第二章微生物的营养-课件.ppt

1、 微生物在新陈代谢活动中需要从外界获取能量和营养物质，在体内转化为自身的细胞成分并获得可利用的能量，同时将代谢废物排出体外。环境中存在的能满足微生物生长、繁殖和进行各种生理活动需要的物质统称为营养物质。微生物主动摄取和利用营养物质的过程称为营养，营养是微生物生命活动中和外界物质交换过程。能否作为微生物的营养物质需具备三个条件：该物质能否借助各种方法通过细胞膜进入细胞；细胞内是否含有能使该化合物直接组合成原生质的酶或是经化学变化后化合物能否变成适于组成原生质的分子；物质经过代谢作用后能否产生能量。第一节 微生物营养物质一、碳源二、氮源三、矿质养料四、生长因子五、水份一、碳源概念：凡可构成微生物细

2、胞和代谢产物中碳架来源的营养物质称为碳源。微生物利用碳源的情况多种多样。无机营养型微生物可以二氧化碳为唯一碳源。化能有机营养型微生物必须以有机物为必需碳源：糖类（单糖、寡糖、多糖）、有机酸、醇、脂、烃及芳香化合物。氨基酸既是氮源，又是碳源。常用的碳源物质主要有萄萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘露醇、甘油和有机酸。发酵工业中常用：饴糖、米粉、玉米粉、淀粉、米糠、纤维素。二、氮源概念：凡可构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质称为 氮源。微生物利用氮源的情况可以区分以下3种不同类型：固氮微生物：可利用分子氮(N2)为唯一氮源，合成全部含氮有机物。氨基酸自养型：可用无机氮(NH3，NO3-)或尿素为

3、唯一氮源，合成细 胞全部含氮有机物，是数量最多的类群。氨基酸异养型：不能合成某些必需氨基酸而必需从环境中吸收。实验室：微生物培养基中常用氮源有铵盐、硝酸盐、尿素、蛋白胨、多肽、氨基酸、蛋白质；工业上：常用鱼粉、豆饼粉、蚕蛹、玉米浆、酵母粉作为有机氮源。三、矿质养料大量元素主要有P、K、Ca、Mg、S、Na。分别参与细胞结构物质的组成、能量转移、代谢反应、调节胶体状态及细胞透性。P：核酸、磷脂、ATP、CoA、NAD、NADP、FAD、TPP（羧化辅酶）和FMN（黄素辅酶）是细胞 中主要含磷化合物，磷酸盐还可调节pH。S：含S氨基酸、CoA、B1、硫辛酸的组成元素，包含在蛋白质、辅酶和辅基中，在

4、细胞化学 组成和代谢活性等方面有重要作用。S、H2S 是硫细菌的能源物质。Mg：参与组成叶绿素、菌绿素等光合色素，是 一些酶的激活剂和调节剂，是核糖体和膜结 构的稳定剂，对某些重金属的毒害作用有一 定拮抗作用。K：虽不参与细胞结构，但它是许多酶作用的 激活剂，调控细胞原生质的胶体状态和细 胞膜的透性，细胞内K+浓度远大于胞内。Na：主要维持细胞的渗透压，在海洋和噬盐微 生物细胞内含有较高浓度的Na+。Ca：参与调节细胞生理状态，如维持细胞胶体 状态，降低膜的通透性，调节pH，拮抗金 属离子毒性，蛋白酶的激活剂，芽胞的组 分，与抗热性有关。微量元素多是辅酶和辅基的成分，或是酶激活剂。常需添加Fe

5、、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Co等。一般情况，水及其他成分中作为杂质已含有足够的微量元素，过量加入反而有害。Fe：细胞色素、细胞色素氧化酶、过氧 化氢酶、过氧化物酶的活性基成分。Zn：乙醇和乳酸脱氢酶活性基成分。Cu：多酚氧化酶的活性中心。Mo：参与构成固氮酶和硝酸还原酶。Mn：多种酶的激活剂。W、Ni：与甲酸脱氢酶、尿酶的活性有关。四、生长因子 概念：一些用量虽少却能明显促进微生物生长的 有机化合物称生长因子。主要有维生素、氨基酸、核苷类(碱基)。不需要生长因子而能在基础培养基(除了糖类外不含其他有机物)上生长的菌株叫野生型菌株；由自发突变或诱发突变等原因从野生型产生的需要特定生长因子的菌

