第五章 微生物的营养与代谢.ppt

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。,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:,微生物的营养要素,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；(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。,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（carbonsource）。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CO2为主要碳源。,碳源种类,简单的无机含碳化合物-CO2和碳酸盐等；复杂的天然有机化合物-糖与糖的衍生物、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；,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,NH3铵盐硝酸盐N2,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N2作为唯一氮源，通过固氮酶将其还原为NH3，再进一步合成所需的全部有机氮化合物。,能源：能为微生物的生命活动提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NH4+，NO2-，S，H2S，H2和Fe2+等，这些化能自养型的细菌包括硝化细菌、硫化细菌、氢细菌和铁细菌等,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（mineralsalts）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10-310-4mol/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10-610-8mol/L范围内的元素，则称为微量元素，如Cu、Zn、Mn、Mo、Co、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：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,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（simplediffusion）,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（facilitateddiffusion）,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（activetransport）,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。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（grouptransport）,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、碱基等物质的运输。,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,按物理状态不同划分,按用途不同划分,基础培养基,鉴别培养基,选择培养基,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、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）,代谢（metabolism）：活细胞内发生的各种化学反应的总和,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）,通用能源,1底物水平磷酸化不需氧，不经过呼吸链。XP+ADPATP+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。CO2+H2O-(CH2O)n-+O2绿细菌：只有光合系统，进行环式光合磷酸化CO2+2H2S-(CH2O)n-+H2O+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,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,底物水平磷酸化,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，即电子传递与磷酸化相偶联,Respirationchain呼吸链：指从葡萄糖或其他氧化型化合物上脱下的氢（电子）经过一系列按照氧化还原势由低到高顺序排列的氢（电子）传递体，定向有序的传递系统。,由光照引起的电子传递作用与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程，即将光能转化为化学能的过程。,光能营养微生物,非环式光合磷酸化,真核生物：藻类及绿色植物,原核生物：蓝细菌,真细菌：光合细菌,紫膜光合磷酸化：嗜盐菌,环式光合磷酸化,1、非环式光合磷酸化,还原力来自H2O的光解,同时产生还原力、ATP和O2,有PS和PS2个光合系统,特点：,有氧条件下进行,2、环式光合磷酸化,3、嗜盐菌紫膜的光合作用,一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。,紫膜的光合磷酸化是迄今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应,生物氧化：物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应逐步分解并放出能量的过程。,有氧呼吸、无氧呼吸和发酵过程示意图,发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应,产能方式：底物水平磷酸化产生ATP。电子受体：底物形成的中间产物又作为受氢体接受氢形成新产物，不需氧气参加。底物去向：底物氧化不彻底，只释放部分能量。,1、发酵作用,乙醇发酵,酵母菌的乙醇发酵：C6H12O62CH3CH2OH+2CO2+2ATP,不同的微生物进行乙醇发酵的途径和产物不同，主要有酵母菌的乙醇发酵和细菌的乙醇发酵。