第五章 微生物的营养和培养基[教学目标]通过本章的教学，使学生掌握微生物的营养方式和营养要素构成；微生物的营养类型；培养的组成与功能等。[教学的重点和难点]微生物的营养要素：培养基和种类与功能特殊培养基的组成和食品科学相关专业领域的应用等。[教学方法和手段】主要以讲授为主，应用多媒体课件进行形象生动的课堂教学。设计微生物营养学综合实验，从培养基的制造、自然环境和食品中微生物的分离和纯化、微生物的培养特征等多方面进行实验教学。[教学内容]微生物要不断地生长繁殖，这就要从它的生活的外部环境中吸取所需要的各种营养物质，合成本身的细胞物质，提供机体进行各种生理活动所需要的能量，保证机体进行正常的生长与繁殖，保证其生命能维持和延续同时将代谢活动产生的废弃物排出体外。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称为营养物质(nutrient)。而微生物获得和利用营养物质的过程称为营养(nutrition)。S1微生物的六大营养要素一、微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学成分以有机物和无机物两种状态存在。有机物包含各种大分子，它们是蛋白质、核酸、类脂和糖类，占细胞干重的99%。无机成分包括小分子无机物和各种离子，占细胞干重的1%。微生物细胞的元素构成由C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo等组成。其中C、H、O、N、P、S六种元素占微生物细胞干重的97%；其他为微量元素。微生物细胞的化学元素组成的比例常因微生物种类的不同而各异。组成微生物细胞的化学元素分别来自微生物生长的所需要的营养物质，即微生物生长所需的营养物质应该包含有组成细胞的各种化学元素。这些物质概括为提供构成细胞物质的碳素来源的碳源物质，构成细胞物质的氮素来源的氮源物质和一些含有K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo元素的无机盐。二、微生物的营养物质及其生理功能微生物生长所需要的营养物质主要是以的有机物和无机物的形式提供的，小部分由气体物质供给。微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为：碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大类。1、碳源（cabonsource）在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质称为碳源(sourceofcarbon)。从简单的无机含碳化合物如CO2和碳酸盐到各种各样的天然有机化合物都可以作为微生物的碳源，但不同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能力有差异。（见表5.1）碳源的生理作用主要有：碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物自身的细胞物质和代谢产物；同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动的能量，但有些以又CO2为唯一或主要碳源的微生物生长所需的能源则不是来自CO2。表5.1微生物利用的碳源物质种类备注碳源物质葡萄糖、果糖、麦芽糖、煎糖、淀粉、半乳糖、单糖优于双糖，已糖优于戊糖，淀粉优于纤维糖乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、素，纯多糖优于杂多糖。甲壳素、木质素等有机酸糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、」与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进
第五章 微生物的营养和培养基 [教学目标]通过本章的教学，使学生掌握微生物的营养方式和营养要素构成；微生物的营养类型；培 养的组成与功能等。 [教学的重点和难点]微生物的营养要素；培养基和种类与功能；特殊培养基的组成和食品科学相关专 业领域的应用等。 [教学方法和手段] 主要以讲授为主，应用多媒体课件进行形象生动的课堂教学。设计微生物营养学 综合实验，从培养基的制造、自然环境和食品中微生物的分离和纯化、微生物的培养特征等多方面进行实 验教学。 [教学内容] 微生物要不断地生长繁殖，这就要从它的生活的外部环境中吸取所需要的各种营养物质，合成本 身的细胞物质，提供机体进行各种生理活动所需要的能量，保证机体进行正常的生长与繁殖，保证其 生命能维持和延续同时将代谢活动产生的废弃物排出体外。 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称为营养物质(nutrient)。而 微生物获得和利用营养物质的过程称为营养(nutrition)。 §1 微生物的六大营养要素 一、 微生物细胞的化学组成 微生物细胞的化学成分以有机物和无机物两种状态存在。有机物包含各种大分子，它们是蛋白质、 核酸、类脂和糖类，占细胞干重的 99%。无机成分包括小分子无机物和各种离子，占细胞干重的 1%。 微生物细胞的元素构成由 C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo 等组成。其中 C、H、O、N、P、S 六种元素占微生物细胞干重的 97%；其他为微量元素。微生物细 胞的化学元素组成的比例常因微生物种类的不同而各异。 组成微生物细胞的化学元素分别来自微生物生长的所需要的营养物质，即微生物生长所需的营养 物质应该包含有组成细胞的各种化学元素。这些物质概括为提供构成细胞物质的碳素来源的碳源物 质，构成细胞物质的氮素来源的氮源物质和一些含有 K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo 元素的无机盐。 二、 微生物的营养物质及其生理功能 微生物生长所需要的营养物质主要是以的有机物和无机物的形式提供的，小部分由气体物质供 给。微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为：碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大 类。 1、 碳源（cabon source） 在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质称为碳源(source of carbon)。 从简单的无机含碳化合物如 CO2 和碳酸盐到各种各样的天然有机化合物都可以作为微生物的碳 源，但不同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能力有差异。(见表 5.1) 碳源的生理作用主要有：碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物自身的细胞物质和代谢产 物；同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动的能量，但有些以又 CO2 为唯一或主要碳源的微生物生长所需的能源则不是来自 CO2。 表 5.1 微生物利用的碳源物质 种类 碳源物质 备注 糖 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 单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维 素，纯多糖优于杂多糖。 有机酸 糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、 与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进
