微生物学第三章(修改)

1、环境(hunjng)微生物学之微生物的营养和代谢共一百三十四页第三章第一节 微生物的营养物质第二节 微生物的营养类型 第三节 培养基 第四节 营养物质进入细胞(xbo) 第五节 微生物的产能代谢 微生物的营养和代谢共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢微生物的营养物质 微生物细胞的化学(huxu)组成 微生物的营养物质 及其生理功能 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学成分以有机物和无机物两种状态存在(cnzi)。有机物包含各种大分子，它们是蛋白质、核酸、脂质和糖类，占细胞干重的99%。无机成分包括小分子无机物和各种离子，占细胞干重的1%。共一百三十四页第

2、三章微生物的营养和代谢微生物细胞(xbo)的元素构成由C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等组成。共一百三十四页微生物细胞中几种主要(zhyo)元素的含量（干重%）共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢微生物细胞的化学元素与其营养物质微生物生长(shngzhng)所需的营养物质应该包含有组成细胞的各种化学元素，即构成细胞物质的碳素来源的碳源物质，构成细胞物质的氮素来源的氮源物质和一些含有K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo元素的无机盐。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢微生物的营养物质及其生理功能微生物生长所需要的营养物质主要

3、是以的有机物和无机物的形式提供的，小部分由气体(qt)物质供给。微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为：碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大类。 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢碳源在微生物生长过程(guchng)中为微生物提供碳素来源的物质称为碳源(source of carbon)。 从简单的无机含碳化合物如CO2和碳酸盐到各种各样的天然有机化合物都可以作为微生物的碳源，但不同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能力有差异。(见表3.1) 共一百三十四页微生物的营养和代谢表3.1微生物利用(lyng)的碳源物质种类碳源物质备注糖葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、

4、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。有机酸糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致pH下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。醇乙醇在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。烃天然气、石油、石油馏分、石蜡油等利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。CO2CO2为自养微生物所利用。碳酸盐NaHCO3、CaCO

5、3等为自养微生物所利用。其他芳香族化合物、氰化物蛋白质、肽、核酸等利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢碳源的生理作用构成微生物自身的细胞物质和代谢产物；在细胞内生化反应过程中为机体(jt)提供维持生命活动的能量;共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢氮源凡是可以被微生物用来构成细胞(xbo)物质的或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为氮源(source of nitrogen)物质。这些氮源物质有蛋白质及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物(见表3.2)

6、。 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢氮源物质常被微生物用来合成细胞中含氮物质，少数情况下可作能源物质，如某些厌氧微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为能源。微生物对氮源的利用具有选择性铵盐作为氮源时会导致(dozh)培养基pH值下降，称为生理酸性盐；而以硝酸盐作为氮源时培养基pH值会升高，称为生理碱性盐。共一百三十四页微生物的营养和代谢表3.2 微生物利用(lyng)的氮源物质种类氮源物质备注蛋白质类蛋白质及其不同程度降解产物(胨、肽、氨基酸等)大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产物氨及铵盐NH3、

7、(NH4)2SO4等容易被微生物吸收利用硝酸盐KNO3等容易被微生物吸收利用分子氮N2固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去固氮能力其他嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程度地被微生物作为氮源加以利用共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢无机盐无机盐(inorganic salt)是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们在机体(jt)中的生理功能主要是作为酶活性中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化

8、还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等(表3.3)。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢微生物可利用无机盐类型微量元素微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用(zuyng)，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10-6-10-8mol/L (培养基中含量)。微量元素一般参与酶的组成或使酶活化(表3.4)。 共一百三十四页表3.3 无机盐及其生理功能元素化合物形式(常用)生理功能磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基pH硫(NH4)2SO4，MgSO4含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷胱甘肽可

9、调节胞内氧化还原电位镁MgSO4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分钙CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需钠NaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性钾KH2PO4，K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子铁FeSO4细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需共一百三十四页表3.4 微量元素与生理功能元素生理功能锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA与DNA聚合酶中锰存在于过氧化

10、物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钴存在于谷氨酸变位酶中铜存在于细胞色素氧化酶中钨存在于甲酸脱氢酶中镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢生长因子生长因子(growth factor)通常指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或合成量不足以满足(mnz)机体生长需要的有机化合物。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢根据生长因子的化学结构(jigu)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(vitamin)、氨基酸与嘌呤与嘧啶三大类(见表3.5)。共一百三十四页

