华南理工大学工业微生物考研复习题

《微生物发酵生理学》复习思考题

第一章 绪论

1. 微生物生理学的研究对象与范围有哪些？

研究对象：微生物发酵生理学是微生物学的一个分支，以发酵工业涉及的原核微生物与真核微生物为研究对象，系统阐述工业微生物自身普遍的以及特殊的生理活动方式与规律，介绍微生物细胞的精细结构；细胞的新陈代谢、生物大分子的合成与分解及其调节控制；微生物的生长、繁殖以及影响其生长繁殖的种种因素；发酵产物（有机酸、氨基酸、核苷酸、抗生素等）的生物合成与代谢调控，并以此理论指导代谢控制育种与代谢控制发酵方案的实施。

研究范围：1、微生物细胞的结构与功能。包括微生物大分子的结构和功能，即研究核酸、蛋白质、生物合成、信息传递、膜结构与功能等，以及这些生物大分子如何组建成新的细胞结构和产生新的生命个体的方式、特点与规律。还包括营养物质及其吸收，能量的产生与消耗等。2、微生物的生长与环境。阐明微生物生长、繁殖、形态发生与细胞分化的特点与规律。3、微生物代谢与控制。在基因和分子水平上，研究不同生理类型微生物的各种代谢途径和调控、能量产生和转换，以及严格厌氧和其他极端条件下的代谢活动。

2. 巴斯德、科赫和弗莱明等科学家在微生物生理学的建立和发展中有哪些重要的贡献？

巴斯德：19世纪中后期，法国科学家路易斯·巴斯德系统地研究了酒精、乳酸等的发酵原理及某些疾病的病原微生物，奠定了微生物发酵生理学的科学基础。

科赫：与巴斯德同时代的德国微生物学家罗伯特·科赫对新兴的微生物发酵生理学做出了巨大的贡献，首创细菌的染色方法，采用了以琼脂作凝固培养基培养细菌和分离单菌落而获得纯培养的操作过程；他规定了鉴定病原细菌的方法和步骤，提出著名的科赫法则。

科赫法则(Koch's postulates)包括：

1 在每一病例中都出现相同的微生物，且在健康者体内不存在；

2 要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中得到纯培养（pure culture）； 3用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生； 4 从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。

弗莱明：1929年，英国细菌学家亚历山大·弗莱明发现青霉菌能抑制葡萄球菌的生长，揭示了微生物间的拮抗关系，并发现了青霉素。

3. 微生物基因组学、蛋白质组学及代谢组学等技术的发展和完善对微生物生理学的研究有何深远的影响？

随着基因组学、蛋白质组学和分子遗传技术如DNA芯片、蛋白质芯片以及微生物代谢工程技术的发展和完善，微生物发酵生理学的研究得以迅速向纵深发展，已从细胞水平、酶学水平逐渐进入到基因水平、分子水平和后基因组水平，而且微生物发酵生理学的宏观研究领域也大为拓宽。目前微生物发酵生理学的研究内容已从糖质原料为碳源的异养微生物扩大到非糖质原料为碳源的微生物生物与特殊类型的微；从研究一般代谢途径深入到研究代谢的调节；从研究一般的微生物到极端条件下的微生物；从对结构与功能的描述到研究细胞结构重建等。

新世纪微生物基因组学及其功能的研究，将进一步扩大到与工业、农业、环境资源等密切相关的重要微生物，将为进一步利用和改造微生物菌种，不断的提高目标产物的生产水平或生产新的产物提供了可能性。随着基因组作图测序方法的不断进步与完善，基因组研究将成为一种常规的研究方法，基于基因工程技术和微生物大规模测序技术发展起来的蛋白组学、代谢组学、通量组学等高通量分析技术不仅可用于改变微生物细胞中的代谢网络和表达调控网络，也可以用于改善工业微生物的胜利性能，从而使微生物发酵生理学的发展产生质的飞跃，并将带动分子微生物学等基础研究学科的发展。

4. 微生物生理学的研究和应用对当今人类社会可持续发展有何重要意义？

解决人类生存和发展面临的主要问题，实现可持续发展，在很大程度上要依靠生物科学与技术，包括微生物发酵生理学来解决。

（1）粮食与农业问题：微生物的活动使得土壤具有生物活性性能，推动着自然界中最重要的物质循环，并改善着土壤的持水、透气、供肥、保肥和冷热调节的能力，有助于农业生产。在农业生产过程中，农作物的防病、防虫害也与微