6、株叫营养缺陷型菌株。维生素一般需要浓度：1-50ng/ml维生素B1（硫胺素）、维生素B2（核黄素）、维生素B3（泛酸）、维生素B5（烟酸）、维生素B6（吡哆素）、维生素B11（叶酸）、维生素B12（钴胺素）、生物素（H）、维生素K、维生素C、硫辛酸。氨基酸一般需要浓度：20-50ug/ml二十种氨基酸氨基酸自养型生物、氨基酸异养型生物。核苷类(碱基)一般需要浓度：200-2000ug/ml四种核苷类(碱基)五、水份 水是细胞重要组分，保持细胞正常的胶体状态；是代谢反应的重要介质，营养物质必须先溶于水，才能被吸收进细胞内；水的比热高，可有效地吸收代谢中所放出的热；水又是热的良导体，有利于散热、

7、调节细胞温度。氧 氧是好氧性微生物不可缺少的营养物质之 一，它参与某些物质代谢中的加氧反应。氧是物质有氧降解中最终的电子受体，从这个过程中产生能量。根据微生物对氧的需求有：专性好氧微生物、专性厌氧微生物、兼性好氧或兼性厌氧微生物、微好氧性微生物等。专性厌氧微生物不能在有氧环境中生存 专性厌氧微生物体内缺少超氧物歧化酶和过氧化氢酶。在微生物体内氧化还原作用下，氧还原生成超氧基（O2）化合物，H+和过氧化氢（H2O2）这些物质对微生物有毒害作用，但好氧或兼性厌氧微生物体内有超氧物歧化酶和过氧化氢酶，可将这些物质分解，反应过程如下两式：超氧物歧化酶 2O+2H+H2O+O2 （1）过氧化氧酶 2H2

8、O2 2H2O+O2 （2）某些兼性厌氧菌体内只有超氧物歧化酶，可进行反应（1）。代谢过程中产生的H2O2在氧化其它代谢产物过程中被分解。所以不再产生毒害作用。不同生物体内超氧物歧化酶与过氧化氢酶的活性不同。氧可以改变氧化还原电势（Eh），当环境中有氧时，随着氧浓度增加，胞外Eh升高。厌氧微生物要求环境中Eh应低于0.1V，当Eh超过此值时，其正常代谢活动就不能进行，生命将终止。好氧微生物在氧浓度很高时，体内还原 型烟酰胺核苷酸类物质浓度降低，由此推测在有氧条件下，厌氧微生物体内还原型烟酰胺核苷酸类物该减少，从而影响其代谢过程致使不能生长。第二节 微生物的营养类型一、光能无机营养型二、光能有机

9、营养型三、化能无机营养型四、化能有机营养型 尽管对微生物营养类型的划分存在一些不同的意见，但基本上是根据能量来源和合成必要代谢物质的能力来划分的。根据能源来分根据能源来分光能营养型化能营养型寄生营养型根据合成必要代谢物质的能力来分自养型异养型低能营养型 光能营养型主要借光化学反应获得能量，这种营养型可分为两类：光能无机营养型，依赖外来的无机氢给体而生长。如绿色硫细菌主要以无机硫化物作为供氧体。光能有机营养型，依赖外来的有机氢给体而生长，如红螺菌属可以从丙酮酸、琥珀酸等有机酸作为供氢体，同时也作为碳源。化能营养型完全借暗化学反应获得能量，也分为两类：化能无机营养型：借氧化外来无机物而生长；化能有

10、机营养型：借氧化或发酵外来的有机物质而生长。寄生营养型由寄主细胞提供能量，根据寄主细胞的不同，可分为三个类型：细菌营养型，只能在细菌细胞内生长；植物营养型，只能在植物细胞内生长；动物营养型，只能在动物细胞内生长。自养型能合成所有必要的代谢物质，又分为：专性自氧型，有还原氧化态有机营养物的能力；半自类型，需要供给一种或几种还原态的有机营养物才能生长，因为此型不能还原氧化态的有机营养物。异养型不能合成所有必需的代谢物质，需要供给一种或几种生长因子或维生素，才能生长。低能营养型依靠寄生结构的重组进行繁殖的一些自我复制单位（如噬菌体、病毒等）1964年，在美国冷泉港召开的讨论会曾建议，把微生物摄取营养

