第四节化能异养型微生物代谢中能量形式转换

第四节化能异养型微生物代谢中能量形式转换2022/10/26张星元：发酵原理2化能异养型微生物利用化学能源，并以有机化合物为主要碳源和能源进行生命活动。化学能源物质作为能源化合物参与生物氧化，从而获得可以直接支持生命活动（支撑生命）的代谢能。2022/10/26张星元：发酵原理32.4.1氧化还原对及其氧化还原电位

2.4.2电子载体与高能（磷酸）键载体

2.4.3生物学体系中的能量耦合

2.4.4与呼吸、发酵对应的代谢能转换

机制2022/10/26张星元：发酵原理42.4.1氧化还原对及其

氧化还原电位

2022/10/26张星元：发酵原理52.4.1.1溶质标准状况的规定2.4.1.2生化反应前后自由能的变化2.4.1.3氧化还原电位的测定及标准

状况的规定2022/10/26张星元：发酵原理6氧化还原系统中成对的氧化物和还原物被称为氧化还原对（redoxcouple），又称为电极对，其通式为：氧化型/还原型。

例如：

NAD+／NADH+H+

Fe3+／Fe2+。

2022/10/26张星元：发酵原理7在氧化还原电极对之间有电子转移的趋势，它们的还原电位（或称电极电位）就是衡量这种电子转移（获得电子）的趋势的物理量，记作“E”。在物理化学标准状况下电极对的还原电位，叫标准还原电位，记作E0。在生物化学标准状态下电极对的还原电位记作E0′，叫生化标准还原电位。所谓标准还原电位，是根据下述溶质的标准状况的参考标准来定义的。2022/10/26张星元：发酵原理82.4.1.1溶质标准状况的规定2022/10/26张星元：发酵原理9在生物系统中，溶质标准状况有它的特殊性，因为生化反应通常在接近中性pH的稀水溶液中进行。已对生物系统的标准状况作如下参考规定：2022/10/26张星元：发酵原理10①水的标准状况规定为纯液体的标准状况。因而，水的浓度（或活度）取作1，尽管实际上水的摩尔浓度为55.5mol/L。

②氢离子的活度规定为对应于在生理pH条件（pH7）的活度，而不是化学标准状态规定的pH0（氢离子活度为1）的活度。2022/10/26张星元：发酵原理11③能经历酸碱反应的化合物的标准状况规定为其天然存在的离子混合物在pH7的条件下的总浓度。这样做的好处在于，通常测量一个化合物的总浓度比测量其一种离子的浓度要更容易些。然而，因为酸或碱的离子组成随pH值而变化，用总浓度计算标准自由能时，只能采用pH7时的浓度。2022/10/26张星元：发酵原理12

使用上述参考规定时，标准自由能变化一般用符号ΔG0′（生化标准状况下自由能的变化）来表示，这里加上撇号“′”，以区别于物理化学标准状况下自由能的变化ΔG0。由于自由能变化与所规定的参考状况无关，所以参考状况是可以人为选择的。2022/10/26张星元：发酵原理13

然而，在用公式表示水和质子对自由能变化的影响时，规定这参考状况是很重要的，如果用生化标准状况作参照，水的浓度可以从公式中省去。类似地，如果反应在pH7条件下进行，则质子浓度不必包括在公式中（如果反应在pH值不等于7的情况下进行，质子浓度应当取与10-7有关的值，即应当以“[H+]/10-7”的方式出现）。2022/10/26张星元：发酵原理142.4.1.2生化反应前后自由能的变化2022/10/26张星元：发酵原理15

