谷氨酸棒状杆菌如何基因重组并在大肠杆菌中进行表达?

高一生物知识点归纳(合集15篇)

  在我们平凡的学生生涯里,大家都背过各种知识点吧?知识点是指某个模块知识的重点、核心内容、关键部分。那么,都有哪些知识点呢?以下是小编精心整理的高一生物知识点归纳,仅供参考,欢迎大家阅读。

  第一节从生物圈到细胞

  细胞:是生物体结构和功能的基本单位。除了病毒以外,所有生物都是由细胞构成的。细胞是地球上最基本的生命系统

  生命系统的结构层次:细胞→组织→器官→系统(植物没有系统)→个体→种群

  →群落→生态系统→生物圈

  二、病毒的相关知识:

  1、病毒(Virus)是一类没有细胞结构的生物体。主要特征:

  ①、个体微小,一般在10~30nm之间,大多数必须用电子显微镜才能看见;

  ②、仅具有一种类型的核酸,DNA或RNA,没有含两种核酸的病毒;

  ③、专营细胞内寄生生活;

  ④、结构简单,一般由核酸(DNA或RNA)和蛋白质外壳所构成。

  2、根据寄生的宿主不同,病毒可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒(即噬菌体)三

  大类。根据病毒所含核酸种类的不同分为DNA病毒和RNA病毒。

  3、常见的病毒有:人类流感病毒(引起流行性感冒)、SARS病毒、人类免疫缺陷病毒

  (HIV)[引起艾滋病(AIDS)]、禽流感病毒、乙肝病毒、人类天花病毒、狂犬

  病毒、烟草花叶病毒等。

  细胞的多样性和统一性

  根据细胞内有无以核膜为界限的细胞核,把细胞分为原核细胞和真核细胞

  四、原核细胞和真核细胞的比较:

  1、原核细胞:细胞较小,无核膜、无核仁,没有成形的细胞核;遗传物质(一个环状

  DNA分子)集中的区域称为拟核;没有染色体,DNA不与蛋白质结合,;

  细胞器只有核糖体;有细胞壁,成分与真核细胞不同。

  2、真核细胞:细胞较大,有核膜、有核仁、有真正的细胞核;有一定数目的染色体(DNA

  与蛋白质结合而成);一般有多种细胞器。

  3、原核生物:由原核细胞构成的生物。如:蓝藻、细菌(如硝化细菌、乳酸菌、大肠杆

  菌、肺炎双球菌)、放线菌、支原体等都属于原核生物。

  4、真核生物:由真核细胞构成的生物。如动物(草履虫、变形虫)、植物、真菌(酵母菌、

  疫失调引起的疾病――过敏反应

  ⑴、概念:是指已免役的机体在再次接受相同物质的刺激时所发生的反应。

  ⑵、特点:发作迅速、反应强烈、消退较快。一般不会破坏组织细胞,不引起组织损伤。具有明显的遗传倾向和个体差异。

  ⑶、过敏源:是指引起过敏反应的物质。如花粉、鱼虾、牛奶、蛋类、室内尘土、青霉素、磺胺、奎宁等。

  皮肤过敏:红肿、寻麻疹等。

  呼吸道过敏:流涕、喷嚏、哮喘、呼吸困难等。

  消化道过敏:呕吐、腹痛、腹泻等。

  严重过敏:支气管痉挛,窒息,或过敏性休克而死亡。

  ⑸、过敏反应与典型的体液免疫反应的区别:

  过敏反应(免役功能过高)体液免疫反应

  激发因素过敏源抗原

  反应时机第二次接触过敏源第一次接触抗原

  抗体分布吸附在某些细胞表面血清、组织胺、外分泌液

  反应结果细胞释放组织胺引发使抗原沉淀或形成细胞集团

  ⑴、非特异性免疫特点:

  ①、长期进化形成,是免疫的基础。

  ②、具有先天性,生来就有。

  ③、不具专一性,不具特殊针对性。

  ④、出现快,作用范围广,强度较弱。

  ⑵、特异性免疫特点:

  ①、以非特异性免疫为基础。

  ②、具后天性,出生后形成。

  ③、具专一性,具特殊针对性。

  ④、出现慢,针对性强,强度较强。

  细胞的癌变是指在生物体的发育中,有些细胞受到各种致癌因子的作用,不能正常的完成细胞分化,变成了不受机体控制的、能够连续不断的分裂的恶性增殖细胞。

  癌细胞具有能够无限增殖、形态结构发生了变化、癌细胞表面发生了变化的特征。

  能使细胞发生癌变的致癌因子有物理致癌因子、化学致癌因子、病毒致癌因子。

  物理致癌因子:主要是辐射致癌;化学致癌因子:如苯、坤、煤焦油等;病毒致癌因子:能使细胞癌变的病毒叫肿瘤病毒或致癌病毒。

  细胞癌变的机理是癌细胞是由于原癌基因激活,细胞发生转化引起的。

  预防细胞癌变的措施:避免接触致癌因子;增强体质,保持心态健康,养成良好习惯,从多方面积极采取预防措施。

  生命活动的主要承担者――蛋白质

  一、氨基酸及其种类

  氨基酸是组成蛋白质的基本单位(或单体)。

  结构要点:每种氨基酸都至少含有一个氨基(-NH2)和一个羧基(-COOH),并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上。氨基酸的种类由R基(侧链基团)决定。

  氨基酸、二肽、三肽、多肽、多肽链、一条或若干条多肽链盘曲折叠、蛋白质

  氨基酸分子相互结合的方式:脱水缩合一个氨基酸分子的氨基和另一个氨基酸分子的羧基相连接,同时失去一分子的水。

  连接两个氨基酸分子的化学键叫做肽键三、蛋白质的功能

  1、构成细胞和生物体结构的重要物质(肌肉毛发)

  2、催化细胞内的生理生化反应)

  3、运输载体(血红蛋白)

  4、传递信息,调节机体的生命活动(胰岛素)

  5、免疫功能(抗体)

  四蛋白质分子多样性的原因

  构成蛋白质的氨基酸的种类,数目,排列顺序,以及空间结构不同导致蛋白质结构多样性。蛋白质结构多样性导致蛋白质的功能的多样性。

  1、构成生物体的蛋白质的20种氨基酸的结构通式为:NH2-C-COOH

  根据R基的不同分为不同的氨基酸。H

  氨基酸分子中,至少含有一个-NH2和一个-COOH位于同一个C原子上,由此可以判断是否属于构成蛋白质的氨基酸。

  2、n个氨基酸脱水缩合形成m条多肽链时,共脱去(n-m)个水分子,形成(n-m)个肽键,至少存在m个-NH2和m个-COOH,形成的蛋白质的分子量为n?氨基酸的平均分子量-18(n-m)

  3、氨基酸数=肽键数+肽链数

  4、蛋白质总的分子量=组成蛋白质的氨基酸总分子量-脱水缩合反应脱去的水的总分子量

  遗传信息的携带者――核酸

  DNA(脱氧核糖核酸)

  RNA(核糖核酸)

  DNA与RNA组成成分比较(见附表)

  基本组成单位―核苷酸核苷酸由一分子五碳糖、一分子磷酸、一分子含氮碱基组成)

  (1)DNA的基本单位脱氧核糖核苷酸

  (2)RNA的基本单位核糖核苷酸

  核酸中的相关计算:

  (1)若是在含有DNA和RNA的生物体中,则碱基种类为5种;核苷酸种类为8种。

  (2)DNA的碱基种类为4种;脱氧核糖核苷酸种类为4种。

  (3)RNA的碱基种类为4种;核糖核苷酸种类为4种。

  化学元素组成:C、H、O、N、P

  三、核酸的功能核酸是细胞内携带遗传信息的物质,在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用。

  核酸在细胞中的分布观察核酸在细胞中的分布:

  材料:人的口腔上皮细胞

  试剂:绿、吡罗红混合染色剂注意事项:

