微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能第三章

第三章

微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)真核微生物與原核微生物

第二節(jié)

細(xì)胞表面的附著物

一、絲狀結(jié)構(gòu)

鞭毛Flagellum(Flagella)菌毛Pilus革蘭氏陰性菌傘毛Fimbria1.鞭毛長(zhǎng)度一般為15～20μm,直徑0.01～0.02μm

1)組成基體basalbody鉤形鞘hook鞭毛絲filament

a.基體：4個(gè)盤狀物，即4環(huán)

L-環(huán):與脂多糖層相聯(lián)系

P-環(huán):與肽聚糖層聯(lián)系

S-環(huán):與細(xì)胞膜表面相聯(lián)系,16個(gè)亞基,不運(yùn)動(dòng)，軸封作用M-環(huán):與細(xì)胞膜相聯(lián)系,16個(gè)亞基.1個(gè)質(zhì)子進(jìn)入細(xì)胞轉(zhuǎn)1/16圈,256個(gè)質(zhì)子/圈不同的微生物其鞭毛蛋白質(zhì)氨基酸組成不同

細(xì)菌鞭毛與真核微生物鞭毛的比較

細(xì)菌鞭毛真核微生物鞭毛1.由3～8根平行的蛋白纖維左向9對(duì)微管兩根中心微管組成螺旋排列成中空的絲狀體，無鞘外有鞘2.直徑為12nm，長(zhǎng)度為4-5μm直徑為200，長(zhǎng)度為2003.具抗原性無抗原性4.完全由蛋白質(zhì)組成70%蛋白質(zhì)，20%脂類,10%糖少量核酸5.不存在半胱氨酸由普通氨基酸組成6.制備的鞭毛不出現(xiàn)ATP酶活性制備的鞭毛有ATP酶活性

近年的研究表明

cAMP和cGMP也參與纖毛和鞭毛運(yùn)動(dòng)的調(diào)控。細(xì)胞外Ｋ+濃度下降或Ｃａ2+濃度升高都可使細(xì)胞膜發(fā)生超極化,從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度上升,鞭毛拍擊頻率增加,細(xì)胞向前運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)cAMP濃度下降時(shí),細(xì)胞膜去極化,細(xì)胞向后游動(dòng)。

2）鞭毛馬達(dá)的結(jié)構(gòu)與功能鞭毛馬達(dá)：Flagellarmotor大腸桿菌或傷寒沙門氏菌的鞭毛組裝和運(yùn)行需約50余種蛋白質(zhì)中，只有5種與鞭毛的力矩產(chǎn)生密切相關(guān)即FliG、FliM和FliN、MotA、MotB(鞭毛馬達(dá))

FliG,FliM,FliN,切換復(fù)合體C環(huán)切換復(fù)合體的功能：a：切換鞭毛運(yùn)動(dòng)方向；CW/COW(clookwisc,CW；counterclockwise,CCW)b：參與鞭毛組裝,構(gòu)成轉(zhuǎn)子(rotor)c：與(MotA/MotB)（定子）構(gòu)成馬達(dá)(motor)3）引起馬達(dá)切換的主要因素a.化學(xué)因素:趨化反應(yīng)，胞內(nèi)代謝物水平胞內(nèi)pH等；b.物理因素:溫度、外力等；c.隨機(jī)或自發(fā)因素。

Na+驅(qū)動(dòng)的鞭毛馬達(dá)（有些細(xì)菌，堿桿菌，弧菌）H+

驅(qū)動(dòng)（大多數(shù)細(xì)菌）K+

驅(qū)動(dòng)(溶原弧菌)Li+驅(qū)動(dòng)速度

Na+>H+300mM,50mMNa+：300mM,1,700r/sNa+：50mM,600r/s對(duì)細(xì)菌鞭毛驅(qū)動(dòng)馬達(dá)分子機(jī)器的了解將有助于認(rèn)識(shí)

生物的能量轉(zhuǎn)化細(xì)胞運(yùn)動(dòng)

這類生命基本問題

2.菌毛（pilus）

大腸桿菌的菌毛兩種菌：

F-菌毛(fertilitypilus),I-菌毛(infectivepilus)

F-菌毛：φ8.5nm,長(zhǎng)2.0μm中空，易彎曲的絲狀體，是遺傳物質(zhì)的通道

I-菌毛：長(zhǎng)2μm以下，中空的絲狀體，是噬菌體感染宿主細(xì)胞的受體部位，亦稱感染菌毛.噬菌體吸附到I-菌毛后，通過I-菌毛的收縮，使噬菌體與細(xì)胞表面接融后再感染宿主細(xì)胞。3.傘毛（fimbria）是一類更短、更直的，類似毛發(fā)狀的絲狀體結(jié)構(gòu)；數(shù)量較菌毛多，長(zhǎng)度較菌毛短，生理作用也不同。大腸桿菌的傘毛的生理作用引起細(xì)菌的聚集靜止培養(yǎng)：菌膜氧氣不足：傘毛菌生長(zhǎng)迅速（較非傘毛菌）穩(wěn)定期：傘毛菌增加，非傘毛菌下降，附著到其他固體表面上，非傘毛菌則不。

二、莢膜與粘液層

莢膜微莢膜：厚0.2μm以下，與細(xì)菌表面牢固結(jié)合；大莢膜：厚0.2μm以上，與細(xì)菌表面松馳結(jié)合,可制備;

