2微生物的营养ppt课件

1、营养营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取对其：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。和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养物营养物(nutrient)(nutrient)：具有营养功能的物质。：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。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一些微生物可利用非物质形式的能源光能光能 一、细胞化学组成一、细胞化学组成第一节第一节 微生物的六种营养

2、要素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微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）干重）元素元素细菌细菌酵母菌酵母菌霉菌霉菌碳碳5049.847.0氢氢85.76.7氧氧2031.140.2氮氮157.55.2硫硫10.30.2磷磷31.51.2有机物分析有机物分析:1化学法直接抽提，定性定量分析；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。破碎细胞得亚显微结构

3、，再分析。无机物指与有机物结合或单独存在的无机盐等物质；无机物指与有机物结合或单独存在的无机盐等物质；分析：分析：干细胞高温炉干细胞高温炉550）焚烧得到的灰分，分析其中）焚烧得到的灰分，分析其中各种无机元素含量。各种无机元素含量。水分：水分：细胞表面水分吸干后的重量为湿重；采用低温真空细胞表面水分吸干后的重量为湿重；采用低温真空枯燥、红外快速烘干方法烘干至恒重为干重。枯燥、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；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。对一般生物有害的，

4、微生物还能利用。微生物是杂食性的：微生物是杂食性的：异养微生物：必须利用有机碳源异养微生物：必须利用有机碳源自养微生物：能利用无机碳源自养微生物：能利用无机碳源（一碳源（一碳源(carbonsource)提供微生物营养所需碳元素的营养源。提供微生物营养所需碳元素的营养源。q有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等q无机碳源：无机碳源：CO2,Na2CO3,CaCO3等等p有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆p无机氮源：无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4p气态氮源：大气气态氮源：大气N2（二氮源（二氮源(nitrogen s

5、ource)(nitrogen source)凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。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。氮源一般不作能源。速效氮源速效氮源迟效氮源迟效氮源花生饼粉和黄豆饼粉是迟效氮源，利于花生饼粉和黄豆饼粉是迟效氮源，利于代谢产物积累。代谢产物积累。玉米浆是速效氮源，利于菌体生长；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。辐射能。（三能源（三能源(energysource)异养微生物的碳源同时也是能源异养微生物的碳源同时也是能源无机物：化能自养微生物的能源无机物：化

6、能自养微生物的能源能源谱能源谱化学物质化学物质辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源有机物：化能异养微生物的能源有机物：化能异养微生物的能源单功能：单功能：辐射能辐射能双功能：双功能：还原态无机养料，如还原态无机养料，如NH4+既是硝酸盐细菌既是硝酸盐细菌的能源，又是氮源的能源，又是氮源三功能：三功能：NCHO类营养物质常是异养微生物的能类营养物质常是异养微生物的能源，碳源兼氮源源，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，一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的

7、碳源，氮源自行合成的、所需极微量的有机物。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。培养基中生长因子来源：酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。(四四)生长因子生长因子(growthfactor)作用：辅酶或酶活化所需。作用：辅酶或酶活化所需。狭义：维生素狭义：维生素广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等q生长因子自养型微生物生长因子自养型微生物autotrophs)q生长因子异养型微生物生长因子异养型微生物heterotrophs)q营养缺陷型微生物营养缺陷型微生物nutritionaldeficiency)q生长因子过量合成型

8、微生物生长因子过量合成型微生物 若干细菌所需要的维生素若干细菌所需要的维生素 维生素维生素微生物的种微生物的种硫胺素硫胺素(B1)Bacillus anthracis(炭疽芽孢杆菌炭疽芽孢杆菌)核黄素核黄素Clostridium tetani(破伤风梭菌破伤风梭菌)烟酸烟酸Brucella abortus(流产布鲁氏杆菌流产布鲁氏杆菌)吡哆酸吡哆酸(B6)Lactobacillusspp.(各种乳酸杆菌各种乳酸杆菌)生物素生物素Leuconostoc mesenteroides(肠膜状明串珠菌肠膜状明串珠菌)泛酸泛酸Proteus morganii(摩氏变形杆菌摩氏变形杆菌)叶酸叶酸Leuco

