【正文】 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 63 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(zhuǎn)移：提供載體蛋白、代 謝能和酶（蛋白質(zhì)因子） 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 64 ⑴ 簡單擴散 (simple diffusion)： 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(fā)動的 輸送 。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 66 物質(zhì)擴散的難易程度，除了與組成膜的分子本身的極性有關(guān)外，與跨膜物質(zhì)的性質(zhì)（如相對分子質(zhì)量、極性、脂溶性等）有關(guān)。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(zhì)和胞外介質(zhì)兩者的 pH 值也很敏感。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 69 在研究苯甲酸對釀酒酵母呼吸的影響時發(fā)現(xiàn)，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。這是苯甲酸的質(zhì)子解耦聯(lián)效應(yīng)的又一實驗根據(jù)。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。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(xué) ，就如酶催化反應(yīng)服從米氏動力學(xué)一樣。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 74 載體主要是一些跨膜蛋白，又稱透性酶。相反，也有一種載體負責(zé)幾種物質(zhì)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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 77 活動載體有環(huán)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(luò)合物。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 78 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(cè)的離子通道。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 80 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(fù)合物，膜的性質(zhì)沒有改變，靠載體復(fù)合物在膜內(nèi)運動實現(xiàn)輸送。 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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 82 簡單主動輸送可用其工作模型來描繪。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 83 電子傳遞鏈的成員按其對應(yīng)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(yīng)所形成的還原型輔酶 NADH和輔基 FADH2在電子傳遞鏈的適當(dāng)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(zhì)子泵出細胞質(zhì)膜，在膜兩邊形成質(zhì)子運動勢 ( proton motive force )， 它能用來驅(qū)動營養(yǎng)物質(zhì)的吸收或 ATP的合成。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 86 已區(qū)分出 3 種次級系統(tǒng)： ① 化學(xué)物質(zhì)分子或離子與初級系統(tǒng)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）； 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 87 ② 化學(xué)物質(zhì)分子或離子與初級系統(tǒng)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(xué)物質(zhì)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）。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 90 在實驗條件（ pH7） 下， Ile 不帶電（ Ile的等電點為 ）， 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(fù)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(cè)之電位差） 和 膜內(nèi)外pH值之差（即 H+濃度差） 的推動。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 92 與質(zhì)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。用于輸送的其他離子的梯度（ ion gradient） 是由質(zhì)子梯度（ proton gradient） 經(jīng)前述反向傳送機制轉(zhuǎn)換過來的。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 94 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(nèi)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。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(huán)境中的某些養(yǎng)分。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 97 其他初級主動輸送系統(tǒng)還有借助于“ 交通 ATP酶 ” 的輸送系統(tǒng)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 98 ⑷ 基團轉(zhuǎn)移 (group translocation)： 需提供載體、代謝能和酶，屬于“輸送”機制。 PTS 主要存在于兼性和專性厭氧細菌中。 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。 EⅡ 的 C 功能區(qū)（也就是EⅡ C蛋白）形成轉(zhuǎn)移的通道，并且至少其一部分成為特定的糖結(jié)合位點。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 106 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(nèi)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(tǒng)就能自由地透過線粒體內(nèi)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(nèi)膜，并且已檢出磷酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽、 ADP、 ATP、 丙酮酸（ PYR）、 TCA環(huán)的有機酸、 Glu、 Asp、Orn（ 鳥氨酸）、 Cit（ 瓜氨酸）、?；鈮A ( acy1 carnitines ) 和 PEP（ 磷酸烯醇式丙酮酸）等化合物的輸送系統(tǒng)。 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(zhì)中的生物合成反應(yīng)。 H 3 + ATP4 ADP3 Asp 2 Glu 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 114 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。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 116 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NADH）不能穿過線粒體內(nèi)膜。分述如下： 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 118 借助于 跨線粒體內(nèi)膜 的 “蘋果酸／天冬氨酸” 穿梭往返，間接地將還原當(dāng)量送入線粒體。 線粒體 內(nèi)膜 Asp Asp NADH + H + NADH + H NAD + NAD + Glu Glu OAA OAA α KG α KG MLA MLA (MD) (MD) (AAT) (AAT) GAT MOT 還原力 胞質(zhì)中的 基質(zhì)中的 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 120 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(zhì)中和線粒體內(nèi)膜上的 2 個 3 磷酸甘油脫氫酶。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 121 線粒體基質(zhì) 線粒體的 3 磷酸甘油脫氫酶 （ 黃素蛋白 ） Glyc3P Glyc3P DHAP DHAP NAD+ NADH+ H+ 細胞質(zhì)的 3磷酸甘油脫氫酶 細胞質(zhì) 線粒體外膜 間腔 線粒體內(nèi)膜 FADH CoA 跨線粒體外膜 的 “ 3磷酸甘油／磷酸二羥丙酮”穿梭往返 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 122 這種穿梭過程分 4 步進行： ①細胞質(zhì)中：在細胞質(zhì)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(zhì)中的 3磷酸甘油穿過線粒體外膜進入線粒體的內(nèi)膜和外膜之間的間腔 ③在線粒體內(nèi)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(zhì)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 124 代謝中間產(chǎn)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） 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 125 從化學(xué)平衡的觀點來看，分泌可以促進合成；從生物學(xué)的角度來看，分泌又是對過量合成的代謝中間產(chǎn)物的解毒機制，是微生物細胞生存策略的一個方面 。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 127 跨膜過程中代謝能的消耗 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 128 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(dāng)大的比例。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 129 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 130 對于質(zhì)子的重新輸出，在原核細胞和真核細胞之間存在一些差別。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 131 在真核細胞中， ATP酶位于線粒體的內(nèi)膜，但 真核細胞也具有屬于另一類型的 ATP酶 ——質(zhì)膜 ATP酶