【正文】 omeostasis） 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 119 大多數(shù)酶和蛋白質(zhì)都有一個相當(dāng)狹窄的表現(xiàn)活性的最適 pH 值范圍。 同樣地，外部 pH 值的上升將引起細胞質(zhì)的堿化，觸發(fā) Na+/H+ 反向輸送 ，從而逐出 Na+， 引入 H+ ，酸化細胞質(zhì)。根據(jù)化學(xué)滲透假設(shè)可以畫出化學(xué)滲透質(zhì)子回路： 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 128 ATP 跨越能量轉(zhuǎn)換膜的質(zhì)子回路與直流電路的比較 ATP酶 呼吸鏈 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 129 這種回路與電路（電子回路）在形式上十分相似。 對照電路，電源與電燈接通，電燈亮。起這種作用的質(zhì)子移位體被稱為 解偶聯(lián)劑 ，實質(zhì)上它們能瓦解已形成的能庫。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 140 微生物細胞的生長能學(xué) 用于維持的 ATP消耗 微生物能量的儲存 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 141 微生物細胞的生長能學(xué) 生長能學(xué)（ growth energetics）描述了通常以 ATP的形式出現(xiàn)的代謝能的產(chǎn)生與消耗的關(guān)系，因此涉及到主動輸送（包括輸入和輸出）、供能反應(yīng)（ fueling reactions）、 生物合成反應(yīng)、大分子合成反應(yīng)和細胞組裝反應(yīng)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 146 組成細胞的生物大分子可分成以下幾類： ① RNA；② DNA；③ 蛋白質(zhì)；④碳水化合物（糖類）；⑤氨基碳水化合物（氨基糖類）；⑥脂類。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 150 用于維持的 ATP消耗 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 151 許多細胞反應(yīng)需要消耗 ATP， 但這些反應(yīng)對菌體的凈合成并沒有貢獻，通常把這些反應(yīng)稱為維持反應(yīng)或維持過程。這兩步反應(yīng)導(dǎo)致 ATP的凈消耗。 饑餓時可以降解這些化合物，以釋放能量，維持生存。在原核細胞中，葡糖基（ glycosyl ） 的供體是 ADP葡萄糖，而不是 UDP葡萄糖（原核細胞中 UDP 葡萄糖用來合成細胞壁）。確立了微生物活細胞在發(fā)酵生產(chǎn)中的核心地位。 8. 為什么說代謝能的持續(xù)供應(yīng)是微生物生命活動的前提？ 9. 為什么說代謝能支撐假說揭示了化能異養(yǎng)型微生物細胞的能量代謝的氧化還原本質(zhì)，確定了工業(yè)發(fā)酵的生物學(xué)屬性，確立了微生物活細胞在發(fā)酵生產(chǎn)中的核心地位？ 。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 166 代謝能的持續(xù)供應(yīng)是微生物生命活動的前提，代謝能支撐是工業(yè)發(fā)酵運行的立足點。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 162 在許多微生物中發(fā)現(xiàn)糖原存在，特別是在能量豐富營養(yǎng)不平衡的時候，就有相當(dāng)大量的糖原堆積。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 158 微生物能量的貯存 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 159 當(dāng)有多余營養(yǎng)物質(zhì)存在時，微生物常常改變它們的某些代謝方向，合成一些化合物，作為能量貯存。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 155 無效循環(huán) 細胞內(nèi)有些反應(yīng)序列，其凈結(jié)果是 ATP 的水解。 ⑶脫氧核糖核酸（ DNA） 合成的成本 結(jié)合 1個脫氧核糖核苷酸 （以單磷酸核苷酸計）的 總能耗為 ATP。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 145 生物大分子的代謝成本 在細胞的經(jīng)濟運行中，既要討論全局的通用代謝物的作用，也要討論細胞物質(zhì)合成的成本。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 139 沒有生命活動就沒有代謝能。它們的加入能 促進電子傳遞過程（ 即促進呼吸作用 ），但沒有相應(yīng)化學(xué)計量的 ATP合成 。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 132 從質(zhì)子回路這個觀點出發(fā)，可以清楚地認(rèn)識到：通過電子傳遞而發(fā)生的氧化過程與 ADP的磷酸化過程之間的偶聯(lián)，需要質(zhì)子運動勢 Δp（ 能庫）作為中間媒介。也就是要求 ATP合成酶質(zhì)子泵反向運轉(zhuǎn)，使質(zhì)子不斷進入細胞（或線粒體）內(nèi)。外部 pH 值從 上升到 8，而胞內(nèi) pH 值的變化僅僅是 ，這種 pH自動動態(tài)平衡究竟是怎樣完成的呢 ? 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 121 許多因素都可能緩沖胞內(nèi) pH 值，維持胞內(nèi) pH 值自動動態(tài)平衡（ pH homeostasis）。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 116 在細胞中， ATP的周轉(zhuǎn)十分迅速，有的細菌的 ATP半衰期 ——也就是存在于細胞中的全部 ATP分子總數(shù)的一半用于驅(qū)動需能反應(yīng)并從放能反應(yīng)再生所需的時間 ——通常只有幾秒鐘甚至更短。因此， 1 分子 NADH（ 即每對電子）在大腸桿菌可能相當(dāng)于 1～ 2分子 ATP， 而酵母能產(chǎn) 3 個 ATP分子。 開啟：【 ADP】 ↑→ 拉動電子傳遞 →【 NADH或 FADH2】 ↓→ TCA環(huán)和酵解就暢通。只有當(dāng)電子傳遞鏈發(fā)生并提供了質(zhì)子梯度時， ATP才得以生成； 只有當(dāng) ADP 同時被磷酸化成ATP時，電子才經(jīng)電子傳遞鏈流向氧。例如，在酵母細胞質(zhì)中 2 個 H+通過 ATP合成酶進入線粒體，可驅(qū)動 1 分子 ATP的合成，質(zhì)子梯度能驅(qū)動某些糖和氨基酸的簡單主動輸送，驅(qū)動細菌鞭毛旋轉(zhuǎn)等。