微生物的营养.ppt

第二章微生物的营养,营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取对其生命活动必须的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。,营养物(nutrient)：具有营养功能的物质。,营养物提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境。,一些微生物可利用非物质形式的能源光能,一、细胞化学组成,第一节微生物的六种营养要素,主要元素：C、H、O、N、S、P(97)1.化学元素微量元素:Zn、Mn、Na、Cl、Co、Cu化学元素比例因菌种、培养条件等有所不同，如：幼龄菌含N高，硫细菌较多S，铁细菌较多Fe，等。,微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）,有机物分析,有机物分析:1）化学法直接抽提，定性定量分析；2）破碎细胞得亚显微结构，再分析。,无机物分析,无机物指与有机物结合或单独存在的无机盐等物质；分析：干细胞高温炉（550）焚烧得到的灰分，分析其中各种无机元素含量。水分：细胞表面水分吸干后的重量为湿重；采用低温真空干燥、红外快速烘干方法烘干至恒重为干重。,一般生物能利用的，微生物能利用；一般生物不能利用的，微生物也能利用；对一般生物有害的，微生物还能利用。,微生物是杂食性的：,异养微生物：必须利用有机碳源自养微生物：能利用无机碳源,（一）碳源(carbonsource),提供微生物营养所需碳元素的营养源。,有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等无机碳源：CO2,Na2CO3,CaCO3等,有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4气态氮源：大气N2,（二）氮源(nitrogensource),凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。氮源一般不作能源。,速效氮源迟效氮源,花生饼粉和黄豆饼粉是迟效氮源，利于代谢产物积累。,玉米浆是速效氮源，利于菌体生长；,能为微生物的生命活动提供最初能量来源的化学物质或辐射能。,（三）能源(energysource),异养微生物的碳源同时也是能源,单功能：辐射能双功能：还原态无机养料，如NH4+既是硝酸盐细菌的能源，又是氮源三功能：NCHO类营养物质常是异养微生物的能源，碳源兼氮源,一种营养物具有一种以上营养要素的功能,一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源，氮源自行合成的、所需极微量的有机物。,培养基中生长因子来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。,(四)生长因子(growthfactor),作用：辅酶或酶活化所需。,狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等,生长因子自养型微生物（autotrophs)生长因子异养型微生物（heterotrophs)营养缺陷型微生物（nutritionaldeficiency)生长因子过量合成型微生物,若干细菌所需要的维生素,维生素的生理功能,（五）无机盐(inorganicsalts),所需浓度在10-3-10-4M的元素为大量元素所需浓度在10-6-10-8M的元素为微量元素,无机盐的生理功能,生理作用：细胞组成成分生化反应溶剂化学、生理反应介质物质运输媒体调节细胞温度维持细胞的渗透压,（六）水,存在状态：游离态（溶剂）和结合态（结构组成）,水活度：表示在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。,一般用在一定的温度和压力条件下,溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：aw=P/P0式中P代表溶液蒸汽压力,P0代表纯水蒸汽压力。纯水w为1.00,溶液中溶质越多,w越小。,微生物一般在w为0.600.99的条件下生长,w过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适w不同。,几种溶液的水活度值,各种微生物生长的最低aw值,在高渗溶液中，细胞的水分外渗，造成质壁分离；而在低渗溶液中，细胞吸水膨胀，引起细胞破裂。