【正文】 P、 無(wú)機(jī)磷酸。只有當(dāng)電子傳遞鏈發(fā)生并提供了質(zhì)子梯度時(shí)， ATP才得以生成； 只有當(dāng) ADP 同時(shí)被磷酸化成ATP時(shí)，電子才經(jīng)電子傳遞鏈流向氧。而 ATP的合成則借助于電子傳遞鏈后段的順向電子傳遞。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 103 有些化能自養(yǎng)型的細(xì)菌以硫化物、硫、亞硝酸等還原性化合物為氫供體（能源），由于這些氫供體各自形成的氧化還原對(duì)的還原電位比 NAD+/NADH+H+ 的還原電位高， 它們?cè)跓崃W(xué)上不可能直接還原 NAD+， 故假設(shè)在這些細(xì)菌中 NAD（ P） + 的還原只能由 ATP驅(qū)動(dòng)的 反向電子傳遞 來(lái)完成。 每當(dāng)電子從氫載體傳到電子載體時(shí)，把質(zhì)子留在膜外，當(dāng)電子從電子載體傳到氫載體時(shí)，從膜內(nèi)側(cè)吸取質(zhì)子，完成質(zhì)子泵的功能。例如，在酵母細(xì)胞質(zhì)中 2 個(gè) H+通過(guò) ATP合成酶進(jìn)入線粒體，可驅(qū)動(dòng) 1 分子 ATP的合成，質(zhì)子梯度能驅(qū)動(dòng)某些糖和氨基酸的簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送，驅(qū)動(dòng)細(xì)菌鞭毛旋轉(zhuǎn)等。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 99 由此可見(jiàn)在大腸桿菌中借助電子傳遞鏈每氧化 1分子 NADH， 就有 4個(gè) H+被轉(zhuǎn)移出去。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 98 電子載體鐵硫蛋白得到的這對(duì)電子與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的 2 個(gè) H+ 一起， 把 1 分子泛醌（ CoQ） 還原成氫醌（ CoQH2）； 帶著這對(duì)電子和這 2 個(gè) H+的氫醌將這對(duì)電子交給貼近膜外側(cè)的細(xì)胞色素 b， 把這 2 個(gè) H+釋放到胞外，自身又回復(fù)成泛醌；然后，細(xì)胞色素 b 又把這對(duì)電子傳遞給細(xì)胞色素 o（ 細(xì)胞色素氧化酶）。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 94 電子在電子傳遞鏈上的傳遞建立 Δp ATP的形成與電子傳遞磷酸化的產(chǎn)率 胞內(nèi) pH值自動(dòng)（調(diào)節(jié)）動(dòng)態(tài)平衡 化學(xué)滲透質(zhì)子回路及其功能的有關(guān)討論 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 95 電子在電子傳遞鏈上的傳遞 和 Δp 的建立 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 96 ++++ －－－－ NADH + H+ NAD+ Q QH2 2H+ 2H+ 2H+ FMN FeSP b do 189。微生物的代謝能來(lái)自化學(xué)能或光能，對(duì)于化能異養(yǎng)型微生物來(lái)說(shuō)只能來(lái)自生物氧化過(guò)程中釋放的化學(xué)能。mol1）。 K） 1]、 T為絕對(duì)溫度（176。 R為摩爾氣體常數(shù) [ J 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?shì)單位的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 根據(jù)化學(xué)滲透假設(shè)， 膜對(duì)質(zhì)子是不透的，電子傳遞質(zhì)子泵、 ATP 酶質(zhì)子泵的運(yùn)轉(zhuǎn) 在膜兩邊建立了質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 87 真核細(xì)胞線粒體上的電子傳遞鏈及 ATP酶 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 88 質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì) 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 89 質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)（ proton motive force，簡(jiǎn)稱 pmf ） , 是參照電動(dòng)勢(shì)（ electron motive force） 漢譯的。 4,細(xì)胞色素 o。 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(xì)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(xì)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(xì)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。電子傳遞鏈的組分如黃素蛋白、鐵硫蛋白、細(xì)胞色素 b 、 細(xì)胞色素 o 等，被包埋在磷脂雙分子層中，屬整合蛋白。電子傳遞鏈在圖中被描繪成一系列相互作用的蛋白質(zhì)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 77 呼吸鏈的主要成分是具有輔基的載體蛋白，這些輔基的氧化還原電位處于 NAD+ 和分子氧之間，在真核微生物的線粒體膜和細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)膜上， NADH的電子經(jīng)還原電位逐步提高的一連串載體，一直傳送到分子氧。