大学微生物复习-第4章微生物的营养和代谢.ppt

1,第四章微生物的营养和代谢,2,第一节微生物的营养,营养物质时微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去这个基础，生命也就停止微生物营养的功能A.参与微生物细胞的组成B.提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量C.形成微生物代谢产物的来源,3,一、微生物细胞的化学组与成营养物质,（一）微生物细胞的化学组成元素大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、钴、锌、钼等存在方式有机物（蛋白质、糖、脂、核酸、维生素，）无机盐水,4,（二）微生物细胞的营养物质,1.碳源（Carbonsource）(1)碳源的作用：被微生物用来构成细胞物质或代谢中碳架来源的营养物质(2)碳源种类：糖类：葡萄糖，果糖，半乳糖，甘露糖麦芽糖，蔗糖，乳糖，纤维二糖淀粉，纤维素，半纤维素，甲壳素,5,有机酸：,乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基酸醇类：乙醇、甲醇脂类：脂肪，磷脂,6,烃类：,天然气，石油，石油馏分，石蜡油CO2：CO2碳酸盐：NaHCO3,CaCO3,其他：芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸,7,2.微生物的氮源,（1）作用：构成微生物细胞组成或代谢中氮素来源的营养物质。（2）主要种类：无机氮源：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐等有机氮源：蛋白胨、酵母膏、玉米浆、鱼粉、黄豆饼、花生饼等气态氮源：N2,8,3.微生物的能源,能源的作用：在一些耗能代谢中提供能量。大分子物质的合成；细菌的运动；低浓度营养物质的吸收。,9,微生物的能源分类,化能异养微生物：有机物（同碳源）化学物质：化能自养微生物：还原态无机物能源（不同碳源）NH4+,NO2-,S,H2S,H2,Fe2+光能：光能自养和光能异养微生物,10,4.微生物的生长因子,指那些为微生物生长所必需，但本身不能合成，而需要量又很少的有机物质。狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等(1).生长因子自养型微生物(2).生长因子异养型微生物(3).生长因子过量合成微生物(4).营养缺陷型微生物,11,某些微生物生长所需的生长因子,12,5.微生物的无机盐,13,无机盐及其生理功能,14,6.水,(1)水的功能A.是微生物细胞的重要组成部分，使原生质保持溶胶状态，保证带正常进行B.是物质代谢的原料C.起到物质溶剂和运输介质的作用D.有效控制细胞内的温度变化,15,(2)水的可利用性,用水活度表示水活度w(wateractivity)=P/PoP:溶液的蒸汽压Po:纯水的蒸汽压在常温常压下，纯水的aw为1.00,16,几种溶液的aw,17,几种微生物生长的最适aw值,18,二、微生物吸收营养物质的方式,简单扩散物质运输的动力:膜内外的浓度差特点：A.不消耗能量B.不发生化学变化C.非特异性。被运输的物质：小分子量和脂溶性物，如水，气体、甘油等。,19,借助膜上的载体蛋白，具有酶促反应的特性。物质运输的动力:膜内外的浓度差特点：A.需要特异性的载体蛋白B.不消耗能量C.可加快运输速度，但不能逆浓度运输,20,特点：A.有特异性的载体蛋白参与B.需要消耗能量C.可以逆浓度梯度运输为微生物的主要物质运输方式.能量来源可以是跨膜质子梯度或ATP.,21,4.基团转位,葡萄糖通过基团转位运输过程的化学反应1）PEP+HPr酶I磷酸HPr+丙酮酸2）磷酸HPr+葡萄糖酶II6-磷酸葡萄糖+HPr,22,特点：需复杂的运输酶系参与；同主动运输，但底物在运输过程发生化学变化。主要用于糖及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输。,23,三、微生物的营养类型,细菌的营养方式以能量来源分光能型:以光为能源;化能型:以物质氧化释放的能量为能源;以可利用的供氢体无机营养型:以无机物为供氢体;有机营养型:以有机物为供氢体。,24,微生物的营养类型,1.化能有机营养型微生物2.化能无机营养型微生物3.光能无机营养型微生物4.光能有机营养型微生物,25,1.