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电子讲义- 第三章 微生物的营养和产能代谢

[ 推荐:★★★☆☆┋作者:未知┋来源:未知┋发布:admin┋发布:2009年1月1日┋阅读:2598次 ]

第三章 微生物的营养和产能代谢

第一节 微生物的营养物质

  • 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。

()、碳源

1、定义:任何作为构成微生物的细胞物质或其代谢产物中碳素来源的营养物质。

2、功能:

(1) 碳源物质通过复杂化学变化来构成微生物自身细胞物质和代谢产物;

  • 作为大多数微生物的能源物质;但有些又以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。

所以,碳源不足会引起菌体衰老或死亡。

3、碳源物质的种类及微生物的利用

微生物利用的碳源物质

种类

碳源物质

备注

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、高级脂

肪酸、氨基酸等

与糖类比效果较差,有机酸较难进入

细胞,进入细胞后会导致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

在低浓度下被某些酵母菌和醋酸菌利用。

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。

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。

 

(1) 有机碳化合物:(常用:葡萄糖、蔗糖、果糖)

简单有机碳化合物:单糖、双糖、低分子的酸、醇、醛等。

复杂有机碳化合物:蛋白质、脂肪等,有部份微生物能利用:纤维素、木质素、果胶、丹宁等。

(2) 无机碳化合物:少数微生物能利用CO2、碳酸盐。

(3) 特殊和有毒碳化合物:少数微生物能利用氰化物、酚类、芳香族化合物等作碳源、能源。如:KCN作为诺卡氏菌的唯一碳源(保护环境)。

(二)、氮源

1、定义: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。

2、功能: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。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。N源不足,菌体生长过慢;过多,微生物生长过旺而不利于产物的积累。

3、氮源物质的种类及微生物的利用

(1) 有机氮化物:绝大多数微生物能利用

简单有机氮化物:氨基酸、蛋白胨等;

复杂有机氮化物:蛋白质、核酸等。

(2) 无机氮化物:(多数微生物能利用:)铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐 (少数微生物能利用)。

(3)分子态氮:少数固氮微生物能利用,如固氮菌。

(三)、无机盐(inorganic salt)

1、定义:无机盐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。

2、对无机盐的需要情况

大量元素:P、K、Mg、Ca、S、Na、(Fe),生长需要的浓度:10-3-10-4mol/L;

微量元素:Fe、B、Cu、Zn、Mo、Co、Mn,生长需要的浓度:10-6-10-8 mol/L (培养基中含量)。

3、功能

 (四)、生长因子(growth factor)

1、定义:生长因子通常指某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。

不同微生物对生长因子的需要量和种类不同。①多数真菌、放线菌和不少细菌,如大肠杆菌具有自己合成所需的全部生长因子。②另一些微生物类群则不能或只能合成部份所需的生长因子(必须在培养基中额外添加其所需的生长因子才能满足生长),如乳酸菌需要嘌呤和喊基用以合成核苷酸。③在配制培养基时,一般可用生长因子丰富的天然物质作原料,如麦芽汁、酵母膏等。

2、种类及功能:(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、核苷(嘌呤、嘧啶碱基)三大类。而狭义的生长因子一般仅指维生素。

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。

()、水

(1) 细胞的组成成分(一般微生物体含水量达70-90%;不同生长时期含水量不同;营养细胞含水量高,老龄细胞含水量低;芽孢含水量低,其核心部位的含水量低于30%;霉菌孢子约含水39%;细菌、酵母菌、霉菌的营养体分别含水80%、75%、85%);

(2) 细胞生化反应的介质;

(3) 起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;

(4) 维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象;

(5) 调节体细胞的温度;

(6) 保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素,即维持细胞内一定膨压;

第二节  微生物的营养类型

通常依据微生物获取能源、碳源和供氢体的方式,可以分为以下四种类型

1、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,它们能以无机物如水、硫化氢、硫代硫酸钠或其他无机化合物为电子供体,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。

藻类和蓝细菌:

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这与高等植物光合作用是一致的。

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光合细菌:

这与藻类、蓝细菌和高等植物是不同的。

2、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:

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光能有机营养型细菌在生长时通常需要外源的生长因子。

3、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。

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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:

4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。

微生物营养类型()

划分依据

营养类型

特点

碳源

自养型(autotrophs)

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

 

微生物的营养类型(

营养类型

光能无机自养型

光能有机异养型

化能无机自养型

化能有机异养型

能源

主要碳源

氢或电子供体

光能

CO2

水或还原态无机物

光能

CO2

有机物

化学能

CO2

还原态无机物

化学能

有机物

有机物

着色细菌、蓝细菌、藻类

红螺细菌

氢细菌、硫杆菌、亚硝化单胞菌属、硝化杆菌属、甲烷杆菌属、醋酸杆菌属

假单胞菌属、芽泡杆菌属、乳酸菌属、真菌、原生动物

大多数微生物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。

第三节 培养基

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、生长因子以及无机盐。

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

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无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)由简单的无机物组成。例如,培养化能自养型的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxdans)的培养基组成见表3.9。在该培养基配制过程中并末专门加入其他碳源物质,而是依靠空气中和溶于水中的CO2为氧化硫硫杆菌提供碳源。

