微生物生理学资料

1、第三章 微生物的营养与物质(wzh)运输微生物的营养 微生物营养物质的运输营养物质运输的调节代谢(dixi)产物的分泌共七十六页营养（nutrition）：指生物体从外部环境中摄取(shq)对其生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养(yngyng)为一切生命活动提供了必需的物质基础！吸收利用生物有机体营养物质摄取共七十六页营养物（nutrient）：指具有营养功能的物质，那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成(wn chng)各种生理活动所需的物质。 一些微生物可利用非物质形式的能源光能。微生物的营养物可为它们(t men)的正常生命活动提供结构物质、能

2、量、代谢调节物质和必要的生理环境。共七十六页细胞(xbo)化学元素组成主要(zhyo)元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等；微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。一、微生物细胞的化学组成 1. 化学元素（chemical element）构成微生物细胞的物质基础是各种化学元素！在元素水平上都需20种左右，称为生物元素 。占细菌细胞干重的97%第一节 微生物的营养共七十六页微生物细胞中几种主要元素的含量(hnling)（干重%）元素 细 菌酵母菌真 菌碳 5050 48氮15125 氢8 7 7 氧 2031 40 磷 3 硫 1 共七十六页存在方式 有机物：蛋白质、

3、糖、类脂、核酸、维生素、降解产物、代谢中间(zhngjin)产物无机盐灰分 水 细胞湿重的70%90%组成微生物细胞的各类化学元素(hu xu yun s)的比例常因微生物种类的不同而不同共七十六页2、化学成分分析细胞湿重（wet weight）：指湿细胞的重量，只除去微生物细胞表面所吸附的水分。细胞干重（dry weight）：指采用高温（105）烘干(hn n)、低温（60）真空干燥和红外线快速烘干(hn n)等方法将细胞干燥至恒重的重量。单位 g/L或mg/ml。大肠杆菌2530 g/L；酵母40 g/L， 120 g/L注意：高温烘干会导致细胞物质分解，而利用后两种方法所得结果较为可靠

4、。共七十六页共七十六页细胞有机物成分的分析方法用化学方法(fngf)直接抽提细胞内的各种有机成分，然后加以定性和定量分析；先将细胞破碎，然后获得不同的亚显微结构，再分析这些结构的化学成分。细胞无机物成分的分析方法 将干细胞在高温马福炉（550）中焚烧成灰，所得的灰分物质是各种无机元素的氧化物，称为灰分。 共七十六页共七十六页共七十六页共七十六页二、微生物的营养(yngyng)类型（略）碳源（Carbon source） 氮源（Nitrogen source) 能源(nngyun)（Energy source) 生长因子（Growth factor ) 无机盐(Inorganic salt) 水

5、(Water)六种营养要素 三、微生物的营养要素共七十六页微生物的营养(yngyng)类型 营养类型能 源碳源实例光能自养型光能CO2蓝细菌紫硫细菌绿硫细菌藻类光能异养型光能CO2及简单有机物红螺细菌化能自养型 无机物CO2硝化细菌硫化细菌铁细菌氢细菌 化能异养型有机物有机物绝大多数微生物，原生动物共七十六页不同营养(yngyng)类型之间的界限并非绝对：异养型微生物并非绝对(judu)不能利用CO2；自养型微生物也并非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；共七十六页 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(xngchn

6、g)微生物代谢产物的来源 功能(gngnng):营养物质是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。共七十六页1、碳源（carbon source） 一切能满足微生物生长(shngzhng)繁殖所需碳元素的营养物，称为碳源。 微生物细胞(xbo)含碳量约占干重的50，除水分外，碳源是需要量最大的营养物，又称之为大量营养物（macronutrients）。 有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等 无机碳源： CO2 , Na2CO3 , CaCO3等 共七十六页 微生物的碳源物质(wzh)很多，有糖类及其衍生物、有机酸类、醇类、脂类、烃类、蛋白质及其降解产物等。Eg.

7、假单胞杆菌属的一些(yxi)菌能利用90多种不同的碳源物质。 甲烷氧化菌只能利用甲烷和甲醇作碳源。不同种类的微生物对碳源的利用能力也不一样！速效碳源迟效碳源共七十六页单糖双糖和多糖(du tn)己糖 戊糖葡萄糖、果糖 甘露糖、半乳糖淀粉 纤维素或几丁质等纯多糖纯多糖 琼脂等杂多糖 葡萄糖可作为(zuwi)大多数微生物的碳源！ 糖共七十六页糖类(tn li)： 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，等 脂类： 脂肪，磷脂，等 烃类： 天然气，石油，