,接合单胞菌的乙醇发酵（ED途径）：C6H12O62CH3CH2OH+2CO2+ATP,乳酸发酵,P.K,H.K,异型乳酸发酵：指发酵产物除乳酸外，还有其它的化合物。肠膜状明串珠菌：葡萄糖1乳酸+1乙醇+1CO2+1ATP双岐杆菌：2葡萄糖2乳酸+3乙酸+5ATP（P.K为磷酸戊糖解酮酶，H.K为磷酸已糖解酮酶）,丁酸梭状芽孢杆菌（Clostridiumbutyricum）可以发酵葡萄糖得到丁酸4C6H12O62乙酸3丁酸8CO28H210ATP每mol葡萄糖在发酵中大约产2.5个ATP。,丁酸发酵与丙酮丁醇发酵,丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）葡萄糖丁醇丙酮乙酸乙醇H2CO2ATP,2、呼吸作用,Aerobicrespiration有氧呼吸:以分子氧作为最终电子受体的呼吸。,Anaerobicrespiration无氧呼吸：以氧以外的其他氧化型化合物作为最终电子受体的呼吸。,巴斯德效应：由于葡萄糖在有氧呼吸中产生的能量要比在发酵中产生的多，所以在有氧条件下，兼性厌氧微生物终止厌氧发酵而转向有氧呼吸，这种呼吸抑制发酵的现象称为巴斯德效应。,又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式特点：底物常规方式脱氢后，脱下的氢经完整的呼吸链又称电子传递链传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能量。,A、有氧呼吸,呼吸链末端的电子受体不是氧可作为电子受体的物质：NO3NO2SO42CO2能量生成效率低于氧,B、无氧呼吸,生物合成运动营养运输生物发光生物热,自然界中的微生物绝大多数是化能异养型的微生物，这些微生物从外界吸收营养物质以后，通过微生物细胞中的酶进行分解代谢产生能量ATP和小分子有机物。,微生物进行合成代谢的前体物,ATP是合成代谢所必需的能量的主要源泉,不含氮有机物的降解淀粉的降解：淀粉葡萄糖纤维素的降解：纤维素葡萄糖半纤维素的降解：半纤维素单糖+糖醛酸果胶质的降解：果胶半乳糖醛酸+甲醇木质素的降解木质素的化学结构较复杂，它是由许多芳香族亚基缩合而成的聚合物。木质素乙酸+琥珀酸,含N有机物的降解蛋白质的降解蛋白质多肽AACO2+NH3几丁质的降解几丁质寡聚糖N-乙酰葡萄糖胺乙酸+葡萄糖胺葡萄糖+NH3尿素的降解尿素+2H2O（NH4）2CO32NH3+CO2H2O,含磷有机物的降解卵磷脂甘油P-甘油EMP脂肪酸乙酰COATCA胆碱NH3+CO2+有机酸磷酸核酸核苷酸磷酸+核苷嘌呤+嘧啶,卵磷脂酶,核酸酶,核苷酸酶,含S有机物的降解胱氨酸+3H2O+1/2O22乙酸+2CO2+2H2S+2NH3油脂的降解油脂脂肪酸-乙酰COATCA甘油Pi-P甘油EMP烃类物质的降解甲烷是最简单的烃类物质，能被甲基营养菌作C源利用。,脂肪酶,A、EMP途径B、HMP途径C、ED途径D、TCA循环,1、底物脱氢的4条途径,底物脱氢的4条途径及其与递氢、受氢的联系,A、糖酵解途径（EMP途径）,EMP途径为合成代谢提供了：能量：2ATP还原力：2NADH小分子C架：6-P葡萄糖P-二羟丙酮3-P甘油酸P-烯醇式丙酮酸丙酮酸,B、戊糖磷酸途径（HMP途径）,PP途径为合成代谢提供：还原力：NADPH2小分子C架：5-P核糖（合成核酸的前体物）；4-P赤藓糖（合成芳香氨基酸的前体物）,C、ED途径,主要局限于接合单胞菌属的一些细菌。葡萄糖+NAD+NADP+Pi+ADP2丙酮酸NADH+NADPH+2H+ATPED途径为合成代谢提供：能量：ATP还原力：NADH2+NADPH2小分子C架：6-P葡萄糖3-P甘油酸P-烯醇式丙酮酸丙酮酸,ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。,关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶相关的发酵生产：细菌酒精发酵优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。缺点：较易染菌；细菌对乙醇耐受力低,糖代谢途径在不同微生物中的分布,D、TCA循环,提供还原力：3NADH2，1FADH2提供能量：形成1GTP提供前体化合物：a-酮戊二酸琥珀酸草酰乙酸AcCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH2+FADH2+GTP+CoA,EMP途径不完全PP途径ED途径,丙酮酸的代谢的多样性,进入TCA（Tricarboxylicacidcycle）循环进一步氧化分解，产生还原力NADPH2，ATP和合成代谢所需要的小分子C架。发酵作用Fermatatiom,丙酮酸,微生物的合成代谢可以概括为三个阶段,产生三要素：能量、还原力、小分子化合物,合成前体物：氨基酸、单糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸,合成大分子：蛋白质、核酸、脂肪、多糖,合成作用就是微生物将简单的无机物或者有机物用体内的各种酶促反应合成大分子即菌体物质的过程。,一自养微生物对CO2的固定卡尔文循环（Calvincycle）还原性三羧酸循环途径厌氧乙酰-CoA途径羟基丙酸途径,1、卡尔文循环（Calvincycle）羧化反应3个核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖二磷酸羧化酶将3个CO2固定,并转变成6个3-磷酸甘油酸分子。还原反应3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛（通过逆向EMP途径产生）。CO2受体的再生1个3-磷酸甘油醛通过EMP途径的逆转形成葡萄糖，其余5个分子经复杂的反应再生出3个核酮糖-1,5-二磷酸分子。,2、还原性三羧酸循环途径,4C,柠檬酸裂合酶,3、厌氧乙酰-CoA途径,产乙酸菌硫酸盐还原菌产甲烷菌,4、羟基丙酸途径,二肽聚糖的合成,根据反应部位的不同可分成三个合成阶段,第一阶段,a.由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸,b.由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸,第二阶段:细胞膜上合成肽聚糖单体,第三阶段：细胞膜外合成肽聚糖,青霉素,肽聚糖的生物合成,初生代谢是普遍存在于生物中的，能合成生物生存或者健康必需的化合物的代谢途径。,次生