【正文】 酵原理 136 如圖 234（ d） )所示，在質(zhì)子回路中，因加入某些會(huì)破壞電子傳遞鏈的成員的化合物（如氰化物、抗霉素），使電子傳遞過(guò)程不能正常進(jìn)行，從而抑制 Δp 的形成， 使質(zhì)子回路失去動(dòng)力 ，或者說(shuō)無(wú)法形成質(zhì)子回路，當(dāng)然也就沒(méi)有 ATP的形成。這種情況正如沒(méi)有電源的電路一樣，燈是不會(huì)亮的。這類(lèi)加入的化合物稱(chēng)為 電子傳遞鏈抑制劑 ，其作用是阻止或抑制能庫(kù)的形成。質(zhì)子回路的功能除了形成 ATP外，還有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單主動(dòng)傳送等，前面已有敘述。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 137 第六節(jié) 代謝能對(duì)微生物生 長(zhǎng)和維持的支撐 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 138 涉及微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁殖的每一個(gè)“動(dòng)作”，包括細(xì)胞內(nèi)有機(jī)化合物降解的啟動(dòng)、生物合成的啟動(dòng)和繼續(xù)、主動(dòng)輸送、細(xì)胞內(nèi) pH 自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡等都需要代謝能的支撐，同樣維持細(xì)胞的生命也需要代謝能的支撐。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 139 沒(méi)有生命活動(dòng)就沒(méi)有代謝能。沒(méi)有代謝能就沒(méi)有生命，沒(méi)有代謝能就沒(méi)有微生物的生命活動(dòng)，就沒(méi)有工業(yè)發(fā)酵。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 140 微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)能學(xué) 用于維持的 ATP消耗 微生物能量的儲(chǔ)存 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 141 微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)能學(xué) 生長(zhǎng)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(dòng)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(xì)胞組裝反應(yīng)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 142 前體代謝物的代謝成本 分子模塊等的代謝成本 生物大分子的代謝成本 整個(gè)細(xì)胞的代謝成本 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 143 依據(jù)運(yùn)輸、生物合成和聚合的代謝成本的估計(jì)值，有可能計(jì)算出細(xì)胞合成所需的 ATP總量和 NADPH 的總量。這種計(jì)算是以碳源（通常是葡萄糖）為基礎(chǔ)的，首先計(jì)算 12種前體代謝物（將在第三章講述）。這 12種前體代謝物是微生物通過(guò)能量供應(yīng)反應(yīng)從碳源生成的。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 144 模塊分子等的代謝成本 研究細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，當(dāng)然要研究代謝的成本，包括多肽和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元氨基酸生物合成的代謝成本，核酸的結(jié)構(gòu)單元核苷酸生物合成的代謝成本，以及脂類(lèi)和糖類(lèi)結(jié)構(gòu)單元的生物合成的代謝成本 。這些分子模塊都是從前體代謝物出發(fā)合成的。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 145 生物大分子的代謝成本 在細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，既要討論全局的通用代謝物的作用，也要討論細(xì)胞物質(zhì)合成的成本。這里將討論合成生物大分子的代謝成本。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 146 組成細(xì)胞的生物大分子可分成以下幾類(lèi)： ① RNA；② DNA；③ 蛋白質(zhì)；④碳水化合物（糖類(lèi)）；⑤氨基碳水化合物（氨基糖類(lèi)）；⑥脂類(lèi)。生物大分子的組成隨生物種類(lèi)的不同而不同，對(duì)于一個(gè)給定的生物物種，其大分子組成隨比生長(zhǎng)速率和環(huán)境條件的改變而改變。