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1、第三节物质进出微生物细胞1、细胞物质进出通道：微生物细胞外的物质要进入细胞内、细胞内物质若排除到环境中，必须要经由细胞壁和细胞膜才能实现。2、细胞膜对物质进出的决定作用：物质进出通道中，细胞壁对物质进出微生物细胞的控制作用不大。但细胞膜由于其高度选择性，对营养物质的进入与代谢产物的排出上有着极其重要的作用。细胞膜的基本结构是脂质又分子层，所以物质的通透性与物质的脂溶性直接相关。3、不同类型物质进出细胞：一般物质的脂溶性越高(或极性越低)，越易透过细胞膜；分子的大小也影响其通透性，分子越小越易通过，分子愈大越难通过。1）气体物质(O2和CO2)与小分子物质都能透过细胞膜。2）极性物质的进出：糖类
2、、氨基酸、核苷酸、离子(H+、Na+、K+、Ca+）以及细胞的很多代谢产物都是非脂溶性的（或极性）的。按理说这些物质是透不过细胞的，然而事实上，他们借助于细胞膜中负责运输的转运蛋白照样可以进出细胞。3）水：虽不溶于脂，因其分子小、不带电，以及水分子的双极性结构，所以也能迅速地透过细胞膜。物质进出细胞的方式：单纯扩散、易化扩散、主动转运和基因转位。一、单纯扩散(simple，passivediffusion)单纯扩散：又称被动扩散或自由扩散，这是物质进出细胞最简单的方式。单纯扩散是物质非特异地从浓度较高的一侧被动地或自由地透过膜向浓度较低的一侧扩散的过程。特点：1、驱动力是细胞膜两侧物质的浓度梯
3、度，不需要由外界提供任何形式的能量、也无载体的介入，膜两侧的浓度差一旦消失，扩散立即停止。2、这是一个纯粹的物理过程，被扩散的分子在进出的过程中不发生化学反应，其构象也没有变化。3、此过程无特异性或选择性，扩散速度很慢，故不是物质运输的一种主要方式。4、单纯的扩散的物质主要是气体(O2、CO2)、水、一些水溶性小分子和某些离子等。微生物的营养和代谢SimpleDiffusionStep1胞外小分子或离子的浓度高，向细胞内净流动胞外小分子或离子的浓度高，向细胞内净流动SimpleDiffusionStep2细胞内外小分子或离子的浓相等，内外流速相等细胞内外小分子或离子的浓相等，内外流速相等渗透作
4、用是水跨膜从水高浓度区（低溶液浓度）向水低浓度区（高溶液浓度）的扩散。渗透作用的动力是浓度梯度，而不消耗代谢能。Osmosisisthediffusionofwateracrossamembranefromanareaofhigherwaterconcentration(lowersoluteconcentration)tolowerwaterconcentration(highersoluteconcentration).Osmosisispoweredbythepotentialenergyofaconcentrationgradientanddoesnotrequiretheexpend
5、itureofmetabolicenergy.微生物的营养和代谢自由水通过过膜的孔隙当溶质如蔗当溶质如蔗糖溶于水中，就糖溶于水中，就与水分子形成很与水分子形成很弱的氢键。自由弱的氢键。自由水分子很小可以水分子很小可以通过膜的孔隙，通过膜的孔隙，与溶质结合的水与溶质结合的水则不能通过。则不能通过。渗透作用(等渗环境的细胞)等渗环境细胞内外的溶液及自由水的浓度相等水的进出流速一致渗透作用(高渗环境的细胞)高渗环境细胞外溶液浓度大；细胞内自由水浓度大自由水从细胞内流出渗透作用(低渗环境的细胞)低渗环境细胞内溶液浓度大；胞外自由水浓度大自由水流入细胞内二、易化扩散（facilitateddeffusi
6、on）有些物质(主要为糖和氨基酸等)借助于细胞膜上一些与它们特异性结合的蛋白，从浓度高的一侧通过膜向浓度低的一侧扩散，这种扩散称为易化扩散。与物质结合并载运他们的膜蛋白，称为载体蛋白(carrierprotein)。载体蛋白有很多类似于酶的特点：1）最重要的是有特异性，某些载体蛋白只转运一种分子，如葡萄糖载体蛋白只转运葡萄糖；2）载体蛋白转运结构相似的一类分子，如转运芳香族氨基酸的载体蛋白不能转运其它的氨基酸；3）载体蛋白本身在转运前后并没有发生改变；4）被运输物质的类似物对载体蛋白的易化扩散也有抑制作用。蛋白质可能是通过其构象变化与所伴随亲和力的改变而完成易化扩散的。载体蛋白有两种不同的构象
