第二章 發(fā)酵學第一假說1

第二章發(fā)酵學第一假說：

代謝能支撐假說

第一節(jié)微生物細胞過程的熱力學第二節(jié)微生物細胞內外的物質交換第三節(jié)化能異養(yǎng)型微生物的生物氧化第四節(jié)化能異養(yǎng)型微生物的能量形式轉換

第五節(jié)質子運動勢和活細胞的質子回路

第六節(jié)代謝能對微生物生長和維持的支撐2023/2/41張星元：發(fā)酵原理請帶著以下問題學習：

1.怎么給代謝能下定義？為什么代謝能支撐是細

胞生物的基本性質？

2.代謝能如何支撐微生物細胞的生命活動？

3.為什么化能異養(yǎng)型微生物細胞屬于開放體系？

4.怎樣認識生物氧化的氧化還原本質？在生物氧

化過程中，脫氫酶（或氧化酶）的輔酶有什么

不可替代的作用？

5.為什么說微生物細胞的質子回路是代謝能支撐

生命活動的一種重要表現形式？

6.發(fā)酵學的三個基本假說是針對典型的工業(yè)發(fā)酵

提出的，所謂典型的工業(yè)發(fā)酵是什么樣的發(fā)酵？

2023/2/42張星元：發(fā)酵原理發(fā)酵學第一假說·代謝能支撐假說

能直接推動生命活動（做細胞功）的能量形式叫做代謝能。微生物細胞依靠其自備的能量轉換機構，把化學能或光能持續(xù)地轉化成代謝能，并直接用來支撐其自身的生命活動。2023/2/43張星元：發(fā)酵原理以上假說試圖說明三個問題：

①什么叫代謝能？

②微生物細胞怎樣獲得代謝能？

③代謝能與微生物的生命活動有什么

關系？2023/2/44張星元：發(fā)酵原理生命活動是生物體高度有序的序列反應的總和，是耗能的、不可逆的過程。盡管不同的生物可以使用不同的能源；然而，實際上吸能的生物化學反應只能接受代謝能（metabolicenergy），即可供細胞新陳代謝直接利用的能量形式。因此所有的生物體內都存在把其他形式的能量轉化成代謝能的過程，以及代謝能支撐的問題。2023/2/45張星元：發(fā)酵原理

工業(yè)發(fā)酵過程主要是微生物細胞群體的生命活動過程。微生物細胞的生命活動當然也是耗能的，微生物細胞的大量的生物化學反應和細胞過程也只能接受代謝能。但是——2023/2/46張星元：發(fā)酵原理微生物細胞直接面向環(huán)境而獨立存在的處境，以及微生物細胞自主應對環(huán)境變化的生存方式，要求微生物細胞必須自己解決能量形式轉換等生死攸關的問題。2023/2/47張星元：發(fā)酵原理也就是說微生物細胞必須自備與能源相對應的能量形式轉換機構，并具備把能源提供的能量形式持續(xù)不斷地轉化成代謝能的能力，最終實現代謝能對微生物細胞生命活動的支撐。2023/2/48張星元：發(fā)酵原理

能量經典地定義為物體做功的能力。能量是物質運動的一種度量，對應于物質不同的運動形式，能量也有不同的形式。代謝能是對應于生命運動的能量形式，是生物體直接用來建設自身或維持生命活動的能量形式。

2023/2/49張星元：發(fā)酵原理

代謝能以高能磷酸鍵或電場的方式儲存在代謝能的載體中，腺苷酸和可以被能量化的生物膜是最常見的代謝能載體，ATP（能量貨幣）和Δp（質子運動勢，能庫）是代謝能最常見的供體。2023/2/410張星元：發(fā)酵原理代謝能支撐假說是發(fā)酵學最基本的假說，它規(guī)定了工業(yè)發(fā)酵的生物學屬性。本章將以代謝能支撐假說為中心，闡述微生物細胞內外的物質交換、化能異養(yǎng)型微生物生物氧化的氧化還原本質，進而認識：2023/2/411張星元：發(fā)酵原理

微生物細胞進行持續(xù)的能量代謝是微生物細胞的生命線，也是工業(yè)發(fā)酵成立的最起碼的條件。2023/2/412張星元：發(fā)酵原理第一節(jié)微生物細胞過程的熱力學

2.1.1生命系統(tǒng)是開放系統(tǒng)2.1.2經典熱力學與微生物代謝2.1.3吉布斯自由能和代謝能2023/2/413張星元：發(fā)酵原理細胞過程的熱力學研究細胞的單個反應和以代謝網絡為基礎的代謝的可行性。

2.1.1生命系統(tǒng)是開放系統(tǒng)

2023/2/414張星元：發(fā)酵原理

熱力學分為平衡態(tài)熱力學（或經典熱力學）和非平衡熱力學。經典熱力學只考慮平衡狀態(tài)，因此，對于細胞通過代謝途徑而實現轉化的特性的深入研究，幾乎沒有幫助。熱力學第二定律加上吉布斯相平衡原理，能夠確定某一反應或轉化過程是否可行等（是否可沿某一方向進行），但卻不能給出反應速率。它們主要應用于封閉系統(tǒng)中的可逆反應，在封閉系統(tǒng)中，這些反應最終幾乎總是達到平衡態(tài)。2023/2/415張星元：發(fā)酵原理

然而，生命系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，不會達到平衡。它們通過將高焓低熵的基質轉化成低焓高熵的代謝產物，不斷地獲得自由能（其中一部分轉化為代謝能，用來推動有序化進程）。吉布斯自由能：

G=H－TS

G，吉布斯自由能

H，物系的焓（描述恒壓熱效應）

T，絕對溫度

S，物系的熵（描述混亂程度）2023/2/416張星元：發(fā)酵原理2.1.2經典熱力學與微生物代謝2023/2/417張星元：發(fā)酵原理熱力學把宇宙中我們感興趣的部分定義為系統(tǒng)，諸如一個生物反應器或一個細胞，而把其他部分叫做它的環(huán)境。系統(tǒng)是開放的還是封閉的、隔離的，取決于其是否可與環(huán)境交換物質和能量。因為活細胞吸收營養(yǎng)物質、釋放代謝產物，并做功和放熱。因此它們是開放系統(tǒng)。2023/2/418張星元：發(fā)酵原理系統(tǒng)狀態(tài)由一組狀態(tài)函數來定義。這些狀態(tài)函數包括內能（U，系統(tǒng)固有的全部能量的度量，描寫恒容熱效應的狀態(tài)函數）、焓（H，描寫恒壓熱效應的狀態(tài)函數）、熵（S，系統(tǒng)混亂程度的度量）。這些狀態(tài)函數可用來表示和解釋這兩個熱力學定律，經典熱力學就是建立在這兩個定律的基礎上的。2023/2/419張星元：發(fā)酵原理這兩個定律是：

①熱力學第一定律：能量既不能創(chuàng)生也不能消滅。用數學方式表達為：ΔU=0，其含義是，在任何隔離系統(tǒng)中系統(tǒng)儲藏的能量不變。

②熱力學第二定律：自發(fā)過程向熵值（宇宙的總的混亂程度）增加的方向進行。用數學方式表達為：ΔS＞0，其含義是，在任何隔離系統(tǒng)中，不違背第一定律的過程得以進行的最起碼的條件是該系統(tǒng)的熵值增加。2023/2/420張星元：發(fā)酵原理