11、第三章微生物的营养和代谢维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与(cny)新陈代谢；有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长；嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。共一百三十四页表3.5 维生素及其在代谢(dixi)中的作用 化合物代谢中的作用对氨基苯甲酸四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶生物素催化羧化反应的酶的辅酶辅酶M甲烷形成中的辅酶叶酸四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中泛酸辅酶A的前体硫辛酸丙酮酸脱氢酶复合物的辅基尼克酸NAD、NADP的

12、前体，它们是许多脱氢酶的辅酶吡哆素(B6)参与氨基酸和酮酶的转化核黄素(B2)黄素单磷酸(FMN)和FAD的前体，它们是黄素蛋白的辅基钻胺素(B12)辅酶B12包括在重排反应里(为谷氨酸变位酶)硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基维生素K甲基酮类的前体，起电子载体作用(如延胡索酸还原酶)氧肟酸促进铁的溶解性和向细胞中的转移共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢水水是微生物生长所必不可少的。水在细胞中的生理功能主要有：起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成；参与细胞内一系列化学反应；维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定(wndng)的天然

13、构象；共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢因为水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞(xbo)内温度的变化；保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素；微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢水的有效性常以水活度值(water activity, w)表示。水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样(tngyng)条件下纯水蒸气压力之比，即wPwP0w式中Pw代表溶液蒸气压力，P0w代表纯水蒸气压力。共一百三十四页第三

14、章微生物的营养和代谢纯水w为1.00，溶液中溶质越多，w越小。微生物一般在w为0.60-0.99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(jinsho)。微生物不同，其生长的最适w不同(表3.6)。一般而言，细菌生长最适w较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生物生长最适w则较低。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢表3.6 几类微生物生长(shngzhng)最适w微生物w一般细菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80嗜盐细菌0.76嗜盐真菌0.65嗜高渗酵母0.60共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢 微生物的营养类型光能无机(wj)自养型(photolithoautot

15、rophy)、光能有机异养型(photoorganoheterophy)、化能无机自养型(chemolithoautotrophy)化能有机异养型(chemoorganoheterotrophy) 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢营养类型是根据微生物生长(shngzhng)所需要的主要营养元素即能源和碳源的不同而划分的微生物类型。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢光能无机自养型光能无机自养型 也称光能自养型，这是一类能以CO2为唯一碳源或主要碳源并利用光能进行生长的的微生物，它们能以无机物如水、硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机化合物为电子供体，使CO2固定还原成细胞物质(wzh)，并且伴

16、随元素氧（硫）的释放。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢藻类、蓝细菌和光合细菌属于(shy)这一类营养类型。藻类和蓝细菌：这与高等植物(godngzhw)光合作用是一致的。这与藻类、蓝细菌和高等植物是不同的。光合细菌： 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢光能有机异养型光能有机营养型 或称光能异养型，这类微生物不能以CO2作为唯一碳源或主要碳源，需以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原(hun yun)为细胞物质。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢红螺属的一些细菌就是(jish)这一营养类型的代表： 光能有机营养型细菌在生长(shngzhng)时通常需要外源的生长因子。 共一百三十

17、四页第三章微生物的营养和代谢化能无机自养型化能无机自养型 或称化能自养型，这类微生物利用无机物氧化过程中放出的化学能作为它们生长所需的能量，以CO2或碳酸盐作为的唯一或主要碳源进行生长，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价(r ji)铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢属于这类微生物的类群有硫化(lihu)细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌等。例如氢细菌：共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢化能有机异养型化能有机营养型 或称化能异养营养型，这类微生物生长所需的能量来自有机物氧化过程放出的化学能，生长所需要的碳源主要(zhyo)是一些有机化合物，如淀粉、糖

18、类、纤维素、有机酸等，也即化能有机营养型微生物里的有机物通常既是它们生长的碳源物质又是能源物质。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢大多数微生物属于化能有机营养型：绝大多数的细菌、全部(qunb)真菌、原生动物以及病毒。如果化能有机营养型微生物利用的有机物不具有生命活性，则是腐生型；若是生活在生活细胞内从寄生体内获得营养物质，则是寄生型。共一百三十四页微生物营养(yngyng)类型划分表3.7微生物营养(yngyng)类型()划分依据营养类型特点碳源自养型(autotrophs)以CO2为唯一或主要碳源异养型(heterotrophs)以有机物为碳源能源光能营养型(phototrophs)以

