第二节微生物细胞内外的物质交换
细胞的物质交换与能量转化
能量转化：细胞在生长和增殖过程中需要 能量，通过细胞代谢将营养物质转化为 AT P 等 能 量 形 式 ， 供 给 细 胞 正 常 生 理 功 能 的需要。
应用：细胞培养技术在生物工程、医学、制药等 领域有着广泛的应用，如药物筛选、疫苗制备、 基因治疗等。
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药物对细胞物质交换的影响：药物可以影响细胞膜的通透性，从而影响细胞与 外界环境的物质交换，如药物的吸收、分布、代谢和排泄等过程。
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药物靶点：针对细胞物质交换和能 量转化的关键环节，开发新型药物 和治疗方案
细胞免疫疗法：利用细胞免疫系统的 物质交换和能量转化功能，激活免疫 细胞，治疗癌症和自身免疫性疾病
汇报人：XX
细胞能量代谢与调控的意义：维持细胞正常生理功能、适应环境变化、促进生物进化 等
细胞能量代谢与调控的研究进展：基因工程技术、蛋白质组学技术、代谢组学技术等
细胞代谢的相互联系： 细胞内的各种代谢途径 是相互联系的，它们共 同协作以维持细胞的正 常功能。
细胞代谢的调节：细胞 通过多种机制调节其代 谢过程，以适应不同的 生理需求和环境变化。
光合作用定义：植物通过光合作用 将光能转化为化学能的过程。
能量转化方式：光合作用中，光能 被转化为化学能，并储存在葡萄糖 中。
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光合作用过程：植物吸收光能，将 二氧化碳和水转化为葡萄糖，并释 放氧气。
能量转化意义：光合作用是地球上 最重要的能量转化过程之一，为生 物提供食物和氧气。
信息传递：细胞膜上的受体可以接收信号分子，将信号传递给细胞内部，影响细胞 代谢和功能。
能量转换：细胞膜参与细胞的能量代谢过程，如线粒体膜可以参与氧化磷酸化过程， 将 化 学 能 转 化 为 AT P 中 的 化 学 能 。
微生物学原理
微生物学原理
微生物学原理是研究微生物的生命特征、组成和功能的科学。
微生物包括细菌、真菌、病毒和寄生虫等，它们在地球上无处不在，对环境和人类的生命有着重要的影响。
首先，微生物的生命特征是微小而简单。
细菌和真菌的大小只有几微米，病毒更小，需要电子显微镜才能观察到。
微生物的细胞结构相对简单，没有真核生物的复杂器官和细胞器。
微生物的生命形式多样，能够以单细胞形式独立生存，也能以菌丝和团体的形式生存。
其次，微生物的组成主要包括细胞壁、质膜、细胞质和核酸。
细胞壁是微生物保持形状和稳定性的关键组成部分，不同种类的微生物具有不同类型的细胞壁。
质膜是微生物细胞内外物质交换的关口，可以选择性地通过溶质和水分。
细胞质是微生物内部的胶状物质，其中包含了细胞质器和营养物质。
微生物的核酸是储存和传递遗传信息的重要分子，包括DNA和RNA。
此外，微生物的功能涵盖了许多方面。
例如，细菌和真菌可以进行各种代谢反应，如能量产生、物质转化和化合物降解等。
一些微生物可以在有氧和无氧条件下进行呼吸作用，而其他微生物则通过发酵来获得能量。
此外，微生物还可以产生各种酶和抗生素，具有重要的生物工程和医药应用价值。
总之，微生物学原理涉及到微生物的生命特征、组成和功能的研究。
通过深入了解微生物，我们可以更好地理解它们在自然
界的作用，以及利用微生物进行环境修复、食品工艺和药物研发等方面的潜力。
5.2.2微生物的代谢
结论：体积越小，相对表面积越大
微生物代谢的特点
资料2
大肠杆菌每小时分解的糖是自身重量的 2000倍。 乳酸杆菌每小时产生的乳酸是自身重量 的1000-10000倍。
产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆 强100倍，比食用牛强10万倍。
结论： 微生物的代谢异常旺盛
一、微生物的代谢产物
初级代谢产物
中间产物Ⅱ
甲硫氨酸
苏氨酸
赖氨酸
思考：
