（3）藻类的细胞壁
藻类细胞壁的厚度一般为10～20nm，也有更薄的，如蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidis)的壁仅为3～5nm。其结构骨架多由纤维素组成，它以微纤丝的方式成层状排列（占干重的50%～80%），其余为间质多糖。间质多糖主要是杂多糖，还含少量蛋白质和脂类。杂多糖的具体种类随种而异，例如：
①在褐藻中是褐藻酸(algnic acid)，它由D-甘露糖醛酸和L-葡萄糖醛酸聚合而成； ②在岩藻中是岩藻素(fucoidin)，它是硫酸酯化的L-岩藻糖的聚合物；
③在红藻——石花菜属(Gelidium)中是琼脂，它是半乳糖和半乳糖醛酸的聚合物，经提取后制成的产品，在微生物培养基的制造和食品工业等领域中有着广泛的用途；
④在小球藻中主要是半乳糖和鼠李糖通过β-糖苷键连接的多聚体；等等。 二、细胞壁以内的构造——原生质体 1、细胞质膜(cytoplasmic membrane)
又称质膜(plasma membrane)、细胞膜(cell membrane)或内膜(inner membrane)，是紧贴在细胞壁内侧、包围着细胞质的一层柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜，厚约7～8nm，由磷脂（占20%～30%）和蛋白质（占50%～70%）组成。通过质壁分离、鉴别性染色或原生质体破裂等方法可在光学显微镜下观察到；用电子显微镜观察细菌的超薄切片，则可更清楚地观察到它的存在。电镜观察到的细胞质膜，是在上下两暗色层之间夹着一浅色中间层的双层膜结构。这是因为，组成细胞膜主要成分的磷脂，是由两层磷脂分子按一定规律整齐地排列而成的。其中每一个磷脂分子由一个带正电荷且能溶于水的极性头（磷酸端）和一个不带电荷、不溶于水的非极性尾（烃端）所构成。极性头朝向内外两表面，呈亲水性，而非极性端的疏水尾则埋入膜的内层，于是形成了一个磷脂双分子层。在极性头的甘油3C上，不同种微生物具有不同的R基，如磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸或磷脂酰肌醇等（图3-10）。在原核微生物的细胞质膜上多数含磷脂酰甘油，此外，在革兰氏阴性细菌中，多数还含磷脂酰乙醇胺，在分枝杆菌中则含磷脂酰肌醇，等等。而非极性尾则由长链脂肪酸通过酯键连接在甘油的C1和C2位上组成，其链长和饱和度因细菌种类和生长温度而异，通常生长温度
要求越高的种，其饱和度也越高，反之则低。
图3-10 磷脂的分子结构
在常温下，磷脂双分子层呈液态，其中嵌埋着许多具运输功能、有的分子内含有运输通道的整合蛋白（integral protein）或内嵌蛋白（intrinsic protein），在磷脂双分子层的上面则“漂浮着”许多具有酶促作用的周边蛋白（peripheral protein）或膜外蛋白(extrinsic protein)。它们都可在磷脂表层或内层作侧向移动，以执行其相应的生理功能。至今有关细胞质膜的结构
31
与功能的解释，较多的学者仍倾向于1972年由辛格（J.S.Singer）和尼科尔森（G.L.Nicolson）所提出的液态镶嵌模型(fluid mosaic model)。其要点为：①膜的主体是脂质双分子层；②脂质双分子层具有流动性；③整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂质双分子层的疏水性内层中；④周边蛋白表面含有亲水基团，故可通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连；⑤脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合；⑥脂质双分子层犹如一“海洋”，周边蛋白可在其上作“漂浮”运动，而整合蛋白则似“冰山”状沉浸在其中作横向移动。有关细胞质膜的模式构造可见图3-11。
图3-11 细胞质膜构造的模式图
细胞膜的生理功能为：
①选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送； ②是维持细胞内正常渗透压的屏障；
③合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS、荚膜多糖等）的重要基地； ④膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞的产能场所； ⑤是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位。
原核微生物的细胞质膜上一般不含胆固醇等甾醇，这一点与真核生物明显不同。但缺乏细胞壁的原核生物——枝原体（Mycoplasma）则属例外。在其细胞膜上因含有hopanoid类甾醇而增强了坚韧性，故在一定程度上弥补了因缺壁而带来的不足。多烯类抗生素因可破坏含甾醇的细胞质膜，故可抑制枝原体和真核生物，但对其他的原核生物则无抑制作用。
间体（mesosome，或中体）是一种由细胞质膜内褶而形成的囊状构造，其中充满着层状或管状的泡囊。多见于革兰氏阳性细菌。每个细胞含一至少数几个。着生部位可在表层或深层，前者与某些酶如青霉素酶的分泌有关，后者与DNA的复制、分配以及与细胞分裂有关。近年来也有学者提出不同的看法，认为“间体”仅是电镜制片时因脱水操作而引起的一种赝像。
