微生物的营养与代谢介绍

微生物的营养与代谢介绍第1页/共95页第五章微生物的营养与代谢第2页/共95页通过本章的学习，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。第3页/共95页第一节微生物的营养物质

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。

第4页/共95页一、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%第5页/共95页二、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:氮源碳源能源生长因子矿物质元素水微生物的营养要素第6页/共95页水

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。第7页/共95页碳源

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。第8页/共95页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；第9页/共95页氮源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。第10页/共95页能源能源：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第11页/共95页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、氢细菌和铁细菌等第12页/共95页矿物质元素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第13页/共95页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10-3～10-4mol/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10-6

～

10-8mol/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。第14页/共95页生长因子生长因子：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第15页/共95页第二节微生物的营养类型碳源CO2有机物

自养

异养能源太阳光氧化有机物或无机物光能营养化能营养化能异养型光能自养型光能异养型化能自养型第16页/共95页光能自养型化能自养型光能异养型化能异养型碳源CO2CO2简单有机物或CO2有机物能源光能无机物的氧化光能有机物氧化降解供氢体无机物（H2O，H2S）无机物有机物有机物代表种蓝细菌硝化细菌红螺菌真菌第17页/共95页第三节微生物摄取营养的方式

微生物摄取营养物质主要有胞吞作用和渗透吸收；第18页/共95页

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。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。第19页/共95页简单扩散（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。第20页/共95页促进扩散（facilitateddiffusion）

第21页/共95页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。第22页/共95页主动运输（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。第23页/共95页钠钾泵细胞外细胞内11234第24页/共95页磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸酶IHPr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）第25页/共95页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。第26页/共95页第27页/共95页第四节培养基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、水第28页/共95页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。第29页/共95页按成分不同划分复合培养基合成培养基半合成培养基化学成分不详和化学成分已知的化合物配成的培养基。马铃薯蔗糖培养基：马铃薯200g蔗糖20gH2O1000ml。化学成分完全了解的物质配制而成的培养基放线菌（高氏1号）淀粉20gK2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31gFeSO40.01gH2O1000ml含有化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）：牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml第30页/共95页按物理状态不同划分固体培养基液体培养基半固体培养基在液体培养基中加入一定量凝固剂，使其成为固体状态，琼脂含量一般为1.5%-2.0%琼脂含量一般为0.2%-0.7%不加任何凝固剂固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定

大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究第31页/共95页按用途不同划分基础培养基鉴别培养基选择培养基第32页/共95页基础培养基牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基第33页/共95页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、抑制性选择培养基第34页/共95页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）15.0琼脂2.0磷酸氢二钾(K2HPO4)0.065美蓝0.4伊红γ10.0乳糖10.0蛋白胨(g)第35页/共95页-无色好-很好

志贺氏菌-红色

好-很好

粪大肠菌群-无好-很好

沙门氏菌-无色不长-差金黄色葡萄球菌+黑色

好-很好大肠杆菌DH5α+黑色

好-很好大肠杆菌JM109+黑色

好-很好大肠杆菌金属光泽菌落颜色

生长情况

质控菌株第36页/共95页第五节微生物的能量代谢代谢（metabolism）：活细胞内发生的各种化学反应的总和复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]物质代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)能量代谢产能代谢耗能代谢第37页/共95页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）最初能源有机物还原态无机物日光通用能源第38页/共95页1底物水平磷酸化

不需氧，不经过呼吸链。

X~P+ADP→ATP+X3光合磷酸化光合微生物捕捉光能，转给ATP①藻类、蓝细菌：有光合系统Ⅰ、Ⅱ，进行环式和非环式光合作用。

CO2+H2O→-(CH2O)n-+O2↑②绿细菌：只有光合系统Ⅰ，进行环式光合磷酸化

CO2+2H2S→-(CH2O)n-+H2O+2S2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一、ATP产生的主要方式第39页/共95页定义：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

