微生物細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換

微生物細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換第1頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/52第二節(jié)微生物細(xì)胞內(nèi)外的

物質(zhì)交換2.2.1微生物細(xì)胞與其所處的環(huán)境的關(guān)系

2.2.2化學(xué)物質(zhì)的跨膜過(guò)程第2頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/53微生物細(xì)胞要活下去就必須進(jìn)行能量代謝，能量代謝必須依賴于微生物細(xì)胞內(nèi)外的交流，包括微生物細(xì)胞與環(huán)境之間和微生物細(xì)胞之間的物質(zhì)、能量和信息的交流，也包括微生物細(xì)胞內(nèi)被生物膜分隔的細(xì)胞空間之間的物質(zhì)、能量和信息的交流。第3頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/54本節(jié)主要討論物質(zhì)交換問(wèn)題。微生物細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換對(duì)工業(yè)發(fā)酵至關(guān)重要。沒(méi)有這種交換微生物就不能生長(zhǎng)和繁殖，就不能形成用于發(fā)酵生產(chǎn)的微生物細(xì)胞群體；沒(méi)有這種交換工業(yè)微生物細(xì)胞（工業(yè)發(fā)酵的細(xì)胞機(jī)器）就不能將目的產(chǎn)物送出細(xì)胞，我們就不能從發(fā)酵液獲得產(chǎn)品。第4頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/552.2.1微生物細(xì)胞與其

所處環(huán)境的關(guān)系

第5頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/562.2.1.1微生物的營(yíng)養(yǎng)

2.2.1.2微生物的營(yíng)養(yǎng)類型

2.2.1.3微生物的生理狀態(tài)

與環(huán)境的關(guān)系第6頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/57存在于環(huán)境中的微生物(包括工業(yè)發(fā)酵環(huán)境中的微生物)活細(xì)胞必須不斷地從環(huán)境攝取元素營(yíng)養(yǎng)和能源營(yíng)養(yǎng)。并將這些來(lái)自環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)有效地轉(zhuǎn)換為可被其自身直接利用的代謝能，在代謝能的直接支撐下進(jìn)行持續(xù)的生命活動(dòng)。第7頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/58

可把微生物細(xì)胞這個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)與其所處環(huán)境加在一起，看作一個(gè)隔離系統(tǒng)，這個(gè)重新劃定的系統(tǒng)必須服從熵值增加原理。細(xì)胞的新陳代謝及生長(zhǎng)造成細(xì)胞熵值下降和其環(huán)境熵值增加的總效果是：此隔離系統(tǒng)的總的熵值是增加的。第8頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/59微生物細(xì)胞是個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開(kāi)放系統(tǒng)，其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程是在代謝能支持下進(jìn)行的高度有序的過(guò)程，運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果是微生物細(xì)胞生命的持續(xù)和環(huán)境混亂程度的增加。第9頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/510研究微生物的生命活動(dòng)不能離開(kāi)環(huán)境，也不能離開(kāi)微生物的生理狀態(tài)。環(huán)境影響微生物細(xì)胞的生理狀態(tài)和生命活動(dòng)，而微生物細(xì)胞生命活動(dòng)又不斷改變環(huán)境。人可以通過(guò)改變環(huán)境條件來(lái)改變或調(diào)節(jié)微生物的生理狀態(tài)和生命活動(dòng)，其改變或調(diào)節(jié)的有效性與人對(duì)環(huán)境影響微生物生命活動(dòng)的規(guī)律的了解程度密切相關(guān)。第10頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/511微生物生命活動(dòng)影響和改變環(huán)境，人也可以主動(dòng)地改變環(huán)境條件，在可能范圍內(nèi)調(diào)節(jié)微生物的生理狀態(tài)和生命活動(dòng)，以促進(jìn)微生物生長(zhǎng)或工業(yè)發(fā)酵目的產(chǎn)物的生產(chǎn)。第11頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5122.2.1.1微生物的營(yíng)養(yǎng)第12頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/513這里說(shuō)的營(yíng)養(yǎng)既可指營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（nutrients），也可指提供營(yíng)養(yǎng)的過(guò)程（nutrition）。作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須能直接地或者經(jīng)過(guò)降解后可以跨膜進(jìn)入微生物細(xì)胞，并至少能為正常生命活動(dòng)提供以下三者之一：①能量；②細(xì)胞結(jié)構(gòu)的原材料；③代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)。第13頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/514可把營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大致分為元素營(yíng)養(yǎng)和能源營(yíng)養(yǎng)。元素營(yíng)養(yǎng)中研究得最透徹的是碳源，能源營(yíng)養(yǎng)可以是化學(xué)物質(zhì)，也可以是非化學(xué)物質(zhì)如光能。為模塊分子（buildingblock）生物合成提供碳骨架（carbonskeletons）的基質(zhì)，通常被稱為碳源；而為生命活動(dòng)提供吉布斯自由能（其中只有一部分能被微生物細(xì)胞轉(zhuǎn)化成代謝能）和還原力的基質(zhì)稱為能源。關(guān)于微生物的營(yíng)養(yǎng)，微生物學(xué)已有介紹，這里僅根據(jù)本課程教學(xué)需要，簡(jiǎn)單地談?wù)凮、C、H、N、S、P，特別是含C和含P的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

第14頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/515元素營(yíng)養(yǎng)以O(shè)、C、H、N含量最多，這4種元素具有共同的化學(xué)性質(zhì)是，可通過(guò)共享電子（共有電子對(duì)）而迅速形成共價(jià)鍵，由于共價(jià)鍵強(qiáng)度與成鍵原子的原子量成反比，它們形成的共價(jià)鍵都很穩(wěn)定。單純由C和H組成的生物分子呈非極性，與水親和力低，使生物體與水環(huán)境之間形成一定的界面，這是生命誕生和存在的必要條件。第15頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/516O、N、S等的參與引起有機(jī)分子電荷分布不均勻，同時(shí)，因這些元素而形成的官能團(tuán)發(fā)生酸式或堿式解離，或使分子出現(xiàn)極性，能與水分子形成氫鍵而表現(xiàn)親水性，使生物分子與水環(huán)境間增強(qiáng)相互作用。N參加主鏈結(jié)構(gòu)可改善大分子的機(jī)械性能。O、S、P等可在有機(jī)分子間或分子內(nèi)形成橋式連接，影響分子的形狀及性能。第16頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/517

碳是有機(jī)物的必有元素，是生物分子的結(jié)構(gòu)中心。碳原子可彼此反應(yīng)并形成穩(wěn)定的“C-C”共價(jià)結(jié)合的化合物，可形成鏈?zhǔn)交颦h(huán)式的結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度和大小幾乎是無(wú)限度的，成為各種有機(jī)分子的骨架。

