微生物的营养和代谢课件

微生物的营养和代谢

MicrobialNutrition

andMetabolism第一节微生物的营养一、概念

营养物：凡能够满足机体生长、繁殖和完成种种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。

营养：微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。

二、微生物营养的功能参与微生物细胞的组成提供微生物机体进行各种生理活动所需的能量形成微生物代谢产物的来源

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，生命也就停止三、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，降解产物、代谢中间产物无机盐灰分水——细胞干重的70%~90%四、微生物细胞的营养物质1.碳源（Carbonsource）2.氮源（Nitrogensource)3.能源（Energysource)4.生长因子（Growthfactor)5.无机盐6.水1、微生物的碳源

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

●工业生产常用的碳源

●配制微生物培养基常用碳源微生物可利用的碳源1糖类：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，等醇类：乙醇脂类：脂肪，磷脂

微生物可利用的碳源2烃类天然气，石油，石油馏分，石蜡油CO2

CO2碳酸盐

NaHCO3,CaCO3,白垩，等其他芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸，等2、微生物的能源

化能异养微生物：有机物（同碳源）化学物质化能自养微生物：还原态无机物能源谱（不同碳源）—

NH4+,NO2-,S,H2S,H2,Fe2+

等光能：光能自养和光能异养微生物3、微生物的氮源定义：构成微生物细胞组成或代谢中氮素来源的营养物质种类：

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：大气N24、微生物的生长因子

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5、微生物的无机盐6、水水的功能是微生物细胞的重要组成部分，使原生质保持溶胶状态，保证代谢正常进行是物质代谢的原料起到物质溶剂和运输介质的作用有效控制细胞内的温度变化

二、微生物吸收营养物质的方式单纯扩散（Simplediffusion)促进扩散（Facilitateddiffusion）主动吸收（Activetransport）基团移位（Grouptranslocation)微生物吸收营养物质的方式1、单纯扩散物质扩散的动力:膜内外的浓度差特点：

不消耗能量不发生化学变化非特异性。仅依膜上小孔的大小和形状对被扩散的物质分子的大小和形状具有选择性被运输的物质是小分子量和脂溶性物，水，气体、甘油和某些离子2、促进扩散借助膜上的载体蛋白，具有高度的立体专一性。载体蛋白能促进物质运输，但不能进行逆浓度梯度运输。常见于真核微生物，如厌养生活的酵母菌中。特点：

需要特异性的载体蛋白不消耗能量可加快运输速度，但不能逆浓度运输3、主动吸收有特异性的载体蛋白参与需要消耗能量可以逆浓度梯度运输微生物的主要物质运输方式4、基团移位一种主动运输类型需复杂的运输酶系参与底物在运输过程发生化学变化主要存在于厌养和兼性厌养细菌中主要用于糖及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输，如葡萄糖（见图）

葡萄糖通过基团移位

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基团转位运输葡萄糖示意图基团移位示意图

三、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

异养型：有机碳碳源：自养型：无机碳老虎：食肉动物羊：食草动物猪：杂食动物

光能营养型：太阳光能能源：化能营养型：化合物氧化1、化能有机营养型微生物碳源——有机物能源——有机物可分为：寄生型微生物——寄生于活的生物体腐生型微生物——以死亡的生物有机体为营养原料自然界中绝大部分的微生物为化能有机营养型微生物2、化能无机营养型微生物碳源——CO2能源——来自氧化某种还原态无机物例：2NH3+2O22HNO2+4H++能量

CO2+4H+(CH2O)+H2O3、光能无机营养型微生物碳源——CO2为唯一或主要碳源能源——光能例：CO2+H2O[CH2O]+O22CO2+H2S+2H2O2[CH2O]+H2SO4CO2+2H2S[CH2O]+H2O+2S藻类和蓝细菌4、光能有机营养型微生物碳源——CO2能源——光

例：RhodospirillumCO2+2CH3CHOHCH3

(CH2O)+

2CH3COCH3+H2O

四种营养类型的对比营养类型电子供体

碳源能源

例样光能无机自养型H2,H2S,S,H2OCO2光能红硫细菌，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NO2-CO2化学能（无机物氧化）氢细菌，硫杆菌，硝化细菌，大多数产甲烷菌化能有机异养型有机物

有机物化学能（有机物氧化）大多数微生物，原生动物

四、培养基培养基：是人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质培养基约有数千种。

（一）培养基的配制原则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（redoxpotential）5.原料来源的选择6.灭菌处理如培养自养微生物，只添加无机物即可，而如果培养的是异养微生物，则培养基中必须添加有机物。又如发酵工业上的种子培养基，营养成分宜丰富些。1、选择适宜的营养物质碳氮比（C/N）：培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。如谷氨酸发酵生产：

