微生物营养和代谢

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章,微生物的营养与代谢（1）,营养要求,营养类型,培养基,能量代谢,主要内容,微生物需要的营养物质从元素成分看，需要最多的是C、O、H、N、S、P、K、Ca、Mg、Fe等10种，其中C、O、H、N、S、P六种还是碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸的组成成分，其它元素用以组成酶及各种辅助因子.,营养物质及其功能,碳素养料,碳是微生物的基本营养元素，它占细胞干重的50。微生物可以利用的碳源总体上可分为无机碳和有机碳。不同的微生物种类利用碳源的差别很大。许多微生物在利用有机物作碳源的同时，也常常获得氧和氢，分子氧是部分微生物不可缺少的成分，分子氢则可以作为能量来源。,实验室中培养微生物时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。,碳素养料,氮素养料,氮是蛋白质的基本成分，也是核酸等重要细胞物质的必要元素。从分子态氮和无机氮到有机氮化合物都可以作为微生物的氮源。,实验室中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。,矿质元素养料,大量元素：主要有磷、钾、镁、钙、硫、钠等。,微量元素：铁、硼、铜、锌等。,微生物多能从自来水和其他营养物质所含的微量矿物质中获得。,生长因子,（,growth factor,）,是一类对微生物正常代谢所必需且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。,通常包括三大类：维生素、氨基酸和核苷,主要是用来构成酶的辅酶或辅基，是酶活性所必须的成分。,微生物营养类型,依据微生物获取能量和碳源的方式，可以将其区分为光能无机营养、光能有机营养、化能无机营养和化能有机营养四种类型。,营养类型,光能自养型,光能异养型,化能自养型,化能异养型,能源,光能,光能,化学能,化学能,主要碳源,CO,2,CO,2,和简单的小分子有机物,CO,2,有机物,氢或电子供体,无机物,有机物,无机物,有机物,实例,蓝细菌、藻类,紫色无硫细菌,硝化细菌、铁细菌、硫化细菌,绝大多数细菌和全部真核微生物,藻类、；蓝细菌,CO,2,+H,2,O,Light,+Chlorophyll,（CH,2,O）+O,2,紫色细菌和绿色细菌,CO,2,+2H,2,S,Light,+bacteriochlorophyll,（CH,2,O）+H,2,O+2S,红螺菌属,CO,2,+2CH,3,CHOHCH,3,Light,+bacteriochlorophyll,（CH,2,O）+H,2,O+2CH,3,COCH,3,光能自养型,光能异养型,化能自养型,Nitrifying bacteria,2 NH,4,+,+3 O,2,2 NO,2,-+2 H,2,O+4 H,+,+132 Kcal,细菌,电子供体,电子受体,产物,Alcaligens and Pseudomonas sp.,H,2,O,2,H,2,O,Nitrobacter,NO,2,-,O,2,NO,3,-,H,2,O,Nitrosomonas,NH,4,+,O,2,NO,2,-,H,2,O,Desulfovibrio,H,2,SO,4,2-,H,2,O.H,2,S,Thiobacillus denitrificans,S,0,.H,2,S,NO,3,-,SO,4,2-,N,2,Thiobacillus ferrooxidans,F,e,2+,O,2,F,e,3+,H,2,O,化能异养型,以有机物为能源和碳源的微生物，包含种类最多，目前在已知微生物中绝大多数细菌、全部真菌、原生动物和病毒都属于这一类。,培养基,（culture medium）,是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。,培养基的配制原则,营养成分及配比要恰当，根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基；培养基的浓度要恰当；物理化学条件适宜,培养基的类型及其应用,据化学组成分：合成培养基与天然培养基,据物理状态分：液体培养基、固体培养基和半固体培养基,据用途分：基础培养基、加富培养基、选择培养基和鉴别培养基。