第17頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/518碳原子可與許多元素如H、O、N、S、P等形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。碳原子的四面體構(gòu)型產(chǎn)生了大量的同分異構(gòu)體。碳原子如此多樣而穩(wěn)定的結(jié)合方式，是導(dǎo)致生物分子種類繁多的原因之一。第18頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/519微生物細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物中包含了無(wú)數(shù)有機(jī)化合物，所有機(jī)化合物都有碳架。本課程現(xiàn)階段主要研究有機(jī)化合物的代謝。有的有機(jī)化合物既屬元素營(yíng)養(yǎng)又屬能源營(yíng)養(yǎng)，比如對(duì)化能異養(yǎng)型微生物來(lái)說(shuō)，葡萄糖既可作為的碳元素營(yíng)養(yǎng)，又作為化學(xué)能源營(yíng)養(yǎng)。凡可構(gòu)成微生物細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物的碳架來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，均稱為碳源。第19頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/520微生物對(duì)碳源的需要極其廣泛，從簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)碳化合物，如CO2、CO32-（自養(yǎng)型微生物的主要碳源），到復(fù)雜的天然有機(jī)含碳化合物，如糖、醇、有機(jī)酸、脂肪、烴類等（異養(yǎng)型微生物的主要碳源）都可被不同種類的微生物利用。對(duì)化能異養(yǎng)型微生物來(lái)說(shuō)，碳源的生理功能可總括為兩點(diǎn)：一是構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)和各種代謝產(chǎn)物的碳架；二是提供細(xì)胞活動(dòng)所需的能量。第20頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/521

有機(jī)（碳）化合物經(jīng)分解代謝，轉(zhuǎn)化生成代謝能（生物可以直接利用的能量形式）、還原力和一系列重要的中間代謝物。第21頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/522代謝能對(duì)細(xì)胞生命活動(dòng)的支撐與含磷化合物的關(guān)系密切。磷酸在細(xì)胞中并非呈游離態(tài)存在，而主要是通過(guò)酯鍵與各種有機(jī)化合物分子連接，一起成為細(xì)胞中的有機(jī)組分。第22頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/523例如與脂類分子以磷酯鍵連接，形成各種磷脂化合物（參與膜的結(jié)構(gòu)）；與糖類分子形成酯鍵，使其成為活化態(tài)的代謝物，如糖核苷酸、糖磷酸酯，它們能活躍地參與合成、分解代謝，還能活躍地參與輸送；與蛋白質(zhì)（酶）的結(jié)合或解離，實(shí)現(xiàn)酶或載體蛋白的活性的共價(jià)調(diào)節(jié)。第23頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/524磷酸的一個(gè)重要生物學(xué)作用是架橋，除上述磷脂類化合物外，最重要的是借磷酸的架橋作用將各種核苷酸連成長(zhǎng)鏈，組成DNA和RNA。磷酸可自我架橋成為多聚體，如焦磷酸、三磷酸和多聚偏磷酸等。多磷酸化合物對(duì)細(xì)胞的生命活動(dòng)非常重要，是細(xì)胞能量代謝中一個(gè)主要的調(diào)節(jié)物。第24頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/525所有生物都依靠核苷三磷酸及二磷酸化合物，如ATP和ADP作為代謝能（生物可以直接利用的能量形式）周轉(zhuǎn)的分子形式，細(xì)胞直接利用這些多磷酸化合物所含的能量做各式各樣的細(xì)胞功（包括機(jī)械功、化學(xué)功和輸送功等）。

第25頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/526幾乎所有微生物都可利用無(wú)機(jī)磷酸鹽。有機(jī)磷化合物經(jīng)磷酸酶作用后也可作為磷源。幾乎所有生物體都有磷酸酶（按其作用最適pH值分為酸性磷酸酶和堿性磷酸酶），通常位于周質(zhì)區(qū)域，處于這一位置使它們更易與外界含磷化合物發(fā)生反應(yīng)。第26頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5272.2.1.2微生物的營(yíng)養(yǎng)類型2.2.1.2微生物的營(yíng)養(yǎng)類型第27頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/528微生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，逐漸地形成了不同的代謝類型。在考慮微生物代謝類型時(shí)，既要考慮同化作用類型，又必須考慮異化作用的類型。微生物新陳代謝的類型是根據(jù)同化作用和異化作用方式的不同劃分的。第28頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/529

按同化作用（生物合成）方式的不同，可以把微生物分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型；按異化作用（生物氧化）方式的不同，可把微生物分為需氧型和厭氧型。第29頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/530

微生物的營(yíng)養(yǎng)類型，是按微生物對(duì)其從環(huán)境中吸收的營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行不同方式的代謝而劃分的代謝類型。根據(jù)微生物代謝中使用的能源和碳源可將微生物原則地劃為4個(gè)營(yíng)養(yǎng)類型。

第30頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/531微生物按能源分化學(xué)能源光能源化能營(yíng)養(yǎng)型光能營(yíng)養(yǎng)型化能有機(jī)異養(yǎng)型化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型光能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型光能有機(jī)異養(yǎng)型按主要碳源分按主要碳源分有機(jī)物有機(jī)物CO2CO2第31頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/532

所謂自養(yǎng)與異養(yǎng)，是從生物細(xì)胞中的碳架物質(zhì)的來(lái)源而定義的。

細(xì)胞的碳架物質(zhì)由細(xì)胞自己從CO2還原而生成的微生物，被稱自養(yǎng)型微生物。CO2經(jīng)代謝進(jìn)入有機(jī)體的碳架的過(guò)程被稱為二氧化碳的固定。第32頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/533細(xì)胞的碳架物質(zhì)由其他有機(jī)體供給的微生物，被稱為異養(yǎng)型微生物。外源的（泛指其他有機(jī)體供給的、未經(jīng)本細(xì)胞代謝的）或內(nèi)源的（泛指已經(jīng)本細(xì)胞代謝的）碳架物質(zhì)，可被有機(jī)體氧化而產(chǎn)能，或經(jīng)必要的代謝參與有機(jī)體細(xì)胞組成。第33頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/534化能有機(jī)異養(yǎng)型微生物簡(jiǎn)稱化能異養(yǎng)型微生物（chemoorganoheterotroph，COH），目前已被廣泛地用作工業(yè)發(fā)酵的生產(chǎn)菌種，其它營(yíng)養(yǎng)類型的微生物也正在環(huán)保、食品、化工等領(lǐng)域得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用?！盎墚愷B(yǎng)型微生物作為目的產(chǎn)物的生產(chǎn)者”，這是本課程定義典型的工業(yè)發(fā)酵的第一個(gè)條件。第34頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5352.2.1.3微生物的生理狀態(tài)

