第4章微生物的生理二

第四章微生物的生理MicrobialMetabolism4.1与4.2学习要求重点掌握：酶的组成、催化特性、影响酶活力的因素；营养物质进入微生物细胞的方式；微生物营养类型。理解：酶的活性中心；微生物的化学组成。一般了解：酶蛋白结构、酶的分类与命名；微生物的营养物；微生物的培养基及类别。第二节微生物的营养新陈代谢的概念Metabolism生物化学变化的总称，是生命活动的基础.（包括物质代谢和能量代谢两种代谢）异化作用catabolism物质分解反应放出能量同化作用anabolism物质合成反应吸收能量第四章3微生物的营养营养：微生物获得和利用营养物质的过程营养物：指能满足微生物机体生长、繁殖以及生理活动所需物质微生物营养的确定主要依据其细胞的化学成分微生物存在的物质基础化学组成实验式细菌C5H7O2N,原生动物C7H14O3N,霉菌C10H17O6N一、微生物的化学组成水分（70％－90％）有机物(90％－97％)：蛋白质,核酸,糖类,脂类干物质无机物(3％－10％)：K,Na,Mg,Ca和微量元素第四章第二节♦组成微生物细胞的各类化学元素的比例常因微生物种类的不同而各异♦微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及培养条件的不同而在一定范围内变化5微生物细胞的化学元素与其营养物质微生物生长所需的营养物质应该包含有组成细胞的各种化学元素，即构成细胞物质的碳素来源的碳源物质，构成细胞物质的氮素来源的氮源物质和一些含有K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo元素的无机盐。二、微生物的营养水碳素营养氮素营养无机盐生长因子第四章第二节7微生物生长所需要的营养物质主要是以有机物和无机物的形式提供的，小部分由气体物质供给。微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为：碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大类。微生物的营养物质及其生理功能8♦在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质称为碳源。♦从简单的无机含碳化合物如CO2和碳酸盐到各种各样的天然有机化合物都可以作为微生物的碳源，但不同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能力有差异。(见表3.1)碳源(sourceofcarbon)9碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物自身的细胞物质和代谢产物；同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动的能量;但有些又以CO2为唯一或主要碳源的微生物生长所需的能源则不是来自CO2。碳源的生理作用10﹡微生物对碳源利用的选择性：迟效碳源和速效碳源﹡工业发酵用的碳源:单糖、饴糖、糖蜜、淀粉、纤维素等﹡微生物利用的碳源物质主要有：糖类、有机酸、醇、脂类、烃、二氧化碳及碳酸盐等碳源的利用11表3.1微生物利用的碳源物质种类碳源物质备注糖葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。有机酸糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致pH下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。醇乙醇在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。烃天然气、石油、石油馏分、石蜡油等利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。CO2CO2为自养微生物所利用。碳酸盐NaHCO3、CaCO3、白垩等为自养微生物所利用。其他芳香族化合物、氰化物蛋白质、核酸等利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。12氮源(sourceofnitrogen)♦凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为氮源物质。♦能被微生物所利用的氮源物质有蛋白质及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物(见表3.2)。13氮源物质常被微生物用来合成细胞中含氮物质，少数情况下可作能源物质，如某些厌氧微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为能源。微生物对氮源的利用具有选择性，如玉米浆相对于豆饼粉，NH4+相对于NO3-为速效氮源。铵盐作为氮源时会导致培养基pH值下降，称为生理酸性盐，而以硝酸盐作为氮源时培养基pH值会升高，称为生理碱性盐实验室用：胨、牛肉膏、酵母膏工业发酵用：常用无机氮盐，即铵盐、硝酸盐和尿素等14表3.2微生物利用的氮源物质种类氮源物质备注蛋白质类蛋白质及其不同程度降解产物(胨、肽、氨基酸等)大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产物氨及铵盐NH3、(NH4)2SO4等容易被微生物吸收利用硝酸盐KNO3等容易被微生物吸收利用分子氮N2固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去固氮能力其他嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程度地被微生物作为氮源加以利用15无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们在机体中的生理功能主要是①作为酶活性中心的组成部分②维持生物大分子和细胞结构的稳定性③调节并维持细胞的渗透压平衡④控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等(表3.3)。