《原核细胞的》课件

原核细胞原核细胞是生物进化史上最早出现的细胞类型，在地球上已经存在了约35亿年它们是地球上数量最多的生物群体，几乎遍布于地球的每一个角落，从深海热液喷口到高空大气层，从极地冰层到沙漠深处原核生物在生态系统和人类生活中具有极其重要的地位它们不仅是物质循环的重要参与者，还为人类提供了丰富的生物资源，同时也是现代生物技术发展的重要基础课程目标1了解原核细胞在进化史上的地位2掌握原核生物的基本结构特征掌握原核生物作为最早生命形式的重要意义，理解它们在生深入理解原核细胞的各个组成部分，包括细胞壁、细胞膜、物进化中的关键作用，以及对现代生物多样性形成的贡献遗传物质等结构的特点和功能3比较原核细胞与真核细胞的异同4理解原核生物的多样性及其生态意义通过对比分析，明确两种细胞类型在结构、功能和生理过程认识原核生物的丰富种类和它们在维持生态平衡、物质循环上的本质差异中的重要作用内容导航1第一部分原核细胞的发现与研究历史2第二部分原核细胞的基本特征3第三部分原核细胞的细胞结构4第四部分原核生物的多样性5第五部分原核生物的生态作用原核生物的发现历史年微生物的首次观察1674荷兰科学家列文虎克使用自制的显微镜首次观察到微生物，开启了微生物学研究的序幕他观察到的小动物实际上就是细菌和原生动物年细胞学说的建立1838德国植物学家施莱登和动物学家施旺提出细胞学说，确立了细胞是生物体的基本结构和功能单位这一重要概念年微生物存在的证实1860法国微生物学家巴斯德通过著名的鹅颈瓶实验证实了微生物的存在，推翻了自然发生说，为现代微生物学奠定了基础年代超微结构的揭示1930电子显微镜的发明使科学家能够观察到细胞的超微结构，为区分原核细胞和真核细胞提供了重要的技术支持原核生物与真核生物的区分年原核生物概念的提出1937法国微生物学家查特夫首次提出原核生物的概念，认识到某些微生物与其他生物在细胞结构上存在根本差异，缺乏被膜包围的细胞核年正式区分体系的确立1962美国微生物学家斯塔尼尔和范·尼尔正式确立了原核生物与真核生物的区分标准，这一分类体系至今仍被广泛采用现代认知的深化通过分子生物学和比较基因组学研究，科学家们进一步发现原核生物和真核生物在基因表达、蛋白质合成等分子机制上也存在显著差异原核细胞的定义无核膜包围的细胞核原核细胞最显著的特征是缺乏由双分子膜包围的真正细胞核，其核区域称为拟核或核区遗传物质直接存在于细胞质DNA分子直接分布在细胞质中，与细胞质中的其他成分直接接触，没有核膜的分隔代表生物群体主要包括细菌和蓝藻（现称蓝细菌），这两大类生物构成了原核生物的主体原核细胞的基本特征

（一）细胞尺寸特征核区结构核糖体特征原核细胞的体积通常很小，直径一般没有成形的细胞核，核区DNA裸露在含有70S核糖体（由50S大亚基和30S在

0.5-5微米之间，这使得它们具有较细胞质中，与周围的核糖体、酶类等小亚基组成），明显小于真核细胞的大的表面积与体积比，有利于物质交细胞成分直接接触，这种结构使得基80S核糖体，这一差异是抗生素选择换和代谢活动的进行因表达调控更加直接高效性杀菌的重要基础原核细胞的基本特征

（二）细胞器缺失简单分裂方式缺乏被膜包围的细胞器，如细胞分裂采用简单的二分裂线粒体、叶绿体、内质网、方式，没有复杂的有丝分裂高尔基体等所有的生化反过程DNA复制完成后，细应都在细胞质或细胞膜上进胞直接一分为二，整个过程行，这种简化的结构提高了快速高效代谢效率基因组结构基因组通常为单一的环状DNA分子，基因结构相对简单，大多数基因不含内含子，基因表达调控主要在转录水平进行原核细胞与真核细胞对比

