化能異養型微生物代

謝中的能量形式轉換2023/2/71張星元：發酵原理化能異養型微生物利用化學能源，并以有機化合物為主要碳源和能源進行生命活動。化學能源物質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（支撐生命）的代謝能。2023/2/72張星元：發酵原理2.4.1氧化還原對及其氧化還原電位

2.4.2電子載體與高能（磷酸）鍵載體

2.4.3生物學體系中的能量耦合

2.4.4與呼吸、發酵對應的代謝能轉換

機制2023/2/73張星元：發酵原理2.4.1氧化還原對及其

氧化還原電位

2023/2/74張星元：發酵原理2.4.1.1溶質標準狀況的規定2.4.1.2生化反應前后自由能的變化2.4.1.3氧化還原電位的測定及標準

狀況的規定2023/2/75張星元：發酵原理氧化還原系統中成對的氧化物和還原物被稱為氧化還原對（redoxcouple），又稱為電極對，其通式為：氧化型/還原型。

例如：

NAD+／NADH+H+

Fe3+／Fe2+。

2023/2/76張星元：發酵原理在氧化還原電極對之間有電子轉移的趨勢，它們的還原電位（或稱電極電位）就是衡量這種電子轉移（獲得電子）的趨勢的物理量，記作“E”。在物理化學標準狀況下電極對的還原電位，叫標準還原電位，記作E0。在生物化學標準狀態下電極對的還原電位記作E0′，叫生化標準還原電位。所謂標準還原電位，是根據下述溶質的標準狀況的參考標準來定義的。2023/2/77張星元：發酵原理2.4.1.1溶質標準狀況的規定2023/2/78張星元：發酵原理在生物系統中，溶質標準狀況有它的特殊性，因為生化反應通常在接近中性pH的稀水溶液中進行。已對生物系統的標準狀況作如下參考規定：2023/2/79張星元：發酵原理①水的標準狀況規定為純液體的標準狀況。因而，水的濃度（或活度）取作1，盡管實際上水的摩爾濃度為55.5mol/L。

②氫離子的活度規定為對應于在生理pH條件（pH7）的活度，而不是化學標準狀態規定的pH0（氫離子活度為1）的活度。2023/2/710張星元：發酵原理③能經歷酸堿反應的化合物的標準狀況規定為其天然存在的離子混合物在pH7的條件下的總濃度。這樣做的好處在于，通常測量一個化合物的總濃度比測量其一種離子的濃度要更容易些。然而，因為酸或堿的離子組成隨pH值而變化，用總濃度計算標準自由能時，只能采用pH7時的濃度。2023/2/711張星元：發酵原理

使用上述參考規定時，標準自由能變化一般用符號ΔG0′（生化標準狀況下自由能的變化）來表示，這里加上撇號“′”，以區別于物理化學標準狀況下自由能的變化ΔG0。由于自由能變化與所規定的參考狀況無關，所以參考狀況是可以人為選擇的。2023/2/712張星元：發酵原理

然而，在用公式表示水和質子對自由能變化的影響時，規定這參考狀況是很重要的，如果用生化標準狀況作參照，水的濃度可以從公式中省去。類似地，如果反應在pH7條件下進行，則質子濃度不必包括在公式中（如果反應在pH值不等于7的情況下進行，質子濃度應當取與10-7有關的值，即應當以“[H+]/10-7”的方式出現）。2023/2/713張星元：發酵原理2.4.1.2生化反應前后自由能的變化2023/2/714張星元：發酵原理

在活細胞內的反應條件是恒溫、恒壓的條件。在恒溫、恒壓條件下，各類化學反應能否自發進行，取決于自由能的變化“ΔG′”的值（反應的ΔG′與變化的途徑無關）。

當ΔG′＜0時，反應能自發進行，并能放出自由能量；

當ΔG′＝0時，反應已達到平衡；

當ΔG′＞0時，反應不能自發進行，必須“注入”代謝能才能進行。

2023/2/715張星元：發酵原理生物體內的反應在恒溫、恒壓下進行，反應的自由能變化是：

ΔG′=G′終態－′G始態

如果反應系統處于平衡狀態，上式可進一步化為：

ΔG′=ΔG0′+RTlnKeq′

2023/2/716張星元：發酵原理

當系統達到熱力學平衡（ΔG′=0），則有：

ΔG0′=-RTlnKeq′

R是摩爾氣體常數8.314

[J·（mol°K）-1]，平衡常數Keq′可以測得的，因此可以從該反應的Keq′值及絕對溫度T，來推算ΔG0′。當然ΔG0′的值也可以通過查表獲得。2023/2/717張星元：發酵原理2.4.1.3氧化還原電位的測定

