微生物生理学幻灯片(第二章)

第二章微生物的营养营养——是指生物体从外部环境中摄取对生命活动必需的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养物——指具有营养功能的物质，在微生物学中，它还包括非常规物质形式的光辐射能在内。可分为六大类：碳源、氮源、生长因子、无机盐、水、能源。按营养元素的需要量分：大量元素有碳、氮、氢、氧、磷、硫、钾、镁、钙、铁（需要量在10-4mol/L以上）微量元素有锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等（需要量在10-4mol/L以下）10种大量元素来源与生理功能元素来源在代谢中的功能C各种有机物、CO2构成细胞物质的主要成分OO2、H2O、各种有机物、CO2构成细胞物质的主要成分HH2、H2O、各种有机物构成细胞物质的主要成分NNH4+、NO2-、N2、各种有机物构成细胞物质的主要成分SSO42-，HS-、S、S2O32-、各种有机硫化物构成含硫氨基酸、硫胺素、辅酶A、生物素、硫辛酸等PHPO42-磷脂、核苷酸、核酸等KK+细胞内主要的无机阳离子，某些酶的辅因子，构成物质运输系统MgMg2+许多酶（如激酶）的辅因子，存在于细胞壁和细胞膜中，维持细胞结构的稳定CaCa2+某些酶的辅因子，存在于胞外酶（如淀粉酶、蛋白酶）中，是芽孢内的重要元素FeFe2+、Fe3+构成细胞色素、铁氧还蛋白、铁硫蛋白的成分、某些脱水酶的辅因子微量元素来源与生理功能元素来源在代谢中的功能ZnZn2+参与醇脱氢酶、碱性磷酸酯酶、醛缩酶、RNA聚合酶或DNA聚合酶的活动MnMn2+参与细菌超氧化歧化酶的活动，也是某些酶（PEP脱羧酶、柠檬酸合成酶）的辅助因子NaNa+耐高盐细菌所需ClCl-耐高盐细菌所需MoMoO42+参与硝酸盐还原酶、固氮酶和甲酸脱氢酶的活动SeSeO32-参与甘氨酸还原酶和甲酸脱氢酶的活动CoCo2+参与带辅酶B12的一些酶（如谷氨酸变位酶和甲基丙二酰-COA变位酶）的活动CuCu2+参与细胞色素氧化酶和加氧酶的活动WWO42-参与甲酸脱氢酶的活动NiNi2+参与脲酶的活动，氢-氧化细菌在自养生长时也需要Ni与营养有关的几个概念生长因子是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳源、氮源自行全合成的有机物。狭义的一般仅指维生素；广义的生长因子除了维生素外，还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4~C6的分支或直链脂肪酸，有时还包括氨基酸营养缺陷突变株所需要的氨基酸在内。水活度：指在一定的温度和压力条件下，溶液中的蒸汽压力与同样条件下纯水的蒸汽压力之比（相对湿度）。微生物生长所要求的aw值通常在0.66~0.99之间变动碳氮比（C/N）：碳源中碳元素摩尔数与氮源中氮元素摩尔数之比。内源酸碱调节剂和外源酸碱调节剂水活度的计算及表示1002110ERHnnnPwPwaw维生素与有关化合物在代谢中的作用化合物在代谢中的作用对氨基苯甲酸四氢叶酸前体，一碳单位转移酶的辅酶生物素催化羧化反应的酶（即羧化酶）的辅酶辅酶M甲烷形成中的辅酶叶酸构成一碳单位转移酶的辅酶氯高铁血红素细胞色素的前体硫辛酸丙酮酸脱氢酶复合物的辅基尼克酸NAD、NADP的前体，它们是许多脱氢酶的辅基吡哆醇（B6）磷酸吡哆醛是转氨酶、氨基酸脱氨酶的辅基核黄素（B2）FMN和FAD的前体，黄素蛋白的辅基B12催化分子重排反应的酶的辅基（谷氨酸变位酶）硫胺素（B1）硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅酶维生素K甲醌类的前体、起电子载体的作用（如延胡索酸还原酶）营养物的生理功能①参与细胞结构或细胞物质的组成；②构成酶活性基团或组成物质的运输系统；③通过代谢为机体完成各种生理活动提供所需要的能量。