微生物的生理II.pptx
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1、 第四章第四章 微生物的生理微生物的生理本章重点本章重点为微生物的营养和产能代谢为微生物的营养和产能代谢本章难点本章难点为微生物的产能代谢为微生物的产能代谢 理解酶的物质基础与结构特点理解酶的物质基础与结构特点 掌握微生物的营养类型掌握微生物的营养类型和培养基和培养基 理解营养物质进入细胞的方式理解营养物质进入细胞的方式 理解微生物的产能形式理解微生物的产能形式 理解化能自养微生物的合成代谢理解化能自养微生物的合成代谢五、培养基的类别五、培养基的类别1、按照培养基组成物的性质可把培养基分为:、按照培养基组成物的性质可把培养基分为:合合合合成成成成培培培培养养养养基基基基:各各成成分分是是已已知
2、知结结构构的的纯纯化化学学物物质质,成成分分精精确确,重重复复性性强强,但但价价格格相相对对昂昂贵贵,微微生生物物生生长长较较慢慢。一一般般适适合合在实验室使用。在实验室使用。天天天天然然然然培培培培养养养养基基基基:用用天天然然有有机机物物配配制制而而成成,如如肉肉汁汁、酵酵母母浸浸汁汁、玉玉米米粉粉、牛牛奶奶、血血清清等等。比比较较经经济济,适适宜宜在在生生产产上上大大规规模模培养和生产。培养和生产。复合培养基复合培养基复合培养基复合培养基:天然有机物和无机化合物配制:天然有机物和无机化合物配制2、按培养基的物理性状、按培养基的物理性状 根根据据培培养养基基制制成成后后的的物物理理状状态态
3、,分分为为三三类类:固固体体培培养养基基、半半固固体体培培养养基基、液液体体培培养养基基。以以培培养养基基中中凝凝固固剂剂有有无无和和含含量量多多少少来来划划分分,常常用用的的凝凝固固剂剂有有琼琼脂脂、明明胶胶、硅胶。硅胶适宜用于分离与培养自养型微生物。硅胶。硅胶适宜用于分离与培养自养型微生物。(1)液液液液体体体体培培培培养养养养基基基基:不不加加凝凝固固剂剂。用用于于实实验验室室及及微微生生物物大大规模的工业生产。规模的工业生产。(2)半固体培养基半固体培养基半固体培养基半固体培养基:含少量(:含少量(0.30.5)凝固剂。)凝固剂。(3)固固固固体体体体培培培培养养养养基基基基:含含较较
4、多多(1.52.0)凝凝固固剂剂。用用于于菌种分离纯化、鉴定、保种等。菌种分离纯化、鉴定、保种等。3、按培养基对微生物的功能和用途分类按培养基对微生物的功能和用途分类(1)基础培养基)基础培养基牛牛肉肉膏膏+蛋蛋白白胨胨+NaCl,pH偏偏碱碱性性,大大多多数数微微生生物物都都可可生长生长(2)选择培养基)选择培养基是是根根据据某某种种或或某某一一类类群群微微生生物物的的特特殊殊营营养养需需要要或或对对某某种种化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。化合物的敏感性不同而设计出来的一类培养基。加加入入某某种种化化合合物物,可可以以从从微微生生物物群群体体中中分分离离出出抗抗此此化化合合物的微生
5、物,如:物的微生物,如:加入胆汁酸盐(麦康盖培养基)加入胆汁酸盐(麦康盖培养基)G+被抑制,被抑制,G-生长生长加入几滴加入几滴10%酚酚细菌、霉菌被抑制,放线菌可生长细菌、霉菌被抑制,放线菌可生长加入青霉素、四环素、链霉素加入青霉素、四环素、链霉素细菌、放线菌被抑制,酵母细菌、放线菌被抑制,酵母菌和霉菌可被分离菌和霉菌可被分离(3)鉴别培养基鉴别培养基指指在在普普通通培培养养基基里里加加入入某某种种试试剂剂或或化化学学药药品品的的培培养养基基,某某种种微微生生物物生生长长后后可可以以产产生生某某种种代代谢谢产产物物,与与培培养养基基中中的的特特定定试试剂剂或或化化学学药药品品起起反反应应,产