1、 赖氨酸是必需氨基酸吗？有什么用途？ 2.黄色短杆菌合成赖氨酸的代谢调节属于哪种调节 方式？ 天冬氨酸 3. 天冬氨酸激酶的活性在什么条 天冬氨酸激酶 件下才会被抑制？怎样解除？ 中间产物Ⅰ 4、合成苏氨酸需要什么条件？ 中间产物Ⅱ 5、怎样才能抑制苏氨 高丝氨酸 酸的合成？ 脱氢酶 高丝氨酸 6、改变微生物的遗传 特性可采用哪些方法？ 甲硫氨酸 苏氨酸、赖氨酸
人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸
天冬氨酸
人工诱变的 菌种不能产生 高丝氨酸 脱氢酶
天冬氨酸激酶
中间产物Ⅰ
高丝氨酸
中间产物Ⅱ
不能合成
甲硫氨酸 苏氨酸
可以大 量积累
赖氨酸
人工控制谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸
葡萄糖
中间产物
α-酮戊二酸
谷氨酸脱氢酶 抑制 NH4+ 谷氨酸
在谷氨酸的生 产过程中，可采用 一定的手段改变谷 氨酸棒状杆菌 细胞膜 __ 的透性 ______，使谷氨酸 能迅速排放到细胞 外面，从而解除了 谷氨酸 谷氨酸对 ________ 脱氢酶 _______的抑制作用， 提高谷氨酸的产量。
结束！
控制措施
具体方式
改变微生物遗传特性 诱变处理，选择符合生产要求的菌种 溶解氧 控 制 发 酵 条 件 PH值
02第二章 细菌的生理
原理：
葡萄糖
丙酮酸 大肠杆菌分解 （无脱羧酶） 乙醛 乳酸 甲酸 琥珀酸 乙酰甲基甲醇(呈中性) （pH>5.4） 碱性条件下被空气中的氧氧化 产气杆菌脱羧酶作用
乙酸
乙醇
二乙酰
（pH≤4.5） 与蛋白胨中精氨酸的胍基作用
加入甲基红
pH 4.4-4.6
（红→黄）
呈红色 ( V.P. -) M.R. +
第二章 细菌的生理
• 第一节 细菌细胞的代谢过程 • 第二节 细菌的生长繁殖 • 第三节 细菌的人工培养
§2－1 程Байду номын сангаас
细菌细胞的代谢过
细菌细胞的代谢过程按其功能分 为：物质摄取、生物合成、聚合作用 及组装四个步骤。
一、物质摄取 ：指从周围环境获得营养 。 营养物质进出细胞的方式有： 1、单纯扩散（被动扩散）：细胞膜两侧的 物质靠浓度差（浓度梯度）进行分子扩散的 过程。 特点：1）无特异性和选择性，速度较 慢。 2） 不需要载体，不消耗能量。 2、促进扩散：指某些物质与位于细胞膜上 的特异性载体蛋白相结合，而将其转运到细 胞内的过程。 特点：1）具有特异性和选择性。 2）需要载体，但不消耗能量。
四、组装：细菌细胞结构的组装有两种方 式： 1、自我组装：如鞭毛、核糖体等 2、指导组装：如细菌表面的膜结构等
§2－2 细菌的生长繁殖
一、细菌个体的生长繁殖： 1、繁殖方式：二等分分裂法。 2、繁殖速度： 世代时间：一个菌体分裂为两个菌体所需 的时间 称为世代时间。 有的细菌繁殖快，如大肠杆菌及许多其 它病原菌（体）在适宜的条件下，20分钟 分裂一次（即一代），而有的细菌繁殖慢， 如分枝杆菌需18-24小时才分裂 一次。
3、主动输送：指某些物质与位于细胞膜上的 特异性载体蛋白相结合后逆浓度梯度“泵”入 细胞内的过程。 特点： 1）具有特异性和选择性。 2）需要载体，需要能量。 4、基团转位：指物质在运输的同时受到化学 修饰，从而源源不断输入细胞的过程。
第二章微生物的形态构造汇总
细菌的群体形态
菌落：在固体培养基上，由一个或数个 菌体细胞或孢子大量生长繁殖而形成肉 眼可见的、具有一定形态结构的细胞群 体称为菌落。 各种细菌在一定条件下形成的菌落形态 具有一定的稳定性和专一性，这是衡量 菌体纯度和鉴定菌种的重要依据。
菌落描述要从九个方面进行，称为菌落特征
（1）大小 （2）形状(圆形、假根状、不规则状等) （3）隆起程度(扩展、台状、低凸、凸 面、乳头状等) （4）边缘情况(整齐、波状、裂叶状、 锯齿状等) （5）表面状态(光滑、皱褶、颗粒状、 龟裂状、同心圆状等)
除裂殖以外，还有一些其它的繁殖方式：
（1）多次分裂。 如蛭弧菌(Bdellovibrio)
直接出芽：生芽杆菌(Blastobacter) 巴斯德菌属(Pasteuria)、 （2）芽殖
间接出芽： 生丝微菌属 (Hyphomicrobium)
（3）劈裂 。 如节杆菌属(Arthrobacter)
（4）有性接合。
球菌不同排列方式图
链状
栅栏状 八字型
杆菌形态及排列方式图
螺旋菌形态图
2.1.2细菌的大小
球菌用直径表示: 0.5—1μm 杆菌用宽×长表示：0.2~1×0.7~8μm
