细菌细胞的构造与功能

细菌细胞的构造与功能_微生物学

典型的细菌细胞构造可分为两部分：一是不变部分或称基本构造，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和原核，为所有细菌细胞所共有；二是可变部分或称特殊构造，如荚膜、鞭毛、菌毛、芽孢和孢囊等，这些结构只在某些细菌种类中存在，具有某些特定功能。

（一）细胞壁

细胞壁（cell wall）是包围在细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具弹性的结构，占细胞干重的10％ ～25％ 。

细胞壁具有固定细胞外形和保护细胞的功能。失去细胞壁后，各种形态的细菌都变成球形。细菌在一定范围的高渗溶液中，原生质收缩，出现质壁分离现象。在低渗溶液中，细胞膨大，但不会改变形状或破裂，这些都与细胞壁具有一定坚韧性和弹性有关。细胞壁的化学组成也使细菌具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性。有鞭毛的细菌失去细胞壁后，仍可保持有鞭毛，但不能运动，可见细胞壁的存在为鞭毛运动提供力学支点，是鞭毛运动所必需的。细胞壁是多孔性的，可允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用。

1884年丹麦人革兰（Christian Gram）发明了一种染色法，这种染色方法的基本步骤为：在已固定的细菌涂片上用结晶紫染色，再加媒染剂碘液媒染，然后用乙醇或丙酮脱色，最后用复染液（沙黄或番红）复染。显微镜下菌体呈红色者为革兰氏染色反应阴性细菌（常以G－表示），呈深紫色者为革兰氏染色反应阳性细菌（常以G＋表示）。这一程序后称为革兰氏染色法（Gram staining）。通过这一染色程序可将所有细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类。这两大类细菌在细胞结构、成分、形态、生理、生化、遗传、免疫、生态和药物敏感性等方面都呈现出明显差异，因此革兰氏染色有着十分重要的理论与实践意义。

电镜观察以及细胞壁化学结构的分析表明，革兰氏阳性细菌与阴性细菌的细胞壁在结构和化学组分上有显著的差异，见表1-2与图1-3。

1.革兰氏阳性细菌细胞壁

革兰氏阳性细菌有一层厚约20～80nm的细胞壁。细胞壁的化学组成以肽聚糖（pepti-doglycan）为主，占细胞壁物质总量的40％ ～90％ 。另外还结合有磷壁酸（teichoic acid），磷壁酸又称垣酸，是G＋细菌细胞壁特有的成分。

表1-2 革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁的主要区别

肽聚糖是除古菌外凡有细胞壁的原核生物细胞壁中的共有组分。肽聚糖是由若干肽聚糖单体（图1-4）聚合而成的多层网状结构大分子化合物。肽聚糖的单体含有三种组分：N-乙酰葡萄糖胺（N-acetylglucosamine，简写G）、N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid，简写M）和四肽链。N-乙酰葡萄糖胺与N-乙酰胞壁酸交替排列，通过β-1，4糖苷键连接成聚糖链骨架。四肽链则是通过一个酰胺键与N-乙酰胞壁酸相连，肽聚糖单体聚合成肽聚糖大分子，主要是两条不同聚糖链骨架上与N-乙酰胞壁酸相连的两条相邻四肽链间的相互交联（图1-5）。不同种类细菌的肽聚糖聚糖链骨架是基本相同的，不同的是四肽链氨基酸的组成以及两条相邻四肽链间的交联方式。四肽链一般可以用R1-D-谷氨酸-R3-D-丙氨酸的通式表示。R1大多是L-丙氨酸，少数是甘氨酸或L-丝氨酸。而R3的变化较大，可以是内消旋的二氨基庚二酸（meso-DAP）、L-赖氨酸、L-DAP、L-鸟氨酸、L-二氨基丁酸，有时也可以是同型丝氨酸或L-丙氨酸。四肽链第二位的D-谷氨酸也可羟基化，游离的α-羟基可酰胺化或被甘氨酸等所取代。革兰氏阳性菌（以金黄色葡萄球菌为例）的四肽链是L-丙氨酸-D-谷氨酸-L-赖氨酸-D-丙氨酸，两条四肽链间通过五聚甘氨酸桥肽链而间接交联；桥肽的一头连接L-赖氨酸的ε-氨基，另一头连接着另一条四肽链的D-丙氨酸的羟基，交联度高，从而形成了紧密编织、质地坚硬和机械性强度很大的多层三维空间网格结构。

