第3章微生物的营养

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2绪论12微生物细胞的化学组成微生物的营养34微生物代谢概论微生物的产能代谢56微生物的合成代谢微生物的次级代谢78微生物的代谢调节微生物的生长、繁殖与环境910微生物的分化与发育目录基因组时代的微生物生理学11第3章微生物的营养4微生物为了生存，需要不断地自外界吸取各种营养物质，从中获得能量、合成新的细胞物质，维持细胞内一定的pH及离子组成。不同微生物对营养需要不同，构成不同的营养类型。微生物所吸收的水、碳、氮化合物、生长因子、矿质元素及氧，都有着不同的生理作用。小分子营养物质和大分子营养物质有着不同的运输过程及机理。第3章微生物的营养

5以光作能源,以无机化合物作供氢体,还原二氧化碳,合成细胞物质,如蓝细菌。光能自养型

化能自养型

光能异养型

化能异养型

根据微生物所利用的碳源和能源

3.1微生物的营养类型

从无机化合物氧化中取得能量，以二氧化碳作为碳源,如氢细菌,硫细菌等。能量来自光,需要有机物作供氢体还原二氧化碳,合成细胞物质,如红螺细菌。能量来自有机化合物氧化所产生的化学能，以有机化合物作为碳源。多数微生物。6化能异养型微生物又可分为腐生的和寄生的两类。腐生是利用无生命的有机物（包括动植物的残体）作为营养物质。寄生是生活在其他生物体内，从寄主体内吸取营养物质，进行生长繁殖，离开寄主便不能生存。在腐生和寄生微生物之间，又存在有中间类型的兼性腐生微生物或兼性寄生微生物。有些细菌并不是某型营养的专性菌，外界条件改变时，可由自养型变为异养型，或由光能型变为化能型。例如氢细菌(Hydrogenomonas)在只有无机物的环境中，利用氧化氢所获得的能量还原CO2合成细胞物质。而当有机物存在时，能直接利用有机物进行异养代谢。2.16NO3-+7.24H2+0.8CO2→0.16C5H7O2N+N2+5.6H2O+2.16OH-

7Transmissionelectronmicrographimageofahaustorium(Szabo&Bushnell.2001.PNASUSA98:7654-5;left)andschematicrepresentationoftheultrastructuraldetails(right).8obligatebiotrophic专性活体营养型Uromycesspp.Agermtube(GT)emergesfromanurediospore(S)attachedtothehostbyanadhesionpad(P).Afterrecognitionoftheguardcelllip,anappressorium(A)developsoverthestomatalpore.Thepenetrationhypha(PE)penetratesintothesubstomatalchamberandelongatesintoaninfectionhypha(IH).Whenthetipoftheinfectionhyphacontactsahostcellwall,ahaustorialmothercell(HM)isformedfromwhichthehaustorium(H)invadesthehostcell.Uniquefeaturesofthedikaryotichaustoriumarethedark-stainingneckband(NB)aroundthehaustorialneckandtheinterfacial,extrahaustorialmatrix(yellow)surroundedbytheextrahaustorialmembrane(EHM).Afterformingthefirsthaustorium,theinfectionhyphabranchesandfurtherintercellularhyphae,haustorialmothercells(HM)andhaustoriaareformedHemibiotrophic半活体营养型Colletotrichumspp.Thespore(S)formsashortgermtube,whichdifferentiatesintoanappressorium(A).Thepenetrationhypha(PE)develops,transforminginternalpressureintomechanicalforcetopiercethecuticleandthecellwall.Thepenetrationhyphaswellstoformavesicle(V)andbroadprimaryhyphae(PH),whicharesurroundedbytheinvaginatedplantplasmamembrane.Thehostprotoplastremainsaliveduringthebiotrophicstage(1)andaninterfacialmatrixseparatestheprotoplastsoffungusandhost(yellow).Oneortwodaysafterpenetration,plantplasmamembranedisintegrationstarts(2).Asnewhostcellsarecolonizedbyprimaryhyphae,thesequenceofatransientbiotrophicphasefollowedbycellkillingisrepeated(3)(fromMendgen,K.W.,andHahn,M.(2002)TiPS7:352-356)910微生物细胞的化学分析表明，它们也是由碳、氢、氧、氮、硫、钾、钠、钙、镁、氯、铁、锰、钴、锌、钼、钨、镍等元素组成，这些构成生物体的元素称为生物元素。为了维持微生物体的正常生命活动，必须供给营养物质，满足微生物需要的生物元素。根据微生物对这些元素的需要量不同，可以区分为大量元素和微量元素。3.2微生物的营养物质11这些生物元素以无机盐或有机化合物的形式构成各种细胞物质，存在于细胞中。此外还有水，这也是微生物生存的不可缺少的物质。你做的培养基中添加这些微量元素了吗？大量元素10-3-10-4mol/L微量元素10-6-10-8mol/L碳、氮、氢、氧、磷、硫、钾、镁、钙、铁。锌、锰、钠、氯、铝、硒、钴、铜、钨、镍、硼等12凡能供给微生物碳素，构成细胞和代谢产物中碳架来源的物质，都是微生物营养的碳源。对化能异养微生物来说碳源还兼有能源的作用，所以碳源不仅是最基本的营养要素，而且需要量大。从简单的碳素化合物到复杂的有机碳化合物都可以被不同的微生物利用。自养微生物以二氧化碳作为唯一碳源，合成各种细胞物质。二氧化碳是一个彻底氧化了的物质，当被还原成为有机碳化合物时，需要能量。不同的自养微生物有不同的能源来源。二氧化碳只作为碳源。

