代謝能對微生物生長和維持支撐代謝能對微生物生長和維持支撐第1頁2024/4/19張星元：發酵原理2包括微生物細胞生長和繁殖每一個“動作”，包含細胞內有機化合物降解開啟、生物合成開啟和繼續、主動輸送、細胞內pH自動動態平衡等都需要代謝能支撐，一樣維持細胞生命也需要代謝能支撐。代謝能對微生物生長和維持支撐第2頁2024/4/19張星元：發酵原理3

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生命活動，就沒有工業發酵。代謝能對微生物生長和維持支撐第3頁2024/4/19張星元：發酵原理42.6.1微生物細胞生長能學

2.6.2用于維持ATP消耗

2.6.3微生物能量儲存代謝能對微生物生長和維持支撐第4頁2024/4/19張星元：發酵原理52.6.1微生物細胞生長能學

生長能學（growthenergetics）描述了通常以ATP形式出現代謝能產生與消耗關系，所以包括到主動輸送（包含輸入和輸出）、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。代謝能對微生物生長和維持支撐第5頁2024/4/19張星元：發酵原理62.6.1.1前體代謝物代謝成本

2.6.1.2分子模塊等代謝成本

2.6.1.3生物大分子代謝成本

2.6.1.4整個細胞代謝成本

代謝能對微生物生長和維持支撐第6頁2024/4/19張星元：發酵原理72.6.1.1前體代謝物代謝成本

依據運輸、生物合成和聚合代謝成本預計值，有可能計算出細胞合成所需ATP總量和NADPH總量。這種計算是以碳源（通常是葡萄糖）為基礎，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經過能量供給反應從碳源生成。代謝能對微生物生長和維持支撐第7頁2024/4/19張星元：發酵原理82.6.1.2模塊分子等代謝成本

研究細胞經濟運行，當然要研究代謝成本，包含多肽和蛋白質結構單元氨基酸生物合成代謝成本，核酸結構單元核苷酸生物合成代謝成本，以及脂類和糖類結構單元生物合成代謝成本。這些分子模塊都是從前體代謝物出發合成。代謝能對微生物生長和維持支撐第8頁2024/4/19張星元：發酵原理92.6.1.3生物大分子代謝成本

在細胞經濟運行中，既要討論全局通用代謝物作用，也要討論細胞物質合成成本。這里將討論合成生物大分子代謝成本。代謝能對微生物生長和維持支撐第9頁2024/4/19張星元：發酵原理10組成細胞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。生物大分子組成隨生物種類不一樣而不一樣，對于一個給定生物物種，其大分子組成隨比生長速率和環境條件改變而改變。代謝能對微生物生長和維持支撐第10頁2024/4/19張星元：發酵原理11⑴蛋白質合成成本

在延伸肽鏈上添加1個氨基酸需要利用4個高能磷酸鍵，相當于4個ATP。另外，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。所以在多肽生成過程中，在延伸肽鏈上每添加1個氨基酸一共要消耗4.3個ATP。代謝能對微生物生長和維持支撐第11頁2024/4/19張星元：發酵原理12⑵核糖核酸（RNA）合成成本

收編1個核苷酸（以單磷酸核苷酸計）代謝能成本為2.4個ATP。

⑶脫氧核糖核酸（DNA）合成成本

結合1個脫氧核糖核苷酸（以單磷酸核苷酸計）總能耗為3.4個ATP。

⑷磷脂等生物合成成本（略）

代謝能對微生物生長和維持支撐第12頁2024/4/19張星元：發酵原理132.6.1.4整個細胞代謝成本

假如用于形成前體代謝物、模塊分子和生物大分子代謝成本已知，那么就能夠計算出合成整個細胞所需ATP。代謝能對微生物生長和維持支撐第13頁2024/4/19張星元：發酵原理142.6.2用于維持ATP消耗

代謝能對微生物生長和維持支撐第14頁2024/4/19張星元：發酵原理15許多細胞反應需要消耗ATP，但這些反應對菌體凈合成并沒有貢獻，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相關，比如用于維持細胞質膜跨膜電化學梯度反應，而其它維持反應（如生物大分子周轉和更新）與細胞比生長速率是無關。代謝能對微生物生長和維持支撐第15頁2024/4/19張星元：發酵原理162.6.2.1濃度梯度和電位梯度

維持

2.6.2.2無效循環

2.6.2.3大分子周轉和更新

代謝能對微生物生長和維持支撐第16頁2024/4/19張星元：發酵原理172.6.2.1濃度梯度和電位梯度維持

為確保適當功效，細胞要維持各種跨膜濃度梯度和電化學梯度，包含跨質膜濃度梯度和電化學梯度，跨真核細胞線粒體膜濃度梯度和電化學梯度。這些過程需要代謝能，但不會造成新菌體量合成，所以是維持過程經典例子。代謝能對微生物生長和維持支撐第17頁2024/4/19張星元：發酵原理18