11、的方式加以综合，提出四种方法，即：光能无机营养型 光能有机营养型 化能无机营养型 化能有机营养型微生物在营养类型上比高等生物复杂。通常依据微生物获取能源、碳源、氢、或电子供体方式，可以区分为四种营养方式。营养类型 能源 碳源 氢供体 实例 光能自养 光能 CO2 H2O/还原态无机物 蓝细菌、紫硫细菌等 光能异养 光能 CO2 有机物 红螺菌科的细菌 化能自养 化学能 CO2 还原态无机物 硝化细菌、铁细菌等 化能异养 化学能 有机物 有机物 大多数细菌、全部真菌 上述营养类型划分的意见，都是从一定的角度提出来的，因此在一定意义上讲是正确的，都有其所依据的客观事实，都能说明一些问题。但如果对细

12、菌这一类微生物的全部生活方式进行详尽的分析，那么就会发现营养类型之间的界线并不那么明显。例如深红螺菌既能利用太阳光能，也能利用有机物氧化的能量。又如草酸极毛杆菌靠有机物质氧化反应（蚁酸的氧化）为唯一能源，但又依靠CO2同化作用生活，象这样的微生物是自养型还是异养型？另外还要指出的是随着环境条件的变化，微生物营养类型可以转移，如氢细菌在有机物质存在下，能积极利用有机物质从化能无机自养类型转移到化能有机异养型，没有有机物质存在时，营养型则可以逆转。光能无机营养型光能无机营养型又称光能自养型。是一类具有光合色素，能利用光能并能 以水/还原态无机物作为供氢体同化二氧化碳的生物。藻类、蓝细菌和光合细菌属

13、于这种类型。光合色素是一切光合生物特有的色素，主要有叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素，后两者为辅助色素，功能是捕获光能，并在强光下可保护叶绿素。1.产氧光合作用藻类、蓝细菌内含叶绿素，可进行：CO2十H2O CH2O十O2绿 藻：叶绿素b，类胡萝卜素。生存条件：光、水、N红 藻：叶绿素a，藻胆素 无机盐、CO2、pH中蓝细菌：叶绿素a，类胡萝卜素，藻胆素 性至微碱。光 能 叶绿素2.不产氧光合作用 光合细菌：细胞内含有与叶绿素类似的菌绿素，但不能进行以H2O为供氧体的非环式光合磷酸化作用，不产O2，光合细菌以还原态无机硫化物(如H2S、S或S2O3-2等)作为电子供体来同化CO2，在细胞内或外积累元

14、素硫:CO2十2H2S CH2O十H2O2S 紫色细菌：只含菌绿素a或菌绿素b 绿色细菌：含菌绿素c、d、e和菌绿素a（次要）生存条件：光、厌养、水、二氧化碳、H2/硫化合物，在次表层水域，表层水有蓝细菌、藻类。光 能 菌 绿 素二、光能有机营养型 该类型不能以无机物作为供氢体，需要简单的有机物为供氢体来同化CO2，如紫色非硫细菌中的红螺菌：CH3 CO2十2CH3一CHOH CH2O十2CH3COCH3十H2O 这一类群不能以硫化物为唯一电子供体，需同时供给某些简单的有机物和少量维生素才能生长。在有光、厌养条件下为光能异养，在黑暗、好养条件下进行化能异养。光 能菌 绿 素三、化能无机营养型1

15、.硝化细菌2.硫化细菌3.铁细菌4.氢细菌该类微生物氧化无机物获取能量，以CO2为唯一或主要碳源，因能量的限制，生长缓慢，有机物一般对其有毒害作用。1.硝化细菌 亚硝化细菌群亚硝化细菌群（亚硝化螺菌属、亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属）：该类微生物可将铵盐氧化为亚硝酸，以获取能量:2NH4+十302 2NO2-十2H2O4H+十 148Kcal 硝化细菌群硝化细菌群：硝化杆菌属、硝化球菌属、硝化刺菌属，该类微生物可将NO2-进一步氧化为硝酸，以获取能量:NO2-十1/202 NO3-十 48.1 Kcal2.硫化细菌 该类微生物能氧化还原态无机硫化物H2S、S、S2O3-和SO3-等以获取能量，好