6、产生生某某种种明明显显的的特特征征性性变变化化,由此可将此种微生物与其他微生物分别开。由此可将此种微生物与其他微生物分别开。明胶培养基明胶培养基是否液化明胶是否液化明胶硝酸盐肉汤培养基硝酸盐肉汤培养基是否有硝酸盐还原作用是否有硝酸盐还原作用醋酸铅培养基醋酸铅培养基是否产生是否产生H2SEMB培培养养基基(伊伊红红美美蓝蓝琼琼脂脂培培养养基基)是是否否有有肠肠道道致病菌致病菌(4)加富培养基)加富培养基指指在在普普通通培培养养基基中中加加入入血血、血血清清、动动物物(或或植植物物)组组织织液液或或其其他他营营养养物物质质(或或生生长长因因子子)的的一一类类营营养养丰丰富富的的培培养养基基。用用来
7、来培培养养数数量量少或营养要求苛刻的某种或某类菌。少或营养要求苛刻的某种或某类菌。六、营养物质进入微生物细胞的方式六、营养物质进入微生物细胞的方式对绝大多数属于渗透营养型的微生物来说,营养物质通过对绝大多数属于渗透营养型的微生物来说,营养物质通过细胞膜进入细胞的问题,是一个较复杂又很重要的生理学细胞膜进入细胞的问题,是一个较复杂又很重要的生理学问题。问题。细胞壁在营养物质运送上不起多大作用,仅简单地排阻分细胞壁在营养物质运送上不起多大作用,仅简单地排阻分子量过大的溶质的进入,细胞膜则是控制营养物进入和代子量过大的溶质的进入,细胞膜则是控制营养物进入和代谢产物排出的主要屏障。谢产物排出的主要屏障
8、。细胞膜以四种方式控制物质的运送,即细胞膜以四种方式控制物质的运送,即单纯扩散单纯扩散(被动扩(被动扩散)、散)、促进扩散促进扩散、主动运输主动运输和和基团转位基团转位,其中尤以主动运,其中尤以主动运输为最重要。输为最重要。(一)单纯扩散一)单纯扩散一)单纯扩散一)单纯扩散 simplediffusionsimplediffusion 也也称称被被动动扩扩散散,是是一一个个物物理理扩扩散散作作用用。被被输输送送物物质质靠靠细细胞胞内内外外的的浓浓度度梯梯度度为为动动力力,通通过过细细胞胞质质膜膜中中含含水水的的小小孔孔从从高高浓浓度度区区域域向向低低浓浓度度区区域域扩扩散散,直直到到两两边边浓
9、浓度度相相等等为为止止,这个过程不消耗能量,但扩散速度慢。这个过程不消耗能量,但扩散速度慢。物质在扩散过程中没有发生任何反应;物质在扩散过程中没有发生任何反应;不消耗能量;不能逆浓度运输;不消耗能量;不能逆浓度运输;运输速率与膜内外物质的浓度差成正比运输速率与膜内外物质的浓度差成正比 水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子,水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体脂肪酸、乙醇、甘油、一些气体(O2、CO2)及某些氨及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。(二)促进扩散(二)促进扩散facilitateddi
10、ffusion与与单单纯纯扩扩散散的的方方式式相相类类似似,也也是是以以物物质质的的浓浓度度梯梯度度为为动动力力,不不需需要要代代谢谢能能量量。不不同同在在于于有有载载体体蛋蛋白白的的参参加加。这这种种载载体体蛋蛋白白与与营营养养物物质质之之间间存存在在一一种种亲亲和和力力,这这种种亲亲和和力力在在细细胞胞膜膜内内外外表表面面不不同同,在在外外表表面面亲亲和和力力大大,内内表表面面亲亲和和力力小小,通通过过这这种种亲亲和和力力大大小小的的变变化化达达到到运运输输的的目目的的。由由于于有载体蛋白的参加,扩散速度比单纯扩散快。有载体蛋白的参加,扩散速度比单纯扩散快。载载体体蛋蛋白白有有类类似似酶酶
