微生物生理学2016

Addyourcompanyslogan微生物生理学徐诚蛟目录2绪论12微生物的细胞化学和结构微生物的营养34微生物代谢概论微生物的产能代谢56微生物的合成代谢微生物的次级代谢78微生物的代谢调节微生物的生长、繁殖与环境910微生物的分化与发育目录第1章绪论目录4厨房抹布（含有细菌、真菌菌丝和酵母菌）目录5微生物生理学是微生物学的一个主要分支学科，是一门研究在实验室和自然条件下微生物生理活动特点与规律的学科。研究对象：微生物生命活动规律以及和周围环境之间的关系。研究范围：微生物细胞的重建方式与一般规律。微生物与周围环境之间的关系。微生物生理活动与人类的关系。1.1微生物生理学研究对象与范围目录6微生物生理学建立于19世纪中后期。尽管古代人民在和疾病作斗争、食品酿造和农业生产过程中，不自觉地利用了微生物，但由于它们形体小，肉眼难见，人们并不知道疾病、酿造和土壤中的物质转化是微生物活动的结果。1.2微生物生理学的发展目录7荷兰的吕文虎克才打开了微生物界的大门1676年目录819世纪中后期巴斯德、柯赫、维诺格拉德斯基和贝格林克等先驱者们的卓越工作，为微生物生理学奠定了坚实的科学基础。路易斯•巴斯德（1822-1895）目录9巴斯德打破了微生物自然发生说。免疫学和微生物发酵的研究等万面都有伟大的贡献，并揭露出在自然界存在有能在无氧条件下进行生活的微生物，他对酒“病”和蚕病的研究，挽救了当时法国的酿酒业和蚕丝业。他发明的巴斯德灭菌法，一直沿用至今。目录10柯赫是与巴斯德同时代的一位德国乡村医生。他首先证明动物炭疽病的病原是细菌，并发明了分离和培养纯菌的方法。他提出的著名的证病律，至今仍指导着动、植物病原的确定。罗伯特•柯赫(1843-1910)目录11微生物生理学进一步的发展应归功于俄国的微生物学家维诺格拉德斯基和荷兰的微生物学家贝格林克。维诺格拉德斯基发现了微生物的自养生活硫细菌氧化H2S获得能量利用CO2作为碳源而生长化能无机营养型的细菌生活方式。其后他又研究了铁细菌和硝化细菌，再次揭示和确定了这类自养细菌的特性。目录12贝格林克利用加富培养的方法，首先自土壤中分离出能固定空气中氮素的好氧固氮菌和蓝细菌（过去称为蓝绿藻）。其后，他又成功地自豆科植物根瘤中分离出根瘤菌（1888）。维诺格拉德斯基和贝格林克的开创性的工作，不仅推动了微生物生理学的发展，也为土壤微生物学莫定了墓础。目录13微生物生理学发展的一个重要转折点是德国布赫纳（Buchner）发现了酵母菌的无细胞制剂可将蔗糖转化成酒精。从此微生物生理学的研究进入了分子水平，并诞生了生物化学。此后，这两个学科紧密结合，共同发展。自1900－1960之间，许多重要的代谢途径，都是首先利用微生物作为研究对象而被阐明，然后在高等生物中得到证实。1676年1864年1897年目录14自60年代之后，由于雅可布和莫纳德研究诱导酶形成机制而建立的操纵子学说(1961)，则标志着微生物生理学朝向代谢调控研究的兴起，并进一步将微生物生理学、生物化学和遗传学结合在一起，形成了分子生物学。早在40年代，由于脉孢霉的遗传研究，提出了基因控制酶的学说，促使遗传学由形式遗传学进入生化遗传学阶段。目录151944.细菌的转化作用和转化物质的提纯等，第一次确定了DNA是遗传的物质基础。1947.细菌重组。1949.噬菌体重组。1952.细菌转导的相继发现。1953.Watson和Crick.DNA分子双螺旋结构的建立。1955.基因细微结构的分析。1958.DNA复制机制。1964.DNA和RNA的分子杂交等重要成就，为建立分子遗传学打下了坚实的基础。目录161961.遗传密码的破译和蛋白质生物合成机制的阐明，是继发现DNA作为遗传物质之后，生物科学上最重要的一项成就。由于分子遗传学的迅速发展，使得人们有可能利用分子遗传学的技术，有目的地改造旧物种和创造新生物，这是当今兴起的一项崭新的DNA重组技术。