化能異養(yǎng)型微生物代謝中的能量形式轉(zhuǎn)換

化能異養(yǎng)型微生物代

謝中的能量形式轉(zhuǎn)換2024/2/21張星元：發(fā)酵原理化能異養(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(dòng)?；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(dòng)（支撐生命）的代謝能。2024/2/22張星元：發(fā)酵原理2.4.1氧化還原對(duì)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(duì)應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換

機(jī)制2024/2/23張星元：發(fā)酵原理2.4.1氧化還原對(duì)及其

氧化還原電位

2024/2/24張星元：發(fā)酵原理2.4.1.1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(cè)定及標(biāo)準(zhǔn)

狀況的規(guī)定2024/2/25張星元：發(fā)酵原理氧化還原系統(tǒng)中成對(duì)的氧化物和還原物被稱為氧化還原對(duì)（redoxcouple），又稱為電極對(duì)，其通式為：氧化型/還原型。

例如：

NAD+／NADH+H+

Fe3+／Fe2+。

2024/2/26張星元：發(fā)酵原理在氧化還原電極對(duì)之間有電子轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，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(shì)的物理量，記作“E”。在物理化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀況下電極對(duì)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(duì)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(lái)定義的。2024/2/27張星元：發(fā)酵原理2.4.1.1溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)狀況的規(guī)定2024/2/28張星元：發(fā)酵原理在生物系統(tǒng)中，溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)狀況有它的特殊性，因?yàn)樯磻?yīng)通常在接近中性pH的稀水溶液中進(jìn)行。已對(duì)生物系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)狀況作如下參考規(guī)定：2024/2/29張星元：發(fā)酵原理①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(shí)際上水的摩爾濃度為55.5mol/L。

②氫離子的活度規(guī)定為對(duì)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。2024/2/210張星元：發(fā)酵原理③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(cè)量一個(gè)化合物的總濃度比測(cè)量其一種離子的濃度要更容易些。然而，因?yàn)樗峄驂A的離子組成隨pH值而變化，用總濃度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)自由能時(shí)，只能采用pH7時(shí)的濃度。2024/2/211張星元：發(fā)酵原理

使用上述參考規(guī)定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)自由能變化一般用符號(hào)ΔG0′（生化標(biāo)準(zhǔn)狀況下自由能的變化）來(lái)表示，這里加上撇號(hào)“′”，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(wú)關(guān)，所以參考狀況是可以人為選擇的。2024/2/212張星元：發(fā)酵原理

然而，在用公式表示水和質(zhì)子對(duì)自由能變化的影響時(shí)，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)）。2024/2/213張星元：發(fā)酵原理2.4.1.2生化反應(yīng)前后自由能的變化2024/2/214張星元：發(fā)酵原理

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(wú)關(guān)）。

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

當(dāng)ΔG′＝0時(shí)，反應(yīng)已達(dá)到平衡；

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

2024/2/215張星元：發(fā)酵原理生物體內(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′+RTln

Keq′

2024/2/216張星元：發(fā)酵原理

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

ΔG0′=-RTln

Keq′

R是摩爾氣體常數(shù)8.314

[J·（mol°K）-1]，平衡常數(shù)Keq′可以測(cè)得的，因此可以從該反應(yīng)的Keq′值及絕對(duì)溫度T，來(lái)推算ΔG0′。當(dāng)然ΔG0′的值也可以通過(guò)查表獲得。2024/2/217張星元：發(fā)酵原理2.4.1.3氧化還原電位的測(cè)定

及標(biāo)準(zhǔn)狀況的規(guī)定

2024/2/218張星元：發(fā)酵原理

在測(cè)量電極對(duì)的還原電位時(shí)，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(duì)子的溶質(zhì)的濃度均為lmol·L-1；對(duì)參比半電池為氫電極的情況來(lái)說(shuō)，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(gè)半電池的電位差即為樣品對(duì)子的標(biāo)準(zhǔn)還原電位。

2024/2/219張星元：發(fā)酵原理為了使電極對(duì)的還原電位數(shù)據(jù)有可比性，必須對(duì)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(duì)子的E0′值。E0′是在pH7.0和25℃條件下，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫半電池的生化標(biāo)準(zhǔn)還原電位的測(cè)定值。2024/2/220張星元：發(fā)酵原理2024/2/221張星元：發(fā)酵原理可以預(yù)見(jiàn)，在生化標(biāo)準(zhǔn)狀況下，表中任何指定的氧化還原對(duì)，傾向于還原任何列在它下面的氧化還原對(duì)，其相對(duì)位置是它們之間氧化還原熱力學(xué)自發(fā)性的度量。2024/2/222張星元：發(fā)酵原理在生物體中，氧化還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化（ΔG0′）實(shí)際上是與兩個(gè)氧化還原對(duì)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。2024/2/223張星元：發(fā)酵原理2.4.2電子載體與高能

（磷酸）鍵載體2024/2/224張星元：發(fā)酵原理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)2024/2/225張星元：發(fā)酵原理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。2024/2/226張星元：發(fā)酵原理脫氫酶的輔酶NAD+

實(shí)際上是氫負(fù)離子（hydrideion，即一個(gè)質(zhì)子和一對(duì)電子）的載體；黃素蛋白和CoQ

實(shí)際上是氫原子（一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)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。2024/2/227張星元：發(fā)酵原理這些載體的氧化型和各自的還原型配對(duì)，組成各自的氧化還原電極對(duì)。例如：NAD+／NADH+H+、FAD/FADH2、CoQ/CoQH2和Fe3+／Fe2+等。2024/2/228張星元：發(fā)酵原理2.4.2.2高能（磷酸）鍵載體