高级脂肪酸、氨基酸等入细胞后会导致pH下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。乙醇醇在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘脂脂肪、磷脂油和脂肪酸而加以利用。利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成烃的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸天然气、石油、石油馏分、石蜡油等收利用。CO2CO2为自养微生物所利用。碳酸盐NaHCO3、CaCO3、白垩等为自养微生物所利用。利用这些物质的微生物在环境保护方面有重芳香族化合物、氰化物其他要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生蛋白质、肋、核酸等物作为碳源而降解利用。2、氮源（nitrogensource）凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为氮源(sourceofnitrogen)物质。能被微生物所利用的氮源物质有蛋白质及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物（见表5.2)。氮源物质常被微生物用来合成细胞中含氮物质，少数情况下可作能源物质，如某些厌氧微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为能源。微生物对氮源的利用具有选择性，如玉米浆相对于豆饼粉，NH4+相对于NO为速效氮源。铵盐作为氮源时会导致培养基pH值下降，称为生理酸性盐，而以硝酸盐作为氮源时培养基pH值会升高称为生理碱性盐。表5.2微生物利用的氮源物质种类氮源物质备注蛋白质及其不同程度大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白蛋白质类降解产物(陈、肽、氨酶，将大分子蛋白质降解利用，而多数细基酸等)菌只能利用相对分子质量较小其降解产物氨及铵盐NH3、(NH4)2SO4等容易被微生物吸收利用硝酸盐KNO3等容易被微生物吸收利用固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去分子氮N2固氮能力大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长嘌呤、嘧啶、脲、其他时，可通过诱导作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可胺、酰胺、氰化物不同程度地被微生物作为氮源加以利用3、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，称为能源（energysource）。由于各种异养微生物的能源就是其碳源，因此，它们的能源谱就显得干分简单。化能自养微生物的能源十分独特，它们都是一些还原态的无机物质，例如NH+、NO2、S、H2SH2和Fe2+等。能利用这种能源的微生物都是一些原核生物，包括亚硝酸细菌、硝酸细菌、硫化细菌、硫细菌、氢细菌和铁细菌等。一部分微生物能够利用辐射能（光能）进行光合作用获得能源，称为光能营养型
高级脂肪酸、氨基酸等 入细胞后会导致 pH 下降。当环境中缺乏碳源 物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。 醇 乙醇 在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。 脂 脂肪、磷脂 主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘 油和脂肪酸而加以利用。 烃 天然气、石油、石油馏分、石蜡油等 利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成 的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸 收利用。 CO2 CO2 为自养微生物所利用。 碳酸盐 NaHCO3、CaCO3、白垩等 为自养微生物所利用。 其他 芳香族化合物、氰化物 蛋白质、肋、核酸等 利用这些物质的微生物在环境保护方面有重 要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生 物作为碳源而降解利用。 2、 氮源（nitrogen source） 凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为氮源(source of nitrogen)物质。 能被微生物所利用的氮源物质有蛋白质及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、分子态氮、 嘌呤、嘧啶、脲、酰胺、氰化物(见表 5.2)。 氮源物质常被微生物用来合成细胞中含氮物质，少数情况下可作能源物质，如某些厌氧微生物在 厌氧条件下可利用某些氨基酸作为能源。 微生物对氮源的利用具有选择性，如玉米浆相对于豆饼粉，NH4＋相对于 NO3 -为速效氮源。铵盐 作为氮源时会导致培养基 pH 值下降，称为生理酸性盐，而以硝酸盐作为氮源时培养基 pH 值会升高， 称为生理碱性盐。 表 5.2 微生物利用的氮源物质 种类 氮源物质 备注 蛋白质类 蛋白质及其不同程度 降解产物(胨、肽、氨 基酸等) 大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白 酶 ， 将 大 分 子 蛋 白 质 降 解 利 用 ， 而 多 数 细 菌只能利用相对分子质量较小其降解产物 氨及铵盐 NH3、(NH4)2SO4 等 容易被微生物吸收利用 硝酸盐 KNO3 等 容易被微生物吸收利用 分子氮 N2 固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去 固氮能力 其他 嘌呤、嘧啶、脲、 胺、酰胺、氰化物 大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长 时，可通过诱导作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可 不同程度地被微生物作为氮源加以利用 3、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，称为能源（energy source）。由于各种 异养微生物的能源就是其碳源，因此，它们的能源谱就显得十分简单。 化能自养微生物的能源十分独特，它们都是一些还原态的无机物质，例如 NH4+、NO2 -、S、H2S、 H2和 Fe2+等。能利用这种能源的微生物都是一些原核生物，包括亚硝酸细菌、硝酸细菌、硫化细菌、 硫细菌、氢细菌和铁细菌等。 一部分微生物能够利用辐射能（光能）进行光合作用获得能源，称为光能营养型
在能源中，更容易理解的是某一具体营养物质可同时兼有几种营养要素功能。例如光辐射能是单功能营养物（能源）：还原态的NH+是双功能营养物（能源和氮源）：而氨基酸是三功能的营养物（碳源、能源和氮源）。4、无机盐无机盐(inorganic salt)是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们在机体中的生理功能主要是作为酶活性中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等(表5.3)。表5.3无机盐及其生理功能元素生理功能化合物形式(常用）核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养磷KH2PO4，K2HPO4基pH含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化硫(NH4)2S04,MgSO04还原电位己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌镁MgS04叶绿素成分某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立钙CaC12, Ca(NO3)2细菌感受态所需钠NaCI细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性钾KH2PO4,K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所铁FeS04需微生物生长所需的无机盐一般有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含有钠、钾、钙、镁、铁等金属元素的化合物。在微生物的生长过程中还需要一些微量元素，微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在10-6～10-mol/L（培养基中含量)。微量元素一般参与酶的组成或使酶活化(表5.4)。如果微生物在生长过程中缺乏微量元素，会导致细胞生理活性降低甚至停止生长。由于不同微生物对营养物质的需求不尽相同，微量元素这个概念也是相对的。微量元素通常混杂在天然有机营养物无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃器皿中，如果没有特殊原因，在配制培养基时没有必要另外加入微量元素。值得注意的是，许多微量元素是重金属，如果它们过量，就会对机体产生毒害作用，而且单独一种微量元素过量产生的毒害作用更大，因此有必要将培养基中微量元素的量控制在正常范围内，并注意各种微量元素之间保持恰当比例。表5.4微量元素与生理功能元素生理功能锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA与DNA聚合酶中锰存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钻存在于谷氨酸变位酶中铜存在于细胞色素氧化酶中钨存在于甲酸脱氢酶中镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需5、生长因子生长因子（growthfactor)通常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
