微生物细胞内外的物质交换(共131张PPT)

第二节微生物细胞内外的物质交换张星元：发酵原理1第一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理2

微生物细胞要活下去就必须进行能量代谢，能量代谢必须依赖于微生物细胞内外的交流，包括微生物细胞与环境之间和微生物细胞之间的物质、能量和信息的交流，也包括微生物细胞内被生物膜分隔的细胞空间之间的物质、能量和信息的交流。第二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理3

本节主要讨论物质交换问题。微生物细胞内外的物质交换对工业发酵至关重要。没有这种交换微生物就不能生长和繁殖，就不能形成用于发酵生产的微生物细胞群体；没有这种交换工业微生物细胞（工业发酵的细胞机器）就不能将目的产物送出细胞，我们就不能从发酵液获得产品。第三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理42.2.1微生物细胞与其

所处环境的关系

第四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理52.2.1.1微生物的营养

2.2.1.2微生物的营养类型

2.2.1.3微生物的生理状态

与环境的关系第五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理6

存在于环境中的微生物(包括工业发酵环境中的微生物)活细胞必须不断地从环境摄取元素营养和能源营养。并将这些来自环境的营养有效地转换为可被其自身直接利用的代谢能，在代谢能的直接支撑下进行持续的生命活动。第六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理7

可把微生物细胞这个开放系统与其所处环境加在一起，看作一个隔离系统，这个重新划定的系统必须服从熵值增加原理。细胞的新陈代谢及生长造成细胞熵值下降和其环境熵值增加的总效果是：此隔离系统的总的熵值是增加的。第七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理8

微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放系统，其运转过程是在代谢能支持下进行的高度有序的过程，运转的结果是微生物细胞生命的持续和环境混乱程度的增加。第八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理9

研究微生物的生命活动不能离开环境，也不能离开微生物的生理状态。环境影响微生物细胞的生理状态和生命活动，而微生物细胞生命活动又不断改变环境。人可以通过改变环境条件来改变或调节微生物的生理状态和生命活动，其改变或调节的有效性与人对环境影响微生物生命活动的规律的了解程度密切相关。第九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理10

微生物生命活动影响和改变环境，人也可以主动地改变环境条件，在可能范围内调节微生物的生理状态和生命活动，以促进微生物生长或工业发酵目的产物的生产。第十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理112.2.1.1微生物的营养第十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理12这里说的营养既可指营养物质（nutrients），也可指提供营养的过程（nutrition）。作为营养物质必须能直接地或者经过降解后可以跨膜进入微生物细胞，并至少能为正常生命活动提供以下三者之一：①能量；②细胞结构的原材料；③代谢调节物质。第十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理13可把营养物质大致分为元素营养和能源营养。元素营养中研究得最透彻的是碳源，能源营养可以是化学物质，也可以是非化学物质如光能。为模块分子（buildingblock）生物合成提供碳骨架（carbonskeletons）的基质，通常被称为碳源；而为生命活动提供吉布斯自由能（其中只有一部分能被微生物细胞转化成代谢能）和还原力的基质称为能源。关于微生物的营养，微生物学已有介绍，这里仅根据本课程教学需要，简单地谈谈O、C、H、N、S、P，特别是含C和含P的营养物质。

第十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理14元素营养以O、C、H、N含量最多，这4种元素具有共同的化学性质是，可通过共享电子（共有电子对）而迅速形成共价键，由于共价键强度与成键原子的原子量成反比，它们形成的共价键都很稳定。单纯由C和H组成的生物分子呈非极性，与水亲和力低，使生物体与水环境之间形成一定的界面，这是生命诞生和存在的必要条件。第十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理15O、N、S等的参与引起有机分子电荷分布不均匀，同时，因这些元素而形成的官能团发生酸式或碱式解离，或使分子出现极性，能与水分子形成氢键而表现亲水性，使生物分子与水环境间增强相互作用。N参加主链结构可改善大分子的机械性能。O、S、P等可在有机分子间或分子内形成桥式连接，影响分子的形状及性能。第十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理16

碳是有机物的必有元素，是生物分子的结构中心。碳原子可彼此反应并形成稳定的“C-C”共价结合的化合物，可形成链式或环式的结构，其长度和大小几乎是无限度的，成为各种有机分子的骨架。

第十六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理17碳原子可与许多元素如H、O、N、S、P等形成稳定的共价键。碳原子的四面体构型产生了大量的同分异构体。碳原子如此多样而稳定的结合方式，是导致生物分子种类繁多的原因之一。第十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理18

微生物细胞及其代谢产物中包含了无数有机化合物，所有机化合物都有碳架。本课程现阶段主要研究有机化合物的代谢。有的有机化合物既属元素营养又属能源营养，比如对化能异养型微生物来说，葡萄糖既可作为的碳元素营养，又作为化学能源营养。凡可构成微生物细胞及其代谢产物的碳架来源的营养物质，均称为碳源。第十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理19微生物对碳源的需要极其广泛，从简单的无机碳化合物，如CO2、CO32-（自养型微生物的主要碳源），到复杂的天然有机含碳化合物，如糖、醇、有机酸、脂肪、烃类等（异养型微生物的主要碳源）都可被不同种类的微生物利用。对化能异养型微生物来说，碳源的生理功能可总括为两点：一是构成细胞物质和各种代谢产物的碳架；二是提供细胞活动所需的能量。第十九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理20