及能量偶聯(lián)

2024/2/229張星元：發(fā)酵原理根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)反應(yīng)體系的ΔG＞0時(shí)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(lái)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(shí)，反應(yīng)才能進(jìn)行。2024/2/230張星元：發(fā)酵原理生物學(xué)中定義：由放能反應(yīng)提供自由能，用以驅(qū)動(dòng)需能反應(yīng)的過(guò)程，被稱為放能反應(yīng)與需能反應(yīng)之間能量的偶聯(lián)。

2024/2/231張星元：發(fā)酵原理然而，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(dòng)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。

2024/2/232張星元：發(fā)酵原理高能磷酸酯鍵普通磷酸酯鍵2024/2/233張星元：發(fā)酵原理

在生命活動(dòng)過(guò)程中，生物體不斷地消耗ATP，同時(shí)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(guò)程。

2024/2/234張星元：發(fā)酵原理2.4.3生物學(xué)體系中

的能量耦合

2024/2/235張星元：發(fā)酵原理在化能異養(yǎng)型微生物中，能源化合物被氧化時(shí)放出的化學(xué)能主要通過(guò)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。

2024/2/236張星元：發(fā)酵原理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(dāng)量耦合2024/2/237張星元：發(fā)酵原理2.4.3.1直接化學(xué)耦合

2024/2/238張星元：發(fā)酵原理直接化學(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(guò)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(duì)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(guò)程。2024/2/239張星元：發(fā)酵原理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(duì)應(yīng)的酶（1,3-2P-GA對(duì)應(yīng)于3-P-GA激酶，PEP對(duì)應(yīng)于PYR激酶）的催化下將ADP磷酸化成ATP。2024/2/240張星元：發(fā)酵原理2.4.3.2電耦合2024/2/241張星元：發(fā)酵原理

電耦合是指以質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)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(lái)。詳見(jiàn)本章2.4.4。2024/2/242張星元：發(fā)酵原理2.4.3.3還原當(dāng)量耦合

⑴還原當(dāng)量，⑵還原當(dāng)量耦合2024/2/243張星元：發(fā)酵原理⑴還原當(dāng)量

討論還原當(dāng)量耦合問(wèn)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(gè)電子或一個(gè)氫原子的還原力的量叫做一個(gè)還原當(dāng)量。本課程為了說(shuō)明問(wèn)題的方便，將相當(dāng)于一對(duì)電子或一個(gè)氫負(fù)離子（hydrideion）的還原力的量叫做一個(gè)還原當(dāng)量。2024/2/244張星元：發(fā)酵原理所謂氫負(fù)離子是指[H∶]-，即[H++2e-]-，也就是一個(gè)質(zhì)子和一對(duì)電子。

NADH是NAD+[H∶]-

的簡(jiǎn)寫。

2024/2/245張星元：發(fā)酵原理

因此，NAD+是氫負(fù)離子的載體，也就是一對(duì)電子和一個(gè)質(zhì)子的載體，當(dāng)然也是一對(duì)電子的載體。脫氫酶的輔酶NAD+作為一對(duì)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(shí)際上ATP是代謝能的載體一樣。2024/2/246張星元：發(fā)酵原理發(fā)生生物氧化時(shí)，還原性化合物（還原劑）脫氫（氧化）而釋放出“氫”（有些書(shū)上標(biāo)寫為“2H”），這個(gè)“氫”實(shí)際上是1對(duì)電子和2個(gè)質(zhì)子，這2個(gè)質(zhì)子有時(shí)結(jié)合在輔酶或輔基上，有時(shí)其中一個(gè)質(zhì)子存在于溶液中，因此有：

NAD++2H→NADH+H+

（其中一個(gè)質(zhì)子和一對(duì)電子結(jié)合在輔酶分子上，一個(gè)質(zhì)子存在于溶液中）；

FAD+2H→FADH2

（兩個(gè)質(zhì)子和一對(duì)電子都結(jié)合在輔基上）。2024/2/247張星元：發(fā)酵原理

AMP

FMN

FADH

FADH

2

FAD

圖4-23

FAD+2H→

FADH2（這兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合在輔基分子上）

2024/2/248張星元：發(fā)酵原理圖4-24

NAD++2H→

NADH+H+

（其中一個(gè)質(zhì)子和一對(duì)電子結(jié)合在輔酶分子上，一個(gè)質(zhì)子存在于溶液中）

[H﹕]ˉ

來(lái)自水相

NAD(P)+

NAD(P)H2024/2/249張星元：發(fā)酵原理

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。

2024/2/250張星元：發(fā)酵原理在生物氧化過(guò)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(guò)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)。2024/2/251張星元：發(fā)酵原理一些重要的輔酶，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(lái)。如GA-3-P脫氫時(shí)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(gè)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。2024/2/252張星元：發(fā)酵原理

NAD+是一些常見(jiàn)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(jiàn)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。2024/2/253張星元：發(fā)酵原理FAD和FMN是一些氧化還原酶（脫氫酶）的輔基，這些酶因?yàn)橛蠪AD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。2024/2/254張星元：發(fā)酵原理盡管大多數(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(gè)還原反應(yīng)提供還原當(dāng)量，允許同一個(gè)脫氫（氧化）反應(yīng)為許多其他還原反應(yīng)提供還原當(dāng)量。2024/2/255張星元：發(fā)酵原理2.4.4與呼吸、發(fā)酵對(duì)應(yīng)的

