微生物生理学2011复习题

第一章

生理学课程任务:

微生物生理学是研究微生物生命规律以及微生物与环境的科学，是微生物学的重要分支科学。微生物生理学重点研究微生物细胞的分子结构和代谢途径。

个体生长:

微生物通过新陈代谢将外界营养物质转化为自身细胞物质,个体长大或菌丝体延长、质量增加，并进行必需的细胞结构的复制和细胞分裂的过程。

群体生长：

通过细胞分裂、孢子萌发或菌丝断裂等方式，使群体数目增加称为群体生长。

分解代谢（异化作用）：

是指由复杂的营养物质分解成简单化合物的过程。为细胞的合成代谢提供中间代谢物，为细胞的生命活动和代谢活动提供能量。不同的微生物、不同的环境条件均可引起不同的分解途径，产生不同的代谢产物。

合成代谢（同化作用）：

指将简单化合物合成复杂的生物大分子物质的过程。这些简单的化合物可以由分解代谢提供或由环境提供，这些生物大分子可以是细胞结构性大分子如细胞组分、细胞器等，或者是功能性大分子如多糖、酶等。同样，在不同的条件下，不同的微生物可进行不同的合成途径，产生不同的合成产物。

微生物生理学研究技术：

1电子显微镜技术：对于阐述细胞的功能和结构之间的关系起到决定性作用

光学显微镜可以观察到0.2μm以上的物体；电镜：包括扫描电镜和透射电镜，其分辨力可达0.1—0.2nm

2超离心技术：纯化生物大分子及亚细胞部分

1）差级离心：逐级提高离心速度（离心场强度）从而可以分离沉降速度差别在一个或几个数量级的颗粒。

2）密度梯度离心：通过介质的密度梯度来维持重力的稳定性，抑制对流，使比介质重的颗粒向下移动，而轻的向上飘浮，直至处于密度相同的区带内停止，形成沿密度梯度的不同密度颗粒的区带分离。

3 光谱技术：

1）可见光分光光度法：用于生物组分如蛋白质、DNA、氨基酸、糖、核糖核酸和类固醇等。

2）紫外分光光度法：用于DNA、蛋白质的扫描，定量及在线检测等。

3）原子吸收分光光度法和火焰分光光度法：用于金属元素、电子自旋共振波谱研究酶、自由基在环境中的变化。

4）核磁共振波谱用于有机分子结构的研究

5）质谱用于微量物质定性及快速测定肽的一级结构等

4同位素技术：

用于示踪代谢途径，在微生物培养环境中加入一种放射性物质，在不同的时间取样，经提取、分离后定位放射性，从而得出有关代谢途径的重要资料，由此研究同化或异化过程，

研究营养物质的吸收、转移机制、途径和最终积累部位，研究特殊化合物的代谢周转期。

在酶催化反应中，利用同位素标记的底物可研究酶作用的部位、机制等。

5电泳技术：

根据生物分子具有可电离基团，在溶液中能形成离子，不同分子由于荷电量的不同，分子的大小也不同，因而荷质比不同，在电场中迁移状况不同而分离。

等电聚焦：在pH梯度的介质中进行电泳分离时，各种生物分子移向与其等电点相一致的pH位置，由于此位置分子不再呈现电性，从而不再在电场中泳动，由此可测定等电点及分离等电点不同的物质。

6 其它：

电位、电势、极谱技术、测压技术、超声粉碎、染色技术等也广泛应用于生理学研究。

细菌荚膜生理功能：

1.抗干燥作用；

2.起贮存物质作用。C/N高时产荚膜，C/N低时利用荚膜

3.保护作用，不受原生动物或噬菌体的侵害；

4.避免或减少氧向细胞内扩散（对好氧固氮菌）

S-层蛋白的基因研究的应用：

1、概念：

S-层蛋白(surface-layer protein)：位于细胞外壳最外层的一类表面结构。在古细菌和真细菌中，S-层是最常见的表面结构之一, 对细菌细胞的生存及完整性有着很重要的作用。S-层是由蛋白质或糖蛋白亚基组成的单分子晶体点阵，它们形成有孔的网络结构覆盖在细胞表面。它们具有独特的结构以及理化性质，还承担了很重要的生物学功能。

2、S-层蛋白的组成：

一般具有高含量的酸性和疏水性氨基酸，其中疏水性氨基酸可占40-60%, S-层蛋白的糖基化现象普遍存在。含大量谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)赖氨酸的含量较高，占10%极少有含硫氨基酸。S-层蛋白多为酸性，等电点在4-6之间, 少数呈碱性。约20%的氨基酸是以α-螺旋形式；约40%的氨基酸采取β折叠形式；无规折叠和β转角含量在5%到45%之间变化。