在能源中，更容易理解的是某一具体营养物质可同时兼有几种营养要素功能。例如光辐射能是单 功能营养物（能源）；还原态的 NH4+是双功能营养物（能源和氮源）；而氨基酸是三功能的营养物（碳 源、能源和氮源）。 4、无机盐 无机盐(inorganic salt)是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们在机体中的生理功能主要是作 为酶活性中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡、控 制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等(表 5.3)。 表 5.3 无机盐及其生理功能 元素 化合物形式(常用) 生理功能 磷 KH2PO4，K2HPO4 核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及 ATP 等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养 基 pH 硫 (NH4)2SO4，MgSO4 含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化 还原电位 镁 MgSO4 己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌 叶绿素成分 钙 CaCl2，Ca(NO3)2 某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立 细菌感受态所需 钠 NaCl 细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性 钾 KH2PO4，K2HPO4 某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子 铁 FeSO4 细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所 需 微生物生长所需的无机盐一般有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含有钠、钾、钙、镁、铁等金属元 素的化合物。 在微生物的生长过程中还需要一些微量元素，微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作 用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在 10-6～10-8mol/L(培养基中含量)。微 量元素一般参与酶的组成或使酶活化(表 5.4)。 如果微生物在生长过程中缺乏微量元素，会导致细胞生理活性降低甚至停止生长。由于不同微生 物对营养物质的需求不尽相同，微量元素这个概念也是相对的。微量元素通常混杂在天然有机营养物、 无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻璃器皿中，如果没有特殊原因，在配制培养基时没有必要另 外加入微量元素。值得注意的是，许多微量元素是重金属，如果它们过量，就会对机体产生毒害作用， 而且单独一种微量元素过量产生的毒害作用更大，因此有必要将培养基中微量元素的量控制在正常范 围内，并注意各种微量元素之间保持恰当比例。 表 5.4 微量元素与生理功能 元素 生理功能 锌 存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA 与 DNA 聚合酶中 锰 存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中 钼 存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中 硒 存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中 钴 存在于谷氨酸变位酶中 铜 存在于细胞色素氧化酶中 钨 存在于甲酸脱氢酶中 镍 存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需 5、生长因子 生长因子(growth factor)通常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
或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同，可将生长因子分为维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤与嘧啶三大类(见表5.5)。维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢：有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长：嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。表 5.5维生素及其在代谢中的作用化合物代谢中的作用对氨基苯甲酸四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶生物素催化羧化反应的酶的辅酶辅酶M甲烷形成中的辅酶叶酸四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中泛酸辅酶A的前体硫辛酸丙酮酸脱氢酶复合物的辅基尼克酸NAD、NADP的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶吡哆素(B6)参与氨基酸和酮酶的转化核黄素(B2)黄素单磷酸(FMN)和FAD的前体，它们是黄素蛋白的辅基钻胺素(B12)辅酶B12包括在重排反应里（为谷氨酸变位酶)硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基维生素K甲基酮类的前体，起电子载体作用（如延胡索酸还原酶）氧酸促进铁的溶解性和向细胞中的转移6、水水是微生物生长所必不可少的。水在细胞中的生理功能主要有：①起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成：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因为水的比热高是热的良好导体，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，从而有效地控制细胞内温度的变化；③保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素：③微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。微生物生长的环境中水的有效性常以水活度值(wateractivity，Aw)表示，水活度值是指在一定的温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即Aw=Pw/PoW式中Pw代表溶液蒸气压力，Pow代表纯水蒸气压力。纯水Aw为1.00，溶液中溶质越多，Aw越小。微生物-般在Aw为0.60-0.99的条件下生长，Aw过低时，微生物生长的迟缓期延长，比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适Aw不同（表5.6)。一般而言，细菌生长最适Aw较酵母菌和霉菌高，而嗜盐微生物生长最适AW则较低。表5.6几类微生物生长最适Aw微生物Aw一般细菌0.91酵母菌0.88霉菌0.80嗜盐细菌0.76嗜盐真菌0.65嗜高渗酵母0.60S2微生物的营养类型
