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《微生物学》竞赛培训

微生物学的知识体系
基因表达调控 基因工程

形态结构 遗传
营养代谢 分类 生长繁殖 发酵工业 系统发育 食品 药物 生物制品 环保 微生物学 感染与免疫 生态与多样性

?推荐教材与参考书
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教材

《微生物学教程》

,周德庆,高教出版社 参考书 《微生物学,精要、题解、测试》,周德庆,化学 工业出版社

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微生物细胞的结构与功能
? 微生物的类型
(真)细菌 细菌 蓝藻 原绿藻 放线菌 衣原体 支原体 立克次氏体 等 G+ G-

原核微生物
古生菌 细胞型微生物 真核微生物

酵母菌 霉菌 真核藻类(绿藻、硅藻等) 蘑菇 原生动物

非细胞型微生物——病毒

真病毒 亚病毒因子

一、原核细胞的组成

1.微生物研究对象
μm(微米)级:光学显微镜下可见(细胞) 小(个体微小) nm(纳米)级:电子显微镜下可见(细胞器,病毒) 单细胞 微生物 简(构造简单) 简单多细胞 非细胞(即分子生物)

原核类:真细菌(细菌,放线菌,支原体)和古细菌
低(进化地位低)真核类:真菌(酵母、霉菌、蕈菌)、原生动物、单细胞藻类 非细胞类:病毒、亚病毒(类病毒、拟病毒、朊病毒)

2.细菌的大小 量度细菌大小的单位是μm (微米,即10-6 m)。一 般细菌的直径或宽度约0.5 μm,长度约0.5~5 μm。 特例:费氏刺尾鱼菌细胞可达 600×60 μm;纳米 比亚嗜硫珠菌细胞直径0.32~1 mm; 纳米细菌(nanobacteria)细胞直径仅为50 nm左右。

3.细菌的形态
细菌基本形态通常可分为球状、杆状和螺旋状,分别被称为 球菌、杆菌和螺旋菌。

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?

?

球菌分裂后产生的新细胞常保持一定的排列方式,在分类鉴 定上有一定意义。 根据球菌细胞分裂面和分裂后的排列方式,又可分为单球菌、 双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌。

?

短杆菌近似球状,长的杆菌近丝状。杆菌细胞常沿一个平面 分裂,大多数菌体分散存在,但有的杆菌呈长短不同的链状, 有的则呈栅状或“八”字形排列等。 细胞弯曲呈弧状或螺旋状,弯曲不足一圈的称弧菌,如霍乱 弧菌(Vibrio cholerae) 。弯曲度大于一周的称为螺旋菌。

?

? 细菌的形态学分类

球菌

杆菌

螺旋菌(包括弧菌)

淋病球菌

大肠杆菌
弧形霍乱菌

4.细菌细胞的模式结构 ?一般结构:细胞 壁、细胞质膜、内 含物、核区、间体、 细胞质。 ?特殊结构:鞭毛、 菌毛、性毛、芽孢、 微荚膜、荚膜、粘 液层。

5. 细菌的染色
碱性染色剂 = 有色的阳离子 + 无色的阴离子 酸性染色剂 = 无色的阳离子 + 有色的阴离子 染色的方法有很多,如单染色、革兰氏染色、抗酸性染色、 荚膜染色、芽孢染色、鞭毛染色等,其中以革兰氏染色 (Gram staining)最为重要,由丹麦细菌学家Gram于1884 年创造。

Gram stain的主要步骤:结晶紫初染1 min →碘液媒染1 min →乙醇脱色20~30 sec →番红复染1~2 min 镜检菌体呈呈紫色者为革兰氏染色反应阳性细菌(常以G+表 示) ,呈红色者为革兰氏染色反应阴性细菌 (常以G-表示)。 通过这一简单染色几乎可将所有细菌区分为革兰氏阳性菌 和革兰氏阴性菌两大类。

革兰氏染色机理
甲菌 初染 结晶紫 乙菌 媒染 碘液 脱色 乙醇 复染 沙黄 红色(G-) 紫色(G+)

