传物质,具有全能性。高度分化的植物组织具有发育成完整植物的潜 能,保持着发育的全能性。 (2)基因的选择表达 细胞分化并非由于某些遗传物质丢失造成的,而是与基因选择表达有关。细胞的编码基因 分为两类:管家基因和奢侈基因。管家基因是维持细胞生存必需的一类基因,在各类细胞中 都处于活动状态。奢侈基因是在不同组织细胞中选择表达的基因,与分化细胞的特殊性状直 接相关,这类基因的丧失对细胞生存没有直接影响。目前一般认为,细胞分化主要是奢侈基 因中某些特定基因有选择地表达的结果。 2.细胞质、细胞核及外界环境对细胞分化的影响
12

(1)细胞质在细胞分化中的决定作用 受精卵的分裂称卵裂。 卵裂过程的每次分裂, 从核物质的角度看都是均匀分配到子细胞中, 但是细胞质中物质的分布是不均匀的。也许正是因为胞质分裂时的不均等分配,在一定程度 上决定了细胞的早期分化。 (2)细胞核在细胞分化中的作用 细胞核是真核细胞遗传信息的贮存场所。因此,在细胞分化过程中,细胞核对于细胞分化 也肯定有重要的影响,它可能通过控制细胞质的生理代谢活动从而控制分化。 (3)外界环境对细胞分化的影响 细胞对邻近细胞的形态发生会产生影响,并决定其分化方向。另外,在多细胞生物幼体发 育过程中,环境中的激素作用能引发和促进细胞分化。 3.癌细胞 在个体正常发育过程中,细胞有控制地通过有丝分裂增殖,有秩序地发生分化,执行特定 的功能。可是,有时部分细胞由于受到某种因素的作用则发生转化,不再进行终未分化,而 变成了不受调节的恶性增殖细胞,这种细胞即称为癌细胞。 (1)癌细胞的主要特征 癌细胞的主要特征表现在无限增殖;接触抑制现象丧失;细胞间的粘着性降低,易分散和 转移;易于被凝集素凝集;粘壁性下降;细胞骨架结构紊乱;产生新的膜抗原;对生长因子 需要量降低等方面。 (2)致癌因子及癌基因学说 凡能引起细胞发生癌变的因子称为致因子。 主要包括三类: 化学致癌因子, 物理致癌因子, 病毒致癌因子。 一些学者对细胞癌变的机理提出了“癌基因学说”:认为病毒对细胞的致癌作用是由于病毒 基因组中的癌基因引起,而正常细胞中存在的癌基因是在早期进化过程中通过病毒感染而从 病毒基因组中获得。如果细胞癌基因受阻,则细胞能正常发育;在各种致癌因子作用下,细 胞癌基因被活化而使细胞发生癌变。

13

微生物讲义
绪 论 第一节:微生物学的研究对象与任务 一、“微生物”的含义(什么是微生物) 非分类学上名词, 来自法语“Microbe”一词。 是形体微小、 单细胞或个体结构简单的多细胞、 甚或无细胞结构的低等生物的通称。 二、生物分界(微生物在生物界的位置) 1、两界系统(亚里斯多德) 动物界 Animalia:不具细胞壁,可运动,不行光合作用。 植物界 Plantae:具有细胞壁,不运动,可行光合作用。 三界:原生生物界 Protista:(E. H. Haeckel, 1866 年提出) 2、五界系统 R. H. Whitakker, Science, 163: 150-160, 1969 原核生物界 Monera:细菌、放线菌等 原生生物界 Protista:藻类、原生动物、粘菌等 真菌界 Fungi:酵母、霉菌 动物界 Animalia: 植物界 Plantae: 五界系统是以细胞结构分化的等级以及和光合、吸收、摄食这三种主要营养方式有关的组织 类型为基础的。六界:加上病毒界。 3、三界(域)系统 Bacteria(细菌)、Archaea(古生菌)和 Eukarya(真核生物)。 四、微生物特点 五、微生物作用

第一章:微生物类群与形态结构
非细胞型:病毒 细胞型:原核微生物:细菌、放线菌等, 无明显核,也无核膜、核仁。 真核微生物:酵母菌、霉菌, 有明显核,有核膜、核仁。 第一节:细菌 是微生物一大类群,主要研究对象。 细菌是单细胞的,大小在 1um 左右,1000 倍以上显微镜才能看到其形状。 一、细菌的形态和大小 (一)基本形态 1、球菌 Coccus:球形或近球形,根据空间排列方式不同又分为单、双、链、四联、八 叠、葡萄球菌。不同的排列方式是由于细胞分裂方向及分裂后情况不同造成的。 2、杆菌 Bacillus (Bacterium):杆状或圆柱形,径长比不同,短粗或细长。是细菌中 种类最多的。 3、螺旋菌 Spirillum:是细胞呈弯曲杆状细菌统称,一般分散存在。根据其长度、螺旋 数目和螺距等差别,分为弧菌 Vibrio(菌体只有一个弯曲,形似 C 字)和螺旋菌(螺旋状 ,超过 1 圈)。
14

