第六节代谢能对微生物生长和维持的支撑

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1、第六节 代谢能对微生物生 长和维持的支撑 Date1张星元：发酵原理 涉及微生物细胞的生长和繁殖的 每一个“动作”，包括细胞内有机化合 物降解的启动、生物合成的启动和继 续、主动输送、细胞内 pH 自动动态 平衡等都需要代谢能的支撑，同样维 持细胞的生命也需要代谢能的支撑。 Date2张星元：发酵原理 没有生命活动就没有代谢 能。没有代谢能就没有生命， 没有代谢能就没有微生物的生 命活动，就没有工业发酵。 Date3张星元：发酵原理 2.6.1 微生物细胞的生长能学 2.6.2 用于维持的ATP消耗 2.6.3 微生物能量的储存 Date4张星元：发酵原理 2.6.1 微生物细胞的生长能学 生

2、长能学（growth energetics ）描述了通常以ATP的形式出现的 代谢能的产生与消耗的关系，因此 涉及到主动输送（包括输入和输出 ）、供能反应（fueling reactions） 、生物合成反应、大分子合成反应 和细胞组装反应。 Date5张星元：发酵原理 2.6.1.1 前体代谢物的代谢成本 2.6.1.2 分子模块等的代谢成本 2.6.1.3 生物大分子的代谢成本 2.6.1.4 整个细胞的代谢成本 Date6张星元：发酵原理 2.6.1.1前体代谢物的代谢成本 依据运输、生物合成和聚合的代 谢成本的估计值，有可能计算出细胞 合成所需的ATP总量和 NADPH 的总 量。这种

3、计算是以碳源（通常是葡萄 糖）为基础的，首先计算12种前体代 谢物（将在第三章讲述）。这12种前 体代谢物是微生物通过能量供应反应 从碳源生成的。 Date7张星元：发酵原理 2.6.1.2 模块分子等的代谢成本 研究细胞经济运行，当然要研 究代谢的成本，包括多肽和蛋白质 的结构单元氨基酸生物合成的代谢 成本，核酸的结构单元核苷酸生物 合成的代谢成本，以及脂类和糖类 结构单元的生物合成的代谢成本 。 这些分子模块都是从前体代谢物出 发合成的。 Date8张星元：发酵原理 2.6.1.3 生物大分子的代谢成本 在细胞的经济运行中，既要讨论 全局的通用代谢物的作用，也要讨论 细胞物质合成的成本。这

4、里将讨论合 成生物大分子的代谢成本。 Date9张星元：发酵原理 组成细胞的生物大分子可分成以 下几类： RNA；DNA；蛋白 质；碳水化合物（糖类）；氨基 碳水化合物（氨基糖类）；脂类。 生物大分子的组成随生物种类的不同 而不同，对于一个给定的生物物种， 其大分子组成随比生长速率和环境条 件的改变而改变。 Date10张星元：发酵原理 蛋白质合成的成本 在延伸的肽链上添加 1个 氨基酸 需要利用 4 个高能磷酸键，相当于 4 个ATP。此外，在从mRNA合成与校 对等过程中还需要一些自由能，总计 每结合 1个氨基酸约需0.3个ATP。因 此在多肽生成过程中，在延伸的肽链 上每添加 1 个氨基

5、酸一共要消耗 4.3 个ATP。 Date11张星元：发酵原理 核糖核酸（RNA）合成的成本 收编1个核苷酸（以单磷酸核苷酸 计）的代谢能成本为2.4个ATP。 脱氧核糖核酸（DNA）合成的成本 结合1个脱氧核糖核苷酸（以单磷 酸核苷酸计）的总能耗为3.4个ATP。 磷脂等的生物合成成本（略） Date12张星元：发酵原理 2.6.1.4 整个细胞的代谢成本 如果用于形成前体代谢物、模块 分子和生物大分子的代谢成本已知， 那么就可以计算出合成整个细胞所需 的ATP。 Date13张星元：发酵原理 2.6.2 用于维持的ATP消耗 Date14张星元：发酵原理 许多细胞反应需要消耗ATP，但 这