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生物的生理活动密切相关。另外，农产品的加工、贮藏，实际上很多是利用有益的微生物作用或是抑制有害微生物危害的技术。随着科技学技术的发展，微生物发酵生理学与农业科学之间的关系必将越来越密切。

（2）资源与能源问题：由于微生物发酵具有代谢产物种类多、原料来源广、能源消耗低、经济效益高和环境污染少等特点，故必将逐步取代目前需高温、高压、能耗大和“三废”严重的化学工业。

（3）环境保护问题：微生物是有机废水污染物和有毒化合物和强有力的分解者和转化者，起着环境清道夫的作用。 （4）医药与健康问题：防治各种传染病的主要手段是各种微生物产生的药物，尤其是抗生素；此外，一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，例如疫苗、菌苗和类毒素等均是微生物的产品；基因工程菌将形成一批强大的工业生产菌，特别是药物的生产将出现前所未有的新局面。在新世纪人类将进一步去征服癌症、艾滋病以及其他特殊的疾病，为人类的生存、健康和可持续发展作出更大的贡献。

第二章 微生物细胞的结构与功能

1. 试比较原核生物与真核生物的异同。

微生物细胞结构上有两种基本的形式，即原核细胞和真核细胞。原核生物包括细菌、放线菌、蓝细菌、古生菌、支原体、立克次体和衣原体等。真核生物包括酵母菌、霉菌、藻类和原生动物等。

原核细胞与真核细胞的最重要区别在于核的结构，原核细胞缺乏核膜或核被膜，而仅由一环状DNA分子形成核区或拟核裸露游离在细胞质中；真核细胞有一个真正的核，这是包围在核膜内的一个结构，其中有含有遗传物质的染色体。他们之间的另一个区别应强调的是核糖体的大小，原核生物核糖体的沉降系数为70S，由30S和50S两个亚单位组成，而真核生物细胞质的核糖体沉降系数为80S，但线粒体和叶绿体沉降系数与原核生物的相同。此外，原核细胞的细胞质内没有内质网、高尔基体、线粒体和溶酶体等膜细胞器，微管似乎也不存在，在真核细胞中微管普遍存在。

原核细胞和真核细胞虽然在结构上存在很大差异，但在化学组成上却是十分相似的，都含有类似成分的蛋白质、核糖、多糖和脂类，都具有同一类型的代谢机制。在化学上的主要差异在于真核细胞的膜内普遍含有甾醇，而原核细胞的膜内普遍没有甾醇以及细胞壁化学组成有所不同。

2. 请解释三域学说（Three Domain Proposal）。

20世纪70年代，美国科学家Carl Woese发现一群序列奇异的细菌——甲烷细菌是地球上最古老的生命形式．与细菌在同一进化分枝上，即同属原核生物群、这类细菌称为古细菌（Archaebacteria)，古细菌与原核生物、真核生物间的16SrRNA序列的同源相似性均低于60％，因此，1990年Woese等人正式提出了生命系统是由细菌（bacteria)域、古菌（Archae)域和真核生物（Eukarya) 域所构成的三域学说（Three Domain Proposal)。

3. 为什么将16S rRNA或18S rRNA作为生物进化的标尺？

16S rRNA 为原核生物核糖体中一种核糖体RNA , 大小约1.5kb左右, 由多个臂环组成, 部分碱基配对,其余形成环,可划分成四个结构域,其序列具有高度的保守性,有“细菌化石”之称。相对应的，在真核生物中为18SrRNA。16S rRNA或18S rRNA被普遍公认为是一把好的谱系分析的“分子尺”，是因为：

1）16S rRNA或18S rRNA具有重要且恒定的生理功能；

2）具有高度保守、中度保守和高度变化序列区域，因而适用于距离不同的各类生物亲缘关系的研究； 3）分子量大小适中，便于序列分析；

4）rRNA在细胞中含量大（约占细胞中RNA的90%），也易于提取；

5）普遍存在于真核及原核生物细胞中，因此可作为测量各类生物进化的工具。

功能重要的大分子比不重要的进化的慢，16SrRNA被普遍认为是一把好的谱系分析的“分子尺”。

4. 试比较G与G细胞壁的组成与结构。

G细胞壁结构较简单，它是较厚(20~80nm)的不分层结构，由肽聚糖和磷壁酸组成，由磷壁酸的末端磷酸基共价结合到肽聚糖的胞壁酸上。他们可能组成了薄的单层结构物，然后多层重叠起来，使细胞壁具有坚韧性。如果细胞壁的肽聚糖层被消溶，G＋细胞成为原生质体（protoplasts），细胞壁不复存在，而只存留细胞膜。除链球菌外，大多数G＋细菌