有机（碳）化合物经分解代谢，转化生成代谢能（生物可以直接利用的能量形式）、还原力和一系列重要的中间代谢物。第二十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理21

代谢能对细胞生命活动的支撑与含磷化合物的关系密切。磷酸在细胞中并非呈游离态存在，而主要是通过酯键与各种有机化合物分子连接，一起成为细胞中的有机组分。第二十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理22

例如与脂类分子以磷酯键连接，形成各种磷脂化合物（参与膜的结构）；与糖类分子形成酯键，使其成为活化态的代谢物，如糖核苷酸、糖磷酸酯，它们能活跃地参与合成、分解代谢，还能活跃地参与输送；与蛋白质（酶）的结合或解离，实现酶或载体蛋白的活性的共价调节。第二十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理23磷酸的一个重要生物学作用是架桥，除上述磷脂类化合物外，最重要的是借磷酸的架桥作用将各种核苷酸连成长链，组成DNA和RNA。磷酸可自我架桥成为多聚体，如焦磷酸、三磷酸和多聚偏磷酸等。多磷酸化合物对细胞的生命活动非常重要，是细胞能量代谢中一个主要的调节物。第二十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理24所有生物都依靠核苷三磷酸及二磷酸化合物，如ATP和ADP作为代谢能（生物可以直接利用的能量形式）周转的分子形式，细胞直接利用这些多磷酸化合物所含的能量做各式各样的细胞功（包括机械功、化学功和输送功等）。

第二十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理25几乎所有微生物都可利用无机磷酸盐。有机磷化合物经磷酸酶作用后也可作为磷源。几乎所有生物体都有磷酸酶（按其作用最适pH值分为酸性磷酸酶和碱性磷酸酶），通常位于周质区域，处于这一位置使它们更易与外界含磷化合物发生反应。第二十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理262.2.1.2微生物的营养类型第二十六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理27

微生物在长期进化过程中，逐渐地形成了不同的代谢类型。在考虑微生物代谢类型时，既要考虑同化作用类型，又必须考虑异化作用的类型。微生物新陈代谢的类型是根据同化作用和异化作用方式的不同划分的。第二十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理28

按同化作用（生物合成）方式的不同，可以把微生物分为自养型和异养型；按异化作用（生物氧化）方式的不同，可把微生物分为需氧型和厌氧型。第二十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理29

微生物的营养类型，是按微生物对其从环境中吸收的营养进行不同方式的代谢而划分的代谢类型。根据微生物代谢中使用的能源和碳源可将微生物原则地划为4个营养类型。

第二十九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理30微生物按能源分化学能源光能源化能营养型光能营养型化能有机异养型化能无机自养型光能无机自养型光能有机异养型按主要碳源分按主要碳源分有机物有机物CO2CO2第三十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理31

所谓自养与异养，是从生物细胞中的碳架物质的来源而定义的。

细胞的碳架物质由细胞自己从CO2还原而生成的微生物，被称自养型微生物。CO2经代谢进入有机体的碳架的过程被称为二氧化碳的固定。第三十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理32

细胞的碳架物质由其他有机体供给的微生物，被称为异养型微生物。外源的（泛指其他有机体供给的、未经本细胞代谢的）或内源的（泛指已经本细胞代谢的）碳架物质，可被有机体氧化而产能，或经必要的代谢参与有机体细胞组成。第三十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理33化能有机异养型微生物简称化能异养型微生物（chemoorganoheterotroph，COH），目前已被广泛地用作工业发酵的生产菌种，其它营养类型的微生物也正在环保、食品、化工等领域得到开发和应用。“化能异养型微生物作为目的产物的生产者”，这是本课程定义典型的工业发酵的第一个条件。第三十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理342.2.1.3微生物的生理状态

与环境的关系

第三十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理35在工业发酵中，微生物的生理状态与环境的关系具体指的是工业发酵环境（微生物培养器内）中的微生物细胞的生理状态与细胞所处的环境条件（培养基的化学成分、温度、pH值等）之间的关系。第三十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理36

微生物细胞与高等生物细胞所处的环境条件不同，后者处于相当稳定的组织环境条件下，而前者则完全暴露在环境的影响之中。因此微生物必须对环境条件在较宽范围内的变化具有耐受和抵抗能力，能对这些变化做出积极的响应。第三十六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理37

这里之所以要讨论环境因素对微生物细胞的生理学影响的问题，目的在于强调微生物细胞与其所处的环境是一个不可分割的整体。把微生物作为研究工作的“载体”，来研究生物体系与它们所处的环境的关系的研究，将是十分有利的。第三十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理38微生物的生理状态与环境的关系或许可以从以下几个方面得到反映：

①初级响应：微生物细胞对化学或物理化学条件变化的直接响应，包括酶的抑制和激活、蛋白质合成的诱导和阻遏、细胞形态的改变，迅速生长的群体中不同基因型（genotype）细胞的比例的变化等。第三十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理39②溶解氧浓度与细胞的相互作用：