6、些反应对菌体的净合成并没有贡献 ，通常把这些反应称为维持反应或维 持过程。其中有一些维持反应与生长 有关，例如用于维持细胞质膜的跨膜 的电化学梯度的反应，而其他维持反 应（如生物大分子的周转和更新）与 细胞的比生长速率是无关的。 Date15张星元：发酵原理 2.6.2.1 浓度梯度和电位梯度的 维持 2.6.2.2 无效循环 2.6.2.3 大分子的周转和更新 Date16张星元：发酵原理 2.6.2.1浓度梯度和电位梯度的维持 为确保适当的功能，细胞要维持 各种跨膜的浓度梯度和电化学梯度， 包括跨质膜的浓度梯度和电化学梯度 ，跨真核细胞线粒体膜的浓度梯度和 电化学梯度。这些过程需要代谢能，

7、 但不会导致新菌体量的合成，因此是 维持过程的典型例子。 Date17张星元：发酵原理 这些过程中有一部分是与生长 相关的，例如细胞膨胀变大时，增 大的面积（或体积）上的电位梯度 要得到维持；但也有一部分是与生 长无关的，即当细胞不生长时梯度 也需要维持。 维持梯度的 ATP 消 耗估计可达生成ATP总量的的50% 。 Date18张星元：发酵原理 2.6.2.2 无效循环 细胞内有些反应序列，其净结果 是ATP 的水解。例如6-磷酸果糖在磷 酸果糖激酶的作用下生成 1,6 -二磷酸 果糖，1,6 - 二磷酸果糖在二磷酸果糖 磷酸酯酶的作用下，又被降解成 6-磷 酸果糖。这两步反应导致ATP的

8、净消 耗。 Date19张星元：发酵原理 这类循环最初被当作是代谢控制 的一个缺陷（因此被称为无效循环） ，但目前这种循环被认为是一种重要 的代谢控制机制。当两种酶都存在时 ，这种循环能使细胞迅速地进行自我 调整以适应新环境条件。 Date20张星元：发酵原理 2.6.2.3大分子的周转和更新 细胞需要不断降解和合成许多 分子，以维持其对代谢功能的控制 能力。因此mRNA的半衰期只有的 几分钟。大分子的这种连续的降解 和再聚合，导致了ATP的净消耗， 而没有新生物量的产生，因此，也 被认为是一种维持过程。 Date21张星元：发酵原理 2.6.3 微生物能量的贮存 Date22张星元：发酵原理

9、 当有多余营养物质存在时，微生物常 常改变它们的某些代谢方向，合成一些化 合物，作为能量贮存。当氮源或其他必需 离子限量而碳和能量物质仍然可以被利用 时，也生成大量的贮备化合物。饥饿时可 以降解这些化合物，以释放能量，维持生 存。一般情况下，不到细胞内氨基酸和核 苷酸库不能再维持下去的时候，这些贮藏 物是不动用的。这些化合物大致可以分成 以下几类。 Date23张星元：发酵原理 2.6.3.1 碳水化合物的贮藏 2.6.3.2 脂类的贮藏 2.6.3.3 多聚偏磷酸 Date24张星元：发酵原理 2.6.3.1 碳水化合物的贮藏 在真菌及细菌中，包括某些蓝细菌中 ，发现的贮存化合物是海藻糖（t

10、rehalose ），一种非还原性的双糖。 在酵母及黏菌（ slime moulds ）中碳 水化合物则以糖原的方式存在。糖原在营 养生长阶段堆积起来，到生长发育阶段， 导致孢子形成时，这些储备物就用来提供 能量。 Date25张星元：发酵原理 在许多微生物中发现糖原存在，特在许多微生物中发现糖原存在，特 别是在能量丰富营养不平衡的时候，就别是在能量丰富营养不平衡的时候，就 有相当大量的糖原堆积。糖原合成的机有相当大量的糖原堆积。糖原合成的机 制在原核生物和真核生物中是不同的。制在原核生物和真核生物中是不同的。 在原核细胞中，葡糖基（在原核细胞中，葡糖基（ glycosylglycosyl ）

