カビの写真

Aspergillus nidulansの走査電子顕微鏡写真。
固定液（50％エタノール、10％酢酸、3.7％ホルムアルデヒド）で固定。
30％アセトンで置換
50％アセトンで置換
70％アセトンで置換
90％アセトンで置換
95％アセトンで置換
100％アセトンで置換
臨界点乾燥（日立HCP-2型）。
金属蒸着後
日立の走査型電子顕微鏡で観察。

試験問題のつづき２

問３
A ホモ乳酸発酵とヘテロ乳酸発酵との違いを代謝経路、エネルギー獲得、生成物の観点から説明せよ。
コメント：それぞれ、代謝経路の概要を図示する。ホモ乳酸発酵は解糖系を利用した発酵形式である。生じたピルビン酸は解糖系により生じたNADH2により還元され1分子グルコースあたり2分子の乳酸となる。このとき、2分子のＡＴＰを得る。
一方、ヘテロ乳酸発酵はペントースリン酸経路を経由した発酵である。1分子のグルコースはキシルロース‐5‐リン酸となり、これより一分子のアセチルリン酸と一分子のグリセルアルデヒド３－リン酸となる。アセチルリン酸は還元されてエタノールとなる。グリセルアルデヒド3－リン酸は解糖系の一部を通りピルビン酸を経由して最終的に乳酸になる。このとき、2分子のＡＴＰを得るが、最初のグルコースのリン酸化の段階で1分子のＡＴＰを消費しているので差し引き1分子のＡＴＰの取得という計算になる。エネルギー効率からいうと、ホモ乳酸発酵のほうが優れている。

B　Zymomonas属細菌が行うエタノール発酵は酵母Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ cerevisiaeの行うエタノール発酵とは様式が違う。この違いを代謝経路、エネルギー獲得の観点から説明せよ。
コメント：ザイモモナスの行う発酵はエントナードゥドロフ経路を利用したもので、2－ケト-３－デオキシ-６－ホスホグルコン酸を経て、ピルビン酸とグリセルアルデヒド-3-リン酸に分かれる。ピルビン酸は脱炭産後、還元されエタノールとなる。グリセルアルデヒド-3-リン酸は解糖系を経てエタノールとなる。後者の過程で2分子のＡＴＰを得るが、最初のグルコースのリン酸化の段階で1分子のＡＴＰを使用するので差し引き1分子のＡＴＰを得ることになる。一方、酵母のエタノール発酵では2分子のＡＴＰが得られるので、こちらの方が効率が良い。
C　用語説明
(a)　嫌気呼吸
(b)　スティックランド反応
(c)　脂肪族炭化水素の分解
(d)　イノシン酸とｄＡＴＰの合成
(e)　アミノ酸生合成経路におけるシキミ酸
　

試験問題つづき

問２
微生物は生育環境の変化が起こったとき、移動や形態変化を行うことにより、個体の生命の維持や次の世代への遺伝子の継承活動を行う。微生物の適応反応（現象）のうち２つを選び、その名称をあげてその機構を説明せよ。

コメント：たとえば、走化性と胞子形成についてその機構を説明すればよい。

2005年度 試験問題

問１
（１Ａ）大腸菌と枯草菌は基礎微生物学研究に広く用いられているモデルバクテリアである。
両者の特徴を分類学的観点から幅広く比較して説明せよ。

コメント：大腸菌はグラム陰性菌の代表である。桿菌であり、通性嫌気性である。
グラム陰性であるので、2枚の膜構造を持つ。すなわち、細胞質膜の外側にさらに外膜を有する。
細胞質膜と外膜の間には形態を維持するための比較的薄い網目状のペプチドグリカン層をもつ。
そのほかの特徴：糖を発酵的に分解する（ＯＦテスト：Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｖｅ）。クエン酸資化テスト陰性。
カタラーゼ陽性。インドール生成。ＶＰテスト陰性。メチルレッドテスト陽性。周鞭毛あるいはなし。
一方、枯草菌はグラム陽性。桿菌、好気性。
胞子を形成する。アミラーゼ生産性。周鞭毛あるいはなし。