螺旋菌用宽×长表示: 0.3~1×1~50μm
球菌涂片
杆菌形态
杆菌形态
杆菌形态
球菌电镜下形态
球菌形态图
2.1.3 细菌细胞的结构组成及功能
2.1.1细菌的形态和排列
细菌
球菌 杆菌
螺旋状菌
弧菌 螺旋菌
Ａ.球菌的形态及排列 单球菌: 尿素微球菌 双球菌: 肺炎双球菌 链球菌: 乳链球菌 四联球菌: 四联微球菌 八叠球菌: 藤黄八叠球菌. 尿素八叠球菌 葡萄球菌: 金黄色葡萄球菌 B.杆菌的形态及排列 链状、栅栏状、八字型、分散存在 C.螺旋菌的形态及排列 分散存在
微生物细胞转化的基本过程
微生物细胞转化是指受体细胞从外界直接吸收来自供体细胞的DNA片段，并与其染色体同源片段进行遗传物质的交换，从而使受体细胞获得新的遗传特性的过程。
转化过程主要包括以下几个步骤：
1. 制备培养系统：准备适合微生物生长和转化的培养基。
2. 加入底物：将需要转化的物质加入到培养基中。
3. 加入效应物：根据需要，加入适当的效应物来促进转化反应。
4. 保温反应：保持适当的温度和时间，让转化反应进行。
5. 监测反应过程：通过适当的方法监测转化反应的进度和效果。
6. 终止反应：当转化反应达到预期效果后，停止反应。
7. 产物分离：将转化生成的产物从培养基中分离出来。
微生物细胞转化是一个复杂的过程，需要根据具体情况进行适当的调整和优化。
在进行转化实验时，需要严格控制实验条件，以确保转化的成功率和产物的质量。
初中生物细胞物质交换教案
初中生物细胞物质交换教案教学目标：1. 了解细胞膜的功能和特点。
2. 掌握细胞通过细胞膜与外界进行物质交换的过程。
3. 能够运用所学的知识解释一些与细胞物质交换相关的生活现象。
教学重点：1. 细胞膜的选择透过性功能特点。
2. 细胞物质交换的过程。
教学难点：1. 理解细胞膜的选择透过性功能特点。
2. 掌握细胞物质交换的过程。
教学准备：1. 课件：细胞膜的图片和动画。
2. 教学素材：一些与细胞物质交换相关的例子。
教学过程：一、导入（5分钟）1. 引导学生回顾细胞的基本结构，如细胞壁、细胞膜、细胞质等。
2. 提问：细胞膜是全封闭的吗？让学生思考并发表自己的观点。
二、新课讲解（15分钟）1. 讲解细胞膜的功能特点：选择透过性。
a. 细胞膜可以让水分子自由通过。
b. 细胞膜可以让一些离子和小分子通过，如氧气、二氧化碳等。
c. 细胞膜不让一些大分子如葡萄糖通过。
2. 讲解细胞物质交换的过程。
a. 被动运输：物质通过细胞膜的扩散和渗透作用，从高浓度区域移动到低浓度区域。
b. 主动运输：物质通过细胞膜的载体蛋白，从低浓度区域移动到高浓度区域，需要消耗能量。
三、实例分析（15分钟）1. 举例说明与细胞物质交换相关的生活现象，如植物的吸水和失水、人体的呼吸等。
2. 让学生分组讨论，分析这些现象背后的物质交换过程。
四、课堂小结（5分钟）1. 回顾本节课所学的内容，让学生总结细胞膜的功能特点和物质交换的过程。
2. 强调细胞膜的选择透过性功能特点在生物体中的重要性。
五、作业布置（5分钟）1. 让学生绘制细胞物质交换的过程图，加深对物质交换过程的理解。
2. 选择一个与细胞物质交换相关的例子，进行分析和总结。
教学反思：本节课通过讲解和实例分析，让学生了解了细胞膜的功能特点和物质交换的过程。
在教学过程中，要注意引导学生主动参与讨论，提高他们的思考和分析能力。
同时，结合生活实例，让学生感受细胞物质交换在生物体中的重要性。
在作业布置方面，可以通过绘制图示和分析实例，进一步巩固所学知识。
第一讲第二节细胞生物体的结构层次(原卷版)
第一讲：生命系统的结构层次第二节——细胞、生物体的结构层次一、生物与非生物1、生物的基本特征（1）生物：自然界中具有生命的物体叫做生物，包括植物、动物和微生物。
（2）非生物：没有生命的物体叫做非生物。
（3）生物与非生物的区别：生物的特征：○1对外界刺激作出反应（应激性）；○2能生长、发育和生殖；○3需要营养；○4能呼吸；○5具有严整的结构；○6除病毒外，都由细胞构成；○7能进行新陈代谢；○8具有遗传和变异；○9能适应和影响环境（4）生物与非生物的关系：生物与非生物共同构成了自然界，非生物是生物生存的条件，没有非生物就没有生物，生物最终转化为非生物。