這些過程中有一個別是與生長相關，比如細胞膨脹變大時，增大面積（或體積）上電位梯度要得到維持；但也有一個別是與生長無關，即當細胞不生長時梯度也需要維持。維持梯度ATP消耗預計可達生成ATP總量50%。代謝能對微生物生長和維持支撐第18頁2024/4/19張星元：發酵原理192.6.2.2無效循環

細胞內有些反應序列，其凈結果是ATP水解。比如6-磷酸果糖在磷酸果糖激酶作用下生成1,6-二磷酸果糖，1,6-二磷酸果糖在二磷酸果糖磷酸酯酶作用下，又被降解成6-磷酸果糖。這兩步反應造成ATP凈消耗。代謝能對微生物生長和維持支撐第19頁2024/4/19張星元：發酵原理20這類循環最初被看成是代謝控制一個缺點（所以被稱為無效循環），但當前這種循環被認為是一個主要代謝控制機制。當兩種酶都存在時，這種循環能使細胞快速地進行自我調整以適應新環境條件。代謝能對微生物生長和維持支撐第20頁2024/4/19張星元：發酵原理212.6.2.3大分子周轉和更新

細胞需要不停降解和合成許多分子，以維持其對代謝功效控制能力。所以mRNA半衰期只有幾分鐘。大分子這種連續降解和再聚合，造成了ATP凈消耗，而沒有新生物量產生，所以，也被認為是一個維持過程。代謝能對微生物生長和維持支撐第21頁2024/4/19張星元：發酵原理222.6.3微生物能量貯存

代謝能對微生物生長和維持支撐第22頁2024/4/19張星元：發酵原理23當有多出營養物質存在時，微生物經常改變它們一些代謝方向，合成一些化合物，作為能量貯存。當氮源或其它必需離子限量而碳和能量物質依然能夠被利用時，也生成大量貯備化合物。饑餓時能夠降解這些化合物，以釋放能量，維持生存。普通情況下，不到細胞內氨基酸和核苷酸庫不能再維持下去時候，這些貯藏物是不動用。這些化合物大致能夠分成以下幾類。代謝能對微生物生長和維持支撐第23頁2024/4/19張星元：發酵原理242.6.3.1碳水化合物貯藏

2.6.3.2脂類貯藏

2.6.3.3多聚偏磷酸

代謝能對微生物生長和維持支撐第24頁2024/4/19張星元：發酵原理252.6.3.1碳水化合物貯藏

在真菌及細菌中，包含一些藍細菌中，發覺貯存化合物是海藻糖（trehalose），一個非還原性雙糖。

在酵母及黏菌（slimemoulds）中碳水化合物則以糖原方式存在。糖原在營養生長階段堆積起來，到生長發育階段，造成孢子形成時，這些貯備物就用來提供能量。代謝能對微生物生長和維持支撐第25頁2024/4/19張星元：發酵原理26在許多微生物中發覺糖原存在，尤其是在能量豐富營養不平衡時候，就有相當大量糖原堆積。糖原合成機制在原核生物和真核生物中是不一樣。在原核細胞中，葡糖基（glycosyl）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）。代謝能對微生物生長和維持支撐第26頁2024/4/19張星元：發酵原理272.6.3.2脂類貯藏

在原核細胞中，多聚-β-羥基丁酸（poly-β-hydroxybutyrate，PHB）是最普通脂類貯存化合物，在光合細菌、藍細菌和許多其它原核細胞中都有大量堆積。

在有較大芽孢芽孢桿菌中，包含蠟狀芽孢桿菌（B.cereus）及巨大芽孢桿菌（B.megaterium），PHB是生孢子主要貯存化合物。代謝能對微生物生長和維持支撐第27頁2024/4/19張星元：發酵原理28PHB是一個線形多聚體（可達菌體干重60%），它降解需要蛋白水解酶使PHB顆粒活化，隨即被PHB解聚酶（depolymerase）水解成二聚體，最終切成單體。

真核細胞中沒有發覺PHB，卻有中性脂類堆積。代謝能對微生物生長和維持支撐第28頁2024/4/19張星元：發酵原理292.6.3.3多聚偏磷酸

在許多微生物中，包含真核及原核生物，在異染粒（volutin）顆粒中發覺有多聚偏磷酸（polymetaphosphate），這種多聚體同時起磷酸貯存及能量貯存作用，因為磷酸酐鍵水解時含有很高自由能。代謝能對微生物生長和維持支撐第29頁2024/4/19張星元：發酵原理30

代謝能連續供給是微生物生命活動前提，代謝能支撐是工業發酵運行立足點。

代謝能支撐假說揭示了化能異養型微生物細胞能量代謝氧化還原本質，確定了工業發酵生物學屬性。確立了微生物活細胞在發酵生產中關鍵地位。代謝能對微生物生長和維持支撐第30頁2024/4/19張星元：發酵原理31復習題

1.試述代謝能支撐假說關鍵點。

2.試比較真核細胞與原核細胞細胞內部空間分隔，討論真核細胞跨膜輸送復雜性。

3.試比較微生物細胞進行有氧呼吸與發酵時，還原劑分子釋放電子轉移到最終電子受體過程。

4.為何說“無氧發酵