【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 酶）；③直接用于輸送的代謝能。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 61 從而確定對(duì)化學(xué)物質(zhì)跨過(guò)膜的機(jī)制進(jìn)行分類的依據(jù)： ①根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞 是否要依靠輸送系統(tǒng) 而分為 擴(kuò)散（不需要輸送系統(tǒng)） 和 輸送（依靠輸送系統(tǒng)） 。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(jī)制也不一定相同； 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 62 ②根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞是否需要代謝能，把 輸送 再分為 主動(dòng)輸送 （需要代謝能）和 被動(dòng)輸送 （不需要代謝能）； ③根據(jù)主動(dòng)輸送過(guò)程中是否需要酶（形成共價(jià)鍵）把主動(dòng)輸送分成 簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送 和 基團(tuán)轉(zhuǎn)移 。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 63 跨膜機(jī)制分成以下兩類四種： 第一類：細(xì)胞不提供幫助 ⑴簡(jiǎn)單擴(kuò)散 第二類：細(xì)胞提供幫助 ⑵促進(jìn)擴(kuò)散：提供載體蛋白 ⑶簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送：提供載體蛋白 和代謝能 ⑷基團(tuán)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(jiǎn)單擴(kuò)散 (simple diffusion)： 不需要細(xì)胞提供幫助的跨膜過(guò)程只能稱作為 擴(kuò)散 ；需要細(xì)胞提供幫助的跨膜過(guò)程才堪稱細(xì)胞發(fā)動(dòng)的 輸送 。簡(jiǎn)單擴(kuò)散是順濃度梯度方向的擴(kuò)散，不消耗代謝能，也不需專一的載體或酶，僅僅是非專一性的膜透過(guò)現(xiàn)象，因此僅僅是擴(kuò)散。有些親脂性化合物接觸膜的一側(cè)時(shí)即溶于脂質(zhì)的膜，并經(jīng)擴(kuò)散至膜的另一側(cè)釋放，有些小分子或離子通過(guò)膜上存在的非專一性通道，從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)擴(kuò)散，都屬簡(jiǎn)單擴(kuò)散。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 65 化合物以自由擴(kuò)散的方式跨過(guò)脂質(zhì)膜包括 3 個(gè)步驟： ①化合物從胞外介質(zhì)到膜相的傳遞； ②化合物擴(kuò)散通過(guò)脂雙層； ③化合物從膜相到細(xì)胞質(zhì)的傳遞。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 66 物質(zhì)擴(kuò)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(duì)分子質(zhì)量、極性、脂溶性等）有關(guān)。一些非極性小分子如氧、氮、苯等可以以簡(jiǎn)單擴(kuò)散的方式穿過(guò)膜脂雙分子層中無(wú)蛋白質(zhì)區(qū)進(jìn)出細(xì)胞。一些雖不帶電荷但顯極性的小分子如水、尿素、 NH 甘油、二氧化碳和脂肪酸和某些醇（乙醇等），由于分子很小，也可簡(jiǎn)單擴(kuò)散，穿過(guò)類脂極性頭部區(qū)而透過(guò)膜。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 67 在解離狀態(tài)時(shí)，有機(jī)酸在脂質(zhì)膜中實(shí)際上是不溶的；但許多有機(jī)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(kuò)散得很迅速，主要是因?yàn)槲唇怆x形式可以自由擴(kuò)散。乳酸和乙酸這樣的化合物的整個(gè)輸送過(guò)程，對(duì)其自身的解離程度都非常敏感，因而對(duì)細(xì)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 68 對(duì)于許多微生物來(lái)說(shuō)，細(xì)胞質(zhì)膜有一個(gè)跨膜的 pH 梯度 （ 細(xì)胞內(nèi)的 pH 值高），這可能導(dǎo)致質(zhì)子向細(xì)胞的凈流入。為了維持胞內(nèi)較低的質(zhì)子濃度，必須消耗 ATP， 由 ATP酶（已在真核微生物細(xì)胞膜發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜 ATP酶）將這些質(zhì)子泵出細(xì)胞外。同樣道理，培養(yǎng)基中有機(jī)酸的存在可能會(huì)導(dǎo)致 ATP的凈消耗。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 69 在研究苯甲酸對(duì)釀酒酵母呼吸的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，菌體量對(duì)葡萄糖的得率隨苯甲酸濃度的增加而下降，同時(shí)葡萄糖和氧氣的比吸收速率增加。因此對(duì)菌體合成來(lái)說(shuō)，在加入苯甲酸的情況下，葡萄糖并沒(méi)有得到有效的利用。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 70 這種現(xiàn)象被解釋為： 苯甲酸的質(zhì)子解耦聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致 ATP的額外消耗。對(duì)厭氧條件下苯甲酸對(duì)釀酒酵母菌體合成的 ATP消耗的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)菌體合成時(shí)消耗的 ATP的量隨著苯甲酸濃度的增加而呈線性增加。這是苯甲酸的質(zhì)子解耦聯(lián)效應(yīng)的又一實(shí)驗(yàn)根據(jù)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 71 ⑵ 促進(jìn)擴(kuò)散（ facilitated diffusion） ： 需要細(xì)胞提供輸送系統(tǒng)，不消耗代謝能。許多化合物以極低的速率通過(guò)自由擴(kuò)散而跨膜，因?yàn)樗鼈冊(cè)谫|(zhì)膜中的溶解度很低。這類化合物 借助于細(xì)胞質(zhì)膜中的載體蛋白 ，其跨膜過(guò)程可顯著增強(qiáng)。這種跨膜過(guò)程 不需要消耗代謝能 ，但 要求細(xì)胞提供載體蛋白來(lái)促進(jìn)跨膜過(guò)程 ，因此被稱為促進(jìn)擴(kuò)散。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 72 促進(jìn)擴(kuò)散普遍存在于真核生物，在原核生物中僅有的幾例。如甘油在大腸桿菌中的運(yùn)輸，以及葡萄糖在運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌（ Zymomonas mobilis ） 中的輸送。 