2、观察蜗牛的生物特征（1）蜗牛的生活习性：蜗牛是软体动物，喜欢生活在阴暗潮湿的环境中，昼夜伏处（夜间活动），要夏眠和冬眠，所以在春秋两季易找到；吃作物茎叶，属于农业害虫。
（2）蜗牛的结构：○1放大镜的使用：要想获得大而清晰的图像，可以将放大镜适当靠近被观察的物体，然后移动放大镜或物体；如果所要观察的物体不能移动，可以同时移动自己的头部和放大镜。
○2蜗牛的结构：包括壳、触角、眼、口和足。
（3）蜗牛的感觉：视觉、触觉（触角最灵敏，其次是足和壳）、嗅觉和味觉。
但蜗牛和蚯蚓都没有听觉。
二、细胞1、细胞的发现和细胞学说（1）1665年英国科学家罗伯特·胡克首先利用自制的显微镜观察到了软木栓的死细胞的细胞壁结构，提出了“细胞”这个名词。
（2）1831年英国科学家布郎发现了植物细胞内的细胞核。
（3）德国诗人歌德提出了“原型”说，另一位德国科学家提出了“原液”说。
（4）19世纪40年代，德国科学家施莱登和施旺在总结前有经验基础上，共同提出了“细胞学说”——动物和植物都是由相同的基本单位细胞所构成。
（5）19世纪60年代，德国科学家魏尔啸提出：一切细胞来自于细胞。
（6）细胞学说的得出历时200多年，是许多伟大科学家的共同努力的结晶。
细胞学说：所有的动物和植物都是由细胞构成的；细胞是生物体结构和功能的基本单位；细胞是由细胞分裂产生的。
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本节主要讨论物质交换问题。微 生物细胞内外的物质交换对工业发酵 至关重要。没有这种交换微生物就不 能生长和繁殖，就不能形成用于发酵 生产的微生物细胞群体；没有这种交 换工业微生物细胞（工业发酵的细胞 机器）就不能将目的产物送出细胞， 我们就不能从发酵液获得产品。
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这里说的营养既可指营养物质 （nutrients），也可指提供营养的 过程（nutrition）。作为营养物质 必须能直接地或者经过降解后可以 跨膜进入微生物细胞，并至少能为 正常生命活动提供以下三者之一： ①能量；②细胞结构的原材料；③ 代谢调节物质。
2018/3/21 张星元：发酵原理 12
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有机（碳）化合物经分解代
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可把微生物细胞这个开放系统与 其所处环境加在一起，看作一个隔离 系统，这个重新划定的系统必须服从 熵值增加原理。细胞的新陈代谢及生 长造成细胞熵值下降和其环境熵值增 加的总效果是：此隔离系统的总的熵 值是增加的。
2018/3/21 张星元：发酵原理 7
微生物细胞是个远离平衡状态 的不平衡的开放系统，其运转过程 是在代谢能支持下进行的高度有序 的过程，运转的结果是微生物细胞 生命的持续和环境混乱程度的增加。
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2.2.1 微生物细胞与其 所处环境的关系
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张星元：发酵原理
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2.2.1.1 微生物的营养
2.2.1.2 微生物的营养类型 2.2.1.3 微生物的生理状态
与环境的关系
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张星元：发酵原理
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存在于环境中的微生物 ( 包括工 业发酵环境中的微生物 ) 活细胞必须 不断地从环境摄取元素营养和能源营 养。并将这些来自环境的营养有效地 转换为可被其自身直接利用的代谢能， 在代谢能的直接支撑下进行持续的生 命活动。
2018/3/21 张星元：发酵原理 17