8、石油馏分，石蜡油 ，等 CO2 碳酸盐： NaHCO3, CaCO3, 白垩，等 其他： 芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸微生物可利用(lyng)的碳源(化合物分类)共七十六页在发酵工业中最常用的碳源是葡萄糖、淀粉、废糖蜜(tngm)、麸皮和米糠等。共七十六页2、氮源(nitrogen source) 凡能提供微生物营养(yngyng)所需氮元素的营养(yngyng)源，称为氮源。 氮源一般不作能源。 氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要(zhyo)元素，氮占细菌干重的1215，也是微生物的主要营养物。共七十六页 种类(zhngli)微生物能利用的氮源有机氮源：蛋白(dnbi)胨、黄

9、豆粉、玉米浆、 牛肉膏、酵母膏、花生粉、蚕蛹粉、鱼粉等。无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4、KNO3 气态氮源：大气N2速效氮源：铵盐和氨基酸被微生物吸收后能直接被利用迟效氮源：NO3和蛋白质吸收后还需还原降解才可利用共七十六页能为微生物的生命活动(hu dng)提供最初能量来源的化学物质或辐射能，称为能源。3、能源(nngyun)(energy source)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能源谱化学物质辐射能：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共七十六页 一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源，氮源自行(zxng)合成的、所

10、需极微量的有机物。培养基中生长因子的主要来源：酵母(jiom)膏、玉米浆、麦芽汁等。4、生长因子(growth factor)狭义：维生素 广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等 共七十六页a.维生素Eg. 维生素B6（吡哆醛），磷酸吡哆醛是一些(yxi)转氨酶和氨基酸脱羧酶的辅酶。微生物对维生素的需要量一般(ybn)是15mgml作用：辅酶或酶活化所需。共七十六页b.氨基酸 氨基酸是蛋白质合成的基本单位，在大多数情况下可被微生物吸收利用(lyng)；少数情况下微生物虽需要氨基酸作为生长因子，但氨基酸不能透过细胞膜，而能够吸收利用小肽。 在培养基中一种氨基酸的含量过高，会抑制细胞(xbo)对其他

11、氨基酸的摄取，此现象称氨基酸不平衡。微生物对氨基酸的需要量一般是20mgml共七十六页 维生素微生物的种硫胺素(B1)Bacillus anthracis(炭疽芽孢杆菌)核黄素Clostridium tetani(破伤风梭菌)烟酸Brucella abortus(流产布鲁氏杆菌)吡哆酸(B6)Lactobacillus spp.(各种乳酸杆菌)生物素Leuconostoc mesenteroides(肠膜状明串珠菌)泛酸Proteus morganii(摩氏变形杆菌)叶酸Leuconostoc dextranicum(葡聚糖明串珠菌)钴胺酸(B12)Lactobacillus spp.维生素K

12、Bacteroides melaninogenicus(产黑素拟杆菌)若干(rugn)细菌所需要的维生素 共七十六页维生素转移的对象代谢功能硫胺素(B1)乙醛基焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基，与a酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关吡哆醇(B6) 氨基磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基，参与氨基酸的消旋、脱羧和转氨叶酸甲基即辅酶F(四氢叶酸)，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核甘酸、丝氨酸和甲硫氨酸有关维生素B12 羧基，甲基钴酰胺辅酶，参与一碳基的转移，与甲硫氨酸和胸苷酸有关维生素的生理功能共七十六页生长因子的微生物分析法 微生物分析法就是利用营养缺陷型的生长量和其所必需

13、的生长因子的浓度在一定范围内呈正比的关系(gun x)来测定的。优点(yudin)：特异性强，灵敏度高，Eg. 维生素在毫微克ml 以下的浓度均可测定。维生素浓度生长量共七十六页5、无机盐 (inorganic salts)所需浓度(nngd)在10-3-10-4M 的元素为大量元素所需浓度在10-6-10-8M 的元素为微量元素共七十六页无机盐的生理功能无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能细胞内一般分子成分 (P、S、Ca、Mg、Fe等)生理调节物质渗透压的维持 (Na+等) 酶的激活剂 (Mg等) pH的稳定化能自养菌的能源 (S、Fe2+、NH4+、MO2-等) 无氧呼吸时的氢受体(N

14、O3-、SO42-等) 酶的激活剂 (Cu2+、Mn2+、Zn2+等)特殊分子结构成分 (Co、Mo等)共七十六页生理作用： 细胞组成成分 生化反应(fnyng)溶剂 化学、生理反应介质 物质运输媒体 调节细胞温度 维持细胞的渗透压 6、水存在状态(zhungti)：游离态（溶剂）和结合态（结构组成），比例大约为4:1.水是细胞维持正常生命活动所必不可少的，一般可占细胞重量的7090%。共七十六页水活度值(water activity，aw ) ：指在一定的温度和压力条件下，溶液(rngy)的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即aw =P / P0 P：溶液的蒸汽压，P0 ：纯水的蒸汽压

