微生物课件—营养

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1、第四章 微生物的营养和培养基,华东理工大学继续教育学院课程微生物学,原核微生物 真核微生物 病毒 微生物的营养 微生物的新陈代谢 微生物生长发育 微生物遗传、变异和育种 微生物与免疫 微生物生态 微生物分类学,第二节 微生物的营养类型,第四节 培养基,目录,第一节 微生物的营养要素,第三节 营养物质进入细胞的方式,微生物细胞的化学组成,微生物细胞,水：70%-90%,干物质,有机物 蛋白质、糖、脂、核酸、维生素等 及其降解产物,无机物（无机盐）,细胞化学元素组成：,主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁等； 微量元素：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。,细菌80%左右、酵

2、母菌75%左右、霉菌85%左右；霉菌孢子含水约39%、细菌芽孢核心部分的含水量低于30%。,微生物细胞中几种主要元素的含量 （干重的百分比）,微生物细胞的化学组成,第一节 微生物的六种营养要素,营养(nutrition)：能量 物质 营养物(nutrient)：具有营养功能的物质,微生物的六大营养要素 碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐、水,微生物与动植物营养要素的比较,1.碳源,满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物, 称为碳源。 微生物细胞含碳量约占干重的50% , 故除水分外, 碳源是需要量最大的营养物, 又称大量营养物。 作用：构成细胞骨架； 代谢产物； 充当能源，快速生产ATP。,微生

3、物的碳源谱,微生物可用利用的碳源种类,有机碳源 （碳水化合物、脂、烃等） （异养微生物） 微生物对碳源的偏好性： 碳水化合物 脂 烃 在碳水化合物中：单糖 双糖 低聚糖多糖 单糖中：葡萄糖优先(葡萄糖效应） 无机碳源 （ Na2CO3，CO2等） （自养微生物） 培养基中常用碳源：糖，淀粉，纤维素，马铃薯粉，麸皮，饴糖，糖蜜等。,微生物对碳源的选择性,速效、迟效碳源 葡萄糖、乳糖的二次生长,2.氮源,有机氮源 牛肉膏，蛋白胨，酵母粉 黄豆饼粉，花生粉 无机氮源 铵盐 硝酸盐 N2 氨基酸自养型微生物 ，氨基酸异养型微生物,微生物的氮源谱,3.能源,化学物质 (化能营养型） 有机物 无机物 辐射

4、能 (光能营养型）,微生物营养物功能的多重性 （1）单功能营养物 辐射能是单功能的，只为光能微生物提供能源。 （2）双功能营养物 对一切异养微生物来说，其碳源又兼作能源，这种碳源（营养物）称双功能营养物。化能自养微生物的能源物质无机养料常常是双功能的（如： NH4+ 既是硝酸细菌的能源，又是它的氮源。） （3）多功能营养物 有机营养物常有双功能或三功能作用，既是异养微生物的能源，又是它们的碳源或氮源。,4.生长因子,主要有三类： 维生素 氨基酸 碱基,它没有能源、碳源和氮源等结构材料的功能，需要量一般很少。,调节正常代谢必需，不能用简单的碳、氮源自行合成,现按微生物对生长因子的需要与否, 把它

5、们分成3 种类型。 (1) 生长因子自养型微生物 多数真菌、放线菌和不少细菌, 如E .coli 等都属这类。 (2) 生长因子异养型微生物 各种乳酸菌、动物致病菌、枝原体和原生动物等。 (3) 生长因子过量合成的微生物 少数微生物在其代谢活动中, 能合成并大量分泌某些维生素等生长因子, 因此, 可作为有关维生素的生产菌种。,缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。,生长因子的功能 既不构成细胞主要物质，也不是能源物质，但有重要生理功能。 （1）构成酶的辅基或辅酶的成分，在代谢调节中起重要作用。 （2）构成核酸的组成部分。,5.无机盐,提供矿物元素和微量元素,无机盐的生理功能 细

