發(fā)酵原理課件

2023/12/251發(fā)酵學(xué)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(xué)第二節(jié)微生物細胞內(nèi)外的物質(zhì)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(zhuǎn)換

第五節(jié)質(zhì)子運動勢和活細胞的質(zhì)子回路

第六節(jié)代謝能對微生物生長和維持的支撐2023/12/252請帶著以下問題學(xué)習(xí)：

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(zhì)？

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(zhì)？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(zhì)子回路是代謝能支撐

生命活動的一種重要表現(xiàn)形式？

6.發(fā)酵學(xué)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？

2023/12/253發(fā)酵學(xué)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(zhuǎn)換機構(gòu)，把化學(xué)能或光能持續(xù)地轉(zhuǎn)化成代謝能，并直接用來支撐其自身的生命活動。2023/12/254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(guān)系？2023/12/255生命活動是生物體高度有序的序列反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(nèi)都存在把其他形式的能量轉(zhuǎn)化成代謝能的過程，以及代謝能支撐的問題。2023/12/256

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(dāng)然也是耗能的，微生物細胞的大量的生物化學(xué)反應(yīng)和細胞過程也只能接受代謝能。但是——2023/12/257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(yīng)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(zhuǎn)換等生死攸關(guān)的問題。2023/12/258也就是說微生物細胞必須自備與能源相對應(yīng)的能量形式轉(zhuǎn)換機構(gòu)，并具備把能源提供的能量形式持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成代謝能的能力，最終實現(xiàn)代謝能對微生物細胞生命活動的支撐。2023/12/259

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

2023/12/2510

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(zhì)子運動勢，能庫）是代謝能最常見的供體。2023/12/2511代謝能支撐假說是發(fā)酵學(xué)最基本的假說，它規(guī)定了工業(yè)發(fā)酵的生物學(xué)屬性。本章將以代謝能支撐假說為中心，闡述微生物細胞內(nèi)外的物質(zhì)交換、化能異養(yǎng)型微生物生物氧化的氧化還原本質(zhì)，進而認識：2023/12/2512

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。2023/12/2513第一節(jié)微生物細胞過程的熱力學(xué)

2.1.1生命系統(tǒng)是開放系統(tǒng)2.1.2經(jīng)典熱力學(xué)與微生物代謝2.1.3吉布斯自由能和代謝能2023/12/2514細胞過程的熱力學(xué)研究細胞的單個反應(yīng)和以代謝網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的代謝的可行性。

2.1.1生命系統(tǒng)是開放系統(tǒng)

2023/12/2515

熱力學(xué)分為平衡態(tài)熱力學(xué)（或經(jīng)典熱力學(xué)）和非平衡熱力學(xué)。經(jīng)典熱力學(xué)只考慮平衡狀態(tài)，因此，對于細胞通過代謝途徑而實現(xiàn)轉(zhuǎn)化的特性的深入研究，幾乎沒有幫助。熱力學(xué)第二定律加上吉布斯相平衡原理，能夠確定某一反應(yīng)或轉(zhuǎn)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(yīng)速率。它們主要應(yīng)用于封閉系統(tǒng)中的可逆反應(yīng)，在封閉系統(tǒng)中，這些反應(yīng)最終幾乎總是達到平衡態(tài)。2023/12/2516

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(zhì)轉(zhuǎn)化成低焓高熵的代謝產(chǎn)物，不斷地獲得自由能（其中一部分轉(zhuǎn)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(yīng)）

T，絕對溫度

S，物系的熵（描述混亂程度）2023/12/25172.1.2經(jīng)典熱力學(xué)與微生物代謝2023/12/2518熱力學(xué)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(yīng)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(zhì)和能量。因為活細胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)、釋放代謝產(chǎn)物，并做功和放熱。因此它們是開放系統(tǒng)。2023/12/2519系統(tǒng)狀態(tài)由一組狀態(tài)函數(shù)來定義。這些狀態(tài)函數(shù)包括內(nèi)能（U，系統(tǒng)固有的全部能量的度量，描寫恒容熱效應(yīng)的狀態(tài)函數(shù)）、焓（H，描寫恒壓熱效應(yīng)的狀態(tài)函數(shù)）、熵（S，系統(tǒng)混亂程度的度量）。這些狀態(tài)函數(shù)可用來表示和解釋這兩個熱力學(xué)定律，經(jīng)典熱力學(xué)就是建立在這兩個定律的基礎(chǔ)上的。2023/12/2520這兩個定律是：

①熱力學(xué)第一定律：能量既不能創(chuàng)生也不能消滅。用數(shù)學(xué)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(xué)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(shù)學(xué)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。2023/12/2521

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(jīng)典熱力學(xué)。熱力學(xué)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(chǎn)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。

2023/12/2522

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(biāo)準(zhǔn)，是難以操作的。2023/12/2523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(zhì)自發(fā)折疊成高度有序的天然構(gòu)象（系統(tǒng)的熵減少，ΔS系統(tǒng)＜0），就是一例。當(dāng)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？2023/12/25242.1.3吉布斯自由能和代謝能2023/12/2525

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(shù)吉布斯自由能來確定：

G=H-TS

這個狀態(tài)函數(shù)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。2023/12/2526由于活細胞中的所有生物化學(xué)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。2023/12/2527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ΔG的值，但反應(yīng)的ΔG與變化的途徑無關(guān)。

當(dāng)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(dāng)ΔG＝0時，反應(yīng)已達到平衡，即其正向過程和逆向過程正好處于平衡；