需氧微生物进行有氧呼吸时的最终电子受体是氧，氧接受电子而被还原成水。氧经由加氧酶（oxygenase）或二加氧酶（dioxygenase）催化，也可被固定在微生物代谢过程中产生的有机分子中。此外，氧还可作为生长或代谢的抑制剂（在一定程度上对细胞有毒性）、酶的调节剂等。第三十九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理40

对生长中的微生物，溶解氧的浓度会影响微生物的生长速率、改变细胞的组成、改变代谢产物（包括代谢产物的种类和数量等）。以上细胞对氧的响应反过来又会影响细胞所处环境中的溶解氧浓度。第四十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理41

③对CO2的响应：CO2可自由进出细胞，影响新陈代谢。化能自养型微生物以为CO2主要碳源。化能异养型微生物在以葡萄糖或其他糖作为唯一碳源的培养基中生长时，对CO2有需求，它们必须固定CO2，也就是让CO2进入细胞有机物的碳架，从而回补TCA环的中间产物，维持TCA环的运行，以支持生长（后面将详细讨论）。第四十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理42CO2分压较高时，不但会影响培养基的pH值，导致生长所需矿物质的沉淀析出；更严重的是会导致质子的无效循环，使微生物生长速度下降。第四十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理43这主要是因为细胞外pH值一般低于细胞内，分子态的CO2大量进入细胞，并在细胞内与水分子作用生成大量的H+和HCO3-，为维持细胞内中性的pH值和细胞内外的离子平衡，必须调用原本应该用于支持生长的代谢能将H+泵出细胞，代谢能的额外开支导致微生物生长速度的下降。第四十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理44通氧（通风）过度会影响对细胞的CO2供应。以葡萄糖为主要碳源的培养基中培养微生物，刚接种细胞浓度很低，这时不宜大量通氧（通风），因为如果溶解氧太高会影响生长。第四十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理45④对环境水活度的响应：当环境的水活度低于微生物细胞内水活度时，微生物细胞要承受“水应力”(waterstress)。真细菌和真核微生物对水应力的响应是一种生理性适应，即会在细胞内累积有机兼容溶质(compatiblesolutes)，如多元醇、多元醇衍生物、某些糖和少数几种氨基酸、氨基酸衍生物等。第四十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理46⑤环境的氢离子浓度与细胞的相互作用：虽然大多数微生物都能耐受外部环境pH值在一定的范围内的变化，但事实上微生物（包括极端嗜酸菌和极端嗜碱菌）细胞内部pH值均接近于7。细胞内外pH值的差值是靠消耗代谢能来维持的。

第四十六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理47

培养基pH值与细胞的相互作用可从下面几方面来认识：首先每种微生物细胞一般都有生长的最适pH值；其次微生物会对细胞外pH值变化做出细胞水平的响应，可能影响发酵产物的形成和细胞的膜输送功能等；最后是细胞反作用于环境，引起培养液（发酵液）pH值的改变。这可以是因为产物的形成、营养物的吸收、氧化还原反应或培养液（pH）缓冲能力的改变。

第四十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理48当然也可以通过配入pH缓冲剂、添加酸或碱，或用设计合适的培养基或培养工艺来平衡代谢中产生的氢离子等方法，来调节培养液（发酵液）的pH值。

第四十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理49⑥环境温度与细胞的相互作用：与pH值、水活度的情况不同，微生物与它所处环境的温度是一致的，而且就任何化学反应而论，微生物的生命活动对环境温度都是敏感的。细胞对温度的响应包括：在生长温度范围内，不同温度下有不同的生长速率；在不同温度下，膜、DNA、RNA、蛋白质等细胞成分会有相应变化。第四十九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理50

当温度发生变动时，细胞内部会发生全局性（细胞水平）的调整，从而在基质利用、产物形成、热量放出等方面对环境温度变动做出响应。当微生物代谢旺盛、迅速生长时，其他形式的能量大量地转化成代谢能，同时放出大量热能，使环境温度迅速上升。第五十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理51

此外，培养物中解偶联剂的加入，将破坏膜对氢离子的绝缘性，使氧化与磷酸化脱钩，氧化作用（电子传递）释放出来的能量全部以热量的形式释放；在大量供氧的情况下，培养物的温度急剧上升。

第五十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理522.2.2化学物质的跨膜过程

第五十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理53

2.2.2.1化学物质跨过细胞质膜的机制

2.2.2.2真核微生物细胞内化学物质的跨膜传递

2.2.2.3代谢中间产物排出细胞的机制

2.2.2.4跨膜过程中代谢能的消耗第五十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理54

所有的活细胞都要与环境进行物质交换。在工业发酵中微生物细胞要将进入细胞的营养物质经代谢转化为目的产物，一般还要将代谢产物排放出细胞。诸如：以代谢产物（包括能量代谢副产物、初级代谢产物和次生代谢产物）为目的产物的生产；以细胞大分子（包括酶制剂、微生物多糖）为目的产物的生产；以细胞为目的产物（包括单细胞蛋白和胞内酶等细胞提取物）的生产。