3.2.1碳源13化能异养微生物

以有机碳素化合物作为碳源和能源。几乎各种有机碳素化合物，都可被不同的微生物所利用，包括不含氧的碳氢化合物如石蜡，而作为异养微生物主要的碳源有：单糖、寡糖（由两种或几种单糖组成的糖昔）、多糖、有机酸、醇、脂类、芳香化合物以及烃类等。氨基酸也能作为碳源。以氨基酸作碳源是不经济的。但有些厌氧梭菌不能利用碳水化合物，只能利用氨基酸作为碳源、氮源、能源而生长。

14不同微生物对各种碳源利用能力不同。一般地说，糖类是最好的碳源，其中单糖利用率高于多糖，己糖高于戊糖。几乎所有微生物都能利用葡萄糖和果糖。醇类中的甘露醇、甘油利用率较高，低浓度乙醇可被某些酵母菌和醋酸菌利用。有机酸类可以作为碳源，但是它们不易透过细胞（特别是酮酸），故较难以利用。脂类因其不溶于水，也较难以被利用。某些微生物将脂类水解为甘油和脂肪酸再利用。烃类和芳香族化合物只在有氧的情况下，被某些微生物利用。

含有单糖的培养基要注意灭菌方法，高压加热灭菌容易破坏其结构。工业生产中所供给的碳源大多数来自植物体如山芋粉、玉米粉、麸皮、米糠、糖蜜、野生植物淀粉等，甚至造纸厂的亚硫酸废液、发酵废液等。最适碳源糖>醇>有机酸>脂类15类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)——C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、白垩等微生物的碳源谱16微生物利用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、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、CaCO3、白垩等为自养微生物所利用。其他芳香族化合物、氰化物蛋白质、肋、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。17能利用复杂碳化物微生物正被人们用来消除“三废”（工业生产中的废气、废水、废渣的总称）。据报导，现在已分离出不少能分解氰化物，酚化物的菌株。例如有人以氰化钾作唯一碳源和氮源，从污泥中分离出分解氰化物的诺卡氏菌以及某些霉菌，用来消除工业废水中的氰化物。18凡能提供氮素构成微生物细胞的原生质成分或代谢产物中氮素来源的营养物质，称为氮源。分子态氮、无机氮素化合物及有机氮素化合物都可被不同的微生物利用。氮源一般不提供能量，某些微生物例外。分子态氮只有固氮微生物可以利用，它们通过体内的固氮酶系将分子态氮还原成氨，进而合成有机含氮化合物。但当无机氮或有机氮化合物存在时，固氮酶合成受到阻抑，它们不再固定分子态氮，而直接利用环境中的含氮化合物。

3.2.2

氮源

分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源

无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用有机态氮：蛋白质及其降解产物19绝大多数微生物都能利用铵盐和硝酸盐。有机含氮化合物包括尿素、胺、酰胺、嘌呤、嘧啶、氨基酸、肽和蛋白质等，均可被不同的微生物利用。工业生产中利用的有机氮源是来自动物、植物及微生物体。例如蛋白胨、牛肉膏、鱼粉、血粉、水解蛋白、明胶、干酪素以及各种饼粕粉（黄豆饼、花生饼、棉子饼等）、玉米浆、酵母膏、石油酵母、发酵废液及菌丝体都是良好的氮源。20类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气微生物的氮源谱21微生物利用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、(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22

实验室常用的无机氮源：碳酸铵、硝酸盐、硫酸铵、尿素、蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等。