16、氧、兼厌养细菌，多数为化能自养菌:H2S十1/2O2 H2O十S十50.l Kcal S十3/2O2十H2O H2SO4十149.8 Kcal 代表类群：硫杆菌属、硫小杆菌属、硫微螺菌属 氧化硫硫杆菌因产酸可使环境pH降至2.0以下，因而可从含硫废矿渣中回收铜等有色金属，用于细菌冶金。3.铁细菌 铁细菌可将Fe2+氧化为Fe3+以获取能量:2Fe2+1/2O2十2H+2Fe3+H2O21.2 Kcal 铁细菌多分布于温泉、池塘、河流等含二价铁较高的水体中，代表类群：铁杆菌属、嘉氏铁细菌属。4.氢细菌该类微生物具有氢化酶能氧化氢以获取能量：H2十1/2 02 H2O十56.7 Kcal四、化能有

17、机营养型 该类微生物以有机物为能源和碳源，种类最多，作用最强。绝大多数细菌、全部真菌和原生动物属本类型。不同类群需要的碳源、氮源、矿质元素和生长因子表现出极大差异。C6H12O66O2 6CO26H2OE 或C6H12O6 发酵不同产物第三节 微生物细胞中物质的跨膜运输 微生物细胞具有极大的表面积可以很快地，大量地从外界吸收营养物质，满足自身代谢的需要。由于微生物细胞结构简单，没有专门的吸收分泌器官，营养物质必须是溶质或溶解（气体）状态才能吸收。目前认为虽然细胞壁和荚膜对营养物的吸收也有一定的作用，但主要是通过细胞膜控制物质的吸收和分泌。由于膜的结构特点决定了对物质的吸收具有选择性，当逆浓度梯

18、度吸收物质时，还需要能量，所以物质能否进入细胞，吸收的数量与速度都和细胞的生理状态及环境条件有关。一、小分子营养物质的跨膜运输 二、大分子营养物质的跨膜运输一、小分子营养物质的跨膜运输1.被动扩散2.促进扩散3.主动运输4.基团转位 绝大多数微生物以渗透方式通过细胞膜从环境中或寄主细胞 获取营养物质。由于微生物个体微小，比表面积大，因而可以高效进行胞内 外物质交换。细胞壁是内外物质交换的屏障之一，普通细胞壁的结构可容 分子量小于800dt的小分子物质进出，但能阻挡大分子的进 出。所以复杂的有机物在进入细胞前必须先经过胞外酶的分 解才能进入细胞，这些酶多为适应酶，主要有：淀粉酶、纤 维素酶、果胶

19、酶、几丁质酶、蛋白酶、核酸酶、脂酶。细胞质膜具有选择透性，是细胞内外物质交换的主要界面，许多生物能逆物质浓度梯度方向在胞内富集K+、Na+、I、Cu、氨基酸，胞内浓度可比胞外高出10106倍。已知细胞对营养物质的吸收存在着4种不同的机制。1.被动扩散 被动扩散是由于细胞内外营养物质浓度差而产生的物理扩散作用，非特异性。扩散速度决定于浓度差，分子大小，溶解性，极性，pH，离子强度，温度。不需载体蛋白，也不消耗能量，不能逆浓度梯度，速度慢，能运输的种类有限。主要运输水、溶于水的气体、小分子极性物质（尿素、甘油、乙醇）。2.促进扩散 酶与营养物质可逆性结合来加快运输速度，动力为浓度梯度，不消耗能量，