无机盐(inorganicsalt)16无机盐生长所必需的无机盐一般有：磷酸盐、硫酸盐、氯化物及含有Na、K、Ca、Mg、Fe等金属元素的化合物以及微量元素17表3.3无机盐及其生理功能元素化合物形式(常用)生理功能磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基pH硫(NH4)2SO4，MgSO4含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位镁MgSO4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分钙CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需钠NaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性钾KH2PO4，K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子铁FeSO4细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需18微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10-6-10-8mol/L(培养基中含量)。微量元素如Zn、Mo、Mn、Se、Co、Cu、W、Ni等，一般参与酶的组成或使酶活化(表3.4)。微生物可利用无机盐类型19表3.4微量元素与生理功能元素生理功能锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA与DNA聚合酶中锰存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钴存在于谷氨酸变位酶中铜存在于细胞色素氧化酶中钨存在于甲酸脱氢酶中镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需20微量元素♦微生物在生长过程中缺乏，会导致细胞生理活性降低甚至停止生长。♦由于不同微生物对营养物的需求不同，微量元素这个概念是相对的。♦微量元素通常混杂在天然有机营养物、无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃器皿中，如果没有特殊原因，在配制培养基时没有必要另外加入微量元素。21生长因子微生物生长所必需且需要量很少，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物﹡三大类：维生素、氨基酸、嘌呤嘧啶﹡各种微生物需求的生长因子的种类和数量是不同的﹡生长因子自养型微生物：不需要提供生长因子的微生物如：E.coli22♦维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢；♦有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长；♦嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。生长因子23生长因子的来源：某些细胞或组织的提取液中常含有丰富的生长因子酵母膏（yeastextract）玉米浆（cornsteepliquor）肝浸液（liverinfusion）麦芽汁（maltextract）微生物的分类（根据生长因子的需求性）生长因子自养型微生物生长因子异养型微生物生长因子242CO维生素转移的对象代谢功能硫胺素（B1）乙醛基焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶、的辅基、与α-酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关核黄素（B2）氢、电子黄素核苷酸FMN和FAD的前体，它们构成黄素蛋白的辅基，转移氢烟酸（B5）氢、电子NAD和NADP的前体，是脱氢酶的辅酶，参与递氢过程以及氧化还原反应吡哆醇（B6）氨基磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基，参与糖和脂肪酸合成泛酸酰基辅酶A的前体，乙酰载体的辅基，转移酰基，参与糖和脂肪酸合成叶酸甲基即辅酶F(四氢叶酸)，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、嘧啶、核苷酸、丝氨酸和甲硫氨酸生物素（H）羧基各种羧化酶的辅基，在CO2固定、氨基酸和脂肪酸合成及糖代谢中起作用维生素B12羧基，甲基钴酰胺酸酶，参与一碳基传递，与甲硫氨酸和胸苷酸的合成和异构化有关维生素的生理功能25维生素微生物的种硫胺素（B1）核黄素烟酸吡哆酸（B6）生物素泛酸叶酸钴胺酸(B12)维生素KBacillusanthracis(炭疽芽孢杆菌)Clostridiumtetani(破伤风梭菌)Brucellaabortus(流产布鲁氏杆菌)Lactobacillusspp.(各种乳酸杆菌)Leuconostocmesenteroides(肠膜状明串珠菌)Proteusmorganii(摩氏变形杆菌)Leuconostocdextranicum(葡聚糖明串珠菌)Lactobacillaspp.Bacteroidesmelaninogenicus(产黑素拟杆菌)细菌所需要的维生素26细胞中的水自由水结合水水的生理功能溶剂作用：所有物质须先溶于水，才能参与各种化学反应参与生化反应：脱水、加水反应等。运载物质的载体维持和调节一定的温度维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象水27i.不同的细菌，营养要求不同。ii.不同的生长条件，同一细菌的营养要求也会不同。iii.细菌的代谢能力强，可利用的化合物种类很广。自然界中所有物质几乎都可以被这种或那种细菌所利用。甚至一些有毒有害的有机物。e.g.H2S、酚、HCN、Cr6+等。微生物的营养物质及其生理功能几点注意：28v.有些微生物（细菌）往往先利用现成的、易被吸收利用的化合物。如果这些物质的量已满足了他们的要求，就不利用其他物质了。vi.有些微生物在利用易被吸收利用物质的同时，能利用难降解的化合物。注意：易处理污水与难降解污水的混合生物处理。微生物的驯化、共代谢等。iv.各种营养元素之间往往有一定的比例关系。e.g.土壤中许多微生物要求C：N=25：1废水生物处理中要求好氧处理BOD:N:P=100:5:1厌氧处理BOD:N:P=100:6:1微生物的营养物质及其生理功能几点注意：三、微生物的营养类型碳素来源能量来源自养型微生物：autotrophs无机碳(CO2)异养型微生物：heterotrophs有机碳(乙酸)光能营养型：phototrophs光合作用：光能化能营养型：chemotrophs物质氧化的化学能第四章第二节30分类标准营养类型1.以能源分光能营养型（phototroph）化能营养性(chemotroph)2.以氢供体分无机营养型(lithotroph)有机营养型(organotroph)3.以碳源分自养型(autotroph)异养型(heterotroph)4.以合成氨基酸能力分氨基酸自养型(aminoac