如果把我們研究的系統(tǒng)與它所處的環(huán)境加在一起，看作一個隔離系統(tǒng)，這個重新劃定的隔離系統(tǒng)服從經典熱力學。熱力學第一定律闡明了任何過程都是能量守恒的，也就是說系統(tǒng)產生的能量必須由它的環(huán)境吸收。第二定律闡明了過程的自發(fā)性取決于總的熵變，在這個重新劃定的隔離系統(tǒng)中，系統(tǒng)有序程度的增加，必須由它的環(huán)境混亂程度的更多的增加來彌補。

2023/2/421張星元：發(fā)酵原理

在研究細胞過程時，自發(fā)性確實是一個非常重要的問題。然而，要確定整個宇宙的熵變化是不可能的，所以把自發(fā)過程引起的宇宙的混亂程度作為評估自發(fā)性的標準，是難以操作的。2023/2/422張星元：發(fā)酵原理而且，過程的自發(fā)性不能單獨由所研究的系統(tǒng)的熵變來決定，因為即使在系統(tǒng)的熵減少（即ΔS系統(tǒng)＜0的情況下），放熱過程（即ΔH系統(tǒng)＜0，也就是熱量從系統(tǒng)放出）也可能自發(fā)進行。譬如，變性的蛋白質自發(fā)折疊成高度有序的天然構象（系統(tǒng)的熵減少，ΔS系統(tǒng)＜0），就是一例。當然在這種情況下，宇宙的總熵還是增加的，因為環(huán)境的熵的增加足以抵消系統(tǒng)的熵的減少。那么用什么量來判斷自發(fā)過程好呢？2023/2/423張星元：發(fā)酵原理2.1.3吉布斯自由能和代謝能2023/2/424張星元：發(fā)酵原理

由于熵在使用上的這些困難，自發(fā)性可由另一狀態(tài)函數吉布斯自由能來確定：

G=H-TS

這個狀態(tài)函數是由J.WillardGibbs于1878年提出的。系統(tǒng)自由能的減少等于系統(tǒng)在恒溫、恒壓可逆過程中所做的最大有用功（不包括位移功）。在不可逆過程中系統(tǒng)所做的功必然小于體系自由能的減少。2023/2/425張星元：發(fā)酵原理由于活細胞中的所有生物化學過程幾乎都是在恒溫、恒壓條件下進行的，在研究微生物的能量代謝時自然會對自由能的變化ΔG發(fā)生興趣。2023/2/426張星元：發(fā)酵原理在恒溫恒壓條件下，各類化學反應能否自發(fā)進行，取決于自由能的變化ΔG的值，但反應的ΔG與變化的途徑無關。

當ΔG＜0時，自發(fā)過程，被稱為是放能的（exoergic）過程，它們可以用來做功；

當ΔG＝0時，反應已達到平衡，即其正向過程和逆向過程正好處于平衡；

當ΔG＞0時，非自發(fā)過程，被稱為吸能的（endergonic）過程，必須注入自由能才能驅動此類過程。2023/2/427張星元：發(fā)酵原理在細胞中，能直接驅動吸能過程的自由能有兩類供體：在細胞內流通的能量貨幣（以ATP為代表）和能化了的生物膜（以Δp為代表）。它們一般在代謝過程中形成，在代謝過程中使用，特別是它們作為細胞的組成成分，在細胞的代謝中再生和周轉。我們把這兩類特殊能量形式叫做代謝能。2023/2/428張星元：發(fā)酵原理特別提請注意：

①雖然酶對于加速反應非常重要，但它們并不改變反應的ΔG，作為催化劑它們只能加快熱力學平衡的達到，卻不能使ΔG＞

0

的反應進行。

②反應或過程的吉布斯自由能隨溫度等變化，其值可以推算。2023/2/429張星元：發(fā)酵原理第二節(jié)微生物細胞內外的

物質交換2.2.1微生物細胞與其所處的環(huán)境的關系

2.2.2化學物質的跨膜過程2023/2/430張星元：發(fā)酵原理微生物細胞要活下去就必須進行能量代謝，能量代謝必須依賴于微生物細胞內外的交流，包括微生物細胞與環(huán)境之間和微生物細胞之間的物質、能量和信息的交流，也包括微生物細胞內被生物膜分隔的細胞空間之間的物質、能量和信息的交流。2023/2/431張星元：發(fā)酵原理本節(jié)主要討論物質交換問題。微生物細胞內外的物質交換對工業(yè)發(fā)酵至關重要。沒有這種交換微生物就不能生長和繁殖，就不能形成用于發(fā)酵生產的微生物細胞群體；沒有這種交換工業(yè)微生物細胞（工業(yè)發(fā)酵的細胞機器）就不能將目的產物送出細胞，我們就不能從發(fā)酵液獲得產品。2023/2/432張星元：發(fā)酵原理2.2.1微生物細胞與其

所處環(huán)境的關系

2023/2/433張星元：發(fā)酵原理2.2.1.1微生物的營養(yǎng)

2.2.1.2微生物的營養(yǎng)類型

2.2.1.3微生物的生理狀態(tài)

與環(huán)境的關系

2023/2/434張星元：發(fā)酵原理存在于環(huán)境中的微生物(包括工業(yè)發(fā)酵環(huán)境中的微生物)活細胞必須不斷地從環(huán)境攝取元素營養(yǎng)和能源營養(yǎng)。并將這些來自環(huán)境的營養(yǎng)有效地轉換為可被其自身直接利用的代謝能，在代謝能的直接支撐下進行持續(xù)的生命活動。2023/2/435張星元：發(fā)酵原理

可把微生物細胞這個開放系統(tǒng)與其所處環(huán)境加在一起，看作一個隔離系統(tǒng)，這個重新劃定的系統(tǒng)必須服從熵值增加原理。細胞的新陳代謝及生長造成細胞熵值下降和其環(huán)境熵值增加的總效果是：此隔離系統(tǒng)的總的熵值是增加的。2023/2/436張星元：發(fā)酵原理微生物細胞是個遠離平衡狀態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng)，其運轉過程是在代謝能支持下進行的高度有序的過程，運轉的結果是微生物細胞生命的持續(xù)和環(huán)境混亂程度的增加。2023/2/437張星元：發(fā)酵原理研究微生物的生命活動不能離開環(huán)境，也不能離開微生物的生理狀態(tài)。環(huán)境影響微生物細胞的生理狀態(tài)和生命活動，而微生物細胞生命活動又不斷改變環(huán)境。人可以通過改變環(huán)境條件來改變或調節(jié)微生物的生理狀態(tài)和生命活動，其改變或調節(jié)的有效性與人對環(huán)境影響微生物生命活動的規(guī)律的了解程度密切相關。2023/2/438張星元：發(fā)酵原理微生物生命活動影響和改變環(huán)境，人也可以主動地改變環(huán)境條件，在可能范圍內調節(jié)微生物的生理狀態(tài)和生命活動，以促進微生物生長或工業(yè)發(fā)酵目的產物的生產。2023/2/439張星元：發(fā)酵原理2.2.1.1微生物的營養(yǎng)2023/2/440張星元：發(fā)酵原理這里說的營養(yǎng)既可指營養(yǎng)物質（nutrients），也可指提供營養(yǎng)的過程（nutrition）。作為營養(yǎng)物質必須能直接地或者經過降解后可以跨膜進入微生物細胞，并至少能為正常生命活動提供以下三者之一：①能量；②細胞結構的原材料；③代謝調節(jié)物質。2023/2/441張星元：發(fā)酵原理可把營養(yǎng)物質大致分為元素營養(yǎng)和能源營養(yǎng)。元素營養(yǎng)中研究得最透徹的是碳源，能源營養(yǎng)可以是化學物質，也可以是非化學物質如光能。為模塊分子（buildingblock）生物合成提供碳骨架（carbonskeletons）的基質，通常被稱為碳源；而為生命活動提供吉布斯自由能（其中只有一部分能被微生物細胞轉化成代謝能）和還原力的基質稱為能源。關于微生物的營養(yǎng)，微生物學已有介紹，這里僅根據本課程教學需要，簡單地談談O、C、H、N、S、P，特別是含C和含P的營養(yǎng)物質。

