浙江工商大学微生物课件.doc

微生物学绪论1 什么是微生物microorganism, microbe.1） 分类：（1）三界论：古细菌、原核生物、真核生物。（2）五界论、六界论等命名法则：采用双命名法则，即林奈氏双名法则，由两个拉丁字组成，斜体。属名在前，第一个字母大写用以描述属的主要特征，种名在后，用拉丁文的形容词表示，第一个字母小写。2 人类对微生物世界的认识过程“视而不见、嗅而不闻、触而不觉、食而不察、得其益而不感其好、受其害而不知其恶。”个体微小, 外貌不显, 杂居混生, 因果难联3 微生物学的发展史可分为五个时期：1） 史前期：约在距今8000年前至公元1676年间。人们自发地与微生物打交道。在此时期，各国人民在自己的生产实践中都积累了许多利用有益微生物和防治有害微生物的经验。如：发面、天然果酒和啤酒的酿造、牛乳和乳制品的发酵以及利用霉菌来治疗一些疾病等。我国人民在制曲、酿酒方向的伟大创造。2） 初创期：1676年至于1861年。单式显微生镜的发明，单纯形态描述的低级水平上。3） 奠基期：1861年至于1897年间。两个重要人物：法国巴斯德微生物学的奠基人德国科赫细菌学的奠基人本时期的特点：巴斯德的主要成就：（1）彻底否定了“自生说”；（2）研究证实了免疫学说；（3）证实发酵是由微生物引起的；（4）其它方面。科赫的成就：（1）具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌；（2）发现了肺结核病的病原菌，这是当时死亡率极高的传染病，因此获得了诺贝尔奖；（3）提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则柯赫法则；（4）建立了微生物操作技术基础。4） 发展期：1897年至于1953年间。生化时代。5） 分子时代：1953年DNA双螺旋模型的建立起。微生物成为新兴生物工程中的主角。4 微生物学的发展促进了人类的进步强调一下：微生物与生物工程学的关系。5 21世纪微生物学展望1） 微生物基因组学研究将全面展开2） 以了解微生物之间、微生物与其它生物、微生物与环境的相互作用为研究内容的微生物生态学、环境微生物学、细胞微生物学等，将在基因组信息的基础上获得长足发展；3） 微生物生命现象的特性与共性将更加受到重视，将是21世纪进一步解决生物学重大理论问题的好材料，如生命起源与进化、物质运动的基本规律等。4） 与其它学科实现广泛的交叉，获得新的发展5） 微生物产业将呈现全新的局面20世纪中期以后，微生物已在人类的生活及生产实践中得到广泛应用，并成为继动、植物两大生物产业后的第三大产业。主要是微生物菌体本身及及其代谢产物为生产对象；21世纪，除更广泛地利用和挖掘不同生境的自然资源微生物外，基因工程菌将形成一批强大的工业生产菌。特别是药物的生产将出现前所未有的新局面，结合基因组学在药物设计上的新策略，将出现以核酸为靶标的新药物（如反义寡核苷酸、肽核酸、DNA疫菌等）；降解性塑料、DNA芯片、生物能源等。微生物的五大共性体积小、面积大；吸收多、转化快；生长旺、繁殖快；适应强、易变异；分布广、种类多。第1章 微生物的形态与构造（一）第1节细菌1. 细胞的形态构造与功能1.1形态与染色1.2一般构造1.2.1细胞壁(cell wall)功能；结构：(1)G+菌：肽聚糖的结构与功能（双糖、四肽、肽桥结构）；磷壁酸的结构与功能；(2)G-菌：脂多糖的结构与功能；周质空间(3)古生菌（Archaea,Aechaebacteria）：是一个在进化途径上很早就与真细菌和真核生物相互独立的生物类群。主要包括一些独特生态类型的原核生物，如产甲烷菌有大多数嗜极菌。其细胞壁中都不含有真正的肽聚糖，而含有假肽聚糖、糖蛋白或蛋白质。假肽聚糖的结构：图1-7（p17）(4) 细胞壁缺陷型细菌：L型细菌：通过自发突变而形成的遗传性稳定的细菌壁缺损菌株。原生质体(protoplast);球形体(sphaeroplast)；支原体：一种无细胞壁的原核生物。 (青霉素的作用；溶菌酶的作用)(共同特点：) 革兰氏染色的机制。1.2.2细胞膜(cell membrane, cytoplasmic membrane)a. 结构：半透膜；双分子层；液态镶嵌模式b.磷脂的分子结构：R有多种形式；非极性尾的链长及饱和度因细菌种类及生长温度而异。c.膜蛋白在生物膜中的分布：d.化学组成：磷脂、蛋白质e.细胞膜的功能：f.古菌细胞膜的独特性和多样性： 1.2.3间体：由细胞膜内皱形成的一种管状、层状或囊状的结构，一般位于细胞分裂部位或其邻近，其功能主要是促进细胞间隔的形成并与遗传物质的复制及其相互分离有关。1.2.4细胞质及内含物：1.2.5核质体：1.3特殊结构1.3.1糖被（glycocalyx）在某些细菌细胞壁外存在着一层厚度不定的胶状物质，称为荚膜。据厚度不同可分为：微荚膜、荚膜、粘液层、菌胶团。a.主要成分：多糖、多肽或蛋白质，以多糖居多。(p23)b.荚膜的功能：c.与生产的密切关系：肠膜明串珠菌的荚膜中提取葡聚糖；黄单胞菌产生的黄原胶；污水处理中菌胶团有助于有害物质的吸附与沉降。