미생물

[김동석]

제3장 미생물의 조성과 대사

제1절 균체의 화학성분

1.무기물질 

  1)수분 : 70%내외

  2)탄소 : 50±5%

  3)질소 : 12-15%

  4)인(Phosphorous) : 2.5-5.0%

        ⅰ.핵산, 인지질 등의 구성성분

        ⅱ.Volutin(polymetaphosphate : (HPO3)n ) Nucleotide(AMP, ADP, ATP)

           NAD, NADP, TPP(thiamine pyrophosphate)

        ⅲ.미생물은 무기인(PO4^3-)을 이용하며

                α.phosphatase를 이용해 유기화합물의 인산기를 무기인으로 분해하고

                β.kinase를 이용하여 유기화합물에 인산기를 도입한다.

  5)유황(Sulfur)

        ⅰ.유황포함 아미노산 : cysteine, cystine, methionine, glutathione

        ⅱ.유황포함 비타민 : thiamine, biotin, lipoic acid

        ⅲ.세포구성 유황성분은 SO4^2-(sulfate) HS^-(sulfide)에서 유래한다.

  6)마그네슘 : 세포막, 핵산, ribosome의 안정화에 기여하며

              인산기전달에 관여하는 많은 효소의 활성에 요구된다.

  7)기타원소들

        ⅰ.망간 : 많은 종류의 인함유화합물에 작용하는 효소들에서 활성인자이며

                 superoxide dismutase에 존재하고,

                 광합성에서 PhotosystemⅡ에 중요하다!

        ⅱ.Potassium(K) : 단백질생합성에 관련되는 효소작용에 활성인자

        ⅲ.칼슘 : 세포벽과 내생포자의 안정성에 기여

        ⅳ.철(Fe) : 호흡에 관련되는 구성단백질복합체의 구성성분

                   (cytochrome, iron-sulfur protein)

        ⅴ.코발트 : Vitamin B12의 구성성분

        ⅵ.아연(Zn) : Carbonic anhydrase, Alcohol dehydrogenase,

                     RNA polymerase, DNA polymerase

        ⅶ.Molybdenum : 질소고정nitrogenase, Flavin함유효소들, Sulfite oxidase

                         Formate dehydrogenase, Oxotransferase

        ⅷ.구리(Cu) : 호흡관련 cytochrome c oxidase, 광합성관련 plastocyanin,

                     superoxide dismutase

        ⅸ.니켈 : 대부분의 hydrogenase, 메탄균의 coenzyme, urease,

                 Carbon monoxide dehydrogenase

        ⅹ.셀레늄 : formate dehydrogenase, hydrogenase, Selenocysteine의 성분

        ⅺ.텅스텐(W) : formate를 이용하는 세균의 영양소

2.유기물질

  1)저분자물질 : 0-4℃에서 5% 삼염화초산(TCA)용액 또는 10% 과염소산용액에 의해

                추출되는 물질(당류, 유기산, 아미노산, oligopeptide, 인산에스테르, 비타민)

        ⅰ.p-aminobenzoic acid : 엽산의 전구체(1 carbon과 methyl기 이동)

        ⅱ.Vitamin B1(thiamine) : α-탈탄산반응, transketolase

        ⅲ.Vitamin B2(riboflavin) : FMN, FAD 전구체

        ⅳ.Vitamin B3(niacin) : NAD⁺전구체

        ⅴ.Vitamin B6(pyridoxin) : amino acid와 keto acid의 transamination

        ⅵ.Biotin : β-탈탄산반응, 지방산합성, 이산화탄소고정

        ⅶ.Vitamin B12 : 1 carbon reduction과 이동, deoxyribose합성

        ⅷ.Lipoic acid : acyl group 이동

        ⅸ.Pantothenic acid : Coenzyme A전구체

        ⅹ.Vitamin K : 전자전달계와 sphingolipid합성

        ⅺ.Hydroxamate : 철결합물질

        ⅻ.Coenzyme M : 특정메탄균에서 메탄생성에 관여

  2)핵산 ⅰ.RNA : 세균균체중에 21%,

                  유도기에 급격히 증가했다가 곧 급격히 감소하여 대체로 일정하다

        ⅱ.DNA : 세균균체중에 3%,

                α.주로 염색체로 존재하나 plasmid같이 염색체외 형태로도 존재

                β.유도기(lag phase)에서 발육기(log phase)사이에 서서히 증가.

  3)탄수화물

        ⅰ.균체에서 지방을 제거한 후 삼염화초산으로 추출하여

           그 추출액에 알코올 또는 아세톤을 가하면 저분자 다당류가 침전한다.

        ⅱ.구성 : 다당류 5%, 단당류 2%

                α.다당류는 세포벽의 주성분으로

                   그람양성균에 45-60%, 그람음성균에 15-20%를 차지하고 있다.