几种类型培养基组成

成  分

氧化硫

硫杆菌

培养基

大肠杆

菌培养

牛肉膏

蛋白胨

培养基

高氏I

号合成

培养基

查氏合

成培养

LB培养基

主 要 作 用

牛肉膏

5

碳源(能源)、氮源无机盐、生长因子

蛋白胨

10

10

氮源、碳源(能源)、生长因子

酵母浸膏

5

生长因子、氮源、碳源(能源)

葡萄糖

5

碳源(能源)

蔗糖

30

碳源(能源)

可溶性淀粉

20

碳源(能源)

CO2

(来自空气)

碳源

(NH4)2SO4

0.4

氮源、无机盐

NH4H2PO4

l

氮源、无机盐

KNO3

1

氮源、无机盐

NaNO3

3

氮源、无机盐

MgSO4·7H2O

0.5

0.2

0.5

0.5

无机盐

FeSO4

0.01

0.01

0.01

无机盐

KH2PO4

4

无机盐

K2HPO4

1

0.5

1

无机盐

NaCl

5

5

0.5

无机盐

KCl

0.5

无机盐

CaCl2

0.25

无机盐

S

10

无机盐

H2O

1000

1000

1000

1000

1000

1000

溶剂

pH

7.0

7.0-7.2

7.0-7.2

7.2~7.4

自然

7.0

灭菌条件

121℃

20min

112℃30min

121℃

20min

121℃

20min

121℃

20min

121℃

20min

就微生物主要类型而言,有细菌、放线菌、酵母菌、霉菌、原生动物、藻类及病毒之分,培养它们所需的培养基各不相同。在实验室中常用牛肉膏蛋白胨培养基(或简称普通肉汤培养基)培养细菌,用高氏I号合成培养基培养放线菌,培养酵母菌一般用麦芽汁培养基,培养霉菌则一般用查氏合成培养基。

  • 营养物质浓度及配比合适

培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好,营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需,浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用,例如高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长,反而起到抑菌或杀菌作用。

另外,培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和(或)代谢产物的形成和积累,其中碳氮比(C/N)的影响较大。严格地讲,碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值,有时也指培养基中还原糖与粗蛋白之比。例如,在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中,培养基碳氮比为4/l时,菌体大量繁殖,谷氨酸积累少;当培养基碳氮比为3/l时,菌体繁殖受到抑制,谷氨酸产量则大量增加。再如,在抗生素发酵生产过程中,可以通过控制培养基中速效氮(或碳)源与迟效氮(或碳)源之间的比例来控制菌体生长与抗生素的合成协调。

  • 控制pH条件

培养基的pH必须控制在一定的范围内,以满足不同类型微生物的生长繁殖或产生代谢产物。各类微生物生长繁殖或产生代谢产物的最适pH条件各不相同,一般来讲,细菌与放线菌适于在pH7~7.5范围内生长,酵母菌和霉菌通常在pH4.5~6范围内生长。值得注意的是,在微生物生长繁殖和代谢过程中,由于营养物质被分解利用和代谢产物的形成与积累,会导致培养基pH发生变化,若不对培养基pH条件进行控制,往往导致微生物生长速度下降或(和)代谢产物产量下降。因此,为了维持培养基pH的相对恒定,通常在培养基中加入pH缓冲剂,常用的缓冲剂是一氢和二氢磷酸盐(如KH2PO4和K2HPO4)组成的混合物。K2HPO4溶液呈碱性,KH2PO4溶液呈酸性,两种物质的等量混合溶液的pH为6.8。当培养基中酸性物质积累导致H+浓度增加时,H+与弱碱性盐结合形成弱酸性化合物,培养基pH不会过度降低;如果培养基中OH-浓度增加,OH-则与弱酸性盐结合形成弱碱性化合物,培养基pH也不会过度升高。

但KH2PO4和K2HPO44缓冲系统只能在一定的pH范围(pH6.4~7.2)内起调节作用。有些微生物,如乳酸菌能大量产酸,上述缓冲系统就难以起到缓冲作用,此时可在培养基中添加难溶的碳酸盐(如CaCO3)来进行调节,CaCO3难溶于水,不会使培养基pH过度升高,但它可以不断中和微生物产生的酸,同时释放出CO2,将培养基pH控制在一定范围内。

在培养基中还存在一些天然的缓冲系统,如氨基酸、肽、蛋白质都属于两性电解质,也可起到缓冲剂的作用。

  • 控制氧化还原电位(redoxpotential)

不同类型微生物生长对氧化还原电位(F)的要求不一样,一般好氧性微生物在F值为+0.1V以上时可正常生长,一般以+0.3一+0.4V为宜,厌氧性微生物只能在F值低于+0.1V条件下生长,兼性厌氧微生物在F值为+0.1V以上时进行好氧呼吸,在+0.1V以下时进行发酵。F值与氧分压和pH有关,也受某些微生物代谢产物的影响。在pH相对稳定的条件下,可通过增加通气量(如振荡培养、搅拌)提高培养基的氧分压,或加入氧化剂,从而增加F值;在培养基中加入抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等还原性物质可降低F值。