在活细胞内的反应条件是恒温、恒压的条件。在恒温、恒压条件下，各类化学反应能否自发进行，取决于自由能的变化“ΔG′”的值（反应的ΔG′与变化的途径无关）。

当ΔG′＜0时，反应能自发进行，并能放出自由能量；

当ΔG′＝0时，反应已达到平衡；

当ΔG′＞0时，反应不能自发进行，必须“注入”代谢能才能进行。

2022/10/26张星元：发酵原理16生物体内的反应在恒温、恒压下进行，反应的自由能变化是：

ΔG′=G′终态－′G始态

如果反应系统处于平衡状态，上式可进一步化为：

ΔG′=ΔG0′+RTlnKeq′

2022/10/26张星元：发酵原理17

当系统达到热力学平衡（ΔG′=0），则有：

ΔG0′=-RTlnKeq′

R是摩尔气体常数8.314

[J·（mol°K）-1]，平衡常数Keq′可以测得的，因此可以从该反应的Keq′值及绝对温度T，来推算ΔG0′。当然ΔG0′的值也可以通过查表获得。2022/10/26张星元：发酵原理182.4.1.3氧化还原电位的测定

及标准状况的规定

2022/10/26张星元：发酵原理19

在测量电极对的还原电位时，常用氢电极作为标准电极，并要求样品半电池的氧化物、还原物对子的溶质的浓度均为lmol·L-1；对参比半电池为氢电极的情况来说，H+

浓度为lmol·L-1（pH值为0）；H2为latm。指定氢电极的标准还原电位E0为零，因此，两个半电池的电位差即为样品对子的标准还原电位。

2022/10/26张星元：发酵原理20为了使电极对的还原电位数据有可比性，必须对溶质的标准状况作上述严格的规定。下表列出了若干在生物学上比较重要的氧化还原对子的E0′值。E0′是在pH7.0和25℃条件下，相对于标准氢半电池的生化标准还原电位的测定值。2022/10/26张星元：发酵原理212022/10/26张星元：发酵原理22可以预见，在生化标准状况下，表中任何指定的氧化还原对，倾向于还原任何列在它下面的氧化还原对，其相对位置是它们之间氧化还原热力学自发性的度量。2022/10/26张星元：发酵原理23在生物体中，氧化还原反应的标准自由能变化（ΔG0′）实际上是与两个氧化还原对之间的标准还原电位之差（ΔE0′）成线性关系的。两者的关系可用下式表示：

ΔG0′=-nFΔE0′

式中，n为电子传递数目，F为法拉第常数（9.6485×104C／mo1），ΔE0′

为电子受体的E0′减去电子供体的E0′所得之差值。2022/10/26张星元：发酵原理242.4.2电子载体与高能

（磷酸）键载体2022/10/26张星元：发酵原理252.4.2.1电子载体与氢载体

2.4.2.2高能（磷酸）键载体及能量偶联2022/10/26张星元：发酵原理262.4.2.1电子载体与氢载体

电子载体广义地包括脱氢酶的辅酶和电子传递链的全体成员。广义的电子载体又可以分为氢载体和电子载体。2022/10/26张星元：发酵原理27脱氢酶的辅酶NAD+实际上是氢负离子（hydrideion，即一个质子和一对电子）的载体；黄素蛋白和CoQ实际上是氢原子（一个质子和一个电子）的载体，它们均可称为氢载体。

铁硫蛋白（Fe-S-P）和细胞色素是狭义的电子载体。2022/10/26张星元：发酵原理28这些载体的氧化型和各自的还原型配对，组成各自的氧化还原电极对。例如：NAD+／NADH+H+、FAD/FADH2、CoQ/CoQH2和Fe3+／Fe2+等。2022/10/26张星元：发酵原理292.4.2.2高能（磷酸）键载体

及能量偶联

2022/10/26张星元：发酵原理30根据热力学第二定律，当反应体系的ΔG＞0时反应不能自发进行，若要进行，必须提供足够的、可以被反应体系利用的能量。在细胞中，这种可以利用的能量只能来源于放能反应所释放的自由能，而且只有当放能反应提供的自由能大于该需能反应所需的自由能时，反应才能进行。2022/10/26张星元：发酵原理31生物学中定义：由放能反应提供自由能，用以驱动需能反应的过程，被称为放能反应与需能反应之间能量的偶联。

