【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），使電子傳遞過程不能正常進行，從而抑制 Δp 的形成， 使質(zhì)子回路失去動力 ，或者說無法形成質(zhì)子回路，當然也就沒有 ATP的形成。這種情況正如沒有電源的電路一樣，燈是不會亮的。這類加入的化合物稱為 電子傳遞鏈抑制劑 ，其作用是阻止或抑制能庫的形成。質(zhì)子回路的功能除了形成 ATP外，還有驅(qū)動簡單主動傳送等，前面已有敘述。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 137 第六節(jié) 代謝能對微生物生 長和維持的支撐 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 138 涉及微生物細胞的生長和繁殖的每一個“動作”，包括細胞內(nèi)有機化合物降解的啟動、生物合成的啟動和繼續(xù)、主動輸送、細胞內(nèi) pH 自動動態(tài)平衡等都需要代謝能的支撐，同樣維持細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 沒有生命活動就沒有代謝能。沒有代謝能就沒有生命，沒有代謝能就沒有微生物的生命活動，就沒有工業(yè)發(fā)酵。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 140 微生物細胞的生長能學 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 生長能學（ growth energetics）描述了通常以 ATP的形式出現(xiàn)的代謝能的產(chǎn)生與消耗的關系，因此涉及到主動輸送（包括輸入和輸出）、供能反應（ fueling reactions）、 生物合成反應、大分子合成反應和細胞組裝反應。 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 整個細胞的代謝成本 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 143 依據(jù)運輸、生物合成和聚合的代謝成本的估計值，有可能計算出細胞合成所需的 ATP總量和 NADPH 的總量。這種計算是以碳源（通常是葡萄糖）為基礎的，首先計算 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能量供應反應從碳源生成的。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 144 模塊分子等的代謝成本 研究細胞經(jīng)濟運行，當然要研究代謝的成本，包括多肽和蛋白質(zhì)的結(jié)構單元氨基酸生物合成的代謝成本，核酸的結(jié)構單元核苷酸生物合成的代謝成本，以及脂類和糖類結(jié)構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。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。生物大分子的組成隨生物種類的不同而不同，對于一個給定的生物物種，其大分子組成隨比生長速率和環(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 氨基酸需要利用 4 個高能磷酸鍵，相當于 4 個 ATP。 此外，在從 mRNA合成與校對等過程中還需要一些自由能，總計每結(jié)合 1個氨基酸約需 ATP。 因此在 多肽生成過程中 ，在延伸的肽鏈上 每添加 1 個氨基酸一共要消耗 個 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個核苷酸 （以單磷酸核苷酸計）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個脫氧核糖核苷酸 （以單磷酸核苷酸計）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 整個細胞的代謝成本 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，那么就可以計算出合成整個細胞所需的 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 許多細胞反應需要消耗 ATP， 但這些反應對菌體的凈合成并沒有貢獻，通常把這些反應稱為維持反應或維持過程。其中有一些維持反應與生長有關，例如用于維持細胞質(zhì)膜的跨膜的電化學梯度的反應，而其他維持反應（如生物大分子的周轉(zhuǎn)和更新）與細胞的比生長速率是無關的。 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?shù)墓δ?，細胞要維持各種跨膜的濃度梯度和電化學梯度，包括跨質(zhì)膜的濃度梯度和電化學梯度，跨真核細胞線粒體膜的濃度梯度和電化學梯度。 這些過程需要代謝能，但不會導致新菌體量的合成 ，因此是維持過程的典型例子。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 154 這些過程中有一部分是與生長相關的，例如細胞膨脹變大時，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無關的，即當細胞不生長時梯度也需要維持。 維持梯度的 ATP 消耗估計可達生成 ATP總量的的 50%。 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。這兩步反應導致 ATP的凈消耗。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 156 這類循環(huán)最初被當作是代謝控制的一個缺陷（因此被稱為無效循環(huán)），但目前這種循環(huán)被認為是一種重要的代謝控制機制。當兩種酶都存在時，這種循環(huán)能使細胞迅速地進行自我調(diào)整以適應新環(huán)境條件。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 157 細胞需要不斷降解和合成許多分子，以維持其對代謝功能的 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，導致了 ATP的凈消耗，而沒有新生物量的產(chǎn)生，因此，也被認為是一種維持過程。 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。 當?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，也生成大量的貯備化合物。 饑餓時可以降解這些化合物，以釋放能量，維持生存。一般情況下，不到細胞內(nèi)氨基酸和核苷酸庫不能再維持下去的時候，這些貯藏物是不動用的。這些化合物大致可以分成以下幾類。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 160 碳水化合物的貯藏 脂類的貯藏 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 在真菌及細菌中，包括某些藍細菌中，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。糖原在營養(yǎng)生長階段堆積起來，到生長發(fā)育階段，導致孢子形成時，這些儲備物就用來提供能量。 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養(yǎng)不平衡的時候，就有相當大量的糖原堆積。糖原合成的機制在原核生物和真核生物中是不同的。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）。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 163 脂類的貯藏 在原核細胞中，多聚 β 羥基丁酸（ poly βhydroxybutyrate， PHB ） 是最普通的脂類貯存化合物，在光合細菌、藍細菌和許多其他原核細胞中都有大量堆積。 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 是一種線形多聚體（ 可達菌體干重的 60 % ），它的降解需要蛋白水解酶使 PHB 顆粒活化， 隨后被 PHB 解聚酶（ depolymerase） 水解成二聚體，最后切成單體。 真核細胞中沒有發(fā)現(xiàn) PHB ， 卻有 中性脂 類的堆積。 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 ），這種多聚體同時起磷酸貯存及能量貯存的作用，因為磷酸酐鍵水解時具有很高的自由能。 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。 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 167 復習題 1. 試述代謝能支撐假說的要點。 2. 試比較真核細胞與原核細胞細胞內(nèi)部的空間分隔，討論真核細胞的跨膜輸送的復雜性。 3. 試比較微生物細胞進行有氧呼吸與發(fā)酵時，還原劑分子釋放的電子轉(zhuǎn)移到最終電子受體的過程。 4. 為什么說“無氧發(fā)酵”的說法是不準確的？ 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直接化學耦合、電耦合和還原當量耦合進行比較。 7. 試畫出并討論支持細胞生命活動的質(zhì)子回路。 8. 為什么說代謝能的持續(xù)供應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)酵的生物學屬性，確立了微生物活細胞在發(fā)酵生產(chǎn)中的核心地位？