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第五章微生物的营养和代谢本章重点和难点：微生物营养类型，微生物的产能方式和微生物特有的合成代谢（生物固氮、肽聚糖合成、次生代谢产物）5.1微生物的营养物质和营养类型细胞从外界环境中摄取化学物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程称为营养或营养作用。外界环境中可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质称为营养物质或养料。5.1.1营养物质及其功能从元素成分看，需要最多的是：C、H、O、N、P、K、Ga、Mg、S、Fe等10种，且C、H、O、N、S、P还是碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸的成分。1.碳源：凡能共给微生物碳素营养的物质称为碳源。碳素的主要作用是组成菌体细胞物质和共给微生物生长发育所需的能量。碳源分无机（CO2及碳酸盐）和有机碳源（糖类、有机酸类、油脂及烃类）。实验室培养微生物常用的碳源主要有：葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有机酸等。2.氮源：能被微生物利用的含氮物质为氮源。氮素是构成微生物细胞基本物质－蛋白质和核酸的主要成分，一般不提供能源（硝化细菌能利用氨作为氮源和能源）。氮源分无机（分子态氮、硝酸盐、铵盐等）和有机（尿素、氨基酸、蛋白质、蛋白胨、肉膏等）两大类。实验室培养微生物常用的氮源主要有：铵盐、硝酸盐、尿素、蛋白胨和牛肉膏等。发酵工业上常以豆饼粉、花生饼粉和玉米浆等作为微生物的氮源。N2固氮酶(N2)固氮微生物NH4—N蛋白质原生营养:凡是以葡萄糖或其他有机化合物为唯一碳源和能源,以无机化合物为唯一氮源,能够满足碳、氮营养需要的化能有机营养微生物,统称为原生营养型。如果这种条件不能满足营养需要,则为缺陷营养(营养缺陷型):某些微生物由于合成能力发生障碍,所以在微生物培养时要添加某种或某几种氨基酸或碱基等有机化合物才能生长。3.矿质元素矿质元素也是微生物生命活动所不可缺少的营养物质，可分为两大类，即大量元素(P、K、Mg、Ga、S、Na等)和微量元素(Fe、B、Cu、Zn、Mo、Co)。其主要功能是：①构成微生物细胞的组成成分；②作为酶的组成部分或维持酶的活性；③调节细胞的渗透压、氢离子浓度、Eh等；④作为自养微生物的能源。4.生长因子凡能调节微生物代谢活动的微量有机物质称为生长因子。包括维生素、氨基酸和核苷三类。其作用是用来构成酶的辅基或辅酶(是某些酶活性所必需的成分)(表)各种微生物所需生长因子的种类和数量是不一样的，如自养微生物和一些腐生性细菌、霉菌，能自己合成这类物质，不需外界供给；而有些微生物(根瘤菌、乳酸杆菌等)因缺乏合成这类物质的能力，必须外界供给才能生长。在实验室通常用作生长因子的物质有：酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁、牛肉膏、米糠等。维生素及其在代谢中的作用化合物代谢中的作用生物素泛酸辅酶M硫胺素(B1)维生素K催化羧化反应的酶的辅酶辅酶A的前体甲烷形成中的辅酶硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅甲基醌类的前体，起电子载体作用(如延胡索酸还原酶)微生物对生长素的需要分三类情况:①自养微生物不需外源供应;②需部分供给或部分供给生长素的前体才能生长;③要供给多种生长因素才能生长(常需要供给植物汁液、动物煮汁才能生长)。5.水作用：①是细胞的主要组成成分；②直接参加各种代谢反应;③是细胞吸收营养物质和排泄废物的介质；④可调节菌体内的温度(水比热大有利吸热,散热)；⑤水维持细胞膨压；⑥可供给菌体营养。5.1.2微生物的营养类型根据微生物所需要的能源和碳源的不同，可将微生物的营养类型分为四大类：营养类型光能无机营养型光能有机营养型化能无机营养型化能有机营养型能源主要碳源氢或电子供体光能CO2水或还原态无机物光能CO2有机物化学能CO2还原态无机物化学能有机物有机物1.