《发酵学第一假说》PPT课件.ppt

2019/8/4,张星元：发酵原理,1,第四节 化能异养型微生物代 谢中的能量形式转换,2019/8/4,张星元：发酵原理,2,化能异养型微生物利用化学能源，并以有机化合物为主要碳源和能源进行生命活动。化学能源物质作为能源化合物参与生物氧化，从而获得可以直接支持生命活动（支撑生命）的代谢能。,2019/8/4,张星元：发酵原理,3,2.4.1 氧化还原对及其氧化还原电位 2.4.2 电子载体与高能（磷酸）键载体 2.4.3 生物学体系中的能量耦合 2.4.4 与呼吸、发酵对应的代谢能转换 机制,2019/8/4,张星元：发酵原理,4,2.4.1 氧化还原对及其 氧化还原电位,2019/8/4,张星元：发酵原理,5,2.4.1.1 溶质标准状况的规定 2.4.1.2 生化反应前后自由能的变化 2.4.1.3 氧化还原电位的测定及标准 状况的规定,2019/8/4,张星元：发酵原理,6,氧化还原系统中成对的氧化物和还原物被称为氧化还原对（redox couple），又称为电极对，其通式为：氧化型 / 还原型。 例如： NAD+NADH+H+ Fe3+Fe2+。,2019/8/4,张星元：发酵原理,7,在氧化还原电极对之间有电子转移的趋势，它们的还原电位（或称电极电位）就是衡量这种电子转移（获得电子）的趋势的物理量，记作“E ”。在物理化学标准状况下电极对的还原电位，叫标准还原电位，记作E0。在生物化学标准状态下电极对的还原电位记作E0，叫生化标准还原电位。所谓标准还原电位，是根据下述溶质的标准状况的参考标准来定义的。,2019/8/4,张星元：发酵原理,8,2.4.1.1 溶质标准状况的规定,2019/8/4,张星元：发酵原理,9,在生物系统中，溶质标准状况有它的特殊性，因为生化反应通常在接近中性 pH 的稀水溶液中进行。已对生物系统的标准状况作如下参考规定：,2019/8/4,张星元：发酵原理,10,水的标准状况规定为纯液体的标准状况。因而，水的浓度（或活度）取作 1 ，尽管实际上水的摩尔浓度为55.5 mol/L。 氢离子的活度规定为对应于在生理 pH 条件（ pH 7 ）的活度，而不是化学标准状态规定的 pH 0（ 氢离子活度为 1 ）的活度。,2019/8/4,张星元：发酵原理,11,能经历酸碱反应的化合物的标准状况规定为其天然存在的离子混合物在 pH 7 的条件下的总浓度。这样做的好处在于，通常测量一个化合物的总浓度比测量其一种离子的浓度要更容易些。然而，因为酸或碱的离子组成随 pH 值而变化，用总浓度计算标准自由能时，只能采用 pH 7 时的浓度。,2019/8/4,张星元：发酵原理,12,使用上述参考规定时， 标准自由能变化一般用符号G 0（生化标准状况下自由能的变化） 来表示，这里加上撇号“ ”，以区别于物理化学标准状况下自由能的变化G 0。由于 自由能变化与所规定的参考状况无关， 所以参考状况是可以人为选择的。,2019/8/4,张星元：发酵原理,13,然而，在用公式表示水和质子对自由能变化的影响时，规定这参考状况是很重要的，如果用生化标准状况作参照，水的浓度可以从公式中省去。类似地，如果反应在 pH7条件下进行，则质子浓度不必包括在公式中（如果反应在 pH 值不等于 7 的情况下进行， 质子浓度应当取与 10-7 有关的值，即应当以 “ H+ /10-7 ” 的方式出现）。,2019/8/4,张星元：发酵原理,14,2.4.1.2 生化反应前后自由能的变化,2019/8/4,张星元：发酵原理,15,在活细胞内的反应条件是恒温、恒压的条件。在恒温、恒压条件下，各类化学反应能否自发进行，取决于自由能的变化“G ” 的值（反应的G与变化的途径无关）。 当 G0 时，反应能自发进行，并能放出自由能量； 当 G0 时，反应已达到平衡； 当 G0 时，反应不能自发进行，必须 “注入” 代谢能才能进行。,2019/8/4,张星元：发酵原理,16,生物体内的反应在恒温、恒压下进行，反应的自由能变化是： G = G终态 G始态 如果反应系统处于平衡状态，上式可进一步化为： G = G 0 + RT ln Keq,2019/8/4,张星元：发酵原理,17,当系统达到热力学平衡（G= 0），则有： G 0= - RT ln Keq R 是摩尔气体常数8.314 J（molK ）-1 ，平衡常数Keq可以测得的，因此可以从该反应的Keq值及绝对温度T ，来推算G 0。当然G 0的值也可以通过查表获得。,2019/8/4,张星元：发酵原理,18,2.4.1.3 氧化还原电位的测定 及标准状况的规定,2019/8/4,张星元：发酵原理,19,在测量电极对的还原电位时，常用氢电极作为标准电极，并要求样品半电池的氧化物、还原物对子的溶质的浓度均为 l molL-1； 对参比半电池为氢电极的情况来说，H+ 浓度为 l molL-1（ pH 值为 0）；H2为l atm。指定氢电极的标准还原电位E0为零，因此，两个半电池的电位差即为样品对子的标准还原电位。,2019/8/4,张星元：发酵原理,20,为了使电极对的还原电位数据有可比性，必须对溶质的标准状况作上述严格的规定。