2023/12/251發酵學第一假說：

代謝能支撐假說

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

第五節質子運動勢和活細胞的質子回路

第六節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.發酵學的三個基本假說是針對典型的工業發酵

提出的，所謂典型的工業發酵是什么樣的發酵？

2023/12/253發酵學第一假說·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地轉化成代謝能，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

關系？2023/12/255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。2023/12/256

工業發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——2023/12/257微生物細胞直接面向環境而獨立存在的處境，以及微生物細胞自主應對環境變化的生存方式，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。2023/12/258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。2023/12/259

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。

2023/12/2510

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酵學最基本的假說，它規定了工業發酵的生物學屬性。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、化能異養型微生物生物氧化的氧化還原本質，進而認識：2023/12/2512

微生物細胞進行持續的能量代謝是微生物細胞的生命線，也是工業發酵成立的最起碼的條件。2023/12/2513第一節微生物細胞過程的熱力學

2.1.1生命系統是開放系統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2023/12/2514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生命系統是開放系統

2023/12/2515

熱力學分為平衡態熱力學（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，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中的可逆反應，在封閉系統中，這些反應最終幾乎總是達到平衡態。2023/12/2516

然而，生命系統是開放系統，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）2023/12/25172.1.2經典熱力學與微生物代謝2023/12/2518熱力學把宇宙中我們感興趣的部分定義為系統，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境。系統是開放的還是封閉的、隔離的，取決于其是否可與環境交換物質和能量。因為活細胞吸收營養物質、釋放代謝產物，并做功和放熱。因此它們是開放系統。2023/12/2519系統狀態由一組狀態函數來定義。這些狀態函數包括內能（U，系統固有的全部能量的度量，描寫恒容熱效應的狀態函數）、焓（H，描寫恒壓熱效應的狀態函數）、熵（S，系統混亂程度的度量）。這些狀態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。2023/12/2520這兩個定律是：

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

②熱力學第二定律：自發過程向熵值（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的熵值增加。2023/12/2521

如果把我們研究的系統與它所處的環境加在一起，看作一個隔離系統，這個重新劃定的隔離系統服從經典熱力學。熱力學第一定律闡明了任何過程都是能量守恒的，也就是說系統產生的能量必須由它的環境吸收。第二定律闡明了過程的自發性取決于總的熵變，在這個重新劃定的隔離系統中，系統有序程度的增加，必須由它的環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，所以把自發過程引起的宇宙的混亂程度作為評估自發性的標準，是難以操作的。2023/12/2523而且，過程的自發性不能單獨由所研究的系統的熵變來決定，因為即使在系統的熵減少（即ΔS系統＜0的情況下），放熱過程（即ΔH系統＜0，也就是熱量從系統放出）也可能自發進行。譬如，變性的蛋白質自發折疊成高度有序的天然構象（系統的熵減少，ΔS系統＜0），就是一例。當然在這種情況下，宇宙的總熵還是增加的，因為環境的熵的增加足以抵消系統的熵的減少。那么用什么量來判斷自發過程好呢？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，自發性可由另一狀態函數吉布斯自由能來確定：

G=H-TS

這個狀態函數是由J.WillardGibbs于1878年提出的。系統自由能的減少等于系統在恒溫、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發生興趣。2023/12/2527在恒溫恒壓條件下，各類化學反應能否自發進行，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。2023/12/2528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。2023/12/2529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。2023/12/2530第二節微生物細胞內外的

物質交換2.2.1微生物細胞與其所處的環境的關系

2.2.2化學物質的跨膜過程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外的交流，包括微生物細胞與環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。2023/12/2532本節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發酵至關重要。沒有這種交換微生物就不能生長和繁殖，就不能形成用于發酵生產的微生物細胞群體；沒有這種交換工業微生物細胞（工業發酵的細胞機器）就不能將目的產物送出細胞，我們就不能從發酵液獲得產品。2023/12/25332.2.1微生物細胞與其

