微生物的代谢产物 微生物在代谢过程中,会产生多种多样的代谢产物.根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系,可以分为初级代谢产物和次级代谢产物两类 初级代谢产物是指微生物通过代谢活动所产生的,自身生长和繁殖所必需的物质,如氨基酸,核昔酸,多糖,脂类,维生素等.在不同种类的微 生物细胞中,初级代谢产物的种类基本相同.此外,初级代谢产物的合成在不停地进行着,任何一种产物的合成发生障碍都会影响微生物正 常的生命活动,甚至导致死亡 次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂,对该微生物无明显生理功能,或并非是微生物生长和繁殖所必需的 物质,如抗生素,毒素,激素,色素等.不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同,它们可能积累在细胞内,也可能排到外环境中,其中 抗生素是一类具有特异性抑菌和杀菌作用的有机化合物,种类很多,常用的有链霉素,青霉素,红霉素和四环素等.(小资料:某种抗生素所能 抑制和杀灭的微生物范围叫抗菌谱.广谱抗生素就是抗菌范围较广的抗生素,反之,就是窄谱抗生素.) 总之,这些代谢产物都是在微生物细胞的调节下,有步骤地产生的 微生物代谢的调节 微生物在长期的进化过程中,形成了一整套完善的代谢调节系统,以保证各种代谢活动经济而高效地进 物的代谢调节主要有两种方 式:酶合成的调节和酶活性的调节 大肠杆菌分解乳糖的酶是哪种酶控制这种酶合成的基因是如何表达的 酶合成的调节微生物细胞内的酶可以分为组成酶和诱导酶两类.组成酶是微生物细胞内一直存在的酶,它们的合成只受遗传物质的控制, 而诱导酶则是在环境中存在某种物质的情况下才能够合成的酶.例如,在用葡萄糖和乳糖作碳源的培养基上培养大肠杆菌,开始时,大肠杆 菌只能利用葡萄糖而不能利用乳糖,只有当葡萄糖被消耗完毕以后,大肠杄菌才开始利用乳糖.这个实验表眀,大肠杄菌分解葡萄糖的酶是 组成酶,分解乳糖的酶不是组成酶,而是在乳糖诱导下合成的诱导酶.这种调节既保证了代谢的需要,又避免了细胞内物质和能量的浪费,增 强了微生物对环境的适应能力 酶活性的调节微生物还能够通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率.酶活性发生改变的主要原因是,代谢过程中产生的物质与酶结 合,致使酶的结构产生变化.但这种变化是可逆的,当代谢产物与酶脱离时,酶结构便会复原,又恢复原有的活性.例如,谷氨酸棒状杆菌能够 刂用葡萄糖,经过复杂的代谢过程形成谷氨酸;但当终产物一一谷氨酸的合成过量时,就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,从而导致合成途径中 断(图5-9).当谷氨酸因消耗而浓度下降时,抑制作用就会被解除,该合成反应又重新启动.因此,酶活性的调节是一种快速,精细的调节方式. 这种调节现象在核苷酸,维生素的合成代谢中十分普遍 上述两种调节方式是同时存在,并且密切配合,协调起作用的.通过对代谢的调节,微生物细胞内一般不会积累大量的代谢产物.但在工业生 产中,人们总希望微生物能够最大限度地积累对人类有用的代谢产物,这就需要对微生物代谢的调节进行人工控制 微生物代谢的人工控制 人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性,控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等.例如,黄色短杆菌能够利用天冬氨酸合 成赖氨酸,苏氨酸和甲硫氨酸(图5-10).其中,赖氨酸是一种人和高等动物的必需氨基酸,在食品,医药和畜牧业上的需要量很大.在黄色短 杄菌的代谢过程中,当赖氨酸和苏氨酸都积累过量时,就会抑制天冬氨酸激酶的活性,使细胞内难以积累赖氨酸:而赖氨酸单独过量就不会 出现这种现象.由此可见,要想利用黄色短杆菌生产赖氨酸,就必须抑制苏氨酸的合成.那么,怎样才能抑制苏氨酸的合成呢科学家通过研 究发现,高丝氨酸脱氢酶是合成高丝氨酸不可缺少的一种酶,而合成赖氨酸则不需要这种酶.