微生物细胞的结构与功能.ppt

第三章,微生物细胞的结构与功能,第一节,真核微生物与原核微生物,,,第二节,细胞表面的附着物,一、丝状结构,鞭毛 Flagellum (Flagella) 菌毛 Pilus 革兰氏阴性菌 伞毛 Fimbria,1.鞭毛 长度一般为15～20μm, 直径 0.01～0.02μm 1) 组成 基 体 basal body 钩形鞘 hook 鞭毛丝 filament a. 基体：4个盘状物，即4环 L-环: 与脂多糖层相联系 P-环: 与肽聚糖层联系 S-环: 与细胞膜表面相联系, 16个亚基,不运动，轴封 作用 M-环: 与细胞膜相联系, 16个亚基. 1个质子进入细胞转1/16圈, 256个质子/圈 不同的微生物其鞭毛蛋白质氨基酸组成不同,细菌鞭毛与真核微生物鞭毛的比较 细 菌 鞭 毛 真核微生物鞭毛 1. 由3～8根平行的蛋白纤维左向 9对微管两根中心微管组成 螺旋排列成中空的丝状体，无鞘 外有鞘 2. 直径为12 nm，长度为4-5μm 直径为200 ，长度为200 3. 具抗原性 无抗原性 4. 完全由蛋白质组成 70%蛋白质，20%脂类,10%糖 少量核酸 5. 不存在半胱氨酸 由普通氨基酸组成 6. 制备的鞭毛不出现ATP酶活性 制备的鞭毛有ATP酶活性,,,,近年的研究表明 cAMP和cGMP也参与纤毛和鞭毛运动的调控。

细胞外Ｋ+ 浓度下降或Ｃａ2+浓度升高都可使细胞膜发 生超极化, 从而导致细胞内cAMP浓度上升, 鞭毛拍击频率增加, 细胞向前运动 当cAMP浓度下降时, 细胞膜去极化, 细胞向后游动2）鞭毛马达的结构与功能 鞭毛马达：Flagellar motor 大肠杆菌或伤寒沙门氏菌的鞭毛组装和运行需约 50余种蛋白质中，只有5种与鞭毛的力矩产生 密切相关 即FliG、FliM和FliN、MotA、MotB (鞭毛马达) FliG, FliM, FliN, 切换复合体 C环 切换复合体的功能： a：切换鞭毛运动方向； CW/COW (clookwisc, CW； counterclock wise, CCW) b：参与鞭毛组装, 构成转子(rotor) c：与(MotA/MotB)（定子）构成马达(motor),3）引起马达切换的主要因素 a. 化学因素: 趋化反应， 胞内代谢物水平胞内pH等； b. 物理因素: 温度、外力等； c. 随机或自发因素 Na+ 驱动的鞭毛马达（有些细菌，碱杆菌，弧菌） H+ 驱动（大多数细菌） K+ 驱动 (溶原弧菌) Li+ 驱动速度 Na+H+ 300mM, 50mM Na+：300mM, 1,700r/s Na+： 50mM, 600r/s,对细菌鞭毛驱动马达分子机器的了解将有助于认识 生物的能量转化 细胞运动 这类生命基本问题,2.菌毛（pilus） 大肠杆菌的菌毛两种菌： F-菌毛(fertility pilus), I-菌毛(infective pilus) F-菌毛：φ8.5nm,长2.0μm 中空，易弯曲的丝状体，是遗传物质的通道 I-菌毛：长2μm以下，中空的丝状体，是噬菌体 感染宿主细胞的受体部位，亦称感染菌毛. 噬菌体吸附到I-菌毛后，通过I-菌毛的收缩， 使噬菌体与细胞表面接融后再感染宿主细胞。

3. 伞毛（fimbria） 是一类更短、更直的，类似毛发状的丝状体 结构；数量较菌毛多，长度较菌毛短，生理 作用也不同 大肠杆菌的伞毛的生理作用 引起细菌的聚集 静止培养：菌膜 氧气不足：伞毛菌生长迅速（较非伞毛菌） 稳定期：伞毛菌增加，非伞毛菌下降，附着到其他 固体表面上，非伞毛菌则不二、荚膜与粘液层,荚膜 微荚膜：厚0.2μm以下，与细菌表面牢固结合； 大荚膜：厚0.2μm以上，与细菌表面松驰结合,可制备; 荚膜的作用： 1.抗干燥作用； 2.起贮存物质作用C/N高时产荚膜， C/N低时利用荚膜 3.保护作用，不受原生动物或噬菌体的侵害； 4.避免或减少氧向细胞内扩散（对好氧固氮菌） 粘液层： 组成：多糖（表面多糖，胞外多糖）、多肽 蛋白质、 脂类S-层蛋白的研究 S-层蛋白(surface-layer protein) 位于细胞外壳最外层的一类表面结构. 生物圈中有S-层的生物体普遍存在 尤其在古细菌和真细菌中，S-层是最常见的 表面结构之一, 对细菌细胞的生存及完整性有 着很重要的作用。

