3. 미생물의영양및생장 1. 미생물의영양 1-1 영양소요구 1) 필수영양소 - 대량원소 (macronutrient): 미생물생장에많은양으로필요 (95% 이상 ) -> C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe -> C H O N S P: 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산의구성성분 -> K: 효소활성 -> Ca: 다양한기능, 내생포자의내열성 -> Mg: 효소의조효소, 리보솜, 세포막의안정화 -> Fe: 시토크롬구성성분, 조효소 - 미량원소 (trace element, micronutrient): 소량필요, 생체반응촉매, 단백질구조유지 -> Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu - 영양분의균형중요 - 필수영양소결핍 -> 타영양소의농도에관계없이생장제한
3. 미생물의영양및생장 2) C,H,O 의필요성 ( 탄소원공급 ) - 에너지공급, 전자전달체, 유기분자골격형성 - 유기분자-> 환원된상태 -> 에너지원과탄소원동시공급 Autotroph( 독립영양생물 ): -> CO 2 를주된탄소원으로사용하는생물 -> 광합성에의한빛에너지이용 ( 대부분 ), 무기물산화로에너지획득 ( 일부 ) Heterotroph( 종속영양생물 ) -> 유기분자를탄소원으로이용 (glucose) -> 탄소원및에너지동시공급 - 다양한탄소원이용가능 : 미생물의특징 -> 다양성, 이용성 -> 알코올, 파라핀, 고무, 유기용매 ( 메탄, 메탄올 ), 난분해성인공물질 ( 살충제 ) 3) 영양물질흡수방법에따른미생물분류 - 에너지형태 Phototroph( 광영양생물 ): 빛을에너지원으로사용 ( 광합성 ) Chemotroph( 화학영양생물 ): 유기물의산화 - 전자를취하는방법 Lithotroph( 무기영양생물 ): 무기물환원으로전자획득 Organotroph( 유기영양생물 ): 유기물로부터 - 탄소, 에너지, 전자복합
3. 미생물의영양및생장 미생물종류광무기독립영양 Photolithotrophic autotroph 광유기종속영양 Photoorganotrophic heterotroph 화학무기독립영양 Chemolithotrophic autotroph 화학유기종속영양 Chemoorganotrophic heterotroph Mixotroph ( 혼합영양 ) 빛, 무기물, CO 2 에너지, 전자, 탄소원 빛, 유기수소공여체, 유기탄소원 화학무기물, 무기수소, CO 2 화학유기물, 유기수소공여체, 유기탄소원 환경요인에따라대사양상변화
3. 미생물의영양및생장 4) N, P, S 의필요성 - 질소 : -> 아미노산, 퓨린, 피리미딘, 탄수화물, 지질, 효소등생체구성분자합성 -> 아미노산, 암모니아 (NH 4 ), 질산 (NO 3 ) 에서얻음 -인: -> 핵산, 인지질, 보조인자, 단백질구성성분 -> 무기인산 (PO 4 ) 이주공급원 -황: -> 아미노산 ( 시스테인, 메티오닌 ), 바이오틴, thiamine의합성 -> 황산염 (SO 4 ) 의환원으로부터공급 5) Growth factor( 생장인자 ) - 미생물생장에필수적으로요구되나자체로합성하지못하는물질 - 미생물에따라요구종류와정도가다름 - 1) 아미노산 : 단백질합성 - 2) 퓨린과피리미딘 : 핵산합성 - 3) 비타민 : 효소보조인자 - 기타헴, 콜레스테롤등
3. 미생물의영양및생장 1-2 배지 - 미생물성장에필요한영양분함유 - 미생물분리동정가능 - 항생제감수성측정 - 조성은미생물마다다름 1) 제한배지 (defined medium), 합성배지 (synthetic medium) - 미생물의영양요구성을알고있을때 - C,N,S,P, 무기질을포함한간단한조성 - 배지의조성을알고있음 2) 복합배지 (complex medium) - 특정미생물의영양요구성을모를때 - 화학조성을모르는성분포함 - peptone, yeast extract, malt extract 포함 3) 선택배지 (selective medium) - 특별한영양물질포함 ( 항생제, 염료, 탄소원 ) - 특정의미생물만생육 4) 분별배지 (differential medium) - 서로다른종류의미생물을구별
