ch09 細菌的構造生長與代謝

1

Ch 09 Bacterial structure,

Growth and Metabolism

Ted Lin

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Outline

• I. Overview

• II. Morphology

• III. The cell envelope

• IV. The Cytoplasm

• V. Sporees and Sporulation

• VI. Growth and Metabolism

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I. Overview

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Prokaryotic and Eukaryotic cell

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Typical structure of a bacterial cell

Pili

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II. Morphology

• 1.Cell shape

• 2.Size

• 3.Aggregation properties

• 4.Staining properties

• 5.Imaging methods

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II. Morphology—

1.cell shape

• Spherical forms

• Rod-like forms

• Spiral and cured forms

FIG.9.2 典型細菌與聚集情形 P102

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II. Morphology--1.cell shape

Single

Diplobacilli

Streptobacilli

Spirochete

Spirillum

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II. Morphology-- 2.size

• ㄧ般大小 1~5 m in length

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II. Morphology-- 3. 聚集的特性Aggregation properties

Division in three planes

Division in one plane

Division in two planes Division in multiple planes

Diplococci

Streptococci

Tetrads

Sarcinae

Staphylococci

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II. Morphology-- 4. 染色特性stanning properties

• 細胞壁結構不同造成染色結果的差異 • 常用染色法

1. 革蘭染色法 (Gram stain)2. 抗酸染色法 (Acid-fast stain)3. 複染法 (Counterstains)

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II. Morphology-- 5. 觀察方式 (Imaging methods)- Gram stain

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II. Morphology-- 5.imaging methods- Acid-fast stain

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II. Morphology-- 5.imaging methods- 複染 (Counterstains) 用以對比

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II. Morphology-- 5. imaging methods Microscopy

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–Specimen was stained with fluorescent dyes

–To connect with computer to construct three-dimensional images

II. Morphology-- 5. imaging methods

Confocal microscopy ( 共軛焦點顯微鏡 )

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-Two types: Epifluorescence and Transmission Fluoresence microscopes

–檢體以螢光染料 (fluorochromes) 染色–Fluorochromes 對不同細菌的吸附性不同

Morphology—5.imaging methods-

Fluorescence microscopy螢光顯微鏡

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Morphology—5.imaging methods

EM

• 電子顯微鏡

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III. The Cell envelope 細胞封

• 1. 細胞壁 (Cell wall)

• 2. 細胞漿膜 (The cell membrane) (Cytopalsmic membrane)

• 3. G+ 與 G- species 的差異• 4. 莢膜與糖盞 (The external Capsules and Glycocalyx )

• 5. 附屬構造 (Appendages)

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III. The Cell envelope—

1.cell wall

• 最重要的成分 : 胜肽聚糖 (Peptidoglycan)聚糖的成分是 : N- 乙醯胞壁酸 (N-acetylmuramic acid (NAM)) N- 乙醯葡萄糖胺 (N-acetylgucosamine(NAG)) 胜肽的部份是 :短鏈氨基酸 (PEP)

• Peptidoglycan 的功能 :1. 決定細菌的形狀2. 防止細胞脹破

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III. The Cell envelope—1.Cell wall

圖 9.4 Peptidoglycan 結構 P104

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III. The Cell envelope-Peptidoglycan 結構—

REF N- 乙醯胞壁酸與 N- 乙醯葡萄糖胺

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III. The Cell envelope—Cell wall

REF Peptidoglycan 結構

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III. The Cell envelope—

1.G+ 與 G- 細胞壁的比較

G+ 與 G- 菌細胞封之比較簡圖

G(+)

G(-)

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III. The Cell envelope—1.Cell wall

Fig9.6G(+) 與 G(-) 細胞壁的比較圖

膜層間隙Periplasmicspace

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III. The Cell envelope—1.Cell wall

G+ cell walls

1. 具有多層 peptidoglycan

2. 具有台口酸 ( 胞壁酸)(Teichoic acids)

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III. The Cell envelope—Cell wall

G- 細胞壁– 具有內膜與外膜

–只有 1層或數層 peptidoglycan

–無台口酸 ( teichoic acid) ，以脂蛋白 (Lipoproteins) 將 Peptidoglycan 與外膜連接 ,

–膜層間隙 (periplasmic space): 位於內外膜之間含有酵素及運輸蛋白等其他物質

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III. The Cell envelope—

2.The cell membrane• 細胞膜由磷脂質 (Phospholipid) 構成脂雙層 (Li

pid bilayer)

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III. The Cell envelope—

2.The cell membrane 構造圖

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III. The Cell envelope—

細胞膜的功能• Permeability barrier:限制進出細胞的分子種類與量

• Permeability selective:自由進出 : 氣體及脂溶性分子限制進出 : 帶電或大分子

• Porins( 孔道蛋白 ) – 幫助選擇進出物質

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III. The Cell envelope—Cell wall

外膜– 含有脂多醣 (Lipopolysaccharide)

– 多糖部分稱為 O-polysaccharides ， 具有抗原性可藉以鑑別菌種等

– 脂質稱為脂肪 A (lipid A) ，是一種內毒素 (endotoxin)

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G- 菌的細胞封

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III. The Cell envelope—

4. The external capsule and glycocalyx

糖盞 (Glycocalyx):

• 包圍於細菌細胞外物質的通稱• 通常為 polysaccharide 類之黏稠物質** 但 Bacillus anthracis 的糖盞為多麸氨酸 (poly-D-glutamic acid)

