微生物的营养课件

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,微生物的营养课件,1,微生物的營養,大綱,5.1 一般的營養需求,5.2 對碳、氫和氧的需求,5.3 微生物的營養類型,5.4 對氮、磷和硫的需求,5.5 生長因子,5.6 細胞對營養物質的吸收,5.7 培養基,5.8 純培養物的分離,微生物的營養大綱,2,一般的營養需求 THE COMMON NUTRIENT REQUIREMENTS,大量元素(Macroelement)或大量營養物質:,95%以上由C、O、H、N、S、P、K、Ca、Mg、和 Fe等少數幾種主要元素組成,C、O、H、N、S、P是糖類、脂類、蛋白質、以及核酸的主要成分,K、Ca、Mg、和 Fe離子形式存在於細胞中，它們的生理功能多樣,微量元素(trace element或microelement)或微量營養物質,Mn、Zn、Co、Mo、Ni、和Cu等,特殊的營養需求：如：矽藻要矽酸(H,4,SiO,4,),一般的營養需求 THE COMMON NUTRIENT RE,3,對碳、氫、氧的需求REQUlREMENTS FOR CARBON，HYDROGEN，AND OXYGEN,碳元素為構成所有有機分子骨架或主鏈,微生物也提供氫原子和氧原子,生物體需要電子來源,電子移動經過電子傳遞鏈以及在其他氧化還原反應過程，提供能量ATP,自養型(autotroph,自營型)能夠以無機物當作唯一或主要的碳源獲得能量,固定CO,2,、進行光合作用、氧化無機物,異養型(heterotroph,異營型)生物就是指利用現成的有機分子作為碳源的生物,所有天然有機物都可以被微生物利用,某些細菌則只能利用少數幾種含碳化合物,對碳、氫、氧的需求REQUlREMENTS FOR CARB,4,微生物的營養類型 NUTRITIONAL TYPES OF MICROORGANISMS,碳源的不同可分為異養型或自養型,僅有兩種能源可以利用,光能：光能營養型(Phototroph)利用光能,化學能：化學 能營養型(Chemotroph)則從化合物(有機物或無機 物)的氧化作用中獲得能量,無機營養型(Lithotroph)：以還原型無機物作為電子來源,有機營養型(Organotroph)：利用有機物作為電子來源,微生物的營養類型 NUTRITIONAL TYPES OF,5,微生物的营养课件,6,根據對碳、能 量、和電子的最初來源，大多數可歸於4種營養類型中的一種,光能無機自養型(photolithotrophic Autotroph或photolithoautotroph)簡稱光能自養型,光能有機異養型(photorganotrophic heterotroph或photorganoheterotroph)簡稱光能異養型,化學能無機自養型(chemolithorophic autotroph或chemolithoautotroph)簡稱化能自養型,化學能有機異養型(chemoorganotrophic heterotroph或chemoorganohetertroph)簡稱化 能異養型,光能無機自養型或化能有機異養型占大多數,光能有機異養型和化學能無機自養型微生物較少,根據對碳、能 量、和電子的最初來源，大多數可歸於4種營養類型,7,兼養型(Mixotrophic):可依賴無機能源和有機(有時為CO,2,)碳源，兼有化學能無機自和異養的代謝過程,兼養型(Mixotrophic):可依賴無機能源和有機(有時,8,微生物的营养课件,9,對氮、磷、和硫的需求 REQUIREMENTS FOR NITROGEN，PHOSPHORUS，AND SULFUR,微生物通常利用無機物獲取它們,氮用於合成胺基酸、嘌呤、嘧啶、某些糖和脂 類、酶的輔助因子、及其他物質,許多微生物以胺基酸為氮源,大多數光合微生物和許多非光合微生物可將硝酸鹽還原成氨,透過固氮酶系統將氣態氮還原並吸收利用,對氮、磷、和硫的需求 