95细菌生理学

第2章细菌的生理BacterialPhysiology基本内容细菌的理化性状细菌的营养与生长繁殖细菌的新陈代谢和能量转换细菌的人工培养细菌的分类第一节细菌的理化性状一、细菌的化学组成成分水、无机盐、蛋白质、糖类、脂质、核酸元素碳、氢、氧、氮、磷、硫特有化学组成肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸、吡啶二羧酸等水75-90%蛋白质、糖类、脂质核酸、无机盐肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型AA、DAP、吡啶二羧酸化学组成二、细菌的物理性状光学性质：细菌为半透明体。当光线照射至细菌，部分被吸收，部分被折射，故细菌悬液呈混浊状态。表面积：细菌体积微小，相对表面积大，有利于同外界进行物质交换。带电现象：蛋白质，带负电荷与染色、凝集、抑杀菌有关系半透性：细菌的细胞壁和细胞膜都有半透性，允许水及部分小分子物质通过，有利于吸收营养和排出代谢产物。渗透压G+菌20-25个大气压，G-菌5-6个,菌体内为高渗透压第二节细菌的营养与生长繁殖一、根据细菌所利用的能源和碳源的不同，将细菌分为两大营养类型——自养菌和异养菌。•自养菌(autotroph)：以简单的无机物为原料，合成菌体成分。化能自养和光能自养菌•异养菌(heterotroph)：以多种有机物为原料，合成菌体成分并获得能量。异养菌包括腐生菌(saprophyte)和寄生菌(parasite)。所有的病原菌都是异养菌，大部分属寄生菌。二、细菌的营养物质细菌的营养物质有两方面作用：用于组成细菌细胞的各种成分供给细菌新陈代谢中所需能量各类细菌所要求的营养物质主要包括水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。营养物质水氮源（氨基酸蛋白胨）生长因子重要溶剂菌体成分原料细菌生长所需的营养物质营养物质营养成分功效作用碳源糖类合成菌体成分；供给能量氮源氨基酸、蛋白质合成菌体成分无机盐微量元素磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁、钴、锌、锰、铜等合成菌体成分；维持酶活性；参与能量储存和转运；调节渗透压；某些元素与致病性有关生长因子维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶、高铁血红素、辅酶补充细菌自身不能合成的有机营养成分、呼吸辅酶水营养物质可溶营养吸收和代谢三、细菌摄取营养物质的机制被动扩散主动运转系统单纯扩散是一种最简单的物质交换方式。细胞膜两侧的物质靠浓度差(浓度梯度)进行分子扩散，不需要能量。此种方式无特异性或选择性，细胞内外溶质浓度平衡时，扩散便停止，不是物质运输的主要方式。如02、水、乙醇等。促进扩散某些物质如糖或氨基酸与位于细胞膜的特异性载体蛋白相结合，而后将其转运至细胞内外。具有特异性和选择性，不需要能量。1.被动扩散细胞膜外细胞膜内细胞膜被输送的物质，靠细胞内外浓度差为动力，以透析或扩散的形式从高浓度区向低浓度区的扩散。单纯扩散(simplediffusion)促进扩散以细胞内外的浓度梯度为动力，在载体物质参与下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散。（真核微生物）膜载体在膜外与营养物质亲合力强，与这种物质结合，进入细胞后亲合力降低释放营养物质。像渡船一样，膜外装货，膜内卸货，这种扩散方式比单纯扩散速度快。膜内外亲合力的改变与载体分子构型改变有关。单纯扩散与促进扩散的比较2．主动运输(Activetransport)主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。（1）依赖于周浆间隙结合蛋白的转运系统（periplasmic-bindingprotein-dependenttransportsystem）:营养物与周浆间隙内的受体蛋白结合后，引起后者构型的改变，继而将营养物转送给细胞膜上的ATP结合型载体(ATP-bindingcassette-typecarrier)，导致ATP水解提供能量，使营养物通过细胞膜进入胞质内。革兰阳性菌以膜结合脂蛋白作为该系统的受体蛋白。（2）Na+-K+-ATP酶系统Na+-K+-ATPase是存在于原生质膜上的一种重要离子通道蛋白功能:利用ATP能量将Na+由细胞内“泵”出胞外,并将K+“泵”入胞内。该酶由大小两个亚基组成（MW:12万,5.5万）作用步骤:1.ATP酶(E)在细胞内侧与Na+结合,同时消耗能量;2.磷酸化ATP酶(E+)构象变化将Na+排除胞外,并与K+结合;3.K+激发E+脱磷酸化恢复为E,同时将K+运入细胞.基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸--磷酸糖转移酶运输系统（PTS），PTS通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。（3)基团移位(Grouptranslocation)基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。运送步骤: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）的磷酸基团把HPr激活。酶1PEP+HPr丙酮酸+P-HPrHPr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。糖被磷酸化后运入膜内膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶2的作用将糖-磷酸释放到细胞内。酶2P-HPr+糖糖-P+HPr酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相对应的酶2。在酶Ⅰ的作用下HPr被激活在酶Ⅱ的作用下P-HPr将磷酸转移给糖基团转位的特点：被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）四、影响细菌生长的环境因素1.营养物质：（1）水：70-90％（2）无机盐：（3）碳源（4）氮源（5）生长因子:维生素、嘌呤、嘧啶、氨基酸2.酸碱度（PH)：3.