2023/2/442張星元：發(fā)酵原理元素營養(yǎng)以O、C、H、N含量最多，這4種元素具有共同的化學性質是，可通過共享電子（共有電子對）而迅速形成共價鍵，由于共價鍵強度與成鍵原子的原子量成反比，它們形成的共價鍵都很穩(wěn)定。單純由C和H組成的生物分子呈非極性，與水親和力低，使生物體與水環(huán)境之間形成一定的界面，這是生命誕生和存在的必要條件。2023/2/443張星元：發(fā)酵原理O、N、S等的參與引起有機分子電荷分布不均勻，同時，因這些元素而形成的官能團發(fā)生酸式或堿式解離，或使分子出現極性，能與水分子形成氫鍵而表現親水性，使生物分子與水環(huán)境間增強相互作用。N參加主鏈結構可改善大分子的機械性能。O、S、P等可在有機分子間或分子內形成橋式連接，影響分子的形狀及性能。2023/2/444張星元：發(fā)酵原理

碳是有機物的必有元素，是生物分子的結構中心。碳原子可彼此反應并形成穩(wěn)定的“C-C”共價結合的化合物，可形成鏈式或環(huán)式的結構，其長度和大小幾乎是無限度的，成為各種有機分子的骨架。

2023/2/445張星元：發(fā)酵原理碳原子可與許多元素如H、O、N、S、P等形成穩(wěn)定的共價鍵。碳原子的四面體構型產生了大量的同分異構體。碳原子如此多樣而穩(wěn)定的結合方式，是導致生物分子種類繁多的原因之一。2023/2/446張星元：發(fā)酵原理微生物細胞及其代謝產物中包含了無數有機化合物，所有機化合物都有碳架。本課程現階段主要研究有機化合物的代謝。有的有機化合物既屬元素營養(yǎng)又屬能源營養(yǎng)，比如對化能異養(yǎng)型微生物來說，葡萄糖既可作為的碳元素營養(yǎng)，又作為化學能源營養(yǎng)。凡可構成微生物細胞及其代謝產物的碳架來源的營養(yǎng)物質，均稱為碳源。2023/2/447張星元：發(fā)酵原理微生物對碳源的需要極其廣泛，從簡單的無機碳化合物，如CO2、CO32-（自養(yǎng)型微生物的主要碳源），到復雜的天然有機含碳化合物，如糖、醇、有機酸、脂肪、烴類等（異養(yǎng)型微生物的主要碳源）都可被不同種類的微生物利用。對化能異養(yǎng)型微生物來說，碳源的生理功能可總括為兩點：一是構成細胞物質和各種代謝產物的碳架；二是提供細胞活動所需的能量。2023/2/448張星元：發(fā)酵原理

有機（碳）化合物經分解代謝，轉化生成代謝能（生物可以直接利用的能量形式）、還原力和一系列重要的中間代謝物。2023/2/449張星元：發(fā)酵原理代謝能對細胞生命活動的支撐與含磷化合物的關系密切。磷酸在細胞中并非呈游離態(tài)存在，而主要是通過酯鍵與各種有機化合物分子連接，一起成為細胞中的有機組分。2023/2/450張星元：發(fā)酵原理例如與脂類分子以磷酯鍵連接，形成各種磷脂化合物（參與膜的結構）；與糖類分子形成酯鍵，使其成為活化態(tài)的代謝物，如糖核苷酸、糖磷酸酯，它們能活躍地參與合成、分解代謝，還能活躍地參與輸送；與蛋白質（酶）的結合或解離，實現酶或載體蛋白的活性的共價調節(jié)。2023/2/451張星元：發(fā)酵原理磷酸的一個重要生物學作用是架橋，除上述磷脂類化合物外，最重要的是借磷酸的架橋作用將各種核苷酸連成長鏈，組成DNA和RNA。磷酸可自我架橋成為多聚體，如焦磷酸、三磷酸和多聚偏磷酸等。多磷酸化合物對細胞的生命活動非常重要，是細胞能量代謝中一個主要的調節(jié)物。2023/2/452張星元：發(fā)酵原理所有生物都依靠核苷三磷酸及二磷酸化合物，如ATP和ADP作為代謝能（生物可以直接利用的能量形式）周轉的分子形式，細胞直接利用這些多磷酸化合物所含的能量做各式各樣的細胞功（包括機械功、化學功和輸送功等）。

2023/2/453張星元：發(fā)酵原理幾乎所有微生物都可利用無機磷酸鹽。有機磷化合物經磷酸酶作用后也可作為磷源。幾乎所有生物體都有磷酸酶（按其作用最適pH值分為酸性磷酸酶和堿性磷酸酶），通常位于周質區(qū)域，處于這一位置使它們更易與外界含磷化合物發(fā)生反應。2023/2/454張星元：發(fā)酵原理2.2.1.2微生物的營養(yǎng)類型2.2.1.2微生物的營養(yǎng)類型2023/2/455張星元：發(fā)酵原理微生物在長期進化過程中，逐漸地形成了不同的代謝類型。在考慮微生物代謝類型時，既要考慮同化作用類型，又必須考慮異化作用的類型。微生物新陳代謝的類型是根據同化作用和異化作用方式的不同劃分的。2023/2/456張星元：發(fā)酵原理

按同化作用（生物合成）方式的不同，可以把微生物分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型；按異化作用（生物氧化）方式的不同，可把微生物分為需氧型和厭氧型。2023/2/457張星元：發(fā)酵原理

微生物的營養(yǎng)類型，是按微生物對其從環(huán)境中吸收的營養(yǎng)進行不同方式的代謝而劃分的代謝類型。根據微生物代謝中使用的能源和碳源可將微生物原則地劃為4個營養(yǎng)類型。

2023/2/458張星元：發(fā)酵原理微生物按能源分化學能源光能源化能營養(yǎng)型光能營養(yǎng)型化能有機異養(yǎng)型化能無機自養(yǎng)型光能無機自養(yǎng)型光能有機異養(yǎng)型按主要碳源分按主要碳源分有機物有機物CO2CO22023/2/459張星元：發(fā)酵原理