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＋

＋

－

细胞壁中含极少蛋白质。

G细胞壁结构较复杂，是由外壁层和肽聚糖层组成的多层结构，厚约10~15nm。外壁层与肽聚糖层之间存在一定的空隙，称之为周质空间，内含水溶性蛋白，其中有的具酶促作用，称之为周质酶，主要是磷酸酶类。外壁层位于外表面，由50%脂多糖、15%脂蛋白和35%磷脂组成。具有类似于细胞膜那样的脂质双分子层结构特征，即双分子层磷脂中镶嵌着蛋白质和脂多糖。脂多糖是G细胞壁的特有成分，其疏水性部门嵌在外壁层内，亲水性部分延伸到细胞外的水溶液中。此外还有脂蛋白，它以肽链与肽聚糖层中某些二氨基庚二酸相连接，以其脂类部分与外壁层的磷脂相连，在外壁层和肽聚糖层之间起搭桥作用，脂蛋白还在保持细胞外膜结构的完整性上起作用。外膜内是肽聚糖层，可能只有1~2个单分子层组成的薄层，夹在外膜与细胞膜这两层单位膜结构中间，对G的细胞形态起决定作用。

5. DAP（diaminopimelic acid）、teichoic acid、DPA（dipicolinic acid）、LPS（lipopolyaccharide）分别是什么? 这些化合物分别出现在细菌细胞的什么结构中?有何功能?

DAP（diaminopimelic acid）：二氨基庚二酸，存在于细菌细胞壁的肽聚糖中。N-乙酰葡萄糖胺（G）和N-乙酰胞壁酸（M）相互交替连接成聚糖链，聚糖链通过短肽的交联而形成了网状结构的大分子。短肽一般是四肽，短肽具有特定的氨基酸顺序：A1--A2--A3--D-Ala，在G中，四肽尾的第3个氨基酸是内消旋二氨基庚二酸(m-DAP)，一种只有在原核微生物细胞壁上才有的氨基酸。 G肽聚糖没有特殊的肽桥，其前后两个单体间的连接仅通过甲四肽尾的第4个氨基酸——D-ala的羧基与乙四肽尾的第3个氨基酸——mDAP的氨基直接相连 ,只形成较为疏稀、机械强度较差的肽聚糖网套。

teichoic acid：磷壁酸，存在于G的细胞壁和细胞膜中，分壁磷壁酸和膜磷壁酸。壁磷壁酸和细胞壁中肽聚糖连接，膜磷壁酸一端和细胞膜相连，另一端游离于细胞壁外。磷壁酸带负电荷，使细胞壁形成负电荷环境，增强膜对二价阳离子的吸收，尤其是Mg，以保持有关的细胞壁合成酶的活性，镁也有利于维持细胞膜的完整性；贮藏P元素；增强某些致病菌对宿主细胞的粘连，避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用；磷壁酸抗原性很强，是G的重要表面抗原，噬菌体的特异性吸附受体，作为细菌分类、鉴定的依据；调节细胞内自溶素的活力，防止细胞因自溶而死。

DPA（dipicolinic acid）：吡啶二羧酸，

LPS（lipopolysaccharide）：脂多糖，是G细胞壁的特有成分，由类脂A、核心寡糖和O-侧链三部分构成。LPS结构的多变，决定了G细胞表面抗原决定簇的多样性；电荷较强，有吸附Mg、Ca以提高其在细胞表面浓度的作用；类脂A是G致病物质——内毒素的物质基础；有控制某些物质进出细胞的部分选择性功能；噬菌体在细胞表面的吸附受体。

6. 论述不同微生物细胞制备原生质体的原则与依据。

根据各种微生物细胞壁的组成和结构不同，可以选用不同的酶或再结合一些其他措施去除细胞壁，下表综合列出各种微生物细胞制备原生质体的方法。 微生物 G+细菌 芽孢菌 葡萄球菌 链霉菌 细胞壁主要成分 肽聚糖 脱壁法 溶菌酶处理 溶葡萄球菌素处理 溶菌酶处理（菌丝生长培养基中补充甘氨酸0.5-3.5%或蔗糖10-34%） vfG-细菌 大肠杆菌 青霉、头孢霉、曲霉 酵母

