华理微生物笔记-发酵调控学版

1细胞周期内有关生长的活动 与细胞的调丝状菌生长分化的调2调节的生化代谢调节的方式与内容：诱导、分解代谢物调节、反3次级代谢物的生物的调生物的前抗生素生物的控4(1)控制的策微生物发酵代谢调控与发酵过程优化 的，这两个方向相辅相成，前者为后者的基础，而后者是使理论变为现实段。为了控制菌体的生长，需要了解生长的方式，细胞和调节的规律，测量微生物生长的各种办法，微生物生长繁殖的形式与工业生产的关系，环境变化对微生物生长的影响。因此，研究微生物的生长分化规律无疑是发酵调控原理的一个重要组成部分。对 细胞行为，主要关启动 和分新细胞壁材料 细胞周期(Cellcycle)：1 典型的真核生物细胞周期:S,M和G1,G2分别代表DNA,有丝分若生长速率因养分多寡而改变SG2M几乎不变,G1MTG:meangeneration,其期C相当于细胞期D相当于CD不随生长速率变化,G1可变动。细胞周期的各项活动怎样去适应生长速率变与细胞的调怎样与细胞协调在高速生长下,如细胞周期为30min, 为此，未等前一轮结束，后一轮 可以把C期的启动和终止,以及细胞 看作是不可更改的活动顺序,称为C+D周期。若增代时间少于C+D时间,C+D周期 ，其重要特征是分配到子细胞的已开始新的一轮。这类 图2大肠杆菌的 未完成，细胞就不会。不管生长速率如何，大肠杆菌的细胞总是出 不管生长速率如何，CDCD可以依次或同时(指上一轮的D和下一轮的C)进行某一临界水平,启动便开始。在这以后启动因子被毁或稀释。启动因子达到有效浓度所需大肠杆菌在启动时的启动因子数量与细胞质量之比在各种生长速率下是一样的。这一比例实际上是新一轮的。启动的直接是启动因子的浓度提高一倍。启动不会重新发生直到其浓度因生长而降到临界值。这种控制机制构成一种生物钟。它是以细胞体积或其它有关参数为依据。据此，的启动频率是A速率的控制步骤。 启动动后 不再启动，M增加，M 2M，使I’逐渐下降， 启动的过程需要蛋白质，如蛋白质受阻，已启动的DNA能完成，但不能启动新一轮DNA。 或 或氯霉素抑制RNA或蛋白

去营养缺陷型所需的氨基酸都 培养物进入稳定生长期后，中止生长的细胞含有完整的。启动总是在上的专一位置上进行。此位点称为或原点。在大肠杆菌此位点很靠近ilv座位。在大肠杆菌和枯草杆菌中叉以两个方向沿离原点180度地方相遇启动的频率取决于细胞量增长的速率，即生长停止，启动也随着停止是预料中的事。细胞周期的研究方法1用电子显微镜观察单个细胞的生长，定时拍照。由此发现大肠杆菌在时细胞个子的变化不大。细胞周期的 说明似乎存在一种控制细胞个子大小的因子即尺寸因子(sizefactor),可能是启动细胞质量(initiationmass)。镜检2同步培养(Synchrony)密度梯度离心沉降按细胞的大小/把在对数生长期的培养物分级H2O/D2O密度梯度沉降法能应用于任何品种 不会施加渗透压强的影响蛋白质速率与细胞长度(体积)成正比，从而与细胞成正比(2)过滤洗脱将细胞粘附在固体支持物，如硝化纤维膜上，然后将其倒置，让生长培养基从上到下通过，新生的细胞便被洗脱到培养基中，呈一种特征性的振荡模式，见图－23。在初始冲洗(wash-off)期后从滤膜上洗脱下来的主要是新的细胞。在洗脱曲线 细胞后代。洗脱 off)的振荡模式可以测出细胞周期3如亲本培养物沉积在滤膜上之前用氚标记的胸苷使细胞带上标记，则结合到洗脱细胞的标记量与结合到亲本培养物那一细胞的标记量成正比。可以分别求得C和D值上层的细胞，在含有氚-标记胸苷的生长培养基上生长，测量其DNA速率。3洗脱前在无标记培养基中生长，洗脱时用带标记的培养基，得到的带DNA呈阶梯上4生长培养基越丰富，细菌生长速率加快，其细胞的个子也越如在同一种培养基内改变温度也会影响生长速率，但对细胞个子大小几乎没有多4如一细胞的增代时间为60min，在细胞时便开始启动。假设细胞这时具有质M(启动细胞量=1/启动因子浓度)。细胞的量在指数地增加，直 2M，细胞便开始此时从培养液中检出新生的细胞，置于较丰富的培养(能使菌快速生长,增代时35min)中，并假定细胞迅速调整到新的生长速率。