第五章 微生物的營養(yǎng)與代謝

第五章微生物的營養(yǎng)與代謝通過本章的學習，要求掌握：1、通過本章的學習，掌握微生物所需要的營養(yǎng)物質、營養(yǎng)類型、微生物吸收營養(yǎng)的方式及培養(yǎng)基的配制和類型。2、微生物代謝類型的特點及多樣性。3、合成代謝所需小分子化合物及能量、還原力的產(chǎn)生。4、微生物細胞中特有的合成代謝。重點：1、微生物的營養(yǎng)類型，微生物吸收營養(yǎng)物質的方式。2、微生物的產(chǎn)能方式。3、微生物細胞中特殊的合成代謝（肽聚糖合成）。難點：1、微生物吸收營養(yǎng)物質的各種方式2、肽聚糖的合成過程。第一節(jié)微生物的營養(yǎng)物質

營養(yǎng)：生物體從外部環(huán)境吸收生命活動所必需的物質和能量，以滿足其生長和繁殖需要的一種生理過程。

營養(yǎng)物質：能夠滿足機體生長、繁殖和完成各種生理活動所需要的物質。

一、微生物的化學組成主要元素：碳、氫、氧、氮微量元素：磷、硫、鉀、鋅等礦物質元素占細菌細胞干重的90%-97%占細菌細胞干重的3%-10%二、微生物的營養(yǎng)物質按照它們在機體中的生理作用不同，區(qū)分成:氮源碳源能源生長因子礦物質元素水微生物的營養(yǎng)要素水

功能：

(1)

是微生物細胞的重要組成成分，占微生物體濕重的70%～90%，還供給微生物氧和氫兩種元素；

(2)

維持細胞膨壓，并使原生質保持溶膠狀態(tài)；

(3)水是物質代謝的原料；

(4)微生物從外界吸收營養(yǎng)或從內部排泄廢物的媒介；

(5)是熱的良好導體，比熱高，能有效地吸收代謝過程中放出的熱并將其迅速散發(fā)，以免胞內溫度驟然升高。碳源

凡可被微生物用來構成細胞物質或代謝產(chǎn)物中碳架來源的營養(yǎng)物通稱碳源（carbonsource）。利用有機碳源的異養(yǎng)型微生物，其碳源往往同時又是能源。此時，碳源是一種具有雙功能的營養(yǎng)物。另一類種類較少的自養(yǎng)型微生物，則以CO2為主要碳源。碳源種類簡單的無機含碳化合物---CO2和碳酸鹽等；復雜的天然有機化合物---糖與糖的衍生物、醇類、有機酸、脂類、烴類、芳香族化合物以及各種含氮的有機化合物；在多糖中，淀粉明顯地優(yōu)于纖維素或幾丁質等多糖，純多糖則優(yōu)于瓊脂等雜多糖和其他聚合物（如木質素）等。微生物對糖類的利用，單糖優(yōu)于雙糖和多糖；氮源凡是能為微生物生長提供氮素來源的營養(yǎng)物質稱為氮源。氮源｛有機氮無機氮NH3銨鹽硝酸鹽N2｛｛尿素蛋白質核酸氨基酸根據(jù)對氨基酸合成的能力分為：氨基酸自養(yǎng)型和氨基酸異養(yǎng)型固氮微生物：當沒有化合態(tài)氮利用時，能利用N2作為唯一氮源，通過固氮酶將其還原為NH3，再進一步合成所需的全部有機氮化合物。能源能源：能為微生物的生命活動提供最初能量來源營養(yǎng)物或輻射能能源｛化學物質光能｛化能異養(yǎng)微生物的能源有機物無機物化能自養(yǎng)微生物的能源光能自養(yǎng)和光能異養(yǎng)微生物的能源許多營養(yǎng)物具有一種以上的營養(yǎng)功能。1、還原態(tài)無機營養(yǎng)物常是雙功能的；2、有機物常起著雙功能或三功能的營養(yǎng)作用，例如以N，C，H，O類元素組成的營養(yǎng)物常是異養(yǎng)型微生物的能源、碳源兼氮源。3、光是光合微生物所利用的單功能能源。能作為化能自養(yǎng)微生物能源的物質都是一些還原態(tài)的無機物質，例如NH4+，NO2-，S，H2S，H2和Fe2+等，這些化能自養(yǎng)型的細菌包括硝化細菌、硫化細菌、氫細菌和鐵細菌等礦物質元素作用酶活性中心的組成部分調節(jié)微生物的原生質膠體狀態(tài)，維持細胞的滲透平衡維持生物大分子和細胞結構的穩(wěn)定性控制細胞的氧化還原電位作為某些微生物的能源物質構成細胞的結構成分根據(jù)微生物生長繁殖對無機鹽（mineralsalts）需要量的大小，可分為常量元素和微量元素兩大類。生長所需濃度在10-3～10-4mol/L范圍內的元素，可稱為常量元素，例如S、P、K、Na、Ca、Mg、Fe等。所需濃度在10-6