所處環境的關系

2023/12/2534微生物的營養

微生物的營養類型

微生物的生理狀態

與環境的關系2023/12/2535存在于環境中的微生物(包括工業發酵環境中的微生物)活細胞必須不斷地從環境攝取元素營養和能源營養。并將這些來自環境的營養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的生命活動。2023/12/2536

可把微生物細胞這個開放系統與其所處環境加在一起，看作一個隔離系統，這個重新劃定的系統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境熵值增加的總效果是：此隔離系統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的不平衡的開放系統，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和環境混亂程度的增加。2023/12/2538研究微生物的生命活動不能離開環境，也不能離開微生物的生理狀態。環境影響微生物細胞的生理狀態和生命活動，而微生物細胞生命活動又不斷改變環境。人可以通過改變環境條件來改變或調節微生物的生理狀態和生命活動，其改變或調節的有效性與人對環境影響微生物生命活動的規律的了解程度密切相關。2023/12/2539微生物生命活動影響和改變環境，人也可以主動地改變環境條件，在可能范圍內調節微生物的生理狀態和生命活動，以促進微生物生長或工業發酵目的產物的生產。2023/12/2540微生物的營養2023/12/2541這里說的營養既可指營養物質（nutrients），也可指提供營養的過程（nutrition）。作為營養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代謝調節物質。2023/12/2542可把營養物質大致分為元素營養和能源營養。元素營養中研究得最透徹的是碳源，能源營養可以是化學物質，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，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的營養物質。

2023/12/2543元素營養以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。2023/12/2545

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定的“C-C”共價結合的化合物，可形成鏈式或環式的結構，其長度和大小幾乎是無限度的，成為各種有機分子的骨架。

2023/12/2546碳原子可與許多元素如H、O、N、S、P等形成穩定的共價鍵。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定的結合方式，是導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又屬能源營養，比如對化能異養型微生物來說，葡萄糖既可作為的碳元素營養，又作為化學能源營養。凡可構成微生物細胞及其代謝產物的碳架來源的營養物質，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。2023/12/2549

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。2023/12/2550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（參與膜的結構）；與糖類分子形成酯鍵，使其成為活化態的代謝物，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。2023/12/2552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）。

2023/12/2554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），通常位于周質區域，處于這一位置使它們更易與外界含磷化合物發生反應。2023/12/2555微生物的營養類型微生物的營養類型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型和異養型；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

微生物的營養類型，是按微生物對其從環境中吸收的營養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個營養類型。

2023/12/2559微生物按能源分化學能源光能源化能營養型光能營養型化能有機異養型化能無機自養型光能無機自養型光能有機異養型按主要碳源分按主要碳源分有機物有機物CO2CO22023/12/2560

所謂自養與異養，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。2023/12/2561細胞的碳架物質由其他有機體供給的微生物，被稱為異養型微生物。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。2023/12/2562化能有機異養型微生物簡稱化能異養型微生物（chemoorganoheterotroph，COH），目前已被廣泛地用作工業發酵的生產菌種，其它營養類型的微生物也正在環保、食品、化工等領域得到開發和應用。“化能異養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發酵的第一個條件。2023/12/2563微生物的生理狀態

與環境的關系

2023/12/2564在工業發酵中，微生物的生理狀態與環境的關系具體指的是工業發酵環境（微生物培養器內）中的微生物細胞的生理狀態與細胞所處的環境條件（培養基的化學成分、溫度、pH值等）之間的關系。2023/12/2565微生物細胞與高等生物細胞所處的環境條件不同，后者處于相當穩定的組織環境條件下，而前者則完全暴露在環境的影響之中。因此微生物必須對環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。2023/12/2566這里之所以要討論環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境的關系的研究，將是十分有利的。2023/12/2567微生物的生理狀態與環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境中的溶解氧濃度。2023/12/2570