19、光为能源化能营养型(chemotrophs)以有机物氧化释放的化学能为能源电子供体无机营养型(lithotrophs)以还原性无机物为电子供体有机营养型(organotrophs)以有机物为电子供体共一百三十四页表3.8 微生物的营养(yngyng)类型()营养类型电子供体碳源能源代表类群光能无机自养型H2、H2S、S、或H2OCO2光能着色细菌、蓝细菌、藻类光能有机异养型有机物有机物光能红螺细菌化能无机自养型H2、H2S、Fe2+、NH3、或NO-2CO2化学能(无机物氧化)氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、硝化杆菌属(Nitrobacter)、甲烷杆菌属(Meth

20、anobacterium)、醋酸杆菌属(Acetobacter)化能有机异养型有机物有机物化学能(有机物氧化)假单胞菌属、芽孢杆菌属、乳酸菌属、真菌、原生动物共一百三十四页微生物营养划分的相对性 同一(tngy)微生物在不同培养条下生长时，它们的营养型可能发生变化。 微生物 提供的环境条件 能源利用情况 营养型氢单胞菌 单纯的无机物环境 利用氢的氧化获得能量(nngling)， 自养生活 将CO2还原成细胞物质 提供有机物 利用有机物获得能量 异养生活红螺菌： 光 照 利用光能作能源 光能异养 暗处理 利用有机物氧化产能 化能异养共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢培养基 什么是培养基 配制

21、(pizh)培养基的原则 培养基的类型以及应用 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢什么是培养基 培养基 (culture medium)是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物(chnw)的营养基质。无论是以微生物为材料的研究，还是利用微生物生产生物制品，都必须进行培养基的配制，它是微生物学研究和微生物发酵生产的基础。 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢培养基中应含满足微生物生长发育的：水分、碳源、氮源、生长因子以及基本(jbn)的离子，磷、硫、钠、钙、镁、钾和铁及各种微量元素。此外，培养基还应具有适宜的酸碱度(pH值)和一定缓冲能力及一定的氧化还原电位和合适的渗透压。共一百三十

22、四页第三章微生物的营养和代谢配制培养基的原则 选择适宜的营养物质营养物质浓度及配比合适控制pH条件控制氧化还原电位(din wi)(redoxpotential)原料选择灭菌处理消泡共一百三十四页选择适宜的营养物质自养微生物 合成能力强 简单的无机物异养微生物 合成能力弱 至少(zhsho)提供一种有机物细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）放线菌（高氏1号）酵母菌（麦芽汁培养基）第三章微生物的营养和代谢共一百三十四页营养物质浓度及配比(1) 浓度适中原则 大量元素 10-3-10-4 mol/L 微量元素 10-6-10-8 mol/L (2) 营养比例原则 a. C/N 不同的微生物，所需营养物C/N

23、不同。 细菌、酵母菌细胞的C/N=5:1，而霉菌=10:1 同一种微生物在不同C/N培养基培养时，表现不同。 短棒杆菌的谷氨酸发酵(f jio)培养基C/N=4:1，菌体繁殖； C/N=3:1，谷氨酸形成b. 其它营养的比例（矿质元素、氨基酸）第三章微生物的营养和代谢共一百三十四页 培养基的pH值的控制 a.根据各类微生物的特点来调节培养基的pH值。 霉菌、酵母菌适于酸性 (pH4.5-6.0左右)细菌、放线菌喜中性或偏碱性 (pH7.0-7.5左右)b.使用(shyng)pH值缓冲剂磷酸盐缓冲作用的反应式为：H+(强酸)+HPO 42- (弱碱) H2PO 4 -(弱酸)OH-(强碱)+H2

24、PO4 -(弱酸) HPO 4 2-(弱碱)+H2O 碳酸钙（配制培养基时加入） 酸或碱（培养过程中加入）第三章微生物的营养和代谢共一百三十四页氧化硫硫杆菌(gnjn)培养基 (NH4)2SO4MgSO47H2O FeSO4KH2PO4CaCl2SH2OpH灭菌条件0.40.5 0.0140.251010007.0 121,20min共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢培养基的类型以及应用(yngyng) 按成分不同划分 天然培养基(complex medium) 这类培养基含有化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物，也称非化学限定培养基(chemically undefined me