                   구성당은 glucose, galactose, rhamnose, mannose, heptose,

                            glucosamine, N-acetyl glucosamine

                   그람음성균의 외막에는 lipopolysaccharide이 있어

                   균체항원(somatic antigen : O antigen)으로서,

                   또 lipid A는 내독소(endotoxin)로 작용한다.

                   대다수 균의 협막(capsule)도 다당류로 되어있다.

                β.세포벽의 Peptidoglycan

                     N-acetylmuramic acid와 N-acetyl glucosamine이 주요 당이고,

                     N-acetylmuramic acid에 연결된 tetrapeptide를

                        Staphylococcus aureus에서는 pentaglycine이 연결하지만,

                        E. coli에서는 pentaglycine없이 4번째 alanine기와 3 번째

                        meso-diaminopimelic acid가 연결되어 형성한다.

                γ.Pentose, Deoxypentose : RNA & DNA성분

                δ.Clostridium & Klebsiella속에서 전분유사다당류의 과립이

                   세포질내에 포합체(inclusion body)로 존재하는 경우도 있다.

  4)지질

        ⅰ.알코올, 에테르, 클로로포름에 용해되는 물질로

           균체량의 10% 이하이다.

        ⅱ.일반적으로 볼 수 있는 지방산은 palmitic acid, stearic acid, oleic acid...

        ⅲ.특수한 것으로는

                α.Mycobacterium속의 mycolic acid : 결핵균의 항산성에 기여

                   인형결핵균은 지질이 균체의 24%나 함유되어있다.

                β.Lactobacillus속의 lactobacillic acid

                γ.Azotobacter속과 Bacillus속의 polyhydroxybutyric acid(PHB)

        ⅳ.Corynebacterium, Clostridium도 많은 지질을 함유하고 있다.

제2절 미생물의 대사

1.Terminology

  1)에너지를 얻는 방식에 따라

        Phototroph(빛에서 얻는 경우)

        Chemotroph(무기물, 유기물등의 산화과정에서 얻는 경우)

        Autotroph(탄소원으로 CO2를 이용하는 것)

        Heterotroph(유기탄소화합물을 이용하는 것)

  2)Catabolism(이화작용 : 물질을 분해하는 과정)

    Anabolism(동화작용 : 합성과정)

  3)세포의 일

        ⅰ.Chemical work : 생합성과 생분해의 화학적 일

        ⅱ.Transport work : 영양분의 흡수와 폐기물의 분비, 이온의 평형 등 수송의 일

        ⅲ.Mechanical work : 세포 또는 세포내 구조물의 위치변화에 해당하는 물리적 일

  4)호흡

        ⅰ.호기성호흡(aerobic respiration)

                : 에너지를 얻는 과정에서 최종전자수용체가 산소인 경우

        ⅱ.혐기성호흡(anaerobic respiration)

                : 무기산화물(NO3^-, SO4^2-, CO2등)을 이용하는 경우

        ⅲ.발효(fermentation) : 유기물질이 전자수용체로 이용되는 경우

2.에너지 생성대사(70쪽 그림 3-2)

  1)포도당의 pyruvate로의 분해

        ⅰ.Glycolysis(해당 : 그림3-3) : Embden-Meyerhof pathway

            :대부분의 미생물에서 산소의 존재유무에 관계없이 에너지를 생성.

                α.ATP를 이용하여 포도당을 glucose-6-phosphate로 전환하고,

                   (Hexokinase)

                β.Phosphohexo isomerase에 의해 fructose-6-phosphate로 전환

                γ.Phosphofructokinase에 의해 fructose-1,6-bisphosphate로 전환

                δ.Fructose bisphosphate aldolase에 의해

                   glyceraldehyde-3-phosphate와 dihydroxyacetone phosphate생성

                ε.Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase에 의해

                   1,3-bisphosphoglycerate생성

                ζ.Phosphoglycerate kinase에 의해 3-phosphoglycerate로 전환

                η.Phosphoglycerate mutase에 의해 2-phosphoglycerate로 전환

                θ.Enolase에 의해 Phosphoenolpyruvate 생성

                ι.Pyruvate kinase에 의해 Pyruvate 생성

             *포도당 1분자로부터 pyruvate 2분자, ATP 2분자, NADH 2분자 생성!

        ⅱ.Pentose phosphate pathway : Hexose monophosphate pathway(HMP)

                α.Glucose-6-phosphate dehydrogenase가 Glucose-6-phosphate를

                   6-Phosphogluconate로 전환,

                β.6-Phosphogluconate dehydrogenase에 의해

                   Ribulose-5-phosphate로 전환

                γ.Ribulose-5-phosphate가 transketolase, transaldolase의 작용으로

                   3탄당, 4탄당, 7탄당의 중간체를 형성한다.