20、不改变内外浓度的动态平衡。促进扩散特性是:特异性；速度快，比被动扩散提前达到动态平衡；养料浓度高时，因透酶数量有限，出现饱和现象。通过促进扩散运输的物质包括了非脂溶性的和带电荷的分子以及各种离子。参与促进扩散的膜运输蛋白一般可分为载体蛋白和通道蛋白两种。3.主动运输 微生物吸收营养物质的主要方式，使其在自然界稀薄的养料环境中生存。特点是：载体蛋白和养料具有特异性；消耗细胞能量；逆浓度梯度吸收营养物质；改变运输反应的动态平衡点。主动运输需要能量，能量主要来源于ATP和质子梯度，因而可分为ATP动力型和质子动力型两种类型。ATP动力型是主动运输的主要形式，它利用ATP或其它高能磷酸化合物的能量，将

21、运输物从低浓度处向高浓度处运输，因而主动运输中的载体蛋白往往被称为泵。泵的主要类型有P-型泵和F-型泵。F-型泵涉及到将H+排出细胞或伴随着H+进入细胞产生ATP的过程。钠钾泵:是一种ATF酶，通过能量代谢，改变酶的构型，以把Na+排出胞外，把K+运进细胞。质子动力型又称为化学渗透动力型，它借助于已建立的离子浓度梯度如质子或Na+梯度为动力，逆浓度梯度运输物质。按物质运输的方向可分为三种基本类型，即同向运输（或称为共传递）、反向运输和单向运输，前两者又称为偶联运输。基团转运是指细胞在运输物质过程中，同时伴有对运输底物进行化学修饰的一种运输方式。基团转运属于主动运输，有能量的消耗和载体蛋白的参与

22、，但因为底物的分子结构发生了变化，因而对原运输底物而言，是顺浓度梯度运输物质。这种运输方式只在原核生物中发现。4.基团转位依赖于磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移系统大肠杆菌中的磷酸转移酶系统就是在磷酸转移酶的作用下，将磷酸基团转移给所运输的底物如糖，将糖分子以磷酸化糖的形式运进细胞。运输的能量来源于代谢中间产物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。运输的物质主要是糖类如乳糖、葡萄糖、甘露糖、甘露醇以及一些嘌呤和嘧啶等物质。磷酸转移酶系统主要由酶、酶和热稳定蛋白HPr组成。由于E和HPr参与了所有通过PTS运输的碳水化合物的运输，所以当编码E和HPr的基因突变时，将导致所有通过PTS运输的物质不能通过细胞膜，而

23、针对于某一底物的E 基因突变时只能导致特定的糖不能运输，不会影响其它糖的运输。通过PTS将糖等物质以磷酸化的方式运进细胞，使这些物质在胞内的浓度处于低水平，不仅有利于该物质的运输，而且有利于后续代谢过程的进行，磷酸化糖还有利于物质在细胞中的积累，不易从细胞中渗出。长链脂肪酸运输中的CoA转移系统 大肠杆菌和酵母菌吸收长链脂肪酸也是通过基团转运的方式进行的。四类不同运输方式特征的比较四类不同运输方式特征的比较四类不同运输方式特征的比较四类不同运输方式特征的比较二、大分子营养物质的跨膜运输1.蛋白质的转运 2.蛋白质的分泌机制 大分子营养物质如多糖，脂肪，蛋白质及核酸等，一般不能透过微生物细胞质膜

24、，需要先经过相应的酶作用将之分解为小分解子物质后，才能被运送到细胞内，但也发现某些微生物在特定条件下，可以直接把核酸，蛋白质吸收到体内或分泌到体外，有关机制有不同的说法。在细胞大分子物质的运输中，蛋白质的运输占有很重要的地位。由于细胞膜的屏障作用，一般情况下大分子营养物质如淀粉、脂类和蛋白质等不能自由地穿过细胞膜，所以微生物分泌水解酶类，首先将大分子营养物水解后，才可吸收加以利用。而这些水解酶均为蛋白质大分子，它们必须通过一定的机制才能向胞外分泌。除了酶类物质外，其它一些大分子物质如毒素的分泌、细胞膜和细胞壁上的蛋白质结构成分的定位等也都需要进行蛋白质的跨膜运输。因为细胞壁的肽聚糖层对这些大分

