南理工微生物学课件-第五章.ppt

1,第五章 微生物营养 营养Nutrition是指生物体从外部环境摄取生命活动所必需的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能。 营养物Nutrient是指能为生物细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和生理环境的化学物生物细胞所需要的营养与其本身的结构及其组分密切相关。,2,第一节 微生物细胞的化学组成 一. 微生物细胞的元素成分 元素 占干物质% 元素 占干物质% 元素 占干物质% 碳 50 磷 3 钙 0.5 氧 20 硫 1 镁 0.5 氮 14 钾 1 氯 0.5 氢 8 钠 1 铁 0.2,3,二. 微生物细胞中主要物质含量 干物质 微生物 水分 总量 蛋白质 核酸 C.H2O 脂肪 无机盐 细菌 75-85 25-15 50-80 10-20 12-28 5-20 1-14 酵母菌 70-80 30-20 32-75 6-8 27-63 2-5 7-10 霉菌 85-95 15-5 14-52 1 7-40 4-40 6-12,4,1.水分：是细胞原生质的主要成分，含量70-90%，微生物孢子含水分为40%左右。 细胞内水的二种状态：结合水，不挥发，不冻结，为总水量的17-28%；游离水，是细胞代谢反应的介质环境。 2.蛋白质：细胞干物质的主要成分，包括简单蛋白和结合蛋白(球蛋白、白蛋白、糖蛋白、脂蛋白、核蛋白) 3.核酸：DNA和RNA 4.碳水化合物：单糖、双糖和多糖等。 5.脂类：包括脂肪、磷脂、蜡质和固醇等 6.无机盐：包括磷、硫、钙、镁、铁、钾、钠等。 7.维生素：微生物细胞多数可以自产维生素 8.抗生素：微生物细胞的特有代谢产物，以放线菌为主,5,第二节 微生物的营养物质及其功能 六大营养要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐、水 一. 碳源 提供微生物营养所需碳素或碳架的营养物质分为无机和有机碳源。 微生物的碳源谱 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，核酸 牛肉膏、蛋白胨、花生饼 C.H.O.N 氨基酸、简单蛋白 明胶等 C.H.O 糖、有机酸、醇、脂等 单 双 多糖、糖蜜等 C.H 烃类 天然气、石油 无机碳 C？ C.O CO2 CO2 C.O.X 碳酸盐 碳酸盐,6,二. 能源 提供微生物生命活动所需能量的物质。 以化合物作为能源物质化能微生物(有机物：化能异养，无机物：化能自养) 以光作为能源物质光能微生物。 对于不同微生物，碳源和能源可以是同一物质，也可以是不同物质。 微生物能源谱 化学物质有机物：化能异养微生物的能源(同碳源) 无机物：化能自养微生物的能源(不同于碳源) 辐射能光能自养和光能异养微生物的能源 能作为化能自养微生物能源的物质为还原态物质： NH4+ 、NO2- 、S、 H2S、 H2 、Fe+等,7,三. 氮源 提供微生物所需氮素的营养物质。 微生物的氮源谱 类 型 元素水平 化合物水平 培养基水平 有机氮 N.C.H.O.X 复杂蛋白质等 牛肉膏、酵母膏 N.C.H.O 简单蛋白质 蛋白胨、明胶 无机氮 N.H 铵盐、NH3 硫铵等 N.O 硝酸盐等 KNO3 NaNO3等 N N2 空气,8,铵盐是微生物最常用的氮源，氮源主要功能是提供细胞原生质和其它结构物质中的氮素，一般不作为能源使用。但化能自养细菌中的硝化细菌和亚硝化细菌可从NH3和NO2-的氧化中获得能量，这二种物质对于以上二种细菌而言既是氮源也是能源。 对异养微生物来说，C.H.O.N化合物具有碳源、氮源和能源等三重功能作用。 氨基酸自养型微生物：将吸收的简单无机氮源合成为所需要的一切氨基酸； 氨基酸异养型微生物：需要从外界环境中吸收现成的氨基酸作为氮源的微生物。,9,四.无机盐 提供微生物生长所需的除却碳、氮源以外的重要元素。 大量元素P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等，所需浓度为10-310-4mol/L； 微量元素Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Ni等，所需浓度为10-610-8mol/L。 上述元素多以无机盐的形式提供。 无机盐的生理功能：细胞化学组成中的重要元素；参与细胞结构；与酶活及组成有关 调节渗透压和pH；某些细菌的能源物质；呼吸链末端的氢受体,10,无机元素的来源和功能 元素 人为提供形式 生理功能 P KH2PO4 K2HPO4 核酸、磷酸、辅酶成分 S MgSO4 含硫氨基酸成分，含硫维生素成分 K KH2PO4 K2HPO4 某些酶的辅因子，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 CaCl2 胞外酶稳定剂，蛋白酶辅因子，形成孢子所需 Mg MgSO4 代谢酶类激活剂，固氮酶辅因子， Fe FeSO4 细胞色素成分，合成叶绿素、白喉毒素所需 Mn MnSO4 超氧化物岐化酶、氨肽酶等辅因子 Cu CuSO4 氧化酶、Tyr酶辅因子 Co CoSO4 VitB12成分，肽酶辅因子 Zn ZnSO4 碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶和脱羧酶辅因子 Mo (NH4)6Mo7O24 固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原 酶成分,11,五.