代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制2024/2/256張星元：發(fā)酵原理為了說(shuō)明問(wèn)題方便，以微生物對(duì)葡萄糖的降解代謝為例，來(lái)說(shuō)明與呼吸、發(fā)酵對(duì)應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制。葡萄糖的降解可分成3個(gè)階段。2024/2/257張星元：發(fā)酵原理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(gè)階段不但通過(guò)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。2024/2/258張星元：發(fā)酵原理

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(shí)微生物細(xì)胞進(jìn)行發(fā)酵性代謝。這個(gè)過(guò)程因這些還原產(chǎn)物的分泌而得以進(jìn)行。2024/2/259張星元：發(fā)酵原理如果遺傳與環(huán)境條件許可，丙酮酸相對(duì)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(dāng)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(shí)微生物細(xì)胞進(jìn)行氧化性代謝。2024/2/260張星元：發(fā)酵原理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(guò)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(xì)胞得率(細(xì)胞對(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)化率)。2024/2/261張星元：發(fā)酵原理2.4.4.1與呼吸相對(duì)應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制

2.3.4.2與發(fā)酵相對(duì)應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制2024/2/262張星元：發(fā)酵原理2.4.4.1與呼吸相對(duì)應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制

與呼吸相對(duì)應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制主要是指：在電子傳遞過(guò)程中的構(gòu)建質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)Δp的機(jī)制，以及ADP被磷酸化生成ATP的機(jī)制。呼吸既可以直接建立Δp（“能庫(kù)”），又可以間接地形成ATP（“能量貨幣”）。其機(jī)制分別是：2024/2/263張星元：發(fā)酵原理

①還原性化合物被氧化時(shí)放出的、并由還原型輔酶或輔基轉(zhuǎn)交的電子，經(jīng)電子傳遞鏈傳給最終電子受體（分子氧或含氧化合物），完成有氧呼吸或無(wú)氧呼吸。在傳遞的過(guò)程中，把質(zhì)子從膜的一側(cè)送到另一側(cè)（因而電子傳遞鏈有“質(zhì)子泵”之稱），從而建立了跨膜的Δp；2024/2/264張星元：發(fā)酵原理②質(zhì)子可借助于ATP合成酶的質(zhì)子通道（因而ATP合成酶也有“質(zhì)子泵”之稱）跨過(guò)膜，在ATP合成酶的催化下，由ADP和磷酸根合成ATP，按一定的計(jì)量關(guān)系將Δp轉(zhuǎn)化成ATP。2024/2/265張星元：發(fā)酵原理2.4.4.1與發(fā)酵相對(duì)應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制

發(fā)酵既可以直接形成ATP，又可以間接地建立Δp，其機(jī)制分別是：

①脫氫（或氧化）反應(yīng)的直接或間接產(chǎn)物高能磷酸化合物作為其對(duì)應(yīng)的酶的底物，在該酶的底物水平上發(fā)生磷酸化作用，將ADP磷酸化，生成ATP；

②借助ATP酶，消耗ATP，把質(zhì)子從膜的一側(cè)送到另一側(cè)，從而可以按一定計(jì)量關(guān)系增加Δp。

2024/2/266張星元：發(fā)酵原理輔酶NAD+

吸收脫氫作用中放出的電子，而被還原成NADH。NADH作為電子供體將電子直接交給最終電子受體（內(nèi)源性有機(jī)化合物），生成發(fā)酵產(chǎn)物，同時(shí)NAD+

得到再生。在此還原當(dāng)量耦合的過(guò)程中放出的自由能太少，不足以生成ATP，因此并沒(méi)有代謝能形成。

2024/2/267張星元：發(fā)酵原理第五節(jié)質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)

和質(zhì)子回路

2024/2/268張星元：發(fā)酵原理生物能學(xué)（bioenergetics）是能量代謝領(lǐng)域中專門研究能量轉(zhuǎn)換膜（如線粒體內(nèi)膜、原核生物細(xì)胞的質(zhì)膜等）及其功能的學(xué)說(shuō)。生物能學(xué)能幫助我們分析和理解微生物有關(guān)代謝能的能量形式轉(zhuǎn)換的機(jī)制。本節(jié)主要討論化學(xué)滲透假設(shè)，電子傳遞鏈、ATP酶、載體蛋白在膜上的分布以及質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生原理，并對(duì)生物能學(xué)中的質(zhì)子回路與電學(xué)中的電路（電子回路）進(jìn)行比較。2024/2/269張星元：發(fā)酵原理2.5.1化學(xué)滲透假設(shè)及質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)

2.5.2微生物細(xì)胞內(nèi)代謝能形式的轉(zhuǎn)換2024/2/270張星元：發(fā)酵原理2.5.1化學(xué)滲透假設(shè)及質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)2024/2/271張星元：發(fā)酵原理2.5.1.1化學(xué)滲透假設(shè)

2.5.1.2電子傳遞鏈成員、ATP合成酶

以及載體蛋白在膜上的分布

2.5.1.3質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)2024/2/272張星元：發(fā)酵原理2.5.1.1化學(xué)滲透假設(shè)2024/2/273張星元：發(fā)酵原理化學(xué)滲透假設(shè)的要點(diǎn)：