及標準狀況的規定

2023/2/718張星元：發酵原理

在測量電極對的還原電位時，常用氫電極作為標準電極，并要求樣品半電池的氧化物、還原物對子的溶質的濃度均為lmol·L-1；對參比半電池為氫電極的情況來說，H+

濃度為lmol·L-1（pH值為0）；H2為latm。指定氫電極的標準還原電位E0為零，因此，兩個半電池的電位差即為樣品對子的標準還原電位。

2023/2/719張星元：發酵原理為了使電極對的還原電位數據有可比性，必須對溶質的標準狀況作上述嚴格的規定。下表列出了若干在生物學上比較重要的氧化還原對子的E0′值。E0′是在pH7.0和25℃條件下，相對于標準氫半電池的生化標準還原電位的測定值。2023/2/720張星元：發酵原理2023/2/721張星元：發酵原理可以預見，在生化標準狀況下，表中任何指定的氧化還原對，傾向于還原任何列在它下面的氧化還原對，其相對位置是它們之間氧化還原熱力學自發性的度量。2023/2/722張星元：發酵原理在生物體中，氧化還原反應的標準自由能變化（ΔG0′）實際上是與兩個氧化還原對之間的標準還原電位之差（ΔE0′）成線性關系的。兩者的關系可用下式表示：

ΔG0′=-nFΔE0′

式中，n為電子傳遞數目，F為法拉第常數（9.6485×104C／mo1），ΔE0′

為電子受體的E0′減去電子供體的E0′所得之差值。2023/2/723張星元：發酵原理2.4.2電子載體與高能

（磷酸）鍵載體2023/2/724張星元：發酵原理2.4.2.1電子載體與氫載體

2.4.2.2高能（磷酸）鍵載體及能量偶聯2023/2/725張星元：發酵原理2.4.2.1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。廣義的電子載體又可以分為氫載體和電子載體。2023/2/726張星元：發酵原理脫氫酶的輔酶NAD+

實際上是氫負離子（hydrideion，即一個質子和一對電子）的載體；黃素蛋白和CoQ

實際上是氫原子（一個質子和一個電子）的載體，它們均可稱為氫載體。

鐵硫蛋白（Fe-S-P）和細胞色素是狹義的電子載體。2023/2/727張星元：發酵原理這些載體的氧化型和各自的還原型配對，組成各自的氧化還原電極對。例如：NAD+／NADH+H+、FAD/FADH2、CoQ/CoQH2和Fe3+／Fe2+等。2023/2/728張星元：發酵原理2.4.2.2高能（磷酸）鍵載體

及能量偶聯

2023/2/729張星元：發酵原理根據熱力學第二定律，當反應體系的ΔG＞0時反應不能自發進行，若要進行，必須提供足夠的、可以被反應體系利用的能量。在細胞中，這種可以利用的能量只能來源于放能反應所釋放的自由能，而且只有當放能反應提供的自由能大于該需能反應所需的自由能時，反應才能進行。2023/2/730張星元：發酵原理生物學中定義：由放能反應提供自由能，用以驅動需能反應的過程，被稱為放能反應與需能反應之間能量的偶聯。

2023/2/731張星元：發酵原理然而，在生物體內，放能反應不能與需能反應直接發生偶聯，必須借助能量載體才能將放能反應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，從而驅動需能反應。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。我們把這種細胞可直接利用的能量叫做代謝能。

2023/2/732張星元：發酵原理高能磷酸酯鍵普通磷酸酯鍵2023/2/733張星元：發酵原理

在生命活動過程中，生物體不斷地消耗ATP，同時也不斷再生ATP，因此ATP的轉運、使用和再生是生物最重要的生理過程。

2023/2/734張星元：發酵原理2.4.3生物學體系中

的能量耦合

2023/2/735張星元：發酵原理在化能異養型微生物中，能源化合物被氧化時放出的化學能主要通過以下3種機制轉換成生物可以直接利用的能量——代謝能。

2023/2/736張星元：發酵原理2.4.3.1直接化學耦合

2.4.3.2電耦合

2.4.3.3還原當量耦合2023/2/737張星元：發酵原理2.4.3.1直接化學耦合

2023/2/738張星元：發酵原理直接化學耦合指的是代謝中間化合物參與的底物水平磷酸化的過程。也就是代謝中間化合物（如1,3-2P-GA、PEP、ScCoA和乙酰磷酸等高能磷酸化合物）的高能磷酸鍵的水解反應與ADP或GDP的磷酸化反應直接耦合。借助于對應的酶的催化作用，在酶的底物的水平上發生磷酸化作用，形成特殊的高能化合物（ATP、GTP）的過程。2023/2/739張星元：發酵原理這類代謝中間化合物，也就是前面所謂酶的底物，包括酵解途徑中由脫氫酶催化的反應生成的1,3-2P-GA，由烯醇化酶催化生成的PEP，TCA環中由α-KG脫氫酶催化生成的ScCoA，以及PK途徑中的由磷酸酮解酶（phosphoketolase）裂解酮糖生成的乙酰磷酸等高能化合物。這些高能（磷酸）化合物在對應的酶（1,3-2P-GA對應于3-P-GA激酶，PEP對應于PYR激酶）的催化下將ADP磷酸化成ATP。2023/2/740張星元：發酵原理2.4.3.2電耦合2023/2/741張星元：發酵原理

電耦合是指以質子運動勢Δp為媒介，借助電子傳遞鏈和ATP酶，將ATP的使用（ATP→ADP）與ATP的再生（ADP→ATP）耦合起來。詳見本章2.4.4。2023/2/742張星元：發酵原理2.4.3.3還原當量耦合