（１Ｂ）次の微生物学基本用語を説明せよ。
(a)　パスツール
　コメント：フランスの科学者ルイ=パスツール（１８２２－１８９５）。白鳥の首フラスコを用いた厳密な実験により自然発生説を否定した。滅菌法の開発は缶詰などの食品保存に役立っている。発酵の概念を確立したのも彼であるし、炭そ、家禽コレラ、狂犬病に対するワクチンの開発などもしている。　(b)　古細菌
　コメント：原核生物の新生細菌とは別の系統上のドメインのひとつ。超高熱菌やメタン生成古細菌が含まれる。
(c)　子嚢菌
　コメント：カビ、酵母、きのこを含む真菌類のうちのひとつのグループで、子嚢と呼ばれる袋に包まれた有性胞子（子嚢胞子）を有するものをいう。ニューロスポラ（赤パンカビ）やサッカロマイセス（酵母）などがこの中に入る。
(d)　嫌気性
　コメント：酸素が存在しないところで生存する性質。酸素があっても増殖できる酸素耐性の嫌気性菌と酸素があると死んでしまう偏性嫌気性菌がいる。
(e)　好塩性
　コメント：生育に塩を必要とする性質。
(f)　生育曲線
　コメント：細胞数の変化を経時的に描いた曲線。細菌の生育のステージに依存して、誘導期、対数増殖期、定常期、死滅期に分けられる。

微生物の物質代謝

第２章　微生物の物質代謝I（分解）
　本章の目的：　自然界に存在する栄養源は多様である。これらを微生物がいかにして分解し利用するかを理解する。

一般的に微生物の栄養源は大きく分けて次の４種類からなる。
– ＿＿＿＿＿　　　　　　＿＿＿＿＿
– ＿＿＿＿＿　　　　　　＿＿＿＿＿

多糖、二糖とその分解

物質 構成 由来 分解酵素
セルロース ブドウ糖（β-1,4) 植物
デンプン ブドウ糖（α-1,4) 植物
グリコーゲン ブドウ糖（α-1,4) 動物
寒天 ガラクトース、ガラクツロン酸 海藻 アガラーゼ
N-アセチルグルコサミン（β-1,4) 菌類（細胞壁）、昆虫（外骨格）
ペクチン ガラクツロン酸 植物 ペクチナーゼ
ブドウ糖（α-1,６) 細菌（莢膜、粘液層）
キシラン ＿＿＿＿など（β-1,4) 植物
ショ糖 植物
乳糖 牛乳

セルロースの分解
• デンプンとセルロースはともに＿＿＿＿からなる。
• β-1,4-グルカン、植物体の1/3、地球上で最も＿＿＿＿＿＿
• セルロースは＿＿＿＿で分解しにくい。
– 真菌類、滑走細菌、クロストリジウム属細菌、放線菌、ルーメン細菌

デンプンの分解
• α-1,4グルカン
– ＿＿＿分岐
• 分岐数
– アミロース＜デンプン＜アミロペクチン＜グリコーゲン
• α-アミラーゼ　（＿＿＿＿型）＿＿＿＿＿生成
• β-アミラーゼ （＿＿＿型）＿＿＿＿＿生成
• α-グルコシダーゼ（＿＿＿型）＿＿＿＿＿生成
• 細胞内では＿＿＿＿＿分解

デキストラン
• ＿＿＿＿-glucan, ＿＿＿ 、 ＿＿＿＿分岐
• 粘液、莢膜
• ｎスクロース→（グルコース）ｎ＋ｎフルクトース
• Leuconostoc mesenteroides などが生成
• これらの細菌が死ぬと他の微生物により利用される。

タンパク質の代謝
 プロテアーゼ：ポリペプチド鎖の分解、アミノ酸生成
• アミノ酸の代謝
 脱アミノ化
 グルタメートデヒドロゲナーゼ： グルタミン酸から酸化的脱アミノ化
 アスパルターゼ（アスパルテートアンモニアリアーゼ）

核酸の代謝

有機酸の代謝
• ＿＿＿＿＿＿＿＿の有機酸（クエン酸、リンゴ酸、フマル酸、コハク酸）：炭素源として利用できる。
• 好気的には＿＿＿＿＿＿で利用
• 嫌気的にはピルビン酸から＿＿＿＿＿＿＿＿を経由してATPを合成