  盐酸的作用:?改变细胞膜的通透性,加速染色剂进入细胞,同时使染色体中的DNA与蛋白质分离,有利于DNA与染色剂结合。

  绿将细胞核中的DNA染成绿色,

  吡罗红将细胞质中的RNA染成红色。

  DNA是细胞核中的遗传物质,此外,在线粒体和叶绿体中也有少量的分布。

  RNA主要存在于细胞质中,少量存在于细胞核中。

  1、按细胞器的分布

  动、植物细胞共有的细胞器有:线粒体、内质网、高尔基体、核糖体和溶酶体。

  主要存在于植物细胞的细胞器有:叶绿体和液泡。

  动物和低等植物细胞特有的细胞器有:中心体。

  分布最广泛的细胞器是:核糖体。核糖体在动物细胞和植物细胞、原核细胞和真核细胞甚至在叶绿体和线粒体中都有分布。

  原核生物细胞中的细胞器是:核糖体。

  2、按细胞器的结构

  具有单层膜的细胞器:内质网、高尔基体、液泡和溶酶体。

  具有双层膜的细胞器:线粒体和叶绿体。

  无膜结构的细胞器:中心体、核糖体。

  具有核酸的细胞器:线粒体、叶绿体和核糖体。

  具有DNA的细胞器:线粒体、叶绿体。

  具有RNA的细胞器:线粒体、叶绿体和核糖体。

  含有色素的细胞器:液泡、叶绿体。

  3、按细胞器的功能特点归纳

  能复制的细胞器:线粒体、叶绿体和中心体。

  能自我复制的细胞器:线粒体和叶绿体。

  能半自主遗传的细胞器:线粒体和叶绿体。

  能产生水的细胞器:线粒体、叶绿体、核糖体和高尔基体。

  与能量转换有关的细胞器(或与ATP形成有关的细胞器):线粒体和叶绿体。

  与主动运输有关的细胞器:线粒体和核糖体。

  与分泌蛋白合成有关的细胞器:核糖体、内质网、高尔基体和线粒体。

  参与细胞细胞器:核糖体、线粒体、中心体和高尔基体。参与动物细胞细胞器有核糖体、线粒体和中心体(形成纺锤体)。参与植物细胞细胞器有核糖体、线粒体和高尔基体(形成细胞壁)。

  能发生碱基互补配对的细胞器:核糖体、叶绿体和线粒体。

  动植物细胞不同的细胞器:高尔基体。在动物细胞中与分泌物的形成有关;在植物细胞中与细胞壁的形成有关。

  1.减数分裂的结果是,新产生的生殖细胞中的染色体数目比原始的生殖细胞的减少了一半。

  2.减数分裂过程中联会的同源染色体彼此分开,说明染色体具一定的独立性;同源的两个染色体移向哪一极是随机的,则不同对的染色体(非同源染色体)间可进行自由组合。

  3.减数分裂过程中染色体数目的减半发生在减数第一次分裂中。

  4.一个精原细胞经过减数分裂,形成四个精细胞,精细胞再经过复杂的变化形成精子。

  5.一个卵原细胞经过减数分裂,只形成一个卵细胞。

  6.对于进行有性生殖的生物来说,减数分裂和受精作用对于维持每种生物前后代体细胞中染色体数目的恒定,对于生物的遗传和变异,都是十分重要的

  微生物的培养与应用

  1、培养基的种类:按物理性质分为固体培养基和液体培养基,按化学成分分为合成培养基和天然培养基,按用途分为选择培养基和鉴别培养基。

  2、培养基的成分一般都含有水、碳源、氮源、无机盐P14

  3、微生物在固体培养基表面生长,可以形成肉眼可见的菌落。

  4、培养基还需满足微生物对PH、特殊营养物质以及O2的要求。

  5、获得纯净培养物的关键是防止外来杂菌的入侵。

  6、常用灭菌方法有:灼烧灭菌,将接种工具如接种环、接种针灭菌;干热灭菌:如玻璃器皿、金属用具等需保持干燥的物品。高压蒸汽灭菌:如培养基的灭菌。

  7、用固体培养基对大肠杆菌纯化培养,可分为两步:制备培养基和纯化大肠杆菌。

  8、固体培养基的制备:计算→称量→溶化→灭菌→倒平板

  9、微生物常用的接种方法:平板划线法和稀释涂布平板法。

  10、平板划线法是通过连续划线,将菌种逐步稀释分散到培养基表面,稀释涂布平板法是将菌液进行一系列的梯度稀释,分别涂布到培养基表面。当它们稀释到一定程度后,微生物将分散成单个细胞,从而在培养基上形成单个菌落。

  11、微生物的计数方法:活菌计数法、显微镜直接计数法、滤膜法。

  12、活菌计数法就是当样品的稀释度足够高时,培养基表面生长的一个菌落,来源于样品稀释液中的一个活菌。通过统计平板上的菌落数,就能推测出样品中大约含有多少个活菌。统计的菌落数往往比活菌的实际数目低。因为当两个或多个细胞连在一起时,平板上观察的只是一个菌落。

  13、显微镜直接计数也是测定微生物数量的常用方法,但它包括了死亡的微生物。

  14、设置对照的主要目的是排除实验组中非测试因素对实验结果的影响。提高实验结果的可信度。①如何证明培养基是否受到污染:实验组的培养基中接种要培养的微生物,对照组中的培养基接种等量的蒸馏水(设置空白对照)。②如何证明某选择培养基是否有选择功能:实验组中的培养基用该选择培养基,对照组中培养基用普通培养基(牛肉膏蛋白胨培养基)。如果普通培养基的菌落数明显大于选择培养基中的数目,则说明该选择培养基有选择功能。

  15、如何分离分解尿素的细菌?培养基中以尿素为唯一氮源,加入酚红指示剂,如果PH升高,指示剂变红,可初步鉴定该菌能分解尿素。

  16、如何分离分解纤维素的微生物?以纤维素为唯一碳源的培养基。

  17、纤维素酶是一种复合酶,至少包括三组分:C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶。前两种酶使纤维素分解成纤维二糖,第三种酶将纤维二糖分解成葡萄糖。

  18、筛选纤维素分解菌的方法:刚果红染色法,其原理是刚果红可以与像纤维素这样的多糖物质形成红色复合物,但并不和水解后的纤维二糖和葡萄糖发生这种反应。当纤维素被纤维素酶分解后,刚果红―纤维素的复合物无法形成,培养基中会出现以纤维素分解菌为中心的透明圈。(产生了透明圈,说明纤维素被分解了,说明有纤维素分解菌)

  1、果胶酶作用:分解果胶,瓦解植物的细胞壁及胞间层,提高水果的出汁率,并使果汁变得澄清。

  2、果胶酶并不特指某一种酶,包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶酯酶等。

  3、酶的活性可用单位时间内、单位体积中反应物的减少量或产物的增加量来表示。

  4、目前常用的酶制剂有四类:蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶,其中应用最广泛、效果最明显的是碱性蛋白酶和碱性脂肪酶。

  5、加酶洗衣粉的作用原理:碱性蛋白酶能将血渍、奶渍等含有的大分子蛋白质水解成可溶性的氨基酸或小分子的肽,使污迹容易从衣物上脱落。同样道理,脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶也能将大分子的脂肪、淀粉和纤维素水解为小分子物质。

  6、固定化技术包括:包埋法、化学结合法和物理吸附法。一般来说,酶更适合采用化学结合法和物理吸附法固定化,而细胞多采用包埋法固定化。因为细胞个大,而酶分子很小;个大的细胞难以被吸附或结合,而个小的酶容易从包埋材料中漏出。

  7、固定化酵母细胞时,酵母细胞的活化用蒸馏水;配制海藻酸钠溶液时,加热要用小火,或者间断加热;要将海藻酸钠溶液冷却至室温,再加入活化的酵母细胞。CaCl2溶液有利于凝胶珠形成稳定的结构。

  生命活动的主要承担者――蛋白质

  一、氨基酸:蛋白质的基本组成单位,组成蛋白质的氨基酸约有20种。

  脱水缩合:一个氨基酸分子的氨基(―NH2)与另一个氨基酸分子的羧基(―COOH)相连接,同时失去一分子水。

  肽键:肽链中连接两个氨基酸分子的化学键(―NH―CO―)。

  二肽:由两个氨基酸分子缩合而成的化合物,只含有一个肽键。

  多肽:由三个或三个以上的氨基酸分子缩合而成的链状结构。

  肽链:多肽通常呈链状结构,叫肽链。

  二、氨基酸分子通式:

