微生物生理学幻灯片
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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：
▪ 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
H2、H2O、各种有机物 NH4+、NO2-、N2、各种有机物 SO42-，HS-、S、S2O32-、各种有机硫
化物
HPO42-
构成细胞物质的主要成分 构成细胞物质的主要成分 构成细胞物质的主要成分 构成细胞物质的主要成分
构成含硫氨基酸、硫胺素、辅酶A、生物素、硫辛酸等
磷脂、核苷酸、核酸等
K+
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
Mg2+ Ca2+ Fe2+、Fe3+
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
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
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 Zn
Mn
Na Cl Mo Se Co Cu W Ni
▪ 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。
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 C O H N S P K
Mg
Ca
Fe
来源
在代谢中的功能
各种有机物、CO2 O2、H2O、各种有机物、CO2
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
硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌、
CO2
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
▪ 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
aw Pw n1 ERH Pw0 n1 n2 100
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）。
参与甘氨酸还原酶和甲酸脱氢酶的活动 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 参与细胞色素氧化酶和加氧酶的活动
WO42Ni2+
参与甲酸脱氢酶的活动 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。
来源 Zn2+ Mn2+
在代谢中的功能
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
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
Na+ 耐高盐细菌所需
Cl- 耐高盐细菌所需
MoO42+ SeO32Co2+
Cu2+
参与硝酸盐还原酶、固氮酶和甲酸脱氢酶的活动
维生素与有关化合物在代谢中的作用
ຫໍສະໝຸດ Baidu
化合物 对氨基苯甲酸 生物素 辅酶M 叶酸
氯高铁血红素 硫辛酸 尼克酸 吡哆醇（B6） 核黄素（B2） B12 硫胺素（B1） 维生素K
在代谢中的作用 四氢叶酸前体，一碳单位转移酶的辅酶 催化羧化反应的酶（即羧化酶）的辅酶 甲烷形成中的辅酶 构成一碳单位转移酶的辅酶 细胞色素的前体 丙酮酸脱氢酶复合物的辅基 NAD、NADP的前体，它们是许多脱氢酶的辅基 磷酸吡哆醛是转氨酶、氨基酸脱氨酶的辅基 FMN和FAD的前体，黄素蛋白的辅基 催化分子重排反应的酶的辅基（谷氨酸变位酶） 硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅酶 甲醌类的前体、起电子载体的作用（如延胡索酸还原酶）
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
▪ 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：
▪ 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
H2、H2O、各种有机物 NH4+、NO2-、N2、各种有机物 SO42-，HS-、S、S2O32-、各种有机硫
化物
HPO42-
构成细胞物质的主要成分 构成细胞物质的主要成分 构成细胞物质的主要成分 构成细胞物质的主要成分
构成含硫氨基酸、硫胺素、辅酶A、生物素、硫辛酸等
磷脂、核苷酸、核酸等
K+
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
Mg2+ Ca2+ Fe2+、Fe3+
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
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
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 Zn
Mn
Na Cl Mo Se Co Cu W Ni
▪ 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。
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 C O H N S P K
Mg
Ca
Fe
来源
在代谢中的功能
各种有机物、CO2 O2、H2O、各种有机物、CO2
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
硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌、
CO2
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
▪ 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
aw Pw n1 ERH Pw0 n1 n2 100
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）。
参与甘氨酸还原酶和甲酸脱氢酶的活动 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 参与细胞色素氧化酶和加氧酶的活动
WO42Ni2+
参与甲酸脱氢酶的活动 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。
来源 Zn2+ Mn2+
在代谢中的功能
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
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
Na+ 耐高盐细菌所需
Cl- 耐高盐细菌所需
MoO42+ SeO32Co2+
Cu2+
参与硝酸盐还原酶、固氮酶和甲酸脱氢酶的活动
维生素与有关化合物在代谢中的作用
ຫໍສະໝຸດ Baidu
化合物 对氨基苯甲酸 生物素 辅酶M 叶酸
氯高铁血红素 硫辛酸 尼克酸 吡哆醇（B6） 核黄素（B2） B12 硫胺素（B1） 维生素K
在代谢中的作用 四氢叶酸前体，一碳单位转移酶的辅酶 催化羧化反应的酶（即羧化酶）的辅酶 甲烷形成中的辅酶 构成一碳单位转移酶的辅酶 细胞色素的前体 丙酮酸脱氢酶复合物的辅基 NAD、NADP的前体，它们是许多脱氢酶的辅基 磷酸吡哆醛是转氨酶、氨基酸脱氨酶的辅基 FMN和FAD的前体，黄素蛋白的辅基 催化分子重排反应的酶的辅基（谷氨酸变位酶） 硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅酶 甲醌类的前体、起电子载体的作用（如延胡索酸还原酶）
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