温度：需氧菌（aerobe）:厌氧菌（anaerobe）:缺乏呼吸酶①缺乏氧化还原电势较高的酶:不能氧化营养物质获得能量②缺乏过氧化物酶与过氧化氢酶:不能处理代谢中产生的O2－和H2O2O2－---H2O2---H2O兼性厌氧菌（facultativeanaerobe）:5.渗透压:少数细菌如嗜盐菌需要在高浓度（3%）的NaCl环境中生长良好。4.气体环境：氧气、二氧化碳生物个体物质有规律地、不可逆增加，导致个体体积扩大的生物学过程。生长生物个体生长到一定阶段，通过特定方式产生新的生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。繁殖在高等生物里这两个过程可以明显分开，但在低等特别是在单细胞生物中，由于细胞小，这两个过程是紧密联系又很难划分的过程。五、细菌的生长繁殖一个微生物细胞合适的外界条件，吸收营养物质，进行代谢如果同化作用的速度超过了异化作用个体的生长原生质的总量（重量、体积、大小）就不断增加如果各细胞组分是按恰当的比例增长时，则达到一定程度后就会发生繁殖，引起个体数目的增加。群体内各个个体的进一步生长群体的生长(一）细菌的个体生长包括细胞结构的复制和再生、细胞分裂和控制在适宜的人工培养条件下，多数细菌繁殖速度极快，每20-30分钟分裂一次（一代）。细菌分裂时，菌细胞首先增大，染色体复制。在革兰氏阳性菌中，细菌染色体与中价体相连，当染色体复制时，中价体亦一分为二，各向两端移动，分别拉着复制好的一根染色体向细胞的两侧移动。接着细胞中部的细胞膜由外向内陷入，逐渐伸展，形成横隔。同时细胞壁亦向内生长，成为两个子代细胞的胞壁，最后由于肽聚糖水解酶的作用，使细胞壁肽聚糖的共价键断裂，分裂成为两个子细胞。革兰氏阴性菌无中介体，染色体直接连接在细胞膜上。复制产生的新染色体则附着在邻近的一点上，在两点之间形成新的细胞膜，将两团染色体分离在两侧。最后细胞壁沿横膈内陷，整个细胞分裂成两个子代细胞。(二)细菌群体的生长繁殖群体：生长曲线（growthcurve）:以培养时间为横坐标，培养物中活菌数的对数为纵坐标，可得出一条生长曲线迟缓期（lagphase）：对数期（logarithmicphase）：稳定期（stationaryphase）：衰退期（declinephase）：小时细菌数的对数衰亡期(diclinephase)稳定期(stationaryphase)对数期(logarithmicphase)细菌生长曲线(growthcurve)迟缓期(lagphase)迟缓期(Lagphase)将少量菌种接入新鲜培养基后，在开始一段时间内菌数不立即增加，或增加很少，生长速度接近于零。也称延迟期、适应期。迟缓期的特点分裂迟缓、代谢活跃1、细胞形态变大或增长（一般来说处于迟缓期的细菌细胞体积最大）。例如：巨大芽孢杆菌，在迟缓期末，细胞的平均长度比刚接种时长6倍。细胞内RNA，尤其是rRNA含量增高，合成代谢活跃，核糖体、酶类和ATP的合成加快，易产生诱导酶。2、对外界不良条件反应敏感。细胞处于活跃生长中，只是分裂迟缓在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。迟缓期出现的原因微生物接种到一个新的环境，暂时缺乏足够的能量和必须的生长因子，种子老化或未充分活化，接种造成损伤等，就需要一段适应期。调整代谢在生产实践中缩短迟缓期的常用手段：(1)通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短；(2)利用对数生长期的细胞作为种子；(3)尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大；(4)适当扩大接种量对数生长期(Logphase)：又称指数生长期(Exponentialphase)特点：1、以最大的速率生长和分裂，细菌数量呈对数增加，代时稳定。2、细菌细胞均衡生长，其个体形态、化学组成和生理特性等均较一致。3、酶系活跃，代谢旺盛。是研究微生物基本代谢的良好材料。在生产上用此时期微生物作种子，使微生物发酵的迟缓期缩短，提高经济效益。稳定生长期(Stationaryphase)：（恒定期或最高生长期）原因：营养物质消耗；代谢产物积累；pH及氧化还原电位等的变化。特点：生长速率降低直至零(即细菌新增殖的细胞数等于细菌死亡数)；培养液中活细菌数最高并维持稳定；细菌代谢物积累达到最高峰；芽孢杆菌这时开始形成芽孢；生产收获时期。衰亡期(Decline或Deathphase)营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累，细菌死亡速率超过新生速率，整个群体呈现负增长。该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低，仍有部分活菌存在。特点：1、细菌代谢活性降低，细菌衰老并出现自溶，产生或释放出一些产物，如氨基酸、转化酶、外肽酶或抗生素等。2、细胞呈现多种形态，有时产生畸形，细胞大小悬殊。3、有些革兰氏染色反应阳性菌变成阴性反应等。第三节细菌的新陈代谢与能量转换新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。分解代谢：底物分解和转化为能量的过程合成代谢：所产生的能量用于细胞组分的合成一、细菌的能量代谢微生物的产能代谢—物质在生物体内经过一系列的氧化还原反应,逐步分解并释放能量的过程（又叫生物氧化）发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸。发酵：以有机物为受氢体；呼吸：以无机物为受氢体。有氧呼吸：其中以分子氧为受氢体；厌氧呼吸：以其他无机物（硝酸盐、硫酸盐等）为受氢体。a:预备性反应b:氧化还原反应底物水平磷酸化底物水平磷酸化EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP和NADH1、EMP途径（Embden-Meyerhofpathway）(2)HMP途径(己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径)从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸己糖基础上开始降解的，故称为单磷酸己糖途径。HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径—磷酸戊糖支路。HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（NADPH）和中间代谢