第五章微生物的营养与代谢

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 微生物的营养与代谢,通过本章的学习,要求掌握:,1,、,通过本章的学习,掌握微生物所需要的营养物质、营养类型、微生物吸收营养的方式及培养基的配制和类型。,2,、,微生物代谢类型的特点及多样性。,3,、合成代谢所需小分子化合物及能量、还原力的产生。,4,、微生物细胞中特有的合成代谢。,重点:,1,、,微生物的营养类型,微生物吸收营养物质的方式。,2,、微生物的产能方式。,3,、微生物细胞中特殊的合成代谢(肽聚糖合成)。,难点:,1,、,微生物吸收营养物质的各种方式,2,、肽聚糖的合成过程。,第一节 微

2、生物的营养物质,营养:,生物体从外部环境吸收生命活动所必需的物质和能量,以满足其生长和繁殖需要的一种,生理过程,。,营养物质:,能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的,物质,。,一、微生物的化学组成,主要元素:,碳,、,氢,、,氧,、,氮,微量元素:,磷、硫、钾、锌等矿物质元素,占细菌细胞干重的,90%-97%,占细菌细胞干重的,3%-10%,二、微生物的营养物质,按照它们在机体中的生理作用不同,区分成,:,氮源,碳源,能源,生长因子,矿物质元素,水,微生物的营养要素,水,功能:,(1),是微生物细胞的重要组成成分,占微生物体湿重的,70%90%,,还供给微生物,氧和氢,两种元素;,

3、(2),维持细胞膨压,并使原生质保持溶胶状态;,(3),水是物质代谢的原料;,(4),微生物从外界吸收营养或从内部排泄废物的媒介;,(5),是热的良好导体,比热高,能有效地吸收代谢过程中放出的热并将其迅速散发,以免胞内温度骤然升高。,碳源,凡可被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳架来源的营养物通称,碳源,(,carbon source,)。,利用有机碳源的,异养型微生物,,其碳源往往同时又是,能源,。此时,碳源是一种具有双功能的营养物。另一类种类较少的,自养型微生物,,,则以,CO,2,为主要碳源。,碳源种类,简单的无机含碳化合物,-,CO,2,和碳酸盐,等;,复杂的天然有机化合物,-,糖与

4、糖的衍生物、醇类、有机酸、脂类、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的有机化合物,;,在多糖中,淀粉明显地优于纤维素或几丁质等多糖,纯多糖则优于琼脂等杂多糖和其他聚合物(如木质素)等。,微生物对糖类的利用,单糖优于双糖和多糖;,氮源,凡是能为微生物生长提供氮素来源的营养物质称为氮源。,氮 源,有机氮,无机氮,NH,3,铵盐,硝酸盐,N,2,尿素,蛋白质,核酸,氨基酸,根据对氨基酸合成的能力分为:,氨基酸自养型,和,氨基酸异养型,固氮微生物:,当没有化合态氮利用时,能利用,N,2,作为唯一氮源,通过固氮酶将其还原为,NH,3,,再进一步合成所需的全部有机氮化合物。,能源,能源:,能为微生物的生命活动提

5、供最初能量来源营养物或辐射能,能 源,化学物质,光能,化能异养微生物的能源,有机物,无机物,化能自养微生物的能源,光能自养和光能异养微生物的能源,许多营养物具有一种以上的营养功能。,1,、还原态无机营养物常是双功能的;,2,、有机物常起着双功能或三功能的营养作用,例如以,N,,,C,,,H,,,O,类元素组成的营养物常是异养型微生物的能源、碳源兼氮源。,3,、光是光合微生物所利用的单功能能源。,能作为化能自养微生物能源的物质都是一些还原态的无机物质,例如,NH,4+,,,NO,2-,,,S,,,H,2,S,,,H,2,和,Fe,2+,等,这些化能自养型的细菌包括硝化细菌、硫化细菌、氢细菌和铁细