①生物膜具有拓?fù)鋵W(xué)的完整性，它對(duì)離子，

特別是H+和OH-離子是不通透的（借助

特異的交換系統(tǒng)才能跨膜輸送）；

②膜結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)和脂質(zhì)分布）的不對(duì)稱

性導(dǎo)致膜功能的方向性；

③電子在電子傳遞鏈上的傳遞導(dǎo)致質(zhì)子向

膜外排放；

④膜上嵌有用于質(zhì)子跨膜的ATP磷酸化酶

（ATP合成酶）。

2024/2/274張星元：發(fā)酵原理2.5.1.2電子傳遞鏈、ATP合成酶以及

載體蛋白在膜上的分布2024/2/275張星元：發(fā)酵原理

由磷脂雙分子層組成的單位膜中相對(duì)固定地鑲嵌著電子傳遞鏈的成員、ATP合成酶及載體蛋白。電子傳遞鏈?zhǔn)且幌盗邢嗷プ饔玫亩嚯?。它們各自形成的氧化還原電極對(duì)還原電位的高低順序，以及它們?cè)谀ど系目臻g關(guān)系的相對(duì)固定，為電子在電子傳遞鏈上按相對(duì)固定的順序流動(dòng)提供了保證。

2024/2/276張星元：發(fā)酵原理

呼吸鏈的主要成分是具有輔基的載體蛋白，這些輔基的氧化還原電位處于NAD+和分子氧之間，在真核微生物的線粒體膜和細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)膜上，NADH的電子經(jīng)還原電位逐步提高的一連串載體，一直傳送到分子氧。2024/2/277張星元：發(fā)酵原理2024/2/278張星元：發(fā)酵原理左圖描繪了大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)膜的情況：由磷脂雙分子層組成的單位膜中相對(duì)固定地鑲嵌著電子傳遞鏈的成員、ATP合成酶及載體蛋白。電子傳遞鏈在圖中被描繪成一系列相互作用的蛋白質(zhì)。2024/2/279張星元：發(fā)酵原理從圖可見(jiàn)，ATP酶的F1亞基不是被包埋在膜的磷脂雙分子層中，而是緊貼于膜上，是膜的周邊蛋白。電子傳遞鏈的組分如黃素蛋白、鐵硫蛋白、細(xì)胞色素b、細(xì)胞色素o等，被包埋在磷脂雙分子層中，屬整合蛋白。像ATP合成酶的F0亞基和β-半乳糖苷透性酶（乳糖/H+

同向輸送的載體蛋白），這類用于輸送的載體蛋白穿透整個(gè)磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，又被稱為膜輸送蛋白。

2024/2/280張星元：發(fā)酵原理FMNFMNH2氧化型還原型2024/2/281張星元：發(fā)酵原理AMPFMNFADHFADH2FAD2024/2/282張星元：發(fā)酵原理不同形式的鐵硫蛋白蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)2024/2/283張星元：發(fā)酵原理醌（CoQ）半醌氫醌（CoQ

H2）2024/2/284張星元：發(fā)酵原理a-型血紅素b-型血紅素c-型血紅素細(xì)胞色素氧化酶的Cyta和Cyta3中的鐵卟啉CoQH2-Cytc還原酶復(fù)合物的Cytb562和Cytb566中的鐵卟啉CytC

和CytC1中的鐵卟啉細(xì)胞色素中的鐵卟啉2024/2/285張星元：發(fā)酵原理大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)膜上輸送蛋白、電子傳遞鏈和ATP酶，及它們各自的功能的示意圖。圖中：1,黃素蛋白；2,鐵硫蛋白；3,細(xì)胞色素b;4,細(xì)胞色素o;5/6,ATP酶；7,輸送蛋白。2024/2/286張星元：發(fā)酵原理真核細(xì)胞線粒體上的電子傳遞鏈及ATP酶2024/2/287張星元：發(fā)酵原理2.5.1.3質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)2024/2/288張星元：發(fā)酵原理質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)（protonmotiveforce，簡(jiǎn)稱pmf）,是參照電動(dòng)勢(shì)（electronmotiveforce）漢譯的。質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)和電動(dòng)勢(shì)的單位都是伏特。

根據(jù)化學(xué)滲透假設(shè)，膜對(duì)質(zhì)子是不透的，電子傳遞質(zhì)子泵、ATP酶質(zhì)子泵的運(yùn)轉(zhuǎn)在膜兩邊建立了質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)。2024/2/289張星元：發(fā)酵原理質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)Δp，一般由電分量（電荷因子）ΔΨ

和化學(xué)分量（濃度因子）－Z（ΔpH）兩項(xiàng)組成：

Δp=ΔΨ－Z（ΔpH）2024/2/290張星元：發(fā)酵原理上式中，ΔΨ代表跨膜電位；－Z（ΔpH）代表膜兩邊H+濃度差引起的電位差的。

Δp=p外－p內(nèi)，

ΔΨ=Ψ外－Ψ內(nèi)，

ΔpH=pH外—pH內(nèi)

Z是將pH值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?shì)單位的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

Z=2.3RT/

F，30℃時(shí)，Z=60mV。

R為摩爾氣體常數(shù)[8.314J·（mol°K）-1]、

T為絕對(duì)溫度（°K）、

F為法拉第常數(shù)（9.618×104

C·mol-1）。2024/2/291張星元：發(fā)酵原理2024/2/292張星元：發(fā)酵原理熱力學(xué)第一定律告訴我們，能量既不可能創(chuàng)生也不可能消滅，只能從一種形式的能量轉(zhuǎn)變成另一種形式的能量。微生物的代謝能來(lái)自化學(xué)能或光能，對(duì)于化能異養(yǎng)型微生物來(lái)說(shuō)只能來(lái)自生物氧化過(guò)程中釋放的化學(xué)能。代謝能的兩種主要形式ATP和Δp的關(guān)系就類似于貨幣與銀行的關(guān)系。2024/2/293張星元：發(fā)酵原理2.5.2.1電子在電子傳遞鏈上的傳遞建立Δp