微生物的营养类型（能源和碳源不同划分）营养类型能源氢供体基本碳源实例光能无机营养型（光能自养型）光无机物CO2蓝细菌、紫硫细菌、绿硫细菌、藻类光能有机营养型（光能异养型）光有机物CO2及简单有机物红螺菌科的细菌（即紫色无硫细菌）化能无机营养型（化能自养型）无机物*无机物CO2硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌、硫黄细菌等化能无机营养型（化能异养型）有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物*NH4+、NO2-、S0、H2S、H2、Fe2+等一、物质传送的研究方法研究物质传送所面临的困难：1、在生活细胞里，有由不同成分组成的复杂的运输系统（细胞膜囊）——成分的复杂性；2、在生活细胞里，对一种物质或同类物质有一种以上的运输方式，这样在分析结果时难以确定某种物质的运输是以何种方式完成的——运输方式的多样性。3、物质进入细胞后，往往被机体迅速分解与利用，机体分解与利用这种物质的能力也直接影响该物质运输的速率（突变体、同位素标记）——缺乏稳定性（不可测）。细胞膜囊通常是将细菌细胞经过一定的方式处理之后，由细胞膜组成一种膜的囊泡，这种细胞膜囊还存在物质运输系统与产能系统（主动运输系统、磷酸转移酶系统和呼吸链中的电子载体等），所以可作研究物质运输与能量的关系，以及研究氨基酸与糖类的运输。原生质体裂解→细胞膜→形成细胞膜囊二、影响物质传送的因素某种物质能否作为营养物质支持微生物生长，首先取决于这种物质能否进入细胞，其次还要取决于微生物是否具有利用这种物质的能力——运输和分解（转化）两个过程（针对物质）。所有微生物都具有一种能够保护机体完整性和能够限制物质进出细胞的屏障——渗透屏障（针对细胞构造）。㈠、微生物细胞的表面结构影响物质运输的三层结构（涉及前章所述）1、荚膜、粘液层（疏松结构——影响较小，增加粘性——阻碍物质扩散）2、细胞壁——分子屏障——孔径固定（有时有蛋白参与——孔蛋白），具有一定分子量选择（较大）3、原生质膜（特异选择性，最重要）——直接影响物质的运输——一般只针对小分子物质。㈡、物质本身的特性物理化学特性的影响：分子量小、溶解度大的物质比分子量大、溶解度小的物质更容易被机体吸收；电负性强弱也影响物质运输（中性容易吸收）。㈢、微生物的生活环境生物机体的生活环境直接影响着物质的跨膜运输，一般需要注意的“环境问题”——即在生活环境中是否存在及状态如何：①能诱导某种物质运输系统形成的物质（蛋白质合成）；②呼吸的抑制剂与解偶联剂（能量）；③被运输物质的结构类似物等（竞争性抑制）。环境pH值和温度的影响大肠杆菌——对甲胺的吸收（联系细胞膜的特性）物质解离——甲胺（pKb=3.37），弱碱性物质，在中性或碱性条件下可发生解离，以CH3NH3+存在，在酸性环境下以CH3NH2存在；酸性环境下，胞内环境时（pH），进入积累于胞内，以CH3NH3+存在，不易分泌；碱性环境下，胞内环境时（pH），环境中存在CH3NH3+不易吸收；温度——物质的溶解度、膜流动性和运输系统的蛋白（酶）活性。三、物质传送的方式及其机理㈠、小分子营养物质的基本吸收方式㈡、主动运输中的能量偶联机理㈢、几类主要营养物质的吸收㈣、微生物对大分子物质的吸收和分泌㈠、小分子营养物质的基本吸收方式1、单纯（被动）扩散——指营养物质高浓度部位向低浓度部位运动的过程；2、促进扩散——指营养物质在载体蛋白（透过酶）协助下进行扩散的运输方式；3、主动运输——指可将溶质分子进行逆浓度梯度运输的运输方式；4、基团转（移）位（PTS—磷酸烯醇式丙酮酸：糖磷酸转移酶系统）——许多原核生物在进行跨膜运输时，被运输的物质发生化学变化。被动扩散和促进扩散被动扩散浓度梯度促进扩散运输速度促进扩散主动运输（两种方式）根据推动运输的能量形式，分为两种方式：ATP结合依赖型质子梯度依赖型ATP结合依赖型ATP结合性盒型转运蛋白（ABC转运蛋白）——结合蛋白转运系统——由两个疏水跨膜域组成并与胞内的两个核苷酸结合域形成复合物（底物-结合蛋白结合）；质子梯度依赖型利用质子梯度（钠离子梯度）来推动物质的主动运输（大肠杆菌的乳糖透过酶）；钠离子梯度的建立：——细菌（原核生物）以质子（H+）逆向运输（不同物质以相反方向同时进行跨膜运输的方式）；——真核生物以ATP的水解作用产生的。