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2008奥赛微生物学


2008—生物奥赛培训教程
——微生物学部分

一、全国及国际奥赛纲要对微 生物学理论部分的要求
? 分类: 原核生物 细菌门 蓝藻门 原绿藻门 真核生物 绿藻门 结合菌门 子囊菌门 担子菌门 病毒 原核细胞的组成:形态学 光养和化养 生物技术:发酵 免疫

? ? ? ?

二、微生物学的知识体


基因表达调控 形态结构 遗传 基因工程

营养代谢
分类 生长繁殖 发酵工业 微生物学

生态与多样性

感染与免疫

系统发育

食品

药物

生物制品

环保

三、微生物的类型
细菌 蓝藻 原绿藻 放线菌 衣原体 支原体 立克次氏体 等 G+ G-

(真)细菌

原核微生物
古生菌 细胞型微生物 真核微生物

酵母菌 霉菌 真核藻类(绿藻、硅藻等) 蘑菇 原生动物

非细胞型微生物——病毒

真病毒 亚病毒因子

四、原核细胞型微生物
? 一、细菌的形态学分类
球菌 杆菌

螺旋菌(包括弧菌)

淋病球菌

大肠杆菌

弧形霍乱菌

? 原核微生物的典型结构
共同特征:

细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核。
特殊结构: 夹膜、鞭毛、芽孢等。

?

原核微生物的结构与功能——细胞壁
真细菌 古生菌



结构:肽聚糖层
厚 G+ 薄 G-



假肽聚糖层



功能:
1. 保护:屏障、机械保护 2. 是细胞生长、分裂和运动所必须的 3. 赋予细胞抗原性、致病性和对噬菌体的敏感性等

? 原核微生物的结构与功能——细胞壁——革兰氏染色

结晶紫初染 碘液媒染
乙醇脱色

番红复染

? 原核微生物的结构与功能——原生质体

– 细胞膜:控制运输、维持渗透压、合成细胞壁、着生 鞭毛等 – 核区(拟核) – 特殊的休眠结构——芽孢(内生孢子)

? 原核微生物的结构与功能——细胞壁外结构
– 糖被:保护、屏障、储存、吸附、信号识别 – 鞭毛:运动

– 菌毛(纤毛):吸附
– 性毛:参与传递遗传物质

? 放线菌的菌丝分化

支原体

衣原体

立克次氏体

五、 真 核 微 生 物

霉菌

变形虫

原生动物

酵母菌

霉菌

皮革上的霉菌
无隔菌丝、有隔菌丝; 菌 丝 基内菌丝(营养)、气生菌丝(繁殖)。 繁 殖 有性繁殖:接合孢子、子囊孢子。 无性繁殖:子囊孢子、分生孢子。

酵母菌——形态结构

单 细 胞 真 菌

酵母菌的繁殖
无性繁殖——出芽生殖(假菌丝)、节孢子等; 有性生殖——接合生殖(子囊、子囊孢子)。 注意: 芽孢不是生殖细胞,是休眠的细胞。

六、病毒的基本特征
? 毒粒的结构——T4噬菌体 核酸

核 衣 壳

二十面 体对称

衣壳
螺旋对称

六、病毒的基本特征
? 病毒的特点
– 病毒在细胞外以成熟的颗粒形式(毒粒)存在;

– 毒粒在胞外不表现任何生命特征;
– 毒粒具感染宿主细胞的能力,一旦进入细胞, 毒粒便解体,并表现出繁殖、遗传、变异等生 命特征。

六、病毒的基本特征
? 温和噬菌体:侵入宿主后并没有立即开
始病毒物质合成和组装的病毒,此时的 噬菌体基因组称为原噬菌体,而含有原 噬菌体的宿主被称为溶源性细菌。

烈性噬菌体:进入菌体后就会改变宿 主的性质,使之成为制造噬菌体的" 工厂",大量产生新的噬菌体,最后 导致菌体裂解死亡。

六、病毒的基本特征
? 病毒的复制——周期及步骤
1. 2. 3. 4. 5. 吸附 侵入 脱壳 病毒大分子合成 装配与释放

病毒复制的一步生长曲线

? HIV(人类免疫缺陷病毒) 与 AIDS(获得性免疫缺陷综合症)

? SARS冠状病毒

? 禽流感病毒——H5N1 A

? HIV(人类免疫缺陷病毒) 与 AIDS(获得性免疫缺陷综合症)