當(dāng)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(qū)動此類過程。2023/12/2528在細胞中，能直接驅(qū)動吸能過程的自由能有兩類供體：在細胞內(nèi)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(zhuǎn)。我們把這兩類特殊能量形式叫做代謝能。2023/12/2529特別提請注意：

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

0

的反應(yīng)進行。

②反應(yīng)或過程的吉布斯自由能隨溫度等變化，其值可以推算。2023/12/2530第二節(jié)微生物細胞內(nèi)外的

物質(zhì)交換2.2.1微生物細胞與其所處的環(huán)境的關(guān)系

2.2.2化學(xué)物質(zhì)的跨膜過程2023/12/2531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(nèi)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(zhì)、能量和信息的交流，也包括微生物細胞內(nèi)被生物膜分隔的細胞空間之間的物質(zhì)、能量和信息的交流。2023/12/2532本節(jié)主要討論物質(zhì)交換問題。微生物細胞內(nèi)外的物質(zhì)交換對工業(yè)發(fā)酵至關(guān)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(chǎn)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(chǎn)物送出細胞，我們就不能從發(fā)酵液獲得產(chǎn)品。2023/12/25332.2.1微生物細胞與其

所處環(huán)境的關(guān)系

2023/12/2534微生物的營養(yǎng)

微生物的營養(yǎng)類型

微生物的生理狀態(tài)

與環(huán)境的關(guān)系2023/12/2535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(zhuǎn)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。2023/12/2536

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。2023/12/2537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(zhuǎn)過程是在代謝能支持下進行的高度有序的過程，運轉(zhuǎn)的結(jié)果是微生物細胞生命的持續(xù)和環(huán)境混亂程度的增加。2023/12/2538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(diào)節(jié)微生物的生理狀態(tài)和生命活動，其改變或調(diào)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(guān)。2023/12/2539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(nèi)調(diào)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(chǎn)物的生產(chǎn)。2023/12/2540微生物的營養(yǎng)2023/12/2541這里說的營養(yǎng)既可指營養(yǎng)物質(zhì)（nutrients），也可指提供營養(yǎng)的過程（nutrition）。作為營養(yǎng)物質(zhì)必須能直接地或者經(jīng)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(jié)構(gòu)的原材料；③代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)。2023/12/2542可把營養(yǎng)物質(zhì)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(xué)物質(zhì)，也可以是非化學(xué)物質(zhì)如光能。為模塊分子（buildingblock）生物合成提供碳骨架（carbonskeletons）的基質(zhì)，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(zhuǎn)化成代謝能）和還原力的基質(zhì)稱為能源。關(guān)于微生物的營養(yǎng)，微生物學(xué)已有介紹，這里僅根據(jù)本課程教學(xué)需要，簡單地談?wù)凮、C、H、N、S、P，特別是含C和含P的營養(yǎng)物質(zhì)。

2023/12/2543元素營養(yǎng)以O(shè)、C、H、N含量最多，這4種元素具有共同的化學(xué)性質(zhì)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。2023/12/2544O、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(xiàn)極性，能與水分子形成氫鍵而表現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(nèi)形成橋式連接，影響分子的形狀及性能。2023/12/2545

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

2023/12/2546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(gòu)型產(chǎn)生了大量的同分異構(gòu)體。碳原子如此多樣而穩(wěn)定的結(jié)合方式，是導(dǎo)致生物分子種類繁多的原因之一。2023/12/2547微生物細胞及其代謝產(chǎn)物中包含了無數(shù)有機化合物，所有機化合物都有碳架。本課程現(xiàn)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(xué)能源營養(yǎng)。凡可構(gòu)成微生物細胞及其代謝產(chǎn)物的碳架來源的營養(yǎng)物質(zhì)，均稱為碳源。2023/12/2548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(fù)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(gòu)成細胞物質(zhì)和各種代謝產(chǎn)物的碳架；二是提供細胞活動所需的能量。2023/12/2549

有機（碳）化合物經(jīng)分解代謝，轉(zhuǎn)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。2023/12/2550代謝能對細胞生命活動的支撐與含磷化合物的關(guān)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。2023/12/2551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(jié)構(gòu)）；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(zhì)（酶）的結(jié)合或解離，實現(xiàn)酶或載體蛋白的活性的共價調(diào)節(jié)。2023/12/2552磷酸的一個重要生物學(xué)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(diào)節(jié)物。2023/12/2553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(zhuǎn)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(xué)功和輸送功等）。

2023/12/2554幾乎所有微生物都可利用無機磷酸鹽。有機磷化合物經(jīng)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(zhì)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(yīng)。2023/12/2555微生物的營養(yǎng)類型微生物的營養(yǎng)類型2023/12/2556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(jù)同化作用和異化作用方式的不同劃分的。2023/12/2557

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。2023/12/2558

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(jù)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。

2023/12/2559微生物按能源分化學(xué)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CO2CO22023/12/2560

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

細胞的碳架物質(zhì)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(jīng)代謝進入有機體的碳架的過程被稱為二氧化碳的固定。2023/12/2561細胞的碳架物質(zhì)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(jīng)本細胞代謝的）或內(nèi)源的（泛指已經(jīng)本細胞代謝的）碳架物質(zhì)，可被有機體氧化而產(chǎn)能，或經(jīng)必要的代謝參與有機體細胞組成。2023/12/2562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(chǎn)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(lǐng)域得到開發(fā)和應(yīng)用?！盎墚愷B(yǎng)型微生物作為目的產(chǎn)物的生產(chǎn)者”，這是本課程定義典型的工業(yè)發(fā)酵的第一個條件。2023/12/2563微生物的生理狀態(tài)

