【正文】 （ 磷酸 ） 化合物在對(duì)應(yīng)的酶（ 1,32PGA 對(duì)應(yīng)于 3PGA 激酶， PEP對(duì)應(yīng)于 PYR激酶）的催化下將 ADP 磷酸化成 ATP。 借助于對(duì)應(yīng)的酶的催化作用， 在酶的底物的水平上發(fā)生磷酸化作用 ，形成特殊的高能化合物（ ATP、 GTP） 的過(guò)程。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 37 直接化學(xué)耦合 電耦合 還原當(dāng)量耦合 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 38 直接化學(xué)耦合 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 39 直接化學(xué)耦合指的是代謝中間化合物參與的底物水平磷酸化的過(guò)程。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 33 高能磷酸酯鍵 普通磷酸酯鍵 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 34 在生命活動(dòng)過(guò)程中，生物體不斷地消耗 ATP， 同時(shí)也不斷再生 ATP， 因此 ATP的轉(zhuǎn)運(yùn)、使用和再生是生物最重要的生理過(guò)程。 大自然已選擇 5′三磷酸腺嘌呤核苷（ ATP） 作為生物可直接利用的能量的載體。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 31 生物學(xué)中定義：由放能反應(yīng)提供自由能，用以驅(qū)動(dòng)需能反應(yīng)的過(guò)程，被稱為放能反應(yīng)與需能反應(yīng)之間能量的偶聯(lián)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 29 高能（磷酸）鍵載體 及能量偶聯(lián) 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 30 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)反應(yīng)體系的 ΔG ＞ 0 時(shí)反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，若要進(jìn)行，必須提供足夠的、可以被反應(yīng)體系利用的能量。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 28 這些載體的氧化型和各自的還原型配對(duì)，組成各自的氧化還原電極對(duì)。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 27 脫氫酶的輔酶 NAD+ 實(shí)際上 是氫負(fù)離子 （ hydride ion， 即一個(gè)質(zhì)子和一對(duì)電子 ） 的載體； 黃素蛋白 和 CoQ 實(shí)際上是 氫原子 （一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子 ）的載體，它們均可稱為氫載體。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 24 電子載體與高能 （磷酸）鍵載體 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 25 電子載體與氫載體 高能（磷酸）鍵載體及能量偶聯(lián) 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 26 電子載體與氫載體 電子載體廣義地包括脫氫酶的輔酶和電子傳遞鏈的全體成員。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 23 在生物體中，氧化還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化（ ΔG 0′ ） 實(shí)際上是與兩個(gè)氧化還原對(duì)之間的標(biāo)準(zhǔn)還原電位之差 （ ΔE0′） 成線性關(guān)系的。 E0 ′是在 pH 和25℃ 條件下，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫半電池的生化標(biāo)準(zhǔn)還原電位的測(cè)定值。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 20 為了使電極對(duì)的還原電位數(shù)據(jù)有可比性，必須對(duì)溶質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)狀況作上述嚴(yán)格的規(guī)定。L1（ pH 值為 0）； H2為 l atm。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 18 氧化還原電位的測(cè)定 及標(biāo)準(zhǔn)狀況的規(guī)定 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 19 在測(cè)量電極對(duì)的還原電位時(shí)，常用氫電極作為標(biāo)準(zhǔn)電極，并要求樣品半電池的氧化物、還原物對(duì)子的溶質(zhì)的濃度均為 l mol K ） 1 ]，平衡常數(shù) Keq′可以測(cè)得的，因此可以從該反應(yīng)的 Keq′值及絕對(duì)溫度 T ，來(lái)推算 ΔG 0′。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 16 生物體內(nèi)的反應(yīng)在恒溫、恒壓下進(jìn)行，反應(yīng)的自由能變化是： ΔG′ = G′終態(tài) － ′G始態(tài) 如果反應(yīng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，上式可進(jìn)一步化為： ΔG′ = ΔG 0 ′+ RT ln Keq′ 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 17 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡（ ΔG′= 0）， 則有： ΔG 0′= RT ln Keq′ R 是摩爾氣體常數(shù) [J 在恒溫、恒壓條件下，各類化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行，取決于自由能的變化“ ΔG ′” 的值（反應(yīng)的 ΔG′與變化的途徑無(wú)關(guān)）。類似地，如果反應(yīng)在 pH7條件下進(jìn)行，則質(zhì)子濃度不必包括在公式中（如果反應(yīng)在 pH 值不等于 7 的情況下進(jìn)行， 質(zhì)子濃度應(yīng)當(dāng)取與 107 有關(guān)的值，即應(yīng)當(dāng)以 “ [H+ ]/107 ” 的方式出現(xiàn)）。由于 自由能變化與所規(guī)定的參考狀況無(wú)關(guān)， 所以參考狀況是可以人為選擇的。然而，因?yàn)樗峄驂A的離子組成隨 pH 值而變化，用總濃度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)自由能時(shí)，只能采用 pH 7 時(shí)的濃度。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 11 ③能經(jīng)歷酸堿反應(yīng)的化合物的標(biāo)準(zhǔn)狀況規(guī)定為其天然存在的離子混合物在 pH 7 的條件下的總濃度。因而，水的濃度（或活度）取作 1 ，盡管實(shí)際上水的摩爾濃度為 mol/L。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 8 溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)狀況的規(guī)定 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 9 在生物系統(tǒng)中，溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)狀況有它的特殊性，因?yàn)?