  三、氨基酸结构的特点:每种氨基酸分子至少含有一个氨基(―NH2)和一个羧基(―COOH),并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上(如:有―NH2和―COOH但不是连在同一个碳原子上不叫氨基酸);R基的不同导致氨基酸的种类不同。

  四、蛋白质多样性的原因是:组成蛋白质的氨基酸数目、种类、排列顺序不同,多肽链空间结构千变万化。

  细胞质包括细胞器、细胞质基质等。细胞质基质功能:细胞质基质是活细胞进行新陈代谢的主要场所,其为新陈代谢的进行提供所需要的物质和一定的环境条件。例如,提供ATP、核苷酸、氨基酸等。

  化学组成:呈胶质状态,由水、无机盐、脂质、糖类、氨基酸、核苷酸和多种酶等组成。

  真核细胞中有维持细胞形态、保持细胞内部结构有序性的细胞骨架。细胞骨架是由蛋白质纤维组成的网架结构,与细胞运动、分裂、分化以及物质运输、能量转换、信息传递等生命活动密切相关。

  1:线粒体结构特点:具有双层膜结构,外膜是平滑而连续的界膜,内膜反复延伸折入内部空间,形成嵴。线粒体具有半自主性,腔内有成环状的DNA、少量RNA和核糖体,它们都能自行分化,但是部分蛋白质还要在胞质内合成。线粒体基质和线粒体内膜上含有呼吸作用有关的酶。

  功能:细胞进行有氧呼吸的主要场所,是“动力车间”。

  2:叶绿体结构特点:具有双层膜。在叶绿体内部存在扁平袋状的膜结构,叫类囊体。类囊体通常是几十个垛叠在一起而成为基粒。类囊体膜上有光合作用的色素,叶绿体基质中含有与光合作用有关的酶。叶绿体具有特有环状DNA、少量RNA、核糖体和进行蛋白质生物合成的酶,能合成出一部分自己所必需的蛋白质。

  功能:光合作用的场所,是植物细胞的“养料制造车间”和“能量转换站”。

  3:内质网结构特点:是由膜连接而成的网状结构,单层膜,可分为滑面内质网和粗面内质网(附着有核糖体)。

  功能:细胞内蛋白质加工以及脂质(如性激素)合成的“车间”。

  4:高尔基体结构特点:高尔基体是由单层膜围成的扁平囊和小泡所组成,分泌旺盛的细胞,较发达。成堆的囊并不像内质网那样相互连接。

  功能:对来自内质网的蛋白质进行加工、分类、包装的“车间”及“发送站”;还与植物细胞壁的形成有关。

  5:溶酶体结构特点:溶酶体是由高尔基体断裂产生,单层膜包裹的小泡。功能:是“消化车间”,含多种水解酶,能分解衰老、损伤的细胞器,吞噬并杀死侵入细胞的病毒、病菌。

  6:液泡结构特点:单层膜,含有无机盐、氨基酸、糖类以及各种色素等物质。功能:调节植物细胞内的渗透压,使细胞保持坚挺。

  7:核糖体结构特点:无膜结构,主要由RNA(rRNA)和蛋白质构成,分为附着核糖体和游离核糖体。功能:生产蛋白质的机器。

  8:中心体结构特点:无膜结构,一般位于细胞核旁,由两个中心粒及周围物质组成。这两个中心粒相互垂直排列。功能:与细胞的有丝分裂有关。

  1.使能量持续高效的流向对人类最有意义的部分

  2.能量在2个营养级上传递效率在10%―20%

  3.单向流动逐级递减

  5.物质作为能量的载体使能量沿食物链食物网流动

  6.物质可以循环,能量不可以循环

  7.河流受污染后,能够通过物理沉降化学分解微生物分解,很快消除污染

  8.生态系统的结构:生态系统的成分+食物链食物网

  9.淋巴因子的成分是糖蛋白

  病毒衣壳的是1―6多肽分子个

  原核细胞的细胞壁:肽聚糖

  10.过敏:抗体吸附在皮肤,黏膜,血液中的某些细胞表面,再次进入人体后使细胞释放组织胺等物质.

  11.生产者所固定的太阳能总量为流入该食物链的总能量

  12.效应B细胞没有识别功能

  13.萌发时吸水多少看蛋白质多少

  大豆油根瘤菌不用氮肥

  脱氨基主要在肝脏但也可以在其他细胞内进行

  14.水肿:组织液浓度高于血液

  15.尿素是有机物,氨基酸完全氧化分解时产生有机物

  16.是否需要转氨基是看身体需不需要

  17.蓝藻:原核生物,无质粒

  酵母菌:真核生物,有质粒

  高尔基体合成纤维素等

  18.生物导弹是单克隆抗体是蛋白质

  19.淋巴因子:白细胞介素

  20.原肠胚的形成与囊胚的分裂和分化有关

  21.受精卵――卵裂――囊胚――原肠胚

  (未分裂)(以分裂)

  22.高度分化的细胞一般不增殖。例如:肾细胞

  有分裂能力并不断增的:干细胞、形成层细胞、生发层

  无分裂能力的:红细胞、筛管细胞(无细胞核)、神经细胞、骨细胞

  23.检测被标记的氨基酸,一般在有蛋白质的地方都能找到,但最先在核糖体处发现放射性

  24.能进行光合作用的细胞不一定有叶绿体

  自养生物不一定是植物

  (例如:硝化细菌、绿硫细菌和蓝藻)

  25.除基因突变外其他基因型的改变一般最可能发生在减数分裂时(象交叉互换在减数第一次分裂时,染色体自由组合)

  26.在细胞有丝分裂过程中纺锤丝或星射线周围聚集着很多细胞器这种细胞器物理状态叫线粒体――提供能量

  27.凝集原:红细胞表面的抗原

  凝集素:在血清中的抗体

  28.纺锤体分裂中能看见(是因为纺锤丝比较密集)而单个纺锤丝难于观察

  29.培养基:物理状态:固体、半固体、液体

  化学组成:合成培养基、组成培养基

  用途:选择培养基、鉴别培养基

  30.生物多样性:基因、物种、生态系统

  31.基因自由组合时间:简数一次分裂、受精作用

  32.试验中用到C2H5OH的情况

  Ⅰ.脂肪的鉴定试验:50%

  Ⅲ.DNA的粗提取:95%(脱氧核苷酸不溶)

  Ⅴ.叶绿体色素提取:可替代**

  33.手语是一钟镅裕?揽渴泳踔惺嗪陀镅灾惺?/SPAN>

  34.基因=编码区+非骗码区

  (非编码序列包括非编码区和内含子)

  35.向培养液中通入一定量的气体是为了调节PH

  36.物理诱导:离心,震动,电刺激

  化学诱导剂:聚乙二醇,PEG

  生物诱导:灭火的病毒

  37.人工获得胚胎干细胞的方法是将核移到去核的卵细胞中经过一定的处理使其发育到某一时期从而获得胚胎干细胞,某一时期,这个时期最可能是囊胚

  38.原核细胞较真核细胞简单细胞内仅具有一种细胞器――核糖体,细胞内具有两种核酸――脱氧核酸和核糖核酸

  病毒仅具有一种遗传物质――DNA或RNA

  39.秋水仙素既能诱导基因突变又能诱导染色体数量加倍(这跟剂量有关)

  40.获得性免疫缺陷病――艾滋(AIDS)

  41.已获得免疫的机体再次受到抗原的刺激可能发生过敏反应(过敏体质),可能不发生过敏反应(正常体质)