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。

2、营养物质浓度及配比合适（C/N）3、控制pH条件

细菌:ph7.0~8.0

放线菌：pH7~8.5

酵母菌:ph3.8~6.0

霉菌：pH4.0~6.0

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采用弱酸盐：柠檬酸盐、乳酸盐等采用液氨或盐酸4、控制氧化还原电位（redoxpotential）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

5、原料来源的选择经济节约原则原料来源要广泛原料要易处理，处理成本要低原料处理后，废物、废液、废气要少6、灭菌处理高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm，121.3℃，15~30min。注意：高温灭菌对营养物质的破坏及pH变化（二）培养基的类型及应用根据组成分划分根据物理状态划分根据使用用途划分

1、按成分不同划分培养基天然培养基（Complexmedium;undefinedmedium)合成培养基(Syntheticmedium;definedmedium)半合成培养基(Semi-definedmedium)2、根据物理状态划分培养基固体培养基：含琼脂1.5~2%半固体培养基：含琼脂0.2~0.7%液体培养基3、按使用用途划分培养基基础培养基(Minimummedium)加富培养基(Enrichmentmedium)鉴别培养基(Differentialmedium)选择培养基(Selectivemedium)第二节微生物的能量代谢

Microbialmetabolism一、ATP合成方式光合磷酸化氧化磷酸化

底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化

光合磷酸化

指光能转变为化学能的过程。

即叶绿素的电子受光量子的激发，吸收光量子的能量，使电子具有较高的电位势能，电子经过中间电子载体的传递释放能量生成ATP。氧化磷酸化底物水平磷酸化：

是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能磷酸键转移给ADP生成ATP。电子传递水平磷酸化：

通过呼吸链产生能量的过程。A→B在其中A物质氧化产生的高能量的电子不直接交给ADP而是交给了辅酶NAD再通过NAD携带高能量的电子经过电子传递链，在电子经过电子传递链传递的过程中生成ATP，称为~

二、物质氧化的方式AH2+B→A+BH2

A：电子供体（供氢体）B：电子受体（受氢体）交给辅酶，再通过电子传递链，最终交给O2呼吸作用：以分子氧作为最终电子受体的氧化作用。无氧呼吸作用：以无机氧化物如NO3、NO2-、SO42-等中的氧作为最终电子（氢）受体的氧化作用。发酵作用：电子供体和电子受体都是有机化合物的氧化作用。三、能量的利用生物合成消耗能量一些生命活动消耗能量如对营养物质的主动吸收、维持细胞渗透压、鞭毛运动、原生质流动以及细胞分裂过程中染色体的分离等都需要消耗能量生物发光有些ATP以热的形式散失。第三节微生物的物质代谢一、分解代谢与合成代谢的关系二、分解代谢-——化能异养代谢中糖的降解三、合成代谢四、代谢调控五、次级代谢产物一、分解代谢和合成代谢的关系二、化能异养代谢中糖的降解第一阶段：己糖降解，形成丙酮酸的途径第二阶段：丙酮酸代谢的多样性。第一阶段：

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1、EMP途径EMP途径2EMP途径的特点:（1）葡萄糖分解是从1，6-二磷酸果糖开始（2）整个途径仅在第1，3，10步反应是不可逆的（3）EMP途径的特征性酶是1，6-二磷酸果糖醛缩酶（4）整个途径不消耗氧（5）有关酶系位于细胞质中EMP途径的生理功能:

(1)提供ATP和NADH；

(2）中间产物可生物合成提供碳骨架2、HMP途径图HMP途径2HMP途径的特点:

是从6-磷酸葡萄糖酸脱羧开始特征性酶是转酮酶（TK）和转醛酶（TA）该途径一般只产生NADPH而不产生NADHHMP酶系定位于细胞质中HMP途径的生理功能：为生物合成提供多种碳架为生物合成提供还原力该途径中的5-磷酸核酮糖可转化为1，5-二磷酸核酮糖，在羧化酶催化下固定二氧化碳，对光能自养型和化能自养型微生物具有重要意义3、ED途径ED途径的特点特征反应为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛特征性酶是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶2分子的丙酮酸来源不同1mol葡萄糖经途径只产生1molATPEMP、HMP、ED途径的比较

途径EMPHMPED特征性酶FAD（1，6-二磷酸果糖醛缩酶）TK（转酮酶）TA（转醛酶）KDPGA(KDPG醛缩酶）首先脱羧部位C3,C4C1C1,C4产生ATP数(GPyr)211还原辅酶NADHNADHNADPH(NADH)糖代谢途径在微生物中的分布（%）