⑴還原當量，⑵還原當量耦合2023/2/743張星元：發酵原理⑴還原當量

討論還原當量耦合問題，首先必須弄清什么叫還原當量。

生物化學將相當于一個電子或一個氫原子的還原力的量叫做一個還原當量。本課程為了說明問題的方便，將相當于一對電子或一個氫負離子（hydrideion）的還原力的量叫做一個還原當量。2023/2/744張星元：發酵原理所謂氫負離子是指[H∶]-，即[H++2e-]-，也就是一個質子和一對電子。

NADH是NAD+[H∶]-

的簡寫。

2023/2/745張星元：發酵原理

因此，NAD+是氫負離子的載體，也就是一對電子和一個質子的載體，當然也是一對電子的載體。脫氫酶的輔酶NAD+作為一對電子（即還原當量）的載體，其氧化型是空載的，其還原型攜帶了還原當量的，所以也有人把還原型輔酶當作還原當量，或把它稱為還原力。就像我們把ATP稱為代謝能，而實際上ATP是代謝能的載體一樣。2023/2/746張星元：發酵原理發生生物氧化時，還原性化合物（還原劑）脫氫（氧化）而釋放出“氫”（有些書上標寫為“2H”），這個“氫”實際上是1對電子和2個質子，這2個質子有時結合在輔酶或輔基上，有時其中一個質子存在于溶液中，因此有：

NAD++2H→NADH+H+

（其中一個質子和一對電子結合在輔酶分子上，一個質子存在于溶液中）；

FAD+2H→FADH2

（兩個質子和一對電子都結合在輔基上）。2023/2/747張星元：發酵原理

AMP

FMN

FADH

FADH

2

FAD

圖4-23

FAD+2H→

FADH2（這兩個質子結合在輔基分子上）

2023/2/748張星元：發酵原理圖4-24

NAD++2H→

NADH+H+

（其中一個質子和一對電子結合在輔酶分子上，一個質子存在于溶液中）

[H﹕]ˉ

來自水相

NAD(P)+

NAD(P)H2023/2/749張星元：發酵原理

⑵還原當量耦合

還原當量耦合一般是指：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，直接與細胞內不同的氧化還原反應相耦合。

2023/2/750張星元：發酵原理在生物氧化過程中，還原性化合物的降解通常涉及它們自身被氧化，這就要求氧化型輔酶或輔基作為直接的電子受體參與反應；另一方面，微生物細胞內存在著許多需還原的過程，要求有還原型的輔酶或輔基作為直接的電子供體參與反應。2023/2/751張星元：發酵原理一些重要的輔酶，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和還原反應偶聯起來。如GA-3-P脫氫時生成的NADH與乙醇脫氫酶催化的反應相耦合，將乙醛還原成乙醇；另一個重要的輔酶NADP（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），其還原形式NADPH主要與還原性合成反應相耦合。2023/2/752張星元：發酵原理

NAD+是一些常見的脫氫酶的輔酶，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+是另一些常見的脫氫酶的輔酶G-6-P脫氫酶，6-P-GA脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、α-磷酸甘油脫氫酶等。2023/2/753張星元：發酵原理FAD和FMN是一些氧化還原酶（脫氫酶）的輔基，這些酶因為有FAD或FMN作輔基而稱黃素蛋白。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，如NADH脫氫酶。2023/2/754張星元：發酵原理盡管大多數脫氫酶（氧化酶）所催化的反應是有專一性的，但這種共同的氧化還原耦合機制，允許不同的酶催化的脫氫（氧化）反應為同一個還原反應提供還原當量，允許同一個脫氫（氧化）反應為許多其他還原反應提供還原當量。2023/2/755張星元：發酵原理2.4.4與呼吸、發酵對應的

代謝能轉換機制2023/2/756張星元：發酵原理為了說明問題方便，以微生物對葡萄糖的降解代謝為例，來說明與呼吸、發酵對應的代謝能轉換機制。葡萄糖的降解可分成3個階段。2023/2/757張星元：發酵原理第一階段是指葡萄糖進入細胞，在胞內以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯或葡萄糖酸的磷酸酯的形式出現。

第二階段是微生物細胞經酵解途徑，將葡萄糖或磷酸葡萄糖降解到處于3C水平的丙酮酸。這個階段不但通過底物水平磷酸化生成ATP，而且向細胞質釋放還原當量。

第三階段是丙酮酸繼續代謝和代謝產物的分泌。這是區分葡萄糖的氧化性代謝與發酵性代謝的關鍵性階段。2023/2/758張星元：發酵原理

如果丙酮酸或由丙酮酸繼續代謝而生成的可用作還原當量吸收劑的化合物（如乙醛）吸收第二階段釋放的還原當量，生成相應的還原產物（如乙醇）。這時微生物細胞進行發酵性代謝。這個過程因這些還原產物的分泌而得以進行。2023/2/759張星元：發酵原理如果遺傳與環境條件許可，丙酮酸相對容易地經TCA環降解，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。這時微生物細胞進行氧化性代謝。2023/2/760張星元：發酵原理葡萄糖的氧化性降解代謝與發酵性降解代謝兩者最基本的區別在于：氧化性降解代謝除了可以與發酵性降解代謝一樣通過底物水平磷酸化形成ATP外，還經電子傳遞磷酸化產生更多的ATP，從而允許微生物有更高的生物合成速率及更高的細胞得率(細胞對葡萄糖的轉化率)。2023/2/761張星元：發酵原理2.4.4.1與呼吸相對應的代謝能轉換機制