莢膜的作用：1.抗干燥作用；2.起貯存物質(zhì)作用。C/N高時(shí)產(chǎn)莢膜，C/N低時(shí)利用莢膜3.保護(hù)作用，不受原生動(dòng)物或噬菌體的侵害；4.避免或減少氧向細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散（對(duì)好氧固氮菌）粘液層：組成：多糖（表面多糖，胞外多糖）、多肽蛋白質(zhì)、脂類。S-層蛋白的研究

S-層蛋白(surface-layerprotein)位于細(xì)胞外殼最外層的一類表面結(jié)構(gòu).生物圈中有S-層的生物體普遍存在尤其在古細(xì)菌和真細(xì)菌中，S-層是最常見的表面結(jié)構(gòu)之一,對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的生存及完整性有著很重要的作用。S-層是由蛋白質(zhì)或糖蛋白亞基組成的單分子晶體點(diǎn)陣，它們形成有孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)覆蓋在細(xì)胞表面。它們具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)，還承擔(dān)了很重要的生物學(xué)功能。

S-層是由蛋白質(zhì)亞單位組成的單分子晶狀結(jié)構(gòu)，其厚度為5-20nm

革蘭氏陽性(G+)菌與肽聚糖層相連

革蘭氏陰性(G-)菌與外膜相連

古生菌直接與細(xì)胞膜相連

S-層蛋白的組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-層蛋白的糖基化現(xiàn)象普遍存在.

含大量谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)賴氨酸的含量較高，占10%

極少有含硫氨基酸S-層蛋白多為酸性，等電點(diǎn)在4-6之間,少數(shù)呈堿性。約20%的氨基酸是以α-螺旋形式約40%的氨基酸采取β折疊形式

無規(guī)折疊和β轉(zhuǎn)角含量在5%到45%之間變化

分子量

不同來源的S-層蛋白，其分子量差異較大

40-20kDa440-1645個(gè)氨基酸

乳桿菌

440-465個(gè)氨基酸殘基含有由30個(gè)氨基酸組成的信號(hào)肽克立次氏體

1612-1645個(gè)氨基酸殘含32個(gè)氨基酸殘基組成的信號(hào)肽

炭疽芽胞桿菌蘇云芽胞桿菌非常相似

814-862個(gè)氨基酸組成信號(hào)肽由29個(gè)氨基酸組成S-層蛋白的基因（40多個(gè)）近十年，許多不同來源的S-層基因已被克隆和測(cè)序

發(fā)現(xiàn)

N末端有限區(qū)域內(nèi)存在一段高度保守的序列該區(qū)域?qū)-層亞單位與細(xì)胞壁的錨定致關(guān)重要中部和C端部分(包括自我組裝加工必需的結(jié)構(gòu)域和暴露于孔中和S-層表面上的結(jié)構(gòu)域)只發(fā)現(xiàn)有極低的序列同一性(約20%)。但是不同芽胞桿菌的S-層蛋白的整個(gè)中部和相應(yīng)的C末端部分觀察到保守的4-6氨基酸的序列以相對(duì)恒定的距離出現(xiàn)。S-層基因一般有很強(qiáng)的啟動(dòng)子嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)

S-層基因啟動(dòng)子的效率是編碼乳酸脫氫酶基因啟動(dòng)子的兩倍

(后者在細(xì)菌中被認(rèn)為是最強(qiáng)的啟動(dòng)子之一)

表面展示的研究

微生物細(xì)胞表面展示(surfacedisplay)指通過遺傳操作的手段將外源大分子定位表達(dá)在微生物細(xì)胞的表面,以達(dá)到一定的研究和應(yīng)用目的。多數(shù)情況下,表面展示是以構(gòu)建融合蛋白的方式實(shí)現(xiàn)的,即以一定的方式將外源蛋白與菌體的某一表面蛋白相融合，借助后者的表面識(shí)別和定位功能將前者攜帶并定位在細(xì)胞的表面。將外源蛋白固定在微生物細(xì)胞的表面可以直接用重組微生物進(jìn)行后續(xù)的操作,免去了產(chǎn)物的提取,純化和重新折疊等一系列的操作。自80年代興起以來，表面展示工作取得了許多令人矚目的成績(jī)。

表面展示的應(yīng)用

Bingle等(2001)利用無致病性的G-細(xì)菌—新月柄桿菌的S-層蛋白R(shí)saA作為載體,在細(xì)胞表面成功展示了銅綠假單胞菌的表面抗原。另外，還在新月柄桿菌的S-層蛋白上嘗試了多個(gè)融合位點(diǎn)，結(jié)果表明有11個(gè)位點(diǎn)具有表面展示的能力。

六聚組氨酸由六個(gè)組氨酸組成的單位。它最引人注意的功能是能夠有效的吸附一些重金屬離子。通過每個(gè)組氨酸殘基提供一個(gè)電子，與一些二價(jià)金屬離子如鎳、鎘、銅、鋅形成配位鍵，從而在這些金屬離子的周圍形成穩(wěn)定的配位環(huán)。Qiagen公司利用六聚組氨酸能吸附鎳離子的特點(diǎn)，特別開發(fā)出了一個(gè)蛋白質(zhì)純化系統(tǒng)——Ni-NTA。將六聚組氨酸的接頭融合在待純化蛋白的C-端、N-端,甚至是一些融合蛋白的融合頭上。Sousa等利用大腸桿菌的外膜蛋白LamB將多聚組氨酸肽展示在了大腸桿菌的表面。許朝暉利用大腸矸菌的外膜蛋OmpC展示了多個(gè)六聚組氨酸肽。Samuelson等報(bào)道用葡萄球菌的表面結(jié)合蛋白表達(dá)多聚組氨酸肽。

