高中生物：第5章《微生物與發(fā)酵工程》學案(生物舊人教版選修)

1、第五章、微生物與發(fā)酵工程1、微生物的類群 1細菌（1）結構：單細胞原核生物，其基本結構包括細胞壁、細胞膜、細胞質和擬核。細胞質：含核糖體，貯藏顆粒（如淀粉粒、硫粒），質粒（上有基因與細菌的杭藥性、固氮、抗生素生成有關）。擬核：環(huán)狀DNA反復折疊纏繞呈棒狀、啞鈴狀或球狀，控制著細菌的主要遺傳性狀。（2）特殊結構：莢膜、鞭毛、芽孢（3）繁殖：二分裂（發(fā)生DNA分子復制）（4）菌落：可形成多種菌落（固體培養(yǎng)基中，肉眼可見的，具一定形態(tài)結構的子細胞群體），具有大小、形狀、光澤度、顏色、硬度、透明度等特征是鑒定菌種的依據。2放線菌：單細胞原核生物，多數抗生素都是由放線菌產生的。3病毒：結構：主要由核酸和

2、衣殼構成。有些病毒外面有囊膜（由蛋白質、多糖、脂類構成）囊膜上有刺突如流感病毒。衣殼決定病毒抗原特異性。一種病毒只有一種核酸。在宿主活細胞中進行增殖（以噬菌體為例）：吸附注入核酸合成蛋白質、復制核酸裝配釋放2、微生物的營養(yǎng)、代謝和生長 1微生物的營養(yǎng)：碳源、氮源、生長因子、水和無機鹽C、H、O、N占細胞干重90%以上。（1）碳源：無機碳源(CO2、NaHCO3、CaCO3等含碳無機物)有機碳源：即含碳有機物糖、脂、蛋白質、有機酸等和天然含碳物質(石油)功能：用于構成微生物的細胞物質和一些代謝產物；既是碳源能源又是一種雙功能的營養(yǎng)物（洋蔥假單胞菌能利用90多種含碳化合物）（2）氮源：種類：無機氮

3、：NH3、銨鹽、硝酸鹽、N2；有機氮：復雜蛋白質(如牛肉膏、蛋白陳)、核酸、尿素、一般氨基酸將無機氮合成菌體蛋白或含氮的代謝產物(如氨基酸等)；合成微生物的蛋白質、核酸及含氮的代謝產物(如氨基酸等)（3）生長因子：概念：微生物生長不可缺少的微量有機物。種類：維生素、氨基酸、堿基、酵母膏、蛋白胨、組織提取液功能：酶和核酸的組成成分；參與代謝過程中的酶促反應。（4）培養(yǎng)基的配制原則：目的明確營養(yǎng)協(xié)調：谷氨酸生產中，當C/N=4：1時菌體大量繁殖，當C/N=3：1時谷氨酸合成增多PH要適宜：放線菌7.58.5細菌6.57.5霉菌4.05.8真菌5.06.0（酵母菌3.86.0）（5）培養(yǎng)基的種類：根

4、據物理性質的不同分為：固體培養(yǎng)基：用于微生物的分離、計數；半固體培養(yǎng)基：用于觀察微生物的運動、鑒定菌種；液體培養(yǎng)基：用于工業(yè)生產。根據化學成分分為：合成培養(yǎng)基：用已知成分的化學物質配成；天然培養(yǎng)基：用成分不明確的天然物質配成，用于工業(yè)生產根據用途分為：選擇培養(yǎng)基：加入某種化學物質，抑制不需要的微生物生長，促進所需要微生物生長；鑒別培養(yǎng)基：加入指示劑或化學藥品配制而成，用于鑒別微生物。實例：加入青霉素的培養(yǎng)基：分離酵母菌、霉菌等真菌（抑制細菌、放線菌）加入高濃度食鹽的培養(yǎng)基：分離金黃色葡萄球菌（抑制多種細菌）不加氮源的無氮培養(yǎng)基：分離固氮菌不加含碳有機物的無碳培養(yǎng)基：分離自養(yǎng)型微生物加入氨基嘌呤