或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。 根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同，可将生长因子分为维生素 (vitamin)、氨基酸与嘌呤与嘧啶三大类(见表 5.5)。维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或 辅酶参与新陈代谢；有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基 酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长；嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内 的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。 表 5.5 维生素及其在代谢中的作用 化合物 代谢中的作用 对氨基苯甲酸 四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶 生物素 催化羧化反应的酶的辅酶 辅酶 M 甲烷形成中的辅酶 叶酸 四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中 泛酸 辅酶 A 的前体 硫辛酸 丙酮酸脱氢酶复合物的辅基 尼克酸 NAD、NADP 的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶 吡哆素(B6) 参与氨基酸和酮酶的转化 核黄素(B2) 黄素单磷酸(FMN)和 FAD 的前体，它们是黄素蛋白的辅基 钻胺素(B12) 辅酶 B12 包括在重排反应里(为谷氨酸变位酶) 硫胺素(B1) 硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基 维生素 K 甲基酮类的前体，起电子载体作用(如延胡索酸还原酶) 氧肟酸 促进铁的溶解性和向细胞中的转移 6、 水 水是微生物生长所必不可少的。水在细胞中的生理功能主要有： ①起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成；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因为水的比热高， 是热的良好导体，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，从而有效地控制 细胞内温度的变化；⑤保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素；⑥微生物通过水合作用 与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组装与解离。 微生物生长的环境中水的有效性常以水活度值(wateractivity，Aw)表示，水活度值是指在一定的 温度和压力条件下，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比，即 Aw＝Pw／P0w 式中 Pw 代 表溶液蒸气压力，P0w 代表纯水蒸气压力。纯水 Aw 为 1.00，溶液中溶质越多，Aw 越小。微生物一 般在 Aw 为 0.60-0.99 的条件下生长，Aw 过低时，微生物生长的迟缓期延长，比生长速率和总生长量 减少。微生物不同，其生长的最适 Aw 不同(表 5.6)。一般而言，细菌生长最适 Aw 较酵母菌和霉菌高， 而嗜盐微生物生长最适 Aw 则较低。 表 5.6 几类微生物生长最适Ａw 微生物 Aw 一般细菌 0.91 酵母菌 0.88 霉菌 0.80 嗜盐细菌 0.76 嗜盐真菌 0.65 嗜高渗酵母 0.60 §2 微生物的营养类型
由于微生物种类繁多，其营养类型(nutritionaltypes)比较复杂，人们常在不同层次和侧重点上对微生物营养类型进行划分（表5.7)。根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将绝大部分微生物分为光能无机自养型（photolithoautotrophy）、光能有机异养型（photoorganoheterophy）、化能无机自养型(chemolithoautotrophy）及化能有机异养型（chemoorganoheterotrophy）四种类型（表5.8)。表5.7微生物营养类型(I)划分依据营养类型特点自养型(autotrophs)以CO2为唯一或主要碳源碳源异养型(heterotrophs)以有机物为碳源光能营养型(phototrophs)以光为能源能源化能营养型(chemotrophs)以有机物氧化释放的化学能为能源无机营养型(lithotrophs)以还原性无机物为电子供体电子供体有机营养型(organotrophs)以有机物为电子供体表5.8微生物的营养类型(II)碳源举例营养类型电子供体能源H2、H2S、S、或H2OCO2光能着色细菌、蓝细菌、藻类光能无机自养型光能光能有机异养型有机物有机物红螺细菌Hz、HzS、Fe2+、氢细菌、硫杆菌、化能无机自养型CO2化学能亚硝化单胞菌属NH3、或NO2化能有机异养型有机物有机物化学能假单胞菌属、真菌、原生动物光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起重要作用；化能无机自养型微生物广泛分布于土壤及水环境中，参与地球物质循环；对化能有机异养型微生物而言，有机物通常既是碳源也是能源。目前已知的大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物。值得注意的是，已知的所有致病微生物都属于此种类型。根据化能有机异养型微生物利用的有机物性质的不同，又可将它们分为腐生型(metatrophy)和寄生型(paratrophy)两类，前者可利用无生命的有机物（如动植物户体和残体）作为碳源，后者则寄生在活的寄主机体内吸取营养物质，离开寄主就不能生存。在腐生型和寄生型之间还存在一些中间类型，如兼性腐生型(facultivemetatrophy)和兼性寄生型(facultiveparatrophy)。某些菌株发生突变（自然突变或人工诱变）后，失去合成某种（或某些）对该菌株生长必不可少的物质（通常是生长因子如氨基酸、维生素）的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长紧殖，这种突变型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)，相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。营养缺陷型菌株经常用来进行微生物遗传学方面的研究。必须明确，无论那种分类方式，不同营养类型之间的界限并非绝对的，异养型微生物并非绝对不能利用，只是不能以CO2为唯一或主要碳源进行生长，而且在有机物存在的情况下也可将CO2同化为细胞物质。同样，自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长。另外，有些微生物在不同生长条件下生长时，其营养类型也会发生改变，例如紫色非硫细菌（purplenonsulphurbacteria）在没有有机物时可以同化CO2，为自养型微生物，而当有机物存在时，它又可以利用有机物进行生长，此时它为异养型微生物。再如，紫色非硫细菌在光照和厌氧条件下可利用光能生长，为光能营养型微生物，而在黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，则为化能营养型微生物。微生物营养类型的可变性无疑有利于提高微生物对环境条件变化的适应能力。、光能无机自养型光能无机自养型也称光能自养型，这是一类能以CO2为唯一碳源或主要碳源并利用光能进行生长的的微生物，它们能无机物如水、硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机化合物使CO2固定还原成细胞物质，并且伴随元素氧（硫）的释放。藻类、蓝细菌和光合细菌属于这一类营养类型
由于微生物种类繁多，其营养类型(nutritional types)比较复杂，人们常在不同层次和侧重点上对 微生物营养类型进行划分(表 5.7)。根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将绝大部分微生物分为 光能无机自养型(photolithoautotrophy)、光能有机异养型(photoorganoheterophy)、化能无机自养型 (chemolithoautotrophy)及化能有机异养型(chemoorganoheterotrophy)四种类型(表 5.8)。 表 5.7 微生物营养类型(Ⅰ) 划分依据 营养类型 特点 碳源 自养型(autotrophs) 以 CO2 为唯一或主要碳源 异养型(heterotrophs) 以有机物为碳源 能源 光能营养型(phototrophs) 以光为能源 化能营养型(chemotrophs) 以有机物氧化释放的化学能为能源 电子供体 无机营养型(lithotrophs) 以还原性无机物为电子供体 有机营养型(organotrophs) 以有机物为电子供体 表 5.8 微生物的营养类型(Ⅱ) 营养类型 电子供体 碳源 能源 举例 光能无机自养型 H2、H2S、S、或 H2O CO2 光能 着色细菌、蓝细菌、藻类 光能有机异养型 有机物 有机物 光能 红螺细菌 化能无机自养型 H2、H2S、Fe2+、 NH3、或 NO2 - CO2 化学能 氢细菌、硫杆菌、 亚硝化单胞菌属 化能有机异养型 有机物 有机物 化学能 假单胞菌属、真菌、原生动物 光能无机自养型和光能有机异养型微生物可利用光能生长，在地球早期生态环境的演化过程中起 重要作用；化能无机自养型微生物广泛分布于土壤及水环境中，参与地球物质循环；对化能有机异养 型微生物而言，有机物通常既是碳源也是能源。目前已知的大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有 机异养型微生物。值得注意的是，己知的所有致病微生物都属于此种类型。根据化能有机异养型微生 物利用的有机物性质的不同，又可将它们分为腐生型(metatrophy)和寄生型(paratrophy)两类，前者可 利用无生命的有机物(如动植物尸体和残体)作为碳源，后者则寄生在活的寄主机体内吸取营养物质， 离开寄主就不能生存。