重組細(xì)胞吸附鎳、鎘離子的能力均大大地提高第三節(jié)細(xì)胞壁細(xì)胞壁的組成

1.由微纖維組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，固定外形增加硬度2.填充在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面的基質(zhì)成分，增加堅(jiān)固性。原生質(zhì)體與球質(zhì)體的比較

特點(diǎn)革蘭氏陽性革蘭氏陰性殘存壁物質(zhì)不存在存在與胞壁有關(guān)的特性完全喪失不完全喪失間體擠出原生質(zhì)體擠在壁膜之間停止藥物處理細(xì)胞壁不能恢復(fù)可以恢復(fù)三、細(xì)胞壁的組成1.肽聚糖（peptidoglycen，亦稱胞壁質(zhì)murein）

主要是陽性菌2.磷壁質(zhì)(teichoicouitl，磷壁酸)革蘭氏陽性細(xì)胞壁和細(xì)胞膜中的含有磷酸基的線性多聚體，共價(jià)健與肽聚糖連接成一個(gè)整體。磷壁質(zhì)分為兩類：甘油型磷壁質(zhì)核糖醇磷壁質(zhì)3.糖醛酸磷壁質(zhì)（teichuroseacid）4.脂多糖：G-、外膜上，多糖-脂類復(fù)合物5.蛋白質(zhì)：結(jié)構(gòu)蛋白、載體蛋白、酶蛋白

一、藻類的細(xì)胞壁

二、真菌細(xì)胞壁具CW的真核微生物是真菌和藻類。真菌細(xì)胞壁主要成分是多糖，另有少量的蛋白質(zhì)和脂類;多糖構(gòu)成CW中的微纖維和無定形基質(zhì)。微纖維類似鋼筋，β－1，4鍵連接，使CW堅(jiān)韌；基質(zhì)類似混凝土填充其中；低等真菌的細(xì)胞壁的主要成分以纖維素為主；酵母的細(xì)胞壁的主要成分以葡聚糖為主；高等陸生真菌的細(xì)胞壁的主要成分以幾丁質(zhì)為主。1.酵母菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)酵母菌細(xì)胞壁的厚度為25～70nm，重量約占細(xì)胞干重的25%，主要成分為葡聚糖、甘露聚糖、蛋白質(zhì)和少量幾丁質(zhì)、少量脂質(zhì)。它們?cè)诩?xì)胞壁上自外至內(nèi)的分布次序是甘露聚糖、蛋白質(zhì)、葡聚糖。

葡糖酸酶甘露聚糖酶蔗糖酶堿性磷酸酶酯酶酵母菌CW中幾丁質(zhì)很少，在形成芽體時(shí)合成。不同種屬CW差異較大，如：裂殖酵母含葡聚糖和較多幾丁質(zhì)；點(diǎn)滴酵母CW葡聚糖為主，少量甘露聚糖。2.

絲狀真菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)有內(nèi)到外A，幾丁質(zhì)（甲殼質(zhì)）微纖維(18nm)

；B，不連續(xù)蛋白質(zhì)層(9nm)；C，糖蛋白層(49nm)；D，不定形葡聚糖層(87nm)。

AD由纖維素微纖絲呈層狀排列構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)，其余為間質(zhì)多糖（雜多糖），還含有少量的蛋白質(zhì)和脂類。雜多糖包括：褐藻酸、巖藻素和瓊脂等。3、藻類的細(xì)胞壁成分古菌的分布古菌常被發(fā)現(xiàn)生活于各種極端自然環(huán)境下，如大洋底部的高壓熱溢口、熱泉、鹽堿湖等。在我們這個(gè)星球上，古菌代表著生命的極限，確定了生物圈的范圍。熱網(wǎng)菌（Pyrodictium）能夠在高達(dá)113℃的溫度下生長(zhǎng)。隱蔽熱網(wǎng)菌Pyrodictium

occultum1977年，地質(zhì)學(xué)家對(duì)大陸漂移學(xué)說產(chǎn)生了濃厚的興趣，根據(jù)學(xué)說，太平洋板塊和南美板塊應(yīng)該有一條斷裂帶，他們制造了一個(gè)名叫阿爾文號(hào)的潛水艇，來到了赤道附近的加拉帕戈斯群島，當(dāng)下潛到2500深的海底的時(shí)候，他們被眼前的景象驚呆了：數(shù)十個(gè)高約2-5米的柱狀物正向海水中噴著黑色的煙霧，阿爾文號(hào)仿佛穿梭在

“海底工廠”之中。更讓他們驚訝的是這些黑煙囪周圍還生活著大量奇形怪狀的生物，它們生存的密度很高，儼然是一個(gè)龐大而有序的生物群落。黑煙囪是由海底地殼的裂縫制造的，大量溶解了地底金屬元素和硫化物的液體從裂縫中噴出之后，一遇到冰冷的海水就形成了濃密的黑色煙霧，這些噴發(fā)口在科學(xué)上被稱為海底熱液口。如今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了140多處這樣的噴口場(chǎng)。黑煙囪附近的生物量往往是附近深海環(huán)境中生物量的數(shù)萬倍。海底熱液高達(dá)300-400oC，而海底的平均溫度只有2攝氏度，其溫度跨度之大也可以想象。隱蔽熱網(wǎng)菌就生活在這里。古菌還廣泛分布于各種自然環(huán)境中，土壤、海水、沼澤地中均生活著古菌。很多產(chǎn)甲烷的古菌生存在動(dòng)物的消化道中，如反芻動(dòng)物、白蟻或者人類。古菌通常對(duì)其它生物無害，且未知有致病古菌。古菌的分布古細(xì)菌概念1977年由CarlWoese和GeorgeFox提出的，原因是它們?cè)?6SrRNA的系統(tǒng)發(fā)生樹上和其它原核生物的區(qū)別。這兩組原核生物起初被定為古細(xì)菌(Archaebacteria)和真細(xì)菌(Eubacteria)兩個(gè)界或亞界。Woese認(rèn)為它們是兩支根本不同的生物，于是重新命名其為古菌(Archaea)和細(xì)菌(Bacteria)，這兩支和真核生物(Eukarya)一起構(gòu)成了生物的三域系統(tǒng)。