生长因子 对微生物的生长代谢必不可少的且 不能自行合成的微量有机营养物质。 包括：维生素、氨基酸、碱基、卟啉、甾醇、 胺类、C4C6分支或直链脂肪酸等。 能提供生长因子的天然物质：酵母膏、蛋白胨 、麦牙汁、玉米浆、动植物组织浸液等。 生长因子功能：提供微生物细胞重要化学物质 、辅因子组分和参与细胞代谢。 1.生长因子自养型微生物：生长因子可自行合成 ，不需外界提供； 2.生长因子异养型微生物：需要多种生长因子才 能生长，如乳酸菌、动物致病菌等； 3.生长因子过量合成微生物：可以作为维生素等 的生产菌株,12,若干细菌所需要的维生素 Vitamine Bacterium sp. 硫胺素B1 炭疽芽孢杆菌 Bacillus anthracis 核黄素B2 破伤风梭状杆菌 Clostridium tetani 烟酸 流产布鲁氏杆菌 Brucella abortus 吡哆醇B6 各种乳酸杆菌 Lactobacillus spp. 生物素 肠膜状明串珠菌 Leuconostoc mesenteroides 泛酸 摩氏变形杆菌 Proteus morganii 叶酸 葡聚糖明串珠菌 Leuconostoc dextrianicum 钴胺酸B12 乳酸杆菌 Lactobacillus spp. Vit K 产黑色素拟杆菌 Bacteroides melaninogenicu,13,维生素的生理功能 维生素 转移的对象 代谢功能 硫胺素B1 乙醛基 脱羧酶、转醛酶、转酮酶辅基 核黄素B2 H，电子 FMN、FAD前体，构成黄素蛋白辅基 烟酸B5 H，电子 NAD和NADP前体，脱氢酶辅酶参与递氢 吡哆醇B6 氨基 氨基酸消旋酶、转氨酶、脱羧酶的辅基 泛酸 酰基 辅酶A前体,乙酰载体的辅基,参与糖,脂合成 叶酸 甲基 参与一碳基转移,与碱基、Ser、Met合成有关 生物素 羧基 羧化酶辅基，CO2固定、糖、脂、蛋白代谢 维生素B12 羧基、甲基 参与一碳基转移，与Met TMP合成有关,14,六. 水 少数微生物(蓝细菌)利用水中的氢还原 CO2，其余微生物不能以水为营养物质。 水是微生物细胞原生质的主要化学组成(70- 80%)，应视为营养物质。 水在细胞原生质中的主要生理功能 1.原生质中营养物质和代谢产物的优良溶剂，细胞物质运输转运的媒介； 2.细胞内几乎所有生物化学反应的媒介，并参与代谢反应； 3.维持生物大分子结构的稳定，主要是空间构象的维持。 水的物理特性；高比热；高汽化热；高沸点；结晶水等。,15,第二节 微生物的营养类型 微生物营养类型的分类 以能源分： 光能营养型phototroph 化能营养型chemotroph 以氢供体分： 无机营养型lithotroph 有机营养型organotroph 以碳源分： 自养型autotroph 异养型heterotroph 以合成aa能力分： 氨基酸自养型aa autotroph 氨基酸异养型aa heterotroph 以生长因子分： 野生型prototroph 营养缺陷型auxotroph 以取食方式分： 渗透营养型osmotroph 吞噬营养型phagocytosis 以取得死活机体分：腐生saprophytism 寄生parasitism,16,微生物的营养类型 营养类型 能源 供氢体 基本碳源 实 例 光能自养型 光 无机物 CO2 蓝细菌、藻类 紫(绿)硫细菌 光能异养型 光 有机物 简单有机物 红螺菌 化能自养型 无机物 无机物 CO2 硫化细菌,硝化细菌 铁细菌,硫磺细菌,氢细菌 化能异养型 有机物 有机物 有机物 大多数细菌和 所有真核微生物,17,一.光能自养型(光能无机营养型)蓝细菌和光合细菌类群 该营养类型的微生物以CO2为碳源，以H2O和H2S等为供氢体 蓝细菌光合反应：CO2 + H2O CH2O + O2 光合菌光合反应：H2S + CO2 CH2O + H2O + S 二.光能异养型(光能有机营养型)红螺菌科所有成员 以光为能源，以小分子有机碳化物作为碳源和供氢体来固定CO2。 光合反应：CH3OH + CO2 CH2O + H2O 可作为碳源的有机物：甲酸、甲醇、乙酸、丁酸、异丙醇、丙酮酸和乳酸等。,18,三.化能自养型(化能无机营养型)硫细菌、硝化细菌、铁细菌、氢细菌 以CO2为碳源，以含氢无机物为供氢体，以氧化还原态无机物获得能量。 硫细菌反应式： H2S + O2 SO42- + H+ S + H2O + O2 SO42- + H+ S2O32- + H2O + O2 SO42- + H+ 产甲烷菌反应式：CO2 + H2 CH4 + H2O 四.化能异养型(化能有机营养型)多数原核微生物和所有真核微生物 碳源、能源和供氢体全为有机物。 对自养和异养概念的界定 自养还原力来自无机物，以CO2为唯一碳源 异养还原力来自有机物，不以CO2为主要碳源。,19,第三节 微生物细胞的物质转运 营养物质进出微生物细胞的过程主要发生在细胞膜上，与膜通透性和膜蛋白有关。 一.单纯扩散simple diffusion / 被动运输 物质由高浓度到低浓度的扩散，是一非特异性的转运过程。 参与单纯扩散的为：气体、水、水溶性小分子、部分离子等。 二.易化扩散/促进扩散 facilitated diffusion 物质在转运过程中需要借助细胞膜上的特异性载体蛋白才能进行。载体蛋白也叫透性酶permesae，移位酶translocase等。 促进扩散通常在微生物处于高营养物质的浓度情况下发生，其驱动力也是浓度梯度，但具有特异性和选择性，多见于真核微生物,20,三.主动转运active transport 这是微生物吸收营养物质的主要方式，需要借助