微生物營養(yǎng)和代謝課件

1、微生物營養(yǎng)和代謝第二章 微生物的營養(yǎng)與代謝（微生物的營養(yǎng)與代謝（1）微生物營養(yǎng)和代謝v營養(yǎng)要求v營養(yǎng)類型v培養(yǎng)基v能量代謝 主要內(nèi)容主要內(nèi)容微生物營養(yǎng)和代謝微生物需要的營養(yǎng)物質(zhì)從元素成分看，需要最多的是C、O、H、N、S、P、K、Ca、Mg、Fe等10種，其中C、O、H、N、S、P六種還是碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)和核酸的組成成分，其它元素用以組成酶及各種輔助因子.營養(yǎng)物質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)及其功能其功能微生物營養(yǎng)和代謝 碳素養(yǎng)料碳素養(yǎng)料 碳是微生物的基本營養(yǎng)元素，它占細(xì)胞干重的50。微生物可以利用的碳源總體上可分為無機(jī)碳和有機(jī)碳。不同的微生物種類利用碳源的差別很大。許多微生物在利用有機(jī)物作碳源的同時(shí)，

2、也常常獲得氧和氫，分子氧是部分微生物不可缺少的成分，分子氫則可以作為能量來源。微生物營養(yǎng)和代謝實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)微生物時(shí)常用的碳源主要有葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有機(jī)酸等。 碳素養(yǎng)料碳素養(yǎng)料微生物營養(yǎng)和代謝氮素養(yǎng)料氮是蛋白質(zhì)的基本成分，也是核酸等重要細(xì)胞物質(zhì)的必要元素。從分子態(tài)氮和無機(jī)氮到有機(jī)氮化合物都可以作為微生物的氮源。實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)微生物常用的氮源主要有銨鹽、硝酸鹽、尿素、蛋白胨和牛肉膏。 微生物營養(yǎng)和代謝礦質(zhì)元素養(yǎng)料大量元素：主要有磷、鉀、鎂、鈣、硫、鈉等。微量元素：鐵、硼、銅、鋅等。微生物多能從自來水和其他營養(yǎng)物質(zhì)所含的微量礦物質(zhì)中獲得。 微生物營養(yǎng)和代謝生長因子（growth f

3、actor） 是一類對(duì)微生物正常代謝所必需且不能用簡單的碳源或氮源自行合成的有機(jī)物。 通常包括三大類：維生素、氨基酸和核苷主要是用來構(gòu)成酶的輔酶或輔基，是酶活性所必須的成分。 微生物營養(yǎng)和代謝微生物營養(yǎng)類型依據(jù)微生物獲取能量和碳源的方式，可以將其區(qū)分為光能無機(jī)營養(yǎng)、光能有機(jī)營養(yǎng)、化能無機(jī)營養(yǎng)和化能有機(jī)營養(yǎng)四種類型。微生物營養(yǎng)和代謝營養(yǎng)類型光能自養(yǎng)型光能異養(yǎng)型化能自養(yǎng)型化能異養(yǎng)型能源光能光能化學(xué)能化學(xué)能主要碳源CO2CO2和簡單的小分子有機(jī)物CO2有機(jī)物氫或電子供體無機(jī)物有機(jī)物無機(jī)物有機(jī)物實(shí)例藍(lán)細(xì)菌、藻類紫色無硫細(xì)菌硝化細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫化細(xì)菌絕大多數(shù)細(xì)菌和全部真核微生物微生物營養(yǎng)和代謝藻類、；藍(lán)

4、細(xì)菌CO2 + H2O Light + Chlorophyll （CH2O） +O2紫色細(xì)菌和綠色細(xì)菌CO2 + 2H2S Light + bacteriochlorophyll （CH2O） + H2O + 2S紅螺菌屬CO2 + 2CH3CHOHCH3 Light + bacteriochlorophyll （CH2O） + H2O + 2CH3COCH3 光能自養(yǎng)型光能自養(yǎng)型光能異養(yǎng)型光能異養(yǎng)型微生物營養(yǎng)和代謝 化能自養(yǎng)型化能自養(yǎng)型Nitrifying bacteria2 NH4+ + 3 O2 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+ + 132 Kcal細(xì)菌電子供體電子受體產(chǎn)物Al