與環(huán)境的關(guān)系

2023/12/2564在工業(yè)發(fā)酵中，微生物的生理狀態(tài)與環(huán)境的關(guān)系具體指的是工業(yè)發(fā)酵環(huán)境（微生物培養(yǎng)器內(nèi)）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(xué)成分、溫度、pH值等）之間的關(guān)系。2023/12/2565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(dāng)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(nèi)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(yīng)。2023/12/2566這里之所以要討論環(huán)境因素對微生物細胞的生理學(xué)影響的問題，目的在于強調(diào)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(guān)系的研究，將是十分有利的。2023/12/2567微生物的生理狀態(tài)與環(huán)境的關(guān)系或許可以從以下幾個方面得到反映：

①初級響應(yīng)：微生物細胞對化學(xué)或物理化學(xué)條件變化的直接響應(yīng)，包括酶的抑制和激活、蛋白質(zhì)合成的誘導(dǎo)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。2023/12/2568②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(jīng)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(chǎn)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(diào)節(jié)劑等。2023/12/2569

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(chǎn)物（包括代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量等）。以上細胞對氧的響應(yīng)反過來又會影響細胞所處環(huán)境中的溶解氧濃度。2023/12/2570

③對CO2的響應(yīng)：CO2可自由進出細胞，影響新陳代謝。化能自養(yǎng)型微生物以為CO2主要碳源。化能異養(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(chǎn)物，維持TCA環(huán)的運行，以支持生長（后面將詳細討論）。2023/12/2571CO2分壓較高時，不但會影響培養(yǎng)基的pH值，導(dǎo)致生長所需礦物質(zhì)的沉淀析出；更嚴重的是會導(dǎo)致質(zhì)子的無效循環(huán)，使微生物生長速度下降。2023/12/2572這主要是因為細胞外pH值一般低于細胞內(nèi)，分子態(tài)的CO2大量進入細胞，并在細胞內(nèi)與水分子作用生成大量的H+和HCO3-，為維持細胞內(nèi)中性的pH值和細胞內(nèi)外的離子平衡，必須調(diào)用原本應(yīng)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(dǎo)致微生物生長速度的下降。2023/12/2573通氧（通風(fēng)）過度會影響對細胞的CO2供應(yīng)。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(fēng)），因為如果溶解氧太高會影響生長。2023/12/2574④對環(huán)境水活度的響應(yīng)：當(dāng)環(huán)境的水活度低于微生物細胞內(nèi)水活度時，微生物細胞要承受“水應(yīng)力”(waterstress)。真細菌和真核微生物對水應(yīng)力的響應(yīng)是一種生理性適應(yīng)，即會在細胞內(nèi)累積有機兼容溶質(zhì)(compatiblesolutes)，如多元醇、多元醇衍生物、某些糖和少數(shù)幾種氨基酸、氨基酸衍生物等。2023/12/2575⑤環(huán)境的氫離子濃度與細胞的相互作用：雖然大多數(shù)微生物都能耐受外部環(huán)境pH值在一定的范圍內(nèi)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(nèi)部pH值均接近于7。細胞內(nèi)外pH值的差值是靠消耗代謝能來維持的。

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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(yīng)，可能影響發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)物的形成、營養(yǎng)物的吸收、氧化還原反應(yīng)或培養(yǎng)液（pH）緩沖能力的改變。

2023/12/2577當(dāng)然也可以通過配入pH緩沖劑、添加酸或堿，或用設(shè)計合適的培養(yǎng)基或培養(yǎng)工藝來平衡代謝中產(chǎn)生的氫離子等方法，來調(diào)節(jié)培養(yǎng)液（發(fā)酵液）的pH值。

2023/12/2578⑥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(xué)反應(yīng)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(yīng)包括：在生長溫度范圍內(nèi)，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(zhì)等細胞成分會有相應(yīng)變化。2023/12/2579當(dāng)溫度發(fā)生變動時，細胞內(nèi)部會發(fā)生全局性（細胞水平）的調(diào)整，從而在基質(zhì)利用、產(chǎn)物形成、熱量放出等方面對環(huán)境溫度變動做出響應(yīng)。當(dāng)微生物代謝旺盛、迅速生長時，其他形式的能量大量地轉(zhuǎn)化成代謝能，同時放出大量熱能，使環(huán)境溫度迅速上升。2023/12/2580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。

2023/12/25812.2.2化學(xué)物質(zhì)的跨膜過程

2023/12/2582

化學(xué)物質(zhì)跨過細胞質(zhì)膜的機制真核微生物細胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的跨膜傳遞

代謝中間產(chǎn)物排出細胞的機制跨膜過程中代謝能的消耗2023/12/2583所有的活細胞都要與環(huán)境進行物質(zhì)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(zhì)經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物，一般還要將代謝產(chǎn)物排放出細胞。諸如：以代謝產(chǎn)物（包括能量代謝副產(chǎn)物、初級代謝產(chǎn)物和次生代謝產(chǎn)物）為目的產(chǎn)物的生產(chǎn)；以細胞大分子（包括酶制劑、微生物多糖）為目的產(chǎn)物的生產(chǎn)；以細胞為目的產(chǎn)物（包括單細胞蛋白和胞內(nèi)酶等細胞提取物）的生產(chǎn)。