? 肝炎病毒
–甲型肝炎病毒呈球形,无囊膜,核酸为单链 RNA; –乙型肝炎病毒呈球形,具有双层外壳结构, 外层相当一般病毒的囊膜,核酸为双链DNA。

七、微生物的营养
? 微生物的营养要求
1. 碳源【糖类、脂肪、有机酸】: 能源物质,构成菌体和代谢产物 2. 氮源【无机氮源:氨水、硫酸铵、尿素、硝酸钠; 有机氮源:发酵菌丝体、酒糟】: 构成菌体和代谢产物,硝化细菌的能源物质 3. 无机盐类【Pb 、 Mg 、 S 、 P 、 Fe、Co、Zn等】 维持酶活力,调节渗透压、pH值、电位等 4. 特殊生长因子【生物素、硫胺素、肌醇等】: 构成辅酶的组成部分,促进生命活动 5. 水:溶解营养物质和代谢产物

七、微生物的营养
? 微生物的营养类型——划分依据
划分依据 碳源 营养类型 自养型 异养型 特点 以CO2为唯一或主要碳源 以有机物为碳源

能源

光能营养型
化能营养型

以光为能源
通过氧化释放的化学能为能源 以还原性无机物为电子供体 以有机物为电子供体

电子供体 无机营养型 有机营养型

七、微生物的营养
? 微生物的营养类型——典型类型
营养类型 光能无机自养型 能源 光能 电子供体 H2、H2S S、H2O 碳源 CO2 举例 蓝藻、藻类 紫(绿)硫细菌

光能有机异养型
化能无机自养型 化能有机异养型

光能
化学能 (无机) 化学能 (有机)

有机物
H 2 、H 2 S Fe2+、NO2有机物

有机物
CO2 有机物

红螺细菌
氢细菌、硫杆菌 硝化细菌 大肠杆菌、真菌

七、微生物的营养
? 培养基的配置——基本原则
1. 2. 3. 4. 5. 选择适宜的营养物质 营养物质的浓度及其比例合适 控制pH条件 灭菌处理 原料来源的选择

七、微生物的营养
? 培养基的配置——培养基的类型
– 成分:天然培养基与合成培养基 – 形式:液体、固体和半固体培养基

– 功能:基础培养基、加富培养基、 鉴别培养基、选择培养基

七、微生物的营养
营养物质进入细胞的四种方式 一、扩散(diffusion) 二、促进扩散(facilitated diffusion) 三、主动运输(active transport) 四、 膜泡运输(memberane vesicle transport)

八、微生物的代谢
代谢特点:初级代谢与次级代谢
初级代谢产物 生长繁殖 是否必需 产生阶段 是 生长各个阶段 次级代谢产物 不是 生长到一定阶段

种的特异 性 分布
举例


细胞内


细胞内、外

氨基酸、核甘酸、 抗生素、毒素、激 多糖、脂质、维生素 素、色素等

微生物的代谢调节
? 在用葡萄糖和乳糖作碳源的培养基上培 养大肠杆菌,开始时,大肠杆菌只能利 用葡萄糖而不能利用乳糖,只有当葡萄 糖被消耗完毕以后,大肠杆菌才开始利 用乳糖。
?分解葡萄糖的酶是大肠杆菌细胞内一直 存在的酶

?分解乳糖的酶是在乳糖诱导下合成的酶

①酶合成的调节
? a.组成酶在细胞内一直存在,它的合成只受基 因调控;诱导酶只有环境中存在诱导物才能合 成,它的合成受基因与诱导物共同控制; ? b.酶合成调节的对象是诱导酶;调节的结果是 使细胞内酶的种类增多; ? c.酶合成调节的机制(本质)——原核生物基 因表达的调控,如大肠杆菌乳糖操纵子学说; ? d.酶合成调节的意义:既保证代谢需要,又避 免细胞内物质和能量浪费,增强适应性。

资料:谷氨酸的生产调节
? 谷氨酸棒状杆菌能够利用 葡萄糖,经过复杂的代谢 过程形成谷氨酸;但当终 产物——谷氨酸的合成过 量时,就会抑制谷氨酸脱 氢酶的活性,从而导致合 成途径中断。当谷氨酸因 消耗而浓度下降时,抑制 作用就会被解除,该合成 反应又重新启动。

②酶活性的调节
? a.酶活性调节的对象是酶(组成酶和诱导 酶),调节的结果是酶的催化能力发生 变化; ? b.酶活性调节的机制——通过酶与代谢 过程产生物质的可逆性结合进行调节; ? c.酶活性调节的特点:快速、精确; ? d.酶活性调节的意义:避免代谢产物积 累过多。

