第五章　真菌的结构和遗传变异

第一节　真菌的结构组成

真菌与其他真核生物的细胞结构相似，由细胞壁、细胞膜、细胞核和细胞质组成。但是因为大多数真菌是丝状的，两个毗邻的真菌细胞间由隔膜分开，大多数隔膜中央有隔膜孔，允许细胞质甚至细胞核通过。因此，真菌细胞与动物和植物等其他真核细胞是有区别的。

真菌细胞由结实的细胞壁包围。细胞核通常只有一个核仁，由双层核膜包裹并有特殊的核膜孔。细胞质由细胞膜包围，细胞质中包含有线粒体、内质网、核糖体、液泡和泡囊等，高尔基体仅在少数低等真菌中出现。另外，真菌细胞中还含有一些内容物，如微管、结晶体、沃鲁宁体、脂肪体及色素等（图5-1）。

一、细胞壁

细胞壁（cell wall）位于真菌细胞的最外层，占细胞干重的30%左右。厚度因菌龄而略有区别，一般为100～200nm。生长着的菌丝细胞壁在光学显微镜下是均匀的，但厚壁的休眠孢子，如接合孢子和卵孢子等的细胞壁则有明显的纹饰，有时可有2～3层。

细胞壁作为真菌和周围环境的分界面，具有保护细胞的重要作用。首先，细胞壁具有一定的硬度和强度，能够保持真菌细胞的形状；同时，还可作为一些酶的保护场所调节营养物质的吸收和代谢，并具有分子筛的作用；真菌的细胞壁与其他生物细胞壁一样具有抗原性，调节真菌和其他生物间的相互作用。

（一）细胞壁多糖

真菌细胞壁的主要成分是己糖或氨基己糖构成的多糖链，如几丁质、脱乙酰几丁质、纤维素、葡聚糖、甘露聚糖、半乳聚糖，以及蛋白质、脂类、无机盐等。真菌细胞壁的成分并非固定不变，其中多糖、蛋白质和脂肪的数量及性质也因真菌类群的不同而有很大差别，甚至同一种真菌在不同生活循环的不同阶段，组成细胞壁的化合物的比例也有所不同（表5-1）。因此，很难总结出一个真菌细胞壁的固定模式。几丁质和纤维素相互缠绕组成一股又粗又壮的链称之为微纤丝，这些微纤丝与网孔形成网状结构，嵌入在蛋白质及脂类和一些小分子多糖的无定形基质中就构成了真菌的细胞壁。因此，真菌细胞壁看起来像是钢筋混凝土，其中微纤丝可看做钢筋支架，无定形基质做为周围的水泥。

几丁质（壳多糖）是以β-1，4-N-乙酰葡糖胺为单元的无支链多聚体，是大多数真菌（包括子囊菌、担子菌、半知菌和低等的壶菌）细胞壁的主要成分（图5-2）。其中大量存在的氢键使其具有很强的伸展性和坚固性，从而使细胞具有一定的刚性。纤维素是以β-1，4葡萄糖链为单元的多聚体，是卵菌纲、子囊菌、前毛壶菌纲和黏菌目的个别种的细胞壁的主要成分。抗生素多氧菌素（polyoxin）和尼克霉素（nikkomycin）是几丁质合酶强有力的抑制剂，通过抑制几丁质的合成在体外具有明显的抑制真菌感染的效果。但是由于它们易被微生物或宿主体内的肽酶破坏所以体内抑制效果不明显。今年来，一些新型的尼克霉素类似物被发明出来克服了这种缺点，在体内外均具有较好的抑制真菌的效果。

葡聚糖是由葡萄糖单元构成的直链或带有支链的多聚体，包括β-1，3-葡聚糖、α-1，3-葡聚糖、β-1，6-葡聚糖和甘露聚糖等。β-1，3-葡聚糖是第二大微纤维，为含量最丰富的细胞壁成分；β-1，6-葡聚糖把GPI-CWP（依赖糖基磷脂酰肌醇的细胞壁蛋白）连接到β-1，3-葡聚糖骨架上，在酵母的细胞壁中起着重要的作用；因此，β-1，3-葡聚糖合酶是一种很好的抗真菌复合物的靶点。β-1，3-葡聚糖合酶抑制剂如卡泊芬净（caspofungin）、米卡芬净（micafungin）和阿尼芬净（anidulafungin）现都已投入临床使用。

α-1，3-葡聚糖广泛存在于多种致病真菌的细胞壁中，如新型隐球菌、烟曲霉、粗球孢子菌和巴西副球孢子菌等。这些真菌的外壁有一层低电子密度的黏液构成的荚膜层，荚膜层是由甘露糖、木糖等酸性多糖以α-1，3-糖苷键连接成的支链多聚体。致病性真菌的荚膜可保护菌体免受寄主免疫细胞的侵袭和吞噬，还可刺激寄主发生免疫应答形成抗体。所以真菌的毒力和致病性与α-1，3-葡聚糖的含量相关。