2023/12/2584工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)大多均兼有營養(yǎng)物質(zhì)進入和發(fā)酵目的產(chǎn)物排放出細胞的過程。即使在以細胞為目的產(chǎn)物的情況下，也有營養(yǎng)物質(zhì)進入和代謝中間產(chǎn)物（代謝“廢物”）排放出細胞。

“目的產(chǎn)物在細胞內(nèi)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。2023/12/2585雖然細胞壁對物質(zhì)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(zhì)量為10000Da的葡聚糖通過，真菌細胞壁也只允許分子質(zhì)量相對較小的物質(zhì)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(xué)物質(zhì)，以控制和維持細胞(或細胞器)的內(nèi)部環(huán)境。2023/12/2586這一小節(jié)主要研究營養(yǎng)物質(zhì)跨過膜進入細胞和工業(yè)發(fā)酵目的產(chǎn)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(xué)物質(zhì)進出細胞主要依賴于細胞質(zhì)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(xué)物質(zhì)如何跨過疏水的膜；

②這些化學(xué)物質(zhì)如何克服濃度梯度從低濃度處向高濃度處輸送。2023/12/2587化學(xué)物質(zhì)跨過細胞

質(zhì)膜的機制2023/12/2588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(xiàn)的飽和效應(yīng)、競爭效應(yīng)，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(zhì)膜不同于一般半透膜的生物學(xué)本質(zhì)。

2023/12/2589弄清化學(xué)物質(zhì)跨過膜的物質(zhì)基礎(chǔ)是：①流動性的、可穿透的膜；②有選擇性的、可識別跨膜物質(zhì)并攜帶它們過膜的載體（包括催化共價反應(yīng)的酶）；③直接用于輸送的代謝能。

2023/12/2590從而確定對化學(xué)物質(zhì)跨過膜的機制進行分類的依據(jù)：

①根據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)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；2023/12/2591②根據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)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(jù)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(zhuǎn)移。2023/12/2592

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(zhuǎn)移：提供載體蛋白、代

謝能和酶（蛋白質(zhì)因子）2023/12/2593⑴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(xiàn)象，因此僅僅是擴散。有些親脂性化合物接觸膜的一側(cè)時即溶于脂質(zhì)的膜，并經(jīng)擴散至膜的另一側(cè)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(cè)向低濃度側(cè)擴散，都屬簡單擴散。2023/12/2594化合物以自由擴散的方式跨過脂質(zhì)膜包括3個步驟：

①化合物從胞外介質(zhì)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(zhì)的傳遞。2023/12/2595物質(zhì)擴散的難易程度，除了與組成膜的分子本身的極性有關(guān)外，與跨膜物質(zhì)的性質(zhì)（如相對分子質(zhì)量、極性、脂溶性等）有關(guān)。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(zhì)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。

2023/12/2596

在解離狀態(tài)時，有機酸在脂質(zhì)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(zhì)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(zhì)和胞外介質(zhì)兩者的pH值也很敏感。2023/12/2597對于許多微生物來說，細胞質(zhì)膜有一個跨膜的pH梯度（細胞內(nèi)的pH值高），這可能導(dǎo)致質(zhì)子向細胞的凈流入。為了維持胞內(nèi)較低的質(zhì)子濃度，必須消耗ATP，由ATP酶（已在真核微生物細胞膜發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜ATP酶）將這些質(zhì)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(dǎo)致ATP的凈消耗。2023/12/2598

在研究苯甲酸對釀酒酵母呼吸的影響時發(fā)現(xiàn)，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。2023/12/2599這種現(xiàn)象被解釋為：苯甲酸的質(zhì)子解耦聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)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(xiàn)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(zhì)子解耦聯(lián)效應(yīng)的又一實驗根據(jù)。2023/12/25100⑵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(zhì)膜中的溶解度很低。這類化合物借助于細胞質(zhì)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。2023/12/25101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(xué)，就如酶催化反應(yīng)服從米氏動力學(xué)一樣。

2023/12/25102在真菌中，許多糖類物質(zhì)通過促進擴散跨膜。據(jù)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(jīng)報道了用于糖的促進擴散的不同的載體蛋白。2023/12/25103

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(jié)合部位，現(xiàn)已從不同類型的細菌中提取出這類蛋白質(zhì)。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(zhì)的輸送，同一化合物也可能有一種以上的載體來完成輸送。2023/12/25104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(zé)組氨酸的輸送。相反，也有一種載體負責(zé)幾種物質(zhì)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。2023/12/25105以往對離子載體的研究提供了關(guān)于離子通過膜的載體傳遞的分子基礎(chǔ)。現(xiàn)已知，天然離子載體都是抗生素，它們可以誘導(dǎo)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(luò)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(dǎo)形成暫時性孔道（類似于架橋），使離子得以通過。2023/12/25106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(luò)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(gòu)成的環(huán)狀12酯肽，酯鍵與酰胺鍵交替出現(xiàn)，環(huán)內(nèi)部由構(gòu)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(cè)鏈烷基向外，構(gòu)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(fù)使用。

2023/12/25107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(cè)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(nèi)酯化合物，它們可通過與膜磷脂分子中的固醇的結(jié)合而形成穿膜的孔，孔可被水充填。2023/12/25108