3、S-层蛋白的基因（40多个）：

许多不同来源的S-层基因已被克隆和测序。发现N末端有限区域内存在一段高度保守的序列该区域对S-中部而在C 端部分(包括自我组装加工必需的结构域和暴露于孔中和S-层表面上的结构域)只发现有极低的序列同一性(约20%)。但是不同芽胞杆菌的S- 层蛋白的整个中部和相应的C 末端部分观察到保守的4- 6 氨基酸的序列以相对恒定的距离出现。S- 层基因一般有很强的启动子，如嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)；S- 层基因启动子的效率是编码乳酸脱氢酶基因启动子的两倍(后者在细菌中被认为是最强的启动子之一)。

4、表面展示的研究

微生物细胞表面展示(surface display)：指通过遗传操作的手段将外源大分子定位表达在微生物细胞的表面, 以达到一定的研究和应用目的。多数情况下, 表面展示是以构建融合蛋白的方式实现的, 即以一定的方式将外源蛋白与菌体的某一表面蛋白相融合，借助后者的表面识别和定位功能将前者携带并定位在细胞的表面。将外源蛋白固定在微生物细胞的表面可以直接用重组微生物进行后续的操作, 免去了产物的提取, 纯化和重新折叠等一系列的操作。

5、表面展示的应用：

Bingle等(2001)利用无致病性的G-细菌—新月柄杆菌的S-层蛋白RsaA作为载体, 在细

胞表面成功展示了铜绿假单胞菌的表面抗原。另外，还在新月柄杆菌的S-层蛋白上尝试了多个融合位点，结果表明有11个位点具有表面展示的能力。

革兰氏阴性细菌细胞壁中脂多糖引起人体发热反应原因

1、概念：

脂多糖：脂多糖是革兰氏阴性细菌细胞壁中的一种成分，脂多糖对宿主是有毒性的。

2、引起人体发热反应原因：

内毒素只有当细菌死亡溶解或用人工方法破坏菌细胞后才释放出来，所以叫做内毒素。其毒性成分主要为类脂质A。内毒素位于细胞壁的最外层、覆盖于细胞壁的黏肽上。各种细菌的内毒素的毒性作用较弱，大致相同，可引起发热、微循环障碍、内毒素休克及播散性血管内凝血等。内毒素耐热而稳定，抗原性弱。人体对细菌内毒素极为敏感。极微量（1-5纳克/公斤体重）内毒素就能引起体温上升，发热反应持续约4小时后逐渐消退。自然感染时，因革兰氏阴性菌不断生长繁殖，同时伴有陆续死亡、释出内毒素，故发热反应将持续至体内病原菌完全消灭为止。内毒素引起发热反应的原因是内毒素作用于体内的巨噬细胞等，使之产生白细胞介素1、6和肿瘤坏死因子α等细胞因子，这些细胞因子作用于宿主下丘脑的体温调节中枢，促使体温升高发热。

细菌细胞壁功能及极端环境微生物的细胞壁特点（耐辐射、噬高温、噬盐）

1、细菌细胞壁的功能

1）保护作用

2）决定细胞的形态学特征

3）表面呈负电性，提供离子交换机制

4）决定细菌的抗原和致病性

2、极端环境微生物的细胞壁特点（耐辐射、噬高温、噬盐）

1）革兰氏阴性嗜高温菌

具有类似鞘的外层结构包围着；类似鞘的外层结构由六角形排列的外膜蛋白组成，其功能尚不清楚，可能具有孔蛋白(Porin)功能。

2）极端嗜盐菌的细胞壁

细胞壁不是由胞壁酸构成，而是由高度硫酸化的杂多糖形成；其特征：

N-乙酰氨基古洛糖醛酸的存在和氨基葡萄糖残基被N-氨基乙酰(甘氨酰基)取代。有的由糖蛋白S层构成。

3）产甲烷高温菌的细胞壁

拟（伪）肽聚糖(pseudopeptidoglyean)、软骨素(Methanochondroitin)、糖蛋白亚单位构成的表面(S)层。S层糖蛋白含593个氨基酸，其中很高数量的异亮氨酸、天门冬氨酸和半胱氨酸，在它的细胞两端的伪肽聚糖层内还发现数条通向细胞外的通道,其功能尚不清楚。

4）耐辐射奇球菌的细胞壁

Baumeister 等(1987)用三维电子显微技术对这种细菌细胞壁的特异性观察发现,它具有规则对称的表面层HPI(hexagonally packed intermediate) 层, 紧密地与细胞壁结合在一起。在其外还有相当厚而致密的糖衣透过HPI层间隙锚于外层细胞壁上,并覆盖着HPI层。HPI层易用除污剂分离,且具有异乎寻常的抗化学干扰物的性能。聚丙烯酰胺凝胶电泳显示,它是由多种多肽所构成。此外, 还发现在耐辐射奇球菌的细胞壁内外膜之间也有肽聚糖以及一些组分尚不清楚的嵌入物.

第二章