미생물의 증식과 대사

 

미생물학 및 실험 강의 노트-7: 증식과 대사

1. 미생물의 증식

(1) 개체군의 증식

(2) 물과 온도

(3) 산소와 산도

2. 미생물 대사

(1) 효소

(2) 에너지

(3) 호흡과 해당과정

(4) 발효

(5) 크렙스 회로

(6) 전자전달계와 화학삼투

(7) 혐기적 대사

(8) 광합성                             

(참고)

1) 미생물의 증식: 기초생명공학 8장

2) 미생물의 대사: 기초생명공학 5장

1. 미생물의 증식

(1) 개체군의 증식

   1) 미생물의 증식

        a. 증식에 필요한 인자

           - 물리적 인자: 온도, pH, 삼투압

           - 화학적 인자: 탄소원, 질소원, 미량원소

        b. 이분법 (binary fission)에 의한 증식

   

   2) 생장곡선 (growth curve)

       a. 유도기 (lag phase)

           - 게체군의 증가는 없음

           - 세포의 구성성분과 효소 합성

        b. 대수증식기 (log phase)

           - 최대의 속도로 증식하고 분열

           - 이분법에 의하여 분열

           - 일정한 세대시간 (generation time) 또는 배가시간 (doubling time)

        c. 정지기 (stationary phase)

           - 영양분 또는 물 등의 생육에 필요한 인자의 부족

           - 개체의 증가는 없음: 사멸되는 세포와 분열하는 세포의 수가 같음

           - 사멸되어 분해되는 세포의 구성물을 영양분으로 증식하기도 함

        d. 사멸기 (death phase): 급속히 사멸하여 개체수가 감소

        

                        그림. 미생물의 생장곡선

 

(2) 물과 온도

   1) 물

        a. 미생물의 생육에 절대적으로 필요

        b. 물이 부족한 경우에 포자 형성균은 포자를 만들어 생명력을 유지

  2) 온도

        a. 저온균 (psychphilies)

           - 0℃에서 20℃사이의 온도에서 잘 증식하는 균

           - 북극, 남극 및 바다 속 깊은 곳에서 발견

        b. 중온균 (mesophiles)

           - 20℃에서 40℃사이의 온도에서 잘 증식하는 균

           - 대부분의 중온균은 인체내에서 질 증식하며, 대부분의 인체 병원균

        c. 고온균 (thermophilies)

           - 45℃ 이상에서 증식하는 균

           - 퇴비, 온천 및 대양의 열 구멍과 같은 환경에서 서식

(3) 산소와 산도 (pH)

   1) 산소

        a. 호기성 (aerobic): 산소가 생육에 꼭 필요함

        b. 혐기성 (anaerobic): 산소가 있는 환경에서 생육할 수 없음

        c. 통성 (facultative): 호기적이거나 혐기적인 환경에 쉽게 적응하여 살아감

        d. 미호기성 (microaerobic): 산소의 농도가 낮은 환경에서 살아감

   2) pH

        a. 호산성균 (acidophilies): 산성 조건에서 생존하는 미생물

        b. 호염기성균 (alkaliphiles): 염기성 조건에서 생존하는 미생물

(4) 다른 조건들

   1) 호염성균 (halophiles)

        a. 높은 염의 환경에서 살아가는 미생물

        b. 고세균: 9% 이상의 염이 있어야 살아가는 미생물

        c. 특정 호염성 세균은 27% 염농도에서 살아갈 수 있음

   2) 호압성균 (barophiles): 높은 압력하에서도 생존하는 미생물 (해저에 서식하는 미생물)

   

2. 미생물 대사

(1) 효소

   1) 효소

        a. 단백질

        b. 미생물의 대사를 촉진시키는 생촉매

        c. 대사의 반응속도를 증가시킴

   2) 조효소 (coenzyme): 효소의 활성을 위한 첨가물

   3) 기질 (substrate): 반응물질

   4) 최종산물 (end product): 효소반응에 의한 최종산물

   5) 활성부위 (active site)

        a. 효소에서 실제로 반응이 일어나는 곳

        b. 효소에서 기질과 직접적인 접촉이 일어나는 곳

   6) 인간의 세포에 존재하는 3,000가지 이상의 효소가 알려져 있음

  

                                     그림. 효소와 기질의 효소 반응

(2) 에너지

   1) 생체에너지의 종류

        a. ATP (adenosine triphosphate): 생체에너지

        b. NADH⁺+H⁺: 대사에 의하여 생성된 환원력으로 호흡 (전자전달계)를 통하여 생체에너지로 교환됨

 

   2) 에너지 합성기작

        a. 광합성 (photosynthesis)

        b. 호흡 (respiration)

           - 해당작용 (glycolysis)

           - 그렙스 회로 (Krebs cycle): TCA cycle

           - 전자전달계 (electro transport system)

(3) 호흡과 해당과정

   1) 해당과정

        a. 1 개의 포도당이 산화하여 2 개의 피부르산이 생성

        b. 산화과정을 통하여 ATP 및 NADH⁺+H⁺를 생성

   2) 피브루산은 전자전달계의 유무에 따라 발효과정 혹은 크렙스 회로로 진입

        a. 발효: 전자전달계가 없는 미생물은 생성된 환원력으로 피브루산을 환원시킴

        b. 전자전달계가 있는 미생물은 피부르산을 계속하여 산화시키면서 에너지를 생성

           