2.5.2.2ATP的形成與電子傳遞磷酸化的產(chǎn)率

2.5.2.3胞內(nèi)pH值自動(dòng)（調(diào)節(jié)）動(dòng)態(tài)平衡

2.5.2.4化學(xué)滲透質(zhì)子回路及其功能的有關(guān)討論2024/2/294張星元：發(fā)酵原理2.5.2.1電子在電子傳遞鏈上的傳遞

和Δp的建立2024/2/295張星元：發(fā)酵原理++++－－－－NADH+H+NAD+QQH22H+2H+2H+FMNFe-S-Pbdo?O2

+2H+H2O2e-2e-2e-E.coli

質(zhì)膜胞外胞內(nèi)2H2O2OH-大腸桿菌質(zhì)膜上的電子傳遞鏈及質(zhì)子泵出機(jī)制返回NADH脫氫酶的組成部分細(xì)胞色素氧化酶2024/2/296張星元：發(fā)酵原理細(xì)菌細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的一個(gè)H+及由NAD+運(yùn)載的氫負(fù)離子（包含一個(gè)H+和一對(duì)電子）首先被傳送到橫跨在膜上的NADH脫氫酶的組分黃素蛋白，把它的輔基FMN還原成FMNH2；接著，已傳送到FMNH2的這一對(duì)電子通過(guò)NADH脫氫酶的另一組分鐵硫蛋白返回到細(xì)胞膜的內(nèi)表面，而2個(gè)H+則被留在細(xì)胞膜的外側(cè)的水相中，與此同時(shí)FMNH2被再生為FMN。2024/2/297張星元：發(fā)酵原理電子載體鐵硫蛋白得到的這對(duì)電子與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的2個(gè)H+一起，把1分子泛醌（CoQ）還原成氫醌（CoQH2）；帶著這對(duì)電子和這2個(gè)H+的氫醌將這對(duì)電子交給貼近膜外側(cè)的細(xì)胞色素b，把這2個(gè)H+釋放到胞外，自身又回復(fù)成泛醌；然后，細(xì)胞色素b又把這對(duì)電子傳遞給細(xì)胞色素o（細(xì)胞色素氧化酶）。最后，傳遞到細(xì)胞色素o的這對(duì)電子還原胞內(nèi)的分子氧，同時(shí)消耗膜內(nèi)側(cè)2個(gè)H+，生成水。2024/2/298張星元：發(fā)酵原理由此可見(jiàn)在大腸桿菌中借助電子傳遞鏈每氧化1分子NADH，就有4個(gè)H+被轉(zhuǎn)移出去。H+的轉(zhuǎn)移在膜兩邊形成質(zhì)子梯度，蘊(yùn)藏在這個(gè)梯度中的能量可用于推動(dòng)各種細(xì)胞過(guò)程。例如，在酵母細(xì)胞質(zhì)中2個(gè)H+通過(guò)ATP合成酶進(jìn)入線粒體，可驅(qū)動(dòng)1分子ATP的合成，質(zhì)子梯度能驅(qū)動(dòng)某些糖和氨基酸的簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送，驅(qū)動(dòng)細(xì)菌鞭毛旋轉(zhuǎn)等。2024/2/299張星元：發(fā)酵原理從以上分析得知，在電子傳遞磷酸化的電子傳遞過(guò)程中，像泵一樣把質(zhì)子泵出細(xì)胞。每當(dāng)電子從氫載體傳到電子載體時(shí)，把質(zhì)子留在膜外，當(dāng)電子從電子載體傳到氫載體時(shí)，從膜內(nèi)側(cè)吸取質(zhì)子，完成質(zhì)子泵的功能。

2024/2/2100張星元：發(fā)酵原理細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜（左）和真核細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜（右）上的電子傳遞過(guò)程的比較圖2024/2/2101張星元：發(fā)酵原理對(duì)大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)膜來(lái)說(shuō)，NADH所負(fù)載的一對(duì)電子在經(jīng)電子傳遞鏈傳到最終電子受體分子氧的過(guò)程中，只能泵出4個(gè)H+；而在酵母細(xì)胞中經(jīng)線粒體上的電子傳遞鏈（其細(xì)胞色素系統(tǒng)比細(xì)菌的細(xì)胞色素系統(tǒng)復(fù)雜），一共可泵出6個(gè)H+。2024/2/2102張星元：發(fā)酵原理有些化能自養(yǎng)型的細(xì)菌以硫化物、硫、亞硝酸等還原性化合物為氫供體（能源），由于這些氫供體各自形成的氧化還原對(duì)的還原電位比NAD+/NADH+H+的還原電位高，它們?cè)跓崃W(xué)上不可能直接還原NAD+，故假設(shè)在這些細(xì)菌中NAD（P）+

的還原只能由ATP驅(qū)動(dòng)的反向電子傳遞來(lái)完成。2024/2/2103張星元：發(fā)酵原理在這種情況下，微生物細(xì)胞依賴于電子反向傳遞而形成的NAD（P）H+H+來(lái)把CO2（碳源）還原成有機(jī)化合物。而ATP的合成則借助于電子傳遞鏈后段的順向電子傳遞。2024/2/2104張星元：發(fā)酵原理2.5.2.2ATP的形成與電子

