【正文】 經(jīng)本細(xì)胞代謝的）或內(nèi)源的（泛指已經(jīng)本細(xì)胞代謝的）碳架物質(zhì)，可被有機(jī)體氧化而產(chǎn)能，或經(jīng)必要的代謝參與有機(jī)體細(xì)胞組成。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 33 化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物簡(jiǎn)稱 化能異養(yǎng)型微生物 （ chemoanoheterotroph， 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(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的微生物也正在環(huán)保、食品、化工等領(lǐng)域得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。 “ 化能異養(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(gè)條件。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 34 微生物的生理狀態(tài) 與環(huán)境的關(guān)系 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 35 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(xì)胞的生理狀態(tài)與細(xì)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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 36 微生物細(xì)胞與高等生物細(xì)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(duì)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(duì)這些變化做出積極的響應(yīng)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 37 這里之所以要討論環(huán)境因素對(duì)微生物細(xì)胞的生理學(xué)影響的問(wèn)題，目的在于強(qiáng)調(diào) 微生物細(xì)胞與其所處的環(huán)境是一個(gè)不可分割的整體。 把微生物作為研究工作的“載體”，來(lái)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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 38 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(gè)方面得到反映： ①初級(jí)響應(yīng)：微生物細(xì)胞對(duì)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(xì)胞形態(tài)的改變，迅速生長(zhǎng)的群體中不同基因型（ genotype ） 細(xì)胞的比例的變化等。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 39 ② 溶解氧濃度與細(xì)胞的相互作用： 需氧微生物進(jìn)行有氧呼吸時(shí)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(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)分子中。此外，氧還可作為生長(zhǎng)或代謝的抑制劑（在一定程度上對(duì)細(xì)胞有毒性）、酶的調(diào)節(jié)劑等。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 40 對(duì)生長(zhǎng)中的微生物，溶解氧的濃度會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)速率、改變細(xì)胞的組成、改變代謝產(chǎn)物（包括代謝產(chǎn)物的種類(lèi)和數(shù)量等）。以上細(xì)胞對(duì)氧的響應(yīng)反過(guò)來(lái)又會(huì)影響細(xì)胞所處環(huán)境中的溶解氧濃度。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 41 ③ 對(duì) CO2的響應(yīng)： CO2可自由進(jìn)出細(xì)胞，影響新陳代謝?；茏责B(yǎng)型微生物以為 CO2主要碳源?；墚愷B(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(zhǎng)時(shí)，對(duì) CO2 有需求，它們必須固定 CO2， 也就是讓 CO2 進(jìn)入細(xì)胞有機(jī)物的碳架，從而回補(bǔ) TCA環(huán)的中間產(chǎn)物，維持 TCA環(huán)的運(yùn)行，以支持生長(zhǎng)（后面將詳細(xì)討論 ） 。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 42 CO2 分壓較高時(shí)，不但會(huì)影響培養(yǎng)基的 pH 值，導(dǎo)致生長(zhǎng)所需礦物質(zhì)的沉淀析出；更嚴(yán)重的是會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子的無(wú)效循環(huán)，使微生物生長(zhǎng)速度下降。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 43 這主要是因?yàn)榧?xì)胞外 pH 值一般低于細(xì)胞內(nèi)，分子態(tài)的 CO2 大量進(jìn)入細(xì)胞，并在細(xì)胞內(nèi)與水分子作用生成大量的 H+ 和 HCO3 ， 為維持細(xì)胞內(nèi)中性的 pH 值和細(xì)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(zhǎng)的代謝能將 H+泵出細(xì)胞，代謝能的額外開(kāi)支導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)速度的下降。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 44 通氧（通風(fēng)）過(guò)度會(huì)影響對(duì)細(xì)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(xì)胞濃度很低，這時(shí)不宜大量通氧（通風(fēng)），因?yàn)槿绻芙庋跆邥?huì)影響生長(zhǎng)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 45 ④ 對(duì)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(xì)胞內(nèi)水活度時(shí)，微生物細(xì)胞要承受 “ 水應(yīng)力 ” ( water stress ) 。 真細(xì)菌和真核微生物對(duì)水應(yīng)力的響應(yīng)是一種生理性適應(yīng)， 即會(huì)在細(xì)胞內(nèi)累積有機(jī)兼容溶質(zhì)(patible solutes)， 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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 46 ⑤ 環(huán)境的氫離子濃度與細(xì)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(shí)上微生物（ 包括極端嗜酸菌和極端嗜堿菌 ）細(xì)胞內(nèi)部 pH 值均接近于 7。 細(xì)胞內(nèi)外 pH值 的差值是靠消耗代謝能來(lái)維持的。