代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第1頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理2包括微生物細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖每一個(gè)“動(dòng)作”，包含細(xì)胞內(nèi)有機(jī)化合物降解開啟、生物合成開啟和繼續(xù)、主動(dòng)輸送、細(xì)胞內(nèi)pH自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡等都需要代謝能支撐，一樣維持細(xì)胞生命也需要代謝能支撐。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第2頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理3

沒有生命活動(dòng)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(dòng)，就沒有工業(yè)發(fā)酵。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第3頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理42.6.1微生物細(xì)胞生長(zhǎng)能學(xué)

2.6.2用于維持ATP消耗

2.6.3微生物能量?jī)?chǔ)存代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第4頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理52.6.1微生物細(xì)胞生長(zhǎng)能學(xué)

生長(zhǎng)能學(xué)（growthenergetics）描述了通常以ATP形式出現(xiàn)代謝能產(chǎn)生與消耗關(guān)系，所以包括到主動(dòng)輸送（包含輸入和輸出）、供能反應(yīng)（fuelingreactions）、生物合成反應(yīng)、大分子合成反應(yīng)和細(xì)胞組裝反應(yīng)。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第5頁2024/4/19張星元：發(fā)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(gè)細(xì)胞代謝成本

代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第6頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理72.6.1.1前體代謝物代謝成本

依據(jù)運(yùn)輸、生物合成和聚合代謝成本預(yù)計(jì)值，有可能計(jì)算出細(xì)胞合成所需ATP總量和NADPH總量。這種計(jì)算是以碳源（通常是葡萄糖）為基礎(chǔ)，首先計(jì)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(jīng)過能量供給反應(yīng)從碳源生成。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第7頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理82.6.1.2模塊分子等代謝成本

研究細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，當(dāng)然要研究代謝成本，包含多肽和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)單元氨基酸生物合成代謝成本，核酸結(jié)構(gòu)單元核苷酸生物合成代謝成本，以及脂類和糖類結(jié)構(gòu)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(fā)合成。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第8頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理92.6.1.3生物大分子代謝成本

在細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，既要討論全局通用代謝物作用，也要討論細(xì)胞物質(zhì)合成成本。這里將討論合成生物大分子代謝成本。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第9頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理10組成細(xì)胞生物大分子可分成以下幾類：①RNA；②DNA；③蛋白質(zhì)；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(duì)于一個(gè)給定生物物種，其大分子組成隨比生長(zhǎng)速率和環(huán)境條件改變而改變。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第10頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理11⑴蛋白質(zhì)合成成本

在延伸肽鏈上添加1個(gè)氨基酸需要利用4個(gè)高能磷酸鍵，相當(dāng)于4個(gè)ATP。另外，在從mRNA合成與校對(duì)等過程中還需要一些自由能，總計(jì)每結(jié)合1個(gè)氨基酸約需0.3個(gè)ATP。所以在多肽生成過程中，在延伸肽鏈上每添加1個(gè)氨基酸一共要消耗4.3個(gè)ATP。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第11頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理12⑵核糖核酸（RNA）合成成本

收編1個(gè)核苷酸（以單磷酸核苷酸計(jì)）代謝能成本為2.4個(gè)ATP。

⑶脫氧核糖核酸（DNA）合成成本

結(jié)合1個(gè)脫氧核糖核苷酸（以單磷酸核苷酸計(jì)）總能耗為3.4個(gè)ATP。

⑷磷脂等生物合成成本（略）

代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第12頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理132.6.1.4整個(gè)細(xì)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(jì)算出合成整個(gè)細(xì)胞所需ATP。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第13頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理142.6.2用于維持ATP消耗

代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第14頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理15許多細(xì)胞反應(yīng)需要消耗ATP，但這些反應(yīng)對(duì)菌體凈合成并沒有貢獻(xiàn)，通常把這些反應(yīng)稱為維持反應(yīng)或維持過程。其中有一些維持反應(yīng)與生長(zhǎng)相關(guān)，比如用于維持細(xì)胞質(zhì)膜跨膜電化學(xué)梯度反應(yīng)，而其它維持反應(yīng)（如生物大分子周轉(zhuǎn)和更新）與細(xì)胞比生長(zhǎng)速率是無關(guān)。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第15頁2024/4/19張星元：發(fā)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(huán)

2.6.2.3大分子周轉(zhuǎn)和更新

代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第16頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理172.6.2.1濃度梯度和電位梯度維持

為確保適當(dāng)功效，細(xì)胞要維持各種跨膜濃度梯度和電化學(xué)梯度，包含跨質(zhì)膜濃度梯度和電化學(xué)梯度，跨真核細(xì)胞線粒體膜濃度梯度和電化學(xué)梯度。這些過程需要代謝能，但不會(huì)造成新菌體量合成，所以是維持過程經(jīng)典例子。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第17頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理18

