生物学第三章 微生物的营养与代谢2012课件

1,第 3 章 微生物的营养和代谢,2,本章内容：,3.1 微生物的营养 3.2 微生物的代谢,3,民以食为天,“谋求”,“养生”,营,养,4,3.1 微生物的营养,5,什么叫“营养”？,机体摄取和利用 的过程叫做营养,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。,营养物质,生理过程,物质基础,6,吃 饭 了 么,7,一、微生物的营养要求,（微生物们需要吃什么？）,二、培养基,（如何给微生物们做饭?）,三、营养物质进入细胞,（微生物们是怎样吃东西的?）,8,一、微生物的营养要求,（一）微生物细胞的化学组成,微生物细胞,培养,收集湿菌体,烘干至恒重,干细胞,灰分,无机物（盐）,有机物 蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素等及其降解产物,9,元素组成？,碳、氢、氧、氮、 磷、硫、钾、镁、钙等,主要元素macroelement：,占细菌细胞干重的90-97%,微量元素traceelement：锌、锰、氯、钼、硒、钴、铜等,10,你喜欢吃吗？Yes or No,人需要的营养物质？六大类：,油脂,蛋白质,糖类,无机盐,维生素,水,11,水,微生物营养物质,碳源营养物质,氮源营养物质,矿物质营养物质,生长因子,（二）微生物的营养物质及其生理功能,微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”,自然界许多物质可以被不同的微生物利用，根据其性质和作用可将微生物的营养物质分为：,12,1. 碳源营养物质及其功能,凡能提供微生物营养所需碳元素的营养物质称为碳源。,有机碳源,无机碳源,CO2、CO32-,糖类、有机酸、醇、脂类、 烃类及芳香族化合物,（1）概念,13,假设的，至少目前还未发现纯碳也可作为微生物的碳源,CHONX和 CHON虽也可被利用，但设计培养基时，还应尽量避免把这两类主要作宝贵氮源的化合物降格当作廉价的碳源使用,微生物的碳源谱,14,碳源谱,必须利用有机碳源,无机碳源为(唯一)主要碳源,异养微生物,自养微生物,最 适 碳 源,糖类优于其它化合物 单糖优于双糖、多糖 己糖优于戊糖 葡萄糖、果糖优于己糖,双功能营养物,15,（3）常用碳源,实验室,常以糖类提供C源 （葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉等）,发酵工业,淀粉类 （玉米粉、小麦粉、野生植物）,构成细胞及代谢产物的骨架； 大多数微生物代谢所需的能量来源。,16,在环境保护上有重要的意义： 利用石蜡、酚、氰化物塑料等高度不活跃的碳氢化合物和有毒物质。 霉菌和诺卡氏菌可以降解氰化物 假丝酵母可以降解塑料 假单胞菌可以降解酚类化合物 目前在微生物分类中已利用了140种碳素化合物进行了菌种鉴定,17,2. 氮源营养物质及其功能,凡能提供微生物营养所需氮元素的营养物质称为氮源。,（1）概念,有机氮,氮源谱,蛋白质 核酸 氨基酸 尿素,无机氮,N2 NH3 铵盐 硝酸盐,（2）分类,18,微生物的氮源谱,19,（3）功能？, 构成微生物细胞含氮物质，如蛋白质、核酸等；, 形成代谢产物，如谷氨酸等；,思考,氮源能否为微生物提供能量？,作为能源！,20,固氮微生物 (固定N2为氨) 氨基酸自养型 (能以简单氮源合成一切所需的氨基酸) 氨基酸异养型 (从外界吸收现成的氨基酸),(4)按微生物对氮源利用的差异,21,氨基酸异养型生物 和 氨基酸自养型生物,从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物,从尿素、铵盐、硝酸盐、N2,合成氨基酸,人、动物、大多异养微生物,植物、部分微生物,意义,廉价氮源转化为优质蛋白，如单细胞蛋白（SCP）等，扩大人类食物来源，解决人口增长和土地、粮食短缺的矛盾。,22,3. 无机元素及其功能,（1）概念,微生物生长必不可少的一类营养物质，为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。,大量元素：,（微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L）,P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。,微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。 （微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L）,23,（2）功能,细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Mg 、Fe） 一般功能 渗透压的维持（Na+等） 生理调节物质 酶的激活剂（Mg2+等） 大量元素 pH的稳定 无 化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等） 机 特殊功能 盐 无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等） 酶的激活剂（Cu2+、Mn2+ 、Zn2+等） 微量元素 特殊分子结构成分（Co、Mo等）,24,25,4. 生长因子及其功能,是一类对微生物正常代谢必不可少，需要量不大的且不能用简单的碳源和氮源自行合成的有机物。,一般包括维生素、氨基酸及嘌吟、嘧啶等。,功能： 构成细胞的组成成分，如嘌呤、嘧啶； 调节代谢，维持生命的正常活动，如维生素（辅酶）,26,判断： 微生物生长所需的生长因子必需在培养基中加入。,生长因子自养型微生物,生长因子异养型微生物,有些微生物失去或没有合成生长素类物质能力的微生物叫营养缺陷型。乳酸菌、各种动物病原菌、支原体,生长因子过量合成微生物,（野生型或原养型菌株）,作为有关维生素的生产菌种,27,如何提供生长因子？,天然培养基 半合成培养基,酵母膏（19种氨基酸，维生素） 玉米浆（20种氨基酸，6种维生素） 肝浸汁 麦芽汁,合成培养基,添加配制的维生素复合液,28,5. 水分及其功能,水是微生物生长所必不可少的。,细胞内水的形式：游离水和结合水,微生物细胞内的水分有哪些功能？,29,1. 水作为优良的溶剂和运输介质； 2. 水参与细胞内的化学反应； 3. 维持重要大分子如蛋白质、核酸等的稳定构象； 4. 水是良好的热导体，有利于维持细胞的稳定环境； 5. 维持细胞正常形态； 6. 控制多亚基结构的组装与解离鞭毛、微管。,30,微 生 物 营 养 类 型 的 分 类,（三）微 生 物 的 营 养 类 型,31,四大营养类型,1. 光能无机自养型（photo-litho-autotroph）,2. 光能有机异养型（photo-organo-autotroph）,3. 化能无机自养型（chemo-litho-autotroph）,4. 化能有机自养型（chemo-organo-autotroph）,比较各营养型在碳源、能源、氢供体利用方面有什么差异？,32,1光能无机自养型（光能自养型）,如蓝细菌、紫硫细菌、绿硫细菌等含叶绿素或细菌叶绿素等光合色素,33,2光能有机自养型（光能异养型）,这类微生物能利用有机物迅速繁殖，常用于污水处理。,34,3化能无机自养型（化能自养型）,这类微生物：硫化细菌、硝化细菌与铁细菌、氢细菌,可在完全无机及无光的环境中生长。 它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环。,35,36,4化能有机自养型（化能异养型）,Energy from a bagel,有 机 物,37,有机物通常既是碳源，又是能源双功能营养物,大多数细菌、放线菌、原生动物、几乎全部的真菌都是化能有机异养型微生物；,所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；,38,腐生型：利用无生命的有机物获得营养物。 寄生型：从活的寄生体内获取营养物质。 中间类型: 兼性腐生型 兼性寄生型,39,四种基本营养类型的比较：,40,注意,41,不同营养类型之间的界限并非绝对：,异养型微生物并非绝对不能利用CO2；,自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；,有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变。,42,营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件的适应能力,例如：紫色非硫细菌 （1）光照和厌氧：利用阳光生长，为 光能营养型 微生物；,（2）黑暗与好氧：依靠有机物氧化产生的化学能生长，为 化能营养型 微生物,（3）没有有机物：同化CO2，为 自养型 微生物,（4）有有机物：利用有机物进行生长，为 异养型 微生物,43,二、培养基,44,定义：指人工配制的适合微生物生长繁殖和积累代谢产物的营养基质。,二、培养基,任何培养基都应具备微生物所需要的五大营养要素。,45,1、目的明确,3、条件适宜,4、经济节约,2、营养协调,（一）、培养基的配制原则,46,1.