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 70 化學(xué)滲透假設(shè)及質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì) 微生物細(xì)胞內(nèi)代謝能形式的轉(zhuǎn)換 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 71 化學(xué)滲透假設(shè)及質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì) 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 72 化學(xué)滲透假設(shè) 電子傳遞鏈成員、 ATP合成酶 以及載體蛋白在膜上的分布 質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì) 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 73 化學(xué)滲透假設(shè) 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 74 化學(xué)滲透假設(shè)的要點(diǎn)： ①生物膜具有拓?fù)鋵W(xué)的完整性，它對(duì)離子， 特別是 H+和 OH離子是不通透的（借助 特異的交換系統(tǒng)才能跨膜輸送）； ②膜結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)和脂質(zhì)分布）的不對(duì)稱 性導(dǎo)致膜功能的方向性； ③電子在電子傳遞鏈上的傳遞導(dǎo)致質(zhì)子向 膜外排放； ④膜上嵌有用于質(zhì)子跨膜的 ATP磷酸化酶 （ ATP合成酶）。生物能學(xué)能幫助我們分析和理解微生物有關(guān)代謝能的能量形式轉(zhuǎn)換的機(jī)制。在此還原當(dāng)量耦合的過(guò)程中放出的自由能太少，不足以生成 ATP， 因此并沒(méi)有代謝能形成。 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。在傳遞的過(guò)程中，把質(zhì)子從膜的一側(cè)送到另一側(cè)（因而電子傳遞鏈有“質(zhì)子泵”之稱），從而建立了跨膜的 Δp； 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 65 ② 質(zhì)子可借助于 ATP合成酶的質(zhì)子通道（因而 ATP 合成酶也有 “ 質(zhì)子泵 ” 之稱 ） 跨過(guò)膜，在 ATP 合成酶的催化下，由 ADP 和磷酸根合成 ATP， 按一定的計(jì)量關(guān)系將 Δp 轉(zhuǎn)化成 ATP。呼吸既可以直接建立 Δp（ “ 能庫(kù) ”），又可以間接地形成ATP（ “ 能量貨幣”）。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 61 葡萄糖的氧化性降解代謝與發(fā)酵性降解代謝兩者最基本的區(qū)別在于：氧化性降解代謝除了可以與發(fā)酵性降解代謝一樣通過(guò)底物水平磷酸化形成ATP外，還 經(jīng)電子傳遞磷酸化產(chǎn)生更多的 ATP， 從而允許微生物有更高的生物合成速率及更高的細(xì)胞得率 ( 細(xì)胞對(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)化率 ) 。 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(duì)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。這時(shí)微生物細(xì)胞進(jìn)行 發(fā)酵性代謝 。這是區(qū)分葡萄糖的氧化性代謝與發(fā)酵性代謝的關(guān)鍵性階段。這個(gè)階段不但通過(guò)底物水平磷酸化生成 ATP， 而且向細(xì)胞質(zhì)釋放還原當(dāng)量。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 58 第一階段是指葡萄糖進(jìn)入細(xì)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 56 與呼吸、發(fā)酵對(duì)應(yīng)的 代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 57 為了說(shuō)明問(wèn)題方便，以微生物對(duì)葡萄糖的降解代謝為例，來(lái)說(shuō)明與呼吸、發(fā)酵對(duì)應(yīng)的代謝能轉(zhuǎn)換機(jī)制。以 FAD 為輔基的酶有琥珀酸脫氫酶，脂酰 CoA脫氫酶等；以 FMN（或 FAD ）為輔基的酶有 L氨基酸氧化酶， 電子傳遞鏈的成員中也有以 FMN（ 或 FAD ）為輔基的蛋白質(zhì)， 如 NADH 脫氫酶。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 53 NAD+是一些常見(jiàn)的脫氫酶的輔酶， 如乳酸脫氫酶， 丙酮酸脫氫酶、 α 酮戊二酸脫氫酶、 蘋果酸脫氫酶； NADP+ 是另一些常見(jiàn)的脫氫酶的輔酶 G6P脫氫酶， 6PGA 脫氫酶、 異檸檬酸脫氫酶、 α 磷酸甘油脫氫酶等。 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(lái)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 48 AMP FM N FADH FADH 2 FAD 圖 4 23 FAD + 2H → FADH 2 （這兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合在輔基分子上） 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 49 圖 4 24 NAD + + 2H → NADH + H + （其中一個(gè)質(zhì)子和一對(duì)電子結(jié)合在輔酶分子上，一個(gè)質(zhì)子存在于溶液中） [ H ﹕ ] ˉ 來(lái)自水相 NAD(P) + NAD(P)H 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 50 ⑵還原當(dāng)量耦合 還原當(dāng)量耦合一般是指：直接接受還原性化合物（還原劑）脫下的電子而形成的還原型輔酶或輔基，直接與細(xì)胞內(nèi)不同的氧化還原反應(yīng)相耦合。就像我們把ATP稱為代謝能，而實(shí)際上 ATP是代謝能的載體一樣。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 46 因此， NAD+ 是氫負(fù)離子的載體，也就是一對(duì)電子和一個(gè)質(zhì)子的載體，當(dāng)然也是一對(duì)電子的載體。 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(gè)質(zhì)子和一對(duì)電子。 生物化學(xué)將相當(dāng)于一個(gè)電子或一個(gè)氫原子的還原力的量叫做一個(gè)還原當(dāng)量。 詳見(jiàn)本章 。這些高能