6、胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma 、Fe等） 一般功能 渗透压的维持（Na+等） 生理调节物质 酶的激活剂（M g2+等） 大量元素 pH的稳定 无 化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2- -等） 机 特殊功能 盐 无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42- 等） 酶的激活剂（Cu2+、Mn2+ 、Zn2+等） 微量元素 特殊分子结构成分（Co、Mo等）,6.水,特点：水是良好的溶剂； 维持生物大分子结构稳定性； 优良的物理性质。,第二节 微生物的营养类型,营养类型是指根据微生物生长所需要的主要营养要素即能源和碳源的不同, 而划分的微生物类型。 根据碳源和能源划分,微生物的营养类

7、型,第三节 营养物质进入细胞的方式,营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输，而物质的运输关键的屏障是细胞膜。,单纯扩散 不耗能 跨膜 促进扩散 运输 主动运送 耗能 基团移位,1.单纯扩散,又称被动运输 (passive transport) 氧、二氧化碳、乙醇、某些氨基酸等小分子；亲脂性分子从高浓度到低浓度的扩散来运输。 它利用细胞膜的通透性，细胞膜是一道屏障。 特点： （1）不通过膜上载体蛋白 （2）不消耗能量 （3）不能逆浓度梯度运送 （4）物质在运送的过程中既不与膜上的分子发生反应，本身的结构也不发生变化 （5）运送的物质无特异性，种类不多,单纯扩散模式图,细胞膜外,细胞膜内

8、,细胞膜,人工脂双层膜对不同分子的透过作用,水的扩散渗透。,2.促进扩散,需要特异性载体蛋白 (carrier protein)，即渗透酶 (permease)（大多为诱导酶）。 每种载体蛋白运输相应的物质。 原理：利用膜内、膜外被运输物质和载体蛋白的亲和力的不同。 从高浓度到低浓度。 如酿酒酵母对各种糖、氨基酸和维生素的吸收，及大肠杆菌对甘油的吸收。,促进扩散模型,单纯扩散和促进扩散的比较,3.主动运送,是微生物吸收营养的主要方式 需要特异性载体蛋白 是逆浓度梯度的运输 需要能量来改变载体蛋白的构象,主动运输模式图,细胞膜,细胞膜外,细胞膜内,恢复原构象,移位,再循环,结合,构象改变,主动运

9、送-1.ABC运输系统,ABC运输系统（ATP-binding cassette transport system）利用ATP提供能量的运输过程。 不同的转运器可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质,主动运输 2.Na+, K+-ATP酶系统 一种重要的离子通道蛋白,4.基团移位,在运输过程中，物质分子发生了化学变化。 每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP的能量。 基团移位主要存在于厌氧和兼性厌氧型细菌中。 最常见的是细菌的PTS系统。 此系统由24种蛋白组成，运送一种糖至少4种蛋白参与；每输入一个葡萄糖分子要消耗一个ATP的能量。,基团移位的过程,(1) 热稳载体蛋白(HPr

10、 , heat - stable carrier protein)的激活 细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的磷酸基团通过酶的作用而把HPr 激活: PEP + HPr 酶 Pyr (丙酮酸) + PHPr HPr 是一种低分子量的可溶性蛋白, 结合在细胞膜上, 起着高能磷酸载体的作用。 酶是一种可溶性细胞质蛋白。HPr 和酶在磷酸转移酶系统中, 均无底物特异性。,基团移位的过程,(2)糖经磷酸化而运入细胞膜内 膜外环境中的糖分子先与细胞膜外表面上的底物特异膜蛋白酶c 结合, 接着糖分子被由PHPr酶a 酶b 逐级传递来的磷酸基团激活, 最后通过酶c 再把这一磷酸糖释放到细胞质中,细菌