9、nostoc dextranicum(葡聚糖明串珠菌葡聚糖明串珠菌)钴胺酸钴胺酸(B12) Lactobacillusspp.(各种乳酸杆菌各种乳酸杆菌)维生素维生素KBacteroides melaninogenicus(产黑素拟杆菌产黑素拟杆菌) 维生素的生理功能维生素的生理功能维生素维生素转移的对象转移的对象代谢功能代谢功能硫胺素硫胺素(B1)乙醛基乙醛基焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基，与转酮酶的辅基，与a酮酸的氧酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关化脱羧和酮基转移有关吡哆醇吡哆醇(B6)氨基氨基磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨

10、酶与脱羧酶的辅基，参与氨基氨酶与脱羧酶的辅基，参与氨基酸的消旋、脱羧和转氨酸的消旋、脱羧和转氨叶酸叶酸甲基甲基即辅酶即辅酶F(四氢叶酸四氢叶酸)，参与一碳基，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核甘酸、丝氨酸和甲硫氨酸有关甘酸、丝氨酸和甲硫氨酸有关维生素维生素B12羧基，甲基羧基，甲基钴酰胺辅酶，参与一碳基的转移，钴酰胺辅酶，参与一碳基的转移，与甲硫氨酸和胸苷酸有关与甲硫氨酸和胸苷酸有关（五无机盐（五无机盐(inorganicsalts)所需浓度在所需浓度在10-3-10-4M 10-3-10-4M 的元素为大量元素的元素为大量元素所需浓度在所需浓度在10-6-10

11、-8M 10-6-10-8M 的元素为微量元素的元素为微量元素无机盐的生理功能无机盐的生理功能无机盐无机盐大量元素大量元素微量元素微量元素一般功能一般功能特殊功能特殊功能细胞内一般分子成分细胞内一般分子成分(P、S、Ca、Mg、Fe等等)生理调节物质生理调节物质渗透压的维持渗透压的维持(Na+等等)酶的激活剂酶的激活剂(Mg等等)pH的稳定的稳定化能自养菌的能源化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、MO2-等等)无氧呼吸时的氢受体无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-等等)酶的激活剂酶的激活剂(Cu2+、Mn2+、Zn2+等等)特殊分子结构成分特殊分子结构成分(Co、Mo等等)生理作用：

12、生理作用： 细胞组成成分细胞组成成分 生化反应溶剂生化反应溶剂 化学、生理反应介质化学、生理反应介质 物质运输媒体物质运输媒体 调节细胞温度调节细胞温度 维持细胞的渗透压维持细胞的渗透压 （六水（六水存在状态：游离态溶剂和结合态结构组成）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溶液的蒸汽压力与同样条件下纯水蒸汽压力之比表示，即：件下纯水蒸汽压力之比表示，即： aw=P/P0 aw=P/P0 式中式中P P代表溶液蒸汽压力代表溶液蒸汽压力, P0

13、, P0代表纯水蒸汽压力。代表纯水蒸汽压力。纯水纯水ww为为1.00, 1.00, 溶液中溶质越多溶液中溶质越多, w, w越小。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几种溶液的水活度值 溶溶液液aw30%葡萄糖溶液葡萄糖溶液0.9641%葡萄糖葡萄糖+20%甘油甘油0.9551%葡萄糖葡萄糖+40%蔗糖蔗糖0.964饱和氯化钠溶液饱和氯化钠溶液0.78饱和氯化钙溶液饱和氯化钙溶液0.30饱和氯化镁溶液饱和氯化镁溶液0.30饱和氨化锂溶液饱和氨化锂溶液0.11细菌细菌酵

14、母酵母霉菌霉菌蕈状芽孢杆菌蕈状芽孢杆菌0.99产沅酵母产沅酵母0.94刺状毛霉刺状毛霉0.93枯草杆菌枯草杆菌0.95面包酵母面包酵母0.905青霉青霉0.83-0.8粘质赛氏杆菌粘质赛氏杆菌0.94啤酒酵母啤酒酵母0.895黄曲霉黄曲霉0.80大肠杆菌大肠杆菌096-0.935内孢霉内孢霉0.885黑曲霉黑曲霉0.88八叠球菌八叠球菌0.93-0.915 罗氏酵母罗氏酵母（高渗酵母）（高渗酵母）0.73双孢耐旱菌双孢耐旱菌0.6-0.65嗜盐杆菌嗜盐杆菌0.75Osmosis (Cell in an Isotonic Environment)Osmosis (Cell in Hyperton