1.3.2鞭毛(flagellum):具有运动的功能。a.如何用肉眼观察来初步判断某细菌是否存在鞭毛？半固体穿刺培养；平板菌落特征。b.着生方式：1.3.3菌毛和性菌毛：1.3.4芽孢：在某些细菌在其生长发育后期，可在细胞内形成一个圆形或椭圆的抗逆性休眠体。每一细胞仅形成一个芽孢，它无繁殖功能。a. 芽孢有极强的抗热、抗辐射、抗化学药物和抗静水压等的能力。b. 能产芽孢的细菌种类不多：最主要的是G+杆菌：即好氧的芽孢杆菌属和厌氧的梭菌属。c. 芽孢的构造d. 芽孢抗热的机制：渗透调节皮层膨胀学说e. 芽孢的萌发f. 实践意义：细菌鉴定中的一项重要形态学指标；芽孢的存在有利于菌种的筛选和保藏；衡量各种消毒灭菌措施的主要指标。g. 孢囊2） 伴孢晶体：生物农药杀鳞翅目、双翅目和鞘翅目昆虫和动、植物线虫。对人畜安全。2细菌的繁殖：以二分裂方式为主。2.1裂殖： 2.2芽殖3细菌的菌落特征菌落（colony）;克隆（clone）细菌的菌落特征：固体培养；半固体培养；液体培养；明胶液化第2节 放线菌1 什么是放线菌？2 放线菌的分布：3 与抗生素的生产密切相关。4 链霉菌属（Streptomyces）的形态构造：4.1菌丝（mycelium）：细、无隔、呈多核的单细胞。基内菌丝、气生菌丝、孢子丝4.2分裂方式：孢子丝横割分裂产生成串的分生孢子。菌丝碎片也可进行生长繁殖。5 菌落特征：干燥、不透明，表面呈紧密的丝绒状，孢子呈不同颜色；菌落与培养基连接紧密，难以挑取；第3节 蓝细菌(Cyanobacteria)1. 蓝细菌又名蓝藻（blue algae）或蓝绿藻，G-，无鞭毛、含叶绿素a、能进行产氧性光合作用的大型原核生物。2. 广泛分布于自然界，“生物先锋”的美称。3. 形态：细胞体积一般细菌大，形态多样。4. 细胞壁构造：与G-细菌相似，双层，含肽聚糖。尤其是水生种类在其壁外还有粘质糖被子或鞘。5. 细胞质周围有复杂的光合色素层，以类囊体形式出现，内含叶绿素a和藻胆素。6. 其胞内的脂肪酸较为特殊，含有两个至多个不饱和双键的脂肪酸，而其它原核生物通常只含有饱和脂肪酸和单双键不饱和脂肪酸。7. 蓝细菌的细胞的几种特化形式：异形胞；静息孢子；链丝段；内孢子8. 蓝细菌的应用价值：第4节 支原体、立克次氏体和衣原体G-的原核生物；介于细菌与病毒间的生物；第2章 真核微生物的形态与构造、功能第1节 真核微生物概述1. 什么是真核微生物2. 主要类群：主要包括菌物界（Mycetalia）中的真菌（Eumycota）、粘菌（Myxomycota）、假菌（Chromista），植物界中的显微藻类（algae）和动物界中的原生动物（proteozoa）.真核微生物 植物界：显微藻类动物界：原生动物菌物界：粘菌假菌真菌：单细胞真菌酵母菌丝状真菌霉菌大型子实体真菌覃菌3. 真菌的特点：无叶绿素，不进行光合作用；一般具有发达的菌丝体；细胞壁多数含几丁质；营养方式为异养吸收型；以产生大量无性和（或）有性孢子的方式繁殖；陆生性较强。4. 细胞构造与功能4.1细胞壁：主要成份是多糖，另有少量蛋白质和脂类。低等真菌的细胞壁成分以纤维素为主，酵母菌以葡聚糖为主，高等陆生真菌同以几丁质为主。4.2细胞膜：表2-3。4.3细胞核（nucleus）：4.4细胞基质和细胞器：p44第二节 酵母菌1简介酵母菌的五个特点：分布：与人类的关系分类学地位：子囊菌纲、担子菌纲、半知菌类。2形态构造功能（着重与细菌进行比较） 1）形状、大小2）细胞壁化学组成：甘露聚糖、蛋白质、葡聚糖；有的还含有少量脂类有几丁质。3）细胞膜：4）细胞核：酿酒酵母的基因全序列已于1996年公布，共6500个基因，大小为12.052Mb。/PMGifs/Genomes/euk_g.html 5）2m质粒：可做有效载体。6)线粒体/cellbio/mitoch2.htm 3酵母菌的繁殖方式和生活史1） 分类：无性和有性繁殖2） 真、假酵母3） 三种生活史4酵母菌的菌落 第三节 丝状真菌霉菌1简介 1）霉菌是指：2）在自然界中物质循环中起着重要的作用。3）与人类生活的关系4）分类学地位：藻状菌纲、子囊菌纲、担子菌纲、半知菌类。2霉菌菌丝的分类 1）根据有无横隔可将菌丝分为两大类：无横隔的：壶菌门水霉、霜霉、水节霉等 接合菌门根霉、毛霉、犁头霉等有横隔的：子囊菌门大多数酵母菌、脉孢菌（Neuros pora）等 担子菌门木耳、银耳等 半知菌类曲霉、青霉菌等3菌丝的顶端生长方式：4菌丝体的分化形式：P555真菌的孢子：表2-46霉菌的菌落：表2-5 与放线菌一样，霉菌的菌落是由分枝状菌丝组成。因菌丝较粗而长，形成的菌落较疏松，呈绒毛状、棉絮状或蛛网状，一般比细菌菌落大几倍到几十倍。一些生长较快的霉菌菌落，处于菌落中心的菌丝菌令较大，位于边缘的则较年轻。霉菌的菌落特征是鉴定霉菌的重要指标之一。7细胞壁：主要由多糖组成。除少数水生低等霉菌的细胞壁中含有纤维素外，大部分霉菌的细胞壁由几丁质组成。细胞壁组分分析是真菌分类中的重要鉴定依据之一。