25、dium)。 合成培养基(synthetic medium)是由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基。 共一百三十四页共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢根据物理状态(zhungti)划分 根据培养基中凝固剂的有无及含量的多少，可将培养基划分为固体培养基、半固体培养基和液体培养基三种类型。 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢理想的凝固剂应具备以下条件：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(在培养嗜热细菌时?)凝固剂凝固点温度不能太低，否则将不利于微生物的生长；凝固剂对所培养的微生物无毒害作用；凝固剂在灭菌过程中不会被破坏；透明度好，粘着力

26、强；配制(pizh)方便且价格低廉。共一百三十四页常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶(gelatain)和硅胶(u jio)(silica gel)。表3.9列出琼脂和明胶的一些主要特征。表3.9 琼脂与明胶(mn jio)主要特征比较内容琼脂明胶常用浓度(%)1.52512熔点()9625凝固点()4020pH微酸酸性灰分(%)161415氧化钙(%)1.150氧化镁(%)0.770氮(%)0.418.3微生物利用能力绝大多数微生物不能利用许多微生物能利用共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢按用途划分基础培养基(minimum medium)基础培养基是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营

27、养物质的培养基。 加富培养基(enrichment medium) 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(y li)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。 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢鉴别培养基(differential medium) 是用于鉴别不同类型微生物的培养基。在培养基中加入某种特殊化学物质，某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物，而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应，产生明显的特征性变化，根据(gnj)这种特征性变化，可将该种微生物与其他微生物区分开来。 共一百三十四页一些(yx

28、i)鉴别培养基共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢选择培养基(selective medium) 是用来将某种或某类微生物从混杂(hnz)的微生物群体中分离出来的培养基。一种类型选择培养基是依据某些微生物的特殊营养需求设计的。(缺乏氮源的固氮菌培养基，纤维素唯一碳源的纤维素降解菌培养基）另一类选择培养基是在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。 共一百三十四页营养物质进入细胞影响(yngxing)营养物质进入细胞的因素微生物对营养物质的吸收方式微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢影响营养物质进入细胞的

29、因素 营养物质本身的性质 （分子量、溶解度）微生物所处的环境 （ pH值、温度） 影响物质的溶解度、细胞膜的流动性和运输系统的活性微生物细胞的透过屏障（细胞膜选择性透膜； 细胞荚膜、粘液(zhn y)层以及细胞壁）共一百三十四页微生物对营养物质的吸收(xshu)方式 是否(sh fu)消耗能量 是否需要载体 是否发生被吸收物的化学变化 。单纯扩散促进扩散主动运输基团转位根据微生物对物质的吸收过程：第三章微生物的营养和代谢共一百三十四页1、单纯扩散（称被动扩散） 被吸收物质依靠其在细胞内外(niwi)的浓度梯度为动 力，从浓度高的地区向浓度低的胞内扩散的过程。SSSSSSSSSSSSSSSSSS

30、SSSSS胞外 胞膜 胞内SSS共一百三十四页1、单纯扩散（称被动(bidng)扩散）单纯扩散的特点：c. 运输(ynsh)动力a. 非特异性的b. 吸收过程不发生化学变化微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页SSSSSSSSSSSSSSTSSSSSS胞外 胞膜 胞内2、促进扩散 以细胞内外的浓度梯度为动力，在载体物 质参与(cny)下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散。T S T S T第三章共一百三十四页2.促进扩散与单纯扩散的相同点a.被动的扩散b.无化学变化(huxu binhu)c.无需代谢能第三章微生物的营养和代谢共一百三十四页2.促进扩散促进扩散独有的特点(tdin)a.载体

31、的专一性b.运输速率提高（浓度差越大，速率越快）微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页3、主动运输以代谢能为动力，在载体参与(cny)下，将物质从胞外向胞内转运。SSSSSSSSSSSSTSSSSSS胞外 胞膜 胞内T S T S T第三章共一百三十四页3.主动运输(ynsh)与促进扩散共同点a.载体b.载体构型的变化第三章微生物的营养和代谢共一百三十四页3.主动运输与促进扩散不同点a.动力(dngl)b.载体构型的变化原理微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页4、基团转位： 被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化(binhu)。（厌氧细菌和兼

