2025年高二生物下學(xué)期微生物生物化學(xué)題一、微生物的基本結(jié)構(gòu)與功能（一）原核微生物的細(xì)胞壁特性肽聚糖結(jié)構(gòu)分析大腸桿菌細(xì)胞壁的肽聚糖由聚糖骨架（N-乙酰葡糖胺與N-乙酰胞壁酸通過β-1,4糖苷鍵連接）、四肽側(cè)鏈（L-丙氨酸-D-谷氨酸-L-賴氨酸-D-丙氨酸）和五肽交聯(lián)橋（甘氨酸五肽）構(gòu)成。青霉素通過抑制轉(zhuǎn)肽酶活性，阻止五肽交聯(lián)橋與四肽側(cè)鏈的連接，導(dǎo)致細(xì)胞壁缺陷，在滲透壓作用下細(xì)菌裂解死亡。而革蘭氏陽性菌（如金黃色葡萄球菌）的肽聚糖層厚度可達(dá)20-80nm，且含有磷壁酸，使其對(duì)機(jī)械損傷和滲透壓變化的抵抗力更強(qiáng)。特殊結(jié)構(gòu)的功能鞭毛：霍亂弧菌的單端單鞭毛使其具有趨化性，能通過鞭毛旋轉(zhuǎn)（360°/秒）在液體環(huán)境中快速移動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)腸道黏膜的黏附能力。芽孢：枯草芽孢桿菌的芽孢核心含有吡啶二羧酸鈣（DPA-Ca），能將水分含量降至10%-30%，并形成多層芽孢衣，使其在121℃高壓蒸汽滅菌下可存活15-20分鐘，這也是罐頭食品滅菌的重要指標(biāo)。（二）真核微生物的細(xì)胞器差異酵母菌的線粒體結(jié)構(gòu)與高等生物不同，其內(nèi)膜向內(nèi)折疊形成的嵴呈管狀而非板層狀，且含有與有氧呼吸相關(guān)的酶系。在發(fā)酵過程中，酵母菌通過調(diào)節(jié)線粒體數(shù)量適應(yīng)環(huán)境：在有氧條件下，線粒體數(shù)量增加（約20-30個(gè)/細(xì)胞），進(jìn)行有氧呼吸；無氧條件下，線粒體退化，通過糖酵解產(chǎn)生乙醇和CO?，每分子葡萄糖凈生成2分子ATP。二、微生物的營養(yǎng)與代謝（一）營養(yǎng)類型的判斷與應(yīng)用化能異養(yǎng)微生物的碳源利用大腸桿菌以葡萄糖為碳源時(shí)，通過EMP途徑（糖酵解）降解葡萄糖，關(guān)鍵酶為磷酸果糖激酶（受ATP別構(gòu)抑制）；以乳糖為碳源時(shí)，需誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶表達(dá)，將乳糖分解為葡萄糖和半乳糖，該過程受lac操縱子調(diào)控。反硝化細(xì)菌（如假單胞菌）在缺氧條件下以硝酸鹽（NO??）為電子受體，通過硝酸還原酶將其逐步還原為N?，實(shí)現(xiàn)反硝化作用，這一過程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可導(dǎo)致土壤氮素流失，需通過控制土壤通氣性減少損失。培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)原則選擇性培養(yǎng)基：SS培養(yǎng)基中添加膽鹽和煌綠，抑制革蘭氏陽性菌生長，同時(shí)以乳糖為碳源，大腸桿菌因分解乳糖產(chǎn)酸使菌落呈紅色，而沙門氏菌不分解乳糖，菌落為無色透明，可用于腸道致病菌的分離。鑒別培養(yǎng)基：伊紅美藍(lán)培養(yǎng)基（EMB）中，大腸桿菌代謝乳糖產(chǎn)酸，使伊紅美藍(lán)結(jié)合形成紫黑色金屬光澤菌落，而志賀氏菌無此特性，可快速鑒別。（二）能量代謝途徑的比較代謝類型代表微生物關(guān)鍵酶ATP生成方式終產(chǎn)物有氧呼吸好氧菌（如枯草桿菌）細(xì)胞色素氧化酶氧化磷酸化（主要）CO?