光能无机营养型(或称光能自养型)这类微生物是利用光作为生活所需要的能源，以CO2作为唯一或主要碳源，以无机物作为供氢体来还原CO2合成细胞的有机物质。如藻类和少数细菌(红硫细菌、绿硫细菌)，它们都含光和色素(叶绿素或细菌叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素)，可以在完全无机的环境中生长，所以称光能无机营养型。但应注意，三大色素中，叶绿素或细菌叶绿素是主要的光合色素，而类胡萝卜素和藻胆素因不能单独进行光合作用而称为辅助色素，其主要功能是捕获光能转移到光反应中心，并保护膜系统免遭光氧化的破坏。光能CO2+H2O------[CH2O]+O2叶绿素光能CO2+2H2S-------[CH2O]+2S+H2O细胞叶绿素光能CO2+2H2A-----[CH2O]+H2O+2A光合色素2.光能有机营养型(光能异养型)这类微生物利用光作为能源，利用简单有机物作为供氢体以还原CO2合成细胞有机物质。如红螺细菌：CH3光能CHOH+CO2-----2CH3COCH3+[CH2O]+H2OCH3光合色素(异丙醇)(丙酮)3.化能无机营养型(化能自养型)能从无机物氧化过程中获得能量，并以CO2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。如铁细菌、亚消化细菌、消化细菌和硫细菌。Fe+2Fe+3+e+能量2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量2HNO2+O22HNO3+能量2S+3O2+H2O2H2SO4+能量能量CO2+[4H][CH2O]+H2O4.化能有机营养型(化能异养型)这是一类以有机物为能源和碳源的微生物，包含的种类最多。就已知的微生物中绝大多数细菌、全部真菌、原生动物及病毒都属于这一营养类型。5.1.3培养基培养基：按照微生物生长繁殖所需要的各种营养物质，用人工方法配制而成的营养基质。它是进行微生物学研究、生产微生物制品等的基础。1.培养基的配制原则⑴培养基一般包括碳源、氮源、无机盐和生长因子。(营养成分及其配比要恰当)10-3~10-4mol/L10-6~10-8mol/LC/N=6:1⑵培养基的浓度要恰当。⑶控制适当pH。pH=4.5~6pH=7~7.52.培养基的类型及其应用⑴化学组成根据培养基组成物质的化学成分是否完全了解，可将培养基分为合成培养基和天然培养基合成培养基：用化学成分已知的营养物质配制而成的培养基。天然培养基：用化学成分未知或不完全知道其化学成分的有机物质配制而成的培养基。⑵物理状态根据培养基制成后的物理状态的不同，可分为：液体、固体和半固体培养基。固体培养基是在液体培养基中加入凝固剂(1.5%~2.0%的琼脂)而制成的培养基。半固体培养基是在液体培养基中加入0.2%~0.7%的琼脂配制而成。⑶特定用途按特定用途，可将培养基分为基础、加富、选择和鉴别培养基。(伊红—甲基蓝培养基)5.2微生物的能量代谢5.2.1细胞中的氧化还原反应与能量产生AH22H++2e+A(氧化)B+2H++2eBH2(还原)AH2+BA+BH2(氧化还原)2H++2e-H2E0/=-421mV1/2O2+2H++2e-H2OE0/=+816mV5.2.2高能化合物和ATP的合成1.细胞中的高能化合物2.细胞合成ATP的途径⑴底物水平磷酸化这种磷酸化的特点即在底物氧化过程中生成含高能磷酸键的化合物，通过相应酶的作用将此高能磷酸根转移给ADP生成ATP。X~P+ADPX+ATP⑵氧化磷酸化通过呼吸链产生ATP的过程称为电子传递水平磷酸化或氧化磷酸化。这种磷酸化的特点是当由物质氧化产生的质子和电子向最终电子受体转移时需经过一系列的氢和电子传递体，每个传递体都是一个氧化还原系统。这一系列的氢和电子传递体在不同生物中大同小异，构成一条链，称其为呼吸链。流动的电子通过呼吸链时逐步释放出能量，该能量可使ADP生成ATP。⑶光合磷酸化光合磷酸化是将光能转变为化学能的过程。在这种转化过程中光合色素起着重要作用。微生物中蓝细菌、光合细菌以及嗜盐细菌的光合色素的光合磷酸化特点均有所不同。5.2.3微生物细胞中能量的释放和利用1.发酵作用2.有氧呼吸3.