5、、次黃嘌呤和胸腺嘧啶核苷的培養(yǎng)基：分離雜交瘤細胞 伊紅和美藍培養(yǎng)基：鑒別大腸桿菌，菌落呈深紫色，帶金屬光澤2微生物的代謝：（1）微生物代謝：微生物代謝是指微生物細胞內所發(fā)生的全部化學反應。（2）微生物代謝的特點：代謝異常旺盛，對物質的轉化利用快。其原因：微生物的表面積與體積比很大，有利于與外界環(huán)境進行物質交換。（3）微生物的代謝產物：微生物的代謝產物分為初級產物(合成不停；缺少不行；種類基本相同)和次級產物（種類不同；有無都行）。初級代謝產物是生長繁殖必須的一直產生分布在細胞內如：氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素次級代謝產物不是生長繁殖必須的是生長到一定階段產生具有特異性分布在細胞內或外如：

6、抗生素、毒素、激素、色素等（4）微生物代謝的調節(jié)：酶合成的調節(jié) a組成酶在細胞內一直存在，它的合成只受基因調控；誘導酶只有環(huán)境中存在誘導物才能合成它的合成受基因與誘導物共同控制； b酶合成調節(jié)的對象是誘導酶；調節(jié)的結果是使細胞內酶的種類增多； c酶合成調節(jié)的機制(本質)原核生物基因表達的調控，如大腸桿菌乳糖操縱子學說； d酶合成調節(jié)的意義：既保證代謝需要，又避免細胞內物質和能量浪費，增強適應性。 酶活性的調節(jié) a酶活性調節(jié)的對象是酶(組成酶和誘導酶)的催化能力，調節(jié)的結果是酶量發(fā)生變化； b酶活性調節(jié)的機制通過酶與代謝過程產生物質的可逆性結合進行調節(jié)； c酶活性調節(jié)的特點：快速、精確； d酶活

7、性調節(jié)的意義：避免代謝產物積累過多。 兩種調節(jié)方式的區(qū)別與聯系：區(qū)別： A 從調節(jié)對象看：酶合成的調節(jié)是通過酶量的變化控制代謝速率，而酶活性的調節(jié)是對已存在的酶活性進行控制，它不涉及酶量變化。 B從調節(jié)效果來看：酶活性調節(jié)快速而精細； C從調節(jié)機制看，酶合成調節(jié)是基因水平調節(jié)，它調節(jié)控制酶合成；酶活性調節(jié)是代謝調節(jié)，它調節(jié)酶活性。 聯系：細胞內兩種方式同時存在，密切配合，高效、準確控制代謝的正常進行。（5）微生物代謝的人工控制：人工控制微生物代謝的目的最大限度積累對人類有用的代謝產物。以黃色短桿菌生產賴氨酸、谷氨酸棒狀桿菌生產谷氨酸為例，說明人工控制微生物代謝的方法 人工控制黃色短桿菌的代謝過

8、程生產賴氨酸。由蘇氨酸、賴氨酸共同積累過量會抑制天冬氨酸激酶的活性，而賴氨酸單獨過量不會出現抑制的。最后落腳點是：通過誘變育種選育不能合成高絲氨酸脫氫酶的菌種作為工業(yè)微生物，達到大量生產賴氨酸的目的。 人工控制谷氨酸棒狀桿菌生產谷氨酸。由谷氨酸積累過量會抑制谷氨酸脫氫酶活性的特點，改變細胞膜透性，由此可大量生產谷氨酸。（6）發(fā)酵：通過微生物的培養(yǎng)，大量生產各種代謝產物的過程。分類：根據培養(yǎng)基狀態(tài)分：固體發(fā)酵、液體發(fā)酵；據產物分：抗生素發(fā)酵、維生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵；根據對氧的需求分：厭氧發(fā)酵：如酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵；需氧發(fā)酵：如抗生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵3微生物的生長：常以微生物的群體為單位來研究。微

9、生物群體生長的規(guī)律：以細菌為例說明。測定群體生長的方法：一種是測定細菌的細胞數目，另一種是測重量。微生物群體生長規(guī)律的曲線生長曲線。（1）繪制方法：將少量的某種細菌接種到恒定容積的液體培養(yǎng)基中。適宜條件培養(yǎng)，定期取樣測定培養(yǎng)基里的細菌群體的生長情況（以時間作橫坐標，以細菌數目的對數作縱坐標得到生長曲線）（2）細菌的生長曲線：它描述了細菌群體從開始生長到死亡的動態(tài)變化過程。（3）主要時期 調整期：a.細菌對新環(huán)境的短暫調整或適應過程；b.菌體特點：不分裂繁殖、代謝活躍、體積增長較快、大量合成分裂所需酶類、ATP及其它細胞成分。c.調整期的長短與菌種、培養(yǎng)條件等因素有關。 對數期：a.該期細菌進入

