2010-5-16 张星元：发酵原理 1
第二章 发酵学第一假说：
代谢能支撑假说
第一节 微生物细胞过程的热力学
第二节 微生物细胞内外的物质交换
第三节 化能异养型微生物的生物氧化
第四节 化能异养型微生物的能量形式转换
第五节 质子运动势和活细胞的质子回路
第六节 代谢能对微生物生长和维持的支撑
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
请带着以下问题学习：
1,怎么给代谢能下定义？ 为什么代谢能支撑是细
胞生物的基本性质？
2,代谢能如何支撑微生物细胞的生命活动？
3,为什么化能异养型微生物细胞属于开放体系？
4,怎样认识生物氧化的氧化还原本质？ 在生物氧
化过程中，脱氢酶（ 或氧化酶）的辅酶有什么
不可替代的作用？
5,为什么说微生物细胞的质子回路是代谢能支撑
生命活动的一种重要表现形式？
6,发酵学的三个基本假说是针对典型的工业发酵
提出的，所谓典型的工业发酵是什么样的发酵？
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
发酵学第一假说 ·代谢能支撑假说
能直接推动生命活动（做细胞功 ）
的能量形式叫做代谢能。微生物细胞
依靠其自备的能量转换机构，把化学
能或光能持续地转化成代谢能，并直
接用来支撑其自身的生命活动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
以上假说试图说明三个问题：
①什么叫代谢能？
②微生物细胞怎样获得代谢能？
③代谢能与微生物的生命活动有什么
关系？
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
生命活动是生物体高度有序的序
列反应的总和，是耗能的、不可逆的
过程。尽管不同的生物可以使用不同
的能源；然而，实际上吸能的生物化
学反应只能接受代谢能（ metabolic
energy）,即可供细胞新陈代谢直接
利用的能量形式。因此所有的生物体
内都存在把其他形式的能量转化成代
谢能的过程，以及代谢能支撑的问题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
工业发酵过程主要是微生
物细胞群体的生命活动过程。
微生物细胞的生命活动当然也
是耗能的，微生物细胞的大量
的生物化学反应和细胞过程也
只能接受代谢能。但是 ——
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
微生物细胞直接面向环境
而独立存在的处境，以及微生
物细胞自主应对环境变化的生
存方式，要求微生物细胞必须
自己解决能量形式转换等生死
攸关的问题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
也就是说微生物细胞必须自
备与能源相对应的能量形式转换
机构，并具备把能源提供的能量
形式持续不断地转化成代谢能的
能力，最终实现代谢能对微生物
细胞生命活动的支撑。
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
能量经典地定义为物体做功的
能力。能量是物质运动的一种度量，
对应于物质不同的运动形式，能量
也有不同的形式。代谢能是对应于
生命运动的能量形式，是生物体直
接用来建设自身或维持生命活动的
能量形式。
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
代谢能以高能磷酸键或电场
的方式储存在代谢能的载体中，
腺苷酸和可以被能量化的生物膜
是最常见的代谢能载体,ATP
（ 能量货币）和 Δp （ 质子运动势，
能库） 是代谢能最常见的供体。
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
代谢能支撑假说是发酵学最基
本的假说，它规定了工业发酵的生
物学属性。本章将以代谢能支撑假
说为中心，阐述微生物细胞内外的
物质交换、化能异养型微生物生物
氧化的氧化还原本质，进而认识：
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
微生物细胞进行持续
的能量代谢是微生物细胞
的生命线，也是工业发酵
成立的最起码的条件。
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
第一节 微生物细胞过程的热力学
2.1.1 生命系统是开放系统
2.1.2 经典热力学与微生物代谢
2.1.3 吉布斯自由能和代谢能
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
细胞过程的热力学研究细胞
的单个反应和以代谢网络为基础
的代谢的可行性。
2.1.1 生命系统是开放系统
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
热力学分为平衡态热力学（或经典热
力学）和非平衡热力学。经典热力学只考
虑平衡状态，因此，对于细胞通过代谢途
径而实现转化的特性的深入研究，几乎没
有帮助。热力学第二定律加上吉布斯相平
衡原理，能够确定某一反应或转化过程是
否可行等（是否可沿某一方向进行），但
却不能给出反应速率。它们主要应用于封
闭系统中的可逆反应，在封闭系统中，这
些反应最终几乎总是达到平衡态。
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
然而，生命系统是开放系统，不会达
到平衡。它们通过将高焓低熵的基质转化
成低焓高熵的代谢产物，不断地获得自由
能（其中一部分转化为代谢能，用来推动
有序化进程）。吉布斯自由能：
G = H－ TS
G,吉布斯自由能
H,物系的焓（描述恒压热效应）
T,绝对温度
S,物系的熵（描述混乱程度）
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
2.1.2 经典热力学与微生物代谢
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
热力学把宇宙中我们感兴趣的部
分定义为系统，诸如一个生物反应器
或一个细胞，而把其他部分叫做它的
环境。系统是开放的还是封闭的、隔
离的，取决于其是否可与环境交换物
质和能量。因为活细胞吸收营养物质、
释放代谢产物，并做功和放热。因此
它们是开放系统。
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