化能有机营养型微生物,碳源有机物(用于合成细胞物质)能源，供氢体有机物(用于分解产能)可分为：寄生型微生物寄生于活的生物体（衣原体）腐生型微生物以死亡的生物有机体为营养原料（如大肠杆菌）自然界中绝大部分的微生物为化能有机营养型微生物,26,2.化能无机营养型微生物,碳源CO2能源，供氢体无机物（氢、氨、硫）例：2NH3+2O22HNO2+4H+能量CO2+4H+(CH2O)+H2O微生物：硝化细菌,硫化细菌,氢细菌及铁细菌,27,3.光能无机营养型微生物,碳源CO2为唯一或主要碳源能源光能供氢体H2S、Na2S2O3、水等例：CO2+H2OCH2O+O22CO2+H2S+2H2O2CH2O+H2SO4CO2+2H2SCH2O+H2O+2S微生物种类：绿色硫细菌、藻类和蓝细菌,28,4.光能有机营养型微生物,碳源CO2能源光供氢体有机物例：CO2+2CH3CHOHCH3(CH2O)+2CH3COCH3+H2O微生物：红螺菌(在厌氧,有光条件下),29,微生物的营养类型1,30,微生物的营养类型2,31,四、培养基,（一）、配制培养基的原则1.选择适宜的营养物质2.营养物质浓度及配比合适（C/N）3.控制pH条件4.控制氧化还原电位5.灭菌处理6.节约,32,1.适宜营养物质的选择,33,2.营养物质浓度及配比合适（C/N）,碳氮比（C/N）：培养基中碳元素/氮元素物质的量比值或还原糖与粗蛋白之比。谷氨酸发酵生产：C/N=4时菌体大量繁殖，Glu积累少；C/N=3时菌体繁殖受抑，Glu大量积累。,34,3.控制pH条件,细菌:pH7.08.0放线菌：pH78.5酵母菌:pH3.86.0霉菌：pH4.06.0,35,维持培养基pH的方法,使用磷酸缓冲剂：K2HPO4/Na2HPO4:KH2PO4/NaH2PO4采用“备用碱”CaCO3、CaHCO3采用液氨或盐酸调节,36,4.控制氧化还原电位,好氧微生物：+0.1V，一般+0.3+0.4V厌养微生物：+0.1以下兼性微生物：+0.1以上好氧呼吸；+0.1以下进行发酵,37,控制氧化还原电位的方法,提高氧化还原电位：通气，搅拌降低氧化还原电位：去除氧气；加入还原剂（硫化物）,38,5.灭菌处理,高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm，121.3，1530min。注意：高温灭菌对营养物质的破坏及pH变化,39,（二）、培养基的类型及应用,1.按成分不同划分培养基天然培养基合成培养基半合成培养基,40,2.根据物理状态划分培养基,固体培养基：固化培养基:含琼脂1.52%或其它固形物天然固体培养其:农作物材料液体培养基:不含琼脂半固体培养基：含琼脂0.20.7%,41,3.按使用用途划分培养基,完全培养基(Completemedium)基础培养基(Minimummedium)加富培养基(Enrichmentmedium)选择培养基(Selectivemedium)鉴别培养基(Differentialmedium),42,一些鉴别培养基,43,第二节微生物的代谢,一、代谢和酶分解代谢(Catabolism)代谢合成代谢(Anabolism),44,酶的组成与分类单聚体蛋白酶蛋白寡聚体蛋白:谷酰胺合成酶多聚体蛋白:丙酮酸脱氢酶酶辅基:血红素辅因子辅酶:NAD,FAD,生物素等激活剂:金属离子胞内酶酶胞外酶,45,二、微生物主要产能方式,（一）发酵与底物水平磷酸化发酵:在无氧条件下进行，并获得能量的一种主要方式。发酵是以有机质分解过程中的部分中间产物作为质子及电子的最终受体被还原，而另一部分有机物则被氧化。工业发酵:是指微生物在有氧或无氧条件下通过物质的分解与合成两个代谢过程将某些物质转变成某些产物的整个过程,46,微生物在厌养条件下的发酵过程的前部反应,47,酵母菌的乙醇发酵,C6H12O6+2ADP+2H3PO42CH3CH2OH+2ATP+2CO2+2H2O,48,乳酸细菌的正型乳酸发酵,C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3CHOHCOOH+2ATP+2H2O,49,（二）呼吸,有氧呼吸:有机物为底物的有氧呼吸以分子氧作为质子和电子的最终受体的呼吸作用C6H12O6+6O26CO2+6H2O+6ATP,50,（二）丙酮酸代谢和三羧酸（TCA）循环,51,（二）丙酮酸代谢和三羧酸（TCA）循环,52,（三）NAD和NADP在代谢中的作用,电子传递链的组成部分脱氢和氢化作用的载体,53,电子传递系统,54,微生物好氧呼吸中的电子传递,55,无机物为底物的有氧呼吸,以还原态无机物作为氧化基质，以氧为电子受体，并利用该物质氧化过程中释放的能量进行生长。