与螺旋体 Spirochaeta 区别:无鞭毛。 细菌形态不是一成不变的,受环境条件影响(如温度、培养基浓度及组成、菌龄等) 异常形态 一般,幼龄,生长条件适宜,形状正常、整齐。老龄,不正常,异常形态。 畸形:由于理化因素刺激,阻碍细胞发育引起。 衰颓形:由于培养时间长,细胞衰老,营养缺乏,或排泄物积累过多引起。 (二)细菌大小 如何测量:显微测微尺 球菌直径 0.5-1um 杆菌直径 0.5-1um ,长为直径 1-几倍 螺旋菌直径 03-1um,长 1-50um 细菌大小也不是一成不变的。 细胞重量 10-13-10-12g ,每 g 细菌含 1-10 万亿个细菌。 二、细菌细胞结构 研究细菌细胞结构是分子生物学重要内容之一,有了电子显微镜才有可能。 其结构分为基本结构和特殊结构。 基本结构是细胞不变部分,每个细胞都有,如细胞壁、膜、核。 特殊结构是细胞可变部分,不是每个都有,如鞭毛、荚膜、芽孢。 (一)基本结构 1、细胞壁 cell wall:位于细胞表面,较坚硬,略具弹性结构。 功能:1)维持细胞外形;2)保护细胞免受机械损伤和渗透压危害;3)鞭毛运动支点; 4)正常细胞分裂必需;5)一定的屏障作用;6)噬菌体受体位点所在。另外与细菌的抗 原性、致病性有关。 革兰氏染色 Cristein Gram,1884 发明(Koch 实验室) 染色过程: 凡是不能被乙醇脱色,呈蓝紫色,称为革兰氏阳性菌 G+ 凡是经乙醇脱色,呈复染剂颜色,称为革兰氏阴性菌 G结果不同主要是细胞壁组成及结构差异造成的。 (1)革兰氏阳性菌 以金黄色葡萄球菌为例 细胞壁构成:一连续层,厚 20-80nm 两部分:网状骨架:微纤丝组成 基质:骨架埋于基质中 化学组成:主要是肽聚糖和磷壁酸 肽聚糖 peptidoglycan (粘肽、胞壁质) 大分子复合体,许多亚单位交联而成。 亚单位 1)双糖单位:N-乙酰胞壁酸(NAM)和 N-乙酰葡萄糖胺(NAG)通过 a-1,4 糖苷键相连而 成。 2)短肽:L-Ala-D-Glu-L-Lys-D-Ala 3) 肽桥:短肽之间连接。 短肽全部或部分连至 NAM 上,短肽之间也有连接,组成一网状结构。 肽聚糖是细菌细胞壁特有成分,也是原核微生物特有成分(古生菌没有)
15

磷壁酸 G+特有成分。 多元醇与磷酸复合物,通过磷酸二酯键与 NAM 相连。 根据多元醇不同,有甘油型、核糖醇型等 5 种类型。 主要功能:使壁形成负电荷环境,吸附二价金属离子,维持壁硬度和一些酶活性。还可 提供噬菌体位点。 (2)革兰氏阴性菌 以大肠杆菌为例: 内壁层:厚 2-3 nm,单(双)分子层,由肽聚糖构成。 与 G+区别:交联低;DAP 取代 L-Lys;肽桥。 外壁层:内层:脂蛋白层,以脂类部分与肽聚糖相连。中层:磷脂层。外层:脂多糖层,外 壁重要成分,8-10 nm。 G-特有成分 结构:类脂 A + 核心多糖 + O-侧链 功能:1)内毒素物质基础;2)吸附镁、钙离子;3)决定 G-表面抗原;4)噬菌体受体 位点。 钙离子是维持 LPS 稳定性所必需的。 D-AA 存在优点 G+与 G-比较 革兰氏染色机制 在细胞壁与细胞膜之间,有周质空间(隙),含水解酶、载体蛋白等。 (3)细胞壁缺陷细菌 ①原生质体 protoplast:人工条件下用溶菌酶除去细胞壁或用青霉素抑制细胞壁合成后 ,所留下的部分。一般由 G+形成。 ②球形体 spheroplast:残留部分细胞壁,一般由 G-形成。有一定抗性。 特点:对渗透压敏感;长鞭毛也不运动;对噬菌体不敏感;细胞不能分裂等。 ③细菌 L 型:一种由自发突变形成的变异型,无完整细胞壁,在固体培养基表面形成“油煎 蛋 ”状小菌落。 ④支原体:长期进化形成。在固体培养基表面形成“油煎蛋 ”状小菌落 2、细胞膜 在细胞壁与细胞质之间的一层柔软而富有弹性的半透性膜。厚 7-8nm。 化学组成:蛋白和磷脂,蛋白含量高达 75%,种类也多。膜不含甾醇类。 膜结构(插入) 功能:1)高度选择透性膜,物质运输:2)渗透屏障,维持正常渗透压;3)重要代谢活 动中心;4)与壁、荚膜合成有关;5)鞭毛着生点,供运动能量。 3、间体 细胞膜内陷形成。 功能:1)拟线粒体,呼吸酶系发达。 2)与壁合成,核分裂,芽孢形成有关。 4、“细胞核” 特点:无核膜、核仁、固定形态,结构简单,细胞分裂前核分裂。一般单倍体。 成分:DNA:环状双链,超线圈结构,负电荷被镁离子、有机碱(精胺、腐胺)所中和。 5、核糖体 核糖核蛋白的颗粒状结构,RNA+蛋白。
16

原核:游离态、多聚核糖体,70S 真核:游离态、结合内质网上,70、80S 多聚核糖体:一条 mRNA 与一定数目的单个 RS 结合而成。 6、细胞质及内含物 是无色透明胶状物,原核与真核不同。 主要成分:水、蛋白、核酸、脂类及少量糖和无机盐。富含核糖核酸。 不同细菌细胞内,含不同内含物,是细胞的贮藏物质或代谢产物。 (二)特殊结构 1、荚膜 :某些细菌细胞壁外面覆盖着一层疏松透明粘性物质。厚度不同,名称 不同。 折光率低,负染法观察。 成分:90%以上为水,余为多糖(肽)。 功能:1)抵抗干燥;2)加强致病力,免受吞噬;3)堆积某些代谢废物;4)贮存物。 2、鞭毛和菌毛 鞭毛:某些细菌表面一种纤细呈波状的丝状物,是细菌运动器官。 直径 20-25nm,长超过菌体若干倍。电镜或特殊染色法观察,悬滴法观察运动。 化学成分:主要是蛋白质。 结构:G+与 G-区别;原核与真核区别 鞭毛着生位置与数目,可作为分类依据。 鞭毛着生状态决定运动特点。 趋性运动:栓菌实验 菌毛:许多 G-尤其是肠道菌,表面有比鞭毛更细,数目多,短直硬的丝状体。 直径 7-10nm ,长 2-3um。 性菌毛(F 菌毛) 3、芽孢 某些菌生长一定阶段,于营养细胞内形成一个内生孢子,是对不良有抗性的休眠体。 每一细胞仅形成一个芽孢,所以其没有繁殖功能。 形成芽孢属于细胞分化(形态发生) 结构组成特点:含水量低(平均 40%),壁致密,芽孢肽聚糖和吡啶-2,6-二羧酸钙(DP A-Ca ) 芽孢有极强的抗热、辐射、化学药物和静水压的能力,休眠力惊人。 芽孢结构、形成、萌发(自学) 伴孢晶体 孢囊,等等。 三、细菌繁殖与群体形态 1、繁殖方式:裂殖为主,少数有性接合。 2、菌落形态:菌落:由单个或少数几个细胞在固体培养基表面繁殖出来的,肉眼 可见的子细胞群体。 形态包括大小、形状、隆起、边缘、表面状态、表面光泽、质地、颜色等等。 纯培养:克隆 菌苔 四、常见常用细菌 细胞结构、菌落特点、代谢产物等。 第二节:放线菌
17