图1-3 革兰氏阴性细菌G－（上）与革兰氏阳性细菌G＋（下）细胞壁比较图

（引自Prescott et al.，2002）

磷壁质酸是大多数革兰氏阳性菌细胞壁的组分，占细胞壁干重的50％左右，以磷酸二酯键同肽聚糖的 N-乙酰胞壁酸相结合。此酸有甘油型磷壁质酸（图1-6）和核醇型磷壁质酸两种类型。甘油型磷壁质酸是由许多分子的甘油借磷酸二酯键联结起来的分子；核醇型磷壁质酸是由若干分子的核醇借磷酸二酯键联结而成的分子。一般认为磷壁质酸因含有大量的带负电性的磷酸，故大大加强了细胞膜对二价离子尤其是镁离子的吸附。而高浓度的镁离子有利于维持细胞膜的完整性和提高细胞壁合成酶的活性。磷壁质酸是革兰氏阳性菌表面抗原（C抗原）的主要成分，也是噬菌体吸附的受体位点。

图1-4 肽聚糖单体的化学组成和一级结构

图1-5 肽聚糖单层结构模式图（引自Prescott et al.，2002）

图1-6 磷壁酸类型及基本结构

2.革兰氏阴性菌细胞壁

G－菌的细胞壁比G＋菌的薄，可分为内壁层和外壁层。内壁层紧贴细胞膜，厚约2～3nm，由肽聚糖组成，占细胞壁干重的5％ ～10％ 。外壁层又称外膜（outer membrane），厚约8～10nm，主要由脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和外膜蛋白（outer membrane proteins）组成。

G－菌与G＋菌肽聚糖的不同之处就在于它们短肽上的氨基酸以及两条短肽上氨基酸相联结的方式不同。革兰氏阴性菌（以大肠杆菌为例）肽聚糖肽链中的四个氨基酸是L-丙氨酸、D-谷氨酸、内消旋二氨基庚二酸及D-丙氨酸。一股肽链第三位上的二氨基庚二酸的游离氨基与相邻的另一股肽链末端的D-丙氨酸的羧基形成肽键，将两条肽链联结起来。

脂多糖是G－菌细胞壁的特有成分，在G＋菌中不存在。脂多糖由三部分组成，即O-侧链、核心多糖和类脂A（图1-7）。O-侧链向外，由若干个低聚糖的重复单位组成，由于具有抗原性，故又称O-抗原或菌体抗原。不同种或型的细菌，O-侧链的组成和结构（如多糖的种类和序列）均有变化，构成了各自的特异性抗原。像沙门氏菌（Salmonella），根据O-抗原可再细分为1000多个血清型，这些血清型的沙门氏菌，核心多糖部分相同，而O-抗原的差异使之在免疫学和临床诊断中具有重要意义。非致病性革兰氏阴性细菌细胞壁组成中不具O-侧链。核心多糖由庚糖、半乳糖、2-酮基-3-脱氧辛酸组成，所有革兰氏阴性细菌都有此结构。类脂A是以酯化的葡萄糖胺二糖为单位，通过焦磷酸键组成的一种独特的糖脂化合物。类脂A的结构在不同细菌中有所不同，它是革兰氏阴性细菌内毒素的毒性中心。

图1-7 G－细菌脂多糖、类脂A、磷脂、孔蛋白的排列方式

外膜蛋白是指嵌合在脂多糖和磷脂层外膜上的20多种蛋白，多数功能还不清楚。其中脂蛋白（lipoprotein）的蛋白质部分末端游离的氨基酸残基与肽聚糖层的某些二氨基庚二酸残基形成肽键，呈共价结合，其脂质部分同外壁层磷脂相结合。因此，脂蛋白是从肽聚糖层到外壁层之间的桥梁。另有一类称微孔蛋白（porin）的蛋白存在于G－菌的外壁层中，这些蛋白的功能是作为一个通道使低分子的亲水性物质得以进出，有特异性与非特异性两类。特异性微孔蛋白形成“充水”的通道，任何类型的小物质都可以通过。而另一些微孔蛋白具有高度特异性，因为它们含有一种或多种物质的特异性结合位点。最大的微孔蛋白可以允许相对分子质量高达5000的物质进入。

3.细胞壁结构与革兰氏染色的关系

革兰氏染色的结果同细胞壁的结构与组分有关。现在一般认为，在染色过程中，细胞内形成了一种不溶性的结晶紫-碘的复合物，这种复合物可被乙醇（或丙酮）从G－细菌细胞内抽提出来，但不能从G＋菌中抽提出来。这是由于G＋菌细胞壁较厚，肽聚糖含量高，交联程度高，脂质含量低甚至没有，经乙醇处理后引起脱水，结果肽聚糖孔径变小，渗透性降低，结晶紫-碘复合物不能外流，于是保留初染的紫色。而革兰氏阴性细菌细胞壁肽聚糖层较薄，含量较少，交联程度低，而且脂质含量高，经乙醇处理后，脂质被溶解，渗透性增高，结果结晶紫-碘复合物外渗，细胞经番红复染时呈现红色。

4.细胞壁缺陷型细菌

用溶菌酶处理细胞或在培养基中加入青霉素、甘氨酸或丝裂霉素C等因子，便可破坏或抑制细胞壁的形成，成为细胞壁缺陷细菌，通常包括原生质体、原生质球和细菌L-型。用溶菌酶除去革兰氏阴性细菌细胞壁时，若先用乙二胺四乙酸（EDTA）处理外壁，则效果更好。