所謂自養(yǎng)與異養(yǎng)，是從生物細胞中的碳架物質的來源而定義的。

細胞的碳架物質由細胞自己從CO2還原而生成的微生物，被稱自養(yǎng)型微生物。CO2經代謝進入有機體的碳架的過程被稱為二氧化碳的固定。2023/2/460張星元：發(fā)酵原理細胞的碳架物質由其他有機體供給的微生物，被稱為異養(yǎng)型微生物。外源的（泛指其他有機體供給的、未經本細胞代謝的）或內源的（泛指已經本細胞代謝的）碳架物質，可被有機體氧化而產能，或經必要的代謝參與有機體細胞組成。2023/2/461張星元：發(fā)酵原理化能有機異養(yǎng)型微生物簡稱化能異養(yǎng)型微生物（chemoorganoheterotroph，COH），目前已被廣泛地用作工業(yè)發(fā)酵的生產菌種，其它營養(yǎng)類型的微生物也正在環(huán)保、食品、化工等領域得到開發(fā)和應用?！盎墚愷B(yǎng)型微生物作為目的產物的生產者”，這是本課程定義典型的工業(yè)發(fā)酵的第一個條件。2023/2/462張星元：發(fā)酵原理2.2.1.3微生物的生理狀態(tài)

與環(huán)境的關系

2023/2/463張星元：發(fā)酵原理在工業(yè)發(fā)酵中，微生物的生理狀態(tài)與環(huán)境的關系具體指的是工業(yè)發(fā)酵環(huán)境（微生物培養(yǎng)器內）中的微生物細胞的生理狀態(tài)與細胞所處的環(huán)境條件（培養(yǎng)基的化學成分、溫度、pH值等）之間的關系。2023/2/464張星元：發(fā)酵原理微生物細胞與高等生物細胞所處的環(huán)境條件不同，后者處于相當穩(wěn)定的組織環(huán)境條件下，而前者則完全暴露在環(huán)境的影響之中。因此微生物必須對環(huán)境條件在較寬范圍內的變化具有耐受和抵抗能力，能對這些變化做出積極的響應。2023/2/465張星元：發(fā)酵原理這里之所以要討論環(huán)境因素對微生物細胞的生理學影響的問題，目的在于強調微生物細胞與其所處的環(huán)境是一個不可分割的整體。把微生物作為研究工作的“載體”，來研究生物體系與它們所處的環(huán)境的關系的研究，將是十分有利的。2023/2/466張星元：發(fā)酵原理微生物的生理狀態(tài)與環(huán)境的關系或許可以從以下幾個方面得到反映：

①初級響應：微生物細胞對化學或物理化學條件變化的直接響應，包括酶的抑制和激活、蛋白質合成的誘導和阻遏、細胞形態(tài)的改變，迅速生長的群體中不同基因型（genotype）細胞的比例的變化等。2023/2/467張星元：發(fā)酵原理②溶解氧濃度與細胞的相互作用：

需氧微生物進行有氧呼吸時的最終電子受體是氧，氧接受電子而被還原成水。氧經由加氧酶（oxygenase）或二加氧酶（dioxygenase）催化，也可被固定在微生物代謝過程中產生的有機分子中。此外，氧還可作為生長或代謝的抑制劑（在一定程度上對細胞有毒性）、酶的調節(jié)劑等。2023/2/468張星元：發(fā)酵原理

對生長中的微生物，溶解氧的濃度會影響微生物的生長速率、改變細胞的組成、改變代謝產物（包括代謝產物的種類和數量等）。以上細胞對氧的響應反過來又會影響細胞所處環(huán)境中的溶解氧濃度。2023/2/469張星元：發(fā)酵原理

③對CO2的響應：CO2可自由進出細胞，影響新陳代謝?；茏责B(yǎng)型微生物以為CO2主要碳源?；墚愷B(yǎng)型微生物在以葡萄糖或其他糖作為唯一碳源的培養(yǎng)基中生長時，對CO2有需求，它們必須固定CO2，也就是讓CO2進入細胞有機物的碳架，從而回補TCA環(huán)的中間產物，維持TCA環(huán)的運行，以支持生長（后面將詳細討論）。2023/2/470張星元：發(fā)酵原理CO2分壓較高時，不但會影響培養(yǎng)基的pH值，導致生長所需礦物質的沉淀析出；更嚴重的是會導致質子的無效循環(huán)，使微生物生長速度下降。2023/2/471張星元：發(fā)酵原理這主要是因為細胞外pH值一般低于細胞內，分子態(tài)的CO2大量進入細胞，并在細胞內與水分子作用生成大量的H+和HCO3-，為維持細胞內中性的pH值和細胞內外的離子平衡，必須調用原本應該用于支持生長的代謝能將H+泵出細胞，代謝能的額外開支導致微生物生長速度的下降。2023/2/472張星元：發(fā)酵原理通氧（通風）過度會影響對細胞的CO2供應。以葡萄糖為主要碳源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物，剛接種細胞濃度很低，這時不宜大量通氧（通風），因為如果溶解氧太高會影響生長。2023/2/473張星元：發(fā)酵原理④對環(huán)境水活度的響應：當環(huán)境的水活度低于微生物細胞內水活度時，微生物細胞要承受“水應力”(waterstress)。真細菌和真核微生物對水應力的響應是一種生理性適應，即會在細胞內累積有機兼容溶質(compatiblesolutes)，如多元醇、多元醇衍生物、某些糖和少數幾種氨基酸、氨基酸衍生物等。2023/2/474張星元：發(fā)酵原理⑤環(huán)境的氫離子濃度與細胞的相互作用：雖然大多數微生物都能耐受外部環(huán)境pH值在一定的范圍內的變化，但事實上微生物（包括極端嗜酸菌和極端嗜堿菌）細胞內部pH值均接近于7。細胞內外pH值的差值是靠消耗代謝能來維持的。

2023/2/475張星元：發(fā)酵原理

培養(yǎng)基pH值與細胞的相互作用可從下面幾方面來認識：首先每種微生物細胞一般都有生長的最適pH值；其次微生物會對細胞外pH值變化做出細胞水平的響應，可能影響發(fā)酵產物的形成和細胞的膜輸送功能等；最后是細胞反作用于環(huán)境，引起培養(yǎng)液（發(fā)酵液）pH值的改變。這可以是因為產物的形成、營養(yǎng)物的吸收、氧化還原反應或培養(yǎng)液（pH）緩沖能力的改變。

2023/2/476張星元：發(fā)酵原理當然也可以通過配入pH緩沖劑、添加酸或堿，或用設計合適的培養(yǎng)基或培養(yǎng)工藝來平衡代謝中產生的氫離子等方法，來調節(jié)培養(yǎng)液（發(fā)酵液）的pH值。