  42.冬小麦在秋冬低温条件下细胞活动减慢物质消耗减少单细胞内可溶性还原糖的含量明显提高细胞自由水比结合水的比例减少活动减慢是适应环境的结果

  43.用氧十八标记的水过了很长时间除氧气以外水蒸气以外二氧化碳和有机物中也有标记的氧十八

  44.C3植物的叶片细胞排列疏松

  C4植物的暗反应可在叶肉细胞内进行也可在维管束鞘细胞内进行

  45.光反应阶段电子的最终受体是辅酶二

  46.蔗糖不能出入半透膜

  47.水的光解不需要酶,光反应需要酶,暗反应也需要酶

  48.脂肪肝的形成:摄入脂肪过多,不能及时运走;磷脂合成减少,脂蛋白合成受阻。

  49.脂肪消化后大部分被吸收到小肠绒毛内的毛细淋巴管,再有毛细淋巴管注入血液

  50.大病初愈后适宜进食蛋白质丰富的食物,但蛋白质不是最主要的供能物质。

  51.谷氨酸发酵时

  溶氧不足时产生乳酸或琥珀酸

  发酵液PH呈酸性时有利于谷氨酸棒状杆菌产生乙酰谷氨酰胺。

  52.尿素既能做氮源也能做碳源

  53.细菌感染性其他生物最强的时期是细菌的对数期

  54.红螺菌属于兼性营养型生物,既能自养也能异养

  55.稳定期出现芽胞,可以产生大量的次级代谢产物

  56组成酶和诱导酶都胞是胞内酶。

  57.青霉菌产生青霉素青霉素能杀死细菌、放线菌杀不死真菌。

  58.细菌:凡菌前加杆“杆”、“孤”、“球”、“螺旋”

  真菌:酵母菌,青霉,根霉,曲霉

  一、光合作用的概念

  1.概念及其反应式

  光合作用是指绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧的过程。

  反应式的书写应注意以下几点:(1)光合作用有水分解,尽管反应式中生成物一方没有写出水,但实际有水生成;(2)“─”不能写成“=”。

  对光合作用的概念与反应式应该从光合作用的场所――叶绿体、条件――光能、原料――二氧化碳和水、产物――糖类等有机物和氧气来掌握。

  2.光合作用的过程

  ①光反应阶段:a、水的光解:2H2O4[H]+O2(为暗反应提供氢);b、ATP的形成:ADP+Pi+光能─ATP(为暗反应提供能量)

  二、光合作用的意义

  1.生物进化方面:

  一是光合作用产生的O2为需氧型生物的出现提供了可能;

  二是O2在一定条件下形成的臭氧(O3)吸收紫外线,减弱太阳辐射对生物的影响为水生生物到达陆地提供了可能;

  三是光合作用产生的大量有机物为较高级异养型生物的出现提供了可能。

  2.现实意义:提高光合作用效率,解决粮食短缺问题。主要应满足光合作用所需条件,内部条件――植物所需的各种矿质元素、光合作用的面积(适当密植),外部条件――充足的原料(CO2和H2O)、适宜的光照、较长的光合作用时间。

  分离各种细胞器的方法:

  细胞器是细胞质中具有特定形态结构和功能的微器官,也称为拟器官或亚结构。其中质体与液泡在光镜下即可分辨,其他细胞器一般需借助电子显微镜方可观察。细胞器(organelle)一般认为是散布在细胞质内具有一定形态和功能的微结构或微器官。但对于“细胞器”这一名词的范围,还存在着某些不同意见。细胞中的细胞器主要有:线粒体、内质网、中心体、叶绿体,高尔基体、核糖体等。它们组成了细胞的基本结构,使细胞能正常的工作,运转。

  细胞器的结构与功能:

  (1)结构:内膜向内折叠形成嵴,其内含有少量的DNA与RNA,可复制

  (2)功能:进行的主要场所

  (1)结构:其内也含有少量的DNA与RNA,可复制;

  基质中含有酶,基粒中了有酶还有色素

  (2)功能:进行的场所

  (3)存在:绿色植物的和幼茎皮层细胞

  (1)存在:动物和低等中

  (2)功能:与细胞的有丝分裂有关

  分类(1)游离型核糖体:合成胞内蛋白(血红蛋白,与有关的酶)

  (2)附着型核糖体:合成分泌蛋白(消化酶,抗体,一部分激素)

  分为(1):分泌蛋白的加工合成及运输

  (2)光面内质网:合成糖类脂质等有机物

  (1)中:进一步对分泌蛋白加工,分类和运输

  (2)中:与细胞壁的形成有关

  (2)功能:调节细胞内环境;充盈的液泡可使植物细胞保持坚挺

  (1)其内含多种水解酶

  (2)功能:消化分解细胞中衰老损伤的细胞器;吞噬并杀死侵入细胞的病毒病菌

高一生物知识点归纳10

  1、T2噬菌体:这是一种寄生在大肠杆菌里的病毒。它是由蛋白质外壳和存在于头部内的DNA所构成。它侵染细菌时可以产生一大批与亲代噬菌体一样的子代噬菌体。

  2、细胞核遗传:染色体是主要的`遗传物质载体,且染色体在细胞核内,受细胞核内遗传物质控制的遗传现象。

  3、细胞质遗传:线粒体和叶绿体也是遗传物质的载体,且在细胞质内,受细胞质内遗传物质控制的遗传现象。

  4、证明DNA是遗传物质的实验关键是:设法把DNA与蛋白质分开,单独直接地观察DNA的作用。

  5、肺炎双球菌的类型:

  ①、R型(英文Rough是粗糙之意),菌落粗糙,菌体无多糖荚膜,无毒,注入小鼠体内后,小鼠不死亡。

  ②、S型(英文Smooth是光滑之意):菌落光滑,菌体有多糖荚膜,有毒,注入到小鼠体内可以使小鼠患病死亡。如果用加热的方法杀死S型细菌后注入到小鼠体内,小鼠不死亡。

  格里菲斯实验:格里菲斯用加热的办法将S型菌杀死,并用死的S型菌与活的R型菌的混合物注射到小鼠身上。小鼠死了。(由于R型经不起死了的S型菌的DNA(转化因子)的诱惑,变成了S型)。

  6、艾弗里实验说明DNA是“转化因子”的原因:将S型细菌中的多糖、蛋白质、脂类和DNA等提取出来,分别与R型细菌进行混合;结果只有DNA与R型细菌进行混合,才能使R型细菌转化成S型细菌,并且的含量越高,转化越有效。

  7、艾弗里实验的结论:DNA是转化因子,是使R型细菌产生稳定的遗传变化的物质,即DNA是遗传物质。

  8、噬菌体侵染细菌的实验:

  ①噬菌体侵染细菌的实验过程:吸附→侵入→复制→组装→释放。

  ②DNA中P的含量多,蛋白质中P的含量少;蛋白质中有S而DNA中没有S,所以用放射性同位素35S标记一部分噬菌体的蛋白质,用放射性同位素32P标记另一部分噬菌体的DNA。用35P标记蛋白质的噬菌体侵染后,细菌体内无放射性,即表明噬菌体的蛋白质没有进入细菌内部;而用32P标记DNA的噬菌体侵染细菌后,细菌体内有放射性,即表明噬菌体的DNA进入了细菌体内。

  ③结论:进入细菌的物质,只有DNA,并没有蛋白质,就能形成新的噬菌体。新的噬菌体中的蛋白质不是从亲代连续下来的,而是在噬菌体DNA的作用下合成的。说明了遗传物质是DNA,不是蛋白质。此实验还证明了DNA能够自我复制,在亲子代之间能够保持一定的连续性,也证明了DNA能够控制蛋白质的合成。

  9、肺炎双球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验只证明DNA是遗传物质(而没有证明它是主要遗传物质)

  10、遗传物质应具备的特点:

  ③可以指导蛋白质的合成

  ④能产生可遗传的变异。

  11、绝大多数生物的遗传物质是DNA,只有少数病毒(如烟草花叶病病毒)的遗传物质是RNA,因此说DNA是主要的遗传物质。病毒的遗传物质是DNA或RNA。

  12、①遗传物质的载体有:染色体、线绿体、叶绿体。

  ②遗传物质的主要载体是染色体。

高一生物知识点归纳11

  细胞核的两大功能:

  (1)细胞核是遗传信息库。

  (2)细胞核是细胞代谢和遗传的控制中心。

  细胞核与代谢的关系:代谢旺盛的细胞,核质之间物质交换频繁,核孔数量多;蛋白质合成旺盛的细胞,核仁较大。

  从四大层面理解细胞的整体性:

  (1)从结构上理解:细胞核与细胞质通过核孔可以相互沟通;核膜与内质网膜、细胞膜等相互连接构成细胞完整的“生物膜系统”。

  (2)从功能上理解:细胞各部分结构和功能虽不同,但它们是相互联系、分工合作、协调一致地共同完成各项生命活动。

  (3)从调控上理解:细胞核是遗传物质储存和复制的场所,是细胞代谢和遗传的控制中心。因此,细胞的整个生命活动主要是由DNA调控和决定的,使细胞形成一个整体调控系统。