第五十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理55

工业发酵生产大多均兼有营养物质进入和发酵目的产物排放出细胞的过程。即使在以细胞为目的产物的情况下，也有营养物质进入和代谢中间产物（代谢“废物”）排放出细胞。

“目的产物在细胞内生成，然后排放出细胞”，这是本课程定义典型的工业发酵的第二个条件。第五十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理56虽然细胞壁对物质进入细胞有一定妨碍，例如G+细菌细胞壁不允许相对分子质量为10000Da的葡聚糖通过，真菌细胞壁也只允许分子质量相对较小的物质通过，然而水相中的可溶性化合物进出细胞的主要屏障(barrier)是细胞膜。位于生物膜上的输送系统可识别底物，只允许被认可的化合物物进入，并可控制其通过的量，同时不断排出无用或多余的化学物质，以控制和维持细胞(或细胞器)的内部环境。第五十六页，共131页。按异化作用（生物氧化）方式的不同，可把微生物分为需氧型和厌氧型。磷酸的一个重要生物学作用是架桥，除上述磷脂类化合物外，最重要的是借磷酸的架桥作用将各种核苷酸连成长链，组成DNA和RNA。载体主要是一些跨膜蛋白，又称透性酶。线粒体3-磷酸甘油脱氢酶是一个含有FAD的黄素蛋白，它在CoQ位点向电子传递链提交电子。细胞的碳架物质由细胞自己从CO2还原而生成的微生物，被称自养型微生物。Lys+和载体所形成的复合物带正电，它在膜电位所构成的静电场中由外向里运动（外面带正电施推力，里面带负电施拉力），同时消耗膜电位。第八十二页，共131页。⑵促进扩散（facilitateddiffusion）：

需要细胞提供输送系统，不消耗代谢能。第十四页，共131页。这类化合物借助于细胞质膜中的载体蛋白，其跨膜过程可显著增强。第五十页，共131页。第七十五页，共131页。第一百一十二页，共131页。这种现象被解释为：苯甲酸的质子解耦联效应导致ATP的额外消耗。所有生物都依靠核苷三磷酸及二磷酸化合物，如ATP和ADP作为代谢能（生物可以直接利用的能量形式）周转的分子形式，细胞直接利用这些多磷酸化合物所含的能量做各式各样的细胞功（包括机械功、化学功和输送功等）。微生物细胞与高等生物细胞所处的环境条件不同，后者处于相当稳定的组织环境条件下，而前者则完全暴露在环境的影响之中。2022/11/28张星元：发酵原理57

这一小节主要研究营养物质跨过膜进入细胞和工业发酵目的产物跨过膜排放出细胞的问题。细菌、放线菌、酵母菌、霉菌没有专门的摄食和排泄“器官”，各种化学物质进出细胞主要依赖于细胞质膜的功能，这就必然涉及到两个难题：

①存在于水相中的化学物质如何跨过疏水的膜；

②这些化学物质如何克服浓度梯度从低浓度处向高浓度处输送。第五十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理582.2.2.1化学物质跨过细胞

质膜的机制第五十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理59从电子传递磷酸化的抑制剂（包括作用于膜的解偶联剂、作用于电子传递链成员的呼吸抑制剂、作用于ATP酶的磷酸化酶抑制剂等3类抑制剂）对输送的抑制作用，从输送过程中出现的饱和效应、竞争效应，以及从微生物的输送性能缺失突变的发生，推测并得到证实，前述两个难题是依靠代谢能及载体蛋白而得以解决的，从而揭示了细胞质膜不同于一般半透膜的生物学本质。

第五十九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理60

弄清化学物质跨过膜的物质基础是：①流动性的、可穿透的膜；②有选择性的、可识别跨膜物质并携带它们过膜的载体（包括催化共价反应的酶）；③直接用于输送的代谢能。

第六十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理61

从而确定对化学物质跨过膜的机制进行分类的依据：

①根据营养物质进入细胞是否要依靠输送系统而分为扩散（不需要输送系统）和输送（依靠输送系统）。这里所谓的“输送系统”是一种泛称，在不同的输送系统中，参与输送的载体蛋白、酶的种类和组合不一定相同，输送机制也不一定相同；第六十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理62②根据营养物质进入细胞是否需要代谢能，把输送再分为主动输送（需要代谢能）和被动输送（不需要代谢能）；

③根据主动输送过程中是否需要酶（形成共价键）把主动输送分成简单主动输送和基团转移。第六十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理63

跨膜机制分成以下两类四种：

第一类：细胞不提供帮助

⑴简单扩散

第二类：细胞提供帮助

⑵促进扩散：提供载体蛋白

⑶简单主动输送：提供载体蛋白

和代谢能

⑷基团转移：提供载体蛋白、代

谢能和酶（蛋白质因子）第六十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理64⑴简单扩散(simplediffusion)：

不需要细胞提供帮助的跨膜过程只能称作为扩散；需要细胞提供帮助的跨膜过程才堪称细胞发动的输送。简单扩散是顺浓度梯度方向的扩散，不消耗代谢能，也不需专一的载体或酶，仅仅是非专一性的膜透过现象，因此仅仅是扩散。有些亲脂性化合物接触膜的一侧时即溶于脂质的膜，并经扩散至膜的另一侧释放，有些小分子或离子通过膜上存在的非专一性通道，从高浓度侧向低浓度侧扩散，都属简单扩散。第六十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理65