G+ 菌:细胞壁厚,肽聚糖含量高,交联度大,当乙醇脱色时,

肽聚糖因脱水而孔径缩小,故结晶紫-碘复合物被阻留在细胞内,
细胞不能被酒精脱色,仍呈紫色。 Gˉ菌:肽聚糖层薄,交联松散,乙醇脱色不能使其结构收缩,因

其含脂量高,乙醇将脂溶解,缝隙加大,结晶紫-碘复合物溶出细
胞壁,酒精将细胞脱色,细胞无色,沙黄复染后呈红色。

阳性菌

阴性菌

显微镜下的G+与G-细菌

显微镜下的G-细菌

6.G+、G-细菌的形态和大小

7.G+、G-细菌肽聚糖单体构造的比较
A双糖单位:由一个N-乙酰萄糖胺通过β-1,4-糖苷 键与另一个N-乙酰胞壁酸相连。该糖苷键易被溶菌 酶水解。 B四肽尾或四肽侧链:由四个氨基酸分子按L型与D型 交替方式连接而成。金黄色葡萄球菌在N-乙酰胞壁 酸上的四肽尾:L-Ala→D-Glu→L-Lys→D-Ala。大 肠杆菌四肽尾的第3个氨基酸L-lys为内消旋二氨基 庚二酸(m-DAP)所代替。 C肽桥或肽间桥:它起着没有特殊的肽桥连接前后两 个四肽尾分子的“桥梁”作用。

假肽聚糖结构与肽聚糖相似。

具体差别:

多糖骨架:是由N-乙酰葡萄 糖胺和N-乙酰塔罗糖胺糖醛 酸以β-1,3-糖苷键交替连 接而成;
肽尾:由L-Glu、L-Ala、LLys3个L型氨基酸组成; 肽桥:由L-Glu一个氨基酸 组成。

8.原核微生物的结构与功能——细胞壁
真细菌
?

古生菌

结构:肽聚糖层
厚 G+ 薄 G-

与 假肽聚糖层

?

功能:
1. 2.

3.

保护:屏障、机械保护 是细胞生长、分裂和运动所必须的 赋予细胞抗原性、致病性和对噬菌体的敏感性等

9.原核微生物的结构与功能——细胞壁外结构
? 糖被:保护、屏障、储存、吸附、信号识别 ? 鞭毛:运动 ? 菌毛(纤毛):吸附 ? 性毛:参与传递遗传物质

10.缺壁细菌

自发缺壁突变:L型细菌(G+或G-)

实验室中 彻底除尽:原生质体(G+ ) 形成 人工方法 缺壁 去壁 部分去除:球状体(G-) 细菌
自然界长期进化中形成:支原体

11.细菌细胞膜的磷脂双分子层

12.真细菌与古生菌细胞膜的不同
古生菌与其它生物最显著的化学成分差异是体现在细胞膜上, 基本差别有4点(1)甘油的立体构型;(2)醚键;(3)类异 戊二烯链;(4)侧链的分支

13.细菌内含物的种类和分布
碳 源 及 能 源 类 糖源:大肠杆菌、克雷伯氏菌、 蓝细菌芽孢杆菌等

聚-? -羟丁酸: 固氮菌、产碱菌、肠杆菌 硫源:迂回螺菌菌、白喉棒杆菌、结核分枝杆菌
藻青素:蓝细菌含有

氮源类

藻青蛋白:蓝细菌含有

磷源(异染粒):迂回螺菌、白喉棒杆菌和分枝杆菌含有

14.原核生物鞭毛的结构

15.细菌的鞭毛、菌毛和性毛的比较

16.芽孢的耐热性

渗透调节皮层膨胀学说——芽孢耐热机制(一)

? ?

芽孢衣(疏水性角蛋白)对多价阳离子和水分的透性很差; 皮层的离子强度很高,会产生极高的渗透压去夺取芽孢核心 中的水分,而造成芽孢皮层的膨胀和核心的高度失水; 核心部分的生命物质(DNA、RNA、Pr等)处于高度失水 状态,各种酶活性降低,因而产生极强的耐热性。

?

DPA - Ca的存在——芽孢耐热机制(二)
?

在皮层和芽孢质中含有营养细胞所没有的 DAP - Ca, 占芽孢干重的5 ~ 15%; DAP - Ca能稳定芽孢中的生物大分子,DAP -Ca的 螯合作用会使芽孢中的生物大分子形成一种耐热性 的凝胶,从而增强芽孢的耐热性。
当芽孢萌发释放DAP - Ca,耐热性消失。

?

?