,Osmosis(CellinanIsotonicEnvironment),Osmosis(CellinHypertonicEnvironment),Osmosis(CellinHypotonicEnvironment),依碳源不同：异养型(heterotrophs):不能以CO2为主要或唯一碳源自养型(autotrophs):能以CO2为主要或唯一碳源,第二节微生物营养类型,依能源不同：光能营养型(phototrophs):光反应产能化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能,依生长因子的不同：原养型(prototroph)或野生型(wildtype)营养缺陷型(auxotroph),微生物的营养类型,1光能无机营养型（光能自养型）,能以CO2为主要碳源；,进行光合作用获取生长所需要的能量；,以无机物如H2O、H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；,例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。,2光能有机异养型（光能异养型）,以有机物作为主要碳源，同时以有机物为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；,在生长时大多数需要外源的生长因子；,例如，红螺菌属中的一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。,光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用。,3化能无机自养型（化能自养型）,生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；,以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。,化能无机自养型只存在于微生物中，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；,4化能有机营养型（化能异养型）,生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；,生长所需要的碳源主要是一些有机化合物：如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。,有机物通常既是碳源也是能源；,大多数细菌、真菌、原生动物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；,腐生型(metatrophy)：,可利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源；,寄生型(paratrophy)：,寄生在活的寄主机体内吸取营养物质,离开寄主就不能生存；,在腐生型和寄生型之间还存在中间类型：兼性腐生型(facultivemetatrophy)；兼性寄生型(facultiveparatrophy)；,不同营养类型之间的界限并非绝对：,例如红螺菌：有光、厌氧时，有机物存在时、为光能异养型微生物；黑暗、氧气、有机物存在时，利用有机物进行生长，为化能异养型微生物；,微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力,5营养缺陷型,某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)，相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。,第三节细胞对营养物质的吸收,营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输。营养物吸收至胞内被利用，代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。,在营养物质运送方面，细胞壁仅简单地排阻分子量过大(600Da)的溶质进入,而具有磷脂双分子层和嵌合蛋白分子的细胞膜则是控制营养物质进入和排除的主要屏障。,影响营养物质进入细胞因素：营养物质本身性质微生物所处环境：温度、pH、离子强度、被运输物质结构类似物都会影响菌的透过屏障：CW、CM、荚膜、粘液层等组成，影响物质运输。如：荚膜与粘液层结构松，影响小；G+CW结构紧密，影响物质进入；CM对物质运输尤为重要，选择性。,一、小分子物质的吸收,单纯扩散：,促进扩散：,主动运输：,基团移位：,1.简单扩散/单纯扩散(simplediffusion),动力：物质在膜两侧的浓度差物质运输过程中不消耗能量参与运输的物质本身的分子结构不发生变化不能进行逆浓度运输运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。,扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式,水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。,Therateofdiffusionwillvarydependingontheits:size,polarity,chargeandconcentrationontheinsideofthemembraneversustheconcentrationontheoutsideofthemembrane.,膜的组成对扩散的影响,胆固醇的含量：胆固醇使得膜变得僵硬，膜的渗透性减小脂肪酸的组成：不饱和度增加，链的长度减少，膜的通透性增加。