與環(huán)境的關(guān)系

第35頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/536在工業(yè)發(fā)酵中，微生物的生理狀態(tài)與環(huán)境的關(guān)系具體指的是工業(yè)發(fā)酵環(huán)境（微生物培養(yǎng)器內(nèi)）中的微生物細(xì)胞的生理狀態(tài)與細(xì)胞所處的環(huán)境條件（培養(yǎng)基的化學(xué)成分、溫度、pH值等）之間的關(guān)系。第36頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/537微生物細(xì)胞與高等生物細(xì)胞所處的環(huán)境條件不同，后者處于相當(dāng)穩(wěn)定的組織環(huán)境條件下，而前者則完全暴露在環(huán)境的影響之中。因此微生物必須對(duì)環(huán)境條件在較寬范圍內(nèi)的變化具有耐受和抵抗能力，能對(duì)這些變化做出積極的響應(yīng)。第37頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/538這里之所以要討論環(huán)境因素對(duì)微生物細(xì)胞的生理學(xué)影響的問(wèn)題，目的在于強(qiáng)調(diào)微生物細(xì)胞與其所處的環(huán)境是一個(gè)不可分割的整體。把微生物作為研究工作的“載體”，來(lái)研究生物體系與它們所處的環(huán)境的關(guān)系的研究，將是十分有利的。第38頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/539微生物的生理狀態(tài)與環(huán)境的關(guān)系或許可以從以下幾個(gè)方面得到反映：

①初級(jí)響應(yīng)：微生物細(xì)胞對(duì)化學(xué)或物理化學(xué)條件變化的直接響應(yīng)，包括酶的抑制和激活、蛋白質(zhì)合成的誘導(dǎo)和阻遏、細(xì)胞形態(tài)的改變，迅速生長(zhǎng)的群體中不同基因型（genotype）細(xì)胞的比例的變化等。第39頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/540②溶解氧濃度與細(xì)胞的相互作用：

需氧微生物進(jìn)行有氧呼吸時(shí)的最終電子受體是氧，氧接受電子而被還原成水。氧經(jīng)由加氧酶（oxygenase）或二加氧酶（dioxygenase）催化，也可被固定在微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)分子中。此外，氧還可作為生長(zhǎng)或代謝的抑制劑（在一定程度上對(duì)細(xì)胞有毒性）、酶的調(diào)節(jié)劑等。第40頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/541

對(duì)生長(zhǎng)中的微生物，溶解氧的濃度會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)速率、改變細(xì)胞的組成、改變代謝產(chǎn)物（包括代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量等）。以上細(xì)胞對(duì)氧的響應(yīng)反過(guò)來(lái)又會(huì)影響細(xì)胞所處環(huán)境中的溶解氧濃度。第41頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/542

③對(duì)CO2的響應(yīng)：CO2可自由進(jìn)出細(xì)胞，影響新陳代謝?；茏责B(yǎng)型微生物以為CO2主要碳源。化能異養(yǎng)型微生物在以葡萄糖或其他糖作為唯一碳源的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)，對(duì)CO2有需求，它們必須固定CO2，也就是讓CO2進(jìn)入細(xì)胞有機(jī)物的碳架，從而回補(bǔ)TCA環(huán)的中間產(chǎn)物，維持TCA環(huán)的運(yùn)行，以支持生長(zhǎng)（后面將詳細(xì)討論）。第42頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/543CO2分壓較高時(shí)，不但會(huì)影響培養(yǎng)基的pH值，導(dǎo)致生長(zhǎng)所需礦物質(zhì)的沉淀析出；更嚴(yán)重的是會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子的無(wú)效循環(huán)，使微生物生長(zhǎng)速度下降。第43頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/544這主要是因?yàn)榧?xì)胞外pH值一般低于細(xì)胞內(nèi)，分子態(tài)的CO2大量進(jìn)入細(xì)胞，并在細(xì)胞內(nèi)與水分子作用生成大量的H+和HCO3-，為維持細(xì)胞內(nèi)中性的pH值和細(xì)胞內(nèi)外的離子平衡，必須調(diào)用原本應(yīng)該用于支持生長(zhǎng)的代謝能將H+泵出細(xì)胞，代謝能的額外開(kāi)支導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)速度的下降。第44頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/545通氧（通風(fēng)）過(guò)度會(huì)影響對(duì)細(xì)胞的CO2供應(yīng)。以葡萄糖為主要碳源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物，剛接種細(xì)胞濃度很低，這時(shí)不宜大量通氧（通風(fēng)），因?yàn)槿绻芙庋跆邥?huì)影響生長(zhǎng)。第45頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/546④對(duì)環(huán)境水活度的響應(yīng)：當(dāng)環(huán)境的水活度低于微生物細(xì)胞內(nèi)水活度時(shí)，微生物細(xì)胞要承受“水應(yīng)力”(waterstress)。真細(xì)菌和真核微生物對(duì)水應(yīng)力的響應(yīng)是一種生理性適應(yīng)，即會(huì)在細(xì)胞內(nèi)累積有機(jī)兼容溶質(zhì)(compatiblesolutes)，如多元醇、多元醇衍生物、某些糖和少數(shù)幾種氨基酸、氨基酸衍生物等。第46頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/547⑤環(huán)境的氫離子濃度與細(xì)胞的相互作用：雖然大多數(shù)微生物都能耐受外部環(huán)境pH值在一定的范圍內(nèi)的變化，但事實(shí)上微生物（包括極端嗜酸菌和極端嗜堿菌）細(xì)胞內(nèi)部pH值均接近于7。細(xì)胞內(nèi)外pH值的差值是靠消耗代謝能來(lái)維持的。

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培養(yǎng)基pH值與細(xì)胞的相互作用可從下面幾方面來(lái)認(rèn)識(shí)：首先每種微生物細(xì)胞一般都有生長(zhǎng)的最適pH值；其次微生物會(huì)對(duì)細(xì)胞外pH值變化做出細(xì)胞水平的響應(yīng)，可能影響發(fā)酵產(chǎn)物的形成和細(xì)胞的膜輸送功能等；最后是細(xì)胞反作用于環(huán)境，引起培養(yǎng)液（發(fā)酵液）pH值的改變。這可以是因?yàn)楫a(chǎn)物的形成、營(yíng)養(yǎng)物的吸收、氧化還原反應(yīng)或培養(yǎng)液（pH）緩沖能力的改變。

第48頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/549當(dāng)然也可以通過(guò)配入pH緩沖劑、添加酸或堿，或用設(shè)計(jì)合適的培養(yǎng)基或培養(yǎng)工藝來(lái)平衡代謝中產(chǎn)生的氫離子等方法，來(lái)調(diào)節(jié)培養(yǎng)液（發(fā)酵液）的pH值。

