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1、第五章 微生物营养 与培养基,营养(nutrition)：生物体从外部环境中摄取对其生命活动必须的能量和物质，以满足正常生长和繁殖需要的一种最基本的生理功能。,营养物(nutrient)：具有营养功能的物质。,营养物提供生命活动的结构物质、能量、代谢调节物质和良好的生理环境。,一些微生物可利用非物质形式的能源光能。,一、细胞化学组成 整个生物界大体相同，主要是C、H、O、N（占干重9097%），C占约50%，此外为各种无机元素，由这些元素再组成化合物。其中C/N一般是5:1。,第一节 微生物的六种营养要素,元素 大量元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫 其他元素：钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、 钴、锌、
2、钼等,存在方式 有机物：蛋白质、糖、类脂、核酸、维生素、降 解产物、代谢中间产物 无机盐灰分 水 细胞湿重的70%90%,微生物细胞中几种主要元素的相对含量（%干重）,一般生物能利用的，微生物能利用； 一般生物不能利用的，微生物也能利用； 对一般生物有害的，微生物还能利用。,微生物是杂食性的：,二、主要营养物及其功能,碳源（Carbon source） 氮源（Nitrogen source) 能源（Energy source) 生长因子（Growth factor ) 无机盐(Inorganic salt) 水(Water),六种营养要素,参与微生物细胞的组成 提供微生物机体进行各种生理活动所
3、需的能量 形成微生物代谢产物的来源,功能:,营养物质是微生物新陈代谢和一切生命活动的物质基础，失去这个基础，生命也就停止。,异养微生物：必须利用有机碳源 自养微生物：能利用无机碳源,（一）碳源(carbon source),提供微生物营养所需碳元素的营养源。,有机碳源：蛋白质，核酸，淀粉，葡萄糖等 无机碳源： CO2 , Na2CO3 , CaCO3等,糖类： 葡萄糖，果糖，麦芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纤维二糖，纤维素，半纤维素，甲壳素，木质素，等 有机酸： 乳酸，柠檬酸，延胡索酸，低级脂肪酸，高级脂肪酸，氨基酸，等 醇类： 乙醇，等 脂类： 脂肪，磷脂，等 烃类： 天然气，石油
4、，石油馏分，石蜡油 ，等 CO2 碳酸盐： NaHCO3, CaCO3, 白垩，等 其他： 芳香族化合物，氰化物，蛋白质，肽，核酸,微生物可利用的碳源(化合物分类),有机氮源：蛋白胨、黄豆粉、玉米浆 无机氮源：NH4NO3、(NH4)2SO4 气态氮源：大气N2,（二）氮源(nitrogen source),凡能提供微生物营养所需氮元素的营养源。 氮源一般不作能源。,速效氮源 迟效氮源,能为微生物的生命活动提供最初能量来源的化学物质或辐射能。,（三）能源(energy source),异养微生物的碳源同时也是能源,单功能： 辐射能 双功能： 还原态无机养料，如NH4+既是硝酸盐细菌的能 源，又
5、是氮源 三功能： N C H O类营养物质常是异养微生物的能 源，碳源兼氮源,一种营养物具有一种以上营养要素的功能,一类对微生物正常代谢必不可少且又不能从简单的碳源，氮源自行合成的、所需极微量的有机物。,培养基中生长因子来源： 酵母膏、玉米浆、麦芽汁等。,(四) 生长因子(growth factor),作用：辅酶或酶活化所需。,狭义：维生素 广义：维生素、氨基酸、碱基、脂肪酸等,生长因子自养型微生物（auxoautotrophs) 生长因子异养型微生物（auxoheterotrophs) 营养缺陷型微生物（nutritional deficiency)变株 生长因子过量合成型微生物,若干细菌所