  (4)从与外界的关系上看,细胞的整体性还体现在每一个细胞都要与相邻的细胞进行物质交换与信息交流,而与外界环境直接接触的细胞要与外界环境进行物质交换与信息交流。

高一生物知识点归纳12

  1、植物细胞特有的细胞器是质体。

  2、动物和低等植物细胞特有的细胞器是中心体。

  3、动植物细胞都有,但功能不同的细胞器是高尔基体。

  4、根尖分生区细胞没有的细胞器是叶绿体、中心体、液泡。

  5、生理活动能产生水的细胞器有线粒体(通过有氧呼吸产生)、线粒体(通过氨基酸脱水缩合产生)、叶绿体(通过光合作用产生)、高尔基体(植物细胞壁的合成)、核糖体(脱水缩合形成肽链)。

  6、与蛋白质合成和分泌有关的细胞器有核糖体、内质网、高尔基体、线粒体。

  7、与主动运输有关的细胞器是线粒体、核糖体。

  8、与能量转换有关的细胞器是叶绿体、线粒体。

  9、合成物质的细胞器有核糖体、叶绿体、线粒体、高尔基体、内质网。

  10、维持大气中氧气和二氧化碳含量平衡的细胞器有线粒体、叶绿体。

  11、原核细胞中具有的细胞器是核糖体。

  12、真核细胞中细胞器的质量大小顺序为:叶绿体>线粒体>核糖体。

  13、具膜结构的细胞器:单层膜的细胞器有液泡、内质网、高尔基体、溶酶体;双层膜的细胞器有线粒体、叶绿体;不具膜结构的细胞器有核糖体、中心体。

  14、膜结构之间的联系;直接联系;内质网向内与外层核膜相连,向外与细胞膜相连,代谢旺盛时,内质网膜与线粒体外膜相连。间接联系:内质网以“出芽”方式形成的小泡,可以和高尔基体融合,高尔基体以同样方式形成的小泡可和细胞膜融合。

  15、与细胞渗透吸水能力直接有关的细胞器是液泡。

  17、具有核酸的细胞器有线粒体、叶绿体、核糖体。

  18、能自我复制的细胞器有线粒体、叶绿体、中心体。

  19、参与细胞分裂的细胞器有核糖体(间期蛋白质的合成)、中心体(中心粒发出星射线构成纺锤体)、高尔基体(与植物细胞分裂末期纺锤体的形成有关)、线粒体(为细胞分裂提供能量)。

  20、含色素的细胞器有叶绿体、有色体、液泡。叶绿体

高一生物知识点归纳13

  1.通过复习旧知识的方式导入新课。

  从旧知识导入新知识,引导学生去发现问题,明确探索的目标,是生物教学最常用的导入方法。教学过程中,讲授新课之前,从新旧知识的联系中,抓住新旧知识的不同点,对旧知识加以概括,提出即将研究的问题,这样既促进了旧知识的巩固,又明确了本节课的学习目的、任务和重点,而且也能激发学生探求知识的好奇心,产生积极寻找问题答案的强烈愿望。这种方法能使学生掌握问题的实质,给学生学习新知识打好基础。如在讲“植物体内物质的运输”一节时,通过复习茎的结构以及韧皮部、木质部的构成导入新课,为学习植物体内物质的运输作铺垫。

  2.利用直观演示,让学生从观察实物和教具的方式导入新课。

  采用直观教学,可以使抽象的知识具体化、形象化,为学生架起由形象向抽象过渡的桥梁。教师若在教学中运用实物、标本、挂图、模型等直观教具导入新课,可以使学生通过视觉心领神会,从而引起学生的注意,活跃课堂气氛。如在讲授骨的结构时,先发给学生纵剖的长骨,让学生观察,在观察时,教师提出观察的重点,提出思考的问题:骨端和骨中部的结构是否一样?长骨骨质的外面有什么样的结构?这种结构存在的部位如何?骨髓腔中有些什么物质?这种导入方法,在让学生观察实物的过程中,既获得大量的感性认识又突出了重点,很自然地为讲解新课《长骨结构》创造了有利的条件。

  3.利用实验操作的方法导入新课。

  生物学是一门以实验为基础的自然科学。在新教材中把强化实验、通过实验手段探索知识,培养能力提到重要位置。新教材中的实验探索穿插在正式课文之中,是课本的一个不可分割的重要组成部分。利用实验操作的方法导入新课,能帮助学生认识抽象的知识,激发学生的思维能力,使学生通过分析问题,探索规律。既长了知识,又学到了技能。同时学生通过实验操作,既动脑又动手,拓宽了学生的思路,使课堂气氛活跃,学生产生浓厚的学习兴趣。如在上“根对水分的吸收”时,就运用“植物细胞的吸水和失水”这个实验引入新课,在课前让学生自己用萝卜进行实验,上课时让学生讲述自己观察的现象,并说明两个萝卜条为什么一个更加硬挺,另一个却软缩了。利用这一实验,就很容易引入新课“根对水分的吸收”。

  4.从生产实验和生活中的一个实际问题出发导入新课,启发学生懂得学习积极性。

  通过学生生活中熟悉的事例或自身的生理现象导入新课,能使学生有一种亲切感和实用感,容易引起学生学习的兴趣。如在讲到“叶片的结构”时,把学生带到室外去,叫他们轻摇小树,注意观察叶子的下落情况,重复几次后,把他们带回教室,问小学生“叶片下落时,是正面向下,还是反面向下?”学生齐声答“正面”。教师问,这是为什么呢?稍停后,接着说,这与我们今天学习的“叶片的结构”有关,就这样很自然地转入新课。再如讲授心脏和血管的生理功能时就要讲到心率、心动周期等有关知识,就可以从实际问题导入来激发学生的求知欲。让学生用右手手指轻按左手腕桡骨头尺侧,摸到脉搏后,说明这是桡动脉,它的搏动和心脏的跳动是一致的。让学生数一数自己脉搏跳动的次数,半分钟后停止,统计每分钟80次的人数,每分钟70―79次的人数,60―69次的人数,然后提出问题:为什么大家都静坐在教室里,而每个人的脉搏次数却不完全相同呢?心脏在人的一生中都在不停的跳动为什么不会疲劳呢?……从而导入新课。再如讲述“植物的营养繁殖”,通过了解不少学生对果树嫁接有一点感性知识,据此可以设问:“要使一棵苹果树上既结出国光苹果,又结出富士苹果两种果实,应采取什么方法?”学生顿时情绪激昂,跃跃欲试,齐答“嫁接!”接着问:“这是为什么呢?”学生对此回答不上来,我们这节课就来解决这个问题。

高一生物知识点归纳14

  第一章生命的物质基础

  1.生物体具有共同的物质基础和结构基础。

  2.从结构上说,除病毒以外,生物体都是由细胞构成的。细胞是生物体的结构和功能的基本单位。

  3.新陈代谢是活细胞中全部的序的化学变化总称,是生物体进行一切生命活动的基础。

  4.生物体具应激性,因而能适应周围环境。

  5.生物体都有生长、发育和生殖的现象。

  6.生物遗传和变异的特征,使各物种既能基本上保持稳定,又能不断地进化。

  7.生物体都能适应一定的环境,也能影响环境。

  8.组成生物体的化学元素,在无机自然界都可以找到,没有一种化学元素是生物界所特有的,这个事实说明生物界和非生物界具统一性。

  9.组成生物体的化学元素,在生物体内和在无机自然界中的含量相差很大,这个事实说明生物界与非生物界还具有差异性。

  10.各种生物体的一切生命活动,绝对不能离开水。

  11.糖类是构成生物体的重要成分,是细胞的主要能源物质,是生物体进行生命活动的主要能源物质。

  12.脂类包括脂肪、类脂和固醇等,这些物质普遍存在于生物体内。

  13.蛋白质是细胞中重要的有机化合物,一切生命活动都离不开蛋白质。

  14.核酸是一切生物的遗传物质,对于生物体的遗传变异和蛋白质的生物合成有极重要作用。

  15.组成生物体的任何一种化合物都不能够单独地完成某一种生命活动,而只有按照一定的方式有机地组织起来,才能表现出细胞和生物体的生命现象。细胞就是这些物质最基本的结构形式。