17.链霉菌的形态构造

放线菌

? 放线菌的菌丝分化

放线菌的细胞结构和细菌没 有多大区别,也是原核生物。 用革兰氏染色法染色后细胞 壁为紫色,所以是革兰氏阳 性的原核生物。但是它们的 形态比细菌复杂些,在显微镜下,观察到菌丝。如果把它们培养 在固体培养基上,会长出坚硬的菌落,不同种类的放线菌的菌落 颜色不同。如果用放大镜观察这些菌落,你会发现它们的周围好 像图画中向四周放射着光芒的太阳,所以科学家称它们为放线菌。

放线菌生长发育到一定阶段,一部分气生菌丝便分化成孢子丝。 孢子丝有杆形的、波浪形的、螺旋形的等,上面生有成串的孢子。 在适宜的条件下,孢子萌发长出菌丝。

绝大多数抗生素是由放线菌产出的。

放线菌的繁殖方式
在自然条件下,多数形成各种孢子,也有菌丝断裂成 孢子状细胞的。

分生孢子:最常见
借孢子 放线菌 繁殖方式 借菌丝 孢囊孢子 无鞭毛 有鞭毛 基内菌丝断裂(仅少数) 任何菌丝片段(各种放线菌)

18.支原体、立克氏体、衣原体和病毒

支原体

衣原体

立克次氏体

支原体曾被认为是能在无生命培养基上生长繁殖的最小 的原核细胞型微生物,目前这一地位已经被纳米细菌所 取代。 ? 支原体的大小为0.2~0.25um,可通过滤菌器,常给细胞 培养工作带来污染的麻烦。无细胞壁,不能维持固定的 形态而呈现多形性。革兰氏染色不易着色。支原体基因 组为一环状以双链DNA,分子量小(仅有大肠杆菌的五 分之一),合成与代谢很有限。 典型的“荷包蛋样”菌落:圆形(直径10~16um), 核心部分较厚,向下长入培养基,周边为一层薄的透明 颗粒区。此外,支原体还能在鸡胚绒毛尿囊膜或培养细 胞中生长。 ? 繁殖方式多样,主要为二分裂繁殖,还有断裂、分枝、 出芽等方式,盖因缺乏细胞壁造成分裂时二个子细胞大 小均所致。同时,支原体分裂和其DNA复制不同步,可 形成多核长丝体。
?

立克次氏体引起的传染病:斑疹伤寒(斑疹伤寒立克 次氏体)、恙虫热(恙虫病立克次氏体)、Q热(Q 热立克次氏体)等严重传染病。

衣原体是一类在真核细胞内营专性能量寄生的小型G- 原核生物。曾长期被认为是“大型病毒”。目前被承认 的衣原体:鹦鹉热衣原体、沙眼衣原体、肺炎衣原体。 生活史有原体、始体(网状体)

特征
直径 过滤性 G染色

细菌
0.5-2.0um 不能过滤 G+或G-

支原体
0.20.25um 能过滤 G人工培养基

立克次氏体

衣原体

0.3-0.8um 0.2-0.3um 不能过滤 G宿主细胞

能过滤 G宿主细胞

培养法 人工培养基 产ATP









19.蓝细菌
? 是一类G-、无鞭毛、含叶绿素a(无叶绿

体)、能进行产氧性光合作用的大型原核微 生物。 ? 自然界到处都有蓝细菌的存在,有“先锋生 物”之称。 ? 类囊体:其中含有叶绿素a和藻胆素。 ? 羧酶体:固定CO2的场所。 ? 气泡:存在于水生种类。

? 真细菌、古生菌与真核生物的比较

特征 有核仁、核膜的细胞核 有复杂内膜的细胞器 核糖体大小 细胞壁含肽聚糖(胞壁酸) 对链霉素等抗生素的敏感性

真细菌 无 无 70S
有 敏感

古生菌 无 无 70S
无 不敏感

真核生物 有 有 80S
无 不敏感

? 蓝藻、原绿藻和绿藻(真核)的比较 特征 有核膜的细胞核 细胞器 蓝藻 无 无 原绿藻 无 无 绿藻 有 有

光合色素类型
光合作用位点

叶绿素a、 藻胆素
类囊体 0.5—5um

细胞大小

叶绿素a、 叶绿素b 类囊体 0.45*0.75um

叶绿素a、 叶绿素b 叶绿体 >2um

念珠藻

原绿藻

衣藻

二、微生物的营养

? 微生物的营养类型——划分依据
划分依据 碳源 营养类型 自养型 异养型 特点 以CO2为唯一或主要碳源 以有机物为碳源

能源

光能营养型
化能营养型

以光为能源
通过氧化释放的化学能为能源 以还原性无机物为电子供体 以有机物为电子供体

电子供体 无机营养型 有机营养型

? 微生物的营养类型——典型类型
营养类型 能源 电子供体 碳源 举例

光能无机自养型
光能有机异养型 化能无机自养型 化能有机异养型

光能
光能 化学能 (无机) 化学能 (有机)

H2、 H2S S、H2O
有机物 H 2、 H 2S Fe2+、NO2有机物

CO2
有机物 CO2 有机物

蓝藻、藻类 紫(绿)硫细菌
红螺细菌 氢细菌、硫杆菌 硝化细菌 大肠杆菌、真菌

?