15、ic Environment)Osmosis (Cell in Hypotonic Environment)依碳源不同：依碳源不同：异养型异养型(heterotrophs):不能以不能以CO2为主要或唯一碳源为主要或唯一碳源自养型自养型(autotrophs):能以能以CO2为主要或唯一碳源为主要或唯一碳源第二节第二节微生物营养类型微生物营养类型依能源不同：依能源不同：光能营养型光能营养型(phototrophs):光反应产能光反应产能化能营养型化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能物质氧化产能依生长因子的不同：依生长因子的不同：原养型原养型(prototroph)或野生型或野生型

16、(wildtype)营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph)微生物的营养类型微生物的营养类型 营养类型营养类型能源能源主要碳主要碳源源电子供体电子供体实例实例光能光能自养型自养型光能光能CO2H2、H2S、S、H2O蓝细菌蓝细菌紫硫细菌紫硫细菌绿硫细菌绿硫细菌藻类藻类化能化能自养型自养型无机物无机物CO2或或碳酸盐碳酸盐H2、H2S、Fe2+、NH3、H2O氢细菌氢细菌硫细菌硫细菌铁细菌铁细菌硝化细菌硝化细菌光能光能异养型异养型光能光能CO2和和简单有简单有机物机物有机物有机物红螺细菌红螺细菌化能化能异养型异养型有机物有机物有机物有机物有机物有机物绝大多数微生物，绝大多数微生物，原生动物原生

17、动物1 1光能无机营养型光能自养型）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H2 O、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。CO2+ 2H2S光能光合色素 CH2O + 2S+ H2O2 2光能有机异养型光能异养型）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

18、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。CHOH + CO2H3CH3C2光能光合色素2 CH3C0CH3 + CH2O + H2O光能无机自养型和光能有机异养型微生物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。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

19、无机及无光的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。环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中它们广泛分布于土壤及水环境中, ,参与地球物质循环；参与地球物质循环；4 4化能有机营养型化能异养型）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)

20、：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(facultive metatrophy)； 兼性寄生型(facultive paratrophy)；不同营养类型之间的界限并非绝对：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完全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；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

21、5 5营养缺陷型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。第三节第三节 细胞对营养物质的吸收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，这就养物吸收至胞内被利用，代谢物分泌到胞外

22、以免积累，这就是物质运输过程。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在营养物质运送方面，细胞壁仅简单地排阻分子量过大(600Da)(600Da)的溶质进入的溶质进入, , 而具有磷脂双分子层和嵌合蛋白分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。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：影响营养物质进入细胞因素：营养物质本身性质营养物质本身性质微生物所处环境：温度、微生物所处环境：温度、pH、离子强度、被运输物质、离子强度、被运输物质结构类似物都会影响结构类似物都会影响菌的透过屏障：菌的透过屏障：CW

23、、CM、荚膜、粘液层等组成，影响、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；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；结构紧密，影响物质进入；CM对物质运输尤为重要，对物质运输尤为重要，选择性。选择性。一、小分子物质的吸收一、小分子物质的吸收单纯扩散：单纯扩散：促进扩散：促进扩散：主动运输：主动运输：基团移位：基团移位：1.简单扩散简单扩散/单纯扩散单纯扩散(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

24、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。The rate of diffusion will vary depending on the its: size, polarity, charge and concentration on the inside of the membrane versus the concentration on the outside of the membrane.l胆固醇的含量：胆固醇使得膜变得僵硬，胆固醇的含量：胆固醇使

25、得膜变得僵硬，膜的渗透性减小膜的渗透性减小l脂肪酸的组成：不饱和度增加，链的长度脂肪酸的组成：不饱和度增加，链的长度减少，膜的通透性增加。顺式结构比反式减少，膜的通透性增加。顺式结构比反式结构的通透性好。结构的通透性好。l温度：温度升高，膜的有序性被破坏，渗透性增强 (heat shock for transformation)l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、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

26、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；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(carrier protein)和通道蛋白(channel protein)两种。载体蛋白与促进扩散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，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，因并

27、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。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。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。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渗透酶多为诱导酶，只有在相应底物存在时才能诱导合成。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、

28、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。缬氨霉素缬氨霉素移动性离子载体载体蛋白与促进扩散移动性离子载体载体蛋白与促进扩散铁的运输铁的运输铁是所有生物的必需元素，而且需要的量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些载体被赋予专门的名称-铁载体铁载体siderophores）。）。在中性在中性pH下，下，Fe(III)几乎是不溶的，使生几乎是不溶的，使生物体中铁的利用成为严重的问题物体中铁的利用成为严重的问题

