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

第四節(jié)化能異養(yǎng)型微生物代謝中能量形式轉(zhuǎn)換2022/10/26張星元：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(jī)化合物為主要碳源和能源進(jìn)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。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理32.4.1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(jī)制2022/10/26張星元：發(fā)酵原理42.4.1氧化還原對及其

氧化還原電位

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理52.4.1.1溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)

狀況的規(guī)定2022/10/26張星元：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（redoxcouple），又稱為電極對，其通式為：氧化型/還原型。

例如：

NAD+／NADH+H+

Fe3+／Fe2+。

2022/10/26張星元：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(biāo)準(zhǔn)狀況下電極對的還原電位，叫標(biāo)準(zhǔn)還原電位，記作E0。在生物化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電極對的還原電位記作E0′，叫生化標(biāo)準(zhǔn)還原電位。所謂標(biāo)準(zhǔn)還原電位，是根據(jù)下述溶質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)狀況的參考標(biāo)準(zhǔn)來定義的。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理82.4.1.1溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)狀況的規(guī)定2022/10/26張星元：發(fā)酵原理9在生物系統(tǒng)中，溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行。已對生物系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)狀況作如下參考規(guī)定：2022/10/26張星元：發(fā)酵原理10①水的標(biāo)準(zhǔn)狀況規(guī)定為純液體的標(biāo)準(zhǔn)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55.5mol/L。

②氫離子的活度規(guī)定為對應(yīng)于在生理pH條件（pH7）的活度，而不是化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)規(guī)定的pH0（氫離子活度為1）的活度。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理11③能經(jīng)歷酸堿反應(yīng)的化合物的標(biāo)準(zhǔn)狀況規(guī)定為其天然存在的離子混合物在pH7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(biāo)準(zhǔn)自由能時，只能采用pH7時的濃度。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理12

使用上述參考規(guī)定時，標(biāo)準(zhǔn)自由能變化一般用符號ΔG0′（生化標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)狀況下自由能的變化ΔG0。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。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行，質(zhì)子濃度應(yīng)當(dāng)取與10-7有關(guān)的值，即應(yīng)當(dāng)以“[H+]/10-7”的方式出現(xiàn)）。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理142.4.1.2生化反應(yīng)前后自由能的變化2022/10/26張星元：發(fā)酵原理15

在活細(xì)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(jìn)行，取決于自由能的變化“ΔG′”的值（反應(yīng)的ΔG′與變化的途徑無關(guān)）。

當(dāng)ΔG′＜0時，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，并能放出自由能量；

當(dāng)ΔG′＝0時，反應(yīng)已達(dá)到平衡；

當(dāng)ΔG′＞0時，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，必須“注入”代謝能才能進(jìn)行。

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理16生物體內(nèi)的反應(yīng)在恒溫、恒壓下進(jìn)行，反應(yīng)的自由能變化是：

ΔG′=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(jìn)一步化為：

ΔG′=ΔG0′+RTlnKeq′

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理17

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡（ΔG′=0），則有：

ΔG0′=-RTlnKeq′

R是摩爾氣體常數(shù)8.314

[J·（mol°K）-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ΔG0′。當(dāng)然ΔG0′的值也可以通過查表獲得。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理182.4.1.3氧化還原電位的測定

及標(biāo)準(zhǔn)狀況的規(guī)定

2022/10/26張星元：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(biāo)準(zhǔn)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lmol·L-1；對參比半電池為氫電極的情況來說，H+

濃度為lmol·L-1（pH值為0）；H2為latm。指定氫電極的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)還原電位。

2022/10/26張星元：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(biāo)準(zhǔn)狀況作上述嚴(yán)格的規(guī)定。下表列出了若干在生物學(xué)上比較重要的氧化還原對子的E0′值。E0′是在pH7.0和25℃條件下，相對于標(biāo)準(zhǔn)氫半電池的生化標(biāo)準(zhǔn)還原電位的測定值。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理212022/10/26張星元：發(fā)酵原理22可以預(yù)見，在生化標(biāo)準(zhǔn)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。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理23在生物體中，氧化還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化（ΔG0′）實際上是與兩個氧化還原對之間的標(biāo)準(zhǔn)還原電位之差（ΔE0′）成線性關(guān)系的。兩者的關(guān)系可用下式表示：

ΔG0′=-nFΔE0′

式中，n為電子傳遞數(shù)目，F(xiàn)為法拉第常數(shù)（9.6485×104C／mo1），ΔE0′

為電子受體的E0′減去電子供體的E0′所得之差值。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理242.4.2電子載體與高能