因菌落呈放射状而得名,是丝状分枝细胞的细菌。 一般分布在含水量低,有机质丰富的中性偏碱性土壤中,特殊土腥味。 大多数是腐生菌,少数寄生;多数异养,好氧。 突出特性是产各种抗生素。 一、形态与结构 由菌丝构成,直径 0.2-1.2um,无横隔,仍是单细胞。 菌丝分为:基内菌丝(营养菌丝) 气生菌丝 孢子丝 菌丝组成菌落,分为两类。 放线菌仍是原核微生物? 二、繁殖 以无性孢子为主,菌丝断裂片段也可繁殖成新菌体。 孢子形成方式:横隔分裂 孢囊孢子 放线菌生活史(发育周期) 第三节:其它几类原核微生物 重要了解大小、G、培养、细胞及代谢。 一、立克次氏体:介于细菌、病毒之间,专性真核活细胞内寄生,不能人工 培养。不滤过,直径 0.3-0.6um,存在与寄主细胞质和核中。细胞球状或杆状,不运动。 G-,膜疏松,酶系统不完全,不完整的产能代谢,抵抗性差。 二、支原体:介于细菌、立克次氏体之间。不具细胞壁,细胞膜含甾醇类。 G-,直径 0.2-0.25um,可滤过。已知可独立生活的最小的细胞型生物。可人工培养,营 养要求苛刻,油煎蛋菌落。 三、衣原体:介于立克次氏体、病毒之间。可滤过,专性活细胞内寄生。G-, “能量寄生物 ”。 各类原核微生物与病毒比较表。 蓝细菌 Cyanobacteria:含叶绿素,进行放氧型光合作用的原核生物。由于抵抗力和固氮 能力,可在贫瘠沙滩荒岩上生长,称为 “先锋生物 ”。 蛭弧菌 Bdellovibrio:寄生于其他细菌并导致裂解,可滤过,运动活跃,G-。生物防治 。 第四节:酵母菌 yeast 非分类名词,一群单细胞微生物,属真菌类。第一种 “家养微生物 ”,与人类关系密 切。主要分布在含糖较高偏酸性环境中,又称 “糖真菌 ”。 一、形态大小 单细胞,无鞭毛。细胞形态多样,常见球、卵、圆桶形。 大小在 1-5um X 5-30um 之间。 二、细胞结构 1、细胞壁:厚 0.1-0.3um,三层,由酵母纤维素组成(甘露聚糖、葡聚糖、蛋白、类脂 )。用蜗牛酶(heliase)破坏壁来制备原生质体。 2、细胞膜:与原核基本相同,但含甾醇(麦角固醇)。由于有细胞器分化,功能不及细 菌多,主要是调节渗透压、吸收营养、分泌代谢物等 3、细胞质及内含物 4、细胞核:真核:双层单位膜,大量核孔,可见染色体,一个或几个核仁,核膜外有中
18

心体。 5、线粒体:含有一环状 DNA。呼吸酶系载体, “动力工厂 ”。有氧时需要,厌氧或过 量葡萄糖存在时,被阻遏。 环状 “2um 质粒 ”:外源 DNA 载体。 6、核糖体:细胞质中 80S,线粒体 70S。 三、菌落特征 与细菌相似,但大且厚。 四、繁殖方式与生活史 (一)繁殖方式 1、无性繁殖 (1)芽殖 budding:最普遍方式(过程) (2)裂殖 fission:少数(裂殖酵母) (3)无性孢子:节孢子、掷孢子、厚垣孢子。 2、有性繁殖 产生子囊和子囊孢子。过程:质配--核配--减数分裂 3、形成孢子条件 营养充足强壮幼龄细胞 适当温、湿度(25-30,80%) 空气要流通 适当的生孢子培养基 (二)生活史 某种生物在整个发育阶段,有一个或几个同形或不同形的个体前后相继形成一个有规律 的循环。 四种基本类型: 1、无生殖,仅有营养繁殖。(细菌) 2、仅有一个单倍体生活,双倍体短。 3、仅有一个双倍体生活,单倍体短。 4、有世代交替现象,单倍体有性,双倍体无性。 酵母菌有三种类型: 单倍体型:八孢裂殖酵母 双倍体型:路德类酵母 世代交替型:酿酒酵母 五、常见常用酵母菌 第五节:霉菌 非分类名词,丝状真菌统称。通常指菌丝体发达而又不产生大型子实体的真菌。 一、形态和构造 营养体由菌丝(hyphae)构成,直径 3-10um,菌丝再形成菌丝体(mycelium) 菌丝:无隔,多核单细胞,低等真菌 有隔,多细胞,高等真菌 菌丝体:营养菌丝,伸入培养基吸收营养 气生菌丝,向空中生成,形成繁殖器官。(特化形式) 细胞壁厚 100-250nm,多含几丁质。 不同类型真菌壁成分比较 二、繁殖与生活史
19