傳遞磷酸化的產(chǎn)率2024/2/2105張星元：發(fā)酵原理

電子傳遞通常與ATP的合成緊密耦合。只有當(dāng)電子傳遞鏈發(fā)生并提供了質(zhì)子梯度時(shí)，ATP才得以生成；只有當(dāng)ADP同時(shí)被磷酸化成ATP時(shí)，電子才經(jīng)電子傳遞鏈流向氧。氧化磷酸化的實(shí)際速率取決于細(xì)胞內(nèi)可利用的ATP的量（濃度）。2024/2/2106張星元：發(fā)酵原理氧化磷酸化需要NADH（或FADH2）、氧，以及ADP、無(wú)機(jī)磷酸。如果把ADP加到線粒體，當(dāng)電子順向傳遞時(shí)，氧消耗速率上升；當(dāng)ADP已被磷酸化為ATP時(shí)，氧的消耗速率下降，這個(gè)過(guò)程叫做呼吸控制。2024/2/2107張星元：發(fā)酵原理這個(gè)機(jī)制可以保證，當(dāng)需要ATP合成時(shí)，電子才向下傳遞。如果ATP水平高，ADP水平低，就不會(huì)發(fā)生電子傳遞。如果NADH和FADH2累積，TCA環(huán)和酵解受抑制。呼吸控制按如下方式進(jìn)行：

關(guān)閉：【ATP】↑→電子傳遞受阻→【NADH或FADH2】↑→TCA環(huán)和酵解受抑制。

開(kāi)啟：【ADP】↑→拉動(dòng)電子傳遞→【NADH或FADH2】↓→TCA環(huán)和酵解就暢通。2024/2/2108張星元：發(fā)酵原理

生物化學(xué)把從ADP形成ATP的過(guò)程叫做磷酸化。磷酸化有兩種方式，即底物水平磷酸化和電子傳遞磷酸化。電子傳遞磷酸化是指與電子傳遞鏈上電子傳遞過(guò)程相耦合的磷酸化，這種磷酸化要借助膜上的ATP合成酶，消耗Δp而生成ATP。

電子傳遞磷酸化的產(chǎn)率主要取決于以下因素：①

用來(lái)泵出質(zhì)子并形成Δp的細(xì)胞色素系統(tǒng)；②

最終電子受體的類型；③ATP合成酶的效率。2024/2/2109張星元：發(fā)酵原理

因此就出現(xiàn)了電子傳遞磷酸化的產(chǎn)率問(wèn)題，即ATP/NADH之比值。例如，需氧生長(zhǎng)中的大腸桿菌與酵母菌兩者都形成NADH，它的一對(duì)電子經(jīng)電子傳遞鏈傳到分子氧，大腸桿菌泵出4個(gè)H+，而酵母菌泵出6個(gè)H+，這是因?yàn)樗鼈兊募?xì)胞色素系統(tǒng)不同。2024/2/2110張星元：發(fā)酵原理此外，大腸桿菌的ATP合成酶合成1個(gè)ATP需消耗2～3個(gè)H+

，而酵母線粒體的ATP合成酶只有消耗將近2個(gè)H+

。因此，1分子NADH（即每對(duì)電子）在大腸桿菌可能相當(dāng)于1～2分子ATP，而酵母能產(chǎn)3個(gè)ATP分子。2024/2/2111張星元：發(fā)酵原理2.5.2.3微生物細(xì)胞內(nèi)代謝能形式的轉(zhuǎn)換

2024/2/2112張星元：發(fā)酵原理微生物細(xì)胞內(nèi)代謝能的主要存在形式是ATP和Δp。借助于ATP酶，ATP形式的代謝能和Δp形式的代謝能，能夠互相轉(zhuǎn)換。如果把ATP看作為生物體的能量貨幣，那么Δp相當(dāng)于能量銀行，也就是能庫(kù)。貨幣可以存入銀行，也可以從銀行取出。銀行和貨幣都有支付的功能。2024/2/2113張星元：發(fā)酵原理代謝能形式的轉(zhuǎn)換與代謝能的支出2024/2/2114張星元：發(fā)酵原理估計(jì)微生物細(xì)胞產(chǎn)生代謝能的潛在能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)代謝能的消耗，酵解酶系統(tǒng)以及線粒體氧化還原酶系統(tǒng)所形成的ATP量，也大大超過(guò)生物合成過(guò)程以及種種做功過(guò)程所需要的ATP量。然而，細(xì)胞始終根據(jù)實(shí)際需要對(duì)ATP的形成進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，根據(jù)需要控制代謝能的來(lái)路和去向。2024/2/2115張星元：發(fā)酵原理在細(xì)胞中，ATP的周轉(zhuǎn)十分迅速，有的細(xì)菌的ATP半衰期——也就是存在于細(xì)胞中的全部ATP分子總數(shù)的一半用于驅(qū)動(dòng)需能反應(yīng)并從放能反應(yīng)再生所需的時(shí)間——通常只有幾秒鐘甚至更短。2024/2/2116張星元：發(fā)酵原理

ATP和Δp這兩種不同形式的代謝能同時(shí)支持生命活動(dòng)，一刻也不能松弛；因而有代謝能支撐之說(shuō)。2024/2/2117張星元：發(fā)酵原理2.5.2.4胞內(nèi)pH值自動(dòng)動(dòng)態(tài)平