脂質の代謝
• 脂肪＝＿＿＿＿＿＿＋＿＿＿＿＿のエステル
• Clostridium perfringensによるリン脂質の分解

　　　　　　　　　　　　　　　　　脂肪酸の酸化

リパーゼの作用

炭化水素の分解（脂肪族炭化水素と芳香族炭化水素）
１）オキシゲナーゼ
　monooxigenaseとdioxygenaseの違いはなにか？

脂肪族炭化水素：
末端を酸化して脂肪酸生成
その後はβ酸化。

芳香族炭化水素の分解：
key compound

＿＿＿＿＿と
＿＿＿＿＿

第３章　微生物の物質代謝II（生合成）
本章の目的：　細胞を構成する高分子の基本的なユニットである糖、アミノ酸、ヌクレオチド、脂肪酸がどのようにして合成されるかを理解する。

同化と異化のエネルギー論
異化作用で得られたエネルギーは生合成系の反応に使用される。

多糖の合成

• ペプチドグリカン（細菌細胞壁）
• グリコーゲン、デンプン（貯蔵）

• 前駆体
• UDP-グルコース
• ADP- グルコース
• （グリコーゲン合成）

ペントースの合成　（リボース、デオキシリボースの合成に重要）

 核酸合成に必要なペントースはヘキソースから1分子の脱炭酸により起こる
 ２’部位の還元はヌクレオチド合成の後に起こる
 ヘキソースの含まれない培地で生育した場合、糖新生という経路でグルコースが合成される

アミノ酸の生合成
１、細菌におけるアンモニアの取り込み（無機体窒素の同化）
(a),(b)の反応によりアンモニアが取り込まれ、グルタミン酸とグルタミンができる。
　できたグルタミン酸とグルタミンのアミノ基は他のアミノ酸の合成に用いられる。

２、種々のアミノ酸の生合成
生合成系を共有するいくつかのグループに分けられる

アミノ酸の炭素骨格は解糖系かＴＣＡ回路の中間代謝物に由来する

グルタミン酸族（Glu, Gln, Pro, Arg）

オキサロ酢酸を出発物質とするアスパラギン酸族　（Asp, Asn, Lys, Met, Thr, Ile)
真核生物のリジン合成系は原核生物の合成系と異なる。

ピルビン酸を出発物質とするアラニン族（Ala, Val, Leu)

セリン族　(Ser, Gly, Cys)

芳香族 (Phe, Tyr, Trp)

ヒスチジン

ヌクレオチドの合成
イノシン酸（ＩＭＰ)：すべてのプリンヌクレオチドの前駆体

ウリジル酸（ＵＭＰ)、
すべてのピリミジンヌクレオチドの前駆体

プリン、ピリミジンリボヌクレオシド３リン酸合成経路の概要

デオキシリボヌクレオシド３リン酸の合成

ピリミジンリボヌクレオチドの生合成

脂質の生合成

脂質の生合成（グリセロール部分）

脂肪酸部分

微生物のエネルギー代謝

微生物の代謝

第１章 微生物のエネルギー代謝
第２章 微生物の物質代謝I（分解）
第３章 微生物の物質代謝II（低分子）

第１章 微生物のエネルギー代謝
　本章の目的：微生物は多様であり、その多様性はそれぞれのゲノム内に存在する代謝酵素遺伝子の多様性に起因する。ここでは、各微生物に共通する普遍的な代謝系とある種の微生物にみられる代謝系を理解しつつ、微生物の巧みなエネルギー獲得戦略を知る。併せて、微生物の多様な発酵様式についても理解する。

Points:
代謝には２つの大きな流れがある。
＿＿＿＿　と　＿＿＿＿
細胞では２種類のエネルギー源が使われる。
＿＿＿＿、＿＿＿＿＿

ある種の原核微生物では＿＿＿＿％が炭素、＿＿＿＿％が窒素。

その他の栄養元素
• リン、硫黄、カリウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、鉄
• 微量栄養元素
• ビタミン類

　
• 次の２つの培地についての特徴を述べよ。
• 合成培地（限定培地）
– ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
– ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
• 天然培地（複合培地）
– ＿＿＿＿＿＿＿＿＿
– ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
– ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
– ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

微生物を利用するエネルギー源を大別すると、＿＿エネルギー利用タイプと＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿によるエネルギー利用タイプになる。
　光利用タイプ　 高等植物（光合成＿＿＿利用）
　 ＿＿＿＿細菌（光合成＿＿＿＿利用）
　化学物質利用タイプ ＿＿栄養微生物（無機化合物利用）
＿＿栄養微生物（有機化合物利用）