生产上常用的氮源：硝酸盐、铵盐、尿素、氨以及蛋白含量较高的鱼粉、蚕蛹粉、黄豆饼粉、花生饼份、玉米浆等。微生物对氮源的利用具有选择性，有速效氮源和迟效氮源之分，前者利于菌体生长，后者利于代谢产物的形成，故在生产上有时需要将两者按一定比例制成混合氮源。迟效氮源：蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫迟效氮源（生产用玉米浆、豆饼、葵花饼、花生饼等）。速效氮源无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做速效氮源（酵母膏、牛肉膏、蛋白胨等）。氮源：23氮源：

多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。人类和动物需要供给氨基酸、蛋白质，而这些营养成分往往是它们食物或饲料中较缺少的，故为了补充氨基酸营养，绿色植物提供一部分，大部分利用氨基酸异养型微生物，让它们将廉价的尿素、铵盐、硝酸盐或N2转变成菌体蛋白质（食用菌、氨基酸等）以丰富人类的食物资源。24生物不能合成一种或几种微量的有机化合物，必须由外源供给，才能进行生长这类有机化合物称为生长因子。它们包括维生素类、氨基酸类嘌呤和嘧啶类以及脂肪酸和其他膜成分等。有的微生物需要全部的生长因子，有的需要几种，而有的则自身可合成生长因子。微生物对生长因子的需要会随着环境条件改变而变化，培养基的pH值和培养温度，化学组成等因素都会影响微生物对生长因子的需要量。3.2.3生长因子25矿质元素在微生物生命活动中起着重要作用。其中大量元素参与细胞结构物质的组成、能量转移、原生质胶体状态的维持以及控制细胞渗透作用等。微量元素多是酶的活性基组分，或是酶的激活剂，浓度为0.1mg/L或更少就能满足需要量，过量会产生毒害作用。3.2.4矿质元素26在微生物体内70%－90%是水。它是维持微生物生命活动不可缺少的物质。3.2.5水细菌细胞含水量重达75-85%丝状真菌85-90%细菌的芽孢的含水量40%真菌的孢子含水量38%从以上看出，微生物的含水量是比较高的。27首先，水是原生质的重要成分，使原生质保持溶胶状态，保证代谢活动的正常进行。当含水量减少时，原生质便由溶胶变为凝胶，生命活动大大减缓，如细菌芽孢。如果原生质失水过多，引起原生质胶体破坏，导致菌体死亡。其次，水也是物质代谢的原料，例如一些加水反应过程，没有水将不能进行。第三，水的介电常数高，又是极性分子，所以是良好的溶剂，不仅可以溶解无机盐，也能溶解一些不能解离的有机化合物。这些物质只有呈溶解状态才能被微生物吸收、利用。第四，水的比热高，并有较高的导热性，能有效地吸收代谢过程中所放出的热能，使温度不致骤然上升。有利于散热，便于调节温度。28微生物对水分要求微生物生长需要水分，水是微生物体内和体外的溶媒，通过水，细胞才能吸收营养物质和排泄废物，所以水在微生物细胞内表现为二种状态：束缚水和自由水。束缚水：它存在于细胞的原生质胶体中，成为微生物细胞重要物质的组成部分。自由水：游离的存在于细胞中。29三是维持微生物细胞膨压作用自由水作用一是生活细胞中各种生物化学反应的介质二是基本的溶剂，微生物自外界吸收营养物质以及分解代谢产物，以水为媒介各类微生物体内含水量，因种类，生活条件以及发育时期的不同而稍有差异，幼龄菌含水量较多，老龄菌含水量较低，各类微生物的营养细胞含水量比休眠细胞的含水量都高。30微生物对水分的吸收或排出决定于水的活度。水活度用aw表示，是指在一定的温度和压力下，溶液的蒸汽压和纯水蒸汽压之比：在常温常压下，纯水的aw为1.00。当溶质溶解在水中以后，使溶液分子之间的引力增加，冰点下降，沸点上升，蒸汽压下降，aw变小。所以说溶液浓度与水活度成反比，溶质越多aw值越小，反之，aw越大。31而同一浓度的不同物质，由于其分子量不同，或在水中解离度不同，表现出aw大小不同。每一种微生物都有其最适和最低的aw值。从整体来说细菌比酵母菌、霉菌要求更高的aw值（0.99-0.90）。一般地说，必须满足微生物所要求的水活度，才能正常地进行生命活动。

