高中生物第5章《微生物与发酵工程》学案(生物旧人教版选修)

第五章、微生物与发酵工程1、微生物的类群1细菌（1）结构：单细胞原核生物，其基本结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和拟核。细胞质：含核糖体，贮藏颗粒（如淀粉粒、硫粒），质粒（上有基因与细菌的杭药性、固氮、抗生素生成有关）。拟核：环状DNA反复折叠缠绕呈棒状、哑铃状或球状，控制着细菌的主要遗传性状。（2）特殊结构：荚膜、鞭毛、芽孢（3）繁殖：二分裂（发生DNA分子复制）（4）菌落：可形成多种菌落（固体培养基中，肉眼可见的，具一定形态结构的子细胞群体），具有大小、形状、光泽度、颜色、硬度、透明度等特征是鉴定菌种的依据。2放线菌：单细胞原核生物，多数抗生素都是由放线菌产生的。3病毒：①结构：主要由核酸和衣壳构成。有些病毒外面有囊膜（由蛋白质、多糖、脂类构成）囊膜上有刺突如流感病毒。衣壳决定病毒抗原特异性。一种病毒只有一种核酸。②在宿主活细胞中进行增殖（以噬菌体为例）：吸附→注入核酸→合成蛋白质、复制核酸→装配→释放2、微生物的营养、代谢和生长1微生物的营养：碳源、氮源、生长因子、水和无机盐C、H、O、N占细胞干重90%以上。（1）碳源：无机碳源(CO2、NaHCO3、CaCO3等含碳无机物)有机碳源：即含碳有机物糖、脂、蛋白质、有机酸等和天然含碳物质(石油)②功能：用于构成微生物的细胞物质和一些代谢产物；既是碳源能源又是一种双功能的营养物（洋葱假单胞菌能利用90多种含碳化合物）（2）氮源：①种类：无机氮：NH3、铵盐、硝酸盐、N2；有机氮：复杂蛋白质(如牛肉膏、蛋白陈)、核酸、尿素、一般氨基酸将无机氮合成菌体蛋白或含氮的代谢产物(如氨基酸等)；合成微生物的蛋白质、核酸及含氮的代谢产物(如氨基酸等)（3）生长因子：①概念：微生物生长不可缺少的微量有机物。②种类：维生素、氨基酸、碱基、酵母膏、蛋白胨、组织提取液③功能：酶和核酸的组成成分；参与代谢过程中的酶促反应。（4）培养基的配制原则：①目的明确②营养协调：谷氨酸生产中，当C/N=4：1时菌体大量繁殖，当C/N=3：1时谷氨酸合成增多③PH要适宜：放线菌7.5—8.5细菌6.5—7.5霉菌4.0—5.8真菌5.0—6.0（酵母菌3.8—6.0）（5）培养基的种类：①根据物理性质的不同分为：固体培养基：用于微生物的分离、计数；半固体培养基：用于观察微生物的运动、鉴定菌种；液体培养基：用于工业生产。②根据化学成分分为：合成培养基：用已知成分的化学物质配成；天然培养基：用成分不明确的天然物质配成，用于工业生产③根据用途分为：选择培养基：加入某种化学物质，抑制不需要的微生物生长，促进所需要微生物生长；鉴别培养基：加入指示剂或化学药品配制而成，用于鉴别微生物。实例：加入青霉素的培养基：分离酵母菌、霉菌等真菌（抑制细菌、放线菌）加入高浓度食盐的培养基：分离金黄色葡萄球菌（抑制多种细菌）不加氮源的无氮培养基：分离固氮菌不加含碳有机物的无碳培养基：分离自养型微生物加入氨基嘌呤、次黄嘌呤和胸腺嘧啶核苷的培养基：分离杂交瘤细胞伊红和美蓝培养基：鉴别大肠杆菌，菌落呈深紫色，带金属光泽2微生物的代谢：（1）微生物代谢：微生物代谢是指微生物细胞内所发生的全部化学反应。（2）微生物代谢的特点：代谢异常旺盛，对物质的转化利用快。其原因：微生物的表面积与体积比很大，有利于与外界环境进行物质交换。（3）微生物的代谢产物：微生物的代谢产物分为初级产物(合成不停；缺少不行；种类基本相同)和次级产物（种类不同；有无都行）。①初级代谢产物是生长繁殖必须的一直产生分布在细胞内如：氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素②次级代谢产物不是生长繁殖必须的是生长到一定阶段产生具有特异性分布在细胞内或外如：抗生素、毒素、激素、色素等（4）微生物代谢的调节：①酶合成的调节a．组成酶在细胞内一直存在，它的合成只受基因调控；诱导酶只有环境中存在诱导物才能合成它的合成受基因与诱导物共同控制；b．酶合成调节的对象是诱导酶；调节的结果是使细胞内酶的种类增多；c．酶合成调节的机制(本质)——原核生物基因表达的调控，如大肠杆菌乳糖操纵子学说；d．酶合成调节的意义：既保证代谢需要，又避免细胞内物质和能量浪费，增强适应性。②酶活性的调节a．酶活性调节的对象是酶(组成酶和诱导酶)的催化能力，调节的结果是酶量发生变化；b．