第三節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式_第1頁
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文檔簡介

1、微生物學(xué)第三節(jié)第三節(jié) 營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式胞的方式微生物們是怎樣吃東西的?微生物們是怎樣吃東西的? 微生物在生長過程中,所需微生物在生長過程中,所需營養(yǎng)物質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)不斷的進(jìn)不斷的進(jìn)入細(xì)胞,入細(xì)胞,代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物及時的分泌到胞外,這兩個過程及時的分泌到胞外,這兩個過程就是就是物質(zhì)的運輸物質(zhì)的運輸。營養(yǎng)物質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)能否利用(即是否具有酶系)能否利用(即是否具有酶系)能否進(jìn)入細(xì)胞能否進(jìn)入細(xì)胞一、物質(zhì)運輸?shù)恼系K一、物質(zhì)運輸?shù)恼系K1.1.莢膜與粘液層莢膜與粘液層莢膜和粘液層是由一層結(jié)構(gòu)疏松的多糖物質(zhì)組成,莢膜和粘液層是由一層結(jié)構(gòu)疏松的多糖物質(zhì)組成,所以對大多數(shù)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞影響不大。所以

2、對大多數(shù)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞影響不大。2.2.細(xì)胞壁細(xì)胞壁肽聚糖組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),只允許一定分子量以下肽聚糖組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),只允許一定分子量以下的小分子物質(zhì)進(jìn)入,大分子物質(zhì)就不能通過肽聚的小分子物質(zhì)進(jìn)入,大分子物質(zhì)就不能通過肽聚糖的網(wǎng)眼孔。糖的網(wǎng)眼孔。3.3.細(xì)胞膜細(xì)胞膜 細(xì)胞膜具有細(xì)胞膜具有選擇性滲透作用選擇性滲透作用,即細(xì)胞膜只,即細(xì)胞膜只允許一種物質(zhì)比另一種物質(zhì)更容易通過的特性。允許一種物質(zhì)比另一種物質(zhì)更容易通過的特性。營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入代謝產(chǎn)物排出代謝產(chǎn)物排出無用物質(zhì)的進(jìn)入無用物質(zhì)的進(jìn)入有用物質(zhì)的漏出有用物質(zhì)的漏出保證保證防止防止這是對物質(zhì)運輸影響最大的,這是對物質(zhì)運輸影響最大的,它能保證

3、細(xì)胞與外界合理的進(jìn)行物質(zhì)交換。它能保證細(xì)胞與外界合理的進(jìn)行物質(zhì)交換。二、物質(zhì)運輸方式二、物質(zhì)運輸方式 除了原生動物外,其他各大類有細(xì)胞的微生物除了原生動物外,其他各大類有細(xì)胞的微生物都是通過都是通過細(xì)胞膜的滲透細(xì)胞膜的滲透和和選擇吸收作用選擇吸收作用而從外而從外界吸取營養(yǎng)物的。界吸取營養(yǎng)物的。運運送送方方式式不通過膜上載體蛋白:單純擴(kuò)散不通過膜上載體蛋白:單純擴(kuò)散耗能耗能通過膜上載體蛋白通過膜上載體蛋白不耗能:促進(jìn)擴(kuò)散不耗能:促進(jìn)擴(kuò)散運送前后溶質(zhì)分子改變:基團(tuán)轉(zhuǎn)移運送前后溶質(zhì)分子改變:基團(tuán)轉(zhuǎn)移運送前后溶質(zhì)分子不變:主動運輸運送前后溶質(zhì)分子不變:主動運輸 1.1.單純擴(kuò)散(簡單擴(kuò)散,單純擴(kuò)散(簡

4、單擴(kuò)散,simple diffusion)(1 1)定義)定義 單純擴(kuò)散單純擴(kuò)散(simple diffusion)又稱又稱被動運送被動運送(passive transport),),指疏水性雙分子層細(xì)胞膜(指疏水性雙分子層細(xì)胞膜(包括孔蛋白在內(nèi))在無載體蛋白的參與下,單純依包括孔蛋白在內(nèi))在無載體蛋白的參與下,單純依靠物理擴(kuò)散方式讓許多小分子、非電離分子尤其是靠物理擴(kuò)散方式讓許多小分子、非電離分子尤其是親水性分子被動通過的一種物質(zhì)運送方式。親水性分子被動通過的一種物質(zhì)運送方式。(2 2)特點)特點不消耗能量,物質(zhì)擴(kuò)散的動力來自參與擴(kuò)散的物不消耗能量,物質(zhì)擴(kuò)散的動力來自參與擴(kuò)散的物質(zhì)在膜內(nèi)外的