多数细菌：最低Aw0.90，范围0.90～0.99多数酵母菌：最低Aw0.87，范围0.87～0.91多数霉菌：最低Aw0.80，范围0.80～0.8732氧也是好氧性微生物不可缺少的营养物质之一，它参与某些物质代谢中的加氧反应。特别重要的作用在于氧是物质有氧降解中最终的电子受体，从这个过程中，产生出微生物进行生命活动所需要的能量。根据微生物对氧的需求，可将其分为，专性好氧微生物；专性厌氧微生物；耐氧厌氧微生物；兼性厌氧微生物；微好氧微生物。3.2.6氧氧

氧对微生物的生命活动有着极其重要的影响。好氧菌厌氧菌专性好氧菌：在分子氧存在下进行好氧呼吸产能兼性厌氧菌微好氧菌：只能在0.01~0.03Pa的大气压下生活以呼吸为主，兼营发酵产能以呼吸为主，兼营厌氧呼吸产能耐氧菌：只能以发酵产能，但分子氧无害专性厌氧菌：只能生长在无氧或基本无氧条件下，氧剧毒微生物与氧的关系34专性好氧专性厌氧耐氧厌氧微好氧兼性厌氧（一）专性好氧菌必须在有分子氧的条件下才能生长，有完整的呼吸链，以分子氧作为最终氢受体，细胞含超氧化物歧化酶和过氧化氢酶。绝大多数真菌和许多细菌都是专性好氧菌（二）兼性厌氧菌在有氧或无氧条件下均能生长，但在有氧情况下生长得更好；在有氧时靠呼吸产能，无氧时借发酵或无氧呼吸产能；细胞含超氧化物歧化酶和过氧化氢酶；许多酵母菌和许多细菌都是兼性厌氧菌（三）微好氧菌只能在较低的氧分压下才能生长的微生物。也通过呼吸链并以氧为最终氢受体而产能。例如：霍乱弧菌、一些氢单胞菌属、发酵单胞菌属等

一类可在分子氧存在下进行厌氧生活的厌氧菌，即它们的生长不需要氧，分子氧对它们也无毒害。它们不具有呼吸链，仅依靠专性发酵获得能量。细胞含超氧化物歧化酶和过氧化物酶。但缺乏过氧化氢酶。一般的乳酸菌多数是耐氧菌（四）耐氧菌（五）专性厌氧菌它有以下几个特点：分子氧对它们有毒，短期接触也会抑制它们生长甚至致死；只有在深层的无氧或低氧化还原势的环境下才能生长；生命活动所需能量是通过发酵、无氧呼吸、循环光合磷酸化或甲烷发酵等提供；细胞内缺乏超氧化物歧化酶和细胞色素氧化酶；各种光合细菌和产甲烷菌等都属于专性厌氧菌

专性厌氧菌因缺乏超氧化物歧化酶，故易被生物体内极易产生的超氧物阴离子自由基而毒害致死。

大多数缺乏过氧化氢酶，常见专性厌氧菌有肉毒梭状芽孢杆菌、拟杆菌属、双歧杆菌属、光合细菌、产甲烷菌。39营养物质必须是溶质或溶解（气体）状态才能吸收。目前认为营养物质跨膜运输有四种运输机制：被动运输、促进扩散、主动运输及基团转移。3.3小分子营养物质的吸收

微生物细胞具有极大的表面积，可以很快地、大量地从外界吸收营养物质，满足自身代谢的需要。由于微生物细胞结构简单，没有专门的吸收、分泌器官。40被动运输是物质运输的一种最简单的形式。这种形式不需要能量，是以物质在细胞内外的浓度差为动力，即基于分子的热运动而进行的物质运输过程。当外界的营养物质的浓度高于细胞内该物质的浓度时，通过扩散作用使物质进入细胞内。这种运输形式也称为单纯扩散。3.3.1被动运输41这是一个可逆的过程，运输的速率随浓度差降低而减缓，直至细胞内外物质浓度达到动态平衡为止。通过被动运输进入细胞内的物质，主要是一些脂溶性小分子物质，气体（如氧）、水及某些离子。离子不同，扩散速度也不同，一般一价离子＞二价离子＞三价离子。42促进扩散与被动运输相似，也是顺浓度梯度，将外界物质运入细胞内，不需要能量。与被动运输不同的是，这种形式需要一种存在于膜上的载体蛋白参与运输。这种载体蛋白也被称为“渗透酶”，它与其他酶类不同，不显示催化活性，被运送的物质不发生化学变化。3.3.2促进扩散43这种载体蛋白通过热扩散自由地在膜上来回运动，在膜的外表面与被运物质特异地结合，形成复合物向膜内扩散，并将被运物释放到膜内，载体蛋白又恢复到原来状态，继续不断的把胞外高浓度的物质，运输到膜内。44但如同某些酶的合成一样，可以被诱导和被阻遏。这种形式较无载体蛋白的运输速率快，并表现出当增加被运输物质浓度时，能增大运输速度，而达到一定水平后会出现饱和点。载体蛋白具有高度的特异性，被运物质的光学异构体或结构类似物，都表现出不同的运输速度和不同的亲和性常数。45主动运输是营养物质逆浓度差和膜电位差运送到细胞膜内的过程。通过主动运输可以使细胞内累积的溶质浓度比细胞外溶质浓度大几百到几千倍。主动运输过程不仅像促进扩散一样需要载体蛋白，而且还需要能量。主动运输的能量来源有两种方式：一种是质子动力型，另一种方式是ATP动力型。