在腐生型和寄生型之间还存在一些中间类型，如兼性腐生型(facultive metatrophy) 和兼性寄生型(facultive paratrophy)。 某些菌株发生突变(自然突变或人工诱变)后，失去合成某种(或某些)对该菌株生长必不可少的物 质(通常是生长因子如氨基酸、维生素)的能力，必须从外界环境获得该物质才能生长繁殖，这种突变 型菌株称为营养缺陷型(auxotroph)，相应的野生型菌株称为原养型(prototroph)。营养缺陷型菌株经常 用来进行微生物遗传学方面的研究。 必须明确，无论那种分类方式，不同营养类型之间的界限并非绝对的，异养型微生物并非绝对不 能利用，只是不能以 CO2 为唯一或主要碳源进行生长，而且在有机物存在的情况下也可将 CO2 同化 为细胞物质。同样，自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长。另外，有些微生物在不同生长条 件下生长时，其营养类型也会发生改变，例如紫色非硫细菌(purple nonsulphur bacteria)在没有有机物 时可以同化 CO2，为自养型微生物，而当有机物存在时，它又可以利用有机物进行生长，此时它为异 养型微生物。再如，紫色非硫细菌在光照和厌氧条件下可利用光能生长，为光能营养型微生物，而在 黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，则为化能营养型微生物。微生物营养类型的 可变性无疑有利于提高微生物对环境条件变化的适应能力。 一、 光能无机自养型 光能无机自养型 也称光能自养型，这是一类能以 CO2为唯一碳源或主要碳源并利用光能进行生 长的的微生物，它们能无机物如水、硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机化合物使 CO2固定还原成细胞物 质，并且伴随元素氧（硫）的释放。 藻类、蓝细菌和光合细菌属于这一类营养类型
光能-[CH ,0]+0, ↑CO,+H,O叶绿素藻类和蓝细菌：这与高等植物光合作用是一致的。光能CO,+2H,S-[CH ,0]+ H,0 +2S菌绿素光合细菌：这与藻类、蓝细菌和高等植物是不同的。二、化能无机自养型化能无机自养型或称化能自养型，这类微生物利用无机物氧化过程中放出的化学能作为它们生长所需的能量，以CO2或碳酸盐作为的唯一或主要碳源进行生长，利用电子供体如氢气、硫化氢、二价铁离子或亚硝酸盐等使CO2还原成细胞物质。属于这类微生物的类群有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌等（参见微生物的产能方式）+0，→H，0+56.7千卡H+2例如氢细菌：三、光能有机异养型光能有机营养型或称光能异养型，这类微生物不能以CO2作为唯一碳源或主要碳源，需以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质。红螺属的一些细菌就是这一营养类型的代表：光能2(CH,);CHOH+CO:光合色素2CH,COCH+[CH2O]+H?0光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源的生长因子。四、化能有机异养型化能有机营养型或称化能异养营养型，这类微生物生长所需的能量来自有机物氧化过程放出的化学能，生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等，也即化能有机营养型微生物里的有机物通常既是它们生长的碳源物质又是能源物质。自前在已知的微生物中大多数属于化能有机营养型：绝大多数的细菌、全部真菌、原生动物以及病毒。如果化能有机营养型微生物利用的有机物不具有生命活性，则是腐生型；若是生活在生活细胞内从寄生体内获得营养物质，则是寄生型。83营养物质进入细胞营养物质能否被微生物利用的一个决定性因素是这些营养物质能否进入微生物细胞。只有营养物质进入细胞后才能被微生物细胞内的新陈代谢系统分解利用，进而使微生物正常生长紧殖。影响营养物质进入细胞的因素主要有三个：其一是营养物质本身的性质。相对分子质量、溶解性、电负性、极性等都影响营养物质进入细胞的难易程度。其二是微生物所处的环境。温度通过影响营养物质的溶解度、细胞膜的流动性及运输系统的活性来影响微生物的吸收能力；pH和离子强度通过影响营养物质的电离程度来影响其进入细胞的能力。例如，当环境pH比细胞内pH高时，弱碱性的甲胺进入大肠杆菌后以带正电荷的形式存在，而这种状态的甲胺不容易分泌而导致细胞内甲胺浓度升高，当环境pH比细胞内pH低时，甲胺以带正电荷的形式存在于环境中而难以进入细胞，导致细胞内甲胺浓度降低；当环境中存在诱导物质运输系统形成的物质时，有利手微生物吸收营养物质：而环境中存在的代谢过程抑制剂、解偶联剂以及能与原生质膜上的蛋白质或脂类物质等成分发生作用的物质（如琉基试剂、重金属离子等）都可以在不同程度上影响物质的运输速率。另外，环境中被运输物质的结构类似物也影响微生物细胞吸收被运输物质的速率，例如L-刀豆氨酸、L-赖氨酸或D-精氨酸都能降低酿酒酵母吸收L-精氨酸的能力
藻类和蓝细菌： CO 2 H 2 O [CH 2 O ] O 2 叶绿素 光能 这与高等植物光合作用是一致的。 光合细菌： CO 2 H S [CH O ] H O 2 S 2 2 2 2 菌绿素 光能 这与藻类、蓝细菌和高等植物是不同的。 二、 化能无机自养型 化能无机自养型 或称化能自养型，这类微生物利用无机物氧化过程中放出的化学能作为它们生 长所需的能量，以 CO2或碳酸盐作为的唯一或主要碳源进行生长，利用电子供体如氢气、硫化氢、二 价铁离子或亚硝酸盐等使 CO2还原成细胞物质。 属于这类微生物的类群有硫化细菌、硝化细菌、氢细菌与铁细菌等（参见微生物的产能方式） 例如氢细菌： 56 . 7 千卡 2 1 H 2 O 2 H 2 O 三、 光能有机异养型 光能有机营养型 或称光能异养型，这类微生物不能以 CO2 作为唯一碳源或主要碳源，需以有 机物作为供氢体，利用光能将 CO2 还原为细胞物质。 红螺属的一些细菌就是这一营养类型的代表： 2 (CH 3 ) 2 CHOH CO 2 2CH 3COCH 3 [CH 2 O ] H 2 O 光合色素 光能 光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源的生长因子。 四、 化能有机异养型 化能有机营养型 或称化能异养营养型，这类微生物生长所需的能量来自有机物氧化过程放出的 化学能，生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等，也即化能有 机营养型微生物里的有机物通常既是它们生长的碳源物质又是能源物质。 目前在已知的微生物中大多数属于化能有机营养型：绝大多数的细菌、全部真菌、原生动物以及 病毒。 如果化能有机营养型微生物利用的有机物不具有生命活性，则是腐生型；若是生活在生活细胞内 从寄生体内获得营养物质，则是寄生型。 §3 营养物质进入细胞 营养物质能否被微生物利用的一个决定性因素是这些营养物质能否进入微生物细胞。只有营养物 质进入细胞后才能被微生物细胞内的新陈代谢系统分解利用，进而使微生物正常生长繁殖。 影响营养物质进入细胞的因素主要有三个： 其一是营养物质本身的性质。相对分子质量、溶解性、电负性、极性等都影响营养物质进入细 胞 的难易程度。 其二是微生物所处的环境。温度通过影响营养物质的溶解度、细胞膜的流动性及运输系统的活性 来影响微生物的吸收能力；pH 和离子强度通过影响营养物质的电离程度来影响其进入细胞的能力。 例如，当环境 pH 比细胞内 pH 高时，弱碱性的甲胺进入大肠杆菌后以带正电荷的形式存在，而这种 状态的甲胺不容易分泌而导致细胞内甲胺浓度升高，当环境 pH 比细胞内 pH 低时，甲胺以带正电荷 的形式存在于环境中而难以进入细胞，导致细胞内甲胺浓度降低；当环境中存在诱导物质运输系统形 成的物质时，有利于微生物吸收营养物质；而环境中存在的代谢过程抑制剂、解偶联剂以及能与原生 质膜上的蛋白质或脂类物质等成分发生作用的物质(如琉基试剂、重金属离子等)都可以在不同程度上 影响物质的运输速率。另外，环境中被运输物质的结构类似物也影响微生物细胞吸收被运输物质的速 率，例如 L-刀豆氨酸、L-赖氨酸或 D-精氨酸都能降低酿酒酵母吸收 L-精氨酸的能力