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III. The Cell envelope— 4.Capsule, Slime layer and EPS

• 莢膜 (Capsule): 緊密包覆，有固定結構• 黏液層 (Slime layer): 鬆散分布• 糖盞 (Glycocalyx)(Extracellular

polysaccharide (EPS)) – 糖類所構成的

功能 :1. Capsules 可逃避吞噬，為ㄧ種毒力因子2. EPS 具有附著性

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III. The Cell envelope—

4.Capsule and Glycocalyx 參考圖

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III. The Cell envelope—

5.Appendages

• 1. 鞭毛 (flagella)

• 2. 纖毛 (pili )

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III. The Cell envelope- 5.Appendages-flagella

鞭毛 (Flagella)

Lophotrichous

Monotrichous

Amphitrichous

Peritrichous

鞭毛的排列 特性 :具有抗原性

功能 :運動

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III. The Cell envelope- 5.Appendages-flagella Flagella 的轉動構造

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III. The Cell envelope-5. Appendages-

鞭毛的轉動

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III. The Cell envelope— 5.Appendages

REF 鞭毛 flagella• Long, semi-rigid, helical, hollow tubular str

ucture

• composed of molecules of the protein called flagellins

• the basal body, to which the hook is anchored and which imparts motion to the flagellum

• highly antigen

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III. The Cell envelope- 5.Appendages

纖毛 Pili • 亦稱 Fimbriae ，比

鞭毛短而細• 存在 :某些 G(-) 菌；• 功能 :

附著，有性生殖

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IV. The cytoplasm

• 1. The Nucleoid

• 2. Ribosomes

• 3. Plasmids

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IV. The cytoplasm

• Envelope 所包圍的複雜混合物內容 :

1. 不定型液體2. 溶解或懸浮的代謝產物 , 酵素 , 離子 ,核糖體 , 質體 , 貯存顆粒以及類核體。

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IV. The cytoplasm--

1. 類核體 (The nucleoid)

• 雙股 DNA 單一環狀染色體 (chromosome)

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IV. The cytoplasm–

2. 核糖體 (Ribosomes)

• 存在 : prokaryotic 與 eukaryotic 都有。• 功能 :可將胺基酸聚合 (polymerization) 成為多胜鏈 (polypeptide)

• 原核與真核細胞核糖體之差異 Bacterial 70S Eukaryotic 80S

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IV. The cytoplasm–

2. 核糖體 (Ribosomes) 的組成• 圖 09-0

8 P107

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REF The aminoglycosides

• streptomycin, neomycin, tobramycin, gentamicin, amikacin, etc 等可與 30S subunit 結合使 tRNA 無法從 A-site 移到 P-site, 因而阻止polypeptide chain 的 elongation.

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IV. The cytoplasm–

3. 質體 (Plasmids)

成分 :是ㄧ小段雙股 DNA,

特性 :

1. 可自行複製 (replicating)

2. 非細菌所必須3. 可增進細菌維生能力4. 與細菌的致病性及抗藥性有關

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Plasmid 參考圖

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V. 孢子與孢子形成(Spores and Sporulation)

• 孢子的存在 :1. 發生於一些 G+ 菌，2. 於細胞內形成。3. 可釋出成為游離孢子。

• 孢子的功能 :抵抗惡劣環境 : 抗熱、抗乾燥、抗 UV 以及抗化學藥物。

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Ca+2

V. Spores 的參考圖

52

V. Spores and Sporulation—

內孢子的形成

• 圖 9.9P108

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V. Spores and Sporulation—

臨床常見產孢子細菌 圖 9.10

Bacillus cereus

Bacillus anthracis

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VI. 細菌的生長 (Cell growth)

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Stages of the bacterial growth cycle

Lag phase

Stationary phase

Death phase

Log phase

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Cell growth- 測量的方法 Cell count: microscopic ob

servation; flow cytometer (direct)

Colony formation: Measure the living cell (direct)

Biomass determination: dry weight; essential cell component (indirect)

Turbidity (indirect)

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Surface growth

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B. Growth reguirements • 營養 (Nutrients)• 酸鹼值 (pH):

neutrophils( 嗜中 ) , acidophils ( 嗜酸 ), alkalophils ( 嗜鹼 )

• 溫度 (Temperature): psychrophils ( 嗜冷 ); mesophils ( 嗜溫 ); themophils ( 嗜熱 )

• 空氣 (Aeration)• 滲透壓 (osmotic pressure):

halophils( 嗜鹽 ), osmophils

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C. 細菌如何產生能量

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細菌分類 - 依產能的方法

1.需氧呼吸 (Aerobic respiration)以 O2為產能過程最終電子接受者。

2.厭氧呼吸 (Anaerobic respiration)以無機分子 ( 如硝酸鹽等 ) 為產能過程最終電子接受者。

3.發酵作用 (Fermentation)以有機代謝中間產物 ( 如丙酮酸等 ) 為產能過程最終電子接受者。

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細菌分類 - 依對 O2 的需求 需氧菌 (Aerobe) 厭氧菌 (Anaerobe) 微需氧菌 (Microaerophile ) 兼性厭氧菌 (Facultative anaerobe) 耐氧厭氧菌 (Aerotolerant) 嗜 CO2 菌 (Capneic microbe): An organism

that requires 3 to 10% CO2 for growth

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D. 細胞壁的合成 ( 略 )

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The End