1）原生质体（protoplast） 在革兰氏阳性细菌培养物中加入溶菌酶或通过青霉素阻止其细胞壁的正常合成而获得的完全缺壁的细胞称原生质体。由于没有坚韧的细胞壁，故任何形态的原生质体均呈球形。原生质体对环境条件很敏感，而且特别脆弱，渗透压、振荡、离心以至通气等因素都易引起其破裂。有的原生质体还保留着鞭毛，但不能运动，也不能被相应的噬菌体感染。原生质体在适宜条件下同样可生长繁殖，形成菌落，其他生物活性基本不变。如用即将形成芽孢的营养体获得的原生质体仍可形成芽孢。原生质体的获得，给微生物学工作者提供了另一种类型的生物学实体，用原生质体融合新技术，可培育新的优良菌种。

2）原生质球（spheroplast） 指细胞壁未被全部去掉的细菌细胞，它呈圆球状，可以人为地通过溶菌酶或青霉素处理革兰氏阴性细菌而获得。该类细菌细胞壁肽聚糖虽被除去，但外壁层中的脂多糖、脂蛋白仍然保留，外壁的结构尚存。所以，原生质球较之原生质体对外界环境具一定抗性，并能在普通培养基上生长。

3）细菌L-型（bacterial L-form） 是细菌在某些环境条件下因基因突变而产生的无壁类型。细胞呈多形态，有的能通过细菌滤器，故又称“滤过型菌”。L-型菌落生长缓慢，一般需经2～7天方见到针尖样小菌落，中心部分深埋于培养基内，呈典型的“油煎蛋”状。这些变异型，有些是能回复至亲代的“不稳定”变异株，有些是不能回复的“稳定”变异株。由于它最先被英国Lister医学研究院发现，故名细菌L-型。

4）周质间隙（periplasmic space） 又称壁膜空间，指位于细胞壁与细胞质膜之间的狭小空间，内含质外酶。质外酶对细菌的营养吸收、核酸代谢、趋化性和抗药性等常有重要作用。质外酶的种类和数量随菌种而异，目前已在细菌（尤其是G－细菌）中发现的质外酶主要有RNA酶Ⅰ、DNA内切酶Ⅰ 、青霉素酶及许多磷酸化酶等。

（二）细胞质膜

细胞质膜（cytoplasmic membrane）又称细胞膜（cell membrane），是围绕在细胞质外面的一层柔软而富有弹性的薄膜，厚约8nm。细菌细胞膜占细胞干重的10％左右，其化学成分主要为脂类（20％ ～30％）与蛋白质（60％ ～70％）。原核生物中除支原体外，细胞膜上一般不含胆固醇，这与真核生物不同（图1-8）。

细菌细胞膜的脂类主要为甘油磷脂。磷脂分子在水溶液中很容易形成具有高度定向性的双分子层，相互平行排列，亲水的极性基指向双分子层的外表面，疏水的非极性基朝内（即排列在组成膜的内侧面），这样就形成了膜的基本骨架。磷脂中的脂肪酸有饱和与不饱和两种，膜的流动性高低主要取决于它们的相对含量和类型，如低温型微生物的膜中含有较多的不饱和脂肪酸，而高温型微生物的膜则富含饱和脂肪酸，从而保持了膜在不同温度下的正常生理功能。细胞膜中的蛋白质依其存在位置可分为外周蛋白和内嵌蛋白两大类。外周蛋白存在于膜的内或外表面，系水溶性蛋白，占膜蛋白总量的20％ ～30％ 。内嵌蛋白又称固有蛋白或结构蛋白，镶嵌于磷脂双层中，多为非水溶性蛋白，占总量的70％ ～80％ （图1-9）。膜蛋白除作为膜的结构成分之外，许多蛋白质本身就是运输养料的透酶或具催化活性的酶蛋白，在细胞代谢过程中起着重要作用。

图1-8 原核生物（a）与真核生物（b）的细胞质膜比较

图1-9 细菌细胞质膜的基本结构（引自Prescott et al.，2002）

细胞膜的主要功能有：① 控制细胞内、外的物质（营养物质和代谢废物）的运送、交换；② 维持细胞内正常渗透压的屏障作用；③ 是合成细胞壁各种组分（脂多糖、肽聚糖、磷壁酸）和荚膜等大分子的场所；④ 是进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地；⑤ 传递信息。细胞膜上的某些特殊蛋白质能接受光、电及化学物质等产生的刺激信号并发生构象变化，从而引起细胞内的一系列代谢变化和产生相应的反应。