系统状态由一组状态函数来定义。
这些状态函数包括内能（ U,系统固
有的全部能量的度量，描写恒容热效
应的状态函数）、焓（ H,描写恒压
热效应的状态函数）、熵（ S,系统
混乱程度的度量）。这些状态函数可
用来表示和解释这两个热力学定律，
经典热力学就是建立在这两个定律的
基础上的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
这两个定律是：
①热力学第一定律：能量既不能创生也不
能消灭。用数学方式表达为,ΔU = 0,其
含义是，在任何隔离系统中系统储藏的能
量不变。
②热力学第二定律：自发过程向熵值（宇
宙的总的混乱程度）增加的方向进行。用
数学方式表达为,ΔS ＞ 0,其含义是，
在任何隔离系统中，不违背第一定律的过
程得以进行的最起码的条件是该系统的熵
值增加。
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
如果把我们研究的系统与它所处的环
境加在一起，看作一个隔离系统，这个重
新划定的隔离系统服从经典热力学。 热力
学第一定律阐明了任何过程都是能量守恒
的,也就是说系统产生的能量必须由它的
环境吸收。第二定律阐明了过程的自发性
取决于总的熵变，在这个重新划定的隔离
系统中，系统有序程度的增加，必须由它
的环境混乱程度的更多的增加来弥补。
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
在研究细胞过程时，自发性
确实是一个非常重要的问题。然
而，要确定整个宇宙的熵变化是
不可能的，所以把自发过程引起
的宇宙的混乱程度作为评估自发
性的标准，是难以操作的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 23
而且，过程的自发性不能单独由所
研究的系统的熵变来决定，因为即使在
系统的熵减少 （ 即 ΔS系统 ＜ 0 的情况
下），放热过程（ 即 ΔH系统 ＜ 0,也就
是热量从系统放出）也可能自发进行。
譬如，变性的蛋白质自发折叠成高度有
序的天然构象（系统的熵减少,ΔS系统
＜ 0 ）, 就是一例。当然在这种情况下，
宇宙的总熵还是增加的，因为环境的熵
的增加足以抵消系统的熵的减少。 那么
用什么量来判断自发过程好呢？
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
2.1.3 吉布斯自由能和代谢能
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
由于熵在使用上的这些困难，自发性
可由另一状态函数吉布斯自由能来确定：
G = H - TS
这个状态函数是由 J,Willard Gibbs
于 1878 年提出的。系统自由能的减少等于
系统在恒温、恒压可逆过程中所做的最大
有用功（不包括位移功）。在不可逆过程
中系统所做的功必然小于体系自由能的减
少。
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
由于活细胞中的所有生物化
学过程几乎都是在恒温、恒压条
件下进行的，在研究微生物的能
量代谢时自然会对自由能的变化
ΔG 发生兴趣。
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
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，但反应的 ΔG 与变化的途径无关。
当 ΔG＜ 0 时，自发过程，被称为是放能
的（ exoergic） 过程，它们可以用来做功；
当 ΔG＝ 0 时，反应已达到平衡，即其正
向过程和逆向过程正好处于平衡；
当 ΔG＞ 0 时，非自发过程，被称为吸能
的（ endergonic） 过程，必须注入自由能
才能驱动此类过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
在细胞中，能直接驱动吸能过程
的自由能有两类供体：在细胞内流通
的能量货币（以 ATP为代表）和能化
了的生物膜（以 Δp为代表）。它们一
般在代谢过程中形成，在代谢过程中
使用，特别是它们作为细胞的组成成
分，在细胞的代谢中再生和周转。我
们把这两类特殊能量形式叫做 代谢能 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 29
特别提请注意：
①虽然酶对于加速反应非常重要，但
它们并不改变反应的 ΔG,作为催化
剂它们只能加快热力学平衡的达到，
却不能使 ΔG ＞ 0 的反应进行。
②反应或过程的吉布斯自由能随温度
等变化，其值可以推算。
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
第二节 微生物细胞内外的
物质交换
2.2.1 微生物细胞与其所处的环境的关系
2.2.2 化学物质的跨膜过程
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
2.2.1 微生物细胞与其
所处环境的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
2.2.1.1 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
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
2.2.1.1 微生物的营养
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
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（ building block）
生物合成提供碳骨架（ carbon skeletons） 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
O,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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
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） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
2.2.1.2微生物的营养类型
2.2.1.2 微生物的营养类型