(一)繁殖 1、无性孢子:主要方式,特点是分散,数量大。 孢囊孢子:内生孢子,毛、根、犁头霉 分生孢子:外生孢子,最普遍 节孢子:粉孢子,菌丝断裂形成 厚垣孢子:真菌休眠体 2、有性孢子 卵孢子:配子囊(雄器、藏卵器) 接合孢子:同宗、异宗配合 子囊孢子:形态多样。子实体、子囊果 担孢子:担子菌特征 (二)生活史 霉菌指从一种孢子开始,经过一定的生长和发育,最后又形成同一种孢子为止。 三、菌落 疏松,绒毛状、絮状、蛛网状。 四、分类 第六节:病毒 非细胞型生物,有区别于细胞型特征: 1、形体十分微小,滤过,电镜可见; 2、无细胞结构,分子生物,由核酸和蛋白组成,且一种病毒仅含一种类型核酸; 3、专性活细胞内寄生,有宿主专一性,无独立代谢酶系,依赖宿主自身复制; 4、对抗生素不敏感,对干扰素敏感。 概念:病毒是超显微的,无细胞结构,专性活细胞内寄生,在活细胞外具一般化学大分 子特征,一旦进入宿主细胞又具有生命特征。 根据宿主不同,可把病毒分为几类,如动物病毒、植物病毒、昆虫病毒、细菌病毒等。 病毒的核酸与细胞型也不同。 一、形态、结构和化学组成 1、大小:nm, 多在 100nm 左右。图片 2、病毒粒子 virion (病毒颗粒) 成分:核酸--核心 core 核衣壳 蛋白--衣壳 capsid nucleocapsid 衣壳粒 capsomere 包膜(类脂或脂蛋白)envelope 病毒粒子对称体制:螺旋对称(TMV) 廿面体对称(腺病毒) 功能:核酸:遗传物质基础 蛋白:构成外壳,保护病毒免受核酸酶及其它因子破坏;决定感染特异性;决定抗原性。 3、噬菌体 phage:多为蝌蚪状,结构模式图。头部为廿面体对称,尾部为螺旋对称。 4、群体形态:病毒包涵体、噬菌斑 二、繁殖(烈性噬菌体为例) 1、吸附:分两阶段。 2、侵入:头部 DNA 通过尾管注入至细胞中,外壳留在胞外。自外裂解 3、增殖:包括 DNA 复制和蛋白质合成。双链 DNA 噬菌体三阶段转录: 遗传信息转移:
20

4、成熟(装配):潜伏期 5、裂解(释放):裂解期 上述烈性噬菌体的生长方式,称为一步生长。 一步生长曲线: 裂解量:每个被感染的细菌释放新的噬菌体的平均数。 三、噬菌体与宿主关系 1、烈性噬菌体:凡能引起宿主细胞迅速裂解的噬菌体。敏感细菌。 2、温和性噬菌体:噬菌体侵染宿主后,并不增殖,裂解,而与宿主 DNA 结合,随宿主 DN A 复制而复制,此时细胞中找不到形态上可见的噬菌体,这种噬菌体称为温和性噬菌体。 含有温和性噬菌体的细菌称为溶源性细菌 lysogenic bacteria 温和性噬菌体存在状态 1)游离具感染性的; 2)前噬菌体:附着或整合在宿主染色体上,一道复制; 3)营养期噬菌体:指导合成。 3、溶源性细菌特性 1)遗传性 2)自发裂解 3)诱发裂解:双氧水、UV、X、等。 4)免疫性 5)复愈(消失溶源性) 6)溶源转变 四、亚病毒 1、类病毒 viroid:没有衣壳包裹的 RNA 分子。 2、拟病毒 virusoids(类类病毒):一类包括在植物病毒粒子中的类病毒,RNA。 3、朊病毒 prion, virino:一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性的疏 水性蛋白。 艾滋病 AIDS 获得性免疫缺陷综合征 1981 年首先在 USA 发现,1983 年巴斯德研究所宣布分离出一种 virus 证实为 AIDS 的病原, 1986 年 WHO 定名为人类免疫缺陷病毒(HIV)。 HIV 专门侵犯淋巴细胞,造成免疫缺陷。 传播途径:血液、母婴、体液

第二章:微生物营养和培养基
了解不同微生物需要什么营养物,怎样吸收,起什么作用,如何为其配餐。 营养物:必须得到的细胞结构 成分,必须得到的能量储存物质。 营养:把营养物从外界吸收至细胞内,复制出新细胞结构的过程。 第一节:营养物及其功能 一、细胞化学组成 整个生物界大体相同,主要是 C、H、O、N(占干重 90-97%),C(约 50%),此外为各种 无机元素,由这些元素再组成化合物。其中 C/N 一般是 5:1。 1、水分和无机元素 含水 70-90%(鲜重),无机元素(3-10%干重)依次为 P、S、K、Mg、 Ca、Fe、Zn、Mn 等。 2、有机物
21

蛋白质,核酸,碳水化合物,类脂,维生素等 二、主要营养物及其功能 主要功能:提供合成原生质和代谢产物原料;产生合成反应及生命活动所需能量;调节 新陈代谢。 (一)碳源物质 定义:凡能提供微生物营养所需碳元素的营养源。 功能:碳源、能源 微生物碳源谱: (二)氮源物质 定义:凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。 功能:氮源,一般不作能源。 微生物氮源谱: 氨基酸自养型和异养型生物 速效氮源和迟效氮源 生理碱性、酸性、中性盐 (三)能源 化学能:有机物-化能异养微生物 无机物 -化能自养微生物 光能 (四)生长因子 定义:一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳、氮源自行合成的所需极微 量的有机物。 种类:维生素、AA、base、FA 等。 作用:辅酶或酶活化 来源:酵母膏、玉米浆、麦芽汁等,复合维生素。 浓度: (五)无机盐 主要功能:构成菌体成分;酶活性基组成或维持酶活性;调节渗透压、pH、Eh;化能自 养微生物能源等。 无机元素来源与功能: 一些无机元素加入盐: (六)水 存在状态:游离态(溶媒)和结合态(结构组成) 生理作用:组成成分;反应介质;物质运输媒体;热的良导体。 第二节:微生物营养类型 依碳源不同: 异养型(不能以 CO2 为主要或唯一碳源)。 自养型(能以 CO2 为主要或唯一碳源)。 依能源不同: 光能营养型(光反应产能) 化能营养型(物质氧化产能) 这样可将微生物分成四种营养类型 其中,化能异养型又据利用有机物特性,分成腐生和寄生。 营养类型划分不是绝对的,不同生活条件下,可相互转变。
22