目录17抗生素已成为现代化的大企业生产；微生物酶制剂已广泛用于农、工、医；微生物的其他产物，如有机酸、氨基酸、维生素等都在进行大量生产。在本世纪40年代后，微生物的应用有了重大的发展。目录181.3.1生物化学方面初级代谢的调节、次级代谢产物合成途径与次级代谢的调节、能量转换的基础；集中研究一些特殊类型生物的生理活动纤维素分解菌产甲烷细菌石油分解菌有机农药分解菌单细胞蛋白产生菌等人工合成大分子物质分解菌、共生菌、寄生菌等1.3微生物生理活动的研究目录191.3.2生物大分子结构与功能的研究1)阐明微生物遗传信息传递与表达的方式和规律；研究膜结构与功能;2)继续发现与研究新的细胞结构与功能；3)研究极端环境条件下微生物抗性与敏感性的机理及其调节，从分子水平上阐明生命的本质。目录201.3.3细胞的重建、形态发生、分化过程与趋向性1)重点是研究微生物组建成一个完整的有生物活性细胞结构过程；2)研究微生物形态发生与分化的分子机理；3)研究微生物的趋向性（趋化性、趋光性、趋磁性等）与运动的本质和生命与环境之间的本质联系等。目录21微生物的生产已构成了一项庞大的发酵工业。为了有效地进行微生物的生产，需要掌握微生物生理学的知识和技术。20世纪80年代是生命科学兴起的时代，今后微生物生理学必将有更广泛而深入的发展，有待于善于思考和勤于工作的研究者们去开发。目录22总结第1章绪论1.1微生物生理学研究对象与范围1.2微生物生理学的发展1.3微生物生理学研究内容第2章微生物的细胞化学和结构目录24微生物界是一大群微小的生物，其中包括非细胞形态的类病毒和病毒，以及具有细胞结构的细菌、真菌、藻类和原生动物。类病毒和病毒结构简单，不能营独立生活，只有寄生在寄主的细胞内才能繁殖。因此，通常认为细胞是组成生命的基本单位，能独立生长和繁殖，是一个高度有组织的生命系统。目录25根据细胞中贮存的遗传信息的结构，通常将生物分成为两大类型：原核生物和真核生物。原核生物细胞中的遗传信息虽然和真核生物的相同，都是贮存在DNA大分子中，但原核生物的DNA却不像真核生物那样为膜包围成为一个明确的细胞核。此外，原核生物细胞中也缺少由膜包围的其他细胞器（如线粒体和叶绿体）和沟通并协调细胞内部生命活动的内质网络。近年来，用新发展核酸测序技术，分析了各类生物的16SrRNA序列，提出了被称为第三型生物的古细菌，与真细菌和真核生物并列。目录26细胞结构使得生命系统与周围环境分开，以细胞质膜作为渗诱屏障，控制着物质的流入和流出细胞。目录27细胞质膜外围的坚实的细胞壁则保护细胞免于遭受渗透冲击而导致的细胞崩解。原生动物和少数细菌的细胞没有细胞壁，但它们的细胞质膜另有加固机制。其他的细胞外部结构，如细菌的荚膜，也起保护作用。有些细胞的表面有运动器官，用以找到适合它们生活的环境和避开不利的环境。目录292.1.1生物元素组成细胞的化学元素，称为生物元素。在自然界常见的90多种化学元素中，只有约20种元素参与生命活动，其中包括：2.1微生物细胞的化学组成组成细胞的有机化合物和水或以离子游离于细胞质中，或与有机酸化合成易被解离的盐类组成各种酶的辅基，它们在细胞中的含量甚微，通常称为微量元素。C、H、O、N、P、S、Na、K、Mg、Mn、Ca、CI、Fe、Zn、Cu、Co、Ni、Mo、Se和W。目录312.1.2研究方法2.1.2.1细胞鲜重测定培养基中微生物过滤或离心收集菌体细胞洗净细胞表面培养基吸去细胞外水分称重得细胞的鲜重，以每升培养液中所含有的细胞鲜重（g/L）表示。由于细胞在收集过程中会聚集成团，细胞与细胞之间的水分难以除去，因此，用上述方法所测得的细胞鲜重往往比实际的重量要细胞之间的水可用加入同位素标记的蛋白质的方法，加以测量，因为蛋白质不能掺入细胞，只是溶于细胞外围的水中，测定细胞团的放射活性，可以推算出细胞外围的水量。目录322.1.2.2干重测定将一定重量的鲜细胞，在105℃高温下，或在低温（60℃）真空下干燥至恒重，测出细胞干重，通常以g/l或mg/ml表示。