第49頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/550⑥環(huán)境溫度與細(xì)胞的相互作用：與pH值、水活度的情況不同，微生物與它所處環(huán)境的溫度是一致的，而且就任何化學(xué)反應(yīng)而論，微生物的生命活動(dòng)對(duì)環(huán)境溫度都是敏感的。細(xì)胞對(duì)溫度的響應(yīng)包括：在生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)，不同溫度下有不同的生長(zhǎng)速率；在不同溫度下，膜、DNA、RNA、蛋白質(zhì)等細(xì)胞成分會(huì)有相應(yīng)變化。第50頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/551當(dāng)溫度發(fā)生變動(dòng)時(shí)，細(xì)胞內(nèi)部會(huì)發(fā)生全局性（細(xì)胞水平）的調(diào)整，從而在基質(zhì)利用、產(chǎn)物形成、熱量放出等方面對(duì)環(huán)境溫度變動(dòng)做出響應(yīng)。當(dāng)微生物代謝旺盛、迅速生長(zhǎng)時(shí)，其他形式的能量大量地轉(zhuǎn)化成代謝能，同時(shí)放出大量熱能，使環(huán)境溫度迅速上升。第51頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/552此外，培養(yǎng)物中解偶聯(lián)劑的加入，將破壞膜對(duì)氫離子的絕緣性，使氧化與磷酸化脫鉤，氧化作用（電子傳遞）釋放出來(lái)的能量全部以熱量的形式釋放；在大量供氧的情況下，培養(yǎng)物的溫度急劇上升。

第52頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5532.2.2化學(xué)物質(zhì)的跨膜過(guò)程

第53頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/554

2.2.2.1化學(xué)物質(zhì)跨過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜的機(jī)制2.2.2.2真核微生物細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的跨膜傳遞

2.2.2.3代謝中間產(chǎn)物排出細(xì)胞的機(jī)制2.2.2.4跨膜過(guò)程中代謝能的消耗第54頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/555所有的活細(xì)胞都要與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換。在工業(yè)發(fā)酵中微生物細(xì)胞要將進(jìn)入細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物，一般還要將代謝產(chǎn)物排放出細(xì)胞。諸如：以代謝產(chǎn)物（包括能量代謝副產(chǎn)物、初級(jí)代謝產(chǎn)物和次生代謝產(chǎn)物）為目的產(chǎn)物的生產(chǎn)；以細(xì)胞大分子（包括酶制劑、微生物多糖）為目的產(chǎn)物的生產(chǎn)；以細(xì)胞為目的產(chǎn)物（包括單細(xì)胞蛋白和胞內(nèi)酶等細(xì)胞提取物）的生產(chǎn)。

第55頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/556工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)大多均兼有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入和發(fā)酵目的產(chǎn)物排放出細(xì)胞的過(guò)程。即使在以細(xì)胞為目的產(chǎn)物的情況下，也有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入和代謝中間產(chǎn)物（代謝“廢物”）排放出細(xì)胞。

“目的產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)生成，然后排放出細(xì)胞”，這是本課程定義典型的工業(yè)發(fā)酵的第二個(gè)條件。第56頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/557雖然細(xì)胞壁對(duì)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞有一定妨礙，例如G+細(xì)菌細(xì)胞壁不允許相對(duì)分子質(zhì)量為10000Da的葡聚糖通過(guò)，真菌細(xì)胞壁也只允許分子質(zhì)量相對(duì)較小的物質(zhì)通過(guò)，然而水相中的可溶性化合物進(jìn)出細(xì)胞的主要屏障(barrier)是細(xì)胞膜。位于生物膜上的輸送系統(tǒng)可識(shí)別底物，只允許被認(rèn)可的化合物物進(jìn)入，并可控制其通過(guò)的量，同時(shí)不斷排出無(wú)用或多余的化學(xué)物質(zhì)，以控制和維持細(xì)胞(或細(xì)胞器)的內(nèi)部環(huán)境。第57頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/558這一小節(jié)主要研究營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)跨過(guò)膜進(jìn)入細(xì)胞和工業(yè)發(fā)酵目的產(chǎn)物跨過(guò)膜排放出細(xì)胞的問(wèn)題。細(xì)菌、放線菌、酵母菌、霉菌沒(méi)有專門(mén)的攝食和排泄“器官”，各種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞主要依賴于細(xì)胞質(zhì)膜的功能，這就必然涉及到兩個(gè)難題：

①存在于水相中的化學(xué)物質(zhì)如何跨過(guò)疏水的膜；

②這些化學(xué)物質(zhì)如何克服濃度梯度從低濃度處向高濃度處輸送。第58頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5592.2.2.1化學(xué)物質(zhì)跨過(guò)細(xì)胞

質(zhì)膜的機(jī)制第59頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/560從電子傳遞磷酸化的抑制劑（包括作用于膜的解偶聯(lián)劑、作用于電子傳遞鏈成員的呼吸抑制劑、作用于ATP酶的磷酸化酶抑制劑等3類抑制劑）對(duì)輸送的抑制作用，從輸送過(guò)程中出現(xiàn)的飽和效應(yīng)、競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，以及從微生物的輸送性能缺失突變的發(fā)生，推測(cè)并得到證實(shí)，前述兩個(gè)難題是依靠代謝能及載體蛋白而得以解決的，從而揭示了細(xì)胞質(zhì)膜不同于一般半透膜的生物學(xué)本質(zhì)。

第60頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/561弄清化學(xué)物質(zhì)跨過(guò)膜的物質(zhì)基礎(chǔ)是：①流動(dòng)性的、可穿透的膜；②有選擇性的、可識(shí)別跨膜物質(zhì)并攜帶它們過(guò)膜的載體（包括催化共價(jià)反應(yīng)的酶）；③直接用于輸送的代謝能。

第61頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/562從而確定對(duì)化學(xué)物質(zhì)跨過(guò)膜的機(jī)制進(jìn)行分類的依據(jù)：

①根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞是否要依靠輸送系統(tǒng)而分為擴(kuò)散（不需要輸送系統(tǒng)）和輸送（依靠輸送系統(tǒng)）。這里所謂的“輸送系統(tǒng)”是一種泛稱，在不同的輸送系統(tǒng)中，參與輸送的載體蛋白、酶的種類和組合不一定相同，輸送機(jī)制也不一定相同；第62頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/563②根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞是否需要代謝能，把輸送再分為主動(dòng)輸送（需要代謝能）和被動(dòng)輸送（不需要代謝能）；

③根據(jù)主動(dòng)輸送過(guò)程中是否需要酶（形成共價(jià)鍵）把主動(dòng)輸送分成簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送和基團(tuán)轉(zhuǎn)移。第63頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/564

跨膜機(jī)制分成以下兩類四種：

第一類：細(xì)胞不提供幫助

⑴簡(jiǎn)單擴(kuò)散

第二類：細(xì)胞提供幫助

⑵促進(jìn)擴(kuò)散：提供載體蛋白

⑶簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送：提供載體蛋白

和代謝能

⑷基團(tuán)轉(zhuǎn)移：提供載體蛋白、代

謝能和酶（蛋白質(zhì)因子）第64頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/565⑴簡(jiǎn)單擴(kuò)散(simplediffusion)：

