第五章微生物的營養(yǎng)與代謝

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第五章 微生物的營養(yǎng)與代謝,通過本章的學習，要求掌握：,1,、,通過本章的學習，掌握微生物所需要的營養(yǎng)物質、營養(yǎng)類型、微生物吸收營養(yǎng)的方式及培養(yǎng)基的配制和類型。,2,、,微生物代謝類型的特點及多樣性。,3,、合成代謝所需小分子化合物及能量、還原力的產生。,4,、微生物細胞中特有的合成代謝。,重點：,1,、,微生物的營養(yǎng)類型，微生物吸收營養(yǎng)物質的方式。,2,、微生物的產能方式。,3,、微生物細胞中特殊的合成代謝（肽聚糖合成）。,難點：,1,、,微生物吸收營養(yǎng)物質的各種方式,2,、肽聚糖的合成過程。,第一節(jié) 微

2、生物的營養(yǎng)物質,營養(yǎng)：,生物體從外部環(huán)境吸收生命活動所必需的物質和能量，以滿足其生長和繁殖需要的一種,生理過程,。,營養(yǎng)物質：,能夠滿足機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需要的,物質,。,一、微生物的化學組成,主要元素：,碳,、,氫,、,氧,、,氮,微量元素：,磷、硫、鉀、鋅等礦物質元素,占細菌細胞干重的,90%-97%,占細菌細胞干重的,3%-10%,二、微生物的營養(yǎng)物質,按照它們在機體中的生理作用不同，區(qū)分成,:,氮源,碳源,能源,生長因子,礦物質元素,水,微生物的營養(yǎng)要素,水,功能：,(1),是微生物細胞的重要組成成分，占微生物體濕重的,70%90%,，還供給微生物,氧和氫,兩種元素；,

3、(2),維持細胞膨壓，并使原生質保持溶膠狀態(tài)；,(3),水是物質代謝的原料；,(4),微生物從外界吸收營養(yǎng)或從內部排泄廢物的媒介；,(5),是熱的良好導體，比熱高，能有效地吸收代謝過程中放出的熱并將其迅速散發(fā)，以免胞內溫度驟然升高。,碳源,凡可被微生物用來構成細胞物質或代謝產物中碳架來源的營養(yǎng)物通稱,碳源,（,carbon source,）。,利用有機碳源的,異養(yǎng)型微生物,，其碳源往往同時又是,能源,。此時，碳源是一種具有雙功能的營養(yǎng)物。另一類種類較少的,自養(yǎng)型微生物,，,則以,CO,2,為主要碳源。,碳源種類,簡單的無機含碳化合物,-,CO,2,和碳酸鹽,等；,復雜的天然有機化合物,-,糖與

4、糖的衍生物、醇類、有機酸、脂類、烴類、芳香族化合物以及各種含氮的有機化合物,；,在多糖中，淀粉明顯地優(yōu)于纖維素或幾丁質等多糖，純多糖則優(yōu)于瓊脂等雜多糖和其他聚合物（如木質素）等。,微生物對糖類的利用，單糖優(yōu)于雙糖和多糖；,氮源,凡是能為微生物生長提供氮素來源的營養(yǎng)物質稱為氮源。,氮 源,有機氮,無機氮,NH,3,銨鹽,硝酸鹽,N,2,尿素,蛋白質,核酸,氨基酸,根據對氨基酸合成的能力分為：,氨基酸自養(yǎng)型,和,氨基酸異養(yǎng)型,固氮微生物：,當沒有化合態(tài)氮利用時，能利用,N,2,作為唯一氮源，通過固氮酶將其還原為,NH,3,，再進一步合成所需的全部有機氮化合物。,能源,能源：,能為微生物的生命活動提

5、供最初能量來源營養(yǎng)物或輻射能,能 源,化學物質,光能,化能異養(yǎng)微生物的能源,有機物,無機物,化能自養(yǎng)微生物的能源,光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源,許多營養(yǎng)物具有一種以上的營養(yǎng)功能。,1,、還原態(tài)無機營養(yǎng)物常是雙功能的；,2,、有機物常起著雙功能或三功能的營養(yǎng)作用，例如以,N,，,C,，,H,，,O,類元素組成的營養(yǎng)物常是異養(yǎng)型微生物的能源、碳源兼氮源。,3,、光是光合微生物所利用的單功能能源。,能作為化能自養(yǎng)微生物能源的物質都是一些還原態(tài)的無機物質，例如,NH,4+,，,NO,2-,，,S,，,H,2,S,，,H,2,和,Fe,2+,等，這些化能自養(yǎng)型的細菌包括硝化細菌、硫化細菌、氫細菌和鐵細

