第四節(jié)化能異養(yǎng)型微生物代謝中的能量形式轉(zhuǎn)換

1、2021/2/13,發(fā)酵原理,1,第四節(jié) 化能異養(yǎng)型微生物代 謝中的能量形式轉(zhuǎn)換,2021/2/13,發(fā)酵原理,2,化能異養(yǎng)型微生物利用化學(xué)能源，并以有機化合物為主要碳源和能源進行生命活動?；瘜W(xué)能源物質(zhì)作為能源化合物參與生物氧化，從而獲得可以直接支持生命活動（支撐生命）的代謝能,2021/2/13,發(fā)酵原理,3,2.4.1 氧化還原對及其氧化還原電位2.4.2 電子載體與高能（磷酸）鍵載體2.4.3 生物學(xué)體系中的能量耦合2.4.4 與呼吸、發(fā)酵對應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換 機制,2021/2/13,發(fā)酵原理,4,2.4.1 氧化還原對及其 氧化還原電位,2021/2/13,發(fā)酵原理,5,2.4.1.1

2、溶質(zhì)標準狀況的規(guī)定 2.4.1.2 生化反應(yīng)前后自由能的變化 2.4.1.3 氧化還原電位的測定及標準 狀況的規(guī)定,2021/2/13,發(fā)酵原理,6,氧化還原系統(tǒng)中成對的氧化物和還原物被稱為氧化還原對（redox couple），又稱為電極對，其通式為：氧化型 / 還原型。例如： NAD+NADH+H+ Fe3+Fe2,2021/2/13,發(fā)酵原理,7,在氧化還原電極對之間有電子轉(zhuǎn)移的趨勢，它們的還原電位（或稱電極電位）就是衡量這種電子轉(zhuǎn)移（獲得電子）的趨勢的物理量，記作“E ”。在物理化學(xué)標準狀況下電極對的還原電位，叫標準還原電位，記作E0。在生物化學(xué)標準狀態(tài)下電極對的還原電位記作E0，叫生

3、化標準還原電位。所謂標準還原電位，是根據(jù)下述溶質(zhì)的標準狀況的參考標準來定義的,2021/2/13,發(fā)酵原理,8,2.4.1.1 溶質(zhì)標準狀況的規(guī)定,2021/2/13,發(fā)酵原理,9,在生物系統(tǒng)中，溶質(zhì)標準狀況有它的特殊性，因為生化反應(yīng)通常在接近中性 pH 的稀水溶液中進行。已對生物系統(tǒng)的標準狀況作如下參考規(guī)定,2021/2/13,發(fā)酵原理,10,水的標準狀況規(guī)定為純液體的標準狀況。因而，水的濃度（或活度）取作 1 ，盡管實際上水的摩爾濃度為55.5 mol/L。 氫離子的活度規(guī)定為對應(yīng)于在生理 pH 條件（ pH 7 ）的活度，而不是化學(xué)標準狀態(tài)規(guī)定的 pH 0（ 氫離子活度為 1 ）的活度,

4、2021/2/13,發(fā)酵原理,11,能經(jīng)歷酸堿反應(yīng)的化合物的標準狀況規(guī)定為其天然存在的離子混合物在 pH 7 的條件下的總濃度。這樣做的好處在于，通常測量一個化合物的總濃度比測量其一種離子的濃度要更容易些。然而，因為酸或堿的離子組成隨 pH 值而變化，用總濃度計算標準自由能時，只能采用 pH 7 時的濃度,2021/2/13,發(fā)酵原理,12,使用上述參考規(guī)定時， 標準自由能變化一般用符號G 0（生化標準狀況下自由能的變化） 來表示，這里加上撇號“ ”，以區(qū)別于物理化學(xué)標準狀況下自由能的變化G 0。由于 自由能變化與所規(guī)定的參考狀況無關(guān)， 所以參考狀況是可以人為選擇的,2021/2/13,發(fā)酵原