2.3.4.2與發酵相對應的代謝能轉換機制2023/2/762張星元：發酵原理2.4.4.1與呼吸相對應的代謝能轉換機制

與呼吸相對應的代謝能轉換機制主要是指：在電子傳遞過程中的構建質子運動勢Δp的機制，以及ADP被磷酸化生成ATP的機制。呼吸既可以直接建立Δp（“能庫”），又可以間接地形成ATP（“能量貨幣”）。其機制分別是：2023/2/763張星元：發酵原理

①還原性化合物被氧化時放出的、并由還原型輔酶或輔基轉交的電子，經電子傳遞鏈傳給最終電子受體（分子氧或含氧化合物），完成有氧呼吸或無氧呼吸。在傳遞的過程中，把質子從膜的一側送到另一側（因而電子傳遞鏈有“質子泵”之稱），從而建立了跨膜的Δp；2023/2/764張星元：發酵原理②質子可借助于ATP合成酶的質子通道（因而ATP合成酶也有“質子泵”之稱）跨過膜，在ATP合成酶的催化下，由ADP和磷酸根合成ATP，按一定的計量關系將Δp轉化成ATP。2023/2/765張星元：發酵原理2.4.4.1與發酵相對應的代謝能轉換機制

發酵既可以直接形成ATP，又可以間接地建立Δp，其機制分別是：

①脫氫（或氧化）反應的直接或間接產物高能磷酸化合物作為其對應的酶的底物，在該酶的底物水平上發生磷酸化作用，將ADP磷酸化，生成ATP；

②借助ATP酶，消耗ATP，把質子從膜的一側送到另一側，從而可以按一定計量關系增加Δp。

2023/2/766張星元：發酵原理輔酶NAD+

吸收脫氫作用中放出的電子，而被還原成NADH。NADH作為電子供體將電子直接交給最終電子受體（內源性有機化合物），生成發酵產物，同時NAD+

得到再生。在此還原當量耦合的過程中放出的自由能太少，不足以生成ATP，因此并沒有代謝能形成。

2023/2/767張星元：發酵原理第五節質子運動勢

和質子回路

2023/2/768張星元：發酵原理生物能學（bioenergetics）是能量代謝領域中專門研究能量轉換膜（如線粒體內膜、原核生物細胞的質膜等）及其功能的學說。生物能學能幫助我們分析和理解微生物有關代謝能的能量形式轉換的機制。本節主要討論化學滲透假設，電子傳遞鏈、ATP酶、載體蛋白在膜上的分布以及質子運動勢的產生原理，并對生物能學中的質子回路與電學中的電路（電子回路）進行比較。2023/2/769張星元：發酵原理2.5.1化學滲透假設及質子運動勢

2.5.2微生物細胞內代謝能形式的轉換2023/2/770張星元：發酵原理2.5.1化學滲透假設及質子運動勢2023/2/771張星元：發酵原理2.5.1.1化學滲透假設

2.5.1.2電子傳遞鏈成員、ATP合成酶

以及載體蛋白在膜上的分布

2.5.1.3質子運動勢2023/2/772張星元：發酵原理2.5.1.1化學滲透假設2023/2/773張星元：發酵原理化學滲透假設的要點：

①生物膜具有拓撲學的完整性，它對離子，

特別是H+和OH-離子是不通透的（借助

特異的交換系統才能跨膜輸送）；

②膜結構（蛋白質和脂質分布）的不對稱

性導致膜功能的方向性；

③電子在電子傳遞鏈上的傳遞導致質子向

膜外排放；

④膜上嵌有用于質子跨膜的ATP磷酸化酶

（ATP合成酶）。

2023/2/774張星元：發酵原理2.5.1.2電子傳遞鏈、ATP合成酶以及

載體蛋白在膜上的分布2023/2/775張星元：發酵原理

由磷脂雙分子層組成的單位膜中相對固定地鑲嵌著電子傳遞鏈的成員、ATP合成酶及載體蛋白。電子傳遞鏈是一系列相互作用的多肽。它們各自形成的氧化還原電極對還原電位的高低順序，以及它們在膜上的空間關系的相對固定，為電子在電子傳遞鏈上按相對固定的順序流動提供了保證。

2023/2/776張星元：發酵原理

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菌的細胞質膜上，NADH的電子經還原電位逐步提高的一連串載體，一直傳送到分子氧。2023/2/777張星元：發酵原理2023/2/778張星元：發酵原理左圖描繪了大腸桿菌細胞質膜的情況：由磷脂雙分子層組成的單位膜中相對固定地鑲嵌著電子傳遞鏈的成員、ATP合成酶及載體蛋白。電子傳遞鏈在圖中被描繪成一系列相互作用的蛋白質。2023/2/779張星元：發酵原理從圖可見，ATP酶的F1亞基不是被包埋在膜的磷脂雙分子層中，而是緊貼于膜上，是膜的周邊蛋白。電子傳遞鏈的組分如黃素蛋白、鐵硫蛋白、細胞色素b、細胞色素o等，被包埋在磷脂雙分子層中，屬整合蛋白。像ATP合成酶的F0亞基和β-半乳糖苷透性酶（乳糖/H+

