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1、微生物生理学-第1章 绪论 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一章第一章 绪论绪论n n一、课程简介n n二、微生物生理学的发展历程n n三、微生物生理学技术方法课程简介课程简介 课程性质和地位 微生物生理学是研究微生物生理活动及规律的科学，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。微生物生理学是我校食品与生物技术学院生物工程专业本科生的必修课。教学以讲授为主。先修课程主要为微生物学和生物化学。课程教学的基本要求课
2、程教学的基本要求1.微生物生理学的发展史、主要内涵及常见的研究方法2.微生物分解代谢，包括微生物对大分子有机物的分解，以及其中的产能代谢机制。3.微生物合成代谢，CO2和二碳化合物的同化，氨基酸和糖的生物合成及其微生物特点。4.微生物生长动力学。平时成绩：40 0分分 教学安排期末成绩分配考试卷面成绩：60 0分分 （闭卷）课堂提问课后习题考勤参考资料参考资料n n1 李季伦 主编微生物生理学北京：中国农业出版社，1994年n n2沈萍微生物学北京：高等教育出版社，2006年n n3朱玉贤 主编 现代分子生物学北京：高等教育出版社，2007年n n4 历朝龙 主编生物化学与分子生物学实验技术杭
3、州：浙江大学出版社，2003年http:/ http:/ http/Google 图书 http:/.hk/books什么是微生物生理学？微生物生理学是一门研究微生物生理学是一门研究微微生物生理活动特点及其规律生物生理活动特点及其规律的的学科，是微生物学的一个重要学科，是微生物学的一个重要分支学科。分支学科。微生物生理学学科的形成及发展微生物生理学学科的形成及发展实践应用理论发展未来的发展方向?理论成熟应用开发 公元前数千年至现在，人类利用微生物酿造各种食品公元前数千年至现在，人类利用微生物酿造各种食品等过程中逐步累积了关于微生物生理学的应用经验。等过程中逐步累积了关于微生物生理学的应用经验。
4、喜酸喜温米酒酸大米、明矾水、较高温度红曲菌实践应用阶段在发展成一门独立学科之前，微生物生理在发展成一门独立学科之前，微生物生理活动已得到实践应用，但由于当时科学水活动已得到实践应用，但由于当时科学水平有限，这些知识只是经验性的，没有上平有限，这些知识只是经验性的，没有上升到理论认识阶段升到理论认识阶段酱酱 菜菜 酱油酱油 泡菜泡菜 微生物生理学的理论发展阶段1.微生物种类与发酵产物的关系2.菌株分离方法的建立（2 2）18601860年，巴斯德发表关于酒精发酵的文章年，巴斯德发表关于酒精发酵的文章路易斯巴斯德证明发酵过程的本质是由微生物引起的化学过程，同时发现，含糖培养基中一种微生物可以引起乳
5、酸发酵，另一种微生物可引起酒精发酵。（1 1）18571857年，巴斯德发表年，巴斯德发表 关于乳酸发酵的记录关于乳酸发酵的记录（3 3）18611861年，巴斯德对丁醇发酵进行研究年，巴斯德对丁醇发酵进行研究（4 4）18611861年末，巴斯德首次涉及兼性厌氧微年末，巴斯德首次涉及兼性厌氧微生物生物微生物生理学的理论发展阶段2.菌株分离方法的建立1.微生物种类与发酵产物的关系1881年创立了固体培养基划线分离纯种法；应用这种方法,主要的传染病病原菌被相继发现。发现了纯种结核杆菌。1890年，发现了结核菌素，提出用结核菌素(卡介苗的前身)治疗结核病（微生物生理学的医用价值）。罗伯特 科赫微生
6、物生理学的成熟时期微生物生理学的成熟时期1858年，年，特劳贝（特劳贝（Traube）发现与糖发酵有关的可发现与糖发酵有关的可 能是酵母菌细胞内特定的蛋白质。能是酵母菌细胞内特定的蛋白质。1900年，年，纽伯格纽伯格发现葡萄糖发酵成乙醇是由许多小发现葡萄糖发酵成乙醇是由许多小 步骤完成的，每步都有一个步骤完成的，每步都有一个酶酶。（1）代谢途径中酶的重要性及特点19301930年，年，卡斯特龙卡斯特龙发现组成酶和适应酶发现组成酶和适应酶4040年代后期，年代后期，波洛克和莫诺波洛克和莫诺发现发现适应酶机制适应酶机制1904-19051904-1905，哈登哈登（A.HardenA.Harden