REQUIREMENTS FOR NI,10,磷主要存在於核酸、磷脂、核苷酸(如ATP)、一些輔助因子、某些蛋白質、和其他細胞組成分中,可將無機磷酸鹽作為磷源而直接利用,大腸桿菌能利用有機磷酸鹽、無機磷酸，利用利用膜孔蛋白通到運輸,硫主要用於合成半胱胺酸、甲硫胺酸、某些碳水化合物、生物素、和硫胺素(維生素B1),大多數微生物透過硫酸鹽還原作用，將硫酸鹽還原後利用,少數微生物需要還原態硫(如半胱胺酸),磷主要存在於核酸、磷脂、核苷酸(如ATP)、一些輔助因子、,11,生長因子GROWTH FACTORS,微生物生長所必須，但自身不能合成而必須從外界環境獲得的有機物質(或其前驅物)稱之,主要有3類,胺基酸：蛋白質合成,嘌呤和嘧啶：核酸合成,維生素：小分子有機物質，通常用來組成酶 的輔助因子的部分或全部,糞腸球菌需要8種不同的維生素,流行性感冒嗜血桿菌需要血紅素,黴漿菌(mycoplasma)需膽固醇作為生長,生長因子GROWTH FACTORS,12,常見維生素在微生物中的生理功能,生物素,羧化,作用CO,2,固定-碳代謝,釀酒酵母、棕鞭毛屬藻、卡斯泰拉尼棘變形蟲,維生素B12,碳代謝（甲基載體）,乳桿菌屬、纖細裸藻、哇藻和許多其他藻、卡斯泰拉尼棘變形蟲,葉酸,碳代謝,糞腸球菌、梨形四膜蟲,硫辛酸,醯基轉移,乾酪乳酸菌、四膜蟲桿菌,泛酸,輔酶A前驅物,摩根氏茵變形桿菌、有孢酵母屬、草履蟲,維生素B6,胺基酸代謝,乳桿菌屬、梨形四膜蟲,維生素B3（菸葉鹼）,NAD、NADH前驅物,流產布魯氏菌、流感嗜血菌、芽校徽、束狀短膜蟲,維生素B2（核黃素）,FAD、FMN前驅物,弧形柄桿菌、網柄菌屬、梨形四膜蟲,維生素B1（硫胺素）,醛基轉移,炭疽芽抱桿菌、布拉克須黴、斯棕鞭藻、彎曲鉤形蟲,常見維生素在微生物中的生理功能生物素羧化作用CO2固定-碳代,13,微生物對生長因子需求的專一性測試,將缺乏待測生長因子但含有過量的其他營養物質的培養基分裝於一系列試管中，用於測定的微生物，然後在這些試管中分別加入不同量的該生長因子的標準樣品及待測樣品,利用微生物發酵生產水溶性和脂溶性維生素,核黃素(梭菌屬、假絲酵母屬、阿舒囊黴屬、假囊酵母屬,維生素BI2(鏈黴菌屬、丙酸桿菌屬、假單胞菌屬),輔酶A(短桿菌屬)、維生素C(葡糖桿菌屬、歐文氏菌屬、棒桿菌屬)、beta-胡蘿蔔素(杜氏藻)、和維生素D(酵母屬),當今研究的重點：提高產量和發掘能產生大量維生素的微生物,微生物對生長因子需求的專一性測試,14,細胞對營養物質的吸收 UPTAKE OF NUTRIENTS BY THE CELL,必須有將營養物質從胞外低濃度環境運輸到胞內高濃度環境的逆濃度運輸能力,細胞質膜必須有選擇透過性，允許營養物質進入胞內，而阻止其他物質自由進入,包含三種運輸方式,促進擴散(facilitated diffusion)、主動運輸(active transport)、和基團轉位(group translocation),在真核微生物中尚未發現基團轉位，可以透過胞吞作用吸收營養物質,細胞對營養物質的吸收 UPTAKE OF NUTRIENTS,15,被動擴散Passive Diffusion,甘油、水等少數物質可以透過被動擴散穿過細胞質膜,也簡稱擴散：指營養物質從高濃度部位向低濃度部位運動的過程,速度取決 於膜內外該物質濃度差,小分子H,2,O、O,2,、CO,2,可跨膜運輸,大分子、離子、極性物質無法透過被動運輸,促進性擴散Facilitated Diffusion,在載體蛋白協助下進行擴散的運輸方式稱為促進性擴散,載體蛋白(carrier protein)也稱透過酶(Permease，通透酶)，是一種位於質膜上的蛋白質,被動擴散Passive