25、子是可通透的，因而大分子物质的运输需要克服的是膜的屏障。对于G-菌而言，蛋白质不仅要通过细胞内膜还要通过细胞外膜，一般来说，把蛋白质通过细胞内膜运送到达周质空间的过程称为转运，而到达细胞外称为分泌。在G-菌中蛋白质分泌较为复杂，有些蛋白质可从细胞质直接通过细胞内膜和细胞外膜运输到细胞外，有些则要先通过细胞内膜到达周质空间，再通过细胞外膜到达细胞外。1.蛋白质的转运 到目前为止，在大肠杆菌细胞中发现了两种蛋白质转运系统，一为Sec 转运系统，一为Tat 转运系统。两种转运系统有一定的共性，表现在以下两点：所转运的蛋白质含有信号肽。合成的蛋白质前体上均在N-端有介导转运的信号肽，信号肽均由3部分形

26、成，位于N末端的带正电荷的n-区、形成-螺旋的疏水性的h-区和位于C末端的含有信号肽酶切点的c-区。信号肽在蛋白质穿越细胞内膜时被信号肽酶切除。在两种转运系统中，蛋白质的转运都需要消耗能量。Sec转运系统的能源来自于ATP的水解，在不同的阶段还需要质子梯度提供能量。而Tat转运系统的能量来自于质子梯度，与植物叶绿体中蛋白质转运的pH依赖系统相似。两种转运系统之间存在着显著的差异性：Sec转运系统转运的蛋白质以松散的线状形式转运，而Tat转运系统转运的蛋白质以折叠形式转运，且绝大多数转运的蛋白为与细菌厌氧呼吸有关的并含有氧化还原辅因子的酶。Tat信号肽通常比Sec信号肽长，含有双精氨酸保守序列核

27、心S/T-R-R-x-F-L-K，特征性氨基酸含量也不同于Sec信号肽。2.蛋白质的分泌机制 细菌合成的蛋白质可定位于细胞表面或分泌至上清液中，不仅形成细胞外层的屏蔽成分，其分泌的水解酶类与营养吸收有关，病原微生物还可分泌毒素，从而感染寄主细胞，引起疾病。蛋白质的分泌从整体上有5种形式，即I型蛋白质分泌系统，也称为ABC转运系统，II型分泌系统，也称为普遍性分泌途径和其它3种分泌系统。细菌的分泌方式可分为两大类，一类依赖于Sec转运系统，包括了3种类型，通过这些途径的蛋白质首先要经过Sec转运系统进入周质空间，再通过细胞外膜分泌至胞外。第二类不依赖于Sec转运系统包括了2种类型，通过这种分泌系

28、统分泌的蛋白质不通过转运这一中间过程，而是直接分泌至胞外。核酸的吸收 枯草芽孢杆菌和肺炎双球菌等少数可以进行转化作用的菌株，在对数生长的末期，细胞可以吸收分子量约106,具有双链螺旋结构的DNA，此时细胞处于感受性状态，关于细胞吸收DNA的机制有两种说法。酶受体学说 局部化原生质体学说酶受体学说 该学说认为在感受性细胞表面上具有一种酶，作为DNA通过的受体。此受体具有特异性。蛋白质合成的抑制剂，可以抑制这种感受性，这种酶虽然相当于载体的概念，但高分子核酸能否借助于载体而通过细胞膜还是个疑点。局部化完生质体学说 该学说认为可以吸收核酸的细胞含有自溶酶，即N-乙酰胞壁酸-L-丙氨酸酰胺酶，可以使细

29、胞壁肽聚糖的N-乙酰胞壁酸和L-丙氨酸之间的肽链断裂，使细胞局部原生质化，核酸通过这部分进入细胞内。本章复习思考题1.微生物的营养物质有哪些？2.试述水对微生物生长的意义。3.常用的微生物碳源有哪些？4.常用的微生物氮源有哪些？5.简述P、S、Mg、K、Ca、Fe、Cu等元素 在微生物体中的生理功能。6.微生物生长因子包括哪几类？7.试述各种维生素在微生物体中的作用？8.比较维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶在微 生物体中的需要量。9.试述专性厌氧微生物为什么不能在有氧 环境中生存？10.举例说明微生物的营养类型。11.试述小分子营养物质的四种吸收方式。12.试述大分子营养物质的吸收和分泌。13.蛋白质转运系统有哪几类？14.Sec 转运系统和Tat 转运系统共性有哪些？15.Sec转运系统和Tat 转运系统差异性有哪些？