、H?O無氧呼吸反硝化細(xì)菌硝酸還原酶氧化磷酸化（部分）N?、CO?、H?O乙醇發(fā)酵酵母菌丙酮酸脫羧酶底物水平磷酸化乙醇、CO?乳酸發(fā)酵乳酸菌乳酸脫氫酶底物水平磷酸化乳酸案例分析：破傷風(fēng)梭菌為嚴(yán)格厭氧菌，其能量代謝僅通過發(fā)酵實(shí)現(xiàn)，每分子葡萄糖凈產(chǎn)2ATP，因此在傷口深處缺氧環(huán)境中生長時(shí)，需通過分泌破傷風(fēng)痙攣毒素（神經(jīng)毒素）抑制抑制性神經(jīng)遞質(zhì)釋放，導(dǎo)致肌肉強(qiáng)直收縮。三、微生物的生長與調(diào)控（一）生長曲線的階段特征延遲期的調(diào)控工業(yè)發(fā)酵中，通過接種處于對(duì)數(shù)期的菌種（如青霉素生產(chǎn)中使用5-7代的產(chǎn)黃青霉菌），可縮短延遲期。若接種量從1%提高至10%，延遲期可從8小時(shí)縮短至2小時(shí)，同時(shí)需保證培養(yǎng)基成分與種子培養(yǎng)基一致，避免營養(yǎng)物質(zhì)誘導(dǎo)酶合成的滯后效應(yīng)。穩(wěn)定期的代謝產(chǎn)物積累初級(jí)代謝產(chǎn)物：大腸桿菌在穩(wěn)定期合成的氨基酸（如谷氨酸）可通過反饋抑制調(diào)節(jié)合成速率，當(dāng)胞內(nèi)谷氨酸濃度達(dá)到5mmol/L時(shí)，谷氨酸脫氫酶活性被抑制50%。次級(jí)代謝產(chǎn)物：青霉素在產(chǎn)黃青霉菌的穩(wěn)定期合成，其前體物質(zhì)為α-氨基己二酸、半胱氨酸和纈氨酸，通過非核糖體肽合成酶催化形成β-內(nèi)酰胺環(huán)結(jié)構(gòu)，該過程受碳源分解代謝物阻遏（葡萄糖過量時(shí)合成被抑制）。（二）環(huán)境因素的影響機(jī)制溫度：嗜熱菌（如Thermusaquaticus）的DNA聚合酶（Taq酶）在75-80℃時(shí)具有最高活性，其氨基酸序列中含有較多脯氨酸和二硫鍵，增強(qiáng)蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性，這也是PCR技術(shù)的關(guān)鍵酶。pH值：嗜酸乳桿菌通過細(xì)胞膜上的H?-ATP酶主動(dòng)排出胞內(nèi)H?，使胞內(nèi)pH維持在6.0-7.0，而胞外環(huán)境pH可低至2.5，這種特性使其在酸奶發(fā)酵中能抑制腐敗菌生長。四、微生物的遺傳與變異（一）基因突變與育種誘變育種的實(shí)例高產(chǎn)青霉素菌株的培育：通過紫外線（254nm）照射產(chǎn)黃青霉菌，誘導(dǎo)DNA形成胸腺嘧啶二聚體，經(jīng)錯(cuò)誤修復(fù)導(dǎo)致基因突變。篩選獲得的突變株青霉素產(chǎn)量從原始菌株的20單位/mL提高至10000單位/mL以上，關(guān)鍵在于解除了反饋抑制：突變株的分支酸變位酶對(duì)終產(chǎn)物青霉素的抑制敏感性降低10倍?；蛑亟M的應(yīng)用轉(zhuǎn)化：肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，S型菌的DNA片段（含莢膜合成基因）進(jìn)入R型菌，通過同源重組整合到染色體上，使R型菌獲得莢膜合成能力，成為S型菌。該過程需感受態(tài)細(xì)胞（處于對(duì)數(shù)生長期后期，細(xì)胞膜通透性增加）。轉(zhuǎn)導(dǎo)：噬菌體P1介導(dǎo)的大腸桿菌轉(zhuǎn)導(dǎo)中，噬菌體誤將宿主DNA（如lac?基因）包裝入頭部，感染lac?