6、菌等,礦物質元素,作用,酶活性中心的組成部分,調節(jié)微生物的原生質膠體狀態(tài)，維持細胞的滲透平衡,維持生物大分子和細胞結構的穩(wěn)定性,控制細胞的氧化還原電位,作為某些微生物的能源物質,構成細胞的結構成分,根據微生物生長繁殖對無機鹽,（,mineral salts,）,需要量的大小，可分為,常量元素和微量元素,兩大類。,生長所需濃度在,10,-3,10,-4,mol/L,范圍內的元素，可稱為常量元素，例如,S,、,P,、,K,、,Na,、,Ca,、,Mg,、,Fe,等。,所需濃度在,10,-6,10,-8,mol/L,范圍內的元素，則稱為微量元素，如,Cu,、,Zn,、,Mn,、,Mo,、,Co,、,

7、Ni,、,Sn,、,Se,等。,Fe,實際上是介于大量元素與微量元素之間。,生長因子,生長因子：,那些微生物生長所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以滿足機體生長需要的有機化合物,根據生長因子的化學結構和它們在機體中的生理功能的不同，可將生長因子分為,維生素,、,氨基酸,與,堿基,三大類,主要用來構成酶的輔基或輔酶,第二節(jié) 微生物的營養(yǎng)類型,碳源,CO,2,有機物,自養(yǎng),異養(yǎng),能源,太陽光,氧化有機物或無機物,光能營養(yǎng),化能營養(yǎng),化能異養(yǎng)型,光能自養(yǎng)型,光能異養(yǎng)型,化能自養(yǎng)型,光能自養(yǎng)型,化能自養(yǎng)型,光能異養(yǎng)型,化能異養(yǎng)型,碳源,CO,2,CO,2,簡單有機物或,CO,2,

8、有機物,能源,光能,無機物的氧化,光能,有機物氧化降解,供氫體,無機物（,H,2,O,，,H,2,S,）,無機物,有機物,有機物,代表種,藍細菌,硝化細菌,紅螺菌,真菌,第三節(jié) 微生物攝取營養(yǎng)的方式,營養(yǎng)物質從微生物所處的周圍環(huán)境通過細胞膜進人細胞的方式，可分為,4,種類型，即,簡單擴散、促進擴散、主動運輸和基團轉位。,微生物攝取營養(yǎng)物質主要有,胞吞作用和滲透吸收,；,絕大多數微生物是,滲透吸收,，各種營養(yǎng)物質直接通過細胞膜的滲透和選擇性吸收進入細胞。,簡單擴散（,simple diffusion,）,營養(yǎng)物質在擴散通過細胞膜的過程中,不消耗能量,，也,不發(fā)生化學變化,。物質擴散的動力是物質在

9、,膜內外的濃度差,。,非特異性。,簡單擴散不是微生物吸收營養(yǎng)物質的主要方式，以這種方式運輸的物質主要是一些分子量小與脂溶性的物質。如,水、一些氣體（如氧）、甘油和某些離子,。,促進擴散,（,facilitated diffusion,）,需要,載體蛋白,的參與；,高度的,立體專一性,；,不需要能量；,載體蛋白能促進物質運輸加快進行，但營養(yǎng)物質仍,不能逆濃度梯度吸收,；,多見于真核微生物，例如酵母菌，某些物質的吸收和代謝產物的分泌是通過這種方式完成的。,主動運輸,（,active transport,）,需要,載體蛋白,的參與；,高度的,立體專一性,；,需要,消耗能量,，并且可以,逆濃度梯度運輸

10、,。,是一種廣泛存在于微生物中的主要物質運輸方式。微生物在生長與繁殖過程中所需要的多數營養(yǎng)物質如氨基酸等主要是通過主動運輸的方式運輸的。,鈉鉀泵,細胞外,細胞內,1,1,2,3,4,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,酶,I,HPr,酶,IIa,酶,IIb,酶,IIc,磷酸糖,膜內,膜外,細胞膜,糖,大腸桿菌磷酸轉移酶系統(tǒng)（,PTS),基團轉移（,group transport,）,既需要載體蛋白又需要消耗能量的物質運輸方式。,有一個,復雜的運輸酶系統(tǒng),來完成物質的運輸，,底物在運輸過程中發(fā)生,化學結構變化,。,主要存在于厭氧細菌和兼性厭氧細菌中。,主要用于,糖,的運輸以及,脂肪酸、核苷、堿基,等物質的

11、運輸。,第四節(jié) 培養(yǎng)基,培養(yǎng)基,是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產生代謝產物的營養(yǎng)基質。,任何培養(yǎng)基都,應該,具備微生物生長所需要六大營養(yǎng)要素：,碳源、氮源、無機鹽、能源、生長因子、水,培養(yǎng)基配制應遵循的原則,目的明確：,根據不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基；,營養(yǎng)協(xié)調：,控制不同營養(yǎng)物的合適配比,（,C/N,比,）,；,物理化學調件合適：,將培養(yǎng)基的水活度、,pH,和氧化還原電勢,控制在適宜的范圍之內；,滅菌處理：,培養(yǎng)基應無菌。,經濟節(jié)約：,所用原料應遵循經濟節(jié)約、來源廣泛的原則。,按成分不同劃分,復合培養(yǎng)基,合成培養(yǎng)基,半合成培養(yǎng)基,化學成分不詳和化學成分已知的化合物配成的培養(yǎng)基。