                δ.Ribulose-1,5-bisphosphate는 CO2고정에 이용           

        ⅲ.Entner-Doudoroff pathway(그림3-5)

                α.Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium 등과

                   Enterococcus faecalis에서 이용되는 당분해경로

                β.포도당 분해 초기단계에 산화가 일어나 NADPH가 생성되며,

                   Glyceraldehyde-3-phosphate는 glycolysis와 똑같은 과정으로 들어가

                   Pyruvate를 형성한다.

  2)Tricarboxylic acid cycle(74쪽 그림3-6)

        ⅰ.위에서 생성된 Pyruvate가 Pyruvate dehydrogenase complex에 의해

           Acetyl CoA가 된다.

        ⅱ.Acetyl CoA의 acetyl group이 TCA cycle의 oxaloacetic acid에 전달되어

           Citric acid를 생성한다.

        ⅲ.Citric acid는 다양한 효소과정에 의해 다시 oxaloacetic acid가 되는데,

           이 과정에서 3번의 탈탄산반응이 일어나 3개의 탄소가 CO2로 제거되고

           4분자의 NADH, 1분자의 FADH2, 1분자의 GTP가 생성된다.

  3)전자전달계와 산화적 인산화

        ⅰ.진핵세포의 미토콘드리아는 앞에서 생성된 NADH, FADH2에서 전달받은

           전자를 전자전달계(FMN complex, CoQ, Cyt b, Cyt c1, Cyt c, Cyt a, Cyt a3)           를 거쳐 O2를 환원한다.

        ⅱ.세균의 경우는 이와 유사한 경우도 있지만, 매우 다른 경우도 있고,

           구성 cytochrome에 차이가 있다.

        ⅲ.전자전달계에 작용하여 전자의 흐름을 저해하는 물질들

                α.piericidin ; CoQ와 경쟁

                β.antimycin A : Cyt b와 Cyt c사이에서 저해

                γ.CN : Cyt a와 O2사이에 저해

                δ.Dinitrophenol, Valinomycin : 전자전달계에는 영향을 주지않지만,

                                               ATP생성을 저해.

  4)발효(Fermentation)

     : 산소가 존재하지 않는 상황에서 유기물질이 전자공여체와 전자수용체가 되는 대사

       대부분 전자공여체로부터 NAD⁺로 전자가 전달되어 NADH가 생성되며,

       NADH는 전자를 Pyruvate나 Pyruvate대사물질에 전달하고 NAD⁺로 재생된다.

        ⅰ.Homolactic fermentation : 발효과정에서 주로 젖산이 생성되는 것

                유산균, Bacillus속, 조류(Chlorella), 물곰팡이(water mold), 원생동물과

                동물의 골격근에서 일어난다.

        ⅱ.Heterolactic fermentation : 젖산과 ethanol, CO2가 생성되는 경우

        ⅲ.개미산발효(formic acid fermentation)

                장내세균과(Enterobacteriaceae)에 속하는 많은 세균에서

                pyruvate가 formic acid로 전환되고, 이는 다시 H2와 CO2로 분해되는 것

        ⅳ.Mixed acid fermentation : 발효생성물에 산을 많이 포함하는 경우

                α.Escherichia, Salmonella, Proteus

                β.ethanol, acetic acid, lactic acid, succinic acid, formic acid 생성

                γ.Methyl red로 산성 검사

        ⅴ.Neutral fermentation : 발효생성물에 산성물질이 많지 않은 경우

                α.Enterobacter, Serratia, Bacillus

                β.Pyruvate에서 acetoin을 거쳐 2,3-butanediol을 생성

                γ.Voges-Proskauer시험법으로 acetoin확인

  5)혐기성호흡(Anaerobic respiration)

      : 대사에서 전자전달계의 최종 전자수용체가 산소가 아닌 무기산화물인 경우

        ⅰ.전자수용체 : NO3^-, CO2, S, SO4^2-, Fe³⁺

        ⅱ.호기성 호흡보다는 ATP생성량이 비효율적이지만, 발효보다는 많다.

                α.Aerobic : Aerobic bacteria, Fungi, Algae, Protozoa

                β.Anaerobic : Pseudomonas, Desulfovibrio, Methanogen

  6)지질의 이용

        ⅰ.lipase에 의해 지질을 glycerol과 지방산으로 분해

        ⅱ.glycerol은 glycerol phosphate, dihydroxyacetone phosphate로 전환되어

           에너지원이 되고

        ⅲ.지방산은 β-oxidation을 거쳐 acetyl CoA로 분해되어 에너지원이 된다.

  7)단백질, 아미노산의 이용

        ⅰ.병원성세균, 식품부패균, 곰팡이중에 일부가

           단백질을 탄소원이나 에너지원으로 이용한다.