3-磷酸甘油醛1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸底物水平磷酸化第40页/共95页氧化磷酸化定义：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第41页/共95页特点：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。第42页/共95页光合磷酸化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第43页/共95页1、非环式光合磷酸化第44页/共95页④还原力来自H2O的光解③同时产生还原力、ATP和O2②有PSⅠ和PSⅡ2个光合系统特点：①有氧条件下进行第45页/共95页2、环式光合磷酸化④不产生氧③还原力来自H2S等无机物②产能与产还原力分别进行特点：①电子传递途径属循环方式第46页/共95页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第47页/共95页生物氧化：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。生物氧化的形式某物质与氧结合脱氢失去电子生物氧化的功能产能（ATP）产还原力[H]产小分子中间代谢物生物氧化的过程脱氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）生物氧化的类型有氧呼吸无氧呼吸发酵二、微生物氧化方式第48页/共95页有氧呼吸、无氧呼吸和发酵过程示意图第49页/共95页发酵：在无氧和无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①产能方式：底物水平磷酸化产生ATP。②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。③底物去向：底物氧化不彻底，只释放部分能量。1、发酵作用第50页/共95页乙醇发酵

酵母菌的乙醇发酵：

C6H12O6——→2CH3CH2OH+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）：

C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+ATP第51页/共95页乳酸发酵

P.KH.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）

同型乳酸发酵：指发酵产物只有单一的乳酸

德氏乳杆菌：

C6H12O6——→2乳酸+2ATP第52页/共95页丁酸梭状芽孢杆菌（Clostridiumbutyricum）可以发酵葡萄糖得到丁酸

4C6H12O6——→2乙酸＋3丁酸＋8CO2＋8H2＋10ATP

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＋H2＋CO2＋ATP

第53页/共95页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。第54页/共95页又称好氧呼吸，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、有氧呼吸第55页/共95页

呼吸链末端的电子受体不是氧可作为电子受体的物质：

NO3－

NO2－

SO42－

CO2

能量生成效率低于氧B、无氧呼吸第56页/共95页三、能量的消耗

生物合成运动营养运输生物发光生物热第57页/共95页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第六节微生物的分解代谢第58页/共95页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

一、大分子有机物的分解第59页/共95页含N有机物的降解

蛋白质的降解蛋白质―→多肽―→AA―→CO2+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）2CO3―→2NH3+CO2＋H2O

第60页/共95页含磷有机物的降解

卵磷脂―――→甘油―→P-甘油―→EMP

脂肪酸―→乙酰COA―→TCA

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

核酸酶核苷酸酶第61页/共95页含S有机物的降解

胱氨酸+3H2O+1/2O2→2乙酸+2CO2+2H2S+2NH3油脂的降解

油脂―――→脂肪酸------→乙酰COA→TCA

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。

脂肪酶第62页/共95页A、EMP途径B、HMP途径C、ED途径D、TCA循环1、底物脱氢的4条途径二、己糖的分解第63页/共95页底物脱氢的4条途径及其与递氢、受氢的联系第64页/共95页A、糖酵解途径（EMP途径）第65页/共95页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第66页/共95页B、戊糖磷酸途径（HMP途径）第67页/共95页PP途径为合成代谢提供：还原力：NADPH×2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）第68页/共95页C、ED途径第69页/共95页主要局限于接合单胞菌属的一些细菌。葡萄糖+NAD++NADP++Pi+ADP→2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。第70页/共95页关键反应：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第71页/共95页微生物不同途径的分布（％）EMPHMPED啤酒酵母

产脱假丝酵母

灰色链霉菌

产黄青霉

大肠杆菌

藤黄八叠球菌

枯草杆菌

铜绿假单胞菌

氧化醋单胞菌

运动发酵单胞菌

嗜糖假单胞菌88

66-81

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77

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100糖代谢途径在不同微生物中的分布第72页/共95页D、TCA循环第73页/共95页提供还原力：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第74页/共95页EMP途径不完全PP途径ED途径丙酮酸的代谢的多样性

①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。②发酵作用Fermatatiom丙酮酸第75页/共95页第七节微生物的合成代谢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。第76页/共95页一自养微生物对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途径羟基丙酸途径第77页/共95页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。第78页/共95页2、还原性三羧酸循环途径4C柠檬酸裂合酶第79页/共95页3、厌氧乙酰-CoA途径产乙酸菌硫酸盐还原菌产甲烷菌第80页/共95页4、羟基丙酸途径第81页/共95页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82页/共95页第一阶段a.由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸第83页/共95页b.由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸第84页/共95页第二阶段:细胞膜上合成肽聚糖单体第85页/