微生物生理学2016

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1 . 2 微生物生理学的发展
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。
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1676 年
荷兰的吕文虎克才打开了微生 物界的大门
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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2 . 1 微生物细胞的化学组成
2.1.1 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：
C 、 H 、 O 、 N 、 P 、S 、 组成细胞的有机化合物和水 Na 、 K 、 Mg 、 Mn 、 Ca 、 或以离子游离于细胞质中， CI 、 或与有机酸化合成易被解离 的盐类 Fe 、 Zn 、 Cu 、 Co 、 Ni 、 组成各种酶的辅基，它们在 Mo 、 Se 和 W 。 细胞中的含量甚微，通常称 为微量元素。
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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。
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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。
压榨法
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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。
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2.1.2.5 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。
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小分子
氨基酸 核苷酸 脂肪酸 甘油及 中间代 谢产物
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大分子
蛋白质 核酸 多糖 脂类
装配
超分子 亚细胞结构
细胞壁 细胞质膜 细胞核 线粒体 叶绿体等
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生物分子分离流程简图
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2.2.1 细胞破碎
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。
残渣 酚相(蛋白)
界面(蛋白、肽聚糖)
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2.2 细胞结构研究方法
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。
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19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）
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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。
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2.1.2.2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。
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。
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1 . 3微生物生理活动的研究
1.3.1 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
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பைடு நூலகம்
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1 . 1 微生物生理学研究对象与范围
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。
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第 2 章 微生物的细胞 化学和结构
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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。
细 上清液(小分子) 胞 沉淀(大分子)
甲醇－乙醚(1:1)抽提 10 %三氯醋酸， 0 －4 ℃ 下浸提过液，5000g离心10min
抽提液(脂类)
残渣
残渣
0.5mol/LNaOH，37 ℃浸提40min， 冷却后，加冷三氯醋酸
抽提液(RNA)
5%三氯醋酸，80 ℃抽提30min
抽提液(DNA) 水相(多糖)
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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。
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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
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1.3.2 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。
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1.3.3 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。
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2.1.2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。
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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)
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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 H 2 S 获得能量 利用 CO 2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。
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1944.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。
研磨法
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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。
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
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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。
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1961.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。
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在本世纪 40 年代后，微生物的应用有了重大 的发展。
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微生物生理学
徐诚蛟
目录
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绪 论 微生物的营养
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微生物的细胞化学和结构 微生物代谢概论 微生物的合成代谢 微生物的代谢调节 微生物的分化与发育
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5
微生物的产能代谢
微生物的次级代谢 微生物的生长、繁殖与 环境
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第1章
绪 论
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厨房抹布 （含有细菌、真菌菌丝和酵母菌）