5、濃度差;質(zhì)在膜內(nèi)外的濃度差;擴(kuò)散是非特異性的,不需載體蛋白協(xié)助;擴(kuò)散是非特異性的,不需載體蛋白協(xié)助;擴(kuò)散過程中,物質(zhì)不與膜上各類分子發(fā)生反應(yīng),擴(kuò)散過程中,物質(zhì)不與膜上各類分子發(fā)生反應(yīng),自身分子結(jié)構(gòu)也不發(fā)生變化;自身分子結(jié)構(gòu)也不發(fā)生變化;一些小分子、極性小非電離的尤其是親脂一些小分子、極性小非電離的尤其是親脂性的分子由這種方式擴(kuò)散。如:性的分子由這種方式擴(kuò)散。如: 水、某些氣水、某些氣體(如體(如n n2 2,coco2 2,o o2 2)、)、脂溶性物質(zhì)(甘油,乙脂溶性物質(zhì)(甘油,乙醇,苯)及少數(shù)氨基酸和鹽可能采取單純擴(kuò)散醇,苯)及少數(shù)氨基酸和鹽可能采取單純擴(kuò)散的方式通過細(xì)胞膜。的方式通過細(xì)胞

6、膜。 單純擴(kuò)散對營養(yǎng)物的運送缺乏選擇能力和單純擴(kuò)散對營養(yǎng)物的運送缺乏選擇能力和逆濃度梯度的逆濃度梯度的“濃縮濃縮”能力,不是細(xì)胞獲能力,不是細(xì)胞獲取營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。取營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。 2.2.促進(jìn)擴(kuò)散(促進(jìn)擴(kuò)散(facilitated diffusion)(1 1)定義)定義 促進(jìn)擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散(facilitated diffusion)指溶質(zhì)在運指溶質(zhì)在運送過程中,必須借助存在于細(xì)胞膜上的底物送過程中,必須借助存在于細(xì)胞膜上的底物特異特異載體蛋白載體蛋白(carrier protein)的協(xié)助,但不消耗能的協(xié)助,但不消耗能量的一類擴(kuò)散性運送方式。量的一類擴(kuò)散性運送方式。 載體蛋白載體

7、蛋白有時稱作有時稱作透性酶透性酶(permease)、)、移位酶移位酶(translocase)或或移位蛋白移位蛋白(translocator protein),一,一般通過般通過誘導(dǎo)誘導(dǎo)產(chǎn)生,它借助自身構(gòu)象的變化,在產(chǎn)生,它借助自身構(gòu)象的變化,在不耗能不耗能的條的條件下可加速把膜外高濃度的溶質(zhì)擴(kuò)散到膜內(nèi),直至膜內(nèi)外件下可加速把膜外高濃度的溶質(zhì)擴(kuò)散到膜內(nèi),直至膜內(nèi)外該溶質(zhì)濃度相等為止。每種載體只運輸相應(yīng)的物質(zhì),具有該溶質(zhì)濃度相等為止。每種載體只運輸相應(yīng)的物質(zhì),具有較高的較高的專一性專一性。載體只影響物質(zhì)的運輸速率,載體只影響物質(zhì)的運輸速率,并不改變該物質(zhì)在膜內(nèi)外形成的動態(tài)平衡狀態(tài)并不改變該物質(zhì)

8、在膜內(nèi)外形成的動態(tài)平衡狀態(tài)(2 2)特點)特點不消耗能量,物質(zhì)擴(kuò)散的動力來自參與擴(kuò)散的物不消耗能量,物質(zhì)擴(kuò)散的動力來自參與擴(kuò)散的物質(zhì)在膜內(nèi)外的濃度差;質(zhì)在膜內(nèi)外的濃度差;物質(zhì)運送必須借助存在于細(xì)胞膜上的底物特異物質(zhì)運送必須借助存在于細(xì)胞膜上的底物特異載體蛋白的協(xié)助;載體蛋白的協(xié)助;載體蛋白對被運送的物質(zhì)具有高度專一性;載體蛋白對被運送的物質(zhì)具有高度專一性;例如:釀酒酵母(例如:釀酒酵母(saccharomyces cerevisiae)對各種對各種 糖、氨基酸和維生素的吸收;糖、氨基酸和維生素的吸收; e. coli 對甘油的吸收等。對甘油的吸收等。 載體蛋白一般由幾個亞基構(gòu)成,有功能載體蛋白

