第二讲 细菌分子细胞学.pdf

医细菌学附真菌学 第二讲 细菌分子细胞学 二讲 细菌分子细胞学 虽然支配非生命物质的化学和物理原理也同样支配着细菌的各种代谢过程。然 而，作为自身复制的生命本质，许多在非生物中难以发现的化学分子只存在于生命细 胞中。 大约有20 多种化学元素可以在细胞中发现，但只有氢、碳、氮、氧、磷、硫等 6 种元素大量存在于生命系统中。化学元素通过化学键构成了千变万化的分子，而仅 仅那些通过氢键和其他弱键构成的分子材料才具有重要的生物学功能。 生物大分子是以特异方式( 许多化学单体结合而成多聚体)构成细胞的 建筑材 料”，重要的生物大分子是核酸、蛋白质、多聚糖和类脂等。其中化学立体异构对生 命具有重要意义。同时，作为生命过程固有的不对称性与不具这一特性的非生命化学 过程是完全不同的。 细菌细胞表面存在一组复杂的结构，包围着细菌细胞胞浆膜， 于其中许多成分 与外界环境相接触，所以称为细菌细胞表层结构，它包括S 层、外膜蛋白、细胞壁、 鞭毛、荚膜及革兰氏阴性菌的菌毛和革兰氏阳性菌微毛结构 （Fibrillae ），如金黄色葡 萄球菌蛋白A 及链球菌M 蛋白等。 近年来，对细菌表层结构的化学组成及物理构造的认识有了较大的发展，随着对 结构了解的深入。对其结构的机能和生物活性，特别是细菌表层结构与感染致病的关 系有了许多新的认识，在感染性疾病的防治上，提出了一些新的有希望的措施。 一、细菌S 层 细菌 S 层（Bacterial surface layers，S-layer ）曾被称为结晶表层（Crystalline surface layers ）蛋白排列或类结晶表层蛋白排列，是新近发现的一种细菌表层结构，位于细 菌表面的最外层，完整地包裹着细菌的菌体。它与荚膜及外黏液层一样，构成了细菌 与外界环境之间的一道屏障。目前已在 250 余种细菌中发现了 S 层。所有细菌的 S 层都是由蛋白或糖蛋白亚单位有规则排列起来的一种晶格样结构，其蛋白质的化学性 质基本相似。可归属同一类。 （一）超微结构 甘肃农业大学·动物医学院预防 医系·伏小平 1 医细菌学附真菌学 第二讲 细菌分子细胞学 电子显微术是研究细菌S 层超微结构中最常用的技术，而电子计算机图象模拟分 析则为S 层的结构学研究提供了一种全新的方法。在电镜下，S 层蛋白亚单位的排列 极为整齐且有规则，可以认为是一种结晶或类结晶。其排列的对称形式有六边形（P6 ）， 四边形 （P4 ）或线状 （P2 ）等晶格，而P6 、P4 和P2 晶格的形态单位分别含有6 、4 和2 个结构单位 （单体）。每两个晶格中心之间的距离为5~32nm 。 于 S 层的晶格 样性质，它表现为规则的多孔结构。不同的细菌，其晶格中孔洞的大小亦不相同，其 直径一般为 2~6nm ，孔积率（Porosity，指孔洞面积占整个面积的比例）大约为30~70 ％。同时，许多细菌S 层外表平整，但内表面则与其下层的肽聚糖、外膜蛋白或脂多 糖相连，具有一定的结构。 （二）化学组成 在革兰氏阳性菌中，S 层连接在肽聚糖上，而在革兰氏阴性菌中，S 层则与外膜 蛋白或脂多糖相连。然而这些连接都是通过氢键、离子键及疏水作用等非共 方式完 成的。在自然界，S 层对细菌的生存至关重要。但是在实验条件下， 于没有选择压 力，细菌常丢失S 层，在肉汤中传代尤其如此。因此新分离的细菌较易分离到S 层， 抽提S 层的方法有使用去污剂、金属离子螫合剂，改变pH 或离子强度等。 绝大多数S 层都是由单一的同源性蛋白质或糖蛋白组成，分子量为40~200KDa 。 而这种分子量的差异是 于蛋白降解所致，部分是因为糖基化程度不同。不论何种细 菌，其S 层的氨基酸组成非常相似，单体含有高比例的酸性氨基酸和疏水性（非极性） 氨基酸，极少或不含硫氨基酸（无胱氨酸残基），因此 S 层的pH 呈酸性，具有显著 的疏水性。至于它的二级结构，目前仅知有少量的 α-螺旋结构 （＜2 ％~14 ％），β-折 叠结构占25 ％~30 ％，而随机卷曲折叠