微生物细胞及其代谢产物中包含 了无数有机化合物，所有机化合物都 有碳架。本课程现阶段主要研究有机 化合物的代谢。有的有机化合物既属 元素营养又属能源营养，比如对化能 异养型微生物来说，葡萄糖既可作为 的碳元素营养，又作为化学能源营养。 凡可构成微生物细胞及其代谢产物的 碳架来源的营养物质，均称为碳源。
2018/3境，人也可以主动地改变 环境条件，在可能范围内调节 微生物的生理状态和生命活动， 以促进微生物生长或工业发酵 目的产物的生产。
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2.2.1.1 微生物的营养
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张星元：发酵原理
2018/3/21 张星元：发酵原理 13
元素营养以O、C、H、N 含量 最多，这 4 种元素具有共同的化学 性质是，可通过共享电子（共有电子 对）而迅速形成共价键，由于共价键 强度与成键原子的原子量成反比，它 们形成的共价键都很稳定。单纯由C 和 H 组成的生物分子呈非极性，与 水亲和力低，使生物体与水环境之间 形成一定的界面，这是生命诞生和存 在的必要条件。
第二节
微生物细胞内外的 物质交换
2.2.1 微生物细胞与其所处的环境的关系
2.2.2 化学物质的跨膜过程
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张星元：发酵原理
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微生物细胞要活下去就必须进行 能量代谢，能量代谢必须依赖于微生 物细胞内外的交流，包括微生物细胞 与环境之间和微生物细胞之间的物质、 能量和信息的交流，也包括微生物细 胞内被生物膜分隔的细胞空间之间的 物质、能量和信息的交流。
可把营养物质大致分为元素营养和能源 营养。元素营养中研究得最透彻的是碳源， 能源营养可以是化学物质，也可以是非化学 物质如光能。为模块分子（building block） 生物合成提供碳骨架（carbon skeletons）的 基质，通常被称为碳源；而为生命活动提供 吉布斯自由能（其中只有一部分能被微生物 细胞转化成代谢能）和还原力的基质称为能 源。关于微生物的营养，微生物学已有介绍， 这里仅根据本课程教学需要，简单地谈谈O、 C、H、N、S、P，特别是含 C 和含 P 的营 养物质。
2018/3/21 张星元：发酵原理 14
O、N、S 等的参与引起有机分 子电荷分布不均匀，同时，因这些元 素而形成的官能团发生酸式或碱式解 离，或使分子出现极性，能与水分子 形成氢键而表现亲水性，使生物分子 与水环境间增强相互作用。N 参加主 链结构可改善大分子的机械性能。 O、 S、P等可在有机分子间或分子内形成 桥式连接，影响分子的形状及性能。
2018/3/21
张星元：发酵原理
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研究微生物的生命活动不能离开 环境，也不能离开微生物的生理状态。 环境影响微生物细胞的生理状态和生 命活动，而微生物细胞生命活动又不 断改变环境。人可以通过改变环境条 件来改变或调节微生物的生理状态和 生命活动，其改变或调节的有效性与 人对环境影响微生物生命活动的规律 的了解程度密切相关。
2018/3/21 张星元：发酵原理 18
微生物对碳源的需要极其广泛，从 简单的无机碳化合物，如CO2、CO32（自养型微生物的主要碳源），到复杂 的天然有机含碳化合物，如糖、醇、有 机酸、脂肪、烃类等（异养型微生物的 主要碳源）都可被不同种类的微生物利 用。对化能异养型微生物来说，碳源的 生理功能可总括为两点：一是构成细胞 物质和各种代谢产物的碳架；二是提供 细胞活动所需的能量。
2018/3/21 张星元：发酵原理 15
碳是有机物的必有元素，是 生物分子的结构中心。碳原子可 彼此反应并形成稳定的“C-C” 共价结合的化合物，可形成链式 或环式的结构，其长度和大小几 乎是无限度的，成为各种有机分 子的骨架。
2018/3/21 张星元：发酵原理 16
碳原子可与许多元素如H、 O、N、S、P 等形成稳定的共价 键。碳原子的四面体构型产生了 大量的同分异构体。碳原子如此 多样而稳定的结合方式，是导致 生物分子种类繁多的原因之一。