培养基的配置——基本原则
1. 2. 3.

4.
5.

选择适宜的营养物质 营养物质的浓度及其比例合适 控制pH条件 灭菌处理 原料来源的选择

? 培养基的配置——培养基的类型
? 成分:天然培养基与合成培养基 ? 形式:液体、固体和半固体培养基 ? 功能:基础培养基、加富培养基、

鉴别培养基、选择培养基

? 微生物代谢的特殊方面——生物固氮
? 自生固氮菌:巴氏梭菌(好氧)
? 共生固氮菌:根瘤菌(与豆科植物共生)

弗兰克氏菌(与非豆科植物共

生)
鱼腥藻(与满江红共生)等 ? 联合固氮菌:雀稗固氮菌(生活在植物根际)
? 固氮条件:固氮酶、ATP、电子传递体

三、微生物的生长繁殖
?

细菌的个体生长
1.

DNA的复制与分离
细胞壁扩增 细胞分裂

2.

3.

?

细菌的群体生长

1. 2.

3.
4.

迟缓期 对数生长期 稳定生长期 衰亡期

? 细菌的连续培养

? 真菌的生长繁殖
? 裂殖和芽殖:菌丝延长和酵母繁殖的主要方式

? 无性孢子繁殖:营养细胞分化出新个体(孢子)

? 有性孢子繁殖:不同的性细胞结合而产生新个体

? 丝状真菌的生活史 霉菌的无性 孢子直接由生殖 菌丝的分化而形 成,常见的有节 孢子、厚垣孢子、 孢囊孢子和分生 孢子。 霉菌的有性 繁殖过程包括质 配、核配、减数 分裂三个过程, 常见的有性孢子 卵孢子、接合孢 子、子囊孢子、 担孢子。

? 微生物生长繁殖的控制
? 化学控制:
? 抗微生物剂:杀死或抑制微生物生长的物质 ? 抗代谢物:用与生长因子结构类似的物质干扰微生物 ? 抗生素:一类次级代谢产物,具有抑菌或杀菌能力

? 物理控制:
? 高温灭菌:灼烧、煮沸、干热、湿热灭菌 ? 过滤除菌 ? 高渗作用抑菌 ? 辐射和超声波处理 ? 干燥

四、微生物发酵工业

? 利用生物特性和发酵理论,通过现代化的工

程技术手段,进行工业化规模生产,使受培 养的微生物或动植物细胞积累所需产品的一 门技术学科。

? 微生物发酵工业的一般流程

培养基配制 种子扩大培养 培养基灭菌 空气除菌 发酵设备

发酵生产

下游处理

? 菌种及其扩大培养
? 菌种的选育
? 自然育种 ? 诱变育种

? 杂交育种
? 基因工程育种

? 种子扩大培养流程——二【三】级种子扩大培养
? 斜面菌种->一级种子摇床培养->二级种子罐培养

【->三级种子罐培养】->发酵罐生产

? 培养基配置(糖化,Saccharify):

在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程,得到的 水解糖液叫淀粉糖。
?

糖化的原料:薯类淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、大 米淀粉等。 水解糖液的质量直接关系到生产菌的生长速度与代 谢产物的积累,其中的低聚糖类与复合糖类等杂质 越低越好。

?

? 糖化方法:
? 酸解法:淀粉——————>葡萄糖

酸(催化剂) 高温高压

? 酶解法:淀粉———>糊精、低聚糖 液化

?淀粉酶

糖化酶

———>葡萄糖
糖化

? 发酵生产——中间控制
? 温度——菌体生长和积累代谢产物的最适温度往

往是不同的,变温控制;
? pH值——微生物的生长和发酵的最适pH值往往不

同,变化控制;
? 溶氧——氧是制约发酵进行的重要因素,加强溶氧;

? 发酵实例——食品(食用酒精)发酵

曲霉 原料 酵母

制曲

酒糟

糖化
蒸煮 酒母的制备及扩大 杂醇油 发酵 蒸馏 乙醇

? 发酵实例——药品(青霉素)发酵

产黄青霉菌 孢子制备 种子罐 发 酵 罐 预 处 理 罐 过 滤

青 霉 素 钾 盐
萃 取

蒸 发

过 滤

结 晶 洗 涤

灭菌培养基

精 制 柱

萃 取

过 滤

压缩空气

? 发酵实例——生物制品的发酵生产

?见感染与免疫部分

? 发酵实例——环保(污水的二级处理)
空气 污水 初级 沉淀池 二次 清水 沉淀池

曝气池

回流污泥

剩余污泥

五、病毒的基本特征
? 病毒的特点
? 病毒在细胞外以成熟的颗粒形式(毒粒)存在; ? 毒粒在胞外不表现任何生命特征;

? 毒粒具感染宿主细胞的能力,一旦进入细胞,

毒粒便解体,并表现出繁殖、遗传、变异等生 命特征。

? 毒粒的结构——T4噬菌体

核酸

核 衣 壳

二十面 体对称

衣壳
螺旋对称

?