9、一般由幾個亞基構(gòu)成,有功能亞基和調(diào)節(jié)亞基。運輸(反應(yīng))速度受溶質(zhì)亞基和調(diào)節(jié)亞基。運輸(反應(yīng))速度受溶質(zhì)(底物)濃度、(底物)濃度、phph及溫度等因素影響。它在及溫度等因素影響。它在膜外與物質(zhì)親和力大而在膜內(nèi)親和力?。ㄓ心ね馀c物質(zhì)親和力大而在膜內(nèi)親和力?。ㄓ欣谠谀ね饨Y(jié)合在膜內(nèi)釋放)。利于在膜外結(jié)合在膜內(nèi)釋放)。 細(xì)胞中有許多不同的滲透酶。每種只幫細(xì)胞中有許多不同的滲透酶。每種只幫助一類物質(zhì)的運輸。它們大多數(shù)為誘導(dǎo)酶,助一類物質(zhì)的運輸。它們大多數(shù)為誘導(dǎo)酶,即當(dāng)外界存在某種物質(zhì)時,才誘導(dǎo)產(chǎn)生該種即當(dāng)外界存在某種物質(zhì)時,才誘導(dǎo)產(chǎn)生該種物質(zhì)的滲透酶。促進(jìn)擴(kuò)散的動力仍然是濃度物質(zhì)的滲透酶。促進(jìn)擴(kuò)散的動

10、力仍然是濃度梯度,不需要消耗能量。梯度,不需要消耗能量。 動力:濃度差動力:濃度差 (由高到低);(由高到低); 平衡:膜內(nèi)平衡:膜內(nèi)= =膜外膜外 因為有載體存在,此方式有特異性,因為有載體存在,此方式有特異性,運動快。如一些離子(運動快。如一些離子(soso4 42-2-、popo4 43-3-)、)、小分子糖、氨基酸、維生素可利用這種小分子糖、氨基酸、維生素可利用這種方式進(jìn)行擴(kuò)散。方式進(jìn)行擴(kuò)散。 促進(jìn)擴(kuò)散主要在真核生物細(xì)胞中用促進(jìn)擴(kuò)散主要在真核生物細(xì)胞中用于運輸糖分,在原核生物中較少見。于運輸糖分,在原核生物中較少見。 3.3.主動運送(主動運送(active transport)(1

11、1)定義)定義 主動運送主動運送(active transport)指一類須提供指一類須提供能量(包括能量(包括atpatp、質(zhì)子動勢或質(zhì)子動勢或“離子泵離子泵”等)并通等)并通過細(xì)胞膜上特異性載體蛋白構(gòu)象的變化,而使膜過細(xì)胞膜上特異性載體蛋白構(gòu)象的變化,而使膜外環(huán)境中低濃度的溶質(zhì)運入膜內(nèi)的一種運送方式外環(huán)境中低濃度的溶質(zhì)運入膜內(nèi)的一種運送方式。屬于逆濃度梯度運送營養(yǎng)物的方式。屬于逆濃度梯度運送營養(yǎng)物的方式。主動運送2.2.須消耗能量,逆濃度梯度運送物質(zhì)。須消耗能量,逆濃度梯度運送物質(zhì)。1.1.物質(zhì)運送必須借助存在于細(xì)胞膜上物質(zhì)運送必須借助存在于細(xì)胞膜上的底物特異載體蛋白的協(xié)助;的底物特異載體

12、蛋白的協(xié)助;(2 2)特點)特點 主動運送是逆濃度梯度運送營養(yǎng)物的方主動運送是逆濃度梯度運送營養(yǎng)物的方式,對許多生存在低濃度營養(yǎng)環(huán)境中的式,對許多生存在低濃度營養(yǎng)環(huán)境中的貧養(yǎng)貧養(yǎng)菌菌(oligophyte,或稱或稱寡養(yǎng)菌寡養(yǎng)菌)的生存極為重)的生存極為重要。要。na-k+atpase主動運輸模式圖主動運輸模式圖(每消耗一分子(每消耗一分子atpatp,就泵出三分子就泵出三分子nana+ +,泵進(jìn)兩分子,泵進(jìn)兩分子k k+ +) 4.4.基團(tuán)移位(基團(tuán)移位(group translocation)(1 1)定義)定義 基團(tuán)移位基團(tuán)移位(group translocation)指一類既需指一類既需