3.3.3主动运输

46细菌、古生菌和真核微生物具有结合蛋白转运系统或ATP结合性盒型转运蛋白，这类转运蛋白常常是由两个疏水跨膜域组成并与胞内的两个核苷酸结合域形成复合物。核苷酸结合域结合ATP，ATP水解促使物质吸收。转运蛋白核苷酸结合域溶质结合蛋白47细菌也利用电子传递过程中产生的膜内外质子梯度来驱动主动运输。称为质子动力型。微生物在呼吸作用中，由基质上脱下H＋被排出膜外。从而产生了膜内外的电位差和质子浓度差。构成质子动力。质子与运输蛋白（渗透酶）结合后改变其形状及与营养分子的亲和力。当载体蛋白上结合的基质与H＋被同方向运送到细胞内的过程，称为共运输或同向运输。人类胃部的质子泵48此外，H＋还可以与Na+进行交换运输，即载体蛋白将H＋运入膜内，同时将Na+运至膜外，两种物质运输的方向相反，故也称逆向运输。Na+与载体蛋白结合后改变其构象，使之与糖或氨基酸紧密结合，同时转向胞内Na+解离下来，营养物质则释放于胞内。49通过主动进行跨膜运输的营养物质没有被修饰而发生改变。但许多原核生物还可以通过基团转移来吸收营养物质。在这一过程中营养物质在通过细胞膜的转移时发生化学变化。这种运输方式也需要能量，类似主动运输。基团转移方式主要存在于兼性和专性厌氧细菌中。许多糖通过这种方式进入原核生物胞内，同时被磷酸化。由磷酸转移酶系统催化，由磷酸烯醇式丙酮酸提供能量及磷酰基。

3.3.4基团转移

50运输过程中需要能量，被运输的营养物质发生化学变化的运输叫基团转移。糖进入细胞后以磷酸糖的形式存在于细胞质中，表明糖在运输过程中发生了磷酸化作用，在运输过程中消耗了烯醇式丙酮酸(PEP)的高能磷酸键。PTS——磷酸转移酶系统(Phosphoenolpyruvate(PEP):carbohydratephosphotransferasesystem)。酶Ⅰ（非特异性）酶Ⅱ:酶Ⅱc,酶Ⅱa,酶Ⅱb热稳定蛋白HPr（特异性）主要用于糖的运输。基团转位存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中。51在酶Ⅰ的作用下HPr被激活在酶Ⅱ的作用下P-HPr将磷酸转移给糖52运送机制:是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统.运送步骤:1.热稳载体蛋白(HPr)的激活

细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团把HPr激活。酶1

PEP+HPr丙酮酸+P-HPrHPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。532、糖被磷酸化后运入膜内膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶2的作用将糖-磷酸释放到细胞内。酶2

P-HPr+糖糖-P+HPr酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相应的酶2。54基团移位模式图细胞膜外细胞膜内SSSS细胞膜Enz2Enz2Enz2Enz2SSHPrP~PHPr~Enz1+PEP丙酮酸55磷酸转移酶系统由两种酶（酶Ⅰ，酶Ⅱ）和一种具有高能磷酸载体作用的蛋白质（HPr蛋白）构成。甘露醇葡萄糖低分子热稳定蛋白葡糖-6-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸甘露醇-1-磷酸56

原生动物吸收营养物质的方式，有胞吞和胞饮两种类型。胞吞作用是无细胞壁真核细胞特有的运输方式。在该运输过程中，被运输物质实际上并未通过细胞质膜。不跨膜的运输方式

3.3.5膜泡运输57胞吞作用当被运输物质是固体时，该过程又被称为吞噬作用；左图显示的是一个原生动物正在吞噬一个细菌细胞（蓝色）。58胞饮作用胞吐作用吞噬作用59物质进入细胞的方式无载体不耗能溶质分子不变简单扩散