第三节:培养基 选用各种营养物质,经人工配制用来培养微生物的基质。 一、培养基类型 1、依来源不同:合成、天然、半合成。 2、依状态不同:固体、半固体、液体。 3、依功能不同:选择、鉴别 二、选择和配制培养基的原则和方法 (一)四个原则 1、目的明确 培养什么微生物,获得什么产物,用途 2、营养协调 恰当配比,尤其是 C/N 比(100/0.5-2) 3、物理化学条件适宜 pH,考虑区别,培养基调节能力。采用磷酸缓冲液或假如碳酸钙,流加酸碱。 渗透压和水活度 aw : 等渗适宜。 aw 表示在天然环境中,微生物可实际利用的自由水或 游离水含量。微生物适宜生长的 aw 为 0.6-0.998 之间。 氧化还原电位 Eh:好氧微生物+0.1v 以上;兼性厌氧+0.1v 以上行好氧呼吸, +0.1v 以下行 发酵;厌氧微生物+0.1v 以下生长。 4、经济节约 以粗代精、以废代好、以简代繁等。

第三章:微生物代谢
广义的代谢--生命体进行的一切化学反应。 代谢分为能量代谢和物质代谢,分解代谢和合成代谢。 分解代谢:复杂营养物分解为简单化合物(异化作用)。 合成代谢:简单小分子合成为复杂大分子(同化作用) 微生物对能量利用: 有机物 化能异养菌 日光 光能营养菌 通用能源 还原态无机物 化能自养菌 ATP 只有 ATP 和酰基辅酶 A 起偶联作用,其他高能化合物只作为?P 供体。 生物氧化过程分为:脱氢、递氢、受氢三个阶段。 生物氧化功能:产能(ATP)、产还原力[H]、产小分子中间代谢物。 以下主要讲述。 第一节:化能异养微生物的生物氧化和产能 一、底物(基质)脱氢的四条主要途径 以葡萄糖作为典型底物 1、EMP 途径(糖酵解途径) 有氧时,与 TCA 连接,将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水。 无氧时,丙酮酸进一步代谢成有关产物。 2、HMP 途径(己糖-磷酸途径) 产生大量 NADPH2 和多种重要中间代谢物。 3、ED 途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径 KDPG 是少数缺乏完整 EMP 的微生物具有的一种替代途径,细菌酒精发酵经 ED 进行。
23

4、TCA 循环(三羧酸循环) 真核在线粒体中,原核在细胞质中。 TCA 在代谢中占有重要枢纽地位 二、递氢和受氢 根据递氢特别是最终氢受体不同划分 1、发酵(分子内呼吸) 无氧条件下,底物脱氢后产生的还原力不经呼吸链而直接传递给某一中间代谢物的低效产能 反应。 在此过程中,有机物是氧化基质,又是最终氢受体,且是未彻底氧化产物,结果仍积累有机 物,产能少。在发酵过程中,借底物水平磷酸化合成 ATP,是合成 ATP 唯一方式。 高能化合物:1 ,3- 二磷酸甘油酸、乙酰磷酸、氨甲酰磷酸、PEP、 酰基辅酶 A。 2、有氧呼吸(呼吸作用) 底物脱氢后,经完整的呼吸链(电子传递链)递氢,以分子氧作为最终氢受体,产生水和放 出能量。 在电子传递过程中,通过与氧化磷酸化反应偶联,产生 ATP,称氧化磷酸化。 1)呼吸链组成与顺序: 2)真核与原核生物呼吸链比较: 3、无氧呼吸(厌氧呼吸) 以无机氧化物代替分子氧作为最终氢受体的生物氧化。 氧化磷酸化合成 ATP,但有些能量转移到最终受体,产能不多。 依据最终氢受体不同,分成多种类型。 1)硝酸盐还原作用(反硝化作用) 由硝酸盐逐步还原成分子氮的过程。使土壤 N 损失,肥力下降。属异化性硝酸盐还原。 2)硫酸盐还原作用(异化性) 通常以乳酸为基质,积累乙酸,以 SO42-为最终氢受体。脱硫弧菌 3)甲烷发酵作用 产甲烷菌以二氧化碳为最终氢受体。如甲烷杆菌 第二节 自养微生物的产能代谢 一、化能自养微生物的产能代谢 一些微生物可以从氧化无机物获得能量,同化合成细胞物质,这类细菌称为化能自养微 生物。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生 ATP。 氨的氧化(重点) NH3 同亚硝酸(NO2-)是可以用作能源的最普通的无机氮化合物,能被硝化细菌所氧化,硝 化细菌可分为两个亚群:亚硝化细菌和硝化细菌。 氨氧化为硝酸的过程可分为两个阶段,先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸,再由硝化细 菌将亚硝酸氧化为硝酸。由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的。 硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌,以分子氧为最终电子受体,且大多数是 专性天机营养型。它们的细胞都具有复杂的膜内褶结构,这有利于增加细胞的代谢能力。硝 化细菌无芽孢,多数为二分裂殖,生长缓慢,平均代时在 10h 以上,分布非常广泛。 硫的氧化 硫杆菌能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代 硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐)作能源。H2S 首先被氧化成元素硫,随之被硫氧化酶和细胞色 素系统氧化成亚硫酸盐,放出的电子在传递过程中可以偶联产生四个 ATP。亚硫酸盐的氧化 可分为两条途径,一是直接氧化成 SO42-的途径,由亚硫酸盐—细胞色素 c 还原酶和末端细胞
24