7、）发现大肠杆菌等发现大肠杆菌等 在好氧和厌氧条在好氧和厌氧条 件下的葡萄糖代谢产件下的葡萄糖代谢产 物有所不同，表明细菌具有适应性。物有所不同，表明细菌具有适应性。（2）代谢途径中酶的可调控性研究亚历山大弗莱明19291929年，亚历山大年，亚历山大弗莱明发现了青霉素。弗莱明发现了青霉素。葡萄球菌青霉菌青霉素工业开发获得成功，带动了一批微生物初级和次级代谢物产品的开发，如氨基酸、维生素、核苷酸、酶等。微生物生理学发展应用的重要开拓者目前从事目前从事微生物生理生化、微生物代谢与调微生物生理生化、微生物代谢与调控、微生物遗传及育种控、微生物遗传及育种研究的人员较多，为研究的人员较多，为我国经济建设
8、和学科发展做出了重要贡献。我国经济建设和学科发展做出了重要贡献。我国目前发展情况微生物生理学未来的发展方向（微生物生理学未来的发展方向（5）（1）生物化学方面）生物化学方面 主要集中在初级代谢的调节、次主要集中在初级代谢的调节、次级代谢产物合成途径与次级代谢的调级代谢产物合成途径与次级代谢的调节；节；集中研究一些特殊类型生物的生集中研究一些特殊类型生物的生理活动。理活动。（2）生物大分子结构和功能的研究）生物大分子结构和功能的研究n 继续发现与研究新的细胞结构与功继续发现与研究新的细胞结构与功 能；能；n 研究研究膜膜结构与功能（结构与功能（抗生素的开发抗生素的开发）；）；n 研究极端环境条件
9、下微生物抗性研究极端环境条件下微生物抗性 与敏感性的与敏感性的机理及其调节机理及其调节；p 生物大分子组建成一个完整的有生物活性的生物大分子组建成一个完整的有生物活性的 细胞结构细胞结构(探究生命的起源探究生命的起源)；p 研究微生物形态发生与分化的分子机理（研究微生物形态发生与分化的分子机理（如如 酵母菌的形态变化酵母菌的形态变化）；）；p 研究微生物的趋向性（趋化性、趋光性、趋研究微生物的趋向性（趋化性、趋光性、趋 磁性等）；磁性等）；生物传感器的开发生物传感器的开发（3）从分子水平上研究细胞的重建、形态发生、）从分子水平上研究细胞的重建、形态发生、分化过程与趋向性等行为的特点与研究分化过
10、程与趋向性等行为的特点与研究（4）微生物）微生物“代谢工程学代谢工程学”研究研究 什么是代谢工程？什么是代谢工程？是指利用是指利用DNA重组技术优化细胞的酶活，提重组技术优化细胞的酶活，提 高细胞活力的方法。高细胞活力的方法。Bailey,J.E.Toward a science of metabolic engineering.Science,1991.252:1668-1675发展：70年代DNA重组90年代形成代谢工程的手段：代谢工程的手段：应用重组应用重组DNA技术和分子生物学相关的遗传学技术和分子生物学相关的遗传学手段进行有精确目标的基因操作，通过有目的的手段进行有精确目标的基因操作
11、，通过有目的的对细胞代谢进行修饰，从而达到代谢活性提高的对细胞代谢进行修饰，从而达到代谢活性提高的目的。目的。代谢工程的目标：代谢工程的目标：u 提高细胞现存代谢途径中天然产物的产量提高细胞现存代谢途径中天然产物的产量u 改造细胞现存代谢途径、使其合成新产物改造细胞现存代谢途径、使其合成新产物u 对不同细胞代谢途径进行拟合、构建全对不同细胞代谢途径进行拟合、构建全 新的代谢通路，从而产生细胞自身不能合新的代谢通路，从而产生细胞自身不能合 成的新产物成的新产物u 优化细胞的生物学特性，如：提高生长速优化细胞的生物学特性，如：提高生长速 率，某些极端环境的耐受性等率，某些极端环境的耐受性等（5 5
12、）系统生物学的发展）系统生物学的发展 对微生物生命现象的遗传与调控研究，目前对微生物生命现象的遗传与调控研究，目前多处于单基因研究。多处于单基因研究。研究表明，许多重要的生理现象都是多基因研究表明，许多重要的生理现象都是多基因调控的，因此，多基因共同参与的对微生物生调控的，因此，多基因共同参与的对微生物生命现象（系统与进化、生理与代谢、遗传与发命现象（系统与进化、生理与代谢、遗传与发育）的整体调控研究将成为微生物学学科的发育）的整体调控研究将成为微生物学学科的发展趋势。展趋势。A.多基因系统生物学 自然环境中同种或异种微生物之间存自然环境中同种或异种微生物之间存在复杂的信息传递，微生物对环境也
13、同在复杂的信息传递，微生物对环境也同样具有复杂的信息应答。样具有复杂的信息应答。对自然系统条件下的微生物进行综合对自然系统条件下的微生物进行综合研究，将成为微生物学生理学系统研究研究，将成为微生物学生理学系统研究的问题之一。的问题之一。B.多物种系统生物学小结小结n微生物生理学是阐述微生物的生命活动规律的一门科学，重点内容包括：微生物细胞的结构和功能、微生物的营养与物质运输、微生物的分解代谢、微生物的合成代谢、微生物的代谢调节、微生物的次级代谢及其调节、微生物的生长繁殖与环境、微生物的分化、基因组时代的微生物生理学等。学习重点章节（教材）学习重点章节（教材）n n第一章 绪论（1学时）n n第