（一）比较项目原核细胞真核细胞细胞尺寸

0.5-5μm（较小）10-100μm（较大）细胞核无核膜，DNA裸有核膜包围露膜性细胞器无有（线粒体、内质网等）核糖体类型70S80S原核细胞与真核细胞对比

（二）组织形式DNA鞭毛结构原核环状分子，与少量蛋白结合原核简单蛋白质纤维细胞壁组成基因表达调控真核线性分子，与组蛋白真核复杂的9+2微管结构紧密结合形成染色质原核肽聚糖原核主要在转录水平真核多样化（纤维素、几真核转录、转录后、翻译丁质等）等多水平调控2314原核细胞的细胞壁肽聚糖主体1细胞壁的主要成分革兰氏阳性菌2多层肽聚糖，厚度20-80nm革兰氏阴性菌3薄层肽聚糖+外膜结构保护支持功能4维持细胞形状，抵抗渗透压革兰氏染色法历史发明11884年由丹麦细菌学家Hans ChristianGram发明染色原理2基于细胞壁结构差异的染色反应机制结果判读3阳性菌呈紫色，阴性菌呈红色或粉红色革兰氏阳性菌厚壁结构染料保留细胞壁厚度达20-80nm，由多层肽聚能够保留结晶紫-碘复合物，在显微糖构成，结构致密坚固镜下呈现紫色抗生素敏感性代表菌种多数对青霉素类抗生素敏感，但也存包括葡萄球菌、链球菌、芽孢杆菌等在耐药株重要细菌类群革兰氏阴性菌薄壁特征肽聚糖层仅2-7nm厚，但具有独特的外膜结构，形成双膜系统，增强了细胞的复杂性和功能多样性外膜组成外膜含有脂多糖成分，这种结构不仅影响细胞的渗透性，还是细菌毒力的重要因子，参与宿主免疫反应典型代表包括大肠杆菌、沙门氏菌、铜绿假单胞菌等，这些细菌在医学和生物技术领域都具有重要意义抗生素抗性外膜结构增加了对多种抗生素的抗性，使得革兰氏阴性菌感染的治疗更加复杂和困难原核细胞的细胞膜基本结构脂质成分差异蛋白质含量由磷脂双分子层和嵌不含胆固醇，这与真膜蛋白约占细菌基因入的蛋白质构成，形核细胞膜的重要区组编码蛋白的30%，成选择性透过的屏别糖脂含量约占膜体现了细胞膜功能的障，控制物质进出细脂总量的5%以下重要性和复杂性胞细胞膜的功能选择性屏障精确控制物质进出细胞能量转换进行呼吸和光合作用信号传递感知外界环境变化稳态维持维持细胞内环境稳定原核细胞的遗传物质核区结构主要辅助遗传元件DNA核区（拟核）是原核细胞中DNA集中通常含有一个主要的环状DNA分子，除主染色体外，还可能含有质粒等额的区域，没有核膜包围，DNA分子与称为细菌染色体，携带细胞生存和繁外的小型环状DNA分子DNA与少量细胞质直接接触这种开放式结构使殖所必需的基本遗传信息这种环状碱性蛋白结合，形成相对紧密的核糖得基因转录和翻译可以同时进行，提结构有利于DNA的稳定性和复制核蛋白复合体高了基因表达的效率原核生物的基因组