色素系统催化,产生一个 ATP;二是经磷酸腺苷硫酸的氧化途径,每氧化一分子 SO32-产生 2.5 个 ATP。 铁的氧化 从亚铁到高铁状态的铁的氧化,对于少数细菌来说也是一种产能反应,但从这种氧化中 只有少量的能量可以被利用。亚铁的氧化仅在嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌 (Thiobacillus ferrooxidans)中进行了较为详细的研究。在低 pH 环境中这种菌能利用亚铁氧化时放出的能 量生长。在该菌的呼吸链中发现了—种含铜蛋白质(rusticyanin),它与几种细胞色素 c 和一 种细胞色素 a1 氧化酶构成电子传递链。虽然电子传递过程中的放能部位和放出有效能的多少 还有待研究,但已知在电子传递到氧的过程中细胞质内有质了消耗,从而驱动 ATP 的合成。 氢的氧化 氢细菌都是一些呈革兰氏阴件的兼性化能自养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同 化 CO2,也能利用其他有机物生长。氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素 K2 及细胞色素等呼吸 链组分。在该菌中,电子直接从氢传递给电子传递系统,电于在呼吸链传递过程中产生 ATP。 在多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的酶。一种是位于壁膜间隙或结合在细胞质膜上的不 需 NAD+的颗粒状氧化酶,它能够催化以下反应:
H
2

? 2H

?

? 2e

?

该酶在氧化氢并通过电子传递系统传递电子的过程中,可驱动质子的跨膜运输,形成跨 膜质子梯度为 ATP 的合成提供动力; 另一种是可溶性氢化酶, 它能催化氢的氧化, 而使 NAD+ 还原的反应。所生成的 NADH 主要用于 CO2 的还原。 二、光能自养微生物的产能代谢 光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程,其实质是通过光合磷酸化将光能转变成 化学能,以用于从 CO2 合成细胞物质。行光合作用的生物体除了绿色植物外,还包括光合微 生物,如藻类、蓝细菌和光合细菌(包括紫色细菌、绿色细菌、嗜盐菌等)。它们利用光能维 持生命,同时也为其他生物(如动物和异养微生物)提供了赖以生存的有机物。 光合色素是光合生物所特有的色素,是将光能转化为化学能的关键物质。共分三类:叶 绿素 (chl)或细菌叶绿素(Bchl),类胡萝卜素和藻胆素。除光合细菌外,叶绿素 a 普遍存在 于光合生物中,叶绿素 a、b 共同存在于高等植物、绿藻和蓝绿细菌中,叶绿素 c 存在于褐藻 和硅藻中,叶绿素 d 存在于红藻中,叶绿素 e 存在于金黄藻中,褐藻和红藻也含有叶绿素 a。 细菌叶绿素具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构, 两者的区别在于侧链基团的不同, 以及由此而导致的光吸收特性的差异。此外,叶绿素和细菌叶绿素的吸收光谱在不同的细胞 中也有差异。 所有光合生物都有类胡萝卜素。类胡萝卜素虽然不直接参加光合反应,但它们有捕获光 能的作用,能把吸收的光能高效地传给细菌叶绿素(或叶绿素)。而且这种光能同叶绿素(或细 菌叶绿素)直接捕捉到的光能一样被用来进行光合磷酸化作用。此外胡萝卜素还有两个作用: 一是可以作为叶绿素所催化的光氧化反应的淬灭剂,以保护光合机构不受光氧化损伤,二是 可能在细胞能量代谢方面起辅助作用。 藻胆素因具有类似胆汁的颜色而得名,其化学结构与叶绿素相似,都含有四个毗咯环, 但藻胆素没有长链植醇基,也没有镁原子,而且四个毗咯环是直链的。 光合磷酸化 光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程。当一个叶绿素分子吸收光量子时,叶绿素性 质上即被激活,导致叶绿素(或细菌叶绿素)释放——个电子而被氧化,释放出的电子在电子 传递系统中的传递过程中逐步释放能量,这就是光合磷酸化的基本动力。 环式光合磷酸化 光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生 ATP,这类细菌主要包括紫色硫细菌、绿色
25

硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌。在光合细菌中,吸收光量子而被激活的细菌叶绿素 释放出高能电子,于是这个细菌叶绿素分子即带有正电荷。所释放出来的高能电子顺序通过 铁氧还蛋白、辅酶 Q、细胞色素 b 和 c,再返回到带正电荷的细菌叶绿素分子。在辅酶 Q 将电 子传递给细胞色素 c 的过程中,造成了质子的跨膜移动,为 ATP 的合成提供了能量。在这个 电子循环传递过程中,光能转变为化学能,故称环式光合磷酸化。环式光合磷酸化可在厌氧 条件下进行,产物只有 ATP,无 NADP(H),也不产生分子氧。通常以下式表示环式光合磷酸化 作用:
NADP ? nPi Bchl hv nATP

非环式光合磷酸化 高等植物和蓝细菌与光合细菌不同,它们可以裂解水,以提供细胞合成的还原能力。它 们含有两种类型的反应中心,连同天线色素、初级电子受体和供体一起构成了光合系统Ⅰ和 光合系统Ⅱ,这两个系统偶联,进行非环式光合磷酸化。在光合系统Ⅰ中,叶绿素分子 P7M 吸收光于后被激活,释放出一个高能电子。这个高能电子传递给铁氧还蛋白(Fd),并使之被 还原。还原的扶氧还蛋白在 Fd:NADP+还原酶的作用下,将 NADP+还原为 NADPH。用以还原 P700 的电子来源于光合系统Ⅱ。在光合系统Ⅱ中,叶绿素分子 P680 吸收光子后,释放出一个高能电 子。后者先传递给辅酶 Q,再传给光合系统Ⅰ,使 P700 还原。失去电子的 P680,靠水的光解产 生的电子来补充。高能电子从辅酶 Q 到光合系统Ⅰ的过程巾,可推动 ATP 的合成。非环式光 合磷酸化的反应式为:
2 NADP
?

? 2 ADP ? 2 Pi ? 2 H 2 O ? 2 NADPH

? 2H

?