～

10-8mol/L范圍內的元素，則稱為微量元素，如Cu、Zn、Mn、Mo、Co、Ni、Sn、Se等。Fe實際上是介于大量元素與微量元素之間。生長因子生長因子：那些微生物生長所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以滿足機體生長需要的有機化合物根據(jù)生長因子的化學結構和它們在機體中的生理功能的不同，可將生長因子分為維生素、氨基酸與堿基三大類主要用來構成酶的輔基或輔酶第二節(jié)微生物的營養(yǎng)類型碳源CO2有機物

自養(yǎng)

異養(yǎng)能源太陽光氧化有機物或無機物光能營養(yǎng)化能營養(yǎng)化能異養(yǎng)型光能自養(yǎng)型光能異養(yǎng)型化能自養(yǎng)型光能自養(yǎng)型化能自養(yǎng)型光能異養(yǎng)型化能異養(yǎng)型碳源CO2CO2簡單有機物或CO2有機物能源光能無機物的氧化光能有機物氧化降解供氫體無機物（H2O，H2S）無機物有機物有機物代表種藍細菌硝化細菌紅螺菌真菌第三節(jié)微生物攝取營養(yǎng)的方式營養(yǎng)物質從微生物所處的周圍環(huán)境通過細胞膜進人細胞的方式，可分為4種類型，即簡單擴散、促進擴散、主動運輸和基團轉位。微生物攝取營養(yǎng)物質主要有胞吞作用和滲透吸收；絕大多數(shù)微生物是滲透吸收，各種營養(yǎng)物質直接通過細胞膜的滲透和選擇性吸收進入細胞。簡單擴散（simplediffusion）營養(yǎng)物質在擴散通過細胞膜的過程中不消耗能量，也不發(fā)生化學變化。物質擴散的動力是物質在膜內外的濃度差。非特異性。簡單擴散不是微生物吸收營養(yǎng)物質的主要方式，以這種方式運輸?shù)奈镔|主要是一些分子量小與脂溶性的物質。如水、一些氣體（如氧）、甘油和某些離子。促進擴散（facilitateddiffusion）

需要載體蛋白的參與；高度的立體專一性；不需要能量；載體蛋白能促進物質運輸加快進行，但營養(yǎng)物質仍不能逆濃度梯度吸收；多見于真核微生物，例如酵母菌，某些物質的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌是通過這種方式完成的。主動運輸（activetransport）需要載體蛋白的參與；高度的立體專一性；需要消耗能量，并且可以逆濃度梯度運輸。是一種廣泛存在于微生物中的主要物質運輸方式。微生物在生長與繁殖過程中所需要的多數(shù)營養(yǎng)物質如氨基酸等主要是通過主動運輸?shù)姆绞竭\輸?shù)摹ｂc鉀泵細胞外細胞內11234磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸酶IHPr酶IIa酶IIb酶IIc磷酸糖膜內膜外細胞膜糖大腸桿菌磷酸轉移酶系統(tǒng)（PTS)基團轉移（grouptransport）既需要載體蛋白又需要消耗能量的物質運輸方式。有一個復雜的運輸酶系統(tǒng)來完成物質的運輸，底物在運輸過程中發(fā)生化學結構變化。主要存在于厭氧細菌和兼性厭氧細菌中。主要用于糖的運輸以及脂肪酸、核苷、堿基等物質的運輸。第四節(jié)培養(yǎng)基培養(yǎng)基是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質。任何培養(yǎng)基都應該具備微生物生長所需要六大營養(yǎng)要素：碳源、氮源、無機鹽、能源、生長因子、水培養(yǎng)基配制應遵循的原則目的明確：根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基；營養(yǎng)協(xié)調：控制不同營養(yǎng)物的合適配比（C/N比）；物理化學調件合適：將培養(yǎng)基的水活度、pH和氧化還原電勢控制在適宜的范圍之內；