S-层是由蛋白质或糖蛋白亚基组成的单分子晶体点 阵，它们形成有孔的网络结构覆盖在细胞表面它 们具有独特的结构以及理化性质，还承担了很重要 的生物学功能S-层是由蛋白质亚单位组成的单分子晶状结构，其厚度 为5-20nm 革兰氏阳性 (G+)菌 与肽聚糖层相连 革兰氏阴性(G-)菌 与外膜相连 古生菌 直接与细胞膜相连 S-层蛋白的组成 一般具有高含量的酸性和疏水性氨基酸，其中疏水性 氨基酸可占 40-60%, S-层蛋白的糖基化现象普遍存在. 含大量谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp) 赖氨酸的含量较高，占10% 极少有含硫氨基酸 S-层蛋白多为酸性，等电点在4-6之间, 少数呈碱性 约20%的氨基酸是以α-螺旋形式 约40%的氨基酸采取β折叠形式 无规折叠和β转角含量在5%到45%之间变化,分子量 不同来源的S-层蛋白，其分子量差异较大 40-20kDa 440-1645个氨基酸 乳杆菌 440-465个氨基酸残基 含有由30个氨基酸组成的信号肽 克立次氏体 1612-1645个氨基酸残 含32个氨基酸残基组成的信号肽 炭疽芽胞杆菌 苏云芽胞杆菌 非常相似 814-862个氨基酸组成 信号肽由29个氨基酸组成,S-层蛋白的基因 （40多个） 近十年，许多不同来源的S-层基因已被克隆和测序 发现 N末端有限区域内存在一段高度保守的序列 该区域对S- 层亚单位与细胞壁的锚定致关重要 中部和C 端部分(包括自我组装加工必需的结构域和暴露于孔中和S-层表面上的结构域)只发现有极低的序列同一性(约20%)。

但是不同芽胞杆菌的S- 层蛋白的整个中部和相应的C 末端部分观察到保守的4- 6 氨基酸的序列以相对恒定的距离出现 S- 层基因一般有很强的启动子 嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus) S- 层基因启动子的效率是编码乳酸脱氢酶基因启动子的两倍 (后者在细菌中被认为是最强的启动子之一),表面展示的研究 微生物细胞表面展示(surface display) 指通过遗传操作的手段将外源大分子定位表达在微生物 细胞的表面, 以达到一定的研究和应用目的 多数情况下, 表面展示是以构建融合蛋白的方式实现 的, 即以一定的方式将外源蛋白与菌体的某一表面蛋 白相融合，借助后者的表面识别和定位功能将前者 携带并定位在细胞的表面 将外源蛋白固定在微生物细胞的表面可以直接用重 组微生物进行后续的操作, 免去了产物的提取, 纯化 和重新折叠等一系列的操作 自80年代兴起以来，表面展示工作取得了许多令人瞩目 的成绩表面展示的应用 Bingle等(2001) 利用无致病性的G-细菌— 新月柄杆菌的S-层蛋白RsaA 作为载体, 在细胞表面成功展示了铜绿假单胞菌的表面 抗原 另外，还在新月柄杆菌的S-层蛋白上尝试了多个 融合位 点，结果表明有11个位点具有表面展示的能力。