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 47 培養(yǎng)基 pH 值與細(xì)胞的相互作用可從下面幾方面來(lái)認(rèn)識(shí)：首先每種微生物細(xì)胞一般都有生長(zhǎng)的最適 pH 值； 其次微生物會(huì)對(duì)細(xì)胞外 pH 值變化做出細(xì)胞水平的響應(yīng)，可能影響發(fā)酵產(chǎn)物的形成和細(xì)胞的膜輸送功能等；最后是細(xì)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?yàn)楫a(chǎn)物的形成、營(yíng)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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 48 當(dāng)然也可以通過(guò)配入 pH 緩沖劑、添加酸或堿，或用設(shè)計(jì)合適的培養(yǎng)基或培養(yǎng)工藝來(lái)平衡代謝中產(chǎn)生的氫離子等方法，來(lái)調(diào)節(jié)培養(yǎng)液（發(fā)酵液）的 pH值。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 49 ⑥環(huán)境溫度與細(xì)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(dòng)對(duì)環(huán)境溫度都是敏感的。細(xì)胞對(duì)溫度的響應(yīng)包括：在生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)，不同溫度下有不同的生長(zhǎng)速率；在不同溫度下， 膜、 DNA、 RNA、蛋白質(zhì)等細(xì)胞成分會(huì)有相應(yīng)變化。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 50 當(dāng)溫度發(fā)生變動(dòng)時(shí)，細(xì)胞內(nèi)部會(huì)發(fā)生全局性（細(xì)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(duì)環(huán)境溫度變動(dòng)做出響應(yīng)。當(dāng)微生物代謝旺盛、迅速生長(zhǎng)時(shí)，其他形式的能量大量地轉(zhuǎn)化成代謝能，同時(shí)放出大量熱能，使環(huán)境溫度迅速上升。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 51 此外，培養(yǎng)物中 解偶聯(lián)劑的加入，將破壞膜對(duì)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(lái)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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 52 化學(xué)物質(zhì)的跨膜過(guò)程 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 53 化學(xué)物質(zhì)跨過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜的機(jī)制 真核微生物細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的 跨膜傳遞 代謝中間產(chǎn)物排出細(xì)胞的機(jī)制 跨膜過(guò)程中代謝能的消耗 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 54 所有的活細(xì)胞都要與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換。在工業(yè)發(fā)酵中微生物細(xì)胞要將進(jìn)入細(xì)胞的營(yíng)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(xì)胞。諸如：以代謝產(chǎn)物（包括能量代謝副產(chǎn)物、初級(jí)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(xì)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(xì)胞為目的產(chǎn)物（包括單細(xì)胞蛋白和胞內(nèi)酶等細(xì)胞提取物）的生產(chǎn)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 55 工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)大多均兼有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入和發(fā)酵目的產(chǎn)物排放出細(xì)胞的過(guò)程。即使在以細(xì)胞為目的產(chǎn)物的情況下，也有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入和代謝中間產(chǎn)物（代謝“廢物” ）排放出細(xì)胞。 “ 目的產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)生成，然后排放出細(xì)胞 ”，這是本課程定義典型的工業(yè)發(fā)酵的第二個(gè)條件。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 56 雖然細(xì)胞壁對(duì)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞有一定妨礙，例如 G+ 細(xì)菌細(xì)胞壁不允許相對(duì)分子質(zhì)量為 10 000 Da 的葡聚糖通過(guò)，真菌細(xì)胞壁也只允許分子質(zhì)量相對(duì)較小的物質(zhì)通過(guò)，然而水相中的可溶性化合物進(jìn)出細(xì)胞的主要屏障 ( barrier)是細(xì)胞膜。位于生物膜上的輸送系統(tǒng)可識(shí)別底物，只允許被認(rèn)可的化合物物進(jìn)入，并可控制其通過(guò)的量，同時(shí)不斷排出無(wú)用或多余的化學(xué)物質(zhì)，以控制和維持細(xì)胞 ( 或細(xì)胞器 ) 的內(nèi)部環(huán)境。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 57 這一小節(jié)主要研究營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)跨過(guò)膜進(jìn)入細(xì)胞和工業(yè)發(fā)酵目的產(chǎn)物跨過(guò)膜排放出細(xì)胞的問(wèn)題。細(xì)菌、放線菌、酵母菌、霉菌沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的攝食和排泄“器官”，各種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞主要依賴于細(xì)胞質(zhì)膜的功能，這就必然涉及到兩個(gè)難題： ①存在于水相中的化學(xué)物質(zhì)如何跨過(guò)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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 58 化學(xué)物質(zhì)跨過(guò)細(xì)胞 質(zhì)膜的機(jī)制 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 59 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(lèi)抑制劑 ）對(duì)輸送的抑制作用，從輸送過(guò)程中出現(xiàn)的飽和效應(yīng)、競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，以及從微生物的輸送性能缺失突變的發(fā)生，推測(cè)并得到證實(shí)，前述兩個(gè)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(xì)胞質(zhì)膜不同于一般半透膜的生物學(xué)本質(zhì)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 60 弄清化學(xué)物質(zhì)跨過(guò)膜的物質(zhì)基礎(chǔ)是：①流動(dòng)性的、可穿透的膜；②有選擇性的、可識(shí)別跨膜物質(zhì)并攜帶它們過(guò)膜的載體（包括催化共價(jià)反應(yīng)的