6、菌等,矿物质元素,作用,酶活性中心的组成部分,调节微生物的原生质胶体状态,维持细胞的渗透平衡,维持生物大分子和细胞结构的稳定性,控制细胞的氧化还原电位,作为某些微生物的能源物质,构成细胞的结构成分,根据微生物生长繁殖对无机盐,(,mineral salts,),需要量的大小,可分为,常量元素和微量元素,两大类。,生长所需浓度在,10,-3,10,-4,mol/L,范围内的元素,可称为常量元素,例如,S,、,P,、,K,、,Na,、,Ca,、,Mg,、,Fe,等。,所需浓度在,10,-6,10,-8,mol/L,范围内的元素,则称为微量元素,如,Cu,、,Zn,、,Mn,、,Mo,、,Co,、,

7、Ni,、,Sn,、,Se,等。,Fe,实际上是介于大量元素与微量元素之间。,生长因子,生长因子:,那些微生物生长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满足机体生长需要的有机化合物,根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同,可将生长因子分为,维生素,、,氨基酸,与,碱基,三大类,主要用来构成酶的辅基或辅酶,第二节 微生物的营养类型,碳源,CO,2,有机物,自养,异养,能源,太阳光,氧化有机物或无机物,光能营养,化能营养,化能异养型,光能自养型,光能异养型,化能自养型,光能自养型,化能自养型,光能异养型,化能异养型,碳源,CO,2,CO,2,简单有机物或,CO,2,

8、有机物,能源,光能,无机物的氧化,光能,有机物氧化降解,供氢体,无机物(,H,2,O,,,H,2,S,),无机物,有机物,有机物,代表种,蓝细菌,硝化细菌,红螺菌,真菌,第三节 微生物摄取营养的方式,营养物质从微生物所处的周围环境通过细胞膜进人细胞的方式,可分为,4,种类型,即,简单扩散、促进扩散、主动运输和基团转位。,微生物摄取营养物质主要有,胞吞作用和渗透吸收,;,绝大多数微生物是,渗透吸收,,各种营养物质直接通过细胞膜的渗透和选择性吸收进入细胞。,简单扩散(,simple diffusion,),营养物质在扩散通过细胞膜的过程中,不消耗能量,,也,不发生化学变化,。物质扩散的动力是物质在

9、,膜内外的浓度差,。,非特异性。,简单扩散不是微生物吸收营养物质的主要方式,以这种方式运输的物质主要是一些分子量小与脂溶性的物质。如,水、一些气体(如氧)、甘油和某些离子,。,促进扩散,(,facilitated diffusion,),需要,载体蛋白,的参与;,高度的,立体专一性,;,不需要能量;,载体蛋白能促进物质运输加快进行,但营养物质仍,不能逆浓度梯度吸收,;,多见于真核微生物,例如酵母菌,某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。,主动运输,(,active transport,),需要,载体蛋白,的参与;,高度的,立体专一性,;,需要,消耗能量,,并且可以,逆浓度梯度运输

10、,。,是一种广泛存在于微生物中的主要物质运输方式。微生物在生长与繁殖过程中所需要的多数营养物质如氨基酸等主要是通过主动运输的方式运输的。,钠钾泵,细胞外,细胞内,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,膜内,膜外,细胞膜,糖,大肠杆菌磷酸转移酶系统(,PTS),基团转移(,group transport,),既需要载体蛋白又需要消耗能量的物质运输方式。,有一个,复杂的运输酶系统,来完成物质的运输,,底物在运输过程中发生,化学结构变化,。,主要存在于厌氧细菌和兼性厌氧细菌中。,主要用于,糖,的运输以及,脂肪酸、核苷、碱基,等物质的

11、运输。,第四节 培养基,培养基,是人工配制的,适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。,任何培养基都,应该,具备微生物生长所需要六大营养要素:,碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水,培养基配制应遵循的原则,目的明确:,根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基;,营养协调:,控制不同营养物的合适配比,(,C/N,比,),;,物理化学调件合适:,将培养基的水活度、,pH,和氧化还原电势,控制在适宜的范围之内;,灭菌处理:,培养基应无菌。,经济节约:,所用原料应遵循经济节约、来源广泛的原则。,按成分不同划分,复合培养基,合成培养基,半合成培养基,化学成分不详和化学成分已知的化合物配成的培养基。