除细胞质膜外，很多细菌还具有内膜系统。 ① 中间体（mesosome），是由细胞膜局部内陷折叠而成，它与细胞壁的合成、核质分裂、细胞呼吸以及芽孢形成有关。由于中间体具有类似真核细胞线粒体的作用，又称拟线粒体。 ② 类囊体（thylakoid），是蓝细菌细胞中存在的囊状体，由单位膜组成，上面分布有叶绿素、藻胆色素等光合色素和有关酶类，是光合作用的场所。③ 载色体（chromatophore），是一些不放氧的光合细菌的细胞质膜多次凹陷折叠而形成的片层状、微管状或囊状结构。载色体含有菌绿素和类胡萝卜素等光合色素及进行光合磷酸化所需要的酶类和电子传递体，是进行光合作用的部位。 ④ 羧酶体（carboxysome），是自养细菌所特有的内膜结构。羧酶体由以蛋白质为主的单层膜包围，厚约35nm，内含固定CO2所需的1， 5-二磷酸核酮糖羧化酶和5-磷酸核酮糖激酶，是自养细菌固定CO2的场所。

（三）细胞质

细胞质（cytoplasm）是指细胞膜内除细胞核外的物质。它无色透明，呈黏胶状，主要成分为水、蛋白质、核酸、脂类，含有少量的糖和盐类。由于富含核酸，因而嗜碱性强，幼龄菌着色均匀。此外，细胞质内还含有核糖体、颗粒状内含物和气泡等物质。

1.核糖体

核糖体（ribosome）也称核蛋白体，为多肽和蛋白质合成的场所。在电子显微镜下可见到细菌的核糖体游离于细胞质中，系70S的颗粒，由50S和30S两个亚单元组成，化学成分为蛋白质与核糖核酸（RNA）。细菌细胞中绝大部分（约90％）的RNA存在于核糖体内。原核生物的核糖体常以游离状态或多聚核糖体状态分布于细胞质中。而真核细胞的核糖体既可以游离状态存在于细胞质中，也可结合于内质网上。

2.内含物

很多细菌在营养物质丰富的时候，其细胞内会聚合各种不同的贮藏颗粒，当营养缺乏时，它们又能被分解利用。这种贮藏颗粒可在光学显微镜下观察到，通称为内含物（cytoplasmic inclusions）。贮藏颗粒的多少可随菌龄及培养条件不同而改变。

1）异染颗粒（metachromatic granules） 又称捩转菌素（volutin），最早发现于迂回螺菌（Spirillum volutans）中。异染颗粒是以无机偏磷酸盐聚合物为主要成分的一种无机磷的贮备物。异染颗粒嗜碱性或嗜中性较强，用蓝色染料（如甲苯胺蓝或甲烯蓝）染色后不呈蓝色而呈紫红色，故称异染颗粒。

2）聚β-羟基丁酸（poly-β-hydroxybutyric acid，PHB）颗粒 它是一种碳源和能源性贮藏物。它是β-3-羟基丁酸的直链聚合物。用革兰氏染色时，这类物质不着色，但易被脂溶性染料如苏丹黑着色，在光学显微镜下可见（图1-10）。根瘤菌属（Rhizobium）、固氮菌属（A zotobac-ter）等细菌常积累PHB。

图1-10 细胞内含物（a与b引自Prescott et al.，2003；c与d引自Madigan et al.，2006）

（a）异染颗粒 （b）肝糖粒 （c）细胞中的硫滴 （d）聚β-羟基丁酸颗粒

3）肝糖粒（glycogen）和淀粉粒 肝糖粒较小，只能在电镜下观察到，如用稀碘液染色成红褐色，可在光学显微镜下看到。有的细菌积累淀粉粒，用碘液可染成深蓝色。肝糖粒、淀粉粒都是碳源贮藏物。

4）硫滴（sulfur globules） 某些氧化硫的细菌细胞内可积累硫滴。如贝氏硫菌属（Beggi-atoa）、发硫菌属（Thiothrix）在细胞内常含有强折光性的硫滴，此为贮存的硫，系通过氧化硫化氢而形成，作为能量储备，需要时可被细菌再利用。

5）磁小体（megnetosome） 存在于水生细菌和趋磁细菌中，是细胞内磁铁矿Fe3O4的晶体颗粒，数目不等。不同种类的细菌磁小体形态不同，有正方形、长方形，还有刺状之分。含有磁小体的细菌表现出趋磁性，即沿着地磁场转向和迁移。磁小体由一层含有磷脂、蛋白质和糖蛋白的膜包围。

3.气泡

某些水生细菌，如蓝细菌、不放氧的光合细菌和盐细菌细胞内贮存气体的特殊结构称气泡。气泡由许多小的气囊（gas vesicle）组成，气囊膜只含蛋白质而无磷脂。气泡的大小、形状和数量随细菌种类而异。气泡能使细胞保持浮力，从而有助于调节并使细菌生活在它们需要的最佳水层位置，以利获得氧、光和营养。