0.5-1090%基因组大小基因密度Mb，远小于真核生物基因组基因占基因组的比例很高5%内含子比例几乎无内含子结构原核生物基因组具有高度紧密的组织结构，基因间区域很短，操纵子结构普遍存在，使得多个功能相关的基因可以协调表达水平基因转移现象在原核生物中非常普遍，这是它们快速适应环境变化的重要机制质粒独立复制特性非必需基因携带质粒是能够自主复制的环状质粒通常不携带细胞生存必DNA分子，具有独立的复制需的基因，而是携带一些在起点，可以在宿主细胞中稳特定条件下有用的基因，如定存在和传代这种自主性抗生素抗性基因、毒力基因使得质粒成为基因工程的理或代谢特殊化合物的基因想载体生物技术应用由于其独立复制和易于操作的特性，质粒被广泛用作基因工程的载体，用于基因克隆、蛋白质表达和基因治疗等应用原核细胞的核糖体1核糖体组成70S由50S大亚基和30S小亚基组成，总沉降系数为70S2蛋白质合成功能是细胞内蛋白质合成的主要场所，将mRNA信息翻译成蛋白质3与真核细胞差异明显小于真核细胞的80S核糖体，在结构和组成上存在显著差异4抗生素作用靶点许多抗生素特异性作用于70S核糖体，实现选择性杀菌效果原核细胞的鞭毛简单蛋白组成旋转马达机制1主要由鞭毛蛋白构成的单一纤维结构基部有复杂的分子马达，可驱动鞭毛旋转结构简单性运动功能不同于真核细胞复杂的9+2微管结构用于细胞游泳和趋向性行为纤毛与菌毛纤毛特征较短的鞭毛样结构，主要用于细胞运动，数量通常比鞭毛多，分布在细胞表面各处，协调摆动产生推进力菌毛结构比鞭毛更细的丝状结构，不参与运动功能，而是专门用于细胞粘附和遗传物质交换等特殊功能功能多样性菌毛具有多种功能，包括细胞粘附到宿主表面、DNA交换、某些种类还参与固氮过程中的电子传递菌毛特殊性FF菌毛在细菌接合过程中起关键作用，形成细胞间的桥梁，允许遗传物质从供体细胞转移到受体细胞荚膜与黏液层荚膜结构黏液层特征保护功能荚膜是细胞壁外的致密多糖或蛋白质黏液层是松散的多糖网络结构，比荚两者都能保护细胞抵抗干燥、噬菌体外层，结构相对固定，厚度均匀荚膜更加疏松，容易脱落它主要由胞感染和宿主免疫系统的攻击在医学膜通常具有特定的抗原性，可用于细外多糖组成，为细胞提供额外的保护上，荚膜的存在往往与细菌的致病性菌的血清学分型层增强相关内膜系统紫膜系统某些古菌含有视紫红质的特殊膜结构，能够利用光能进行ATP合成，是一种独特的光能利用方式类囊体膜光合细菌和蓝细菌具有类囊体膜系统，是光合作用进行的场所，含有光合色素和电子传递链组分特殊脂类嗜甲烷古菌的细胞膜含有独特的异戊二烯醚脂类，这种特殊的膜脂组成使其能适应极端环境原核细胞的细胞分裂复制启动DNA环状染色体在复制起点开始复制，两个复制叉双向进行，整个过程高度协调且快速完成隔膜形成DNA复制完成后，细胞中央开始形成隔膜，将细胞逐渐分割成两个相等的部分细胞分离隔膜完全形成后，两个子细胞完全分离，每个子细胞都含有完整的遗传物质和细胞器整个过程最快可在20分钟内完成原核生物的分类

