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미생물이야기 미생물 생장에 필요한 영양소를 외부환경인 세포 밖으로부터 섭취해야 한다?
2013-08-09 10:33:25
이엠생명과학연구원

미생물 생장에 필요한 영양소를 외부환경인 세포 밖으로부터 섭취해야 하며 주영양소로는 탄수화물, 지질 단백질, 핵산 등의 합성과 에너지를 생산하는데 필요한 10여 가지와 보조인자인 미량원소가 있다. 이들 물질들이 적절한 수준으로 공급될 때에 개체수가 증가하는 생장현상이 나타난다. 생장은 pH, 온도 산소농도 등 많은 환경조건에 의하여 영향을 받는다.

 

 

1) 영양소

(1)주영양소(mg수준/ml)

미생물체 조성을 분석해보면 세포중량의 95% 이상이 탄소, 수소, 산소, 질소, 황, 인, 칼슘, 칼륨, 마그네슘, 철 등으로 구성된 물질이 주요 구성물질임을 알 수 있다. 이 물질들 중에서 탄소, 수소, 산소, 질소, 황, 인 등은 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산 등의 구성성분으로 존재하며 유기영양소로 이용되다. 반면에 칼슘, 칼륨, 마그네슘, 철 등은 세포내 이온으로 존재하며 여러 가지 생리작용에 다양한 역할을 하게 된다.

 

(2) 미량영양소(ug수준/ml)

미량원소들로는 망간, 아연, 코발트, 니켈, 구리, 몰리브덴 등이 있으며, 이들은 매우 적은 량으로도 미생물 생장에 충분하며 무기영양소로 이용된다. 일부 효소 활성부위(Zn++), 인산기 전이 촉매효소에 도움(Mn++), 질소고정에 필요(Mo++), 비타민 B12의 구성요소(Co++) 등을 구성한다.

 

(3) 환경반영 영양소

주영양소와 미량원소 이외에 미생물이 서식하고 있는 환경을 반영하는 영양소가 있다. 바다와 염분을 함유하고 있는 호수나 식품 염지액 에서 서식하고 있는 미생물들은 고농도의 나트륨 이온에 따라 생장이 좌우되기도 하며, 규조류에는 세포벽 형성에 필요한 규산염(SiO2)를 필요로 한다.

 

(4) 생장인자(growth factor)

미생물체에 필수적인 세포성분이거나 또는 그 전구물질이면서 미생물에 의하여 합성되지 않는 유기화합물을 생장인자라고 한다. 생장인자로는 아미노산, 퓨린과 피리미딘 염기, 그리고 비타민 등이 있다.

 

2) 탄소원

영양적인 측면에서 볼 때 미생물이 독특한 성질은 다양한 형태의 탄소원을 이용한다는 점이다. 유기물을 형성하는데 필요한 탄소원은 수소를 제공하는 많은 분자들과 분자가 산화된 상태여서 수소를 함유하지 못하는 이산화탄소(CO2)가 있다. 이산화탄소를 고정하여 환원시켜 유기분자를 형성하는 독립영양생물(autotroph)는 이산화 탄소를 탄소원으로 이용한다. 탄소원으로 환원되었거나 기존의 유기물을 이용하는 종속영양생물(heterotroph)은 탄소원과 에너지로서 모두 유기영양소를 이용한다.

 

3) 영양요구성의 변화와 요구형태

(1) 영양요구성 변화

미생물의 영양요구성은 종들 간에 매우 다양하다. 대다수의 자연에 존재하는 미생물 종들과 같이 영양을 요구하는 원영양미생물(prototroph)이 합성기구에 변이가 일어나면 자연으로부터 얻은 영양분을 이용하여 필요한 영양소를 합성하지 못하게 된다. 따라서 외부로부터 이러한 물질들을 획득하여야 하는데 이를 영양요구미생물(auxotroph)라고 한다. 이들은 주로 특정 아미노산 합성이 차단되어 나타나는 것이 대부분이다. 이와 같은 영양요구미생물은 아미노산이 핵산 구성물질이라는 점에서 미생물 유전학 연구에 중요하다.