联系:细胞内两种方式同时存在,密切 配合,高效、准确控制代谢的正常进行。 ? a.从调节对象看:
区别
?酶合成的调节是通过酶量的变化控制代谢速率,而 酶活性的调节是对已存在的酶活性进行控制,它不涉 ? b.从调节效果看: 及酶量变化;

?酶活性调节直接而迅速,酶合成调节间接而缓慢;

? c.从调节机制看:

?酶合成调节是基因水平调节,它调节控制酶合成; 酶活性调节是代谢水平调节,它调节酶活性。

微生物代谢的人工控制
? 人工控制微生物代谢的目 的——最大限度积累对人 类有用的代谢产物。

黄色短杆菌

当赖氨酸和苏氨酸都积累过量 时,就会抑制天冬氨酸激酶的 活性,使细胞内难以积累赖氨 酸;而赖氨酸单独过量就不会 出现这种现象。

八、微生物代谢
? 微生物代谢的特殊方面——生物固氮
– 自生固氮菌:巴氏梭菌(好氧) – 共生固氮菌:根瘤菌(与豆科植物共生) 弗兰克氏菌(与非豆科植物共生) 鱼腥藻(与满江红共生)等

– 固氮条件:固氮酶、ATP、电子传递体

九、微生物的生长繁殖
? 细菌的个体生长
1. 染色体DNA的复制与分离 2. 细胞壁扩增 3. 细胞分裂:无性二分裂 (15-20分钟分裂一次)

九、微生物的生长繁殖
? 细菌的群体生长

1. 2. 3. 4.

迟缓期 对数生长期 稳定生长期 衰亡期

九、微生物的生长繁殖
? 真菌的生长繁殖
– 裂殖和芽殖:菌丝延长和酵母繁殖的主要方式

– 无性孢子繁殖:营养细胞分化出新个体(孢子)

– 有性孢子繁殖:不同的性细胞结合而产生新个体

九、微生物的生长繁殖
? 微生物生长繁殖的控制
– 化学控制:
? 抗微生物剂:杀死或抑制微生物生长的物质 ? 抗代谢物:用与生长因子结构类似的物质干扰微生物 ? 抗生素:一类次级代谢产物,具有抑菌或杀菌能力

– 物理控制:
? ? ? ? ? 高温灭菌:灼烧、煮沸、干热、湿热灭菌 过滤除菌 高渗作用抑菌 辐射和超声波处理 干燥

十、微生物发酵工业
? 利用生物特性和发酵理论,通过现代化 的工程技术手段,进行工业化规模生产, 使受培养的微生物或动植物细胞积累所 需产品的一门技术学科。

十、微生物发酵工业
? 微生物发酵工业的一般流程
培养基配制 种子扩大培养 培养基灭菌 空气除菌 发酵设备

发酵生产

下游处理

十、微生物发酵工业
? 发酵生产——中间控制
– 温度——菌体生长和积累代谢产物的最适温度往 往是不同的,变温控制; – pH值——微生物的生长和发酵的最适pH值往往不 同,变化控制; – 溶氧——氧是制约发酵进行的重要因素,加强溶氧;

十、微生物发酵工业
? 发酵实例——食品(食用酒精)发酵
曲霉 原料 酵母 制曲 酒糟

糖化
蒸煮 酒母的制备及扩大 杂醇油 发酵 蒸馏 乙醇

十、微生物发酵工业
? 发酵实例——药品(青霉素)发酵
青 霉 素 钾 盐
种子罐 发 酵 罐 预 处 理 罐 过 滤 萃 取 精 制 柱 萃 取 过 滤 蒸 发 过 滤 结 晶 洗 涤

产黄青霉菌 孢子制备

灭菌培养基

压缩空气

十一、感染与免疫
? 感染(传染)
– 有机体与病原体相互作用引起的病理过程

? 免疫
– 生物体能够识别自我和非自我,对非自我作 出反应以保持自身稳定的功能

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病原微生物的致病作用 1、抗吞噬作用 2、病原微生物酶的致病作用 3、毒素的致病作用

免疫器官 中枢免疫器官 1、骨髓 2、胸腺 周围免疫器官 脾、淋巴结 免疫细胞 干细胞、淋巴细胞

免疫机制 非特异性免疫 1、机体屏障 2、非特异性棉衣细胞 3、 体液因素 特异性免疫


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