第三章 微生物的营养与物质运输

第三节 营养物质运输的调节
一、营养物质本身的性质
细胞膜的结构特性决定了不同的物质透过膜的难易程度 小分子物质 > 大分子物质 脂溶性物质 > 水溶性物质 不带电荷物质 > 带电荷的物质 中性物质 > 极性物质
第三节 营养物质运输的调节
二、环境条件
主要有以下几个方面
①温度（影响溶解度、细胞膜的流动性及运输系 统的生理活性） ②PH（影响电离程度） ③代谢和呼吸的抑制剂与解偶联剂 ④通透性诱导物与被运输物质的结构类似物
一、微生物细胞的化学组成
②化学成分分析 湿重：将在液体培养基中培养的微生物细胞表面所吸附的 水分去除后称重所得质量。（g/L或mg/mL） 干重：采用真空干燥和红外线快速烘干等方法将细胞干燥 至恒重。（g/L或mg/mL） 细胞含水量：细胞湿重(wet weight)与干重(dry weight) 之差。
四、基团转移
第二节 微生物营养物质的运输
五、膜泡运输
小分子物质的跨膜运输主要通过载体实现，大分子和颗粒 物质的运输则主要通过膜泡运输。主要存在于原生动物中 （特别是变形虫）。
第三节 营养物质运输的调节
影响物质运输主要的几个方面：
一、营养物质本身的性质
二、环境条件
三、载体物质生物合成调节
四、载体物质生理活性调节
第二节 微生物营养物质的运输
一、单纯扩散（分子量小、极性小、脂溶性的易吸收）
①扩散是非特异性的营养物质吸收方式；浓度高→低 ②在扩散过程中营养物质的结构不发生变化 ③物质运输的速率较慢 ④不需要载体参与 ⑤可运送的养料有限 ⑥不消耗能量，不能 逆浓度梯度运输
第二节 微生物营养物质的运输
二、促进扩散
4.脂肪酸和膜成分：用于构建细胞膜。
生长因子不一定是固定的，可能随环境改变。
第一节 微生物的营养及营养类型
三、微生物的营养要素
⑤无机盐 1.参与微生物细胞结构物质的组成 2.调节微生物的原生质胶体状态，调节细胞渗透压、氢离 子浓度和氧化还原电位 3.酶的激活剂
4.作为某些自养菌的能源
第一节 微生物的营养及营养类型
第一节 微生物的营养及营养类型
二、微生物的营养类型
各种营养类型的供氢体： 营养类型 光能自养型 电子供体
水等无机物、硫化氢、硫代硫酸钠
光能异养型
化能自养型 化能异养型
异丙酮
氢气、硫化氢、二价铁离子、亚硝酸盐 无
第一节 微生物的营养及营养类型
三、微生物的营养要素 微生物生长所需要的营养物质主要是以有机物和 无机物的形式提供的，小部分由气体物质供给。
第三章 微生物的营养与物质 运输
主要内容
第一节 微生物的营养及营养类型 第二节 微生物营养物质的运输
第三节 营养物质运输的调节
第四节 代谢产物的分泌
第一节 微生物的营养及营养类型
一、微生物细胞的化学组成
①化学元素(chemical element)（约有20种参与生命活 动） → 常量元素(macroelement) 碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种 占细菌细胞干重的97%） → 微量元素(trace element) 锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。 他们主要以有机物、无机物和水的形式存在于细胞中。
第一节 微生物的营养及营养类型
三、微生物的营养要素
②氮源 凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养 物质。（一般不能作为能源） 分子态：（N2）主要是一些固氮微生物 无机氮：无机氮化物 NO3- 、NO2-、NH4+等； 有机氮：脲、胺、氨基酸、蛋白质、嘌呤或嘧啶
实验用氮源：牛肉膏、蛋白胨、酵母浸膏
第一节 微生物的营养及营养类型
一、微生物细胞的化学组成
①化学元素(chemical element) 有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素以及它们的降 解产物和一些代谢产物等。 无机物：参与有机物组成或是单独存在于原生质体内的无 机盐。 水：微生物细胞的主要成分。 （PS：体内含水率，婴儿：70～80%；成年男性：60～65%； 成年女性：50～60%）
不同微生物对生长因子的需求种类和数量不同。
同种微生物对生长因子的需求也会随着环境条件的变化改
变。
第一节 微生物的营养及营养类型
三、微生物的营养要素
④生长因子 1.维生素：作用是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢，是 酶活性所必需的成分。 2.氨基酸：与微生物缺乏合成氨基酸的能力有关。 3.碱基:酶的辅酶或辅基，用来合成核酸。
第二节 微生物营养物质的运输
三、主动运输
钠钾泵
第二节 微生物营养物质的运输
三、主动运输
原理：Na+-K+泵 ——实际上就是Na+-K+ATP酶，存 在于动、植物细胞质膜上，它有大小两个亚基，大亚基催 化ATP水解，小亚基是一个糖蛋白.Na+-K+ATP酶通过 磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+,K+ 的亲和力发生变化.大亚基以亲Na+态结合Na+后，触发 水解ATP.每水解一个ATP释放的能量输送3个Na+到胞外， 同时摄取2个K+入胞，造成跨膜梯度和电位差，这对神经 冲动传导尤其重要，Na+-K+泵造成的膜电位差约占整个 神经膜电压的80%.若将纯化的Na+-K+泵装配在红细胞 膜囊泡（血影）上，人为地增大膜两边的Na+,K+梯度到 一定程度，当梯度所持有的能量大于ATP水解的化学能时， Na+,K+会反向顺浓差流过Na+-K+泵，同时合成ATP.