        ⅱ.Protease에 의해 아미노산으로 분해한 후, 탈아미노반응으로 α-keto acid로

           전환하고, pyruvate, Acetyl CoA, TCA cycle중간체로 분해하여 이용

  8)무기화합물의 산화

     : Chemolithotroph에서 볼 수 있는 에너지생성대사

        ⅰ.H2를 이용 : Alcaligenes, Hydrogenophaga, Pseudomonas

        ⅱ.NO2^-를 산화 : Nitrobacter

        ⅲ.NH4⁺를 산화 : Nitrosomonas

        ⅳ.S&H2S를 이용 : Thiobacillus ferroxidans

  9)광합성

        ⅰ.빛에너지를 이용하여 화학에너지형태인 ATP, NADPH를 합성하는 일련의 반응          과 ATP, NADPH를 이용하여 이산화탄소를 고정하는 반응을 포함하는 개념이다.

        ⅱ.광합성능력을 가진 생물체

                α.진핵생물체 : 고등식물, 녹조류, 갈조류, 홍조류,

                                단세포조류(euglenoid, dinoflagellate, diatom)

                β.원핵생물체 : cyanobacteria(blue-green algae), Prochloron

                                Green sulfur bacteria, Green nonsulfur bacteria,

                                Purple sulfur bacteria, Purple nonsulfur bacteria

        ⅲ.분류

                α.호기성 광합성(oxygenic photosynthesis)

                        ㄱ.전자공여체로 H2O를 이용하여 O2가 발생

                        ㄴ.진핵생물체와 cyanobacteria

                β.혐기성 광합성(anoxygenic photosynthesis)

                        ㄱ.전자공여체로 H2, H2S, S, succinate를 이용하는 경우

                        ㄴ.Green & Purple bacteria

3.에너지 이용대사(생합성)

  1)광합성의 탄소동화반응(이산화탄소고정)

        ⅰ.의의 : 광반응에서 얻어진 ATP와 NADPH를 이용하여

                 무기상태의 탄산가스를 glyceraldehyde-3-p형태로 환원하는 반응

        ⅱ.Calvin cycle : 6RuBP + 6CO2 = 12PGA = 6RuBP + fructose-6-p

                         6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H⁺ + 12H2O

                          → Glucose + 18ADP + 18Pi + 12NADP⁺

                α.Carboxylation phase

                        ㄱ.ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase에 의해

                           CO2가 ribulose-1,5-bisphosphate에 고정되는 율속반응

                        ㄴ.Cyanobacteria, Nitrifying bacteria, Thiobacilli 등은

                           세포내에 Carboxysome이라는 포합체(inclusion body)를 갖고

                           있는데, 이게 ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase이다!

                β.Reduction phase

                γ.Regeneration phae(재생반응기)

  2)당류와 다당류의 생합성

        ⅰ.포도당신생(gluconeogenesis)

                광합성을 수행할 수 없는 미생물들은 Glycolysis의 역경로를 이용하여

                pyruvate나 oxaloacetate로부터 포도당을 합성한다.

        ⅱ.포도당 이외의 단당류는 전환반응을 통해 얻는다

                α.fructose-6-p → mannose

                β.UDP-glucose → galactose & glucuronic acid

  3)인, 황, 질소의 이용

        ⅰ.인   α.인산형태로 핵산, 단백질, 인지질, ATP, NADP 등에 존재한다

                β.ATP생성 경로

                        ㄱ.photophosphorylation : 광합성생물

                        ㄴ.Oxidative phosphorylation

                        ㄷ.Substrate-level phosphorylation

                γ.효소 ㄱ.kinase : ATP를 이용하여 인산기를 유기물질에 부착

                        ㄴ.phosphatase : 유기물에서 인산기를 분해

                δ.이용

                        ㄱ.그람음성균 : periplasmic space에 phosphatase를 보유,

                                       무기인산염 이용

                        ㄴ.원생동물 : 유기인산화합물을 식작용을 통해 유입하여 이용

        ⅱ.황   α.cysteine, methionine 등 아미노산과 coenzyme A, biotin 등 조효소의

                   구성원소로 중요하다

                β.황산염(SO4^2-)은 phosphoadenosine-5'-phosphofulfate중간체를 거쳐

                   NADPH를 이용하여 H2S로 환원된다.

                        ㄱ.곰팡이는 H2S를 serine에 도입하여 cysteine생합성

                        ㄴ.세균은 serine을 acetyl CoA로 O-acetylserine으로 만든 다음

                           H2S도입하여 cysteine 합성

        ⅲ.질소 α.암모니아의 이용

                        ㄱ.alanine dehydrogenase에 의해 pyruvate에 도입하여

                           L-alanine형성

                        ㄴ.glutamate dehydrogenase에 의해 α-ketoglutarate에 도입하여

                           glutamate형성

                        ㄷ.glutamine synthetase에 의해 glutamate에 도입하여

                           glutamine을 생성한 다음,

                           glutamate synthase에 의해 glutamine과 α-ketoglutarate를

                           glutamate로 만든다.