近二十年来越来越受到学术界重视的、有很多独特之处的古生菌的细胞质膜，研究发现，它的质膜虽然在本质上也是由磷脂组成，但它比真细菌或真核生物具有更明显的多样性。
①亲水头（甘油）与疏水尾（烃链）间是通过醚键而不是酯键连接的；
②组成疏水尾的长链烃是异戊二烯的重复单位（如四聚体植烷、六聚体鲨烯等），它与亲水头通过醚键连接成甘油二醚（glycerol diether）或二甘油四醚(diglycerol tetraether)等，而在真细菌或真核生物中的疏水尾则是脂肪酸；
③古生菌的细胞质膜中存在着独特的单分子层膜或单、双分子层混合膜，而真细菌或真核生物的细胞质膜都是双分子层。具体地说，当磷脂为二甘油四醚时，连接两端两个甘油分子间的两个植烷（phytanyl）侧链间会发生共价结合，形成了二植烷(diphytanyl)，这时就形成了独特的单分子层膜（图3-12）。目前发现，单分子层膜多存在于嗜高温的古生菌中，其原因可能是这种膜的机械强度要比双分子层质膜更高。
④在甘油的3C分子上，可连接多种与真细菌和真核生物细胞质膜上不同的基团，如磷酸酯基、硫酸酯基以及多种糖基等。
32
⑤细胞质膜上含多种独特脂类。仅嗜盐菌类即已发现有细菌红素（bacterioruberin）、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、番茄红素、视黄醛[retinal，可与蛋白质结合成视紫红质(bacteriorhodopsin)]和萘醌等。
图3-12 甘油二醚和二甘油四醚的分子构造及由其形成的双层和单层膜
2、细胞质和内含物 细胞质（cytoplasm）是细胞质膜包围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称。含水量约80%。原核微生物的细胞质是不流动的，这一点与真核生物明显不同。细胞质的主要成分为核糖体（由50S大亚基和30S小亚基组成）、贮藏物、多种酶类和中间代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等，少数细菌还有类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等。细胞质内形状较大的颗粒状构造称为内含物(inclusion body)，包括各种贮藏物和羧酶体、气泡等。
（1）贮藏物(reserve materials)
贮藏物是一类由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒，主要功能是贮存营养物。种类很多，表解如下：
①聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxybutyrate, PHB)：是存在于许多细菌细胞质内属于类脂性质的碳源类贮藏物，不溶于水，可溶于氯仿，可用尼罗蓝或苏丹黑染色，具有贮藏能量、碳源和降低细胞内渗透压的作用。当巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）在含乙酸或丁酸的培养基中生长时，细胞内贮藏的PHB可达其干重的60%。在棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii)的孢囊中也含PHB。PHB的结构（式中的n一般大于1,000,000）是：
PHB于1929年被发现，至今已发现60属以上的细菌能合成并贮藏。由于它无毒、可塑、易降解，故认为是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。若干产碱菌(Alcaligenes spp)、固氮菌(Azotobacter spp)和假单胞菌(Pseudomonas spp)是主要的生产菌种。近年来，又发现在一些革兰氏阳性和阴性好氧菌、光合厌氧细菌中，都存在PHB类化合物，它们与PHB仅是R基不同（R=CH3时即为PHB）。这类化合物可统称为聚羟链烷酸(polyhydroxyalkanoate, PHA)，其结构是：
33
②多糖类贮藏物：包括糖原和淀粉类。在真细菌中以糖原为多。糖原可用碘液染成褐色，在光学显微镜下可见。
③异染粒(metachromatic granules)：又称迂回体或捩转菌素(volutin granules)，这是因为它最早是在迂回螺菌(Spirillum volutans)被发现并可用美蓝或甲苯胺蓝染成红紫色的缘
6
故。颗粒大小为0.5～1.0μm，是无机偏磷酸的聚合物，分子呈线状，n值在2～10间。一般在含磷丰富的环境下形成。功能是贮藏磷元素和能量，并可降低细胞的渗透压。在白喉棒杆菌(Corynebacterium diphtheriae)和结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)中极易见到，因此可用于有关细菌的鉴定。异染粒的化学结构为：
④藻青素（cyanophycin）：通常存在于蓝细菌中，是一种内源性氮源贮藏物，同时还兼有贮存能源的作用。一般呈颗粒状，由含精氨酸和天冬氨酸残基（1:1）的分枝多肽所构成，分子量在25,000～125,000范围内。例如柱形鱼腥蓝细菌(Anabaena cylindrica)的藻青素结构为：
（2）磁小体(megnetosome)