10、快速分裂階段；b.數目增長的特點：等比數列形式增加； c.菌體特點：代謝旺盛、個體形態(tài)和生理特性比較穩(wěn)定；d.應用：常作為生產用菌種和科研材料。 穩(wěn)定期：a整個培養(yǎng)基中新增細胞數和死亡細胞數達到動態(tài)平衡。營養(yǎng)物質的消耗細胞分裂速率下降 b原因:有害代謝產物的積累,pH變化,死亡細胞數目增加,活菌數目達到最高峰。 c菌體特點，大量積累代謝產物,特別是次級代謝產物，  形成芽孢。 d應用：獲取次級代謝產物的最佳時期；適當補充營養(yǎng)物質，有助于延長穩(wěn)定期，提高產量。 衰亡期：a.細菌的死亡速率超過繁殖速率，活菌數目急劇下降 b.菌體特點：細胞出現多種形態(tài)，甚至畸形；有些細胞開始解體；釋放代謝

11、產物（4）實踐意義：連續(xù)培養(yǎng)法  概念：在一個流動裝置中，以一定速度不斷添加新培養(yǎng)基，同時又以同樣速度不斷排出老培養(yǎng)基。 目的：保證微生物對營養(yǎng)物質的需要，排出部分有害代謝產物，使微生物保持較長時間的高速生長。 應用：酒精、丙酮、丁醇等的生產。意義：縮短培養(yǎng)周期，提高設備利用率，且便于自動化管理。（5）影響微生物生長的環(huán)境因素：很多，主要是溫度、pH、氧。 溫度：微生物生長最旺盛時的溫度叫最適宜生長溫度；絕大多數微生物最適宜生長溫度為2537；最適生長溫度范圍內，微生物生長速率隨溫度上升而加快；超過最適生長溫度后，微生物生長速率急劇下降。原因：細胞內蛋白質和核酸等發(fā)生不可逆破壞。pH

12、：每種微生物最適pH 不同；超過最適pH，影響酶活性、細胞膜穩(wěn)定性等，從而影響微生物對營養(yǎng)物質的吸收。 氧：依據對氧的需求，微生物分為：1）好氧型微生物，例：多數細菌，大多數真菌； 2）厭氧型微生物  例：某些鏈球菌，某些產甲烷桿菌。 3）兼性厭氧型微生物  例： 酵母菌。3、發(fā)酵工程簡介1應用發(fā)酵工程的生產實例谷氨酸發(fā)酵（1）常用菌種：谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌（異養(yǎng)需氧）。（2）培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基、天然培養(yǎng)基。原料：豆餅水解液、玉米漿、尿素、磷酸二氫鉀、氧化鉀、硫酸鎂、生物素（生長因子）（3）發(fā)酵過程：罐連續(xù)培養(yǎng)?？刂茥l件：溫度、PH值、溶氧、攪拌速度。谷氨酸用Na2C

13、O3中和后，過濾、濃縮、離心分離制成味精。2發(fā)酵工程內容： 菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程、產品的分離提純。（1）菌種的選育:以谷氨酸發(fā)酵（基因突變）、人的胰島素（基因工程）、單克隆抗體（細胞工程）即誘變育種、基因工程、細胞工程的方法獲得菌種。（2）擴大培養(yǎng)是將培養(yǎng)到對數期的菌體分開，分頭進行培養(yǎng)，以促使菌體數量快速增加，能在短時間里得到大量的菌體。（擴大培養(yǎng)是為了讓菌體在短時期內快速增殖，而發(fā)酵過程中的培養(yǎng)是為了獲得代謝產物，目的不同采用的培養(yǎng)條件就有可能不同。例如：在酒精發(fā)酵過程中，擴大培養(yǎng)是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧條件下進行。而在發(fā)酵產生酒精的過程中