                        ㄹ.이렇게 해서 생성된 glutamate의 아미노기는 transaminase의

                           작용으로 다양한 α-keto acid에 전달되어 아미노산 생성

                β.NO3^-가 질소원으로 이용되려면 nitrate reductase, nitrite reductase가

                   순차적으로 작용하여 암모니아로 환원되어야 한다.

                γ.질소고정능력이 있는 생물은 공기중의 질소를 암모니아로 환원한다.

                    : N2 + 8H⁺ + 8e + 16ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16pi

                        ㄱ.Azotobacter, Klebsiella, Clostridium, Methanococcus

                        ㄴ.Rhizobium(콩과식물과 공생)

                        ㄷ.Cyanobacteria(Nostoc, Anabaena)

                     *Nitrogenase는 MoFe단백질과 Fe단백질로 구성되어있으며

                      질소 이외에도 cyanide, acetylene, azide를 환원할 수있고,

                      산소에 의해 활성이 저하된다.

  4)아미노산의 합성

        ⅰ.대부분 Glycolysis와 TCA cycle의 중간체가 그 역할을 한다.

        ⅱ.방향족 아미노산(Phe, Tyr, T게)은 Glycolysis의 중간체인 Phosphoenolpyruvate

           와 HMP경로중간체인 erythrose-4-p를 이용한다.

  5)보충반응 : 중간체를 공급해줄 수 있는 또다른 경로 3가지

        ⅰ.Pyruvate carboxylase가 pyruvate에 CO2를 고정하여 oxaloacetate합성

                : Arthrobacter globiformis, Yeast

        ⅱ.Phosphoenolpyruvate carboxylase가 phosphoenolpyruvate에 CO2를 고정하여

           oxaloacetate합성 : E. coli, Salmonella typhimurium

        ⅲ.Glyoxylate cycle(83쪽 그림 3-22)

                TCA cycle관여효소계 이외에 isocitrate lyase, malate synthase가

                관여하여 acetate를 이용 : 몇몇 조류, 곰팡이, 원생동물, 세균

  6)Purine & Pyrimidine nucleotide합성

        : 생합성 원료물질과 생합성경로는 생화학을 참조!

  7)지질의 합성

        ⅰ.지방산

                α.fatty acid synthetase의 촉매작용으로 acetyl CoA, malonyl CoA,

                   NADPH를 이용하여 합성된다.

                β.그람음성균은 종종 cyclopropane환을 사슬에 가지는 지방산을 합성한다

                γ.불포화지방산

                        ㄱ.호기성세균은 O2와 NADPH를 이용하여 이중결합 도입

                        ㄴ.혐기성과 몇몇 호기성세균은 중간체인 hydroxyfatty acid에

                           탈수반응을 일으켜 이중결합도입.

                           (E. coli, Salmonella typhimurium, Lactobacillus plantarum,

                            Clostridium pasteurianum, Cyanobacteria)

        ⅱ.Triacylglycerol : glycerol-3-phosphate에 지방산 2개가 결합하여

                           phosphatidic acid가 되고, phosphate가 분해된 뒤,

                           다시 지방산이 결합하여 생성된다.

        ⅲ.인지질 : Phosphatidic acid가 CTP와 반응하여 CDP-diacylglycerol이 되고

                   여기에 serine이 반응하여 phosphatidylserine이 되며,

                   여기서 탈탄산 되면 phosphatidylethanolamine이 된다.

  8)Peptidoglycan의 합성

        ⅰ.세포질에서 UDP-N-acetylmuramic acid와 UDP-N-acetylglucosamine이 합성

        ⅱ.UDP-NAM에 아미노산이 순차적으로 결합하여 UDP-NAM-pentapeptide합성

        ⅲ.NAM-pentapeptide가 세포막표면의 bactoprenol phosphate에 전달된다.

        ⅳ.NAM-pentapeptide에 UDP-NAG로부터 NAG가 전달되어 결합한다

        ⅴ.완성된 NAM-NAG peptidoglycan이 세포막 밖으로 이동한다.]

        ⅵ.peptide사이에 transpeptidation이 형성된다.

           (3번째 diamino lysine이나 diaminopimelic acid의 아미노기가

            이웃하는 peptide의 4번째 d-alanine과 결합)

제4장 미생물의 증식

1.세균의 성장 : 세포의 증식

  1)이분법(binary fission)에 의한 세균의 증식

        ⅰ.세포의 신장(cell elongation)

                세포의 크기가 커지기 위해서 세포벽의 신장이 필요하며

                새로 합성된 세포벽 물질이 먼저 있던 세포벽의 특정부위에 삽입된다.