顺式结构比反式结构的通透性好。,环境条件对膜渗透性的影响,温度：温度升高，膜的有序性被破坏，渗透性增强(heatshockfortransformation)乙醇等脂溶性物质：这些物质将增加膜的通透性，有利于物质的扩散,2、促进扩散(facilitateddiffusion),动力：物质在膜两侧的浓度差物质运输过程中不消耗能量运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。有载体(carrier)的参与，而且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。,鼠伤寒沙门氏菌的细胞膜：运输硫酸盐的载体；运输葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、亮氨酸、苯丙氨酸等的载体,扩散速度依赖于溶液的浓度梯度,通过促进扩散运输的物质包括了非脂溶性的和带电荷的大分子物质以及各种离子。参与促进扩散的膜运输蛋白一般可分为载体蛋白(carrierprotein)和通道蛋白(channelprotein)两种。,载体蛋白与促进扩散载体蛋白与被转运底物有专一性的结合位点，并通过构型的变化改变与底物的亲和性，因而在与底物结合、释放的过程中，将底物从高浓度侧运向低浓度侧。在促进扩散中不需要消耗能量，也不能改变最终达到内外物质浓度相等的动态平衡。由于载体蛋白与酶的作用方式相似，因而载体蛋白又称为渗透酶。渗透酶多为诱导酶，只有在相应底物存在时才能诱导合成。,已从不同微生物的细胞膜上分离出了多种载体蛋白，可以运输不同种类的糖（如葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖）、多种氨基酸（如亮氨酸、苯丙氨酸、精氨酸等）和维生素。,缬氨霉素,移动性离子载体（载体蛋白）与促进扩散,铁的运输铁是所有生物的必需元素，而且需要的量较大。已经确定有几种特异性的载体配体对于维持铁的细胞内的浓度是必需的，这些载体被赋予专门的名称-铁载体（siderophores）。在中性pH下，Fe(III)几乎是不溶的，使生物体中铁的利用成为严重的问题,铁载体的分类可分为三类：氧肟(w)酸盐(hydroxamate)型、儿茶酚型和柠檬酸型。,某些细胞和高等植物可以利用柠檬酸或多聚氨基酸作为铁载体。所有这些配体具有两个主要的功能特征：一是能够溶解铁，二是有能力协助高电荷的离子通过膜。,氧肟酸盐型铁载体的通式如下：,又可分为高铁环六肽（ferrichromes,n=3）,铁草铵(ferrioxamines,n=3)和其它(n=2)。高铁环六肽化合物的主链是低聚肽，链上可以携带不同的基团（R1,R2,R）。如R=CH3,R1=R2=H时为高铁环六肽高铁素（ferrichrome），当R=R1=HOCH2,R2=H时称为高铁素（ferrichromeA），这些化合物是克莱因水玉霉菌(Piloboluskleinii)、需土节杆菌(Arthrobacterterregens)、谷氨酸微球菌（Micrococcusglutamicus)的生长因子。,铁草铵的性质相似于铁环六肽化合物，ferrioxaminesB是诺卡氏菌、乳酸小杆菌、单孢丝菌属和链霉菌属等的生长因子。,分支杆菌生长素（Mycobactins）含有两个氧肟酸基、一个酚羟基和一个叔胺基作为配体。而从荧光假单胞菌分离出的硫代氧肟酸类，可形成Fe(III)和Cu(II)配合物。,肠杆菌素是由产气杆菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等产生的。分子上的3个邻苯二酚基的6个酚氧原子与Fe(III)形成八面体型配合物。,通道蛋白与促进扩散和载体蛋白显著的差异在于通道蛋白并不与底物分子结合，通道蛋白主要以-螺旋或-折叠两种类型的跨膜蛋白存在，在横跨细胞膜形成亲水性孔洞或通道，使亲水性物质顺浓度梯度进入细胞或流出细胞，并通过打开或关闭通道来调节物质的进出。,通道蛋白普遍存在于细胞膜中，目前已发现有50多种，如大肠杆菌中的甘油运输体（glyceroltransporter）(GlpF)，水特异的亲水性通道（aquaporin-Z）、动力敏感离子通道（mechanosensitive）(MscL)和电位敏感离子通道（voltage-sensitiveionchannel）等。,通道载体（通道蛋白）与促进扩散,短杆菌肽构成的离子通道,甘油运输体(GlpF)GlpF是存在于大肠杆菌内膜上的一个-型通道，甘油以促进扩散的方式通过通道进入细胞，但这一通道专一性不强，除可运输甘油外，还可以运输多羟基醇类和其它一些小分子物质如脲，甘氨酸，但不能运输带电分子如3-磷酸甘油醛和二羟丙酮。同样，酵母细胞的GlpF的专一性也不是很强，除甘油外还可以运输水和小的溶质分子。,水特异的亲水性通道（aquaporin-Z）作为重要的生理分子，水除了通过被动扩散方式进出细胞外，在大肠杆菌中水还可通过对水特异的亲水性通道（aquaporin-Z）以促进扩散方式进出细胞，使细胞适应外环境渗透压的突发变化，维持细胞的稳定性。