培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确） 自养微生物：培养基成分是无机物 异养型微生物：培养基成分必须含有机物 实验室：不计较成本，重复性要强； 大生产：考虑成本。 种子培养基：利于菌种快速繁殖 发酵培养基：利于产物生成。,47,2. 营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）,48,3. 物理化学条件适宜（条件适宜）,pH 渗透压,49,50,51,52,53,渗透压的大小是由溶液中所含有的分子或离子的质点数所决定的，等重的物质，其分子或离子越小，则质点数越多，因而产生的渗透压就越大。,等渗溶液适宜微生物的生长，高渗溶液会使细胞发生质壁分离，而低渗溶液则会使细胞吸水膨胀，对细胞壁脆弱或丧失的各种缺壁细胞来说，在低渗溶液中还会破裂。,2) 渗透压,54,4. 根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）,55,（二）、制备培养基的方法,1.生态模拟，研究某种微生物的培养条件； 2.查阅文献，设计特定微生物的培养基配方； 3.精心设计，并借助优选法或正交实验设计法等有效数学工具来提高工作效率； 4.实验比较，确定特定微生物的最佳培养条件；,56,57,（三）. 培养基的类型,根据营养成分的来源划分 根据物理状态划分 根据用途划分,58,1.根据营养成分的来源划分,59,60,61,62,（3）半合成培养基 用一部分天然物质作为碳氮源及生长辅助物质，又适当补充少量无机盐类。 这种培养基配制方便，成本低，实验室和生产实践中使用最多 。,63,2.根据物理状态划分,64,65,66,理想的固化剂应具备的特性：,不被所培养的微生物分解利用； 在微生物生长的温度范围内保持固体状态； 凝固点温度不能太低； 对所培养的微生物无毒害作用； 在灭菌过程中不会被破坏； 透明度好，黏着力强； 配制方便而且价格低廉,常用的固化剂：琼脂、明胶、硅胶。,67,68,69,3.按培养基的用途来分,（1）加富培养基 在普通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。 这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。用来培养要求比较苛刻的异养型微生物。 如培养百日咳博德氏菌需要含有血液的加富培养基。 如要分离到利用石蜡油进行发酵的酵母菌，在培养基中加入石蜡油，就可达到目的。 此类培养基常用于菌种筛选或保存。,70,（2）选择培养基 用于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。,选择性培养的方法主要有两种： 一是根据某些微生物的特殊营养要求； 二是根据某些微生物的物理和化学抗性。,71,72,73,（3）鉴别培养基 在培养基中加入某种试剂或化学药品，使难以区分的微生物经培养后呈现出明显的差别，因而有助于快速鉴别某种微生物。 如用以检查饮用水和乳制品中是否含有肠道致病菌的伊红美蓝（EMB）培养基：蛋白胨10g，乳糖10g，K2HPO4 2g，2%伊红水溶液20ml，0.325%美蓝水溶液 20ml，水1000ml。 大肠杆菌在此培养基上形成较小、带有金属光泽的紫黑色菌落， 产气气杆菌形成较大的呈棕色菌落，肠道致病菌菌落呈乳白色。,74,75,1. 简单扩散（simple diffusion）,2. 促进扩散（ facilitated diffusion）,3. 主动运送（active transport）,4. 基团转位（group translocation）,三、微生物对营养物质的吸收,76,1. 简单扩散,简单扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式,因为细胞不能通过它来选择必需的营养成分。,物质运输过程中不需要载体，不消耗能量，并从高浓度到低浓度运输。,特点,简单扩散的物质主要是一些小分子物质，如H2O、一些气体O2 CO2、某些无机离子以及一些水溶性小分子。,77,2. 促进扩散,促进扩散与单纯扩散的一个主要差别,是在溶质的运送过程中,必须借助于膜上底物特异性载体蛋白的参与。,物质运输过程中需要载体，不消耗能量，并从高浓度到低浓度运输。,载体蛋白运送溶质的机制可能是由于其构象的改变。每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。,特点,78,3. 主动运输,主动运送是微生物吸收营养物质的主要机制。