第二章微生物的生理詳解演示文稿

第二章微生物的生理詳解演示文稿當(dāng)前1頁，總共49頁。優(yōu)選第二章微生物的生理當(dāng)前2頁，總共49頁。第一節(jié)微生物細(xì)胞的化學(xué)組成微生物細(xì)胞水：70%-90%干物質(zhì)有機(jī)物蛋白質(zhì)、糖、脂、核酸等及其降解產(chǎn)物

無機(jī)物（鹽）微生物、動物、植物之間存在“營養(yǎng)上的統(tǒng)一性”細(xì)胞化學(xué)元素組成：主要元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵等；微量元素：鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼等。當(dāng)前3頁，總共49頁。微生物的特點：食譜廣、胃口大營養(yǎng)物質(zhì)：能夠滿足生物機(jī)體生長、繁殖和完成各種生理活動所需的物質(zhì)

營養(yǎng)：生物獲得和利用營養(yǎng)物質(zhì)的過程

營養(yǎng)物質(zhì)是生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而營養(yǎng)是生物維持和延續(xù)其生命形式的一種生理過程。

第二節(jié)微生物的營養(yǎng)與代謝當(dāng)前4頁，總共49頁。一、微生物的營養(yǎng)要求微生物與動植物營養(yǎng)要素的比較當(dāng)前5頁，總共49頁。二、微生物的營養(yǎng)類型異養(yǎng)型生物自養(yǎng)型生物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)生物生長過程中能量的來源光能營養(yǎng)型化能營養(yǎng)型光能自養(yǎng)型：以光為能源，不依賴任何有機(jī)物即可正常生長光能異養(yǎng)型：以光為能源，但生長需要一定的有機(jī)營養(yǎng)化能自養(yǎng)型：以無機(jī)物的氧化獲得能量，生長不依賴有機(jī)營養(yǎng)物化能異養(yǎng)型：以有機(jī)物的氧化獲得能量，生長依賴于有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)當(dāng)前6頁，總共49頁。1．光能無機(jī)自養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）能以CO2為唯一或主要碳源；進(jìn)行光合作用獲取生長所需要的能量；以無機(jī)物如H2、H2S、H2O、S等作為供氫體或電子供體，使CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；藻類及藍(lán)細(xì)菌等和植物一樣，以水為電子供體（供氫體），進(jìn)行產(chǎn)氧型的光合作用，合成細(xì)胞物質(zhì)。紅硫細(xì)菌，以H2S為電子供體，產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)，并伴隨硫元素的產(chǎn)生。CO2+2H2S光能光合色素[CH2O]+2S+H2O當(dāng)前7頁，總共49頁。2．光能有機(jī)異養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）不能以CO2為主要或唯一的碳源；以有機(jī)物作為供氫體，利用光能將CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)；在生長時大多數(shù)需要外源的生長因子；例如，紅螺菌屬中的一些細(xì)菌能利用異丙醇作為供氫體，將CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)，同時積累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O當(dāng)前8頁，總共49頁。光能無機(jī)自養(yǎng)型和光能有機(jī)異養(yǎng)型微生物可利用光能生長，在地球早期生態(tài)環(huán)境的演化過程中起重要作用。當(dāng)前9頁，總共49頁。3．化能無機(jī)自養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）生長所需要的能量來自無機(jī)物氧化過程中放出的化學(xué)能；以CO2或碳酸鹽作為唯一或主要碳源進(jìn)行生長時，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等無機(jī)物作為電子供體使CO2還原成細(xì)胞物質(zhì)。化能無機(jī)自養(yǎng)型只存在于微生物中，可在完全沒有有機(jī)物及無光的環(huán)境中生長。它們廣泛分布于土壤及水環(huán)境中,參與地球物質(zhì)循環(huán)；當(dāng)前10頁，總共49頁。4．化能有機(jī)異養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）生長所需要的能量均來自有機(jī)物氧化過程中放出的化學(xué)能；生長所需要的碳源主要是一些有機(jī)化合物，

如淀粉、糖類、纖維素、有機(jī)酸等。有機(jī)物通常既是碳源也是能源；大多數(shù)細(xì)菌、真菌、原生動物都是化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；所有致病微生物均為化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物；

當(dāng)前11頁，總共49頁。腐生型(metatrophy)：可利用無生命的有機(jī)物(如動植物尸體和殘體)作為碳源；寄生型(paratrophy)：寄生在活的寄主機(jī)體內(nèi)吸取營養(yǎng)物質(zhì),離開寄主就不能生存；在腐生型和寄生型之間還存在中間類型：兼性腐生型(facultivemetatrophy)；兼性寄生型(facultiveparatrophy)；當(dāng)前12頁，總共49頁。不同營養(yǎng)類型之間的界限并非絕對：異養(yǎng)型微生物并非絕對不能利用CO2；自養(yǎng)型微生物也并非不能利用有機(jī)物進(jìn)行生長；有些微生物在不同生長條件下生長時,其營養(yǎng)類型也會發(fā)生改變；例如紫色非硫細(xì)菌(purplenonsulphurbacteria)：沒有有機(jī)物時，同化CO2，