,3、主动运输(activetransport),特点：是微生物吸收营养的主要方式可逆浓度梯度运输，耗能需载体蛋白，有特异性运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类需要特异性载体蛋白，需要能量来改变载体蛋白的构象亲和力改变蛋白构象改变耗能,运输物质所需能量来源：（1）质子动力（2）ATP和其他高能化合物好氧型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；,质子动力,ATP动力,主动运输（1）质子动力型,（1）单向传递(uniport),（2）逆向传递(antiport),（3）同向传递(symport),主动运输（2）ATP动力型ATP动力型（ATP-linkedIonMotivePumps）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（pump,ATPase）。主要类型为P-型泵（P-typeATPase）和F-型泵（F-typeATPase）。,P-型泵:Theyare-helicalbundleprimarytransportersrefereedtoasP-typeATPasesbecausetheycatalyzeauto-(orself)phosphorylationofakeyconservedaspartateresiduewithinthepump.ProminentexamplesofP-typeATPasesarethesodium-potassiumpump(Na+,K+-ATPase),theprotonpump(H+-ATPase),theproton-potassiumpump(H+,K+-ATPase)andthecalciumpump(Ca2+-ATPase).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，在有些细菌中，Na+可替代H+。F-typeATPase,alsoknownasF-TypeATPase,isanATPasefoundinbacterialplasmamembranes,mitochondrialinnermembranesandinchloroplastthylakoidmembranes.,P-型泵P-型泵可运输K+、Mg2+、Ca2+等不同离子，运输不同离子的P-型泵具有一定的共性：即具有6-8个穿膜片段的亚基，可形成磷酸化的中间体，中间体又具有两种对底物不同亲和性的构型E1和E2。,YeastcellsblockedinP-typeATPase-dependentlipidtransportaredefective,P-型泵的作用机理研究的较为清楚的是动物细胞的Na+/K+泵，在每个运输循环中消耗一个ATP分子，同时将3个Na+排出细胞，2个K+摄入细胞。,大肠杆菌Kdp泵的组成（a）和工作原理图(b),Kdp泵是存在于大肠杆菌中特殊的P-型泵,Kdp泵由位于细胞内膜上的3个亚单位A、B和C组成，每个亚单位又各有两个分子（A2B2C2），其中KdpB有7个跨膜片段，可被磷酸化，为运输过程提供能量。KdpA有10个跨膜片段，可与K+结合，并可能形成K+穿膜运输通道。Kdp泵与其它的P-型泵不同，它仅仅只将位于周质空间的K+运进细胞，不像其它P-型泵在运进一种离子的同时将另一离子排出细胞。Kdp泵经磷酸化作用从低能的E1状态转化为高能的E2状态，使位于KdpA外的位点暴露，K+进入结合位点。随着KdpA膜通道打开，K+进入细胞，并去磷酸化，Kdp恢复为E1状态。,ATP+H2O+K+outADP+phosphate+K+in,ABC型泵在细菌中存在的另一类主动运输形式是ABC型泵（ATP-bindingcassette），又称运输蛋白，可运输一些特殊的营养成分如SO42-、氨基酸、糖和其它一些物质。系统由两部分组成:一部分称为结合蛋白，是位于G-菌周质空间的周质蛋白，或位于菌膜外表面的脂蛋白或细胞表面的结合蛋白；第二部分是位于细胞膜上的蛋白质复合体（又称为trafficATPase），复合体由个膜整合蛋白和个末端位于细胞内的膜结合蛋白组成，因为在细胞质部分含有个和ATP特异结合的特征序列（WalkerAbox和WalkerBbox），所以这一运输形式称为ABC型泵（ATP-bindingcassette）。,物质运输的能量来自于ATP或其它高能磷酸化合物，在大肠杆菌中约有的物质是通过这一方式进行运输的。,Maltose,Maltose（麦芽糖）transportthroughaABCtypepump,特点：属主动运输类型溶质分子发生化学修饰定向磷酸化需复杂的运输酶系参与运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等,4、基团转移(grouptranslocation),每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP的能量。