微生物生理学

1、第二章 微生物的基础知识1、微生物生理学是（微生物学）的一个重要分支，是从（生理生化）的角度研究微生物细胞的（形态结构）和（功能）、（新陈代谢）、（生长繁殖）等微生物（生命活动规律）的学科。2、微生物生理学研究中常用的技术与方法包括（电子显微镜技术）（超离心技术）（光谱技术）（同位素技术）（层析技术）（电泳技术）。3、微生物生理学的发展史分为（）（）（）三个阶段。1.微生物的形态结构：1细胞壁2细胞膜3核质体4间体5贮藏物6细胞质7芽孢8鞭毛9菌毛10性菌毛11荚抹12粘液层。2.营养：是指生物体从外部环境摄取其生命活动所必需的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的一种生理功能。 3.营养物：指

2、具有营养功能的物质，在微生物学中，常常还包括光能这种非物质形式的能源在内。4.微生物的营养类型1） 自养微生物：光能自养微生物（光能无机营养型），化能自养微生物（化能无机营养型)2） 异养微生物 光能异养微生物（光能有机营养型），化能异养微生物（化能有机营养型）5物质的跨膜运输（一）被动运输 1.单纯扩散2.促进扩散（二）主动运输 ATP直接供能，ATP间接提供能量，光能驱动（三）胞吞与胞吐作用6被动运输定义：是指通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗类型：单纯扩散、促进扩散 7.单

3、纯扩散：疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子在以简单的扩散方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助，因此称为单纯扩散。8促进扩散：各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜转运，该过程不需要细胞提供能量，但需要特异的膜蛋白“协助”物质转运 使其转运速率增加，转运特异性增强。9主动运送：主动运送是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式。是微生物吸收营养物质的主要机制。10主动运输的特点：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）都

4、有载体蛋白。11协同运输：同向协同，反向协同。12同向协同：指物质运输方向与离子转移方向相同。13反向协同：物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。14.协同运输定义：是一类由Na+-K+泵（或H+泵)与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式.特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗1原核微生物：是指一大类细胞核无核膜包裹，只有称为核区的裸露DNA的原始单细胞生物。包括真细菌和古细菌两大类。2革兰氏染色法1884年丹麦医生创建了革兰氏染色法。把几乎所有的细菌分成革兰氏阳性菌（G+）和革兰氏阴性菌（G-）两大类，此法称为革兰氏染色法。其结果：革兰氏阳性菌蓝紫色，革兰氏阴性菌浅红色3革兰

5、氏染色主要过程：1.结晶紫作用30s，用水冲洗2s；2.革兰氏碘液作用1min，用水冲洗3.用95%的乙醇或丙酮冲洗10-30s，再用水冲洗4 .番红作用30-60s，用水冲洗后用吸水纸吸干 4革兰氏阳性菌细胞壁较厚（20-25nm），但只有肽聚糖层；革兰氏阴性菌细胞壁较薄（10-15nm），却有多层构造（肽聚糖和胞壁外层）。 细胞壁主要成分是：肽聚糖。肽聚糖5.革兰氏阳性菌的结构：1.肽聚糖，2.G+细胞壁其他成分还含有：磷壁酸分支菌酸M蛋白葡萄球菌A蛋白等特殊成分。6磷壁酸又称垣酸，为大多数G+所特有，这是由多个（8-50个）核糖醇或甘油以磷酸二酯键连接而成的一种酸性多糖。磷壁酸的主要功能

6、：协助肽聚糖加固细胞壁增强细胞膜稳定性提高膜结合酶的活力调节细胞壁的增长（自溶素）形成表面抗原构成噬菌体吸附的受体位点。 7内膜系统：1）间体（2）载色体3）羧酶体 8细胞质由流体部分（细胞溶质）和颗粒部分构成。流体部分：主要含可溶性酶类和RNA；颗粒部分：主要为核糖体、贮藏性颗粒、载色体以及质粒等。9糖被：有些细菌在细胞壁上分泌一个厚度不定的富含水分的多糖粘胶外层这个结构叫糖被。10荚膜：有些细菌的细胞壁外表有一层物质，并排列有序不易被洗脱称为荚膜。粘液层：结构松散，排列无序且易被清除的称为粘液层。菌胶团：有的细菌如（生枝动胶菌）分泌的粘液能将许多菌体粘合在一起形成分之状的大形粘胶物，称为菌