7. 生物膜结构的流动镶嵌模型的要点是什么？膜的流动性有哪些表现方式？膜的流动性受哪些因素的影响？

流动镶嵌模型的要点：1）强调蛋白质镶嵌：膜是以脂双分子层构成网架，蛋白质以α-螺旋环状结构镶嵌在网孔中，插入脂分子层或贯穿整个膜。整合蛋白质以非极性区埋在脂分子层间，极性区朝膜表面。周边蛋白只附于膜的表层。膜两侧蛋白质在种类与数量上都不同，分布是绝对不对称的。2）强调膜的流动性：脂双分子层呈流体状“海洋”，周边蛋白“漂浮”于膜上，而整合蛋白“冰山”则可在膜内作横向流动。

膜的流动性是指膜结构分子的运动性，它包括膜脂的运动和膜蛋白的运动。1）膜脂的运动方式主要有侧向扩散、旋

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纤维素、几丁质 葡聚糖、几丁质 肽聚糖，脂多糖 溶菌酶，EDTA处理 纤维素酶或L1酶处理 蜗牛酶处理 --2+

2+

-+

2+

+

--－

－

－

转运动、旋转异构运动、左右摆动以及翻转运动等。膜脂的流动性受着一些因素的影响，主要影响因素有：①温度：在一定温度下，脂分子从液晶态(能流动、具有一定形状和体积的物态)转变为凝胶状(不流动)的晶态。 这一能引起物相变化的温度称为相变温度。 当环境温度在相变温度以上时，膜脂分子处于流动的液晶态； 而在相变温度以下时， 则处于不流动的晶态。 膜脂相变温度越低，膜脂流动性就越大；反之，相变温度越高，膜脂的流动性也就越小。②膜脂的脂肪酸链：饱和程度高的脂肪酸链因紧密有序地排列，因而流动性小；而不饱和脂肪酸链由于不饱和键的存在，使分子间排列疏松而无序，相变温度降低，从而增强了膜的流动性。脂肪酸链的长度对膜脂的流动性也有影响：随着脂肪酸链的增长，链尾相互作用的机会增多，易于凝集(相变温度增高)，流动性下降。③膜脂与膜蛋白的结合程度、环境中的离子强度、pH 值等都会影响膜脂的流动性。2）细胞膜中的蛋白质也能以侧向扩散等方式运动。膜蛋白的运动也受很多因素影响。 膜中蛋白质与脂类的相互作用、 内在蛋白与外在蛋白相互作用、膜蛋白复合体的形成、膜蛋白与细胞骨架的作用等都影响和限制蛋白质的流动。

8. 解释细胞膜流动性和不对称性及其生物学上的意义。

膜的流动性：脂双分子层呈流体状“海洋”，周边蛋白“漂浮”于膜上，而整合蛋白“冰山”则可在膜内作横向流动。 细胞膜各结构成分在膜中是不均匀分布的，结构成分的不对称性是细胞膜的另一重要特征，主要表现在以下方面： (1)蛋白质在脂双层中不对称地镶嵌分布。膜蛋白不同程度地嵌入脂双层中或分布于膜表面。同时不同部位膜蛋白的种类和数量也不同。

(2)脂分子分布的不对称性。在脂双层中，各种类型脂分子的分布是不均匀的。一般来说，卵磷脂、鞘磷脂多分布于脂双层的外层，而脑磷脂则多分布于内层。

(3)糖类的不对称分布。糖类在细胞膜中的分布具有显著不对称性，它们只存在于膜外表面，与外层脂分子或蛋白质结合形成糖脂或糖蛋白。

生物学上的意义：膜的不对称性保证了膜功能的方向性，使膜两侧具有不同功能。与膜上的物质运输、细胞间的联系、细胞粘着与细胞识别等有关。

9. 试比较细菌质膜—间体系统与真菌内膜系统生理功能。

细菌质膜-间体系统：间体或中体是真细菌唯一的内膜结构，由质膜内陷形成的一种囊袋。每个细胞有一个或数个间体，①间体扩大了细胞膜的表面积，提高了代谢效率。膜中各种转运系统担负着细胞与周围环境的物质交换，它的高度选择透性②维持了细胞内环境的相对恒定。③产生并维持跨膜浓度梯度。