  • 原料来源的选择

在配制培养基时应尽量利用廉价且易于获得的原料作为培养基成分,特别是在发酵工业中,培养基用量很大,利用低成本的原料更体现出其经济价值。例如,在微生物单细胞蛋白的工业生产过程中,常常利用糖蜜(制糖工业中含有蔗糖的废液)、乳清(乳制品工业中含有乳糖的废液)、豆制品工业废液及黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆)等都可作为培养基的原料。再如,工业上的甲烷发酵主要利用废水、废渣作原料,而在我国农村,已推广利用人畜粪便及禾草为原料发酵生产甲烷作为燃料。另外,大量的农副产品或制品,如鼓皮、米糠、玉米浆、酵母浸膏、酒糟、豆饼、花生饼、蛋白胨等都是常用的发酵工业原料。

  • 灭菌处理

要获得微生物纯培养,必须避免杂菌污染,因此对所用器材及工作场所进行消毒与灭菌。对培养基而言,更是要进行严格的灭菌。对培养基一般采取高压蒸汽灭菌,一般培养基用1.05kg/cm2,121.3℃条件下维持15~30min可达到灭菌目的。在高压蒸汽灭菌过程中,长时间高温会使某些不耐热物质遭到破坏,如使糖类物质形成氨基糖、焦糖,因此含糖培养基常在0.56kg/ cm2,112.6℃15~30min进行灭菌,某些对糖类要求较高的培养基,可先将糖进行过滤除菌或间歇灭菌,再与其他已灭菌的成分混合;长时间高温还会引起磷酸盐、碳酸盐与某些阳离子(特别是钙、镁、铁离子)结合形成难溶性复合物而产生沉淀,因此,在配制用于观察和定量测定微生物生长状况的合成培养基时,常需在培养基中加入少量螯合剂,避免培养基中产生沉淀,常用的螯合剂为乙二胺四乙酸(EDTA)。还可以将含钙、镁、铁等离子的成分与磷酸盐、碳酸盐分别进行灭菌,然后再混合,避免形成沉淀;高压蒸汽灭菌后,培养基pH会发生改变(一般使pH降低0.2),可根据所培养微生物的要求,在培养基灭菌前后加以调整。(因芽孢耐高温)

附:灭菌方法:(见实验指导16-20页)

灭菌:采用物理或化学的方法杀死一定环境中的全部微生物。

消毒:采用物理或化学的方法杀死一定环境中部份的部微生物。主要是病原微生物。

(1) 物理法

加热法

ⅰ. 干热灭菌

灼烧灭菌:利用火焰直接把微生物烧灭。如:接种工具,玻璃瓶口等。

干燥热空气灭菌(常称干热灭菌):把待灭菌的物品均匀地放在电热恒温干燥箱内,加热至160-170℃,持续2hr。如:玻璃器皿(吸管、平板等)、金属用具等;但培养基、塑料制品、橡胶制品等不能用此法。

湿热灭菌:

高压蒸汽灭菌:121℃,30min。灭菌器主要有卧式、立式、手提式(实验室最为常用)。是一种最有效、使用最广泛的灭菌方法。

常压蒸汽灭菌:间歇(分段)灭菌:100℃,30min,杀死一切细菌的营养体,但不能杀死芽孢,每天进行1次,连续3天;在两次灭菌间隙,灭菌物应放在室温(20-30℃)条件下恒温培养,使芽孢萌发为营养体,第二次灭菌即可杀死;经过两次培养3次反复灭菌,即可达完全灭菌。

持续灭菌:常压蒸汽持续灭菌中,从蒸汽大量产生开始,继续加大火力保持充足蒸汽,持续加热3-6hr,杀死绝大部分芽孢和全部营养体,达到灭菌目的。

比较:在同一温度下,湿热的杀菌效力比干热大。因为:①湿热 情况下,菌体吸水,使蛋白质易于凝固;②湿热的穿透力更强;③蒸汽与被灭菌物接触冷凝成水时,放出热量,使其温度迅速升高,从而增强了杀菌能力。

煮沸消毒法:物品在清水中煮沸5min以上,可杀死附在物品上的微生物细胞及部份芽孢。如果延长煮沸时间,或在水中加入1%碳酸钠或2-5%石碳酸,则效果会更好。本法适于毛巾衣物、注射器、解剖用具等的消毒。

巴斯德消毒法:63℃,30min;或70℃,15min。一般用于牛奶、啤酒等的消毒,可保持物品原有的营养风味。

过滤除菌:含菌液体或气体通过细菌过滤器,使杂菌留在滤器或滤板上,而支除杂菌。

射线除菌:紫外线穿透力弱,一薄层普通玻璃或水,均能滤除大量紫外线。一般适用于表面灭菌或空气灭菌,如:实验室、接种室、接种箱等。

(2) 化学法:主要是利用有机或无机的化学药品以实验室用具和其它物体表面进行灭菌与消毒(不能杀死芽孢,起消毒作用)。机理:能破坏细菌代谢机能并有致死作用的化学药剂。实验室常用有:升汞、甲醛、高锰酸钾、乙醇、碘酒、石碳酸、漂白粉等。

在配制培养基过程中,泡沫的存在对灭菌处理极不利,因为泡沫中的空气形成隔热层,使泡沫中微生物难以被杀死。因而有时需要在培养基中加入消泡沫剂以减少泡沫的产生,或适当提高灭。