（四）细胞核

细菌细胞的核位于细胞质内，无核膜与核仁，仅为一核区，因此称为原始形态的核（primi-tive form nucleus）或拟核（nucleoid）。细菌细胞的原核只有一个染色体，主要含有具有遗传信息的脱氧核糖核酸（DNA）。拟核中尚有少量RNA和蛋白质。但没有真核生物细胞核所含的组蛋白（结构蛋白）。染色体由双螺旋的大分子链构成，一般呈环形结构，总长度为0.25 ～3mm（例如E.coli K12的DNA长约1mm，分子质量为3×109Da，约有4.6×106个bp，至少含5×103个基因）。拟核在静止期常呈球形或不规则的棒状或哑铃形。一个细菌在正常情况下只有一个核区，而细菌处于活跃生长时，由于DNA的复制先于细胞分裂，一个菌体内往往有2～4个核区；低速率生长时，则可见1～2个核区。原核携带了细菌绝大多数的遗传信息，是细菌生长发育、新陈代谢和遗传变异的控制中心。

在细菌中，除染色体DNA外，还存在一种能自我复制的小环状DNA分子，称质粒（plas-mid）。质粒相对分子质量较细菌染色体小，约（2～100）×106Da。每个菌体内可有1至数个质粒。不同质粒的基因之间可发生重组，质粒基因与染色体基因也可重组。质粒对细菌的生存并不是必需的，它可在菌体内自行消失，也可经一定处理后从细菌中除去，但不影响细菌的生存。不同的质粒分别含有使细菌具有某些特殊性状的基因，如致育性、抗药性、产生抗生素、降解某些化学物质等（见表1-3）。

表1-3 细菌质粒所能控制的性状

质粒可以独立于染色体而转移，通过接合、转化或转导等方式可从一个菌体转入另一菌体。因此在遗传工程中可以将细菌质粒作为基因的运载工具，构建新菌株。

（五）荚膜

有些细菌生活在一定营养条件下，尤其是在碳源丰富的条件下，向细胞壁外分泌出一层黏性物质，根据这层黏性物质的厚度、可溶性及在细胞表面存在的状况可把它们分为荚膜、微荚膜或黏液层。如果这层物质黏滞性较大，相对稳定地附着在细胞壁外，具一定外形，厚约200nm，称为荚膜（capsule）或大荚膜（macrocapsule）。它与细胞结合力较差。通过液体振荡培养或离心可将其从细胞表面除去。荚膜很难着色，但用负染色法可在光学显微镜下观察到，此时背景和细胞着色，荚膜不着色（图1-11）。

图1-11 荚膜（Madigan et al.，2000）

微荚膜（microcapsule）的厚度在200nm以下，它与细胞表面结合较紧密，用光学显微镜不易观察到，但可采用血清学方法证明其存在。微荚膜易被胰蛋白酶消化。

黏液层（slime layer）比荚膜疏松，无明显形状，悬浮在基质中，更易溶解，并能增加培养基黏度。

通常情况下，每个菌体外面包围一层荚膜。但有的细菌，它们的荚膜物质互相融合。在一起成为一团胶状物，称菌胶团（zoogloea），其内常包含有多个菌体。荚膜产生受遗传特性控制，但并非是细胞绝对必要的结构，失去荚膜的变异株同样可正常生长。而且，即使用特异性水解荚膜物质的酶处理，也不会杀死细菌。

荚膜的主要成分因菌种而异，大多为多糖、多肽或蛋白质，也含有一些其他成分。产荚膜的细菌菌落通常光滑透明，称光滑型（S型）菌落；不产荚膜的细菌菌落表面粗糙，称粗糙型（R型）菌落。

荚膜的主要作用是作为细胞外碳源和能源性贮藏物质，并能保护细胞免受干燥的影响，同时能增强某些病原菌的致病能力，使之抵抗宿主吞噬细胞的吞噬。例如能引起肺炎的肺炎双球菌Ⅲ型，如果失去了荚膜，则成为非致病菌。

有些产荚膜细菌，如肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）则可用于葡聚糖的工业生产，葡聚糖已被用来治疗失血性休克的血浆代用品。野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campes-tris）的黏液层的胞外多糖———黄原胶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。而菌胶团则在污水生物处理中对活性污泥的形成、作用与沉降性能等均具重要影响。产荚膜细菌，常常给生产带来麻烦。牛奶、蜜糖、面包及其他含糖液变得“黏胶状”就是由于受了某些产荚膜细菌的污染。有些细菌能藉荚膜牢固地黏附在牙齿表面引起龋齿。

（六）鞭毛

某些细菌的细胞表面伸出细长、波曲、毛发状的附属物，这种附属物称为鞭毛（flagellum单数；flagella复数）。鞭毛细而长，其长度常为细胞的若干倍，最长可达70μm，但直径只有10～20nm。因此，用光学显微镜看不见。如果采用特殊的鞭毛染色法，使染料沉积在鞭毛上，加粗其直径，就可在光学显微镜下观察到细菌鞭毛，但真实形态只有在电镜下可见（见图1-12）。另外，采用悬滴法及暗视野映光法观察细菌运动状态及用半固体琼脂穿刺培养，从细菌生长的扩散情况，可初步判断细菌是否有鞭毛。