新一轮的启动将在细 前便开始换句话说，C+D周期现在开始 M= 曲线的形状将取决C，DK是否变只有在简单情况logMt作曲线才会得一直在一来自期细胞的培养物的生长期间，在细胞数目开始增加以前有一相当长的停滞期。细胞量开始增长的滞后现象短一些。如达到物态的指数生长，则所有可测的参数也将平行地增长当培养物进 期便发生与上述‘相’反的活动顺序因启动速率比细 C＋D分钟 新的一 的启动频率取决于新细胞量的积累速率，则吸光度与细胞数目至少C＋D分钟不平行。细胞中的DNA%随生长速率的增加而下降，可用式1-28表示G/M=[τ/(KCln2)](1-2- 式中G是组的当量，为每个细胞的DNA平均值。生长速率对DNA浓度和平均构型的影响704020生长速率对DNA浓度和平均构型的影一个启动细胞量单位含有一个刚开始一轮的。用一水平线C分钟长度表示。它在纵轴上所处高度代表细胞量。假定细胞量的时间为70min，见图1-28a，将出现轮与轮的间隙。当细胞量增加到三倍时它将完成4个好的。生长速率对DNA浓度和平均构型的影如在零小时把细胞置于增代时间为40min的培养基内，见图1-28b，则新一轮将紧跟在上一轮完成之后开始，轮与轮之间不存在间隙。待细胞量增到3个单位时，第二轮的复制将不会完成。结果得到2条了一半的，DNA浓度下降到3/3。生长速率对DNA浓度和平均构型的如将细胞置于增代时间为20min的培养基内,在第一轮还未完成前第二轮已开始。当细胞量达到3时,只有一个带三个叉的，见图1-28c，DNA浓度进一步下降到生长速率对DNA浓度和平均构型的影响生长速率影响上不同位置的相对拷贝数在一随机的指数培养物中，接近原点处的，其拷贝数总是居多，靠近两端的较少生长速率影响上不同位置的相对拷贝数DNA的浓度随生长速率的增加而下跌，从而不同程度地影响浓度。那些靠近 近末端的浓度最低在一个细胞周期内，一个浓度相对另一个而言，可相差4倍。生长速率对不同作用，据此，对生长速率有限制作用的应位于靠近原点处。其实，这是为什么大肠杆菌中有6个拷贝编码核糖体A的都在原点的附近的缘故。每个细胞RNA随生长速率的变化可以达10倍之多。在快速生长的细胞中RNA的含量可以达到细胞重量的30％。每个细胞的 也随生长速率的提高而增加，但程度低一些。因此，以细胞重量衡量DNA含量是减少细胞的外壳的厚度通常不变，胞壁和质膜在整个细胞中的比例随细胞个子的增大而减小。丝状菌生长分化的调节微生物的生微生物的生长分化受其自身和外界多种因素的调节。这里以真菌为对象，阐述菌丝体形态调节的规律。霉菌和放线菌均为丝状微生物。其生长方式是菌丝(hyphae)末梢伸长、分枝(1-5)和交错成(1-6)，称为(mycelium)。一定长度的真菌菌丝，其横切面有间隔膜。真菌属细胞一旦形成后便保持其完整性，且与其相邻细胞的菌龄不同，越靠近末梢的菌丝，越年轻。放线菌、链霉菌和诺卡氏菌属均属于放线菌属，为原核生物，革兰氏染色呈阳性。它们无核膜和细胞器，其菌丝直径约1μm)比霉菌2μm)细，易折断。许多真菌能形成孢子，称为分生孢子。菌丝顶端生长(Apicalgrowthof菌丝仅在顶端(末梢)生长,其余部分的菌丝壁加厚，但不扩展。居间生长(intercalarygrowth)的细胞的均能扩展与大多数菌丝顶端生长机制都与泡囊(vesicles)在顶端的有关。一旦生长停止，泡囊在顶端，并分布在次顶部生长区。含有细胞壁溶解酶的泡囊与质膜融合细胞壁由于原生质压力而扩展，泡囊与质膜融合，出细胞壁酶新细胞壁的前体由泡囊提供，细胞壁的从质膜向外扩展泡囊是一种由单层膜的细胞器,可把它看作是溶酶体复合物或内膜复合物的一部分。内质网系统产生泡囊的区域位于菌丝的次顶部,藉化学或电化学浓度梯度(推动力)移动的。用细胞松弛素ocli)可以完全抑制细胞质的流动，从而泡囊的移动和生长。故细胞质的流动是生长的推动力，使泡囊流向菌丝顶端。如菌丝顶端同其次顶部区域被,则生长便缓慢下来；如切断的地方离开顶端远些,对生长的影响便小得多。一种是导向菌丝顶端的快速流动。菌丝顶端失水,造成顶端与次顶端之间的水势梯度，从而另一种形式的胞质流动为双向流动或环流(Cyclosis),其流动速率要慢得泡囊的形成是由(Golgi)体或内质网(Endoplasmicreticulum)的特定区域，再输新的细胞壁成分,其前体或预制。