,运送物质：氨基酸、某些糖（乳糖、葡萄糖、蜜二糖等）、Na+、K+、有 机离子等。,79,主动运输所需要的能量来源： 好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能， 厌氧型微生物利用化学能（ATP）， 光合微生物利用光能， 噬盐细菌通过紫膜利用光能。,80,81,4. 基团转位,82,83,第二节,微生物的代谢,84,代谢（metabolism）： 细胞内发生的各种化学反应的总称。,合成代谢（同化作用）,分解代谢（异化作用）,85,代谢的类型,按物质转化方式分： 分解代谢： 合成代谢： 能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化 物质代谢：物质在体内转化的过程. 按代谢产物在机体中作用不同分： 初级代谢： 提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的代谢类型； 产物：氨基酸、核苷酸等. 次级代谢： 在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型； 产物：抗生素、色素、激素、生物碱等,86,一、微生物的能量代谢,87,生物氧化： 发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应总称为生物氧化。,88,（一）微生物的呼吸（生物氧化）类型：,89,呼吸作用,90,有氧呼吸（aerobic respiration）,2.无氧呼吸（anaerobic respiration）,有氧呼吸，指以分子氧作为最终外源电子受体。反应式为：,无氧呼吸，又称厌氧呼吸，指以氧化型化合物作为最终外源电子受体。反应式为：,91,3.发酵,发酵（狭义发酵），指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原H，不经过呼吸链的传递，而直接交给本身未完全氧化的某一中间产物的一类低效率产能反应。反应式为：,底物H2 底物+少量能量,无氧条件下,中间代谢产物,中间代谢物H2（发酵产物）,在发酵工业上，发酵是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。（广义发酵）,92,93,（二）生物氧化链：,#,44,定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体（或电子传递体）组成的一组链状传递顺序。 部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上 功能：传递氢和电子，合成ATP,94,95,96,原核和真核细胞电子传递链的差异,97,（三）ATP的产生：,98,99,100,二、微生物的分解代谢,（一）微生物的糖代谢途径 （二）多糖的分解 （三）蛋白质的分解 （四）脂肪的分解,101,（一）微生物的糖代谢途径,102,1. EMP途径（Embden - Meyerhof - Parnas）,103,104,105,#,19,2. HMP途径,戊糖磷酸途径 Hexose Monophosphate Pathway 从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。,106,107,108,2010-2-8,2010-2-8,3. ED （Entner-Doudoroff Pathway）途径,109,110,ED途径的代谢特点,ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在 少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径 ED途径不如EMP途径经济,111,4. 磷酸酮解途径,磷酸解酮酶途径： 磷酸戊糖酮解途径（PK）途径 磷酸己糖酮解途径（HK）途径 存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。 进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。,112,#,27,磷酸戊糖酮解途径的特点: 分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半; 几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2 磷酸己糖酮解途径的特点： 有两个磷酸酮解酶参加反应； 在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联； 每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP； 许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。