32、性厌氧细菌）第三章共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢膜泡运输 (membrane vesicle transport):主要(zhyo)存在于原生动物特别是变形虫(amoeba)中，是这类微生物的一种营养物质的运输方式。如果膜泡中包含的是固体营养物质，则将这种营养物质运输方式称为胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含的是液体，则称之为胞饮作用(pinocytosis)。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢微生物的产能代谢代谢概论生物(shngw)氧化异养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化能量转换 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢代谢(metabolism)是细胞内发

33、生的各种化学反应的总称，它主要(zhyo)由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。 分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。 合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。 . 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢分解代谢的三个阶段(jidun)：第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2；共一百

34、三十四页第三章微生物的营养和代谢第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解(jin ji)生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。 第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。共一百三十四页微生物的营养和代谢共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢合成代谢所利用的小分子物质源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境。在代谢过程中，微生物通过(tnggu)分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量用于合成代谢、微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。共一百三十四页微生物产生和利用(lyng)能量及其与代

35、谢的关系图共一百三十四页微生物的酶和酶促反应(fnyng)酶的概念及其作用特性酶促反应动力学酶的化学组成与重要的辅酶（辅基）酶的分类第三章微生物的营养和代谢共一百三十四页酶的概念及其作用特性酶是活细胞的组成成分，由活细胞自身合成的，并能在细胞内外起催化作用的一种(y zhn)生物催化剂。酶作用的特点 极高的催化效率高度的专一性 易失活活性可调控有的酶需辅助因子微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页酶的活性中心和必需(bx)基团 酶分子中直接(zhji)与底物结合，并和酶催化作用直接(zhji)有关的区域叫酶的活性中心（active center）或活性部位（active site），参与构成酶

36、的活性中心和维持酶的特定构象所必需的基团为酶分子的必需基团。微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页AspHisSer胰凝乳(nn r)蛋白酶的活性中心活性中心重要(zhngyo)基团: His(组氨酸）57 , Asp（天冬氨酸）102 , Ser（丝氨酸）195第三章共一百三十四页影响对酶反应速度(fn yng s d)的因素2、底物(d w)浓度3、pH4、 温度5、激活剂6、抑制剂1、酶浓度微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页酶反应速度与底物浓度(nngd)的关系曲线第三章共一百三十四页pH对酶反应速度(fn yng s d)的影响过酸过碱导致酶蛋白变性影响底物(d w)分子解离状态影

37、响酶分子解离状态影响酶的活性中心构象pH最适 pHv第三章共一百三十四页温度(wnd)与酶反应速度的关系 在达到(d do)最适温度以前，反应速度随温度升高而加快 酶是蛋白质，其变性速度亦随温度上升而加快v温度第三章共一百三十四页激活剂对酶作用(zuyng)的影响类别(libi) 金属离子：K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+ 、 Co2+、Fe2+ 阴离子： Cl-、Br- 有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽 金属螯合剂：EDTA凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂（activator）第三章共一百三十四页 抑制剂对酶作用(zuyng)的影响 凡是使

38、酶的必需基因或酶的活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶完全丧失(sngsh)活性的物质，叫酶的抑制剂（inhibitor） 。 类型：不可逆抑制剂 可逆抑制剂 应用：研制杀虫剂、药物 研究酶的作用机理，确定代谢途径微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页 维生素及其与辅酶的关系 维生素（vitamin）维持机体正常生命活动不可缺少的一类小分子有机化合物，人和动物不能合成它们，必须从食物中摄取。维生素可分为脂溶性（A，D，K，E）和水溶性两大类。当人体缺乏(quf)某种维生素时，则相应代谢受阻，出现维生素缺乏(quf)症。 多数水溶性维生素作为辅酶的主要成分，或本身就是辅酶参与体内代

39、谢过程。微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页重要的水溶性维生素及相应(xingyng)辅酶 1 维生素pp：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+） 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(ln sun)（NADP+）2 维生素B2：黄素单核苷酸（FMN） 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）3 维生素B1：焦磷酸硫胺素（TTP）4 泛酸： 辅酶 A（CoA）5 维生素B6：磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺6 叶酸： 四氢叶酸（FH4）7 生物素8 维生素C9 硫辛酸10 维生素B12微生物的营养和代谢第三章共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢生物氧化: 分解代谢实际上是物质(wzh)在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，

40、逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。 不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。 . 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢异养微生物的生物氧化: 异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同(b tn)可分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢发酵(fermentation)是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全(wnqun)氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物