古菌還具有一些其它特征。與大多數(shù)細(xì)菌不同，它們的細(xì)胞壁缺少肽聚糖。而且，絕大多數(shù)細(xì)菌和真核生物的細(xì)胞膜中的脂類主要由甘油酯組成，而古菌的膜脂由甘油醚構(gòu)成。這些區(qū)別也許是對(duì)超高溫環(huán)境的適應(yīng)。嗜高溫產(chǎn)水細(xì)桿菌Aquifexpyrophilius

(95℃自養(yǎng)生長(zhǎng))具有復(fù)雜的被膜質(zhì)膜(4nm)、肽聚糖(20nm)外膜(4nm)和表面蛋白(4nm)

表面蛋白為六角形晶格革蘭氏陰性嗜高溫菌

具有類似鞘的外層結(jié)構(gòu)包圍著；類似鞘的外層結(jié)構(gòu)由六角形排列的外膜蛋白組成，其功能尚不清楚，可能具有孔蛋白(Porin)功能。

極端嗜鹽菌的細(xì)胞壁

不是由胞壁酸構(gòu)成而是由高度硫酸化的雜多糖形成；特征N-乙酰氨基古洛糖醛酸的存在和氨基葡萄糖殘基被

N-氨基乙酰(甘氨酰基)取代。有的由糖蛋白S層構(gòu)成。產(chǎn)甲烷高溫菌的細(xì)胞壁擬（偽）肽聚糖(pseudopeptidoglyean)軟骨素(Methanochondroitin)糖蛋白亞單位構(gòu)成的表面(S)層S層糖蛋白593個(gè)氨基酸很高數(shù)量的異亮氨酸、天門冬氨酸和半胱氨酸在它的細(xì)胞兩端的偽肽聚糖層內(nèi)還發(fā)現(xiàn)數(shù)條通向細(xì)胞外的通道,其功能尚不清楚。

肽聚糖和偽肽聚糖的區(qū)別真細(xì)菌的肽聚糖聚糖鏈

N-乙酰葡萄糖胺---N-乙酰胞壁酸（β-1，4）擬肽聚糖N-乙酰葡萄糖胺---NacTalNA（β-1，3）（N-乙酰-L-氨基塔羅糖胺醛酸）產(chǎn)甲烷菌N-乙酰塔羅糖胺醛糖酸(N-acetyltalosominuronicacid)只有L型氨基酸3個(gè)L-型氨基酸(Glu-Ala-Lys)組成沒有N-乙酰胞壁酸熱質(zhì)體(Thermoplasma)的細(xì)胞包被臘酶糖(Glycocalyx)構(gòu)成的質(zhì)膜具有糖(主要是甘露糖)含量極為豐富的糖蛋白和糖脂以增強(qiáng)細(xì)胞質(zhì)膜的強(qiáng)度

耐輻射奇球菌(Deinococcusradiodurans)

1956年，美國(guó)科學(xué)家Anderson及其同事從經(jīng)X－射線輻射的罐裝食品中發(fā)現(xiàn)(Anderson等,1956)一種細(xì)菌.定名為

耐輻射微球菌(Micrococcusradiodurans)后來,Brook等(1981)將其定名為耐輻射奇球菌(D.radiodurans)相繼的研究發(fā)現(xiàn)，這種細(xì)菌不僅抗X射線輻射,而且對(duì)紫外線(UV)、γ射線及其它輻射和不同的化學(xué)誘變劑有極強(qiáng)的抗性。由于這種細(xì)菌極抗輻射和化學(xué)誘變劑,加之又有獨(dú)特的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)耐輻射奇球菌的細(xì)胞壁Baumeister等(1987)用三維電子顯微技術(shù)對(duì)這種細(xì)菌細(xì)胞壁的特異性觀察發(fā)現(xiàn),它具有規(guī)則對(duì)稱的表面層HPI(hexagonallypackedintermediate)層,緊密地與細(xì)胞壁結(jié)合在一起。在其外還有相當(dāng)厚而致密的糖衣透過HPI層間隙錨于外層細(xì)胞壁上,并覆蓋著HPI層。HPI層易用除污劑分離,且具有異乎尋常的抗化學(xué)干擾物的性能。聚丙烯酰胺凝膠電泳顯示,它是由多種多肽所構(gòu)成。此外,還發(fā)現(xiàn)在耐輻射奇球菌的細(xì)胞壁內(nèi)外膜之間也有肽聚糖以及一些組分尚不清楚的嵌入物.

三、細(xì)胞壁的其它用途1.

