【正文】 游離態(tài)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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 19 微生物對碳源的需要極其廣泛，從簡單的無機碳化合物，如 CO CO32（ 自養(yǎng)型微生物的主要碳源），到復(fù)雜的天然有機含碳化合物，如糖、醇、有機酸、脂肪、烴類等（異養(yǎng)型微生物的主要碳源）都可被不同種類的微生物利用。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 18 微生物細胞及其代謝產(chǎn)物中包含了無數(shù)有機化合物，所有機化合物都有碳架。碳原子可彼此反應(yīng)并形成穩(wěn)定的“ CC” 共價結(jié)合的化合物，可形成鏈式或環(huán)式的結(jié)構(gòu)，其長度和大小幾乎是無限度的，成為各種有機分子的骨架。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 15 O、 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(fā)生酸式或堿式解離，或使分子出現(xiàn)極性，能與水分子形成氫鍵而表現(xiàn)親水性，使生物分子與水環(huán)境間增強相互作用。為模塊分子（ building block）生物合成提供碳骨架（ carbon skeletons） 的基質(zhì)，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(zhuǎn)化成代謝能）和還原力的基質(zhì)稱為能源。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 11 微生物的營養(yǎng) 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 12 這里說的營養(yǎng)既可指營養(yǎng)物質(zhì)（ nutrients）， 也可指提供營養(yǎng)的過程（ nutrition）。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 9 研究微生物的生命活動不能離開環(huán)境，也不能離開微生物的生理狀態(tài)。并將這些來自環(huán)境的營養(yǎng)有效地轉(zhuǎn)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(xù)的生命活動。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 3 本節(jié)主要討論物質(zhì)交換問題。微生物細胞內(nèi)外的物質(zhì)交換對工業(yè)發(fā)酵至關(guān)重要。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 7 可把微生物細胞這個開放系統(tǒng)與其所處環(huán)境加在一起，看作一個隔離系統(tǒng)，這個重新劃定的系統(tǒng)必須服從熵值增加原理。環(huán)境影響微生物細胞的生理狀態(tài)和生命活動，而微生物細胞生命活動又不斷改變環(huán)境。 作為營養(yǎng)物質(zhì)必須能直接地或者經(jīng)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(jié)構(gòu)的原材料；③代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)。關(guān)于微生物的營養(yǎng)，微生物學(xué)已有介紹，這里僅根據(jù)本課程教學(xué)需要，簡單地談?wù)?O、C、 H、 N、 S、 P， 特別是含 C 和含 P 的營養(yǎng)物質(zhì)。 N 參加主鏈結(jié)構(gòu)可改善大分子的機械性能。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 17 碳原子可與許多元素如 H、O、 N、 S、 P 等形成穩(wěn)定的共價鍵。本課程現(xiàn)階段主要研究有機化合物的代謝。對化能異養(yǎng)型微生物來說，碳源的生理功能可總括為兩點：一是構(gòu)成細胞物質(zhì)和各種代謝產(chǎn)物的碳架；二是提供細胞活動所需的能量。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 22 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(jié)構(gòu)）；與糖類分子形成酯鍵，使其成為活化態(tài)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(zhì)（酶）的結(jié)合或解離，實現(xiàn)酶或載體蛋白的活性的共價調(diào)節(jié)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 24 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(zhuǎn)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(xué)功和輸送功等） 。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 26 微生物的營養(yǎng)類型 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 27 微生物在長期進化過程中，逐漸地形成了不同的代謝類型。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 29 微生物的營養(yǎng)類型，是按微生物對其從環(huán)境中吸收的營養(yǎng)進行不同方式的代謝而劃分的代謝類型。 CO2 經(jīng)代謝進入有機體的碳架的過程被稱為二氧化碳的固定。 “ 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)酵的第一個條件。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 37 這里之所以要討論環(huán)境因素對微生物細胞的生理學(xué)影響的問題，目的在于強調(diào) 微生物細胞與其所處的環(huán)境是一個不可分割的整體。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程中產(chǎn)生的有機分子中。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 41 ③ 對 CO2的響應(yīng)： CO2可自由進出細胞，影響新陳代謝。