第3章 病毒和亚病毒第一节 病毒1什么是病毒：病毒是一类超显微的非细胞生物，每一种病毒只含有一种核酸；它们只能在活细胞内营专性寄生，靠其宿主代谢系统的协助来复制核酸、合成蛋白质等组分，然后再进行装配而得以增殖；在离体条件下，它们能以无生命的化学大分子状态长期存在并保持其侵染活性。2病毒的特点：3非细胞生物可分成病毒（真病毒euvirus）和亚病毒（subvirus）两大类：非细胞生物（真）病毒：至少含有核酸和蛋白质两种成分亚病毒类病毒：只含具单独侵染性的RNA组分拟病毒：只含不具单独侵染性的RNA组分朊病毒：只含蛋白质一种组分一、形态构造和化学成分1大小：单位以nm计。多数在100nm以下。2形态病毒粒子的主要成分是核酸 和蛋白质。核酸位于病毒粒子的中心，构成了核心（core）或基因组（genome）；蛋白质包围在核心周围，构成了病毒粒子的衣壳（capsid）。核心与衣壳合称核衣壳。有的还有包膜存在：含有蛋白质或糖蛋白的类脂双层膜 病毒粒子： 核衣壳（基本构造）：核心由DNA或RNA构成衣壳由许多衣壳粒蛋白构成包膜（非基本构造）：由类脂或脂蛋白构成3对称体制：螺旋对称（烟草花叶病毒）、二十面体对称（腺病毒）、复合对称（T偶数噬菌体）。4病毒的群体形态1） 包涵体；2）噬菌斑；3）枯斑5病毒核酸类型：6病毒的繁殖（以噬菌体为重点进行介绍）病毒粒子并无个体的生长过程，只有两种基本成分的合成和装配。噬菌体的繁殖一般可分为五个阶段：吸附侵入增殖（复制与生物合成）成熟（装配）裂解（释放）。1） 吸附(adsorption)：特异性吸附和非特异性吸附；感染复数；自外裂解；影响吸附作用的因素有；2）侵入(penetration)3）增殖（replication）：增殖过程包括核酸的复制和蛋白质的合成。（1）烈性T偶数噬菌体dsDNA的复制方式：按早期、次早期和晚期顺序进行。早期基因：早期蛋白、次早期mRNA 聚合酶（T7）/更改蛋白（T4）。 次早期基因：次早期蛋白（各种酶类） 晚期基因：晚期蛋白（头部蛋白、尾部蛋白、各种装配蛋白、溶菌酶等）（2）其它类型核酸的复制方式：见书p77图4-6。4)成熟（maturity）5)释放（release）7几个名词 1）效价(pfu)：表示每毫升试样中所含有的具侵染性的噬菌体粒子数，又称噬菌斑形成单位数（pfu）。 2）一步生长曲线； 3）溶源性； 4）温和性噬菌体： a.三个特点；b.存在的三种形式c.与与烈性噬菌体的关系 5）前噬菌体6）溶源菌几个显著特点：A）自发裂解；B）诱导裂解；C）免疫性；D）复愈（非溶源化）；E）溶源转变；F）具有产噬菌体的潜在能力如何检验溶源菌？7）干扰素：是动物或动物细胞培养物对病毒感染反应而产生的低分子量糖蛋白，分子量30000左右，能抑制病毒在细胞。在内毒素、某些细菌和其它非病毒物质刺激下产生。某合成化合物也能诱导人体产生干扰素，如双链RNA和聚肌胞（polyI:polyC ）等。现在，干扰素除从血液中提取外，还可通过哺乳动物细胞培养和基因工程生产。8 HIV /photos.htm 第二节 亚病毒简介1 类病毒：是当今所知道的最小的、只含RNA一种成分、专性活细胞内寄生的分子生物。PSTD呈棒状结构，是一个裸露的闭合环状RNA分子。类病毒的发现，是生命科学中的一个重在事件。对生物学家来说，类病毒的发现为他们探索生命起源提供了一个新的低层次上的好对象；对分子生物学家来说，是起家重要生物大分子 的结构与功能的好材料；对病理学家来说，为揭开人类和动、植物的各种传染性疑难杂症的病因带来了新的希望；对哲学家来说，为有关生命本质的认识将带来革命性的影响。2 拟病毒（virusoids）又称类类病毒（viroid-like）：是一类包裹在植物病毒粒子中的类病毒。3 朊病毒（prion,virino）或称蛋白质侵染因子：是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性的疏水蛋白质。第三节 病毒与实践作业：(1)简介HIV病毒的侵染繁殖过程。(2)检索SARS病毒的繁殖过程。第四章 微生物的营养和培养基什么是营养和营养物。第一节 微生物的六种营养要素碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。一、 碳源：凡能提供微生物营养所需的碳元素的的营养源，称为carbon source.。有哪些物质可作为碳源：sugar type Isugar type II1异养和自养微生物异养微生物：能利用有机碳源；自养微生物：能利用无机碳源2对异养微生物，最适碳源是“CHO”型，其中， （1）糖类是最广泛的碳源：单糖胜于双糖和多糖，己糖胜于戊糖，葡萄糖、果糖胜于甘露糖、半乳糖；淀粉明显优于纤维素或几丁质等纯多糖；纯多糖则伟于琼脂等杂多糖和其它聚合物（如木质素） （2）其次是醇类、有机酸类和脂类等。（3）不同的微生物，能利用的碳源范围是不一样。（4）碳源同时也是能源。3对自养微生物：以CO2、碳酸盐为唯一或主要碳源。因为CO2是被彻底氧化的物质，所以CO2转化成有机的细胞成分是一个还原过程，需要消耗大量能量。