（一）三域系统1现代生物分类的顶层古菌界2极端环境的原核生物细菌界3最常见的原核生物类群真核生物域4具有膜包围细胞核的生物原核生物的分类

（二）形态学分类基于细胞形状球菌、杆菌、螺旋菌等基本形态类型生理生化分类根据代谢特征好氧/厌氧、产酸/不产酸、酶活性等生理特征分子分类学3基于16S rRNA序列分析的现代分类方法，更准确反映进化关系细菌的形态多样性细菌形态的多样性反映了它们对不同环境的适应球菌适合营养丰富的环境，杆菌形状有利于运动和营养吸收，螺旋菌的螺旋形状使其能在粘稠介质中有效游泳分支状细菌如放线菌则能更好地利用固体基质上的营养古菌的特征细胞壁特殊性膜脂独特性细胞壁不含肽聚糖，而是由假肽聚糖或蛋白质构成，这种膜脂为异戊二烯醚类化合物，具有支链结构，这种特殊的结构使其能抵抗极端环境的破坏作用膜脂组成提供了极强的稳定性分子机制相似性极端环境适应转录和翻译机制与真核生物更加相似，表明古菌在进化上多数生活在高温、高盐、强酸或强碱等极端环境中，展现更接近真核生物的祖先了生命的极限适应能力古菌的主要类群嗜盐古菌产甲烷古菌适应高盐环境（2M NaCl）利用H2和CO2产生CH4嗜热古菌·盐湖生态·厌氧消化嗜酸古菌·盐田环境·沼气生产适应80°C以上高温环境pH3环境中生存·紫膜光能利用·反刍动物胃中·温泉栖息·酸性矿山·海底热液喷口·硫磺环境·地热发电应用·金属提取细菌的营养类型营养类型碳源能源典型代表光能自养CO2光能蓝细菌、紫色细菌化能自养CO2化学能硝化细菌、硫细菌光能异养有机物光能某些紫色细菌化能异养有机物化学能大肠杆菌、枯草杆菌光合细菌蓝细菌特征紫色细菌绿色细菌含有叶绿素a和藻蓝蛋白，能进行产氧含有细菌叶绿素，进行不产氧光合作同样含有细菌叶绿素，不产氧光合作光合作用，与植物光合作用机制相用，需要外界电子供体如硫化氢它用，但光合机制与紫色细菌略有不似它们在地球大气含氧量的提高过们通常生活在光照充足但氧气稀少的同它们在古代海洋生态系统中可能程中发挥了关键作用水体环境中发挥了重要作用蓝细菌的特殊性产氧光合作用固氮能力类囊体膜系统能够分解水分子产某些种类能够固定具有发达的类囊体生氧气，是地球大大气中的氮气，转膜系统，类似叶绿气中氧气的主要来化为生物可利用的体的结构，是光合源，改变了地球的氨，在氮循环中发作用进行的场所大气组成和生态环挥重要作用境地球演化意义在地球大气演化过程中起关键作用，是从无氧大气向有氧大气转变的主要推动力放线菌独特形态特征抗生素生产形成分支菌丝体的革兰氏阳是重要的抗生素来源，约性菌，菌丝直径约1微米，70%的天然抗生素来自放线形成复杂的菌丝网络能产菌著名的链霉素、氯霉生气生菌丝和孢子，类似真素、四环素等都是放线菌的菌但本质上仍是细菌代谢产物生态学意义在土壤生态系统中作为重要的分解者，能够分解纤维素、木质素等复杂有机物，促进有机物循环和土壤肥力维持支原体最小自由生活生物直径仅

0.1-

0.3微米，是最小的能够自我复制的生物无细胞壁仅有细胞膜包围，形态多变，可通过细菌滤器抗生素敏感性耐青霉素但对四环素、红霉素敏感致病性引起支原体肺炎、非淋菌性尿道炎等疾病衣原体专性细胞内寄生双相生活周期只能在活细胞内生长繁殖，缺乏独立在元体和网状体之间转换，适应胞外的能量代谢系统传播和胞内增殖性传播疾病沙眼病原某些种类引起非淋菌性尿道炎等性传沙眼衣原体是导致沙眼的主要病原菌播疾病原核生物的生态作用

（一）物质循环核心驱动全球生物地球化学过程碳氮硫循环参与地球主要元素的生物地球化学循环分解有机物分解动植物残体和有机废物，释放营养元素共生合作与动植物形成互利共生关系，如豆科植物固氮原核生物的生态作用