酶活性调节的机制——通过酶与代谢过程产生物质的可逆性结合进行调节；c．酶活性调节的特点：快速、精确；d．酶活性调节的意义：避免代谢产物积累过多。③两种调节方式的区别与联系：区别：A．从调节对象看：酶合成的调节是通过酶量的变化控制代谢速率，而酶活性的调节是对已存在的酶活性进行控制，它不涉及酶量变化。B．从调节效果来看：酶活性调节快速而精细；C．从调节机制看，酶合成调节是基因水平调节，它调节控制酶合成；酶活性调节是代谢调节，它调节酶活性。联系：细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。（5）微生物代谢的人工控制：人工控制微生物代谢的目的——最大限度积累对人类有用的代谢产物。以黄色短杆菌生产赖氨酸、谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸为例，说明人工控制微生物代谢的方法①人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸。由苏氨酸、赖氨酸共同积累过量会抑制天冬氨酸激酶的活性，而赖氨酸单独过量不会出现抑制的。最后落脚点是：通过诱变育种选育不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种作为工业微生物，达到大量生产赖氨酸的目的。②人工控制谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸。由谷氨酸积累过量会抑制谷氨酸脱氢酶活性的特点，改变细胞膜透性，由此可大量生产谷氨酸。（6）发酵：通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程。分类：根据培养基状态分：固体发酵、液体发酵；据产物分：抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵；根据对氧的需求分：厌氧发酵：如酒精发酵、乳酸发酵；需氧发酵：如抗生素发酵、氨基酸发酵3微生物的生长：常以微生物的群体为单位来研究。微生物群体生长的规律：以细菌为例说明。测定群体生长的方法：一种是测定细菌的细胞数目，另一种是测重量。微生物群体生长规律的曲线——生长曲线。（1）绘制方法：将少量的某种细菌接种到恒定容积的液体培养基中。适宜条件培养，定期取样测定培养基里的细菌群体的生长情况（以时间作横坐标，以细菌数目的对数作纵坐标得到生长曲线）（2）细菌的生长曲线：它描述了细菌群体从开始生长到死亡的动态变化过程。（3）主要时期①调整期：a.细菌对新环境的短暂调整或适应过程；b.菌体特点：不分裂繁殖、代谢活跃、体积增长较快、大量合成分裂所需酶类、ATP及其它细胞成分。c.调整期的长短与菌种、培养条件等因素有关。②对数期：a.该期细菌进入快速分裂阶段；b.数目增长的特点：等比数列形式增加；c.菌体特点：代谢旺盛、个体形态和生理特性比较稳定；d.应用：常作为生产用菌种和科研材料。③稳定期：a整个培养基中新增细胞数和死亡细胞数达到动态平衡。营养物质的消耗细胞分裂速率下降b原因:有害代谢产物的积累,pH变化,死亡细胞数目增加,活菌数目达到最高峰。c菌体特点，大量积累代谢产物,特别是次级代谢产物，形成芽孢。d应用：获取次级代谢产物的最佳时期；适当补充营养物质，有助于延长稳定期，提高产量。④衰亡期：a.细菌的死亡速率超过繁殖速率，活菌数目急剧下降b.菌体特点：细胞出现多种形态，甚至畸形；有些细胞开始解体；释放代谢产物（4）实践意义：连续培养法①概念：在一个流动装置中，以一定速度不断添加新培养基，同时又以同样速度不断排出老培养基。②目的：保证微生物对营养物质的需要，排出部分有害代谢产物，使微生物保持较长时间的高速生长。③应用：酒精、丙酮、丁醇等的生产。④意义：缩短培养周期，提高设备利用率，且便于自动化管理。（5）影响微生物生长的环境因素：很多，主要是温度、pH、氧。①温度：微生物生长最旺盛时的温度叫最适宜生长温度；绝大多数微生物最适宜生长温度为25—37℃；最适生长温度范围内，微生物生长速率随温度上升而加快；超过最适生长温度后，微生物生长速率急剧下降。原因：细胞内蛋白质和核酸等发生不可逆破坏。②pH：每种微生物最适pH不同；超过最适pH，影响酶活性、细胞膜稳定性等，从而影响微生物对营养物质的吸收。