下表列出了若干在生物学上比较重要的氧化还原对子的 E0 值。 E0 是在 pH 7.0 和25条件下，相对于标准氢半电池的生化标准还原电位的测定值。,2019/8/4,张星元：发酵原理,21,2019/8/4,张星元：发酵原理,22,可以预见，在生化标准状况下，表中任何指定的氧化还原对，倾向于还原任何列在它下面的氧化还原对，其相对位置是它们之间氧化还原热力学自发性的度量。,2019/8/4,张星元：发酵原理,23,在生物体中，氧化还原反应的标准自由能变化（ G 0 ） 实际上是与两个氧化还原对之间的标准还原电位之差 （ E0） 成线性关系的。两者的关系可用下式表示： G 0= - nFE0 式中，n 为电子传递数目，F 为法拉第常数（9.6485104Cmo1）， E0 为电子受体的E0减去电子供体的E0所得之差值。,2019/8/4,张星元：发酵原理,24,2.4.2 电子载体与高能 （磷酸）键载体,2019/8/4,张星元：发酵原理,25,2.4.2.1 电子载体与氢载体 2.4.2.2 高能（磷酸）键载体及能量偶联,2019/8/4,张星元：发酵原理,26,2.4.2.1 电子载体与氢载体 电子载体广义地包括脱氢酶的辅酶和电子传递链的全体成员。广义的电子载体又可以分为氢载体和电子载体。,2019/8/4,张星元：发酵原理,27,脱氢酶的辅酶 NAD+ 实际上是氢负离子（ hydride ion，即一个质子和一对电子 ） 的载体； 黄素蛋白和CoQ 实际上是氢原子（一个质子和一个电子 ）的载体，它们均可称为氢载体。 铁硫蛋白（ Fe-S-P ）和细胞色素是狭义的电子载体。,2019/8/4,张星元：发酵原理,28,这些载体的氧化型和各自的还原型配对，组成各自的氧化还原电极对。例如： NAD+NADH+H+、FAD/FADH2、CoQ / CoQH2 和 Fe3+Fe2+ 等。,2019/8/4,张星元：发酵原理,29,2.4.2.2 高能（磷酸）键载体 及能量偶联,2019/8/4,张星元：发酵原理,30,根据热力学第二定律，当反应体系的G 0 时反应不能自发进行，若要进行，必须提供足够的、可以被反应体系利用的能量。在细胞中，这种可以利用的能量只能来源于放能反应所释放的自由能，而且只有当放能反应提供的自由能大于该需能反应所需的自由能时，反应才能进行。,2019/8/4,张星元：发酵原理,31,生物学中定义：由放能反应提供自由能，用以驱动需能反应的过程，被称为放能反应与需能反应之间能量的偶联。,2019/8/4,张星元：发酵原理,32,然而，在生物体内，放能反应不能与需能反应直接发生偶联，必须借助能量载体才能将放能反应所释放的自由能的一部分（生物可直接利用的能量）提供给需能反应，从而驱动需能反应。大自然已选择5-三磷酸腺嘌呤核苷（ATP）作为生物可直接利用的能量的载体。我们把这种细胞可直接利用的能量叫做代谢能。,2019/8/4,张星元：发酵原理,33,2019/8/4,张星元：发酵原理,34,在生命活动过程中，生物体不断地消耗ATP，同时也不断再生ATP，因此ATP的转运、使用和再生是生物最重要的生理过程。,2019/8/4,张星元：发酵原理,35,2.4.3 生物学体系中 的能量耦合,2019/8/4,张星元：发酵原理,36,在化能异养型微生物中，能源化合物被氧化时放出的化学能主要通过以下 3 种机制转换成生物可以直接利用的能量代谢能。,2019/8/4,张星元：发酵原理,37,2.4.3.1 直接化学耦合 2.4.3.2 电耦合 2.4.3.3 还原当量耦合,2019/8/4,张星元：发酵原理,38,2.4.3.1 直接化学耦合,2019/8/4,张星元：发酵原理,39,直接化学耦合指的是代谢中间化合物参与的底物水平磷酸化的过程。也就是代谢中间化合物 （ 如 1,3-2P-GA 、PEP、ScCoA和乙酰磷酸等高能磷酸化合物）的高能磷酸键的水解反应与ADP 或 GDP 的磷酸化反应直接耦合。 借助于对应的酶的催化作用，在酶的底物的水平上发生磷酸化作用，形成特殊的高能化合物（ATP、GTP）的过程。,2019/8/4,张星元：发酵原理,40,这类代谢中间化合物，也就是前面所谓酶的底物，包括酵解途径中由脱氢酶催化的反应生成的 1,3-2P-GA， 由烯醇化酶催化生成的PEP，TCA环中由- KG脱氢酶催化生成的 ScCoA，以及 PK 途径中的由磷酸酮解酶（phosphoketolase）裂解酮糖生成的乙酰磷酸等高能化合物。这些高能（ 磷酸 ） 化合物在对应的酶（ 1,3-2P-GA 对应于3-P-GA 激酶，PEP对应于PYR激酶）的催化下将ADP 磷酸化成 ATP。,2019/8/4,张星元：发酵原理,41,2.4.3.2 电耦合,2019/8/4,张星元：发酵原理,42,电耦合是指以质子运动势p为媒介，借助电子传递链和 ATP 酶， 将ATP的使用（ATPADP）与 ATP 的再生（ADPATP）耦合起来。 详见本章 2.4.4。,2019/8/4,张星元：发酵原理,43,2.4.3.3 还原当量耦合 还原当量，还原当量耦合,2019/8/4,张星元：发酵原理,44,还原当量 讨论还原当量耦合问题，首先必须弄清什么叫还原当量。 