不耗能溶质分子不变促进扩散有载体耗能溶质分子不变主动运输溶质分子改变基团移位跨膜运输几种主要营养物质的吸收1、糖：促进扩散、基团转位、主动运输。2、肽与氨基酸：主动运输（主要方式）、促进扩散（次要方式）3、离子：主动运输60四种运送营养方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散简单主动运输基团转位特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质结构无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变有快由浓至稀相等特异性不需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变61

3.4营养物质运输的调节3.4.1物质自身性质3.4.2环境条件

温度pH代谢和呼吸的抑制剂与解偶联剂通透性诱导物被运输物质结构类似物3.4.3载体物质生物合成调节3.4.4载体物质生理活性调节623.4.4载体物质生理活性调节1）膜电势调节2）胞内磷酸糖的调节3）cAMP环化酶与透过酶的共同调节e.g.：大肠杆菌己糖磷酸运输系统鼠伤寒沙门氏菌PTS中酶I与HPr操纵子调节见P58-60

3.4营养物质运输的调节63

大分子营养物质如多糖、脂肪、蛋白质及核酸等，一般的不能透过微生物细胞质膜，需要先经过相应的酶作用，将之分解为小分子物质后，才能被运送到细胞内。3.5大分子营养物质的吸收和分泌64少数微生物可以进行转化作用，在对数生长的末期，细胞可以吸收具有双链螺旋结构的DNA。此时细胞处于感受态。关于细胞吸收DNA的机制有两种说法。一种是酶受体学说。另一种是局部化原生质体学说。认为可以吸收核酸的细胞含有自溶酶，可以使细胞壁肽聚糖的N-乙酰胞壁酸和L-丙氨酸之间的肽键断裂，使细胞局部发一原生质化，核酸通过这一部分进入细胞内部。

3.5.1核酸的吸收

65在对酶蛋白进行吸收时，细胞膜没有多大变化，细胞壁变薄，壁中的多糖类少，细胞呈膨胀状态。同时，在细胞表层也没有发现特异的载体物质。故可认为由于细胞壁结构减弱，酶蛋白越过壁和膜的结合，膜内陷使之进入细胞。

3.5.2蛋白质的吸收66微生物细胞通过不同方式吸收各种营养物质，同时还可以向外分泌无机盐、有机酸、糖类、氨基酸、嘧啶、嘌呤等小分子物质，也可以分泌淀粉酶、蛋白酶外毒素等。氨基酸的分泌：生物素、甘油、油酸影响黄色短杆菌Brevibacteriumflavum谷氨酸的分泌核苷酸的分泌：Mn2+对产氨短杆菌核苷酸分泌起关键作用胞外酶的分泌：信号肽假说3.5.3细胞的分泌作用

核苷酸类物质生产工艺核酸由众多的单体核苷酸通过3‘，5’－磷酸二酯键聚合而成。核苷酸由碱基、核糖、磷酸组成。e.g.呈味核苷酸核苷酸类中的肌苷酸（IMP）、鸟苷酸（GMP）、黄苷酸（XMP）呈强鲜味。如：肌苷酸钠比味精鲜40倍，鸟苷酸钠比味精鲜160倍。

5’

－鸟苷酸5’－肌苷酸5’

－黄苷酸（guanylicacid）（inosinicacid）（xanthylicacid）

5’-GMP>5’-IMP>5’-XMP（二）生产方法1.发酵法（1）一步法：直接发酵法（2）二步法（发酵转化法）发酵法核苷核苷酸2.酶解法酵母核糖核酸核苷酸提取酶解

磷酸化二、核苷酸的生物合成途径及其代谢调控（一）生物合成途径从头合成途径（denovosynthesis）由氨基酸、磷酸戊糖、CO2和NH3合成核苷酸。嘌呤核苷酸：直接生成次黄嘌呤核苷酸（IMP）,然后转变为其它嘌呤核苷酸。

葡萄糖

HMP5’－磷酸核糖磷酸核糖焦磷酸（PRPP）

PRPP转酰胺酶

5’-IMPAMPSAMPXMPGMP天冬氨酸，Mg2+，GTP腺苷酸代琥珀酸合成酶延胡索酸腺苷酸代琥珀酸裂解酶腺苷酸代琥珀酸AMPIMPIMP脱氢酶NAD+H2ONADH+H+