化合物以自由扩散的方式跨过脂质膜包括3个步骤：

①化合物从胞外介质到膜相的传递；

②化合物扩散通过脂双层；

③化合物从膜相到细胞质的传递。第六十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理66物质扩散的难易程度，除了与组成膜的分子本身的极性有关外，与跨膜物质的性质（如相对分子质量、极性、脂溶性等）有关。一些非极性小分子如氧、氮、苯等可以以简单扩散的方式穿过膜脂双分子层中无蛋白质区进出细胞。一些虽不带电荷但显极性的小分子如水、尿素、NH3、甘油、二氧化碳和脂肪酸和某些醇（乙醇等），由于分子很小，也可简单扩散，穿过类脂极性头部区而透过膜。

第六十六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理67

在解离状态时，有机酸在脂质膜中实际上是不溶的；但许多有机酸的未解离形式却是可溶解的，如未解离的乳酸和乙酸，它们穿越质膜扩散得很迅速，主要是因为未解离形式可以自由扩散。乳酸和乙酸这样的化合物的整个输送过程，对其自身的解离程度都非常敏感，因而对细胞质和胞外介质两者的pH值也很敏感。第六十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理68对于许多微生物来说，细胞质膜有一个跨膜的pH梯度（细胞内的pH值高），这可能导致质子向细胞的净流入。为了维持胞内较低的质子浓度，必须消耗ATP，由ATP酶（已在真核微生物细胞膜发现质膜ATP酶）将这些质子泵出细胞外。同样道理，培养基中有机酸的存在可能会导致ATP的净消耗。第六十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理69

在研究苯甲酸对酿酒酵母呼吸的影响时发现，菌体量对葡萄糖的得率随苯甲酸浓度的增加而下降，同时葡萄糖和氧气的比吸收速率增加。因此对菌体合成来说，在加入苯甲酸的情况下，葡萄糖并没有得到有效的利用。第六十九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理70这种现象被解释为：苯甲酸的质子解耦联效应导致ATP的额外消耗。对厌氧条件下苯甲酸对酿酒酵母菌体合成的ATP消耗的影响进行了研究，发现菌体合成时消耗的ATP的量随着苯甲酸浓度的增加而呈线性增加。这是苯甲酸的质子解耦联效应的又一实验根据。第七十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理71⑵促进扩散（facilitateddiffusion）：

需要细胞提供输送系统，不消耗代谢能。许多化合物以极低的速率通过自由扩散而跨膜，因为它们在质膜中的溶解度很低。这类化合物借助于细胞质膜中的载体蛋白，其跨膜过程可显著增强。这种跨膜过程不需要消耗代谢能，但要求细胞提供载体蛋白来促进跨膜过程，因此被称为促进扩散。第七十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理72促进扩散普遍存在于真核生物，在原核生物中仅有的几例。如甘油在大肠杆菌中的运输，以及葡萄糖在运动发酵单胞菌（Zymomonasmobilis）中的输送。与自由扩散一样，促进扩散只能顺着浓度梯度而下的方向进行。有游离的载体蛋白可供使用时，某些化合物才能进入膜相，并且促进扩散的速率服从饱和型动力学，就如酶催化反应服从米氏动力学一样。

第七十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理73

在真菌中，许多糖类物质通过促进扩散跨膜。据报道，在酿酒酵母中，葡萄糖通过促进扩散跨膜输送，而且存在着一个受葡萄糖阻遏的高亲和体系和一个组成型的低亲和体系。对于丝状真菌，也已经报道了用于糖的促进扩散的不同的载体蛋白。第七十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理74

载体主要是一些跨膜蛋白，又称透性酶。它们各自具有专一的结合部位，现已从不同类型的细菌中提取出这类蛋白质。一种细菌通常有不同的载体蛋白分别来完成氨基酸、糖、维生素和无机盐等物质的输送，同一化合物也可能有一种以上的载体来完成输送。第七十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理75

例如，啤酒酵母有3种对葡萄糖具有不同亲合力的葡萄糖输送载体；鼠伤寒沙门氏菌有4种不同的载体负责组氨酸的输送。相反，也有一种载体负责几种物质输送的，如大肠杆菌用同一种载体蛋白输送亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸。第七十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理76

以往对离子载体的研究提供了关于离子通过膜的载体传递的分子基础。现已知，天然离子载体都是抗生素，它们可以诱导离子通过模型膜，可以提高生物膜对离子的输送能力。按作用方式不同，可把它们分成活动载体与通道载体两类，前者与被输送离子形成络合物（类似于渡船），使其易于扩散通过脂双分子层，后者在膜上诱导形成暂时性孔道（类似于架桥），使离子得以通过。第七十六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理77活动载体有环状和链状的，它们都能与金属离子配位，然后把后者包在一个空腔中，形成外部亲脂的络合物。例如缬氨霉素（Valinomycin）就是由“-[D-缬氨酸-L-乳酐-L-缬氨酸-D-α-羟基异戊酰]3-”构成的环状12酯肽，酯键与酰胺键交替出现，环内部由构成酯键的羰基氧原子提供具有静电束缚阳离子位置的极性环境，呈亲水性，而侧链烷基向外，构成疏水的外环。它能将碱金属、碱土金属等配位，并将其输送过膜。载体可在输送过程中反复使用。