真核生物有比较发达的内膜系统，除线粒体和叶绿体膜无连续性外，包括核膜、内质网和高尔基体三大部分，称为内膜系统。内质网沟通细胞的各个组分，真核细胞中有内膜组成的空腔结构，缠绕成卷，横切面呈网状，核糖体上合成的蛋白通过内质网渠道被运输到细胞质膜上，或分泌到胞外；高尔基体形成分泌物和溶酶体酶，对糖蛋白、脂蛋白进行修饰和改造，对蛋白质进行加工和分选，在膜循环过程中起关键作用；核膜由双层单位膜组成，基本结构与质膜相似，是细胞核与细胞质之间天然的选择性屏障，避免生命活动彼此干扰，保护DNA不受机械力损伤，同时，是细胞核与细胞质之间物质交换与信息交流的通道。

10. 以大肠杆菌为例，说明原核生物核质的特性。

原核生物的DNA没有核膜所包裹而游离于细胞质当中，附着于原生质膜的一个点上，所以原核生物的核区又称为类核或拟核。在大肠杆菌中，DNA可能是呈环状、没有游离端，高度折叠卷曲的，没有特定的形态和结构，亦没有核膜包裹，仅集中地分布在细胞质的特定区域；没有与碱性很强的组蛋白结合。

11. 简述真核生物染色体的组成和结构。

染色质是DNA和大郅等量的组蛋白、大体一半量的非组蛋白，还有少量的RNA和磷脂所组成的复合体。 1）真核细胞里的DNA序列按重复频率大致可分为三类：单一序列、重复序列和高度重复序列；2）组蛋白是所有真核生物的体细胞中与DNA连接的碱性蛋白质，是染色体主要的结构蛋白质之一。几乎所有染色质中都含有5中近乎等量的组蛋白：极富含赖氨酸的D1，稍含赖氨酸的H2a和H2b，富含精氨酸的H3和H4。组蛋白主要在染色质结构中起作用，H3和H4是形成核小体结构的必要条件；3）非组蛋白与DNA中特定基因连接在一起，解除组蛋白对RNA合成的抑制，是真核细胞基因表达调控中的一个重要因子。

染色质的基本结构单位是核小体。构成核小体核心结构的组蛋白八聚体是由H2a、H2b、H3和H4各一对所组成，约

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200bp长的DNA于其表面绕1.8圈，构成直径大约10nm扁盘状的核小体，核小体通过DNA连接成为念珠状的核纤丝。染色质就是未经盘旋缠绕的伸展状态的核纤丝形式存在。细胞分裂时，染色质变为凝聚状态，即成为染色体。

12. 线粒体由哪几部分组成？各部分主要与哪些代谢反应有关？

线粒体由外膜、内膜和基质三部分组成。细胞内进行生化活动的100多种酶和辅酶，包括有关催化TCA循环、氨基酸代谢、脂肪酸分解、电子传递、能量转换，以至DNA复制和RNA合成等过程所需的各种酶和辅酶，都分布在线粒体的外膜、内膜、膜内空间和基质等四个部位中。内膜含有电子传递和氧化磷酸化作用的酶系，TCA循环的酶系大都在基质内。见P40表2-9

13. 化学渗透学说的主要论点是什么？ 化学渗透学说的主要内容

1）呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着特定的不对称分布，递氢体和电子传递体是间隔交替排列的，催化反应是定向的。

2）在电子传递过程中，复合物I，III和IV的传氢体起质子泵的作用，将H从线粒体内膜基质侧定向地泵至内膜外侧空间将电子传给其后的电子传递体。

3）线粒体内膜对质子具有不可自由透过的性质，泵到外侧的H不能自由返回。结果形成内膜内外的电化学势梯度(由质子浓度差产生的电位梯度)。

4）线粒体F1-F0-ATPase复合物能利用ATP水解能量将质子泵出内膜，但当存在足够高的跨膜质子电化学梯度时，强大的质子流通过F1-F0-ATPase进入线粒体基质时，释放的自由能推动ATP合成。

14. 说明溶酶体和微体的结构与功能。

溶酶体：由内质网的膜包围起来形成的泡囊，内含50种水解酶类，主要是酸性磷酸酶、核糖核酸酶等。主要功能是消化作用。其消化底物来源有三种途径：1）自体吞噬，吞噬的是细胞内原有的物质；2）通过吞噬形成的吞噬体提供的有害物质；3）通过内吞作用提供的营养物质。