滅菌處理：培養(yǎng)基應無菌。經(jīng)濟節(jié)約：所用原料應遵循經(jīng)濟節(jié)約、來源廣泛的原則。按成分不同劃分復合培養(yǎng)基合成培養(yǎng)基半合成培養(yǎng)基化學成分不詳和化學成分已知的化合物配成的培養(yǎng)基。馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基：馬鈴薯200g蔗糖20gH2O1000ml。化學成分完全了解的物質配制而成的培養(yǎng)基放線菌（高氏1號）淀粉20gK2HPO40.5gNaCl0.5gMgSO4.7H2O0.5gKNO31gFeSO40.01gH2O1000ml含有化學成分還不清楚或化學成分不恒定的天然有機物細菌（牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基）：牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5gH2O1000ml按物理狀態(tài)不同劃分固體培養(yǎng)基液體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基在液體培養(yǎng)基中加入一定量凝固劑，使其成為固體狀態(tài)，瓊脂含量一般為1.5%-2.0%瓊脂含量一般為0.2%-0.7%不加任何凝固劑固體培養(yǎng)基常用來進行微生物的分離、鑒定、活菌計數(shù)及菌種保藏觀察微生物的運動特征、分類鑒定及噬菌體效價滴定

大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及在實驗室進行微生物的基礎理論和應用方面的研究按用途不同劃分基礎培養(yǎng)基鑒別培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基基礎培養(yǎng)基牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基是最常用的基礎培養(yǎng)基含有一般微生物生長繁殖所需的基本營養(yǎng)物質的培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基用來將某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來的培養(yǎng)基培養(yǎng)基中加入某種化學物質，這種化學物質沒有營養(yǎng)作用，對所需分離的微生物無害，但可以抑制或殺死其他微生物。如結晶紫、抗生素等。1、加富培養(yǎng)基也稱營養(yǎng)培養(yǎng)基，即在基礎培養(yǎng)基中加入某些特殊營養(yǎng)物質制成的一類營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基。如：纖維素分解菌。2、抑制性選擇培養(yǎng)基鑒別培養(yǎng)基在成分中加有能與目的菌的無色代謝產(chǎn)物發(fā)生明顯顯色反應的指示劑，從而達到只需肉眼就能方便地從近似菌落中找出目的菌落的培養(yǎng)基。伊紅美藍乳糖培養(yǎng)基（EMB培養(yǎng)基）15.0瓊脂2.0磷酸氫二鉀(K2HPO4)0.065美藍0.4伊紅γ10.0乳糖10.0蛋白胨(g)-無色好-很好

志賀氏菌-紅色

好-很好

糞大腸菌群-無好-很好

沙門氏菌-無色不長-差金黃色葡萄球菌+黑色

好-很好大腸桿菌DH5α+黑色

好-很好大腸桿菌JM109+黑色

好-很好大腸桿菌金屬光澤菌落顏色

生長情況

質控菌株第五節(jié)微生物的能量代謝代謝（metabolism）：活細胞內發(fā)生的各種化學反應的總和復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]物質代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)能量代謝產(chǎn)能代謝耗能代謝能量代謝是一切生物代謝的核心問題化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物高能化合物（ATP）最初能源有機物還原態(tài)無機物日光通用能源1底物水平磷酸化