主动运输（ABC转运蛋白）基团转（移）位——PTSPTS的主要过程：①酶Ⅰ磷酸化（存在于细胞质中）；②热稳载体蛋白（HPr，低分子质量，存在于细胞质中）的激活（磷酸化）；③酶Ⅱ磷酸化（结构多变，3亚基构成——EⅡA、EⅡB、EⅡC）少数微生物存在酶Ⅲ；酶Ⅱ（酶Ⅲ）具有特异性。④糖经磷酸化而运入细胞膜内。被运输物质结构发生改变（膜内外）。基团移位的模型（甘露醇和葡萄糖）基团转位的说明并非所有能够在葡萄糖中生长的细菌都具有磷酸转移酶系统，主要存在于兼性和严格的厌氧细菌中，好氧菌中现今未发现？。对于厌氧菌来说，磷酸转移酶系统非常重要，因为它有助于节省ATP（糖的磷酸化减少很多步骤，直接传递磷酸高能键）——其生物学意义所在（两个方面）。——厌氧情况下ATP产生不充足。磷酸交换反应或基团交换反应鼠伤寒沙门氏菌在胞内不存在酶Ⅰ、HPr和酶Ⅲ时，酶Ⅱ也可以催化胞内的磷酸糖与胞外糖之间的转磷酸反应，不会改变胞内磷酸糖的浓度，但可以避免有毒害作用的磷酸糖在胞内积累——对机体起保护作用。其它运输系统胞饮（呑噬作用）——是某些微生物通过趋向性向某种营养物质运动，靠近该物质并将该物质吸附到膜表面，然后在该物质附着的地方细胞膜开始内陷，膜逐步包围该物质，最后形成一种含有这种物质的膜囊，膜囊离开细胞膜而游离细胞质中。胞饮占多数，非主动进行；吞噬作用存在于少数，主动进行（伪足）——二者的差别。必要说明微生物经常通过多种运输系统吸收某一种营养物质，例如大肠杆菌至少有5种运输系统用来吸收半乳糖，各有3个系统吸收谷氨酸和亮氨酸，有2个系统吸收钾离子。在这种情况下，不同运输系统所消耗的能源、对营养物质的亲合力及运输系统的调节方式等都有差别。微生物这种运输方式的多样性赋予微生物在多变环境条件下更强的竞争优势。4种运送营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白无有有有运送速度慢快快快溶质运送方向由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度内外相等内外相等内部浓度高得多内部浓度高得多运送分子无特异性特异性特异性特异性能量消耗不需要不需要需要需要运送前后溶质分子不变不变不变改变载体饱和效应无有有有与溶质类似物无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送抑制剂无有有有运送对象举例H2O、CO2、O2、甘油、乙醇、少数氨基酸、盐类、代谢抑制剂SO42-、PO43-、糖（真核生物）氨基酸、乳糖等糖类，Na+、Ca2+等无机离子葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等4种运送营养物质方式㈡、主动运输中的能量偶联机理质子动力理论ATP动力型理论直接偶联学说质子动力理论——质子梯度建立主动运输中需要的能源，在多数系统中的是以质子动力来完成的——建立电位差或质子浓度差，使细胞膜充能（激化），形成能化膜。是由光能和化学能推动产生的，主要方式：1、光能：含有细菌叶绿素的光合细菌和含有其它色素的细菌，在吸收光量子以后，排出质子，从而建立起细胞膜内外表面的质子浓度差。2、呼吸所产生的质子移动力：电子从合适的电子供体[如NAD（P）H]沿电子传递链传到氧生成水，同时伴有质子排出，从而建立膜内外两侧的电位差或质子浓度。3、细胞内的ATP在ATP酶的水解下，放出能量，同时伴有质子外排，结果形成膜两侧的电位差。细胞内外质子浓度差的建立A：呼吸；B：ATP水解；C：光合细菌；C—Cytc主动运输的类型初级主动运输——电子传递系统、光合细菌光合作用和ATP酶作用引起质子（也包括其它阳离子）运输的方式（外排），物质运输所需能量的获得——建立电化学梯度。次级主动运输——由膜内外电势梯度变化引起的物质运输方式，根据被运输的物质与质子（或其它离子）移动的方向不同又可以将其分为同向运输、单向运输和逆向运输三种类型。次级主动运输的三种类型同向运输——指两种不同的物质通过同一载体按同一个方向运输的方式；单向运输——是一种通过载体使带电荷的或不带电荷的物质进入细胞或输出细胞