微体：是一种细胞器，根据微体内含有的酶的不同可以将微体分为过氧化小体和乙醛酸循环体。过氧化小体指含有氧化酶、过氧化氢酶等、直径一般小于10nm、由一层单位膜包围的球形颗粒，内含酶对细胞具有保护作用。乙醛酸循环体①在真菌游动孢子中发现，内含苹果酸合成酶、异柠檬酸裂解酶等，在此小体中形成的②琥珀酸进入线粒体生成的草酰乙酸，可作为磷酸烯醇式丙酮酸的直接前提物，③该细胞器还与储藏性脂质的代谢有关。

15. 请解释下列名词：流动镶嵌模型、生物膜的相变温度、L型细菌、小菌落突变

流动镶嵌模型：针对细胞质膜提出的一种膜的结构模型，描述膜为结构和功能上不对称的脂双层所组成，蛋白质以镶嵌样模式分布在膜的表面与内部，并能在膜内运动。此模型也可适用于亚细胞结构的膜。

生物膜的相变温度：膜内磷脂分子发生晶相到液晶相转变的温度。

L型细菌：在实验室或宿主体内条件下，自发突变形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷型细菌。无壁，细胞呈多形态；有些能通过细菌滤器，故称滤过型细菌；对渗透敏感，在培养基上形成小菌落，成“油煎蛋”状。

小菌落突变：呼吸缺陷型的突变体，比正常野生型菌落要小，不能进行有氧呼吸，不能有效地利用有机营养物质迅速繁殖自身，不能回复到正常的厌氧代谢，生长慢。

第三章 微生物的营养与生长

1. 比较跨膜运输4种方式的特点，并说明离子载体的运输机制。

+

+

(载体蛋白、能量消耗、运送方向、溶质分子的结构、运送速率快慢、运送前后物质浓度)

特异载体蛋白 能量消耗 运输方向

简单扩散

无 不需要 顺浓度梯度

促进扩散 有 不需要 顺浓度梯度

主动运输 有 需要 逆浓度梯度

基团移位 有 需要 逆浓度梯度

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第七章 核苷酸发酵与控制

1. 根据肌苷酸的生物合成途径，说明肌苷酸生产菌应具备哪些遗传特性？采取哪些措施来增加肌苷酸的积累量？ 必须具备：1）缺乏SAMP合成酶或者IMP脱氢酶；2）解除5’-肌苷酸生物合成途径中的反馈调节；3）缺乏5’-肌苷酸降解酶；4）选育细胞膜渗透性强的突变株。 增加肌苷酸的积累量：

1） 由于关键酶PRPP转酰胺酶受腺嘌呤系化合物以及GMP的反馈抑制，又被腺嘌呤阻遏，因此一般采用腺嘌呤缺陷型突变株（Ade-），控制腺嘌呤亚适量，使5’-IMP积累。

2） 在上述基础上，增加Xan-标记（丧失IMP脱氢酶），可增加5’-IMP产量。 3） 控制发酵液中Mn2+亚适量，调节细胞膜对IMP的通透性。

2. 试述Mn2+和Ade对IMP发酵的调节机制及解除机制的对策。

使用产氨短杆菌突变株进行IMP发酵时，Mn2+浓度对积累IMP影响很大。当发酵液的Mn2+浓度在亚适量时，R5P、PRPP和PRPP激酶等都可以从细胞内渗出。当培养基中有嘌呤碱基存在时，通过补救途径在胞外来合成核苷酸。当Mn2+过量时，就不发生这样的渗出，上述物质仍留在细胞内。从限量Mn2+会引起细胞形态变化来看，Mn2+与细胞膜或细胞壁的生物合成直接相关。故在IMP发酵中，控制Mn2+亚适量，调节细胞膜对IMP的通透性。或者选育Mn2+不敏感突变株或核苷酸膜透过性强的突变株。

利用产氨短杆菌突变株直接发酵IMP时，腺嘌呤是控制IMP积累的重要因子。由于关键酶PRPP转酰胺酶受腺嘌呤系化合物以及GMP的反馈抑制，又被腺嘌呤阻遏，因此一般采用腺嘌呤缺陷型突变株（Ade-），控制腺嘌呤亚适量，使5’-IMP积累。