第七十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理78通道载体与活动载体不同，它不能穿膜移动，而是相对地固定在膜上，形成贯穿膜两侧的离子通道。目前已知能形成通道的载体有两类，一类是两性霉素（Amphotericin）型大环多羟基多烯内酯化合物，它们可通过与膜磷脂分子中的固醇的结合而形成穿膜的孔，孔可被水充填。第七十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理79

另一类是低分子量的肽，如短杆菌肽A（GramicidinA），是由15个氨基酸组成的多肽。短杆菌肽形成稳定的螺旋状二聚体，其疏水氨基酸残基朝外侧，亲水的羰基分布在内侧，螺旋内孔构成离子通道，离子可在其中移动而跨过膜。第七十九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理80

借助于活动载体的促进扩散，是把被输送离子变成外部亲脂的载体复合物，膜的性质没有改变，靠载体复合物在膜内运动实现输送。通道输送则相反，是建立了膜上的亲水性通道，离子没有发生变化，以原有形式通过。由于活动载体复合物体积远比离子要大，所以它所促进的离子跨膜输送比通道输送要慢。所有促进扩散都是通过降低位垒而实现加速输送的。在主动输送中也确有载体和通道促进离子的输送，但同时需要提供代谢能。第八十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理81⑶简单主动输送(simpleactivetransport)：

需细胞提供载体和代谢能的跨膜过程，因此属于“输送”。营养物质或代谢物经这种类型的输送，其跨膜前后的化学状态并不发生变化，从浓度较低的一侧送入其浓较高的另一侧，这种逆浓度梯度的输送，除了要借助于载体蛋白，还要消耗细胞的代谢能Δp。因此有化学渗透驱动的输送之说。第八十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理82简单主动输送可用其工作模型来描绘。工作模型由初级系统与次级系统组成。

对于化能营养型微生物，初级系统是指把化学能转变成电渗透能的机构。Mitchell的化学渗透假设是这种初级系统的最好解释。第八十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理83电子传递链的成员按其对应的氧化还原对的还原电位的高低顺序（从低到高）排列在膜上，氧化或脱氢反应所形成的还原型辅酶NADH和辅基FADH2在电子传递链的适当部位向电子传递链释放电子，电子沿电子传递链传到最终电子受体（如分子氧），在此过程中将质子泵出细胞质膜，在膜两边形成质子运动势(protonmotiveforce)，它能用来驱动营养物质的吸收或ATP的合成。

第八十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理84质子运动势（也可记作ΔP）由两个量组成：浓度因子ΔpH，即膜两边的pH值（即氢离子浓度的负对数值）之差，和电荷量因子ΔΨ，即膜电位差。下列方程对质子运动势做出了热动力学的描述：

Δp=ΔΨ-ZΔpH

式中Δp和ΔΨ均以mV为单位，在25℃条件下，Z为常数（Z=59），用以把pH值转换成mV值。第八十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理85

次级系统实际上是在初级系统产生的质子运动势(Δp)的驱动下，直接进行营养物质输送的机构（输送系统）。第八十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理86已区分出3种次级系统：

①化学物质分子或离子与初级系统的离子（指H+）被同一个载体以同样的方向同时被输送叫做同向输送（symport），能起这样的作用的载体叫做同向载体（symporter）；第八十六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理87

②化学物质分子或离子与初级系统的离子（指H+或其他阳离子）被同一个载体以相反方向同时被输送叫做反向输送(antiport)，能起这样作用的载体叫反向载体（antiporter）；

③化学物质离子或分子借助载体，在消耗或不消耗Δp的情况下单独进入细胞叫做单向输送(uniport)，能起这样的作用的载体叫单向载体（uniporter）。第八十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理88金黄色葡萄球菌对Lys、Ile和Glu等氨基酸的主动输送内外内内外外Lys+Lys＋H+H+H+H+IleIleGlu－-Glu－pI=9.24单一输送受膜电位Δψ驱动pI=6.02同向输送受能库Δp驱动pI=3.22同向输送受膜两侧的－ZΔpH的驱动＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－Δp=Δψ－ZΔpH第八十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理89以金黄色葡萄球菌的静止细胞为实验对象进行了研究。如图所示，在实验条件（pH7）下，Lys带正电（Lys的等电点是pH9.74），Lys+按单向输送机制被送入细胞，这种吸收是靠Δp中的电荷因子ΔΨ（即膜电位）部分来驱动的。Lys+和载体所形成的复合物带正电，它在膜电位所构成的静电场中由外向里运动（外面带正电施推力，里面带负电施拉力），同时消耗膜电位。