11、的的特特异异性性,因因此此也也叫叫渗渗透透酶酶,如如葡葡萄萄糖糖载载体体只只运运送送葡葡萄萄糖糖。这这些些酶酶大大都都是是一一些些诱诱导导酶酶,只只是是在在环境中存在机体生长所需要的物质时,这些酶才合成。环境中存在机体生长所需要的物质时,这些酶才合成。(三)主动运输(三)主动运输activetransport它的一个重要特点是物质运输过程中需要消耗能量它的一个重要特点是物质运输过程中需要消耗能量和载体,而且可以进行逆浓度运输和载体,而且可以进行逆浓度运输。逆逆浓浓度度梯梯度度将将细细胞胞外外营营养养物物质质转转送送到到细细胞胞内内,需需要要渗渗透透酶酶和和消消耗耗能能量量,渗渗透透酶酶在在这这
12、过过程程中中起起到到改改变变平平衡衡的的作作用用。渗渗透透酶酶有有三三种种:单单向向转转运运载载体体、同同向向转转运运载载体体、反反向向转转运运载体。载体。作用机制:作用机制:1、Na+-K+泵主动运输泵主动运输 消耗消耗ATP驱动驱动Na+-K+泵向细胞外排泵向细胞外排Na+,每排出每排出3个个Na+,吸进,吸进2个个K+,从而使膜内外建,从而使膜内外建立电位差,促使立电位差,促使Na+又从膜外向膜内转移。又从膜外向膜内转移。葡萄糖葡萄糖-Na同向转运载体同向转运载体葡萄糖和葡萄糖和Na+分别与同向转运载体的两个位点结合,由同向分别与同向转运载体的两个位点结合,由同向转运载体携带进入细胞,氨
13、基酸也可通过此种方式运送转运载体携带进入细胞,氨基酸也可通过此种方式运送3、H+浓度梯度主动运输浓度梯度主动运输好好氧氧微微生生物物吸吸收收营营养养的的主主要要方方式式。在在呼呼吸吸或或ATP作作用用下下,好好氧氧微微生生物物将将大大量量H+排排到到细细胞胞外外,使使膜膜内内外外形形成成H+浓浓度度差差,此此为为驱驱动动力力,使使K+等等阳阳离离子子单单向向运运送送入入胞胞,阴阴离离子子与与H+同向转运入胞。中性糖和氨基酸也可由此方式入胞。同向转运入胞。中性糖和氨基酸也可由此方式入胞。通通过过主主动动运运输输进进入入细细胞胞的的物物质质有有氨氨基基酸酸、糖糖、无无机机离离子、硫酸盐、磷酸盐及有
14、机酸等。子、硫酸盐、磷酸盐及有机酸等。2、离子浓度梯度主动运输、离子浓度梯度主动运输消耗消耗ATP建立离子浓度梯度,通过反向转运载体完成建立离子浓度梯度,通过反向转运载体完成H+和和Na+、K+的运输。即的运输。即Na+的进入胞内伴随的进入胞内伴随H+的排出的排出(四)基团转位(四)基团转位grouptransport一一般般来来说说,物物质质通通过过膜膜运运送送时时,不不需需要要化化学学修修饰饰,但但有有些些物物质质如如糖糖在在通通过过细细菌菌细细胞胞膜膜时时需需要要进进行行磷磷酸酸化化反反应应加加入入一一个个磷磷酸酸基基团团,以以糖糖-磷磷酸酸的的形形式式才才能能通通过过细细胞胞膜膜,称称
15、为为基团转运。基团转运。最最明明显显的的例例子子是是在在大大肠肠杆杆菌菌中中发发现现的的磷磷酸酸转转移移酶酶系系统统,全全称称磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸转转磷磷酸酸化化酶酶系系统统(PTs系系统统,phosphoenolpyruvate-linkedphosphotransferasesystem),包包括括酶酶I、酶酶II和和热热稳稳定定蛋蛋白白(HPr,heat-stableprotein)。烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸PEP是是磷磷酸酸基基的的供供体体,HPr是是磷磷酸酸基基的的载载体体,这个过程包括两个独立的反应:这个过程包括两个独立的反应:PEP+HPrHPr-p+丙酮酸丙酮酸(酶