11、的的 供体是供体是 ADP-ADP-葡萄糖，而不是葡萄糖，而不是UDP-UDP-葡萄葡萄 糖（原核细胞中糖（原核细胞中 UDP - UDP - 葡萄糖用来合成葡萄糖用来合成 细胞壁）。细胞壁）。 Date26张星元：发酵原理 2.6.3.2 脂类的贮藏 在原核细胞中，多聚 - 羟基丁酸 （ poly -hydroxybutyrate，PHB ） 是最普通的脂类贮存化合物，在光合细 菌、蓝细菌和许多其他原核细胞中都有 大量堆积。 在有较大的芽孢的芽孢杆菌中，包 括蜡状芽孢杆菌（ B.cereus ）及巨大芽 孢杆菌（B.megaterium ），PHB是生孢 子的主要贮存化合物。 Date27张

12、星元：发酵原理 PHB PHB 是一种线形多聚体（是一种线形多聚体（ 可达可达 菌体干重的菌体干重的 60 % 60 % ），它的降解需要），它的降解需要 蛋白水解酶使蛋白水解酶使 PHB PHB 颗粒活化，颗粒活化， 随后随后 被被 PHB PHB 解聚酶（解聚酶（depolymerasedepolymerase）水水 解成二聚体，最后切成单体。解成二聚体，最后切成单体。 真核细胞中没有发现真核细胞中没有发现 PHB PHB ，却却 有有中性脂中性脂类的堆积。类的堆积。 Date28张星元：发酵原理 2.6.3.3 多聚偏磷酸 在许多微生物中，包括真核及原核 生物，在异染粒（volutin）

13、颗粒中发现 有多聚偏磷酸（ polymetaphosphate ） ，这种多聚体同时起磷酸贮存及能量贮 存的作用，因为磷酸酐键水解时具有很 高的自由能。 Date29张星元：发酵原理 代谢能的持续供应是微生物代谢能的持续供应是微生物 生命活动的前提，代谢能支撑是生命活动的前提，代谢能支撑是 工业发酵运行的立足点。工业发酵运行的立足点。 代谢能支撑假说揭示了化能代谢能支撑假说揭示了化能 异养型微生物细胞的能量代谢的异养型微生物细胞的能量代谢的 氧化还原本质，确定了工业发酵氧化还原本质，确定了工业发酵 的生物学属性。确立了微生物活的生物学属性。确立了微生物活 细胞在发酵生产中的核心地位。细胞在发酵

14、生产中的核心地位。 Date30张星元：发酵原理 复习题 1. 试述代谢能支撑假说的要点。 2. 试比较真核细胞与原核细胞细胞内部的空 间分隔，讨论真核细胞的跨膜输送的复杂性 。 3. 试比较微生物细胞进行有氧呼吸与发酵时 ，还原剂分子释放的电子转移到最终电子受 体的过程。 4. 为什么说“无氧发酵”的说法是不准确的？ 5. 为什么脱氢酶的辅酶必须被再生和回用？ Date31张星元：发酵原理 6. 使用形象思维的方式对直接化学耦合、 电耦合和还原当量耦合进行比较。 7. 试画出并讨论支持细胞生命活动的质子 回路。 8. 为什么说代谢能的持续供应是微生物生 命活动的前提？ 9. 为什么说代谢能支撑假说揭示了化能异 养型微生物细胞的能量代谢的氧化还原本 质，确定了工业发酵的生物学属性，确立 了微生物活细胞在发酵生产中的核心地位 ？ Date32张星元：发酵原理