為自養(yǎng)型微生物；有機(jī)物存在時，利用有機(jī)物進(jìn)行生長，為異養(yǎng)型微生物；光照和厭氧條件下，利用光能生長，為光能營養(yǎng)型微生物；黑暗與好氧條件下，依靠有機(jī)物氧化產(chǎn)生的化學(xué)能生長，為化能營養(yǎng)型微生物；微生物營養(yǎng)類型的可變性無疑有利于提高其對環(huán)境條件變化的適應(yīng)能力當(dāng)前13頁，總共49頁。5．營養(yǎng)缺陷型某些菌株發(fā)生突變(自然突變或人工誘變)后，失去合成某種(或某些)對該菌株生長必不可少的物質(zhì)(通常是生長因子如氨基酸、維生素)的能力，必須從外界環(huán)境獲得該物質(zhì)才能生長繁殖，這種突變型菌株稱為營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)，相應(yīng)的野生型菌株稱為原養(yǎng)型(prototroph)。經(jīng)常用來進(jìn)行微生物遺傳學(xué)方面的研究。當(dāng)前14頁，總共49頁。三、微生物細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換一、單純擴(kuò)散(simplediffusion)二、促進(jìn)擴(kuò)散(facilitateddiffusion)三、主動運輸(activetransport)四、基團(tuán)轉(zhuǎn)位(grouptranslocation)當(dāng)前15頁，總共49頁。1.單純擴(kuò)散當(dāng)前16頁，總共49頁。物質(zhì)跨膜擴(kuò)散的能力和速率與該物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),分子量小、脂溶性、極性小的物質(zhì)易通過擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞。擴(kuò)散并不是微生物細(xì)胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式,水是唯一可以通過擴(kuò)散自由通過原生質(zhì)膜的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些氣體分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通過擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞。當(dāng)前17頁，總共49頁。2.促進(jìn)擴(kuò)散(facilitateddiffusion)被動的物質(zhì)跨膜運輸方式物質(zhì)運輸過程中不消耗能量參與運輸?shù)奈镔|(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化不能進(jìn)行逆濃度運輸運輸速率與膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差成正比。

通過促進(jìn)擴(kuò)散進(jìn)行跨膜運輸?shù)奈镔|(zhì)需要借助與載體(carrier)的作用才能進(jìn)入細(xì)胞，而且每種載體只運輸相應(yīng)的物質(zhì)，具有較高的專一性。

當(dāng)前18頁，總共49頁。載體只影響物質(zhì)的運輸速率，并不改變該物質(zhì)在膜內(nèi)外形成的動態(tài)平衡狀態(tài)；這種性質(zhì)都類似于酶的作用特征，因此載體蛋白也稱為透過酶；透過酶大都是誘導(dǎo)酶,只有在環(huán)境中存在機(jī)體生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)時，相應(yīng)的透過酶才合成。當(dāng)前19頁，總共49頁。3.主動運輸(activetransport)在物質(zhì)運輸過程中需要消耗能量可以進(jìn)行逆濃度運輸主動運輸是廣泛存在于微生物中的一種主要的物質(zhì)運輸方式運輸物質(zhì)所需能量來源：好氧型微生物與兼性厭氧微生物直接利用呼吸能；厭氧型微生物利用化學(xué)能(ATP)；光合微生物利用光能；嗜鹽古菌通過紫膜(purplemembrane)利用光能；

當(dāng)前20頁，總共49頁。當(dāng)前21頁，總共49頁。初級主動運輸(primaryactivetransport)當(dāng)前22頁，總共49頁。次級主動運輸(secondaryactivetransport)當(dāng)前23頁，總共49頁。Na+,K+-ATP酶(Na+,K+-ATPase)系統(tǒng)當(dāng)前24頁，總共49頁。4.基團(tuán)轉(zhuǎn)位(grouptranslocation)基團(tuán)轉(zhuǎn)位主要存在于厭氧型和兼性厭氧型細(xì)菌中，主要用于糖的運輸。脂肪酸、核苷、堿基等也可通過這種方式運輸。有一個復(fù)雜的運輸系統(tǒng)來完成物質(zhì)的運輸；物質(zhì)在運輸過程中發(fā)生化學(xué)變化；當(dāng)前25頁，總共49頁。膜泡運輸(memberanevesicletransport)膜泡運輸主要存在于原生動物中，特別是變形蟲(amoeba)，為這類微生物的一種營養(yǎng)物質(zhì)的運輸方式)當(dāng)前26頁，總共49頁。