科学家通过对黄色短杄菌进行诱变处理,选育 出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种,从而达到了让黄色短杆菌大量积累赖氨酸的目的.又如,在谷氨酸的生产过程中,可以采取一定的手 段改变细胞膜的透性,使谷氨酸能迅速排放到细胞外面,从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的抑制作用,提高谷氨酸产量 在生产实际中,人们将通过微生物的培养,大量生产各种代谢产物的过程叫做发酵.发酵的种类很多.根据培养基的物理状态,可以分为固体 发酵和液体发酵;根据所生成的产物,可以分为抗生素发酵,维生素发酵,氨基酸发酵等;根据发酵过程对氧的需求情况,可以分为厌氧发酵 (如酒精发酵,乳酸发酵)和需氧发酵(如抗生素发酵,氨基酸发酵) 微生物的生长繁殖及其控制 在代谢的基础上,微生物的个体会由小到大不断地生长,但是,对于单细胞微生物来说,个体的生长很不明显,持续很短时间就开始繁殖,而 且生长和繁殖交替进行,界限难以划清.因此,在实际工作中,常以微生物的群体为单位来研究微生物的生长.那么,微生物的群体具有什么 样的生长规律呢 微生物群体生长的规律 对微生物群体生长规律的研究,往往是在人工培养的条件下进行的.下面以细菌为例来讲述.将少量的某种细菌接种到恒定容积的液体培养 基中,并置于适宜的条件下培养,然后,定期取样测定培养基里的细菌群体的生长情况 如何进行测定呢常用的方法有两种:一种是测细菌的细胞数目,如将待测样品与等量的已知含量的红细胞混匀后,涂布在载玻片上,经固定 染色后,在显微镜下随机选若干个视野进行计数,得出细菌与红细胞的比例,再根据红细胞的含量计算出单位体积内的细菌数目;另一种是 测重量,如取一定体积的培养基,经离心分离,反复洗涤后,称菌体的湿重,或烘干后称干重,再由此计算出其中的细胞总重量 微生物计数: 采用培养平板计数法要求操作熟练,准确,否则难以得到正确的结果: 1)样品充分混匀微生物的代谢产物 微生物在代谢过程中,会产生多种多样的代谢产物.根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系,可以分为初级代谢产物和次级代谢产物两类. 初级代谢产物是指微生物通过代谢活动所产生的,自身生长和繁殖所必需的物质,如氨基酸,核昔酸,多糖,脂类,维生素等.在不同种类的微 生物细胞中,初级代谢产物的种类基本相同.此外,初级代谢产物的合成在不停地进行着,任何一种产物的合成发生障碍都会影响微生物正 常的生命活动,甚至导致死亡. 次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂,对该微生物无明显生理功能,或并非是微生物生长和繁殖所必需的 物质,如抗生素,毒素,激素,色素等.不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同,它们可能积累在细胞内,也可能排到外环境中.其中, 抗生素是一类具有特异性抑菌和杀菌作用的有机化合物,种类很多,常用的有链霉素,青霉素,红霉素和四环素等.(小资料:某种抗生素所能 抑制和杀灭的微生物范围叫抗菌谱.广谱抗生素就是抗菌范围较广的抗生素,反之,就是窄谱抗生素.) 总之,这些代谢产物都是在微生物细胞的调节下,有步骤地产生的. 微生物代谢的调节 微生物在长期的进化过程中,形成了一整套完善的代谢调节系统,以保证各种代谢活动经济而高效地进行.微生物的代谢调节主要有两种方 式:酶合成的调节和酶活性的调节. 大肠杆菌分解乳糖的酶是哪种酶 控制这种酶合成的基因是如何表达的 酶合成的调节 微生物细胞内的酶可以分为组成酶和诱导酶两类.组成酶是微生物细胞内一直存在的酶,它们的合成只受遗传物质的控制, 而诱导酶则是在环境中存在某种物质的情况下才能够合成的酶.例如,在用葡萄糖和乳糖作碳源的培养基上培养大肠杆菌,开始时,大肠杆 菌只能利用葡萄糖而不能利用乳糖,只有当葡萄糖被消耗完毕以后,大肠杆菌才开始利用乳糖.这个实验表明,大肠杆菌分解葡萄糖的酶是 组成酶,分解乳糖的酶不是组成酶,而是在乳糖诱导下合成的诱导酶.