不需氧，不經(jīng)過呼吸鏈。X~P+ADP→ATP+X3光合磷酸化光合微生物捕捉光能，轉給ATP①藻類、藍細菌：有光合系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ，進行環(huán)式和非環(huán)式光合作用。CO2+H2O→-(CH2O)n-+O2↑②綠細菌：只有光合系統(tǒng)Ⅰ，進行環(huán)式光合磷酸化CO2+2H2S→-(CH2O)n-+H2O+2S2氧化磷酸化需氧氣，經(jīng)過呼吸鏈。物質氧化放出的電子在呼吸鏈中傳遞時，放出能量，生成ATP一、ATP產(chǎn)生的主要方式定義：物質在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成，這種產(chǎn)生ATP等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化

3-磷酸甘油醛1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸底物水平磷酸化氧化磷酸化定義：物質在體內氧化時釋放的能量供給ADP與無機磷合成ATP的偶聯(lián)反應

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸黃素腺嘌呤二核苷酸特點：物質氧化產(chǎn)生的質子和電子，通過一系列電子傳遞體，傳給末端電子受體，并在此過程中生成ATP，即電子傳遞與磷酸化相偶聯(lián)

Respirationchain呼吸鏈：指從葡萄糖或其他氧化型化合物上脫下的氫（電子）經(jīng)過一系列按照氧化還原勢由低到高順序排列的氫（電子）傳遞體，定向有序的傳遞系統(tǒng)。光合磷酸化由光照引起的電子傳遞作用與磷酸化作用相偶聯(lián)而生成ATP的過程，即將光能轉化為化學能的過程。光能營養(yǎng)微生物非環(huán)式光合磷酸化真核生物：藻類及綠色植物原核生物：藍細菌真細菌：光合細菌紫膜光合磷酸化：嗜鹽菌環(huán)式光合磷酸化1、非環(huán)式光合磷酸化④還原力來自H2O的光解③同時產(chǎn)生還原力、ATP和O2②有PSⅠ和PSⅡ2個光合系統(tǒng)特點：①有氧條件下進行2、環(huán)式光合磷酸化④不產(chǎn)生氧③還原力來自H2S等無機物②產(chǎn)能與產(chǎn)還原力分別進行特點：①電子傳遞途徑屬循環(huán)方式3、嗜鹽菌紫膜的光合作用一種只有嗜鹽菌才有的，無葉綠素或細菌葉綠素參與的獨特的光合作用。紫膜的光合磷酸化是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最簡單的光合磷酸化反應生物氧化：物質在生物體內經(jīng)過一系列連續(xù)的氧化還原反應逐步分解并放出能量的過程。生物氧化的形式某物質與氧結合脫氫失去電子生物氧化的功能產(chǎn)能（ATP）產(chǎn)還原力[H]產(chǎn)小分子中間代謝物生物氧化的過程脫氫（或電子）遞氫（或電子）受氫（或電子）生物氧化的類型有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵二、微生物氧化方式有氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵過程示意圖發(fā)酵：在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接交某一內源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應①產(chǎn)能方式：底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP。②電子受體：底物形成的中間產(chǎn)物又作為受氫體接受氫形成新產(chǎn)物，不需氧氣參加。③底物去向：底物氧化不徹底，只釋放部分能量。1、發(fā)酵作用乙醇發(fā)酵

酵母菌的乙醇發(fā)酵：

C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP不同的微生物進行乙醇發(fā)酵的途徑和產(chǎn)物不同，主要有酵母菌的乙醇發(fā)酵和細菌的乙醇發(fā)酵。接合單胞菌的乙醇發(fā)酵（ED途徑）：

C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+ATP乳酸發(fā)酵

P.KH.K異型乳酸發(fā)酵：指發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外，還有其它的化合物。