2023/2/477張星元：發(fā)酵原理⑥環(huán)境溫度與細胞的相互作用：與pH值、水活度的情況不同，微生物與它所處環(huán)境的溫度是一致的，而且就任何化學反應而論，微生物的生命活動對環(huán)境溫度都是敏感的。細胞對溫度的響應包括：在生長溫度范圍內，不同溫度下有不同的生長速率；在不同溫度下，膜、DNA、RNA、蛋白質等細胞成分會有相應變化。2023/2/478張星元：發(fā)酵原理當溫度發(fā)生變動時，細胞內部會發(fā)生全局性（細胞水平）的調整，從而在基質利用、產物形成、熱量放出等方面對環(huán)境溫度變動做出響應。當微生物代謝旺盛、迅速生長時，其他形式的能量大量地轉化成代謝能，同時放出大量熱能，使環(huán)境溫度迅速上升。2023/2/479張星元：發(fā)酵原理此外，培養(yǎng)物中解偶聯(lián)劑的加入，將破壞膜對氫離子的絕緣性，使氧化與磷酸化脫鉤，氧化作用（電子傳遞）釋放出來的能量全部以熱量的形式釋放；在大量供氧的情況下，培養(yǎng)物的溫度急劇上升。

2023/2/480張星元：發(fā)酵原理2.2.2化學物質的跨膜過程

2023/2/481張星元：發(fā)酵原理

2.2.2.1化學物質跨過細胞質膜的機制2.2.2.2真核微生物細胞內化學物質的跨膜傳遞

2.2.2.3代謝中間產物排出細胞的機制2.2.2.4跨膜過程中代謝能的消耗2023/2/482張星元：發(fā)酵原理所有的活細胞都要與環(huán)境進行物質交換。在工業(yè)發(fā)酵中微生物細胞要將進入細胞的營養(yǎng)物質經代謝轉化為目的產物，一般還要將代謝產物排放出細胞。諸如：以代謝產物（包括能量代謝副產物、初級代謝產物和次生代謝產物）為目的產物的生產；以細胞大分子（包括酶制劑、微生物多糖）為目的產物的生產；以細胞為目的產物（包括單細胞蛋白和胞內酶等細胞提取物）的生產。

2023/2/483張星元：發(fā)酵原理工業(yè)發(fā)酵生產大多均兼有營養(yǎng)物質進入和發(fā)酵目的產物排放出細胞的過程。即使在以細胞為目的產物的情況下，也有營養(yǎng)物質進入和代謝中間產物（代謝“廢物”）排放出細胞。

“目的產物在細胞內生成，然后排放出細胞”，這是本課程定義典型的工業(yè)發(fā)酵的第二個條件。2023/2/484張星元：發(fā)酵原理雖然細胞壁對物質進入細胞有一定妨礙，例如G+細菌細胞壁不允許相對分子質量為10000Da的葡聚糖通過，真菌細胞壁也只允許分子質量相對較小的物質通過，然而水相中的可溶性化合物進出細胞的主要屏障(barrier)是細胞膜。位于生物膜上的輸送系統(tǒng)可識別底物，只允許被認可的化合物物進入，并可控制其通過的量，同時不斷排出無用或多余的化學物質，以控制和維持細胞(或細胞器)的內部環(huán)境。2023/2/485張星元：發(fā)酵原理這一小節(jié)主要研究營養(yǎng)物質跨過膜進入細胞和工業(yè)發(fā)酵目的產物跨過膜排放出細胞的問題。細菌、放線菌、酵母菌、霉菌沒有專門的攝食和排泄“器官”，各種化學物質進出細胞主要依賴于細胞質膜的功能，這就必然涉及到兩個難題：

①存在于水相中的化學物質如何跨過疏水的膜；

②這些化學物質如何克服濃度梯度從低濃度處向高濃度處輸送。2023/2/486張星元：發(fā)酵原理2.2.2.1化學物質跨過細胞

質膜的機制2023/2/487張星元：發(fā)酵原理從電子傳遞磷酸化的抑制劑（包括作用于膜的解偶聯(lián)劑、作用于電子傳遞鏈成員的呼吸抑制劑、作用于ATP酶的磷酸化酶抑制劑等3類抑制劑）對輸送的抑制作用，從輸送過程中出現的飽和效應、競爭效應，以及從微生物的輸送性能缺失突變的發(fā)生，推測并得到證實，前述兩個難題是依靠代謝能及載體蛋白而得以解決的，從而揭示了細胞質膜不同于一般半透膜的生物學本質。

2023/2/488張星元：發(fā)酵原理弄清化學物質跨過膜的物質基礎是：①流動性的、可穿透的膜；②有選擇性的、可識別跨膜物質并攜帶它們過膜的載體（包括催化共價反應的酶）；③直接用于輸送的代謝能。

2023/2/489張星元：發(fā)酵原理從而確定對化學物質跨過膜的機制進行分類的依據：

①根據營養(yǎng)物質進入細胞是否要依靠輸送系統(tǒng)而分為擴散（不需要輸送系統(tǒng)）和輸送（依靠輸送系統(tǒng)）。這里所謂的“輸送系統(tǒng)”是一種泛稱，在不同的輸送系統(tǒng)中，參與輸送的載體蛋白、酶的種類和組合不一定相同，輸送機制也不一定相同；2023/2/490張星元：發(fā)酵原理②根據營養(yǎng)物質進入細胞是否需要代謝能，把輸送再分為主動輸送（需要代謝能）和被動輸送（不需要代謝能）；

③根據主動輸送過程中是否需要酶（形成共價鍵）把主動輸送分成簡單主動輸送和基團轉移。2023/2/491張星元：發(fā)酵原理

跨膜機制分成以下兩類四種：

第一類：細胞不提供幫助

⑴簡單擴散

第二類：細胞提供幫助

⑵促進擴散：提供載體蛋白

⑶簡單主動輸送：提供載體蛋白

和代謝能

⑷基團轉移：提供載體蛋白、代

謝能和酶（蛋白質因子）2023/2/492張星元：發(fā)酵原理⑴簡單擴散(simplediffusion)：

不需要細胞提供幫助的跨膜過程只能稱作為擴散；需要細胞提供幫助的跨膜過程才堪稱細胞發(fā)動的輸送。簡單擴散是順濃度梯度方向的擴散，不消耗代謝能，也不需專一的載體或酶，僅僅是非專一性的膜透過現象，因此僅僅是擴散。有些親脂性化合物接觸膜的一側時即溶于脂質的膜，并經擴散至膜的另一側釋放，有些小分子或離子通過膜上存在的非專一性通道，從高濃度側向低濃度側擴散，都屬簡單擴散。2023/2/493張星元：發(fā)酵原理化合物以自由擴散的方式跨過脂質膜包括3個步驟：

①化合物從胞外介質到膜相的傳遞；

②化合物擴散通過脂雙層；

③化合物從膜相到細胞質的傳遞。2023/2/494張星元：發(fā)酵原理物質擴散的難易程度，除了與組成膜的分子本身的極性有關外，與跨膜物質的性質（如相對分子質量、極性、脂溶性等）有關。一些非極性小分子如氧、氮、苯等可以以簡單擴散的方式穿過膜脂雙分子層中無蛋白質區(qū)進出細胞。一些雖不帶電荷但顯極性的小分子如水、尿素、NH3、甘油、二氧化碳和脂肪酸和某些醇（乙醇等），由于分子很小，也可簡單擴散，穿過類脂極性頭部區(qū)而透過膜。