细菌鞭毛的数目和着生位置是细菌种的特征。据此，可将有鞭毛的细菌分为四类（图1-13）：① 一端单毛菌（monotrichaete）。在菌体的一端只生一根鞭毛，如霍乱弧菌（Vibrio cholerae）。② 两端单鞭毛菌（amphitrichaete）。菌体两端各具一根鞭毛，如鼠咬热螺旋体（Spirochaeta morsusmuris）。③ 丛生鞭毛菌（lophotrichaete）。菌体一端生一束鞭毛，如铜绿假单胞菌 （Pseudomonas aeruginosa）；菌体两端各具一束鞭毛，如红色螺菌（Spirillum rubrum）。④ 周生鞭毛菌（peritrichaete）。周身都有鞭毛，如大肠杆菌 、枯草杆菌等。

图1-12 细菌鞭毛的电镜照片

（贾小明等，2004）

图1-13 鞭毛的光学显微镜照片（赖夫松鞭毛染色法）

（Madigan et al.，2003）

（a）周生鞭毛 （b）极生鞭毛 （c）丛生鞭毛

在电镜下观察，鞭毛起始于细胞内侧的基体（basalbody）上，穿过细胞壁后成为钩状体（hook），由此伸出丝状鞭毛。革兰氏阴性菌鞭毛的基体上有两对环，一对为L环和P环，扣着细胞壁的外壁层，一对为S环和M环，扣着细胞膜（图1-14）；而革兰氏阳性菌鞭毛的基体上只有S环和M环。鞭毛的运动可能是由于鞭毛丝与基部环状体的收缩，或鞭毛钩相对于细胞壁的转动，推动菌体前进。

鞭毛的化学组分主要是蛋白质，只含有少量的多糖或脂类。鞭毛蛋白占细胞蛋白质的2％ ，相对分子质量为15～40kDa。它是一种很好的抗原物质，这种鞭毛抗原又叫H（Hauch）抗原，各种细菌的鞭毛蛋白由于氨基酸组成不同导致H抗原特性上的差别，因此可通过血清学反应进行细菌分类鉴定。

鞭毛是细菌的运动器官，但并非生命活动所必需，如除去鞭毛，并不影响细菌生存。它极易脱落，有鞭毛的细菌一般在幼龄时具鞭毛，老龄时脱落。螺旋菌和弧菌一般都具鞭毛；杆菌中有的生鞭毛，有的不具鞭毛；球菌中仅尿素八叠球菌有鞭毛。有鞭毛的细菌并不一定总是运动的，有时也会丧失运动性。运动性的丧失可由于环境变化或突变引起。某些无鞭毛的细菌也能运动，如黏细菌、蓝细菌，主要为在物体表面滑行运动，这些微生物如悬浮在液体中就丧失运动性。螺旋体则通过轴丝（axial filament）的收缩运动。细菌运动还表现出趋光性（photo-taxis）和趋化性（chemotaxis），即向着光或某种化学吸引物运动。此外，有的细菌还可以从某些物质或环境因子中游开，以避免伤害。因此，细菌运动可看成是一种适应作用，即增加微生物与食物或其他有利环境相遇的机会，或者避免有害因子以利于生存。

图1-14 细菌鞭毛的超微结构示意图（引自Prescott et al.，2002）

（a）G－细菌 （b）G＋细菌

（七）菌毛

很多革兰氏阴性菌及少数阳性菌的细胞表面有一些比鞭毛更细、较短而直硬的丝状体结构，称为菌毛（pi-li或fimbria）或称伞毛、纤毛（见图1-15）。菌毛直径大约3～7nm，长度约0.5～6μm，有些菌毛可长达20μm。菌毛由菌毛蛋白（pilin）组成，与鞭毛相似，也起源于细胞质膜内侧基粒上。菌毛不具运动功能，也见于非运动的细菌中。因机械因素而失去菌毛的细菌很快又能形成新的菌毛，因此认为菌毛可能经常脱落并不断更新。

菌毛类型很多，根据菌毛功能可将其分成两大类：普通菌毛（common pili）和性菌毛（sex pili或conjugal pili）。普通菌毛可增加细菌吸附于其他细胞或物体的能力。例如肠道菌的Ⅰ型菌毛，它能牢固地吸附在动植物、真菌以及多种其他细胞上，包括人的呼吸道、消化道和泌尿道的上皮细胞上；有的能吸附于红细胞上，引起红细胞凝集；有的是噬菌体的吸附位点。菌毛的这种吸附性可能对细菌在自然环境中的生活有某种意义。性菌毛是在性质粒（F因子）控制下形成的，故又称F-菌毛（F-pi-li）。它比普通菌毛粗而长，数量少，一个细胞仅具1～4根。性菌毛是细菌传递游离基因的器官，作为细菌接合时遗传物质的通道。现在很多学者趋向于用纤毛（fimbria）表示普通菌毛，而菌毛则多指性菌毛。