抗腫瘤：雙歧桿菌細(xì)胞壁酸成分，在體外與腫瘤組織共同培養(yǎng)，組分對(duì)K562細(xì)胞無殺傷作用，但對(duì)腫瘤組織有低殺傷作用，食道癌組織；2.最近，美國(guó)大學(xué)的研究人員報(bào)道，殺死炭疽桿菌的藥物，專一性地破壞炭疽桿菌的細(xì)胞壁。

生物膜的結(jié)構(gòu)與功能Functionandstructureofbioomembranes生物膜（bioligicalmembrane）：鑲嵌有蛋白質(zhì)和糖類（統(tǒng)稱糖蛋白）的磷脂雙分子層，起著劃分和分隔細(xì)胞和細(xì)胞器作用生物膜，也是與許多能量轉(zhuǎn)化和細(xì)胞內(nèi)通訊有關(guān)的重要部位，同時(shí)，生物膜上還有大量的酶結(jié)合位點(diǎn)。細(xì)胞、細(xì)胞器和其環(huán)境接界的所有膜結(jié)構(gòu)的總稱。

生物膜（biomembranes）是包括細(xì)胞質(zhì)膜在內(nèi)的細(xì)胞中全部膜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱。A細(xì)胞膜B腔膜C線粒體膜D消化泡（次級(jí)溶酶體）E內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜F分泌泡本節(jié)主要內(nèi)容生物膜的化學(xué)組成生物膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)的過膜運(yùn)輸信號(hào)的跨膜傳導(dǎo)生物膜的化學(xué)組成所有生物膜幾乎都是由蛋白質(zhì)和脂類兩大物質(zhì)組成。尚含有少量糖、金屬離子和水（15%-20%）一、膜脂(lipid)磷脂、少量糖脂和膽固醇的總稱，其中以磷脂為主要成分化學(xué)組成

主要是磷酸甘油二脂。甘油中第1，2位碳原子與脂肪酸酯基（主要是含16碳的軟脂酸和18碳的油酸）相連，第3位碳原子則與磷酸酯基相連。不同的磷脂，其磷酸酯基組成也不相同。

甘油磷脂（Glycerophospholipids）磷脂分子中含有親水性的磷酸酯基和親脂的脂肪酸鏈，是優(yōu)良的兩親性分子極性端非極性端極性端非極性端極性端脂雙層結(jié)構(gòu)模型糖脂也是構(gòu)成雙層脂膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。主要分布在細(xì)胞膜外側(cè)的單分子層中。

糖脂（Glycosphingolipids）半乳糖

根據(jù)在膜上的定位情況：外周蛋白內(nèi)在蛋白

膜蛋白是生物膜實(shí)施功能的基本場(chǎng)所。二、膜蛋白這類蛋白約占膜蛋白的20－30%，分布于雙層脂膜的外表層，主要通過靜電引力或范德華力與膜結(jié)合。外周蛋白與膜的結(jié)合比較疏松，容易從膜上分離出來。外周蛋白能溶解于水。外周蛋白（peripheralprotein）內(nèi)在蛋白（integralprotein）

內(nèi)在蛋白約占膜蛋白的70-80%，蛋白的部分或全部嵌在雙層脂膜的疏水層中。這類蛋白的特征是不溶于水，主要靠疏水鍵與膜脂相結(jié)合，而且不容易從膜中分離出來。內(nèi)在蛋白與雙層脂膜疏水區(qū)接觸部分，由于沒有水分子的影響，多肽鏈內(nèi)形成氫鍵趨向大大增加，因此，它們主要以-螺旋和-折疊形式存在，其中又以-螺旋更普遍?？缒さ鞍兹⒛ぬ?/p>

生物膜中含有一定的寡糖類物質(zhì)。它們大多與膜蛋白結(jié)合，少數(shù)與膜脂結(jié)合。糖類在膜上的分布是不對(duì)稱的，全部都處于細(xì)胞膜的外側(cè)。生物膜中組成寡糖的單糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等。生物膜中的糖類化合物在信息傳遞和相互識(shí)別方面具有重要作用。生物膜的結(jié)構(gòu)膜的運(yùn)動(dòng)性(1)磷脂分子的運(yùn)動(dòng)：①在膜內(nèi)作側(cè)向擴(kuò)散或側(cè)向移動(dòng)；②圍繞與膜平面垂直的軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；③圍繞與膜平面垂直的軸左右擺動(dòng)；④膜脂沿縱軸的上下振動(dòng)；⑤在脂雙層中作翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；⑥烴鏈圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)

(2)膜蛋白的運(yùn)動(dòng)1970年Frye和Edidin所做的細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)。它們用細(xì)胞融合技術(shù)將小鼠細(xì)胞和人體細(xì)胞進(jìn)行融合，并同時(shí)用不同的熒光抗體標(biāo)記各自細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)。當(dāng)兩種細(xì)胞融合形成雜核細(xì)胞后，各自特定的蛋白質(zhì)分布在各自膜表面。一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)不同的蛋白質(zhì)已均勻的分布在雜核細(xì)胞膜上。流動(dòng)鑲嵌模型脂雙分子層是細(xì)胞膜的主要結(jié)構(gòu)支架；膜蛋白為球蛋白，分布于脂雙層表面或嵌入脂分子中，有的甚至橫跨整個(gè)脂雙層；細(xì)胞膜具有流動(dòng)性；組成細(xì)胞膜的各種成分在膜中的分布是不均勻的，即具有不對(duì)稱性。質(zhì)膜是細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)運(yùn)輸交換、能量轉(zhuǎn)換與信息傳遞等重要活動(dòng)的場(chǎng)所；是許多物質(zhì)合成及中間代謝的主要步驟產(chǎn)生的部位，并通過多種途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝。例如：NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等與細(xì)胞呼吸有關(guān)；乳酸脫氫酶、糖運(yùn)輸系統(tǒng)中的酶Ⅱ等與物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)；UDP-葡萄糖水解酶、十一異戊烯醇磷酸激酶等與某些物質(zhì)的合成有關(guān)。UDP:尿苷二磷酸；uridine

diphosphate

原核生物中，膜的內(nèi)褶而形成的間體可替代真核生物中線粒體的作用，它是一種囊狀構(gòu)造，其內(nèi)充滿著層狀或管狀的泡囊，多見于G+細(xì)菌，每個(gè)細(xì)胞含一至數(shù)個(gè)。白喉?xiàng)U菌的間體