因此，这类微生物同时需要从光或其他无机物氧化来获取能量。这时微生物的碳源和能源分别属于不同的物质。二、氮源：凡能提供微生物生长所需氮元素的营养源，称为nitrogen source。有哪些物质可作为氮源：从分子态的氮到复杂的含氮化合物都能被不同的微生物利用。实验室有机氮源：蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、玉米浆等；工业上常用黄豆饼粉、花生饼粉、鱼粉等。迟效性氮源与速效性氮源之分。1） 固氮微生物能利用分子态氮气合成自己需要的氨基酸和蛋白质，但也能利用无机氮和在有机氮；如根瘤菌、自生固氮菌，少数光合细菌、蓝藻和真菌也有固氮作用。2） 许多腐生细菌和动植物的病原菌一般利用铵盐或其它含氮盐作为氮源。生理酸性盐：硫酸铵 生理碱性盐：硝酸钾 生理中性盐：硝酸铵、尿素等。3）氨基酸异养型生物：所有的动物和大量的异养微生物 氨基酸自养型生物：所有的绿色植物和很多的微生物三、 能源（energy source）：为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。能源谱：化学物质（化能营养型）有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）；无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源），化能自养微生物的能源都是还原态的无机物如铵离子、亚硝酸根、S、H2S、H2、Fe2+等。 辐射能（光能营养型）光能自养和光能异养型微生物。四、生长因子：是一类对微生物正常代谢必不可少的且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。广义的生长因子除了维生素外，还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4-C6的分枝或直链脂肪酸。以及需要量较大的氨基酸；狭义的生长因子一般仅指维生素。1微生物与生长因子的关系：1）生长因子自养型微生物（auxoautotrophs）：不需要外界提供生长因子就能生长的微生物，如多数真菌、放线菌和细菌；2）生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs）：需要多种生长因子。如乳酸细菌。3）生长因子过量合成微生物2野生型、营养缺陷型、原养型菌株1） 野生型：从自然界直接分离到的任何微生物在其发生营养缺陷突变前的原始菌株，均称为该微生物的野生型（wild type）。绝大多数野生型菌株只需要简的碳源和氮源等就能生长，不需要添加生长因子。2） 营养缺陷型：野生型菌株经过人工诱变处理后，常会丧失合成某种营养物质（通常是生长因子）的能力，这些菌株生长的培养基中必需添加某种生长因子。这类微生物就称为营养缺陷型菌株(auxotroph)。3）原养型：营养缺陷型菌株经回复突变或基因重组后生产的菌株，其营养要求在表型上若与野生型相同，则称为原养型菌株（prototroph）五、无机盐 宏量元素与微量元素六、水第2节 微生物的营养类型表4-3，4-4。第3节 物质的运输方式细胞壁与细胞膜的屏障作用；分类：细胞膜上无载体蛋白：单纯（简单）扩散细胞膜上无载体蛋白：不耗能量：促进扩散耗能量：运送前后溶质分子不变：主动运输 运送前后溶质分子改变：基团移位注意表4-5的内容。第4节 培养基什么是培养基。一、选用和设计培养基的原则和方法1目的明确：培养何菌？获得何产物？是一般培养还是用于作精细的生理生化遗传学研究？用于实验室作科学研究还是用于工业生产？作种子还是用于发酵？2营养协调：其中C/N是重要的。C/N比是指在微生物培养基中所含的碳源中碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比。一般培养基的C/N比为100：（0.5-2）；谷氨酸生产菌发酵中的情况比较特殊，C/N比为4：1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累量较少；当C/N比为3：1时，菌体繁殖受到抑制，而谷氨酸大量积累。3物理化学条件适宜：pH值；渗透压和aw：等渗溶液适宜于微生物的生长，高渗溶液会使细胞发生质壁分离，而低渗溶液则会使细胞吸水膨胀。aw则表示在天然环境中微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。定义为：在同温同压下，某溶液的蒸汽压（P）与纯水蒸汽压（P0）之比。各种微生物生长繁殖的aw范围在0.998-0.6之间。氧化还原电势：刃天青指示剂的作用。4经济节约二、培养基的种类1按培养基的成分来分天然培养基合成培养基（又称组合培养基）半合成培养基2按培养基外观的物理状态分固体培养基：琼脂与明胶特性比较半固体培养基液体培养基3按培养基功能分选择性培养基：根据某种微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性而设计的培养，其功能是使混合菌样中的劣势菌变成优势菌，从而提高该菌的筛选效率。