其三是微生物细胞的透过屏障(permeabilitybarrier)。所有微生物都具有一种保护机体完整性且能限制物质进出细胞的透过屏障，渗透屏障主要由原生质膜、细胞壁、英膜及粘液层等组成的结构。英膜与粘液层的结构较为疏松，对细胞吸收营养物质影响较小。革兰氏阳性细菌由于细胞壁结构较为紧密，对营养物质的吸收有一定的影响，相对分子质量大于10000的葡聚糖难以通过这类细菌的细胞壁。真菌和酵母菌细胞壁只能允许相对分子质量较小的物质通过。与细胞壁相比，原生质膜在控制物质进入细胞的过程中起着更为重要的作用，它对跨膜运输(transportaccrossmembrane)的物质具有选择性，营养物质的跨膜运输是本节着重探讨的问题。根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为扩散、促进扩散、主动运输与膜泡运输。一、扩散（diffusion)1、扩散原生质膜是一种半透膜，营养物质通过原生质膜上的含水小孔，由高浓度的跑外（内）环境向低浓度的胞内(外)进行扩散(diffusion)。扩散是非特异性的，但原生质膜上的含水小孔的大小和形状对参与扩散的营养物质分子有一定的选择性。物质在扩散过程中，既不与膜上的各类分子发生反应，自身分子结构也不发生变化。2、扩散的特点扩散是一种最简单的物质跨膜运输方式，为纯粹的物理学过程，在扩散过程中不消耗能量，物质扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差，营养物质不能逆浓度运输。物质扩散的速率随原生质膜内外营养物质浓度差的降低而减小，直到膜内外营养物质浓度相同时才达到一个动态平衡由于原生质膜主要由磷脂双分子层和蛋白质组成，而且膜上分布有含水小孔，膜内外表面为极性表面，中间为疏水层，因而物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关，相对分子质量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。另外，温度高时，原生质膜的流动性增加，有利于物质通过扩散进出细胞，而pH与离子强度通过影响物质的电离程度而影响物质的扩散速率。3、通过扩散运输的营养物质扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式，水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子，脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。促进扩散（faciliteddiffusion）二、1、促进扩散3外017177万0脱内图3.1促进护散示意图与扩散一样，促进扩散(faciliteddiffusion）也是一种被动的物质跨膜运输方式，在这个过程中不消耗能量，参与运输的物质本身的分子结构不发生变化，不能进行逆浓度运输，运输速率与膜内外物质的浓度差成正比。2、促进扩散的特点促进扩散与扩散的主要区别在于通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助于载体(carrier)的作用力才能进入细胞（图3.1)，而且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。被运输物质与相应载体之间存在一种亲和力，而且这种亲和力在原生质膜内外的大小不同，当物质与相应载体在胞外亲和力大而在胞内亲和力小时，通过被运输物质与相应载体之间亲和力的大小变化，使该物质与载体发生可逆性的结合与分离，导致物质穿过原生质膜进入细胞。被运输物质与载体之间亲和力大小变化是
其三是微生物细胞的透过屏障(permeability barrier)。所有微生物都具有一种保护机体完整性且能 限制物质进出细胞的透过屏障，渗透屏障主要由原生质膜、细胞壁、荚膜及粘液层等组成的结构。荚 膜与粘液层的结构较为疏松，对细胞吸收营养物质影响较小。革兰氏阳性细菌由于细胞壁结构较为紧 密，对营养物质的吸收有一定的影响，相对分子质量大于 10000 的葡聚糖难以通过这类细菌的细胞壁。 真菌和酵母菌细胞壁只能允许相对分子质量较小的物质通过。与细胞壁相比，原生质膜在控制物质进 入细胞的过程中起着更为重要的作用，它对跨膜运输(transportaccross membrane)的物质具有选择性， 营养物质的跨膜运输是本节着重探讨的问题。根据物质运输过程的特点，可将物质的运输方式分为扩 散、促进扩散、主动运输与膜泡运输。 一、 扩散 (diffusion) 1、 扩散 原生质膜是一种半透膜，营养物质通过原生质膜上的含水小孔，由高浓度的跑外(内)环境向低浓 度的胞内(外)进行扩散(diffusion)。扩散是非特异性的，但原生质膜上的含水小孔的大小和形状对参与 扩散的营养物质分子有一定的选择性。物质在扩散过程中，既不与膜上的各类分子发生反应，自身分 子结构也不发生变化。 2、 扩散的特点 扩散是一种最简单的物质跨膜运输方式，为纯粹的物理学过程，在扩散过程中不消耗能量，物质 扩散的动力来自参与扩散的物质在膜内外的浓度差，营养物质不能逆浓度运输。物质扩散的速率随原 生质膜内外营养物质浓度差的降低而减小，直到膜内外营养物质浓度相同时才达到一个动态平衡。 由于原生质膜主要由磷脂双分子层和蛋白质组成，而且膜上分布有含水小孔，膜内外表面为极性 表面，中间为疏水层，因而物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关，相对分子质量小、脂溶 性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。另外，温度高时，原生质膜的流动性增加，有利于物质通过 扩散进出细胞，而 pH 与离子强度通过影响物质的电离程度而影响物质的扩散速率。 3、 通过扩散运输的营养物质 扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式，水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分 子，脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进 出细胞。 二、 促进扩散 (facilited diffusion) 1、 促进扩散 与扩散一样，促进扩散(facilited diffusion)也是一种被动的物质跨膜运输方式，在这个过程中不消 耗能量，参与运输的物质本身的分子结构不发生变化，不能进行逆浓度运输，运输速率与膜内外物质 的浓度差成正比。 2、 促进扩散的特点 促进扩散与扩散的主要区别在于通过促进扩散进行跨膜运输的物质需要借助于载体(carrier)的作 用力才能进入细胞(图 3.1)，而且每种载体只运输相应的物质，具有较高的专一性。被运输物质与相应 载体之间存在一种亲和力，而且这种亲和力在原生质膜内外的大小不同，当物质与相应载体在胞外亲 和力大而在胞内亲和力小时，通过被运输物质与相应载体之间亲和力的大小变化，使该物质与载体发 生可逆性的结合与分离，导致物质穿过原生质膜进入细胞。被运输物质与载体之间亲和力大小变化是
通过载体分子的构象变化而实现的。参与促进扩散的载体主要是一些蛋白质，这些蛋白质能促进物质进行跨膜运输，自身在这个过程中不发生化学变化，而且在促进扩散中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，被运输物质在膜内外浓度差越大，促进扩散的速率越快，但是当被运输物质浓度过高而使载体蛋白饱和时，运输速率就个再增加，这些性质都类似于酶的作用特征，因此载体蛋白也称为透过酶(pemlgLR)。透过酶大多是诱导酶，只有在环境中存在机体生长所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。3、通过促进扩运输的营养物质通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成，例如鼠伤寒沙门氏菌Salmonellatyphimurium）利用四种不同载体蛋白运输组氨酸，酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)有三种不同的载体蛋白来完成葡萄糖的运输。另外，某些载体蛋白可同时完成几种物质的运输，例如大肠杆菌可通过一种载体蛋白完成亮氨酸、异亮氨酸和额氨酸的运输，但这种载体蛋白对这三种氨基酸的运输能力有差别。除以蛋白质载体介导的促进扩散外，一些抗菌素可以通过提高膜的离子通透性而促进离子进行跨膜运输。短杆菌肽A是由15个L型和D型氨基酸交替连接而成的短肽，两个短杆菌肽A分子可在膜上形成含水通道，离子可以穿过此通道进行跨膜运输：额氨素是一种环状分子，K+可结合在环状分子中心，而环状分子外周的碳氢链使得该复合物能穿过膜的疏水性中心，从而促进K+的跨膜运输，在这个过程中，濒氨霉素实际上起到载体的作用。三、主动运输（activetransprt)主动运输(activetransprt)是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。与扩散及促进扩散这两种被动运输(passivetransport)方式相比，主动运输的一个重要特点是在物质运输过程中需要消耗能量，而且可以进行逆浓度运输。在主动运输过程中，运输物质所需能量来源因微生物不同而不同，好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能，厌氧型微生物利用化学能（ATP)，光合微生物利用光能，嗜盐细菌通过紫膜(purplemembrane)利用光能。主动运输与促进扩散类似之处在于物质运输过程中同样需要载体蛋白，载体蛋白通过构象变化而改变与被运输物质之问的亲和力大小，使两者之间发生可逆性结合与分离，从而完成相应物质的跨膜运输，区别在于主动运输过程中的载体蛋白构象变化需要消耗能量。主动运输的具体方式有多种，主要有初级主动运输、次级主动运输、基团转位、Nat，K+-ATP酶(Nat，K+-ATPase)系统及ATP偶联主动运输等。(NA膜外膜OH膜内CHPOOHKEKOHP图3.22主动运输示意图1、初级主动运输primaryactivetransport)初级主动运输指由电子传递系统、ATP酶或细菌嗜紫红质引起的质子运输方式，从物质运输的角度考虑是一种质子的主动运输方式。呼吸能、化学能和光能的消耗，引起胞内质子（或其他离子）外排，导致原生质膜内外建立质子浓度差(或电势差)，使膜处于充能状态(图3.2)，即形成能化膜(energizedmembrane)。不同微生物的初级主动运输方式不同，好氧型微生物和兼性厌氧微生物在有氧条件下生