三、培养基的类型以及应用

() 按成分不同划分

天然培养基(complex medium):凡是利用来自生物的组织、器官以用它们的抽提物或制品制成的培养基。如:牛肉汁、玉米粉、米糠。其化学成分还不清楚或化学成分不恒定,也称化学限定培养基。如:牛肉膏蛋白胨培养基等。

合成培养基(synthetic medium)是由化学成分完全了解的物质(化学药品)配制而成的培养基。也称化学限定培养基。如:高氏一号培养基等。

半合成培养基:采用天然有机物作为N源和生长物质,再添加一部分的化学药品作为C源和无机盐来源的培养基。

天然培养基:成本低,生长量好,工业上常采用;合成培养基:成本高,生长缓慢,但研究代谢途径是必需用的。

(二)根据物理状态划分

根据培养基中凝固剂的有无及含量的多少,可将培养基划分为:

液体培养基:根据配方溶于定量的水制成。

固体培养基:在液体培养基中,添加凝固剂。常用的凝固剂有琼脂(或称洋菜、冻粉)、明胶、硅酸钠等,以琼脂最为常见。琼脂:成分主要是多糖类物质(琼脂糖约70%,琼脂果胶约30%),其化学性质稳定,一般微生物不能分解,故用作凝固剂不引起化学成分的变化;在95℃以上的热水中开始由凝胶融化为溶胶,冷却至45℃以下开始重新凝固,反复多次性质不变;用量:15‰-20‰。明胶:化学成分是动物蛋白质。一般在25℃以上即融化,22℃以下凝固,所以不能作为常用的凝固剂少微生物能分解利用使之液化,于是多用于穿刺培养;用量:10%-20%或更多。固体曲料可看作是一种不加凝固剂的固体培养基。

半固体培养基一般在液体培养基中加入2‰-5‰琼脂即成。

琼脂和明胶的一些主要特征

内容

琼脂

明胶

常用浓度(%)

1.5~2

5~12

熔点(℃)

96

25

凝固点(℃)

40

20

pH

微酸

酸性

灰分(%)

16

14~15

氧化钙(%)

1.15

0

氧化镁(%)

0.77

0

氮(%)

0.4

18.3

微生物利用能力

绝大多数微生物不能利用

许多微生物能利用

 

() 按用途划分

基础培养基(minimum medium)是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基。如:细菌——牛肉膏蛋白胨;酵母菌——麦芽汁;真菌——马铃薯蔗糖培养基。

加富培养基(enrichment medium) 也称增殖培养基,即在基础培养基中加入有利于某种微生物生长繁殖所需的特殊营养物质,使这类微生物增殖速度比其它微生物快,从而使这类微生物在混有多种微生物的情况下占优势地位。这些特殊营养物质包括血液、血清、酵母浸膏、动植物组织液等。

鉴别培养基(differential medium) 是用于鉴别不同类型微生物的培养基。在培养基中加入某种特殊化学物质,某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物,而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应,产生明显的特征性变化,根据这种特征性变化,可将该种微生物与其他微生物区分开来。

选择培养基(selectivemedium) 是用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基。①一种类型选择培养基是依据某些微生物的特殊营养需求设计的(相当于加富培养基)。②另一类选择培养基是在培养基中加入某种化学物质,这种化学物质没有营养作用,对所需分离的微生物无害,但可以抑制或杀死其他微生物。

1培养基中加入适量的青霉素或链霉素,可抑制细菌和放线菌的生长,从而将真菌和酵母菌分离出来;

2在马丁氏培养基中加入一定量的孟加拉红染料、链霉素能较好地选择培养真菌;

3YEM(甘露醇酵母粉培养基)加刚果红或结晶紫可抑制G+细菌的生长。

第四节 营养物质进入细胞

基团转位:转运的物质分子在通过质膜的过程中,先在化学上被修饰,如细菌的磷酸转移酶系统对葡萄糖的转移,葡萄糖分子先被磷酸化,通过质膜后成为葡萄糖6-磷酸。

第五节 微生物的产能代谢

一、代谢的类型

代谢(metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称,它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。

分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质,并在这个过程中产生能量。

合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程,在这个过程中要消耗能量。

分解代谢一般可将分解代谢分为三个阶段(图3.6):第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质;第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物,在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2;第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2,并产生ATP、NADH及FADH2。第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化,可产生大量的ATP。

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分解代谢和合成代谢的关系 合成代谢所利用的小分子物质源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境。在代谢过程中,微生物通过分解代谢产生化学能,光合微生物还可将光能转换成化学能,这些能量用于合成代谢、微生物的运动和运输,另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。

二、生物氧化

生物氧化: 分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应,逐步分解并释放能量的过程,这个过程也称为生物氧化,是一个产能代谢过程。
不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的,异养微生物利用有机物,自养微生物则利用无机物,通过生物氧化来进行产能代谢。

(一)异养微生物的主要产能方式

异养微生物氧化有机物的方式,根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成发酵和呼吸两种类型,而呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。

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 1、己糖的分解(糖酵解)

生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解(glycolysis),主要分为四种途径:EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。其中EMP途径是最一般,是生物界所共有的,在微生物中广泛存在于许多好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌中。