同向輸送的載體蛋白），這類用于輸送的載體蛋白穿透整個磷脂雙分子層結構，又被稱為膜輸送蛋白。

2023/2/780張星元：發酵原理FMNFMNH2氧化型還原型2023/2/781張星元：發酵原理AMPFMNFADHFADH2FAD2023/2/782張星元：發酵原理不同形式的鐵硫蛋白蛋白質蛋白質2023/2/783張星元：發酵原理醌（CoQ）半醌氫醌（CoQ

H2）2023/2/784張星元：發酵原理a-型血紅素b-型血紅素c-型血紅素細胞色素氧化酶的Cyta和Cyta3中的鐵卟啉CoQH2-Cytc還原酶復合物的Cytb562和Cytb566中的鐵卟啉CytC和CytC1中的鐵卟啉細胞色素中的鐵卟啉2023/2/785張星元：發酵原理大腸桿菌細胞質膜上輸送蛋白、電子傳遞鏈和ATP酶，及它們各自的功能的示意圖。圖中：1,黃素蛋白；2,鐵硫蛋白；3,細胞色素b;4,細胞色素o;5/6,ATP酶；7,輸送蛋白。2023/2/786張星元：發酵原理真核細胞線粒體上的電子傳遞鏈及ATP酶2023/2/787張星元：發酵原理2.5.1.3質子運動勢2023/2/788張星元：發酵原理質子運動勢（protonmotiveforce，簡稱pmf）,是參照電動勢（electronmotiveforce）漢譯的。質子運動勢和電動勢的單位都是伏特。

根據化學滲透假設，膜對質子是不透的，電子傳遞質子泵、ATP酶質子泵的運轉在膜兩邊建立了質子運動勢。2023/2/789張星元：發酵原理質子運動勢Δp，一般由電分量（電荷因子）ΔΨ

和化學分量（濃度因子）－Z（ΔpH）兩項組成：

Δp=ΔΨ－Z（ΔpH）2023/2/790張星元：發酵原理上式中，ΔΨ代表跨膜電位；－Z（ΔpH）代表膜兩邊H+濃度差引起的電位差的。

Δp=p外－p內，

ΔΨ=Ψ外－Ψ內，

ΔpH=pH外—pH內

Z是將pH值轉變為電勢單位的轉換系數。

Z=2.3RT/

F，30℃時，Z=60mV。

R為摩爾氣體常數[8.314J·（mol°K）-1]、

T為絕對溫度（°K）、

F為法拉第常數（9.618×104

C·mol-1）。2023/2/791張星元：發酵原理2023/2/792張星元：發酵原理熱力學第一定律告訴我們，能量既不可能創生也不可能消滅，只能從一種形式的能量轉變成另一種形式的能量。微生物的代謝能來自化學能或光能，對于化能異養型微生物來說只能來自生物氧化過程中釋放的化學能。代謝能的兩種主要形式ATP和Δp的關系就類似于貨幣與銀行的關系。2023/2/793張星元：發酵原理2.5.2.1電子在電子傳遞鏈上的傳遞建立Δp

2.5.2.2ATP的形成與電子傳遞磷酸化的產率

2.5.2.3胞內pH值自動（調節）動態平衡

2.5.2.4化學滲透質子回路及其功能的有關討論2023/2/794張星元：發酵原理2.5.2.1電子在電子傳遞鏈上的傳遞

和Δp的建立2023/2/795張星元：發酵原理++++－－－－NADH+H+NAD+QQH22H+2H+2H+FMNFe-S-Pbdo?O2

+2H+H2O2e-2e-2e-E.coli

質膜胞外胞內2H2O2OH-大腸桿菌質膜上的電子傳遞鏈及質子泵出機制返回NADH脫氫酶的組成部分細胞色素氧化酶2023/2/796張星元：發酵原理細菌細胞膜內側的一個H+及由NAD+運載的氫負離子（包含一個H+和一對電子）首先被傳送到橫跨在膜上的NADH脫氫酶的組分黃素蛋白，把它的輔基FMN還原成FMNH2；接著，已傳送到FMNH2的這一對電子通過NADH脫氫酶的另一組分鐵硫蛋白返回到細胞膜的內表面，而2個H+則被留在細胞膜的外側的水相中，與此同時FMNH2被再生為FMN。2023/2/797張星元：發酵原理電子載體鐵硫蛋白得到的這對電子與細胞質內的2個H+一起，把1分子泛醌（CoQ）還原成氫醌（CoQH2）；帶著這對電子和這2個H+的氫醌將這對電子交給貼近膜外側的細胞色素b，把這2個H+釋放到胞外，自身又回復成泛醌；然后，細胞色素b又把這對電子傳遞給細胞色素o（細胞色素氧化酶）。最后，傳遞到細胞色素o的這對電子還原胞內的分子氧，同時消耗膜內側2個H+，生成水。2023/2/798張星元：發酵原理由此可見在大腸桿菌中借助電子傳遞鏈每氧化1分子NADH，就有4個H+被轉移出去。H+的轉移在膜兩邊形成質子梯度，蘊藏在這個梯度中的能量可用于推動各種細胞過程。例如，在酵母細胞質中2個H+通過ATP合成酶進入線粒體，可驅動1分子ATP的合成，質子梯度能驅動某些糖和氨基酸的簡單主動輸送，驅動細菌鞭毛旋轉等。2023/2/799張星元：發酵原理從以上分析得知，在電子傳遞磷酸化的電子傳遞過程中，像泵一樣把質子泵出細胞。每當電子從氫載體傳到電子載體時，把質子留在膜外，當電子從電子載體傳到氫載體時，從膜內側吸取質子，完成質子泵的功能。