③對CO2的響應：CO2可自由進出細胞，影響新陳代謝。化能自養型微生物以為CO2主要碳源。化能異養型微生物在以葡萄糖或其他糖作為唯一碳源的培養基中生長時，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環的中間產物，維持TCA環的運行，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，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，分子態的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。2023/12/2573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基中培養微生物，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。2023/12/2574④對環境水活度的響應：當環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。2023/12/2575⑤環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。

2023/12/2576

培養基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境，引起培養液（發酵液）pH值的改變。這可以是因為產物的形成、營養物的吸收、氧化還原反應或培養液（pH）緩沖能力的改變。

2023/12/2577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基或培養工藝來平衡代謝中產生的氫離子等方法，來調節培養液（發酵液）的pH值。

2023/12/2578⑥環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。2023/12/2579當溫度發生變動時，細胞內部會發生全局性（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，使環境溫度迅速上升。2023/12/2580此外，培養物中解偶聯劑的加入，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，培養物的溫度急劇上升。

2023/12/25812.2.2化學物質的跨膜過程

2023/12/2582

化學物質跨過細胞質膜的機制真核微生物細胞內化學物質的跨膜傳遞

代謝中間產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境進行物質交換。在工業發酵中微生物細胞要將進入細胞的營養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。

2023/12/2584工業發酵生產大多均兼有營養物質進入和發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發酵的第二個條件。2023/12/2585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)的內部環境。2023/12/2586這一小節主要研究營養物質跨過膜進入細胞和工業發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。2023/12/2587化學物質跨過細胞

質膜的機制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。

2023/12/2589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。

2023/12/2590從而確定對化學物質跨過膜的機制進行分類的依據：

①根據營養物質進入細胞是否要依靠輸送系統而分為擴散（不需要輸送系統）和輸送（依靠輸送系統）。這里所謂的“輸送系統”是一種泛稱，在不同的輸送系統中，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根據營養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。2023/12/2592

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基團轉移：提供載體蛋白、代

謝能和酶（蛋白質因子）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。2023/12/2594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。2023/12/2595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而透過膜。

2023/12/2596

在解離狀態時，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。2023/12/2597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現質膜ATP酶）將這些質子泵出細胞外。同樣道理，培養基中有機酸的存在可能會導致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。2023/12/2599這種現象被解釋為：苯甲酸的質子解耦聯效應導致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效應的又一實驗根據。2023/12/25100⑵促進擴散（facilitateddiffusion）：

需要細胞提供輸送系統，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。2023/12/25101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。

2023/12/25102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。2023/12/25103

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。2023/12/25104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。2023/12/25105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。2023/12/25106活動載體有環狀和鏈狀的，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-”構成的環狀12酯肽，酯鍵與酰胺鍵交替出現，環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境，呈親水性，而側鏈烷基向外，構成疏水的外環。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。

2023/12/25107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。2023/12/25108

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。2023/12/25109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。2023/12/25110⑶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”。營養物質或代謝物經這種類型的輸送，其跨膜前后的化學狀態并不發生變化，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。2023/12/25111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與次級系統組成。

對于化能營養型微生物，初級系統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的最好解釋。2023/12/25112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)，它能用來驅動營養物質的吸收或ATP的合成。

2023/12/25113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。2023/12/25114

次級系統實際上是在初級系統產生的質子運動勢(Δp)的驅動下，直接進行營養物質輸送的機構（輸送系統）。2023/12/25115已區分出3種次級系統：

①化學物質分子或離子與初級系統的離子（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化學物質分子或離子與初級系統的離子（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）。2023/12/25117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－ZΔpH2023/12/25118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。

2023/12/25119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。2023/12/25120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。2023/12/25121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。2023/12/25122

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+。枯草芽孢桿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別在于輸送過程自由能變化ΔG。只有當ΔG＜０時，才能自發地進行被動輸送。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境中的某些養分。這個過程與微生物細胞的能量代謝緊密相關。2023/12/25125初級主動輸送系統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。2023/12/25126其他初級主動輸送系統還有借助于“交通-ATP酶”的輸送系統。該系統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。2023/12/25127⑷

