原核細(xì)胞微生物探索微觀世界中最古老生命形式揭秘它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生物學(xué)特性課程概述原核細(xì)胞定義無(wú)核膜包圍的原始細(xì)胞分類系統(tǒng)細(xì)菌界和古菌界兩大類群課程結(jié)構(gòu)原核細(xì)胞的基本特征1簡(jiǎn)單細(xì)胞結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但功能完備2無(wú)細(xì)胞器缺乏線粒體、葉綠體等膜綁定細(xì)胞器3無(wú)核膜DNA直接懸浮在細(xì)胞質(zhì)中原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的區(qū)別原核細(xì)胞直徑0.5-5μm無(wú)膜綁定細(xì)胞器環(huán)狀DNA70S核糖體真核細(xì)胞直徑10-100μm有膜綁定細(xì)胞器線性DNA形成染色體80S核糖體原核微生物的分類細(xì)菌界種類最為豐富的微生物群體古菌界生活在極端環(huán)境的原始微生物細(xì)菌的形態(tài)球菌球形，可單個(gè)、成對(duì)或鏈狀排列桿菌桿狀，長(zhǎng)度與粗細(xì)比例各異螺旋菌螺旋狀，可彎曲或剛性結(jié)構(gòu)細(xì)菌的大小0.5-5μm平均直徑大多數(shù)細(xì)菌的典型尺寸范圍20nm最小細(xì)菌擬菌原體，能通過(guò)濾菌器750μm最大細(xì)菌納米古菌，肉眼可見(jiàn)細(xì)菌的基本結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁提供保護(hù)和形態(tài)支持細(xì)胞膜控制物質(zhì)出入的選擇性屏障細(xì)胞質(zhì)含有酶和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng)性基質(zhì)核區(qū)含有遺傳物質(zhì)但無(wú)核膜包圍細(xì)胞壁革蘭氏陽(yáng)性菌壁厚，主要成分為肽聚糖染色后呈紫色革蘭氏陰性菌壁薄，外有脂多糖層染色后呈紅色主要功能維持形態(tài)，抵抗?jié)B透壓抗生素作用靶點(diǎn)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)磷脂雙分子層嵌入蛋白質(zhì)主要功能選擇性通透，能量轉(zhuǎn)換獨(dú)特之處無(wú)類固醇，含特殊脂質(zhì)細(xì)胞質(zhì)膠體溶液含水70-80%的半流動(dòng)狀態(tài)核糖體70S結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所包涵體貯存多糖、脂滴、氣泡等酶系統(tǒng)代謝活動(dòng)的生化機(jī)器核區(qū)核區(qū)特點(diǎn)無(wú)核膜包圍，無(wú)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)基因組特點(diǎn)環(huán)狀雙鏈DNA，少量組蛋白核糖體結(jié)合轉(zhuǎn)錄與翻譯同時(shí)進(jìn)行細(xì)菌的特殊結(jié)構(gòu)鞭毛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)細(xì)長(zhǎng)絲狀，由鞭毛蛋白構(gòu)成運(yùn)動(dòng)功能旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)細(xì)菌游動(dòng)3分布類型單極、兩極、周生、叢生菌毛結(jié)構(gòu)細(xì)短管狀蛋白結(jié)構(gòu)，比鞭毛短主要功能黏附、細(xì)菌接合、感染力分布特點(diǎn)細(xì)胞表面均勻分布，數(shù)量多不同點(diǎn)不具運(yùn)動(dòng)能力，主要用于黏附莢膜組成成分多糖、蛋白質(zhì)或二者混合物保護(hù)功能抵抗吞噬細(xì)胞，抗干燥致病作用增強(qiáng)毒力，逃避免疫防御細(xì)菌的繁殖方式二分裂DNA復(fù)制后細(xì)胞等分為兩個(gè)子細(xì)胞芽殖細(xì)胞表面形成小芽，發(fā)育成子細(xì)胞分枝細(xì)胞延長(zhǎng)分枝，形成菌絲體細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線時(shí)間(小時(shí))細(xì)菌數(shù)量(對(duì)數(shù)值)影響細(xì)菌生長(zhǎng)的因素溫度最適溫度，生長(zhǎng)溫度范圍高溫滅菌，低溫保存pH值大多數(shù)在pH6-8生長(zhǎng)最佳嗜酸菌，嗜堿菌氧氣好氧，厭氧，兼性厭氧特殊氣體需求營(yíng)養(yǎng)碳源，氮源，生長(zhǎng)因子最簡(jiǎn)培養(yǎng)基，復(fù)雜培養(yǎng)基細(xì)菌的代謝類型自養(yǎng)菌利用CO?