Diffusion,16,當載體蛋白被飽和時，促進擴散的速度就不再隨物質濃度差的增加而增加,對所運輸物質具有專一性,促進擴散還是一種擴散運輸方式，必須依賴膜內外營養物質濃度差的驅動，並隨著濃度差的消失而停止,營養物質膜外與載體蛋白結合後，蛋白構形發生變化，並將營養物質釋放於胞內，然後載體蛋白恢復其原來構形,過程也是可逆的，一般不會出現送到細胞外,原核生物中，促進擴散,並非,一種重要的運輸方式，因細胞外的營養物濃度常較低,真核細胞中較為明顯，很多糖和胺基酸經由 這種方式進入細胞,當載體蛋白被飽和時，促進擴散的速度就不再隨物質濃度差的增加而,17,微生物的营养课件,18,微生物的营养课件,19,主動傳輸Active Transport,可將溶質分子進行逆濃度運輸，將胞外溶質分子運輸至較高濃度的細胞內,過程中需要消耗能量,需要載體蛋白，載體蛋白或通透酶對所運輸物質真有較強的專一性,具有載體飽和效應,細菌、古生菌、和真核生物具有結合蛋白轉運系統或ATP結合性卡式轉運蛋白(ABC轉運蛋白),主動傳輸Active Transport,20,由兩個疏水跨膜區組成，並與胞內的兩個核苷酸結合區形成複合物,跨膜區在膜上形成一個孔，核苷酸結合區結合ATP,ATP水解促使物質吸收,ABC轉運蛋白與專一的基質結合蛋白結合,革蘭氏陰性菌，結合蛋白位於周質間隙中，革蘭氏陽性菌，附著在質膜外表面脂膜上,大腸桿菌用這種運輸方式轉運各種糖類和胺基酸,小分子物質能利用像外膜蛋白F(OmpF)一類膜孔蛋白穿過外膜,大分子物質則需要專一性膜孔蛋白,由兩個疏水跨膜區組成，並與胞內的兩個核苷酸結合區形成複合物,21,微生物的营养课件,22,細菌也利用電子傳遞過程中產生的,膜內外質子梯度,來驅動主動運輸,缺乏專門的周質結合蛋白來結合營養物質,通透酶,將乳糖分子運入胞內，而胞外高濃度質子是由電子傳遞鏈的作用產生,兩種物質以同一方向進行跨膜運輸的方式稱為同向運輸(symport),大腸桿菌運輸系統在質子進入胞內的同時將鈉排出胞外,這種不同物質以相反方向 同時進行跨膜運輸的方式稱為逆向運輸(antiport),微生物經常通過多種運輸系統吸收某一種營養物質,運輸方式的多樣性賦予微生物在多變環境條件下更強的競爭優勢,細菌也利用電子傳遞過程中產生的膜內外質子梯度來驅動主動運輸,23,(1)電子傳遞時，質子被排出質膜外,(2)質子梯度透過逆向運輸機制驅動鈉離子外排,(3)鈉離子結合到載體蛋白複合物上,(4)載體蛋白溶質結合位置形狀發生改變，並與溶質結合,(5)載體蛋白的構形發生改 變，將鈉釋放於胞內，隨後溶質也從載體蛋白上解離下來(一種同向運輸機制),內,外,使用質子與鈉離子梯度進行主動運輸,(1)電子傳遞時，質子被排出質膜外內外使用質子與鈉離子梯度進,24,基團轉位Group Translocation,過程中被運輸的物質發生化學變化,主動運輸的營養物質沒有被修飾發生改變,需要使用代謝能，屬於依賴能量的運輸類型,磷酸烯醇式丙酮酸:糖磷酸轉移酶系統(phosphoenolpyruvate:sugar phosphotransferase system，PTS),許多糖進入原核生物胞內同時被磷酸化,使用磷酸烯醇式丙酮酸PEP提供磷酸,PEP+糖(胞外)丙酮酸+糖-p(胞內),基團轉位Group Translocation,25,PTS由兩種酶(EI和Ell)和一個低分子量熱穩定蛋白(HPr)組成,HPr和EI存在於細胞質中,Ell由3個次單元或結構區組成,EllA(也稱EIII)為可溶性細胞質蛋白,EIIB也是親水性蛋白,EIIC則是疏水蛋白位於細胞膜上,EIIB、C常結合在一起,在運輸過程中，在EI和HPr的作用下，一個高能磷酸由PEP傳遞到Ell,Ell將一個糖分子運入胞內並將其磷酸化,Ell只專一性運輸某一類糖,不同的PTS其Ell不同，而EI和HPr都相同,PTS由兩種酶(EI和Ell)和一個低分子量熱穩定蛋白(HP,26,基團轉位，細菌PTS運輸系統,圖中顯示兩種PTS，兩種酶(EI和EII)和一個低分子量熱穩定蛋白(HPr)組成,基團轉位，細菌PTS運輸系統,27,鐵的攝取Iron Upt