鉴别培养基（试分析伊红美蓝乳糖培养基中各成分的作用。）基本培养基：又称最低限度培养基，指能满足某菌种的野生型菌株最低营养要求的合成培养基。完全培养基：如在基本培养基中加富含氨基酸、维生素、碱基等生长因子的营养物质如蛋白胨、酵母膏等，就可满足各种营养缺陷型的生长需求，这种培养基就称为完全培养基。本章思考练习题：1、 什么是野生型、营养缺陷型、原养型菌株？2、 简述物质的跨膜运输的四种方式。3、 以伊红美蓝乳糖培养基为例，分析鉴别性培养基的作用原理。4、 微生物可被分为四种营养类型，划分的依据是什么？5、 哪些物质可作为碳源？哪些物质可作为氮源？第五章 微生物的新陈代谢弄清分解代谢与合成代谢之间的联系：代谢（metabolism）：是指发生在活细胞内的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。分解代谢（catabolism）：是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系作用，产生简单分子、ATP形式的能量和还原力（一般用H表示）的作用。合成代谢（anabolism）：是指在合成代谢酶系的作用下，由简单小分子、ATP形式能量和H形式的还原力一起合成复杂大分子的过程。复杂分子（有机物）分解代谢酶系合成代谢酶系简单分子+ATP+H第1节 微生物的能量代谢有机物化能异养菌（最初能源）日光光能营养菌通用能源（ATP）还原态无机物化能自养菌一、化能异养微生物的生物氧化和产能1 生物氧化的形式包括：物质与氧结合、脱氢、失去电子；2 生物氧化的过程可分为：脱氢（或电子）、递氢（或电子）、受氢（或电子）三个阶段。3 生物氧化的功能有：产能（ATP）、产生还原力（H）、产生小分子中间代谢产物。4 以葡萄糖为例，生物氧化脱氢主要有四条途径：EMP、HMP、ED途径和TCA循环。图5-1。每条途径既有脱氢、产能的功能，又有产多种小分子中间代谢物以供合成用反应作原料的功能。4.1、EMP途径的主要产物耗能阶段产能阶段（终产物）2NADH+H+C62C3 2丙酮酸4ATP 2ATP有氧条件下：2NADH+H+ 可经呼吸链的氧化磷酸化反就生产6ATP；无氧条件下：2NADH+H+ 则还原丙酮酸生产乳酸；或还原乙醛而产生乙醇。因此，在无氧条件下，EMP途径的产能效率是很低的，每1分子葡萄糖净产生2ATP；从发酵生产角度看，EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等的生产有密切的联系。4.2、HMP途径的主要产物（终产物）12NADPH+H+经呼吸链36ATP 35ATP6C6 6C55C6 6CO2HMP途径在微生物生命活动中的极其重要的意义：4.3、ED途径的主要产物：是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径。其特点是仅4步反应即可获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。2ATP ATP经有氧呼吸链C6H12O6KDPGNADH+H+6ATPNADPH+H+无氧时进发酵2乙醇2丙酮酸细菌酒精发酵的概念及特点。4.4、TCA循环的主要产物：在一切分解代谢和合成代谢中都占有枢纽的地位。（图6-12）GTP ATP呼吸链C3乙酰CoA4NADH+4H+12ATPFADH22ATP2CO21 递氢与受氢（图5-11）根据受氢体的不同可以把生物氧化区分成呼吸（有氧呼吸，受氢体为分子氧）、无氧呼吸（受氢体为无机物）和发酵（受氢体为无机或有机氧化物）三种类型。5.1呼吸： 1978年诺贝尔奖获得者英国学者P Mitchell于1961年提出了化学渗透学说，阐述了ATP的形成与质子梯度之间的关系。5.2无氧呼吸：经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别为延胡索酸）受氢。5.3发酵：H不经过呼吸链，而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物。二、自养微生物产ATP和还原力1、化能自养微生物(1)最初能源是什么？(2)产能方式是什么？(3)还原力H如何产生？2、光能营养微生物开环与闭环光合磷酸化的比较第2节 分解代谢与合成代谢的联系1、分解代谢与合成代谢的联系（图5-26）第3节 微生物独特合成代谢途径举例1、CO2的固定（四种方式）（1）Calvin环（2）逆TCA环（3）厌氧乙酰CoA途径（4）羟基丙酸途径2、生物固氮：指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。生物界中只有原核生物才具有固氮能力。（1）分类：分类学上主要有固氮菌科、根瘤菌科、红螺菌目、甲基球菌科、蓝细菌以及芽孢杆菌属及梭状芽孢杆菌的部分菌种。