エネルギー論
• 化学反応はエネルギー変換を伴う
• G:　＿＿＿＿＿＿＿
• Go':は変化を表す。 ０’は標準的な状態（＿＿＿、＿＿＿＿、全反応物質と反応生成物の初濃度が＿＿＿である状態）を示す。
• Go'がマイナスの反応：エネルギーを＿＿＿（発エルゴン反応）、細胞はこれを＿＿＿＿の形で保存する。

Go'の計算と生成の自由エネルギー
• C,H2,O2などの構成要素の生成の自由エネルギー（G0f　）は０。
• 化学反応の自由エネルギーは＿＿＿＿の自由エネルギーから＿＿＿＿＿の自由エネルギーを差し引くことにより計算できる。
•

触媒：活性化エネルギーを下げる
生物反応では酵素。

E+S⇔E－S⇔E＋P
酵素基質複合体をつくる。

基質と結合する領域を活性中心とよぶ。

酵素の触媒作用
1. 正確に基質と結合すること
2. 基質の反応基を酵素の反応中心に位置づけること

酵素の構造
• リゾチーム：＿＿＿＿＿＿を切断する酵素
• 多くの酵素は小さな＿＿＿＿＿＿＿＿を含む
• ＿＿＿＿＿＿：酵素と強く結びついている。
• 例：ヘム
• ＿＿＿＿＿：ゆるく結合し、ひとつの酵素から別の酵素へ小さな分子を運ぶ中間輸送体として働く
• 例：ビタミン類
酸化と還元

電子伝達体

NADHと酸化還元反応

高エネルギー化合物
＿＿＿ (Adenosine TriPhosphate):生物が利用できるエネルギー源の基本的な化合物

ATPの生成は２つのメカニズムで行われる：
１、　＿＿＿＿＿のリン酸化、
２、　＿＿＿＿＿でのリン酸化

従属栄養微生物の２つの代謝
　嫌気的代謝（＿＿　：Fermentation）と好気的代謝（＿＿　：Respiration）
　　発酵：L. Pasteur　酵母が無酸素条件下でも増殖
　　呼吸：化学物質の酸化に酸素を利用
　　　　　嫌気呼吸：＿＿＿呼吸、＿＿＿呼吸、＿＿＿呼吸

呼吸　C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 688 kcal
発酵　C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH + 58 kcal

酸素に対する微生物の態度
　　好気性菌（Aerobes）
　　　＿＿＿＿＿菌 (Strict aerobes)：酸素が絶対必要
　　　＿＿＿＿＿菌 (Facultative anaerobes)：呼吸的、発酵的代謝の両者が可能、環境により呼吸、発酵を切り換えることができる
　　　＿＿＿＿＿菌 (Microaerophiles)：大気中の酸素分圧より低い酸素分圧の時、良く生育
　　＿＿＿＿菌 (Anaerobes)

発酵
　有機化合物が＿＿＿＿＿＿（酸化される）と＿＿＿＿＿＿（還元される）の両方の役割をし、その酸化還元の過程でATPが生成される。すべて有機リン酸エステルからATPにリン酸が渡されATPの生成が起こる。

炭水化物の発酵
　＿＿＿＿Glycolysis (Embdem-Meyerhof pathway, Glycolytic pathway)
＿＿＿、＿＿＿の両代謝系に共通であり、糖を＿＿＿＿＿に変換する過程で化学エネルギーとATPを生成する経路、真核生物・原核生物を問わず＿＿＿＿＿を行うすべての生物に存在する経路である。解糖系は大きく２つのステージに分けられる。
１） ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
２） ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

　解糖系の代謝経路を以下に示す。

解糖系を経由する各種発酵

アルコール発酵
ホモ乳酸発酵
混酸発酵
ブタンジオール発酵
酪酸発酵
アセトン・ブタノール発酵
プロピオン酸発酵

アルコール発酵と（ホモ）乳酸発酵
　NAD+再生の意味：アルコール発酵と（ホモ）乳酸発酵は共に最終段階において，解糖系から生じた＿＿＿＿（＿＿＿＿＿)を消去するステップがある。NAD+およびNADHは細胞内において多様な＿＿＿＿＿反応に関与しているが，細胞内含有量はそれほど＿＿＿ない。従って，NAD+とNADHのどちらかに偏ってしまうと細胞内の重要な反応が進まなくなり生存の危機を迎える。このため，細胞にとってNADHからNAD+の再生の過程は非常に重要である。