6、需要的维生素,维生素A，抗干眼病维生素，亦称美容维生素，脂溶性。多存在于鱼肝油、动物肝脏、绿色蔬菜 ，缺少维生素A易患夜盲症。 维生素B1，硫胺素，又称抗脚气病因子、抗神经炎因子等，是水溶性维生素。 维生素B2，核黄素，水溶性。由D. T. Smith和E. G. Hendrick在1926年发现。也被称为维生素G 多存在于酵母、肝脏、蔬菜、蛋类 。缺少维生素B2易患口舌炎症等。,维生素B3，烟酸，水溶性。由Conrad Elvehjem在1937年发现。也被称为维生素P、维生素PP、包括尼克酸（烟酸）和尼克酰胺（烟酰胺）两种物质，均属于吡啶衍生物。多存在于菸硷酸、尼古丁酸 酵母、谷物、肝脏、
7、米糠 维生素B4（胆碱、胆素），水溶性。由Maurice Gobley在1850年发现。维生素B族之一，多存在于肝脏、蛋黄、乳制品、大豆。 维生素B5，泛酸，水溶性。由Roger Williams在1933年发现。亦称为遍多酸 多存在于酵母、谷物、肝脏、蔬菜 维生素B6，吡哆醇类，水溶性。由Paul Gyorgy在1934年发现。包括吡哆醇、吡哆醛及吡哆胺。多存在于酵母、谷物、肝脏、蛋类、乳制品,维生素B7，生物素，也被称为维生素H或辅酶R，水溶性。多存在于酵母、肝脏、谷物 维生素B9，叶酸，水溶性。也被称为蝶酰谷氨酸、蝶酸单麸胺酸、维生素M或叶精。多存在于蔬菜叶、肝脏。 维生素B12，氰钴胺
8、素，水溶性。由Karl Folkers和Alexander Todd在1948年发现。也被称为氰钴胺或辅酶B12。多存在于肝脏、鱼肉、肉类、蛋类。 肌醇，水溶性， 环己六醇、维生素B-h。多存在于心脏、肉类。 维生素C，抗坏血酸，水溶性。由詹姆斯?林德在1747年发现。亦称为抗坏血酸 多存在于新鲜蔬菜、水果。,维生素D，钙化醇，脂溶性。由Edward Mellanby在1922年发现。亦称为骨化醇、抗佝偻病维生素，主要有维生素D2即麦角钙化醇和维生素D3即胆钙化醇。这是唯一一种人体可以少量合成的维生素。多存在于鱼肝油、蛋黄、乳制品、酵母。 维生素E，生育酚脂溶性。由Herbert Evans及
9、Katherine Bishop在1922年发现。主要有、四种。多存在于鸡蛋、肝脏、鱼类、植物油。 维生素K，萘醌类，脂溶性。由Henrik Dam在1929年发现。是一系列萘醌的衍生物的统称，主要有天然的来自植物的维生素K1、来自动物的维生素K2以及人工合成的维生素K3和维生素K4。又被称为凝血维生素。多存在于菠菜、苜蓿、白菜、肝脏。,维生素的生理功能,（五）无机盐 (inorganic salts),所需浓度在10-3-10-4M 的元素为大量元素 所需浓度在10-6-10-8M 的元素为微量元素,无机盐的生理功能,生理作用： 细胞组成成分 生化反应溶剂 化学、生理反应介质 物质运输媒体
10、调节细胞温度 维持细胞的渗透压,（六）水,存在状态：游离态（溶剂）和结合态（结构组成）,依碳源不同： 异养型(heterotrophs): 不能以CO2为主要或唯一碳源 自养型(autotrophs): 能以CO2为主要或唯一碳源,第二节 微生物营养类型,依能源不同： 光能营养型(phototrophs): 光反应产能 化能营养型(chemotrophs):物质氧化产能,依生长因子的不同： 原养型(prototroph)或野生型(wild type) 营养缺陷型(auxotroph),微生物的营养类型,寄生型(parasitism) 寄生于活的生物体 腐生型(saprophytism) 寄生于
11、死亡的生物有机体,化能异养型,营养类型划分不是绝对的，不同生活条件下，可相互转变。,异养微生物：至少需提供一种大量有机物才能满足其正常要求的微生物，即其碳源必须是有机物，氢供体是有机物，能源则可以利 用氧化有机物或吸收日光能而获得。,自养微生物：不依赖于任何有机营养物即可正常生活的微生物。,第三节 细胞对营养物质的吸收,离子化合物：弱快强慢（极性）,营养物质的吸收与代谢产物的分泌，涉及到物质的运输、营养物吸收至胞内被利用、代谢物分泌到胞外以免积累，这就是物质运输过程。,在营养物质运送方面，细胞壁仅简单地排阻分子量过大(600Da)的溶质进入, 而具有磷脂双分子层和嵌合蛋白分子的细胞膜则是控制营