EMP途径(糖酵解途径)

整个EMP途径大致对分为两个阶段。第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段,只是生成两分子的主要中间代谢产物:甘油醛-3-磷酸。第二阶段发生氧化还原反应,合成ATP并形成两分子的丙酮酸。

EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH,其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架,并在一定条件下可逆转合成多糖。

HMP途径(磷酸戊糖途径,单磷酸己糖途径)

  磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化阶段。一个HMP途径循环的结果为:

一般认为HMP途径不是产能途径,而是为生物合成提供大量的还原力(NADPH)和中间代谢产物。

ED途径

一分子葡萄糖经ED途径最后生成两分了丙酮酸、一分子ATP、—分子NADH和NADH。ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在,但对于靠底物水平磷酸化获得ATP的厌氧菌而言,ED途径不如EMP途径经济。

磷酸解酮酶途径

磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶,根据解酮酶的不同,把具有磷酸戊糖解酮酶的称为PK途径,把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径。2、丙酮酸代谢的多样性

(1)发酵

发酵(fermentation)是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物,同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。(在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化,因此,只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢,即不需要外界提供电子受体。)

发酵产能是厌氧和兼性好氧菌获取能量的主要方式。发酵的种类有很多,可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等,其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。

  • 乙醇发酵

目前发现多种微生物可以发酵葡萄糖产生乙醇,能进行乙醇发酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些细菌。根据在不同条件下代谢产物的不同,可将酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为三种类型

一型发酵:在酵母菌的乙醇发酵中,酵母菌可将葡萄糖经EMP途径降解为两分子丙酮酸,然后丙酮酸脱羧生成乙醛,乙醛作为氢受体使NAD+再生,发酵终产物为乙醇,这种发酵类型称为酵母的一型发酵

二型发酵:但当环境中存在亚硫酸氢钠时,它可与乙醛反应生成难溶的磺化经基乙醛。由于乙醛和亚硫酸盐结合而不能作为NADH的受氢体,所以不能形成乙醇,迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体,生成a-磷酸甘油。a-磷酸甘油进一步水解脱磷酸而生成甘油,称为酵母的二型发酵

三型发酵:在弱碱性条件下(pH 7.6),乙醛因得不到足够的氢而积累,两个乙醛分子间会发生歧化反应,一分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇,另一个则作为还原剂被氧化为乙酸,氢受体则由磷酸二经丙酮担任,发酵终产物为甘油、乙醇和乙酸,称为酵母的三型发酵。这种发酵方式不能产生能量,只能在非生长的情况下才进行。

不同的细菌进行乙醇发酵时,其发酵途径也各不相同。如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)和厌氧发酵单胞菌(Zymomonasanaerobia)是利用ED途径分解葡萄糖为内酮酸,最后得到乙醇,对于某些生长在极端酸性条件下的严格厌氧菌,如胃八叠球菌(arcina ventriculi)和肠杆菌(Enterobacteriaceae)则是利用EMP途径进行乙醇发酵。

  • 乳酸发酵

许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸,这类细菌称为乳酸细菌。

根据产物的不同,乳酸发酵有三种类型:同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵。

同型乳酸发酵的过程是:葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸,丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原为乳酸。由于终产物只有乳酸一种,故称为同型乳酸发酵。

异型乳酸发酵中,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。在肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)中,利用HK途径分解葡萄糖,产生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸,其中甘油醛-3-磷酸进一步转化为乳酸,乙酰磷酸经两次还原变为乙醇,当发酵戊糖时,则是利用PK途径,磷酸解酮糖酶催化木酮糖-5-磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸。

双歧发酵两歧双歧杆菌(bifidobacteriium bifidum)发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。此反应中有两种磷酸酮糖酶参加反应,即果糖-6-磷酸磷酸酮糖酶和木酮糖-5-磷酸磷酸酮糖酶分别催化果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸裂解产生乙酰磷酸和丁糖-4-磷酸及甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。终产物是乳酸和乙酸。

  • 丙酸发酵

许多厌氧菌可进行丙酸发酵。葡萄糖经EMP途径分解为两个丙酮酸后,再被转化为丙酸。少数丙酸细菌还能将乳酸(或利用葡萄糖分解而产生的乳酸)转变为丙酸。

  • 丁酸发酵

某些专性厌氧菌,如梭菌属(Clostridium)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、真杆菌属(Eubacterium和梭杆菌属(Fusobacterium),能进行丁酸与丙酮-丁醇发酵。在发酵过程中,葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸,接着在丙酮酸-铁氧还蛋白酶的参与下,将丙酮酸转化为乙酰辅酶A。乙酰辅酶A再经一系列反应生成丁酸或丁醇和丙酮。

  • 混合酸发酵

某些肠杆菌,如埃希氏菌属(Escherichia)、沙门氏菌属(SAlmonella)和志贺氏菌属(Shigella) 中的一些菌,能够利用葡萄糖进行混合酸发酵。先通过EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸,然后由不同的酶系将丙酮酸转化成不同的产物,如乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和氢气,还有一部分磷酸烯醇式丙酮酸用于生成琥珀酸;而肠杆菌、欧文氏菌属(Erwinia)中的一些细菌,能将丙酮酸转变成乙酰乳酸,乙酰乳酸经一系列反应生成丁二醇。由于这类肠道菌还具有丙酮酸-甲酸裂解酶,乳酸脱氢酶等,所以其终产物还有甲酸、乳酸、乙醇等。