图1-15 细菌的鞭毛与菌毛

（Madigan et al.，2003）

（八）芽孢

某些细菌在其生活史的一定阶段，于营养细胞内形成一个圆形、椭圆形或圆柱形的结构，称为芽孢（spore）。因为细菌芽孢都形成在菌体内，故亦称内生孢子（endopsore）。含有芽孢的菌体细菌称为孢子囊（sporangium）。芽孢成熟后可脱落出来。生成芽孢的细菌多为杆菌，球菌和螺旋菌仅少数种能生成芽孢。

芽孢形成的位置、形状、大小因菌种而异，在分类鉴定上有一定意义，有些细菌的芽孢位于细胞的中央，其直径大于细胞直径，孢子囊呈梭状，如某些梭状芽孢杆菌属的种；若芽孢在细胞顶端，其直径大于细胞的直径时，则孢子囊呈鼓槌状，如破伤风梭菌（Clostridium tetani）；有些细菌芽孢直径小于细胞直径，则细胞不变形，如常见的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis） （图1-16）。

芽孢有比较厚的壁和高度的折光性，在光学显微镜下观察到的芽孢为一透明小体，由于普通碱性染料不易使芽孢着色，通常采用特殊的芽孢染色以便于观察。利用电子显微镜，不仅可观察到芽孢的表面特征，还可观察到，一个成熟的芽孢具有核心、内膜、初生细胞壁、皮层、外膜、外壳层及外孢子囊等多层结构（图1-17）。

图1-16 细菌芽孢的相差显微照片

（Madigan et al.，2003）

图1-17 成熟芽孢的结构示意图

根据电子显微镜的观察，芽孢的形成包含着一系列的复杂过程（图1-18）。

（1）轴丝形成。在营养细胞内，分开存在的两个染色体首先发生构型变化，即两个染色体聚集在一起，以致密发育的形式，逐渐成为一个连续的、位于细胞中央的轴丝状结构，并通过中间体与细胞膜相连接。有人认为这是芽孢早期所具有的特异结构，是抗辐射的物质基础。

（2）隔膜形成。在接近细胞一端处，细胞膜内陷，向心延伸，产生隔膜，将细胞分成大小两部分。与此同时，轴丝状结构也分为两部分。

（3）前孢子形成。在细胞中，较大部分的细胞膜围绕较小部分迅速地继续延伸，直至将小的部分完全包围为止。这个新形成的细胞（结构）称为前孢子（forespore）。此时前孢子由两层极性相反的细胞膜组成，其中内膜将发育成为营养细胞的细胞膜。

（4）皮层形成。由于前孢子迅速进行合成作用，新形成的物质沉积于前孢子的两层极性相反的细胞膜之间，逐渐发育形成皮层（corter）。与此同时，随着2，6-吡啶二羧酸（dipicolinic acid，简称DPA）的合成，Ca2＋的吸收，出现DPA-Ca复合物；而且在前孢子的外面也开始形成外壳层。此时的皮层，似乎变成了一种呈现出条纹的多层结构。

（5）孢子外壳层的形成。在皮层形成过程中，前孢子外膜表面合成外壳物质，并沉积于皮层外表，逐渐形成一个连续的致密层。在外壳中含有非常多的半胱氨酸和疏水性氨基酸，并且继续积累DPA和Ca2＋。

（6）芽孢成熟。芽孢合成过程全部完成，此时芽孢具有了很强的抗热性和特殊结构。

（7）芽孢的释放。孢子囊壁破裂（溶解），释放出成熟的芽孢。

在光学显微镜下观察芽孢形成过程，可见到以下变化：首先，在细胞一端出现一个折光性较强的区域，即前孢子阶段；然后，折光性逐渐增强，形成成熟的孢子；几小时后，成熟的芽孢部分或全部脱离孢子囊壁而释放，呈游离状。

芽孢没有繁殖意义，因为一个细胞内一般只形成一个芽孢，而且一个芽孢也只萌发成一个营养细胞。芽孢仅仅是芽孢细菌生活史中的一环，是细菌的休眠体。

图1-18 细菌芽孢形成的几个阶段（Madigan et al.，2003）

形成芽孢需要一定的外界条件，这些条件因菌种而异。然而，芽孢一旦形成，则对恶劣环境条件均具有很强的抵抗能力。有的芽孢，在一定条件下可保存几十年而不丧失其生活力。芽孢尤其能耐高温，如枯草杆菌的芽孢在沸水中可存活1h，破伤风杆菌的芽孢可存活3h，而肉毒梭菌的芽孢则可忍受6h左右，即使在180℃的干热中仍可存活10min。除耐热外，芽孢也能抵抗低温，它在液氮温度（－190℃）中6个月仍能存活。芽孢对辐射、干燥和大多数化学杀菌剂也具有极大的抗性。芽孢之所以具有如此高的抗逆性，与其结构和化学特性有关（见表1-4）。