5、理,13,然而，在用公式表示水和質(zhì)子對自由能變化的影響時，規(guī)定這參考狀況是很重要的，如果用生化標準狀況作參照，水的濃度可以從公式中省去。類似地，如果反應(yīng)在 pH7條件下進行，則質(zhì)子濃度不必包括在公式中（如果反應(yīng)在 pH 值不等于 7 的情況下進行， 質(zhì)子濃度應(yīng)當取與 10-7 有關(guān)的值，即應(yīng)當以 “ H+ /10-7 ” 的方式出現(xiàn),2021/2/13,發(fā)酵原理,14,2.4.1.2 生化反應(yīng)前后自由能的變化,2021/2/13,發(fā)酵原理,15,在活細胞內(nèi)的反應(yīng)條件是恒溫、恒壓的條件。在恒溫、恒壓條件下，各類化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進行，取決于自由能的變化“G ” 的值（反應(yīng)的G與變化的途徑無關(guān)）。

6、當 G0 時，反應(yīng)能自發(fā)進行，并能放出自由能量； 當 G0 時，反應(yīng)已達到平衡； 當 G0 時，反應(yīng)不能自發(fā)進行，必須 “注入” 代謝能才能進行,2021/2/13,發(fā)酵原理,16,生物體內(nèi)的反應(yīng)在恒溫、恒壓下進行，反應(yīng)的自由能變化是： G = G終態(tài) G始態(tài) 如果反應(yīng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，上式可進一步化為： G = G 0 + RT ln Keq,2021/2/13,發(fā)酵原理,17,當系統(tǒng)達到熱力學(xué)平衡（G= 0），則有： G 0= - RT ln Keq R 是摩爾氣體常數(shù)8.314 J（molK ）-1 ，平衡常數(shù)Keq可以測得的，因此可以從該反應(yīng)的Keq值及絕對溫度T ，來推算G 0。當然

7、G 0的值也可以通過查表獲得,2021/2/13,發(fā)酵原理,18,2.4.1.3 氧化還原電位的測定 及標準狀況的規(guī)定,2021/2/13,發(fā)酵原理,19,在測量電極對的還原電位時，常用氫電極作為標準電極，并要求樣品半電池的氧化物、還原物對子的溶質(zhì)的濃度均為 l molL-1； 對參比半電池為氫電極的情況來說，H+ 濃度為 l molL-1（ pH 值為 0）；H2為l atm。指定氫電極的標準還原電位E0為零，因此，兩個半電池的電位差即為樣品對子的標準還原電位,2021/2/13,發(fā)酵原理,20,為了使電極對的還原電位數(shù)據(jù)有可比性，必須對溶質(zhì)的標準狀況作上述嚴格的規(guī)定。下表列出了若干在生物學(xué)

8、上比較重要的氧化還原對子的 E0 值。 E0 是在 pH 7.0 和25條件下，相對于標準氫半電池的生化標準還原電位的測定值,2021/2/13,發(fā)酵原理,21,2021/2/13,發(fā)酵原理,22,可以預(yù)見，在生化標準狀況下，表中任何指定的氧化還原對，傾向于還原任何列在它下面的氧化還原對，其相對位置是它們之間氧化還原熱力學(xué)自發(fā)性的度量,2021/2/13,發(fā)酵原理,23,在生物體中，氧化還原反應(yīng)的標準自由能變化（ G 0 ） 實際上是與兩個氧化還原對之間的標準還原電位之差 （ E0） 成線性關(guān)系的。兩者的關(guān)系可用下式表示： G 0= - nFE0 式中，n 為電子傳遞數(shù)目，F(xiàn) 為法拉第常數(shù)（9

9、.6485104Cmo1）， E0 為電子受體的E0減去電子供體的E0所得之差值,2021/2/13,發(fā)酵原理,24,2.4.2 電子載體與高能 （磷酸）鍵載體,2021/2/13,發(fā)酵原理,25,2.4.2.1 電子載體與氫載體2.4.2.2 高能（磷酸）鍵載體及能量偶聯(lián),2021/2/13,發(fā)酵原理,26,2.4.2.1 電子載體與氫載體 電子載體廣義地包括脫氫酶的輔酶和電子傳遞鏈的全體成員。廣義的電子載體又可以分為氫載體和電子載體,2021/2/13,發(fā)酵原理,27,脫氫酶的輔酶 NAD+ 實際上是氫負離子（ hydride ion，即一個質(zhì)子和一對電子 ） 的載體； 黃素蛋白和CoQ

