微生物学 营养.ppt
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1、第四章 微生物的营养和培养基,第四章 微生物营养,第一节 微生物细胞的化学组成 第二节 微生物的营养要素 第三节 微生物的营养类型 第四节 微生物对营养物质的吸收方式 第五节 培养基,其化学组成与其他高等动植物一样,细胞也是大量元素碳、氢、氧、氮、磷、硫(这六种元素占细菌细胞干重的97,)和微量元素铁、锰、锌等构成。这些元素以有机物质,水和无机物质的形式存在于细胞中。 有机物主要有蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及它们的降解产物、代谢产物等; 无机物则是单独存在于细胞原生质内的无机盐等灰分物质,参与有机物组成; 水是细胞中的一种主要成分,可占细胞干重的90以上:细菌80%左右、酵母菌75%左右、霉
2、菌85%左右;霉菌孢子含水约39%、细菌芽孢核心部分的含水量低于30%。,第一节 微生物细胞的化学组成,微生物细胞中几种主要元素的含量 (细胞干重的百分数),微生物细胞的化学组成,第二节 微生物的营养要素 营养物(nutrient): 那些能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质通常称为微生物的营养物质。 营养(或叫营养作用,nutrition ): 微生物获得与利用营养物质的过程通常称为营养。 微生物细胞也和其他高等生物细胞一样,在元素水平都需要20种左右,且以C、H、O、N、S、P六种元素为主;在营养要素水平上都在六大类的范围内:碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。,一、碳
3、源(carbon source) 凡是提供微生物营养所需的碳元素(碳架)的营养源,称为碳源。可分为有机碳源和无机碳源。碳源是微生物需要量最大的营养物,又称大量营养物。 碳源物质的功能 构成细胞物质;为机体提供整个生理活动所需要的能量(异养微生物)。 微生物的碳源谱 微生物可利用的碳源范围 。 无机含碳化合物:如CO2和碳酸盐等。 有机含碳化合物:糖与糖的衍生物、脂类、醇类。有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。 微生物不同,利用上述含碳化合物的能力不同,如假单胞菌属中的某些种可以利用90种以上的不同类型的碳源物质;而某些甲基营养型细菌只能利用甲醇或甲烷等一碳化合物进行生长。,微生物的
4、碳源谱,微生物依据碳源谱的分类,(1)异养微生物 凡必须利用有机碳源的微生物为异养微生物。 有些种类尤其是生长在动物血液、组织和肠道中的致病菌,还须提供少量CO2作碳源才能满足其正常生长。 (2)自养微生物 凡以无机碳源为主要碳源的微生物为自养微生物。,二、氮源(nitrogen source) 凡是提供微生物营养所需的氮元素的营养源,称为氮源。可分为有机氮源和无机氮源两类。 氮源物质的主要作用 是合成细胞 中含氮物质,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与糖类物质缺乏的条件下,也可以利用氨基酸作为能源物质。 微生物的氮源谱 微生物能利用的氮源范围即氮源谱
5、。,微生物的氮源谱,微生物依据氮源谱的分类 (1)氨基酸自养型微生物 一部分微生物不需要氨基酸作氮源,它们能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸。这样的微生物叫做氨基酸自养型微生物。 人们可利用氨基酸自养型微生物将尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等廉价氮源转化成菌体蛋白(SCP或食用菌等)或含氮的代谢产物。 (2)氨基酸异养型微生物 凡需要从外界吸收现成的氨基酸做氮源的微生物叫做氨基酸异养型微生物。,三、能源 能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。微生物所能利用的能源范围叫能源谱。分为化学物质和辐射能两类。 微生物的能源谱: 有机物:化能异养微生物的能源(
6、同碳源) 化学物质 能源谱: 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,由于各种异养微生物的能源就是其碳源,因此微生物的能源谱较简单。,微生物依据能源谱的分类 (1)化能营养型微生物 以化学物质作为最初能量来源的微生物叫化能营养型微生物。 (2)光能营养型微生物 以光这种辐射能作为最初能量来源的微生物叫光能营养型微生物。,微生物营养物功能的多重性 (1)单功能营养物 辐射能是单功能的,只为光能微生物提供能源。 (2)双功能营养物 对一切异养微生物来说,其碳源又兼作能源,这种碳源(营养物)称双功能营养物。化能自养微生物的能源物质无机养料常常是双功能的(如