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 43 這主要是因為細胞外 pH 值一般低于細胞內(nèi)，分子態(tài)的 CO2 大量進入細胞，并在細胞內(nèi)與水分子作用生成大量的 H+ 和 HCO3 ， 為維持細胞內(nèi)中性的 pH 值和細胞內(nèi)外的離子平衡，必須調(diào)用原本應(yīng)該用于支持生長的代謝能將 H+泵出細胞，代謝能的額外開支導(dǎo)致微生物生長速度的下降。 真細菌和真核微生物對水應(yīng)力的響應(yīng)是一種生理性適應(yīng)， 即會在細胞內(nèi)累積有機兼容溶質(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。 這可以是因為產(chǎn)物的形成、營養(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 50 當溫度發(fā)生變動時，細胞內(nèi)部會發(fā)生全局性（細胞水平）的調(diào)整，從而在基質(zhì)利用、產(chǎn)物形成、熱量放出等方面對環(huán)境溫度變動做出響應(yīng)。在工業(yè)發(fā)酵中微生物細胞要將進入細胞的營養(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)物排放出細胞。 “ 目的產(chǎn)物在細胞內(nèi)生成，然后排放出細胞 ”，這是本課程定義典型的工業(yè)發(fā)酵的第二個條件。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(xué)物質(zhì)進出細胞主要依賴于細胞質(zhì)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(xué)物質(zhì)如何跨過疏水的膜； 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。這里所謂的“輸送系統(tǒng)”是一種泛稱，在不同的輸送系統(tǒng)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； 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 62 ②根據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)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(jù)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(zhuǎn)移 。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 65 化合物以自由擴散的方式跨過脂質(zhì)膜包括 3 個步驟： ①化合物從胞外介質(zhì)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(zhì)的傳遞。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 67 在解離狀態(tài)時，有機酸在脂質(zhì)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(zhì)膜擴散得很迅速，主要是因為未解離形式可以自由擴散。同樣道理，培養(yǎng)基中有機酸的存在可能會導(dǎo)致 ATP的凈消耗。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(fā)現(xiàn)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。這類化合物 借助于細胞質(zhì)膜中的載體蛋白 ，其跨膜過程可顯著增強。 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 。對于絲狀真菌，也已經(jīng)報道了用于糖的促進擴散的不同的載體蛋白。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 75 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。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(luò)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(dǎo)形成暫時性孔道 （類似于架橋） ，使離子得以通過。 載體可在輸送過程中反復(fù)使用 。短桿菌肽形成穩(wěn)定的螺旋狀二聚體， 其疏水氨基酸殘基朝外側(cè)，親水的羰基分布在內(nèi)側(cè)，螺旋內(nèi)孔構(gòu)成離子通道， 離子可在其中移動而跨過膜。所有促進擴散都是通過降低位壘而實現(xiàn)加速輸送的。 因此有化學(xué)滲透驅(qū)動的輸送之說。 Mitchell 的化學(xué)滲透假設(shè)是這種初級系統(tǒng)的最好解釋。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 85 次級系統(tǒng) 實際上是在初級系統(tǒng)產(chǎn)生的質(zhì)子運動勢 ( Δp ) 的驅(qū)動下，直接進行營養(yǎng)物質(zhì)輸送的機構(gòu)（輸送系統(tǒng)）。 Lys+和載體所形成的復(fù)合物帶正電，它在膜電位所構(gòu)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。 Glu、 H+ 和載體形成的復(fù)合物是電中性的，因此 ΔΨ 對此復(fù)合物不能施加影響，輸送僅僅依賴于 ΔpH， 即依賴于細胞內(nèi)外的 H+濃度之差 。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 93 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(fā)現(xiàn)。 枯草芽孢桿菌的檸檬酸的輸送則需要 Mg2+。當 ΔG ＞０時，需要注入代謝能以推動輸送，即進行主動輸送。某些 ATP酶可在兩個方向上起作用，當有質(zhì)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。在大腸桿菌中，通過這些所謂“ 交通 ATP 酶 ”所輸送的物質(zhì)有組氨酸、麥芽糖、阿拉伯糖和半乳糖 。 借助于這個系統(tǒng)，某些糖以糖的磷酸酯的形式被送進細菌細胞。這些蛋白中有兩種是可溶的細胞質(zhì)蛋白，大腸桿菌中它們是分別由 ptsI 和 ptsH所編碼的 酶 Ⅰ（ EⅠ