14、則必須在無氧條件下進行以獲得大量的酒精。）（3）發(fā)酵過程：隨時取樣檢測培養(yǎng)液中的細菌數目、產物濃度及時添加必需的培養(yǎng)基組分，嚴格控制溫度、PH、溶氧、通氣量與轉速等條件。谷氨酸發(fā)酵中，PH呈酸性時會產生乙酰谷氨酰胺；當溶氧不足時，產生乳酸或琥珀酸。（4）分離提純：菌體：過濾、沉淀；代謝產物：蒸餾、萃取、離子交換。 3發(fā)酵工程的應用： 1醫(yī)藥工業(yè)：(1)直接生產多種藥品，如抗生素、維生素、動物激素、藥用氨基酸 (2)與基因工程和細胞工程結合來生產藥品，如：人生長激素、重組乙肝疫苗、某些種類的單克隆抗體、白細胞介素-2、抗血友病因子等。生長激素釋放抑制因子人腦激素，用于治療肢端肥大癥。

15、2.食品工業(yè)： (1)使傳統(tǒng)的發(fā)酵產品質量和產量得到提高如：啤酒、果酒、食醋。 (2)生產各種食品添加劑，如：酸味劑(L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸)、鮮味劑(肌苷酸、谷氨酸)、色素(紅曲素、-胡蘿卜素)、甜味劑(高果糖漿、甜菜糖)。 (3)解決糧食問題的重要途徑，如生產單細胞蛋白微生物菌體。來源:K選修全一冊典型最新例題例一：（09.寧夏、遼寧高考）【生物選修1生物技術實踐】（1）在大腸桿菌培養(yǎng)過程中，除考慮營養(yǎng)條件外，還要考慮_、_和滲透壓等條件。由于該細菌具有體積小、結構簡單、變異類型容易選擇、_、_等優(yōu)點，因此常作為遺傳學研究的實驗材料。 （2）在微生物培養(yǎng)操作過程中，為防止雜菌污染，需對培

16、養(yǎng)基和培養(yǎng)皿進行_（消毒、滅菌）；操作者的雙手需要進行清洗和_；靜止空氣中的細菌可用紫外線殺滅，其原因是紫外線能使蛋白質變性，還能_。 （3）若用稀釋涂布平板法計數大腸桿菌活菌的個數，要想使所得估計值更接近實際值，除應嚴格操作、多次重復外，還應保證待測樣品稀釋的_。 （4）通常，對獲得的純菌種還可以依據菌落的形狀、大小等菌落特征對細菌進行初步的_。 （5）培養(yǎng)大腸桿菌時，在接種前需要檢測培養(yǎng)基是否被污染。對于固體培養(yǎng)基應采用的檢測方法是_。 （6）若用大腸桿菌進行實驗，使用過的培養(yǎng)基及其培養(yǎng)物必須經過_處理后才能丟棄，以防止培養(yǎng)物的擴散。例二：（09.遼寧）【生物選修3現代生物科技專題】 右圖

17、為哺乳動物的胚胎干細胞及其分化的示意圖。請回答：（1）胚胎干細胞是從動物胚胎發(fā)育至_期的內細胞團或胎兒的_中分離得到的一類細胞。 （2）圖中分化程度最低的干細胞是_。在體外培養(yǎng)條件下，培養(yǎng)液中加入_因子，可誘導該種干細胞向不同類型的組織細胞分化。（3)在機體內，皮膚干細胞分化成皮膚細胞是機體細胞中基因_的結果。（4）某患者不能產生正常的白細胞，通過骨髓移植可以達到治療的目的，骨髓的治療的實質是將上圖的_細胞移植到患者體內。（5）若要克隆某種哺乳動物，從理論上分析，上述紅細胞、白細胞神經細胞中不能選用作為供體的細胞是成熟的_，其原因是_。（6）若某藥物可抑制肝腫瘤細胞NDA的復制，使用該藥物可使

18、肝腫瘤細胞停留在細胞周期的_期。 （7）在制備單克隆抗體過程中的細胞融合階段，用_細胞與骨髓細胞融合，經多交篩選最終得到能分泌_的雜交瘤細胞。例三（09、山西）大面積燒傷病人由于嚴重脫水，使血鉀升高，細胞外液滲透壓升高，此時血液中（ ）A抗利尿激素濃度增加，醛固酮濃度減少B抗利尿激素濃度減少，醛固酮濃度增加C抗利尿激素濃度增加，醛固酮濃度增加D抗利尿激素濃度減少，醛固酮濃度減少【解析】嚴重脫水，細胞外液滲透壓升高，刺激下丘腦滲透壓感受器，下丘腦神經細胞分泌，并由垂體釋放抗利尿激素濃度增加，促進腎小管和集合管對水的重吸收，減少尿量。血鉀升高刺激腎上腺，使醛固酮分泌增加，促進腎小管和集合管對鈉的重