二、細(xì)胞核細(xì)胞核是原生質(zhì)內(nèi)一種重要的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，它攜帶有整個(gè)細(xì)胞的遺傳信息，實(shí)際上也是細(xì)胞內(nèi)各種生物化學(xué)與遺傳過程的控制中心。原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的主要區(qū)別在于有無完善的細(xì)胞核。在真核細(xì)胞中，核仁位于核膜中，有完整的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)；原核細(xì)胞的核沒有核膜，也沒有核仁，但仍保持其完整性，與真核生物一樣，在細(xì)胞內(nèi)擔(dān)負(fù)著遺傳和調(diào)節(jié)的功能。核內(nèi)的主要化學(xué)成分為DNA，在真核生物中，它與一些蛋白質(zhì)結(jié)合，以核蛋白的形式存在，這種核蛋白稱脫氧核糖核蛋白，簡(jiǎn)稱DNP。DNP約占核干重的70～80％，為核內(nèi)最主要的成分。此外，核內(nèi)還含有水、少量的脂類和無機(jī)鹽等，脂類主要存在于核膜中，無機(jī)鹽中含有一定量的鈣和鎂。核內(nèi)所有的生化物質(zhì)全由復(fù)雜的膜包圍。原核細(xì)胞核的化學(xué)組成比真核細(xì)胞核簡(jiǎn)單，其主要成分為DNA，還有一些非組蛋白性蛋白質(zhì)和RNA，其中蛋白質(zhì)主要是RNA多聚酶。1.DNA的結(jié)構(gòu)脫氧核糖核酸(DNA)是活細(xì)胞中極為重要的分子，攜帶著主宰細(xì)胞的全部信息。它是由許多單核苷酸聚合起來的大分子，每一個(gè)單核苷酸有三個(gè)組分：脫氧核糖、磷酸和含氮堿基。DNA有四種不同的堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶，因此構(gòu)成DNA的核苷酸也可以有四種。核苷酸的結(jié)構(gòu)四種堿基的結(jié)構(gòu)DNA分子結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的DNA分子是兩股由四種核苷酸以不同的組合型式連結(jié)而成的多核苷酸鏈，它們圍繞著一個(gè)假設(shè)的共同中軸形成雙螺旋。雙螺旋的直徑約2nm，相鄰堿基間的距離是0.34nm，每一圈螺旋含l0個(gè)堿基對(duì)。因此，在兩條鏈上的堿基順序是互補(bǔ)的，而鏈的極性卻是相反的方向，5’→3’和3’→5’，即一條鏈的3’-OH端和另一條鏈的5’-P端相鄰，DNA雙螺旋的兩條多核苷酸鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?。DNA的電子顯微鏡照片《伏羲女媧圖》脫氧核糖和磷酸為主鏈，堿基為側(cè)鏈，分子量從幾十萬～幾百萬。核苷酸是組成DNA分子的基本單位。堿基配對(duì)([A]=[T]及[G]=[C])是DNA結(jié)構(gòu)最重要的特征之一，對(duì)DNA復(fù)制的機(jī)理有深刻影響，實(shí)際上按這種配對(duì)方式，每條鏈的復(fù)制品就是它互補(bǔ)鏈的堿基順序。2.DNA的復(fù)制Meselson和Stahl用DNA同位素標(biāo)記的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了DNA的半保留復(fù)制方式。半保留復(fù)制：每條親代DNA鏈作為子鏈的模板，而新合成的子鏈以氫鍵形式結(jié)合在親代模板上。在這一合成中有DNA聚合酶參加，它們把正確順序的新核苷酸按堿基配對(duì)的規(guī)則連接到預(yù)先存在的DNA模板鏈上。這樣，每個(gè)新鏈中的堿基順序，與拷貝中的原來的鏈的堿基順序互補(bǔ)。從而產(chǎn)生了一條新的多核苷酸鏈。一套留在原細(xì)胞中，一套傳給子細(xì)胞。3.DNA分子的大小和基因組基因是指DNA分子中具有特定核苷酸順序的片段，編特定遺傳密碼的功能基因，也是基本單位（基因控制遺傳性狀）。在原核生物中，決定細(xì)胞的全部基因組通常包含在一個(gè)DNA分子中。真核生物，包括部分藻類、酵母菌和原生動(dòng)物等單細(xì)胞生物在內(nèi)，DNA分布在許多染色體中，許多噬菌體、病毒和細(xì)菌DNA的分子量已知道得很清楚。DNA的分子的大小生物或粒子分子量生物或粒子分子量多瘤病毒F質(zhì)粒T4噬菌體3.2×10662×106106×106

