在有细胞构造的微生物中,按照细胞(尤其是细胞核)构造和进化水平上的差别,将它们分为原核微生物和真核微生物两大类。
原核微生物:
是指一大类细胞核没有核膜包裹,只有核区的、裸露DNA的原始单细胞生物。
真核微生物:
细胞核具有核膜、核仁,能进行有丝分裂,细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等细胞器的微小生物。
原核微生物与真核微生物的比较??
细菌
细菌是以横二分裂方式繁殖为主的单细胞原核微生物。形体微小,结构简单,没有典型的细胞核,只有核质,没有核膜和核仁,没有细胞器,不能进行有丝分裂。各种细菌的形态与结构不尽相同,即便是同一种细菌,不同菌龄、温度、营养素等等原因形态与结构有所不同。一般说的某细菌的形态结构是在适宜培养条件下,生长旺盛时期相对恒定的形态与结构特征。
区分细菌细胞的方法
从技术层面上说,实验室里主要是根据培养基来区分辨认各种细菌的。
营养
微生物不仅从外界环境中摄取和利用营养,在它们的体内,营养物质经过一系列反应,释放能量,合成细胞物质,以维持微生物正常的生长和繁殖。而不同的微生物对温度、氧气、pH、盐等等的需求量是不一样的。
细菌的菌落形态学
各种细菌形成的菌落具有一定特征,如菌落大小、形状、边缘情况、隆起情况、光泽、质地等等来区分细菌,下面会详细说。
细菌的形状
细菌的基本形态分为球状、杆状与螺旋状,所以叫球菌、杆菌与螺旋菌。
球菌??
球菌大都呈现比较有规则的球形,有的略长呈矛头状、肾状或扁豆形。按照他们的分裂方式和分裂后的排列形式不同,球菌分成了单球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌、链球菌和葡萄球菌等等。
杆菌??
杆状细菌统称为杆菌。不同杆菌的形态差别很大。一般同一种杆菌的形态相对稳定。主要观察杆菌菌体长和宽的比例,形状,菌体两端形状,以及排列情况等等。
螺旋菌??
菌体呈弯曲状或扭转呈螺旋状、圆柱形,两端钝圆或细尖,而且螺旋菌的细胞会比较坚韧。
细胞染色
根据革兰氏染色法,分为了G+(Grampositive)和G-(Gramnegative)细菌。
酶的性质
不同的细菌产生和分解化合物(酶)的能力是不一样的。
遗传的比较
长期以来,传统对微生物的分类鉴定方法主要是分离培养、形态特征、生化反应和免疫学等方法。而现代细菌物种鉴定方法使人们对微生物的研究跨进了一大步,主要来说一下16SrRNA。
CarlWoese
讲到16SrRNA,要从20世纪70年代的时候说起。CarlWoese研究了原核生物的进化关系,他没有按传统的常用方法(上面的5种区分细菌的方法),而是选择了分析核糖核酸(RNA)的序列来确定微生物的亲缘关系。
DNA能决定某个生物个体遗传特征是依靠指导蛋白质合成来表达的,其中必须有个形成相应RNA的过程,以及蛋白质的合成必须在核糖核蛋白体的结构上进行。因此核糖核蛋白体是细胞中最重要的成分,它是细胞中一种大而复杂的分子,它的功能就是把DNA的信息转变成化学产物。而核糖核蛋白体的主要成分是RNA,与DNA非常相似,组成它的分子也有自己的序列。
正因为核糖核蛋白体对生物表达功能的重要性,所以它不太会轻易发生改变。核糖核蛋白体序列中的任何改变,也许都会让它不能够行使构建新蛋白质的职责,那么这个生物个体就不可能存在。可以说核糖核蛋白体是比较保守的,它在亿万年中的进化都尽可能维持稳定,没有什么改变,即使有改变,也是十分缓慢而谨慎的。这样的分子进化速率就让核糖核蛋白体RNA的序列成为了一个破译细菌进化之谜的入口。
最开始,在研究细菌的核糖核蛋白体中RNA序列的时侯,Woese和他的团队发现原来并不是所有的微小生物都是亲戚。本来我们以为同是细菌的大肠杆菌和能产生甲烷的微生物在亲缘关系上其实是非常不相干的。这种差别之大在RNA序列上来看就像花草和海鲜的差别一般。而Woese和他的团队通过比较许多细菌、动物、植物中核糖核蛋白体的RNA序列,根据它们的相似程度排出了这些生物的亲缘关系。
当然,他们还有很重要的贡献就是命名和编辑了古生菌。起初,他们发现能产生甲烷的微生物在微生物界就是个异类,因为它们会被氧气杀死,以及它们会产生一些在别的生物中找不到的酶类,因此他们把产生甲烷的这类微生物称为第三类生物。后来Woese他们又发现还有一些核糖核蛋白体RNA序列和产甲烷菌相似的微生物,这些微生物能够在盐里生长,或者可以在接近沸腾的温泉中生长。我们知道,最早期的地球大气中没有氧气,而含有大量氨气和甲烷,可能还非常热。在这样的条件下植物和动物无法生存,但对这些微生物却非常合适。在这种异常地球条件下,只有这些奇葩的生物可以存活、进化并在早期地球上占据着统治地位,所以这些微生物很可能就是地球上最古老的生命。