,113,大分子物质的分解,114,A:淀粉酶的种类:-淀粉酶,-淀粉酶,葡萄糖苷酶,异淀粉酶. B:淀粉是葡萄糖通过糖苷键连接而成一种大分子物质,有直链 淀粉和支链淀粉两种.直链淀粉中葡萄糖单位以- 1,4糖苷键结合,排成长链.支链淀粉带有分枝,葡萄糖单位除 -1,4糖苷键外,直链与支链交接处以-1,6糖苷键结合。 C:以淀粉作为生长碳源与能源的微生物，能利用本身并分泌 到胞外淀粉酶，将淀粉水解成双糖与单糖后，被微生物吸 收，然后再被分解、利用。,（二）多糖的分解,1.淀粉的分解,多糖双糖单糖丙酮酸 有机酸、醇、醛等 CO2和H2O,115,A：纤维素酶类：C1酶、CX酶（-1，4葡聚糖酶）、纤维二 糖酶（-葡萄糖苷酶） B：纤维素分解途径：,2.纤维素分解,116,3.果胶质的分解,A :是构成高等植物细胞间隙的主要物质，由D半乳糖醛酸通过，糖苷键连接起来的直链高分子化合物。 B :天然果胶是一种水不溶性的物质，称为原果胶。在原果胶酶作用下，它被转化成水可溶性果胶，再进一步被果胶甲酯水解酶催化去掉酯基团，生成果胶酸，最后被果胶酸酯酶水解，切断，糖苷键，生成半乳糖醛酸，最后进入糖代谢途径被分解放出能量。分解果胶的酶是一个多酶复合物。,C :分解果胶的微生物主要是一些细菌和真菌。,117,1.蛋白质的分解,2.氨基酸的分解 正常情况下，氨基酸是被微生物直接利用合成新的细胞质，但在厌氧和缺乏碳源条件下能被某些细菌用作能源与碳源物质，维持机体生长。,(三)、蛋白质的分解,118,（1）脱羧作用,NH2,氨基酸脱羧酶,二元胺对人体有毒，是食物中毒的原因之一。如鸟氨酸脱羧生成腐胺，赖氨酸脱羧生成尸胺，统称为肉毒胺，肉类蛋白质腐败后常生成二元胺，故不宜食用。,119,（2）脱氨作用（自学）,A：氧化脱氨作用 B: 还原脱氨作用 C: 水解脱氨作用 D: 直接脱氨作用 E: 氧化还原耦联脱氨,120,A :是自然界广泛存在的重要脂类物质，是由甘油与三个长链脂肪酸通过酯键连接起来甘油三酯。 B :环境中有其它易利用碳源与能源物质时，脂肪类物质一般不被微生物利用，但环境中不存在其它物质时，许多微生物能分解、利用脂肪进行生长，但一般利用缓慢。 C :脂肪在微生物细胞合成脂肪酶作用下水解成甘油和脂肪酸。,（四）、脂肪和脂肪酸的分解,如：细菌中的荧光假单胞菌、分枝杆菌；霉菌中的曲霉、青霉、白地霉等。,1.脂肪的分解,121,甘油按如下途径进行代谢,122,脂肪酸在进行氧化时，若碳原子数为偶数最终得乙酰CoA，若为奇数同时也得丙酰CoA。 乙酰CoA直接进入TCA循环，丙酰CoA按如下方式降解：,2.脂肪酸的分解,三、微生物发酵的代谢途径,（一）醋酸发酵 （二）柠檬酸发酵 （三）乙醇发酵 （四）乳酸发酵,124,（一）、醋酸发酵,参与醋酸发酵的微生物主要是细菌，统称为醋酸细菌。 好氧性的醋酸细菌: 例如纹膜醋酸杆菌（Acetobacter aceti）， 氧化醋酸杆菌（Acetobacter oxydans）， 巴氏醋酸杆菌（Acetobacer pasteurianus）， 氧化醋酸单胞菌（Acetomonas oxydans）等； 厌氧性的醋酸细菌: 例如热醋酸梭菌（Clostriolium themoacidophilus）， 胶醋酸杆菌（Acetobacter xylinum）等。 好氧性的醋酸细菌进行好氧性醋酸发酵； 厌氧性的醋酸细菌进行厌氧性醋酸发酵。,好氧性的醋酸发酵是制醋工业的基础。 制醋原料或酒精接种醋酸细菌后，即可发酵生成醋酸发酵液供食用； 醋酸发酵液还可以经提纯制成一种重要的化工原料冰醋酸。 厌氧性的醋酸发酵是我国用于酿造糖醋的主要途径。,125,（二）、柠檬酸发酵,能够累积柠檬酸的霉菌以曲霉属(Aspergillus)，青霉属(Penicillium)和桔霉属(Citromyces)为主。其中以黑曲霉(Asp. niger)、米曲霉(Asp.oryzae)，灰绿青霉(Pen. glaucum)，淡黄青霉(Pen.luteum)，光桔霉(Citromyces glaber)等产酸量最高。 柠檬酸发酵广泛被用于制造柠檬酸盐、香精、饮料、糖果、发泡缓冲剂等，在食品工业中起重要的作用。,126,酒精发酵是酿酒工业的基础，它与酿造白酒，果酒，啤酒以及酒精的生产等有密切关系。进行酒精发酵的微生物主要