生化反應(yīng)通常在接近中性 pH 的稀水溶液中進(jìn)行 。在生物化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電極對(duì)的還原電位記作 E0′， 叫生化標(biāo)準(zhǔn)還原電位。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 7 在氧化還原電極對(duì)之間有電子轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，它們的還原電位（或稱電極電位）就是衡量這種電子轉(zhuǎn)移（獲得電子）的趨勢(shì)的物理量，記作“ E ”。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 3 氧化還原對(duì)及其氧化還原電位 電子載體與高能（磷酸）鍵載體 生物學(xué)體系中的能量耦合 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 4 氧化還原對(duì)及其 氧化還原電位 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 5 溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)狀況的規(guī)定 生化反應(yīng)前后自由能的變化 氧化還原電位的測(cè)定及標(biāo)準(zhǔn) 狀況的規(guī)定 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 6 氧化還原系統(tǒng)中成對(duì)的氧化物和還原物被稱為氧化還原對(duì)（ redox couple）， 又稱為電極對(duì)，其通式為：氧化型 / 還原型。2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 1 第四節(jié) 化能異養(yǎng)型微生物代 謝中的能量形式轉(zhuǎn)換 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 2 化能異養(yǎng)型微生物利用化學(xué)能源，并以有機(jī)化合物為主要碳源和能源進(jìn)行生命活動(dòng)。化學(xué)能源物質(zhì)作為能源化合物參與生物氧化，從而獲得可以直接支持生命活動(dòng)（支撐生命）的代謝能。 例如： NAD+／ NADH+H+ Fe3+／ Fe2+。 在物理化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀況下電極對(duì)的還原電位 ， 叫標(biāo)準(zhǔn)還原電位，記作 E0。所謂標(biāo)準(zhǔn)還原電位，是根據(jù)下述溶質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)狀況的參考標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義的。已對(duì)生物系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)狀況作如下參考規(guī)定： 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 10 ①水的標(biāo)準(zhǔn)狀況規(guī)定為純液體的標(biāo)準(zhǔn)狀況。 ② 氫離子的活度規(guī)定為對(duì)應(yīng)于在生理 pH 條件（ pH 7 ） 的活度，而不是化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)規(guī)定的 pH 0（ 氫離子活度為 1 ）的活度。這樣做的好處在于，通常測(cè)量一個(gè)化合物的總濃度比測(cè)量其一種離子的濃度要更容易些。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 12 使用上述參考規(guī)定時(shí)， 標(biāo)準(zhǔn)自由能變化一般用符號(hào) ΔG 0′（ 生化標(biāo)準(zhǔn)狀況下自由能的變化） 來(lái)表示，這里加上撇號(hào)“ ′”，以區(qū)別于物理化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀況下自由能的變化 ΔG 0。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 13 然而，在用公式表示水和質(zhì)子對(duì)自由能變化的影響時(shí)，規(guī)定這參考狀況是很重要的，如果用生化標(biāo)準(zhǔn)狀況作參照，水的濃度可以從公式中省去。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 14 生化反應(yīng)前后自由能的變化 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 15 在活細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)條件是恒溫、恒壓的條件。 當(dāng) ΔG′＜ 0 時(shí)，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，并能放出自由能量； 當(dāng) ΔG′＝ 0 時(shí)，反應(yīng)已達(dá)到平衡； 當(dāng) ΔG′＞ 0 時(shí)，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，必須 “注入” 代謝能才能進(jìn)行。（ mol176。 當(dāng)然 ΔG 0′的值也可以通過(guò)查表獲得。L1； 對(duì)參比半電池為氫電極的情況來(lái)說(shuō)， H+ 濃度為 l mol 指定氫電極的標(biāo)準(zhǔn)還原電位 E0為零，因此，兩個(gè)半電池的電位差即為樣品對(duì)子的標(biāo)準(zhǔn)還原電位。下表列出了若干在生物學(xué)上比較重要的氧化還原對(duì)子的 E0 ′值。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 21 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 22 可以預(yù)見(jiàn)，在生化標(biāo)準(zhǔn)狀況下，表中任何指定的氧化還原對(duì)，傾向于還原任何列在它下面的氧化還原對(duì)，其相對(duì)位置是它們之間 氧化還原熱力學(xué)自發(fā)性 的度量。兩者的關(guān)系可用下式表示： ΔG 0′= nFΔE0′ 式中， n 為電子傳遞數(shù)目， F 為法拉第常數(shù)（ 104C／ mo1）， ΔE0′ 為電子受體的 E0′減去電子供體的 E0′所得之差值。廣義的電子載體又可以分為 氫載體 和電子載體 。 鐵硫蛋白 （ FeSP ） 和 細(xì)胞色素 是狹義的電子載體。例如： NAD+／ NADH+H+、 FAD/FADHCoQ / CoQH2 和 Fe3+／ Fe2+ 等。在細(xì)胞中，這種可以利用的能量只能來(lái)源于放能反應(yīng)所釋放的自由能，而且只有當(dāng)放能反應(yīng)提供的自由能大于該需能反應(yīng)所需的自由能時(shí)，反應(yīng)才能進(jìn)行。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 32 然而，在生物體內(nèi)，放能反應(yīng)不能與需能反應(yīng)直接發(fā)生偶聯(lián)，必須借助能量載體才能將放能反應(yīng)所釋放的自由能的一部分（生物可直接利用的能量）提供給需能反應(yīng)，從而驅(qū)動(dòng)需能反應(yīng)。我們把這種細(xì)胞可直接利用的能量叫做代謝能。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 35 生物學(xué)體系中 的能量耦合 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 36 在化能異養(yǎng)型微生物中，能源化合物被氧化時(shí)放出的化學(xué)能主要通過(guò)以下 3 種機(jī)制轉(zhuǎn)換成生物可以直接利用的能