《原核生物》課件

原核生物課程目標(biāo)理解原核生物的基本概念掌握定義、特征和分類(lèi)體系學(xué)習(xí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能識(shí)別主要結(jié)構(gòu)組成及其生理意義探索生態(tài)角色與應(yīng)用價(jià)值原核生物的定義生物學(xué)分類(lèi)最簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生物，包括細(xì)菌和古細(xì)菌細(xì)胞特征無(wú)核膜包圍的真核，遺傳物質(zhì)直接分布于胞質(zhì)發(fā)展歷史地球上最早出現(xiàn)的生命形式，約35億年前原核生物與真核生物的區(qū)別特征原核生物真核生物細(xì)胞核無(wú)核膜，DNA自由存在有核膜，DNA位于核內(nèi)細(xì)胞器無(wú)膜包圍的細(xì)胞器有膜包圍的細(xì)胞器細(xì)胞大小通常0.2-2μm通常10-100μm染色體單環(huán)狀DNA分子多線形染色體分裂方式二分裂有絲分裂或減數(shù)分裂原核生物的發(fā)現(xiàn)歷史11674年列文虎克首次觀察到微生物21850年代巴斯德證明微生物存在且可導(dǎo)致發(fā)酵31884年格拉姆染色法發(fā)明，區(qū)分革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌420世紀(jì)50年代電子顯微鏡應(yīng)用，揭示原核生物精細(xì)結(jié)構(gòu)原核生物的分類(lèi)細(xì)菌域包括大多數(shù)常見(jiàn)原核生物古細(xì)菌域常生活在極端環(huán)境中藍(lán)藻門(mén)能進(jìn)行光合作用的細(xì)菌變形菌門(mén)包括許多常見(jiàn)病原菌細(xì)菌和古細(xì)菌的主要特征細(xì)菌肽聚糖細(xì)胞壁含有脂多糖的細(xì)胞膜對(duì)抗生素敏感分布廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)古細(xì)菌無(wú)肽聚糖細(xì)胞壁含有類(lèi)異戊二烯醚的細(xì)胞膜對(duì)抗生素不敏感常生活在極端環(huán)境原核生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)保護(hù)結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁、細(xì)胞膜遺傳物質(zhì)核區(qū)、質(zhì)粒代謝中心細(xì)胞質(zhì)、核糖體附屬結(jié)構(gòu)鞭毛、菌毛、莢膜細(xì)胞壁1革蘭氏陽(yáng)性菌厚肽聚糖層，不含脂多糖2革蘭氏陰性菌薄肽聚糖層，含外膜和脂多糖3無(wú)細(xì)胞壁細(xì)菌如支原體，只有細(xì)胞膜細(xì)胞壁賦予形態(tài)穩(wěn)定性，防止?jié)B透壓破裂，是抗生素作用的重要靶點(diǎn)細(xì)胞膜基本組成磷脂雙分子層嵌有蛋白質(zhì)主要功能選擇性通透，物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，能量代謝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)細(xì)菌含飽和脂肪酸，古細(xì)菌含異戊二烯醚鍵內(nèi)折結(jié)構(gòu)如線粒體嵴，增加膜面積細(xì)胞質(zhì)水分含量占70-80%，溶解生化物質(zhì)2蛋白質(zhì)酶類(lèi)，催化代謝反應(yīng)內(nèi)含物多糖顆粒、脂滴、氣泡等儲(chǔ)能物質(zhì)細(xì)胞質(zhì)是原核生物進(jìn)行物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換的主要場(chǎng)所核區(qū)（擬核）組成結(jié)構(gòu)環(huán)狀雙鏈DNA分子，無(wú)核膜包圍形態(tài)特點(diǎn)高度壓縮，與蛋白質(zhì)結(jié)合形成擬核體遺傳功能攜帶全部必需基因，主導(dǎo)細(xì)胞活動(dòng)核糖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)70S核糖體，由30S和50S亞基組成分布位置游離于細(xì)胞質(zhì)中，無(wú)膜結(jié)合核糖體生物功能蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