3. 在实际生产中，为什么一般都选用产氨短杆菌作为IMP的产生菌，而不是选用枯草杆菌？

在选育肌苷酸生产菌时，一般应该选择核苷酸酶和磷酸酯酶活性较弱的菌株作为育种的出发菌株。由于枯草杆菌的核苷酸分解酶系统活力比较强，生成的核苷酸容易被酶分解为核苷，因此一般不适宜用来生产核苷酸。短杆菌属、棒杆菌属及链霉菌属等微生物，与芽孢杆菌属细菌不同，其降解核苷酸的磷酸酯酶活性较低。因此，实际上是常用产氨短杆菌、谷氨酸棒杆菌作为出发菌株进行选育。

4. 试述鸟苷生物合成的调节机制、菌种选育方向及发酵条件控制的原理。？ 调节机制：

1）缺失腺苷琥珀酸合成酶（Ade-）和GMP还原酶，或者酶活性微弱。 2）使核苷酶或核苷酸磷酸化酶活力微弱，以减少鸟苷的分解，积累鸟苷。 3）必须解除GMP对IMP脱氢酶和GMP合成酶的强烈的调节机制。 4）必须解除AMP、GMP对IMP生物合成有关酶的调节机制。

5）必须使IMP脱氢酶反应、GMP合成酶反应优先于核苷酸酶反应，以抑制副生肌苷，提高鸟苷生成能力。 6）从对腺嘌呤、腺苷敏感突变为不敏感，这是因为腺嘌呤、腺苷抑制GMP合成酶活性，必须设法解除。 菌种选育方向：

选育Ade-（腺嘌呤缺陷型）、Red-（GMP还原酶缺失型）、NP-（核苷磷酸化酶缺失型）、8-AGr（8-氮鸟嘌呤抗性株）、MSOr（蛋氨酸亚砜抗性株）的遗传标记

第八章 抗生素发酵与控制

1. 何谓次级代谢？次级代谢与初级代谢的关系如何？

次级代谢：从初级代谢产生的中间产物出发，合成一些生理功能不够明确、化学结构特殊、与细胞生命活动无关或者不影响细胞细胞生命活动的代谢产物的过程称为次级代谢。

区别;

① 存在范围及产物类型不同：初级存在于各类生物中，而次级代谢只一般只存在于微生物和植物中，产物随生物

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和代谢途径的不同而不同。

② 对产生菌自身的重要性不同：初级代谢产物对细胞的生长，分化繁殖密切相关，如果初级代谢发生障碍，细胞

会不生长甚至死亡；次级代谢产物并不影响细胞的生命活动，如果发生障碍，细胞不会死亡，最多是合成的次级代谢产物减少了。

③ 与微生物生长过程的关系不同：初级代谢产物的生成与细胞的生长是同步的；而次级代谢产物是不同步的，在

细胞生长阶段并没有次级代谢产物的合成，只有在产物合成期才会积累次级代谢产物。

④ 酶的专一性不同;初级代谢过程中，酶的专一性很强；次级代谢中除第一步反应的酶的专一性强，后面的酶的作

用底物范围很广。

⑤ 对环境条件变化的敏感性以及遗传的稳定性不同：初级代谢的敏感性小，次级代谢的敏感性大。次级代谢除了

和初级代谢一样，收到核内遗传物质的控制，还受到核外遗传物质质粒的控制。 联系：

初级代谢途径提供了合成次级代谢产物的前体物质。许多次级代谢与初级代谢具有共同的中间产物，两种代谢途径互相交错。次级代谢途径中所涉及的酶系有与初级代谢相同的酶系，又有各自特异的酶系。在代谢调节方面也是相互影响的。

从遗传代谢来看，初级代谢和次级代谢都受核内DNA控制，但次级代谢还受到与初级代谢生物合成无关的核外遗传物质（即质粒）的控制。所以两者在遗传上既有相同部分，又有不同部分。

次级代谢产物是由初级代谢的中间产物修饰而成的。次级代谢是为了避免初级代谢产物的积累对细胞造成不利的影响。

2. 论述次级代谢调控的主要机制。

按作用方式可分为：①诱导调节、②反馈条件、③代谢产物调节、④磷酸盐调节、⑤细胞形态分化与生长速率调节和⑥细胞膜透性调节。

诱导调节 抗生素生物合成过程中，参与次级代谢的酶，有些是诱导酶。诱导酶需要有诱导物的存在才能形成。如甘露糖链霉素的诱导。甘露糖链霉素酶是诱导酶，催化甘露糖链霉素向链霉素转化。