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 147 ⑴蛋白質(zhì)合成的成本 在延伸的肽鏈上添加 1個(gè) 氨基酸需要利用 4 個(gè)高能磷酸鍵，相當(dāng)于 4 個(gè) ATP。 此外，在從 mRNA合成與校對(duì)等過(guò)程中還需要一些自由能，總計(jì)每結(jié)合 1個(gè)氨基酸約需 ATP。 因此在 多肽生成過(guò)程中 ，在延伸的肽鏈上 每添加 1 個(gè)氨基酸一共要消耗 個(gè) ATP。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 148 ⑵核糖核酸（ RNA） 合成的成本 收編 1個(gè)核苷酸 （以單磷酸核苷酸計(jì)）的 代謝能成本為 ATP。 ⑶脫氧核糖核酸（ DNA） 合成的成本 結(jié)合 1個(gè)脫氧核糖核苷酸 （以單磷酸核苷酸計(jì)）的 總能耗為 ATP。 ⑷磷脂等的生物合成成本（略） 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 149 整個(gè)細(xì)胞的代謝成本 如果用于形成前體代謝物、模塊分子和生物大分子的代謝成本已知，那么就可以計(jì)算出合成整個(gè)細(xì)胞所需的 ATP。 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(xì)胞反應(yīng)需要消耗 ATP， 但這些反應(yīng)對(duì)菌體的凈合成并沒(méi)有貢獻(xiàn)，通常把這些反應(yīng)稱(chēng)為維持反應(yīng)或維持過(guò)程。其中有一些維持反應(yīng)與生長(zhǎng)有關(guān)，例如用于維持細(xì)胞質(zhì)膜的跨膜的電化學(xué)梯度的反應(yīng)，而其他維持反應(yīng)（如生物大分子的周轉(zhuǎn)和更新）與細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率是無(wú)關(guān)的。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 152 濃度梯度和電位梯度的 維持 無(wú)效循環(huán) 大分子的周轉(zhuǎn)和更新 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 153 為確保適當(dāng)?shù)墓δ?，?xì)胞要維持各種跨膜的濃度梯度和電化學(xué)梯度，包括跨質(zhì)膜的濃度梯度和電化學(xué)梯度，跨真核細(xì)胞線(xiàn)粒體膜的濃度梯度和電化學(xué)梯度。 這些過(guò)程需要代謝能，但不會(huì)導(dǎo)致新菌體量的合成 ，因此是維持過(guò)程的典型例子。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 154 這些過(guò)程中有一部分是與生長(zhǎng)相關(guān)的，例如細(xì)胞膨脹變大時(shí)，增大的面積（或體積）上的電位梯度要得到維持；但也有一部分是與生長(zhǎng)無(wú)關(guān)的，即當(dāng)細(xì)胞不生長(zhǎng)時(shí)梯度也需要維持。 維持梯度的 ATP 消耗估計(jì)可達(dá)生成 ATP總量的的 50%。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 155 無(wú)效循環(huán) 細(xì)胞內(nèi)有些反應(yīng)序列，其凈結(jié)果是 ATP 的水解。例如 6磷酸果糖在磷酸果糖激酶的作用下生成 1,6 二磷酸果糖， 1,6 二磷酸果糖在二磷酸果糖磷酸酯酶的作用下，又被降解成 6磷酸果糖。這兩步反應(yīng)導(dǎo)致 ATP的凈消耗。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 156 這類(lèi)循環(huán)最初被當(dāng)作是代謝控制的一個(gè)缺陷（因此被稱(chēng)為無(wú)效循環(huán)），但目前這種循環(huán)被認(rèn)為是一種重要的代謝控制機(jī)制。當(dāng)兩種酶都存在時(shí)，這種循環(huán)能使細(xì)胞迅速地進(jìn)行自我調(diào)整以適應(yīng)新環(huán)境條件。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 157 細(xì)胞需要不斷降解和合成許多分子，以維持其對(duì)代謝功能的 控制能力 。因此 mRNA的半衰期只有的幾分鐘。 大分子的這種連續(xù)的降解和再聚合，導(dǎo)致了 ATP的凈消耗，而沒(méi)有新生物量的產(chǎn)生，因此，也被認(rèn)為是一種維持過(guò)程。 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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)存在時(shí)，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。 