不需要細(xì)胞提供幫助的跨膜過(guò)程只能稱作為擴(kuò)散；需要細(xì)胞提供幫助的跨膜過(guò)程才堪稱細(xì)胞發(fā)動(dòng)的輸送。簡(jiǎn)單擴(kuò)散是順濃度梯度方向的擴(kuò)散，不消耗代謝能，也不需專一的載體或酶，僅僅是非專一性的膜透過(guò)現(xiàn)象，因此僅僅是擴(kuò)散。有些親脂性化合物接觸膜的一側(cè)時(shí)即溶于脂質(zhì)的膜，并經(jīng)擴(kuò)散至膜的另一側(cè)釋放，有些小分子或離子通過(guò)膜上存在的非專一性通道，從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)擴(kuò)散，都屬簡(jiǎn)單擴(kuò)散。第65頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/566化合物以自由擴(kuò)散的方式跨過(guò)脂質(zhì)膜包括3個(gè)步驟：

①化合物從胞外介質(zhì)到膜相的傳遞；

②化合物擴(kuò)散通過(guò)脂雙層；

③化合物從膜相到細(xì)胞質(zhì)的傳遞。第66頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/567物質(zhì)擴(kuò)散的難易程度，除了與組成膜的分子本身的極性有關(guān)外，與跨膜物質(zhì)的性質(zhì)（如相對(duì)分子質(zhì)量、極性、脂溶性等）有關(guān)。一些非極性小分子如氧、氮、苯等可以以簡(jiǎn)單擴(kuò)散的方式穿過(guò)膜脂雙分子層中無(wú)蛋白質(zhì)區(qū)進(jìn)出細(xì)胞。一些雖不帶電荷但顯極性的小分子如水、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，也可簡(jiǎn)單擴(kuò)散，穿過(guò)類脂極性頭部區(qū)而透過(guò)膜。

第67頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/568

在解離狀態(tài)時(shí)，有機(jī)酸在脂質(zhì)膜中實(shí)際上是不溶的；但許多有機(jī)酸的未解離形式卻是可溶解的，如未解離的乳酸和乙酸，它們穿越質(zhì)膜擴(kuò)散得很迅速，主要是因?yàn)槲唇怆x形式可以自由擴(kuò)散。乳酸和乙酸這樣的化合物的整個(gè)輸送過(guò)程，對(duì)其自身的解離程度都非常敏感，因而對(duì)細(xì)胞質(zhì)和胞外介質(zhì)兩者的pH值也很敏感。第68頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/569對(duì)于許多微生物來(lái)說(shuō)，細(xì)胞質(zhì)膜有一個(gè)跨膜的pH梯度（細(xì)胞內(nèi)的pH值高），這可能導(dǎo)致質(zhì)子向細(xì)胞的凈流入。為了維持胞內(nèi)較低的質(zhì)子濃度，必須消耗ATP，由ATP酶（已在真核微生物細(xì)胞膜發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜ATP酶）將這些質(zhì)子泵出細(xì)胞外。同樣道理，培養(yǎng)基中有機(jī)酸的存在可能會(huì)導(dǎo)致ATP的凈消耗。第69頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/570

在研究苯甲酸對(duì)釀酒酵母呼吸的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，菌體量對(duì)葡萄糖的得率隨苯甲酸濃度的增加而下降，同時(shí)葡萄糖和氧氣的比吸收速率增加。因此對(duì)菌體合成來(lái)說(shuō)，在加入苯甲酸的情況下，葡萄糖并沒(méi)有得到有效的利用。第70頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/571這種現(xiàn)象被解釋為：苯甲酸的質(zhì)子解耦聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致ATP的額外消耗。對(duì)厭氧條件下苯甲酸對(duì)釀酒酵母菌體合成的ATP消耗的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)菌體合成時(shí)消耗的ATP的量隨著苯甲酸濃度的增加而呈線性增加。這是苯甲酸的質(zhì)子解耦聯(lián)效應(yīng)的又一實(shí)驗(yàn)根據(jù)。第71頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/572⑵促進(jìn)擴(kuò)散（facilitateddiffusion）：

需要細(xì)胞提供輸送系統(tǒng)，不消耗代謝能。許多化合物以極低的速率通過(guò)自由擴(kuò)散而跨膜，因?yàn)樗鼈冊(cè)谫|(zhì)膜中的溶解度很低。這類化合物借助于細(xì)胞質(zhì)膜中的載體蛋白，其跨膜過(guò)程可顯著增強(qiáng)。這種跨膜過(guò)程不需要消耗代謝能，但要求細(xì)胞提供載體蛋白來(lái)促進(jìn)跨膜過(guò)程，因此被稱為促進(jìn)擴(kuò)散。第72頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/573促進(jìn)擴(kuò)散普遍存在于真核生物，在原核生物中僅有的幾例。如甘油在大腸桿菌中的運(yùn)輸，以及葡萄糖在運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌（Zymomonasmobilis）中的輸送。與自由擴(kuò)散一樣，促進(jìn)擴(kuò)散只能順著濃度梯度而下的方向進(jìn)行。有游離的載體蛋白可供使用時(shí)，某些化合物才能進(jìn)入膜相，并且促進(jìn)擴(kuò)散的速率服從飽和型動(dòng)力學(xué)，就如酶催化反應(yīng)服從米氏動(dòng)力學(xué)一樣。

第73頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/574在真菌中，許多糖類物質(zhì)通過(guò)促進(jìn)擴(kuò)散跨膜。據(jù)報(bào)道，在釀酒酵母中，葡萄糖通過(guò)促進(jìn)擴(kuò)散跨膜輸送，而且存在著一個(gè)受葡萄糖阻遏的高親和體系和一個(gè)組成型的低親和體系。對(duì)于絲狀真菌，也已經(jīng)報(bào)道了用于糖的促進(jìn)擴(kuò)散的不同的載體蛋白。第74頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/575

載體主要是一些跨膜蛋白，又稱透性酶。它們各自具有專一的結(jié)合部位，現(xiàn)已從不同類型的細(xì)菌中提取出這類蛋白質(zhì)。一種細(xì)菌通常有不同的載體蛋白分別來(lái)完成氨基酸、糖、維生素和無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)的輸送，同一化合物也可能有一種以上的載體來(lái)完成輸送。第75頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/576例如，啤酒酵母有3種對(duì)葡萄糖具有不同親合力的葡萄糖輸送載體；鼠傷寒沙門(mén)氏菌有4種不同的載體負(fù)責(zé)組氨酸的輸送。相反，也有一種載體負(fù)責(zé)幾種物質(zhì)輸送的，如大腸桿菌用同一種載體蛋白輸送亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸。第76頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/577以往對(duì)離子載體的研究提供了關(guān)于離子通過(guò)膜的載體傳遞的分子基礎(chǔ)。現(xiàn)已知，天然離子載體都是抗生素，它們可以誘導(dǎo)離子通過(guò)模型膜，可以提高生物膜對(duì)離子的輸送能力。按作用方式不同，可把它們分成活動(dòng)載體與通道載體兩類，前者與被輸送離子形成絡(luò)合物（類似于渡船），使其易于擴(kuò)散通過(guò)脂雙分子層，后者在膜上誘導(dǎo)形成暫時(shí)性孔道（類似于架橋），使離子得以通過(guò)。第77頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/578活動(dòng)載體有環(huán)狀和鏈狀的，它們都能與金屬離子配位，然后把后者包在一個(gè)空腔中，形成外部親脂的絡(luò)合物。例如纈氨霉素（Valinomycin）就是由“-[D-纈氨酸-L-乳酐-L-纈氨酸-D-α-羥基異戊酰]3-”構(gòu)成的環(huán)狀12酯肽，酯鍵與酰胺鍵交替出現(xiàn)，環(huán)內(nèi)部由構(gòu)成酯鍵的羰基氧原子提供具有靜電束縛陽(yáng)離子位置的極性環(huán)境，呈親水性，而側(cè)鏈烷基向外，構(gòu)成疏水的外環(huán)。它能將堿金屬、堿土金屬等配位，并將其輸送過(guò)膜。載體可在輸送過(guò)程中反復(fù)使用。