2023/2/495張星元：發(fā)酵原理

在解離狀態(tài)時，有機酸在脂質膜中實際上是不溶的；但許多有機酸的未解離形式卻是可溶解的，如未解離的乳酸和乙酸，它們穿越質膜擴散得很迅速，主要是因為未解離形式可以自由擴散。乳酸和乙酸這樣的化合物的整個輸送過程，對其自身的解離程度都非常敏感，因而對細胞質和胞外介質兩者的pH值也很敏感。2023/2/496張星元：發(fā)酵原理對于許多微生物來說，細胞質膜有一個跨膜的pH梯度（細胞內的pH值高），這可能導致質子向細胞的凈流入。為了維持胞內較低的質子濃度，必須消耗ATP，由ATP酶（已在真核微生物細胞膜發(fā)現質膜ATP酶）將這些質子泵出細胞外。同樣道理，培養(yǎng)基中有機酸的存在可能會導致ATP的凈消耗。2023/2/497張星元：發(fā)酵原理

在研究苯甲酸對釀酒酵母呼吸的影響時發(fā)現，菌體量對葡萄糖的得率隨苯甲酸濃度的增加而下降，同時葡萄糖和氧氣的比吸收速率增加。因此對菌體合成來說，在加入苯甲酸的情況下，葡萄糖并沒有得到有效的利用。2023/2/498張星元：發(fā)酵原理這種現象被解釋為：苯甲酸的質子解耦聯(lián)效應導致ATP的額外消耗。對厭氧條件下苯甲酸對釀酒酵母菌體合成的ATP消耗的影響進行了研究，發(fā)現菌體合成時消耗的ATP的量隨著苯甲酸濃度的增加而呈線性增加。這是苯甲酸的質子解耦聯(lián)效應的又一實驗根據。2023/2/499張星元：發(fā)酵原理⑵促進擴散（facilitateddiffusion）：

需要細胞提供輸送系統(tǒng)，不消耗代謝能。許多化合物以極低的速率通過自由擴散而跨膜，因為它們在質膜中的溶解度很低。這類化合物借助于細胞質膜中的載體蛋白，其跨膜過程可顯著增強。這種跨膜過程不需要消耗代謝能，但要求細胞提供載體蛋白來促進跨膜過程，因此被稱為促進擴散。2023/2/4100張星元：發(fā)酵原理促進擴散普遍存在于真核生物，在原核生物中僅有的幾例。如甘油在大腸桿菌中的運輸，以及葡萄糖在運動發(fā)酵單胞菌（Zymomonasmobilis

）中的輸送。與自由擴散一樣，促進擴散只能順著濃度梯度而下的方向進行。有游離的載體蛋白可供使用時，某些化合物才能進入膜相，并且促進擴散的速率服從飽和型動力學，就如酶催化反應服從米氏動力學一樣。

2023/2/4101張星元：發(fā)酵原理在真菌中，許多糖類物質通過促進擴散跨膜。據報道，在釀酒酵母中，葡萄糖通過促進擴散跨膜輸送，而且存在著一個受葡萄糖阻遏的高親和體系和一個組成型的低親和體系。對于絲狀真菌，也已經報道了用于糖的促進擴散的不同的載體蛋白。2023/2/4102張星元：發(fā)酵原理

載體主要是一些跨膜蛋白，又稱透性酶。它們各自具有專一的結合部位，現已從不同類型的細菌中提取出這類蛋白質。一種細菌通常有不同的載體蛋白分別來完成氨基酸、糖、維生素和無機鹽等物質的輸送，同一化合物也可能有一種以上的載體來完成輸送。2023/2/4103張星元：發(fā)酵原理例如，啤酒酵母有3種對葡萄糖具有不同親合力的葡萄糖輸送載體；鼠傷寒沙門氏菌有4種不同的載體負責組氨酸的輸送。相反，也有一種載體負責幾種物質輸送的，如大腸桿菌用同一種載體蛋白輸送亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸。2023/2/4104張星元：發(fā)酵原理以往對離子載體的研究提供了關于離子通過膜的載體傳遞的分子基礎。現已知，天然離子載體都是抗生素，它們可以誘導離子通過模型膜，可以提高生物膜對離子的輸送能力。按作用方式不同，可把它們分成活動載體與通道載體兩類，前者與被輸送離子形成絡合物（類似于渡船），使其易于擴散通過脂雙分子層，后者在膜上誘導形成暫時性孔道（類似于架橋），使離子得以通過。2023/2/4105張星元：發(fā)酵原理活動載體有環(huán)狀和鏈狀的，它們都能與金屬離子配位，然后把后者包在一個空腔中，形成外部親脂的絡合物。例如纈氨霉素（Valinomycin）就是由“-[D-纈氨酸-L-乳酐-L-纈氨酸-D-α-羥基異戊酰]3-”構成的環(huán)狀12酯肽，酯鍵與酰胺鍵交替出現，環(huán)內部由構成酯鍵的羰基氧原子提供具有靜電束縛陽離子位置的極性環(huán)境，呈親水性，而側鏈烷基向外，構成疏水的外環(huán)。它能將堿金屬、堿土金屬等配位，并將其輸送過膜。載體可在輸送過程中反復使用。

2023/2/4106張星元：發(fā)酵原理通道載體與活動載體不同，它不能穿膜移動，而是相對地固定在膜上，形成貫穿膜兩側的離子通道。目前已知能形成通道的載體有兩類，一類是兩性霉素（Amphotericin）型大環(huán)多羥基多烯內酯化合物，它們可通過與膜磷脂分子中的固醇的結合而形成穿膜的孔，孔可被水充填。2023/2/4107張星元：發(fā)酵原理

另一類是低分子量的肽，如短桿菌肽A（GramicidinA），是由15個氨基酸組成的多肽。短桿菌肽形成穩(wěn)定的螺旋狀二聚體，其疏水氨基酸殘基朝外側，親水的羰基分布在內側，螺旋內孔構成離子通道，離子可在其中移動而跨過膜。2023/2/4108張星元：發(fā)酵原理借助于活動載體的促進擴散，是把被輸送離子變成外部親脂的載體復合物，膜的性質沒有改變，靠載體復合物在膜內運動實現輸送。通道輸送則相反，是建立了膜上的親水性通道，離子沒有發(fā)生變化，以原有形式通過。由于活動載體復合物體積遠比離子要大，所以它所促進的離子跨膜輸送比通道輸送要慢。所有促進擴散都是通過降低位壘而實現加速輸送的。在主動輸送中也確有載體和通道促進離子的輸送，但同時需要提供代謝能。2023/2/4109張星元：發(fā)酵原理⑶簡單主動輸送(simpleactivetransport)：

需細胞提供載體和代謝能的跨膜過程，因此屬于“輸送”。營養(yǎng)物質或代謝物經這種類型的輸送，其跨膜前后的化學狀態(tài)并不發(fā)生變化，從濃度較低的一側送入其濃較高的另一側，這種逆濃度梯度的輸送，除了要借助于載體蛋白，還要消耗細胞的代謝能Δp。因此有化學滲透驅動的輸送之說。2023/2/4110張星元：發(fā)酵原理簡單主動輸送可用其工作模型來描繪。工作模型由初級系統(tǒng)與次級系統(tǒng)組成。