生物化学将相当于一个电子或一个氢原子的还原力的量叫做一个还原当量。本课程为了说明问题的方便，将相当于一对电子或一个氢负离子（hydride ion） 的还原力的量叫做一个还原当量。,2019/8/4,张星元：发酵原理,45,所谓氢负离子是指H-，即H+ 2e-，也就是一个质子和一对电子。 NADH是NAD+H- 的简写。,2019/8/4,张星元：发酵原理,46,因此，NAD+ 是氢负离子的载体，也就是一对电子和一个质子的载体，当然也是一对电子的载体。脱氢酶的辅酶 NAD+ 作为一对电子 （ 即还原当量 ） 的载体，其氧化型是空载的，其还原型携带了还原当量的，所以也有人把还原型辅酶当作还原当量，或把它称为还原力。就像我们把ATP称为代谢能，而实际上ATP是代谢能的载体一样。,2019/8/4,张星元：发酵原理,47,发生生物氧化时，还原性化合物（还原剂）脱氢（氧化）而释放出“氢”（有些书上标写为“2H” ），这个 “氢” 实际上是1对电子和2个质子，这2个质子有时结合在辅酶或辅基上，有时其中一个质子存在于溶液中，因此有： NAD+ + 2H NADH + H+ （ 其中一个质子和一对电子结合在辅酶分子上，一个质子存在于溶液中）； FAD + 2H FADH2 （两个质子和一对电子都结合在辅基上）。,2019/8/4,张星元：发酵原理,48,2019/8/4,张星元：发酵原理,49,2019/8/4,张星元：发酵原理,50,还原当量耦合 还原当量耦合一般是指：直接接受还原性化合物（还原剂）脱下的电子而形成的还原型辅酶或辅基，直接与细胞内不同的氧化还原反应相耦合。,2019/8/4,张星元：发酵原理,51,在生物氧化过程中，还原性化合物的降解通常涉及它们自身被氧化，这就要求氧化型辅酶或辅基作为直接的电子受体参与反应；另一方面，微生物细胞内存在着许多需还原的过程，要求有还原型的辅酶或辅基作为直接的电子供体参与反应。,2019/8/4,张星元：发酵原理,52,一些重要的辅酶，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD），其氧化型 NAD+可作为直接的电子受体，其还原型NADH可作为直接的电子供体，因此能将这些氧化反应和还原反应偶联起来。如 GA-3-P 脱氢时生成的 NADH 与乙醇脱氢酶催化的反应相耦合，将乙醛还原成乙醇；另一个重要的辅酶 NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），其还原形式 NADPH 主要与还原性合成反应相耦合。,2019/8/4,张星元：发酵原理,53,NAD+是一些常见的脱氢酶的辅酶， 如乳酸脱氢酶， 丙酮酸脱氢酶、- 酮戊二酸脱氢酶、 苹果酸脱氢酶； NADP+ 是另一些常见的脱氢酶的辅酶 G-6-P脱氢酶，6-P-GA 脱氢酶、 异柠檬酸脱氢酶、 - 磷酸甘油脱氢酶等。,2019/8/4,张星元：发酵原理,54,FAD 和 FMN 是一些氧化还原酶（ 脱氢酶 ）的辅基， 这些酶因为有 FAD 或 FMN 作辅基而称黄素蛋白。以 FAD 为辅基的酶有琥珀酸脱氢酶，脂酰 CoA脱氢酶等；以 FMN（或FAD ）为辅基的酶有 L-氨基酸氧化酶， 电子传递链的成员中也有以FMN（ 或FAD ）为辅基的蛋白质， 如 NADH 脱氢酶。,2019/8/4,张星元：发酵原理,55,尽管大多数脱氢酶（氧化酶）所催化的反应是有专一性的，但这种共同的氧化还原耦合机制，允许不同的酶催化的脱氢（氧化）反应为同一个还原反应提供还原当量，允许同一个脱氢（氧化）反应为许多其他还原反应提供还原当量。,2019/8/4,张星元：发酵原理,56,2.4.4 与呼吸、发酵对应的 代谢能转换机制,2019/8/4,张星元：发酵原理,57,为了说明问题方便，以微生物对葡萄糖的降解代谢为例，来说明与呼吸、发酵对应的代谢能转换机制。葡萄糖的降解可分成 3 个阶段。,2019/8/4,张星元：发酵原理,58,第一阶段是指葡萄糖进入细胞，在胞内以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯或葡萄糖酸的磷酸酯的形式出现。 第二阶段是微生物细胞经酵解途径，将葡萄糖或磷酸葡萄糖降解到处于 3C 水平的丙酮酸。这个阶段不但通过底物水平磷酸化生成ATP，而且向细胞质释放还原当量。 第三阶段是丙酮酸继续代谢和代谢产物的分泌。这是区分葡萄糖的氧化性代谢与发酵性代谢的关键性阶段。,2019/8/4,张星元：发酵原理,59,如果丙酮酸或由丙酮酸继续代谢而生成的可用作还原当量吸收剂的化合物（如乙醛）吸收第二阶段释放的还原当量，生成相应的还原产物（如乙醇）。这时微生物细胞进行发酵性代谢。这个过程因这些还原产物的分泌而得以进行。,2019/8/4,张星元：发酵原理,60,如果遗传与环境条件许可，丙酮酸相对容易地经TCA环降解，最终可被氧化降解成二氧化碳；第二阶段（酵解）及第三阶段所释放的还原当量则被电子传递链吸收并传递给外源的最终电子受体。这时微生物细胞进行氧化性代谢。