第78頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/579通道載體與活動(dòng)載體不同，它不能穿膜移動(dòng)，而是相對(duì)地固定在膜上，形成貫穿膜兩側(cè)的離子通道。目前已知能形成通道的載體有兩類，一類是兩性霉素（Amphotericin）型大環(huán)多羥基多烯內(nèi)酯化合物，它們可通過(guò)與膜磷脂分子中的固醇的結(jié)合而形成穿膜的孔，孔可被水充填。第79頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/580

另一類是低分子量的肽，如短桿菌肽A（GramicidinA），是由15個(gè)氨基酸組成的多肽。短桿菌肽形成穩(wěn)定的螺旋狀二聚體，其疏水氨基酸殘基朝外側(cè)，親水的羰基分布在內(nèi)側(cè)，螺旋內(nèi)孔構(gòu)成離子通道，離子可在其中移動(dòng)而跨過(guò)膜。第80頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/581借助于活動(dòng)載體的促進(jìn)擴(kuò)散，是把被輸送離子變成外部親脂的載體復(fù)合物，膜的性質(zhì)沒(méi)有改變，靠載體復(fù)合物在膜內(nèi)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸送。通道輸送則相反，是建立了膜上的親水性通道，離子沒(méi)有發(fā)生變化，以原有形式通過(guò)。由于活動(dòng)載體復(fù)合物體積遠(yuǎn)比離子要大，所以它所促進(jìn)的離子跨膜輸送比通道輸送要慢。所有促進(jìn)擴(kuò)散都是通過(guò)降低位壘而實(shí)現(xiàn)加速輸送的。在主動(dòng)輸送中也確有載體和通道促進(jìn)離子的輸送，但同時(shí)需要提供代謝能。第81頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/582⑶簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送(simpleactivetransport)：

需細(xì)胞提供載體和代謝能的跨膜過(guò)程，因此屬于“輸送”。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或代謝物經(jīng)這種類型的輸送，其跨膜前后的化學(xué)狀態(tài)并不發(fā)生變化，從濃度較低的一側(cè)送入其濃較高的另一側(cè)，這種逆濃度梯度的輸送，除了要借助于載體蛋白，還要消耗細(xì)胞的代謝能Δp。因此有化學(xué)滲透驅(qū)動(dòng)的輸送之說(shuō)。第82頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/583簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送可用其工作模型來(lái)描繪。工作模型由初級(jí)系統(tǒng)與次級(jí)系統(tǒng)組成。

對(duì)于化能營(yíng)養(yǎng)型微生物，初級(jí)系統(tǒng)是指把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電滲透能的機(jī)構(gòu)。Mitchell的化學(xué)滲透假設(shè)是這種初級(jí)系統(tǒng)的最好解釋。第83頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/584電子傳遞鏈的成員按其對(duì)應(yīng)的氧化還原對(duì)的還原電位的高低順序（從低到高）排列在膜上，氧化或脫氫反應(yīng)所形成的還原型輔酶NADH和輔基FADH2在電子傳遞鏈的適當(dāng)部位向電子傳遞鏈釋放電子，電子沿電子傳遞鏈傳到最終電子受體（如分子氧），在此過(guò)程中將質(zhì)子泵出細(xì)胞質(zhì)膜，在膜兩邊形成質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)(protonmotiveforce)，它能用來(lái)驅(qū)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收或ATP的合成。

第84頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/585質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)（也可記作ΔP）由兩個(gè)量組成：濃度因子ΔpH，即膜兩邊的pH值（即氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值）之差，和電荷量因子ΔΨ，即膜電位差。下列方程對(duì)質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)做出了熱動(dòng)力學(xué)的描述：

Δp=ΔΨ-ZΔpH

式中Δp和ΔΨ均以mV為單位，在25℃條件下，Z為常數(shù)（Z=59），用以把pH值轉(zhuǎn)換成mV值。第85頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/586

次級(jí)系統(tǒng)實(shí)際上是在初級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)生的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)勢(shì)(Δp)的驅(qū)動(dòng)下，直接進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送的機(jī)構(gòu)（輸送系統(tǒng)）。第86頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/587已區(qū)分出3種次級(jí)系統(tǒng)：

①化學(xué)物質(zhì)分子或離子與初級(jí)系統(tǒng)的離子（指H+）被同一個(gè)載體以同樣的方向同時(shí)被輸送叫做同向輸送（symport），能起這樣的作用的載體叫做同向載體（symporter）；第87頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/588

②化學(xué)物質(zhì)分子或離子與初級(jí)系統(tǒng)的離子（指H+或其他陽(yáng)離子）被同一個(gè)載體以相反方向同時(shí)被輸送叫做反向輸送(antiport)，能起這樣作用的載體叫反向載體（antiporter）；

③化學(xué)物質(zhì)離子或分子借助載體，在消耗或不消耗Δp的情況下單獨(dú)進(jìn)入細(xì)胞叫做單向輸送(uniport)，能起這樣的作用的載體叫單向載體（uniporter）。第88頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/589金黃色葡萄球菌對(duì)Lys、Ile和Glu等氨基酸的主動(dòng)輸送內(nèi)外內(nèi)內(nèi)外外Lys+Lys＋H+H+H+H+IleIleGlu－-Glu－pI=9.24單一輸送受膜電位Δψ驅(qū)動(dòng)pI=6.02同向輸送受能庫(kù)Δp驅(qū)動(dòng)pI=3.22同向輸送受膜兩側(cè)的－ZΔpH的驅(qū)動(dòng)＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－Δp=Δψ－ZΔpH第89頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/590以金黃色葡萄球菌的靜止細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行了研究。如圖所示，在實(shí)驗(yàn)條件（pH7）下，Lys帶正電（Lys的等電點(diǎn)是pH9.74），Lys+按單向輸送機(jī)制被送入細(xì)胞，這種吸收是靠Δp中的電荷因子ΔΨ（即膜電位）部分來(lái)驅(qū)動(dòng)的。Lys+和載體所形成的復(fù)合物帶正電，它在膜電位所構(gòu)成的靜電場(chǎng)中由外向里運(yùn)動(dòng)（外面帶正電施推力，里面帶負(fù)電施拉力），同時(shí)消耗膜電位。