表1-4 细菌的芽孢和营养细胞的区别

续表

芽孢的一个显著特点是游离水含量远低于营养细胞，使核酸和蛋白质不易变性。芽孢的酶组成型与营养细胞也有差别，芽孢只含有少量酶，并处于不活跃状态。芽孢的抗热性也与芽孢内具抗热性的酶有关。例如，营养细胞中的过氧化氢酶是可溶的和热敏感性的，而芽孢中的过氧化氢酶则是附着在颗粒上和热抗性的，而且两种酶的动力学和血清学特性均不同。

芽孢的另一独特之处是含有2，6-吡啶二羧酸（dipicolinic acid，DPA）。吡啶二羧酸在芽孢中以钙盐形式存在，占细菌芽孢干重的5％ ～15％ 。在细菌营养细胞及其他生物细胞中均未发现吡啶二羧酸的存在。芽孢形成过程中，随着DPA的形成而具抗热性，芽孢萌发时吡啶二羧酸又释放至培养基中，同时也丧失其抗热性。显然DPA与芽孢的抗热性有关。催化DPA合成中最后阶段的酶也是芽孢形成过程所特有的，DPA钙盐的存在可改变酶的构型，使酶对热相当稳定。

芽孢在适合的条件下可萌发。适合芽孢萌发的条件包括水和营养物质，适合的温度，氧浓度以及某些必需的条件。加热到80～85℃处理几分钟可促进芽孢萌发，芽孢萌发时首先丧失抗性、折光性，增加可染性。芽孢萌发时开始吸收水分、盐类和营养物质而体积膨大，与此同时，耐热力和折光性逐渐降低；在细胞质内部发生了一系列生理变化，着色力增强，酶活力提高，呼吸作用加强，可看到核分裂，DPA和钙复合物外流，对外界各种不良因素的抵抗力降低；随之肽聚糖分解，孢子囊壁破裂，皮层迅速破坏，长出芽管，逐渐发育成新的营养细胞。芽孢萌发过程中还伴随有大分子细胞物质如RNA、蛋白质、DNA等的合成，因此，使细胞不断长大。

（九）伴孢晶体

芽孢杆菌属有些种如苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis），在形成芽孢的同时，在细胞内产生一颗颗菱形或双锥形的碱性蛋白晶体，称为伴孢晶体（spore companioned crystal） （图1-19）。它主要对鳞翅目的昆虫有毒性，由于这种晶体毒素对人畜毒性很低，故国内外均以工业化方式大量生产菌剂，以杀死某些农业害虫。

（十）孢囊

细菌除产生芽孢作为休眠体以抵抗不良生活环境外，某些细菌还能形成其他休眠构造，如固氮菌的孢囊（cyst），黏球菌的黏液孢子（myxospore），蛭弧菌的蛭孢囊（bdellocyst）等。固氮菌的孢囊（图1-20）为球形或卵圆形，中心为一稠密的中心体（central body），中心体中往往含有数个折射颗粒，为聚β-羟基丁酸颗粒（PHB）。围绕中心体的为两层厚薄不一的壁，内层称孢子内壁（intine，简写in），密度小、宽而均匀。外层称孢子外壁（exine，简写ex），密度大且坚硬，为紧密多层膜片状结构。维氏固氮菌（Azotobacter vinelandii）孢囊超薄切片的电子显微照相表明孢子外壁由三层膜状物叠合而成，厚约70～75nm。孢子外壁的化学组分为32％碳水化合物、28％蛋白质、30％脂类和3.2％灰分。孢子内壁的化学组分为44％碳水化合物、9. 1％蛋白质、37％脂类和4.1％灰分。

图1-19 苏云金芽孢杆菌的芽孢和菱形的伴孢晶体

图1-20 固氮菌的营养细胞、孢囊、孢囊结构

（a）营养细胞 （b）孢囊（Madigan et al.，2003） （c）圆褐固氮菌（Azotobacter chroococcum）孢囊的超薄切片电镜照片（贾小明等，2001）

固氮菌的孢囊具有抗干燥、抗机械破坏、抗电离辐射的作用，但并不特别抗热，也不完全休眠，能迅速氧化外源性的能源。孢囊的形成受某些化合物的诱导，如正丁醇、β-羟基丁酸盐和巴豆酸等能促使孢囊形成。孢囊的形成与芽孢不同，它是由整个营养细胞转变而来，而不是由部分细胞物质转变而成。孢囊形成过程中，最先的形态学变化是运动的杆状细胞转变成不运动的球状细胞，数小时后壁增厚，并逐步发育成有折光性的孢囊。随着孢囊的成熟，固氮菌丧失其固氮能力。在适宜条件下孢囊可萌发。萌发时中心体膨大，孢囊内壁消失，孢囊外壁出现断裂，最后从崩溃的孢囊结构中，生出幼龄的营养细胞。