微生物的代謝能來自化學(xué)能或光能，對于化能異養(yǎng)型微生物來說只能來自生物氧化過程中釋放的化學(xué)能。 Δp = p外 － p內(nèi) ， ΔΨ = Ψ外 － Ψ內(nèi)， ΔpH = pH外 — pH內(nèi) Z是將 pH值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱輪挝坏霓D(zhuǎn)換系數(shù)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 81 FMN FMNH2 氧化型 還原型 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 82 AMP FMN FADH FAD 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 83 不同形式的鐵硫蛋白 蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì) 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 84 醌 （ CoQ） 半醌 氫醌 （ CoQ H2） 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 85 a型血紅素 b型血紅素 c型血紅素 細胞色素氧化酶的 Cyt a 和 Cyt a3中的鐵卟啉 CoQH2Cyt c 還原酶復(fù)合物的 Cyt b562 和 Cyt b566 中的鐵卟啉 CytC 和 CytC1中的鐵卟啉 細胞色素中的鐵卟啉 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 86 大腸桿菌細胞質(zhì)膜上輸送蛋白、電子傳遞鏈和 ATP酶，及它們各自的功能的示意圖。電子傳遞鏈?zhǔn)且幌盗邢嗷プ饔玫亩嚯摹? 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 67 輔酶 NAD+ 吸收脫氫作用中放出的電子，而被還原成 NADH。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 60 如果遺傳與環(huán)境條件許可，丙酮酸相對容易地經(jīng) TCA環(huán)降解，最終可被氧化降解成二氧化碳；第二階段（酵解）及第三階段所釋放的還原當(dāng)量則被電子傳遞鏈吸收并傳遞給外源的最終電子受體。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 58 第一階段是指葡萄糖進入細胞，在胞內(nèi)以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯或葡萄糖酸的磷酸酯的形式出現(xiàn)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 52 一些重要的輔酶，如 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD）， 其氧化型 NAD+可作為直接的電子受體，其還原型 NADH可作為直接的電子供體，因此能將這些氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)偶聯(lián)起來。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 45 所謂氫負(fù)離子是指 [H∶ ]，即 [H++ 2e]， 也就是一個質(zhì)子和一對電子。 借助于對應(yīng)的酶的催化作用， 在酶的底物的水平上發(fā)生磷酸化作用 ，形成特殊的高能化合物（ ATP、 GTP） 的過程。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 31 生物學(xué)中定義：由放能反應(yīng)提供自由能，用以驅(qū)動需能反應(yīng)的過程，被稱為放能反應(yīng)與需能反應(yīng)之間能量的偶聯(lián)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 24 電子載體與高能 （磷酸）鍵載體 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 25 電子載體與氫載體 高能（磷酸）鍵載體及能量偶聯(lián) 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 26 電子載體與氫載體 電子載體廣義地包括脫氫酶的輔酶和電子傳遞鏈的全體成員。L1（ pH 值為 0）； H2為 l atm。 在恒溫、恒壓條件下，各類化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進行，取決于自由能的變化“ ΔG ′” 的值（反應(yīng)的 ΔG′與變化的途徑無關(guān)）。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 11 ③能經(jīng)歷酸堿反應(yīng)的化合物的標(biāo)準(zhǔn)狀況規(guī)定為其天然存在的離子混合物在 pH 7 的條件下的總濃度。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 7 在氧化還原電極對之間有電子轉(zhuǎn)移的趨勢，它們的還原電位（或稱電極電位）就是衡量這種電子轉(zhuǎn)移（獲得電子）的趨勢的物理量，記作“ E ”。 例如： NAD+／ NADH+H+ Fe3+／ Fe2+。 ② 氫離子的活度規(guī)定為對應(yīng)于在生理 pH 條件（ pH 7 ） 的活度，而不是化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)規(guī)定的 pH 0（ 氫離子活度為 1 ）的活度。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 14 生化反應(yīng)前后自由能的變化 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 15 在活細胞內(nèi)的反應(yīng)條件是恒溫、恒壓的條件。L1； 對參比半電池為氫電極的情況來說， H+ 濃度為 l mol兩者的關(guān)系可用下式表示： ΔG 0′= nFΔE0′ 式中， n 為電子傳遞數(shù)目， F 為法拉第常數(shù)（ 104C／ mo1）， ΔE0′ 為電子受體的 E0′減去電子供體的 E0′所得之差值。在細胞中，這種可以利用的能量只能來源于放能反應(yīng)所釋放的自由能，而且只有當(dāng)放能反應(yīng)提供的自由能大于該需能反應(yīng)所需的自由能時，反應(yīng)才能進行。也就是代謝中間化合物 （ 如 1,32PGA 、PEP、 ScCoA和乙酰磷酸等高能磷酸化合物）的 高能磷酸鍵的水解反應(yīng)與 ADP 或 GDP 的磷酸化反應(yīng)直接耦合 。本課程為了說明問題的方便，將相當(dāng)于一對電子或一個氫負(fù)離子（ h