2023/2/7100張星元：發酵原理細菌細胞質膜（左）和真核細胞的線粒體內膜（右）上的電子傳遞過程的比較圖2023/2/7101張星元：發酵原理對大腸桿菌細胞質膜來說，NADH所負載的一對電子在經電子傳遞鏈傳到最終電子受體分子氧的過程中，只能泵出4個H+；而在酵母細胞中經線粒體上的電子傳遞鏈（其細胞色素系統比細菌的細胞色素系統復雜），一共可泵出6個H+。2023/2/7102張星元：發酵原理有些化能自養型的細菌以硫化物、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的還原電位比NAD+/NADH+H+的還原電位高，它們在熱力學上不可能直接還原NAD+，故假設在這些細菌中NAD（P）+

的還原只能由ATP驅動的反向電子傳遞來完成。2023/2/7103張星元：發酵原理在這種情況下，微生物細胞依賴于電子反向傳遞而形成的NAD（P）H+H+來把CO2（碳源）還原成有機化合物。而ATP的合成則借助于電子傳遞鏈后段的順向電子傳遞。2023/2/7104張星元：發酵原理2.5.2.2ATP的形成與電子

傳遞磷酸化的產率2023/2/7105張星元：發酵原理

電子傳遞通常與ATP的合成緊密耦合。只有當電子傳遞鏈發生并提供了質子梯度時，ATP才得以生成；只有當ADP同時被磷酸化成ATP時，電子才經電子傳遞鏈流向氧。氧化磷酸化的實際速率取決于細胞內可利用的ATP的量（濃度）。2023/2/7106張星元：發酵原理氧化磷酸化需要NADH（或FADH2）、氧，以及ADP、無機磷酸。如果把ADP加到線粒體，當電子順向傳遞時，氧消耗速率上升；當ADP已被磷酸化為ATP時，氧的消耗速率下降，這個過程叫做呼吸控制。2023/2/7107張星元：發酵原理這個機制可以保證，當需要ATP合成時，電子才向下傳遞。如果ATP水平高，ADP水平低，就不會發生電子傳遞。如果NADH和FADH2累積，TCA環和酵解受抑制。呼吸控制按如下方式進行：

關閉：【ATP】↑→電子傳遞受阻→【NADH或FADH2】↑→TCA環和酵解受抑制。

開啟：【ADP】↑→拉動電子傳遞→【NADH或FADH2】↓→TCA環和酵解就暢通。2023/2/7108張星元：發酵原理

生物化學把從ADP形成ATP的過程叫做磷酸化。磷酸化有兩種方式，即底物水平磷酸化和電子傳遞磷酸化。電子傳遞磷酸化是指與電子傳遞鏈上電子傳遞過程相耦合的磷酸化，這種磷酸化要借助膜上的ATP合成酶，消耗Δp而生成ATP。

電子傳遞磷酸化的產率主要取決于以下因素：①

用來泵出質子并形成Δp的細胞色素系統；②

最終電子受體的類型；③ATP合成酶的效率。2023/2/7109張星元：發酵原理

因此就出現了電子傳遞磷酸化的產率問題，即ATP/NADH之比值。例如，需氧生長中的大腸桿菌與酵母菌兩者都形成NADH，它的一對電子經電子傳遞鏈傳到分子氧，大腸桿菌泵出4個H+，而酵母菌泵出6個H+，這是因為它們的細胞色素系統不同。2023/2/7110張星元：發酵原理此外，大腸桿菌的ATP合成酶合成1個ATP需消耗2～3個H+，而酵母線粒體的ATP合成酶只有消耗將近2個H+。因此，1分子NADH（即每對電子）在大腸桿菌可能相當于1～2分子ATP，而酵母能產3個ATP分子。2023/2/7111張星元：發酵原理2.5.2.3微生物細胞內代謝能形式的轉換

2023/2/7112張星元：發酵原理微生物細胞內代謝能的主要存在形式是ATP和Δp。借助于ATP酶，ATP形式的代謝能和Δp形式的代謝能，能夠互相轉換。如果把ATP看作為生物體的能量貨幣，那么Δp相當于能量銀行，也就是能庫。貨幣可以存入銀行，也可以從銀行取出。銀行和貨幣都有支付的功能。2023/2/7113張星元：發酵原理代謝能形式的轉換與代謝能的支出2023/2/7114張星元：發酵原理估計微生物細胞產生代謝能的潛在能力遠遠超過代謝能的消耗，酵解酶系統以及線粒體氧化還原酶系統所形成的ATP量，也大大超過生物合成過程以及種種做功過程所需要的ATP量。然而，細胞始終根據實際需要對ATP的形成進行精細的調節，根據需要控制代謝能的來路和去向。2023/2/7115張星元：發酵原理在細胞中，ATP的周轉十分迅速，有的細菌的ATP半衰期——也就是存在于細胞中的全部ATP分子總數的一半用于驅動需能反應并從放能反應再生所需的時間——通常只有幾秒鐘甚至更短。2023/2/7116張星元：發酵原理