反馈调节 包括抗生素自身积累的反馈调节，前体物的反馈调节和分支途径的初级代谢产物的反馈调节。 1）抗生素自身反馈调节 关于抗生素自身反馈调节的机制，近年来的研究表明，这与抗生素产生菌产生钝化酶有关。钝化酶中主要是磷酸基和乙酰基转移酶，其主要作用机制是使产生菌生产的抗生素磷酸化或乙酰化，使抗生素对原来的作用靶位的结合能力减弱。

2）前体物的反馈调节 抗生素合成途径上，多以初级代谢的终产物作为前体合成抗生素，由于这些终产物受到初级代谢的反馈调节，必然会影响到抗生素的生物合成。前体物的减少将使抗生素合成中的“原料”不足，导致抗生素的产量下降。另一方面，由于前体物的增加将对抗生素产生菌产生毒性，影响抗生素产生菌的正常生长。

3）分支途径的初级代谢物的反馈调节 许多初级代谢途径和次级代谢途径具有共同的中间体，二者共同组成了分支途径。在某些情况下，初级代谢产物反馈调节共同途径中的酶，就影响抗生素的合成。

分解代谢调节 抗生素产生菌在利用碳源和氮源时，在碳、氮源分解的同时，其分解代谢产物对抗生素生产环节中的某些酶起调节作用，从而影响到抗生素的合成。分解代谢产物调节分为分解产物阻遏和分解产物抑制，这两种类型在抗生素合成调节中都存在。如葡萄糖效应

磷酸盐调节 在抗生素发酵中，磷酸盐的重要的控制因子，因为它不仅是菌体生长的主要限制性营养，还能烈阻遏许多抗生素的生物合成。在分批发酵中，抗生素的合成往往是在培养基中磷酸盐将近耗尽时才开始的，整个生产期胞外磷酸盐浓度很低。关于磷酸盐对抗生素合成的控制机制按效应剂来说，有直接作用（即磷酸盐自身影响抗生素的合成）和间接效应（即磷酸盐调节胞内ATP、腺苷酸、能荷和cAMP等其他效应剂），进而影响抗生素的合成。如通过ATP调节、调节抗生素前体的形成、抑制磷酸酯酶。

细胞形态分化以及比生长速率的调节 选用对数期之后的菌种进行抗生素的发酵；生长速率低时，次级代谢才合成；在细胞生长期不合成次级代谢产物，生长期时，合成抗生素的酶被抑制了。

膜透性调节 微生物对营养物质的吸收及某些代谢产物的分泌，都受到膜透性的控制。在初级代谢中起调节作用的膜透性，在抗生素的生产中也起作用。

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3. 试述磷酸盐在抗生素生物合成中的作用机制。

在抗生素发酵过程中，磷酸盐是重要的控制因子，因为它不仅是菌体生长的主要限制性营养，还能强烈阻遏许多抗生素的合成。关于磷酸盐多抗生素合成的控制机制，由于抗生素种类繁多，生物合成途径复杂，因而对不同的抗生素合成调节可能有不同的机制，按效应剂来说，有直接作用（即磷酸盐自身影响抗生素合成）和间接效应（即磷酸盐调节胞内ATP、腺苷酸、能荷和cAMP等其他效应剂），进而影响抗生素的合成。

1、ATP的调节

实验结果表明，ATP可能是控制抗生素生物合成的胞内效应剂。外源的磷酸盐被细胞吸收后，引起细胞内效应物ATP的含量提高，改变了糖的代谢途径，使糖的代谢从HMP途径转变为EMP途径，是菌体趋于生长而不合成次级代谢产物。

2、磷酸盐调节抗生素前体的形成

磷酸盐能影响抗生素前体的形成，从而调节抗生素的合成。已知无机磷酸盐及ATP能抑制金霉素链霉菌的PEP羧化酶的活性，也就是抑制合成多烯大环内酯所需的草酰乙酸的形成，因而影响丙二酰CoA的生物合成。

3、磷酸盐抑制磷酸酯酶

一些抗生素的生物合成途径中，往往需要合成某些磷酸化中间体，然后经磷酸酯酶作用去磷酸化。已知链霉素的生物合成过程中，至少有4步磷酸化反应，这些反应受无机磷酸盐的反馈调节，阻遏磷酸酯酶的形成或抑制其活性。

4. 以青霉素的生物合成为例来说明次级代谢的调控机制。

5. 根据你所学的关于微生物生理学知识，你认为微生物分子生物技术可以在哪些方面给人类健康及环境保护带来新的发展和应用。

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