10、實際上是氫原子（一個質(zhì)子和一個電子 ）的載體，它們均可稱為氫載體。 鐵硫蛋白（ Fe-S-P ）和細胞色素是狹義的電子載體,2021/2/13,發(fā)酵原理,28,這些載體的氧化型和各自的還原型配對，組成各自的氧化還原電極對。例如： NAD+NADH+H+、FAD/FADH2、CoQ / CoQH2 和 Fe3+Fe2+ 等,2021/2/13,發(fā)酵原理,29,2.4.2.2 高能（磷酸）鍵載體 及能量偶聯(lián),2021/2/13,發(fā)酵原理,30,根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當反應(yīng)體系的G 0 時反應(yīng)不能自發(fā)進行，若要進行，必須提供足夠的、可以被反應(yīng)體系利用的能量。在細胞中，這種可以利用的能量只能來源于放能反

11、應(yīng)所釋放的自由能，而且只有當放能反應(yīng)提供的自由能大于該需能反應(yīng)所需的自由能時，反應(yīng)才能進行,2021/2/13,發(fā)酵原理,31,生物學(xué)中定義：由放能反應(yīng)提供自由能，用以驅(qū)動需能反應(yīng)的過程，被稱為放能反應(yīng)與需能反應(yīng)之間能量的偶聯(lián),2021/2/13,發(fā)酵原理,32,然而，在生物體內(nèi)，放能反應(yīng)不能與需能反應(yīng)直接發(fā)生偶聯(lián)，必須借助能量載體才能將放能反應(yīng)所釋放的自由能的一部分（生物可直接利用的能量）提供給需能反應(yīng)，從而驅(qū)動需能反應(yīng)。大自然已選擇5-三磷酸腺嘌呤核苷（ATP）作為生物可直接利用的能量的載體。我們把這種細胞可直接利用的能量叫做代謝能,2021/2/13,發(fā)酵原理,33,2021/2/13,

12、發(fā)酵原理,34,在生命活動過程中，生物體不斷地消耗ATP，同時也不斷再生ATP，因此ATP的轉(zhuǎn)運、使用和再生是生物最重要的生理過程,2021/2/13,發(fā)酵原理,35,2.4.3 生物學(xué)體系中 的能量耦合,2021/2/13,發(fā)酵原理,36,在化能異養(yǎng)型微生物中，能源化合物被氧化時放出的化學(xué)能主要通過以下 3 種機制轉(zhuǎn)換成生物可以直接利用的能量代謝能,2021/2/13,發(fā)酵原理,37,2.4.3.1 直接化學(xué)耦合2.4.3.2 電耦合2.4.3.3 還原當量耦合,2021/2/13,發(fā)酵原理,38,2.4.3.1 直接化學(xué)耦合,2021/2/13,發(fā)酵原理,39,直接化學(xué)耦合指的是代謝中間化

13、合物參與的底物水平磷酸化的過程。也就是代謝中間化合物 （ 如 1,3-2P-GA 、PEP、ScCoA和乙酰磷酸等高能磷酸化合物）的高能磷酸鍵的水解反應(yīng)與ADP 或 GDP 的磷酸化反應(yīng)直接耦合。 借助于對應(yīng)的酶的催化作用，在酶的底物的水平上發(fā)生磷酸化作用，形成特殊的高能化合物（ATP、GTP）的過程,2021/2/13,發(fā)酵原理,40,這類代謝中間化合物，也就是前面所謂酶的底物，包括酵解途徑中由脫氫酶催化的反應(yīng)生成的 1,3-2P-GA， 由烯醇化酶催化生成的PEP，TCA環(huán)中由- KG脫氫酶催化生成的 ScCoA，以及 PK 途徑中的由磷酸酮解酶（phosphoketolase）裂解酮糖生