,依赖磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和磷酸转移酶系统(PTS)。,1.热稳定性载体蛋白(heatstablecarrierprotein,HPr)的激活,2.糖磷酸化后运入膜内,膜对大多数磷酸化合物具有高度的不渗透性。,基团转移运输葡萄糖示意图,磷酸烯醇式丙酮酸-糖基磷酸转移酶(PTS)系统高能磷酸从HPr转移至溶解态EIIa,磷酸再从EIIa转移至EIIb，再经过EIIc穿膜的转运过程而转移至糖基。磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),第一个酶I(EI),低分子量热稳定性载体蛋白(HPr),第二个酶II(EII),基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。脂肪酸+CoA脂肪酰CoA腺嘌呤+PRPPAMP+ppi,五、膜泡运输(membranevesicletransport),膜泡运输主要存在于原生动物中，特别是变形虫(amoeba)，为这类微生物的一种营养物质的运输方式。,外排作用示意图,大分子营养物通常水解后，才可被吸收加以利用。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。其它一些大分子物如毒素的分泌、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。,二、大分子营养物质的运输,（1）蛋白质的转运机制,在大肠杆菌：Sec(Secmachinery)转运系统和Tat(twin-argininetranslocation)转运系统。共性：1）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部分形成，信号肽在蛋白质穿越细胞内膜时被信号肽酶切除。2）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。,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转运系统以折叠形式转运。Tat信号肽通常比Sec信号肽长，含有双精氨酸保守序列核心S/T-R-R-x-F-L-K。丝/苏-精-精-N-苯丙氨酸-亮-赖,Sec转运系统,在蛋白质转运的起始阶段，合成的蛋白质前体必须被引导到细胞膜上，这一过程被称为定靶（target）定靶有两种途径，SecB依赖途径和SRP途径（signalrecognitionparticle）。,定靶：SecB依赖途径SecB的分子量为17kDa，形成四聚体，SecB可特异性地与一些蛋白质的前体结合，结合位点一般在蛋白质的成熟区，结合后可以稳定蛋白质前体的非折叠状态，使之处于转运状态，再通过SecB与SecAC-末段的亲和性，引导蛋白质前体运动到细胞膜上。前体上的信号肽与SecA结合后，蛋白质前体转位给SecA，同时释放SecB。,定靶：蛋白质信号识别颗粒途径（SRP途径）需要有SRP受体膜蛋白FtsY的参与。在大肠杆菌中SRP由蛋白质Ffh和4.5sRNA结合形成复合体，可识别信号肽，当蛋白质前体部分合成约70-150个氨基酸的长度时，Ffh与之结合，一方面阻止蛋白质的折叠，另一方面介导与SRP受体结合。,Tat转运系统大肠杆菌蛋白质Tat(twin-argininetranslocation)转运系统由TatA、TatB、TatC和TatE组成，可介导含双精氨酸（RR）S/T-R-R-x-F-L-K保守序列信号肽的蛋白质进行穿膜转运，使这些蛋白质进入细胞周质空间。Tat转运系统不同于Sec转运系统，转运底物是以折叠状态转运，转运能量来自于跨膜质子梯度。,TatB和TatC形成了Tat转运酶的中心，是Tat转运酶的结构和功能单位,（2）蛋白质的分泌机制,蛋白质的分泌从整体上有5种形式：I型蛋白质分泌系统(theTypeIproteinsecretionsystem)，也称为ABC转运系统（ABC-typetransportsystem）II型分泌系统（theTypeIIproteinsecretionsystem），也称为普遍性分泌途径（thegeneralsecretorypathway）(GSP)TypeIII,TypeIV和TypeV,细菌的分泌方式可分为两大类：一类依赖于Sec转运系统（Sec-dependent），包括了3种类型，即typeII、typeIV、typeV，通过这些途径的蛋白质在穿过细胞外膜前，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（Sec-independent）包括了2种类型，即typeI和typeIII；通过这种分泌系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。,（一）、依赖于Sec转运系统的分泌类型1、TypeII分泌型,TypeII分泌型是微生物分泌水解酶的主要途径，如果胶酶，纤维素酶、淀粉酶，