大学微生物复习--第4章微生物的营养和代谢课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,*,,,,,第 四 章,微生物的营养和代谢,,1,,第 四 章1,第一节微生物的营养,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,微生物营养的功能,A. 参与微生物细胞的组成,B. 提供微生物机体进行各种生理活动所需 的能量,C. 形成微生物代谢产物的来源,,,2,,第一节微生物的营养营养物质时微生物新陈代谢和一切生命活动的物,一、微生物细胞的化学组与成营养物质,（一）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，）,无机盐,水,,3,,一、微生物细胞的化学组与成营养物质（一）微生物细胞的化学组成,（二）微生物细胞的营养物质,1.碳源（Carbon source）,(1) 碳源的作用：,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,(2) 碳源种类：,糖类：,葡萄糖，果糖，半乳糖，甘露糖,麦芽糖，蔗糖，乳糖，纤维二糖,淀粉，纤维素，半纤维素，甲壳素,,4,,（二）微生物细胞的营养物质1.碳源（Carbon sourc,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,醇类：,乙醇、甲醇,脂类：,脂肪，磷脂,,,5,,有机酸：乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基,烃类：,天然气，石油，石油馏分，石蜡油,CO,2,：,CO,2,碳酸盐：,NaHCO,3,, CaCO,3,,,其他：,芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸,,6,,烃类： 天然气，石油，石油馏分，石蜡油6,2. 微 生 物 的 氮 源,（1）作用：,构成微生物细胞组成或代谢中氮素来源的营养物质。

2）主要种类：,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：N,2,,7,,2. 微 生 物 的 氮 源（1）作用：7,3. 微 生 物 的 能 源,能源的作用：在一些耗能代谢中提供能量大分子物质的合成；,细菌的运动；,低浓度营养物质的吸收8,,3. 微 生 物 的 能 源能源的作用：在一些耗能代谢中提供,微 生 物 的 能 源分类,,,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 （不同碳源）—,NH,4,+,,NO,2,-,, S, H,2,S, H,2,,Fe,2+,光能： 光能自养和光能异养微生物,,,9,,微 生 物 的 能 源分类,4. 微生物的生长因子,指那些为微生物生长所必需，但本身不能合成，而需要量又很少的有机物质狭义：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,(4).营养缺陷型微生物,,10,,4. 微生物的生长因子指那些为微生物生长所必需，但本身不能合,某些微生物生长所需的生长因子,,11,,某些微生物生长所需的生长因子11,5. 微 生 物 的 无 机 盐,,12,,5. 微 生 物 的 无 机 盐12,无机盐及其生理功能,,13,,无机盐及其生理功能13,6. 水,,(1)水的功能,,A. 是微生物细胞的重要组成部分，使原生质保持溶胶状态，保证带正常进行,B. 是物质代谢的原料,C.起到物质溶剂和运输介质的作用,D. 有效控制细胞内的温度变化,,14,,6. 水14,(2) 水的可利用性,用水活度表示,,水活度α,w,(water activity)=P/P,o,,,,P: 溶液的蒸汽压 P,o,:纯水的蒸汽压,,在常温常压下，纯水的a,w,为1.00,,15,,(2) 水的可利用性用水活度表示15,几种溶液的a,w,,溶液,,,aw,,,30%葡萄糖溶液,,,0.964,,,1%葡萄糖＋20%甘油,,,0.955,,,1%葡萄糖＋40%蔗糖,,,0.964,,,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,,,0.30,,,饱和氯化锂溶液,,,0.11,,,,,16,,几种溶液的aw 溶液aw30%葡萄糖溶液0.9641%葡萄,几种微生物生长的最适a,w,值,微 生 物,,a,w,一般细菌,0.91,酵母菌,0.88,霉菌,0.80,嗜盐细菌,0.76,嗜盐真菌,0.65,嗜高渗酵母菌,0.60,,17,,几种微生物生长的最适aw值微 生 物,二、微生物吸收营养物质的方式,简单扩散,物质运输的动力: 膜内外的浓度差,特点：,A.,不消耗能量,B. 不发生化学变化,C. 非特异性。