六聚组氨酸 由六个组氨酸组成的单位它最引人注意的功能是能够 有效的吸附一些重金属离子 通过每个组氨酸残基提供一个电子，与一些二价金属离 子如镍、镉、铜、锌形成配位键，从而在这些金属离子 的周围形成稳定的配位环Qiagen公司 利用六聚组氨酸能吸附镍离子的特点，特别开发出了 一个蛋白质纯化系统——Ni-NTA将六聚组氨酸的接 头融合在待纯化蛋白的C-端、N-端, 甚至是一些融合蛋 白的融合头上 Sousa等利用大肠杆菌的外膜蛋白LamB将多聚组氨酸肽展 示在了大肠杆菌的表面 许朝晖利用大肠矸菌的外膜蛋OmpC展示了多个六聚组氨酸 肽 Samuelson等报道用葡萄球菌的表面结合蛋白表达多聚组 氨酸肽 重组细胞吸附镍、镉离子的能力均大 大地提高,第三节 细胞壁,细胞壁的组成 1.由微纤维组成的网状结构物质，固定外形增加硬度 2.填充在网状结构表面的基质成分，增加坚固性 原生质体与球质体的比较 特 点 革兰氏阳性 革兰氏阴性 残存壁物质 不存在 存在 与胞壁有关的特性 完全丧失 不完全丧失 间体 挤出原生质体 挤在壁膜之间 停止药物处理细胞壁 不能恢复 可以恢复,,,,三、细胞壁的组成 1. 肽聚糖（peptidoglycen，亦称胞壁质 murein） 主要是阳性菌 2. 磷壁质(teichoic ouitl，磷壁酸) 革兰氏阳性细胞壁和细胞膜中的含有磷酸基的线性 多聚体，共价健与肽聚糖连接成一个整体。

磷壁质分为两类：甘油型磷壁质 核糖醇磷壁质 3. 糖醛酸磷壁质（teichurose acid） 4. 脂多糖：G-、外膜上，多糖-脂类复合物 5. 蛋白质：结构蛋白、载体蛋白、酶蛋白,一、藻类的细胞壁 二、真菌细胞壁,具CW的真核微生物是真菌和藻类真菌细胞壁主要成分是多糖，另有少量的蛋白质和脂类; 多糖构成CW中的微纤维和无定形基质微纤维类似钢筋，β－1，4键连接， 使CW坚韧；基质类似混凝土填充其中； 低等真菌的细胞壁的主要成分以纤维素为主； 酵母的细胞壁的主要成分以葡聚糖为主； 高等陆生真菌的细胞壁的主要成分以几丁质为主1.酵母菌细胞壁结构,酵母菌细胞壁的厚度为25～70nm，重量约占细胞干重的25%，主要成分为葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和少量几丁质、少量脂质它们在细胞壁上自外至内的分布次序是甘露聚糖、蛋白质、葡聚糖葡 糖 酸 酶 甘露聚糖酶蔗 糖 酶 碱性磷酸酶 酯 酶,酵母菌CW中几丁质很少，在形成芽体时合成 不同种属CW差异较大，如：裂殖酵母含葡聚糖和较多几丁质；点滴酵母CW葡聚糖为主，少量甘露聚糖2. 丝状真菌细胞壁结构,有内到外 A，几丁质（甲壳质）微纤维(18nm) ； B，不连续蛋白质层(9 nm) ； C，糖蛋白层(49 nm) ； D，不定形葡聚糖层(87 nm)。

A,D,由纤维素微纤丝呈层状排列构成骨架结构，其余为间质多糖（杂多糖），还含有少量的蛋白质和脂类 杂多糖包括：褐藻酸、岩藻素和琼脂等3、藻类的细胞壁成分,古菌的分布,古菌常被发现生活于各种极端自然环境下，如大洋底部的高压热溢口、热泉、盐碱湖等 在我们这个星球上，古菌代表着生命的极限，确定了生物圈的范围 热网菌（Pyrodictium）能够在高达113℃的温度下生长隐蔽热网菌Pyrodictium occultum,1977年，地质学家对大陆漂移学说 产生了浓厚的兴趣，根据学说，太平 洋板块和南美板块应该有一条断裂带， 他们制造了一个名叫阿尔文号的潜水 艇，来到了赤道附近的加拉帕戈斯群 岛，当下潜到2500深的海底的时候，他们被眼前的景 象惊呆了：数十个高约2-5米的柱状物正向海水中喷着 黑色的烟雾，阿尔文号仿佛穿梭在 “海底工厂”之中 更让他们惊讶的是这些黑烟囱周围还生活着大量奇形 怪状的生物，它们生存的密度很高，俨然是一个庞大 而有序的生物群落黑烟囱是由海底地壳的裂缝制造的，大量溶解了地底金属元素和硫化物的液体从裂缝中喷出之后，一遇到冰冷的海水就形成了浓密的黑色烟雾，这些喷发口在科学上被称为海底热液口。

如今已经发现了140多处这样的喷口场黑烟囱附近的生物量往往是附近深海环境中生物量的数万倍海底热液高达300-400oC，而海底的平均温度只有2摄氏度，其温度跨度之大也可以想象隐蔽热网菌就生活在这里。