**葡萄糖分子在没有外源电子受体时的代谢过程。在这个过程中,底物中所具有的能量只有一小部分被释放出来,并合成少量ATP。造成这种现象的原因有两个,一是底物的碳原子只被部分氧化,二是初始电子供体和最终电子受体的还原电势相差不大。

(2) 呼吸作用

  如果有氧或其他外源电子受体存在时,底物分子可被完全氧化为CO2,且在此过程中可合成的ATP的量大大多于发酵过程。

微生物在降解底物的过程中,将释放出的电子交给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体,再经电子传递系统传给外源电子受体,从而生成水或他还原型产物并释放出能量的过程,称为呼吸作用

呼吸作用与发酵作用的根本区别在于:电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物,而是交给电子传递系统,逐步释放出能量后再交给最终电子受体。

能通过呼吸作用分解的有机物包括某些碳氢化合物、脂肪酸和许多醇类。

Ⅰ、有氧呼吸

在呼吸作用中,以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸(aerobic respiration)。

在发酵过程中,葡萄糖经过糖酵解作用形成的丙酮酸在厌氧条件下转变成不同的发酵产物,而在有氧呼吸过程中,丙酮酸进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,简称TCA循环),被彻底氧化生成CO2和水,同时释放大量能量。

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在原核生物中,因呼吸链组分在细胞膜上,故产38ATP;而真核生物呼吸链组分在线粒体膜上,NAD++H+进入线粒体时要消耗2ATP,故最终只产36ATP。

、无氧呼吸(厌氧呼吸)

无氧呼吸(anaerobic respiration):指一类呼吸链末端的氢和最终电子受体为外源无机氧化物(少数为有机氧化物)的生物氧化。

某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。无氧呼吸的最终电子受体不是氧,而是像NO3-、NO2-、SO42-、CO2等这类外源受体。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体,并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用,也能产生较多的能量用于生命活动。但由于部分能量随电子转移传给最终电子受体,所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。

  • 反硝化作用(硝酸盐呼吸或脱氮作用):指反硝化细菌(兼性厌氧微生物)以硝酸盐作为最终电子受体,NO3-还原成NO2-、N2O、N2等的过程(通常称脱N作用,其产生的条件:厌氧、OM、硝酸盐)。

产生的条件:厌氧、有机质、硝酸盐;

在农业和环境中的应用

不利:N素损失,污染环境;控制措施:①保证土壤良好的通气条件;②有机物的施用要均匀适量;;③避免土壤反复的干湿交替,因为的机质氨化作用产生氨,在干、氧气充分的条件下,氨经硝化作用转变成NO3-,若立即淹水,在厌氧条件下进行反硝化作用;④水田应施NH4+―N,不利施NO3-―N;NH4+―N应深施,可同时伴施抑硝剂。

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有利:可消除水域中N素的富集;

反硫化作用(硫酸盐呼吸):反硫化细菌(严格厌氧菌,多数属兼性营养型)以SO42-为最终电子受体,使SO42-还原成H2S的无氧呼吸类型。

对农业和环境的影响:

有利:水域中,使S素以H2S的形式返回大气,避免水域中的S素大量集聚。

不利:导致土壤硫素损失;H2S毒害;金属管道的腐蚀;饮用水的污染。若水稻土中S素过多,在氧化层,易造成酸害;还原层易造成H2S毒害;即双重毒害。在有机质含量高的旱田中反硫化细菌生长旺盛,不仅使有机质中的蛋白质分解时产生H2S,土壤中的硫酸盐经反硫化作用也易产生H2S。同时由于土壤中缺氧,硫化作用停止或微弱,以致H2S累积太多,毒害作物根系。水稻田中施有机肥料不均匀,时常引起H2S毒害而发生水稻秧苗烂根现象。

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沼气发酵(甲烷形成):是产甲烷细菌在厌氧条件下,利用H2还原CO2等碳源营养物以产生细胞物质、能量和代谢废物―CH4的过程。类经CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端H受体的无氧呼吸。产甲烷细菌:是一些专性厌氧菌,古生菌。

对农业和环境的影响:生物能建设;肥料建设:沼气渣是很好的肥料。

(二)化能自养微生物产能代谢

一些微生物可以从氧化无机物获得能量,同化合成细胞物质,这类细菌称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。

  • 氨的氧化(硝化作用)

NH3同亚硝酸(NO2-)是可以用作能源的最普通的无机氮化合物,能被硝化细菌所氧化,硝化细菌可分为两个亚群:亚硝酸细菌和硝酸细菌。亚硝酸细菌:亚硝酸极毛杆菌、亚硝酸球菌、亚硝酸螺菌。硝酸细菌:硝酸杆菌属、硝酸球菌属等。硝化细菌将氨氧化,释放能量并同化以CO2合成细胞物质。

硝化细菌的特点:①专性好氧的;②G+细菌,无芽孢,分布广泛,对氧化基质有严格的专一性;③亚硝酸细菌和硝酸细菌是互生菌;④严格的化能自养,且大多数是专性无机营养型。