11、 PTS运输。 (PTS: phosphotransferase system),四种运输营养物质方式的比较,不跨膜的运输方式,胞吞作用是无细胞壁真核细胞特有的运输方式。在该运输过程中，被运输物质实际上并未通过细胞质膜。,胞吞作用,当被运输物质是固体时，该过程又被称为吞噬作用； 左图显示的是一个原生动物正在吞噬一个细菌细胞。,胞饮作用,胞吞作用,胞吐作用,胞吞作用、胞饮作用和胞吐作用,第四节 培养基,培养基 (medium，culture medium)是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。 任何培养基都应具备微生物生长所需要的六大类营养要素，且比例是合适的。 难养菌

12、：不能在人工培养基上生长的菌。为少数寄生或共生菌，如：类支原体、类立克次氏体、少数寄生真菌。,目的明确 营养协调（C/N比） 物理化学条件适宜（pH，渗透压，氧化还原电势） 经济节约,选用和设计培养基的原则和方法,四个原则,目的明确 拟培养何菌、获何产物、实验室研究还是大生产用等等。 根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基，如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养微生物的培养基至少需要含有一种有机物质。,根据不同的工作目的，微生物不同的营养需求，运用自己丰富的生物化学和微生物学知识来配制最佳的培养基。,2 营养协调 微生物细胞内各成分间有一较稳定的比例。对微生物细胞

13、组成元素的调查分析是设计培养基时的重要参考依据。 化能异养菌的培养基中各营养要素间的比例： 各营养要素间在量上的比例大体符合十倍序列的递减规律。 要素：H2O C+能源 N源 P、S K、Mg 生长因子 含量：10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6,配制培养基时要注意C源与N源之间的相对比例，有重要意义。 C/N的高低直接影响各类微生物的生长和繁殖。一般来说，真菌需C/N比较高的培养基，细菌尤其是动物病原菌需C/N比较低的培养基。 味精生产中常用控制C/N以满足菌体大量繁殖（C/N=4/1），并满足谷氨酸的高产（C/N=3/1）。,碳氮比（C/N） 在微生物的培养基中所含的

14、碳源中的碳原子摩尔数与氮源中氮原子摩尔数之比。,3、理化适宜 指培养基的pH值、渗透压、水活度和氧化还原势等物理化学条件较为适宜。,（1） pH 1） 各类微生物生长适宜的pH范围 但对某一具体微生物的物种来说，其生长的最适pH范围常可突破此界限，其中一些嗜极菌更为突出。,2）培养基pH值的控制调节 为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式： 内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。 内源调节方式有两种： 借磷酸缓冲液进行调整 以CaCO3或NaHCO3作 “备用碱”进行调整 外源调节：按实际需要流加酸或碱液。,(2)渗透压和水活度,水活度（aW，wa

15、ter activity）,在天然和人为环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。 其涵义为：在同温同压下，某溶液的蒸汽压与纯水蒸汽压之比。 aW = P / P0 各种微生物的生长繁殖范围的aW值在0.9980.60之间，不同种类微生物生长繁殖所需要的aW值不同。,（3） 氧化还原势（Eh）,1）各类微生物生长的Eh 值 Eh对微生物的生长有明显的影响，各种微生物生长所要求的Eh不同。 2）培养基的Eh值调节 在培养基中加入还原性物质能降低Eh值以培养厌氧微生物 往培养基中通入空气或加入氧化剂可提高Eh值以培养好氧微生物,4、经济节约 以粗代精 以“野”代家 以废代好 以简代繁 以氮代朊 以纤代糖 以烃代粮 以“国”代“进”,四种方法,1 生态模拟 2 参阅文献 3 精心设计 4 试验比较,天然培养基 (undefined medium) 又称复合培养基 ：较经济，一般用于大规模生产。 组合培养基 (defined medium) 又称合成培养基 ：较昂贵，一般用于研究工作（代谢、遗传分析）；特点是组分精确，重复性好。 半组合培养基 又称半合成培养基：一类主要以化