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
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
CO2
CO2
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
2.2.1.3 微生物的生理状态
与环境的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
② 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
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 ） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
CO2 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
④ 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,
( water stress ) 。 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
(compatible solutes),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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
⑤ 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
⑥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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
2.2.2 化学物质的跨膜过程
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
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 10 000 Da 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
2.2.2.1 化学物质跨过细胞
质膜的机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
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；
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
②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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
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）
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
⑴ 简单扩散 (simple diffusion)：
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
⑵ 促进扩散（ facilitated diffusion）,
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
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
（ Zymomonas mobilis ） 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
另一类是低分子量的肽，如短杆
菌肽 A（ Gramicidin A）,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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
⑶ 简单主动输送 (simple active transport)：
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
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 ( proton motive force ),它能用
来驱动营养物质的吸收或 ATP的合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
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）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
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）；
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
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）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
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+
Ile Ile Glu－ - 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 － Z ΔpH
的驱动
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
－
－
－
－
－
－
－
－
－
Δp =Δψ － Z ΔpH
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
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（ ion gradient） 是由质子
梯度（ proton gradient） 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+。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
⑷ 基团转移 (group translocation)：
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
PTS 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
而对糖是具有特异性的 酶 Ⅱ （ E Ⅱ ）,
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 EⅡ A,EⅡ B、
EⅡ C。 在 PTS系统中 PEP的磷酸基团通过 EⅠ,
HPr,EⅡ A 和 EⅡ B 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
EⅡ C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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
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 +PP i
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
2.2.2.2 真核微生物细胞内化学
物质的跨膜输送
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
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
( acy1 carnitines ) 和 PEP（ 磷酸烯醇式丙酮
酸）等化合物的输送系统。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
NAD(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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 138
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
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-
Asp 2-
Glu ·H2- +
OH -
PYR
2 OH -
2 H2PO4 -
2 H2PO4 -
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
AcCoA AcCoACTA CTA
(CS) (CL)
CoA
OAA OAA
内 外CoA
线粒体内膜
乙酰基从线粒体送出的过程
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 143
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 ( electrogenic antiport )。 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
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？
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
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：
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
+
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
Asp Asp
NADH + H+ NADH + H
NAD+ NAD+
Glu Glu
OAA OAA
α- KG α- KG
MLA MLA
(MD) (MD)
(AAT) (AAT)GAT
MOT
还原力
胞质中的 基质中的
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
跨线粒体外膜 的, 3-磷酸甘油／磷酸二羟
丙酮, 穿梭往返，它涉及到分别位于细胞质
中和线粒体内膜上的 2 个 3 - 磷酸甘油脱氢酶。
细胞质中的 3 - 磷酸甘油脱氢酶以细胞质中的
NADH 为辅酶，而线粒体内膜中的 3-磷酸甘油
脱氢酶是以 FAD为辅基的黄素蛋白。,3-磷酸
甘油／磷酸二羟丙酮, 穿梭往返 使细胞质中
的 NADH, 转变,成了线粒体内膜的 FADH2，
因此失去了合成 1 个 ATP 分子的机会 。 这种
还原力跨膜的机制主要见于昆虫细胞，也存在
于某些酵母（ 如 Candida tropicalis ） 细胞中。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
线粒体基质
线粒体的
3 -磷酸甘
油脱氢酶
（ 黄素蛋
白 ）
Glyc-3-PGlyc-3-P
DHAP DHAP
NAD+
NADH+ H+
细胞质的
3-磷酸甘油
脱氢酶
细胞质 线粒体外膜 间腔 线粒体内膜
FADH
CoA
跨线粒体外膜 的, 3-磷酸甘油／磷酸二羟丙酮”穿梭往返
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
这种穿梭过程分 4 步进行：
①细胞质中：在细胞质的 3-磷酸甘油脱氢酶
的催化下，磷酸二羟丙酮被还原为 3-磷酸甘
油 DHAP + NADH + H+ → G3P + NAD +
② 细胞质中的 3-磷酸甘油穿过线粒体外膜进
入线粒体的内膜和外膜之间的间腔
③在线粒体内膜上的 3-磷酸甘油脱氢酶的催
化下,3-磷酸甘油重新氧化成磷酸二羟丙酮
④磷酸二羟丙酮穿过线粒体外膜回到细胞质。
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
线粒体的 3- 磷酸甘油脱氢酶的催
化位点位于 线粒体内膜的外表面,因
此为了 3 -磷酸甘油的重新氧化并没有
必要跨过线粒体内膜。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。当电子通过这个穿梭系统进行