29、铁载体的分类铁载体的分类可分为三类：可分为三类：氧肟氧肟(w)酸盐酸盐(hydroxamate)型、儿茶酚型和柠型、儿茶酚型和柠檬酸型。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=HOCH

30、2,R2=H时称为高铁素ferrichrome A），这些化合物是克莱因水玉霉菌(Pilobolus kleinii)、需土节杆菌(Arthrobacter terregens)、谷氨酸微球菌 （Micrococcus glutamicus)的生长因子。铁草铵的性质相似于铁环六肽化合物，ferrioxamines B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肠杆菌素是

31、由产气杆菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等产生的。分子上的等产生的。分子上的3个邻苯二酚基的个邻苯二酚基的6个酚氧原子与个酚氧原子与Fe(III)形成八面体型配合物。形成八面体型配合物。通道蛋白与促进扩散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，通道蛋白主要以物分子结合，通道蛋白主要以-螺旋或螺旋或-折叠折叠两种类型的跨膜蛋白存在，在横跨细胞膜形成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进入细胞或流出细胞，并通过

32、打开或关闭通道来调节物质的进出。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glycerol transporter）(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-sensitive ion channel等。通道载体通道蛋白与促进扩散通道载体通道蛋白与促进扩散短杆菌肽构成的离子通道短杆菌肽构成的离子通道甘油运输体甘油运输体(GlpF)GlpF是存在于大肠杆菌内膜上的一个是存在于大肠杆菌内膜上的一个-型通道，甘型通道，甘油以促进扩散的方式通

33、过通道进入细胞，但这一通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能运输带电分子如3-磷酸甘油醛和二羟丙酮。同样，磷酸甘油醛和二羟丙酮。同样，酵母细胞的酵母细胞的GlpF的专一性也不是很强，除甘油外还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。可以运输水和小的溶质分子。水特异的亲水性通道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作为重要的生理分子，水

34、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的亲水性通道aquaporin-Z以促进扩散方式进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，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。维持细胞的稳定性。3、主动运输、主动运输(activetransport)特点：特点：是微生物吸收营养的主要方式是微生物吸收营养的主要方式可逆浓度梯度运输，耗能可逆浓度梯度运输，耗能需载体蛋白，有特异性需载体蛋白，有特异性运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类需要特异性

35、载体蛋白，需要能量来改变载体蛋白的需要特异性载体蛋白，需要能量来改变载体蛋白的构象构象亲和力改变亲和力改变蛋白构象改变蛋白构象改变耗能耗能运输物质所需能量来源：运输物质所需能量来源：（1质子动力质子动力（2ATP和其他高能化合物和其他高能化合物好氧型微生物直接利用呼吸能；好氧型微生物直接利用呼吸能；厌氧型微生物利用化学能厌氧型微生物利用化学能(ATP)；光合微生物利用光能；光合微生物利用光能；质子动力质子动力ATP动力动力主动运输主动运输1质子动力型质子动力型（1单向传递单向传递(uniport)（2逆向传递逆向传递(antiport)（3同向传递同向传递(symport)单向传递单向传递同向

36、传递同向传递反向传递反向传递甘油aH+/氨基酸H+:阳离子H+/甘氨酸aH+: Ca2+aaH+/组氨酸aH+: CaHPOa4aH+/赖氨酸aH+: K+aH+/苯丙氨酸aH+: Na+aH+/有机酸K+:阳离子H+/ DL-乳酸aK+:CH3NH+H+/丙酮酸aH2PO.4 : 有机阴离子H+/琥珀酸aH2PO.4 : 6-磷酸己糖aH+/葡糖酸aH2PO.4 :3-磷酸甘油aH+/糖H2PO.4 :磷酸丙酮酸bH+/阿拉伯糖aH+/半乳糖aH+/乳糖aH+/无机阴离子H+/磷酸根aNa+/氨基酸Na+, H+/谷氨酸aNa+,(H+)/脯氨酸aNa+/糖主动运输主动运输2）ATP动力型动