真菌细胞壁还含有一些其他的葡聚糖，由于构成复杂，大多数葡聚糖的结构还不十分清楚。

（二）细胞壁蛋白

蛋白质成分一般不超过细胞壁组成的10%。这些蛋白质构成了一个覆盖细胞壁结构的网络层，它们既作为细胞壁的结构组分，同时又兼具有酶的功能。因此，细胞壁蛋白质在很大程度上决定了细胞表面的性质。如①细胞壁蛋白决定了菌丝间能否聚集或连接、细胞识别以及与宿主识别相关的功能；②蛋白层还限制细胞壁对外来物质的渗透性，因此起到保护的作用；③细胞壁蛋白大都高度糖基化，因此高度水合，在菌丝向土壤和树木侵入的时候起到一个润滑的作用；④还决定了细胞的抗原性。有些糖蛋白存在于皮肤真菌的细胞壁外部[如 毛癣菌属（Trichophyton）、曲霉菌属（Aspergillus）和 小孢子菌属（Microsporum）的一些种]，它们可以引起人的超敏反应和动物的过敏性皮肤反应（包括皮肤瘙痒、红斑、荨麻疹、麻疹样皮疹或斑丘疹）。许多酶（如磷酸酶、α-淀粉酶和蛋白酶等水解酶）都是位于细胞壁上，这些酶能将周围环境中的底物水解成亚单位，以便运输到细胞中。

1.GPI蛋白和Pir蛋白

在细胞壁蛋白构成的网络层中主要有两种细胞壁蛋白，一种是依赖糖基磷脂酰肌醇的细胞壁蛋白（glycosylphosphatidylinositol dependent cell wall protein，GPI-CWP），另一种是Pir（protein with internal repeat）-细胞壁蛋白（Pir-CWP）。在真菌中GPICWP和Pir-CWP均是以糖蛋白的形式存在于细胞壁中，都由共价键连接到葡聚糖上的。GPICWP以共价键和β-1，6-葡聚糖连接而位于细胞壁的外周质空间。Pir-细胞壁蛋白的内部具有特殊的氨基酸重复序列。以共价键与β-1，3-葡聚糖连接。

2.疏水蛋白（hydrophobin）

疏水蛋白是细胞壁外层的一类小分泌蛋白，它不是细胞壁的固定结构而是细胞壁的延伸结构。它存在于分生孢子、气生菌丝和子实体的表面，形成疏水层介导真菌结合到宿主的疏水表面。疏水蛋白在真菌中广泛存在，它们在真菌和基质间起着非常重要的作用。尽管疏水蛋白是位于细胞壁外层的蛋白，但是近年来的研究显示其有重要的理论意义和应用价值。

（三）脂类、黑色素和无机离子

细胞壁中脂类由饱和脂肪酸组成，较为普遍的是磷脂，但是有些酵母的细胞壁中也会存在糖脂和鞘氨醇。通常不超过细胞壁组成的8%。

某些真菌的细胞壁还含有黑色素，它由源于酚酸的分支多聚体构成。具有高度的抗溶解性、光保护性和细胞壁构成作用。

细胞壁中也含有数量不等的无机离子，其中磷的含量最丰富，其次为钙、镁离子等。

综上所述，所有真菌的细胞壁都具有无定形和纤维状组分。纤维状组分包括几丁质和纤维素，都是由β-1，4多聚物形成的微纤丝。无定形组分包括蛋白质、甘露聚糖和β-1，3、β-1，6和α-1，3-葡聚糖，它们常混杂在纤维网中。如粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）的细胞壁从外向内共分四层。最外层是无定形葡聚糖，厚度约87nm；第二层是糖蛋白形成的埋在蛋白基质中的粗糙的网，厚度49nm；向内是蛋白质层，厚度约9nm，可能还有其他成分，尚未检测出；最内层是放射状排列的几丁质微纤丝，可能还有蛋白质成分，厚度约18nm。

细胞壁的组分随真菌类群的不同而发生变化，并且菌体的细胞壁在其生活周期的过程中也存在着差异。在不同的真菌类群中，细胞壁内微纤丝及其基质多糖的可作为真菌分类的一个重要依据。几丁质是绝大多数真菌细胞壁的主要成分，纤维素是前毛壶菌纲和卵菌纲真菌细胞壁的主要成分，并且纤维素胞壁组分只在前毛壶菌纲和卵菌纲中存在。不同纲的真菌细胞壁成分是不同的，各纲真菌的细胞壁有一些固定的成分，但也并非固定不变。