        ⅱ.DNA 복제

                α.E. coli는 40분마다 염색체를 완전히 복제하는데,

                   증식은 20분마다 할 수있다. 이전에 시작된 DNA합성이 완성되기

                   전에 새로운 DNA합성이 시작된다는 얘기다.

                   대장균의 경우 세포질량의 성장이 일정한 한계에 도달하면

                   염색체 복제가 시작된다.

                β.빠르게 성장하는 세균들은 세균염색체상에 여러개의 복제 개시점이

                   존재한다.

                γ.DNA복제를 위해서는 복제단백질(replication protein),

                   ATP로 인산화된 DnaA단백질 등이 필요하다.

        ⅲ.격벽(septum)의 형성과 세포분열

                α.세포막과 세포벽으로 이루어진 격벽을 합성

                   - Penicillin binding protein이 관여(Cephalexin은 이것을 억제한다)

                β.세포분열후 자기분해에 의해 격벽이 분리, 2개의 딸세포가 된다.

                   (Streptococcus의 격벽분리는 불완전하기 때문에 고리를 형성하게된다)

  2)세균의 성장단계

        ⅰ.유도기(지체기) : Lag phase

                세포분열에 필요한 DNA와 필요한 유도효소를 합성하며

                세균의 크기는 증가하지만, 세균의 수는 증가하지 않는다.

        ⅱ.대수기(지수기) : Exponential phase

                세포분열이 왕성하게 시작되어 기하급수적인 세균의 증가를 나타낸다.

        ⅲ.정상기(정지기) : Stationary phase

                α.세균에 필요한 영양분들이 고갈되고, 증식속도와 사멸속도가 같아진다.

                β.전체적인 대사속도가 감소하며, 삼투압의 상승이나 과산화수소의 축적과

                   같은 환경적 스트레스에 대해 내성을 갖게된다.

        ⅳ.사멸기(감속기) : Death phase

                재생능력의 비가역적 상실로 사멸세포수가 증식세포수보다 많아진다.

  3)세균의 배양

        ⅰ.Batch배양 : 신선한 배지, 즉 Batch culture에 한가지 세균을 접종, 배양

        ⅱ.연속배양(continuous culture) : 소비된 배지를 신선한 배지로 계속 대체

        ⅲ.동조배양(synchronous culture)

                분열주기가 같은 생육기의 세포집단을 모아서 이것을 배지에 옮기고

                집단적으로 동시에 분열을 반복하는 배양

2.세균의 증식과 영양성분 - 영양성분이 적은 환경에서의 생존전략

        *낮은 영양상태에서 증식하는 세균을 oligotroph(low nutrient bacteria)라고 한다

  1)기아상황(starvation)에서의 긴급반응

        ⅰ.아미노산기아상태에서 rel A 유전자의 생성물인 긴급인자(stringent factor)

           단백질의 생성

        ⅱ.전사조절 : ribosomal RNA의 합성을 줄임으로써 단백질과 기타 거대분자의

                     합성속도를 크게 줄인다.

        ⅲ.적응반응(adaptive response) : 세포증식을 중지시키는데 필요한 효소 생성

  2)Oligotroph의 특성

        ⅰ.부속물(appendage, prostheca)을 갖고있으며 체표면적을 크게 하기 위해

           매우 작은 세포로 되어있어 희석용액에서 효율적으로 영양분을 축적한다.

        ⅱ.기질섭취특성(substrate uptake characteristics)

            : 세포와 환경사이의 급격한 농도구배에 대하여 필요한 증식물질을 획득

  3)내생포자의 형성(endospore-forming)

        ⅰ.균주 : Bacillus & Clostridium

        ⅱ.포자특이적 유전자(spore-specific gene)를 갖고있으며,

                α.증식물질이 고갈되면, RNA polymerase의 promoter인식부위를 바꾸는

                   새로운 sigma factor의 생성으로 이 유전자가 발현되어

                   단백질합성의 전환이 일어나 포자특이적 단백질을 생성한다.

                β.세포막의 일정부위가 함몰되어 내생포자형성장소가 만들어지고

                   포자의 내열성을 결정하는 dipicolinic acid나 cystine만의

                   단일 아미노산으로 이루어진 polypeptide가 만들어진다.

                γ.일단 포자형성이 시작되면 비가역적으로 진행되어 증식에 적합한

                   조건들이 복구될 때까지 계속해서 포자를 형성한다.

                δ.내생포자는 수천년간의 생존능력을 유지할 수도 있다.

