第五章 微生物的生长与代谢(6学时).ppt
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1、第五章第五章 微生物的生长微生物的生长与代谢与代谢(6学时学时)第五章 微生物的生长与代谢(6学时)第一节 微生物的营养(2学时)第二节 微生物的代谢(2学时)第三节 微生物的生长(2学时)第一节 微生物的营养u一、微生物的营养物质u二、微生物的营养类型u三、微生物的培养基u四、微生物营养物质的运输水 各种无机离子 氨基酸和蛋白质核苷酸和核酸脂肪酸和脂类单糖和多糖有机小分子 可分为大量元素和微量元素两类各种维生素、辅酶等 生物学溶剂,占细胞重量的70-90%一、微生物的营养物质u(一)碳源u(二)氮源u(三)能源u(四)生长因子u(五)无机盐u(六)水(一)碳源u碳源(carbon sourc
2、e):是指可以被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的物质通称u有机碳源:糖类和糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含碳的化合物;能利用有机碳源是为数众多的异养微生物u无机碳源:简单的无机含碳化合物,如CO2和碳酸盐等;能利用无机碳源的一般为自养微生物一、微生物的营养物质u(一)碳源u(二)氮源u(三)能源u(四)生长因子u(五)无机盐u(六)水(二)氮源 u氮源(nitrogen source):是指能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源u非氨基酸类的简单氮源:一部分微生物是不需要氨基酸作为氮源的,它们能利用一些简单氮源(如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气等)自行合成所需
3、要的一切氨基酸,这类微生物可称为“氨基酸自养型生物”u氨基酸氮源:凡需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物,则可称“氨基酸异养型生物”一、微生物的营养物质u(一)碳源u(二)氮源u(三)能源u(四)生长因子u(五)无机盐u(六)水(三)能源 u能源(energy source):就是能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能u异养微生物的能源:就是其碳源u自养微生物的能源:辐射能;有些细菌还能利用一些还原态的无机物质(如NH4+、N02-、S、H2、H2S和Fe2+)等作为能源一、微生物的营养物质u(一)碳源u(二)氮源u(三)能源u(四)生长因子u(五)无机盐u(六)水(四)生长
4、因子u生长因子(growth factor):是一类微量的、对微生物正常代谢必不可少、自身不能合成的有机化合物u广义的生长因子:主要包括维生素(vitamin)、氨基酸与碱基(嘧啶和嘌呤及其衍生物)三大类u狭义的生长因子:一般仅指维生素一、微生物的营养物质u(一)碳源u(二)氮源u(三)能源u(四)生长因子u(五)无机盐u(六)水(五)无机盐u无机盐:主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素u大量元素:凡是生长所需浓度在10-310-4molL范围内的元素,如P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等u微量元素:凡是所需浓度在10-610-8molL范围内的元素,如Cu、Zn、Mn、Mo和Co
5、等 一、微生物的营养物质u(一)碳源u(二)氮源u(三)能源u(四)生长因子u(五)无机盐u(六)水(六)水u水是一种最优良的溶剂:水分子具有偶极性质,它不仅是许多物质的优良溶剂,而且是胞内物质运输的媒介u水参与某些重要的生物化学反应:水可维持生物大分子结构的稳定,并参与生物化学反应;有时,水则是某些反应的最终产物u水还具有一系列重要的物理性质:高比热、高气化热、高沸点、固态水(冰)的密度小于液态水二、微生物的营养类型u1、光能无机营养型u2、光能有机营养型u3、化能无机营养型u4、化能有机营养型1、光能无机营养型u光能无机营养型(photolithotroph):又称为光能自养型;这是一类含