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(cè)，親水的羰基分布在內(nèi)側(cè)，螺旋內(nèi)孔構(gòu)成離子通道，離子可在其中移動而跨過膜。2023/12/25109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(fù)合物，膜的性質(zhì)沒有改變，靠載體復(fù)合物在膜內(nèi)運動實現(xiàn)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(fù)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(xiàn)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。2023/12/25110⑶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(zhì)或代謝物經(jīng)這種類型的輸送，其跨膜前后的化學(xué)狀態(tài)并不發(fā)生變化，從濃度較低的一側(cè)送入其濃較高的另一側(cè)，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(xué)滲透驅(qū)動的輸送之說。2023/12/25111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(xué)能轉(zhuǎn)變成電滲透能的機構(gòu)。Mitchell的化學(xué)滲透假設(shè)是這種初級系統(tǒng)的最好解釋。2023/12/25112電子傳遞鏈的成員按其對應(yīng)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(yīng)所形成的還原型輔酶NADH和輔基FADH2在電子傳遞鏈的適當(dāng)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(zhì)子泵出細胞質(zhì)膜，在膜兩邊形成質(zhì)子運動勢(protonmotiveforce)，它能用來驅(qū)動營養(yǎng)物質(zhì)的吸收或ATP的合成。

2023/12/25113質(zhì)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(shù)值）之差，和電荷量因子ΔΨ，即膜電位差。下列方程對質(zhì)子運動勢做出了熱動力學(xué)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(shù)（Z=59），用以把pH值轉(zhuǎn)換成mV值。2023/12/25114

次級系統(tǒng)實際上是在初級系統(tǒng)產(chǎn)生的質(zhì)子運動勢(Δp)的驅(qū)動下，直接進行營養(yǎng)物質(zhì)輸送的機構(gòu)（輸送系統(tǒng)）。2023/12/25115已區(qū)分出3種次級系統(tǒng)：

①化學(xué)物質(zhì)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）；2023/12/25116

②化學(xué)物質(zhì)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(xué)物質(zhì)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）。2023/12/25117金黃色葡萄球菌對Lys、Ile和Glu等氨基酸的主動輸送內(nèi)外內(nèi)內(nèi)外外Lys+Lys＋H+H+H+H+IleIleGlu－-Glu－pI=9.24單一輸送受膜電位Δψ驅(qū)動pI=6.02同向輸送受能庫Δp驅(qū)動pI=3.22同向輸送受膜兩側(cè)的－ZΔpH的驅(qū)動＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－Δp=Δψ－ZΔpH2023/12/25118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(qū)動的。Lys+和載體所形成的復(fù)合物帶正電，它在膜電位所構(gòu)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。

2023/12/25119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(fù)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(cè)之電位差）和膜內(nèi)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。2023/12/25120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(fù)合物是電中性的，因此ΔΨ對此復(fù)合物不能施加影響，輸送僅僅依賴于ΔpH，即依賴于細胞內(nèi)外的H+濃度之差。2023/12/25121與質(zhì)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(zhì)子梯度也可以借助載體而轉(zhuǎn)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(zhì)子梯度轉(zhuǎn)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(zhì)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。2023/12/25122

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(xiàn)。用于輸送的其他離子的梯度（iongradient）是由質(zhì)子梯度（protongradient）經(jīng)前述反向傳送機制轉(zhuǎn)換過來的。如果將質(zhì)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+。2023/12/25123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(nèi)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。2023/12/25124

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(dāng)ΔG＜０時，才能自發(fā)地進行被動輸送。當(dāng)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(guān)。2023/12/25125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(zhì)子被泵出過程。某些ATP酶可在兩個方向上起作用，當(dāng)有質(zhì)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。2023/12/25126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(jié)合蛋白，它們與被傳送的化合物結(jié)合并將其傳遞到相應(yīng)的結(jié)合在膜上的復(fù)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(zhì)。在大腸桿菌中，通過這些所謂“交通-ATP酶”所輸送的物質(zhì)有組氨酸、麥芽糖、阿拉伯糖和半乳糖。2023/12/25127⑷

基團轉(zhuǎn)移(grouptranslocation)：

需提供載體、代謝能和酶，屬于“輸送”機制。

在基團轉(zhuǎn)移中，輸送過程都伴隨著被輸送物質(zhì)進一步的共價轉(zhuǎn)變，所輸送的化合物被轉(zhuǎn)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。2023/12/25128基團轉(zhuǎn)移系統(tǒng)典型的實例是磷酸轉(zhuǎn)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。

2023/12/251292023/12/25130PTS相當(dāng)復(fù)雜，至少涉及4種不同蛋白，這些蛋白質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)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。2023/12/25131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(jié)合成1個單一的與膜結(jié)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(zhuǎn)移的通道，并且至少其一部分成為特定的糖結(jié)合位點。

2023/12/25132同樣已證明嘌呤堿基也是依靠基團轉(zhuǎn)位輸送的，由磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(PTS)催化，在細胞內(nèi)出現(xiàn)相應(yīng)的嘌呤核苷單磷酸酯。

Ade+PRPP→AMP+PPi2023/12/25133真核微生物細胞內(nèi)化學(xué)