7、：在膜外侧时，载体蛋白以一种向膜外露出溶质结合位点与亲和力较高的构象存在，此种构象的载体蛋白由于与溶质亲和力高，故与溶质结合后移位到膜内侧；到了膜内侧，载体蛋白改变成为一种向膜内露出溶质结合位点的构象，此种构象的载体蛋白与溶质的亲和力较低，结果就向膜内释放出溶质。易化扩散模型易化扩散模型易化扩散通常在微生物处于营养物质浓度高的情况下发生。与单纯扩散一样，易化扩散的驱动力也是浓度梯度，因此也不需要能量。但这是有特异性或选择性的扩散，见于许多真核微生物中，如葡萄糖通过易化扩散进入酵母菌细胞；在原核生物中比较少见，发现甘油可通过易化扩散进入沙门氏菌、志贺氏菌肠道细菌。易化扩散易化扩散单纯扩散单纯扩散
8、三、主动转运（activetransport）主动转运，也称主动运输是细胞以载体蛋白利用质子动势或ATP水解所产生的能量进行物质的逆浓度梯度的跨膜转移。主动运输可使细胞累积所需要的物质，甚至是细胞外界浓度很低的情况下也可将物质向细胞内运转。主动转动是微生物吸收营养物质的一种主要方式，载体蛋白有特异性外，还能主动将特异物质逆浓度梯度传送至细胞内，这个过程需要外界提供能量。通过主动转动的物质1）无机离子（K+、SO42-、PO42-）2）糖类（乳糠、葡萄糖）3）氨基酸和有机酸等。载体蛋白主动转移溶质的机制与参与易化扩散相似，只是载体蛋白构象改变时需要有能量提供。细菌中主动转移所需能量大多来自质子动
9、势（protonmotiveforcepmf）。1、以质子动势为能量的主动转运质子动势是一种来自膜内外两侧质子浓度差（膜外质子浓度膜内质子浓度）的高能级的势能，是质子化学梯度与膜电位梯度的总和。质子动势可在电子传递时产生，也可以在ATP水解时产生。主动转动主动转动原生质膜原生质膜胞内胞内胞外胞外(或细菌或细菌物周质空间物周质空间)电子传递电子传递电子传递时质子电子传递时质子从原生质膜泵出从原生质膜泵出质子梯度使钠离子排出质子梯度使钠离子排出钠离子与载体蛋白质复合体上钠离子与载体蛋白质复合体上溶质结合点的形态改变，与溶质结合溶质结合点的形态改变，与溶质结合载体结构改变，钠在膜内释载体结构改变，钠
10、在膜内释放。接着溶质与载体分离。放。接着溶质与载体分离。依靠质子动势依靠质子动势的主动运输的主动运输微生物的营养和代谢主动转运的质子动势AAsymportersymportertransportsprotonstransportsprotons(H(H+)andasubstrate)andasubstrateacrossthemembrane.acrossthemembrane.ThemovementofThemovementofprotonsacrosstheprotonsacrossthemembrane(membrane(protonprotonmotiveforcemotiveforc
11、e)provides)providestheenergytheenergy同向转移子同向转移子转运质转运质子和物质通过膜。质子子和物质通过膜。质子的跨膜运动（质子动势的跨膜运动（质子动势）提供能量。）提供能量。2、以ATP为能量的主动转运以以ATPATP为能量的主动运输为能量的主动运输微生物的营养和代谢ActiveTransportStep1ThisofactivetransportinvolvesbothtransporterproteinsandtheenergyprovidedbythehydrolysisofATP.Aspecificperiplasmic-bindingprotein