传送时,NADH 氧化的 P/O比率将类
似于琥珀酸氧化的 P/O比率。
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
2.2.2.3 代谢中间产物排出细胞的机制
⑴ 氨基酸的释出（略）
⑵ 核苷酸的“释出”
（略）
⑶ 胞外酶的分泌 （略）
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
从化学平衡的观点来看，分泌可
以促进合成；从生物学的角度来看，
分泌又是对过量合成的代谢中间产物
的解毒机制，是微生物细胞生存策略
的一个方面 。代谢产物的释放也是跨
膜输送的过程，但强调的是从细胞释
放或排出。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
必须指出，由于微生物具有高度
严密的自我调节能力，正常代谢的细
胞的中间代谢产物既不会在胞内大量
积累，也不会大量排出体外而流失。
发酵工程的任务之一是人为地改变微
生物的代谢调节机制，其中包括改变
化学物质输送的调节机制，使目的代
谢产物大量合成并及时释出或排出细
胞。
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
2.2.2.4 跨膜过程中代谢能的消耗
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
细胞消耗在主动输送过程中的 ATP，
在其 ATP的总消耗中占相当大的比例。在
质子同向输送中,ATP消耗取决于运输过
程的化学计量和质子重新输出的化学计量。
这种输送系统中研究得最透彻的是大肠杆
菌的乳糖透性酶，其同时输送一个质子和
一个乳糖分子。许多其他物质的输送占有
相似的化学计量比率，例如原核生物和真
核生物中许多氨基酸的输送，以及丝状真
菌中通过高度亲和系统对糖（诸如葡萄糖、
果糖和半乳糖等）的输送。
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
对于质子的重新输出，在原核细胞和
真核细胞之间存在一些差别。在需氧细菌
中，电子传递链位于细胞质膜，质子可通
过电子传递链从细胞质中重新输送出去；
质子还可借助于 ATP酶重新输送至胞外。
ATP酶在原核细胞中位于细胞质膜，它主
要涉及氧化磷酸化过程中 ATP的合成，但
它是可逆的，也可以在消耗 ATP的情况下，
将质子泵出细胞外。目前还不能准确知道
ATP酶的化学计量比率，但在大肠杆菌中，
2H+/ATP是通常使用的化学计量比。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
在真核细胞中,ATP酶位于线粒
体的内膜，但 真核细胞也具有属于另
一类型的 ATP酶 ——质膜 ATP酶。 这
种 ATP酶可能只在 ATP水解方向起作
用，通常其化学计量比为 1 H+/ATP。
利用化学计量方法，有可能计算出通
过以主动输送机制输送不同的化合物
时 ATP的消耗量。
第二章 发酵学第一假说：
代谢能支撑假说
第一节 微生物细胞过程的热力学
第二节 微生物细胞内外的物质交换
第三节 化能异养型微生物的生物氧化
第四节 化能异养型微生物的能量形式转换
第五节 质子运动势和活细胞的质子回路
第六节 代谢能对微生物生长和维持的支撑
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
请带着以下问题学习：
1,怎么给代谢能下定义？ 为什么代谢能支撑是细
胞生物的基本性质？
2,代谢能如何支撑微生物细胞的生命活动？
3,为什么化能异养型微生物细胞属于开放体系？
4,怎样认识生物氧化的氧化还原本质？ 在生物氧
化过程中，脱氢酶（ 或氧化酶）的辅酶有什么
不可替代的作用？
5,为什么说微生物细胞的质子回路是代谢能支撑
生命活动的一种重要表现形式？
6,发酵学的三个基本假说是针对典型的工业发酵
提出的，所谓典型的工业发酵是什么样的发酵？
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
发酵学第一假说 ·代谢能支撑假说
能直接推动生命活动（做细胞功 ）
的能量形式叫做代谢能。微生物细胞
依靠其自备的能量转换机构，把化学
能或光能持续地转化成代谢能，并直
接用来支撑其自身的生命活动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
以上假说试图说明三个问题：
①什么叫代谢能？
②微生物细胞怎样获得代谢能？
③代谢能与微生物的生命活动有什么
关系？
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
生命活动是生物体高度有序的序
列反应的总和，是耗能的、不可逆的
过程。尽管不同的生物可以使用不同
的能源；然而，实际上吸能的生物化
学反应只能接受代谢能（ metabolic
energy）,即可供细胞新陈代谢直接
利用的能量形式。因此所有的生物体
内都存在把其他形式的能量转化成代
谢能的过程，以及代谢能支撑的问题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
工业发酵过程主要是微生
物细胞群体的生命活动过程。
微生物细胞的生命活动当然也
是耗能的，微生物细胞的大量
的生物化学反应和细胞过程也
只能接受代谢能。但是 ——
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
微生物细胞直接面向环境
而独立存在的处境，以及微生
物细胞自主应对环境变化的生
存方式，要求微生物细胞必须
自己解决能量形式转换等生死
攸关的问题。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
也就是说微生物细胞必须自
备与能源相对应的能量形式转换
机构，并具备把能源提供的能量
形式持续不断地转化成代谢能的
能力，最终实现代谢能对微生物
细胞生命活动的支撑。
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
能量经典地定义为物体做功的
能力。能量是物质运动的一种度量，
对应于物质不同的运动形式，能量
也有不同的形式。代谢能是对应于
生命运动的能量形式，是生物体直
接用来建设自身或维持生命活动的
能量形式。
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
代谢能以高能磷酸键或电场