7、: NH4+ 既是硝酸细菌的能源,又是它的氮源。) (3)多功能营养物 有机营养物常有双功能或三功能作用,既是异养微生物的能源,又是它们的碳源或氮源。,四、生长因子(growth factor) 是一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。 微生物的生长因子谱: 狭义一般指维生素。广义除维生素外,还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4C6的分支或直链脂肪酸以及需要量较大的氨基酸。 由于它没有能源、碳源和氮源等结构材料的功能,需要量一般很少。 缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。,生长因子的功能 既不构成细胞主要物质,也不是能源物质,但有重要生
8、理功能。 (1)构成酶的辅基或辅酶的成分,在代谢调节中起重要作用。 (2)构成核酸的组成部分。,微生物依据对生长因子需要的分类,(1)生长因子自养型微生物 不需要从外界吸收任何生长因子的微生物叫生长因子自养型微生物。 (2)生长因子异养型微生物 需要从外界吸收多种生长因子才能维持正常生长的微生物叫生长因子异养型微生物。 (3)生长因子过量合成微生物 少数微生物在其代谢活动中,能合成并分泌大量的维生素等生长因子,这样的微生物叫生长因子过量合成微生物。,五、无机盐 是微生物生长必不可少的一类营养物质,可为微生物提供除碳、氮以外的各种重要元素的无机盐。包括大量元素和微量元素。 大量元素:P、S、K、
9、Mg、Ca、Na、Fe等。 (微生物生长所需浓度在10-310-4mol/L) 微量元素:Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。 (微生物生长所需浓度在10-610-8mol/L) 一般微生物生长所需要的无机盐有:硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。,无机盐的生理功能 细胞内一般分子成分(P、S、Ca、Ma 、Fe等) 一般功能 渗透压的维持(Na+等) 生理调节物质 酶的激活剂(M g2+等) 大量元素 pH的稳定 无 化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2- -等) 机 特殊功能 盐 无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42- 等) 酶的激活剂(Cu2+、Mn
10、2+ 、Zn2+等) 微量元素 特殊分子结构成分(Co、Mo等),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、磷酸和辅酶的成分 S MgSO4 含硫氨基酸、含硫维生素成分 K KH2PO4、K2HPO4 酶的辅因子、维持电位差和渗透压 Na NaCl 维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要 Ca Ca(NO3)2、CaCl2 胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和 真菌孢子形成 Mg MgSO4 固氮酶辅因子、叶绿素成分 Fe FeSO4 Cyt成分;合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需 Mn MnSO4 超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖异构
11、酶等的辅因子 Cu CuSO4 氧化酶、酪氨酸酶的辅因子 Zn ZnSO4 碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、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的成分,六、水分,水分是生物细胞的主要化学成分,其重要的生理功能表现在下列几个方面: 1、细胞的构成成分。 2、一系列生理生化反应的反应介质,参与许多生理生化反应。 3、维持细胞的膨压(控制细胞形态)。 4、水的比热高,能有效的吸收代谢过程中放出的热量,不致使细胞的温度骤然上升。有效地控制细胞内的温度变化。 5、维持各种生物大分子结构的稳定性。,自养微生物 光能自养微生物(光无机营养型) 化能自养微生物(化能无机营