1.酶在微生物生命活動中的作用2.酶的性質(zhì)3.酶的種類四、微生物的酶當(dāng)前27頁，總共49頁。（一）微生物呼吸的概念微生物借助自身的酶類，從物質(zhì)氧化還原中獲得能量的過程，稱為微生物的呼吸。生物氧化的功能：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物五、微生物的呼吸物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)的氧化方式：與氧結(jié)合、脫氫或脫電子當(dāng)前28頁，總共49頁。自養(yǎng)微生物利用無機(jī)物異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物生物氧化能量微生物直接利用儲存在高能化合物（如ATP）中以熱、代謝廢物等形式被釋放到環(huán)境中當(dāng)前29頁，總共49頁。底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）物質(zhì)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。當(dāng)前30頁，總共49頁。氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）當(dāng)前31頁，總共49頁。微生物的呼吸需氧呼吸：以游離的分子氧為受氫體無氧條件厭氧呼吸：以其它無機(jī)物為受氫體發(fā)酵：以各種有機(jī)化合物為受氫體（二）微生物的呼吸類型當(dāng)前32頁，總共49頁。1.需氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸發(fā)酵有氧無氧各種發(fā)酵產(chǎn)物三羧酸循環(huán)被徹底氧化生成CO2和水，釋放大量能量。當(dāng)前33頁，總共49頁。

需氧呼吸：

電子傳遞鏈；

氧分子；

(最終電子受體)當(dāng)前34頁，總共49頁。2.厭氧呼吸某些厭氧微生物（乳酸菌、肉毒梭菌）在無氧條件下進(jìn)行分子間和分子內(nèi)厭氧呼吸；無氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等無機(jī)物，或延胡索酸（fumarate）等有機(jī)物。參見P33由于部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多。當(dāng)前35頁，總共49頁。3.兼性厭氧呼吸具有需氧微生物和厭氧微生物的酶系統(tǒng)；多數(shù)微生物屬于這種類型4.微需氧呼吸當(dāng)前36頁，總共49頁。硝酸鹽呼吸：以硝酸鹽作為最終電子受體，也稱為硝酸鹽的異化作用（Dissimilative）。只能接收2個電子，產(chǎn)能效率低；NO2-對細(xì)胞有毒；有些菌可將NO2-進(jìn)一步將其還原成N2，這個過程稱為反硝化作用：當(dāng)前37頁，總共49頁。能進(jìn)行硝酸鹽呼吸的細(xì)菌被稱為硝酸鹽還原細(xì)菌，主要生活在土壤和水環(huán)境中，如假單胞菌、依氏螺菌、脫氮小球菌等。硝酸鹽還原細(xì)菌：兼性厭氧無氧時，進(jìn)行厭氧呼吸（環(huán)境中存在硝酸鹽時）；有氧時，細(xì)胞膜上的硝酸鹽還原酶活性被抑制，進(jìn)行有氧呼吸。當(dāng)前38頁，總共49頁。反硝化作用的生態(tài)學(xué)作用：硝酸鹽還原細(xì)菌進(jìn)行厭氧呼吸土壤及水環(huán)境好氧性機(jī)體的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厭氧環(huán)境土壤中植物能利用的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮氣而消失，從而降低了土壤的肥力。松土，排除過多的水分，保證土壤中有良好的通氣條件。反硝化作用在氮素循環(huán)中的重要作用硝酸鹽是一種容易溶解于水的物質(zhì)，通常通過水從土壤流入水域中。如果沒有反硝化作用，硝酸鹽將在水中積累，會導(dǎo)致水質(zhì)變壞與地球上氮素循環(huán)的中斷。當(dāng)前39頁，總共49頁。其它厭氧呼吸：硫酸鹽呼吸硫呼吸碳酸鹽呼吸產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷乙酸細(xì)菌將碳酸鹽還原成乙酸當(dāng)前40頁，總共49頁。產(chǎn)能：有氧呼吸>厭氧呼吸>發(fā)酵微生物在無氧的情況下仍然可以通過電子傳遞和氧化磷酸化來產(chǎn)生ATP，因此對很多微生物是非常重要的。除氧以外的多種物質(zhì)可被各種微生物用作最終電子受體，充分體現(xiàn)了微生物

代謝類型的多樣性。當(dāng)前41頁，總共49頁。發(fā)酵(fermentation)有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。有機(jī)化合物只是部分地被氧化，因此，只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵過程的氧化是與有機(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的。被還原的有機(jī)物來自于初始發(fā)酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。

六、微生物的代謝產(chǎn)物當(dāng)前42頁，總共49頁。發(fā)酵的種類有很多，可發(fā)酵的底物有碳水化合物、有機(jī)酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