與自由擴(kuò)散一樣， 促進(jìn)擴(kuò)散只能順著濃度梯度而下的方向進(jìn)行 。有游離的載體蛋白可供使用時(shí)，某些化合物才能進(jìn)入膜相，并且促進(jìn)擴(kuò)散的速率服從飽和型動(dòng)力學(xué) ，就如酶催化反應(yīng)服從米氏動(dòng)力學(xué)一樣。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 73 在真菌中，許多糖類物質(zhì)通過(guò)促進(jìn)擴(kuò)散跨膜。據(jù)報(bào)道，在釀酒酵母中，葡萄糖通過(guò)促進(jìn)擴(kuò)散跨膜輸送，而且存在著一個(gè)受葡萄糖阻遏的高親和體系和一個(gè)組成型的低親和體系。對(duì)于絲狀真菌，也已經(jīng)報(bào)道了用于糖的促進(jìn)擴(kuò)散的不同的載體蛋白。 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。它們各自具有專一的結(jié)合部位，現(xiàn)已從不同類型的細(xì)菌中提取出這類蛋白質(zhì)。一種細(xì)菌通常有不同的載體蛋白分別來(lái)完成氨基酸、糖、維生素和無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)的輸送，同一化合物也可能有一種以上的載體來(lái)完成輸送。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 75 例如，啤酒酵母有 3 種對(duì)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(fù)責(zé)組氨酸的輸送。相反，也有一種載體負(fù)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 76 以往對(duì)離子載體的研究提供了關(guān)于離子通過(guò)膜的載體傳遞的分子基礎(chǔ)。現(xiàn)已知，天然離子載體都是抗生素，它們可以誘導(dǎo)離子通過(guò)模型膜，可以提高生物膜對(duì)離子的輸送能力。按作用方式不同，可把它們分成 活動(dòng)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(kuò)散通過(guò)脂雙分子層，后者在膜上誘導(dǎo)形成暫時(shí)性孔道 （類似于架橋） ，使離子得以通過(guò)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 77 活動(dòng)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(gè)空腔中，形成外部親脂的絡(luò)合物。例如纈氨霉素（ Valinomycin） 就是由“ [D纈氨酸 L乳酐 L纈氨酸 Dα羥基異戊酰 ]3 ” 構(gòu)成的環(huán)狀 12酯肽，酯鍵與酰胺鍵交替出現(xiàn)，環(huán)內(nèi)部由構(gòu)成酯鍵的羰基氧原子提供具有靜電束縛陽(yáng)離子位置的極性環(huán)境，呈親水性，而側(cè)鏈烷基向外，構(gòu)成疏水的外環(huán)。它能將堿金屬、堿土金屬等配位，并將其輸送過(guò)膜。 載體可在輸送過(guò)程中反復(fù)使用 。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 78 通道載體與活動(dòng)載體不同，它不能穿膜移動(dòng)，而是相對(duì)地固定在膜上，形成貫穿膜兩側(cè)的離子通道。目前已知能形成通道的載體有兩類，一類是兩性霉素（ Amphotericin ） 型大環(huán)多羥基多烯內(nèi)酯化合物， 它們可通過(guò)與膜磷脂分子中的固醇的結(jié)合而形成穿膜的孔 ，孔可被水充填。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 79 另一類是低分子量的肽，如短桿菌肽 A（ Gramicidin A）， 是由 15個(gè)氨基酸組成的多肽。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(dòng)而跨過(guò)膜。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 80 借助于活動(dòng)載體的促進(jìn)擴(kuò)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(méi)有改變，靠載體復(fù)合物在膜內(nèi)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸送。通道輸送則相反，是建立了膜上的親水性通道，離子沒(méi)有發(fā)生變化，以原有形式通過(guò)。由于活動(dòng)載體復(fù)合物體積遠(yuǎn)比離子要大，所以它所促進(jìn)的離子跨膜輸送比通道輸送要慢。所有促進(jìn)擴(kuò)散都是通過(guò)降低位壘而實(shí)現(xiàn)加速輸送的。 在主動(dòng)輸送中也確有載體和通道促進(jìn)離子的輸送，但同時(shí)需要提供代謝能。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 81 ⑶ 簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送 (simple active transport)： 需細(xì)胞提供 載體 和 代謝能 的跨膜過(guò)程，因此屬于“輸送”。 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或代謝物經(jīng)這種類型的輸送，其跨膜前后的化學(xué)狀態(tài)并不發(fā)生變化 ，從濃度較低的一側(cè)送入其濃較高的另一側(cè)，這種逆濃度梯度的輸送，除了 要借助于載體蛋白，還要消耗細(xì)胞的代謝能 Δp。 因此有化學(xué)滲透驅(qū)動(dòng)的輸送之說(shuō)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 82 簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送可用其工作模型來(lái)描繪。工作模型由初級(jí)系統(tǒng)與次級(jí)系統(tǒng)組成。 對(duì)于化能營(yíng)養(yǎng)型微生物， 初級(jí)系統(tǒng) 是指把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電滲透能的機(jī)構(gòu)。 Mitchell 的化學(xué)滲透假設(shè)是這種初級(jí)系統(tǒng)的最好解釋。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 83 電子傳遞鏈的成員按其對(duì)應(yīng)的氧化還原對(duì)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(guò)程中將質(zhì)子泵出細(xì)胞質(zhì)膜，在膜兩邊形成質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì) ( proton motive force )， 它能用來(lái)驅(qū)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收或 ATP的合成。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 8