對于化能營養(yǎng)型微生物，初級系統(tǒng)是指把化學能轉變成電滲透能的機構。Mitchell的化學滲透假設是這種初級系統(tǒng)的最好解釋。2023/2/4111張星元：發(fā)酵原理電子傳遞鏈的成員按其對應的氧化還原對的還原電位的高低順序（從低到高）排列在膜上，氧化或脫氫反應所形成的還原型輔酶NADH和輔基FADH2在電子傳遞鏈的適當部位向電子傳遞鏈釋放電子，電子沿電子傳遞鏈傳到最終電子受體（如分子氧），在此過程中將質子泵出細胞質膜，在膜兩邊形成質子運動勢(protonmotiveforce)，它能用來驅動營養(yǎng)物質的吸收或ATP的合成。

2023/2/4112張星元：發(fā)酵原理質子運動勢（也可記作ΔP）由兩個量組成：濃度因子ΔpH，即膜兩邊的pH值（即氫離子濃度的負對數值）之差，和電荷量因子ΔΨ，即膜電位差。下列方程對質子運動勢做出了熱動力學的描述：

Δp=ΔΨ-ZΔpH

式中Δp和ΔΨ均以mV為單位，在25℃條件下，Z為常數（Z=

59），用以把

pH值轉換成mV值。2023/2/4113張星元：發(fā)酵原理

次級系統(tǒng)實際上是在初級系統(tǒng)產生的質子運動勢(Δp)的驅動下，直接進行營養(yǎng)物質輸送的機構（輸送系統(tǒng)）。2023/2/4114張星元：發(fā)酵原理已區(qū)分出3種次級系統(tǒng)：

①化學物質分子或離子與初級系統(tǒng)的離子（指H+）

被同一個載體以同樣的方向同時被輸送叫做同向輸送（symport），能起這樣的作用的載體叫做同向載體（symporter）；2023/2/4115張星元：發(fā)酵原理

②化學物質分子或離子與初級系統(tǒng)的離子（指H+或其他陽離子）被同一個載體以相反方向同時被輸送叫做反向輸送(antiport)，能起這樣作用的載體叫反向載體（antiporter）；

③化學物質離子或分子借助載體，在消耗或不消耗

Δp的情況下單獨進入細胞叫做單向輸送(uniport)，能起這樣的作用的載體叫單向載體（uniporter）。2023/2/4116張星元：發(fā)酵原理金黃色葡萄球菌對Lys、Ile和Glu等氨基酸的主動輸送內外內內外外Lys+Lys＋H+H+H+H+IleIleGlu－-Glu－pI=9.24單一輸送受膜電位Δψ驅動pI=6.02同向輸送受能庫Δp驅動pI=3.22同向輸送受膜兩側的－ZΔpH的驅動＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－Δp=Δψ－ZΔpH2023/2/4117張星元：發(fā)酵原理以金黃色葡萄球菌的靜止細胞為實驗對象進行了研究。如圖所示，在實驗條件（pH7）下，Lys帶正電（Lys的等電點是pH9.74），Lys+按單向輸送機制被送入細胞，這種吸收是靠Δp中的電荷因子ΔΨ（即膜電位）部分來驅動的。Lys+和載體所形成的復合物帶正電，它在膜電位所構成的靜電場中由外向里運動（外面帶正電施推力，里面帶負電施拉力），同時消耗膜電位。

2023/2/4118張星元：發(fā)酵原理在實驗條件（pH7）下，Ile不帶電（Ile的等電點為pH6.02），Ile分子按同向輸送機制與H+一起被送入細胞，Ile、H+和載體形成的復合物帶正電，輸送同時受Δp的兩個部分的推動，即受ΔΨ（膜兩側之電位差）和膜內外pH值之差（即H+濃度差）的推動。Ile就像是搭了為H+開的船而過膜的。2023/2/4119張星元：發(fā)酵原理在實驗條件（pH7）下，Glu帶負電（Glu的等電點為pH3.22），Glu-離子按同向輸送機制與H+離子一起被送入細胞。Glu-、H+和載體形成的復合物是電中性的，因此ΔΨ對此復合物不能施加影響，輸送僅僅依賴于ΔpH，即依賴于細胞內外的H+濃度之差。2023/2/4120張星元：發(fā)酵原理與質子共同輸送相耦合的簡單主動輸送機制已為許多實驗所證實。初級系統(tǒng)的質子梯度也可以借助載體而轉換成其他離子的梯度，如可以借助能進行Na+/H+反向輸送的載體將質子梯度轉換成Na+梯度，后者可用于另一種簡單主動輸送。因此簡單主動輸送又可以進一步分為：①與質子共同輸送相耦合的簡單主動輸送，②與其他離子（無機離子）共同輸送相耦合的簡單主動輸送。2023/2/4121張星元：發(fā)酵原理

與其他離子共同輸送相偶合的簡單主動輸送機制在微生物中也已有發(fā)現。用于輸送的其他離子的梯度（iongradient）是由質子梯度（protongradient）經前述反向傳送機制轉換過來的。如果將質子梯度視為“初級”或“一級”梯度，那么其他離子的梯度就稱“次級”或“二級”梯度，這種類型的簡單主動輸送在這個意義上又可稱為次級輸送或二級輸送。在大腸桿菌中，Glu的輸送需要Na+和K+?？莶菅挎邨U菌的檸檬酸的輸送則需要Mg2+。2023/2/4122張星元：發(fā)酵原理主動輸送與促進擴散相比較，相類似的是，主動輸送也是借助于膜內專用的載體蛋白（透性酶）；不同的是，主動輸送可以逆著濃度梯度的方向進行，是一個消耗代謝能的過程。2023/2/4123張星元：發(fā)酵原理

被動輸送與主動輸送的根本區(qū)別在于輸送過程自由能變化ΔG。只有當ΔG＜０時，才能自發(fā)地進行被動輸送。當ΔG＞０時，需要注入代謝能以推動輸送，即進行主動輸送。微生物細胞的主動輸送是逆著被輸送化合物的濃度梯度進行的，這樣，細胞能吸收并濃縮以極稀的濃度存在于環(huán)境中的某些養(yǎng)分。這個過程與微生物細胞的能量代謝緊密相關。2023/2/4124張星元：發(fā)酵原理初級主動輸送系統(tǒng)中的一個重要的成員是ATP酶，它們涉及到需要消耗ATP的質子被泵出過程。某些ATP酶可在兩個方向上起作用，當有質子流入時就會生成ATP，這些ATP酶是原核生物的氧化磷酸化的重要組成部分。2023/2/4125張星元：發(fā)酵原理其他初級主動輸送系統(tǒng)還有借助于“交通-ATP酶”的輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括專用的結合蛋白，它們與被傳送的化合物結合并將其傳遞到相應的結合在膜上的復合物。這種傳遞觸發(fā)ATP水解，進而使小孔打開，允許被傳送的化合物單向擴散入細胞質。在大腸桿菌中，通過這些所謂“交通-ATP酶”所輸送的物質有組氨酸、麥芽糖、阿拉伯糖和半乳糖。2023/2/4126張星元：發(fā)酵原理⑷