37、力型ATP动力型动力型ATP-linkedIonMotivePumps是主动运输的是主动运输的主要形式，它利用主要形式，它利用ATP或其它高能磷酸化合物的能量，将运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白往往被称为泵pump,ATPase）。）。主要类型为主要类型为P-型泵型泵P-typeATPase和和F-型泵型泵F-typeATPase）。）。P-型泵型泵:Theyare-helicalbundleprimarytransportersrefereedtoasP-typeATPa

38、sesbecausetheycatalyzeauto-(orself)phosphorylationofakeyconservedaspartateresiduewithinthepump.ProminentexamplesofP-typeATPasesarethesodium-potassiumpump(Na+,K+-ATPase),theprotonpump(H+-ATPase),theproton-potassiumpump(H+,K+-ATPase)andthecalciumpump(Ca2+-ATPase).F-型泵型泵:涉及到将涉及到将H+排出细胞或伴随着排出细胞或伴随着H+进入细

39、胞产生进入细胞产生ATP的过的过程，在有些细菌中，程，在有些细菌中，Na+可替代可替代H+。F-typeATPase,alsoknownasF-TypeATPase,isanATPasefoundinbacterialplasmamembranes,mitochondrialinnermembranesandinchloroplastthylakoidmembranes.P-型泵型泵P-型泵可运输型泵可运输K+、Mg2+、Ca2+等不同离子，等不同离子，运输不同离子的运输不同离子的P-型泵具有一定的共性：型泵具有一定的共性：即具有即具有6-8个穿膜片段的亚基，可形成磷酸化个穿膜片段的亚基，可形

40、成磷酸化的中间体，中间体又具有两种对底物不同亲的中间体，中间体又具有两种对底物不同亲和性的构型和性的构型E1和和E2。Yeast cells blocked in P-type ATPase-dependent lipid transport are defective 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。 大肠杆菌大肠杆菌Kdp泵的组成泵的组成a和工作原理图和工作原理图(b)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

41、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+out ADP + phosphate + K+in ABC型泵型泵在细菌中存在的另一类主动运输形式是在细菌中存在的另一类主动运输形式是ABC型泵型泵AT

42、P-bindingcassette），又），又称运输蛋白，可运输一些特殊的营养成分如称运输蛋白，可运输一些特殊的营养成分如SO42-、氨基酸、糖和其它一、氨基酸、糖和其它一些物质。些物质。系统由两部分组成系统由两部分组成:一部分称为结合蛋白，是位于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；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），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

43、细胞质部分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含有个和ATP特异结合的特征序列特异结合的特征序列WalkerAbox和和WalkerBbox），所以这），所以这一运输形式称为一运输形式称为ABC型泵型泵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。MaltoseMaltose （麦芽糖transport through a ABC type pump特点：特点：属主动运输类型属主动运输类型溶质分子发生化学修饰溶质分子发生化学修饰定向磷酸化定向磷酸化需复杂的运输酶

44、系参与需复杂的运输酶系参与运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等4、基团转移、基团转移(grouptranslocation)每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP的能量。的能量。v依赖磷酸烯醇式丙酮酸依赖磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和磷酸转移酶系统和磷酸转移酶系统(PTS)。PEP+HPrEI丙酮酸丙酮酸+P-HPrP-HPr+糖糖EII糖糖-P+HPr1. 1. 热稳定性载体蛋白热稳定性载体蛋白(heat stable carrier protein, HPr) (heat stable carrier

45、 protein, HPr) 的激活的激活 2.糖磷酸化后运入膜内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。膜对大多数磷酸化合物具有高度的不渗透性。磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸-糖基磷酸转移酶糖基磷酸转移酶(PTS)系统系统高能磷酸从高能磷酸从HPr转移至溶解态转移至溶解态EIIa,磷酸再从磷酸再从EIIa转移至转移至EIIb，再，再经过经过EIIc穿膜的转运过程而转移至糖基。穿膜的转运过程而转移至糖基。磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),第一个酶第一个酶I(EI),低分子量热稳定性载体低分子量热稳定性载体蛋白蛋白(HPr),第二个酶第二个酶II(EII)基团转位主

46、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 + PRPP AMP + ppi五、膜泡运输五、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。们必须通过一定的机制才能向胞外分泌。其它一些大