16、(酶I催化)催化)HPr-p+糖糖糖糖-p+HPr(酶(酶II催化)催化)通过基团转位进入细胞的物质有糖(葡萄糖、果糖、通过基团转位进入细胞的物质有糖(葡萄糖、果糖、甘露糖及糖的衍生物)、嘌呤与嘧啶(大肠杆菌和鼠伤寒甘露糖及糖的衍生物)、嘌呤与嘧啶(大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌)。沙门氏菌)。酶酶I是非特异性的,使是非特异性的,使HPr磷酸化。酶磷酸化。酶II是一类结合在膜是一类结合在膜上的特异性酶,外界的糖与特定的酶上的特异性酶,外界的糖与特定的酶II结合,引起酶的变构,结合,引起酶的变构,将糖送入膜的内侧进行磷酸化,由于细胞膜对大多数磷酸化将糖送入膜的内侧进行磷酸化,由于细胞膜对大多数磷酸化的
17、化合物有高度的不渗透性,所以磷酸化的糖一旦形成就被的化合物有高度的不渗透性,所以磷酸化的糖一旦形成就被截留在细胞内。截留在细胞内。四种运送营养方式的比较四种运送营养方式的比较比较项目比较项目单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输基团移位基团移位特异载体蛋白特异载体蛋白无无有有有有有有运送速度运送速度慢慢快快快快快快溶质运送方向溶质运送方向由浓至稀由浓至稀由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度平衡时内外浓度内外相等内外相等内外相等内外相等内部高内部高内部高内部高运送分子运送分子无特异性无特异性特异性特异性特异性特异性特异性特异性能量消耗能量消耗不需要不需要不需要
18、不需要需要需要需要需要运送前后溶质分子运送前后溶质分子不变不变不变不变不变不变改变改变载体饱和效应载体饱和效应无无有有有有有有与溶质类似物与溶质类似物无竞争性无竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性有竞争性运送抑制剂运送抑制剂无无有有有有有有运送对象举例运送对象举例水、甘油乙水、甘油乙醇、醇、O2、CO2糖、糖、SO42-、PO43-氨基酸、乳糖氨基酸、乳糖等糖类,少量等糖类,少量无机离子无机离子葡萄糖、果糖、葡萄糖、果糖、嘌呤、嘧啶等嘌呤、嘧啶等第三节第三节 微生物的产能代谢(能量微生物的产能代谢(能量代谢)代谢)一、微生物的生物氧化和产能一、微生物的生物氧化和产能微微生生物物的的生
19、生物物氧氧化化本本质质是是氧氧化化还还原原反反应应,这这过过程程中中有有能能量量的的产产生生和和转转移移、还还原原力力H的的产产生生、小小分分子子中中间间代代谢谢物的产生。物的产生。微微生生物物产产生生各各种种能能量量如如电电能能、化化学学能能、机机械械能能、光光能能等等。在在所所产产生生的的能能量量中中,一一部部分分变变为为热热量量丧丧失失,一一部部分分供供给合成反应和生命活动,另一部分贮存在给合成反应和生命活动,另一部分贮存在ATP中。中。微微生生物物的的能能源源主主要要包包括括有有机机物物、无无机机物物和和日日光光,能能量量代代谢谢的的主主要要内内容容就就是是研研究究微微生生物物如如何何
20、利利用用这这三三类类能能源源转转化化为为ATP的。的。ATP的生成方式有:的生成方式有:1、基基质质(底底物物)水水平平磷磷酸酸化化:厌厌氧氧或或兼兼性性厌厌氧氧微微生生物物在在基基质质氧氧化化过过程程中中,产产生生一一个个含含有有高高能能键键的的中中间间物物,将将高高能能键键转转移移到到ADP,成成为为ATP,如如1,3-二二磷磷酸酸甘甘油油酸酸和和磷磷酸酸烯烯醇醇式丙酮酸。式丙酮酸。2、氧氧化化磷磷酸酸化化:是是主主要要的的能能量量来来源源。氧氧化化磷磷酸酸化化作作用用是是将将生生物物氧氧化化过过程程中中释释放放出出的的自自由由能能转转移移而而使使ADP形形成成高高能能ATP的的作作用用,