蓝细菌、红硫细菌、绿硫细菌等少数微生物。
第一节 微生物的营养及营养类型
二、微生物的营养类型
②光能异养型 以光为能源，以简单有机物和CO2作为碳源。不能以CO2 作为主要碳源。在生长时大多数需要外源的生长因子。 红螺菌属中的一些细菌属于此种营养类型。
图为光能异养菌—紫色非硫细菌
第一节 微生物的营养及营养类型
第二节 微生物营养物质的运输
四、基团转移
是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物 质在运输的过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发 生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。
基团转位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中，主要是用 于单（或双）糖与糖的衍生物，以及核苷、碱基与脂肪酸 的运输。
第二节 微生物营养物质的运输
细胞内的氨基酸主要用于蛋白质的合成，只有不被用于 蛋白质合成系统或其他代谢系统时，它们才容易作为排出 物向胞外分泌。
第四节 代谢产物的分泌
二、核苷酸的分泌
一般来说，核苷酸是不易分泌出细胞外的. 实验证明,产氨短杆菌中核苷酸的分泌，Mn2+起关键作用。 其结果如下： Mn2+可引起细胞形态的变化，在IMP（单磷酸肌苷）发 酵中，如果控制Mn2+含量，造成细胞膨胀，并使细胞不 规则，膜产生异常，膜透性被破坏，Hx（次黄嘌呤）和 R-5-p（5磷酸核糖）都分泌出体外 过量时，菌体呈小球状，Mn2+会抑制上述这些物质的分 泌
第三节 营养物质运输的调节
三、载体物质生物合成调节
第三节 营养物质运输的调节
四、载体物质生理活性调节
①膜电势调节
②胞内磷酸糖调节 ③cAMP环化酶与渗透酶的共同调节
第四节 代谢产物的分泌
介绍几种代谢产物的分泌：
一、氨基酸的分泌
二、核苷酸的分泌 三、胞外酶的分泌
第四节 代谢产物的分泌
一、氨基酸的分泌
第一节 微生物的营养及营养类型
一、微生物细胞的化学 组成
①化学元素(chemical element)
元素 碳 氮 氧 氢 磷 细菌 酵母 菌 霉菌 40-53 7-10 约40 约7 — 50-53 45-50 12-15 约20 约8 约3 7-12 约30 约7 —
硫
约1
—
—
第一节 微生物的营养及营养类型
第一节 微生物的营养及营养类型
二、微生物的营养类型
根据碳源、能源的不同，将绝大多数微生物分为四种类型。 光能Leabharlann Baidu养型 光能异样型 化能自养型
化能异养型
第一节 微生物的营养及营养类型
二、微生物的营养类型
①光能自养型 利用光能为能源，以二氧化碳(CO2)或可溶性的碳酸盐 (CO32-)作为唯一的碳源或主要碳源。
第二节 微生物营养物质的运输
三、主动运输
作用：①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； ②维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位. 形式： ⒈ 正常的作用方式——利用ATP的水解与Na+-K+的跨膜转运 相偶联. ⒉ 泵的反方向作用——利用Na+-K+的跨膜转运来推动ATP的 合成. ⒊ Na+ - Na+交换反应可能与ATP和ADP交换反应相偶联. ⒋ K+ - K+交换反应与Pi和H2⒅O的交换反应相偶联. ⒌ 依赖ATP水解，解偶联使Na+排出.