41、。发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。共一百三十四页生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解(glycolysis)，主要分为四种途径(tjng)：EMP途径、PP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径丙酮酸代谢的多样性第三章微生物的营养和代谢共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢EMP途径(糖酵解途径): 大致分为(fn wi)两个阶段。第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛-3-磷酸。第二阶段发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢共一百

42、三十四页第三章微生物的营养和代谢EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物又可为微生物的合成(hchng)代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成(hchng)多糖。 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢PP途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径):磷酸戊糖途径可分为(fn wi)氧化阶段(核酮糖-5-磷酸和CO2,并生成两分子的NADPH)和非氧化阶段(果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸 )。一个PP途径循环的结果为： 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢 一般认为PP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量的还原力(NADPH)和中间代谢产物(chnw)。多数微生物中具有

43、PP途径。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢ED途径:一分子葡萄糖经ED途径最后(zuhu)生成两分子丙酮酸、一分子ATP、分子NADPH和NADH。ED途径可不依赖于EMP和PP途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化获得ATP的厌氧菌而言，ED途径不如PP途径经济。在G-细菌中分布广泛。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢磷酸解酮酶途径：磷酸解酮酶途径是明串珠菌属、短乳杆菌等在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸(ln sun)解酮酶，根据解酮酶的不同，把具有磷酸(ln sun)戊糖解酮酶的称为PK途径，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径。共一百三十四页第三

44、章微生物的营养和代谢丙酮酸代谢的多样性 在糖酵解过程中生成的丙酮酸可被进一步代谢。在无氧条件下，不同的微生物分解丙酮酸后会积累(jli)不同的代谢产物。乙醇发酵 乳酸发酵丙酸发酵丁酸发酵混合酸发酵*共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢目前发现多种微生物可以发酵葡萄糖产生乙醇，能进行乙醇发酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些(mu xi)细菌。 .不同的细菌进行乙醇发酵时，其发酵途径也各不相同。如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)和厌氧发酵单胞菌(Zymomonas anaerobia)是利用ED途径分解葡萄糖为丙酮酸，最后得到乙醇，对于某些生长在极端酸性条件下的严格厌氧菌

45、，如胃八叠球菌(arcina ventriculi)和肠杆菌(Enterobacteriaceae)则是利用EMP途径进行乙醇发酵。 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢根据在不同条件下代谢产物的不同，可将酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为三种(sn zhn)类型：在酵母菌的乙醇发酵中，酵母菌可将葡萄糖经EMP途径降解为两分子丙酮酸，然后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢受体使NAD+再生，发酵终产物为乙醇，这种发酵类型称为酵母的一型发酵；共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢当存在亚硫酸氢钠时，乙醛不能作为NADH的受氢体，迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成a-磷酸甘油，再生成甘油，称为酵母

46、的二型发酵；在弱碱性 (pH 7.6)时，两个乙醛分子间会发生歧化反应，分别生成乙醇和乙酸(y sun)，氢受体则是磷酸二羟丙酮，发酵终产物为甘油、乙醇和乙酸(y sun)，称为酵母的三型发酵。这种发酵方式不能产生能量，只能在非生长的情况下才进行。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢乳酸发酵：许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为乳酸细菌。根据产物(chnw)的不同，乳酸发酵有三种类型：同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵。同型乳酸发酵的过程是：葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原为乳酸。由于终产物只有乳酸一种，故称为同型乳酸发酵。共一百三十四页第三章

47、微生物的营养和代谢在异型乳酸发酵中，葡萄糖首先经PK途径分解，发酵终产物除乳酸以外还有一部分乙醇(y chn)或乙酸。在肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)中，利用HK途径分解葡萄糖，产生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛-3-磷酸进一步转化为乳酸，乙酰磷酸经两次还原变为乙醇；当发酵戊糖时，则是利用PK途径，磷酸解酮糖酶催化木酮糖-5-磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢双歧发酵是两歧双歧杆菌(bifidobacterium bifidum)发酵葡萄糖产生乳酸的一条(y tio)途径。此反应中有两种磷酸酮糖酶参加反应，