12、养物质进入和排除的主要屏障。,通透性与吸收是不同概念,一般大分子先水解为小分子，再吸收,脂溶性物质：易透过,一、单纯扩散 (simple diffusion),依靠胞内外溶液浓度差，顺浓度梯度运输； 不消耗代谢能，无特异性； 运输氧、二氧化碳、甘油、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，利用细胞膜的通透性，细胞膜是一道屏障。,二、促进扩散 (facilitated diffusion),利用膜内、膜外被运输物质和载体蛋白的亲和力的不同。 特点： 需要特异性的载体蛋白顺浓度梯度运输 不消耗能量 运输硫酸根、磷酸根、糖（真核）,载体蛋白(carrier protein
13、)，即透性酶（大多为诱导酶），有底物特异性，每种载体蛋白运输相应的物质。载体蛋白可加快运输速度，但不能逆浓度运输。,促进扩散示意图,胞外 细胞膜 胞内,单纯扩散,促进扩散,浓度梯度,运输速率,单纯扩散和促进扩散的比较,单纯扩散随浓度增加而线性增加，而促进扩散在一定浓度后出现平台,单纯扩散、促进扩散、主动运输 ：被运输的溶质分子不发生改变。,3、主动运输 (active transport),特点： 是微生物吸收营养的主要方式 可逆浓度梯度运输，耗能 需载体蛋白，有特异性 运输有机离子、无机离子、氨基酸、乳糖等糖类 需要特异性载体蛋白需要能量来改变载体蛋白的构象 亲和力改变蛋白构象改变耗能,1.
14、 电子转移能被用来将质子泵出膜外 2. 质子梯度通过反运输机制将钠离子逐 出膜外 3. 钠离子与载体蛋白复合物相结合 4. 溶质结合位点的形状发生改变，而与 溶质(如糖和氨基酸)结合 5. 载体蛋白的构象发生改变，钠离子在 膜内释放，随后溶质从载体蛋白解离,主动运输的机制：使用质子(H+)和钠离子(Na+)梯度。,特点： 属主动运输类型 溶质分子发生化学修饰 定向磷酸化 需复杂的运输酶系参与 运输葡萄糖、果糖、甘露糖、嘌呤、核苷、脂肪酸等,4、基团转位 (group translocation),膜对大多数磷酸化合物具有高度的不渗透性。 每输入一个葡萄糖分子，就要消耗一个ATP 的能量。,主要
15、依赖磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和磷酸转移酶系统(PTS)。,1. 热稳定性载体蛋白(heat stable carrier protein ,HPr) 的激活,2. 糖磷酸化后运入膜内,基团转位运输葡萄糖示意图,两类磷酸烯醇式丙酮酸：糖基磷酸转移酶(PTS)系统 高能磷酸从HPr转移至溶解态EIIA, EIIA与EIIB在甘露糖转运系统中相连，在葡萄糖转运系统中分开。无论那种形式，磷酸都从EIIA转移至EIIB，再经过穿膜的转运过程而转移至糖基。 磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) , 第一个酶I(EI), 低分子量热稳定性载体蛋白(HPr), 第二个酶I(EII),培养基(medium，cultur
16、e 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。,第四节 培养基,（一）四个原则 1、目的明确（根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基） 培养什么微生物、获得什么产物、用途,二、选择和配制培养基的原则和方法,2、营养协调 营养协调(注意营养物的浓度和配比，特别是碳氮比C/N比),C/N比: 微生物培养基中所含的碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比。不是简单的某碳源的重量与氮源的重量之比。因为，不同种类的碳源和氮源，其中含碳量和含氮量差别很大。,一般培养基的C/N比为100/0.52 。,以含氮量来看： NH3(82%)CO(NH2)2(46%)NH4NO3(35%)(NH4)2CO3(29.2%)(NH4)2SO4(21%),适宜营养物质的选择,表3微生物常见的有机碳源,表 不同能源培养细胞的得率,表 常见微生物氮源,表 常用的培养基中的无机盐及参考浓度（g/L）,pH 渗透压和水活度 氧化还原电位,3、物理化学条件适宜:,细菌: p