牛痘病毒大多數(shù)細(xì)菌酵母121×1062.0～2.6×1096×108

通常情況下，真核生物的基因組需要比單細(xì)胞的原核生物有更多的DNA。根據(jù)已測(cè)定的各種生物的基因組，從病毒和線粒體的小基因組到藻類的大基因組，其變化范圍在107～1014之間，較小的生物比起較復(fù)雜的生物有較小的基因組。因?yàn)樵谝话闱闆r下，較小的生物產(chǎn)生較少種類的蛋白質(zhì)，需要的基因數(shù)目可相對(duì)少些。據(jù)估計(jì)，大腸桿菌染色體可攜帶5000個(gè)以上的基因，可編碼幾千個(gè)不同的蛋白質(zhì)，足夠維持其復(fù)雜的生命活動(dòng)的需要。但是，由于真核生物中存在重復(fù)的DNA，因此不能根據(jù)DNA的量來計(jì)算其基因組的大小，因?yàn)榫哂兄貜?fù)順序的DNA不編碼各種蛋白質(zhì)。（二）原核微生物的核質(zhì)1.細(xì)菌的核質(zhì)細(xì)菌的微小體積和它們所存在的兩種核酸使細(xì)菌細(xì)胞核的研究帶來了一定的困難。經(jīng)典的細(xì)胞學(xué)方法與超薄切片技術(shù)的發(fā)展，終于發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的核區(qū)被卷曲的DNA雙螺旋所填滿，它們占有一定的區(qū)域。大多數(shù)原核生物和病毒的完整的DNA分子都是環(huán)狀的。環(huán)狀分子可以是共價(jià)閉合環(huán)，共價(jià)閉合環(huán)一般都是扭曲的，這樣的環(huán)稱為超螺旋。絕大多數(shù)細(xì)菌的全部基因都包含在一條環(huán)狀超螺旋的DNA分子上，環(huán)的總長(zhǎng)度約1300μm，而細(xì)菌的直徑約1μm，長(zhǎng)度2～3μm。顯然細(xì)菌細(xì)胞中的DNA分子必定是高度折疊的。細(xì)菌染色體是高度緊密的結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)包含RNA、蛋白質(zhì)和超螺旋DNA。電鏡照片顯示染色體外周的DNA環(huán)都是超螺旋形式，在染色體近中心處有一個(gè)致密的區(qū)域，稱為支架。支架的形狀因染色體而異，但長(zhǎng)度相當(dāng)恒定，約3～5μm或大致是細(xì)菌長(zhǎng)度的l～2倍。如用RNA酶、胰蛋白酶或各種去污劑處理染色體，染色體就會(huì)顯著擴(kuò)展。隨著蛋白質(zhì)的去除，染色體形式的緊密程度發(fā)生一系列變化。從各種觀察得到的結(jié)論是：通過DNA分子的不同區(qū)域與支架的結(jié)合，染色體保持緊密形式，支架是含RNA和蛋白質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。如大腸桿菌有46個(gè)超螺旋，附著在支架蛋白上。2.染色體的大分子組成在真核生物中，DNA分子一般不成環(huán)，由DNA與蛋白質(zhì)等以復(fù)雜的結(jié)構(gòu)聯(lián)系形成了染色體，染色體包含在核中，數(shù)目總是在一條以上，每條染色體上攜帶的基因數(shù)比原核生物少。細(xì)菌只有一條染色體，細(xì)菌染色體的DNA不與蛋白質(zhì)結(jié)合，DNA的負(fù)電荷可被Mg2+以及有機(jī)堿(如精胺、亞精胺和腐胺)等中和。大腸桿菌的染色體由約60～70%的DNA、30%的RNA和1%的蛋白質(zhì)組成。大腸桿菌擬核中的RNA具有使DNA保持高度濃縮狀態(tài)的功能，因?yàn)楹私?jīng)RNA酶處理后，DNA分子即展開。核中的DNA是遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，是遺傳信息的倉(cāng)庫(kù)。3.質(zhì)粒（plasmid）在細(xì)菌（或其它原核生物）中，除了染色體的DNA外，許多細(xì)菌體內(nèi)還存在一種游離于細(xì)菌核基因組外的小型閉環(huán)狀的能自主復(fù)制的DNA組分，稱為質(zhì)粒。質(zhì)粒中DNA的量占細(xì)菌染色體的0.1～0.5%。在細(xì)菌分裂時(shí)，質(zhì)?？砂殡S細(xì)菌染色體分配到子細(xì)胞并在細(xì)菌的后代中延續(xù)。質(zhì)粒DNA上具備的某些基因可令寄主菌產(chǎn)生某些具有特殊功能的蛋白質(zhì)，因而使細(xì)菌具備不同的特性。如致育性F質(zhì)粒、耐藥性R質(zhì)粒及多種的生化反應(yīng)特性等。有些質(zhì)粒具有傳遞基因的功能，它們能夠通過細(xì)胞之間的接合作用在種內(nèi)或種屬之間發(fā)生接合性傳遞；有些可通過噬菌體的轉(zhuǎn)導(dǎo)或質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)化進(jìn)行傳遞。質(zhì)粒在不同的遺傳背景的寄主菌內(nèi)受到環(huán)境因素的作用可以發(fā)生變異，不同的質(zhì)粒在同一寄主菌內(nèi)還可以發(fā)生重組，外界環(huán)境的選擇可使其不斷演變。質(zhì)粒的分子量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于染色體的分子量，大多數(shù)從細(xì)胞中分離到的質(zhì)粒DNA都處于具有麻花狀的超螺旋狀態(tài)。質(zhì)粒通常對(duì)高溫、酸(pH4.0)、堿(pHl2.5)有較強(qiáng)的抗性。質(zhì)粒雖然具有獨(dú)立自主的復(fù)制功能，但它在菌體內(nèi)與染色體的某些功能又有一定的相互依賴和相互制約的作用。