? 2 ATP ? O 2

有的光合细菌虽然只有一个光合系统,但也以非环式光合磷酸化的方式合成 ATP,如绿 硫细菌和绿色细菌。从光反应中心释放出的高能电子经铁硫蛋白、铁氧还蛋白、黄素蛋白, 最后用于还原 NAD+生成 NADH。反应中心的还原依靠外源电子供体,如 S2-、S2O32-等。外源电子 供体在氧化过程中放出电子,经电子传递系统传给失去了电子的光合色素,使其还原,同时 偶联 ATP 的生成。由于这个电子传递途径也没有形成环式回路,故也称为非环式光合磷酸化, 反应式为:
NAD
?

? H

2

? ADP ? Pi

chl hv

NADPH

? H

?

? ATP ? S

第三节 生物固氮 一、固氮微生物种类 自生固氮菌:圆褐固氮菌、巴氏梭菌等 共生固氮菌:根瘤菌、弗兰克氏菌(放线菌) 、鱼腥蓝菌等 联合固氮菌:雀稗固氮菌等 二、固氮的生化机制 1、生物固氮的必要条件 固氮酶(组分Ⅰ钼铁蛋白和组分Ⅱ铁蛋白) 、无氧 ATP 电子传递体(铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白) 2、固氮的生化途径(下图)

26

N2+8[H]+18~24ATP→2NH3+H2+18~24ADP+18~24Pi

三、固氮的防氧保护 1、呼吸保护 2、构象保护 3、蓝细菌的防氧保护 4、根瘤菌的防氧保护

第四章 微生物的生长及其控制
第一节 微生物的群体生长 一、细菌的群体生长 除某些真菌外,我们肉眼看到或接触到的微生物已不是单个,而是成千上万个单个的微 生物组成的群体。微生物接种是群体接种,接种后的生长是微生物群体繁殖生长。 细菌接种到均匀的液体培养基后,当细菌以二分裂法繁殖,分裂后的子细胞都具有生活 能力。在不补充营养物质或移去培养物,保持整个培养液体积不变条件下,以时间为横坐标, 以菌数为纵坐标,根据不同培养时间里细菌数量的变化,可以作出一条反映细菌在整个培养 期间菌数变化规律的曲线,这种曲线称为生长曲线(growth cuwe)。一条典型的生长曲线至少 可以分为迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期等四个生长时期。 迟滞期 细菌接种到新鲜培养基而处于一个新的生长环境,因此在一段时间里并不马上分裂,细 菌的数量维持恒定,或增加很少。此时胞内的 RNA、蛋白质等物质含量有所增加,相对地此 时的细胞体积最大,说明细菌并不是处于完全静止的状态。产生迟缓期的原因,认为是微生 物接种到一个新的环境,暂时缺乏足够的能量和必需的生长因子, “种子”老化(即处于非对 数生长期)或末充分活化,接种时造成的损伤等。 在工业发酵和科研中迟缓期会增加生产周期而产生不利的影响,但是迟缓期无疑也是必 需的,因为细胞分裂之前,细胞各成分的复制与装配等也需要时间,因此应该采取一定的措 施:①通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短;②利用对数生长期的细胞作为“种 子” ;③尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大;④适当扩大接种量等方式缩短迟 缓期,克服不良的影响。
27

对数期 又称指数生长期(exponential phase)。细菌经过迟缓期进入对数生长期,并以最大的速 率生长和分裂,导致细菌数量呈对数增加,而且细菌内各成分按比例有规律地增加,很明显, 此时期内的细菌生长是平衡生长。对数生长期细菌的代谢活性、酶活性高而稳定,大小比较 一致,生活力强,因而它广泛地在生产上用作“种子”和在科研上作为理想的实验材料。 稳定期 由于营养物质消耗,代谢产物积累和 pH 等环境变化,逐步不适宜于细菌生长,导致生长 速率降低直至零(即细菌分裂增加的数量等于细菌死亡数量),结束对数生长期,进入稳定生 长期。稳定生长期的活细菌数最高并维持稳定。如果及时采取措施,补充营养物质或取走代 谢产物或改善培养条件,如对好氧菌进行通气、搅拌或振荡等可以延长稳定生长期,获得更 多的菌体物质或代谢产物。 衰亡期 营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累,细菌死亡速率逐步增加和活细菌逐步减少, 标志进入衰亡期。该时期细菌代谢活性降低,细菌衰老并出现自溶。该时期死亡的细菌以对 数方式增加,但在衰亡期的后期,由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低。 此外,不同的微生物,甚至同一种微生物对不同物质的利用能力是不同的。有的物质可 直接被利用(例如葡萄糖或 NKf 等); 有的需要经过一定的适应期后才能获得利用能力(例如乳 糖或 N03—等)。前者通常称为速效碳源(或氮源),后者称为迟效碳源(或氮源)。当培养基中 同时含有这两类碳源(或氮源)时,微生物在生长过程中会产生二次生长现象。 二、 连续培养 连续培养是在微生物的整个培养期间, 通过一定的方式使微生物能以恒定的比生长速率生 长并能持续生长下去的一种培养方法。根据生长曲线,营养物质的消耗和代谢产物的积累是 导致微生物生长停止的主要原因。因此在微生物培养过程中不断的补充营养物质和以同样的 速率移出培养物是实现微生物连续培养的基本原则。 (一)恒浊连续培养 不断调节流速而使细菌培养液浊度保持恒定。如果所用培养基中有过量的必需营养物, 就可以使菌体维持最高的生长速率。一般用于菌体以及与菌体生长平行的代谢产物生产的发 酵工业 (二)恒化连续培养 使培养液流速保持不变,并使微生物始终在低于其最高生长速率下进行生长繁殖。 恒化连续培养中,必需将某种必需的营养物质控制在较低的浓度,以作为限制性因子,而其 他营养物均过量。 (细菌的生长速率取决于限制性因子的浓度,并低于最高生长速率) 第二节 影响微生物生长的主要因素 一、温度 影响两方面。 最低、最适、最高生长温度,致死温度。 微生物生长温度类型: 低温型(嗜冷微生物)中温型(嗜温微生物)高温型(嗜热微生物) 二、pH 主要影响:引起膜电荷变化,从而影响营养吸收;影响酶活性;改变营养物状态和有害物 毒性。 有最适 pH,此时酶活性最高,其他条件适合,生长速率最高,但不是生产的最适 pH。 微生物细胞内的 pH 多接近于中性。 pH 调节措施:
28