2022/10/26张星元：发酵原理32然而，在生物体内，放能反应不能与需能反应直接发生偶联，必须借助能量载体才能将放能反应所释放的自由能的一部分（生物可直接利用的能量）提供给需能反应，从而驱动需能反应。大自然已选择5′-三磷酸腺嘌呤核苷（ATP）作为生物可直接利用的能量的载体。我们把这种细胞可直接利用的能量叫做代谢能。2022/10/26张星元：发酵原理33高能磷酸酯键普通磷酸酯键2022/10/26张星元：发酵原理34在生命活动过程中，生物体不断地消耗ATP，同时也不断再生ATP，因此ATP的转运、使用和再生是生物最重要的生理过程。

2022/10/26张星元：发酵原理352.4.3生物学体系中

的能量耦合

2022/10/26张星元：发酵原理36在化能异养型微生物中，能源化合物被氧化时放出的化学能主要通过以下3种机制转换成生物可以直接利用的能量——代谢能。

2022/10/26张星元：发酵原理372.4.3.1直接化学耦合

2.4.3.2电耦合

2.4.3.3还原当量耦合2022/10/26张星元：发酵原理382.4.3.1直接化学耦合

2022/10/26张星元：发酵原理39直接化学耦合指的是代谢中间化合物参与的底物水平磷酸化的过程。也就是代谢中间化合物（如1,3-2P-GA、PEP、ScCoA和乙酰磷酸等高能磷酸化合物）的高能磷酸键的水解反应与ADP或GDP的磷酸化反应直接耦合。借助于对应的酶的催化作用，在酶的底物的水平上发生磷酸化作用，形成特殊的高能化合物（ATP、GTP）的过程。2022/10/26张星元：发酵原理40这类代谢中间化合物，也就是前面所谓酶的底物，包括酵解途径中由脱氢酶催化的反应生成的1,3-2P-GA，由烯醇化酶催化生成的PEP，TCA环中由α-KG脱氢酶催化生成的ScCoA，以及PK途径中的由磷酸酮解酶（phosphoketolase）裂解酮糖生成的乙酰磷酸等高能化合物。这些高能（磷酸）化合物在对应的酶（1,3-2P-GA对应于3-P-GA激酶，PEP对应于PYR激酶）的催化下将ADP磷酸化成ATP。2022/10/26张星元：发酵原理412.4.3.2电耦合2022/10/26张星元：发酵原理42

电耦合是指以质子运动势Δp为媒介，借助电子传递链和ATP酶，将ATP的使用（ATP→ADP）与ATP的再生（ADP→ATP）耦合起来。详见本章2.4.4。2022/10/26张星元：发酵原理432.4.3.3还原当量耦合

⑴还原当量，⑵还原当量耦合2022/10/26张星元：发酵原理44⑴还原当量

讨论还原当量耦合问题，首先必须弄清什么叫还原当量。

生物化学将相当于一个电子或一个氢原子的还原力的量叫做一个还原当量。本课程为了说明问题的方便，将相当于一对电子或一个氢负离子（hydrideion）的还原力的量叫做一个还原当量。2022/10/26张星元：发酵原理45所谓氢负离子是指[H∶]-，即[H++2e-]-，也就是一个质子和一对电子。

NADH是NAD+[H∶]-的简写。

2022/10/26张星元：发酵原理46

因此，NAD+是氢负离子的载体，也就是一对电子和一个质子的载体，当然也是一对电子的载体。脱氢酶的辅酶NAD+作为一对电子（即还原当量）的载体，其氧化型是空载的，其还原型携带了还原当量的，所以也有人把还原型辅酶当作还原当量，或把它称为还原力。就像我们把ATP称为代谢能，而实际上ATP是代谢能的载体一样。2022/10/26张星元：发酵原理47发生生物氧化时，还原性化合物（还原剂）脱氢（氧化）而释放出“氢”（有些书上标写为“2H”），这个“氢”实际上是1对电子和2个质子，这2个质子有时结合在辅酶或辅基上，有时其中一个质子存在于溶液中，因此有：