第八十九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理90在实验条件（pH7）下，Ile不带电（Ile的等电点为pH6.02），Ile分子按同向输送机制与H+一起被送入细胞，Ile、H+和载体形成的复合物带正电，输送同时受Δp的两个部分的推动，即受ΔΨ（膜两侧之电位差）和膜内外pH值之差（即H+浓度差）的推动。Ile就像是搭了为H+开的船而过膜的。第九十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理91在实验条件（pH7）下，Glu带负电（Glu的等电点为pH3.22），Glu-离子按同向输送机制与H+离子一起被送入细胞。Glu-、H+和载体形成的复合物是电中性的，因此ΔΨ对此复合物不能施加影响，输送仅仅依赖于ΔpH，即依赖于细胞内外的H+浓度之差。第九十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理92与质子共同输送相耦合的简单主动输送机制已为许多实验所证实。初级系统的质子梯度也可以借助载体而转换成其他离子的梯度，如可以借助能进行Na+/H+反向输送的载体将质子梯度转换成Na+梯度，后者可用于另一种简单主动输送。因此简单主动输送又可以进一步分为：①与质子共同输送相耦合的简单主动输送，②与其他离子（无机离子）共同输送相耦合的简单主动输送。第九十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理93

与其他离子共同输送相偶合的简单主动输送机制在微生物中也已有发现。用于输送的其他离子的梯度（iongradient）是由质子梯度（protongradient）经前述反向传送机制转换过来的。如果将质子梯度视为“初级”或“一级”梯度，那么其他离子的梯度就称“次级”或“二级”梯度，这种类型的简单主动输送在这个意义上又可称为次级输送或二级输送。在大肠杆菌中，Glu的输送需要Na+和K+。枯草芽孢杆菌的柠檬酸的输送则需要Mg2+。第九十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理94

主动输送与促进扩散相比较，相类似的是，主动输送也是借助于膜内专用的载体蛋白（透性酶）；不同的是，主动输送可以逆着浓度梯度的方向进行，是一个消耗代谢能的过程。第九十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理95

被动输送与主动输送的根本区别在于输送过程自由能变化ΔG。只有当ΔG＜０时，才能自发地进行被动输送。当ΔG＞０时，需要注入代谢能以推动输送，即进行主动输送。微生物细胞的主动输送是逆着被输送化合物的浓度梯度进行的，这样，细胞能吸收并浓缩以极稀的浓度存在于环境中的某些养分。这个过程与微生物细胞的能量代谢紧密相关。第九十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理96初级主动输送系统中的一个重要的成员是ATP酶，它们涉及到需要消耗ATP的质子被泵出过程。某些ATP酶可在两个方向上起作用，当有质子流入时就会生成ATP，这些ATP酶是原核生物的氧化磷酸化的重要组成部分。第九十六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理97其他初级主动输送系统还有借助于“交通-ATP酶”的输送系统。该系统包括专用的结合蛋白，它们与被传送的化合物结合并将其传递到相应的结合在膜上的复合物。这种传递触发ATP水解，进而使小孔打开，允许被传送的化合物单向扩散入细胞质。在大肠杆菌中，通过这些所谓“交通-ATP酶”所输送的物质有组氨酸、麦芽糖、阿拉伯糖和半乳糖。第九十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理98⑷

基团转移(grouptranslocation)：

需提供载体、代谢能和酶，属于“输送”机制。

在基团转移中，输送过程都伴随着被输送物质进一步的共价转变，所输送的化合物被转化成为一个衍生物（被磷酸化的衍生物），这个衍生物是不能反向跨膜的。第九十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理99基团转移系统典型的实例是磷酸转移酶系统（PTS）。借助于这个系统，某些糖以糖的磷酸酯的形式被送进细菌细胞。PTS主要存在于兼性和专性厌氧细菌中。对厌氧菌来说PTS尤为重要，因为用它可以节省ATP。

第九十九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理100第一百页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理101PTS相当复杂，至少涉及4种不同蛋白，这些蛋白质作为高能磷酸基团的磷酸载体，先后参与把磷酸烯醇丙酮酸（PEP）上的磷酸基团转移给正在被引入的糖的过程。这些蛋白中有两种是可溶的细胞质蛋白，大肠杆菌中它们是分别由ptsI和ptsH所编码的酶Ⅰ（EⅠ）和组氨酸蛋白（HPr）。这两种蛋白对所有的PTS糖类来说是通用的（没有特异性），因此被称为通用的PTS蛋白。第一百零一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理102而对糖是具有特异性的酶Ⅱ（EⅡ

），它们都由3个功能区（A、B和C）组成。这3个功能区可以结合成1个单一的与膜结合的蛋白（如图示甘露糖醇的PTS），也可以分成2个或更多个蛋白，分别叫做EⅡA、EⅡB、EⅡC。在PTS系统中PEP的磷酸基团通过EⅠ、HPr、EⅡA和EⅡB的磷酸化中间物传递给正在被引入的糖。EⅡ的C功能区（也就是EⅡC蛋白）形成转移的通道，并且至少其一部分成为特定的糖结合位点。

第一百零二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理103同样已证明嘌呤碱基也是依靠基团转位输送的，由磷酸核糖转移酶系统(PTS)催化，在细胞内出现相应的嘌呤核苷单磷酸酯。

Ade+PRPP→AMP+PPi第一百零三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理1042.2.2.2真核微生物细胞内化学

物质的跨膜输送

第一百零四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理105真核微生物内有多种被生物膜包围的细胞器，因此器细胞内部也会发生跨膜输送。