3. 미생물의영양및생장 1-3 순수배양 (pure culture) - 혼합집단미생물군에서단일세포군분리배양 - 선택배지이용 -> 특정미생물의영양요구성을알고있을때 - 희석법 -> 희석된상태에서 colony 형성유도 - 도말평판법 (splead plate) -> 희석미생물혼합액을 agar plate에도말 - 획선평판법 (streak plate) -> agar plate 상에서백금선으로순차적희석 - 혼합평판법 (pour plate) -> 희석미생물액을액상 agar 배지와혼합후굳힘 Streaking Pouring
Colony 형태에따른분류
3. 미생물의영양및생장 2. 미생물의생장 2-1 생장곡선 (growth curve) * 생장 (growth): 세포의크기나수의증가 * 회분배양 (batch culture): 일정한양의배양액이담긴배양기내에서배양 -> 영양물질감소, 노폐물증가 * 생장곡선 : batch culture 내에서생균수에대수를취해얻음 1) Lag phase( 유도기 ) - 처음배양액에접종후적응시기 - 세포수증가없음 - 새로운구성성분의합성 -> 신규영양물질사용에필요한효소합성 -> 손상회복 - 오래된배지에서배양후 - 냉장보관후 -> 시간길어짐 - 배지의화학조성이바뀐경우 - 같은조성의배지 -> 짧거나없음 2) Log phase(exponential phase, 대수기 ) - 최고속도로성장분열 - 세포의화학적생리적특징이균일 -> 평형생장 (balanced growth) - 영양물질농도에따라성장속도증가 3) Stationary phase( 정체기 ) - 미생물생장정지 -> 10 9 /ml 정도에서미생물총균수일정 -> 성장사멸의평형 - 발생원인 -> 영양물질부족 -> 독성노폐물축적 -> 집단의임계밀도 4) Death phase( 사멸기 ) - 생균수감소 -> 대수적으로감소
미생물의생장곡선 영양물질농도와생장
3. 미생물의영양및생장 * Doubling time(generation time) 결정 - 대수기에서이분법으로분열하는세포수의 2 배증가시간 N o = 초기의세포수 N t = 시간 t 에서의세포수 n = t 시간동안의세대수 N t = N o x 2 n 양변에 log 를취하면 -> log N t = log N o + n log2 Log N n = t -log N o Log N = t -log N o = Log 2 0.301 Log N t /N o 0.301 평균생장율상수 k = n/t ( 단위시간당세대수 ) K = Log N t /N o 0.301t Doubling time -> N t = 2N o 일때의시간g로표현 Log 2 K = = 1/g g = 1/k 0.301g ex) 10시간동안10 3 에서 10 9 으로증가한경우 g 값은? K = Log N t -log N o 0.301t Log 10 9 -log 10 3 = = 2.0세대 /hr (0.301)(10hr) g = 1/k = hr/2.0 세대 = 30min/ 세대
3. 미생물의영양및생장 2-2 생장의측정 1) 세포수직접측정 - hemacytometer 이용법 - 고체배지이용법 -> 형성된 colony에희석배율곱함 * CFU(colony forming unit) -> 생균수만을측정 2) 세포의질량측정 - 건조중량측정 - 흡광도측정
3. 미생물의영양및생장 2-3 생장영향요인 1) 용질및수분활성도 : - 세포내의충분한수분을유지해야함 - Osmotolerant( 내삼투성 ): 수분활성도가낮은환경에서견딤 - Halophile( 호염성 ): 염분농도가높은고장액에서서식 2) ph - 생장에최적인 ph 값을가짐 - 세포내의 ph 값은중성을유지 -> 별도의유지기작이필요함 - Acidophile( 호산성미생물 ): ph 0-5.5 - Neutrophile( 호중성미생물 ): ph 5.5-8.0 - Alkalophile( 호염기성미생물 ): ph 8.5-11.5 - Extreme alkalophile( 극호염기성 ): ph 10.0 이상 3) 온도 - 외부온도에따라내부온도같이변화 - 높은온도 -> 세포의기능과구조변화 -> 효소구조변형 - 낮은온도 -> 세포의기능저해 -> 효소활성감소 - 최저온도, 최적온도, 최고온도로구분 - 저온미생물 (psychrophile): 0 C 에서자라고최적온도는 15 C 이하 - 내저온성 (psychrotroph):0-7 C 에서생장가능, 20-30 C 최적, 35 C 최고 - 중온성 (mesophile): 20-45 C 최적, 15-20 C 최저, 45 C 최고 -> 대부분 - 고온성 (thermophile): 55 C 이상에서생장가능, 45 C 최저, 55-65 C 최적 - 초고온성 (hyperthermophile): 80-113 C 최적, 55 C 이하에서생존못함