这类微生物主要是好氧型的化能自养型微生物。,56,各无机物氧化实例,57,2无氧呼吸:,A.作为最终的电子受体物质是NO3-、SO42-或CO2等无机物，或延胡索酸等有机物。B.作为呼吸基质的物质一般是有机物。C.通过无氧呼吸基质可被彻底氧化成CO2，并伴随有ATP的生成。,58,(1)以硝酸盐为电子受体许多细菌在厌氧条件下，可以NO3-作为质子和电子的最终受体。C6H12O66H2O脱氢酶6CO224H24HNO3-硝酸还原酶2N212H2O能量,59,(2)以硫酸盐为电子受体,硫酸盐还原细菌在厌氧条件下，可以SO42-作为最终电子受体：2CH3CHOHCOOHSO42-2CH3COOH2CO22H2OH2S只有脱硫弧菌属(Desulfovibrio)等少数几种菌能以有机物(乳酸、丙酮酸等)或分子氢作为硫酸还原的供氢体。,60,(3)以CO2为电子受体,大多数产甲烷细菌在厌氧条件下可以CO2作为最终电子受体，将CO2还原成甲烷。4H2CO2CH42H2O(4)以延胡索酸为电子受体雷氏变形菌和甲酸乙酸梭菌能以延胡索酸作为受氢体还原生成琥珀酸。HOOCCHCHCOOHH2HOOCCH2CH2COOH,61,(四）光合作用和光合磷酸化1.紫硫细菌的光能转换,（1）过程,62,(2)特点:,只能以环式电子传递方式进行。通过电子传递生成的跨膜质子浓度差产生ATP。光合作用一般不能产生还原力（还原NAD+为NADH）。,63,2.绿硫细菌的光能转化,（1）过程,64,(2)特点：,以环式及非环式电子传递方式进行。环式电子传递时能生成ATP。进行非环式电子传递时以还原态硫化物为电子供体能还原NAD(P)+为NAD(P)H。,65,3.蓝细菌的光能转化,(1)过程,66,(2)特点：,有PSI和PSII两个光合系统。以环式及非环式电子传递方式进行。环式电子传递时能生成ATP。进行非环式电子传递时以水为电子供体能还原NAD(P)+为NAD(P)H，并产生氧气。,67,原核生物细胞与叶绿体的比较,68,微生物与氧的关系(隐藏),需氧性微生物只有在有氧条件下才能生长，进行有氧呼吸微生物：多数霉菌，放线菌厌氧性微生物生长不需要分子氧。或进行无氧呼吸，或进行发酵生活微生物：硫酸盐还原菌，产甲烷菌兼性厌氧微生物在有氧和无氧条件下都能生长，但在不同条件下呼吸代谢的方式不同微生物：酵母菌，大肠杆菌,69,三、化能异养代谢中糖的降解,（一）己糖降解，形成丙酮酸的途径1.EMP途径（Embden-meyerhof-parnaspathway)2.HMP途径（Hexosemonophospatepathway)3.ED途径(Enter-doudoroff)4.WD途径5.葡萄糖直接氧化途径,70,EMP途径,71,(1）EMP途径的特点:,A.葡萄糖分解是从1，6-二磷酸果糖开始B.特征性酶是1，6-二磷酸果糖醛缩酶C.整个途径不消耗氧（2）EMP途径的生理功能:A.提供ATP和NADH；B.中间产物可生物合成提供碳骨架,72,2.HMP途径,途径从6-磷酸葡萄糖酸开始分解分2个阶段：（1）氧化阶段脱氢、水解、氧化脱羧G6PRu5P+CO2（2）非氧化阶段基团转移、缩合Ru5P6-磷酸己糖,73,HMP途径图,74,(1)HMP途径的特点:,A.是从6-磷酸葡萄糖酸脱羧开始B.特征性酶是转酮酶（TK）和转醛酶（TA）C.该途径一般只产生NADPH(2)HMP途径的生理功能：A.为生物合成提供多种碳架C.为生物合成提供还原力D.该途径中的5-磷酸核酮糖对自养型微生物固定CO2有重要意义。,75,3.ED途径,76,ED途径的特点,A.特征反应为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛B.特征性酶是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶C.1mol葡萄糖经途径只产生1molATP,77,EMP、HMP、ED途径的比较,78,糖代谢途径在微生物中的分布（%）,79,4.WD途径,也称磷酸解酮酶途径PK途径：具磷酸戊糖解酮酶HK途径：具磷酸己糖解酮酶,80,PK途径图,81,HK途径图,82,5.葡萄糖直接氧化途径(隐藏),83,五、次级代谢,次级代谢（Secondarymetabolism)是某些生物（植物和某些