通过载体分子的构象变化而实现的。参与促进扩散的载体主要是一些蛋白质，这些蛋白质能促进物质 进行跨膜运输，自身在这个过程中不发生化学变化，而且在促进扩散中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，被运输物质在膜内外浓度差越大，促进扩散的速率越 快，但是当被运输物质浓度过高而使载体蛋白饱和时，运输速率就个再增加，这些性质都类似于酶的 作用特征，因此载体蛋白也称为透过酶(pemlgLR)。透过酶大多是诱导酶，只有在环境中存在机体生 长所需的营养物质时，相应的透过酶才合成。 3、 通过促进扩运输的营养物质 通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专 一的载体蛋白运输相应的物质，但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成，例如 鼠伤寒沙门氏菌 Salmonella typhimurium)利用四种不同载体蛋白运输组氨酸，酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)有三种不同的载体蛋白来完成葡萄糖的运输。另外，某些载体蛋白可同时完成几种物质的 运输，例如大肠杆菌可通过一种载体蛋白完成亮氨酸、异亮氨酸和额氨酸的运输，但这种载体蛋白对 这三种氨基酸的运输能力有差别。 除以蛋白质载体介导的促进扩散外，一些抗菌素可以通过提高膜的离子通透性而促进离子进 行跨膜运输。短杆菌肽 A 是由 15 个 L 型和 D 型氨基酸交替连接而成的短肽，两个短杆菌肽 A 分子 可在膜上形成含水通道，离子可以穿过此通道进行跨膜运输；额氨霉素是一种环状分子，K+可结合在 环状分子中心，而环状分子外周的碳氢链使得该复合物能穿过膜的疏水性中心，从而促进 K+的跨膜 运输，在这个过程中，濒氨霉素实际上起到载体的作用。 三、 主动运输 (active transprt) 主动运输(active transprt)是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。与扩散及促进扩散 这两种被动运输(passive transport)方式相比，主动运输的一个重要特点是在物质运输过程中需要消耗 能量，而且可以进行逆浓度运输。在主动运输过程中，运输物质所需能量来源因微生物不同而不同， 好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能，厌氧型微生物利用化学能(ATP)，光合微生物利用 光能，嗜盐细菌通过紫膜(purple membrane)利用光能。主动运输与促进扩散类似之处在于物质运输过 程中同样需要载体蛋白，载体蛋白通过构象变化而改变与被运输物质之问的亲和力大小，使两者之间 发生可逆性结合与分离，从而完成相应物质的跨膜运输，区别在于主动运输过程中的载体蛋白构象变 化需要消耗能量。主动运输的具体方式有多种，主要有初级主动运输、次级主动运输、基团转位、 Na+，K+ -ATP 酶(Na+，K+ -ATPase)系统及 ATP 偶联主动运输等。 1、 初级主动运输(primary active transport) 初级主动运输指由电子传递系统、ATP 酶或细菌嗜紫红质引起的质子运输方式，从物质运输的角 度考虑是一种质子的主动运输方式。呼吸能、化学能和光能的消耗，引起胞内质子(或其他离子)外排， 导致原生质膜内外建立质子浓度差(或电势差)，使膜处于充能状态(图 3.2)，即形成能化膜(energized membrane)。不同微生物的初级主动运输方式不同，好氧型微生物和兼性厌氧微生物在有氧条件下生
长时，物质在胞内氧化释放的电子在位于原生质膜上的电子传递链上传递的过程中伴随质子外排；厌氧型微生物利用发酵过程中产生的ATP，在位于原生质膜上的ATP酶的作用下，ATP水解生成ADP和磷酸，同时伴随质子向胞外分泌；光合微生物吸收光能后，光能激发产生的电子在电子传递过程中也伴随质子外排：嗜盐细菌紫膜上的细菌嗜紫红质吸收光能后，引起蛋白质分子中某些化学基团pK值发生变化，导致质子迅速转移，在膜内外建立质子浓度差。2、次级主动运输(secondaryactivetransport)通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差（或电势差)消失的过程中，往往偶联其他物质的运输，包括以下三种方式：同向运输（symport)是指某种物质与质子通过同一载体按同一方向运输（图3.2a)。除质子外，其他带电荷离子(如钠离子)建立起来的电势差也可引起同向运输。在大肠杆菌中，通过这种方式运输的物质主要有内氨酸、丝氨酸、甘氨酸、谷氨酸、半乳糖、岩藻糖、蜜二糖、阿拉伯糖、乳酸、葡萄糖醛酸及某些阴离子(如HPO42、HSO4)等；逆向运输(antiport)是指某种物质(如Nat)与质子通过同一载体按相反方向进行运输（图3.2b)：单向运输(uniport)是指质子浓度差在消失过程中，可促使某些物质通过载体进出细胞（图3.2c)，运输结果通常导致胞内阳离子（如K+)积累或阴离子浓度降低。3、基团转位(grouptranslocatlon)基团转位与其他主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在起输过程中发生化学变化。基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。目前尚未在好氧型细菌及真核生物中发现这种运输方式，也未发现氨基酸通过这种方式进行运输。在研究大肠杆菌对葡萄糖和金黄色葡萄球菌对乳糖的吸收过程中，发现这些糖进入细胞后以磷酸糖的形式存在于细胞质中，表明这些糖在运输过程中发生了磷酸化作用，其中的磷酸基团来源于胞内的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也将基团转位称为磷酸烯醇式丙酮酸一磷酸糖转移酶运输系统(PTS)，简称磷酸转移酶系统（图3.3)。PTS通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b和c三个亚基)和一种低相对分子质量的热稳定蛋白质(HPr)。酶I和HPr是非特异性的细胞质蛋白，酶IIa也是可溶性细胞质蛋白，亲水性酶IⅡb与位于细胞膜上的酶IⅡc相结合。在糖的运输过程中，PEP上的磷酸基团逐步通过酶I、HPr的磷酸化与去磷酸化作用，最终在酶H的作用下转移到糖，生成磷酸糖释放于细胞质中。霸葡萄妆C?4葡糖-6-磷酸图3.3大肠杆菌PTS运输系统4、Nat，K+-ATP酶(Nat，K+-ATPase)系统丹麦学者斯克(J.C.Skou)在1957年发现了存在于原生质膜上的一种重要的离子通道蛋白一一Nat，K+-ATP酶(Nat，K+-ATPase)，时隔40年后，他与其他两位学者分享了1997年诺贝尔化学奖。Nat，K+-ATP酶的功能是利用ATP的能量将Na+由细胞内“泵”出胞外，并将K+“泵”人胞内。该酶由大小两个亚基组成，大亚基可被磷酸化，其作用机制见图3.4。E为非磷酸化酶，与Na的结合位点朝向膜内，与Na+有较高的亲和力，而与K+的亲和力低。当E与Na结合后，在Mg2+存在的情况下，ATP水解使E磷酸化，促使E构象发生变化而转变成E，0园膜外E膜（膜内RJVATPMg"KaADPK图3.41Na+，K+-ATP酶系统示意图