被运输的物质：小分子量和脂溶性物，如水，气体、甘油等18,,二、微生物吸收营养物质的方式简单扩散18,,借助膜上的载体蛋白，具有酶促反应的特性物质运输的动力: 膜内外的浓度差,特点：,A.,需要特异性的载体蛋白,B. 不消耗能量,C. 可加快运输速度，但不能逆浓度运输,,19,,借助膜上的载体蛋白，具有酶促反应的特性19,,,特点：,A. 有特异性的载体蛋白参与,B. 需要消耗能量,C. 可以逆浓度梯度运输,,为微生物的主要物质运输方式.能量来源可以是跨膜质子梯度或ATP.,,,20,,20,4. 基团转位,葡萄糖通过基团转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II,6-磷酸葡萄糖,+HPr,,,,21,,4. 基团转位葡萄糖通过基团转位运输过程的化学反应21,,,,特点：,需复杂的运输酶系参与；,同主动运输，但底物在运输过程发生化学变化主要用于糖及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输22,,22,三、微生物的营养类型,细菌的营养方式,以能量来源分,光能型:以光为能源;,化能型:以物质氧化释放的能量为能源;,,以可利用的供氢体,无机营养型:以无机物为,供氢体,;,有机营养型:以有机物为,供氢体,。

23,,三、微生物的营养类型细菌的营养方式23,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,,24,,微生物的营养类型1.化能有机营养型微生物24,1. 化能有机营养型微生物,碳源——有机物(用于合成细胞物质),能源，供氢体——有机物(用于分解产能),可分为：,寄生型微生物——寄生于活的生物体（衣原体）,腐生型微生物——以死亡的生物有机 体为营养原料（如大肠杆菌）,自然界中绝大部分的微生物为化能有机营养型微生物,,25,,1. 化能有机营养型微生物碳源——有机物(用于合成细胞物质),2. 化能无机营养型微生物,碳源——CO,2,能源，供氢体——无机物（氢、氨、硫）,例：,2NH,3,+ 2O,2,2HNO,2,+ 4H,+,+ 能量,,CO,2,+ 4H,+,(CH,2,O) + H,2,O,微生物：硝化细菌,硫化细菌,氢细菌及铁细菌,,26,,2. 化能无机营养型微生物碳源——CO226,3. 光能无机营养型微生物,碳源——CO,2,为唯一或主要碳源,能源——光能,供氢体——H,2,S、Na,2,S,2,O,3、,水等,例：,CO,2,+ H,2,O [CH,2,O] + O,2,2CO,2,+ H,2,S + 2H,2,O 2[CH,2,O] +H,2,SO,4,CO,2,+ 2H,2,S [CH,2,O] + H,2,O + 2S,微生物种类： 绿色硫细菌、藻类和蓝细菌,,27,,3. 光能无机营养型微生物碳源——CO2为唯一或主要碳源27,4. 光能有机营养型微生物,碳源——CO,2,能源——光,供氢体——有机物,例：,CO,2,+ 2CH,3,CHOHCH,3,(CH,2,O) +,2CH,3,COCH,3,+ H,2,O,微生物：红螺菌(在厌氧,有光条件下),,28,,4. 光能有机营养型微生物碳源——CO228,微生物的营养类型,1,划分依据,营养类型,特 点,碳源,自养型（Autotrophs）,以为唯一活主要碳源,,异养型（Heteritrophs）,以有机物为碳源,能源,光能营养型（Phototrophs）,以光为能源,,化能营养型（Chemotrophs）,以有机物氧化释放的化学能为能源,电子供体,无机营养型（Lithotrophs）,以还原性无机物为电子供体,,有机营养型（Organotrophs）,以有机物为电子供体,,29,,微生物的营养类型1划分依据 营养类型 特,微生物的营养类型 2,营养类型,电子供体,碳源,能 源,例 样,光能无机,自养型,H,2,, H,2,S, S,,H,2,O,CO,2,光能,色细菌，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,H,2,, H,2,S, Fe,2+,，,,NH,3,或NO,2,-,CO,2,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,,30,,微生物的营养类型 2营养类型电子供体 碳源能 源,四、培 养 基,（一）、配制培养基的原则,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,5.灭菌处理,6.节约,,31,,四、培 养 基（一）、配制培养基的原则31,1. 适宜营养物质的选择,,32,,1. 适宜营养物质的选择32,2. 营养物质浓度及配比合适（C/N）,碳氮比（C/N）：培养基中碳元素/氮元素,物质的量比值或还原糖与粗蛋白之比。