物質(zhì)的跨膜輸送

2023/12/25134真核微生物內(nèi)有多種被生物膜包圍的細胞器，因此器細胞內(nèi)部也會發(fā)生跨膜輸送。

因為EMP和HMP途徑發(fā)生在細胞質(zhì)，而丙酮酸的氧化（TCA環(huán)）發(fā)生在線粒體基質(zhì)，所以代謝中間產(chǎn)物在細胞質(zhì)和線粒體基質(zhì)之間的傳遞對微生物的代謝來說是非常重要的。2023/12/25135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(nèi)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(nèi)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(nèi)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)。2023/12/25136NAD(P)+、NAD(P)H、CoA和?；鵆oA不能跨過線粒體內(nèi)膜。有些離子和代謝產(chǎn)物不易（有的需借助于載體）跨過線粒體內(nèi)膜，包括AMP、GMP、GDP、GTP、C1－、NO3－、Br－和NH4+等。2023/12/25137

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(nèi)膜基質(zhì)一側(cè)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(zhì)中的生物合成反應(yīng)。2023/12/25138已經(jīng)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(guān)聯(lián)。2023/12/25139膜外側(cè)膜膜內(nèi)側(cè)膜外側(cè)膜膜內(nèi)側(cè)

二羧酸2-二羧酸2-三羧酸·

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

2H2PO4-2023/12/25140

線粒體內(nèi)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(zhì)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(nèi)膜進入細胞質(zhì)，然后被細胞質(zhì)中的檸檬酸裂解酶（以細胞質(zhì)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。2023/12/25141AcCoAAcCoACTACTA(CS)(CL)CoAOAAOAA內(nèi)外CoA線粒體內(nèi)膜乙酰基從線粒體送出的過程2023/12/25142

真核微生物在線粒體基質(zhì)中形成乙?；诩毎|(zhì)中合成脂肪酸、磷脂等參與膜的組成。這種將乙酰基的送出的機制在某些微生物（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?；鶊F從線?；|(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中。2023/12/25143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(dāng)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。2023/12/25144影響腺嘌呤核苷酸傳送的因素：

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

②線粒體基質(zhì)中的氧化磷酸化的需要，要求〔ATP〕/〔ADP〕比率低。2023/12/25145煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）不能穿過線粒體內(nèi)膜。線粒體內(nèi)生成的NADH固然可以在線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)再生，那么在有氧狀態(tài)下，細胞質(zhì)中的酵解所產(chǎn)生的NADH怎么再生（怎樣把電子交給電子傳遞鏈）呢？2023/12/25146來自細胞質(zhì)中的NADH的電子交給電子傳遞鏈的機制是借助所謂的穿梭往返系統(tǒng)。真核微生物細胞可以借助于代謝物的穿梭往返（shuttle），間接地將還原當(dāng)量送入線粒體。穿梭往返有跨線粒體外膜的和跨線粒體內(nèi)膜的。分述如下：2023/12/25147

借助于跨線粒體內(nèi)膜的“蘋果酸／天冬氨酸”穿梭往返，間接地將還原當(dāng)量送入線粒體。這種“穿梭往返”的效果相當(dāng)于NADH跨過線粒體內(nèi)膜，最終把電子在線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)交給電子傳遞鏈。此過程靠NADH在細胞質(zhì)與線粒體中濃度之差來驅(qū)動，不消耗ATP。2023/12/25148+哺乳動物細胞的蘋果酸/天門冬氨酸穿梭體系圖中：AAT為Asp氨基轉(zhuǎn)移酶，GAT、MOT為載體。線粒體內(nèi)膜AspAspNADH+H+NADH+HNAD

+

NAD

+GluGluOAAOAAα-KGα-KGMLAMLA(MD)(MD)(AAT)(AAT)GATMOT還原力胞質(zhì)中的基質(zhì)中的2023/12/25149

跨線粒體外膜的“3-磷酸甘油／磷酸二羥丙酮”穿梭往返，它涉及到分別位于細胞質(zhì)中和線粒體內(nèi)膜上的2個3-磷酸甘油脫氫酶。細胞質(zhì)中的3-磷酸甘油脫氫酶以細胞質(zhì)中的NADH為輔酶，而線粒體內(nèi)膜中的3-磷酸甘油脫氫酶是以FAD為輔基的黃素蛋白?！?-磷酸甘油／磷酸二羥丙酮”穿梭往返使細胞質(zhì)中的NADH“轉(zhuǎn)變”成了線粒體內(nèi)膜的FADH2，因此失去了合成1個ATP分子的機會。這種還原力跨膜的機制主要見于昆蟲細胞，也存在于某些酵母（如Candidatropicalis）細胞中。

2023/12/25150線粒體基質(zhì)線粒體的3-磷酸甘油脫氫酶（黃素蛋白）Glyc-3-PGlyc-3-PDHAPDHAPNAD+NADH+H+細胞質(zhì)的3-磷酸甘油脫氫酶細胞質(zhì)線粒體外膜間腔線粒體內(nèi)膜FADHCoA跨線粒體外膜的“3-磷酸甘油／磷酸二羥丙酮”穿梭往返2023/12/25151這種穿梭過程分4步進行：

①細胞質(zhì)中：在細胞質(zhì)的3-磷酸甘油脫氫酶的催化下，磷酸二羥丙酮被還原為3-磷酸甘油DHAP+NADH+H+→G3P+NAD+

②細胞質(zhì)中的3-磷酸甘油穿過線粒體外膜進入線粒體的內(nèi)膜和外膜之間的間腔

③在線粒體內(nèi)膜上的3-磷酸甘油脫氫酶的催化下，3-磷酸甘油重新氧化成磷酸二羥丙酮④磷酸二羥丙酮穿過線粒體外膜回到細胞質(zhì)。2023/12/25152線粒體的3-磷酸甘油脫氫酶的催化位點位于線粒體內(nèi)膜的外表面，因此為了3-磷酸甘油的重新氧化并沒有必要跨過線粒體內(nèi)膜。線粒體3-磷酸甘油脫氫酶是一個含有FAD的黃素蛋白，它在CoQ位點向電子傳遞鏈提交電子。當(dāng)電子通過這個穿梭系統(tǒng)進行傳送時，NADH氧化的P/O比率將類似于琥珀酸氧化的P/O比率。2023/12/25153代謝中間產(chǎn)物排出細胞的機制

