微生物营养与代谢.ppt
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1、第3章 微生物营养与代谢,3.1.1 微生物营养物质和营养类型,3.1.2 微生物营养物质的吸收机制,3.1.3 微生物的营养类型,3.1.4 培养基,3.1微生物的营养,3.1微生物的营养,微生物营养微生物和其他生物一样,为了生活要进行各种代谢活动,就必须从周围环境中吸收适当的物质,这些物质称为营养物。营养物是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础。,它的作用主要有三个方面:1.作为组成微生物细胞的原料;2.供给生命活动中能量的来源;3.形成微生物代谢的来源;,营养:,微生物在其生长过程中获取生命活动所需的能量和结构物质的生理过程。,营养物质:,外界环境可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物
2、质和良好生长环境的化学物质。,营养物质是微生物生存的物质基础,而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,概念区分:,微生物细胞的化学组成和营养要素,微生物细胞的化学组成和营养要素,微生物细胞的化学组成,微生物细胞,水(70%-90%),干物质,有机物,无机物(盐),微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”,蛋白质、多糖、脂、核酸、维生素、有机酸等及其降解产物,这些化学元素都来自胞外环境。,微生物细胞利用这些化学元素物质制造其细胞物质和组分,并进一步将它们组织成为细胞结构。,细胞化学元素组成:,主要元素:碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁;微量元素:锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜
3、、钨、镍、硼等。,3.1.1.2 微生物的营养要素及其生理功能,碳源,氮源,能源,生长因子,无机盐,水,营养要素的功能:1)构成细胞结构组分和代谢产物的原料;2)提供能量;3)调节新陈代谢。,微生物的6大营养要素:,微生物与动植物营养要素的比较,1、水,功能:(1)营养物质或代谢废物运输的必备物质;(2)直接作为反应物或产物参与体内多种生化反应;(3)水还是许多有机物中氢和氧的来源,例如烷烃分解过程;(4)许多酶促反应必须在水溶液中才能进行;(5)水分子之间形成的氢键使得水成为一种很好的温度缓冲剂。(6)水是热的良导体,有利于散热,不致于因代谢产热而使细胞局部温度上升;(7)作为活细胞中含量最
4、高的成分,水对于维持细胞自身形状以及生物大分子的天然结构起着重要的作用。,水在细胞中有两种存在形式:结合水和游离水。,不同生物及不同细胞结构中游离水的含量比较,人体 平均60%海蛰 约96%霉菌孢子 约39%几种生物的 孢子 皮层 约70%游离水含量 细菌芽孢 微生物 核心 极低 细菌 约80%营养体 酵母 约75%霉菌 约85%,游离水的含量可用水活度aw(Water activity)表示。水活度:在相同温度和压力下,体系中溶液的水的蒸汽压与纯水的水蒸汽压之比。微生物能在aw=0.630.99的条件下生长。特定微生物对aw的要求是一定的。,定义:凡是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来
5、源的营养物质,功能:,构成细胞成分(需要量最大的元素,50%);形成代谢产物和储藏物;为异养型微生物提供能源。,2.碳源(carbon source),碳源谱:,无机碳,有机碳,型,型,糖、有机酸、醇、脂类等(葡萄糖、蔗糖、淀粉、糖蜜等),氨基酸、简单蛋白质(氨基酸,明胶等),C.H型,烃类(天然气、石油、石蜡油等),型,复杂蛋白质、核酸等(牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等),C.O型,CO2,C.O.X型,NaHCO3 CaCO3,特点,1)根据微生物利用有机碳或无机碳,可将微生物分为:异养微生物:有机碳 自养微生物:无机碳,2)碳源谱广(微生物植物动物);,3)最适碳源:型,糖类(异养微生物),
6、糖 有机酸,醇 脂单糖 双糖 多糖(淀粉纤维素,木质素,几丁质)己糖 戊糖葡萄糖,果糖 甘露糖,半乳糖,4)微生物对碳源利用具有选择性 混合存在 葡萄糖:首先利用(速效碳源)乳糖:后利用(迟效碳源),5)不同微生物,其碳源谱不同(利用碳源物质的能力有差别)洋葱假单胞菌:90种以上 甲烷菌:甲醇和甲烷,6)异养微生物:碳源=能源(双功能营养物),选择碳源原则,1)根据微生物的生理机能选择;2)考虑经济效益,防止降格使用,定义:凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质。,功能,构成细胞组分(需要量仅次于碳源,12%);构成代谢产物;某些自养菌的能源(如硝化细菌:氨和亚硝酸盐兼氮源和能
7、源),氮源谱,无机氮,N.H,N.O,N,有机氮,尿素、氨基酸、蛋白胨,明胶,复杂蛋白质、核酸(牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、饼粉、蚕蛹粉、玉米浆等),硫酸胺、硝酸钾、氨、氮气,3.氮源(nitrogen source),生理酸性盐:当以(NH4)2SO4为唯一氮源时,NH4被利用后,培养基的pH下降,称为“生理酸性盐”;生理碱性盐:当以KNO3为氮源时,NO3被利用后,培养基的pH上升,称为“生理碱性盐”。,利用NH4NO3为氮源,可以避免pH急剧升降,但是,NH4的吸收快,NO3的吸收滞后,所以,培养基pH会先降后升。,“氨基酸自养型生物”(Amino acid autotroph):凡是