14、成的乙酰磷酸等高能化合物。這些高能（ 磷酸 ） 化合物在對應(yīng)的酶（ 1,3-2P-GA 對應(yīng)于3-P-GA 激酶，PEP對應(yīng)于PYR激酶）的催化下將ADP 磷酸化成 ATP,2021/2/13,發(fā)酵原理,41,2.4.3.2 電耦合,2021/2/13,發(fā)酵原理,42,電耦合是指以質(zhì)子運動勢p為媒介，借助電子傳遞鏈和 ATP 酶， 將ATP的使用（ATPADP）與 ATP 的再生（ADPATP）耦合起來。 詳見本章 2.4.4,2021/2/13,發(fā)酵原理,43,2.4.3.3 還原當量耦合 還原當量，還原當量耦合,2021/2/13,發(fā)酵原理,44,還原當量 討論還原當量耦合問題，首先必須弄

15、清什么叫還原當量。 生物化學(xué)將相當于一個電子或一個氫原子的還原力的量叫做一個還原當量。本課程為了說明問題的方便，將相當于一對電子或一個氫負離子（hydride ion） 的還原力的量叫做一個還原當量,2021/2/13,發(fā)酵原理,45,所謂氫負離子是指H-，即H+ 2e-，也就是一個質(zhì)子和一對電子。 NADH是NAD+H- 的簡寫,2021/2/13,發(fā)酵原理,46,因此，NAD+ 是氫負離子的載體，也就是一對電子和一個質(zhì)子的載體，當然也是一對電子的載體。脫氫酶的輔酶 NAD+ 作為一對電子 （ 即還原當量 ） 的載體，其氧化型是空載的，其還原型攜帶了還原當量的，所以也有人把還原型輔酶當作還原

16、當量，或把它稱為還原力。就像我們把ATP稱為代謝能，而實際上ATP是代謝能的載體一樣,2021/2/13,發(fā)酵原理,47,發(fā)生生物氧化時，還原性化合物（還原劑）脫氫（氧化）而釋放出“氫”（有些書上標寫為“2H” ），這個 “氫” 實際上是1對電子和2個質(zhì)子，這2個質(zhì)子有時結(jié)合在輔酶或輔基上，有時其中一個質(zhì)子存在于溶液中，因此有： NAD+ + 2H NADH + H+（ 其中一個質(zhì)子和一對電子結(jié)合在輔酶分子上，一個質(zhì)子存在于溶液中）； FAD + 2H FADH2（兩個質(zhì)子和一對電子都結(jié)合在輔基上,2021/2/13,發(fā)酵原理,48,2021/2/13,發(fā)酵原理,49,2021/2/13,發(fā)酵

17、原理,50,還原當量耦合 還原當量耦合一般是指：直接接受還原性化合物（還原劑）脫下的電子而形成的還原型輔酶或輔基，直接與細胞內(nèi)不同的氧化還原反應(yīng)相耦合,2021/2/13,發(fā)酵原理,51,在生物氧化過程中，還原性化合物的降解通常涉及它們自身被氧化，這就要求氧化型輔酶或輔基作為直接的電子受體參與反應(yīng)；另一方面，微生物細胞內(nèi)存在著許多需還原的過程，要求有還原型的輔酶或輔基作為直接的電子供體參與反應(yīng),2021/2/13,發(fā)酵原理,52,一些重要的輔酶，如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD），其氧化型 NAD+可作為直接的電子受體，其還原型NADH可作為直接的電子供體，因此能將這些氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)偶聯(lián)起來