第一节 微生物的营养及营养类型
三、微生物的营养要素
①碳源 凡是供给微生物碳素、可以构成微生物细胞结构或代谢产 物中碳架来源的营养物质。（可作为能源） 无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。 有机含碳化合物：糖与糖的衍生物、脂类、烃类、醇类、 有机酸。 单糖优于双糖和多糖，纯多糖优于琼脂等杂多糖。 选择性（速效碳源和迟效碳源）
作用：形成细胞结构（参与细胞组成）、提供能量（机体 进行各种生理活动所需能量）、调节作用（构成酶的活性 成分和物质运输系统） 微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为六大 类 碳源（carbon source）、氮源（nitrogen source）、 能源（energy source）、无机盐（mineral salts）、 生长因子（growth factor）、水（water）
第二节 微生物营养物质的运输
二、促进扩散
除以蛋白质载体介导的促进扩散外，还有一些离子载体， 它们是一类可溶于脂质双层的疏水性小分子，通过提高膜 的离子通透性而促进离子进行跨膜运输，大多数由微生物 合成。
第二节 微生物营养物质的运输
三、主动运输
在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体蛋白的协助逆浓 度梯度吸收营养物质的过程。是微生物吸收营养物质的主 要机制。 ①需要消耗能量 ②可以进行逆浓度运输 ③需要载体蛋白参与 ④对被运输的物质有高度的专一性 （如Na+，K+） ⑤被运输的物质在转移的过程中不发生 任何化学变化。
第一节 微生物的营养及营养类型
一、微生物细胞的化学组成
②化学成分分析 两种方式： 1.利用化学方法直接抽提细胞内的各种有机成分，然后再 加以定性和定量分析。 2.先将细胞破碎，获得不同的亚显微结构，然后分析这些 结构的化学成分。 灰分：干细胞在高温马福炉（550℃）中焚烧成灰，所得 各种无机元素的氧化物。
工业用氮源：尿素、氨水、花生饼粉、豆饼粉、麸皮、鱼 粉、玉米浆等
第一节 微生物的营养及营养类型
三、微生物的营养要素
③能源 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。 化能异养型：碳源 化能自养型：无机物
光能自养和异养型：太阳能
第一节 微生物的营养及营养类型
三、微生物的营养要素
④生长因子 指那些微生物生长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满足机体生长需要的有机化合 物。 分为三类：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶。(脂肪酸)
三、微生物的营养要素
⑥水 1.起到溶剂与运输介质的作用 2.参与细胞内一系列化学反应 3.维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象 4.能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散 发出体外（水比热高） 5.通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构
第二节 微生物营养物质的运输
微生物的细胞表面由荚膜、黏液层、细胞壁和细胞质膜构 成渗透屏障。 细胞壁只对大颗粒的物质起阻挡作用，所以物质的吸收与 分泌主要与细胞质膜有关。 细胞质膜对营养物质的吸收具有选择性，是有一种半透膜。 根据物质运输过程的特点，可将物质的跨膜运输方式分为 单纯扩散 促进扩散 主动运输 集团转移
营养物通过与细胞膜上转运蛋白的可逆性结合来加快其传 递速度
第二节 微生物营养物质的运输
二、促进扩散
①营养物质本身在分子结构上也不会发生变化 ②不消耗代谢能量 ③运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定 ④需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质运输（与 单纯扩散的主要区别） ⑤被运输的物质与载体蛋白有高度的特异性 ⑥养料浓度过高时, 载体蛋白出现饱和效应
二、微生物的营养类型
③化能自养型 大多数为好氧菌。以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源， 以无机物氧化释放的化学能为能源。
这类微生物主要有硝化细菌、氢细菌与铁细菌等。
第一节 微生物的营养及营养类型
二、微生物的营养类型
④化能异养型 生长的能源均来自有机物氧化中放出的化学能。 所需的 碳源主要是一些有机化合物。 根据利用有机物的特性不同可分为： 腐生型：利用无生命活性有机物。 寄生型：寄生在活的有机体内，离开寄主失活。 兼性腐生和兼性寄生型