,2019/8/4,张星元：发酵原理,61,葡萄糖的氧化性降解代谢与发酵性降解代谢两者最基本的区别在于：氧化性降解代谢除了可以与发酵性降解代谢一样通过底物水平磷酸化形成ATP外，还经电子传递磷酸化产生更多的ATP，从而允许微生物有更高的生物合成速率及更高的细胞得率 ( 细胞对葡萄糖的转化率 ) 。,2019/8/4,张星元：发酵原理,62,2.4.4.1 与呼吸相对应的代谢能转换机制 2.3.4.2 与发酵相对应的代谢能转换机制,2019/8/4,张星元：发酵原理,63,2.4.4.1 与呼吸相对应的代谢能转换机制 与呼吸相对应的代谢能转换机制主要是指：在电子传递过程中的构建质子运动势p 的机制，以及 ADP被磷酸化生成 ATP 的机制。呼吸既可以直接建立p（“ 能库 ”），又可以间接地形成ATP（“ 能量货币”）。其机制分别是：,2019/8/4,张星元：发酵原理,64,还原性化合物被氧化时放出的、并由还原型辅酶或辅基转交的电子，经电子传递链传给最终电子受体（分子氧或含氧化合物），完成有氧呼吸或无氧呼吸。在传递的过程中，把质子从膜的一侧送到另一侧（因而电子传递链有“质子泵”之称），从而建立了跨膜的p；,2019/8/4,张星元：发酵原理,65, 质子可借助于ATP合成酶的质子通道（因而 ATP 合成酶也有 “ 质子泵 ” 之称 ） 跨过膜，在ATP 合成酶的催化下，由ADP 和磷酸根合成 ATP，按一定的计量关系将p 转化成 ATP。,2019/8/4,张星元：发酵原理,66,2.4.4.1 与发酵相对应的代谢能转换机制 发酵既可以直接形成ATP，又可以间接地建立p，其机制分别是： 脱氢（或氧化）反应的直接或间接产物高能磷酸化合物作为其对应的酶的底物，在该酶的底物水平上发生磷酸化作用，将ADP磷酸化，生成ATP； 借助 ATP 酶，消耗 ATP，把质子从膜的一侧送到另一侧，从而可以按一定计量关系增加p。,2019/8/4,张星元：发酵原理,67,辅酶 NAD+ 吸收脱氢作用中放出的电子，而被还原成 NADH。NADH作为电子供体将电子直接交给最终电子受体（内源性有机化合物），生成发酵产物，同时 NAD+ 得到再生。在此还原当量耦合的过程中放出的自由能太少，不足以生成ATP，因此并没有代谢能形成。,2019/8/4,张星元：发酵原理,68,第五节 质子运动势 和质子回路,2019/8/4,张星元：发酵原理,69,生物能学 （bioenergetics）是能量代谢领域中专门研究能量转换膜（如线粒体内膜、原核生物细胞的质膜等）及其功能的学说。生物能学能帮助我们分析和理解微生物有关代谢能的能量形式转换的机制。本节主要讨论化学渗透假设，电子传递链、ATP酶、载体蛋白在膜上的分布以及质子运动势的产生原理，并对生物能学中的质子回路与电学中的电路（电子回路）进行比较。,2019/8/4,张星元：发酵原理,70,2.5.1 化学渗透假设及质子运动势 2.5.2 微生物细胞内代谢能形式的转换,2019/8/4,张星元：发酵原理,71,2.5.1 化学渗透假设及质子运动势,2019/8/4,张星元：发酵原理,72,2.5.1.1 化学渗透假设 2.5.1.2 电子传递链成员、ATP合成酶 以及载体蛋白在膜上的分布 2.5.1.3 质子运动势,2019/8/4,张星元：发酵原理,73,2.5.1.1 化学渗透假设,2019/8/4,张星元：发酵原理,74,化学渗透假设的要点： 生物膜具有拓扑学的完整性，它对离子， 特别是H+和OH-离子是不通透的（借助 特异的交换系统才能跨膜输送）； 膜结构（蛋白质和脂质分布）的不对称 性导致膜功能的方向性； 电子在电子传递链上的传递导致质子向 膜外排放； 膜上嵌有用于质子跨膜的ATP磷酸化酶 （ATP合成酶）。,2019/8/4,张星元：发酵原理,75,2.5.1.2 电子传递链、ATP 合成酶以及 载体蛋白在膜上的分布,2019/8/4,张星元：发酵原理,76,由磷脂双分子层组成的单位膜中相对固定地镶嵌着电子传递链的成员、ATP合成酶及载体蛋白。电子传递链是一系列相互作用的多肽。它们各自形成的氧化还原电极对还原电位的高低顺序，以及它们在膜上的空间关系的相对固定，为电子在电子传递链上按相对固定的顺序流动提供了保证。,2019/8/4,张星元：发酵原理,77,呼吸链的主要成分是具有辅基的载体蛋白，这些辅基的氧化还原电位处于 NAD+ 和分子氧之间，在真核微生物的线粒体膜和细菌的细胞质膜上，NADH的电子经还原电位逐步提高的一连串载体，一直传送到分子氧。,2019/8/4,张星元：发酵原理,78,2019/8/4,张星元：发酵原理,79,左图描绘了大肠杆菌细胞质膜的情况：由磷脂双分子层组成的单位膜中相对固定地镶嵌着电子传递链的成员、ATP合成酶及载体蛋白。电子传递链在图中被描绘成一系列相互作用的蛋白质。,2019/8/4,张星元：发酵原理,80,从图可见，ATP酶的F1亚基不是被包埋在膜的磷脂双分子层中，而是紧贴于膜上，是膜的周边蛋白。电子传递链的组分如黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素 b 、细胞色素 o 等，被包埋在磷脂双分子层中，属整合蛋白。