47、分子物如毒素的分泌、细胞膜和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。要进行蛋白质的跨膜运输。二、大分子营养物质的运输二、大分子营养物质的运输（1蛋白质的转运机制蛋白质的转运机制在大肠杆菌：在大肠杆菌：Sec(Secmachinery)转运系统和转运系统和Tat(twin-argininetranslocation)转运系统。转运系统。共性：共性：1蛋白质前体上均在蛋白质前体上均在N-端有介导转运的信号肽，信号端有介导转运的信号肽，信号肽均由肽均由3部分形成，信号肽在蛋白质穿越细胞内膜时被部分形成，

48、信号肽在蛋白质穿越细胞内膜时被信号肽酶切除。信号肽酶切除。2蛋白质的转运都需要消耗能量，蛋白质的转运都需要消耗能量，Sec转运系统的能源转运系统的能源来自于来自于ATP的水解，在不同的阶段还需要质子梯度提供的水解，在不同的阶段还需要质子梯度提供能量。而能量。而Tat转运系统的能量来自于质子梯度。转运系统的能量来自于质子梯度。N区(带正电荷)C区(信号肽酶切点)H区(疏水性)差异性：差异性：Sec转运系统转运的蛋白质以松散的线状形式转运系统转运的蛋白质以松散的线状形式转运，而转运，而Tat转运系统以折叠形式转运。转运系统以折叠形式转运。Tat信号肽通常比信号肽通常比Sec信号肽长，含有双精氨酸信

49、号肽长，含有双精氨酸保守序列核心保守序列核心S/T-R-R-x-F-L-K。丝丝/苏苏-精精-精精-N-苯丙氨酸苯丙氨酸-亮亮-赖赖Sec转运系统转运系统在蛋白质转运的起始阶段，合成的蛋白质前体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，定靶有两种途径，SecB依赖途径和依赖途径和SRP途径途径（signalrecognitionparticle）。定靶：定靶：SecB依赖途径依赖途径SecB的分子量为的分子量为17kDa，形成四聚体，形成四聚体，SecB可特异性地与一些蛋白质的前体结合，

50、结合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，使之处于转运定蛋白质前体的非折叠状态，使之处于转运状态，再通过状态，再通过SecB与与SecAC-末段的亲和性，末段的亲和性，引导蛋白质前体运动到细胞膜上。前体上的引导蛋白质前体运动到细胞膜上。前体上的信号肽与信号肽与SecA结合后，蛋白质前体转位给结合后，蛋白质前体转位给SecA，同时释放，同时释放SecB。定靶：蛋白质信号识别颗粒途径定靶：蛋白质信号识别颗粒途径SRP途径）途径）需要有需要有SRP受体膜蛋白受体膜蛋白FtsY的参与。的参与。在大肠杆

51、菌中在大肠杆菌中SRP由蛋白质由蛋白质Ffh和和4.5sRNA结合结合形成复合体，可识别信号肽，当蛋白质前体部形成复合体，可识别信号肽，当蛋白质前体部分合成约分合成约70-150个氨基酸的长度时，个氨基酸的长度时，Ffh与之与之结合，一方面阻止蛋白质的折叠，另一方面介结合，一方面阻止蛋白质的折叠，另一方面介导与导与SRP受体结合。受体结合。Tat转运系统转运系统大肠杆菌蛋白质大肠杆菌蛋白质Tat(twin-argininetranslocation)转运系统由转运系统由TatA、TatB、TatC和和TatE组成，可介导含双精氨酸组成，可介导含双精氨酸RRS/T-R-R-x-F-L-K保守序列

52、信号肽的蛋白质进行穿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。膜转运，使这些蛋白质进入细胞周质空间。Tat转运系统不同于转运系统不同于Sec转运系统，转运底物转运系统，转运底物是以折叠状态转运，转运能量来自于跨膜质是以折叠状态转运，转运能量来自于跨膜质子梯度。子梯度。TatB和和TatC形成了形成了Tat转运酶的中心，是转运酶的中心，是Tat转运酶的结构和功能单位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机制蛋白质的分泌从整体上有蛋白质的分泌从整体上有5种形式：种形式：I型蛋白质分泌系统型蛋白质分泌系统(theTypeIproteinsecretionsystem)，也，也称为称为ABC转运系统转运系统ABC-typetransportsystem）II型分泌系统型分泌系统theTypeIIproteinsecretionsystem），也称），也称为普遍性分泌途径为普遍性分泌途径thegeneralsecretorypathway）(GSP)TypeIII,TypeIV和和TypeV细菌的分泌方式可分为两大类：细菌的分泌方式可分为两大类：一类依赖于一类依赖于