③氧：依据对氧的需求，微生物分为：1）好氧型微生物，例：多数细菌，大多数真菌；2）厌氧型微生物例：某些链球菌，某些产甲烷杆菌。3）兼性厌氧型微生物例：酵母菌。3、发酵工程简介1应用发酵工程的生产实例―－谷氨酸发酵（1）常用菌种：谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌（异养需氧）。（2）培养基：液体培养基、天然培养基。原料：豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸二氢钾、氧化钾、硫酸镁、生物素（生长因子）（3）发酵过程：罐连续培养。控制条件：温度、PH值、溶氧、搅拌速度。谷氨酸用Na2CO3中和后，过滤、浓缩、离心分离制成味精。2发酵工程内容：菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程、产品的分离提纯。（1）菌种的选育:以谷氨酸发酵（基因突变）、人的胰岛素（基因工程）、单克隆抗体（细胞工程）即诱变育种、基因工程、细胞工程的方法获得菌种。（2）扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。（扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同。例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。）（3）发酵过程：随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度及时添加必需的培养基组分，严格控制温度、PH、溶氧、通气量与转速等条件。谷氨酸发酵中，PH呈酸性时会产生乙酰谷氨酰胺；当溶氧不足时，产生乳酸或琥珀酸。（4）分离提纯：菌体：过滤、沉淀；代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换。3．发酵工程的应用：1．医药工业：(1)直接生产多种药品，如抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸(2)与基因工程和细胞工程结合来生产药品，如：人生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素-2、抗血友病因子等。生长激素释放抑制因子——人脑激素，用于治疗肢端肥大症。2.食品工业：(1)使传统的发酵产品质量和产量得到提高如：啤酒、果酒、食醋。(2)生产各种食品添加剂，如：酸味剂(L-苹果酸、柠檬酸、乳酸)、鲜味剂(肌苷酸、谷氨酸)、色素(红曲素、β-胡萝卜素)、甜味剂(高果糖浆、甜菜糖)。(3)解决粮食问题的重要途径，如生产单细胞蛋白——微生物菌体。[来源:Ks5u.com]选修全一册典型最新例题☆例一：（09.宁夏、辽宁高考）【生物——选修1生物技术实践】（1）在大肠杆菌培养过程中，除考虑营养条件外，还要考虑______、______和渗透压等条件。由于该细菌具有体积小、结构简单、变异类型容易选择、______、______等优点，因此常作为遗传学研究的实验材料。（2）在微生物培养操作过程中，为防止杂菌污染，需对培养基和培养皿进行________（消毒、灭菌）；操作者的双手需要进行清洗和______；静止空气中的细菌可用紫外线杀灭，其原因是紫外线能使蛋白质变性，还能__________。（3）若用稀释涂布平板法计数大肠杆菌活菌的个数，要想使所得估计值更接近实际值，除应严格操作、多次重复外，还应保证待测样品稀释的_______。（4）通常，对获得的纯菌种还可以依据菌落的形状、大小等菌落特征对细菌进行初步的____________。（5）培养大肠杆菌时，在接种前需要检测培养基是否被污染。对于固体培养基应采用的检测方法是_________。（6）若用大肠杆菌进行实验，使用过的培养基及其培养物必须经过_______处理后才能丢弃，以防止培养物的扩散。☆例二：（09.辽宁）【生物——选修3现代生物科技专题】右图为哺乳动物的胚胎干细胞及其分化的示意图。请回答：（1）胚胎干细胞是从动物胚胎发育至_________期的内细胞团或胎儿的_____中分离得到的一类细胞。（2）图中分化程度最低的干细胞是______。在体外培养条件下，培养液中加入___因子，可诱导该种干细