5、caligens and Pseudomonas sp.H2O2H2ONitrobacterNO2-O2NO3- , H2ONitrosomonasNH4+O2NO2- , H2ODesulfovibrioH2SO4 2-H2O. H2SThiobacillus denitrificansS0. H2SNO3-SO4 2- , N2Thiobacillus ferrooxidansFe2+O2Fe3+ , H2O微生物營養(yǎng)和代謝化能異養(yǎng)型以有機(jī)物為能源和碳源的微生物，包含種類最多，目前在已知微生物中絕大多數(shù)細(xì)菌、全部真菌、原生動(dòng)物和病毒都屬于這一類。微生物營養(yǎng)和代謝培養(yǎng)基（culture me

6、dium）是一種人工配制的、適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物用的混合養(yǎng)料。 微生物營養(yǎng)和代謝培養(yǎng)基的配制原則營養(yǎng)成分及配比要恰當(dāng)，根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基；培養(yǎng)基的濃度要恰當(dāng)；物理化學(xué)條件適宜 微生物營養(yǎng)和代謝培養(yǎng)基的類型及其應(yīng)用 據(jù)化學(xué)組成分：合成培養(yǎng)基與天然培養(yǎng)基據(jù)物理狀態(tài)分：液體培養(yǎng)基、固體培養(yǎng)基和半固體培養(yǎng)基據(jù)用途分：基礎(chǔ)培養(yǎng)基、加富培養(yǎng)基、選擇培養(yǎng)基和鑒別培養(yǎng)基。 微生物營養(yǎng)和代謝2.2 微生物的能量代謝細(xì)胞中的氧化還原反應(yīng)與能量產(chǎn)生微生物營養(yǎng)和代謝高能化合物和ATP的合成 在水解過程中能夠釋放大量自由能的有機(jī)物分子。一般水解時(shí)釋放的自由能大于29.3kJ/mol。

7、細(xì)胞中的高能化合物ATP、乙酰輔酶A、乙酰磷酸、1，3-二磷酸甘油酸等 微生物營養(yǎng)和代謝ATP合成途徑細(xì)胞產(chǎn)生ATP有三種方式： 底物水平磷酸化；氧化磷酸化（呼吸鏈磷酸化）；光合磷酸化。微生物營養(yǎng)和代謝底物水平磷酸化通過轉(zhuǎn)移底物在生物氧化過程中形成的高能化合物的高能磷酸鍵，直接形成ATP的過程稱為底物水平磷酸化。微生物營養(yǎng)和代謝下面是發(fā)生底物水平磷酸化的幾種重要反應(yīng) 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+乙酸微生物營養(yǎng)和代謝底物水平磷酸化的特點(diǎn)底物在生物氧化中脫下的電子或氫不經(jīng)過電子

8、傳遞鏈傳遞，而是通過酶促反應(yīng)直接交給底物自身的氧化產(chǎn)物，同時(shí)將釋放出的能量(一般通過高能磷酸鍵)交給ADP，形成ATP。底物水平磷酸化是微生物在發(fā)酵中產(chǎn)生ATP的唯一方式，在呼吸過程雖也存在，但處于次要地位。微生物營養(yǎng)和代謝氧化磷酸化底物在生物氧化過程中放出的電子通過電子傳遞鏈傳到氧或其他氧化物，同時(shí)形成ATP的過程稱為電子傳遞磷酸化或呼吸水平磷酸化。微生物營養(yǎng)和代謝電子傳遞磷酸化的核心“元件”為電子傳遞鏈(ETC，electron transport chain)，或稱為 呼吸鏈(RC，respiratory chain)。ETC由若個(gè)氫和電子傳遞體按氧化還原電位高低順序排列而成，相當(dāng)于一段