15、渗透水活度 基质水活度常温常压下，纯水aw为1.00，溶液中溶质越多， aw越小。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，表现出的aw大小不同。共七十六页溶 液aw30%葡萄糖溶液0.9641%葡萄糖+20%甘油0.9551%葡萄糖+40%蔗糖0.9640.872%NaCl0.955饱和氯化钠溶液0.78饱和氯化钙溶液0.30饱和氯化镁溶液几种(j zhn)溶液的水活度值 0.30共七十六页 微生物不同(b tn)，它们生长所需要的最适aw值不同。同一种微生物生长时期不同，所要求的aw值也不同。水活度需等渗适宜(shy)。 微生物适宜生长的aw为0.60.998之间。共七十六页

16、几类微生物生长(shngzhng)的适宜aw微生物一般(ybn)细菌酵母菌霉菌嗜盐细菌087091090098 嗜高渗酵母耐旱真菌 080088075 065075060065适宜aw共七十六页 微生物在生长过程中，所需营养物质不断的进入细胞，代谢产物及时的分泌到胞外，这两个(lin )过程就是物质的运输。营养物质能否(nn fu)利用（即是否具有酶系）能否进入细胞第二节 微生物营养物质的运输 微生物的细胞表面由荚膜、粘液层、细胞壁和细胞质膜构成渗透屏障，但主要与细胞质膜有关。膜对营养物质的吸收具有选择性，是一种半透膜。共七十六页物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关,分子量小、脂溶性、极

17、性小的物质易通过(tnggu)扩散进出细胞。共七十六页运送(yn sn)方式不通过(tnggu)膜上载体蛋白：单纯扩散耗能通过膜上载体蛋白不耗能：促进扩散运送前后溶质分子改变：基团转移运送前后溶质分子不变：主动运输共七十六页一、单纯(dnchn)扩散 (simple diffusion)依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输；不消耗代谢能，无特异性；运输氧、二氧化碳、甘油、乙醇、某些氨基酸等小分子(fnz)； 亲脂性分子从高浓度到低浓度的扩散来运输，利用细胞膜的通透性，细胞膜是一道屏障。 共七十六页单纯(dnchn)扩散对营养物的运送缺乏选择能力和逆浓度梯度的“浓缩”能力，不是细胞获取营养物质的

18、主要方式。共七十六页二、促进(cjn)扩散 (facilitated diffusion)利用膜内、膜外被运输物质和载体蛋白的亲和力的不同。特点： 需要特异性的载体蛋白顺浓度梯度运输 不消耗能量(nngling) 载体蛋白对被运送的物质具有较高专一性 运输硫酸根、磷酸根、氨基酸、维生素、糖（真核）载体蛋白(carrier protein)，即透性酶（大多为诱导酶），有底物特异性，每种载体蛋白运输相应的物质。载体蛋白可加快运输速度，但不能逆浓度运输。共七十六页载体只影响物质的运输速率(sl)，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态共七十六页促进(cjn)扩散示意图胞外细胞膜胞内共七十六页单纯(

19、dnchn)扩散促进(cjn)扩散浓度梯度运输速率单纯扩散和促进扩散的比较单纯扩散随浓度增加而线性增加，而促进扩散在一定浓度后出现平台共七十六页 除以蛋白质载体介导的促进扩散外，还有一些离子载体（ionophores） 。 它们是一类可溶于脂质双层的疏水性的小分子，通过提高膜的离子通透性而促进离子进行跨膜运输。 大多数由微生物合成，有的就是抗生素。 离子载体分为(fn wi)两类：移动性离子载体和通道载体共七十六页三、主动(zhdng)运输 (active transport)特点： 是微生物吸收营养的主要方式 可逆浓度梯度运输，耗能 需载体蛋白，有特异性运输有机(yuj)离子、无机离子、氨基

20、酸、乳糖等糖类 需要特异性载体蛋白需要能量来改变载体蛋白的构象 亲和力改变蛋白构象改变耗能 共七十六页 ATP ADP + Pi 恢复(huf)原构像再循环耗能构像 改变(gibin)膜上膜外膜内移位结合单纯扩散、促进扩散、主动运输 ：被运输的溶质分子不发生改变。 共七十六页主动(zhdng)输送共七十六页细胞内细胞外(或细菌周质空间)电子转运1. 电子转移能被用来将质子泵出膜外2. 质子梯度通过(tnggu)反运输机制将钠离子逐出膜外 3. 钠离子与载体蛋白复合物相结合4. 溶质结合位点的形状发生改变，而与溶质(如糖和氨基酸)结合5. 载体蛋白的构象发生改变，钠离子在膜内释放，随后溶质从载体