衡（pHhomeostasis）

2024/2/2118張星元：發(fā)酵原理

大多數(shù)酶和蛋白質(zhì)都有一個(gè)相當(dāng)狹窄的表現(xiàn)活性的最適pH值范圍。相對(duì)而言，微生物細(xì)胞具有在較寬的pH值范圍內(nèi)生長(zhǎng)的能力。細(xì)菌具有在寬廣的pH值范圍的介質(zhì)中生長(zhǎng)的能力。按細(xì)菌適宜生長(zhǎng)的pH值范圍，可以把它們分成嗜酸性、嗜中性和嗜堿性3類。2024/2/2119張星元：發(fā)酵原理大腸桿菌是嗜中性的，其生長(zhǎng)pH值為5～8，H+濃度變化可達(dá)1000倍，其存活的pH值范圍是4～9，H+濃度變化可達(dá)100000倍。即使環(huán)境pH值有如上變化，胞內(nèi)H+濃度變化不到10倍，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10倍。外部pH值從5.5上升到8，而胞內(nèi)pH值的變化僅僅是7.2到7.7，這種pH自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡究竟是怎樣完成的呢?2024/2/2120張星元：發(fā)酵原理

許多因素都可能緩沖胞內(nèi)pH值，維持胞內(nèi)pH值自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡（pHhomeostasis）。它們包括：

①細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)自身的緩沖能力，

②與呼吸和ATP水解相關(guān)的H+向外輸送，

③以H+交換某些陽(yáng)離子的電中性的輸送系統(tǒng)，特別是H+與Na+（或K+）交換的輸送系統(tǒng)，2024/2/2121張星元：發(fā)酵原理例如，當(dāng)環(huán)境pH值下降時(shí)，細(xì)胞內(nèi)pH值的任何下降都將觸發(fā)K+/H+反向輸送，當(dāng)它逐出H+的時(shí)候?qū)+帶入細(xì)胞，從而使細(xì)胞內(nèi)pH值維持在7.5左右，造成一個(gè)較大的ΔpH。同樣地，外部pH值的上升將引起細(xì)胞質(zhì)的堿化，觸發(fā)Na+/H+反向輸送，從而逐出Na+，引入H+

，酸化細(xì)胞質(zhì)。此外，細(xì)菌還能誘導(dǎo)對(duì)抗酸性的保護(hù)體系（耐酸性響應(yīng)），以抵抗環(huán)境的酸性。2024/2/2122張星元：發(fā)酵原理2.5.2.4化學(xué)滲透質(zhì)子回路及其功能的

有關(guān)討論

⑴質(zhì)子泵及其正向運(yùn)轉(zhuǎn)的定義

⑵跨越能量轉(zhuǎn)換膜的質(zhì)子回路

⑶質(zhì)子回路與電路的比較研究

2024/2/2123張星元：發(fā)酵原理⑴質(zhì)子泵及其正向運(yùn)轉(zhuǎn)的定義

原核細(xì)胞（如細(xì)菌細(xì)胞）的質(zhì)膜，真核細(xì)胞（如酵母細(xì)胞）的線粒體內(nèi)膜都是能量轉(zhuǎn)換膜，從以上討論可以看出每一種能量轉(zhuǎn)換膜都具有兩類質(zhì)子泵，一類是通過(guò)電子轉(zhuǎn)移（或捕獲光子）來(lái)驅(qū)動(dòng)，而另一類則是通過(guò)水解ATP來(lái)驅(qū)動(dòng)。2024/2/2124張星元：發(fā)酵原理這兩類質(zhì)子泵的作用是一致的，即電子沿電子傳遞鏈的順向傳遞及ATP酶對(duì)ATP的水解都會(huì)將質(zhì)子（H+）“泵出”，從而形成膜電位（外正內(nèi)負(fù)）。我們把質(zhì)子泵的“泵出”定義為正向運(yùn)轉(zhuǎn)。2024/2/2125張星元：發(fā)酵原理⑵跨越能量轉(zhuǎn)換膜的質(zhì)子回路

在有氧條件下，微生物體內(nèi)的ATP不斷地被細(xì)胞質(zhì)內(nèi)各種反應(yīng)所消耗（在線粒體內(nèi)也因種種原因而使ATP濃度下降），因此就必須通過(guò)消耗膜電位而合成的ATP來(lái)補(bǔ)充。也就是要求ATP合成酶質(zhì)子泵反向運(yùn)轉(zhuǎn)，使質(zhì)子不斷進(jìn)入細(xì)胞（或線粒體）內(nèi)。2024/2/2126張星元：發(fā)酵原理

ATP合成酶質(zhì)子泵反向運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的膜電位則可由呼吸條件下的電子傳遞鏈質(zhì)子泵的正向運(yùn)轉(zhuǎn)（泵出）來(lái)補(bǔ)充，從而形成跨越能量轉(zhuǎn)換膜的質(zhì)子回路。根據(jù)化學(xué)滲透假設(shè)可以畫(huà)出化學(xué)滲透質(zhì)子回路：2024/2/2127張星元：發(fā)酵原理ATP跨越能量轉(zhuǎn)換膜的質(zhì)子回路與直流電路的比較ATP酶呼吸鏈2024/2/2128張星元：發(fā)酵原理這種回路與電路（電子回路）在形式上十分相似。它們都有電源、用電器和導(dǎo)線等，只是在質(zhì)子回路中流動(dòng)的是質(zhì)子，在電子回路中流動(dòng)的是電子。在質(zhì)子回路中，質(zhì)子流的“導(dǎo)線”分別為膜兩側(cè)的溶液；而“用電器”一般是指ATP酶復(fù)合物。2024/2/2129張星元：發(fā)酵原理在詳盡地討論復(fù)雜的電子或質(zhì)子流動(dòng)時(shí)，這種相似性仍然保持，仍然正確如同在電學(xué)中一樣，我們可以測(cè)定或計(jì)算質(zhì)子回路的“電動(dòng)勢(shì)”，“電流強(qiáng)度”和“電阻”。這里“電動(dòng)勢(shì)”相當(dāng)于質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)，“電流強(qiáng)度”相當(dāng)于質(zhì)子流強(qiáng)度，“電阻”則反映質(zhì)子回路組分的質(zhì)子傳導(dǎo)性能（conductanceofproton），在數(shù)值上等于質(zhì)子流量除跨越回路中的這一組分前后的電位降。2024/2/2130張星元：發(fā)酵原理顯然，為了防止“短路”（質(zhì)子無(wú)阻力跨膜），膜必須是封閉的，并且對(duì)質(zhì)子流來(lái)說(shuō)并非“導(dǎo)體”，而這些事實(shí)上也就是化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)成立的先決條件或基本假定。