第90頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/591在實(shí)驗(yàn)條件（pH7）下，Ile不帶電（Ile的等電點(diǎn)為pH6.02），Ile分子按同向輸送機(jī)制與H+一起被送入細(xì)胞，Ile、H+和載體形成的復(fù)合物帶正電，輸送同時(shí)受Δp的兩個(gè)部分的推動(dòng)，即受ΔΨ（膜兩側(cè)之電位差）和膜內(nèi)外pH值之差（即H+濃度差）的推動(dòng)。Ile就像是搭了為H+開(kāi)的船而過(guò)膜的。第91頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/592在實(shí)驗(yàn)條件（pH7）下，Glu帶負(fù)電（Glu的等電點(diǎn)為pH3.22），Glu-離子按同向輸送機(jī)制與H+離子一起被送入細(xì)胞。Glu-、H+和載體形成的復(fù)合物是電中性的，因此ΔΨ對(duì)此復(fù)合物不能施加影響，輸送僅僅依賴于ΔpH，即依賴于細(xì)胞內(nèi)外的H+濃度之差。第92頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/593與質(zhì)子共同輸送相耦合的簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送機(jī)制已為許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。初級(jí)系統(tǒng)的質(zhì)子梯度也可以借助載體而轉(zhuǎn)換成其他離子的梯度，如可以借助能進(jìn)行Na+/H+反向輸送的載體將質(zhì)子梯度轉(zhuǎn)換成Na+梯度，后者可用于另一種簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送。因此簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送又可以進(jìn)一步分為：①與質(zhì)子共同輸送相耦合的簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送，②與其他離子（無(wú)機(jī)離子）共同輸送相耦合的簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送。第93頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/594

與其他離子共同輸送相偶合的簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送機(jī)制在微生物中也已有發(fā)現(xiàn)。用于輸送的其他離子的梯度（iongradient）是由質(zhì)子梯度（protongradient）經(jīng)前述反向傳送機(jī)制轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的。如果將質(zhì)子梯度視為“初級(jí)”或“一級(jí)”梯度，那么其他離子的梯度就稱“次級(jí)”或“二級(jí)”梯度，這種類型的簡(jiǎn)單主動(dòng)輸送在這個(gè)意義上又可稱為次級(jí)輸送或二級(jí)輸送。在大腸桿菌中，Glu的輸送需要Na+和K+?？莶菅挎邨U菌的檸檬酸的輸送則需要Mg2+。第94頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/595主動(dòng)輸送與促進(jìn)擴(kuò)散相比較，相類似的是，主動(dòng)輸送也是借助于膜內(nèi)專用的載體蛋白（透性酶）；不同的是，主動(dòng)輸送可以逆著濃度梯度的方向進(jìn)行，是一個(gè)消耗代謝能的過(guò)程。第95頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/596

被動(dòng)輸送與主動(dòng)輸送的根本區(qū)別在于輸送過(guò)程自由能變化ΔG。只有當(dāng)ΔG＜０時(shí)，才能自發(fā)地進(jìn)行被動(dòng)輸送。當(dāng)ΔG＞０時(shí)，需要注入代謝能以推動(dòng)輸送，即進(jìn)行主動(dòng)輸送。微生物細(xì)胞的主動(dòng)輸送是逆著被輸送化合物的濃度梯度進(jìn)行的，這樣，細(xì)胞能吸收并濃縮以極稀的濃度存在于環(huán)境中的某些養(yǎng)分。這個(gè)過(guò)程與微生物細(xì)胞的能量代謝緊密相關(guān)。第96頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/597初級(jí)主動(dòng)輸送系統(tǒng)中的一個(gè)重要的成員是ATP酶，它們涉及到需要消耗ATP的質(zhì)子被泵出過(guò)程。某些ATP酶可在兩個(gè)方向上起作用，當(dāng)有質(zhì)子流入時(shí)就會(huì)生成ATP，這些ATP酶是原核生物的氧化磷酸化的重要組成部分。第97頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/598其他初級(jí)主動(dòng)輸送系統(tǒng)還有借助于“交通-ATP酶”的輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括專用的結(jié)合蛋白，它們與被傳送的化合物結(jié)合并將其傳遞到相應(yīng)的結(jié)合在膜上的復(fù)合物。這種傳遞觸發(fā)ATP水解，進(jìn)而使小孔打開(kāi)，允許被傳送的化合物單向擴(kuò)散入細(xì)胞質(zhì)。在大腸桿菌中，通過(guò)這些所謂“交通-ATP酶”所輸送的物質(zhì)有組氨酸、麥芽糖、阿拉伯糖和半乳糖。第98頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/599⑷

基團(tuán)轉(zhuǎn)移(grouptranslocation)：

需提供載體、代謝能和酶，屬于“輸送”機(jī)制。

在基團(tuán)轉(zhuǎn)移中，輸送過(guò)程都伴隨著被輸送物質(zhì)進(jìn)一步的共價(jià)轉(zhuǎn)變，所輸送的化合物被轉(zhuǎn)化成為一個(gè)衍生物（被磷酸化的衍生物），這個(gè)衍生物是不能反向跨膜的。第99頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5100基團(tuán)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)典型的實(shí)例是磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（PTS）。借助于這個(gè)系統(tǒng)，某些糖以糖的磷酸酯的形式被送進(jìn)細(xì)菌細(xì)胞。PTS主要存在于兼性和專性厭氧細(xì)菌中。對(duì)厭氧菌來(lái)說(shuō)PTS尤為重要，因?yàn)橛盟梢怨?jié)省ATP。

第100頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5101第101頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5102PTS相當(dāng)復(fù)雜，至少涉及4種不同蛋白，這些蛋白質(zhì)作為高能磷酸基團(tuán)的磷酸載體，先后參與把磷酸烯醇丙酮酸（PEP）上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給正在被引入的糖的過(guò)程。這些蛋白中有兩種是可溶的細(xì)胞質(zhì)蛋白，大腸桿菌中它們是分別由ptsI和ptsH所編碼的酶Ⅰ（EⅠ）和組氨酸蛋白（HPr）。這兩種蛋白對(duì)所有的PTS糖類來(lái)說(shuō)是通用的（沒(méi)有特異性），因此被稱為通用的PTS蛋白。第102頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5103而對(duì)糖是具有特異性的酶Ⅱ（EⅡ

），它們都由3個(gè)功能區(qū)（A、B和C）組成。這3個(gè)功能區(qū)可以結(jié)合成1個(gè)單一的與膜結(jié)合的蛋白（如圖示甘露糖醇的PTS），也可以分成2個(gè)或更多個(gè)蛋白，分別叫做EⅡA、EⅡB、EⅡC。在PTS系統(tǒng)中PEP的磷酸基團(tuán)通過(guò)EⅠ、HPr、EⅡA和EⅡB的磷酸化中間物傳遞給正在被引入的糖。EⅡ的C功能區(qū)（也就是EⅡC蛋白）形成轉(zhuǎn)移的通道，并且至少其一部分成為特定的糖結(jié)合位點(diǎn)。