像 ATP 合成酶的 F0 亚基和-半乳糖苷透性酶 （ 乳糖 / H+ 同向输送的载体蛋白 ）， 这类用于输送的载体蛋白穿透整个磷脂双分子层结构，又被称为膜输送蛋白。,2019/8/4,张星元：发酵原理,81,2019/8/4,张星元：发酵原理,82,AMP,FMN,FADH,FADH 2,FAD,2019/8/4,张星元：发酵原理,83,2019/8/4,张星元：发酵原理,84,2019/8/4,张星元：发酵原理,85,2019/8/4,张星元：发酵原理,86,大肠杆菌细胞质膜上输送蛋白、电子传递链和ATP酶，及它们各自的功能的示意图。 图中： 1,黄素蛋白； 2,铁硫蛋白； 3,细胞色素b; 4,细胞色素o; 5/6,ATP酶； 7,输送蛋白。,2019/8/4,张星元：发酵原理,87,真核细胞线粒体上的电子传递链及ATP酶,2019/8/4,张星元：发酵原理,88,2.5.1.3 质子运动势,2019/8/4,张星元：发酵原理,89,质子运动势（proton motive force，简称pmf ）, 是参照电动势（ electron motive force）汉译的。质子运动势和电动势的单位都是伏特。 根据化学渗透假设， 膜对质子是不透的，电子传递质子泵、ATP 酶质子泵的运转 在膜两边建立了质子运动势。,2019/8/4,张星元：发酵原理,90,质子运动势p ，一般由电分量（电荷因子） 和化学分量（浓度因子） Z（pH ）两项组成： p = Z（pH ）,2019/8/4,张星元：发酵原理,91,上式中， 代表跨膜电位 ； Z（pH ） 代表膜两边H+浓度差引起的电位差的。 p = p外 p内 ， = 外 内， pH = pH外 pH内 Z是将pH值转变为电势单位的转换系数。 Z = 2.3 RT/ F，30时，Z = 60 mV。 R为摩尔气体常数8.314 J（mol K）-1、 T为绝对温度（K）、 F为法拉第常数（9.618104 Cmol-1）。,2019/8/4,张星元：发酵原理,92,2019/8/4,张星元：发酵原理,93,热力学第一定律告诉我们，能量既不可能创生也不可能消灭，只能从一种形式的能量转变成另一种形式的能量。微生物的代谢能来自化学能或光能，对于化能异养型微生物来说只能来自生物氧化过程中释放的化学能。代谢能的两种主要形式ATP 和p 的关系就类似于货币与银行的关系。,2019/8/4,张星元：发酵原理,94,2.5.2.1 电子在电子传递链上的传递建立p 2.5.2.2 ATP的形成与电子传递磷酸化的产率 2.5.2.3 胞内pH值自动（调节）动态平衡 2.5.2.4 化学渗透质子回路及其功能的有关讨论,2019/8/4,张星元：发酵原理,95,2.5.2.1 电子在电子传递链上的传递 和p 的建立,2019/8/4,张星元：发酵原理,96,2019/8/4,张星元：发酵原理,97,细菌细胞膜内侧的一个H+及由 NAD+运载的氢负离子（ 包含一个 H+和一对电子 ）首先被传送到横跨在膜上的 NADH 脱氢酶的组分黄素蛋白，把它的辅基 FMN 还原成 FMNH2；接着，已传送到FMNH2 的这一对电子通过NADH脱氢酶的另一组分铁硫蛋白返回到细胞膜的内表面，而2 个H+则被留在细胞膜的外侧的水相中，与此同时 FMNH2被再生为FMN。,2019/8/4,张星元：发酵原理,98,电子载体铁硫蛋白得到的这对电子与细胞质内的 2 个 H+ 一起， 把 1 分子泛醌（CoQ）还原成氢醌（CoQH2）；带着这对电子和这 2 个H+的氢醌将这对电子交给贴近膜外侧的细胞色素 b，把这 2 个 H+释放到胞外，自身又回复成泛醌；然后，细胞色素 b 又把这对电子传递给细胞色素 o（ 细胞色素氧化酶）。最后，传递到细胞色素 o 的这对电子还原胞内的分子氧，同时消耗膜内侧 2 个 H+，生成水。,2019/8/4,张星元：发酵原理,99,由此可见在大肠杆菌中借助电子传递链每氧化1分子NADH，就有4个H+被转移出去。H+的转移在膜两边形成质子梯度，蕴藏在这个梯度中的能量可用于推动各种细胞过程。例如，在酵母细胞质中 2 个H+通过ATP合成酶进入线粒体，可驱动 1 分子ATP的合成，质子梯度能驱动某些糖和氨基酸的简单主动输送，驱动细菌鞭毛旋转等。,2019/8/4,张星元：发酵原理,100,从以上分析得知，在电子传递磷酸化的电子传递过程中，像泵一样把质子泵出细胞。每当电子从氢载体传到电子载体时，把质子留在膜外，当电子从电子载体传到氢载体时，从膜内侧吸取质子，完成质子泵的功能。,2019/8/4,张星元：发酵原理,101,细菌细胞质膜（左）和真核细胞的线粒体内膜（右）上的电子传递过程的比较图,2019/8/4,张星元：发酵原理,102,对大肠杆菌细胞质膜来说，NADH所负载的一对电子在经电子传递链传到最终电子受体分子氧的过程中，只能泵出 4 个H+；而在酵母细胞中经线粒体上的电子传递链（其细胞色素系统比细菌的细胞色素系统复杂），一共可泵出 6 个H+。,2019/8/4,张星元：发酵原理,103,有些化能自养型的细菌以硫化物、硫、亚硝酸等还原性化合物为氢供体（能源），由于这些氢供体各自形成的氧化还原对的还原电位比 NAD+/NADH+H+ 的还原电位高， 它们在热力学上不可能直接还原 NAD+， 故假设在这些细菌中 NAD（P）+ 的还原只能由ATP驱动的反向电子传递来完成。