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33,,2. 营养物质浓度及配比合适（C/N）碳氮比（C/N）：培养,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,,34,,3. 控 制 pH 条 件 细菌:,维持培养基pH的方法,,使用磷酸缓冲剂： K,2,HPO,4,/Na,2,HPO,4,: KH,2,PO,4,/NaH,2,PO,4,采用“备用碱” CaCO,3,,、,CaHCO,3,采用液氨或盐酸调节,,,,,35,,维持培养基pH的方法35,4. 控制氧化还原电位,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,,,36,,4. 控制氧化还原电位好氧微生物：＞+0.1V，一般+0.3,控制氧化还原电位的方法,提高氧化还原电位：,通气，搅拌,降低氧化还原电位：,去除氧气；,加入还原剂（硫化物）,,37,,控制氧化还原电位的方法提高氧化还原电位：37,5. 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,,38,,5. 灭 菌 处 理高压蒸汽灭菌：1.05kg/cm，,（二）、培养基的类型及应用,1. 按成分不同划分培养基,,天然培养基,合成培养基,半合成培养基,,,39,,（二）、培养基的类型及应用1. 按成分不同划分培养基39,2. 根据物理状态划分培养基,,固体培养基：,固化培养基: 含琼脂1.5~2%或其它固形物,天然固体培养其: 农作物材料,液体培养基: 不含琼脂,半固体培养基：含琼脂0.2~0.7%,,,40,,2. 根据物理状态划分培养基40,3. 按使用用途划分培养基,完全培养基(Complete medium),基础培养基(Minimum medium),加富培养基(Enrichment medium),选择培养基(Selective medium),鉴别培养基(Differential medium),,,41,,3. 按使用用途划分培养基完全培养基(Complete me,一 些 鉴 别 培 养 基,,42,,一 些 鉴 别 培 养 基42,第 二 节微 生 物 的 代 谢,,,一、代谢和酶,,分解代谢(Catabolism),代谢,合成代谢(Anabolism),,,43,,第 二 节微 生 物 的 代 谢43,,酶的组成与分类,,,单聚体蛋白,酶蛋白 寡聚体蛋白:谷酰胺合成酶,多聚体蛋白:丙酮酸脱氢酶,酶,辅基:血红素,辅因子 辅酶:NAD,FAD,生物素等,激活剂:金属离子,,胞内酶,酶,胞外酶,,,,,,,44,,酶的组成与分类,二、微生物主要产能方式,（一）,发酵与底物水平磷酸化,发酵:,在无氧条件下进行，并获得能量的一种主要方式。

发 酵是以有机质分解过程中的部分中间产物作为质子及电子的最终受体被还原，而另一部分有机物则被氧化工业发酵,:,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,,45,,二、微生物主要产能方式（一） 发酵与底物水平磷酸化45,,微生物在厌养条件下的发酵过程的前部反应,,46,,微生物在厌养条件下的发酵过程的前部反应46,酵母菌的乙醇发酵,,,C,6,H,12,O,6,+ 2ADP + 2 H,3,PO,4,,,2CH,3,CH,2,OH + 2 ATP + 2CO,2,+2H,2,O,,,,,47,,酵母菌的乙醇发酵47,乳酸细菌的正型乳酸发酵,,,,,C,6,H,12,O,6,+ 2ADP + 2Pi,,2CH,3,CHOHCOOH + 2ATP + 2H,2,O,,48,,乳酸细菌的正型乳酸发酵 48,（二）呼 吸,有氧呼吸,:,有机物为底物的有氧呼吸,,以分子氧作为质子和电子的最终受体的呼吸作用,,,C,6,H,12,O,6,+ 6O,2,6CO,2,+ 6H,2,O + 6ATP,,49,,（二）呼 吸有氧呼吸: 49,（二）丙酮酸代谢和三羧酸（TCA）循环,,50,,（二）丙酮酸代谢和三羧酸（TCA）循环50,（二）丙酮酸代谢和三羧酸（TCA）循环,,51,,（二）丙酮酸代谢和三羧酸（TCA）循环51,（三）NAD和NADP在代谢中的作用,电子传递链的组成部分,,脱氢和氢化作用的载体,,52,,（三）NAD和NADP在代谢中的作用电子传递链的组成部分52,电子传递系统,,53,,电子传递系统53,微生物好氧呼吸中的电子传递,,54,,微生物好氧呼吸中的电子传递54,无机物为底物的有氧呼吸,,以还原态无机物作为氧化基质，以氧为电子受体，并利用该物质氧化过程中释放的能量进行生长。