12、养型) 异养微生物 光能异养微生物(光能有机营养型) 化能异养微生物(化能有机营养型),第三节 微生物的营养类型,根据生长所需要的营养物质的性质,可将微生物分成两种基本的营养类型:,根据生长所需的碳源分为两种类型: 异养型生物:在生长时需要以复杂的有机物质作为营养物质。 自养型生物:在生长时能以简单的无机物质作为营养物质。 动物属于异养型生物,植物,而微生物既有异养型的也有自养型的,大多数微生物属于异养型生物,少数微生物属于自养型生物。 根据生长时能量的来源不同,又可将生物分成两种类型: 化能营养型生物:依靠化合物氧化释放的能量进行生长。 光能营养型生物:依靠光能进行生长。 动物和大部分微生物
13、属于化能营养型生物,它们从物质的氧化过程中获得能量。植物和少部分微生物属于光能营养型生物。,微生物的营养类型,第四节 营养物质进入细胞的方式,除原生动物外,其他各大类有细胞的微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用从外界吸收营养物的。细胞膜运送营养物质有四种方式: 一、单纯扩散 二、促进扩散 三、主动运送 四、基团移位,1、单纯扩散(simple diffusion),又称被动扩散( passive diffusion)。 细胞膜在无载体蛋白的参与下,单纯依靠物理扩散方式让膜外高浓度的小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运送方式。,特点: (1)不通过膜上载体蛋白 (2)不消耗
14、能量 (3)不能逆浓度梯度运送 (4)物质在运送的过程中既不与膜上的分子发生反应,本身的结构也不发生变化 (5)运送的物质无特异性,种类不多。 主要为:H2O、O2、CO2、乙醇、甘油、无机盐、代谢抑制剂和某些氨基酸分子。,单纯扩散模式图,细胞膜外,细胞膜内,细胞膜,三指溶质在运送过程中,必须借助存在于细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助,但不消耗能量的一种扩散性运送方式。,2、促进扩散 (facilitated diffusion/transport),特点 (1)通过膜上载体蛋白的构象变化,把膜外高浓度溶质扩散到膜内 (2) 不消耗能量 (3) 不能逆浓度梯度运送 (4) 物质在运送的过程中既
15、不与膜上的分子发生反应,本身的结构也不发生变化 (5) 运送的物质有特异性(SO42-、PO43-、糖(真核生物) 促进扩散的运输方式多见于真核微生物中,例如通常在厌氧生活的酵母菌中,某些物质的吸收和代谢产物的分泌是通过这种方式完成的。,3、主动运输(Active transport),一类必须提供能量并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象的变化,而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。 主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。 运送的对象有:氨基酸、乳糖等糖类、Na+、Ca2+等无机离子。,特点: 物质在主动运输的过程中 (1) 通过膜上载体蛋白的构象变化把膜上溶质扩散到膜内 (2) 消
16、耗能量 (3) 能逆浓度梯度运送 (4) 物质在运送的过程中既不与膜上的分子发生反应,本身的结构也不发生变化 (5) 运送的物质有特异性,主动运输模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,构象改变,一类需载体蛋白的参与,又需耗能的一种物质运送方式,溶质在运送过程中还会发生分子结构的变化。 基团移位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中。 此系统由24种蛋白组成,运送一种糖至少4种蛋白参与;每输入一个葡萄糖分子要消耗一个ATP的能量。,4、基团移位(Group translocation),特点 (1) 通过膜上载体蛋白把膜上溶质扩散到膜内 (2) 消耗能量 (3) 能逆浓度
17、梯度运送 (4) 物质在运送的过程与膜上的分子发生反应,本身的结构发生变化 (5) 运送的物质有特异性,主要用于运送各种糖类、核苷酸、丁酸和腺嘌呤等,在酶的作用下HPr被激活,在酶的作用下P-HPr将磷酸转移给糖,运送机制:是依靠磷酸转移酶系统,即磷酸烯醇式丙酮酸-己糖磷酸转移酶系统. 运送步骤:分两步进行。 1.热稳载体蛋白(HPr)的激活 细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的磷酸基团通过酶的作用把HPr激活。 酶1 PEP+HPr 丙酮酸+P-HPr HPr是一种低分子量的可溶性蛋白,结合在细胞膜上,具有高能磷酸载体的作用。 酶 是一种可溶性细胞质蛋白。 HPr和酶在磷酸转移酶系统
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