微生物的营养生长与死亡问题

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1、主 讲 惠 明 博士现代微生物学第第4 4章章 微生物的营养微生物的营养生长生长 与死亡问题与死亡问题第一节 微生物的营养问题微生物的营养素微生物的营养类型营养物质的输送微生物培养基问题（略）一、 微生物的营养需求 q 微生物活细胞是个新陈代谢动力系统，它要活下去，就必须不断从环境中吸收营养物质，通过物质代谢和能量代谢，以实现生长和繁殖，同时向环境排出“废物”。微生物的这种物质交换对工业发酵至关重要。q 营养素营养素（nutrients）：指微生物在生命活动中从环境中吸取的用以提供能量、调节代谢及合成细胞物质（甚至包括发酵产物）的原材料。这些营养物质必须能直接地或经降解后可以跨膜进入细胞。o

2、营养营养(过程)nutrition：微生物吸收和利用营养物质的过程。 5营养素的分析o 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。o 一般把为模块分子（building block）生物合成提供碳骨架（carbon skeletons）的基质，通常称为碳源；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。o 元素营养和元素代谢在细胞生理的研究中仍具有重要地位。举例：P、Mn、Se（大骨节病）8种常量元素的一些生理功能及生长需求量元素生理功能生长需求量mol/L）CNH

3、OSPKMg细胞有机物质的组成部分，常作能源蛋白质、核酸和辅酶的组成部分组成细胞的有机物质和水组成细胞的有机物质和水，有氧呼吸蛋白质和某些辅酶的组分核酸、磷脂、核苷酸和某些辅酶组分细胞中主要的无机阳离子、某些酶的辅助因子许多酶、叶绿素（光合微生物）的辅助因子，存在于细胞壁和细胞膜10-210-3-10-410-410-310-410-310-410-3这个8种常量元素组成了细菌和真菌干重的98%（平均值）营养元素o 元素营养以C 、O 、H、N 含量最多（占细胞干重的90%95%），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。o 单纯由C 和 H 组成的生物分

4、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。o O、N、S等的参与引起有机分子电荷分布不均匀，使分子出现极性，能与水分子形成氢键而表现亲水性。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，影响分子的形状和性能。 8元素组成： C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo（大体16种）。其中C、H、O、N、P占细胞干重的97%。物质组成: 水：约占细胞湿重的90%。 有机物：蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸、维生素以及它们的合成中间体和降解物。 无机盐：参与有机物组成及单独存

5、在于细胞原生质内的无机盐等灰分物质中的元素。微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成影响微生物细胞化学组成的因素微生物的种类：硫细菌、铁细菌、海洋细菌含有较多的S、Fe、Cl和Na。菌龄：幼龄菌中含氮量较高。培养条件：在氮源丰富的环境中生长的微生物含氮量较高。 （培养富Se酵母、灵芝等）一些微生物细胞的元素组成部分发酵产品的元素组成部分发酵产品的元素组成红霉素头孢霉素二、二、 微生物的营养类型微生物的营养类型 一般根据碳源营养将微生物分为：一般根据碳源营养将微生物分为：异养型微生物和自养型异养型微生物和自养型微生物。微生物。前者从前者从有机化合物有机化合物中获取组成细胞的碳（中获取组成细胞的碳

6、（所有的所有的真菌、多数细菌及原生动物真菌、多数细菌及原生动物），后者从），后者从COCO2 2中中获取碳（获取碳（COCO2 2的固定，的固定，藻类和几种细菌藻类和几种细菌），也有兼养型微生物。），也有兼养型微生物。A A 微生物营养类型的分类（一）分类标准营养类型能 源光能营养型 phototroph化能营养型 chemotroph（无机、有机）氢供体无机营养型 lithotroph有机营养型 organotroph分类标准营养类型碳 源（同化作用）自养型autotroph（碳架物质由细胞自身从CO2还原生成）异养型heterotroph（碳架物质从其它有机物供给） 异化作用需氧型/厌氧型