⑴氨基酸的釋出（略）⑵核苷酸的“釋出”（略）⑶胞外酶的分泌（略）2023/12/25154從化學(xué)平衡的觀點來看，分泌可以促進合成；從生物學(xué)的角度來看，分泌又是對過量合成的代謝中間產(chǎn)物的解毒機制，是微生物細胞生存策略的一個方面。代謝產(chǎn)物的釋放也是跨膜輸送的過程，但強調(diào)的是從細胞釋放或排出。2023/12/25155必須指出，由于微生物具有高度嚴密的自我調(diào)節(jié)能力，正常代謝的細胞的中間代謝產(chǎn)物既不會在胞內(nèi)大量積累，也不會大量排出體外而流失。發(fā)酵工程的任務(wù)之一是人為地改變微生物的代謝調(diào)節(jié)機制，其中包括改變化學(xué)物質(zhì)輸送的調(diào)節(jié)機制，使目的代謝產(chǎn)物大量合成并及時釋出或排出細胞。2023/12/25156跨膜過程中代謝能的消耗

2023/12/25157細胞消耗在主動輸送過程中的ATP，在其ATP的總消耗中占相當(dāng)大的比例。在質(zhì)子同向輸送中，ATP消耗取決于運輸過程的化學(xué)計量和質(zhì)子重新輸出的化學(xué)計量。這種輸送系統(tǒng)中研究得最透徹的是大腸桿菌的乳糖透性酶，其同時輸送一個質(zhì)子和一個乳糖分子。許多其他物質(zhì)的輸送占有相似的化學(xué)計量比率，例如原核生物和真核生物中許多氨基酸的輸送，以及絲狀真菌中通過高度親和系統(tǒng)對糖（諸如葡萄糖、果糖和半乳糖等）的輸送。2023/12/251582023/12/25159對于質(zhì)子的重新輸出，在原核細胞和真核細胞之間存在一些差別。在需氧細菌中，電子傳遞鏈位于細胞質(zhì)膜，質(zhì)子可通過電子傳遞鏈從細胞質(zhì)中重新輸送出去；質(zhì)子還可借助于ATP酶重新輸送至胞外。ATP酶在原核細胞中位于細胞質(zhì)膜，它主要涉及氧化磷酸化過程中ATP的合成，但它是可逆的，也可以在消耗ATP的情況下，將質(zhì)子泵出細胞外。目前還不能準(zhǔn)確知道ATP酶的化學(xué)計量比率，但在大腸桿菌中，2H+/ATP是通常使用的化學(xué)計量比。

2023/12/25160在真核細胞中，ATP酶位于線粒體的內(nèi)膜，但真核細胞也具有屬于另一類型的ATP酶——質(zhì)膜ATP酶。這種ATP酶可能只在ATP水解方向起作用，通常其化學(xué)計量比為1H+/ATP。利用化學(xué)計量方法，有可能計算出通過以主動輸送機制輸送不同的化合物時ATP的消耗量。2023/12/25161化能異養(yǎng)型微生物

的生物氧化

2023/12/251622.3.1氧化還原反應(yīng)

2.3.2微生物進行生物氧化的細胞器

及ATP合成酶

2.3.3生物氧化過程中輔酶的關(guān)鍵作

用

2.3.4化能異養(yǎng)型微生物生物氧化的

方式2023/12/25163化能異養(yǎng)型微生物將有機營養(yǎng)物質(zhì)儲存的化學(xué)能，轉(zhuǎn)化成可以被自身直接利用的能量形式（ATP或質(zhì)子運動勢Δp等）的代謝過程，叫做化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)代謝能的代謝，一般稱產(chǎn)能代謝。2023/12/25164

化能異養(yǎng)型微生物產(chǎn)能代謝，始于能源化合物（還原性有機化合物）的生物氧化（即能源化合物釋放電子）。生物氧化歸根到底屬于氧化還原反應(yīng)。2023/12/251652.3.1氧化還原反應(yīng)

2023/12/25166反應(yīng)物之間有電子得失的反應(yīng)，總稱為氧化還原反應(yīng)。在這類反應(yīng)中必有一種原子失去電子而被氧化，同時另一種原子得到電子而被還原，它們分別作為氧化還原反應(yīng)的兩個半反應(yīng)，合在一起就是一個氧化還原反應(yīng)。2023/12/25167通常把在氧化還原反應(yīng)中失去電子而被氧化的物質(zhì)稱為還原劑，把得到電子而被還原的物質(zhì)稱為氧化劑。在一個氧化還原反應(yīng)中，氧化劑獲得的電子總數(shù)必然等于還原劑失去的電子總數(shù)。2023/12/25168對于組成和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物，特別是有機化合物，可以采用“氧化數(shù)