这种调节既保证了代谢的需要,又避免了细胞内物质和能量的浪费,增 强了微生物对环境的适应能力. 酶活性的调节 微生物还能够通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的速率.酶活性发生改变的主要原因是,代谢过程中产生的物质与酶结 合,致使酶的结构产生变化.但这种变化是可逆的,当代谢产物与酶脱离时,酶结构便会复原,又恢复原有的活性.例如,谷氨酸棒状杆菌能够 利用葡萄糖,经过复杂的代谢过程形成谷氨酸;但当终产物——谷氨酸的合成过量时,就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,从而导致合成途径中 断(图 5-9).当谷氨酸因消耗而浓度下降时,抑制作用就会被解除,该合成反应又重新启动.因此,酶活性的调节是一种快速,精细的调节方式. 这种调节现象在核苷酸,维生素的合成代谢中十分普遍. 上述两种调节方式是同时存在,并且密切配合,协调起作用的.通过对代谢的调节,微生物细胞内一般不会积累大量的代谢产物.但在工业生 产中,人们总希望微生物能够最大限度地积累对人类有用的代谢产物,这就需要对微生物代谢的调节进行人工控制. 微生物代谢的人工控制 人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性,控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等.例如,黄色短杆菌能够利用天冬氨酸合 成赖氨酸,苏氨酸和甲硫氨酸(图 5-10).其中,赖氨酸是一种人和高等动物的必需氨基酸,在食品,医药和畜牧业上的需要量很大.在黄色短 杆菌的代谢过程中,当赖氨酸和苏氨酸都积累过量时,就会抑制天冬氨酸激酶的活性,使细胞内难以积累赖氨酸;而赖氨酸单独过量就不会 出现这种现象.由此可见,要想利用黄色短杆菌生产赖氨酸,就必须抑制苏氨酸的合成.那么,怎样才能抑制苏氨酸的合成呢 科学家通过研 究发现,高丝氨酸脱氢酶是合成高丝氨酸不可缺少的一种酶,而合成赖氨酸则不需要这种酶.科学家通过对黄色短杆菌进行诱变处理,选育 出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种,从而达到了让黄色短杆菌大量积累赖氨酸的目的.又如,在谷氨酸的生产过程中,可以采取一定的手 段改变细胞膜的透性,使谷氨酸能迅速排放到细胞外面,从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的抑制作用,提高谷氨酸产量. 在生产实际中,人们将通过微生物的培养,大量生产各种代谢产物的过程叫做发酵.发酵的种类很多.根据培养基的物理状态,可以分为固体 发酵和液体发酵;根据所生成的产物,可以分为抗生素发酵,维生素发酵,氨基酸发酵等;根据发酵过程对氧的需求情况,可以分为厌氧发酵 (如酒精发酵,乳酸发酵)和需氧发酵(如抗生素发酵,氨基酸发酵). 微生物的生长繁殖及其控制 在代谢的基础上,微生物的个体会由小到大不断地生长.但是,对于单细胞微生物来说,个体的生长很不明显,持续很短时间就开始繁殖,而 且生长和繁殖交替进行,界限难以划清.因此,在实际工作中,常以微生物的群体为单位来研究微生物的生长.那么,微生物的群体具有什么 样的生长规律呢 微生物群体生长的规律 对微生物群体生长规律的研究,往往是在人工培养的条件下进行的.下面以细菌为例来讲述.将少量的某种细菌接种到恒定容积的液体培养 基中,并置于适宜的条件下培养,然后,定期取样测定培养基里的细菌群体的生长情况. 如何进行测定呢 常用的方法有两种:一种是测细菌的细胞数目,如将待测样品与等量的已知含量的红细胞混匀后,涂布在载玻片上,经固定 染色后,在显微镜下随机选若干个视野进行计数,得出细菌与红细胞的比例,再根据红细胞的含量计算出单位体积内的细菌数目;另一种是 测重量,如取一定体积的培养基,经离心分离,反复洗涤后,称菌体的湿重,或烘干后称干重,再由此计算出其中的细胞总重量. 微生物计数: 采用培养平板计数法要求操作熟练,准确,否则难以得到正确的结果: 1)样品充分混匀;