《微生物发酵生理学》复习思考
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-Al，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Mg2+，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Mg2+、Ca2+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。
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。