12、,馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基：,馬鈴薯,200g,蔗糖,20g H,2,O 1000ml,。,化學成分完全了解的物質配制而成的培養(yǎng)基,放線菌（高氏,1,號）,淀粉,20g K,2,HPO,4,0.5g,NaCl,0.5g MgSO,4,.7H,2,O 0.5g KNO,3,1g FeSO,4,0.01g H,2,O 1000ml,含有化學成分還不清楚或化學成分不恒定的天然有機物,細菌（牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基）：,牛肉膏,3g,蛋白胨,10g,NaCl,5g H,2,O 1000ml,按物理狀態(tài)不同劃分,固體培養(yǎng)基,液體培養(yǎng)基,半固體培養(yǎng)基,在液體培養(yǎng)基中加入一定量凝固劑，使其成為固體狀態(tài)，瓊脂含量一般為,1

13、.5%-2.0%,瓊脂含量一般為,0.2%-0.7%,不加任何,凝固劑,固體培養(yǎng)基常用來進行微生物的分離、鑒定、活菌計數及菌種保藏,觀察微生物的運動特征、分類鑒定及噬菌體效價滴定,大規(guī)模工業(yè)生產及在實驗室進行微生物的基礎理論和應用方面的研究,按用途不同劃分,基礎培養(yǎng)基,鑒別培養(yǎng)基,選擇培養(yǎng)基,基礎培養(yǎng)基,牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎培養(yǎng)基,含有一般微生物生長繁殖所需的基本營養(yǎng)物質的培養(yǎng)基,選擇培養(yǎng)基,用來將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來的培養(yǎng)基,培養(yǎng)基中加入某種化學物質，這種化學物質沒有營養(yǎng)作用，對所需分離的微生物無害，但可以抑制或殺死其他微生物。如結晶紫、抗生素等。,1,、

14、加富培養(yǎng)基,也稱營養(yǎng)培養(yǎng)基，即在基礎培養(yǎng)基中加入某些,特殊營養(yǎng)物質,制成的一類營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基。如：纖維素分解菌。,2,、抑制性選擇培養(yǎng)基,鑒別培養(yǎng)基,在成分中加有能與目的菌的無色代謝產物發(fā)生明顯顯色反應的指示劑，從而達到只需肉眼就能方便地從近似菌落中找出目的菌落的培養(yǎng)基。,伊紅美藍乳糖培養(yǎng)基（,EMB,培養(yǎng)基）,15.0,瓊脂,2.0,磷酸氫二鉀,(K2HPO4),0.065,美藍,0.4,伊紅,10.0,乳糖,10.0,蛋白胨,(g),-,無色,好,-,很好,志賀氏菌,-,紅色,好,-,很好,糞大腸菌群,-,無,好,-,很好,沙門氏菌,-,無色,不長,-,差,金黃色葡萄球菌,+,黑色,好,

15、-,很好,大腸桿菌,DH5,+,黑色,好,-,很好,大腸桿菌,JM109,+,黑色,好,-,很好,大腸桿菌,金屬光澤,菌落顏色,生長情況,質控菌株,第五節(jié) 微生物的能量代謝,代謝（,metabolism,）,：,活細胞內發(fā)生的各種化學反應的總和,復雜分子,（有機物）,分解代謝,合成代謝,簡單小分子,ATP,H,物質代謝,分解代謝,(catabolism),合成代謝,(anabolism),能量代謝,產能代謝,耗能代謝,能量代謝是一切生物代謝的核心問題,化能異養(yǎng)微生物,化能自養(yǎng)微生物,光能營養(yǎng)微生物,高能化合物,（,ATP,）,最初能源,有機物,還原態(tài)無機物,日 光,通用能源,1,底物水平磷酸化

16、,不需氧，不經過呼吸鏈。,X,P+ADP,ATP+X,3,光合磷酸化,光合微生物捕捉光能，轉給,ATP,藻類、藍細菌：有光合系統(tǒng),、,，進行環(huán)式和非環(huán)式光合作用。,CO,2,+H,2,O -(CH,2,O),n,-+O,2,綠細菌：只有光合系統(tǒng),，進行環(huán)式光合磷酸化,CO,2,+2H,2,S -(CH,2,O),n,-+H,2,O+2S,2,氧化磷酸化,需,氧氣，經過呼吸鏈。物質氧化放出的電子在呼吸鏈中傳遞時，放出能量，生成,ATP,一、,ATP,產生的主要方式,定義：,物質在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯,ATP,或,GTP,的合成，這種產生,ATP,等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化,3-,磷酸甘油醛,1,，,3-,二磷酸甘油酸,3-,磷酸甘油酸,2-,磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,底物水平磷酸化,氧化磷酸化,定義：,物質在體內氧化時釋放的能量供給,ADP,與無機磷,合成,ATP,的偶聯反應,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,黃素腺嘌呤二核苷酸,特點：,物質氧化產生的質子和電子，通過一系列電子傳遞體，傳給末端電子受體，并在此過程中生成,ATP,，即