因为EMP和HMP途径发生在细胞质，而丙酮酸的氧化（TCA环）发生在线粒体基质，所以代谢中间产物在细胞质和线粒体基质之间的传递对微生物的代谢来说是非常重要的。第一百零五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理106不带电的分子，包括极性和非极性的小分子常常容易透过线粒体内膜，如水、氧、二氧化碳、氨、甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等分子都不必借助载体系统就能自由地透过线粒体内膜；而带电的分子和离子则需要借助载体才能跨过线粒体内膜，并且已检出磷酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、ADP、ATP、丙酮酸（PYR）、TCA环的有机酸、Glu、Asp、Orn（鸟氨酸）、Cit（瓜氨酸）、酰基肉碱(acy1carnitines)和PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）等化合物的输送系统。第一百零六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理107NAD(P)+、NAD(P)H、CoA和酰基CoA不能跨过线粒体内膜。有些离子和代谢产物不易（有的需借助于载体）跨过线粒体内膜，包括AMP、GMP、GDP、GTP、C1－、NO3－、Br－和NH4+等。第一百零七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理108

与电子传递相偶联的磷酸化作用要求将ADP和Pi（一般是H2PO4－

）送入线粒体，在线粒体内膜基质一侧形成ATP。在线粒体形成的ATP的一部分又要被送出线粒体参与细胞质中的生物合成反应。第一百零八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理109已经得知磷酸根（H2PO4-）输送的两种机制，即“OH-/H2PO4-”交换和“H2PO4-/DCA2-”交换的机制。前者代表电中性的反向输送(antiport)，即用于H2PO4-和OH-交换的载体系统；后者代表H2PO4-与二羧酸进行交换的载体系统，这个载体系统用于H2PO4-与二羧酸，如SCA（琥珀酸）或MLA（苹果酸）的交换，然后，二羧酸又与三羧酸交换，从而使MLA与柠檬酸（CTA）的跨膜输送发生关联。第一百零九页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理110膜外侧膜膜内侧膜外侧膜膜内侧

二羧酸2-二羧酸2-三羧酸·

H3-+ATP4-ADP3-Asp2-Glu·H2-+OH-PYR2OH-2H2PO4-

2H2PO4-第一百一十页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理111

线粒体内膜对于AcCoA（乙酰辅酶A）是不透的，但可以通过下述途径将AcCoA“送出”线粒体：在线粒体基质中，AcCoA与OAA（草酰乙酸）在柠檬酸合成酶的催化下合成CTA，后者借助载体系统透过线粒体内膜进入细胞质，然后被细胞质中的柠檬酸裂解酶（以细胞质中的CoA为辅酶）裂解成OAA和AcCoA，从而完成AcCoA的“送出”过程，实际上是乙酰基的送出过程。第一百一十一页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理112AcCoAAcCoACTACTA(CS)(CL)CoAOAAOAA内外CoA线粒体内膜乙酰基从线粒体送出的过程第一百一十二页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理113

真核微生物在线粒体基质中形成乙酰基，在细胞质中合成脂肪酸、磷脂等参与膜的组成。这种将乙酰基的送出的机制在某些微生物（如油脂酵母）中是很重要的，这些微生物能大量合成脂肪，因此需要将乙酰基团从线粒基质转移到细胞质中。第一百一十三页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理114嘌呤核苷酸的传送依赖于对ADP和ATP有特异性的载体蛋白（见前图），借助这种载体蛋白，ADP和ATP作1∶1的跨膜交换。当这两个核苷酸带不同的电荷量(ADP3-，ATP4-)时，它们能借助载体蛋白在膜电位的推动下进行致电反向输送(electrogenicantiport)。这种反向输送与非能化（deenergized）状态下的输送相比，有较大的交换速率。第一百一十四页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理115影响腺嘌呤核苷酸传送的因素：

①细胞质中的生物合成反应对腺嘌呤核苷酸的需要，要求〔ATP〕/〔ADP〕比率高；

②线粒体基质中的氧化磷酸化的需要，要求〔ATP〕/〔ADP〕比率低。第一百一十五页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理116烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）不能穿过线粒体内膜。线粒体内生成的NADH固然可以在线粒体内膜内侧再生，那么在有氧状态下，细胞质中的酵解所产生的NADH怎么再生（怎样把电子交给电子传递链）呢？第一百一十六页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理117来自细胞质中的NADH的电子交给电子传递链的机制是借助所谓的穿梭往返系统。真核微生物细胞可以借助于代谢物的穿梭往返（shuttle），间接地将还原当量送入线粒体。穿梭往返有跨线粒体外膜的和跨线粒体内膜的。分述如下：第一百一十七页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理118

借助于跨线粒体内膜的“苹果酸／天冬氨酸”穿梭往返，间接地将还原当量送入线粒体。这种“穿梭往返”的效果相当于NADH跨过线粒体内膜，最终把电子在线粒体内膜内侧交给电子传递链。此过程靠NADH在细胞质与线粒体中浓度之差来驱动，不消耗ATP。第一百一十八页，共131页。2022/11/28张星元：发酵原理119+哺乳动物细胞的苹果酸/天门冬氨酸穿梭体系图中：AAT为Asp氨基转移酶，GAT、MOT为载体。线粒体内膜AspA