生态类型分自生固氮菌；共生固氮菌；联合固氮菌。（2）生化机制i.6要素a)ATP的供应：生成2NH3要消耗18-24分子ATP；b)还原力H及其传递载体：N2：H=1：8；铁氧还蛋白或黄素氧还蛋白为载体；c)固氮酶：一种复合酶，含Fe和Mo为辅因子。对氧敏感。d)N2；e)Mg2+f)严格的厌氧微环境。ii.生化途径：N2+8H+1824ATP2NH3+H2+1824ADP+1824Pi（3）固氮酶避氧害机制i.固氮酶的两个蛋白组分对氧极其敏感，遇氧很快导致不可逆失活。但已知的大多数固氮菌为好氧菌；因此菌体的好氧生长与厌氧固氮之间存在矛盾的过程。如何解决？ii.对于好氧自生固氮菌的固氮酶：呼吸保护；构象保护。iii.对于蓝细菌固氮酶：分化出特殊的还原性异形胞；非异形胞蓝细菌的固氮酶保护。iv.对于豆科根瘤菌科：生长环境微好氧条件；形成类菌体。3、肽聚糖的合成：分为在细胞质中、和3个合成阶段。在细胞质中：“Park”核苷酸UDP-N-乙酰胞壁酸五肽合成。细胞膜上：由”Park”合成肽聚糖单体。细菌萜醇的运送作用细胞膜外：转糖酶、转肽酶的作用；4、次生代谢产物；四条途径。第6章 微生物的生长及其控制第1节 测定生长繁殖的方法一、 测生长量（1）测体积；（2）称干重；（3）比浊法；（4）生理指标法二、计数法（1）直接计数；（2）间接计数最常用的是称干重、测浊度、测N含量、血球计数和平板菌落计数法。第2节 微生物的生长规律一、细菌的个体生长、群体生长和同步生长；生长速度与比生长速率；同步培养的方法有：诱导法和选择法。二、典型生长曲线：在分批培养（batch culture）中，以细胞数目的对数值作纵坐标，以培养时间为横坐标，作出的一条有规律的曲线，就是细菌的生长曲线。它包括四个阶段：延滞期、指数期、稳定期和衰亡期。1） 延滞期：（1） 特点；（2） 影响其长短的因素及改进措施：2） 指数期：（1） 特点：a)生长速率最大，代时最短和倍增时间最短；b）细胞平衡生长；c）酶系活跃，代谢旺盛。（2） 增代时间和倍增时间：（3） 生长限制因子：a）菌种，不同的菌种的代量判别很大；b）营养成分，营养丰富有利于菌种的快速生长；c）营养物浓度，营养物的浓度可影响微生物的生长速率与总生长量。： 在营养物浓度较低时，菌体的生长速率及菌体总产量受到某营养物浓度的影响，随着营养物浓度的提高，生长速率不受影响，而只影响最终菌体的总产量；如果进一步提高营养物浓度，则生长速度和菌体总产量均不受影响。 把在较低浓度范围内影响菌体生长速率和菌体产量的营养物质就称为限制性营养物质（或因子），限制性营养因子可以是碳源或氮源，也可以生长因子或无机盐等。描述限制性营养因子与菌体生长关系，常用Monod方程来描述：常见的Ks值很小，当S10Ks时，接近于max，此时比生长速率不再明显地受营养物浓度的影响。高浓度底物的抑制作用：酵母菌中Crabtree effect.对糖的代谢主要存在三种形式：（1）在无氧条件下进行无氧呼吸生成乙醇；（2）在有氧条件下低底物浓度时进行有氧呼吸，长菌体，生成CO2和水，并大量能量；（3）在有氧条件下高底物浓度时进行发酵，生长受抑制，同时伴有少量乙醇生成。3） 稳定期的特点：（1） 特点：a)=0，即菌体数处于动态平衡，此时菌体产量达最高，若目标产物是菌体本身，则应在此阶段收获；b)细胞分裂速率下降，细胞内开始积累内含物，如肝糖、脂肪粒、PHB和多聚偏磷酸盐等，大多数产芽孢的细菌开始产芽孢；c)代谢活动继续，并保持相当水平，对于积累某些代谢产物或某些酶的发酵，此时是取佳的收获时机，有的微生物开始合成次级代谢产物如抗生素等；d)该时期的长短与菌种、培养条件有关，若生产需要，可在菌种或工艺上采取措施适当延长稳定期。（2） 菌体对底物得率： （3） 稳定期到来的原因：营养物尤其是生长限制因子的耗尽；营养物的比例失调，如C/N比值失调；有害代谢产物的积累；pH、氧化还原势等物化条件不适宜等。从而导致出现菌体的生长速率下降，而死亡速率上升，以致出现繁殖速率与死亡速率逐渐趋于平衡，活菌数基本保持稳定的阶段，即稳定期。（4） 稳定期是以生产菌体或与菌体生长相平等的代谢产物如SCP、乳酸等的最佳收获期。（5） 初生代谢与次生代谢 4） 衰亡期：在衰亡期中个体死亡速率超过新生速率，菌体数呈现负生长，活菌数明显下降。称为衰亡期。出现的原因是由于培养环境对微生物生长明显不利，使分解代谢大于合成代谢，最终导致细胞大量死亡。主要生理特征有：a) 为负值；b)细胞内颗粒更明显，出现液泡，细胞出现多形态、畸形或衰退形，芽孢开始释放；c)因细菌本身产生的酶及代谢产物的作用，使菌体死亡，并伴随着菌体的自溶，有的微生物继续产物抗生素等次级代谢产物。d)补充内容：丝状真菌的生长曲线 菌丝状微生物（放线菌、霉菌等）的生长曲线与单细胞微生物存在显著不同，它们一般没有典型的对数生长期。大致可分为三个阶段：生长停滞期、迅速生长期、衰亡期。