1975年，勃莱克摩(R.P.Blakemore)在一种称为折叠螺旋体(Spirochaeta plicatilis)的趋磁细菌中发现。目前所知的趋磁细菌主要为水生螺菌属(Aquaspirillum)和嗜胆球菌属(Bilophococcus)中。这些细菌细胞中含有大小均匀、数目不等的磁小体，其成分为Fe3O4，外有一层磷脂、蛋白或糖蛋白膜包裹，是单磁畴晶体，无毒，大小均匀（20～100nm），每个细胞内有2～20颗。形状为平截八面体、平行六面体或六棱柱体等。其功能是导向作用，即借鞭毛游向对该菌最有利的泥、水界面微氧环境处生活。目前认为趋磁菌有一定的实用前景，包括生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器等。
（3）羧酶体(carboxysome)
又称羧化体，是存在于一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物。其大小与噬菌体相仿，约10nm，内含1,5-二磷酸核酮糖羧化酶，在自养细菌的CO2固定中起着关键作用。在排硫硫杆菌（Thiobacillus thioparus）、那不勒斯硫杆菌(T. neapolitanus)、贝日阿托氏菌属（Beggiatoa）、硝化细菌和一些蓝细菌中均可找到羧酶体。
（4）气泡（gas vocuoles）
是在许多光合营养型、无鞭毛运动的水生细菌中存在的充满气体的泡囊状内含物，大小为0.2～1.0μm×75nm，内由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白质膜包裹，其功能是调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、O2和营养物质。每个细胞含几个至几百个气泡。
34
如鱼腥蓝细菌属(Anabaena)、顶孢蓝细菌属(Gloeotrichia)、盐杆菌属(Halobacterium)、暗网菌属(Pelodictyon)和红假单胞菌(Rhodopseudomonas)的一些种中都有气泡。
3、核区（nuclear region or area） 又称核质体(nuclear body)、原核(prokaryon)、拟核(nucleoid)或核基因组(genome)。指原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核。用富尔根(Feulgen)染色法染色后，可见到呈紫色的形态不定的核区。它是一个大型环状双链DNA分子，只有少量蛋白质与之结合，长度一般为0.25～3.00mm，例如，大肠杆菌的核区DNA长约1.1～1.4mm，枯草芽孢杆菌的约为1.7mm，嗜血流感杆菌(Haemophilus influenzae)约0.832mm。每个细胞所含的核区数与该细菌的生长速度有关，一般为1～4个。在快速生长的细菌中，核区DNA可占细胞总体积的20%。细菌的核区除在染色体复制的短时间内呈双倍体外，一般均为单倍体。核区是细菌负载遗传信息的主要物质基础。
4、特殊的休眠构造——芽孢
某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（endospore或spore，偶译“内生孢子”）。每一营养细胞内仅生成一个芽孢。芽孢是整个生物界中抗逆性最强的生命体，在抗热、抗化学药物、抗辐射和抗静水压等方面，更是首屈一指。一般细菌的营养细胞不能经受70℃以上的高温，可是，它们的芽孢却有惊人的耐高温能力。例如，肉毒梭菌(Clostridium botulinum)的芽孢在100℃沸水中要经过5.0～9.5h才被杀死，至121℃时，平均也要10min才杀死：热解糖梭菌(C. thermosaccharolyticum)的营养细胞在50℃下经数分钟即可杀死，但它的一群芽孢却须在132℃下经4.4min才能杀死其中的90%。芽孢的抗紫外线能力一般是其营养细胞的一倍。巨大芽孢杆菌芽孢的抗辐射能力要比大肠杆菌的营养细胞强36倍。芽孢的休眠能力更是突出。在其休眠期间，不能检查出任何代谢活力，因此称为隐生态（cryptobiosis）。一般的芽孢在普通的条件下可保持几年至几十年的生活力。但文献中还有许多更突出的记载，如：环状芽孢杆菌(B.circulans)的芽孢在植物标本上（英国）已保存200～300年；一种高温放线菌(Thermoactinomyces sp) 的芽孢在建筑材料中（美国）已保存2000年；普通高温放线菌（T. vulgaris）的芽孢在湖底冻土中（美国）已保存7500年；一种芽孢杆菌(Bacillus sp) 的芽孢在琥珀内蜜蜂肠道中（美国）已保存2500万～4000万年。
（1）产芽孢细菌的种类
能产芽孢的细菌属不多，最主要的是属于革兰氏阳性杆菌的两个属——好氧性的芽孢杆菌属(Bacillus)和厌氧性的梭菌属(Clostridium)。球菌中只有芽孢八叠球菌属(Sporosarcina)产生芽孢。螺菌中的孢螺菌属(Sporospirillum)也产芽孢。此外，还发现少数其他杆菌可产生芽孢，如芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）、脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)、考克斯氏体属(Coxiella)、鼠孢菌属（Sporomusa）和高温放线菌属（Thermoactinomyces）等。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。
（2）芽孢的构造
从图3-13和以下的表解中就可以较清楚地了解芽孢的细致构造和主要功能。
35