（二）土壤肥力维持通过固氮作用和有机质矿化，为植物提供必需的营养元素土壤中的原核生物密度可达每克土壤数十亿个细胞，它们的代谢活动直接影响土壤质量水体生态平衡在水体生态系统中作为重要的初级生产者和分解者，参与食物链的构建它们还具有自净作用，能够降解水体中的有机污染物共生关系网络与动植物形成复杂的互利关系，如人体肠道菌群、反刍动物瘤胃菌群等，这些共生关系对宿主的健康和生存至关重要极端环境拓展在极端环境中的适应性使得生命的边界不断扩展，为我们理解生命的可能性和寻找地外生命提供了重要线索固氮作用大气氮气转化将惰性的大气N2转化为生物可利用的氨态氮固氮酶系统2利用固氮酶复合物催化这一高耗能的生化反应固氮类型多样包括自由生活型、联合型和共生型三种主要类型原核生物与人类的关系食品发酵疾病威胁传统发酵食品生产病原细菌感染益生健康·酸奶制作·呼吸道感染工业应用·泡菜发酵·消化道疾病乳酸菌等益生菌生物技术产业·调味品生产·血流感染·改善肠道健康·抗生素生产·增强免疫力·环境修复·合成维生素·基因工程发酵技术与原核生物乳酸发酵乳酸菌将糖类转化为乳酸，产生酸奶、酸菜等发酵食品这种发酵不仅改善了食品的口感和保存性，还增加了有益菌群，对人体健康有积极作用酒精发酵虽然主要由酵母菌进行，但某些细菌也参与酒精发酵过程在传统酿酒工艺中，多种微生物协同作用，创造出独特的风味和口感醋酸发酵醋酸菌将酒精氧化为醋酸，是食醋生产的核心过程这种发酵技术历史悠久，不同地区的醋酸菌株产生不同风味的醋产品原核生物与疾病感染途径致病机制典型疾病防治策略空气传播毒素产生肺炎、结核疫苗接种食物水源组织侵袭霍乱、伤寒环境卫生直接接触免疫损伤皮肤感染个人防护媒介传播胞内寄生鼠疫、莱姆病控制媒介抗生素与原核生物作用机制抗生素通过抑制细胞壁合成、蛋白质合成、DNA复制等关键生物过程来杀灭细菌不同类型的抗生素具有不同的作用靶点和机制耐药机制细菌通过酶失活、靶点改变、外排泵增强等多种机制产生抗生素耐药性这些机制的出现使得传统抗生素的效果不断下降超级细菌威胁多重耐药菌株的出现对公共健康构成严重威胁，某些菌株对几乎所有可用抗生素都产生了耐药性，治疗选择极其有限新策略探索研究人员正在开发新型抗菌策略，包括噬菌体治疗、抗菌肽、免疫增强剂等，以应对日益严重的抗生素耐药问题原核生物的基因工程应用基因克隆载体蛋白质表达系统基因编辑技术质粒和噬菌体被广泛用作基因克隆的大肠杆菌等细菌是重要的蛋白质表达CRISPR-Cas9系统最初来自细菌的免载体这些载体具有独立复制能力，系统，能够快速、高效地生产重组蛋疫系统，现已发展成为强大的基因编可以携带外源基因在细菌中稳定表白许多重要的药物蛋白，如胰岛辑工具合成生物学的发展使得科学达，是分子生物学研究的基础工具素、干扰素等都是通过细菌表达系统家能够设计和构建人工生物系统生产的原核生物在环保中的应用生物修复技术废水处理系统生物燃料生产利用细菌降解石油、活性污泥法是废水处某些细菌能够产生氢重金属等污染物，修理的核心技术，依靠气、甲烷等清洁能复受污染的土壤和水细菌群落降解有机污源，或者将生物质转体，这种绿色技术成染物，实现水质净化化为生物柴油等可再本低、效果好和资源回收生燃料微生物采矿利用细菌的代谢活动从低品位矿石中提取金属，这种生物采矿技术环境友好且经济高效极端环境中的原核生物极端环境中的原核生物展现了生命的惊人适应能力它们不仅在这些环境中生存，还往往是生态系统的主要或唯一成员，为我们理解生命的极限和探索地外生命的可能性提供了重要启示。