18、。如 GA-3-P 脫氫時生成的 NADH 與乙醇脫氫酶催化的反應(yīng)相耦合，將乙醛還原成乙醇；另一個重要的輔酶 NADP（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），其還原形式 NADPH 主要與還原性合成反應(yīng)相耦合,2021/2/13,發(fā)酵原理,53,NAD+是一些常見的脫氫酶的輔酶， 如乳酸脫氫酶， 丙酮酸脫氫酶、- 酮戊二酸脫氫酶、 蘋果酸脫氫酶； NADP+ 是另一些常見的脫氫酶的輔酶 G-6-P脫氫酶，6-P-GA 脫氫酶、 異檸檬酸脫氫酶、 - 磷酸甘油脫氫酶等,2021/2/13,發(fā)酵原理,54,FAD 和 FMN 是一些氧化還原酶（ 脫氫酶 ）的輔基， 這些酶因為有 FAD 或 FMN 作輔基而

19、稱黃素蛋白。以 FAD 為輔基的酶有琥珀酸脫氫酶，脂酰 CoA脫氫酶等；以 FMN（或FAD ）為輔基的酶有 L-氨基酸氧化酶， 電子傳遞鏈的成員中也有以FMN（ 或FAD ）為輔基的蛋白質(zhì)， 如 NADH 脫氫酶,2021/2/13,發(fā)酵原理,55,盡管大多數(shù)脫氫酶（氧化酶）所催化的反應(yīng)是有專一性的，但這種共同的氧化還原耦合機制，允許不同的酶催化的脫氫（氧化）反應(yīng)為同一個還原反應(yīng)提供還原當量，允許同一個脫氫（氧化）反應(yīng)為許多其他還原反應(yīng)提供還原當量,2021/2/13,發(fā)酵原理,56,2.4.4 與呼吸、發(fā)酵對應(yīng)的 代謝能轉(zhuǎn)換機制,2021/2/13,發(fā)酵原理,57,為了說明問題方便，以微生

20、物對葡萄糖的降解代謝為例，來說明與呼吸、發(fā)酵對應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機制。葡萄糖的降解可分成 3 個階段,2021/2/13,發(fā)酵原理,58,第一階段是指葡萄糖進入細胞，在胞內(nèi)以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯或葡萄糖酸的磷酸酯的形式出現(xiàn)。 第二階段是微生物細胞經(jīng)酵解途徑，將葡萄糖或磷酸葡萄糖降解到處于 3C 水平的丙酮酸。這個階段不但通過底物水平磷酸化生成ATP，而且向細胞質(zhì)釋放還原當量。 第三階段是丙酮酸繼續(xù)代謝和代謝產(chǎn)物的分泌。這是區(qū)分葡萄糖的氧化性代謝與發(fā)酵性代謝的關(guān)鍵性階段,2021/2/13,發(fā)酵原理,59,如果丙酮酸或由丙酮酸繼續(xù)代謝而生成的可用作還原當量吸收劑的化合物（如乙醛）吸收第二階段釋放的還

21、原當量，生成相應(yīng)的還原產(chǎn)物（如乙醇）。這時微生物細胞進行發(fā)酵性代謝。這個過程因這些還原產(chǎn)物的分泌而得以進行,2021/2/13,發(fā)酵原理,60,如果遺傳與環(huán)境條件許可，丙酮酸相對容易地經(jīng)TCA環(huán)降解，最終可被氧化降解成二氧化碳；第二階段（酵解）及第三階段所釋放的還原當量則被電子傳遞鏈吸收并傳遞給外源的最終電子受體。這時微生物細胞進行氧化性代謝,2021/2/13,發(fā)酵原理,61,葡萄糖的氧化性降解代謝與發(fā)酵性降解代謝兩者最基本的區(qū)別在于：氧化性降解代謝除了可以與發(fā)酵性降解代謝一樣通過底物水平磷酸化形成ATP外，還經(jīng)電子傳遞磷酸化產(chǎn)生更多的ATP，從而允許微生物有更高的生物合成速率及更高的細胞得率 ( 細胞對葡萄糖的轉(zhuǎn)化率 ),2021/2/13,發(fā)酵原理,62,2.4.4.1 與呼吸相對應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機制2.3.4.2 與發(fā)酵相對應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機制,2021/2/13,發(fā)酵原理,63