大肠杆菌在适合的培养条件下，每升培养液可产生25-30g干细胞。酵母菌可产生40g以上干细胞。近年来，采用高密度培养技术，可达到120g/L干酵母的产量。目录402.1.2.5生物分子的分离由各种生物元素所组成的细胞有机化合物称为生物分子，以区别于非生物来源的有机化合物。103109小分子大分子超分子亚细胞结构结合装配蛋白质核酸多糖脂类细胞壁细胞质膜细胞核线粒体叶绿体等氨基酸核苷酸脂肪酸甘油及中间代谢产物目录43生物分子分离流程简图细胞上清液(小分子)沉淀(大分子)抽提液(脂类)残渣抽提液(RNA)残渣抽提液(DNA)残渣水相(多糖)界面(蛋白、肽聚糖)酚相(蛋白)10%三氯醋酸，0－4℃下浸提过液，5000g离心10min甲醇－乙醚(1:1)抽提0.5mol/LNaOH，37℃浸提40min，冷却后，加冷三氯醋酸5%三氯醋酸，80℃抽提30min目录44上节所述细胞化学组成的分析，只能说明细胞是由哪些物质组成的以及它们的大致含量，但不能提供细胞结构和功能的信息。为了进一步了解是哪些物质组成了什么亚细胞结构以及这些亚细胞结构的生理功能，需要将细胞破碎，分离出各种不同的亚细胞结构后，再加以研究。2.2细胞结构研究方法目录45研磨法研磨法是最简便的方法，不需要特殊设备。1894年Buchner就是用这种方法，将酵母菌细胞放在研钵中，经研磨而将细胞破碎的。虽然这种方法破碎细胞的效率不高，至今丝状真菌细胞的破碎仍常采用此法，为了提高研磨的效率和避免研磨时产生热，可事先将菌丝体在液氮中快速冷冻后，再加以研磨。2.2.1细胞破碎目录46压榨法这种方法的原理是利用高压破碎细胞。French压榨机，它的结钩是在一个耐高压的不锈钢筒，装配有可移动的密封活塞。钢筒下有一可调微孔的细管与外界相通。操作时，关闭微孔，风筒中加入浓细胞悬液，加高压使活塞下降，并保持最大压力。缓慢地打开微孔，当细胞悬液通过微孔时，由于高压的强烈剪切力，致使细胞破碎，流出收集备用。目录47为了避免高压产生热，在操作前可将压榨机预先冷却，并在冰浴中收集压榨液。French压榨机破碎G-细菌和G+杆菌的效果好，破碎G+球菌和细菌芽孢的效果差。X－压榨机的结构与French压榨机的结构相似，不同的是它压榨的不是细胞悬液，而是冻结的细胞。细胞中的冰晶在高压下产生强烈的剪切力，使细胞破碎。因此，X－压榨机需要在低温下（-30℃）操作，设备昂贵，但破碎效率高。对G–和G+细菌都有效。目录48弹道法将细胞悬液与小玻璃珠混合后，装入细胞振荡磨中，高速往返振荡(2000-4000次/min)，在3-5min内就将细胞破碎，破碎效果好，价格比较便宜，也容易操作。为了降温，可在容器外围通入液体二氧化碳。目录49超声波法超声波探头的高频振荡可造成溶液中形成“空穴”，即生成许多微小的气泡，它们在探头附近高速运动，产生强大的剪切力，足以破碎悬浮的细胞。这种方法破碎的效率虽高，但缺点是在处理的过程中，所有的细胞不能同步破碎，有的先破了，有的后破。因此，先破的细胞仍继续遭受剪切力而形成更小的碎片。目录50而且在处理时会产生高温和泡沫，容易使蛋白变性和酶失活。为了降温需在冰浴中处理细胞悬液和采用不连续脉冲电源超声波发生器。操作时要注意保护耳朵，不要在塑料容器内处理细胞悬液，因为塑料器皿会吸收超声波的能量。以上所介绍的四种方法，都是应用机械力量使细胞破碎。其中任何一种方法都不适用于所有的微生物。破碎效率比较：X-压榨机＞振荡磨＞French压榨机＞超声波＞研磨。各种微生物对破碎的抗性：酵母菌＞丝状真菌＞G+球菌＞G+杆菌＞G-杆菌＞嗜盐菌＞支原体。目录51渗透冲击这种方法是在高渗溶液中将细胞壁酶解，形成原生质体或球质体。由于酶分解了细胞壁的坚实组分，细胞变得对渗透压敏感。因此，当原生质体或球质体转入低渗溶液中时，就会遭受渗透冲击而崩解。这种方法比较温和，但细胞壁却遭破坏。分离细胞器和自细胞中分离酶时，常采用这种方法。目录52细菌细胞的破碎组成真细菌细胞壁的坚实成分是肽聚糖