第五章 微生物的营养与代谢.docx
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第五章微生物的营养与代谢
第五章微生物的营养与代谢
第一节微生物的营养物质
营养：
微生物从外界环境中摄取和利用营养物质的过程。
营养物质：
微生物获得的用于合成细胞物质和提供生命活动所需的能量的各种物质。
细胞中几种主要元素的含量（干重的百分数）
元素
细菌
酵母菌
霉菌
碳
50
49.8
47.9
氮
15
12.4
5.2
氢
8
6.7
607
氧
20
31.1
40.2
磷
3
－
－
硫
1
－
－
合计
97
100
100
∙能源
指可为微生物的生命活动提供最初能量来源的辐射能或化学能。
∙碳源
凡是可以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质通称碳源。
o种类
▪无机碳源
▪有机碳源
o功能
▪构成细胞蛋白质的骨架
▪组成细胞多糖、荚膜、贮藏物质成份的原料
▪提供生理活动所需的能量来源
∙氮源
凡是能被微生物用来构成微生物细胞组成成分或代谢产物中氮素来源的营养物质通常称为氮源。
o种类
▪分子态氮
▪无机氮化物
▪有机氮化物
o功能
▪用来构成细胞物质中氨基酸、蛋白质、核酸等含氮物质的原料
▪少数自养细菌能利用铵盐、硝酸盐作为机体生长的氮源与能源
▪某些厌氧细菌在厌氧且糖类物质缺乏时，可用氨基酸作为生长的能源
∙无机盐
o大量元素：
所需浓度在10－3～10－4mol/L范围内的元素，如P,S,K,Na,Ca,Mg，Fe等
o微量元素：
所需浓度在10－6～10－8mol/L范围内的元素，如Cu,Zn,Mn,Co,Mo,Ni等
无机元素（除碳、氮源外）的来源和功能
元素
人为提供形式
生理功能
大量元素
P
KH2PO4、K2HPO4
核酸、磷酸和辅酶的成分
S
MgSO4
含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）和含硫维生素（生物素、硫氨素等）的成分
K
KH2PO4、K2HPO4
某些酶（果糖激酶、磷酸丙酮酸转磷酸酶等）的辅因子；维持电位差和渗透压
Na
NaCl
维持渗透压；某些细菌和蓝细菌所需
Ca
Ca（NO3）2、CaCl2
某些胞外酶的稳定剂、蛋白酶等的辅因子；细菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所需
Mg
MgSO4
固氮酶等的辅因子；叶绿素等的成分
Fe
FeSO4
细胞色素的成分；合成叶绿素、白喉毒素和氧高铁血红素所需
微量元素
Mn
MnSO4
超氧化物歧化酶、氨肽酶和L－阿拉伯糖异构酶等的辅因子
Cu
CuSO4
氧化酶、酪氨酸酶的辅因子
Co
CoSO4
维生素B12复合物的成分；肽酶的辅因子
Zn
ZnSO4
碱性磷酸酶以及多种脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅因子
Mo
（NH4）6Mo7O24
固氮酶和同化型及异构型硝酸盐还原酶的成分
∙生长因子
指那些微生物生长所必需，但微生物本身不能合成，需外源提供而需要量又很少的有机物质。
o种类
▪维生素
▪氨基酸
▪碱基
∙水
o机体内的一系列生理生化反应都离 不开水
o营养物质的吸收和代谢产物的分泌是通过水来完成的
o是原生质胶体的结构部分
o由于水的比热高，有利于保持生长环境及细胞内温度的稳定
o水作为供氢体，直接参与细胞的呼吸作用和光合作用。
微生物的营养类型
养类型
能源
氢供体
基本碳源
举例
光能无机营养型（光能自养型）
光
无机物
CO2
蓝细菌，紫硫细菌，藻类
光能有机营养型（光能异养型）
光
有机物
CO2及简单有机物
红螺菌科的细菌即紫色非硫细菌
化能无机营养型（化能自养型）
氧化无机物＊
无机物
CO2
硝化细菌，硫化细菌，铁细菌，氢细菌等
化能有机营养型（化能异养型）
氧化有机物
有机物
有机物
绝大多数细菌和全部放线菌及真菌
∙光能自养（photoautotroph）或称光能无机营养（photolithotroph）
藻类和蓝细菌：
CO2＋H2O
［CH2O］＋O2
绿色和紫色硫细菌：