NAD++2H→NADH+H+

（其中一个质子和一对电子结合在辅酶分子上，一个质子存在于溶液中）；

FAD+2H→FADH2

（两个质子和一对电子都结合在辅基上）。2022/10/26张星元：发酵原理48

AMP

FMN

FADH

FADH

2

FAD

图4-23

FAD+2H→

FADH2（这两个质子结合在辅基分子上）

2022/10/26张星元：发酵原理49图4-24

NAD++2H→

NADH+H+

（其中一个质子和一对电子结合在辅酶分子上，一个质子存在于溶液中）

[H﹕]ˉ

来自水相

NAD(P)+

NAD(P)H2022/10/26张星元：发酵原理50

⑵还原当量耦合

还原当量耦合一般是指：直接接受还原性化合物（还原剂）脱下的电子而形成的还原型辅酶或辅基，直接与细胞内不同的氧化还原反应相耦合。

2022/10/26张星元：发酵原理51在生物氧化过程中，还原性化合物的降解通常涉及它们自身被氧化，这就要求氧化型辅酶或辅基作为直接的电子受体参与反应；另一方面，微生物细胞内存在着许多需还原的过程，要求有还原型的辅酶或辅基作为直接的电子供体参与反应。2022/10/26张星元：发酵原理52一些重要的辅酶，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD），其氧化型NAD+可作为直接的电子受体，其还原型NADH可作为直接的电子供体，因此能将这些氧化反应和还原反应偶联起来。如GA-3-P脱氢时生成的NADH与乙醇脱氢酶催化的反应相耦合，将乙醛还原成乙醇；另一个重要的辅酶NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），其还原形式NADPH主要与还原性合成反应相耦合。2022/10/26张星元：发酵原理53

NAD+是一些常见的脱氢酶的辅酶，如乳酸脱氢酶，丙酮酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶；NADP+是另一些常见的脱氢酶的辅酶G-6-P脱氢酶，6-P-GA脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、α-磷酸甘油脱氢酶等。2022/10/26张星元：发酵原理54FAD和FMN是一些氧化还原酶（脱氢酶）的辅基，这些酶因为有FAD或FMN作辅基而称黄素蛋白。以FAD为辅基的酶有琥珀酸脱氢酶，脂酰CoA脱氢酶等；以FMN（或FAD）为辅基的酶有L-氨基酸氧化酶，电子传递链的成员中也有以FMN（或FAD）为辅基的蛋白质，如NADH脱氢酶。2022/10/26张星元：发酵原理55尽管大多数脱氢酶（氧化酶）所催化的反应是有专一性的，但这种共同的氧化还原耦合机制，允许不同的酶催化的脱氢（氧化）反应为同一个还原反应提供还原当量，允许同一个脱氢（氧化）反应为许多其他还原反应提供还原当量。2022/10/26张星元：发酵原理562.4.4与呼吸、发酵对应的

代谢能转换机制2022/10/26张星元：发酵原理57为了说明问题方便，以微生物对葡萄糖的降解代谢为例，来说明与呼吸、发酵对应的代谢能转换机制。葡萄糖的降解可分成3个阶段。2022/10/26张星元：发酵原理58第一阶段是指葡萄糖进入细胞，在胞内以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯或葡萄糖酸的磷酸酯的形式出现。

第二阶段是微生物细胞经酵解途径，将葡萄糖或磷酸葡萄糖降解到处于3C水平的丙酮酸。这个阶段不但通过底物水平磷酸化生成ATP，而且向细胞质释放还原当量。

第三阶段是丙酮酸继续代谢和代谢产物的分泌。这是区分葡萄糖的氧化性代谢与发酵性代谢的关键性阶段。2022/10/26张星元：发酵原理59

如果丙酮酸或由丙酮酸继续代谢而生成的可用作还原当量吸收剂的化合物（如乙醛）吸收第二阶段释放的还原当量，生成相应的还原产物（如乙醇）。这时微生物细胞进行发酵性代谢。这个过程因这些还原产物的分泌而得以进行。2022/10/26张星元：发酵原理60如果遗传与环境条件许可，丙酮酸相对容易地经TCA环降解，最终可被氧化降解成二氧化碳；第二阶段