三、连续培养(continuous culture) 当微生物以单批培养的方式培养到的指数期的后期时，一方面以一定速度连续流进新鲜培养基，并混匀，另一方面又以同样的流速不断流同培养液，达到支态平衡，其中的微生物可长期保持在指数期的平衡生长状态和稳定的生长速率。这种方式就称为连续培养。连续培养有两种方式：恒浊器（turbidostat）和恒化器(chemostat)。1、 恒浊器（turbidostat）：根据微生物的生长密度来调节流速。始终能以最大生长速率进行生长。在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，可以利用恒浊器。2、 恒化器(chemostat)：控制某一菌营养物的浓度（生长限制因子），使微生物的生长速率始终维持在一定水平上进行连续生长的培养装置。其生长速率的大小直接受限制生长因子浓度的控制。主要用于实验研究中，尤其用于与生长速率相关的各种理论研究中，可以获得不同生长速率的细胞。四、连续发酵：1） 优点：2） 缺点：a)长时间连续操作，较易受杂菌污染；一旦污染造成的后果比分批培养会更严重，特别是多级连续培养中。b) 连续培养更易受菌种退化的影响。c) 连续培养的收率和产物浓度相对批式培养要低，不利于下游提取操作； d) 连续培养营养物质利用率较低，会增加成本； e)连续培养必须与整个作用的其它工序连贯进行，对设备要求较高。需要复杂的检测和控制系统；五、微生物的高密度培养补料分批培养：又称半连续培养（semi-continuous culture）根据菌株生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些阶段适当地补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。这样的培养方式就称为。其优点：1）可以消除底物的抑制作用；2）可以达到高密度细胞培养；3）延长次级代谢产物的生产时间；4）稀释有毒代谢产物；5）降低染菌和避免遗传不稳定性。补料分批培养在发酵工业中得到了广泛的应用，在生产次级代谢产物和需要细胞高密度培养的发酵工业中更是普遍采用。如在青霉素发酵中，前期是菌体的生长阶段，后期是产物的形成阶段；前期希望菌体能以最大比生长速率快速生长，后期则希望能限制菌体生长和控制氧的消耗，使青霉素快速合成；在前期过多的葡萄糖将导致有机酸积累和溶解氧下降，葡萄糖不足将使有机氮中的碳被迅速利用而导致pH上升；因此可以用pH或溶氧为控制参数进行前期的葡萄糖流加；在后期一般采用控制溶氧和补加葡萄糖的操作方式。六、微生物生长与产物形成的关系微生物发酵形成产物的过程与微生物细胞生长的过程并不总是一致的。一般认为微生物的初级代谢（primary metabolism）是给予生物能量和生成中间产物的过程，初级代谢生成的中间产物称为初级代谢产物（primary metabolite），如氨基酸、核苷酸、乙醇等，它们对微生物的生存 必需的的，这些产物的形成往往与微生物细胞的生长过程同步，在稳定期时收获量最大。在细胞中还存在另一些代谢产物与微生物的生存、生长和繁殖无关，称之为次级代谢产物（secondary metabolite），这些代谢产物的形成过程往往与微生物细胞生长过程不同步，它们的形成高峰往往在微生物生长的稳定期后期或衰亡期。次级代谢产物的种类主要有抗生素、生长激素、生物碱、维生纱、色素和毒素等。产物形成与微生物生长的关系模型：（1） 生长相关型：（2） 生长部分相关型：（3） 生长非相关型：第3节 影响微生物生长的主要因素1、温度：1） 最低生长温度：嗜冷微生物耐低温的原因。2） 最适生长温度：最适生长温度并不等于最适发酵温度（或最适产物积累温度）青霉素生产举例。3） 最高生长温度： 嗜热微生物的耐热性原因：（1）菌体内酶蛋白有较强的抗热性；（2）蛋白合成机构核糖体有较强的抗热性；（3）核酸具较高的热稳定性，如tRNA 中G-C含量高等；（4）膜内含饱和脂肪酸或直链脂肪酸多，所以膜具有较强的热稳定性；（5）在较高温度促进下，能迅速合成生物大分子，弥补高浊造成的损伤。4） 致死温度：一般指10min内完全杀死微生物的最低温度。2、氧气1） 专性好氧菌：2） 兼性厌氧菌：3） 专性厌氧菌：（1）特点；（2）氧毒害的机制；（3）SOD酶3、pH：以黑曲霉生产柠檬酸为例，说明pH对发酵的影响。（1）发酵过程中pH 变化的一般规律；（2）调节pH的方法。第4节 微生物培养法（自学）深层液体培养，固体浅盘发酵第5节 有害微生物的控制一、几个基本概念1、 灭菌2、 消毒3、 防腐4、 化疗二、高温灭菌1、 干热灭菌2、 湿热灭菌3、 巴氏消毒法三、 辐射：紫外线四、 对于不适于高温灭菌的空气、液体培养基，还可采用过滤除菌的方法。五、化学杀菌剂或抑菌剂1、石炭酸系数2、（重点）抗代谢药物的代表磺胺类药物（1） 抗代谢结构类似物（代谢拮抗物）,三种作用。（2） 磺胺药物的作用机理：与PABA发生竞争性拮抗作用，从而抑制二氢叶酸的合成，阻止了细菌叶酸的合成，于是生长受到抑制。