14、四章 异养微生物的生物氧化（6学时）n n第五章 自养微生物的生物氧化（3学时）n n第六章 微生物的合成代谢（8学时）n n第九章 微生物的生长繁殖与环境（6学时）n n第十章 微生物的分化（8学时）微生物生理学中常用的技术与方法微生物生理学中常用的技术与方法纯培养技术纯培养技术染色技术染色技术显微与显微摄影技术显微与显微摄影技术生化技术生化技术放射性同位素技术放射性同位素技术遗传学方法遗传学方法免疫学技术与其他技术免疫学技术与其他技术细胞破碎技术细胞破碎技术 离心技术离心技术层析技术层析技术电泳技术电泳技术过滤技术过滤技术微量测压技术微量测压技术常常用用生生化化技技术术第二章 微生物细胞的
15、结构与功能n n原核微生物n n真核微生物原核微生物原核微生物 n n以细菌为典型代表。以细菌为典型代表。n n基本结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质、基本结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质、”核区核区”。n n特殊结构特殊结构?包括荚膜、鞭毛和芽孢等。包括荚膜、鞭毛和芽孢等。细菌细胞结构细菌细胞结构鞭毛芽孢纤毛质粒细胞膜周质空间周质空间肽聚糖层外膜细胞膜肽聚糖层 革兰氏阳性菌与阴性菌 是细菌细胞在其生命活动过程中在一定营养条件是细菌细胞在其生命活动过程中在一定营养条件下向细胞表面分泌的一层胶状透明的粘性物质，位于下向细胞表面分泌的一层胶状透明的粘性物质，位于细胞壁的外侧。细胞壁的外侧。荚膜：荚膜：如
16、果分泌的粘性物质与细胞壁结合紧密，有一定的外形和明显的边缘，则称荚膜。糖被糖被粘液层粘液层：若与细胞壁结合较松散，无一定的外形和明显的边缘，则称粘液层。化学组分：化学组分：主要为多糖或多肽多糖或多肽，还有一定数量的多肽、糖蛋白、脂蛋白等，因菌种而异。含水量90%以上。荚膜荚膜粘液层功能：功能：（1）对菌体起保护作用，防止干燥和被吞噬；（2）形成各种形状的菌胶团；（3）做为贮存物，在碳源缺乏时可利用荚膜物质生存。重要应用举例重要应用举例黄原胶黄原胶野油菜黄单胞菌野油菜黄单胞菌胞外荚膜中提取的黄原胶黄原胶，在国内外应用非常广泛，用量很大。2.2.用途用途：（1）用于油田开发，作为钻井泥浆，提高采油
17、率。（2）用于食品工业，作为食品添加剂（蛋食品工业，作为食品添加剂（蛋糕、面包、果冻等）糕、面包、果冻等），19831983年世界卫生组织（WHOWHO）在罗马开会，批准黄原胶（XanthonXanthon gumgum）在世界范围使用，每年上万吨（美国）用于食品。1 1性质性质：（1 1）具有假塑性（流变性），乳化稳定性，颗粒悬浮性。（2 2）耐酸碱，耐高温。（3 3）抗盐钙。（4 4）高粘度。是指一大类具有完整细胞核、是指一大类具有完整细胞核、结构精巧的染结构精巧的染色体色体和多种细胞器的微生物。和多种细胞器的微生物。真核微生物真核微生物真核微生物包括哪些？真核微生物的特点？线粒体溶酶体粗
18、面内质网核糖体细胞核核仁 核膜粗面内质网微管中心体囊泡细胞膜高尔基体细胞质具有细胞壁的真核微生物主要是真菌和藻类细胞壁？细胞壁？原核细胞和真核细胞的区别原核细胞和真核细胞的区别项目项目项目项目真核微生物真核微生物真核微生物真核微生物原核微生物原核微生物原核微生物原核微生物形态形态形态形态大多为多细胞，分枝状菌丝体大多为多细胞，分枝状菌丝体大多为多细胞，分枝状菌丝体大多为多细胞，分枝状菌丝体单细胞不分枝（放线菌除外）单细胞不分枝（放线菌除外）单细胞不分枝（放线菌除外）单细胞不分枝（放线菌除外）大小大小大小大小2m2m100m100m2m2m细胞壁细胞壁细胞壁细胞壁几丁质、几丁质、几丁质、几丁质、葡聚糖、葡聚糖、葡聚糖、葡聚糖、甘露聚糖甘露聚糖甘露聚糖甘露聚糖肽聚糖肽聚糖肽聚糖肽聚糖细胞质细胞质细胞质细胞质有线粒体、有线粒体、有线粒体、有线粒体、内质网、内质网、内质网、内质网、液泡等，液泡等，液泡等，液泡等，核糖体形核糖体形核糖体形核糖体形80S80S无线粒体无线粒体无线粒体无线粒体 、内质网等、内质网等、内质网等、内质网等核糖体核糖体核糖体核糖体70S70S细胞核细胞核细胞核细胞核真核真核真核真核原核原核原核原核第第3 3章预习章预习1、无氧呼吸与发酵作用是一回事吗？有什么异同点？2、无氧呼吸和发酵的电子受体分别是什么？3、四种糖代谢途径的特征酶和特征产物是什么？