21、蛋白解离 主动运输的机制(jzh)：使用质子(H+)和钠离子(Na+)梯度。共七十六页主动(zhdng)运输中载体蛋白的运输模式 共七十六页NaK泵共七十六页特点： 属主动运输类型，需消耗(xioho)能量 溶质分子发生化学修饰 定向磷酸化 需复杂的运输酶系参与 运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等主要存在于厌氧型或兼性厌氧型细胞中（原核生物中）四、基团(j tun)转移 (group translocation)膜对大多数磷酸化合物具有高度的不渗透性。每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP 的能量。共七十六页PEP+ HPrEI丙酮酸 + P-HPrP-HPr +糖EII糖-P+

22、HPr1. 热稳定性载体蛋白(dnbi)(heat stable carrier protein ,HPr) 的激活 2. 糖磷酸化后运入膜内 基团移位的运送机制在E. coli 中研究得较为清楚，主要靠磷酸转移酶系统(xtng)（phosphotrasferase system,PTS）即磷酸烯醇式丙酮酸己糖磷酸转移酶系统进行。具体运送分两步进行：共七十六页基团转位(zhun wi)运输葡萄糖示意图两类磷酸烯醇式丙酮酸：糖基磷酸转移酶(PTS)系统高能磷酸从HPr转移至溶解态EIIA, EIIA与EIIB在甘露糖转运系统中相连，在葡萄糖转运系统中分开。无论哪种形式(xngsh)，磷酸都从EI

23、IA转移至EIIB，再经过穿膜的转运过程而转移至糖基。磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) , 第一个酶I(EI), 低分子量热稳定性载体蛋白(HPr), 第二个酶I(EII) 胞外细胞质基质 共七十六页四种(s zhn)运送营养物质方式的比较共七十六页四种运送(yn sn)营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运送基团转位特异载体蛋白无有有有运送速度慢快快快溶质运送方向由浓到稀由浓到稀由稀到浓由稀到浓平衡时内外浓度内外相等内外相等内部浓度高得多内部浓度高得多运送分子无特异性特异性特异性特异性能量消耗不需要不需要需要需要运送前后溶质分子不变不变不变改变载体饱和效应无有有有与溶质类似物无竞争性有竞

24、争性有竞争性有竞争性运送抑制剂无有有有运送对象举例H2O、CO2、O2、甘油、少数氨基SO42-、PO43-；糖氨基酸、乳糖等糖类，Na+、Ca2+等无机离子葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等。共七十六页共七十六页基团(j tun)移位主动(zhdng)运输共七十六页五、膜泡运输(ynsh) Membrane vesicle transport通过趋化性运动靠近(kojn)营养物质，将它吸附到膜表面，形成膜泡，并进入细胞质。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。共七十六页膜泡运输(ynsh)(memberane vesicle

25、 transport)胞吞作用(zuyng)（phagocytosis）胞饮作用（pinocytosis）共七十六页第三节 营养物质运输(ynsh)的调节物质(wzh)的运输营养物质进入代谢产物分泌载体蛋白的合成与生理活性 共七十六页一、营养物质本身的性质物质的化学特性：分子量、溶解性、电负性、极性二、环境条件温度：营养物质的溶解度、细胞膜的流动性及运输系统的生理活性。PH：营养物质的电离程度、细胞膜、酶活性等。代谢(dixi)和呼吸的抑制剂与解偶联剂通透性诱导物与被运输物质的结构类似物一般来说，小分子比大分子、脂溶性比水溶性、不带电荷比带电荷的更容易(rngy)通过细胞膜。共七十六页营养 细

26、胞元素湿重干重灰分生长因子水活度单纯(dnchn)扩散促进扩散主动运输基团转移膜泡运输共七十六页三、载体物质(wzh)生物合成调节大肠杆菌己糖磷酸运输(ynsh)蛋白操纵子的调节 正调节作用A与MR的亲和力高 A与MR的亲和力低 共七十六页 鼠伤寒沙门氏菌PTS系统的操纵子pts的调节与调节蛋白Rp的磷酸化与去磷酸化有关(yugun)。 Rp-p起阻遏蛋白作用，Rp起激活剂作用无葡萄糖时，Rp-p结合到pts操纵子控制区上，阻止了pts操纵子转录。有葡萄糖时， Rp-p的磷酸转移到葡萄糖上，这时去磷酸化的Rp直接结合到pts操纵子控制区上，诱导pts操纵子转录。共七十六页共七十六页四、载体物质生理(shngl)活性调节1膜电势调节： 膜电势可以通过基质氧化或加入氧化剂的方式产生。 氧化剂有氰铁酸盐和氧化型的谷胱甘肽，还原剂有二硫苏糖醇和还原型谷胱甘肽。2胞内磷酸糖调节： 某些不能利用的磷酸糖进入细胞内能抑制细菌和酵母菌对己糖和多元醇的吸