第103頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5104同樣已證明嘌呤堿基也是依靠基團(tuán)轉(zhuǎn)位輸送的，由磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(PTS)催化，在細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)相應(yīng)的嘌呤核苷單磷酸酯。

Ade+PRPP→AMP+PPi第104頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/51052.2.2.2真核微生物細(xì)胞內(nèi)化學(xué)

物質(zhì)的跨膜輸送

第105頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5106真核微生物內(nèi)有多種被生物膜包圍的細(xì)胞器，因此器細(xì)胞內(nèi)部也會(huì)發(fā)生跨膜輸送。

因?yàn)镋MP和HMP途徑發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)，而丙酮酸的氧化（TCA環(huán)）發(fā)生在線粒體基質(zhì)，所以代謝中間產(chǎn)物在細(xì)胞質(zhì)和線粒體基質(zhì)之間的傳遞對(duì)微生物的代謝來(lái)說(shuō)是非常重要的。第106頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5107不帶電的分子，包括極性和非極性的小分子常常容易透過(guò)線粒體內(nèi)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載體系統(tǒng)就能自由地透過(guò)線粒體內(nèi)膜；而帶電的分子和離子則需要借助載體才能跨過(guò)線粒體內(nèi)膜，并且已檢出磷酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽、ADP、ATP、丙酮酸（PYR）、TCA環(huán)的有機(jī)酸、Glu、Asp、Orn（鳥(niǎo)氨酸）、Cit（瓜氨酸）、酰基肉堿(acy1carnitines)和PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）等化合物的輸送系統(tǒng)。第107頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5108NAD(P)+、NAD(P)H、CoA和?；鵆oA不能跨過(guò)線粒體內(nèi)膜。有些離子和代謝產(chǎn)物不易（有的需借助于載體）跨過(guò)線粒體內(nèi)膜，包括AMP、GMP、GDP、GTP、C1－、NO3－、Br－和NH4+等。第108頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5109

與電子傳遞相偶聯(lián)的磷酸化作用要求將ADP和Pi（一般是H2PO4－

）送入線粒體，在線粒體內(nèi)膜基質(zhì)一側(cè)形成ATP。在線粒體形成的ATP的一部分又要被送出線粒體參與細(xì)胞質(zhì)中的生物合成反應(yīng)。第109頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5110已經(jīng)得知磷酸根（H2PO4-）輸送的兩種機(jī)制，即“OH-/H2PO4-”交換和“H2PO4-/DCA2-”交換的機(jī)制。前者代表電中性的反向輸送(antiport)，即用于H2PO4-和OH-交換的載體系統(tǒng)；后者代表H2PO4-與二羧酸進(jìn)行交換的載體系統(tǒng)，這個(gè)載體系統(tǒng)用于H2PO4-與二羧酸，如SCA（琥珀酸）或MLA（蘋(píng)果酸）的交換，然后，二羧酸又與三羧酸交換，從而使MLA與檸檬酸（CTA）的跨膜輸送發(fā)生關(guān)聯(lián)。第110頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5111膜外側(cè)膜膜內(nèi)側(cè)膜外側(cè)膜膜內(nèi)側(cè)

二羧酸2-二羧酸2-三羧酸·

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

2H2PO4-第111頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5112

線粒體內(nèi)膜對(duì)于AcCoA（乙酰輔酶A）是不透的，但可以通過(guò)下述途徑將AcCoA“送出”線粒體：在線粒體基質(zhì)中，AcCoA與OAA（草酰乙酸）在檸檬酸合成酶的催化下合成CTA，后者借助載體系統(tǒng)透過(guò)線粒體內(nèi)膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，然后被細(xì)胞質(zhì)中的檸檬酸裂解酶（以細(xì)胞質(zhì)中的CoA為輔酶）裂解成OAA和AcCoA，從而完成AcCoA的“送出”過(guò)程，實(shí)際上是乙?；乃统鲞^(guò)程。第112頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5113AcCoAAcCoACTACTA(CS)(CL)CoAOAAOAA內(nèi)外CoA線粒體內(nèi)膜乙?；鶑木€粒體送出的過(guò)程第113頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5114

真核微生物在線粒體基質(zhì)中形成乙?；?，在細(xì)胞質(zhì)中合成脂肪酸、磷脂等參與膜的組成。這種將乙?；乃统龅臋C(jī)制在某些微生物（如油脂酵母）中是很重要的，這些微生物能大量合成脂肪，因此需要將乙酰基團(tuán)從線?；|(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。第114頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5115嘌呤核苷酸的傳送依賴于對(duì)ADP和ATP有特異性的載體蛋白（見(jiàn)前圖），借助這種載體蛋白，ADP和ATP作1∶1的跨膜交換。當(dāng)這兩個(gè)核苷酸帶不同的電荷量(ADP3-，ATP4-)時(shí)，它們能借助載體蛋白在膜電位的推動(dòng)下進(jìn)行致電反向輸送(electrogenicantiport)。這種反向輸送與非能化（deenergized）狀態(tài)下的輸送相比，有較大的交換速率。第115頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5116影響腺嘌呤核苷酸傳送的因素：

①細(xì)胞質(zhì)中的生物合成反應(yīng)對(duì)腺嘌呤核苷酸的需要，要求〔ATP〕/〔ADP〕比率高；

②線粒體基質(zhì)中的氧化磷酸化的需要，要求〔ATP〕/〔ADP〕比率低。第116頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5117煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）不能穿過(guò)線粒體內(nèi)膜。線粒體內(nèi)生成的NADH固然可以在線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)再生，那么在有氧狀態(tài)下，細(xì)胞質(zhì)中的酵解所產(chǎn)生的NADH怎么再生（怎樣把電子交給電子傳遞鏈）呢？第117頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5118來(lái)自細(xì)胞質(zhì)中的NADH的電子交給電子傳遞鏈的機(jī)制是借助所謂的穿梭往返系統(tǒng)。真核微生物細(xì)胞可以借助于代謝物的穿梭往返（shuttle），間接地將還原當(dāng)量送入線粒體。穿梭往返有跨線粒體外膜的和跨線粒體內(nèi)膜的。分述如下：第118頁(yè)/共132頁(yè)2023/4/5119

借助于跨線粒體內(nèi)膜的“蘋(píng)果酸／天冬氨酸”穿梭往返，間接地將還原當(dāng)量送入線粒體。這種“穿梭往返”的效果相當(dāng)于NADH跨過(guò)線粒體內(nèi)膜，最終把電子在線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)交給電子傳遞鏈。此過(guò)程靠NADH在細(xì)胞質(zhì)與線粒體中濃度之差來(lái)驅(qū)動(dòng)，不消耗ATP。第119頁(yè)/共