  第二章生命的基本单位――细胞

  16.活细胞中的各种代谢活动,都与细胞膜的结构和功能有密切关系。细胞膜具一定的流动性这一结构特点,具选择透过性这一功能特性。

  17.细胞壁对植物细胞有支持和保护作用。

  18.细胞质基质是活细胞进行新陈代谢的主要场所,为新陈代谢的进行,提供所需要的物质和一定的环境条件。

  19.线粒体是活细胞进行有氧呼吸的主要场所。

  20.叶绿体是绿色植物叶肉细胞中进行光合作用的细胞器。

  21.内质网与蛋白质、脂类和糖类的合成有关,也是蛋白质等的运输通道。

  22.核糖体是细胞内合成为蛋白质的场所。

  23.细胞中的高尔基体与细胞分泌物的形成有关,主要是对蛋白质进行加工和转运;植物细胞分裂时,高尔基体与细胞壁的形成有关。

  24.染色质和染色体是细胞中同一种物质在不同时期的两种形态。

  25.细胞核是遗传物质储存和复制的场所,是细胞遗传特性和细胞代谢活动的控制中心。

  26.构成细胞的各部分结构并不是彼此孤立的,而是互相紧密联系、协调一致的,一个细胞是一个有机的统一整体,细胞只有保持完整性,才能够正常地完成各项生命活动。

  27.细胞以分裂是方式进行增殖,细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础。

  28.细胞有丝分裂的重要意义(特征),是将亲代细胞的染色体经过复制以后,精确地平均分配到两个子细胞中去,因而在生物的亲代和子代间保持了遗传性状的稳定性,对生物的遗传具重要意义。

  29.细胞分化是一种持久性的变化,它发生在生物体的整个生命进程中,但在胚胎时期达到最大限度。

  30.高度分化的植物细胞仍然具有发育成完整植株的能力,也就是保持着细胞全能性。

  第三章生物的新陈代谢

  31.新陈代谢是生物最基本的特征,是生物与非生物的最本质的区别。

  32.酶是活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物.........

高一生物知识点归纳15

  1.什么是活化能?

  在一个化学反应体系中,反应开始时,反应物分子的平均能量水平较低,为“初态”。在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具有了比初态更高一些的能量,高出的这一部分能量称为“活化能”。活化能的定义是,在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能,单位是焦/摩尔,单位符号是J/mol。

  2.酶催化作用的特点

  生物体内的各种化学反应,几乎都是由酶催化的。酶所催化的反应叫酶促反应。酶促反应中被酶作用的物质叫做底物。经反应生成的物质叫做产物。酶作为生物催化剂,与一般催化剂有相同之处,也有其自身的特点。

  (1)改变化学反应速率,本身不被消耗;

  (2)只能催化热力学允许进行的反应;

  (3)加快化学反应速率,缩短达到平衡时间,但不改变平衡点;

  (4)降低活化能,使速率加快。

  (1)高效性,指催化效率很高,使得反应速率很快;

  (2)专一性,任何一种酶只作用于一种或几种相关的化合物,这就是酶对底物的专一性;

  (3)多样性,指生物体内具有种类繁多的酶;

  (4)易变性,由于大多数酶是蛋白质,因而会被高温、强酸、强碱等破坏;

  (5)反应条件的温和性,酶促反应在常温、常压、生理pH条件下进行;

  (6)酶的催化活性受到调节、控制;

  (7)有些酶的催化活性与辅因子有关。

  3.影响酶作用的因素

  酶的催化活性的强弱以单位时间(每分)内底物减少量或产物生成量来表示。研究某一因素对酶促反应速率的影响时,应在保持其他因素不变的情况下,单独改变研究的因素。

  影响酶促反应的因素常有:酶的浓度、底物浓度、pH值、温度、抑制剂、激活剂等。其变化规律有以下特点。

  (1)酶浓度对酶促反应的影响在底物足够,其他条件固定的条件下,反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时,酶促反应的速率与酶浓度成正比。

  (2)底物浓度对酶促反应的影响在底物浓度较低时,反应速率随底物浓度增加而加快,反应速率与底物浓度近乎成正比;在底物浓度较高时,底物浓度增加,反应速率也随之加快,但不显著;当底物浓度很大,且达到一定限度时,反应速率就达到一个值,此时即使再增加底物浓度,反应速率几乎不再改变。

  (3)pH对酶促反应的影响每一种酶只能在一定限度的pH范围内才表现活性,超过这个范围酶就会失去活性。在一定条件下,每一种酶在某一个pH时活力,这个pH称为这种酶的最适pH。

  (4)温度对酶促反应的影响酶促反应在一定温度范围内反应速率随温度的升高而加快;但当温度升高到一定限度时,酶促反应速率不仅不再加快反而随着温度的升高而下降。在一定条件下,每一种酶在某一温度时活力,这个温度称为这种酶的最适温度。

  (5)激活剂对酶促反应的影响激活剂可以提高酶活性,但不是酶活性所必需的。激活剂大致分两类:无机离子和小分子化合物。

  (6)抑制剂对酶促反应的影响抑制剂使酶活性下降,但不使酶变性。抑制剂作用机制分两种:可逆的抑制作用和不可逆的抑制作用。

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核心提示:将烟草来源的aroD*E基因导入aroD、aroE基因同时被敲除的重组菌中,经过66 h的发酵培养,莽草酸的产量达到34 g/L,产率达到15%。发酵液中莽草酸、奎尼酸、3-脱氢莽草酸的物质的量的比为 29 ∶ 1.0 ∶ 5.7,可见副产物奎尼酸的产量明显减少。Rodriguez等敲除大肠杆菌的PTS系统和pykF基因,同时过表达aroGfrb、aroE、aroB、aroD、tktA和zwf基因,分批发酵结果显示,重组工程菌AR36产生莽草酸的终浓度为43.4 g/L,产率为42%[23],这是目前研究

摘要:莽草酸是莽草酸代谢途径的中间产物,是合成手型药物的关键原料,也是合成芳香族类(L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-)、泛醌、叶酸、K2等芳香族化合物的关键中间体。通过基因改造微生物莽草酸代谢途径,可以使其大量积累莽草酸,进而为生物体内合成芳香族氨基酸奠定基础。本文综述了莽草酸代谢途径在重组大肠杆菌中的生物合成途径的研究进展,分析了莽草酸合成过程中关键酶基因改造对莽草酸积累的影响、辅因子再生对目的产物的影响,还讨论了减少莽草酸工程菌代谢副产物产生量的措施。随着代谢工程技术和合成生物学技术的发展,通过基因技术定向改造代谢途径,构建理想的高产菌株已经成为研究的新热点。

关键词:莽草酸代谢途径;基因改造;关键酶基因;辅因子

莽草酸及其衍生物具有抗病毒、抗肿瘤、抗菌抗炎、抗血栓及抗脑缺血等多种药理活性。近年来,莽草酸作为临床上对抗禽流感的唯一有效药物达菲(主要成分为磷酸奥司他韦)的合成前体而倍受关注[1]。莽草酸途径广泛存在于植物、细菌等微生物中[2-5]。目前,莽草酸的工业化生产方式主要有2种:(1)从八角茴香的果实中提取[6];(2)通过化学合成的方式人工合成莽草酸[7]。从八角茴香中提取莽草酸,由于受到植物生长季节、生长周期、地域环境的限制,从而严重制约了莽草酸的大规模工业化生产;化学合成法由于生产工艺复杂、成本高、纯度不高等因素,也严重限制了莽草酸的规模化生产。利用微生物工程菌合成莽草酸,在生产规模、生产工艺与生产周期等方面具有显著优势,因此成为国内外很多医药公司与实验室研究的热点。目前已报道的莽草酸基因工程菌主要有大肠杆菌(Escherichia

