第六節(jié)代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持的支撐

第六節(jié)代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持的支撐張星元：發(fā)酵原理1第1頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三涉及微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁殖的每一個(gè)“動(dòng)作”，包括細(xì)胞內(nèi)有機(jī)化合物降解的啟動(dòng)、生物合成的啟動(dòng)和繼續(xù)、主動(dòng)輸送、細(xì)胞內(nèi)pH自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡等都需要代謝能的支撐，同樣維持細(xì)胞的生命也需要代謝能的支撐。第2頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

沒(méi)有生命活動(dòng)就沒(méi)有代謝能。沒(méi)有代謝能就沒(méi)有生命，沒(méi)有代謝能就沒(méi)有微生物的生命活動(dòng)，就沒(méi)有工業(yè)發(fā)酵。第3頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.1微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)能學(xué)

2.6.2用于維持的ATP消耗

2.6.3微生物能量的儲(chǔ)存第4頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.1微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)能學(xué)

生長(zhǎng)能學(xué)（growthenergetics）描述了通常以ATP的形式出現(xiàn)的代謝能的產(chǎn)生與消耗的關(guān)系，因此涉及到主動(dòng)輸送（包括輸入和輸出）、供能反應(yīng)（fuelingreactions）、生物合成反應(yīng)、大分子合成反應(yīng)和細(xì)胞組裝反應(yīng)。第5頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.1.1前體代謝物的代謝成本

2.6.1.2分子模塊等的代謝成本

2.6.1.3生物大分子的代謝成本

2.6.1.4整個(gè)細(xì)胞的代謝成本

第6頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.1.1前體代謝物的代謝成本

依據(jù)運(yùn)輸、生物合成和聚合的代謝成本的估計(jì)值，有可能計(jì)算出細(xì)胞合成所需的ATP總量和NADPH的總量。這種計(jì)算是以碳源（通常是葡萄糖）為基礎(chǔ)的，首先計(jì)算12種前體代謝物（將在第三章講述）。這12種前體代謝物是微生物通過(guò)能量供應(yīng)反應(yīng)從碳源生成的。第7頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.1.2模塊分子等的代謝成本

研究細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，當(dāng)然要研究代謝的成本，包括多肽和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元氨基酸生物合成的代謝成本，核酸的結(jié)構(gòu)單元核苷酸生物合成的代謝成本，以及脂類和糖類結(jié)構(gòu)單元的生物合成的代謝成本。這些分子模塊都是從前體代謝物出發(fā)合成的。第8頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.1.3生物大分子的代謝成本

在細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，既要討論全局的通用代謝物的作用，也要討論細(xì)胞物質(zhì)合成的成本。這里將討論合成生物大分子的代謝成本。第9頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三組成細(xì)胞的生物大分子可分成以下幾類：①RNA；②DNA；③蛋白質(zhì)；④碳水化合物（糖類）；⑤氨基碳水化合物（氨基糖類）；⑥脂類。生物大分子的組成隨生物種類的不同而不同，對(duì)于一個(gè)給定的生物物種，其大分子組成隨比生長(zhǎng)速率和環(huán)境條件的改變而改變。第10頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三⑴蛋白質(zhì)合成的成本

在延伸的肽鏈上添加1個(gè)氨基酸需要利用4個(gè)高能磷酸鍵，相當(dāng)于4個(gè)ATP。此外，在從mRNA合成與校對(duì)等過(guò)程中還需要一些自由能，總計(jì)每結(jié)合1個(gè)氨基酸約需0.3個(gè)ATP。因此在多肽生成過(guò)程中，在延伸的肽鏈上每添加1個(gè)氨基酸一共要消耗4.3個(gè)ATP。第11頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三⑵核糖核酸（RNA）合成的成本

收編1個(gè)核苷酸（以單磷酸核苷酸計(jì)）的代謝能成本為2.4個(gè)ATP。

⑶脫氧核糖核酸（DNA）合成的成本

結(jié)合1個(gè)脫氧核糖核苷酸（以單磷酸核苷酸計(jì)）的總能耗為3.4個(gè)ATP。

⑷磷脂等的生物合成成本（略）第12頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.1.4整個(gè)細(xì)胞的代謝成本

如果用于形成前體代謝物、模塊分子和生物大分子的代謝成本已知，那么就可以計(jì)算出合成整個(gè)細(xì)胞所需的ATP。第13頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.2用于維持的ATP消耗

第14頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三許多細(xì)胞反應(yīng)需要消耗ATP，但這些反應(yīng)對(duì)菌體的凈合成并沒(méi)有貢獻(xiàn)，通常把這些反應(yīng)稱為維持反應(yīng)或維持過(guò)程。其中有一些維持反應(yīng)與生長(zhǎng)有關(guān)，例如用于維持細(xì)胞質(zhì)膜的跨膜的電化學(xué)梯度的反應(yīng)，而其他維持反應(yīng)（如生物大分子的周轉(zhuǎn)和更新）與細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率是無(wú)關(guān)的。第15頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.2.1濃度梯度和電位梯度的

維持

2.6.2.2無(wú)效循環(huán)

2.6.2.3大分子的周轉(zhuǎn)和更新

第16頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.2.1濃度梯度和電位梯度的維持

為確保適當(dāng)?shù)墓δ?，?xì)胞要維持各種跨膜的濃度梯度和電化學(xué)梯度，包括跨質(zhì)膜的濃度梯度和電化學(xué)梯度，跨真核細(xì)胞線粒體膜的濃度梯度和電化學(xué)梯度。這些過(guò)程需要代謝能，但不會(huì)導(dǎo)致新菌體量的合成，因此是維持過(guò)程的典型例子。第17頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