8、能将非氨基酸类的简单氮源(例如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气)自行合成生长代谢所需要的一切氨基酸的微生物。“氨基酸异养型生物”(Amino acid heterotroph):凡需要从外界吸收现成氨基酸作氮源的微生物。,所有的动物和大量异养微生物是氨基酸异养型的,而所有绿色植物和很多微生物是氨基酸自养型的。,迟效性氮源:不能直接被菌体利用的氮源。反之则被称为“速效性氮源”。,氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其他结构的原料,不作为能源。只有少量细菌,如硝化细菌能利用铵盐、硝酸盐作氮源和能源。某些梭菌对糖的利用不活跃,可以利用氨基酸为唯一的能源。,宏量元素:P、S、K、Mg、Na、Ca等(10-310-
9、4mol/L);微量元素:Fe、Zn、Mn、Mo、Co、Cu、Ni等(10-610-8mol/L)其中:Fe是介于微量元素和宏量元素之间的元素。,功能,构成细胞的组成成分;作为酶的活性中心;维持酶的活性;调节细胞渗透压,氢离子浓度和氧化还原电位;作为某些自养菌的能源。,4.无机盐(inorganic salt),(1)磷:合成核酸、磷脂、一些辅酶(NAD,NADP,CoA等)及高能磷酸化合物的重要原料。一般都以K2HPO4和KH2PO4的形式人为地提供。,(2)硫:某些氨基酸(如半胱氨酸和蛋氨酸)、辅酶因子(如辅酶A,生物素,硫辛酸和硫胺素)和谷胱甘肽的组成成分。也是某些自养菌的能源物质。微生
10、物从含硫化合物中得到硫。一般人为的提供形式为MgSO4。,(3)镁:一些酶(如己糖激酶,异柠檬酸脱氢酶,羧化酶和固氮酶)的激活剂,是光合细菌菌绿素的组成成分;具有稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。缺乏镁,细胞生长就会停止。微生物可以利用硫酸镁或其他镁盐。,(4)钾:不参加细胞结构物质的组成,但它是许多酶(如果糖激酶)的激活剂,与原生质的胶体特性和细胞膜的透性有关。钾在胞内的浓度比胞外高许多倍。各种无机钾盐,尤其是磷酸钾盐(磷酸二氢钾,磷酸氢二钾)可作为钾源。,(5)钙:一般不参与微生物的细胞结构物质(除细菌芽孢外),但它是某些酶(如蛋白酶类)的激活剂,还参与细胞膜通透性的调节。各种水溶性的钙盐,
11、如CaCl2及CaCO3等都是微生物的钙元素来源。,(6)钠:与细胞渗透压调节有关。胞内浓度低,而胞外浓度高。对嗜盐菌来说,钠除了维持细胞的渗透压外,还与营养物的吸收有关,如吸收葡萄糖就需要Na的帮助。,(7)微量元素:与酶活性有关,或参与酶的组成,或是许多酶的调节因子。铁:过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素和细胞色素氧化酶的组成元素,也是铁细菌的能源,铁含量太低会影响白喉杆菌形成白喉毒素;铜:多酚氧化酶和抗坏血酸氧化酶的成分;锌:醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、肽酶和脱羧酶的辅助因子;钴:参与维生素B12的组成;钼:参与固氮酶的组成;锰:超氧化物酶的激活剂。,无机盐离子的提供方式,常量元素:K2HPO4
12、,MgSO4(提供4种主要元素)微量元素:自来水,玻璃器皿,定义,微生物生长不可缺少的(自身不能合成或合成量不足以满足微生物生长需要的)微量有机物质称为生长因子(growth factor),一般包括维生素、氨基酸及嘌吟、嘧啶等。,功能,作为辅酶或辅基参与代谢;核酸和蛋白质的成分。,5.生长因子(growth factor),核黄素:梭菌属,假丝酵母属等维生素B12:链霉菌属,丙酸杆菌属,假单胞菌属辅酶A:短杆菌属维生素C:葡萄糖酸杆菌属,欧文氏菌属,棒杆菌属维生素D:酵母属,有些微生物能够合成大量的维生素,可采用工业发酵法生产,如何提供生长因子?,天然培养基半合成培养基,酵母膏(19种氨基酸
13、,维生素)玉米浆(20种氨基酸,6种维生素)肝浸汁麦芽汁,合成培养基,添加配制的维生素复合液,生长因子的微生物学分析法,图5-1 培养基中维生素B12的浓度和需维生素B12微生物生长间的关系。培养物的光密度和生长量成正比,能源谱:化学物质:化能营养型 有机物:化能异养微生物(能源=碳源)无机物:化能自养微生物 还原态无机物氧化提供能量。(还原态无机物:NH4+,NO-2,H2S,H2,Fe2+)辐射能:光能营养型 光能自养微生物 光能异养微生物,为微生物生命活动提供最初能量来源的物质或辐射能,6.能源(energy source),单功能营养物:光(能源)双功能营养物:葡萄糖(C 源,能源)多
14、功能营养物:酵母膏(C源,N源,生长因子等),3.1.2 微生物营养物质的吸收机制,一、影响微生物对营养物质吸收的因素,1、第一因素:细胞膜 细胞膜选择性透膜 细胞荚膜、粘液层以及细胞壁,2、第二因素:微生物细胞生活的环境 pH值、温度,3、第三因素:被吸收物质的特性。分子量、溶解度,(影响物质的溶解度、细胞膜的流动性和运输系统的活性),微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,是否消耗能量 是否需要载体 是否发生被吸收物的化学变化。,简单扩散促进扩散主动运输基团转位,根据微生物对物质的吸收过程:,微生物营养物质的吸收机制,二、微生物对营养物质的吸收方式,1、简单扩散(称被动扩
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