（磷酸）鍵載體2022/10/26張星元：發(fā)酵原理252.4.2.1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)2022/10/26張星元：發(fā)酵原理262.4.2.1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。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理27脫氫酶的輔酶NAD+實際上是氫負(fù)離子（hydrideion，即一個質(zhì)子和一對電子）的載體；黃素蛋白和CoQ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(xì)胞色素是狹義的電子載體。2022/10/26張星元：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。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理292.4.2.2高能（磷酸）鍵載體

及能量偶聯(lián)

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理30根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)反應(yīng)體系的ΔG＞0時反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，若要進(jìn)行，必須提供足夠的、可以被反應(yīng)體系利用的能量。在細(xì)胞中，這種可以利用的能量只能來源于放能反應(yīng)所釋放的自由能，而且只有當(dāng)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(jìn)行。2022/10/26張星元：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)。

2022/10/26張星元：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(xì)胞可直接利用的能量叫做代謝能。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理33高能磷酸酯鍵普通磷酸酯鍵2022/10/26張星元：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(yùn)、使用和再生是生物最重要的生理過程。

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理352.4.3生物學(xué)體系中

的能量耦合

2022/10/26張星元：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(jī)制轉(zhuǎn)換成生物可以直接利用的能量——代謝能。

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理372.4.3.1直接化學(xué)耦合

2.4.3.2電耦合

2.4.3.3還原當(dāng)量耦合2022/10/26張星元：發(fā)酵原理382.4.3.1直接化學(xué)耦合

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理39直接化學(xué)耦合指的是代謝中間化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。2022/10/26張星元：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α-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。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理412.4.3.2電耦合2022/10/26張星元：發(fā)酵原理42

電耦合是指以質(zhì)子運(yùn)動勢Δp為媒介，借助電子傳遞鏈和ATP酶，將ATP的使用（ATP→ADP）與ATP的再生（ADP→ATP）耦合起來。詳見本章2.4.4。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理432.4.3.3還原當(dāng)量耦合

⑴還原當(dāng)量，⑵還原當(dāng)量耦合2022/10/26張星元：發(fā)酵原理44⑴還原當(dāng)量

討論還原當(dāng)量耦合問題，首先必須弄清什么叫還原當(dāng)量。

生物化學(xué)將相當(dāng)于一個電子或一個氫原子的還原力的量叫做一個還原當(dāng)量。本課程為了說明問題的方便，將相當(dāng)于一對電子或一個氫負(fù)離子（hydrideion）的還原力的量叫做一個還原當(dāng)量。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理45所謂氫負(fù)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。

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理46

因此，NAD+是氫負(fù)離子的載體，也就是一對電子和一個質(zhì)子的載體，當(dāng)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(dāng)量）的載體，其氧化型是空載的，其還原型攜帶了還原當(dāng)量的，所以也有人把還原型輔酶當(dāng)作還原當(dāng)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。2022/10/26張星元：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(biāo)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）。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理48

AMP

FMN

FADH

FADH

2

FAD

圖4-23

FAD+2H→

FADH2（這兩個質(zhì)子結(jié)合在輔基分子上）

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理49圖4-24

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）

[H﹕]ˉ

來自水相

NAD(P)+

NAD(P)H2022/10/26張星元：發(fā)酵原理50

⑵還原當(dāng)量耦合

還原當(dāng)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(xì)胞內(nèi)不同的氧化還原反應(yīng)相耦合。

2022/10/26張星元：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(xì)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)。2022/10/26張星元：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。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。2022/10/26張星元：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、α-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、α-磷酸甘油脫氫酶等。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理54FAD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。2022/10/26張星元：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(jī)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(dāng)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(dāng)量。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理562.4.4與呼吸、發(fā)酵對應(yīng)的

代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制2022/10/26張星元：發(fā)酵原理57為了說明問題方便，以微生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(jī)制。葡萄糖的降解可分成3個階段。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理58第一階段是指葡萄糖進(jìn)入細(xì)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(xì)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(xì)胞質(zhì)釋放還原當(dāng)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。2022/10/26張星元：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(dāng)量吸收劑的化合物（如乙醛）吸收第二階段釋放的還原當(dāng)量，生成相應(yīng)的還原產(chǎn)物（如乙醇）。這時微生物細(xì)胞進(jìn)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(jìn)行。2022/10/26張星元：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