【導(dǎo)讀】物質(zhì)、能量和信息的交流。本節(jié)主要討論物質(zhì)交換問題。機(jī)器）就不能將目的產(chǎn)物送出細(xì)胞，我們就不能從發(fā)酵液獲得產(chǎn)品。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，細(xì)胞的新陳代謝及生。人可以通過改變環(huán)境條。的了解程度密切相關(guān)。微生物的生理狀態(tài)和生命活動(dòng)，關(guān)于微生物的營養(yǎng)，微生物學(xué)已有介紹，們形成的共價(jià)鍵都很穩(wěn)定。與水環(huán)境間增強(qiáng)相互作用。鏈結(jié)構(gòu)可改善大分子的機(jī)械性能。橋式連接，影響分子的形狀及性能。碳原子的四面體構(gòu)型產(chǎn)生了。大量的同分異構(gòu)體。生物分子種類繁多的原因之一。本課程現(xiàn)階段主要研究有機(jī)。有的有機(jī)化合物既屬。的碳元素營養(yǎng)，又作為化學(xué)能源營養(yǎng)。碳架來源的營養(yǎng)物質(zhì)，均稱為碳源。力和一系列重要的中間代謝物。與含磷化合物的關(guān)系密切。連接，一起成為細(xì)胞中的有機(jī)組分。例如與脂類分子以磷酯鍵連接，分解代謝，還能活躍地參與輸送；現(xiàn)酶或載體蛋白的活性的共價(jià)調(diào)節(jié)。

　　

【正文】 GMP、 GDP、 GTP、C1－ 、 NO3－ 、 Br－ 和 NH4+ 等。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 108 與電子傳遞相偶聯(lián)的磷酸化作用要求將 ADP 和 Pi（ 一般是 H2PO4－ ） 送入線粒體，在線粒體內(nèi)膜基質(zhì)一側(cè)形成 ATP。 在線粒體形成的 ATP的一部分又要被送出線粒體參與細(xì)胞質(zhì)中的生物合成反應(yīng)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 109 已經(jīng)得知磷酸根（ H2PO4） 輸送的兩種機(jī)制，即“ OH/H2PO4 ”交換和 “ H2PO4/DCA2 ” 交換的機(jī)制。 前者代表電中性的反向輸送 (antiport)， 即用于H2PO4和 OH交換的載體系統(tǒng)；后者代表 H2PO4與二羧酸進(jìn)行交換的載體系統(tǒng)，這個(gè)載體系統(tǒng)用于 H2PO4與二羧酸，如 SCA（ 琥珀酸）或 MLA（ 蘋果酸 ）的交換，然后，二羧酸又與三羧酸交換，從而使 MLA 與檸檬酸 （ CTA ）的跨膜輸送發(fā)生關(guān)聯(lián) 。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 110 膜外側(cè) 膜 膜內(nèi)側(cè) 膜外側(cè) 膜 膜內(nèi)側(cè) 二羧酸 2 二羧酸 2 三羧酸 H 3 + ATP4 ADP3 Asp 2 Glu H 2 + OH PYR 2 OH 2 H2PO4 2 H2PO4 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 111 線粒體內(nèi)膜對于 AcCoA（ 乙酰輔酶 A）是不透的，但可以通過下述途徑將 AcCoA “送出” 線粒體：在線粒體基質(zhì)中，AcCoA與 OAA（ 草酰乙酸 ）在檸檬酸合成酶的催化下合成 CTA， 后者借助載體系統(tǒng)透過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)， 然后被細(xì)胞質(zhì)中的檸檬酸裂解酶（以細(xì)胞質(zhì)中的 CoA為輔酶）裂解成 OAA和 AcCoA， 從而完成 AcCoA的“送出”過程，實(shí)際上是乙?；乃统鲞^程。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 112 AcCoA AcCoA CTA CTA (CS) (CL) CoA OAA OAA 內(nèi) 外 CoA 線粒體內(nèi)膜 乙?；鶑木€粒體送出的過程 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 113 真核微生物在線粒體基質(zhì)中形成乙?；诩?xì)胞質(zhì)中合成脂肪酸、磷脂等參與膜的組成。這種將乙?；乃统龅臋C(jī)制在某些微生物（如油脂酵母）中是很重要的，這些微生物能大量合成脂肪，因此需要將乙?；鶊F(tuán)從線?；|(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。 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。 當(dāng)這兩個(gè)核苷酸帶不同的電荷量 ( ADP3， ATP4 )時(shí)，它們能借助載體蛋白在膜電位的推動(dòng)下進(jìn)行 致電反向輸送 ( electrogenic antiport )。 這種反向輸送與非能化（ deenergized ） 狀態(tài)下的輸送相比，有較大的交換速率。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 115 影響腺嘌呤核苷酸傳送的因素： ①細(xì)胞質(zhì)中的生物合成反應(yīng)對腺嘌呤核苷酸的需要，要求〔 ATP〕/〔 ADP〕 比率高； ②線粒體基質(zhì)中的氧化磷酸化的需要，要求〔 ATP〕 /〔 ADP〕 比率低。 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。線粒體內(nèi)生成的 NADH固然可以在線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)再生，那么在有氧狀態(tài)下，細(xì)胞質(zhì)中的酵解所產(chǎn)生的 NADH怎么再生（怎樣把電子交給電子傳遞鏈）呢？ 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 117 來自細(xì)胞質(zhì)中的 NADH的電子交給電子傳遞鏈的機(jī)制是借助所謂的穿梭往返系統(tǒng)。真核微生物細(xì)胞可以借助于代謝物的穿梭往返（ shuttle ），間接地將還原當(dāng)量送入線粒體。