,2019/8/4,张星元：发酵原理,104,在这种情况下，微生物细胞依赖于电子反向传递而形成 的 NAD（P）H + H+来把 CO2 （ 碳源 ）还原成有机化合物。而ATP的合成则借助于电子传递链后段的顺向电子传递。,2019/8/4,张星元：发酵原理,105,2.5.2.2 ATP的形成与电子 传递磷酸化的产率,2019/8/4,张星元：发酵原理,106,电子传递通常与ATP的合成紧密耦合。只有当电子传递链发生并提供了质子梯度时，ATP才得以生成； 只有当 ADP 同时被磷酸化成ATP时，电子才经电子传递链流向氧。氧化磷酸化的实际速率取决于细胞内可利用的ATP的量（浓度）。,2019/8/4,张星元：发酵原理,107,氧化磷酸化需要NADH（或FADH2 ）、氧，以及ADP、无机磷酸。如果把ADP加到线粒体，当电子顺向传递时，氧消耗速率上升；当 ADP 已被磷酸化为 ATP 时，氧的消耗速率下降，这个过程叫做呼吸控制。,2019/8/4,张星元：发酵原理,108,这个机制可以保证，当需要ATP合成时，电子才向下传递。如果ATP 水平高，ADP水平低，就不会发生电子传递。如果NADH和FADH2累积，TCA环和酵解受抑制。呼吸控制按如下方式进行： 关闭：【ATP】 电子传递受阻【NADH或FADH2】 TCA环和酵解受抑制。 开启：【ADP】 拉动电子传递【NADH或FADH2】 TCA环和酵解就畅通。,2019/8/4,张星元：发酵原理,109,生物化学把从 ADP 形成ATP 的过程叫做磷酸化。磷酸化有两种方式，即底物水平磷酸化和电子传递磷酸化。电子传递磷酸化是指与电子传递链上电子传递过程相耦合的磷酸化，这种磷酸化要借助膜上的 ATP合成酶，消耗p 而生成 ATP。 电子传递磷酸化的产率主要取决于以下因素： 用来泵出质子并形成p 的细胞色素系统； 最终电子受体的类型； ATP合成酶的效率。,2019/8/4,张星元：发酵原理,110,因此就出现了电子传递磷酸化的产率问题，即ATP/NADH之比值。例如，需氧生长中的大肠杆菌与酵母菌两者都形成NADH ，它的一对电子经电子传递链传到分子氧，大肠杆菌泵出 4 个 H+，而酵母菌泵出 6 个H+，这是因为它们的细胞色素系统不同。,2019/8/4,张星元：发酵原理,111,此外，大肠杆菌的ATP合成酶合成 1个ATP需消耗23个H+ ，而酵母线粒体的 ATP合成酶只有消耗将近 2个H+ 。因此，1 分子NADH（即每对电子）在大肠杆菌可能相当于12分子ATP，而酵母能产 3 个ATP分子。,2019/8/4,张星元：发酵原理,112,2.5.2.3 微生物细胞内代谢能形式的转换,2019/8/4,张星元：发酵原理,113,微生物细胞内代谢能的主要存在形式是 ATP 和p 。借助于 ATP 酶，ATP 形式的代谢能和p 形式的代谢能，能够互相转换。如果把ATP看作为生物体的能量货币， 那么p 相当于能量银行，也就是能库。货币可以存入银行，也可以从银行取出。银行和货币都有支付的功能。,2019/8/4,张星元：发酵原理,114,代谢能形式的转换与代谢能的支出,2019/8/4,张星元：发酵原理,115,估计微生物细胞产生代谢能的潜在能力远远超过代谢能的消耗，酵解酶系统以及线粒体氧化还原酶系统所形成的ATP量，也大大超过生物合成过程以及种种做功过程所需要的ATP量。然而，细胞始终根据实际需要对ATP的形成进行精细的调节，根据需要控制代谢能的来路和去向。,2019/8/4,张星元：发酵原理,116,在细胞中，ATP的周转十分迅速，有的细菌的ATP半衰期也就是存在于细胞中的全部ATP分子总数的一半用于驱动需能反应并从放能反应再生所需的时间通常只有几秒钟甚至更短。,2019/8/4,张星元：发酵原理,117,ATP 和p 这两种不同形式的代谢能同时支持生命活动，一刻也不能松弛；因而有代谢能支撑之说。,2019/8/4,张星元：发酵原理,118,2.5.2.4 胞内pH值自动动态平 衡（pH homeostasis）,2019/8/4,张星元：发酵原理,119,大多数酶和蛋白质都有一个相当狭窄的表现活性的最适 pH 值范围。相对而言，微生物细胞具有在较宽的 pH 值范围内生长的能力。细菌具有在宽广的 pH 值范围的介质中生长的能力。 按细菌适宜生长的 pH 值范围，可以把它们分成嗜酸性、嗜中性和嗜碱性 3 类。,2019/8/4,张星元：发酵原理,120,大肠杆菌是嗜中性的，其生长 pH 值为 58，H+ 浓度变化可达 1000 倍，其存活的 pH 值范围是 49，H+ 浓度变化可达100000倍。即使环境pH 值有如上变化，胞内H+浓度变化不到10 倍，通常远远小于10 倍。外部 pH 值从 5.5 上升到 8，而胞内 pH 值的变化仅仅是7.2到7.7，这种pH自动动态平衡究竟是怎样完成的呢?,2019/8/4,张星元：发酵原理,121,许多因素都可能缓冲胞内 pH 值，维持胞内 pH 值自动动态平衡（pH homeostasis）。 