这类微生物主要是好氧型的化能自养型微生物55,,无机物为底物的有氧呼吸 55,各无机物氧化 实例,,56,,各无机物氧化 实例56,2无氧呼吸:,,A. 作为最终的电子受体物质是NO,3,-,、SO,4,2-,或CO,2,等无机物，或延胡索酸等有机物B. 作为呼吸基质的物质一般是有机物C. 通过无氧呼吸基质可被彻底氧化成CO,2,，并伴随有ATP的生成57,,2无氧呼吸: 57,(1)以硝酸盐为电子受体,许多细菌,在厌氧条件下，可以NO,3,-,作为质子和电子的最终受体,,C,6,H,12,O,6,＋6H,2,O 脱氢酶 6CO,2,＋24〔H〕,24〔H〕＋NO,3,-,硝酸还原酶 2N,2,↑＋ 12H,2,O ＋能量,,,58,,(1)以硝酸盐为电子受体58,(2)以硫酸盐为电子受体,硫酸盐还原细菌在厌氧条件下，可以SO,4,2-,作为最终电子受体：,,2CH,3,CHOHCOOH＋SO,4,2-,2CH,3,COOH＋2CO,2,＋2H,2,O＋H,2,S,,只有脱硫弧菌属 (Desulfovibrio) 等少数几种菌能以有机物(乳酸、丙酮酸 等)或分子氢作为硫酸还原的供氢体。

,,,59,,(2)以硫酸盐为电子受体硫酸盐还原细菌在厌氧条件下，可以SO,(3)以CO,2,为电子受体,大多数产甲烷细菌在厌氧条件下可以CO,2,作为最终电子受体，将CO,2,还原成甲烷4H,2,＋CO,2,CH,4,＋2H,2,O,,(4)以延胡索酸为电子受体,雷氏变形菌和甲酸乙酸梭菌能以延胡索酸作为受氢体还原生成琥珀酸HOOCCH＝CHCOOH＋H,2,HOOCCH,2,CH＋2COOH,,60,,(3)以CO2为电子受体大多数产甲烷细菌在厌氧条件下可以CO,(四）光合作用和光合磷酸化1.紫硫细菌的光能转换,（1）过程,,61,,(四）光合作用和光合磷酸化1.紫硫细菌的光能转换（1）过程,(2) 特点:,只能以环式电子传递方式进行通过电子传递生成的跨膜质子浓度差产生ATP光合作用一般不能产生还原力（还原NAD,+,为NADH）62,,(2) 特点:只能以环式电子传递方式进行62,2. 绿硫细菌的光能转化,（1）过程,,63,,2. 绿硫细菌的光能转化（1）过程63,(2) 特点：,以环式及非环式电子传递方式进行环式电子传递时能生成ATP进行非环式电子传递时以还原态硫化物为电子供体能还原NAD(P),+,为NAD(P)H。