미생물의생장최적온도
3. 미생물의영양및생장 4) 산소 - 전자전달계의최종전자수용체의역할 - aerobe( 호기성 ): 산소가있는대기에서생장 - obligate aerobe( 절대호기성 ): 반드시산소가필요 - anaerobe( 혐기성 ): 산소가없는곳에서자람 - facultative anaerobe( 조건부혐기성 ): 산소가필수적이지않으나산소가있으면더잘자람 - aerotolerant anaerobe( 내기성혐기성 ): 산소를이용하지않으나있어도무방 - obligate anaerobe( 절대혐기성 ): 산소가있으면사멸 - microaerophile( 미호기성 ): 높은산소분압 (20%) 에서는생장못하나낮은경우 (2-10%) 생장
4. 미생물대사 1. 에너지, 효소와조절 (1) 에너지와일 (2) 효소 (3) 물질대사조절 2. 에너지생성 (1) 물질대사개요 (2) 포도당분해 (3) 발효 (4) TCA 회로 (5) 전자전달과산화적인산화 (6) 무기호흡 (7) 탄수화물분해 (8) 지질이화 (9) 단백질이화 (10) 무기분자산화 (11) 광합성 3. 에너지이용 (1) 생합성 (2) 광합성 (3) P. S. N 동화 (4) 단백질합성 (5) 핵산합성 (6) 지질합성 (7) 세포벽합성 1. 에너지, 효소, 대사조절 1-1 대사와에너지 1) 생태계에서의에너지흐름 Light energy Photolithoautotroph Chemolithoautotroph CH 2 O Chemical energy Chemoorganoheterotroph (energy, biosynthesis) * Energy carrier molecule : ATP, NADH CO 2
4. 미생물대사 2) 전자전달과자유에너지 자유에너지 : 일정온도, 압력하에서유용한일에사용할수있는에너지 - 에너지의흐름은산화 - 환원반응 (redox reaction) 을수반함 Redox reaction 2H + + 2e - H 2 -> Reduction: 전자를받음 -> reducing agent: 전자공여체 -> H 2 -> Oxidation: 전자를잃음 -> oxidizing agent: 전자수용체 -> H + - 반응의평형상수를표준환원전위라함 -> E 0 로표시 -E 0 < 0 이면 -> 전자를잃어버리기쉬움 -E 0 > 0 이면 -> 전자를받아들이기쉬움 - 전자의흐름 -> 큰음의 E 0 를갖는 redoxcouple 에서큰양의 E 0 를갖는 redox couple 로흐름 -> 이때자유에너지가방출됨 -> ATP 에보관 - 세포내대표적인전자공여체 : NAD(P)H, FADH 2
전자이동과환원전위
4. 미생물대사 2. 에너지생성 2-1 물질대사개요 1) 물질대사 (metabolism) - catabolism( 이화작용 ): 크고복잡한분자 -> 작고단순한분자 => 에너지생산 - anabolism( 동화작용 ): 단순한분자 -> 복잡한분자로재구성 => 에너지이용 2) 미생물의에너지원 - 광영양생물 - 화학유기영양 - 화학무기영양
4. 미생물대사 3) 전자수용체 (electron acceptor) 에따른미생물대사 (1) 발효 (fermentation): 유기분자가전자공여체와전자수용체로작용하는에너지생성과정 - 한정된량의에너지만생산 - 일반적으로혐기성조건에서일어남 -> 예외 ) 산소가있어도일어날수있음 (2) 유기호흡 (aerobic respiration): O 2 를전자수용체로이용하는에너지생성과정 - 전자전달계를포함 - 수용체는기질에비해큰양의환원성전위를가짐 -> 다량의에너지생성가능 (3) 무기호흡 (anaerobic respiration): 무기분자를전자수용체로이용 - 전자전달계포함 - 수용체무기분자 : NO 3-, SO 2-4, CO 2, Fe 3+, SeO 2-4 fumarate 등