這些過程中有一個(gè)別是與生長(zhǎng)相關(guān)，比如細(xì)胞膨脹變大時(shí)，增大面積（或體積）上電位梯度要得到維持；但也有一個(gè)別是與生長(zhǎng)無關(guān)，即當(dāng)細(xì)胞不生長(zhǎng)時(shí)梯度也需要維持。維持梯度ATP消耗預(yù)計(jì)可達(dá)生成ATP總量50%。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第18頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理192.6.2.2無效循環(huán)

細(xì)胞內(nèi)有些反應(yīng)序列，其凈結(jié)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(yīng)造成ATP凈消耗。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第19頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理20這類循環(huán)最初被看成是代謝控制一個(gè)缺點(diǎn)（所以被稱為無效循環(huán)），但當(dāng)前這種循環(huán)被認(rèn)為是一個(gè)主要代謝控制機(jī)制。當(dāng)兩種酶都存在時(shí)，這種循環(huán)能使細(xì)胞快速地進(jìn)行自我調(diào)整以適應(yīng)新環(huán)境條件。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第20頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理212.6.2.3大分子周轉(zhuǎn)和更新

細(xì)胞需要不停降解和合成許多分子，以維持其對(duì)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(xù)降解和再聚合，造成了ATP凈消耗，而沒有新生物量產(chǎn)生，所以，也被認(rèn)為是一個(gè)維持過程。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第21頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理222.6.3微生物能量貯存

代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第22頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理23當(dāng)有多出營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)存在時(shí)，微生物經(jīng)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(dāng)?shù)椿蚱渌匦桦x子限量而碳和能量物質(zhì)依然能夠被利用時(shí)，也生成大量貯備化合物。饑餓時(shí)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(xì)胞內(nèi)氨基酸和核苷酸庫不能再維持下去時(shí)候，這些貯藏物是不動(dòng)用。這些化合物大致能夠分成以下幾類。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第23頁2024/4/19張星元：發(fā)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(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第24頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理252.6.3.1碳水化合物貯藏

在真菌及細(xì)菌中，包含一些藍(lán)細(xì)菌中，發(fā)覺貯存化合物是海藻糖（trehalose），一個(gè)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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段堆積起來，到生長(zhǎng)發(fā)育階段，造成孢子形成時(shí)，這些貯備物就用來提供能量。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第25頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理26在許多微生物中發(fā)覺糖原存在，尤其是在能量豐富營(yíng)養(yǎng)不平衡時(shí)候，就有相當(dāng)大量糖原堆積。糖原合成機(jī)制在原核生物和真核生物中是不一樣。在原核細(xì)胞中，葡糖基（glycosyl）供體是ADP-葡萄糖，而不是UDP-葡萄糖（原核細(xì)胞中UDP-葡萄糖用來合成細(xì)胞壁）。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第26頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理272.6.3.2脂類貯藏

在原核細(xì)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(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌和許多其它原核細(xì)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(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第27頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理28PHB是一個(gè)線形多聚體（可達(dá)菌體干重60%），它降解需要蛋白水解酶使PHB顆?；罨?，隨即被PHB解聚酶（depolymerase）水解成二聚體，最終切成單體。

真核細(xì)胞中沒有發(fā)覺PHB，卻有中性脂類堆積。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第28頁2024/4/19張星元：發(fā)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(fā)覺有多聚偏磷酸（polymetaphosphate），這種多聚體同時(shí)起磷酸貯存及能量貯存作用，因?yàn)榱姿狒I水解時(shí)含有很高自由能。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第29頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理30

代謝能連續(xù)供給是微生物生命活動(dòng)前提，代謝能支撐是工業(yè)發(fā)酵運(yùn)行立足點(diǎn)。

代謝能支撐假說揭示了化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞能量代謝氧化還原本質(zhì)，確定了工業(yè)發(fā)酵生物學(xué)屬性。確立了微生物活細(xì)胞在發(fā)酵生產(chǎn)中關(guān)鍵地位。代謝能對(duì)微生物生長(zhǎng)和維持支撐第30頁2024/4/19張星元：發(fā)酵原理31復(fù)習(xí)題

1.試述代謝能支撐假說關(guān)鍵點(diǎn)。

2.試比較真核細(xì)胞與原核細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)部空間分隔，討論真核細(xì)胞跨膜輸送復(fù)雜性。

3.試比較微生物細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸與發(fā)酵時(shí)，還原劑分子釋放電子轉(zhuǎn)移到最終電子受體過程。

4.為何說“無氧發(fā)酵