CO2＋2H2S
[CH2O]＋2S＋H2O
∙光能异养（photoheterotroph）或称光能有机营养（photoorganotroph）
∙化能自养（chemoautotroph）或称化能无机营养（chemolithotroph）
o硝化细菌氧化氨（铵盐）或亚硝酸获得能量，同化二氧化碳。
o硫化细菌 氧化还原态无机硫化物（H2S、S、S2O32－、SO32一等）获得能量，同化二氧化碳。
o铁细菌 通过氧化Fe2＋为Fe3＋来获取能量并同化二氧化碳：
2Fe2+十1/2O2十2H＋→2Fe3+十H2O十能量
o氢细菌 具氢化酶，能从氢的氧化中获取能量来同化二氧化碳：
H2十1/2O2→H2O十能量
∙化能异养（chemoheterotroph）或称化能有机营养（chemoorganotroph）
o腐生性微生物——利用无生命的有机物（包括动植物的残体）；
o寄生性微生物——从活的有机体（寄主）中获得营养物质，离开寄主便不能生长和繁殖。
第三节微生物的营养吸收
种运输方式的比较
比较项目
简单扩散
促进扩散
主动运输
基团转位
特异载体蛋白
无
有
有
有
运送速度
慢
快
快
快
溶质运输方向
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（物质）
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
运输对象举例
H2O，CO2，O2，甘油，乙醇，盐类
SO42－，PO43－盐
氨基酸，乳糖等糖类，Na+，Ca2+等无机离子
葡萄糖，果糖，嘌呤，甘露糖，核苷，脂肪酸
第四节培养基
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物质。
∙配制培养基的原则
o目的明确 根据不同微生物的营养需要，配制不同的培养基。
供给微生物合适的碳源，氮源以及所需无机元素或生长素。
o营养协调 注意各种营养物质特别是碳与氮的配比要适当。
o理化条件要适宜 各类微生物的生长繁殖或代谢产物的积累对理化条件的要求各不相同。
o经济节约
o培养基应无菌
∙培养基的种类
o根据培养基组分的来源分
▪天然培养基（复杂培养基）
▪合成培养基（化学限定培养基）
o按物理状态分
▪液体培养基
▪固体培养基
▪半固体培养基
o按用途分
▪基础培养基
▪加富培养基（增殖培养基）
▪鉴别培养基
▪选择培养基
o按生产目的分
▪种子培养基
▪发酵培养基
o凝固剂
▪琼脂
▪明胶
▪硅胶
第五节微生物的能量代谢
有机物能量的释放
∙呼吸
呼吸（respiration）：
是指有机物在氧化过程中放出的电子，通过呼吸链传递最终交给氧的生物学过程。
呼吸的电子流和碳流为：
呼吸的特点：
以氧为最终电子受体；有机物氧化彻底；能量（有效电子）释放完全。
1molG会产生38个ATP
∙发酵
发酵（fermentation）：
是指有机物氧化过程中脱下的质子和电子，经辅酶或辅基（主要有NAD，NADP，FAD）传递给另一有机物，最终产生一种还原性产物的生物学过程。
发酵的电子流和碳流为：
发酵的特点：
不需氧；有机物氧化不彻底；能量（有效电子）释放不完全。
仅生成2个ATP
几种发酵的COD去除率*
发酵类型
生化反应
COD去除率（%）
甲烷发酵
C6H12O6
3CH4+3CO2
100
酒精发酵
C6H12O6
2CH3CH2OH+2CO2
0
同型乳酸发酵
C6H12O6
2CH3CHOHCOOH
0
异型乳酸发酵
2C6H12O6
CH3CHOHCOOH+HOOCCH2CH2COOH
+CH3COOH+CH3CH2OH+CO2+H2
4
丁酸发酵
C6H12O6
CH3CH2CH2COOH+2H2+2CO2
17
∙厌氧呼吸
厌氧呼吸（anaerobicrespiration）：
是指有机物氧化过程中脱下的质子和电子，经一系列电子传递体最终交给无机氧化物的生物学过程。
厌氧呼吸的电子流和碳流如下：
厌氧呼吸的特点：
没有分子氧参加反应，电子和质子的最终受体为无机氧化物（NO3－、SO42－或CO2等）；有机物的氧化彻底；但释放的能量低于有氧呼吸。
ATP的合成
∙基质水平磷酸化