二、细胞膜

细胞膜又称原生质膜（plasmalemma）。所有的细胞均由细胞膜包被，真菌的细胞膜与其他真核生物的细胞膜相似，主要由几乎相同数量的脂类和蛋白质构成。

在真菌细胞膜中脂类成分主要包括磷脂和鞘脂类，它们都是由亲水性的头部和一个长的疏水性尾部构成的极性分子。磷脂以背对背规则排列成双层结构。在双层结构的两边为亲水性的头部，疏水性的尾部包埋在膜的内部。蛋白质是无定形成分，非对称的排列在磷脂两边，呈镶嵌状。镶嵌在磷脂双分子层中的蛋白质所受的约束不同，所受约束作用较小的蛋白质，在盐和螯合剂作用下容易被除去，这些蛋白叫做外周蛋白；但绝大多数蛋白所受约束较大，叫做内周蛋白。还有一种蛋白叫整合蛋白，它穿过磷脂双层并在膜的两侧有极性区，因此又叫做跨膜蛋白；表面蛋白和脂类保留在同一表面，而且能够侧向移动。排列成双层结构的磷脂间还夹有大量的麦角固醇类化合物，固醇与磷脂的比例为1∶5～1∶10。这些麦角固醇类化合物易与多烯族抗生素结合，故可作为抗真菌药物作用的靶分子。真菌细胞膜的外表面上也有糖类存在，具有细胞识别的作用。

细胞膜将细胞器和大分子物质严密地包围在膜内，并通过其选择透过性功能控制着细胞与外界物质的交换，而使细胞维持正常的生命活动。除此之外，细胞膜还在能量转运、核酸复制和激素合成等方面具有主导作用。

三、细胞核

真菌的细胞核（nucleus）比其他真核生物的细胞核小，一般直径为2～3µm，个别大的核直径可达25µm，蛙粪霉（Basidiobolus ranarum）的细胞核甚至可达到30µm。真菌细胞核通常为椭圆形，但变化很大，能通过菌丝的隔膜孔移动。细胞内可有20～30个核，但不同种类的真菌其细胞内细胞核的数量变化也很大。菌丝的顶端细胞内则常常没有细胞核。

真菌细胞核的结构特征相似于其他真核生物，细胞核由核膜包裹。核膜由内外两层单位膜构成，厚约8～20nm。核膜上还有许多散在的孔，称为核膜孔，是细胞核与细胞质物质交换的通道，孔的数目随菌龄增加而增加。在相差显微镜下可见核内有一中心稠密区，被一层均匀的无明显结构的核质包围，称为核仁。核膜与内质网连接，外层常有核糖体附着。核仁与核膜在核的分裂过程中一直存在，所以纺锤体完全在核内形成，这与其他高等生物有显著区别。

四、细胞质

（一）细胞基质

在真核细胞质（cytoplasm）中，除可分辨的细胞器以外的胶状溶液称为细胞基质。含有细胞骨架（cytoskeleton）、蛋白质，各种内含物和中间代谢产物等，是细胞代谢的重要基础。

细胞骨架为细胞质提供了机械力，推动了细胞质和细胞器的运动。细胞骨架是由 微管（microtubule）和 微丝（microfilament）构成的。微管是微细的中空的管，直径约为25nm，由一种特殊蛋白——微管蛋白（tubulin）聚合而成。微丝是比微管直径更小的长丝状体，由收缩蛋白——肌动蛋白构成。微管分散在细胞质中而且走向与菌丝的长轴平行，紧密的邻接细胞质内的细胞器，如线粒体、核、泡囊以及溶酶体等。微管是纺锤丝的主要成分，因此参与了核和染色质的运动。它还以轴纤丝的形式参与了真菌游动孢子鞭毛的组成，并能介导真菌中高尔基体向生长的菌丝顶端移动。微丝与微管一样，参与了细胞骨架的构建。在微丝抑制因子——细胞松弛素的作用下，水霉孢子形成的芽管丧失了顶端生长的能力，甚至膨大破裂。

（二）线粒体和核糖体

真菌线粒体（mitochondrion）多为圆形、椭圆形，直径0.5～1.0µm，长度约1.5～3µm，有的可伸长至30µm呈分枝状。线粒体由内外两层膜包裹，线粒体内充满液态基质。外膜光滑与质膜相似，可通过较大的分子，通透性强；内膜较厚，常向内延伸成不同数量和形状的嵴。线粒体是细胞呼吸产生能量的场所，含有参与呼吸作用、脂肪酸降解和各种其他反应的酶类。所有真菌细胞中至少有一个或几个线粒体，数量随着菌龄的不同而变化，生长旺盛需要能量多的细胞内，线粒体的数目也愈多，细胞的不同生长周期，如在分裂、生长、分化各个不同过程中，线粒体也有变化。真菌线粒体拥有自己的DNA（mtDNA）、核糖体和蛋白质合成系统。mtDNA为闭环结构，周长约19～26µm，介于植物（30µm）和动物（5～6µm）之间。线粒体核糖体比细胞质核糖体的体积小，含有较小的RNA和不同的碱基百分比，主要作用是合成外膜和嵴上的蛋白质，它对放线酮不敏感，对氯霉素敏感。