12、carriesthesubstancetobetransportedtoamembrane-spanningtransporter.主动运输形式涉及载体蛋白及ATP的水解。特异性的周质结合蛋白将被运输的物质运送到跨膜的转运载体。被转运的物质被转运的物质周质结合蛋白周质结合蛋白跨膜转运载体跨膜转运载体周质周质ATPATP水解蛋白水解蛋白细胞质细胞质微生物的营养和代谢ActiveTransportStep2ThemoleculetobetransportedacrossthemembraneentersthetransporterproteinsystemandamoleculeofATPente
13、rstheATPbindingsiteoftheATP-hydrolyzingprotein.运输的物质跨过膜进入转运蛋白系统，同时ATP分子进入ATP水解蛋白的ATP结合点。微生物的营养和代谢ActiveTransportStep3EnergyprovidedbytheEnergyprovidedbythehydrolysisofATPintohydrolysisofATPintoADPphosphateandADPphosphateandenergymovesthemoleculeenergymovesthemoleculeacrossthemembrane.acrossthemembra
14、ne.ATPATP水解为水解为ADPADP、磷酸放、磷酸放出能量。能量使被转运的出能量。能量使被转运的分子通过膜。分子通过膜。ActiveTransportStep4ThecarrierproteinThecarrierproteinreleasesthemoleculereleasesthemoleculebeingtransportedandbeingtransportedandthetransportersystemisthetransportersystemisreadytobeusedagainreadytobeusedagain载体释放出运转的分载体释放出运转的分子，并使转运系统又
15、可子，并使转运系统又可进行下一次的物质的运进行下一次的物质的运。四、基团转位（grouptranslocation）基团转位是被运转物质在运输的同时，由于受到化学修饰而源源不断地进入细胞内的一种运输方式。基团转位时也有特异性载体蛋白参与和需要能量，它的能量来源是磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)。通过基团转位运输的物质包括葡萄糖、甘露醇、乳糖、果糖、N-乙酰葡萄糖胺和-半乳糖苷等糖类及衍生物，还有嘌呤、嘧啶和脂肪酸等，基团转位运转时的化学修饰是磷酸化。大肠杆菌将葡萄糖从胞外转运到胞内的磷酸转移酶系统（phosphotransferasesystemPTS）。该系统由E1、E2和一种热稳定蛋白（HPr）
16、等几种不同的蛋白质组成。HPr为一种低相对分子质量的可溶性蛋白，它起着高能磷酸载体的作用，实质上将磷酸基团转移至被转运物质上；E1在存于细胞质中的一种酶，HPr和E1都是非特异性的；E2是膜结合的特异性酶。PST系统的能量供体是PEP。基团转位模型基团转位模型细胞质细胞质周质周质葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖甘露糖醇甘露糖醇甘露糖醇甘露糖醇-1-1-磷酸磷酸该系统通过以下步骤转运葡萄糖：在E1的催化下，HPr被PEP磷酸化生成P-HPr并转移到膜的内表面，其反应式为：PEP+HPrP-HPr+丙酮酸葡萄糖被P-HPr磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，然后进入细胞。这步反应由E2催化：P-HPr+葡萄糖6-磷酸葡萄糖+HPr这一步中葡萄糖先与位于膜外表面E2特异性酶结合，并移位到膜的内表面，再在内表面被P-HPr磷酸化并进入细胞。总反应式：PEP+糖(细胞外)丙酮酸+糖P(细胞内)（E1E1）（E2E2）第四节培养基培养基(medium.Culturemedium)：培养基是为人工培养微生物而制备的、提供微生物以合适营养条件的基质。由于微