12、,马铃薯蔗糖培养基:,马铃薯,200g,蔗糖,20g H,2,O 1000ml,。,化学成分完全了解的物质配制而成的培养基,放线菌(高氏,1,号),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,含有化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物,细菌(牛肉膏蛋白胨培养基):,牛肉膏,3g,蛋白胨,10g,NaCl,5g H,2,O 1000ml,按物理状态不同划分,固体培养基,液体培养基,半固体培养基,在液体培养基中加入一定量凝固剂,使其成为固体状态,琼脂含量一般为,1

13、.5%-2.0%,琼脂含量一般为,0.2%-0.7%,不加任何,凝固剂,固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏,观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定,大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究,按用途不同划分,基础培养基,鉴别培养基,选择培养基,基础培养基,牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基,含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基,选择培养基,用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基,培养基中加入某种化学物质,这种化学物质没有营养作用,对所需分离的微生物无害,但可以抑制或杀死其他微生物。如结晶紫、抗生素等。,1,、

14、加富培养基,也称营养培养基,即在基础培养基中加入某些,特殊营养物质,制成的一类营养丰富的培养基。如:纤维素分解菌。,2,、抑制性选择培养基,鉴别培养基,在成分中加有能与目的菌的无色代谢产物发生明显显色反应的指示剂,从而达到只需肉眼就能方便地从近似菌落中找出目的菌落的培养基。,伊红美蓝乳糖培养基(,EMB,培养基),15.0,琼脂,2.0,磷酸氢二钾,(K2HPO4),0.065,美蓝,0.4,伊红,10.0,乳糖,10.0,蛋白胨,(g),-,无色,好,-,很好,志贺氏菌,-,红色,好,-,很好,粪大肠菌群,-,无,好,-,很好,沙门氏菌,-,无色,不长,-,差,金黄色葡萄球菌,+,黑色,好,

15、-,很好,大肠杆菌,DH5,+,黑色,好,-,很好,大肠杆菌,JM109,+,黑色,好,-,很好,大肠杆菌,金属光泽,菌落颜色,生长情况,质控菌株,第五节 微生物的能量代谢,代谢(,metabolism,),:,活细胞内发生的各种化学反应的总和,复杂分子,(有机物),分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,物质代谢,分解代谢,(catabolism),合成代谢,(anabolism),能量代谢,产能代谢,耗能代谢,能量代谢是一切生物代谢的核心问题,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营养微生物,高能化合物,(,ATP,),最初能源,有机物,还原态无机物,日 光,通用能源,1,底物水平磷酸化

16、,不需氧,不经过呼吸链。,X,P+ADP,ATP+X,3,光合磷酸化,光合微生物捕捉光能,转给,ATP,藻类、蓝细菌:有光合系统,、,,进行环式和非环式光合作用。,CO,2,+H,2,O -(CH,2,O),n,-+O,2,绿细菌:只有光合系统,,进行环式光合磷酸化,CO,2,+2H,2,S -(CH,2,O),n,-+H,2,O+2S,2,氧化磷酸化,需,氧气,经过呼吸链。物质氧化放出的电子在呼吸链中传递时,放出能量,生成,ATP,一、,ATP,产生的主要方式,定义:,物质在生物氧化过程中,常生成一些含有高能键的化合物,而这些化合物可直接偶联,ATP,或,GTP,的合成,这种产生,ATP,等高能分子的方式称为底物水平磷酸化,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,定义:,物质在体内氧化时释放的能量供给,ADP,与无机磷,合成,ATP,的偶联反应,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,黄素腺嘌呤二核苷酸,特点:,物质氧化产生的质子和电子,通过一系列电子传递体,传给末端电子受体,并在此过程中生成,ATP,,即

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