ATP和Δp這兩種不同形式的代謝能同時支持生命活動，一刻也不能松弛；因而有代謝能支撐之說。2023/2/7117張星元：發酵原理2.5.2.4胞內pH值自動動態平

衡（pHhomeostasis）

2023/2/7118張星元：發酵原理

大多數酶和蛋白質都有一個相當狹窄的表現活性的最適pH值范圍。相對而言，微生物細胞具有在較寬的pH值范圍內生長的能力。細菌具有在寬廣的pH值范圍的介質中生長的能力。按細菌適宜生長的pH值范圍，可以把它們分成嗜酸性、嗜中性和嗜堿性3類。2023/2/7119張星元：發酵原理大腸桿菌是嗜中性的，其生長pH值為5～8，H+濃度變化可達1000倍，其存活的pH值范圍是4～9，H+濃度變化可達100000倍。即使環境pH值有如上變化，胞內H+濃度變化不到10倍，通常遠遠小于10倍。外部pH值從5.5上升到8，而胞內pH值的變化僅僅是7.2到7.7，這種pH自動動態平衡究竟是怎樣完成的呢?2023/2/7120張星元：發酵原理

許多因素都可能緩沖胞內pH值，維持胞內pH值自動動態平衡（pHhomeostasis）。它們包括：

①細胞內化學物質自身的緩沖能力，

②與呼吸和ATP水解相關的H+向外輸送，

③以H+交換某些陽離子的電中性的輸送系統，特別是H+與Na+（或K+）交換的輸送系統，2023/2/7121張星元：發酵原理例如，當環境pH值下降時，細胞內pH值的任何下降都將觸發K+/H+反向輸送，當它逐出H+的時候將K+帶入細胞，從而使細胞內pH值維持在7.5左右，造成一個較大的ΔpH。同樣地，外部pH值的上升將引起細胞質的堿化，觸發Na+/H+反向輸送，從而逐出Na+，引入H+，酸化細胞質。此外，細菌還能誘導對抗酸性的保護體系（耐酸性響應），以抵抗環境的酸性。2023/2/7122張星元：發酵原理2.5.2.4化學滲透質子回路及其功能的

有關討論

⑴質子泵及其正向運轉的定義

⑵跨越能量轉換膜的質子回路

⑶質子回路與電路的比較研究

2023/2/7123張星元：發酵原理⑴質子泵及其正向運轉的定義

原核細胞（如細菌細胞）的質膜，真核細胞（如酵母細胞）的線粒體內膜都是能量轉換膜，從以上討論可以看出每一種能量轉換膜都具有兩類質子泵，一類是通過電子轉移（或捕獲光子）來驅動，而另一類則是通過水解ATP來驅動。2023/2/7124張星元：發酵原理這兩類質子泵的作用是一致的，即電子沿電子傳遞鏈的順向傳遞及ATP酶對ATP的水解都會將質子（H+）“泵出”，從而形成膜電位（外正內負）。我們把質子泵的“泵出”定義為正向運轉。2023/2/7125張星元：發酵原理⑵跨越能量轉換膜的質子回路

在有氧條件下，微生物體內的ATP不斷地被細胞質內各種反應所消耗（在線粒體內也因種種原因而使ATP濃度下降），因此就必須通過消耗膜電位而合成的ATP來補充。也就是要求ATP合成酶質子泵反向運轉，使質子不斷進入細胞（或線粒體）內。2023/2/7126張星元：發酵原理

ATP合成酶質子泵反向運轉所消耗的膜電位則可由呼吸條件下的電子傳遞鏈質子泵的正向運轉（泵出）來補充，從而形成跨越能量轉換膜的質子回路。根據化學滲透假設可以畫出化學滲透質子回路：2023/2/7127張星元：發酵原理ATP跨越能量轉換膜的質子回路與直流電路的比較ATP酶呼吸鏈2023/2/7128張星元：發酵原理這種回路與電路（電子回路）在形式上十分相似。它們都有電源、用電器和導線等，只是在質子回路中流動的是質子，在電子回路中流動的是電子。在質子回路中，質子流的“導線”分別為膜兩側的溶液；而“用電器”一般是指ATP酶復合物。2023/2/7129張星元：發酵原理在詳盡地討論復雜的電子或質子流動時，這種相似性仍然保持，仍然正確如同在電學中一樣，我們可以測定或計算質子回路的“電動勢”，“電流強度”和“電阻”。這里“電動勢”相當于質子運動勢，“電流強度”相當于質子流強度，“電阻”則反映質子回路組分的質子傳導性能（conductanceofproton），在數值上等于質子流量除跨越回路中的這一組分前后的電位降。2023/2/7130張星元：發酵原理顯然，為了防止“短路”（質子無阻力跨膜），膜必須是封閉的，并且對質子流來說并非“導體”，而這些事實上也就是化學滲透學說成立的先決條件或基本假定。