7、胶团。11糖被的功能：富含水分，可保护细菌免于干燥能抵御吞噬细胞的吞噬能保护菌体免受噬菌体和其他物质的侵害为主要表面抗原，它是有些病原菌的毒力因子是某些病原菌必须的粘附因子贮藏养料 细菌间的信息识别作用堆积代谢废物12菌柄功能：吸附在固体表面或其他细菌上而自由漂浮；增加菌体表面积与体积之比。 13芽孢：产芽孢细菌后期，在其菌体内形成厚壁、折光性强、具抗逆性的孢子称为芽孢.14伴胞晶体：少数芽孢杆菌，例如苏云金芽孢杆菌在其形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体(内毒素)，称为伴孢晶体。15微生物的营养六大要素：碳源，氮源，能源，生长因子，无机盐，水16微生物的碳源谱虽然很

8、广，但对异养微生物来说，其最适碳源则是“C·H·O”型。 17碳源种类：无机C源：CO2、碳酸盐， 只能被自养微生物利用。有机C源：各种糖类，其次是有机酸、醇类、 脂类和烃类化合物18氮源种类（1）分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源 （2）无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用 （3）有机态氮：蛋白质及其降解产物 19按微生物对氨基酸的需求分类：1）氨基酸自养型生物2）氨基酸异养型生物20生长因子广义的生长因子除了维生素外，还包括碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、固醇、C2-C6的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸：而狭义的生长因子一般仅指维生素。21各种微生

9、物与生长因子的关系可分为：1)生长因子自养型微生物2)生长因子异养型微生物3）生长因子过量合成的微生物。22完全在无机环境中生存，以CO2、碳酸盐为碳源，以铵盐和硝酸盐为氮源来合成细胞质的微生物称为自养微生物。23在完全有机环境中生长繁殖，以含碳有机物为碳源，含氮有机物或无机物为氮源，合成细胞物质，称为异养微生物。33四种运输营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运输基团转位特异载体蛋白运输速度物质运输方向胞内外浓度运输分子能量消耗运输后物质的结构无慢由浓至稀相等无特异性不需要不变有快由浓至稀相等特异性不需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要不变有快由稀至浓胞内浓度高特异性需要改变3

10、4细菌的酶：胞外酶；胞内酶；固有酶；诱导酶。35呼吸类型：1）专性需氧菌:如结核分枝杆菌2）兼性厌氧菌: 如大肠杆菌和葡萄球菌3）专性厌氧菌: 如破伤风杆菌第三章 产能代谢1生物氧化：是发生在活细胞内的一系列产能性氧化-还原反应的总称，实际上是一个产能的分解代谢过程.2代谢的类型：分解代谢，合成代谢 代谢的分类：初级代谢，次级代谢3自由能：自由能凡是能够用于做功（有用功，W）的能量称为自由能。4高能磷酸化合物：生命体中有许多磷酸化合物，磷酸键中储存大量的自由能，这类化合物成为高能磷酸化合物。5葡萄糖降解途径：EMP途径,ED,HMP,磷酸解酮酶途径PK,TCA循环6EMP途径（整个EMP途径大

11、致可分为两个阶段）第一阶段是葡萄糖分子转化成1，6-磷酸-果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，是一个准备阶段，要消耗两个分子ATP。第二阶段是3-磷酸-甘油醛氧化成1，3-磷酸-甘油酸后，经一系列酶的作用转化成丙酮酸，同时通过基质水平磷酸化产生4个ATP以及2分子ADH2。NADH2可经呼吸链的氧化磷酸化产生3个分子ATP，或者被用作还原反应中H的来源。EMP途径的反应过程分10步完成。7HMP途径：HMP途径又称为磷酸戊糖途径或单磷酸己糖途径，这是一条能产生大量ADPH2形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径 8HMP途径可概括成两个阶段。第一阶段是氧化反应，生成磷酸戊糖

12、、NADPH及C02 第二阶段则是非氧化反应，包括一系列基团转移。将核糖转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛而进入糖酵解途径。因此磷酸戊糖途径也称磷酸戊糖旁路。；9HMP途径的总反应：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi10HMP途径的重要意义答：1、为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。2、产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。3、与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。4、途径中存在37碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用

13、利用的碳源谱更为更为广泛。5、途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。6、通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。7、HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关8.ED途径：又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径 11ED途径的特点1）葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。2）反应步骤简单，产能效

14、率低.3）ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶.4）此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.12ED途径的总反应关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶相关的发酵生产：细菌酒精发酵优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低13根据递氢特别是受

15、氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模；呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式14发酵：是指在没有外源电子受体时，微生物将有机物氧化放出的电子直接交给底物本身未完全氧化的某一中间产物，产生各种不同代谢产物，同时放出能量的过程。15酵母的型发酵是利用酵母菌工业化生产甘油的“经典”途径。16同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵。17异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵。18异型乳酸发酵：葡萄糖首先经PK途径分解，发酵终产物除乳酸以外还有一部分乙醇或乙酸。19双歧发酵：是两歧双