7、 生长因子原养型(prototroph)/野生型(wild type)营养缺陷型auxotroph 合成氨基酸能力氨基酸自养型amino acid autotroph氨基酸异养型amino acid heterotroph 取食方式渗透营养型osmotroph吞噬营养型phagotroph 取得死或活有机物腐生saproghytism寄生parasitismB B 微生物营养类型的分类（二）C 微生物的营养类型（三）营养类型能源氢供体 基本碳源实例光能无机自养型（PLA）光无机物CO2紫硫细菌、绿硫细菌、藻类光能有机异养型（POH）光有机物CO2及简单有机物红螺细菌化能无机自养型（CLA）无机

8、物无机物CO2硝化细菌、硫化细菌化能有机异养型（COH）有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物15o 细菌、放线菌、酵母菌、霉菌没有专门的摄食和排泄“器官”，各种化学物质进出细胞主要依赖于细胞质膜细胞质膜的功能。尽管细胞壁对物质进入细胞有一定的障碍。（G+细胞壁能阻止10000Da的葡聚糖，真菌只允许分子质量相对较小的化合物通过细胞壁）o 注意：存在于水相中的化学物质如何跨过疏存在于水相中的化学物质如何跨过疏水的膜？这些化合物如何克服浓度梯度向高水的膜？这些化合物如何克服浓度梯度向高浓度运输？浓度运输？三、营养物质的跨膜输送三、营养物质的跨膜输送微生物是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用而

9、从外界吸取营养物质的。被动吸收 简单扩散 （顺浓度梯度） 促进扩散 （借助载体，不耗能）主动吸收 主动运输 （耗能，借助载体） 基团移位 （耗能，借助载体，结构有变化）原生动物膜泡运输营养物质的跨膜输送基本类型营养物质的跨膜输送基本类型17A 简单扩散简单扩散 simple diffusion无载体蛋白参与下，单纯依靠物理扩散方式输送营养物质。特点特点： 输送动力：浓度梯度 输送方向：顺浓度梯度 输送物质：一些非极性小分子如：O2、N2、苯等 一些不带电荷但显极性的小分子如：水、尿素、NH3、甘油、CO2、脂肪酸和某些醇等18B 促进扩散促进扩散 facilitated diffusion在特

10、异性载体蛋白的协助下，不消耗能量的一类扩散性运输方式。普遍存在于真核生物，原核生物中仅有几例。特点： 输送动力：浓度梯度 输送方向：顺浓度梯度 载体蛋白：需要，具有特异性 输送物质：真核微生物对许多糖类的吸收、大肠杆菌对甘油的吸收真核微生物对许多糖类的吸收、大肠杆菌对甘油的吸收及运动发酵单胞菌和牛链球菌对葡萄糖的吸收。及运动发酵单胞菌和牛链球菌对葡萄糖的吸收。 输送机制：被输送的物质与相应的载体之间存在一种亲和力。一些细菌通常有不同的载体蛋白分别来完成AA、糖、维生素和无机盐等物质的运输。思考：载体思考：载体-蛋白质蛋白质-诱变诱变-输送增强或削弱输送增强或削弱涉及物质转运的一些载体多样性o

11、主要促进超家族（major facilitator superfamily）o 核苷和核苷酸转运家族o 革兰氏阴性细菌糖特异孔结构家族22C 主动运输主动运输 active transport 在消耗能量的同时，实现溶质在细胞内的浓缩，而且跨膜前后没有任何化学变化发生的输送机制。特点： 输送动力：代谢能量 输送方向：逆浓度梯度（由低到高） 载体蛋白：需要，具有特异性 输送物质：氨基酸、某些糖、Na、K 等。 输送机制：代谢能量改变底物与载体之间的结合力。2324D 基团移位基团移位 group translocation被输送的基质分子在膜内经受了共价的改变， 以被修饰的形式进入细胞质的输送机