1 微生物生产莽草酸的研究进展

目前,利用微生物生物转化合成莽草酸的研究进展迅速,相关报道显示,目前工程菌株产莽草酸的最高产量达到 84 g/L。近几年来研究者构建的莽草酸工程菌株及其功能、产量等信息见表1。

pathway)是以磷酸烯醇式丙酮酸、赤藓糖-4-磷酸为起始底物,在生物体内经过一系列催化酶的催化作用生成莽草酸,然后再以莽草酸为中间化合物合成一系列芳香族类化合物,如酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等的过程。生物细胞以葡萄糖为初始底物,在經过糖酵解途径合成磷酸烯醇式丙酮酸的同时,通过戊糖磷酸途径合成赤藓糖-4-磷酸。生物体内的莽草酸途径以磷酸烯醇式丙酮酸与赤藓 acid,简称DHQ)合酶的催化作用生成3-脱氢奎尼酸,DHQ在3-脱氢奎尼酸脱水酶的作用下生成3-脱氢莽草酸(3-dehydroshikimic acid,简称DHS)。DHS在莽草酸脱氢酶的作用下生成莽草酸(shikimic acid,简称SA)。莽草酸经莽草酸激酶催化生成莽草酸-3-磷酸(shikimate-3-phosphate,简称S3P)。随后,在一系列酶的催化下,经过分支酸(chorismic acid,简称CHA)分别转化为芳香族氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸[24]。微生物细胞内的莽草酸代谢途径如图1所示[25]。

3 关键酶基因的过表达

通过质粒强化表达莽草酸代谢途径的限速酶基因,可以增强莽草酸代谢途径中的碳代谢流[17]。大肠杆菌莽草酸代谢途径中的3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸(3-deoxy-D-arabino-heptulosonate-7-phosphate,简称DAHP)合酶(aroG、aroF、aroH为DAHP的3个同功异构酶)、3-脱氢奎尼酸合成酶(aroB)和莽草酸脱氢酶(aroE)是莽草酸代谢途径中的关键酶。DAHP合酶是由aroG、aroF和aroH基因编码的同工酶,分别受到芳香族类氨基酸L-苯丙氨酸、L-酪氨酸和L-色氨酸的反馈抑制。通过定点突变、随机诱变与突变株筛选等方法可以获取抗反馈抑制的3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合酶。为了解除终产物酪氨酸对aroG基因的反馈抑制,需要将其第146位氨基酸残基天冬氨酸替换为天冬酰胺,能够解除酪氨酸对aroG基因的反馈抑制,用亮氨酸残基替换DAHP合酶同工酶aroF的第148位氨基酸残基脯氨酸时,得到的突变菌株不受终产物苯丙氨酸的反馈抑制。因此,可以通过质粒表达或基因重组等方式过表达对酪氨酸反馈抑制不敏感的aroGfbr基因与对苯丙氨酸不敏感的aroFfbr基因,提高莽草酸代谢途径的碳代谢流。Draths等在莽草酸激酶完全缺失的大肠杆菌体内过表达aroFfbr基因,同时通过质粒过表达3-脱氢奎尼酸合成酶与莽草酸合成酶基因补料分批发酵培养42 h,使得莽草酸的产量达到27.2 g/L[26]。将这3个关键酶基因通过多个质粒或者1个共表达载体进行过表达,已经成为一套成熟的莽草酸工程菌改造策略。编码3-脱氢奎尼酸合成酶的基因aroB与抗反馈抑制的3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合成酶基因共表达,可以增强3-脱氢奎尼酸合成酶的活性,减少DAHP的过度积累,增强莽草酸代谢途径的碳代谢流。

4 中心代谢途径的改造

在微生物体内,葡萄糖经过糖酵解途径合成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和赤藓糖-4-磷酸(E4P),PEP与E4P构成莽草酸代谢途径的起始物。因此,通过对中心代谢途径进行遗传改造,加强前体PEP与E4P的供应量,可以强化莽草酸代谢途径的碳流量。在非磷酸烯醇式丙酮酸:碳水化合物磷酸转移酶系统(简称PTS系统)的半乳糖透性酶(GalP)、半乳糖激酶(Galk)协同作用途径中以腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)作为磷酸基团供体,不消耗PEP[8]。有研究表明,在 repression,简称CCR)的活性中心,可以阻遏细胞对葡萄糖以外其他碳源的利用分解,PTS-系统能够遏制CCR,使细胞能够充分利用多种碳源,强化莽草酸代谢途径的碳流量。

在细菌内,葡萄糖也可通过半乳糖透性酶介导的活性转运系统转运至细胞内,同时需要葡萄糖激酶蛋白Glk(由glk编码)对细胞内的葡萄糖进行磷酸化。因此,可以在PTS转运系统缺陷型菌株内加强表达GalP、Glk蛋白,以实现葡萄糖的转运功能。Yi等在PTS转运系统缺失的大肠杆菌体内通过质粒表达来自运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)的葡萄糖易化体蛋白(glucose facilitator,简称Glf),结果显示,表达Glk、Glf的PTS缺陷型菌株经过48 h发酵培养,3-脱氢莽草酸的产量为60 g/L,与此同时,表达GalP、Glk的PTS缺陷型菌株经过60 h发酵培养,3-脱氢莽草酸的产量也为60 g/L,说明Glf系统也是一种比较有效的葡萄糖转运系统[27]。Chandran等在PTS转运系统缺陷型宿主菌体内通过质粒表达来自Zymomonas mobilis的葡萄糖易化体蛋白Glf与葡萄糖激酶蛋白Glk,同时解除DAHP合成酶的反馈抑制调节,过表达关键酶基因磷酸烯醇式丙酮酸合成酶基因(phosphoenolpyruvate synthase,简称ppsA),结果显示,在添加10 L提取物的中,莽草酸的产量达到了87 g/L,莽草酸的得率为33%[21]。

磷酸烯醇式丙酮酸磷酸转移酶系统是大肠杆菌在细胞内参与葡萄糖从膜间质转运和磷酸化到细胞内的主要活性转运系统。在以葡萄糖为碳源的内,PTS系统消耗了大约50%的磷酸烯醇式丙酮酸,而磷酸烯醇式丙酮酸是莽草酸代谢途径的起始物质,因此,合理改造PTS系统有利于提高莽草酸代谢途径前体PEP的利用率,从而提高莽草酸代谢途径的碳流量。Chandran等将运动发酵单胞菌来源的、以ATP作为磷酸基团供体的葡萄糖转运系统以质粒方式转化到PTS系统缺失的大腸杆菌内,同时过表达tktA基因以补料分批发酵培养,结果表明,莽草酸的产率达到 0.33 mol/mol(以单位量的葡萄糖产莽草酸的量计,下同),产量为84 g/L;同时,对于未进行PTS改造的菌株,同样采用补料分批发酵培养的莽草酸的积累量为62 g/L[21]。

4.2 增加莽草酸途径起始底物E4P的浓度

大量研究表明,过量表达DAHP合成酶并不能无限制地提高莽草酸代谢途径中的碳代谢流,必须同时加强表达tktA基因编码的转酮醇酶A,以增加磷酸戊糖途径中赤藓糖-4-磷酸的供应量,进而增加莽草酸代谢途径中的碳代谢流。Knop等在大肠杆菌体内过表达tktA基因后,莽草酸产量由 38 g/L 提高到52 g/L,莽草酸的产率由0.12 mol/mol上升到0.18 mol/mol[6]。有研究者在aroL、aroK双基因敲除菌株W3110(ΔaroLΔaroK)中转入含有莽草酸代谢途径中关键基因aroF、aroE、aroB、ppsA以及tktA基因的重组表达质粒pSUFEBPT,用补料分批发酵的方式发酵培养128 h,结果显示,莽草酸的产量达到39.3 g/L。