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。2023/12/25128基團轉移系統典型的實例是磷酸轉移酶系統（PTS）。借助于這個系統，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，因為用它可以節省ATP。

2023/12/251292023/12/25130PTS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。2023/12/25131而對糖是具有特異性的酶Ⅱ（EⅡ

），它們都由3個功能區（A、B和C）組成。這3個功能區可以結合成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（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。

2023/12/25132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(PTS)催化，在細胞內出現相應的嘌呤核苷單磷酸酯。

Ade+PRPP→AMP+PPi2023/12/25133真核微生物細胞內化學

物質的跨膜輸送

2023/12/25134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生跨膜輸送。

因為EMP和HMP途徑發生在細胞質，而丙酮酸的氧化（TCA環）發生在線粒體基質，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。2023/12/25135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環的有機酸、Glu、Asp、Orn（鳥氨酸）、Cit（瓜氨酸）、酰基肉堿(acy1carnitines)和PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）等化合物的輸送系統。2023/12/25136NAD(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。2023/12/25137

與電子傳遞相偶聯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。2023/12/25138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；后者代表H2PO4-與二羧酸進行交換的載體系統，這個載體系統用于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）的跨膜輸送發生關聯。2023/12/25139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-

2H2PO4-2023/12/25140

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，實際上是乙酰基的送出過程。2023/12/25141AcCoAAcCoACTACTA(CS)(CL)CoAOAAOAA內外CoA線粒體內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，因此需要將乙酰基團從線粒基質轉移到細胞質中。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。2023/12/25145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？2023/12/25146來自細胞質中的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。真核微生物細胞可以借助于代謝物的穿梭往返（shuttle），間接地將還原當量送入線粒體。穿梭往返有跨線粒體外膜的和跨線粒體內膜的。分述如下：2023/12/25147

借助于跨線粒體內膜的“蘋果酸／天冬氨酸”穿梭往返，間接地將還原當量送入線粒體。這種“穿梭往返”的效果相當于NADH跨過線粒體內膜，最終把電子在線粒體內膜內側交給電子傳遞鏈。此過程靠NADH在細胞質與線粒體中濃度之差來驅動，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氨基轉移酶，GAT、MOT為載體。線粒體內膜AspAspNADH+H+NADH+HNAD

+

NAD

+GluGluOAAOAAα-KGα-KGMLAMLA(MD)(MD)(AAT)(AAT)GATMOT還原力胞質中的基質中的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中和線粒體內膜上的2個3-磷酸甘油脫氫酶。細胞質中的3-磷酸甘油脫氫酶以細胞質中的NADH為輔酶，而線粒體內膜中的3-磷酸甘油脫氫酶是以FAD為輔基的黃素蛋白。“3-磷酸甘油／磷酸二羥丙酮”穿梭往返使細胞質中的NADH“轉變”成了線粒體內膜的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+細胞質的3-磷酸甘油脫氫酶細胞質線粒體外膜間腔線粒體內膜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細胞質中：在細胞質的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細胞質中的3-磷酸甘油穿過線粒體外膜進入線粒體的內膜和外膜之間的間腔

③在線粒體內膜上的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。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。當電子通過這個穿梭系統進行傳送時，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從化學平衡的觀點來看，分泌可以促進合成；從生物學的角度來看，分泌又是對過量合成的代謝中間產物的解毒機制，是微生物細胞生存策略的一個方面。代謝產物的釋放也是跨膜輸送的過程，但強調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節能力，正常代謝的細胞的中間代謝產物既不會在胞內大量積累，也不會大量排出體外而流失。發酵工程的任務之一是人為地改變微生物的代謝調節機制，其中包括改變化學物質輸送的調節機制，使目的代謝產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的總消耗中占相當大的比例。在質子同向輸送中，ATP消耗取決于運輸過程的化學計量和質子重新輸出的化學計量。這種輸送系統中研究得最透徹的是大腸桿菌的乳糖透性酶，其同時輸送一個質子和一個乳糖分子。許多其他物質的輸送占有相似的化學計量比率，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膜，質子可通過電子傳遞鏈從細胞質中重新輸送出去；質子還可借助于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，將質子泵出細胞外。目前還不能準確知道ATP酶的化學計量比率，但在大腸桿菌中，2H+/ATP是通常使用的化學計量比。