基團轉移(grouptranslocation)：

需提供載體、代謝能和酶，屬于“輸送”機制。

在基團轉移中，輸送過程都伴隨著被輸送物質進一步的共價轉變，所輸送的化合物被轉化成為一個衍生物（被磷酸化的衍生物），這個衍生物是不能反向跨膜的。2023/2/4127張星元：發(fā)酵原理基團轉移系統(tǒng)典型的實例是磷酸轉移酶系統(tǒng)（PTS）。借助于這個系統(tǒng)，某些糖以糖的磷酸酯的形式被送進細菌細胞。PTS主要存在于兼性和專性厭氧細菌中。對厭氧菌來說PTS尤為重要，因為用它可以節(jié)省ATP。

2023/2/4128張星元：發(fā)酵原理2023/2/4129張星元：發(fā)酵原理PTS相當復雜，至少涉及4種不同蛋白，這些蛋白質作為高能磷酸基團的磷酸載體，先后參與把磷酸烯醇丙酮酸（PEP）上的磷酸基團轉移給正在被引入的糖的過程。這些蛋白中有兩種是可溶的細胞質蛋白，大腸桿菌中它們是分別由ptsI和ptsH所編碼的酶Ⅰ（EⅠ）和組氨酸蛋白（HPr）。這兩種蛋白對所有的PTS糖類來說是通用的（沒有特異性），因此被稱為通用的PTS蛋白。2023/2/4130張星元：發(fā)酵原理而對糖是具有特異性的酶Ⅱ（EⅡ

），它們都由3個功能區(qū)（A、B和C）組成。這3個功能區(qū)可以結合成1個單一的與膜結合的蛋白（如圖示甘露糖醇的PTS），也可以分成2個或更多個蛋白，分別叫做EⅡA、EⅡB、EⅡC。在PTS系統(tǒng)中PEP的磷酸基團通過EⅠ、HPr、EⅡA和EⅡB的磷酸化中間物傳遞給正在被引入的糖。EⅡ的C功能區(qū)（也就是EⅡC蛋白）形成轉移的通道，并且至少其一部分成為特定的糖結合位點。

2023/2/4131張星元：發(fā)酵原理同樣已證明嘌呤堿基也是依靠基團轉位輸送的，由磷酸核糖轉移酶系統(tǒng)(PTS)催化，在細胞內出現相應的嘌呤核苷單磷酸酯。

Ade+PRPP→AMP+PPi2023/2/4132張星元：發(fā)酵原理2.2.2.2真核微生物細胞內化學

物質的跨膜輸送

2023/2/4133張星元：發(fā)酵原理真核微生物內有多種被生物膜包圍的細胞器，因此器細胞內部也會發(fā)生跨膜輸送。

因為EMP和HMP途徑發(fā)生在細胞質，而丙酮酸的氧化（TCA環(huán)）發(fā)生在線粒體基質，所以代謝中間產物在細胞質和線粒體基質之間的傳遞對微生物的代謝來說是非常重要的。2023/2/4134張星元：發(fā)酵原理不帶電的分子，包括極性和非極性的小分子常常容易透過線粒體內膜，如水、氧、二氧化碳、氨、甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等分子都不必借助載體系統(tǒng)就能自由地透過線粒體內膜；而帶電的分子和離子則需要借助載體才能跨過線粒體內膜，并且已檢出磷酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽、ADP、ATP、丙酮酸（PYR）、TCA環(huán)的有機酸、Glu、Asp、Orn（鳥氨酸）、Cit（瓜氨酸）、?；鈮A(acy1carnitines)和PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）等化合物的輸送系統(tǒng)。2023/2/4135張星元：發(fā)酵原理NAD(P)+、NAD(P)H、CoA和酰基CoA不能跨過線粒體內膜。有些離子和代謝產物不易（有的需借助于載體）跨過線粒體內膜，包括AMP、GMP、GDP、GTP、C1－、NO3－、Br－和NH4+等。2023/2/4136張星元：發(fā)酵原理

與電子傳遞相偶聯(lián)的磷酸化作用要求將ADP和Pi（一般是H2PO4－

）送入線粒體，在線粒體內膜基質一側形成ATP。在線粒體形成的ATP的一部分又要被送出線粒體參與細胞質中的生物合成反應。2023/2/4137張星元：發(fā)酵原理已經得知磷酸根（H2PO4-）輸送的兩種機制，即“OH-/H2PO4-”交換和“H2PO4-/DCA2-”交換的機制。前者代表電中性的反向輸送(antiport)，即用于H2PO4-和OH-交換的載體系統(tǒng)；后者代表H2PO4-與二羧酸進行交換的載體系統(tǒng)，這個載體系統(tǒng)用于H2PO4-與二羧酸，如SCA（琥珀酸）或MLA（蘋果酸）的交換，然后，二羧酸又與三羧酸交換，從而使MLA與檸檬酸（CTA）的跨膜輸送發(fā)生關聯(lián)。2023/2/4138張星元：發(fā)酵原理膜外側膜膜內側膜外側膜膜內側

二羧酸2-二羧酸2-三羧酸·H3-+ATP4-ADP3-Asp2-Glu·H2-+OH-PYR2OH-2H2PO4-

2H2PO4-2023/2/4139張星元：發(fā)酵原理

線粒體內膜對于AcCoA（乙酰輔酶A）是不透的，但可以通過下述途徑將AcCoA“送出”線粒體：在線粒體基質中，AcCoA與OAA（草酰乙酸）在檸檬酸合成酶的催化下合成CTA，后者借助載體系統(tǒng)透過線粒體內膜進入細胞質，然后被細胞質中的檸檬酸裂解酶（以細胞質中的CoA為輔酶）裂解成OAA和AcCoA，從而完成AcCoA的“送出”過程，實際上是乙?；乃统鲞^程。2023/2/4140張星元：發(fā)酵原理AcCoAAcCoACTACTA(CS)(CL)CoAOAAOAA內外CoA線粒體內膜乙?；鶑木€粒體送出的過程2023/2/4141張星元：發(fā)酵原理

真核微生物在線粒體基質中形成乙酰基，在細胞質中合成脂肪酸、磷脂等參與膜的組成。這種將乙?；乃统龅臋C制在某些微生物（如油脂酵母）中是很重要的，這些微生物能大量合成脂肪，因此需要將乙酰基團從線?；|轉移到細胞質中。2023/2/4142張星元：發(fā)酵原理嘌呤核苷酸的傳送依賴于對ADP和ATP有特異性的載體蛋白（見前圖），借助這種載體蛋白，ADP和ATP作1∶1的跨膜交換。當這兩個核苷酸帶不同的電荷量(ADP3-，ATP4-)時，它們能借助載體蛋白在膜電位的推動下進行致電反向輸送(electrogenicantiport)。這種反向輸送與非能化（deenergized）狀態(tài)下的輸送相比，有較大的交換速率。2023/2/4143張星元：發(fā)酵原理影響腺嘌呤核苷酸傳送的因素：

①細胞質中的生物合成反應對腺嘌呤核苷酸的需要，要求〔ATP〕/〔ADP〕比率高；

②線粒體基質中的氧化磷酸化的需要，要求〔ATP〕/〔ADP〕比率低。2023/2/4144張星元：發(fā)酵原理煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）不能穿過線粒體內膜。線粒體內生成的NADH固然可以在線粒體內膜內側再生，那么在有氧狀態(tài)下，細胞質中的酵解所產生的NADH怎么再生（怎樣把電子交給電子傳遞鏈）呢？2023/2/4145張星元：發(fā)酵原理來自細胞質