XMPGMP合成酶谷氨酰氨Mg2+,ATP谷氨酸GMP由IMP合成AMP及GMP2.补救合成途径（salvagesynthesis）

微生物从培养基中取得完整的嘌呤、戊糖、磷酸，直接合成单核苷酸。当全生物合成途径受阻时，微生物可通过此途径合成核苷酸。肌苷酸的生产（一）一步法

1.肌苷酸生产菌选育（1）解除微生物自身的反馈调节a.解除AMP、GMP对PRPP转酰胺酶的反馈抑制。b.切断5‘-IMP继续代谢生成GMP和AMP的途径。

因此，选择可能产生核苷酸的产氨短杆菌（Brevibacteriumammoniagene）为出发菌株，诱变为腺嘌呤缺陷型突变株，再诱变为鸟嘌呤缺陷型突变株。IMP的阻遏如何解决？（2）改变核苷酸对细胞膜的渗透性

核苷或碱基容易透过细胞膜，而核苷酸难于透过细胞膜。日本科学家发现，Mn2+对于产氨短杆菌核苷酸的膜透性起着关键作用，Mn2+限量的情况下，菌体产生膨胀异常现象，细胞膜允许IMP渗透到胞外，积累IMP。

Mn2+限量与生物素亚适量结果相同，但机制不同。Mn2+亚适量：培养后期，细胞形态异常（伸长、膨胀、不规则）生物素亚适量：为乙酰CoA羧化酶的辅基，影响脂肪酸生物合成，间接影响细胞膜磷脂合成，从而影响细胞膜透性。2.培养条件（1）因所用菌株为腺嘌呤缺陷型，所以添加适量腺嘌呤（加0.5%酵母膏或酵母水解液）。（2）Mn2+亚适量工业原料和工业用水含较多的Mn2+，难于控制Mn2+亚适量,有两条途径：

a.筛选对Mn2+不敏感的突变株

b.加抗生素或表面活性剂以解除过量Mn2+的影响。（3）添加较高浓度的磷盐。79目前有关胞外酶的分泌机制研究较多。一种认为分泌作用与胞外酶化学结构有关。第二种是从酶合成的位置来说明分泌机制，被看作是胞饮现象的逆转。第三种是从细胞表层结构方面来解释细胞的分泌机制，自溶酶。此外，研究发现有的酶蛋白的分泌与酶的修饰有关。（二）二步法（肌苷酸生产主要方法）

发酵法肌苷肌苷酸原因：IMP对细胞膜的透性很差。微生物中普遍存在使IMP脱磷酸化的酶类。

磷酸化肌苷生产菌的选育

常用：Bacillussubtilis的腺嘌呤缺陷型。原因：

该菌磷酸酯酶活性强，有利于将IMP脱磷酸化形成肌苷，分泌至胞外，而产氨短杆菌的磷酸酯酶活性较弱。2.培养条件（1）培养基：碳源：淀粉水解糖或糖蜜氮源：要充分（因肌苷含氮量高，20.9％）无机盐：可溶性磷盐有抑制作用（胞外磷酸化）生长因子：加适量含腺嘌呤的物质，如酵母膏。

腺嘌呤的最适浓度：不影响菌体生长使肌苷大量积累（2）发酵条件

通气搅拌：供氧充足，促进肌苷生成，并可减少CO2对肌苷生成的抑制。（3）肌苷的提取

先过阳离子交换柱，再过活性炭柱（吸附），结晶。3.肌苷的磷酸化（1）酶法：酶：核苷磷酸化酶（三叶草假单胞菌）磷酸的供体：对硝基苯磷酸难点：除5‘－磷酸化产物外，还有3’-、2‘-位异构体，收率85％。（2）化学法：用不同的磷酸化试剂。4.肌苷酸的提取离子交换法除菌体除对硝基酚柱层析（过滤、离心）活性炭吸附加乙醇沉淀精制（结晶）粗制品肌苷酸8687附：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。科研生产中培养微生物都需要配制培养基。

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88一、配制培养基的基本原则

（一）目的明确（二）营养协调（三）控制培养基的营养条件（四）经济节约（五）灭菌处理89（一）目的明确何菌？何产物？何种规模？自养菌：不能含有有机物异养菌：供给有机物细菌：牛肉膏蛋白胨培养基放线菌：高氏一号培养基酵母菌：麦芽汁培养基霉菌：查氏培养基为了得到菌种还是代谢产物实验室培养种子罐培养发酵罐培养90（二）营养协调1培养丰富

2营养物质的浓度要合适

C/N比率：在微生物的培养基中所含的碳源中碳原子摩尔数与氮原子摩尔数之比。细菌、酵母菌C/N=5/1霉菌、放线菌C/N=10/1氮源过多：菌体生长过旺，不利于积累代谢产物氮源不足：菌体繁殖受到抑制，代谢产物积累各营养元素之间的比例要协调H2O>C>N>P、S>Mn、Co>生长因子110-210-310-410-510-6