三、氧 四、辐射 指通过空气或外层空间以波动方式从一个地方传播或传递到另一个地方的能量。 (一)紫外线(非电离辐射)10-380nm 致死主要是细胞中很多物质对紫外线吸收。杀菌作用随剂量增加而增加。紫外线穿透力 弱,应用于空气消毒、表面消毒、菌种诱变。 (二)电离辐射(X、α 、β 、γ ) 效应无专一性, α 、β 穿透力较弱,X、 γ 较强。 五、干燥 水分对正常生长必不可少,各种微生物抵抗干燥能力不同。 六、渗透压 微生物对渗透压有一定适应能力。高渗溶液-质壁分离,低渗溶液-细胞膨胀破裂。 七、超声波 使细胞破裂,科研中破碎细胞。 第三节 微生物生长繁殖的控制 防腐(Antisepsis):防止或抑制霉腐微生物在食品等物质上的生长; 化疗(Chemotherapy):杀死或抑制宿主体内的病原微生物; 死亡(Death):生长能力不可逆丧失; 消毒(Disinfection):杀死或灭活病原微生物(营养体细胞) ; 灭菌(Sterilization):杀死包括芽孢在内的所有微生物; 理化因子杀菌的相关因素:理化因子的强度或浓度;同一浓度理化因子作用时间的长短;不 同种类的微生物;同种微生物的不同生长时期。 二、控制微生物的物理因素 (一)温度 当温度超过微生物生长的最高温度或低于生长的最低温度都会对微生物产生杀灭作用或抑 制作用。 高温杀菌机理:高温使蛋白质、核酸等重要生物大分子发生变性、破坏,以及破坏细胞膜上 的类脂成分,导致微生物死亡。 1.干热灭菌 烘箱内热空气灭菌(160℃,2 小时) 干热灭菌 火焰灼烧 2. 湿热灭菌 湿热比干热灭菌更好:1)更易于传递热量;2)更易破坏保持蛋白质稳定性的氢键等结构。 湿热对一般营养体和孢子的杀灭条件:多数细菌和真菌的营养细胞:在 60℃左右处理 5-10 分钟;酵母菌和真菌的孢子:用 80℃以上温度处理;细菌的芽孢:121℃处理 15 分钟以上。 1)巴斯德消毒(pasteurization) :60-85℃处理 15 秒至 30 分钟 2)煮沸消毒 3)间歇灭菌(fractional sterilization OR tyndallization) 4)常规高压灭菌(autoclaving) :121℃,15 分钟;115℃,30 分钟; 5)连续加压灭菌(continuous autoclaving ) :135-150℃,5-15 秒,工业上发酵培养基; 135-150℃,2-6 秒,牛奶或其它液态食品。 (二)辐射作用 辐射灭菌(Radiation Sterilization):是利用电磁辐射产生的电磁波杀死大多数物质上的微
29

生物的一种有效方法。用于灭菌的电磁波有微波,紫外线(UV)、X-射线和γ -射线等。 (三)过滤作用 空气和不耐热的液体培养基的灭菌。 (四)高渗、干燥、超声波等

第五章 微生物的遗传变异和育种(略) 第六章 微生物的生态(略)

30


相关文章:
细胞与微生物讲义
细胞生物学讲义(简版)一、细胞生物学的发展 (一)细胞的发现 1665 年英国物理学家罗伯特·虎克用他自制的显微镜观察栓皮栎的软木切片时,看到了 一个个蜂窝状的小...
微生物讲义
微生物讲义_农学_高等教育_教育专区。微生物讲义 (一)什么是微生物? 微生物(...如肺炎双球菌 链球菌:细胞沿一个平面进行分裂,新个体可连成链状.如:乳链球菌 ...
微生物讲义
微生物讲义_医学_高等教育_教育专区。微生物讲义微生物定义微生物是广泛存在于...① 个体极小 ② 专性寄生 ③ 没有细胞结构 ④ 只有一种核酸类型 ⑤ 对...
微生物学讲义
微生物学讲义_理学_高等教育_教育专区。绪论一、 什么是微生物 非分类学上名词,来自法语“Microbe”一词。是形体微小、单细胞或个体结 构简单的多细胞、 甚或无...
《微生物学》讲义
微生物学》讲义_生物学_自然科学_专业资料微生物学 第一章 第一章 绪一...它的基本内容是: ①微生物细胞的结构和 功能,研究细胞的构建及其能量、物质、...
微生物学讲义
微生物学讲义 主讲人 鞠宝 2004 年 9 月 目录第一章 绪论一、微生物与人类...细胞 第四章 微生物的代谢第一节 第二节 第三节 微生物的能量代谢 微生物...
《微生物学》讲义--(周德庆版)
微生物学复习讲义 绪论 1、名词解释:微生物,微生物学,种,菌株、品系、克隆,菌落,菌苔。 微生物: 微生物是形体微小、单细胞或个体结构简单的多细胞、甚或无细胞...
微生物复习资料中文版
微生物下半学期复习资料 13页 1下载券微​生​物​复​习​资​料...微体 12.革兰氏阳性菌,可以区别革兰氏阴性菌肽聚糖层,因为细胞壁 comprises__...
武汉大学微生物讲义
微生物学基础知识讲义(修... 149页 免费武​汉​大​学​微​生​...〖教学内容〗 1、真细菌 1.1 一般形态及细胞结构 1.2 放线菌 1.3 支原体...
微生物学讲义
微生物学讲义 隐藏>> 微生物(Microorganism)是广泛存在于自然界中的一群肉眼看不见, 所有个体微小的单细胞和结构极为简单 的多细胞以及没有细胞结构的低等生物的...
更多相关标签:
食品微生物讲义 | 环境工程微生物学讲义 | 细胞宿主与微生物 | 细胞自噬与微生物 | 非细胞型微生物 | 原核细胞型微生物 | 细胞微生物学 | 微生物细胞工厂 |