核糖体又称核蛋白体，是存在于细胞中的无膜包裹的颗粒状细胞器，为mRNA的附着位点，是蛋白质合成的场所。真菌核糖体直径约为20～25nm。每个细胞内含大量的核糖体。真菌细胞中有两种核糖体，即细胞质核糖体和线粒体核糖体。细胞质内的核糖体呈游离状态，有的与内质网和核膜结合。

（三）内膜系统

内膜系统是指真菌细胞内那些在功能上为连续统一体的细胞内膜，如内质网、高尔基体、泡囊和液泡。

1.内质网（endoplasmic reticulum，ER）

内质网是细胞内由膜包围的狭窄的通道系统，典型的内质网为管状、中空、两端封闭，通常成对的平行排列，有时形成交叉而呈分枝状的管道。内质网的主要成分是脂蛋白，有时游离蛋白或其他物质也可以合并到内质网上。内质网有两类：膜上附有核糖体颗粒的称为糙面内质网，具有合成和运送胞外分泌蛋白的功能。膜上不含核糖体的称光面内质网，主要存在于动物细胞中，与脂类和钙的代谢有关。内质网是细胞中各种物质运转的循环系统，同时还供给细胞质中所有细胞器的膜。一些新合成的物质常以泡囊的形式在内质网的表面形成，并被运送出细胞。

2.高尔基体（dictyosome，又称Golgi body）

高尔基体是由若干（一般4～8个）平行堆叠的扁平膜囊和大小不等的囊泡组成的膜聚合体，扁平囊被称为潴泡，一叠潴泡构成一个高尔基体。具有高尔基体的真菌种类并不多，仅发现于少数低等真菌，如根肿菌、前毛壶菌、卵菌和腐霉等中。高尔基体的主要功能是将运送至高尔基体内的蛋白质、脂类等合成的大分子物质进行化学修饰、包装并形成泡囊以便运输。合成原生质膜和细胞壁的前体物，并包装成泡囊运输到细胞膜表面进行释放。某些水解酶被包装成泡囊后则留在细胞中起类似溶酶体的功能。

3.液泡（vacuolus）

液泡是一种囊状的细胞器结构。目前认为液泡主要起源于光面内质网或高尔基体，有些液泡也可能由于质膜的胞饮作用或吞噬作用而形成。液泡内主要含有碱性氨基酸及蛋白酶、磷酸酶纤维素酶等多种酶。真菌的液泡具有维持细胞的渗透压、贮藏营养物质（糖原、脂肪、谷氨酸、蛋白酶、纤维素酶、核酸酶等）以及溶酶体的功能。

4.泡囊（vesicle）

泡囊是菌丝细胞顶端由双层膜形成的细胞器结构，由内质网或高尔基体产生，其内含有蛋白质、多糖和磷酸酶等。泡囊的主要作用是将这些物质转运到细胞的其他部位。有些泡囊含有水解酶，所以也称这些泡囊为溶酶体。溶酶体控制着细胞成分的降解，如寄生真菌在侵染寄主时对寄主细胞壁的降解。真菌对各种染料和杀菌剂（通过饮液作用）的吸收也与泡囊具有不同程度的相关性。

5.其他内含体

（1）微体（microbody）：

是一类由单层膜构成的细胞器的总称，普遍存在于真菌中。微体所含的酶与溶酶体不同，分为两大基本类型，过氧化物酶体（使细胞免受过氧化氢的毒害，参与脂肪酸的氧化分解）和乙醛酸循环酶体（使细胞中的脂类转化为糖类）。

（2）沃鲁宁体（woronin body）：

是一类较小的球状细胞器，由单层膜包围的电子密集的基质构成，直径约为0.2µm。沃鲁宁体与子囊菌和半知菌的隔膜孔相关联，能够调节两个相邻细胞间细胞质的流动，具有塞子的功能。还可以在真菌菌丝损伤时堵塞隔膜孔而防止原生质流失。目前对它的化学组成还不十分了解。

（3）壳质体（chitosome）：

是一种具有膜状外壳含有几丁质合成酶的小颗粒，球形，直径约40～70nm。壳质体能运输几丁质合成酶到菌丝顶端细胞的表面参与细胞壁的合成。