이화작용의 3 단계 - 1단계 : 큰영양분자의가수분해 - 2단계 : 1단계분해산물의세부적분해 -> 호기성, 혐기성조건에서모두가능 -> NADH, FADH2, ATP 일부생성 - 3단계 : 에너지원의완전이용 -> TCA cycle, 전자전달계포함 -> 다량의에너지생성 -> 호기성반응
4. 미생물대사 2-2 포도당분해 - 3 가지과정을통해분해이용 : 해당과정 (glycolysis), 5 탄당인산경로 (pentose phosphate pathway), Entner-Doudoroff pathway 1) glycolysis ( 해당과정 ) - 미생물에서가장일반적으로발견되는대사과정 - 산소의유무에상관없이진행 - 원핵생물, 진핵생물의세포질모두에서발견 - 두부분으로구분 : -> 1 단계 : glucose -> 2 회인산화 -> fructose1,6-bisphosphate -2ATP 소비 - 당의말단에인산기를가하여대사의추진력을만듬 -> 2 단계 : fructose1,6-bisphosphate 의분해 -> pyruvate 생성 - 2 회의기질수준인산화 (substrate-level phosphorylation) 에의해 4ATP 생산 -> 말단의인산기가 ADP 에전달 -2NADH 생산 -> 1,2 단계종합 : - 1 분자 glucose -> 2 분자 pyruvate 로분해 -2ATP, 2NADH 생산 Glucose + 2ADP + 2Pi + 2NAD + 2pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +
Glycolysis 의 2 단계 -> 1 단계 : - glucose -> 2 회인산화 -> fructose1,6-bisphosphate -2ATP 소비 - 당의말단에인산기를가하여대사의추진력을만듬 -> 2 단계 : - fructose1,6-bisphosphate 의분해 -> pyruvate 생성 - 2 회의 substrate-level-phosphorylation 에의해 4ATP 생산 -> 말단의인산기가 ADP 에전달 -2NADH 생산
Pentose phosphate pathway - Hexose monophosphate pathway 로도불림 - 호기성, 혐기성으로작용 - 다른두경로와함께동시에이용 - 생합성과정에도중요 - NADPH 생성 -> 생합성과정의환원력제공 - 4탄당, 5탄당생성 - ribose-5-phosphate -> 핵산주요성분 - Ribulose-1,5-bisphosphate -> 광합성에이용 - glyceraldehyde-3-p -> ATP 합성에이용
Entner-Doudoroff pathway - 해당과정의일부변형된상태로대치 - Glucose -> glucose-6-p를거쳐 KDPG 생성 - 1개의포도당에서 1ATP, 1NADH, 1NADPH 생성 - Pseudomonas, Azotobacterium 등에서발견
4. 미생물대사 2-3 발효 - 유기, 무기호흡이없는경우 -> 해당과정중생성된 NADH 축적 -> 반응중단 -> pyruvate나유도체를전자수용체로이용 NADH를재산화시킴 -> 반응계속 - 기질수준인산화만으로 ATP 생성 - 미생물에따라다양한종류의발효과정존재
다양한형태의발효과정 * 공통특징 : -NADH 는 NAD + 로산화 - Pyruvate 나그유도체가전자수용체 1: lactate 발효 - homolactic: 모든 pyruvate를 lactate로 - heterolactic: lactate 이외의산물생산 2: alcohol 발효 3: propionate 발효 4: butanediol 발효 5: formic acid 발효 6: acetate 발효
4. 미생물대사 2-4 TCA 회로 (Krebs cycle, citric acid cycle) - pyruvate -> acetyl CoA 분해후 TCA cycle 에서분해 -acetyl CoA가1회전통과후2 CO 2 로분해 -> 분해과정중 3 NADH, 1 FADH 2, 1 GTP 생성 - 대부분의미생물에존재