 

(2) 영양요구형태

미생물이 생장을 하기 위해 필요한 물질들은 전자, 수소 및 에너지원이다. 전자원에 따라서 환원된 무기물을 이용하는 무기영양생물(lithotroph)과 유기물로부터 전자 또는 수소를 얻는 유기영양생물(organotroph)이 있다. 에너지원에 따라서 광합성중에 포착된 빛에너지를 이용하는 광영양생물(phototroph)과 유기물이나 무기물을 산화시켜 에너지를 얻는 화학영양생물(chemotroph)로 나눈다. 생합성을 위한 탄소, 에너지, 수소, 전자원으로서 유기물을 이용하는 화학종속영양생물(chemoheterotroph)이라고 하며, 모든 식품 유래 병원균은 이에 속한다. 오염된 호수나 하천이 주요 서식지인 광종속영양생물(photolithotropic heterotroph)과 철, 질소 황 등이 분자와 같은 환원무기물을 산화시키는 광독립영양생물(phototrophic autotroph), 그리고 생지화학적 물질순환에 중요한 화학독립영양생물(chemotrophic autotroph)에 속하는 미생물은 적으나 생태학적으로 중용성이 있다. 무기에너지원과 유기탄소원에 의존하는 생물을 혼합영양생물(mixotroph)라고도 한다.

 

4) 영양소의 흡수

미생물의 생존과 생장을 위해서는 영양소를 외부로부터 세포내로 운반하여야 한다. 이온화 된 물질들은 막공(pore)을 통하여, 지질이나 비극성물질은 막지질을 통하여, 그 밖의 물질들은 운반체(carrier)에 의하여 세포막을 통과하게 된다. 생물의 영양소 흡수기작은 매우 특수하다. 특히 반드시 필요한 물질만 흡수하며 사용하지 않는 물질의 유입은 세포생장에 도움이 되지 않는다. 양양소가 부족한 환경에서 살아남기 위해서는 세포내 농도보다 낮은 농도의 영양소를 세포내로 흡수할 수 있어야 한다. 따라서 세포내 영양소 유입과 관련된 수송기작에는 여러 가지 수송 기작을 활용하게 된다.

 

(1) 수동수송(Passive transport)

수동수송은 농도가 높은 세포외 환경에서 농도가 낮은 세포내로 구배를 따라 이동하는 수송기작으로서 에너지가 필요하지 않는다.

확산(diffusion)은 수동수송의 하나로서 세포막의 비특이적인 지질층에 의해서 분자들이 무질서운동으로 일어난다. 따라서 확산속도는 세포의 지름에 반비례한다. 지질을 통한 확산은 확산물질이 지질에서 용해성, 온도와 같은 요인에 의해서 영향을 받으며, 막공을 통한 확산은 세포막의 선택적 투과성에 의하여 물과 수용성 분자 또는 H+, Na+, Cl- 등과 같은 이온들이 통과기작으로서 확산물질의 전하, 크기, 막공표면의 전하에 따라서 영향을 받는다.

촉진확산(facilitated diffusion)은 비특이적인 운반체의 도움을 받아 분자들이 세포막 내로 이동하는 수송기작이다. 운반체들은 확산물질의 농도에 비례하여 확산속도를 달리한다. 즉 농도가 2배 많을 때에는 확산속도는 2배 증가한다.

삼투(osmosis)는 물만 선택적으로 통과시키는 확산을 말한다. 이와 같이 순수한 용매가 용액속으로 들어가려는 경향을 말하는 것으로서 삼투압에 의하여 물이 세포 주변환경으로 빠져나가 세포질이 줄어들거나 함몰될 때 고장액이라고 하며, 세포의 부피가 변하지 않을 때를 등장액이라고 한다.

 

(2) 능동수송(active transport)

능동수송은 구배농도에 역행하는 이동을 수행하는 수송기작이다. 따라서 이때에는 에너지를 소비하게 된다. 미생물에 있어서 능동수송은 세포내 영양소 농도보다 낮은 주변환경으로부터 영양소를 흡수하는 면에서 중요한 기작이다.

 

(3) 집단수송(group translocation)




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