莽草酸代谢途径中存在多步分支途径与可逆反应,代谢过程中产生的副产物奎尼酸(quinic acid,简称QA)和3-脱氢莽草酸对于细胞的生长有强烈的抑制作用,同时能够竞争性消耗碳源,从而严重降低莽草酸的产率与纯度。Knop等构建的大肠杆菌菌株SP1.1/pKD12.112发酵42 h,能够产生27.2 g/L莽草酸,但是副产物奎尼酸、3-脱氢莽草酸的产量分别有12.6、4.4 g/L,副产物的积累减少了莽草酸的含量与纯度,从而影响下游代谢反应[6]。YdiB是一种双功能酶,具有脱氢奎尼酸脱氢酶(aroD基因产物)和莽草酸脱氢酶(aroE基因产物)的双重功能,ydiB基因缺失后,奎尼酸合成受到限制,3-脱氢奎尼酸能够积累并且在脱氢奎尼酸脱水酶的催化下经过3-脱氢莽草酸合成莽草酸。Chen等在ydiB基因完全缺失的大肠杆菌SA4中过量表达莽草酸脱氢酶基因,以减少代谢流中3-脱氢奎尼酸向奎尼酸的转化,促进3-脱氢莽草酸的积累,进而促进莽草酸的生物合成[20]。有研究者将 1 mmol/L 甲基-α-D-葡萄糖吡喃糖苷加到葡萄糖限制性培养基中作为碳源,经过48 h的发酵培养,副产物奎尼酸的产量由 19 g/L 减少到2.8 g/L,目的产物莽草酸的产量从原来的 28 g/L 升高到35 g/L,莽草酸的产率由15%上升至19%。该研究表明,以1 mmol/L甲基-α-D-葡萄糖吡喃糖苷作为碳源可以明显提高莽草酸的合成量,同时减少副产物奎尼酸的产生[6]。在烟草中,存在同时具有3-脱氢奎尼酸脱水酶(aroD)和莽草酸脱氢酶(aroE)催化活性的双功能酶,由aroD*E基因编码。将烟草来源的aroD*E基因导入aroD、aroE基因同时被敲除的重组菌中,经过66 h的发酵培养,莽草酸的产量达到34 g/L,产率达到15%。发酵液中莽草酸、奎尼酸、3-脱氢莽草酸的物质的量的比为 29 ∶ 1.0 ∶ 5.7,可见副产物奎尼酸的产量明显减少。

6 辅因子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的表达

辅因子是一类能够使底物与酶活性部位结合或者使酶更具有活性的金属离子或辅酶。有些氧化还原酶催化的反应是需要以还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、NADPH为辅酶的,氧化还原力的不平衡,不仅会影响细胞的连续生长、目的产物的合成,还会导致代谢碳流从需要生成的目的产物的代谢途径流转向其他途径而产生副产物。因此,控制辅因子的生物合成供应对于进一步提高目的产物产量非常重要[28-29]。研究表明,维持NADPH的可用浓度可以提高代谢产物的产量。Kabus等在谷氨酸棒状杆菌体内过表达来自大肠杆菌的转氢酶基因pntAB发现,在以葡萄糖为碳源的基本培养基中经过72 h的发酵培养,的浓度从474 mmol/L升高到了522 mmol/L[30]。在莽草酸代谢途径中,莽草酸脱氢酶需要NADPH辅因子的作用才能催化 3- 脱氢莽草酸转化为莽草酸。目前,多数莽草酸工程菌的构建都会过表达关键酶基因aroE,这样就会出现NADPH的还原力供应不足。在大肠杆菌体内,转氢酶(membrane-bound kinase,简称NADK)可以催化NADH与NADPH之间相互转化,因此可以强化基因pntAB、nadK的表达,缓解还原力不平衡的问题。Cui等对NADPH对莽草酸途径中莽草酸产量的影响进行研究,他们将pntAB、nadK基因分别整合到大肠杆菌染色体中,以增加细胞内NADPH的供应量,摇瓶培养结果显示,整合nadK基因后的重组菌SA116产率达到33%,产量为3.12 dehydrogenase,由gnd基因编码)。Rodriguez等敲除大肠杆菌的PTS系统和pykF基因,同时过表达aroGfrb、aroE、aroB、aroD、tktA和zwf基因,分批发酵结果显示,重组工程菌AR36产生莽草酸的终浓度为43.4 g/L,产率为42%[23],这是目前研究莽草酸工程菌株中获得的最高产率。

7 引导代谢平衡的模块优化策略

莽草酸途径是一个较为复杂的代谢途径,有研究发现,通过过量表达上游代谢途径关键酶基因而使上游代谢碳流急剧增加时,由于下游代谢途径无法正常消耗强大的上游碳代谢流,会造成中间产物的过量积累,过量存在的中间产物会对细胞内的代谢途径产生反馈抑制,或者产生细胞生长不需要的副产物,从而影响菌体的正常生长。因此,Wu等引入了模块化代谢工程改造理论,系统改造各個模块的碳代谢流量,以期找到一条最优的途径平衡方式,使代谢流更多地从可再生的廉价底物流向高附加值的目的化合物;Wu等引入模块化代谢工程改造理论优化黄酮骨架物质的合成途径,首先将总途径分为4个模块,通过系统改变各个模块的代谢通量来寻找途径中的瓶颈步骤,通过4个不同拷贝数的质粒和2个不同强度的启动子来改变模块的代谢通量以平衡合成途径,经过多轮模块优化后,生松素、柚皮素的产量分别提高至84.2、105.1 1-phosphate,即6-脱氧-5-酮果糖1-磷酸)途径基因,以1个丙酮酸合酶基因、2个DKFP合酶基因、2个ADTH合酶基因、1个DHQ合酶基因为元件,通过不同组合方式组装了3组模块,结果表明,同时表达异源莽草酸代谢途径与自身莽草酸代谢途径的重组谷氨酸棒状杆菌RES167ΔaroK/pDKFP-3比没有导入异源代谢途径的原始菌株RES167ΔaroK的莽草酸产量提高了57%,莽草酸产量从0.77 g/L提高到了1.20 g/L[11]。研究者从合成生物学的角度出发,通过一系列代谢途径优化、基因元件筛选与模块组合,完成了对莽草酸代谢途径的异源装配,进一步对莽草酸代谢途径模块优化策略实施了验证。

通过对莽草酸代谢途径的改造,包括解除莽草酸代谢途径中的反馈抑制、过表达莽草酸代谢途径中的关键酶基因、代谢途径中NADPH辅因子再生等,结果发现,经过遗传改造的基因工程菌株合成莽草酸的产量有明显提升。莽草酸是合成芳香族类氨基酸(L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-色氨酸)的重要前体化合物,同时因其自身的药用价值,具有广阔的市场前景与经济价值。以葡萄糖为起始合成原料,通过基因改造工程菌生产莽草酸的方法,具有发酵周期短、可控性强、可持续性发展且对环境友好等特点,非常具有发展潜力与应用价值。尽管基因改造的工程菌较野生型的莽草酸发酵产量有所提高,但是仍然存在进一步提高的空间。今后的研究可以从以下几个方面考虑:
(1)通过定点突变解除DAHP合酶的反馈抑制后,可以通过多级质谱或者核磁共振技术分析细胞全局的代谢流,从而找出细胞内可能存在的其他限制性步骤。
(2)通过基因过表达的方式提高了辅因子NADPH的供应量,进一步可以研究如何提高莽草酸代谢途径中所需要的其他辅因子,例如ATP和丙二酰辅酶A等。
(3)研究表明,以葡萄糖为碳源进行发酵培养,菌株生长较慢,但是莽草酸生产持续时间较长;以甘油为碳源时,菌株生长较快,但是莽草酸合成过早停止,因此可以尝试葡萄糖结构类似物或者甘油结构类似物,观察发酵结果是否能达到生产速率与持续生产时间的正相关。
(4)可以考虑构建多种功能的菌株进行联合培养发酵,例如构建特异性消耗副产物的菌株,与莽草酸菌株一起培养,以改善莽草酸生产菌株的生长环境,提高莽草酸的产量。

[7]汪 華,崔志峰. 莽草酸生物合成途径的调控[J]. 生物技术通报,2009(3):50-53.

[18]刘东风. 产莽草酸枯草芽孢胞杆菌代谢工程改造及代谢流分析[D]. 合肥:中国科学技术大学,2014.

[22]肖夢榕. 改进大肠杆菌PTS系统构建莽草酸生产菌[D]. 无锡:江南大学,2014.

[25]仲 楠. 产莽草酸基因工程菌的构建及发酵研究[D]. 北京:北京化工大学,2012.

Engineering,2013,16(1):48-55. 王 森,唐 蛟,王晓森,等. 加气灌溉对土壤、作物生长和水肥利用的影响综述[J]. 江苏农业科学,2019,47(7):24-27.

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