アルコール発酵：細菌、糸状菌、酵母で見られる。歴史的には1857 年のPasteur による酵母の嫌気的生育の発見に遡る。その後，1897 年Buchnerは酵母の細胞抽出液が糖をアルコールに発酵することを発見し，アルコール発酵などの代謝過程が，特異的な酵素により触媒される一連の化学反応の結果であることを明らかにする発端となった。
Glucose+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP

ホモ乳酸発酵：解糖系により生じた＿＿＿＿＿は＿＿＿＿＿＿の作用により乳酸に還元される。このとき，同時に＿＿＿＿＿が＿＿＿＿＿へと酸化される。
Lactobacillus delbrueckii（乳酸菌）, この他Streptococcus, Rhisopus

その他の発酵
混酸発酵，
ブタンジオール発酵，
酪酸発酵，
アセトン・ブタノール発酵，
プロピオン酸発酵

ペントースリン酸経路とヘテロ乳酸発酵

乳酸発酵：ヘテロ乳酸発酵：ペントースリン酸経路（ヘキソースリン酸側路）を経由する発酵
ペントースリン酸経路（ヘキソースリン酸側路）を経由する発酵

Entner-Dowdoroff経路を経由する発酵
もうひとつのアルコール発酵：
(Zymomonas mobilis: アルコール）
他にPseudomonas, Azotobacter

Glucose+ADP+Pi→2C2H5OH+2CO2+ATP

その他の発酵（窒素化合物の発酵）
　Clostridium属細菌のような嫌気性の胞子形成細菌は糖を酪酸発酵する以外に＿＿＿＿を発酵してエネルギーを獲得している。これは＿＿＿＿＿＿＿ (＿＿＿＿＿reaction)と呼ばれる酸化還元反応である。また，ある種のClostridium属細菌や他の嫌気性細菌では尿酸，ウラシルやニコチン酸なども発酵できる。

呼吸
　発酵においては基質から脱水素された＿＿＿＿＿はNADあるいはNADPを介して有機化合物を還元するが，好気的生物において水素原子は＿＿＿＿＿を還元する。これを＿＿＿＿と呼ぶ。即ち，
NADH + H+ +1/2 O2 -----> NAD+ + H2O
この反応の酵素系を電子伝達系といい，多くの電子伝達体が関わっている。また，一部の細菌は嫌気的条件下で硝酸，硫酸，炭酸を電子受容体として利用でき，これを好気呼吸と区別するために＿＿＿＿と呼ぶ。

呼吸と電子伝達
• 発酵が多くのエネルギーの生産をできない理由
１、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
２、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

電子伝達
• 膜結合性の電子伝達体からなる
• ２つの機能
１、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
２、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

電子伝達に関与する酸化還元酵素
1. NADH脱水素酵素：NADHから＿＿＿＿をとる
2. フラビンタンパク質：リボフラビン含有電子伝達体＿＿＿＿, ＿＿＿＿
3. ＿＿＿＿＿＿：鉄-ポルフィリン環＿＿＿＿を持つ
4. 鉄-硫黄タンパク質

これに加え、キノン
　
低分子化合物
　　キノン類（ユビキノン：CoQ）

　
電子伝達系におけるキャリアーの反応順序

　酸化還元電位と自由エネルギーの変化

TCAサイクル
　糖，脂質，アミノ酸からの中間体である＿＿＿＿＿＿＿の酢酸部分を＿＿＿＿と＿＿＿＿＿に完全酸化するためのサイクル。

１） このサイクルでは直接ATPは生成されないが，還元力（＿＿＿＿＿と＿＿＿)が生成され，これらが電子伝達系でATPに変換される。
２） スクシニル-CoAシンテターゼ（例外）
　　　　　　　　　　　　　
３）　TCAサイクルの酵素群
　　　細菌などの原核微生物：＿＿＿＿＿＿
　　　酵母などの真核微生物：＿＿＿＿＿＿

グリオキシル酸回路
　＿＿＿＿や＿＿＿＿＿＿のようにピルビン酸を通らないでアセチルCoAに変化する物質の酸化に働いている回路。この回路には脱炭酸反応が含まれないので，完全酸化の系としては意味が無いが，アセチルCoAを原料にしてC４ジカルボン酸＿＿＿＿＿，＿＿＿＿＿を供給してTCA回路を回転させるのに役立っている。

嫌気呼吸（Anaerobic respiration)

エネルギー生産の多様性

＜ちょっと息抜き＞
微生物の勉強初心者には意外にいいかも。微生物に親しみがもてます。

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