微生物EMPHMPED啤酒酵母8812—灰色链霉菌973—产黄青霉7723—大肠杆菌7228—铜绿假单胞菌—2971氧化醋单胞菌—100—运动发酵单胞菌——1004、WD途径由Warburg,Dickens&Horecker等人发现PK途径：具磷酸戊糖解酮酶HK途径：具磷酸己糖解酮酶（1）PK途径PK途径：含戊糖磷酸解酮酶肠膜状明串珠菌（Leuconostocmesenteroides）以此途径利用葡萄糖进行异型乳酸发酵生成乳酸、乙醇和二氧化碳C6H12O6+ADP+Pi+NAD+CH3CH(OH)COOH+CH3CH2OH+CO2+ATP+NADH+H+1mol葡萄糖经PK途径生成1molATP、1molNADH+H+HK途径：含磷酸己糖解酮酶

PK途径图（2）HK途径HK途径:含磷酸己糖解酮酶两歧双歧杆菌(Bifidobacteriumbifidum)利用此途径分解葡萄糖。每克分子葡萄糖经HK途径产生1mol乳酸、1.5mol乙酸和2.5molATP。HK途径图5、葡萄糖直接氧化途径有些假单胞杆菌属（Pseudomonas)、气杆菌属(Aerobacter)、醋杆菌属(Acetobacter)的某些菌不具备己糖激酶，不能将葡萄糖磷酸化，但具有葡萄糖氧化酶，能利用空气中的氧，把葡萄糖直接氧化成葡萄糖酸再经磷酸化进行降解。葡萄糖直接氧化途径图第二阶段：

丙酮酸代谢的多样性1、无氧条件下（发酵）： 酒精发酵 乳酸发酵 丙酸发酵 混合酸发酵 丁二醇发酵 丙酮丁醇发酵 丁酸发酵2、有氧条件下(呼吸）：

进入TCA循环彻底氧化成CO2和水。1、丙酮酸在无氧条件下代谢发酵

发酵发酵:

是微生物在无氧条件下的生长过程中获得能量的一种方式.在发酵过程中有机物既是被氧化的基质又是氧化还原反应过程中的电子最终受体,并且这种作为电子最终受体的有机物通常都是被氧化基质不完全氧化的中间产物工业发酵:

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

酵母菌的乙醇发酵

丙酮酸在无氧条件下的一条代谢途径

丙酮酸→乙醛→乙醇

C6H12O6+2ADP+2H3PO4

2CH3OH+2ATP+2CO2+2H2O

乙醇发酵示意图乳酸发酵示意图2、丙酮酸在有氧条件下代谢进入TCA循环彻底氧化分解丙酮酸代谢和三羧酸（TCA）循环三、微生物的合成代谢

（一）多糖的生物合成（二）细胞类脂成分的合成（三）氨基酸和其它含氮有机物的合成（四）核酸的合成（五）多肽、蛋白质的合成多糖的生物合成

---肽聚糖1.UDP-N-乙酰葡萄糖胺和UDP-N-乙酰胞壁酸肽聚糖2.肽聚糖亚单位---二肽合成3.肽聚糖亚单位转接到细胞壁的生长点上4.通过转肽反应形成完整的肽聚糖分子

肽聚糖的化学组成和一级结构多糖的生物合成

---肽聚糖

UDP-N-乙酰葡萄糖胺的合成UDP-N-乙酰胞壁酸肽的合成肽聚糖亚单位---二肽的合成UDP-N-乙酰胞壁酸肽合成后，肽聚糖的合成反应由细胞质转到细胞膜上的载体脂磷酸上，生成UDP-N-乙酰胞壁酸肽载体脂焦磷酸，同时放出UMP。然后UDP-N-乙酰葡萄糖转到胞壁酸上，生成双糖肽载体脂焦磷酸。肽聚糖亚单位---二肽的合成3.肽聚糖亚单位转接

到细胞壁的生长点上

通过载体脂帮助，双糖肽由细胞膜内表面转到膜的外表面，进一步输送到细胞壁生长点上，放出载体脂焦磷酸。载体脂焦磷酸脱去一个磷酸，变成一个有生物活性的载体脂磷酸参与下一步合成双糖肽的反应。此反应可被杆菌肽抑制。4.通过转肽反应形成

完整的肽聚糖分子多个肽聚糖亚单位连到细胞壁后，通过转肽链之间相互连接起来形成一个完整的网状结构，并放出一个D-丙氨酸，这步反应可被青霉素抑制。转糖基化作用和转肽反应图示（二）细胞类脂成分

的合成1.脂肪酸的合成2.磷脂的合成脂肪酸的合成途径磷脂的合成途径(三)氨基酸和其它含氮有机物的合成1.氨的同化和氨基酸的合成2.硝酸和N2的同化3.核苷酸的合成氨的同化和氨基酸的合成

氨同化作用的可能途径：先合成谷氨酸（或谷氨酸胺）、丙氨酸和天冬氨酸，然后由这几种氨基酸作为氨基供体，合成其它氨