2024/2/2131張星元：發(fā)酵原理從質(zhì)子回路這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，可以清楚地認(rèn)識(shí)到：通過(guò)電子傳遞而發(fā)生的氧化過(guò)程與ADP的磷酸化過(guò)程之間的偶聯(lián)，需要質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)Δp（能庫(kù)）作為中間媒介。2024/2/2132張星元：發(fā)酵原理⑶質(zhì)子回路與電路的比較研究

如左圖（a）所示，質(zhì)子回路正常運(yùn)轉(zhuǎn)并做有用功，也就是ATP酶（質(zhì)子回路的用電器）合成ATP。對(duì)照電路，電源與電燈接通，電燈亮。2024/2/2133張星元：發(fā)酵原理如圖2-34（b）所示，ATP合成酶復(fù)合物的質(zhì)子阱（F0亞基）受阻塞，比如寡霉素與真菌的ATP合成酶復(fù)合物中的寡霉素敏感授予蛋白OSCP結(jié)合，使質(zhì)子阱阻塞，質(zhì)子回路不通。在這種情況下，電子傳遞鏈質(zhì)子泵打出去的質(zhì)子無(wú)法重新回到線粒體的基質(zhì)中去，膜電位達(dá)一定值后，電子傳遞鏈質(zhì)子泵停止運(yùn)行，膜電位達(dá)到最大值。因?yàn)殡娮觽鬟f過(guò)程必須與ADP的磷酸化過(guò)程偶聯(lián)，質(zhì)子阱阻塞使呼吸作用不能繼續(xù)下去，相當(dāng)于電路中的斷路狀態(tài)。這里寡霉素起了能量轉(zhuǎn)移抑制劑的作用。2024/2/2134張星元：發(fā)酵原理如圖2-34（c）所示，在質(zhì)子回路中，因加入質(zhì)子移位體，如羰基氰-對(duì)-三氟甲氧基苯腙（FCCP）或2,4-二硝基苯酚（DNP），造成質(zhì)子回路的短路，也就是說(shuō)質(zhì)子實(shí)際上不經(jīng)過(guò)ATP合成酶復(fù)合體，而是在質(zhì)子移位體的幫助下，輕易地進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞或線粒體的。它們的加入能促進(jìn)電子傳遞過(guò)程（即促進(jìn)呼吸作用），但沒(méi)有相應(yīng)化學(xué)計(jì)量的ATP合成。正如電路短路時(shí)，電路中實(shí)際上沒(méi)有電流通過(guò)，或幾乎沒(méi)有電流通過(guò)電燈，電流沒(méi)有做使燈發(fā)光的有用功，而以放熱的方式被消耗掉。起這種作用的質(zhì)子移位體被稱為解偶聯(lián)劑，實(shí)質(zhì)上它們能瓦解已形成的能庫(kù)。2024/2/2135張星元：發(fā)酵原理

如圖2-34（d）)所示，在質(zhì)子回路中，因加入某些會(huì)破壞電子傳遞鏈的成員的化合物（如氰化物、抗霉素），使電子傳遞過(guò)程不能正常進(jìn)行，從而抑制Δp的形成，使質(zhì)子回路失去動(dòng)力，或者說(shuō)無(wú)法形成質(zhì)子回路，當(dāng)然也就沒(méi)有ATP的形成。這種情況正如沒(méi)有電源的電路一樣，燈是不會(huì)亮的。這類加入的化合物稱為電子傳遞鏈抑制劑，其作用是阻止或抑制能庫(kù)的形成。質(zhì)子回路的功能除了形成ATP外，還有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單主動(dòng)傳送等，前面已有敘述。2024/2/2136張星元：發(fā)酵原理第六節(jié)代謝能對(duì)微生物生

長(zhǎng)和維持的支撐2024/2/2137張星元：發(fā)酵原理涉及微生物細(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。2024/2/2138張星元：發(fā)酵原理

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。2024/2/2139張星元：發(fā)酵原理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2024/2/2140張星元：發(fā)酵原理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)。2024/2/2141張星元：發(fā)酵原理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

2024/2/2142張星元：發(fā)酵原理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。2024/2/2143張星元：發(fā)酵原理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。2024/2/2144張星元：發(fā)酵原理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。2024/2/2145張星元：發(fā)酵原理組成細(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。2024/2/2146張星元：發(fā)酵原理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。2024/2/2147張星元：發(fā)酵原理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）

2024/2/2148張星元：發(fā)酵原理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。2024/2/2149張星元：發(fā)酵原理2.6.2用于維持的ATP消耗

2024/2/2150張星元：發(fā)酵原理許多細(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。2024/2/2151張星元：發(fā)酵原理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

2024/2/2152張星元：發(fā)酵原理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。2024/2/2153張星元：發(fā)酵原理