3营养物质之间的配比要适中

碳氮比（C／N比）直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的积累。

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（三）理化条件适宜

1．pH值

(1)控制pH值细菌：7.0-8.0放线菌：7.5-8.5霉菌：4.0-6.0酵母菌：4.0-6.03．渗透压(2)培养基pH值调节方式

缓冲液内源性

备用碱:CaCO3

外加调节：直接加酸、碱(工业适用)KH2PO4K2HPO4等克分子量，pH值为6.8调节O2和CO2浓度好氧菌：空气、通气厌氧菌：加入还原剂等2.氧化还原电位92（四）经济节约

遵循以粗代精，以野代家，以废代好，以简代繁，以纤代糖，以国产代进口等原则。（五）灭菌处理一般培养基：121℃灭菌15-30min含糖培养基：112℃灭菌15-30min

（含糖量高，分开灭菌）93二、培养基的类型及应用按成分不同划分根据物理状态划分按用途划分941.按成分不同划分天然培养基合成培养基半合成培养基95天然培养基如牛肉膏蛋白胨培养基和麦芽汁培养基。天然培养基成本较低，除在实验室经常使用外，也适于用来进行工业上大规模的微生物发酵生产。96合成培养基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。如高氏Ⅰ号培养基和查氏培养基。重复性较好，但成本较高，微生物在其中生长较慢，一般适于在实验室用来进行有关微生物营养需求、代谢、分类鉴定、生物量测定、菌种选育及遗传分析等方面的研究工作。97半合成培养基在天然培养基的基础上适当加入已知成分的无机盐类，或在合成培养基的基础上添加某些天然成分，使之满足微生物对营养的要求。98按成分不同划分天然培养基含用化学成分还不清楚或化学成分不恒定的天然有机物牛肉膏蛋白胨培养基、麦芽汁培养基合成培养基化学成分完全了解的物质配制而成的培养基高氏1号培养基、查氏培养基半合成培养基化学成分部分了解,部分为天然的物质配制而成的培养基马铃薯蔗糖培养基、豆芽汁蔗糖培养基992.根据物理状态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。

100固体培养基半固体培养基液体培养基按培养基物理状态加凝固剂：明胶、硅胶、琼脂1.5-2%天然固体：米糠、木屑、马铃薯块滤膜：微孔醋酸纤维薄膜凝固剂为0.5%左右无凝固剂无营养、无分解能力，融点96℃，凝点40℃101琼脂是由红藻门石花菜、江蓠等藻类中提取的胶体多糖。琼脂的化学成分为半乳糖和半乳糖醛酸的聚合物，熔点96℃，凝固点是40-45℃。琼脂培养基可反复溶化凝固而不改变性质。绝大多数微生物不水解琼脂。琼脂固体培养基102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。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，粘着力强。配制方便且价格低廉。常用的凝固剂有琼脂、明胶和硅胶。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等。

103半固体培养基半固体培养基：培养基中凝固剂的含量比固体培养基少，培养基中琼脂含量一般为0.2%-0.7%。半固体培养基常用来观察微生物的运动特征和分类鉴定等。104液体培养基液体培养基：培养基中不加凝固剂。在用液体培养基培养微生物时，通过振荡或搅拌可以增加培养基的通气量，同时使营养物质分布均匀。液体培养基常用于大规模工业生产以及在实验室进行微生物的基础理论和应用方面的研究。105按物理状态不同划分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1.5%-2.0%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半固体培养基琼脂含量一般为0.2%-0.7%观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定液体培养基不加任何凝固剂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1063.按用途划分基础培养基

加富培养基

鉴别培养基

选择培养基

保藏菌种培养基

107基础培养基基础培养基：是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基。牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基。基础培养基也可以作为一些特殊培养基的基础成分，再根据某种微生物的特殊营养需求，在基础培养基中加入所需营养物质。

108加富培养基加富培养基：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，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。加富培养基还可以用来富集和分离某种微生物，这是因为加富培养基含有某种微生物所需的特殊营养物质，该种微生物在这种培养基中较其他微生物生长速度快，并逐渐富集而占优势，逐步淘汰其他微生物，从而容易达到分离该种微生物的目的。109鉴别培养基鉴别培养基：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，根据这种特征性变化，可将该种微生物与其他微生物区分开来。鉴别培养基主要用于微生物的快速分类鉴定，以及分离和筛选