,2.2 微生物的能量代谢,细胞中的氧化还原反应与能量产生,高能化合物和ATP的合成,在水解过程中能够释放大量自由能的有机物分子。一般水解时释放的自由能大于29.3kJ/mol。,细胞中的高能化合物,ATP、乙酰辅酶A、乙酰磷酸、1，3-二磷酸甘油酸等,ATP合成途径,细胞产生ATP有三种方式：,底物水平磷酸化；氧化磷酸化（呼吸链磷酸化）；光合磷酸化。,底物水平磷酸化,通过转移底物在生物氧化过程中形成的高能化合物的高能磷酸键，直接形成ATP的过程称为底物水平磷酸化。,下面是发生底物水平磷酸化的几种重要反应,丙酮酸激酶PEP+ADP-ATP+丙酮酸,磷酸甘油酸激酶1，3二磷酸甘油酸+ADP-ATP+3磷酸甘油酸 乙酶激酶乙酰磷酸+ADP-ATP+乙酸,底物水平磷酸化的特点,底物在生物氧化中脱下的电子或氢不经过电子传递链传递，而是通过酶促反应直接交给底物自身的氧化产物，同时将释放出的能量(一般通过高能磷酸键)交给ADP，形成ATP。底物水平磷酸化是微生物在发酵中产生ATP的唯一方式，在呼吸过程虽也存在，但处于次要地位。,氧化磷酸化,底物在生物氧化过程中放出的电子通过电子传递链传到氧或其他氧化物，同时形成ATP的过程称为电子传递磷酸化或呼吸水平磷酸化。,电子传递磷酸化的核心“元件”为电子传递链(ETC，electron transport chain)，或称为 呼吸链(RC，respiratory chain)。ETC由若个氢和电子传递体按氧化还原电位高低顺序排列而成，相当于一段由有机物分子连接而成的“生物导线”，电子在该导线上流动时作功，形成ATP。组成ETC的成员主要有醌及醌衍生物、细胞色素、铁硫蛋白及黄素蛋白4类化合物,光合磷酸化,是将光能转变为化学能的过程。其中光合色素起着重要作用。一般分为循环式光合磷酸化和非循环式光合磷酸化，此外有紫膜光合磷酸化。,非环式光合磷酸化,通过光驱动的电子在ETC上单向流动形成ATP、NADPH,2,和O,2,的过程称为非环式光合磷酸化。这是蓝细菌、藻类及各种绿色植物利用光能产生ATP的共同途径。,该途径有4个特点：电子在ETC上单向传递，不形成循环；有两个光合系统；反应中同时产生ATP(产自光合系统)、还原力NADPH,2,(产自光合系统)和O,2,3种产物；NADPH,2,中的H来自H,2,O光解释放的H,+,和e。,循环式光合磷酸化,厌氧光合细菌中存在的通过光驱动的电子循环式传递形成ATP的过程称为环式光合磷酸化。,过程是细菌叶绿素吸收光能处于激发状态，放出高能电子。电子通过铁氧还蛋白、泛醌、Cytb及Cytc组成的环状ETC自动返回带正电的叶绿素分子，在Cytb与Cytc间形成ATP,环式光合磷酸化的产物只有ATP，无NAD(P)H,2,，也不产O,2,紫膜光合磷酸化,微生物细胞中能量的释放与利用,根据最终电子受体不同，微生物产生能量的方式有发酵、有氧呼吸和无氧呼吸三种。,发酵（,fermentation),指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力H不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能过程。,此过程中电子供体和受体都是有机物分子，作为基质的有机物只是部分碳原子被氧化，所形成的中间代谢产物又被作为受氢体接受氢而形成新的产物。,酒精发酵和乳酸发酵是这类作用的典型代表，发酵产生ATP的机制主要是底物水平的磷酸化。,有氧呼吸,（,aerobic,respiration),微生物在氧化底物时以分子氧作为最终电子受体的氧化作用。通过有氧呼吸可将有机物彻底氧化，释放出大量能量，其中一部分转移到ATP中，另一部分以热的形式释放。,特点必须有氧气参加，底物氧化彻底，产能量大。,无氧呼吸,（anaerobic respiration）,化合物氧化脱下来的氢和电子经过呼吸链传递，最终交给无机氧化物的过程。,与有氧呼吸的比较,不同之处：在此过程中没有分子氧参加，而是以无机氧化物如NO,3-,、NO,2-,、SO,4,2-,、CO,2,等代替分子氧作为最终电子受体；,相同之处：底物氧化脱下来的氢和电子也经过一系列的中间传递体，并伴随有磷酸化作用产生ATP，底物也可被彻底氧化，但生成能量不如有氧呼吸多。,能量消耗,生物合成需要能量；,一些其他生命活动消耗能量；,生物发光消耗能量；,以热能形式散发需要能量。,