合成有機(jī)物異養(yǎng)菌利用現(xiàn)成有機(jī)物獲能兼性菌可根據(jù)環(huán)境調(diào)整代謝方式細(xì)菌的呼吸方式好氧菌必須有氧氣存在例：醋酸菌，銅綠假單胞菌厭氧菌氧氣存在時(shí)無(wú)法生長(zhǎng)例：梭菌屬，甲烷菌兼性厭氧菌有無(wú)氧氣均可生長(zhǎng)例：大腸桿菌，酵母菌微需氧菌需低濃度氧氣例：空腸彎曲菌細(xì)菌的遺傳1染色體環(huán)狀雙鏈DNA，含基本生存基因2質(zhì)粒額外遺傳元件，攜帶非必需基因3轉(zhuǎn)座子可移動(dòng)DNA片段，促進(jìn)基因變異細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化吸收環(huán)境中裸露DNA接合通過(guò)性菌毛傳遞DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體介導(dǎo)的DNA傳遞細(xì)菌的變異自發(fā)突變DNA復(fù)制錯(cuò)誤導(dǎo)致基因改變誘導(dǎo)突變物理化學(xué)因素導(dǎo)致DNA損傷基因重組來(lái)自不同來(lái)源的DNA片段組合表觀遺傳不改變DNA序列的基因表達(dá)調(diào)控4古菌的特點(diǎn)與細(xì)菌的區(qū)別細(xì)胞壁無(wú)肽聚糖含特殊類脂分子特殊tRNA和rRNA與真核生物相似性轉(zhuǎn)錄翻譯機(jī)制DNA復(fù)制方式某些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)生存環(huán)境極端溫度、pH、鹽度海洋、湖泊、土壤人體和動(dòng)物消化道古菌的分類泉古菌門嗜熱、嗜酸、還原硫廣古菌門產(chǎn)甲烷、嗜鹽古菌納古菌門較新發(fā)現(xiàn)，環(huán)境樣本分離極端環(huán)境中的古菌嗜熱古菌最適生長(zhǎng)溫度80-105°C嗜鹽古菌能在飽和鹽溶液中生長(zhǎng)嗜酸古菌pH值0-2的極酸環(huán)境生存古菌的特殊代謝產(chǎn)甲烷古菌利用CO?和氫氣產(chǎn)生甲烷硫還原古菌用硫作為電子受體氨氧化古菌參與海洋氮循環(huán)原核微生物的生態(tài)作用物質(zhì)循環(huán)分解者，養(yǎng)分釋放能量流動(dòng)光合作用，化能合成環(huán)境凈化降解污染物，水處理物種互作共生關(guān)系，寄生關(guān)系原核微生物在氮循環(huán)中的作用固氮作用將大氣氮轉(zhuǎn)化為銨離子硝化作用銨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽反硝化作用硝酸鹽還原為氮?dú)庠宋⑸镌谔佳h(huán)中的作用有機(jī)物分解死亡生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CO?甲烷產(chǎn)生厭氧條件下有機(jī)物降解產(chǎn)甲烷碳固定光合和化能自養(yǎng)固定CO?原核微生物在硫循環(huán)中的作用硫的礦化有機(jī)硫化合物分解為硫化氫硫的氧化硫化物氧化為硫酸鹽硫的還原硫酸鹽還原為硫化氫原核微生物與人類的關(guān)系有益微生物乳酸菌，根瘤菌保護(hù)腸道，固氮有害微生物炭疽桿菌，肺炎鏈球菌致病，食物腐敗中性微生物土壤常見(jiàn)菌，水體菌環(huán)境平衡，物質(zhì)循環(huán)人體微生物組定義人體各部位微生物群落總和組成細(xì)菌、古菌、真菌等多種微生物保護(hù)功能阻止病原體定植，增強(qiáng)免疫代謝功能合成維生素，消化纖維素原核微生物與疾病感染性疾病病原菌入侵引起炎癥反應(yīng)機(jī)會(huì)性感染免疫力下降時(shí)正常菌群致病毒素危害外毒素和內(nèi)毒素?fù)p傷組織常見(jiàn)的致病細(xì)菌葡萄球菌皮膚感染，食物中毒鏈球菌咽炎，猩紅熱，風(fēng)濕熱大腸桿菌腸道感染，尿路感染結(jié)核分枝桿菌肺結(jié)核，多器官結(jié)核細(xì)菌耐藥性產(chǎn)生機(jī)制基因突變，耐藥基因獲得傳播途徑質(zhì)粒轉(zhuǎn)移，接合，轉(zhuǎn)導(dǎo)防控措施合理用藥，新藥開(kāi)發(fā)原核微生物在工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)酵工業(yè)酒精，乳酸，氨基酸生產(chǎn)生物制藥胰島素，抗生素，酶制劑環(huán)境治理污水處理，土壤修復(fù)原核微生物在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用生物肥料根瘤菌固氮增肥生物農(nóng)藥蘇云金芽孢桿菌控制害蟲(chóng)生長(zhǎng)促進(jìn)劑促生根際菌產(chǎn)生植物激素原核微生物在食品工業(yè)中的應(yīng)用原核微生物在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用95%污水凈化率活性污泥法處理城市污水80%油污降解率石油降解菌處理海洋溢油70%重金屬去除微生物吸附鉛、汞等重金屬原核微生物在能源領(lǐng)域的應(yīng)用生物燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油轉(zhuǎn)化微生物燃料電池厭氧呼吸產(chǎn)生電流廢水處理同步發(fā)電生物制氫光合細(xì)菌產(chǎn)氫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫原核微生物研究方法1分子生物學(xué)技術(shù)PCR，DNA測(cè)序，基因編輯顯微鏡觀察光學(xué)，電子，熒光顯微鏡培養(yǎng)技術(shù)分離培養(yǎng)，純培養(yǎng)，富集原核微生物的分離與純培養(yǎng)平板劃線法多次劃線稀釋獲得單菌落傾注平板法稀釋樣品與培養(yǎng)基混合傾注稀釋平板法連續(xù)稀釋后涂布平板原核微生物的鑒定方法形態(tài)學(xué)鑒定菌落特征，細(xì)胞形態(tài)，染色生理生化鑒定發(fā)酵特性，酶活性測(cè)定3分子生物學(xué)鑒定16SrRNA序列，基因組分析原核微生物的計(jì)數(shù)方法平板計(jì)數(shù)法適用于活菌計(jì)數(shù)，結(jié)果為CFU/ml最大可能數(shù)法基于稀釋滅絕原理的統(tǒng)計(jì)方法直接計(jì)數(shù)法顯微鏡下直接計(jì)數(shù)，包括死細(xì)胞原核微生物的保藏方法低溫保藏-70℃超低溫，-20℃冰箱凍干保藏真空冷凍干燥，適合長(zhǎng)期保存油封保藏?zé)o菌液體石蠟油覆蓋，減少氧氣原核微生物基因工程基因克隆提取目標(biāo)基因，構(gòu)建重組DNA基因表達(dá)轉(zhuǎn)入宿主，誘導(dǎo)表達(dá)蛋白基因編輯精確修改基因序列，改變性狀CRISPR-Cas9技術(shù)在原核微生物中的應(yīng)用技術(shù)原理利用細(xì)菌的獲得性免疫系統(tǒng)1應(yīng)用領(lǐng)域功能基因研究，菌種改造2發(fā)展前景精準(zhǔn)療法，生物合成合成生物學(xué)與原核微生物最小基因組裸露支原體最小基因集人工細(xì)胞合成基因組功能模塊組裝生物傳感器環(huán)境污染監(jiān)測(cè)疾病早期檢測(cè)原核微生物組學(xué)研究1基因組學(xué)全基因組測(cè)序，功能注釋轉(zhuǎn)錄組學(xué)基因表達(dá)譜，調(diào)控網(wǎng)絡(luò)蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組成，翻譯后修飾代謝組學(xué)代謝物分析，代謝通路宏基因組學(xué)在原核微生物研究中的應(yīng)用群落分析物種組成，多樣性評(píng)估未可培養(yǎng)微生物繞過(guò)培養(yǎng)限制，獲取基因信息功能基因挖掘新酶，抗生素，活性物質(zhì)單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)在原核微生物研究中的應(yīng)用技術(shù)原理單細(xì)胞分離，全基因組擴(kuò)增，測(cè)序技術(shù)優(yōu)勢(shì)解決群體異質(zhì)性，稀有物種研究研究實(shí)例未培養(yǎng)古菌，共生微生物，稀有病原體3原核微生物與生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)資源NCBI，UniProt，KEGG序列，功能，代謝數(shù)據(jù)序列分析比對(duì)，進(jìn)化樹(shù)，基因預(yù)測(cè)功能域識(shí)別，分類注釋網(wǎng)絡(luò)分析代謝網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)通路蛋白互作，調(diào)控網(wǎng)絡(luò)原核微生物與進(jìn)化生物學(xué)細(xì)菌出現(xiàn)古菌出現(xiàn)光合作用真核生物多細(xì)胞人類原核微生物與天體生物學(xué)極端微生物嗜熱菌，耐輻射菌研究生命探索火星，木衛(wèi)二潛在微生物生物標(biāo)志物甲烷，氧氣，有機(jī)分子痕跡原核微生物研究的前沿領(lǐng)域微生物暗物質(zhì)未培養(yǎng)物種的基因功能研究群落互作微生物間通訊與協(xié)同代謝研究微生物組工程人工設(shè)計(jì)穩(wěn)定功能微生物群原核微生物研究的