穿梭往返有跨線粒體外膜的和跨線粒體內(nèi)膜的。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。這種“穿梭往返 ” 的效果相當(dāng)于 NADH 跨過線粒體內(nèi)膜，最終把電子在線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)交給電子傳遞鏈。 此過程靠 NADH在細(xì)胞質(zhì)與線粒體中濃度之差來驅(qū)動(dòng)，不消耗 ATP。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 119 + 哺乳動(dòng)物細(xì)胞的蘋果酸 /天門冬氨酸穿梭體系 圖中： AAT為 Asp氨基轉(zhuǎn)移酶， GAT、 MOT為載體。 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(xì)胞質(zhì)中和線粒體內(nèi)膜上的 2 個(gè) 3 磷酸甘油脫氫酶。細(xì)胞質(zhì)中的 3 磷酸甘油脫氫酶以細(xì)胞質(zhì)中的 NADH 為輔酶，而線粒體內(nèi)膜中的 3磷酸甘油脫氫酶是以 FAD為輔基的黃素蛋白?！? 3磷酸甘油／磷酸二羥丙酮 ” 穿梭往返 使細(xì)胞質(zhì)中的 NADH “ 轉(zhuǎn)變 ”成了線粒體內(nèi)膜的 FADH2，因此失去了合成 1 個(gè) ATP 分子的機(jī)會(huì) 。 這種還原力跨膜的機(jī)制主要見于昆蟲細(xì)胞，也存在于某些酵母（ 如 Candida tropicalis ） 細(xì)胞中。 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(xì)胞質(zhì)的 3磷酸甘油脫氫酶 細(xì)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(jìn)行： ①細(xì)胞質(zhì)中：在細(xì)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(xì)胞質(zhì)中的 3磷酸甘油穿過線粒體外膜進(jìn)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(xì)胞質(zhì)。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 123 線粒體的 3 磷酸甘油脫氫酶的催化位點(diǎn)位于 線粒體內(nèi)膜的外表面 ，因此為了 3 磷酸甘油的重新氧化并沒有必要跨過線粒體內(nèi)膜。線粒體 3 磷酸甘油脫氫酶是一個(gè)含有 FAD的黃素蛋白，它在 CoQ位點(diǎn)向電子傳遞鏈提交電子。當(dāng)電子通過這個(gè)穿梭系統(tǒng)進(jìn)行傳送時(shí)， NADH 氧化的 P/O比率將類似于琥珀酸氧化的 P/O比率。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 124 代謝中間產(chǎn)物排出細(xì)胞的機(jī)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(diǎn)來看，分泌可以促進(jìn)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(jī)制，是微生物細(xì)胞生存策略的一個(gè)方面 。代謝產(chǎn)物的釋放也是跨膜輸送的過程，但強(qiáng)調(diào)的是從細(xì)胞釋放或排出。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 126 必須指出，由于微生物具有高度嚴(yán)密的自我調(diào)節(jié)能力，正常代謝的細(xì)胞的中間代謝產(chǎn)物既不會(huì)在胞內(nèi)大量積累，也不會(huì)大量排出體外而流失。發(fā)酵工程的任務(wù)之一是人為地改變微生物的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，其中包括改變化學(xué)物質(zhì)輸送的調(diào)節(jié)機(jī)制，使目的代謝產(chǎn)物大量合成并及時(shí)釋出或排出細(xì)胞。 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(xì)胞消耗在主動(dòng)輸送過程中的 ATP，在其 ATP的總消耗中占相當(dāng)大的比例。在質(zhì)子同向輸送中， ATP消耗取決于運(yùn)輸過程的化學(xué)計(jì)量和質(zhì)子重新輸出的化學(xué)計(jì)量。這種輸送系統(tǒng)中研究得最透徹的是大腸桿菌的乳糖透性酶，其同時(shí)輸送一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)乳糖分子。許多其他物質(zhì)的輸送占有相似的化學(xué)計(jì)量比率，例如原核生物和真核生物中許多氨基酸的輸送，以及絲狀真菌中通過高度親和系統(tǒng)對糖（諸如葡萄糖、果糖和半乳糖等）的輸送。 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(xì)胞和真核細(xì)胞之間存在一些差別。在需氧細(xì)菌中，電子傳遞鏈位于細(xì)胞質(zhì)膜，質(zhì)子可通過電子傳遞鏈從細(xì)胞質(zhì)中重新輸送出去；質(zhì)子還可借助于 ATP酶重新輸送至胞外。ATP酶在原核細(xì)胞中位于細(xì)胞質(zhì)膜，它主要涉及氧化磷酸化過程中 ATP的合成，但它是可逆的，也可以在消耗 ATP的情況下，將質(zhì)子泵出細(xì)胞外。目前還不能準(zhǔn)確知道ATP酶的化學(xué)計(jì)量比率，但在大腸桿菌中，2H+/ATP是通常使用的化學(xué)計(jì)量比。 2020/11/4 張星元：發(fā)酵原理 131 在真核細(xì)胞中， ATP酶位于線粒體的內(nèi)膜，但 真核細(xì)胞也具有屬于另一類型的 ATP酶 ——質(zhì)膜 ATP酶。 這種 ATP酶可能只在 ATP水解方向起作用，通常其化學(xué)計(jì)量比為 1 H+/ATP。利用化學(xué)計(jì)量方法，有可能計(jì)算出通過以主動(dòng)輸送機(jī)制輸送不同的化合物時(shí) ATP的消耗量。