13、特異性載體蛋白的參與,又需耗能的一種物質(zhì)運特異性載體蛋白的參與,又需耗能的一種物質(zhì)運送方式,其特點是溶質(zhì)在運送前后還會發(fā)生分子送方式,其特點是溶質(zhì)在運送前后還會發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)構(gòu)的變化。需消耗能量;需消耗能量;物質(zhì)運送必須借助存在于細(xì)胞膜上的底物特物質(zhì)運送必須借助存在于細(xì)胞膜上的底物特異載體蛋白的協(xié)助;異載體蛋白的協(xié)助;溶質(zhì)在運送前后發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化;溶質(zhì)在運送前后發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化;(2 2)特點)特點 基團(tuán)移位主要用于運送基團(tuán)移位主要用于運送各種糖類(葡萄糖、各種糖類(葡萄糖、果糖、甘露糖和果糖、甘露糖和n-n-乙酰葡糖胺等)、核苷酸、乙酰葡糖胺等)、核苷酸、丁酸和腺嘌呤等物質(zhì)丁酸

14、和腺嘌呤等物質(zhì)。 在在e. coli 中研究得較為清楚,主要靠中研究得較為清楚,主要靠磷酸轉(zhuǎn)移酶磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)系統(tǒng)(phosphotrasferase system)即磷酸烯醇式丙酮酸即磷酸烯醇式丙酮酸己糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)進(jìn)行。己糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)進(jìn)行。基團(tuán)移位的運送機(jī)制基團(tuán)移位的運送機(jī)制 此系統(tǒng)由此系統(tǒng)由24種蛋白組成,運送某一具體糖至少種蛋白組成,運送某一具體糖至少有有4種蛋白參與,其特點是每輸入一個葡萄糖分子,種蛋白參與,其特點是每輸入一個葡萄糖分子,就要消耗一個就要消耗一個atp的能量。的能量。具體運送分兩步進(jìn)行:具體運送分兩步進(jìn)行:(1 1)熱穩(wěn)載體蛋白()熱穩(wěn)載體蛋白(heat-sta

15、ble carrier protein,hpr)的激活的激活細(xì)胞內(nèi)高能化合物細(xì)胞內(nèi)高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸(磷酸烯醇式丙酮酸(peppep)的磷酸基團(tuán)通過酶的磷酸基團(tuán)通過酶的作用而把的作用而把hpr激活:激活: pep + pep + hpr pyr(丙酮酸)丙酮酸) + + p phpr 酶酶 hpr是一種低分子量的可溶性蛋白,結(jié)合在是一種低分子量的可溶性蛋白,結(jié)合在細(xì)胞膜上,起著高能磷酸載體的作用。細(xì)胞膜上,起著高能磷酸載體的作用。 酶酶是一種可溶性細(xì)胞質(zhì)蛋白。是一種可溶性細(xì)胞質(zhì)蛋白。hpr和和酶酶在磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)中,均無底物特異性。在磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)中,均無底物特異性。(2 2)糖經(jīng)磷酸

16、化而運入細(xì)胞膜內(nèi))糖經(jīng)磷酸化而運入細(xì)胞膜內(nèi) 膜外環(huán)境中的先與細(xì)胞膜外表面上的底物特異膜外環(huán)境中的先與細(xì)胞膜外表面上的底物特異膜蛋白膜蛋白酶酶c c結(jié)合,接著糖分子被由結(jié)合,接著糖分子被由p phpr酶酶a a酶酶b b逐級傳遞來的磷酸基團(tuán)激活,最后通逐級傳遞來的磷酸基團(tuán)激活,最后通過酶過酶c c在把這一磷酸糖釋放到細(xì)胞質(zhì)中。在把這一磷酸糖釋放到細(xì)胞質(zhì)中。糖分子糖分子 酶酶c c結(jié)合結(jié)合p phpr酶酶a a酶酶b b磷酸基團(tuán)磷酸基團(tuán)磷酸基團(tuán)磷酸基團(tuán)磷酸糖磷酸糖酶酶c c細(xì)胞質(zhì)中細(xì)胞質(zhì)中逐逐級級傳傳遞遞磷酸基團(tuán)磷酸基團(tuán)激活激活釋放釋放酶酶酶酶a a酶酶b b酶酶c c細(xì)胞質(zhì)蛋白,無底物特異性細(xì)胞質(zhì)蛋白,無底物特異性均為膜蛋白,具有底物特異性,均為膜蛋白,具有底物特異性,可通過誘導(dǎo)產(chǎn)生可通過誘導(dǎo)產(chǎn)生例如:例如: e. coli、 金黃色葡萄球菌(金黃色葡萄球菌(staphylococcus aureus)、)、 枯草芽孢桿菌(枯草芽孢桿菌(bacillus subtilis) 和巴氏梭菌(和巴氏梭菌(clostridium pasteurianum)中,中,葡萄糖是通過基團(tuán)移位方式自外環(huán)境運送入細(xì)胞

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