因此,Woese把这类第三生物定名为古生菌(Archaea),成为和细菌、真核生物并驾齐驱的三大类生物之一。开始他们只是把这种细菌称为古细菌(Archaebacteria),可是后来他们觉得到这个词很可能使人误解它们是一般细菌的同类,显不出它们的独特性,所以干脆把“bacteria”后缀去掉了变成了“Archae”,这就是古生菌一词的来由。
现在,来说说Woese他们用的16SrRNA鉴定技术,正是通过对16SrRNA序列的研究,才有了上面说的古生菌以及Woese他们提出并创立了生命形式的三个王国。我们知道从核苷酸序列的RNA以及检测RNA序列的相似性中能够得到分类的信息。16SRNA的保真性极高,它是细菌很好的计时器。使用反转录酶对16SrRNA进行测序,测序的长度可达整个序列的95%,这样可以精确地检测出微生物的亲缘关系。
为了对16SrRNA进行测序,需要以RNA作为模版用反转录酶来合成出一条单链DNA的拷贝。在双脱氧核苷酸存在条件下合成单链DNA,各种大小不同的DNA片段会使用Sanger方法进行测序。按照这个DNA的序列可以推新出16SrRNA的序列。食品中重要的细菌是真细菌,原核生物也包括蓝藻细菌和真细菌。正因为广泛地使用16SrRNA序列相似法,新的食品传播的微生物分类群就是通过这种分类方法与其他的信息相结合而创立出来。
细菌细胞的结构
细菌的基本结构就是说各种菌都有的结构,包括细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体、核糖体和内含物等等。
细胞(细胞质)膜
细胞膜是包围在细菌细胞内容物的磷脂双分子层。
细胞膜结构模式图
细胞膜有很多功能:
1.选择性地控制细胞内、外的物质(营养物质和代谢废物)的运送、交换。因为细胞膜上有转运系统(渗透酶等),能选择性地携带各种物质穿过细胞膜。
2.维持细胞内正常渗透压。
3.是合成细胞壁和荚膜(肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、荚膜多糖等)的基地。因为细胞膜中含有合成细胞壁所需要的脂质载体与有关细胞壁和荚膜的合成酶。
4.是细菌产生代谢能量的主要场所。由于原核生物的呼吸链与细胞膜结合,细胞膜上含有呼吸酶系与ATP合成酶,如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶等电子传递系统及氧化磷酸化酶系,因此,细菌的细胞膜相当于真核细胞的线粒体内膜。
5.与鞭毛的运动有关,因为鞭毛基体着生与细胞膜上,并提供其运动的能量。
细胞质
细胞质是细胞内部的流体部分,就是细胞膜内除核质体之外的所有无色、透明、粘稠胶状物和一些颗粒状物质的总称。
细胞质构成细菌的内部环境,含有丰富的可溶性物质和各种内含物,在细菌的物质代谢及生命活动中起十分重要的作用。细胞质中还含有多种酶系统,是细胞合成蛋白质、脂肪酸、核糖核酸的场所,同时也是营养物质进行同化和异化代谢的场所。
核质(核质体):
核质指的是包含染色体的细胞区域,在高分辨率电镜下核质体呈现出一种巨大紧密缠绕的环状双链DNA丝状结构。
是蕴藏(负载)遗传信息的主要物质基础。
同时也是通过它复制将遗传信息传递给子代,在细胞分裂时,核质体直接分裂成两个而分别进人两个子细胞中。
通过转录和翻译调控细胞新陈代谢、生长繁殖、遗传变异等全部生命活动也是核质干的事。
细胞壁
细胞壁是位于细胞最外层的一层无色透明、质地坚韧并且具有弹性的构造。通过特殊染色方法或是质壁分离方法都可以在光学显微镜下看到细胞壁的存在。
细胞壁具有维持细菌固定外形、提供足够的强度可以保护菌体的作用。并且它还能起着渗透屏障的作用,与细胞膜共同完成细胞内外物质变换。对有鞭毛的细菌来说,它又是鞭毛运动的必需条件。而细胞壁的化学组成与细菌的抗原性、致病性、以及对噬菌体的特异敏感性有密切关系。细胞壁是细菌表面抗原的所在地。革兰氏阴性菌细胞壁上有脂多糖,具有内毒素的作用,这和细菌的致病性有关。
革兰氏染色
该染色法将细菌分为G+(革兰氏阳性菌)G-(革兰氏阴性菌),是因为这两类细菌的细胞壁结构和成分不同。
革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌细胞壁构造比较