受體菌后，通過同源重組使受體菌獲得lac?表型，轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率約為10??-10??。（二）基因工程菌的構(gòu)建利用大腸桿菌生產(chǎn)胰島素時(shí)，需將人胰島素基因與載體（如pBR322質(zhì)粒）重組，導(dǎo)入宿主菌后通過IPTG誘導(dǎo)lac啟動(dòng)子表達(dá)。為提高產(chǎn)量，工程菌需具備以下特性：①缺乏蛋白酶基因（如lon?突變株），減少胰島素降解；②含有多拷貝質(zhì)粒（20-30個(gè)/細(xì)胞），增強(qiáng)基因表達(dá)量。五、微生物的生態(tài)與應(yīng)用（一）生態(tài)位與物質(zhì)循環(huán)氮循環(huán)中的關(guān)鍵微生物固氮菌：根瘤菌與豆科植物共生時(shí)，通過固氮酶（由Fe蛋白和Mo-Fe蛋白組成）將N?轉(zhuǎn)化為NH?，該酶對(duì)氧敏感，根瘤中的豆血紅蛋白可結(jié)合氧氣，使根瘤內(nèi)氧分壓維持在10??-10??mol/L，保證固氮作用高效進(jìn)行。硝化細(xì)菌：亞硝化單胞菌將NH??氧化為NO??（產(chǎn)能反應(yīng)），硝化桿菌進(jìn)一步將NO??氧化為NO??，兩者均為化能自養(yǎng)菌，以CO?為碳源，通過卡爾文循環(huán)合成有機(jī)物。微生物的協(xié)同作用瘤胃微生物區(qū)系（細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物）的協(xié)同代謝：纖維素分解菌（如白色瘤胃球菌）分泌纖維素酶將纖維素分解為纖維二糖，再由產(chǎn)甲烷菌（如甲烷八疊球菌）利用H?和CO?合成甲烷，同時(shí)去除H?對(duì)纖維素分解菌的反饋抑制，提高飼料消化率。（二）工業(yè)微生物的應(yīng)用發(fā)酵工程的調(diào)控谷氨酸發(fā)酵中，通過控制生物素濃度調(diào)節(jié)細(xì)胞膜通透性：生物素缺乏時(shí)，細(xì)胞膜磷脂合成受阻，谷氨酸通過胞膜上的載體蛋白大量分泌，產(chǎn)量可達(dá)120g/L；若生物素過量，谷氨酸積累于胞內(nèi)，產(chǎn)量僅為20-30g/L。環(huán)境保護(hù)中的微生物技術(shù)生物修復(fù)：假單胞菌可降解石油中的芳香烴（如苯、甲苯），通過雙加氧酶將苯環(huán)氧化為鄰苯二酚，再經(jīng)β-酮己二酸途徑分解為CO?和H?O，每克菌體可降解50-100mg石油烴。污水處理：活性污泥中的好氧菌（如動(dòng)膠菌）形成菌膠團(tuán)，通過吸附和分解作用去除有機(jī)物，BOD?（5日生化需氧量）可從300mg/L降至20mg/L以下，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。六、微生物與人類健康（一）致病微生物的毒力因子細(xì)菌毒素的作用機(jī)制外毒素：破傷風(fēng)痙攣毒素由重鏈（H）和輕鏈（L）組成，H鏈與神經(jīng)肌肉接頭處的受體結(jié)合，L鏈（鋅內(nèi)肽酶）進(jìn)入胞內(nèi)，水解突觸小泡膜上的突觸相關(guān)蛋白（SNAP-25），阻止抑制性神經(jīng)遞質(zhì)（甘氨酸、γ-氨基丁酸）釋放，導(dǎo)致肌肉強(qiáng)直性痙攣。內(nèi)毒素：大腸桿菌O157:H7的脂多糖（LPS）核心多糖中的KDO（2-酮-3-脫氧辛酸）是內(nèi)毒素活性中心，可激活巨噬細(xì)胞釋放TNF-α和IL-1，引起發(fā)熱、休克等全身炎癥反應(yīng)。