所，翻譯mRNA信息抗生素靶點(diǎn)鏈霉素等作用于30S亞基，抑制蛋白合成質(zhì)粒基本特征額外的小型環(huán)狀DNA分子復(fù)制特性自主復(fù)制，獨(dú)立于染色體攜帶基因抗藥性、毒力、接合因子等應(yīng)用價(jià)值基因工程重要載體原核生物的附屬結(jié)構(gòu)鞭毛運(yùn)動(dòng)功能，由鞭毛蛋白構(gòu)成1菌毛附著和基因交換功能莢膜保護(hù)功能，增強(qiáng)致病性黏液層保水和黏附功能鞭毛鞭毛結(jié)構(gòu)包括基體、鉤和絲，通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)細(xì)菌移動(dòng)，趨化性有助于尋找有利環(huán)境菌毛普通菌毛介導(dǎo)細(xì)菌附著于宿主細(xì)胞性菌毛參與細(xì)菌接合過(guò)程基因轉(zhuǎn)移IV型菌毛可收縮伸展，參與抽動(dòng)運(yùn)動(dòng)菌毛比鞭毛細(xì)，數(shù)量多，多由蛋白亞基構(gòu)成，是重要的毒力因子莢膜和黏液層莢膜緊密包圍細(xì)胞的多糖層抵抗吞噬作用增強(qiáng)致病性防止脫水黏液層較松散的多糖層促進(jìn)細(xì)菌附著形成生物膜營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存原核生物的生理特性1代謝活動(dòng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量獲取生長(zhǎng)繁殖二分裂方式快速增殖環(huán)境適應(yīng)耐受各種極端環(huán)境條件原核生物新陳代謝速率高，世代時(shí)間短，環(huán)境適應(yīng)性極強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型光能自養(yǎng)型化能自養(yǎng)型有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型混合營(yíng)養(yǎng)型根據(jù)碳源和能源不同，原核生物可分為多種營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型，大多數(shù)為有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型能量代謝有氧呼吸完全氧化有機(jī)物，產(chǎn)ATP效率高無(wú)氧呼吸使用硝酸鹽等作為終末電子受體發(fā)酵無(wú)外部電子受體，ATP產(chǎn)量低光合作用藍(lán)藻等利用光能合成有機(jī)物生長(zhǎng)和繁殖DNA復(fù)制染色體復(fù)制開(kāi)始細(xì)胞延長(zhǎng)細(xì)胞體積增大隔膜形成細(xì)胞質(zhì)分離細(xì)胞分離形成兩個(gè)子細(xì)胞在最適條件下，細(xì)菌可每20分鐘分裂一次，24小時(shí)理論上可產(chǎn)生超過(guò)10^20個(gè)細(xì)胞原核生物的遺傳1染色體單一環(huán)狀DNA分子~5,000基因數(shù)大腸桿菌平均基因數(shù)量~5Mb基因組大小典型細(xì)菌基因組長(zhǎng)度原核生物基因組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但高效，擁有快速進(jìn)化和適應(yīng)能力基因組結(jié)構(gòu)原核生物基因組主要由環(huán)狀染色體DNA和質(zhì)粒組成，基因密集排列，幾乎無(wú)內(nèi)含子基因表達(dá)調(diào)控啟動(dòng)子RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)操作子調(diào)控區(qū)域和編碼基因集合阻遏蛋白正負(fù)調(diào)控因子應(yīng)答元件感受環(huán)境信號(hào)遺傳物質(zhì)交換3轉(zhuǎn)化吸收環(huán)境中游離DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體介導(dǎo)的DNA轉(zhuǎn)移接合通過(guò)性菌毛的細(xì)胞間DNA傳遞轉(zhuǎn)位移動(dòng)遺傳元件在基因組內(nèi)跳躍原核生物的生態(tài)作用分解者分解有機(jī)物促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)維持生態(tài)平衡生產(chǎn)者固定二氧化碳光合作用化能合成共生者固氮作用促進(jìn)消化提供保護(hù)物質(zhì)循環(huán)碳循環(huán)分解有機(jī)物釋放CO?