6、有光合色素、能以 CO2 作为唯一或主要碳源并利用光能进行生长、同时利用无机物(如硫化氢、硫代硫酸钠或水等)作为供氢体的微生物u代表类群:藻类、蓝细菌、绿硫细菌和紫硫细菌、光能有机营养型u光能有机营养型(photoorganotroph):又可称为光能异养型;这是一类含有光合色素能利用光能为能源、还原CO2合成细胞物质、同时又必须以某种有机物质作为供氢体的微生物u代表类群:红螺菌属中的一些细菌3、化能无机营养型u化能无机营养型(chemolithotroph):又称化能自养型;这是一类能氧化某种还原态的无机物质、利用所释放的化学能还原 CO2、合成有机物质,进行生长、繁殖的微生物u代表类群:硝
7、酸细菌、氢细菌、硫化细菌、硫化细菌、铁细菌4、化能有机营养型u化能有机营养型(chemoorganotroph):又称为化能异养型;这是一类以适宜的有机碳化合物(如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等)为基本碳源、以有机物氧化过程中释放的化学能为能源、以有机物为供氢体进行生长的微生物u代表类群:绝大多数细菌与全部真核微生物三、培养基u(一)培养基的配制原则u(二)培养基的类型(一)培养基的配制原则u在微生物学研究和生产实践中,配制合适的培养基是一项最基本的工作u培养基配制的四个原则:“目的明确、营养协调、条件合适、经济节约”1、目的明确u如果某培养基将用于实验室研究:一般不必过多地计较其成本;但必须明
8、确对该培养基是作一般培养用,还是作精细的生理、代谢或遗传等研究用u如果某培养基将用于大规模的发酵生产上:则应该着重考虑其成本;还应特别考虑到生产的代谢产物2、营养协调u营养要素的比例应大体符合十倍递减规律:H20(一10-1)C十能源(一10-2)N 源(一10-3)P、S(一10-4)K、Mg(一10-5)生长因子(一10-6)u碳氮比(CN):一般培养基的CN为61,但对每种微生物的最适配比需要通过试验确定微生物细胞中各元素的含量(%干重)3、条件适宜upH:微生物生长适宜的pH为5.08.0u渗透压:微生物生长适宜的渗透压为0.990.80u氧化还原势:一般好氧微生物的适宜Eh值为+0.
9、3+0.4 V4、经济节约 u以粗代精,以废代好,以简代繁u以“野生”代“栽培”u以烃代粮、以纤代糖、以氮代朊 三、培养基u(一)培养基的配制原则u(二)培养基的类型1、按化学成分划分u合成培养基:又称组合培养基;它是由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基,如用于分离培养放线菌的高氏1号培养基u半合成培养基:又称为半组合培养基,是指一类主要用已知化学成分的试剂配制,同时又添加某些未知成分的天然物质制备而成的培养基;如用于培养霉菌的马铃薯蔗糖培养基u天然培养基:是指用化学成分并不十分清楚或化学成分不恒定的天然有机物质配制而成培养基;如用于培养细菌的牛肉膏蛋白胨培养基2、按物理状态划分u液体培养
10、基:是指呈液体状态的培养基u固体培养基:是指呈固化状态的培养基,是由液体培养基中加入凝固剂而成;琼脂是最为优良与应用最为广泛的凝固剂;通常在液体培养基中加入 12%的琼脂u半固体培养基:是指在液体培养基中加入少量凝固剂而制成的坚硬度较低的固体培养基;一般常用的琼脂浓度为 0.2 0.7%3、按特定用途划分u基础培养基:含有一般微生物生长繁殖所需基本营养成分的培养基u加富培养基:指在基础培养基中加入某些特殊需要的营养成分配制而成的,一般用于培养对营养要求比较苛刻的微生物u选择性培养基:用于从混杂的微生物群落中选择性地分离某种或某类微生物而配制的培养基u鉴别培养基:用于鉴别不同微生物类型的培养基四
11、、微生物营养物质的运输比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白无有有有物质运输方向 由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓能量消耗不需要不需要需要需要运后物质结构不变不变不变改变第五章 微生物生长与代谢(6学时)第一节 微生物的营养(2学时)第二节 微生物的代谢(2学时)第三节 微生物的生长(2学时)第二节 微生物的代谢u一、微生物的能量代谢u二、微生物的呼吸作用u三、微生物的同化作用代谢的概念u新陈代谢(metabolism):简称代谢,是指发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和u分解代谢(catabolism):又可称为异化作用,是指微生物将自身或外来的复杂有机物质分解为简单化