腸膜狀明串珠菌：葡萄糖——→1乳酸+1乙醇+1CO2+1ATP

雙岐桿菌：

2×葡萄糖——→2乳酸+3乙酸+5ATP

（P.K為磷酸戊糖解酮酶，H.K為磷酸已糖解酮酶）

同型乳酸發(fā)酵：指發(fā)酵產(chǎn)物只有單一的乳酸

德氏乳桿菌：

C6H12O6——→2乳酸+2ATP丁酸梭狀芽孢桿菌（Clostridiumbutyricum）可以發(fā)酵葡萄糖得到丁酸

4C6H12O6——→2乙酸＋3丁酸＋8CO2＋8H2＋10ATP

每mol葡萄糖在發(fā)酵中大約產(chǎn)2.5個ATP。丁酸發(fā)酵與丙酮丁醇發(fā)酵

丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）葡萄糖—→丁醇＋丙酮＋乙酸＋乙醇＋H2＋CO2＋ATP

2、呼吸作用

Aerobicrespiration有氧呼吸:以分子氧作為最終電子受體的呼吸。

Anaerobicrespiration無氧呼吸：以氧以外的其他氧化型化合物作為最終電子受體的呼吸。

巴斯德效應：由于葡萄糖在有氧呼吸中產(chǎn)生的能量要比在發(fā)酵中產(chǎn)生的多，所以在有氧條件下，兼性厭氧微生物終止厭氧發(fā)酵而轉向有氧呼吸，這種呼吸抑制發(fā)酵的現(xiàn)象稱為巴斯德效應。又稱好氧呼吸，是一種最普遍又最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式特點：底物常規(guī)方式脫氫后，脫下的氫經(jīng)完整的呼吸鏈又稱電子傳遞鏈傳遞，最終被外源分子氧接受，產(chǎn)生了水并釋放出ATP形式的能量。A、有氧呼吸呼吸鏈末端的電子受體不是氧可作為電子受體的物質：

NO3－

NO2－

SO42－

CO2

能量生成效率低于氧B、無氧呼吸三、能量的消耗生物合成運動營養(yǎng)運輸

生物發(fā)光

生物熱自然界中的微生物絕大多數(shù)是化能異養(yǎng)型的微生物，這些微生物從外界吸收營養(yǎng)物質以后，通過微生物細胞中的酶進行分解代謝產(chǎn)生能量ATP和小分子有機物。微生物進行合成代謝的前體物ATP是合成代謝所必需的能量的主要源泉第六節(jié)微生物的分解代謝不含氮有機物的降解

淀粉的降解：淀粉→葡萄糖纖維素的降解：纖維素→葡萄糖半纖維素的降解：半纖維素→單糖+糖醛酸果膠質的降解：果膠→半乳糖醛酸+甲醇木質素的降解木質素的化學結構較復雜，它是由許多芳香族亞基縮合而成的聚合物。木質素――――――→乙酸+琥珀酸

一、大分子有機物的分解含N有機物的降解

蛋白質的降解蛋白質―→多肽―→AA―→CO2+NH3幾丁質的降解幾丁質―→寡聚糖――→N-乙酰葡萄糖胺→乙酸+葡萄糖胺――→葡萄糖+NH3尿素的降解尿素+2H2O―→（NH4）2CO3―→2NH3+CO2＋H2O

含磷有機物的降解

卵磷脂―――→甘油―→P-甘油―→EMP脂肪酸―→乙酰COA―→TCA膽堿―→NH3+CO2+有機酸磷酸核酸――→核苷酸―――→磷酸+核苷―→嘌呤+嘧啶卵磷脂酶

核酸酶核苷酸酶含S有機物的降解

胱氨酸+3H2O+1/2O2→2乙酸+2CO2+2H2S+2NH3油脂的降解

油脂―――→脂肪酸------→乙酰COA→TCA甘油＋Pi--→P－甘油→EMP

烴類物質的降解

甲烷是最簡單的烴類物質，能被甲基營養(yǎng)菌作C源利用。

脂肪酶A、EMP途徑B、HMP途徑C、ED途徑D、TCA循環(huán)1、底物脫氫的4條途徑二、己糖的分解底物脫氫的4條途徑及其與遞氫、受氫的聯(lián)系A、糖酵解途徑（EMP途徑）EMP途徑為合成代謝提供了：