从基础开始学习原核细胞01：原核细胞结构概述

1 原核细胞形状、排列与大小 (Shape, Arrangement, and Size)

人们可能会认为，像原核生物这样微小且相对简单的生物体，其形状和大小上应该是统一的。

但事实并非如此，原核生物在形态上几乎呈现出无穷的多样性。

然而，最常见的原核生物通常具有两种基本形状。

球菌（Cocci）是大致呈球形的细胞。它们可以作为单个细胞存在，也常以特定的排列方式聚集在一起，这种排列方式有助于其鉴定。

部分球菌分裂后仍保持成对状态时，如：双球菌（Diplococci）。

部分球菌在单一平面上反复分裂，彼此粘附形成长链，如：链球菌属（Streptococcus）、肠球菌属（Enterococcus）和乳球菌属（Lactococcus）（图1-b）。

部分球菌在随机平面上分裂，形成不规则的葡萄串状簇（图1-a），如：葡萄球菌属（Staphylococcus）。

部分球菌在两个或三个平面上分裂可产生对称的球菌簇。如：微球菌属（Micrococcus）常在两个平面上分裂，形成由四个细胞组成的方形群体；八叠球菌属（Sarcina）常在三个平面上分裂，形成由八个细胞组成的方形群体。

图1-a 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus），球菌呈簇状排列；伪彩色扫描电子
图片地址显微照片；平均细胞直径约为1微米（μm）。

图1-b 无乳链球菌（Streptococcus agalactiae），B族链球菌感染的病原体；球菌呈链状排列；伪彩色扫描电子显微照片（×4,800）。

图1-c 巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium），一种呈链状排列的杆状细菌；革兰氏染色（×600）。

图1-d 红螺菌（Rhodospirillum rubrum），相差显微镜（×500）。

图1-e 霍乱弧菌（Vibrio cholerae），逗号状杆菌，带有极生鞭毛；扫描电子显微照片。

原核生物另一种常见形状是杆状，也称为杆菌（bacillus）。巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）是具有典型杆状形态的细菌（图1-c）。

杆菌的长宽比差异很大，如：球杆菌（coccobacilli）非常短而宽，看起来很像球菌。杆状末端的形状在不同物种间也常有差异，可能是扁平、圆润、雪茄形或分叉的。许多杆菌以单个形式存在，但有些在分裂后会聚集成对或成链（例如，巨大芽孢杆菌就常以长链形式出现）。

其他原核生物细胞形状和排列方式。

弧菌（Vibrios）最接近杆状，呈逗号形（图1-e）。

螺旋状原核生物，分为两类：一类是螺旋菌（spirilla），通常在细胞的一端或两端有成束的鞭毛（图1-d和2-c）；另一类是螺旋体（spirochetes）。螺旋体更具柔韧性，并具有独特的内部鞭毛排列。

放线菌（Actinomycetes）能形成菌丝（hyphae）的长丝状体，这些菌丝能分枝并形成一个网络，称为菌丝体（mycelium）（图2-a）。从这个角度看，它们与丝状真菌（一种真核微生物）相似。

椭圆至梨形的柄杆菌属（Hyphomicrobium）（图2-d）会在一条长菌丝的末端产生一个芽体（bud）。

嘉利翁菌属（Gallionella），会产生非生命的柄（stalk）（图2-f）。

扁平状原核生物，如沃尔斯比氏方形古菌（Walsby’s square archaeon）（图2-e）。它们的形状像扁平的矩形盒子，大小约为2×2至4微米，厚度仅为0.25微米。

还有一些原核生物形状多变，没有单一的特征形态（图2-b）。这类原核生物被称为多形性（pleomorphic）生物。

图2-a 放线菌（Actinomyces），扫描电子显微照片（SEM，×21,000）。

图2-b 肺炎支原体（Mycoplasma pneumoniae），扫描电子显微照片（SEM，×62,000）。

图2-c 螺旋体（Spiroplasma），扫描电子显微照片（SEM，×13,000）。

图2-d 柄杆菌（Hyphomicrobium），带有菌丝和芽体，负染电子显微照片。

图2-e 沃尔斯比氏方形古菌（Walsby’s square archaeon）。

图2-f 嘉利翁菌（Gallionella ferruginea），带有柄。

细菌在大小上的差异与其在形状上的差异一样大。

大肠杆菌（Escherichia coli）是一种大小适中的杆菌，宽约1.1至1.5微米，长约2.0至6.0微米。

在尺寸谱较小的一端是支原体属（Mycoplasma）的成员。这是一类缺乏细胞壁的细菌。多年来，人们认为它们是已知最小的原核生物，直径约为0.3微米，与痘病毒（poxviruses）大小相当。然而，科学家发现了更小的原核生物。纳米细菌（Nanobacteria）的直径范围从约0.2微米到小于0.05微米。目前仅有少数菌株被成功培养。

在尺寸谱的另一端，是长度可达500微米的螺旋体（spirochaetes），以及直径约7微米的光合细菌——颤藻（Oscillatoria）（与红细胞的直径相同）。只有少数细菌的体积超过普通的真核细胞体积（典型的植物和动物细胞直径约为10至50微米）。

图3 原核生物与病毒的大小 (Sizes of Procaryotes and Viruses)所选细菌相对于红细胞和病毒的大小。

2 原核细胞的组织结构 (Procaryotic Cell Organization)

原核细胞在形态上比真核细胞更简单，但原核细胞并非只是真核细胞的简化版本，有些结构是原核生物独有的。

原核细胞由一层化学成分复杂的细胞壁（cell wall）所包围。在这层细胞壁的内侧是细胞质膜（plasma membrane）。该膜可以内陷形成简单的内部膜结构，例如某些光合细菌的光合膜（light-harvesting membrane）。

由于原核细胞不含内部的膜结合细胞器（membrane-bound organelles），其内部在形态上显得简单。遗传物质集中在一个特定的区域，即拟核（nucleoid），通常不被膜与周围的细胞质（cytoplasm）分隔开。核糖体（ribosomes）和被称为内含物（inclusion bodies）的较大颗粒散布在细胞质基质中。许多原核生物利用鞭毛（flagella）进行运动。此外，许多原核生物在细胞壁外还包裹着一层荚膜（capsule）或黏液层（slime layer）。

图4 原核细胞的形态（Morphology of a Procaryotic Cell）

后续我们将逐一详细地介绍主要的原核细胞结构。

参考文献

《Microbiology （Seventh Edition）》 | 微生物学，第七版

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更新日期：2026-04-15

编制人：叶凡

审稿人：小藻