年,丹麦细菌学家HansChristianGram创立了一种细菌鉴别染色法,就是革兰氏染色法(Gramstain)。先用草酸铵结晶紫液初染,再加碘液媒染,使细菌体着色,继而用乙醇脱色,最后用沙黄(番红)复染。细菌用此法染色可分为两大类:一类是经乙醇处理不脱色,而保持其初染的深紫色,这样的细菌成为革兰氏阳性菌(用G+表示)。另一类是经乙醇处理即迅速脱去原来的紫色而染上沙黄的红色,这样的细菌成为革兰氏阴性菌(用G-表示)。
染色原理:
细菌细胞壁的结构及其化学组成决定了革兰氏染色反应。G+菌细胞壁肽聚糖层比较厚,交联度高,不含有类脂或含量很低,脱色处理时,因乙醇的脱水作用引起细胞壁肽聚糖层网架结构中的孔径缩小,通透性降低,结晶紫与碘的复合物被保留在细胞内,细胞不被脱色,再用沙黄复染仍保留最初的紫色。而G-菌肽聚糖层薄,交联度低,并且外膜层类脂含量高,脱色处理时,G-菌的外膜经乙醇的脱脂作用,溶解了外膜层中的类脂而变得疏松,此时薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘的复合物的渗透,因此细胞褪成无色,再用沙黄复染菌体呈红色。
G+细菌与G-细菌不仅在细胞壁化学组成和构造上存在较大的差别,而且在染色反应、生理特性及致病性等方面也有明显的不同。
G+细菌与G-细菌特征比较
细菌的菌落特征
将单个微生物细胞或多个同种细胞接种于固体培养基表面(有时为内部),经适宜条件培养,以母细胞为中心在有限空间中大量繁殖,扩展成一堆肉眼可见、有一定形态构造的子细胞群落,称为菌落(colony)。如果菌落由一个单细胞发展而来,则它就是一个纯种细胞群,称纯无性繁殖系,或称克隆(clone)。挑取单个菌落是一种常用的菌株分离纯化手段。在适宜培养条件下,24h内每个菌落的细菌数目可达几十亿个。
各种细菌形成的菌落具有一定特征:
菌落大小、形状-圆形、假根状、不规则状等
边缘情况-整齐、波形、裂叶状、锯齿形等
隆起情况-扩展、台状、低凸、凸面、乳头状等
光泽-闪光、金属光泽、无光泽等
表面状态-光滑、皱褶、颗粒状、龟裂状、同心环状等
质地-油脂状、膜状、黏稠、脆硬等
颜色-正反面或边缘与中央部位的颜色
透明程度-透明、半透明、不透明等
比如说某一类菌体常见的描述??:
放线菌:干燥,多皱,难挑起,菌落较小,多有色素,菌落背面有同心圆形纹路。
酵母菌:湿润,粘稠,易挑起,表面光华,菌落为淡黄色,光滑,半透明。
霉菌:菌丝细长,菌落疏松,成绒毛状、蜘蛛网状、棉絮状,无固定大小,多有光泽,不易挑起,菌落大型,肉眼可见许多毛状物,棕色、青色等,可见黑色的分生孢子群。
实际的工作中菌落特征性质主要用于微生物的分离、纯化、鉴定、计数等研究和选种、育种等等。
下面来看一些具体的例子??
金黄色葡萄球菌在BP琼脂上典型特征
金黄色葡萄球菌呈圆形,表面光滑、凸起、湿润,直径2~3mm。灰黑色至黑色,有光泽,常有浅色(非白色)的边缘,周围绕以不透明圈(沉淀),其外常有一清晰带(卵磷脂环)。当用接种针触及菌落时具有黄油样粘稠感。有时可见到不分解脂肪的菌株,除没有不透明圈和清晰带外,其他外观基本相同。从长期贮存的冷冻或脱水食品中分离的菌落,其黑色常较典型菌落浅些,且外观可能较粗糙,质地较干燥。
金黄色葡萄球菌在海博金黄色葡萄球菌显色培养基上典型特征
典型的金黄色葡萄球菌为灰黑色菌落,有时金黄色葡萄球菌不显灰黑色,但其外围有一不透明圈。
金黄色葡萄球菌在甘露醇高盐琼脂培养基上典型特征
金黄色葡萄球菌显黄色,其外围有一黄色的晕环。
大肠菌群在去氧胆酸盐琼脂(DC)上典型特征
典型菌落为红色,菌落周围有红色的胆盐沉淀环。菌落直径为2-3mm或更大。
大肠菌群在结晶紫中性红琼脂(VRBA)上典型特征
典型菌落为紫红色,菌落周围有红色的胆盐沉淀环。菌落直径为0.5mm或更大
大肠杆菌在月桂基硫酸盐胰蛋白胨肉汤(LST)上典型特征
大肠杆菌分解乳糖产生气体,有小倒管内收集有气泡。
个体细胞形态与构造上的差别会很如实的反映在菌落特征上,这对产鞭毛、荚膜和芽孢的种类来说尤为明显。总而言之,细菌的菌落特征是由细胞形态、构造、排列方式、代谢产物、好气性和运动性所决定,同时也受培养条件尤其是培养基成分的影响。所以个体(细胞)形态与群体(菌落)形态间的相关性规律,对微生物学实验和研究工作很有参考价值。
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