长时，物质在胞内氧化释放的电子在位于原生质膜上的电子传递链上传递的过程中伴随质子外排；厌 氧型微生物利用发酵过程中产生的 ATP，在位于原生质膜上的 ATP 酶的作用下，ATP 水解生成 ADP 和磷酸，同时伴随质子向胞外分泌；光合微生物吸收光能后，光能激发产生的电子在电子传递过程中 也伴随质子外排；嗜盐细菌紫膜上的细菌嗜紫红质吸收光能后，引起蛋白质分子中某些化学基团 pK 值发生变化，导致质子迅速转移，在膜内外建立质子浓度差。 2、 次级主动运输(secondary active transport) 通过初级主动运输建立的能化膜在质子浓度差(或电势差)消失的过程中，往往偶联其他物质的运 输，包括以下三种方式：同向运输(symport)是指某种物质与质子通过同一载体按同一方向运输(图 3.2a)。除质子外，其他带电荷离子(如钠离子)建立起来的电势差也可引起同向运输。在大肠杆菌中， 通过这种方式运输的物质主要有丙氨酸、丝氨酸、甘氨酸、谷氨酸、半乳糖、岩藻糖、蜜二糖、阿拉 伯糖、乳酸、葡萄糖醛酸及某些阴离子(如 HPO4 2-、HSO4 -)等；逆向运输(antiport)是指某种物质(如 Na+ ) 与质子通过同一载体按相反方向进行运输(图 3.2b)；单向运输(uniport)是指质子浓度差在消失过程中， 可促使某些物质通过载体进出细胞(图 3.2c)，运输结果通常导致胞内阳离子(如 K+)积累或阴离子浓度 降低。 3、 基团转位(group translocatlon) 基团转位与其他主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物 质在起输过程中发生化学变化。基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输， 脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。目前尚未在好氧型细菌及真核生物中发现这种运输方 式，也未发现氨基酸通过这种方式进行运输。 在研究大肠杆菌对葡萄糖和金黄色葡萄球菌对乳糖的吸收过程中，发现这些糖进入细胞后以磷酸 糖的形式存在于细胞质中，表明这些糖在运输过程中发生了磷酸化作用，其中的磷酸基团来源于胞内 的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也将基团转位称为磷酸烯醇式丙酮酸—磷酸糖转移酶运输系统 (PTS)，简称磷酸转移酶系统(图 3.3)。PTS 通常由五种蛋白质组成，包括酶Ⅰ、酶Ⅱ(包括 a、b 和 c 三个亚基)和一种低相对分子质量的热稳定蛋白质(HPr)。酶 I 和 HPr 是非特异性的细胞质蛋白，酶Ⅱ a 也是可溶性细胞质蛋白，亲水性酶Ⅱ b 与位于细胞膜上的酶Ⅱ c 相结合。在糖的运输过程中，PEP 上的磷酸基团逐步通过酶Ⅰ、HPr 的磷酸化与去磷酸化作用，最终在酶 H 的作用下转移到糖，生成磷 酸糖释放于细胞质中。 4、 Na+，K+ -ATP 酶(Na+，K+ -ATPase)系统 丹麦学者斯克(J.C.Skou)在 1957 年发现了存在于原生质膜上的一种重要的离子通道蛋白——Na+， K+ -ATP 酶(Na+，K+ -ATPase)，时隔 40 年后，他与其他两位学者分享了 1997 年诺贝尔化学奖。Na+， K+ -ATP 酶的功能是利用 ATP 的能量将 Na+由细胞内“泵”出胞外，并将 K+ “泵”人胞内。该酶由 大小两个亚基组成，大亚基可被磷酸化，其作用机制见图 3.4。 E 为非磷酸化酶，与 Na+的结合位点朝向膜内，与 Na+有较高的亲和力，而与 K+的亲和力低。当 E 与 Na+结合后，在 Mg2+存在的情况下，ATP 水解使 E 磷酸化，促使 E 构象发生变化而转变成 E’
并导致与Na的结合位点朝向膜外，E与Na*的亲和力降低，而与K+的亲和力高，此时胞外的K+将Nat置换下来，E与K+结合后，K+的结合位点朝向膜内，E去磷酸化，该酶构象再次发生变化，转变成E，Na+将K+置换下来。Na，K+-ATP酶作用的结果是使细胞内Na*浓度低而K+浓度高，这种状况并不因环境中Nat、K+浓度高低而改变，例如大肠杆菌K12在培养基中K+浓度非常低(0.1mmo1/L)时，仍然可以从环境中吸收K+，导致胞内K+浓度达到100mmol/L。细胞内维持高浓度K+是保证许多酶的活性和蛋白质的合成所必需的。由于Na，K+-ATP酶将Na*由细胞内“泵”出胞外，并将K+“泵”入胞内，因此常将该酶称为Nat，K+泵。5、：其他的主动运输方式除上述四种主要的主动运输方式外，在微生物中还存在一些其他的主动运输方式。其中有一种是ATP水解不建立膜内外质子浓度差，而是直接偶联物质的运输，L-谷氨酰胺、L-鸟氨酰胺、L-鸟氨酸和D-核糖可以通过这种方式运输；在大肠杆菌中，能量的消耗可以导致柠檬酸透过酶的构象变化而使之活化，促进柠檬酸进入细胞：在金黄色葡萄球菌中，在脱氢酶作用下，乳酸氧化偶联着载体蛋白分子构象变化，促使物质进入细胞。四、膜泡运输(membranevesicletransport)膜泡运输(membranevesicletransport)主要存在于原生动物特别是变形虫(amoeba)中，是这类微生物的一种营养物质的运输方式（图3.5)。变形虫通过趋向性运动靠近营养物质，并将该物质吸附到膜表面，然后在该物质附近的细胞膜开始内陷，逐步将营养物质包围，最后形成一个含有该营养物质的膜泡，之后膜泡离开细胞膜而游离于细胞质中，营养物质通过这种运输方式由胞外进入胞内。如果膜泡中包含的是固体营养物质，则将这种营养物质运输方式称为胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含的是液体，则称之为胞饮作用(pinocytosis)。通过胞吞作用(或胞饮作用）进行的营养物质膜泡运输一般分为五个时期（图3.5)，即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附着膜泡形成期和膜泡释放期。膜外膜内吸附期膜伸展期膜泡迅速建成期附着膜泡形成期膜泡释放期图3.5膜泡运输示意图$4培养基（culturemedium）一、什么是培养基培养基（culturemedium)是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。无论是以微生物为材料的研究，还是利用微生物生产生物制品，都必须进行培养基的配制，它是微生物学研究和微生物发酵生产的基础。培养基中应含满足微生物生长发育的：水分、碳源、氮源、生长因子以及基本的离子，磷、硫、钠、钙、镁、钾和铁及各种微量元素。此外，培养基还应具有适宜的酸碱度(pH值)和一定缓冲能力及一定的氧化还原电位和合适的渗透压。配制培养基的原则二、1、选择适宜的营养物质总体而言，所有微生物生长繁殖均需要培养基含有碳源、氮源、无机盐、生长因子、水及能源，但由于微生物营养类型复杂，不同微生物对营养物质的需求是不一样的，因此首先要根据不同微生物的营养需求配制针对性强的培养基。自养型微生物能从简单的元机物合成自身需要的糖类、脂类、蛋白质、核酸、维生素等复杂的有机物，因此培养自养型微生物的培养基完全可以或应该)由简单的无
并导致与 Na+的结合位点朝向膜外，E’与 Na+的亲和力降低，而与 K+的亲和力高，此时胞外的 K+将 Na+置换下来，E’与 K+结合后，K+的结合位点朝向膜内，E’去磷酸化，该酶构象再次发生变化，转变 成 E，Na+将 K+置换下来。Na+，K+ -ATP 酶作用的结果是使细胞内 Na+浓度低而 K+浓度高，这种状况 并不因环境中 Na+、K+浓度高低而改变，例如大肠杆菌 K12在培养基中 K+浓度非常低(0.1mmo1/L)时， 仍然可以从环境中吸收 K+，导致胞内 K+浓度达到 100mmol/L。细胞内维持高浓度 K+是保证许多酶的 活性和蛋白质的合成所必需的。由于 Na+，K+ -ATP 酶将 Na+由细胞内“泵”出胞外，并将 K+ “泵” 入胞内，因此常将该酶称为 Na+，K+泵。 5、 其他的主动运输方式 除上述四种主要的主动运输方式外，在微生物中还存在一些其他的主动运输方式。其中有一种是 ATP 水解不建立膜内外质子浓度差，而是直接偶联物质的运输，L-谷氨酰胺、L-鸟氨酰胺、L-鸟氨酸 和 D-核糖可以通过这种方式运输；在大肠杆菌中，能量的消耗可以导致柠檬酸透过酶的构象变化而 使之活化，促进柠檬酸进入细胞；在金黄色葡萄球菌中，在脱氢酶作用下，乳酸氧化偶联着载体蛋白 分子构象变化，促使物质进入细胞。 四、 膜泡运输 (membrane vesicle transport) 膜泡运输(membrane vesicle transport)主要存在于原生动物特别是变形虫(amoeba)中，是这类微生 物的一种营养物质的运输方式(图 3.5)。变形虫通过趋向性运动靠近营养物质，并将该物质吸附到膜表 面，然后在该物质附近的细胞膜开始内陷，逐步将营养物质包围，最后形成一个含有该营养物质的膜 泡，之后膜泡离开细胞膜而游离于细胞质中，营养物质通过这种运输方式由胞外进入胞内。如果膜泡 中包含的是固体营养物质，则将这种营养物质运输方式称为胞吞作用(phaaocytosis)；如果膜泡中包含 的是液体，则称之为胞饮作用(pinocytosis)。通过胞吞作用(或胞饮作用)进行的营养物质膜泡运输一般 分为五个时期(图 3.5)，即吸附期、膜伸展期、膜泡迅速形成期、附着膜泡形成期和膜泡释放期。 §4 培养基（culture medium） 一、 什么是培养基 培养基 (culture medium)是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。无论 是以微生物为材料的研究，还是利用微生物生产生物制品，都必须进行培养基的配制，它是微生物学 研究和微生物发酵生产的基础。 培养基中应含满足微生物生长发育的：水分、碳源、氮源、生长因子以及基本的离子，磷、硫、 钠、钙、镁、钾和铁及各种微量元素。 此外，培养基还应具有适宜的酸碱度(pH 值)和一定缓冲能力及一定的氧化还原电位和合适的渗透 压。 二、 配制培养基的原则 1、选择适宜的营养物质 总体而言，所有微生物生长繁殖均需要培养基含有碳源、氮源、无机盐、生长因子、水及能源， 但由于微生物营养类型复杂，不同微生物对营养物质的需求是不一样的，因此首先要根据不同微生物 的营养需求配制针对性强的培养基。自养型微生物能从简单的元机物合成自身需要的糖类、脂类、蛋 白质、核酸、维生素等复杂的有机物，因此培养自养型微生物的培养基完全可以(或应该)由简单的无