19、吸收和對鉀的分泌。例四.（07、浙江） 糖尿病患者容易出現( ) A細胞內液增多 B 組織液增多 C.體液增多 D.尿量增多 例五.（09、湖北）當人體處于饑餓狀態(tài)時（ ） A腎上腺素分泌減少,胰高血糖素分泌增加 B腎上腺素分泌增加,胰高血糖素分泌增加 C腎上腺素分泌減少,胰高血糖素分泌減少 D腎上腺素分泌增加,胰高血糖素分泌減少例六.（09、江蘇）下列關于抗原的正確敘述是（ ）A抗原只有突破前兩道防線，才會引起特異性免疫 B抗原能與抗體或效應B細胞結合，發(fā)生免疫反應C機體自身的組織細胞不可能成為抗原 D抗原能與相應的抗體或效應T細胞結合，發(fā)生特異性免疫反應【解析】有的抗原需經過吞噬細胞的處理

20、，有的抗原直接刺激B細胞而引起特異免疫反應。機體有時在免疫時會把自身正常的組織細胞誤認為抗原引起免疫疾病 例七 （2004年高考天津卷第5題）關于下丘腦功能的敘述，正確的是（ ）可參與血糖平衡的調節(jié) 有調節(jié)軀體運動的高級中樞可合成和分泌促甲狀腺激素釋放激素垂體通過下丘腦控制性腺的生長發(fā)育 A. B. C. D. 【解析】下丘腦可參與血糖平衡的調節(jié)，當血糖濃度升高時，可以刺激下丘腦的某一區(qū)域，例八（2005·全國卷·2）右圖表示在適宜的溫度、水分和CO2條件下，兩種植物光合作用強度的變化情況。下列說法錯誤的是（ ）A、當光照強度增加到一定程度時，光合作用強度不再增加，即達到飽

21、和B、C3植物比C4植物光合作用強度更容易達到飽和C、C4植物比C3植物光能利用率高D、水稻是陰生植物，玉米是陽生植物例九、（09、重慶）生長于弱光照條件下的植物，當提高CO2濃度時，其光合作用速度并未隨之增加，主要原因在于( )A蒸騰作用過慢 B光反應速率不高 C暗反應速率過快 D呼吸作用過快【解析】在光合作用的過程中，CO2的固定還原是需要消耗能量的，這些能量來源于光反應階段。在光反應階段的速率不高的情況下，盡管提高了CO2的濃度，但由于ATP與NADPH的供應不充分，光合作用速率并不能隨之提高。例十（09、天津）C4植物葉片內進行光合作用的細胞是( )A柵欄組織 B海綿組織 C保衛(wèi)細胞

22、D維管束鞘細胞和葉肉細胞【解析】C4植物的維管束鞘細胞和葉肉細胞內均含有葉綠體，都能進行光反應，只是葉肉細胞內進行CO2固定后，進入維管束鞘細胞再進行卡爾文循環(huán)（暗反應）。例十一、（09、四川）光合作用包括光反應和暗反應兩個階段，下列參與暗反應必需的物質是（ ）A. H20、C02、ADP。 B CO2、NADPH、ATP 。 C H20、C02、ATP 。 D NADPH、H20、ADP【解析】 命題目標 光合作用的具體過程。光合作用的過程的光反應和暗反應兩個階段比較：光反應暗反應場所葉綠體的類囊體薄膜葉綠體基質條件光，酶酶物質變化H2O H + O2CO2 + C5 C3C3 +H (CH

23、2O)n能量變化光能轉變?yōu)殡娔?，再轉變成ATP活躍的化學能光反應生成的ATP提供能量，最終變成糖類等有機物中穩(wěn)定的化學能注： 表中H指的是NADPH例十二（09、天津模擬）自生和共生固氮微生物可以將( )A大氣中的N2轉化為NH3 B大氣中的N2轉化為NO3-C土壤中的NH3轉化為NO3 D土壤中的NO3-轉化為N2【解析】固氮微生物有兩類，一類是共生固氮微生物，如根瘤菌；一類是自生固氮微生物，如圓褐固氮菌。它們都是將大氣中的氮(N2)還原成氨(NH3)。例十三、（09、海南）要提高農作物的光合作用效率，人們開展研究的最大領域應定位于( )A光能轉換成化學能的過程 BCO2轉變成C3的過程C光能轉換成電能和C3轉變成葡萄糖的過程