染色體上基因的突變可影響F類型質(zhì)粒的復(fù)制，有的突變也可以引起某些質(zhì)?？截悢?shù)的增多。而反過來，由于質(zhì)粒容易發(fā)生變異，而且在細(xì)菌細(xì)胞間進(jìn)行基因交換，它又能影響染色體、誘發(fā)染色體、引起染色體遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。質(zhì)粒在遺傳工程學(xué)方面，具有重要意義，它可攜帶基因轉(zhuǎn)移到另一生物體內(nèi)，并組合在它的DNA或基因組中，以改變它的遺傳結(jié)構(gòu)和某種遺傳特性或創(chuàng)造出新品種，被廣泛應(yīng)用于各種基因工程領(lǐng)域中。降解性質(zhì)粒在微生物對(duì)污染物質(zhì)的降解中起著重要作用。（二）真核微生物的細(xì)胞核真核微生物的細(xì)胞核由于核膜的存在將細(xì)胞內(nèi)的原生質(zhì)分為細(xì)胞質(zhì)與核質(zhì)兩個(gè)部分，使細(xì)胞核與外界環(huán)境之間有明顯的界限。核膜為典型的膜結(jié)構(gòu)，由雙層單位膜構(gòu)成，面向胞質(zhì)的一層為核外膜，核內(nèi)膜面向核質(zhì)。兩層之間有一定的空腔，其厚度在不同的細(xì)胞中有較大的差別（20～40nm）。核膜上有一些孔洞，可讓一些物質(zhì)進(jìn)出核內(nèi)外。如RNA由核內(nèi)的DNA模板轉(zhuǎn)錄形成，一部分RNA在核內(nèi)翻譯，一部分RNA在核外翻譯，因而需要有穿過核膜的孔洞。因此，核膜在一定程度上控制著細(xì)胞質(zhì)與核質(zhì)之間持久的物質(zhì)交換，也包括遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和傳遞。核質(zhì)主要指由核膜包圍著的核液及染色體(染色質(zhì))等。核液為一些無定形基質(zhì)，包括水、各種酶類和無機(jī)鹽等，成為細(xì)胞核行使各種功能的有利內(nèi)環(huán)境。染色體在有絲分裂過程中的間期，在核中呈分散狀態(tài)，即為染色質(zhì)。不論是染色體或染色質(zhì)，真核細(xì)胞核中的DNA總是和堿性蛋白的組蛋白結(jié)合在一起，同時(shí)也有少量酸性蛋白，結(jié)合的方式可能是組蛋白的堿性基團(tuán)與DNA的酸性磷酸基團(tuán)連接，酸性蛋白質(zhì)與堿基連接。細(xì)胞核內(nèi)有一個(gè)或一個(gè)以上的核仁，核仁外面沒有膜，核仁由RNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，核仁是RNA聚集的場(chǎng)所，但RNA必然還要輸送到核外。盡管核仁中以蛋白質(zhì)成分占得多(70～80%)，但目前對(duì)核仁內(nèi)蛋白質(zhì)的代謝過程以及蛋白質(zhì)與RNA在核仁中的關(guān)系還不清楚。真核細(xì)胞核的形狀往往與細(xì)胞形狀有關(guān)，一般情況下，當(dāng)細(xì)胞體積增大時(shí)，細(xì)胞核也隨之增大。它是遺傳信息貯存場(chǎng)所，是細(xì)胞內(nèi)DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄中心，是細(xì)胞生命活動(dòng)的調(diào)控中心，任何有核細(xì)胞去掉了核便失去了其原有的生活機(jī)能。三、細(xì)胞質(zhì)及其內(nèi)含物細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)的出現(xiàn)是原生質(zhì)體分化的結(jié)果。細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)、各種細(xì)胞器之間構(gòu)成一個(gè)極為微妙、復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境。細(xì)胞質(zhì)是指膜內(nèi)除核區(qū)以外的所有半透明、膠體狀、顆粒狀物質(zhì)的總稱。它們被各種膜狀體和折疊的膜相隔，有的封閉在膜內(nèi)，有的處在內(nèi)膜系統(tǒng)之中，行使著不同的功能。膜的含水量約為80%，其余組成為蛋白質(zhì)、脂類、糖類、無機(jī)鹽和核酸等，分別以核糖體、貯藏物、酶類、中間代謝物、各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和大分子的單體形式存在，各成分的量隨不同種類的細(xì)胞而異。(一)核糖體核糖體是由RNA和蛋白質(zhì)組成的一種亞細(xì)微結(jié)構(gòu)，是合成蛋白質(zhì)的主要組成部分，在各類細(xì)胞中普遍存在。由約60%的RNA和40%的蛋白質(zhì)組成。它們是以顆粒狀態(tài)存在于細(xì)胞質(zhì)中的，直徑約15～25nm。顆粒中所含的主要成分為核糖體核糖核酸(ribosomalribonucleicacid，簡(jiǎn)稱rRNA)，它們與蛋白質(zhì)結(jié)合，以核蛋白（RNP）的形式存在，構(gòu)成了核糖體。在合成蛋白質(zhì)的過程中，核糖體是用來解讀mRNA上的堿基順序，而且在整個(gè)過程中，都結(jié)合在一起，并沿著mRNA鏈移動(dòng)，促使肽鏈的延伸。1.原核細(xì)胞的核糖體原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的核糖體在外形和功能上基本相同，然