氨氧化为硝酸的过程可分为两个阶段,先由亚硝酸细菌将氨氧化为亚硝酸,再由硝酸细菌将亚硝酸氧化为硝酸。由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的。

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 Ⅰ、Ⅱ产生的能量均可作为机体同化CO2的能量。

硝化作用对农业和环境的影响:氨氧化为硝酸以及大量的硝态氮化肥为作物生长提供氮素营养,有利于产量提高。但硝酸盐的溶解性强(比铵盐强),易随雨水流入江、河、湖、海中,它不仅大大降低肥料的利用率(硝酸盐氮肥一般是40%),而且会引起水体的富营养化,进而导致“水华”或“赤潮”等严重污染危害(大面积发生就很难治理)。

水华:淡水水体富营养化现象。其特点是,在温暖季节,当水体中氮磷比达15~20:1时,水中的蓝细菌和浮游藻类(许多种类均产毒素)突然快速繁殖,从而使水面形成一薄层蓝、绿相间的泡沫。

赤潮:指发生在河口、港湾或浅海等咸水区水体的富营养化现象。赤潮生物多达260余种,包括蓝细菌、藻类和原生动物。

  • 硫的氧化(硫化作用)P225

硫细菌能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐)作能源,最后生成H2SO4的过程。

(H2S首先被氧化成元素硫,随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐,放出的电子在传递过程中可以偶联产生四个ATP。亚硫酸盐的氧化可分为两条途径,一是直接氧化成SO42-的途径,由亚硫酸盐—细胞色素c还原酶和末端细胞色素系统催化,产生一个ATP;二是经磷酸腺苷硫酸的氧化途径,每氧化一分子SO32-产生2.5个ATP。)

硫细菌:指引起硫化作用的微生物的总称,包括:硫杆菌属、贝氏硫细菌、绿紫硫细菌。

对农业和环境的影响:产生SO42-,作为植物直接吸收的S素物质;解除H2S毒害和除臭(H2S具有臭鸡蛋气味;畜禽粪便中发臭最厉害的是鸡粪);使土壤的微域环境酸化,促进难溶S素的有效化,但同时可能导致作物酸害。

  • 铁的氧化

从亚铁到高铁状态的铁的氧化,对于少数细菌来说也是一种产能反应,但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。亚铁的氧化仅在嗜酸性的氧化亚铁流杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)中进行了较为详细的研究。在低pH环境中这种菌能利用亚铁氧化时放出的能量生长。在该菌的呼吸链中发现了—种含铜蛋白质(rusticyanin),它与几种细胞色素c和一种细胞色素a1氧化酶构成电子传递链。虽然电子传递过程中的放能部位和放出有效能的多少还有待研究,但已知在电子传递到氧的过程中细胞质内有质了消耗,从而驱动ATP的合成。

  • 氢的氧化

氢细菌都是一些呈革兰氏阴件的兼性化能自养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2,也能利用其他有机物生长。氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素K2及细胞色素等呼吸链组分。在该菌中,电子直接从氢传递给电子传递系统,电于在呼吸链传递过程中产生ATP。在多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的酶。一种是位于壁膜间隙或结合在细胞质膜上的不需NAD+的颗粒状氧化酶,它能够催化以下反应:

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该酶在氧化氢并通过电子传递系统传递电子的过程中,可驱动质子的跨膜运输,形成跨膜质子梯度为ATP的合成提供动力;另一种是可溶性氢化酶,它能催化氢的氧化,而使NAD+还原的反应。所生成的NADH主要用于CO2的还原。

作业:

1、指出硝化细菌培养基Ⅰ的C源、N源、能源分别是什么?

硝化细菌培养基Ⅰ:(NH4)2SO40.5g、NaCl0.3g、FeSO4.7H2O0.03g、K2HPO41g、MgSO4.7H2O0.3g、CaCl27.5g、蒸馏水1000ml。

2、指出反硝化细菌培养基的C源、N源、能源分别是什么?

反硝化细菌培养基:KNO32.0g、MgSO4.7H2O0.2g、K2HPO40.5g、酒石酸钾钠20g、蒸馏水1000ml、pH7.2。

(三)光能营养微生物的产能方式

光能微生物不论是自养型还是异养型都具有光合色素,它们象绿色植物一样可将光能转换为化学能(ATP),这种能量的转化方式称为光合磷酸化作用。如植物、藻类、蓝细菌、光合细菌、嗜盐菌等。

三、能量转换

在产能代谢过程中,微生物通过底物水平磷酸化氧化磷酸化将某种物质氧化而释放的能量储存于ATP等高能分子中,对光合微生物而言,则可通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于ATP中。

1、底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)

物质在生物氧化过程中,常生成一些含有高能键的化合物,而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成,这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程小,也存在于呼吸作用过程中。例如,在EMP途径中,1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中都分别偶联着一分子ATP的形成;在三羧酸循环过程中,琥珀酰辅酶A转变为琥珀酸时偶联着一分子GTP的形成。

2、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)

物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质,在这个过程中偶联着ATP的合成,这种产生ATP的方式称为氧化磷酸化。一分子NADH和FADH2可分别产生3个和2个ATP。