當(dāng)?shù)椿蚱渌匦桦x子限量而碳和能量物質(zhì)仍然可以被利用時(shí)，也生成大量的貯備化合物。 饑餓時(shí)可以降解這些化合物，以釋放能量，維持生存。一般情況下，不到細(xì)胞內(nèi)氨基酸和核苷酸庫(kù)不能再維持下去的時(shí)候，這些貯藏物是不動(dòng)用的。這些化合物大致可以分成以下幾類(lèi)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 160 碳水化合物的貯藏 脂類(lèi)的貯藏 多聚偏磷酸 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 161 碳水化合物的貯藏 在真菌及細(xì)菌中，包括某些藍(lán)細(xì)菌中，發(fā)現(xiàn)的貯存化合物是 海藻糖 （ trehalose），一種非還原性的雙糖。 在酵母及黏菌（ slime moulds ） 中碳水化合物則以 糖原 的方式存在。糖原在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段堆積起來(lái)，到生長(zhǎng)發(fā)育階段，導(dǎo)致孢子形成時(shí)，這些儲(chǔ)備物就用來(lái)提供能量。 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(yíng)養(yǎng)不平衡的時(shí)候，就有相當(dāng)大量的糖原堆積。糖原合成的機(jī)制在原核生物和真核生物中是不同的。在原核細(xì)胞中，葡糖基（ glycosyl ） 的供體是 ADP葡萄糖，而不是 UDP葡萄糖（原核細(xì)胞中 UDP 葡萄糖用來(lái)合成細(xì)胞壁）。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 163 脂類(lèi)的貯藏 在原核細(xì)胞中，多聚 β 羥基丁酸（ poly βhydroxybutyrate， PHB ） 是最普通的脂類(lèi)貯存化合物，在光合細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌和許多其他原核細(xì)胞中都有大量堆積。 在有較大的芽孢的芽孢桿菌中，包括蠟狀芽孢桿菌（ ） 及巨大芽孢桿菌（ ）， PHB是生孢子的主要貯存化合物。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 164 PHB 是一種線(xiàn)形多聚體（ 可達(dá)菌體干重的 60 % ），它的降解需要蛋白水解酶使 PHB 顆?；罨?， 隨后被 PHB 解聚酶（ depolymerase） 水解成二聚體，最后切成單體。 真核細(xì)胞中沒(méi)有發(fā)現(xiàn) PHB ， 卻有 中性脂 類(lèi)的堆積。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 165 多聚偏磷酸 在許多微生物中，包括真核及原核生物，在異染粒（ volutin） 顆粒中發(fā)現(xiàn)有 多聚偏磷酸 （ polymetaphosphate ），這種多聚體同時(shí)起磷酸貯存及能量貯存的作用，因?yàn)榱姿狒I水解時(shí)具有很高的自由能。 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(dòng)的前提，代謝能支撐是工業(yè)發(fā)酵運(yùn)行的立足點(diǎn)。 代謝能支撐假說(shuō)揭示了化能異養(yǎng)型微生物細(xì)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(xì)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 167 復(fù)習(xí)題 1. 試述代謝能支撐假說(shuō)的要點(diǎn)。 2. 試比較真核細(xì)胞與原核細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)部的空間分隔，討論真核細(xì)胞的跨膜輸送的復(fù)雜性。 3. 試比較微生物細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸與發(fā)酵時(shí)，還原劑分子釋放的電子轉(zhuǎn)移到最終電子受體的過(guò)程。 4. 為什么說(shuō)“無(wú)氧發(fā)酵”的說(shuō)法是不準(zhǔn)確的？ 5. 為什么脫氫酶的輔酶必須被再生和回用？ 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 168 6. 使用形象思維的方式對(duì)直接化學(xué)耦合、電耦合和還原當(dāng)量耦合進(jìn)行比較。 7. 試畫(huà)出并討論支持細(xì)胞生命活動(dòng)的質(zhì)子回路。 8. 為什么說(shuō)代謝能的持續(xù)供應(yīng)是微生物生命活動(dòng)的前提？ 9. 為什么說(shuō)代謝能支撐假說(shuō)揭示了化能異養(yǎng)型微生物細(xì)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(xì)胞在發(fā)酵生產(chǎn)中的核心地位？