（3） 失效机制3、其它抗生素的作用机制4、 半合成抗生素和生物药物素5、 抗药性第7章 微生物的遗传变异和育种遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因的总和。其裨实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。表型（phenotype）：指某一生物体所具有的一切外表特片及内在特性的总和。是遗传型在合适环境下的具体体现。变异（variation）：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，即遗传型的改变。饰变（modification）：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。第1节 遗传变异的物质基础核酸一、三个经典实验（一）肺炎球菌(Streptococcus pneymoniae)的转化（transformation）实验：证明DNA是遗传因子。 肺炎球菌(Streptococcus pneymoniae)是一种球菌，常成双或成链排列，可使人患肺炎，了可使小鼠患败血症而死亡。S型菌落：R型菌落：（二）噬菌体的感染实验：证明DNA是遗传因子。（三）植物病毒的拆开与重建实验：证明RNA是遗传因子。二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式（一） 七个水平（1） 细胞水平（2） 细胞核水平质粒（plasmid）（3） 染色体水平单倍体、双倍体；部分双倍体细胞（4） 核酸水平（5） 基因水平操纵子（6） 密码子水平（7） 核苷酸水平（二） 原核生物的质粒质粒(plasmid)：游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状DNA分子，即cccDNA，称为质粒。质粒具有超螺旋状的结构，分子量一般在106-108Da之间。质粒基因赋予细菌某些对其生存并非必不可少的特殊功能，如接合、产毒、抗药、固氮、产特殊酶或隆解毒物等。质粒还有具重组的功能，可在质粒与质粒间、质粒与核染色体间了生基因重组。 含质粒的细胞在正常的培养基上遇到吖啶染料、丝裂霉素C、紫外线、利福平、重金属离忆或高温等因素处理时，可使子代细胞中的质粒消除。整合（integretion）:附加体（episome）（1） F因子（fertility factor）：决定大肠杆菌的性别的质粒。（2） R因子(resistance factor)：抗药性因子。（3） C因子(colicinogenic factor)：产大肠杆菌素因子。（4） Ti质粒（tumor inducing plasmid）：即诱癌质粒。（5） Ri（6） 巨大质粒（mega质粒）（7） 降解性质粒第2节 基因突变和诱变育种一、基因突变基因突变（gene mutation）简称突变，是变异的一种，指生物体内遗传物质的分子结构突然发生的可遗传的改变。（一） 突变类型（1） 营养缺陷型（auxotroph）（2） 抗性突变（3） 条件致死突变型（4） 形态突变型（morphological mutant）（5） 抗原突变型产量突变型：通过基因突变而获得的在有用代谢产物产量上高于原始菌株的突变株。也称高产突变株。（二） 突变率突变一般是独立发生的。某一基因发生突变不会影响其他基因的突变率。（三）（重点）突变的特点以细菌的抗药性或抗噬菌体的特性为例，说明基因突变的一般规律。细菌产生抗药性可通过三条途径：即基因突变、抗药性质粒的转移、生理上的适应性。在此只讨论基因突变途径。有以下7个特点。（1） 不对应性：指基因的性状与引起突变的原因之间无直接的对应关系。（2） 自发性：各种性状的突变，可能在没有人为的诱变因素处理下自发地发生。（3） 稀有性：（4） 独立性：（5） 诱变性：（6） 稳定性：（7） 可逆性：（四）基因突变的自发性和不对应性的证明1、 变量试验（fluctuation test）：又称波动试验或彷徨试验。2、 涂布试验(Newcombe experiment)3、 平板影印培养试验(replica plating)（五）基因突变的机制1、诱变转换：A G， T C碱基置换颠换：A T， A CG C， G T点突变缺失：ABCABABCA移码突变添加：ABCABCABCA突变缺失：abc ghihkl 重复：abc abc defh添加：染色体畸变 插入:abc pqr def易位：abc pqr ghi倒位：abc fed ghi(1) 由亚硝酸引起的A：T转换成GC的反应(2) 间接引起置换的诱变剂：5-溴尿嘧啶的诱变作用通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中后而引起的。5-溴尿嘧啶是T的代谢类似物。碱基置换后会出现下列几种情况：错义突变无义突变同义突变沉默突变(3) 移码突变诱变剂有：原黄素、吖啶染料、以及一系列ICR类化合物(4) 转座因子（transposible element）：又