它们包括： 细胞内化学物质自身的缓冲能力， 与呼吸和 ATP水解相关的H+向外输送， 以H+交换某些阳离子的电中性的输送系统， 特别是H+与Na+（ 或K+ ）交换的输送系统，,2019/8/4,张星元：发酵原理,122,例如，当环境 pH 值下降时，细胞内pH值的任何下降都将触发K+/H+反向输送，当它逐出H+的时候将 K+ 带入细胞，从而使细胞内pH值维持在7.5 左右，造成一个较大的pH。同样地，外部pH 值的上升将引起细胞质的碱化，触发 Na+/H+ 反向输送，从而逐出 Na+，引入H+ ，酸化细胞质。此外，细菌还能诱导对抗酸性的保护体系（耐酸性响应），以抵抗环境的酸性。,2019/8/4,张星元：发酵原理,123,2.5.2.4 化学渗透质子回路及其功能的 有关讨论 质子泵及其正向运转的定义 跨越能量转换膜的质子回路 质子回路与电路的比较研究,2019/8/4,张星元：发酵原理,124,质子泵及其正向运转的定义 原核细胞（如细菌细胞）的质膜，真核细胞（如酵母细胞）的线粒体内膜都是能量转换膜，从以上讨论可以看出每一种能量转换膜都具有两类质子泵，一类是通过电子转移（或捕获光子）来驱动，而另一类则是通过水解ATP来驱动。,2019/8/4,张星元：发酵原理,125,这两类质子泵的作用是一致的，即电子沿电子传递链的顺向传递及ATP 酶对 ATP 的水解都会将质子（ H+ ） “ 泵出 ” ， 从而形成膜电位（外正内负）。我们把质子泵的“泵出”定义为正向运转。,2019/8/4,张星元：发酵原理,126,跨越能量转换膜的质子回路 在有氧条件下，微生物体内的ATP不断地被细胞质内各种反应所消耗（在线粒体内也因种种原因而使 ATP 浓度下降），因此就必须通过消耗膜电位而合成的ATP来补充。也就是要求ATP合成酶质子泵反向运转，使质子不断进入细胞（或线粒体）内。,2019/8/4,张星元：发酵原理,127,ATP合成酶质子泵反向运转所消耗的膜电位则可由呼吸条件下的电子传递链质子泵的正向运转（泵出）来补充，从而形成跨越能量转换膜的质子回路。根据化学渗透假设可以画出化学渗透质子回路：,2019/8/4,张星元：发酵原理,128,2019/8/4,张星元：发酵原理,129,这种回路与电路（电子回路）在形式上十分相似。它们都有电源、用电器和导线等，只是在质子回路中流动的是质子，在电子回路中流动的是电子。在质子回路中，质子流的 “ 导线 ” 分别为膜两侧的溶液；而 “ 用电器 ” 一般是指 ATP 酶复合物。,2019/8/4,张星元：发酵原理,130,在详尽地讨论复杂的电子或质子流动时，这种相似性仍然保持，仍然正确如同在电学中一样，我们可以测定或计算质子回路的“电动势”，“电流强度”和“ 电阻 ”。这里“ 电动势 ”相当于质子运动势，“电流强度”相当于质子流强度，“ 电阻 ” 则反映质子回路组分的质子传导性能（conductance of proton ），在数值上等于质子流量除跨越回路中的这一组分前后的电位降。,2019/8/4,张星元：发酵原理,131,显然，为了防止“短路”（质子无阻力跨膜），膜必须是封闭的，并且对质子流来说并非“导体”，而这些事实上也就是化学渗透学说成立的先决条件或基本假定。,2019/8/4,张星元：发酵原理,132,从质子回路这个观点出发，可以清楚地认识到：通过电子传递而发生的氧化过程与ADP的磷酸化过程之间的偶联，需要质子运动势p（能库）作为中间媒介。,2019/8/4,张星元：发酵原理,133,质子回路与电路的比较研究 如左图（a）所示，质子回路正常运转并做有用功，也就是ATP酶（质子回路的用电器）合成ATP。对照电路，电源与电灯接通，电灯亮。,2019/8/4,张星元：发酵原理,134,如图2-34（b）所示，ATP合成酶复合物的质子阱 （F0亚基 ）受阻塞，比如寡霉素与真菌的 ATP 合成酶复合物中的寡霉素敏感授予蛋白 OSCP 结合，使质子阱阻塞，质子回路不通。 在这种情况下，电子传递链质子泵打出去的质子 无法重新回到线粒体的基质中去， 膜电位达一定值后， 电子传递链质子泵停止运行， 膜电位达到最大值。 因为电子传递过程必须与 ADP 的磷酸化过程偶联，质子阱阻塞使呼吸作用不能继续下去， 相当于电路中的断路状态。 这里寡霉素起了能量转移抑制剂的作用。,2019/8/4,张星元：发酵原理,135,如图2-34（c）所示，在质子回路中，因加入质子移位体，如羰基氰-对-三氟甲氧基苯腙（FCCP）或2,4 -二硝基苯酚（ DNP ），造成质子回路的短路，也就是说质子实际上不经过ATP 合成酶复合体，而是在质子移位体的帮助下， 轻易地进入细菌细胞或线粒体的。它们的加入能促进电子传递过程（ 即促进呼吸作用 ），但没有相应化学计量的ATP合成。正如电路短路时，电路中实际上没有电流通过，或几乎没有电流通过电灯，电流没有做使灯发光的有用功，而以放热的方式被消耗掉。起这种作用的质子移位体被称为解偶联剂，实质上它们能瓦解已形成的能库。,2019/8/4,张星元：发酵原理,136,如图2-34（d）)所示，在质子回路中，因加入某些会破坏电子传递链的成员的化合物（如氰化物、抗霉素），使电子传递过程不能正常进行，从而抑制p 的形成，使质子回路失去动力，或者说无法形成质子回路，当然也就没有ATP的形成。