16、歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。20渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵。21丁二醇发酵概念：肠杆菌、沙雷氏菌和欧文氏菌属中的一些细菌具有a-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。22电子传递系统：电子从NADH或FADH2到O2的传递所经过的途径称为电子传递系统。23呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶，细胞色素还原酶、细胞色素氧化酶。24三羧酸循环：其中丙酮酸羧化酶催化的生成草酰乙酸的反应最为重要。因为草酰乙酸的含量多少，直接影响循环的速度，因此不断补充草酰乙酸是使三羧酸循环得以顺利进行的关键。25。铁细菌定义：能氧化Fe2+成为Fe3+并产能的

17、细菌被称为铁细菌或铁氧化细菌。26细菌沥滤：利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。又称细菌浸出或细菌冶金。27光合磷酸化：植物叶绿体的类囊体膜或光合细菌的载色体在光下催化腺二磷（ADP）与磷酸（Pi）形成腺三磷（ATP）的反应。光合作用的光反应中,除了将一部分光能转移到NADPH中暂时储存外,还要利用另外一部分光能合成ATP,将光合作用与ADP的磷酸化偶联起 来,这一过程称为光合磷酸化。28环式光合磷酸化特点： a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素；

18、b、产ATP和还原力H分别进行，还原力来自H2S等无机物； c、不产氧（O2）。 29非循环式光合磷酸化特点： a、电子传递非循环式； b、在有氧的条件下进行； c、存在两个光合系统 d、ATP、还原力、O2同时产生30甲基营养型细菌：指能够利用一碳化合物作为能源和碳源进行生长的细菌。分为专性和兼性甲基营养型细菌。31生物合成的三要素：能量，小分子前体物质，还原力。32合成代谢的特点1）节约大量的能量和前体物质2）可以节约额外的能量和前体物质3）代谢途径中的关键环节有特定的酶控制4）合成代谢的途径总体上是不可逆的5）真核生物的合成和分解代谢局限于细胞的不同区域6）合成和分解代谢往往采用不同的辅

19、基。33自养型微生物的CO2固定：1）二磷酸核酮糖途径2）还原性三羧酸循环3）还原性乙酰辅酶A途径4）3-羟基丙酸循环。34乙醛酸循环：植物细胞内脂肪酸氧化分解为乙酰CoA之后，在体内生成琥珀酸、乙醛酸和苹果酸；此琥珀酸可用于糖的合成，该过程称为乙醛酸循环 35生物固氮是一些原核微生物通过固氮酶的催化作用将大气中的分子态氮还原成氨的过程。36固氮微生物：目前发现的固氮微生物都是原核的。其中包括化能自养、化能异养、光能自养和光能异养等多种类型。37固氮体系：根据不同固氮微生物的特性以及同其他生物的关系一般将固氮分为三种类型：自生固氮、共生固氮、联合固氮。38固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。

20、固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，分子量较小。另一种含铁和钼，称为钼铁蛋白，分子量很大。39固氮酶防氧保护机制：1）呼吸保护2）构象保护3）结构保护。40非糖物质转化成糖代谢的中间产物后，在相应的酶催化下,绕过糖酵解途径的三个不可逆反应,利用糖酵解途径其它酶生成葡萄糖的途径称为糖异生。41乙酰CoA的来源：脂肪酸氧化，氨基酸代谢，丙酮酸转变。 42乙酰CoA羧化酶可分成三个不同的亚基:生物素羧化酶（BC）、生物素羧基载体蛋白（BCCP）、羧基转移酶（CT）43蛋白质水解酶：1）内肽酶（蛋白酶，肽链内切酶）形成各种短肽2）端肽酶（肽酶）：羧肽酶，氨肽酶，二肽酶。44含氮化合物的

21、降解：一氨基酸的降解1.脱羧作用2脱氨作用 氧化脱氨，还原脱氨，脱水脱氨，水解脱氨氧化还原脱氨基反应Sticklang反应3转氨作用45.ATP合成的三种方式：底物水平磷酸化，氧化磷酸化，光合磷酸化。46.无论自养微生物还是异养微生物，合成单糖的途径一般都是通过EMP途径的逆行来合成葡萄糖-6-磷酸，然后再转化为其它单糖或合成二糖和多糖。因此单糖合成的中心是葡萄糖的合成。47.饱和脂肪酸的生物合成A脂肪酸合成步骤与氧化降解步骤完全不同。脂肪酸的生物合成是在细胞液中进行，需要CO2和柠檬酸参加；而氧化降解是在线粒体中进行的。脂肪酸主要从乙酰CoA合成，凡是代谢中产生乙酰CoA的物质，都是合成脂肪酸的原料，脂肪酸合成酶系存在于线粒体外胞液中。但乙酰CoA不易透过线粒体膜，所以需要穿梭系统将乙酰CoA转运至胞液中，主要通过柠檬酸-丙酮酸循环来完成。B。脂酸的合成还需ATP、NADPH等，所需氢全