4. 미생물대사 2-5 전자전달과산화적인산화 1) 전자전달계 : 전자공여체 (NADH, FADH 2 ) 로부터전자수용체 (O 2, 무기산화물 ) 에전자를전달하기위한전자전달체의복합체 - 전자공여체 : 큰음의전위를가짐 - 전자수용체 : 큰양의전위를가짐 - 전자전달계 -> 큰에너지방출을여러번의작은단계로나누어이용 - 미토콘드리아내막 - 세균의원형질막에존재
Mitochondria 의화학적삼투설 - Generation of H + gradient : 전자전달과정중 H + 가막을통과하여수소이온기울기형성 - 에너지기울기를이용하여수소이온을능동수송 -> 3 곳에서 (complex I, II, III)
4. 미생물대사 2) 세균의전자전달계 : mitochondria 와비슷하나전자전달자가일부다를수있음 Ex) E. Coli 의전자전달계 - 산소농도에따라전달자가다름 - 가지로나뉘어있음 - 낮은산소농도 -> 산소친화력이높은것사용 - 높은산소농도 -> 산소친화력이낮은가지이용
4. 미생물대사 3) 산화적인산화 (oxidative phosphorylation) - 전자전달과정중의에너지 (H + gradient) 를 ATP 합성에이용 - 한쌍의전자가 NADH -> O 2 이동시 -> 3 ATP 생성 -ATP synthase관여
4. 미생물대사 2-6 무기호흡 - 산소대신외인성전자수용체를사용하는전자전달계 - 많은세균들에서발견 -ATP 생산효율낮음-> O 2 에비해낮은환원전위를갖기때문 -> 전위차가작다 - 산소결핍된토양, 축적물에서널리이용 * 무기호흡의전자수용체들
4. 미생물대사 무기호흡의예 * 질산염이용 (dissimilatory nitrate reduction, 이화적질산염환원 ) NO 3- + 2e - + 2H + NO 2- + H 2 O NO - 3 NO - 2 NO N 2 O N 2 (gas) -> 탈질소화반응 (denitrification) - 그람음성토양세균 Paracoccus denitrificans * 황산염이용 SO 4 2- + 8e - + 8H + S 2- + 4H 2 O - Desulfovibrio * Methanobacterium -> CO 2 와탄산염이용메탄생성
4. 미생물대사 2-7 탄수화물분해 - 미생물 -> 포도당이외의탄수화물이용 - 가수분해혹은 phospholysis( 가인산분해 ) 과정을통해다당류및이당류이용
4. 미생물대사 2-8 지질이화 - 미생물 : lipase 에의해지질분해 -> 글리세롤과지방산으로분해 - 지방산 -> β-oxidation pathway를이용 acetyl CoA 로분해 -> TCA cycle 지방산산화
4. 미생물대사 2-9 단백질과아미노산이화 - 단백질분해효소 (protease) 이용단백질과 polypeptide 분해 -> 아미노산 - 아미노산 : 탈아미노기반응 (deamination) 에의해아미노기제거후유기산으로.. - 유기산 : pyruvate, acetyl CoA, TCA 회로중간물질로전환 -> TCA 회로에서최종이용 아미노기전이반응 (transamination)
4. 미생물대사 3. 에너지이용 1) 생합성 - low biological order -> high biological order로변환 : 에너지필요 - 세포의생장을위해세포구성물질과효소의합성필수적 생합성의원리 - monomer 로부터 macromolecule 합성 -> monomer의공유로효율성상승 ex) 20 amino acid -> uncountable protein - 이화작용과동화작용의효소공유 -> 원료와에너지절약 - 이화작용과동화작용의독립적조절부위존재 - eucaryotes -> 구획화된세포기관내에서이화작용과분리 ex) 지방산산화 -> mitochondria 지방산합성 -> 세포질 동시성과독립성유지 - 다른보조인자사용 ex) 이화적산화 -> NADH 생산 생합성의환원제 -> NADPH 이용
Gluconeogenesis ( 포도당신생합성 )
아미노산합성
Nucleotide base 합성 (purine)
Nucleotide base 합성 (pyrimidine)
지방산합성
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