12、合物的过程,在此过程中有能量释放u合成代谢(anabolism):又可称为同化作用,是指微生物不断由外界取得营养物质,合成为自身细胞物质的过程,在此过程中需要吸收能量复杂分子(有机物)分解代谢合成代谢简单小分子ATPH新陈代谢合成代谢(同化)分解代谢(异化)产能耗能能量代谢生物小分子合成生物大分子生物大分子分解为生物小分子物质代谢初生代谢和次生代谢u初生代谢:是指微生物将营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢;产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质u次生代谢:是指某些微生物在一定生长时期出现的一类代谢;产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等,与生命活动无关,不
13、参与细胞结构,也不是酶活性必需一、微生物的能量代谢u(一)底物水平磷酸化u(二)氧化磷酸化u(三)光合磷酸化微生物的能量代谢u能量代谢:生物将外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源ATP的过程u微生物产生ATP有3种方式:底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化低能酯键低能酯键高能酯键(一)底物水平磷酸化u底物水平磷酸化:在底物氧化过程中生成含高能磷酸键的化合物,并通过相应酶的作用将此高能磷酸根转移给ADP生成ATP的过程u底物水平磷酸化的通式如下:XP+ADP X+ATP甘油醛-3-磷酸1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸NAD+NADP+H+ADPATP底物水平磷酸
14、化进入:氧化磷酸化一、微生物的能量代谢u(一)底物水平磷酸化u(二)氧化磷酸化u(三)光合磷酸化(二)氧化磷酸化u氧化磷酸化:又可称为电子传递水平磷酸化,由物质氧化产生的质子和电子在通过呼吸链的传递过程中逐步释放出能量,该能量可使ADP生成ATPu呼吸链:又可称为电子传递链,由一系列氢和电子传递体定向、有序地、但不对称地排列在真核生物的线粒体内膜上,或排列在原核生物的细胞质膜上电子传递链电子传递链载体载体vNADH脱氢酶v黄素蛋白(FAD、FMN)v铁-硫蛋白(FeS)v辅酶Q(CoQ)v细胞色素类蛋白 电子传递链载体以复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧
15、化物逐级排列一、微生物的能量代谢u(一)底物水平磷酸化u(二)氧化磷酸化u(三)光合磷酸化(三)光合磷酸化u光合磷酸化:光能转变成化学能的过程,在这种转化过程中光合色素起着重要作用u光合磷酸化主要可分为非环式光合磷酸化和环式光合磷酸化1、环式光合磷酸化u环式光合磷酸化:细菌叶绿素吸收光能处于激发状态,放出高能电子,电子通过铁氧还蛋白、CoQ、细胞色素b和细胞色素c的电子传递系统,最后返回细菌叶绿素,在电子循环传递过程中与ADP磷酸化偶联产生ATPu如紫细菌和绿细菌,它们在光合作用中还原CO2的电子是来自于还原型无机硫、氢或有机物,没有氧气的释放,故称为非放氧型光合作用2、非环式光合磷酸化u非环
16、式光合磷酸化:叶绿素,吸收光能后放出电子,电子通过铁氧还蛋白将NDP+还原为NDPH+H+,在电子传递过程中与ADP磷酸化偶联产生ATPu如蓝细菌,它在光合作用中还原CO2的电子是来自于水的光解,并有氧的释放,故称为放氧型光合作用蓝细菌的非循环光合磷酸化二、微生物的呼吸作用u(一)有氧呼吸u(二)无氧呼吸u(三)发酵作用微生物的呼吸作用u呼吸作用(respiration):即新陈代谢中的异化作用;微生物在基质氧化分解过程中,释放出电子,生成水或其他还原性产物并释放出能量的过程u根据最终电子受体的不同,微生物的呼吸作用分为有氧呼吸、无氧呼吸、发酵作用3种形式(一)有氧呼吸u有氧呼吸(respir
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