大学微生物学第四章微生物的营养和培养基

大学微生物学第四章微生物的营养和培养基。介绍了微生物的6类营养要素、微生物的营养类型、营养物质进入细胞的方式等。

第四章 微生物的营养和培养基

• 营养物质：那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质。营养：微生物获得和利用营养物质的过程。
• 微生物的6类营养要素
  • 微生物细胞的化学组成
    • 化学元素
      • 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。
    • 化学成分及其分析
      • 水70%~90%
      • 干物质
        • 无机物
        • 有机物：蛋白质、糖、脂、 核酸、维生素等及其降解产物
  • 从营养水平微生物包括6类营养要素
    • 碳源
      • 一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物
      • 分类
        • 糖类及其衍生物
        • 有机酸类
        • 醇类
        • 脂类
        • 烃类
        • 蛋白质及其降解产物
      • 碳源功能
        • 构成细胞物质
        • 构成各种代谢产物和细胞贮藏物质
        • 为微生物进行生命活动提供能量
    • 氮源
      • 凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源。氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素，也是微生物的主要营养物。
      • 氮源种类
      • 微生物能利用的氮源
        • 有机氮
          • 主要是蛋白质及蛋白质的各种降解产物——蛋白胨、氨基酸、小肽和尿素等。
        • 无机氮
          • 主要包括硝酸盐、铵盐、铵等。
        • 分子氮
          • 分子氮即为大气中的N2
      • 氮源功能
        • 构成细胞物质
        • 构成代谢产物
        • 少数细菌可以铵盐、硝酸盐等氮
      • 能否利用氨基酸分类
        • 氨基酸自养型微生物
          • 一部分微生物是不需要利用氨基酸作为氮源的，它们能把尿素、铵盐、硝酸盐甚至氮气等简单氮源自行合成所需要的一切氨基酸
        • 氨基酸异养型微生物
          • 凡需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源的微生物
    • 能源
      • 能为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能
      • 某一种具体营养物除了具有能源之外，同时也兼有其他营养要素的功能，根据这一特点可分为
        • 单功能营养物
          • 光辐射能
        • 双功能营养物
        • 三功能营养物
          • 氨基酸类
    • 生长因子
      • 是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳源、氮源自行合成的需要量很小的一类有机物。
      • 根据生长因子与微生物的关系可分类
        • 生长因子自养型微生物
        • 生长因子异养型微生物
        • 生长因子过量合成微生物
      • 生长因子种类
        • 维生素
        • 氨基酸
          • 大多数情况下氨基酸可被微生物吸收利用；少数情况下虽需要氨基酸作为生长因子，但因其不能透过细胞膜，故吸收利用小肽。
          • 在培养基中一种氨基酸的含量过高，会抑制细胞对其他氨基酸的摄取，此现象称氨基酸不平衡。
        • 碱基
          • 碱基是核酸、核苷酸及一些辅酶的组分；一般情况下，核苷酸不能用作生长因子，因为它不能透过细胞膜。
        • 其他生长因子
          • 有些微生物的生长需要一些很特殊的物质，也称生长因子。
    • 无机盐
      • 无机盐或矿质元素主要可为微生物提供除碳、氮源以外的各种重要元素。
      • 分类
        • 大量元素
          • 生长所需浓度在10-4～10-3 mol/L范围内的元素
        • 微量元素
          • 生长所需浓度在10-8～10-6 mol／L范围内的元素
    • 水
      • 微生物细胞中水占70%～90%
      • 作用
        • 水是细胞的重要组成成分。
        • 水直接参与代谢反应，许多反应都涉及脱水和水合。
        • 水是活细胞中各种生化反应的介质。营养物质、代谢产物都必须溶于水中才能被运输。
        • 可调节细胞的温度，又是热的良导体。水比热容高、汽化热高、沸点高。
        • 水是维持细胞膨压的必要条件。
• 微生物的营养类型
  • 营养类型分类
  • 四大营养类型
    • 光能无机营养型(光能自养)
      • 特点
        • 能以CO2为唯一或主要碳源；
        • 进行光合作用获取生长所需要的能量；
        • 以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质。
      • 反应式
    • 光能有机营养型（光能异养）
      • 特点
        • 以CO2及简单有机物为碳源；
        • 在生长时大多数需要外源的生长因子。
      • 反应式
    • 化能无机营养型（化能自养）
      • 特点
        • 生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；
        • 以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。
    • 化能有机营养型（化能异养）
      • 特点
        • 生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；
        • 生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，例如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。
      • 分类
        • 腐生型
        • 寄生型
• 营养物质进入细胞的方式
  • 物质运输的两个过程
    • 所需等营养物质不断进入细胞内
    • 产生的代谢产物及时分泌到细胞外
  • 物质运输的障碍
    • 第一层 荚膜与黏液层
      • 荚膜和粘液层是由一层结构疏松的多糖物质组成，对大多数物质进入细胞影响不大。
    • 第二层 细胞壁
      • 荚膜和粘液层是由一层结构疏松的多糖物质组成，对大多数物质进入细胞影响不大。
    • 第三层 细胞膜
      • 细胞膜具有选择性渗透作用，即细胞膜具有允许一种物质比另一种物质更容易通过的特性。
      • 选择性渗透作用
        • 保证营养物质的进入和代谢产物的排出，防止无害物质的进入和有用物质的漏出
  • 物质运输方式
    • 细胞膜的渗透和选择吸收作用
    • 运送方式
      • 不通过膜上载体蛋白：单纯扩散
        • 指细胞膜在无载体蛋白的参与下，单纯依靠物理扩散方式让许多小分子、非电离分子尤其是亲水性分子被动通过的一种物质运送方式。
        • 特点
          • 扩散是非特异性的，不需载体蛋白协助；
          • 不消耗能量，动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差，从高浓度向低浓度运送；
          • 扩散过程中，物质不与膜上各类分子发生反应，自身分子结构也不发生变化。
      • 通过膜上载体蛋白
        • 不耗能：促进扩散
          • 载体蛋白特点
            • 具有底物特异性，且不消耗能量；
            • 载体只影响物质的运输速率，并不改变该物质在膜内外形成的动态平衡状态。
          • 促进扩散特点
            • 需要细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助；
            • 载体蛋白对被运送的物质具有高度专一性；
            • 不消耗能量，动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差，从高浓度向低浓度运送。
        • 耗能
          • 运送前后溶质分子不变：主动转运
            • 指一类须提供能量并通过细胞膜上特异性载体蛋白构象的变化，而使膜外环境中低浓度的溶质运入膜内的一种运送方式。属于逆浓度梯度运送营养物的方式。
            • 特点
              • 需要细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助；
              • 消耗能量，逆浓度梯度运送物质；
              • 溶质在运送前后不发生分子结构的变化
          • 运送前后溶质分子改变：基团转运
            • 基团转位指既需特异性载体蛋白的参与，又需耗能的一种物质运送方式，其特点是溶质在运送前后还会发生分子结构的变化。
            • 特点
              • 需要细胞膜上的底物特异载体蛋白的协助；
              • 消耗能量，逆浓度梯度运送物质；
              • 溶质在运送前后发生分子结构的变化。
            • 运送机制
              • 磷酸转移酶系统
                • 热稳载体蛋白的激活
                • 糖经磷酸化而运入细胞膜内
    • 四种运送营养物质方式的比较
• 以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；