，光合固碳氮循環(huán)固氮、硝化、反硝化過(guò)程2硫循環(huán)硫酸鹽還原、硫化物氧化3磷循環(huán)礦化磷酸鹽，溶解固定磷4能量流動(dòng)消費(fèi)者食物鏈高級(jí)層次生產(chǎn)者光合和化能自養(yǎng)細(xì)菌3分解者腐生型細(xì)菌和真菌原核生物在能量流動(dòng)中扮演關(guān)鍵角色，特別是在分解和初級(jí)生產(chǎn)方面與其他生物的相互作用互利共生根瘤菌與豆科植物，固氮換取碳水化合物寄生關(guān)系病原菌侵染宿主，導(dǎo)致疾病共棲關(guān)系腸道微生物群與人體相互適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系產(chǎn)生抗生素抑制其他微生物生長(zhǎng)原核生物的多樣性估計(jì)地球上存在數(shù)萬(wàn)億種原核生物，大多數(shù)尚未被發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)極端環(huán)境中的原核生物嗜熱菌生存于80-110°C熱環(huán)境嗜冷菌在-15°C低溫下生長(zhǎng)嗜鹽菌耐受30%以上鹽濃度嗜酸菌在pH值1-2環(huán)境生存土壤中的原核生物10?每克數(shù)量肥沃土壤中的細(xì)菌數(shù)量10?物種多樣性一平方米土壤中的細(xì)菌種類(lèi)90%生物量占比土壤生物量中微生物占比土壤微生物參與有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)、植物生長(zhǎng)促進(jìn)和病原抑制水體中的原核生物淡水環(huán)境湖泊富營(yíng)養(yǎng)化藍(lán)藻水華形成水質(zhì)凈化海洋環(huán)境初級(jí)生產(chǎn)力微型生物環(huán)深海熱液口生態(tài)系統(tǒng)廢水處理有機(jī)物降解氮磷去除污泥活性人體中的原核生物腸道皮膚口腔生殖道呼吸道人體細(xì)胞數(shù)量約37兆，微生物細(xì)胞數(shù)量約40兆，比例超過(guò)1:1原核生物的應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)酶制劑、氨基酸、有機(jī)酸醫(yī)藥應(yīng)用抗生素、疫苗、激素農(nóng)業(yè)利用生物肥料、生物農(nóng)藥環(huán)境處理污染物降解、污水處理發(fā)酵工業(yè)食品發(fā)酵酸奶、奶酪、泡菜、醬油氨基酸生產(chǎn)谷氨酸、賴氨酸抗生素生產(chǎn)青霉素、鏈霉素酶制劑淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶環(huán)境治理污染物識(shí)別確定目標(biāo)污染物類(lèi)型菌株篩選選擇適合的降解菌處理系統(tǒng)建立構(gòu)建生物反應(yīng)器監(jiān)測(cè)與優(yōu)化評(píng)估處理效果并改進(jìn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用生物肥料根瘤菌固氮解磷菌提高磷可利用性提高作物產(chǎn)量10-30%生物農(nóng)藥蘇云金芽孢桿菌產(chǎn)生Bt毒素特異性高，環(huán)境友好減少化學(xué)農(nóng)藥使用植物生長(zhǎng)促進(jìn)菌產(chǎn)生植物激素增強(qiáng)植物抗逆性改善土壤結(jié)構(gòu)醫(yī)藥應(yīng)用原核生物在抗生素生產(chǎn)、疫苗研發(fā)、生物制藥和益生菌制劑等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用原核生物的研究方法1分離培養(yǎng)獲取純菌株2形態(tài)觀察顯微鏡技術(shù)3生化鑒定代謝特征測(cè)試4分子分析DNA測(cè)序和基因功能研究5組學(xué)研究全基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組分析顯微鏡技術(shù)光學(xué)顯微鏡形態(tài)觀察，放大1000倍熒光顯微鏡特定結(jié)構(gòu)標(biāo)記，活細(xì)胞觀察電子顯微鏡超微結(jié)構(gòu)，放大100萬(wàn)倍原子力顯微鏡表面拓?fù)洌{米級(jí)分辨率培養(yǎng)技術(shù)培養(yǎng)基類(lèi)型普通培養(yǎng)基選擇性培養(yǎng)基鑒別培養(yǎng)基富集培養(yǎng)基培養(yǎng)條件溫度范圍pH值調(diào)節(jié)氧氣需求營(yíng)養(yǎng)要求特殊培養(yǎng)技術(shù)厭氧培養(yǎng)共培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)固態(tài)培養(yǎng)分子生物學(xué)技術(shù)DNA提取獲取高純度基因組DNAPCR擴(kuò)增選擇性放大特定基因片段基因克隆在載體中復(fù)制和表達(dá)目標(biāo)基因測(cè)序分析確定核苷酸序列功能驗(yàn)證分析基因產(chǎn)物的生物學(xué)作用宏基因組學(xué)應(yīng)用分析新基因發(fā)現(xiàn)和功能驗(yàn)證2生物信息分析序列拼接、注釋和比較3高通量測(cè)序產(chǎn)生海量DNA序列數(shù)據(jù)環(huán)境DNA提取直接從環(huán)境樣本中獲取總DNA原核生物的進(jìn)化135-40億年前最早的生命形式出現(xiàn)230億年前光合作用的出現(xiàn)324億年前大氧化事件415-20億年前真核生物出現(xiàn)原核生物的起源化學(xué)進(jìn)化有機(jī)分子自然形成原始細(xì)胞形成膜包圍的結(jié)構(gòu)RNA世界RNA同時(shí)作為遺傳物質(zhì)和催化劑原始原核生物能量代謝和自我復(fù)制系統(tǒng)建立原核生物的系統(tǒng)發(fā)育基于16SrRNA序列比較的系統(tǒng)發(fā)育分析揭示了原核生物的進(jìn)化關(guān)系和多樣性內(nèi)共生理論自由生活的原核生物原始細(xì)菌獨(dú)立生存2內(nèi)吞作用原始真核細(xì)胞吞噬細(xì)菌3共生關(guān)系形成互利共生而非消化4細(xì)胞器發(fā)展逐漸演變?yōu)榫€粒體和葉綠體原核生物與人類(lèi)健康微生物組共生菌群整體1病原菌引起感染疾病2益生菌促進(jìn)健康的菌種3抗生素治療細(xì)菌感染4有益菌群雙歧桿菌促進(jìn)腸道健康，增強(qiáng)免疫乳酸菌產(chǎn)生有機(jī)酸，抑制病原菌酪酸產(chǎn)生菌為腸細(xì)胞提供能量，維護(hù)屏障功能病原菌病原菌引起疾病傳播途徑肺炎鏈球菌肺炎飛沫傳播大腸桿菌腹瀉糞-口途徑結(jié)核分枝桿菌結(jié)核病空氣傳播金黃色葡萄球菌皮膚感染接觸傳播幽門(mén)螺桿菌胃炎和胃潰瘍口-口傳播抗生素與耐藥性抗生素發(fā)現(xiàn)1928年弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素抗生素作用機(jī)制抑制細(xì)胞壁、蛋白質(zhì)合成或DNA復(fù)制耐藥性發(fā)展通過(guò)突變和水平基因轉(zhuǎn)移獲得耐藥性4耐藥危機(jī)超級(jí)細(xì)菌威脅全球公共衛(wèi)生安全原核生物在生物技術(shù)中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究模式生物，揭示生命基本原理工業(yè)生產(chǎn)生物合成平臺(tái)，高效表達(dá)蛋白醫(yī)學(xué)應(yīng)用疫苗和藥物生產(chǎn)，基因治療環(huán)境應(yīng)用生物修復(fù)，環(huán)境監(jiān)測(cè)4基因工程目標(biāo)基因分離從原始生物中獲取特定基因載體構(gòu)建將基因插入質(zhì)?；蚱渌d體宿主轉(zhuǎn)化將重組DNA導(dǎo)入大腸桿菌等宿主基因表達(dá)產(chǎn)生目標(biāo)蛋白或功能蛋白質(zhì)工程30%全球份額原核表達(dá)系統(tǒng)占生物制藥市場(chǎng)比例100g/L表達(dá)產(chǎn)量?jī)?yōu)化菌株的蛋白質(zhì)表達(dá)水平200+獲批藥物基于原核表達(dá)系統(tǒng)的生物制藥數(shù)量原核生物表達(dá)系統(tǒng)具有生長(zhǎng)快速、成本低、易于遺傳操作等優(yōu)勢(shì)合成生物學(xué)基因線路設(shè)計(jì)構(gòu)建人工基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)特定功能最小基因組創(chuàng)建僅含必需基因的簡(jiǎn)化生命體非天然分子擴(kuò)展遺傳密碼，合成非天然氨基酸人工細(xì)胞體從零構(gòu)建具有生命特征的人工系統(tǒng)原核生物研究的前沿領(lǐng)域合成基因組從頭合成細(xì)菌基因