无氧呼吸4.ATP的作用5.3微生物的分解代谢复杂有机物质，通过一系列分解代谢酶系的催化，产生能量(ATP)和小分子物质的过程称为分解代谢。5.3.1己糖的分解糖酵解途径和三羧酸循环葡萄糖在有氧条件下的分解过程主要经过4个阶段：①糖酵解②生成乙酰辅酶A③三羧酸循环④进入呼吸链产能。1.糖酵解的EM途径是指在不需要氧的条件下一分子葡萄糖经转化成1，6-二磷酸果糖后，在醛缩酶催化下，裂解并由此生成2分子丙酮酸的过程。(见图)2.乙酰辅酶A的生成丙酮酸脱氢酶系CH3COCOOH+CoASH+NAD+(丙酮酸)(辅酶A)CH3CO~ScoA+H++CO2(乙酰辅酶A)(丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶、二氢硫辛酸脱氢酶)3.三羧酸循环(TCA循环)此循环是从乙酰辅酶A与草酰乙酸综合形成柠檬酸开始的，它是葡萄糖降解成丙酮酸后进一步彻底氧化的过程。(见图)4.进入呼吸链产能在此步骤中，三羧酸循环中生成的NADH和FADH2进入呼吸链，将H+和电子交给O2生成水并生成能量。经过以上四个阶段后，在理想条件下，1分子葡萄糖被彻底氧化为H2O和CO2，可共计产生38个ATP。(EM途径产生8个、生成乙酰辅酶A时产生6个、TCA循环共产生24个ATP)。5.3.2丙酮酸代谢的多样性5.4微生物的合成代谢微生物的合成代谢(也称同化作用)是指从简单的小分子物质合成复杂的大分子物质(如蛋白质、核酸、多糖和脂类等化合物)的过程。合成作用必需具备三要素：小分子前体物质、能量和还原力。而这三要素主要从分解代谢(异化作用)中获得。5.4.1无机养料的同化1.二氧化碳的同化CO2是自养微生物的唯一碳源。异养微生物也能利用CO2作为补尝的碳源。将空气中的CO2同化成为细胞有机物的过程称为CO2的同化。(CO2的固定)自养微生物对CO2的固定：总反应如下ATP6CO2+12NADPHC6H12O6+12NADP+酶异养微生物对CO2的固定2.硝酸盐的同化还原NO3-+NADPH+H+NO2-+H2O+NADP+NO2-NH2OHNH3NADPH+H+NADP+NADPH+H+NADP+3.分子态氮的同化⑴固氮酶是氮气还原的生物催化剂。其分子量很大，一般都含有2种蛋白组分：钼铁蛋白和铁蛋白。前者由4个亚单位组成，分子量200-240KDa，含2个Mo原子，30±2Fe原子，还含有大致相等的不稳定的S原子；后者由2个亚单位组成，分子量57-72KDa,4个Fe原子和4个不稳定的S原子。作用的条件：①两组分结合后才起固氮作用；②能量问题以及电子供体和载体；③氧的影响；④氨的阻抑效应问题。⑵氮分子的还原过程氮分子的还原需要氢和电子，其来源因不同固氮微生物而异。如厌氧的巴氏梭菌靠丙酮酸裂解；光合细菌通过光合磷酸化获得电子；好氧的固氮菌则是通过TCA循环等来获得；在共生的根瘤类菌体中，有大量贮藏物质---聚β-羟基丁酸，它能为固氮作用提供电子。(图)4.硫酸盐的同化还原ATP+SO4腺苷磷酸硫酸酐+PPiATP+腺苷磷酸硫酸酐磷酸腺苷磷酸硫酸+ADPNADPH+H+NADP+磷酸腺苷磷酸硫酸磷酸腺苷磷酸+SO3-NADH+H+NAD+H2S+H2O5.4.2大分子前体物质的合成1.碳水化合物的合成自养微生物所需的碳水化合物是CO2经卡尔文氏循环而合成；大多数化能异养微生物利用葡萄糖等碳水化合物作为能源和形成氨基酸等简单化合物的骨架。作为前体分子，细胞中最重要的是六碳糖(葡萄糖)和五碳糖(核糖和脱氧核糖)。2.氨基酸的合成3.核苷酸的生物合成核苷酸是核酸(DNA和RNA)的建筑块，也是一些辅酶的组分，如NAD、FAD和辅酶A，还是糖原等大分子生物合成中活化的中间物。核苷酸的结构在前已作介绍，其合成很复杂，在此不作阐述。5.4.3细胞结构成分大分子物质的合成1.多糖的生物合成UDP—葡糖焦磷酸化酶UTP+G-1-PUDPG+PPi(尿苷-3-磷酸)(葡萄糖-1-磷酸)(尿苷二磷酸葡萄糖)转葡糖基酶UDPG+(葡萄糖)n(葡萄糖)n+1+UDP2.肽聚糖的合成和细胞壁的增长5.4.4微生物合成的次生代谢产物根据次生代谢产物作用不同,主要可以分为：1.毒素微生物在代谢过程中可产生一些对动植物细胞有毒杀作用的物质称为毒素。毒素大