這些過(guò)程中有一部分是與生長(zhǎng)相關(guān)的，例如細(xì)胞膨脹變大時(shí)，增大的面積（或體積）上的電位梯度要得到維持；但也有一部分是與生長(zhǎng)無(wú)關(guān)的，即當(dāng)細(xì)胞不生長(zhǎng)時(shí)梯度也需要維持。維持梯度的ATP消耗估計(jì)可達(dá)生成ATP總量的的50%。第18頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.2.2無(wú)效循環(huán)

細(xì)胞內(nèi)有些反應(yīng)序列，其凈結(jié)果是ATP的水解。例如6-磷酸果糖在磷酸果糖激酶的作用下生成1,6-二磷酸果糖，1,6-二磷酸果糖在二磷酸果糖磷酸酯酶的作用下，又被降解成6-磷酸果糖。這兩步反應(yīng)導(dǎo)致ATP的凈消耗。第19頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

這類循環(huán)最初被當(dāng)作是代謝控制的一個(gè)缺陷（因此被稱為無(wú)效循環(huán)），但目前這種循環(huán)被認(rèn)為是一種重要的代謝控制機(jī)制。當(dāng)兩種酶都存在時(shí)，這種循環(huán)能使細(xì)胞迅速地進(jìn)行自我調(diào)整以適應(yīng)新環(huán)境條件。第20頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.2.3大分子的周轉(zhuǎn)和更新

細(xì)胞需要不斷降解和合成許多分子，以維持其對(duì)代謝功能的控制能力。因此mRNA的半衰期只有的幾分鐘。大分子的這種連續(xù)的降解和再聚合，導(dǎo)致了ATP的凈消耗，而沒(méi)有新生物量的產(chǎn)生，因此，也被認(rèn)為是一種維持過(guò)程。第21頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.3微生物能量的貯存

第22頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)有多余營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)存在時(shí)，微生物常常改變它們的某些代謝方向，合成一些化合物，作為能量貯存。當(dāng)?shù)椿蚱渌匦桦x子限量而碳和能量物質(zhì)仍然可以被利用時(shí)，也生成大量的貯備化合物。饑餓時(shí)可以降解這些化合物，以釋放能量，維持生存。一般情況下，不到細(xì)胞內(nèi)氨基酸和核苷酸庫(kù)不能再維持下去的時(shí)候，這些貯藏物是不動(dòng)用的。這些化合物大致可以分成以下幾類。第23頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.3.1碳水化合物的貯藏

2.6.3.2脂類的貯藏

2.6.3.3多聚偏磷酸

第24頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.3.1碳水化合物的貯藏

在真菌及細(xì)菌中，包括某些藍(lán)細(xì)菌中，發(fā)現(xiàn)的貯存化合物是海藻糖（trehalose），一種非還原性的雙糖。

在酵母及黏菌（slimemoulds）中碳水化合物則以糖原的方式存在。糖原在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段堆積起來(lái)，到生長(zhǎng)發(fā)育階段，導(dǎo)致孢子形成時(shí)，這些儲(chǔ)備物就用來(lái)提供能量。第25頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在許多微生物中發(fā)現(xiàn)糖原存在，特別是在能量豐富營(yíng)養(yǎng)不平衡的時(shí)候，就有相當(dāng)大量的糖原堆積。糖原合成的機(jī)制在原核生物和真核生物中是不同的。在原核細(xì)胞中，葡糖基（glycosyl）的供體是ADP-葡萄糖，而不是UDP-葡萄糖（原核細(xì)胞中UDP-葡萄糖用來(lái)合成細(xì)胞壁）。第26頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.3.2脂類的貯藏

在原核細(xì)胞中，多聚-β-羥基丁酸（poly-β-hydroxybutyrate，PHB）是最普通的脂類貯存化合物，在光合細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌和許多其他原核細(xì)胞中都有大量堆積。

在有較大的芽孢的芽孢桿菌中，包括蠟狀芽孢桿菌（B.cereus）及巨大芽孢桿菌（B.megaterium），PHB是生孢子的主要貯存化合物。第27頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三PHB是一種線形多聚體（可達(dá)菌體干重的60%），它的降解需要蛋白水解酶使PHB顆?；罨S后被PHB解聚酶（depolymerase）水解成二聚體，最后切成單體。

真核細(xì)胞中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)PHB，卻有中性脂類的堆積。第28頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.6.3.3多聚偏磷酸

在許多微生物中，包括真核及原核生物，在異染粒（volutin）顆粒中發(fā)現(xiàn)有多聚偏磷酸（polymetaphosphate），這種多聚體同時(shí)起磷酸貯存及能量貯存的作用，因?yàn)榱姿狒I水解時(shí)具有很高的自由能。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

代謝能的持續(xù)供應(yīng)是微生物生命活動(dòng)的前提，代謝能支撐是工業(yè)發(fā)酵運(yùn)行的立足點(diǎn)。

代謝能支撐假說(shuō)揭示了化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞的能量代謝的氧化還原本質(zhì)，確定了工業(yè)發(fā)酵的生物學(xué)屬性。確立了微生物活細(xì)胞在發(fā)酵生產(chǎn)中的核心地位。第30頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三復(fù)習(xí)題

1.試述代謝能支撐假說(shuō)的要點(diǎn)。

2.試比較真核細(xì)胞與原核細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)部的空間分隔，討論真核細(xì)胞的跨膜輸送的復(fù)雜性。

3.試比較微生物細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸與發(fā)酵時(shí)，還原劑分子釋放的電子轉(zhuǎn)移到最終電子受體的過(guò)程。

4.為什么說(shuō)“無(wú)氧發(fā)酵”的說(shuō)法是不準(zhǔn)確的？5.為什么脫氫酶的輔酶必須被再生