这种情况正如没有电源的电路一样，灯是不会亮的。这类加入的化合物称为电子传递链抑制剂，其作用是阻止或抑制能库的形成。质子回路的功能除了形成ATP外，还有驱动简单主动传送等，前面已有叙述。,2019/8/4,张星元：发酵原理,137,第六节 代谢能对微生物生 长和维持的支撑,2019/8/4,张星元：发酵原理,138,涉及微生物细胞的生长和繁殖的每一个“动作”，包括细胞内有机化合物降解的启动、生物合成的启动和继续、主动输送、细胞内 pH 自动动态平衡等都需要代谢能的支撑，同样维持细胞的生命也需要代谢能的支撑。,2019/8/4,张星元：发酵原理,139,没有生命活动就没有代谢能。没有代谢能就没有生命，没有代谢能就没有微生物的生命活动，就没有工业发酵。,2019/8/4,张星元：发酵原理,140,2.6.1 微生物细胞的生长能学 2.6.2 用于维持的ATP消耗 2.6.3 微生物能量的储存,2019/8/4,张星元：发酵原理,141,2.6.1 微生物细胞的生长能学 生长能学（growth energetics）描述了通常以ATP的形式出现的代谢能的产生与消耗的关系，因此涉及到主动输送（包括输入和输出）、供能反应（fueling reactions）、生物合成反应、大分子合成反应和细胞组装反应。,2019/8/4,张星元：发酵原理,142,2.6.1.1 前体代谢物的代谢成本 2.6.1.2 分子模块等的代谢成本 2.6.1.3 生物大分子的代谢成本 2.6.1.4 整个细胞的代谢成本,2019/8/4,张星元：发酵原理,143,2.6.1.1前体代谢物的代谢成本 依据运输、生物合成和聚合的代谢成本的估计值，有可能计算出细胞合成所需的ATP总量和 NADPH 的总量。这种计算是以碳源（通常是葡萄糖）为基础的，首先计算12种前体代谢物（将在第三章讲述）。这12种前体代谢物是微生物通过能量供应反应从碳源生成的。,2019/8/4,张星元：发酵原理,144,2.6.1.2 模块分子等的代谢成本 研究细胞经济运行，当然要研究代谢的成本，包括多肽和蛋白质的结构单元氨基酸生物合成的代谢成本，核酸的结构单元核苷酸生物合成的代谢成本，以及脂类和糖类结构单元的生物合成的代谢成本 。这些分子模块都是从前体代谢物出发合成的。,2019/8/4,张星元：发酵原理,145,2.6.1.3 生物大分子的代谢成本 在细胞的经济运行中，既要讨论全局的通用代谢物的作用，也要讨论细胞物质合成的成本。这里将讨论合成生物大分子的代谢成本。,2019/8/4,张星元：发酵原理,146,组成细胞的生物大分子可分成以下几类： RNA；DNA；蛋白质；碳水化合物（糖类）；氨基碳水化合物（氨基糖类）；脂类。生物大分子的组成随生物种类的不同而不同，对于一个给定的生物物种，其大分子组成随比生长速率和环境条件的改变而改变。,2019/8/4,张星元：发酵原理,147,蛋白质合成的成本 在延伸的肽链上添加 1个 氨基酸需要利用 4 个高能磷酸键，相当于 4 个ATP。此外，在从mRNA合成与校对等过程中还需要一些自由能，总计每结合 1个氨基酸约需0.3个ATP。因此在多肽生成过程中，在延伸的肽链上每添加 1 个氨基酸一共要消耗 4.3 个ATP。,2019/8/4,张星元：发酵原理,148,核糖核酸（RNA）合成的成本 收编1个核苷酸（以单磷酸核苷酸计）的代谢能成本为2.4个ATP。 脱氧核糖核酸（DNA）合成的成本 结合1个脱氧核糖核苷酸（以单磷酸核苷酸计）的总能耗为3.4个ATP。 磷脂等的生物合成成本（略）,2019/8/4,张星元：发酵原理,149,2.6.1.4 整个细胞的代谢成本 如果用于形成前体代谢物、模块分子和生物大分子的代谢成本已知，那么就可以计算出合成整个细胞所需的ATP。,2019/8/4,张星元：发酵原理,150,2.6.2 用于维持的ATP消耗,2019/8/4,张星元：发酵原理,151,许多细胞反应需要消耗ATP，但这些反应对菌体的净合成并没有贡献，通常把这些反应称为维持反应或维持过程。其中有一些维持反应与生长有关，例如用于维持细胞质膜的跨膜的电化学梯度的反应，而其他维持反应（如生物大分子的周转和更新）与细胞的比生长速率是无关的。,2019/8/4,张星元：发酵原理,152,2.6.2.1 浓度梯度和电位梯度的 维持 2.6.2.2 无效循环 2.6.2.3 大分子的周转和更新,2019/8/4,张星元：发酵原理,153,2.6.2.1浓度梯度和电位梯度的维持 为确保适当的功能，细胞要维持各种跨膜的浓度梯度和电化学梯度，包括跨质膜的浓度梯度和电化学梯度，跨真核细胞线粒体膜的浓度梯度和电化学梯度。这些过程需要代谢能，但不会导致新菌体量的合成，因此是维持过程的典型例子。,2019/8/4,张星元：发酵原理,154,这些过程中有一部分是与生长相关的，例如细胞膨胀变大时，增大的面积（或体积）上的电位梯度要得到维持；但也有一部分是与生长无关的，即当细胞不生长时梯度也需要维持。 维持梯度的 ATP 消耗估计可达生成ATP总量的的50%。,2019/8/4,张星元：发酵原理,155,2.6.2.2 无效循环 细胞内