对孢子发芽的研究可获得有关顶端生长的有用的信,开始孢子吸水膨胀,这时细胞壁材料散布在孢子周围内表面,随后长出芽故极性生长并不是一开始就有的特性，而是在非极性各向同性条件下有些真菌的极性生长非各向同性被无限地推迟。黑曲霉的孢44℃下生长，它继续膨胀，形成巨细胞。如这时再转30℃下生长，它会表现得很特殊。从巨细胞中伸出芽管，随后形成孢子1-37。这说明在孢子膨胀期间黑曲霉也能正常地成熟，甚至产生孢子，只是要等到适合于极性生长时机才能表达这种潜在能力。研究顶端生长过程的另一种实验方法是用水浸没镰刀菌菌落，观察其顶端生长情况。结果有半数菌丝末1分钟后重新生长，只是在膨胀的菌丝顶端长出较细的菌丝。其重复以上试验，但这次加水后等0秒，再加入等渗溶液即与琼脂的渗透压一样的溶液这些现象说明，生长可能包含两个过程塑性顶端的延伸细胞壁的硬化，即随顶端延伸后的硬化在正常生长情况下这两个过程以同样的速率进行，只是硬化紧随顶端延伸之后，故总是只有一小段延伸区域呈塑性。菌丝浸水试验的第一种情况可解释为浸水后生长延伸停止，菌丝顶端在重新调整其新的渗透压期间，细胞壁的硬化继续进行，在顶端还未完全‘封住’前，在剩下的还未硬化的当中塑性部位继续长出一细芽；对第二种情况，生长再次受到干扰，耽误了在剩余部位出芽的时机，最终顶端全被‘封住’。这期间胞质继续流动的结果菌丝顶端膨胀，过几分钟便会在其它薄弱部位找到突破口，抽出一个以上完全新的细芽。细胞壁的硬化是指胞壁的加厚或完全新的细胞壁的沉着,而塑性顶端的延伸要靠溶解酶类因此，如这些酶不稳定，或被蛋白酶降解，或因渗透压改变，泡囊与菌丝顶端的结合，菌丝分枝一般离生长着的菌丝顶端有些距离的后方进行。真菌如同高等植物那样显示出顶端生长的优势。但怎样维持这种优势知道的很少。菌丝分枝一般均朝向菌落的边缘扩展生长 并偏离其亲本菌丝和相互岔开生长这是多余的细胞质用于生长的结果，并且在细胞积，核和分枝数目之间存在着明显的关系。在其它真菌中也确定了细胞体积和分枝之间的类似关系。分枝需要从已成细胞中产生。这伴随着泡囊在菌丝顶端的。分枝在菌丝的哪一部位产生这似乎有一中意点往往位于间隔的附近。通过试验可证实这一点。将菌丝打碎，只要得到含有完整间室的碎片，便能如1-39那样产生新的分枝。新分枝总菌丝生长单位(hyphalgrowthunit)G＝丝总长度/菌丝分枝数经最初的波动后G由此可见，新分枝是在胞液体积超过现有分枝数所能容纳的体积时产生的。菌丝生长单位* 在琼脂中生长的不同阶段摄下年轻菌落的发育，按公式可求的菌丝生长单位（）从生长单位的确立可看出胞液体积与分枝之间有如下规律：每一分枝连同其有关的一定量的细胞质可当作一个菌丝单位i酵母那样。故一真菌菌落是靠假想的单位生长的。实际上它们是连在一起，分不清的；由于新的分枝是多余细胞质形成的，分枝的数目基本上取决于菌落的营养状况，从而取决于细胞质的数量；因现有的分枝能优先得到细胞质，故一分枝的形成对已有的分枝的生长速率影响很小生长初期，菌丝总长度和分枝数目均以指数的速率增加，这时的菌丝体间隔较长。菌丝生长单位的变化幅度随生长而减小，最后稳定。以下的规律主要适用于固体培养基上生长的未分化菌真菌孢子在培养基上发芽，形成未分化的菌丝，继续生长，分化为成菌丝。丝状菌的形态上的优势:菌丝以有规律的分枝确保它能高效地复盖在固体培养基上。未分化菌丝的生长调节至少包含三种机制；菌丝极化的调节生长是极化的,菌丝的伸长仅分枝启动的成主杆菌丝,并由此形成初级分枝,再由此形成次级,一直分菌丝空间分布的调节未分化菌丝趋向于分散独立生长，相邻菌丝间"回避作用而减少。这称为向自性(autotropism)菌丝极化生长是指孢子或菌丝细胞的一端发芽，伸长，长成菌丝。培养条件，如温度不适，或在厌氧，含O2浓度较高的条件下会极化生长，并以非极化即各向同性方式像酵母那样生长。非极化生长是与不利的生长条件相联系菌丝极化生长受若干内源调节机制的控制。菌丝生长孢子发芽，顶端生长，分枝总是与泡囊的活动相联系。调节是通过向菌丝顶端输送泡囊，泡囊与细胞膜融合发挥作用的。扰乱这两种作用会导致各向同性生长。化条件有较大的改变。本相同。菌丝平均伸长速率E=2(Ht-H0)/(Bt–B0)= H