        ⅲ.내생포자의 형성은 일반 증식과정과 서로 배타적인 관계로

           포도당 등의 증식물질은 내생포자의 형성을 억제한다.

                *수분, 영양분, 온도 등의 환경조건이 개선되면 내생포자는 발아하여

                 영양세포를 형성하고 고활성상태로 대사활동이 전환된다.

3.세균의 성장에 온도가 미치는 영향

        *효소가 파괴되지 않는한 온도가 10℃상승하면 약 2배로 반응속도 증가

         효소마다 최적온도(optimal temperature)가 있다.

  1)저온균(Psychrophile)

        ⅰ.20℃미만의 최적온도. 냉장고에서도 증식.

        ⅱ.

  2)중온균(mesophile)

        ⅰ.20-40℃에서 성장하며 최적온도는 37℃.

        ⅱ.인체의 병원미생물이 대부분 중온균이다.

  3)고온균(thermophile)

        ⅰ.40℃가 넘는 온도에서 성장하며 55-60℃가 최적온도다.

        ⅱ.호열성 세균이나 원시세균은 DNA나 RNA에 비교적 높은 농도의

           guanine과 cytosine을 갖고있는데, GC가 3개의 수소결합으로 AT보다 안정하다

        ⅲ.일반적으로 호열성 균은 높은 비율의 포화지방산을 함유하며

           원시세균도 고온에서 성장할 수있도록 적응된 막구조를 갖고 있다.

        ⅳ.고온균의 DNA중합효소는 안정하기 때문에 재조합DNA기술의

           polymerase chain reaction(PCR)에 이용된다.

  4)극고온균(extreme thermophile)

        ⅰ.80℃이상의 높은 온도에서 성장

        ⅱ.일반적으로 고온균일수록 성장속도가 빠르다.

4.미생물 성장에 산소가 미치는 영향

  1)호기성균(aerobe)

        ⅰ.편성호기성균(obligate aerobe)은 호기성 호흡을 하는데 반드시 산소가 필요

        ⅱ.미호기성균(microaerophile)은 산소분압이 대기압(20%)보다 낮은 5%에서

           생육이 원활하며, 일부는 높은 CO2분압(5-10%)에서 성장하므로

           호이산화탄소성균이라고 한다.

  2)혐기성균(anaerobe)

        ⅰ.편성혐기성균(obligate anaerobe)은 발효성 대사를 수행한다.

                - Clostridium, Desulfovibrio, 원시세균(methanogen), 원생동물

        ⅱ.통성혐기성균(facultative anaerobe)은

                α.산소가 있을 때는 호기성 호흡을 하고

                β.산소가 없을 때는 발효성 대사를 한다.

  3)산소의 독성과 해독

        ⅰ.활성산소 : sulfhydryl group을 산화시켜 효소를 불활성화하고, DNA손상

                     superoxide radical(O2^-) peroxide(O2^2-)

                     Hydrogen peroxide(H2O2) hydroxy radical(OH^-)

        ⅱ.해독 α.호기성균이나 통성혐기성균은 superoxide dismutase와 catalase를 보유

                β.미호기성균은 superoxide dismutase를 보유

                γ.혐기성균은 이러한 효소가 없다.

5.미생물성장에 미치는 수분활성, 압렵, 산도

  1)수분활성의 영향

        ⅰ.건조에 저항하는 능력을 가지면 병원균의 전파에 큰 영향을 미친다.

                α.Mycobacterium tuberculosis는 건조에 저항성이 강하여 공기중에서도

                   감염력이 상실되지 않는다

                β.Treponema pallidum은 건조에 극도로 약하여 대기중에 노출되면 사멸

        ⅱ.곰팡이는 세포내에 수분을 간직할 수 있는 두터운 벽을 가진 특수한 포자를

           생성하여 건조를 이겨낸다.

  2)압력(삼투압)의 영향

        ⅰ.호염균(halophile)은 증식하는데 NaCl을 필요로 한다.

                α.중등도호염균은 약3%의 염분상태를 선호하는 해양세균이다.

                β.고도호염균은 포화소금물용액에서 최고성장을 나타낸다.

        ⅱ.호염균은 bacteriorhodopsin, halorhodopsin이라는 성분을 갖고있으며

           ribosome을 안정화시키기 위해 고농도의 K⁺을 필요로 한다.

        ⅲ.Staphylococcus속의 균주는 오랫동안 염분이 비교적 높은 피부표면에

           적응해온 관계로 10%염분에서도 잘 산다.

  3)산도의 영향

        ⅰ.호중성균 : 대부분의 세균은 pH 6-7에서 잘 자라는 호중성균이다.

                *배양배지에서 최적성장속도를 유지하려면 완충용액이 필요하다.