2023/12/25160在真核細胞中，ATP酶位于線粒體的內膜，但真核細胞也具有屬于另一類型的ATP酶——質膜ATP酶。這種ATP酶可能只在ATP水解方向起作用，通常其化學計量比為1H+/ATP。利用化學計量方法，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化能異養型微生物

的生物氧化

2023/12/251622.3.1氧化還原反應

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鍵作

用

2.3.4化能異養型微生物生物氧化的

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

化能異養型微生物產能代謝，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。2023/12/251652.3.1氧化還原反應

2023/12/25166反應物之間有電子得失的反應，總稱為氧化還原反應。在這類反應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的兩個半反應，合在一起就是一個氧化還原反應。2023/12/25167通常把在氧化還原反應中失去電子而被氧化的物質稱為還原劑，把得到電子而被還原的物質稱為氧化劑。在一個氧化還原反應中，氧化劑獲得的電子總數必然等于還原劑失去的電子總數。2023/12/25168對于組成和結構比較復雜的化合物，特別是有機化合物，可以采用“氧化數

”這個概念來討論氧化還原反應。用氧化數來表示物質中元素的表觀電荷數，這樣就可以把氧化和還原分別定義為反應物質中元素的氧化數的升高和下降。元素的氧化數升高，說明它已被氧化了；元素的氧化數下降，說明它已被還原了。2023/12/25169在有機體生命活動中，參與氧化還原反應的往往是有機化合物，或者反應的一方是有機化合物，采用氧化數這個概念來討論氧化還原反應比較方便。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，其氧化數均規定為+1。2023/12/25170在活細胞內進行的涉及電子從一個分子到另一個分子轉移的產能反應，總稱為生物氧化。在一般的氧化還原反應中，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交給氧化劑，并把化學能轉化成生物可以直接利用的能量形式——代謝能。

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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，但是最終還是轉交給氧化劑，同樣完成了氧化和還原這兩個“半反應”。因此生物氧化本質上還是氧化還原反應。因為細胞內的這些氧化還原反應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相比較，氧化還原的本質是一樣的，但進行的過程和結果大不一樣。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進行的生物氧化（呼吸和發酵）。而經生物氧化生成的ATP又為一切生物學過程及時、準確地提供代謝能。2023/12/25176微生物的呼吸和發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膜2023/12/25178與呼吸關系最密切的細胞器是線粒體，對于原核細胞則是細胞質膜。線粒體內膜和原核細胞的質膜包含電子傳遞鏈、ATP酶，以及與呼吸有關的輸送蛋白。2023/12/25179根據NeilACampbell&JaneBReece,EssentialBiology,2001改制2023/12/25180根據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構和功能。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，它們允許相對分子質量小于10000道爾頓的溶質通過，但像細胞色素那樣大的分子是不能通過的。2023/12/25183

線粒體內膜含有較多的蛋白質，它不但對溶質的通過具有選擇性，而且具有不同形式的能量之間的轉換功能。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進出線粒體的屏障。2023/12/25184

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

2023/12/25186與代謝有關的底物、產物以及還原力在細胞質和線粒體基質之間的傳遞，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（磷酸戊糖循環）發生在細胞質，而脂肪酸的β-氧化（脂肪酸的降解）以及乙酰基的降解（TCA環的氧化過程）發生在線粒體的基質中。2023/12