9、由有機(jī)物分子連接而成的“生物導(dǎo)線”，電子在該導(dǎo)線上流動(dòng)時(shí)作功，形成ATP。組成ETC的成員主要有醌及醌衍生物、細(xì)胞色素、鐵硫蛋白及黃素蛋白4類化合物微生物營養(yǎng)和代謝微生物營養(yǎng)和代謝光合磷酸化光合磷酸化是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程。其中光合色素起著重要作用。一般分為循環(huán)式光合磷酸化和非循環(huán)式光合磷酸化，此外有紫膜光合磷酸化。 微生物營養(yǎng)和代謝非環(huán)式光合磷酸化通過光驅(qū)動(dòng)的電子在ETC上單向流動(dòng)形成ATP、NADPH2和O2的過程稱為非環(huán)式光合磷酸化。這是藍(lán)細(xì)菌、藻類及各種綠色植物利用光能產(chǎn)生ATP的共同途徑。該途徑有4個(gè)特點(diǎn)：電子在ETC上單向傳遞，不形成循環(huán)；有兩個(gè)光合系統(tǒng)；反應(yīng)中同時(shí)產(chǎn)生ATP(

10、產(chǎn)自光合系統(tǒng))、還原力NADPH2(產(chǎn)自光合系統(tǒng))和O2 3種產(chǎn)物 ；NADPH2中的H來自H2O光解釋放的H+和e。微生物營養(yǎng)和代謝循環(huán)式光合磷酸化厭氧光合細(xì)菌中存在的通過光驅(qū)動(dòng)的電子循環(huán)式傳遞形成ATP的過程稱為環(huán)式光合磷酸化。過程是細(xì)菌葉綠素吸收光能處于激發(fā)狀態(tài)，放出高能電子。電子通過鐵氧還蛋白、泛醌、Cytb及Cytc組成的環(huán)狀ETC自動(dòng)返回帶正電的葉綠素分子，在Cytb與Cytc間形成ATP環(huán)式光合磷酸化的產(chǎn)物只有ATP，無NAD(P)H2，也不產(chǎn)O2微生物營養(yǎng)和代謝微生物營養(yǎng)和代謝紫膜光合磷酸化紫膜光合磷酸化 微生物營養(yǎng)和代謝微生物細(xì)胞中能量的釋放與利用根據(jù)最終電子受體不同，微生物

11、產(chǎn)生能量的方式有發(fā)酵、有氧呼吸和無氧呼吸三種。微生物營養(yǎng)和代謝發(fā)酵（fermentation)指在無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力H不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能過程。此過程中電子供體和受體都是有機(jī)物分子，作為基質(zhì)的有機(jī)物只是部分碳原子被氧化，所形成的中間代謝產(chǎn)物又被作為受氫體接受氫而形成新的產(chǎn)物。酒精發(fā)酵和乳酸發(fā)酵是這類作用的典型代表，發(fā)酵產(chǎn)生ATP的機(jī)制主要是底物水平的磷酸化。 微生物營養(yǎng)和代謝有氧呼吸（ aerobic respiration)微生物在氧化底物時(shí)以分子氧作為最終電子受體的氧化作用。通過有氧呼吸可將有機(jī)物徹底氧化，釋放出大量能量，其中一部分轉(zhuǎn)移到ATP中，另一部分以熱的形式釋放。特點(diǎn)必須有氧氣參加，底物氧化徹底，產(chǎn)能量大。 微生物營養(yǎng)和代謝無氧呼吸無氧呼吸（anaerobic respiration）化合物氧化脫下來的氫和電子經(jīng)過呼吸鏈傳遞，最終交給無機(jī)氧化物的過程。 微生物營養(yǎng)和代謝與有氧呼吸的比較不同之處：在此過程