病毒的復(fù)制周期流感病毒的復(fù)制過程中，其RNA聚合酶無校正功能，導(dǎo)致每年發(fā)生抗原漂移（如H1N1到H3N2），每10-15年發(fā)生抗原轉(zhuǎn)換（如H2N2到H3N2），這也是流感疫苗需每年更新的原因。（二）免疫與預(yù)防疫苗接種：脊髓灰質(zhì)炎減毒活疫苗（OPV）為口服劑型，病毒在腸道內(nèi)復(fù)制，誘導(dǎo)黏膜免疫（sIgA）和體液免疫（IgG），但免疫缺陷者接種可能導(dǎo)致麻痹型脊髓灰質(zhì)炎（發(fā)生率約1/25萬）。益生菌作用：雙歧桿菌通過分泌短鏈脂肪酸（如乙酸、丙酸）降低腸道pH，抑制致病菌（如大腸桿菌、沙門氏菌）生長，同時(shí)促進(jìn)腸道黏膜屏障修復(fù)，其活菌數(shù)需達(dá)到10?CFU/g以上才能發(fā)揮益生作用。七、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析（一）微生物的分離與鑒定革蘭氏染色的關(guān)鍵步驟脫色時(shí)間：95%乙醇脫色20-30秒是關(guān)鍵，過度脫色會(huì)使革蘭氏陽性菌誤染為陰性（如金黃色葡萄球菌變?yōu)榧t色），脫色不足則陰性菌誤染為陽性（如大腸桿菌呈紫色）。復(fù)染作用：番紅復(fù)染1分鐘，使革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁透性增加，易于著色，而陽性菌因肽聚糖層厚，復(fù)染后仍為紫色。計(jì)數(shù)方法的比較|方法|原理|適用范圍|誤差來源||--------------|-----------------------|-------------------------|---------------------------||平板計(jì)數(shù)法|單個(gè)菌落形成單位（CFU）|活菌計(jì)數(shù)|稀釋倍數(shù)誤差、菌落重疊||血球計(jì)數(shù)板法|顯微鏡直接計(jì)數(shù)|總菌數(shù)（活菌+死菌）|小體積誤差、細(xì)胞粘連||比濁法|600nm處吸光度（OD600）|快速估算菌濃度|細(xì)胞形態(tài)差異、培養(yǎng)基渾濁|（二）代謝產(chǎn)物的檢測(cè)利用紙層析法分離微生物發(fā)酵液中的氨基酸：將發(fā)酵液點(diǎn)樣于層析紙上，以正丁醇-冰醋酸-水（4:1:1）為展開劑，茚三酮顯色后，與標(biāo)準(zhǔn)氨基酸層析圖譜比較，可鑒定出谷氨酸（Rf值0.28）、賴氨酸（Rf值0.15）等，該方法靈敏度可達(dá)1μg。八、綜合應(yīng)用題案例：某工廠欲利用酵母菌生產(chǎn)乙醇，現(xiàn)有兩種培養(yǎng)基配方：配方A：葡萄糖200g/L，酵母提取物10g/L，(NH?)?SO?5g/L，KH?PO?2g/L，pH5.0配方B：蔗糖200g/L，蛋白胨20g/L，牛肉膏10g/L，NaCl5g/L，pH7.0問題：哪種配方更適合乙醇發(fā)酵？說明理由。如何通過工藝優(yōu)化提高乙醇產(chǎn)量？參考答案：配方A更適合。理由：①酵母菌利用葡萄糖（單糖）無需誘導(dǎo)酶，可直接進(jìn)入糖酵解途徑，而蔗糖（雙糖）需先分解為葡萄糖和果糖，代謝速率較慢；②酵母提取物提供維生素B族（如硫胺素，作為丙酮酸脫羧酶輔酶），(NH?)?SO?為速效氮源，滿足酵母菌快速生長需求；③pH5.0抑制細(xì)菌污染（多數(shù)細(xì)菌最適pH6.5-7.5），而酵母菌最適pH4.5-5.5。工藝優(yōu)化措施：①控制溫度在30-32℃（酵母菌最適生長溫度）；②通入無菌空