                 중성pH에는 인산염완충제, 산성pH에는 구연산염, 염기성pH에는 붕산염

        ⅱ.호산성균(acidophile) 

                α.Thiobacillus속은 pH 2에서 성장

                β.산업체에서는 Saccharomyces 곰팡이의 증식(pH 5.5)을 위해

                   낮은 pH를 사용함으로써 다른 세균의 증식을 막는다.

        ⅲ.호염기성균(alkaliphile) : 탄산석회가 풍부한 토양에서 발견되며

                                  Na이온을 세포밖에 남아있게하는 기전이 발달.

6.바이러스의 증식

  1)숙주세포

        ⅰ.바이러스는 세포구조를 갖고있지 않으므로 반드시 살아있는

           숙주세포내에서만 증식할 수있다.

                α.바이러스를 증식시킬 수 있는 감수성세포를 허용세포

                   (permissive host cell)라고 한다. 생산성 감염(productive infection)!

                β.비허용세포(nonpermissive cell)에서는 증식할 수없다.

                   이 경우를 부전형감염(abortive infection)이라고 한다.

        ⅱ.숙주세포의 조건

                α.숙주세포가 바이러스 증식에 적합한 허용세포이어야 하고

                β.숙주세포가 바이러스를 파괴시켜서는 안되며

                γ.바이러스게놈은 숙주의 정상적인 대사를 자신의 증식에 유리한 상태로

                   변형시킬 수 있는 정보를 가지고 있어야 하고

                δ.바이러스 자신이 숙주세포의 대사능력을 사용함으로써

                   새로운 바이러스 입자를 생산할 수있어야 한다.

        ⅲ.숙주특이성(host specificity)에 따른 분류

                α.동물바이러스 : 동물세포내에서 증식

                β.식물바이러스 : 식물세포내에서 증식

                γ.Bacteriophage : 세균세포내에서만 증식

  2)바이러스의 증식과정

        ⅰ.부착(attachment)

                α.바이러스가 감수성 세포의 receptor인 glycoprotein에 결합.

                   전기적 반발력을 감소시킬 수 있는 적절한 농도의 이온이 요구된다.

                β.특수한 수용체

                        ㄱ.HIV는 사람의 T cell에 있는 CD4에 부착하며

                        ㄴ.Influenza virus는 neuramic acid에 부착하고

                        ㄷ.Herpes virus는 heparan sulfate에 부착한다.

        ⅱ.침투(penetration)와 탈피(uncoating)

                α.바이러스전체가 endocytosis에 의해 숙주세포막을 통과하는 경우

                    - Tabacco mosaic virus, Influenza virus, Rabies virus, 식물바이러스

                β.탈피와 동시에 바이러스 게놈만 숙주세포로 침투하는 경우

                    - 대부분의 Bacteriophage

                γ.바이러스의 외피(envelope)가 숙주의 세포막과 융합되어 침투하는 경우

                    - 외피를 가진 동물바이러스(Herpes virus, HIV)

        ⅲ.Viral genome의 복제

        ⅳ.조립(assembly)

                α.핵산이 capsid로 포장되어 nucleocapsid가 되는 성숙과정

                β.capsid조각들이 먼저 조립되고, 핵산게놈이 후에 삽입된 후

                   capsid가 완전히 봉합됨으로써 완성된다.

        ⅴ.방출(release)

7.Bacteriophage의 증식

  1)Bacteriophage : 세균안에서 증식하는 바이러스

                   숙주세균안에서 ATP나 nucleotide등 숙주세균분자와 ribosome같은

                   숙주세균구조물을 이용하여 새로운 파지를 만들어낸다.

  2)종류

        ⅰ.용균파지(lytic phage) : 파지가 방출될 때 숙주세균이 죽는 경우

        ⅱ.온건성파지(temperate phage)

                α.파지의 게놈이 숙주세균의 chromosome에 삽입됨으로써 증식전략이

                   달라지는데, Phage capsid와 Phage progeny가 생기지 않는다.

                   이 때의 Phage를 Prophage라고 한다.

                β.Prophage는 숙주세균의 DNA가 정상적으로 복제될 때 함께 복제된다.

                   후에 Prophage가 세균의 염색체에서 떨어져 나와 plasmid DNA가

                   되기도 하고, 다시 용균cycle을 재개하기도 한다.

  3)증식곡선 : 암흑기(eclipse period)와 잠복기(latent period)

  4)방출 : T4 lysozyme이 숙주세균의 peptidoglycan을 공격하여 세포를 용해시킨다.

▶ 출처<The source > : http://suwon2000.com.ne.kr/ : 개인홈페이지(약학자료)

▶ 원문<The original>  : http://suwon2000.com.ne.kr/docu/미생물2.hwp

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    It extracted from the Internet space. If writer  data reading unit it is not, with liaison  immediately  in order to

   eliminate.