48、即果糖-6-磷酸酮糖酶和木酮糖-5-磷酸酮糖酶分别催化果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸裂解产生乙酰磷酸和丁糖-4-磷酸及甘油醛-3-磷 酸和乙酰磷酸。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢丙酸发酵：许多厌氧菌可进行丙酸发酵。葡萄糖经EMP途径分解为两个丙酮酸后，再被转化为丙酸。少数丙酸细菌还能将乳酸(或利用葡萄糖分解而产生(chnshng)的乳酸)转变为丙酸。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢丁酸发酵：某些专性厌氧菌，如梭菌属(Clostridium)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、真杆菌属(Eubacterium和梭杆菌属(Fusobacterium)，能进行丁酸与丙酮-丁醇发

49、酵。在发酵过程中，葡萄糖经EMP途径(tjng)降解为丙酮酸，接着在丙酮酸-铁氧还蛋白酶的参与下，将丙酮酸转化为乙酰辅酶A。乙酰辅酶A再经一系列反应生成丁酸或丁醇和丙酮 。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢混合酸发酵：某些肠杆菌，能够利用(lyng)葡萄糖进行混合酸发酵。葡萄糖先经EMP途径分解为丙酮酸，然后由不同的酶系将丙酮酸转化成不同的产物，如乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和氢气，还有一部分磷酸烯醇式丙酮酸用于生成琥珀酸；有的则将丙酮酸转变成乙酰乳酸，乙酰乳酸经一系列反应生成丁二醇。发酵终产物还有甲酸、乳酸、乙醇等 。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢葡萄糖分子在没有外源电子受体的

50、代谢过程中，底物中所具有的能量只有一小部分被释放出来，并合成少量ATP。造成这种现象的原因(yunyn)有两个，一是底物的碳原子只被部分氧化，二是初始电子供体和最终电子受体的还原电势相差不大。如果有氧或其他外源电子受体存在时，底物分子可被完全氧化为CO2，且在此过程中可合成的ATP的量大大多于发酵过程。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢呼吸作用：微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。呼吸作用(zuyng)与发酵作用(zuyng)的根本区别在于：电子载

51、体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢若以分子氧作为最终电子(dinz)受体的称为有氧呼吸(aerobic respiration)。若以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸(anaerobic respiration)。能通过呼吸作用分解的有机物包括某些碳氢化合物、脂肪酸和许多醇类。 共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢在发酵过程中，葡萄糖经过糖酵解作用形成的丙酮酸在厌氧条件下转变成不同的发酵产物，而在有氧呼吸(hx)过程中，丙酮酸进入三羧酸循环(tricarboxylic acid

52、cycle，简称TCA循环)，被彻底氧化生成CO2和水，同时释放大量能量。共一百三十四页共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢In prokaryotic cells the citric acid cycle occurs in the cytoplasm; in eukaryotic cells the citric acid cycle takes place in the matrix of the mitochondria. The overall reaction for the citric acid cycle is: 2 acetyl groups + 6NAD+ + 2FA

53、D + 2ADP + 2 Pi yields 4CO2 + 6NADH + 6 H+ + 2FADH2 + 2ATP共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件(tiojin)下进行无氧呼吸。无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是像NO3-、NO2-、SO42-、CO2等这类外源受体。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。但仅部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢自养(z yn)微生物的生物氧化： 一些微生物可以从氧化无机物获得能

54、量，同化合成细胞物质，这类细菌称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。氨的氧化硫的氧化铁的氧化氢的氧化共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢氨的氧化NH3和NO2-是可以用作能源的最普通的无机氮化合物，能被硝化细菌所氧化，硝化细菌可分为两个亚群：亚硝化细菌和硝化细菌。氨氧化为硝酸(xio sun)的过程可分为两个阶段，先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸。由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌，以分子(fnz)氧为最终电子受体，且大多数是专性无机营养型。它们

55、的细胞都具有复杂的膜内褶结构，这有利于增加细胞的代谢能力。硝化细菌无芽孢，多数为二分裂殖，生长缓慢，平均代时在10h以上，分布非常广泛。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢硫的氧化(ynghu)硫杆菌能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐)作能源。H2S首先被氧化成元素硫，随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中可以偶联产生四个ATP。共一百三十四页第三章微生物的营养和代谢亚硫酸盐的氧化可分为两条途径，一是直接氧化成SO42-的途径，由亚硫酸盐-细胞色素(s s)c还原酶和末端细胞色素(s s)系统催化，产生一个ATP；二是经磷酸腺苷硫酸的氧化途径，每氧化一分子SO32