微生物学教案 第三章 微生物细胞的结构与功能 - 图文

皮层(cortex)在芽孢中占有很大体积（36%～60%），内含大量为芽孢皮层所特有的芽孢肽聚糖，其特点是呈纤维束状、交联度小、负电荷强、可被溶菌酶水解。此外，皮层中还含有占芽孢干重7%～10%的吡啶二羧酸钙盐（calcium picolinate, DPA-Ca），但不含磷壁酸。皮层的渗透压可高达20个大气压左右，含水量约70%，略低于营养细胞（约80%），但比芽孢整体的平均含水量（40%左右）高出许多。芽孢的核心（core）又称芽孢原生质体，由芽孢壁、芽孢质膜、芽孢质和核区四部分组成，它的含水量极低（10%～25%），因而特别有利于抗热、抗化学药物（如H2O2），并可避免酶的失活。除芽孢壁中不含磷壁酸以及芽孢质中含DPA-Ca心中的其他成分与一般细胞相似。图3-14示芽孢特有的芽孢肽聚糖和吡啶-2,6-二羧酸钙盐的分子构造。

图3-14 芽孢特有的肽聚糖和DPA-Ca的分子构造

（3）芽孢形成(sporulation, sporogenesis)

产芽孢的细菌当其细胞停止生长即环境中缺乏营养及有害代谢产物积累过多时，就开始形成芽孢。从形态上来看，芽孢形成可分七个阶段（图3-15）：

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外，核①DNA浓缩，束状染色质形成；

②细胞膜内陷，细胞发生不对称分裂，其中小体积部分即为前芽孢（forespore）； ③前芽孢的双层隔膜形成，这时芽孢的抗辐射性提高；

④在上述两层隔膜间充填芽孢肽聚糖后，合成DPA，累积钙离子，开始形成皮层，再经脱水，使折光率增高；

⑤芽孢衣合成结束；

⑥皮层合成完成，芽孢成熟，抗热性出现；

⑦芽孢囊裂解，芽孢游离外出。在枯草芽孢杆菌中，芽孢形成过程约需8h，其中参与的基因约有200个。在芽孢形成过程中，伴随着形态变化的还有一系列化学成分和生理功能的变化（

见

图

3-16

）

。

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图3-15 芽孢形成的七个阶段

图3-16 好氧芽孢杆菌在芽孢形成过程中的形态与生理变化

（4）芽孢萌发(germination)

由休眠状态的芽孢变成营养状态细菌的过程，称为芽孢的萌发，它包括活化(activation)、出芽(germination)和生长(outgrowth)三个具体阶段。在人为条件下，活化作用可由短期热处理或用低pH、强氧化剂的处理而引起。例如，枯草芽孢杆菌的芽孢经7天休眠后，用60℃处理5min即可促进其发芽。当然也有要用100℃加热10min才能促使活化的芽孢。由于活化作用是可逆的，故处理后必须及时将芽孢接种到合适的培养基中去。有些化学物质可显著促进芽孢的萌发，称作萌发剂(germinants)，例如L-丙氨酸、Mn、表面活性剂(n-十二烷胺等)和葡萄糖等。相反，D-丙氨酸和重碳酸钠等则会抑制某些细菌芽孢的发芽。发芽的速度很快，一般仅需几分钟。这时，芽孢衣中富含半胱氨酸的蛋白质的三维空间结构发生可逆性变化，从而使芽孢的透性增加，随之促进与发芽有关的蛋白酶活动。接着，芽孢衣上的蛋白质逐步降解，外界阳离子不断进入皮层，于是皮层发生膨胀、溶解和消失。接着外界的水分不断进入芽孢的核心部位，使核心膨胀、各种酶类活化，并开始合成细胞壁。在发芽过程中，为芽孢所特有的耐热性、光密度和折射率等特性都逐步下降，DPA-Ca、氨基酸和多肽逐步释放，核心中含量较高的可防

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2+

止DNA损伤的小酸溶性芽孢蛋白（SASPs, small acid-soluble spore proteins）迅速下降，接着就开始其生长阶段。这时，芽孢核心部分开始迅速合成新的DNA、RNA和蛋白质，于是出现了发芽并很快变成新的营养细胞。当芽孢发芽时，芽管可以从极向或侧向伸出，这时，它的细胞壁还是很薄甚至不完整的，因此，出现了很强的感受态（competence）——接受外来DNA而发生遗传转化的可能性增强了。 有关芽孢和营养细胞特点的比较可见表3-3。

表3-3 营养细胞和芽孢特点的比较 特 点 外形 外包被层次 折光率 含水量 染色性能 含Ca量 含DPA 含SASPs 含mRNA量 细胞质pH 酶活性 代谢活力 大分子合成 抗热性 抗辐射性 营 养 细 胞 一般为杆状 少 差 高（80%～90%） 良好 低 无 无 高 ~7 高 强 强 弱 弱 芽 孢 球状或椭圆状 多 强 低（核心为10%～25%） 极差 高 有 有 低或无 ~5.5~6.0（核心） 低 接近O 无 极强 强 强 抗性 长或极长 抗酸或化学药剂 弱 对溶菌酶 保藏期 （5）芽孢的耐热机制

敏感 短 关于芽孢耐热的本质至今尚无公认的解释。较新的是渗透调节皮层膨胀学说

(osmoregulatory expanded cortex theory)，由于它综合了不少较新的研究成果，因此有一定的说服力。该学说认为，芽孢的耐热性在于芽孢衣对多价阳离子和水分的透性很差和皮层的离子强度很高，从而使皮层产生极高的渗透压去夺取芽孢核心的水分，其结果造成皮层的充分膨胀，而核心部分的细胞质却变得高度失水，因此，具极强的耐热性。从皮层成分来看，它含有大量交联度低（～6%）、负电荷强的芽孢肽聚糖，它与低价阳离子一起赋予皮层的高渗透压特性，从而使皮层的含水量增高，随之增大了体积（图3-17）。由此可知，芽孢整体的含水量少，

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