21、能能量量的的转转移移通通过过电电子子传传递递链链实实现现,ATP的的生生成基于与电子传递相偶联的磷酸化作用。成基于与电子传递相偶联的磷酸化作用。氧化磷酸化的全过程可表示为:氧化磷酸化的全过程可表示为:NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O2NAD+4H2O+3ATP电电子子传传递递体体系系:由由NAD或或NADP、FAD或或FMN、辅辅酶酶Q、细胞色素细胞色素b、c、a、a3组成。组成。电电子子传传递递链链的的位位置置:原原核核生生物物中中电电子子传传递递链链与与细细胞胞质质膜膜相连,真核微生物在线粒体上。相连,真核微生物在线粒体上。基基本本功功能能:a、接接受受电电子子供供体体释释放放出出
22、的的电电子子,电电子子沿沿各各组组分传递,最后由细胞色素氧化酶将电子传给氧;分传递,最后由细胞色素氧化酶将电子传给氧;b、合成、合成ATP。ADP+PiATP1/2 O2H2O呼呼吸吸链链e-HH+e-O23、光光合合磷磷酸酸化化:光光引引起起叶叶绿绿素素、菌菌绿绿素素或或菌菌紫紫素素逐逐出出电电子子,通过电子传递产生通过电子传递产生ATP的过程叫光合磷酸化。的过程叫光合磷酸化。非循环式光合磷酸化:光照后,激态叶绿素分子从非循环式光合磷酸化:光照后,激态叶绿素分子从H2O得得到电子传递给到电子传递给NADP+,经过电子传递链后产生,经过电子传递链后产生ATP:2H2O+2NADP+2ADP+2
23、Pi2NADPH+2H+2ATP+O2环式光合磷酸化中电子循环流动,整个过程中只有环式光合磷酸化中电子循环流动,整个过程中只有ATP的产生不伴随的产生不伴随NADPH的生成,不产生的生成,不产生O2。二、生物氧化类型与产能代谢二、生物氧化类型与产能代谢微微生生物物的的呼呼吸吸类类型型有有三三类类:发发酵酵、好好氧氧呼呼吸吸和和无无氧氧呼呼吸吸,三三者者不不同同在在于于电电子子最最终终受受体体的的不不同同。发发酵酵是是某某些些有有机机物物,好好氧氧呼呼吸吸是是O2,无无氧氧呼呼吸吸是是氧氧以以外外的的无无机机化化合合物物,如如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及及CO2等。等。(一)发酵
24、(一)发酵在无外在电子受体时,微生物氧化一些有机物。有机物仅在无外在电子受体时,微生物氧化一些有机物。有机物仅发生部分氧化,以中间代谢产物为最终电子受体,释放能发生部分氧化,以中间代谢产物为最终电子受体,释放能量。发酵是不彻底的氧化作用,其结果仍积累某些有机物。量。发酵是不彻底的氧化作用,其结果仍积累某些有机物。糖酵解糖酵解糖酵解糖酵解途径是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮途径是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程,此过程中伴有少量酸的过程,此过程中伴有少量ATP的生成。在缺氧条件下的生成。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸,有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分丙酮酸被还原为乳酸,有氧条件下丙酮
25、酸可进一步氧化分解生成乙酰解生成乙酰CoA进入三羧酸循环,生成进入三羧酸循环,生成CO2和和H2O。在发酵过程中,供给微生物发酵的基质通常是多在发酵过程中,供给微生物发酵的基质通常是多糖分解而来的单糖,其中葡萄糖是发酵上常用的基质。糖分解而来的单糖,其中葡萄糖是发酵上常用的基质。葡萄糖的逐步分解称葡萄糖的逐步分解称糖酵解糖酵解糖酵解糖酵解(即(即EMP途径)。途径)。糖酵解几乎是所有具有细胞结构的生物所共有的主要糖酵解几乎是所有具有细胞结构的生物所共有的主要代谢途径。代谢途径。(1 1)葡萄糖形成葡糖)葡萄糖形成葡糖-6-6-磷酸。磷酸。(2)葡糖-6-磷酸经磷酸己糖异构酶异构成果糖-6-磷酸
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