”這個概念來討論氧化還原反應(yīng)。用氧化數(shù)來表示物質(zhì)中元素的表觀電荷數(shù)，這樣就可以把氧化和還原分別定義為反應(yīng)物質(zhì)中元素的氧化數(shù)的升高和下降。元素的氧化數(shù)升高，說明它已被氧化了；元素的氧化數(shù)下降，說明它已被還原了。2023/12/25169在有機體生命活動中，參與氧化還原反應(yīng)的往往是有機化合物，或者反應(yīng)的一方是有機化合物，采用氧化數(shù)這個概念來討論氧化還原反應(yīng)比較方便。在有機體生命活動中，氫元素不論是以氫離子的形式存在于細胞內(nèi)外的溶液中，還是與其他原子共價相連的形式，存在于組成細胞的有機化合物分子中，其氧化數(shù)均規(guī)定為+1。2023/12/25170在活細胞內(nèi)進行的涉及電子從一個分子到另一個分子轉(zhuǎn)移的產(chǎn)能反應(yīng)，總稱為生物氧化。在一般的氧化還原反應(yīng)中，還原劑將電子直接交給氧化劑并放出能量；在生物氧化過程中，還原劑首先將電子交給一級電子載體，再由一級電子載體將電子轉(zhuǎn)交給氧化劑，并把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成生物可以直接利用的能量形式——代謝能。

2023/12/25171

在生物氧化過程中，盡管還原劑釋放的電子并不直接交給氧化劑，但是最終還是轉(zhuǎn)交給氧化劑，同樣完成了氧化和還原這兩個“半反應(yīng)”。因此生物氧化本質(zhì)上還是氧化還原反應(yīng)。因為細胞內(nèi)的這些氧化還原反應(yīng)向著能源化合物氧化降解和放能的方向進行，因而有生物氧化之稱。2023/12/25172生物氧化與一般的氧化還原反應(yīng)相比較，氧化還原的本質(zhì)是一樣的，但進行的過程和結(jié)果大不一樣。生物氧化是按一定順序進行的、酶催化的、受到嚴密控制的逐級釋放能量的過程，以這種方式釋放的能量中的一部分可直接用來支撐生命活動。因此，沒有生物氧化就沒有代謝能，沒有代謝能的支撐就沒有生命活動。2023/12/251732.3.2微生物進行生物氧化的

細胞器及ATP合成酶

2023/12/25174線粒體的膜與原核細胞的質(zhì)膜

ATP合成酶2023/12/25175

微生物細胞可直接利用的能量供體（以ATP為代表）的生成依賴于微生物細胞內(nèi)進行的生物氧化（呼吸和發(fā)酵）。而經(jīng)生物氧化生成的ATP又為一切生物學(xué)過程及時、準(zhǔn)確地提供代謝能。2023/12/25176微生物的呼吸和發(fā)酵作用在細胞特定部位或特定的細胞器里進行。在這些細胞部位和細胞器里包含著各種氧化還原酶（包括它們的輔酶和輔基）、電子傳遞鏈、輸送蛋白和ATP合成酶。2023/12/25177線粒體的膜與原核細胞的質(zhì)膜2023/12/25178與呼吸關(guān)系最密切的細胞器是線粒體，對于原核細胞則是細胞質(zhì)膜。線粒體內(nèi)膜和原核細胞的質(zhì)膜包含電子傳遞鏈、ATP酶，以及與呼吸有關(guān)的輸送蛋白。2023/12/25179根據(jù)NeilACampbell&JaneBReece,EssentialBiology,2001改制2023/12/25180根據(jù)NeilACampbell&JaneBReece,EssentialBiology,2001改制2023/12/251812023/12/25182真核微生物才有線粒體，前圖大致描繪了其結(jié)構(gòu)和功能。線粒體的外膜上鑲嵌著一些起非特異性孔道作用的蛋白質(zhì)，它們允許相對分子質(zhì)量小于10000道爾頓的溶質(zhì)通過，但像細胞色素那樣大的分子是不能通過的。2023/12/25183

線粒體內(nèi)膜含有較多的蛋白質(zhì)，它不但對溶質(zhì)的通過具有選擇性，而且具有不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)換功能。它實際上依靠載體讓離子和分子通過，是控制各種生理物質(zhì)進出線粒體的屏障。2023/12/25184

內(nèi)膜中的蛋白質(zhì)包括電子傳遞鏈的多肽成員、各種輸送蛋白質(zhì)和ATP合成酶等。還有一些酶（如以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶）與內(nèi)膜內(nèi)側(cè)相連，而已經(jīng)觀察到的內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的球狀突起物則是ATP合成酶的具催化功能的亞單位。2023/12/25185線粒體基質(zhì)中包含線粒體的DNA和核糖體，以及與蛋白質(zhì)合成、氨基酸分解代謝、脂肪酸β-氧化有關(guān)的酶和TCA環(huán)的酶（其中琥珀酸脫氫酶與內(nèi)膜相聯(lián)）。線粒體內(nèi)外膜之間的膜間腔內(nèi)也含有特殊的酶，如腺苷酸激酶。

2023/12/25186與代謝有關(guān)的底物、產(chǎn)物以及還原力在細胞質(zhì)和線粒體基質(zhì)之間的傳遞，對真核微生物的代謝是非常重要的。這主要是因為酵解和PP環(huán)（磷酸戊糖循環(huán)）發(fā)生在細胞質(zhì)，而脂肪酸的β-氧化（脂肪酸的降解）以及乙?；慕到猓═CA環(huán)的氧化過程）發(fā)生在線粒體的基質(zhì)中。2023/12