2023/2/7131張星元：發酵原理從質子回路這個觀點出發，可以清楚地認識到：通過電子傳遞而發生的氧化過程與ADP的磷酸化過程之間的偶聯，需要質子運動勢Δp（能庫）作為中間媒介。2023/2/7132張星元：發酵原理⑶質子回路與電路的比較研究

如左圖（a）所示，質子回路正常運轉并做有用功，也就是ATP酶（質子回路的用電器）合成ATP。對照電路，電源與電燈接通，電燈亮。2023/2/7133張星元：發酵原理如圖2-34（b）所示，ATP合成酶復合物的質子阱（F0亞基）受阻塞，比如寡霉素與真菌的ATP合成酶復合物中的寡霉素敏感授予蛋白OSCP結合，使質子阱阻塞，質子回路不通。在這種情況下，電子傳遞鏈質子泵打出去的質子無法重新回到線粒體的基質中去，膜電位達一定值后，電子傳遞鏈質子泵停止運行，膜電位達到最大值。因為電子傳遞過程必須與ADP的磷酸化過程偶聯，質子阱阻塞使呼吸作用不能繼續下去，相當于電路中的斷路狀態。這里寡霉素起了能量轉移抑制劑的作用。2023/2/7134張星元：發酵原理如圖2-34（c）所示，在質子回路中，因加入質子移位體，如羰基氰-對-三氟甲氧基苯腙（FCCP）或2,4-二硝基苯酚（DNP），造成質子回路的短路，也就是說質子實際上不經過ATP合成酶復合體，而是在質子移位體的幫助下，輕易地進入細菌細胞或線粒體的。它們的加入能促進電子傳遞過程（即促進呼吸作用），但沒有相應化學計量的ATP合成。正如電路短路時，電路中實際上沒有電流通過，或幾乎沒有電流通過電燈，電流沒有做使燈發光的有用功，而以放熱的方式被消耗掉。起這種作用的質子移位體被稱為解偶聯劑，實質上它們能瓦解已形成的能庫。2023/2/7135張星元：發酵原理

如圖2-34（d）)所示，在質子回路中，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，使質子回路失去動力，或者說無法形成質子回路，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。質子回路的功能除了形成ATP外，還有驅動簡單主動傳送等，前面已有敘述。2023/2/7136張星元：發酵原理第六節代謝能對微生物生

長和維持的支撐2023/2/7137張星元：發酵原理涉及微生物細胞的生長和繁殖的每一個“動作”，包括細胞內有機化合物降解的啟動、生物合成的啟動和繼續、主動輸送、細胞內pH自動動態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。2023/2/7138張星元：發酵原理

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，就沒有工業發酵。2023/2/7139張星元：發酵原理2.6.1微生物細胞的生長能學

2.6.2用于維持的ATP消耗

2.6.3微生物能量的儲存2023/2/7140張星元：發酵原理2.6.1微生物細胞的生長能學

生長能學（growthenergetics）描述了通常以ATP的形式出現的代謝能的產生與消耗的關系，因此涉及到主動輸送（包括輸入和輸出）、供能反應（fuelingreactions）、生物合成反應、大分子合成反應和細胞組裝反應。2023/2/7141張星元：發酵原理2.6.1.1前體代謝物的代謝成本

2.6.1.2分子模塊等的代謝成本

2.6.1.3生物大分子的代謝成本

2.6.1.4整個細胞的代謝成本

2023/2/7142張星元：發酵原理2.6.1.1前體代謝物的代謝成本

依據運輸、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。2023/2/7143張星元：發酵原理2.6.1.2模塊分子等的代謝成本

研究細胞經濟運行，當然要研究代謝的成本，包括多肽和蛋白質的結構單元氨基酸生物合成的代謝成本，核酸的結構單元核苷酸生物合成的代謝成本，以及脂類和糖類結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合成的。2023/2/7144張星元：發酵原理2.6.1.3生物大分子的代謝成本

在細胞的經濟運行中，既要討論全局的通用代謝物的作用，也要討論細胞物質合成的成本。這里將討論合成生物大分子的代謝成本。2023/2/7145張星元：發酵原理組成細胞的生物大分子可分成以下幾類：①RNA；②DNA；③蛋白質；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境條件的改變而改變。2023/2/7146張星元：發酵原理⑴蛋白質合成的成本

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，總計每結合1個氨基酸約需0.3個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4.3個ATP。2023/2/7147張星元：發酵原理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2.4個ATP。

⑶脫氧核糖核酸（DNA）合成的成本

結合1個脫氧核糖核苷酸（以單磷酸核苷酸計）的總能耗為3.4個ATP。

⑷磷脂等的生物合成成本（略）

2023/2/7148張星元：發酵原理2.6.1.4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。2023/2/7149張星元：發酵原理2.6.2用于維持的ATP消耗

2023/2/7150張星元：發酵原理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和更新）與細胞的比生長速率是無關的。2023/2/7151張星元：發酵原理2.6.2.1濃度梯度和電位梯度的

維持

2.6.2.2無效循環

2.6.2.3大分子的周轉和更新

2023/2/7152張星元：發酵原理2.6.2.1濃度梯度和電位梯度的維持

為確保適當的功能，細胞要維持各種跨膜的濃度梯度和電化學梯度，包括跨質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。2023/2/7153張星元