基质水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）：
是指有机物在氧化过程中，产生某种含有比ATP水解时放出更多自由能的高能化合物中间体，这种高能物质直接将键能交给ADP，并使之磷酸化生成ATP的过程。
∙氧化磷酸化
氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）：
通过呼吸链产生ATP的过程。
∙光合磷酸化
光合磷酸化（photophosphorylation）：
是指光引起叶绿素（或菌绿素）分子逐出电子，并通过电子传递来产生ATP的过程。
能量的利用
∙生物合成耗能
∙维持细胞机能耗能
∙生物发光耗能
∙生物热耗能
第六节微生物的物质代谢
∙分解代谢
o微生物的一些代谢途径
▪糖酵解
糖酵解（glycolysis）途径，又称EMP途径或已糖二磷酸途径，是生物体内将葡萄糖转化为丙酮酸的最普遍的反应过程。
其总反应为：
C6H12O6+2NAD++2Pi+2ADP
2CH3COCOOH+2NADH2+2ATP
（NAD:
（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）
（FAD：
（黄素腺嘌呤二核苷酸）
（ATP：
（腺三磷）
▪三羧酸循环（TCA循环）
三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle），又称柠檬酸循环（citricacidcycle）或Krebs循环，是葡萄糖降解成丙酮酸后的进一步氧化过程。
其反应式为：
∙ 乙酰CoA+3H2O+3NAD+FAD+ADP+Pi
2CO2+CoA+3NADH2+FADH2+ATP
TCA循环
∙合成代谢
合成代谢指简单的小分子物质合成复杂大分子有机物的过程。
第七节微生物的代谢调控
酶活性的调节
酶活性调节：
通过改变酶的催化活性来调节代谢速率的调节方式。
主要发生在蛋白质水平上，通过调节酶进行，直接，快速。
前馈－－底物，激活作用
反馈－－产物，抑制作用
∙反馈抑制的类型
o直线式代谢途径中的反馈抑制
o分支代谢途径中的反馈抑制
▪同功酶调节：
催化相同的生化反应，但结构有一定差异的若干个酶为同功酶。
▪协同反馈抑制
▪合作反馈抑制
▪累积反馈抑制
▪顺序反馈抑制
∙反馈抑制的机制
（a）激活剂激活无活性的酶 （b）抑制剂抑制有活性的酶
酶合成的调节
∙酶合成调节的类型
o酶合成的诱导：
环境物质诱发微生物合成相应的酶的现象。
组成酶
诱导酶
o酶合成的阻遏：
末端产物过量阻遏酶的合成从而调节代谢速率，减少末端产物生成的现象。
▪末端产物阻遏：
由于代谢途径中末端产物过量而阻遏酶的合成。
▪中间产物阻遏：
由中间产物引起的酶合成的阻遏。
葡萄糖效应（二次生长现象）
（a）葡萄糖和乳糖单独存在时的生长曲线；（b）葡萄糖和乳糖同时存在时菌体呈二次生长
∙酶合成调节的机制
o乳糖操纵子负调控模型
o乳糖操纵子正调控模型
乳糖操纵子正控制系统和负控制系统比较
正调控系统
负调控系统
主要作用因子
CAP-cAMP
阻遏蛋白
转录
进行
抑制
作用位点
启动基因
操纵基因
消除作用的因子
葡萄糖
乳糖
1.何谓营养物质、营养和代谢？
2.按照生理需要划分，微生物需要哪些营养物质？
3.简述微生物的四种基本营养类型。
4.简述微生物摄取营养物质的四种基本方式。
5.何谓培养基？
简述配制培养基的原则和培养基的种类。
6.试比较呼吸、厌氧呼吸和发酵的特点。
7.简述糖酵解途径和三羧酸循环。
8.简述测定微生物生长的各种方法。
9.什么叫细菌生长曲线？
可分哪几个生长阶段？
各有什么特点？
10.微生物有哪些温度类型？
各有何特点？
11.为啥每种生物都有一定的生长温度范围？
为何高温微生物耐高温？
12.简述高温消毒或灭菌的方法。
13.何谓嗜酸微生物和嗜碱微生物？
14.根据微生物与氧气的关系，可将微生物分为几种类型？
为啥厌氧菌对氧气敏感？
15. 何谓DNA？
何谓基因？
何谓DNA的双螺旋结构？
16.简述原核微生物的基因重组方式。
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