            

 

(4) 발효

   1) 발효: 해당과정에서 만들어진 피브루산이 알코올, 산 그리고 기타 유기물로 전환되는 것

   2) 발효의 종류

        a. 효모에 의한 알코올 발효

        b. 유기산 발효

        c. 비타민 발효

        d. 항생물질 발효

        e. 핵산 발효

    

       

   3) 해당작용 후의 발효와 크렙스 회로의 관계

         

 

(5) 크렙스 회로 (TCA cycle, citric acic cycle)

   1) 진핵세포

        a. 원형질에서 해당작용이 진행되며, 아세틸 CoA 상태로 미토콘드리아로 들어감

        b. 미토콘드리아 내부에서 산화작용 거치면서 크렙스 회로의 반응이 진행

   2) 원핵세포: 세포질 내에서 크렙스 회로의 반응이 진행

   3) ATP와 환원력 (NADH⁺+H+)를 생산

(6) 전자전달계와 화학삼투

   1) 전자전달계

        a. 진핵세포: 미토콘드리아의 내막에 존재하는 산화환원 효소에 의하여 진행

        b. 원핵세포: 세포막의 일부인 메소조옴 막에 존재하는 효소에 의하여 진행

       c. 세포내의 산화반응에서 생성된 환원력을 생체에너지 ATP로 변환시키는 역활

   2) 진핵세포의 크렙스 회로와 전자전달계 (미토콘드리아)

       

   3) 광합성 식물의 환원력과 에너지 생산 기작

     

(7) 혐기적 대사 (무산소 호흡)

   1) 호흡과 발효 (에너지 발생 기작에 의한 분류)

        a. 호흡

           - 전자전달계를 이용한 에너지 생산 (환원력을 사용하여 ATP 생산)

           - 전자전달계의 최종전자를 수용할 수용체가 필요함 (산소호흡: 산소)

            

        b. 발효: 전자전달계가 없는 상태에서의 에너지 생산 (환원력을 물질의 환원에 사용)  

   2) 호흡의 종류

        a. 산소호흡 (oxygenic respiration, 호기호흡)

          - 산소가 최종 전자 수용체인 경우

           - O₂ + 4H⁺ + 4e^-  → 2H₂O

        b. 무산소 호흡 (anoxygenic respiration)

           - 산소 이외의 물질이 전자 수용체로 사용되는 경우

           - 질산염: NO₃^- + e^- → NO₂^-

           - 황산염: SO₄^2- + e^- → SO₃^2-

           - 탄산염 및 기타

   3) 산소호흡과 무산소 호흡의 예

수용체	환원된 최종 산물	반응명	미생물
O2	H2O	aerobic respiration	Escherichia, Streptomyces
NO3	NO2, NH3 or N2	anaerobic respiration: denitrification	Bacillus, Pseudomonas
SO4	S or H2S	anaerobic respiration: sulfate reduction	Desulfovibrio
fumarate	succinate	anaerobic respiration:    using an organic e- acceptor	Escherichia
CO2	CH4	methanogenesis	Methanococcus

 

(8) 광합성 (독립영양대사)                     

   1) 독립 영양적 생장의 종류

        a. 광합성 독립 영양 생물 (photoautotroph)

           - 광에너지를 생체에너지로 변환하여 사용

           - 광에너지를 환원력으로 변화하고, 이 환원력을 생체에너지로 변환하여 사용

       b. 화학합성 독립 영양 생물 (chemoautotroph)

           - 화학물질을 산화하여 얻은 생체에너지를 사용

           - 화학물질을 산화하여 얻은 환원력을 이용하여 생체에너지를 생성

          

   2) 광합성

        a. 전체반응: 6CO₂ + 6H₂O + 18ATP + 12(NADPH + H⁺) →

                          C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 18ADP + 18P_i + 12NADP⁺

        b. 물의 광분해 (Hill reaction)

          - 2H₂O + 2NADP+ + 2P_i + 2ADP → O₂ + 2(NADPH + H⁺) + 2ATP

          - 광반응 시스템 I (PSI): 파장 700nm 이하의 빛을 사용하여 NADPH + H⁺ 생성

           - 광반응 시스템 II (PSII): 파장 680nm 이하의 빛을 사용하여 물을 광분해 (2H₂O → O₂ + 4H⁺)

        

        c. CO₂ 고정 (fixation, Calvin reaction)

          - Ribulose-5-P + ATP → Ribulose-1,5-bis-P + ADP

          - Ribulose-1,5-bis-P + CO₂ → 2(3-P-glycerate)

          - 2(3-P-glycerate) + 2ATP → 2(1,3-bis-P-glycerate)

          - 2(1,3-bis-P-glycerate) + 2(NADPH + H⁺) →fructose-6-P + 2NADP⁺

                

                    그림. 광합성의 전체 기작

                          그림. 광합성의 명반응 (Hill reaction)

   

                그림. 광합성의 명반응 (Calvin cycle, 일반식물)

             

                        그림. 광합성의 암반응 (C₄ 식물)

출처: 인터넷 검색