毒 粒 的 结 构 核 衣 壳 与 囊 膜

——

? 病毒的简单分类
? 真病毒
? DNA病毒

? RNA病毒【SARS病毒】

? 亚病毒因子
? 卫星RNA ? 类病毒【柑橘裂皮类病毒】RNA ? 朊病毒【疯牛病病毒】蛋白质

?

病毒的复制——周期及步骤
1. 2. 3. 4. 5. 吸附 侵入 脱壳 病毒大分子合成 装配与释放

病毒复制的一步生长曲线

? 病毒的复制——周期及步骤

? 温和噬菌体:侵入宿主后并没有立即开始病

毒物质合成和组装的病毒,此时的噬菌体基因 组称为原噬菌体,而含有原噬菌体的宿主被称 为溶源性细菌。
? 溶源病毒的性质:
? 自发裂解性

? 可诱导性
? 免疫性 ? 复愈性

? 溶源转变

? SARS冠状病毒

? 禽流感病毒——H5N1

A

? HIV(人类免疫缺陷病毒)

与 AIDS(获得性免疫缺陷综合症)

? 肝炎病毒
? 甲型肝炎病毒呈球形,无囊膜,核酸为单链 RNA; ? 乙型肝炎病毒呈球形,具有双层外壳结构,外层

相当一般病毒的囊膜,核酸为双链DNA。

六、感染与免疫
? 感染(传染)
? 有机体与病原体相互作用引起的病理过程

? 免疫
? 生物体能够识别自我和非自我,对非自我作出反

应以保持自身稳定的功能

? 感染的途径
? 呼吸道、消化道、创伤、接触、垂直感染

? 微生物的致病性
? 杀细胞感染

? 造成宿主的免疫损伤
? 诱发肿瘤 ? 产生毒素

? 免疫学的几个基本概念
? 抗原Ab:能够诱导机体产生免疫应答,并能与机体

免疫应答产物特异性结合的物质
? 抗体Ig(免疫球蛋白):在抗原物质刺激下所形成

的能与抗体特异性结合的血清活性成分
? B细胞介导的体液免疫:当B细胞与抗原特异结合

后,B细胞分化为浆细胞,大量分泌抗体。
? T细胞介导的细胞免疫:识别抗原后,可直接分泌

杀伤蛋白,或协助其它免疫过程

? 抗体产生的一般规律
? 初次应答和再次应答

?

免疫的基本类型
1.

天然(非特异性)免疫:体表屏障、吞噬作用等

2.

获得性(特异性)免疫:
1.

自动免疫
1. 2.

自然免疫:感染 人工(诱导)免疫:注射特异性疫苗 自然免疫:胎盘传递、初乳传递 人工免疫:注射特异性抗体

2.

被动免疫
1. 2.

?

生物制品的分类
1.

预防类制品
1.

菌苗、2. 疫苗、3. 类毒素、4. 混合制剂 抗血清与抗毒素、2. 血液制品 体内诊断用品 体外诊断用品

2.

治疗类制品
1.

3.

诊断类制品
1. 2.

?

减毒活脊髓灰质炎疫苗的生产
猴肾细胞
感染

病毒样品

无菌试验、病毒滴定

保藏

合并过滤
无菌试验 T特征检查 其它病原体检查 残余致麻痹力试验

加工糖丸

保藏

无菌试验、病毒滴定

分装

七、微生物遗传
? 质粒:细胞中独立于核DNA外,能进行自

主复制的细胞质遗传因子。
? 质粒的类型
? 按结构分:

CCC型、 OC型、L型

? 按功能分:

致育因子、抗性因子、Col质粒、 毒性质粒、代谢质粒、隐秘质粒

? 细菌基因转移和重组的方式
? 接合作用:细胞与细胞通过直接接触而产生的遗

传信息的转移和重组过程
? 转导作用:由病毒介导的细胞间进行的遗传交换

? 转化作用:游离DNA分子被感受态细胞摄取


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