64,,(2) 特点：以环式及非环式电子传递方式进行64,3. 蓝细菌的光能转化,(1) 过程,,65,,3. 蓝细菌的光能转化(1) 过程65,(2) 特点：,有PSI和PSII两个光合系统以环式及非环式电子传递方式进行环式电子传递时能生成ATP进行非环式电子传递时以水为电子供体能还原NAD(P),+,为NAD(P)H，并产生氧气66,,(2) 特点：有PSI和PSII两个光合系统66,原核生物细胞与叶绿体的比较,,67,,原核生物细胞与叶绿体的比较67,微生物与氧的关系(隐藏),需氧性微生物,只有在有氧条件下才能生长，进行有氧呼吸,微生物：多数霉菌，放线菌,厌氧性微生物,生长不需要分子氧或进行无氧呼吸，或进行发酵生活,微生物：硫酸盐还原菌，产甲烷菌,兼性厌氧微生物,在有氧和无氧条件下都能生长，但在不同条件下呼吸代谢的方式不同,微生物：酵母菌，大肠杆菌,,68,,微生物与氧的关系(隐藏)需氧性微生物68,三、,化能异养代谢中糖的降解,（一）己糖降解，形成丙酮酸的途径,1.EMP途径,（Embden-meyerhof-parnas pathway),2.HMP途径,（Hexose monophospate pathway),3.ED途径,(Enter-doudoroff),4.WD途径,5.葡萄糖直接氧化途径,,69,,三、化能异养代谢中糖的降解（一）己糖降解，形成丙酮酸的途径6,EMP途径,,70,,EMP途径70,(1）,EMP途径的特点:,A. 葡萄糖分解是从1，6-二磷酸果糖开始,B. 特征性酶是1，6-二磷酸果糖醛缩酶,C. 整个途径不消耗氧,（2）,EMP途径的生理功能:,,A. 提供ATP和NADH；,B. 中间产物可生物合成提供碳骨架,,71,,(1）EMP途径的特点:A. 葡萄糖分解是从1，6-二磷酸,2. HMP 途 径,途径从6-磷酸葡萄糖酸开始分解,分2 个阶段：,（1）氧化阶段,,脱氢、水解、氧化脱羧,G6P Ru5P+CO,2,（2）非氧化阶段,,基团转移、缩合,,Ru5P 6-磷酸己糖,,72,,2. HMP 途 径途径从6-磷酸葡萄糖酸开始分解72,HMP途径图,,73,,HMP途径图73,(1) HMP途径的特点:,A. 是从6-磷酸葡萄糖酸脱羧开始,B. 特征性酶是转酮酶（TK）和转醛酶（TA）,C. 该途径一般只产生NADPH,,(2) HMP途径的生理功能：,A. 为生物合成提供多种碳架,C. 为生物合成提供还原力,D. 该途径中的5-磷酸核酮糖对自养型微生物固定CO2有重要意义。

74,,(1) HMP途径的特点:A. 是从6-磷酸葡萄糖酸脱羧,3. ED 途径,,75,,3. ED 途径75,ED途径的特点,A. 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,B. 特征性酶是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶,C. 1mol葡萄糖经途径只产生1molATP,,,,76,,ED途径的特点A. 特征反应为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡,EMP、HMP、ED途径的比较,途 径,EMP,HMP,ED,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,C,3,, C,4,C,1,C,1,, C,4,产生ATP数,2,1,1,还原辅酶,NADH,NADPH,NADPH,(NADH),,77,,EMP、HMP、ED途径的比较 途 径EMPH,糖代谢途径在微生物中的分布（%）,微 生 物,EMP,HMP,ED,啤酒酵母,88,12,—,灰色链霉菌,97,3,—,产黄青霉,77,23,—,大肠杆菌,72,28,—,铜绿假单胞菌,—,29,71,氧化醋单胞菌,—,100,—,运动发酵单胞菌,—,—,100,,78,,糖代谢途径在微生物中的分布（%） 微 生,4. WD途径,也称磷酸解酮酶途径,PK途径：具磷酸戊糖解酮酶,HK途径：具磷酸己糖解酮酶,,79,,4. WD途径也称磷酸解酮酶途径79,PK途径图,,80,,PK途径图80,HK途径图,,81,,HK途径图81,5. 葡萄糖直接氧化途径(隐藏),,82,,5. 葡萄糖直接氧化途径(隐藏)82,五、次级代谢,,次级代谢（Secondary metabolism)是某些生物（植物和某些微生物 的特殊代谢类型,,83,,五、次级代谢 次级代谢（Secondary metab,（一）初级代谢与次级代谢的区别,初级代谢 普遍存在于一切生物中，是与生物生存有关的、涉及到产能和耗能的代谢类型；次级代谢是某些生物为避免在初级代谢过程中某些中间产物积累所造成不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。

84,,（一）初级代谢与次级代谢的区别 初级代谢 普遍存在,（二）次级代谢产物的类型,1.抗生素:,青霉素、链霉素、金霉素等,,2.生长刺激剂：,赤霉素、吲哚乙酸、奈乙 酸等,,3.维生素：,硫胺素、核黄素、B,12,、吡哆醛等,,85,,（二）次级代谢产物的类型1.抗生素:85,4.色素：,花青素类、红曲素等各种色素,,5.毒素：,白喉毒素、破伤风毒素、肉毒毒素、黄曲霉毒素等,,6.生物碱：,麦角生物碱,,86,,4.色素：花青素类、红曲素等各种色素86,第 四 章,,,微生物的营养和代谢,结 束,,87,,第 四 章 87,。