3、光合磷酸化(photophosphorylation)

光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程,其实质是通过光合磷酸化将光能转变成化学能,以用于从CO2合成细胞物质。行光合作用的生物体除了绿色植物外,还包括光合微生物,如藻类、蓝细菌和光合细菌(包括紫色细菌、绿色细菌、嗜盐菌等)。它们利用光能维持生命,同时也为其他生物(如动物和异养微生物)提供了赖以生存的有机物。

光合色素

光合色素是光合生物所特有的色素,是将光能转化为化学能的关键物质。共分三类:叶绿素 (chl)或细菌叶绿素(Bchl),类胡萝卜素和藻胆素。除光合细菌外,叶绿素a普遍存在于光合生物中,叶绿素a、b共同存在于高等植物、绿藻和蓝绿细菌中,叶绿素c存在于褐藻和硅藻中,叶绿素d存在于红藻中,叶绿素e存在于金黄藻中,褐藻和红藻也含有叶绿素a。细菌叶绿素具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构,两者的区别在于侧链基团的不同,以及由此而导致的光吸收特性的差异。此外,叶绿素和细菌叶绿素的吸收光谱在不同的细胞中也有差异。

所有光合生物都有类胡萝卜素。类胡萝卜素虽然不直接参加光合反应,但它们有捕获光能的作用,能把吸收的光能高效地传给细菌叶绿素(或叶绿素)。而且这种光能同叶绿素(或细菌叶绿素)直接捕捉到的光能一样被用来进行光合磷酸化作用。此外胡萝卜素还有两个作用:一是可以作为叶绿素所催化的光氧化反应的淬灭剂,以保护光合机构不受光氧化损伤,二是可能在细胞能量代谢方面起辅助作用。

藻胆素因具有类似胆汁的颜色而得名,其化学结构与叶绿素相似,都含有四个毗咯环,但藻胆素没有长链植醇基,也没有镁原子,而且四个毗咯环是直链的。

光合单位

以往将在光合作用过程中还原一分子CO2所需的叶绿素分子数称为光合单位(phutosynthetic units)。后来通过分析紫色细菌载色体的结构,获得了对光合单位的进一步认识。光合色素分布于两个“系统”,分别称为“光合系统Ⅰ”和“光合系统Ⅱ”。每个系统即为一个光合单位。这两个系统中的光合色素的成分和比例不同。一个光合单位由一个光捕获复合体和一个反应中心复合体组成。光捕获复合体含有菌绿素和类胡萝卜素,它们吸收一个光子后,引起波长最长的菌绿素(P870)激活,从而传给反应中心,激发态的P870可释放出一个高能电子。

光合磷酸化

光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程。当一个叶绿素分子吸收光量子时,叶绿素性质上即被激活,导致叶绿素(或细菌叶绿素)释放——个电子而被氧化,释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量,这就是光合磷酸化的基本动力。

  • 环式光合磷酸化

光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP,这类细菌主要包括紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌。在光合细菌中,吸收光量子而被激活的细菌叶绿素释放出高能电子,于是这个细菌叶绿素分子即带有正电荷。所释放出来的高能电引顺序通过铁氧还蛋白、辅酶Q、细胞色素b和c,再返回到带正电荷的细菌叶绿素分子。在辅酶Q将电子传递给细胞色素c的过程中,造成了质子的跨膜移动,为ATP的合成提供了能量。在这个电子循环传递过程中,光能转变为化学能,故称环式光合磷酸化。环式光合磷酸化可在厌氧条件下进行,产物只有ATP,无NADP(H),也不产生分子氧。通常以下式表示环式光合磷酸化作用:

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  • 非环式光合磷酸化

高等植物和蓝细菌与光合细菌不同,它们可以裂解水,以提供细胞合成的还原能力。它们含有两种类型的反应中心,连同天线色素、初级电子受体和供体一起构成了光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ,这两个系统偶联,进行非环式光合磷酸化。在光合系统Ⅰ中,叶绿素分子P7M吸收光于后被激活,释放出一个高能电子。这个高能电子传递给铁氧还蛋白(Fd),并使之被还原。还原的扶氧还蛋白在Fd:NADP+还原酶的作用下,将NADP+还原为NADPH。用以还原P700的电子来源于光合系统Ⅱ。在光合系统Ⅱ中,叶绿素分子P680吸收光子后,释放出一个高能电子。后者先传递给辅酶Q,再传给光合系统Ⅰ,使P700还原。失去电子的P680,靠水的光解产生的电子来补充。高能电子从辅酶Q到光合系统Ⅰ的过程巾,可推动ATP的合成。非环式光合磷酸化的反应式为:

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有的光合细菌虽然只有一个光合系统,但也以非环式光合磷酸化的方式合成ATP,如绿硫细菌和绿色细菌。从光反应中心释放出的高能电子经铁硫蛋白、铁氧还蛋白、黄素蛋白,最后用于还原NAD+生成NADH。反应中心的还原依靠外源电子供体,如S2-、S2O32-等。外源电子供体在氧化过程中放出电子,经电子传递系统传给失去了电子的光合色素,使其还原,同时偶联ATP的生成。由于这个电子传递途径也没有形成环式回路,故也称为非环式光合磷酸化,反应式为:

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