的方式储存在代谢能的载体中，
腺苷酸和可以被能量化的生物膜
是最常见的代谢能载体,ATP
（ 能量货币）和 Δp （ 质子运动势，
能库） 是代谢能最常见的供体。
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
代谢能支撑假说是发酵学最基
本的假说，它规定了工业发酵的生
物学属性。本章将以代谢能支撑假
说为中心，阐述微生物细胞内外的
物质交换、化能异养型微生物生物
氧化的氧化还原本质，进而认识：
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
微生物细胞进行持续
的能量代谢是微生物细胞
的生命线，也是工业发酵
成立的最起码的条件。
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
第一节 微生物细胞过程的热力学
2.1.1 生命系统是开放系统
2.1.2 经典热力学与微生物代谢
2.1.3 吉布斯自由能和代谢能
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
细胞过程的热力学研究细胞
的单个反应和以代谢网络为基础
的代谢的可行性。
2.1.1 生命系统是开放系统
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
热力学分为平衡态热力学（或经典热
力学）和非平衡热力学。经典热力学只考
虑平衡状态，因此，对于细胞通过代谢途
径而实现转化的特性的深入研究，几乎没
有帮助。热力学第二定律加上吉布斯相平
衡原理，能够确定某一反应或转化过程是
否可行等（是否可沿某一方向进行），但
却不能给出反应速率。它们主要应用于封
闭系统中的可逆反应，在封闭系统中，这
些反应最终几乎总是达到平衡态。
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
然而，生命系统是开放系统，不会达
到平衡。它们通过将高焓低熵的基质转化
成低焓高熵的代谢产物，不断地获得自由
能（其中一部分转化为代谢能，用来推动
有序化进程）。吉布斯自由能：
G = H－ TS
G,吉布斯自由能
H,物系的焓（描述恒压热效应）
T,绝对温度
S,物系的熵（描述混乱程度）
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
2.1.2 经典热力学与微生物代谢
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
热力学把宇宙中我们感兴趣的部
分定义为系统，诸如一个生物反应器
或一个细胞，而把其他部分叫做它的
环境。系统是开放的还是封闭的、隔
离的，取决于其是否可与环境交换物
质和能量。因为活细胞吸收营养物质、
释放代谢产物，并做功和放热。因此
它们是开放系统。
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
系统状态由一组状态函数来定义。
这些状态函数包括内能（ U,系统固
有的全部能量的度量，描写恒容热效
应的状态函数）、焓（ H,描写恒压
热效应的状态函数）、熵（ S,系统
混乱程度的度量）。这些状态函数可
用来表示和解释这两个热力学定律，
经典热力学就是建立在这两个定律的
基础上的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
这两个定律是：
①热力学第一定律：能量既不能创生也不
能消灭。用数学方式表达为,ΔU = 0,其
含义是，在任何隔离系统中系统储藏的能
量不变。
②热力学第二定律：自发过程向熵值（宇
宙的总的混乱程度）增加的方向进行。用
数学方式表达为,ΔS ＞ 0,其含义是，
在任何隔离系统中，不违背第一定律的过
程得以进行的最起码的条件是该系统的熵
值增加。
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
如果把我们研究的系统与它所处的环
境加在一起，看作一个隔离系统，这个重
新划定的隔离系统服从经典热力学。 热力
学第一定律阐明了任何过程都是能量守恒
的,也就是说系统产生的能量必须由它的
环境吸收。第二定律阐明了过程的自发性
取决于总的熵变，在这个重新划定的隔离
系统中，系统有序程度的增加，必须由它
的环境混乱程度的更多的增加来弥补。
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
在研究细胞过程时，自发性
确实是一个非常重要的问题。然
而，要确定整个宇宙的熵变化是
不可能的，所以把自发过程引起
的宇宙的混乱程度作为评估自发
性的标准，是难以操作的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 23
而且，过程的自发性不能单独由所
研究的系统的熵变来决定，因为即使在
系统的熵减少 （ 即 ΔS系统 ＜ 0 的情况
下），放热过程（ 即 ΔH系统 ＜ 0,也就
是热量从系统放出）也可能自发进行。
譬如，变性的蛋白质自发折叠成高度有
序的天然构象（系统的熵减少,ΔS系统
＜ 0 ）, 就是一例。当然在这种情况下，
宇宙的总熵还是增加的，因为环境的熵
的增加足以抵消系统的熵的减少。 那么
用什么量来判断自发过程好呢？
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
2.1.3 吉布斯自由能和代谢能
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
由于熵在使用上的这些困难，自发性
可由另一状态函数吉布斯自由能来确定：
G = H - TS
这个状态函数是由 J,Willard Gibbs
于 1878 年提出的。系统自由能的减少等于
系统在恒温、恒压可逆过程中所做的最大
有用功（不包括位移功）。在不可逆过程
中系统所做的功必然小于体系自由能的减
少。
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
由于活细胞中的所有生物化
学过程几乎都是在恒温、恒压条
件下进行的，在研究微生物的能
量代谢时自然会对自由能的变化
ΔG 发生兴趣。
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
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，但反应的 ΔG 与变化的途径无关。
当 ΔG＜ 0 时，自发过程，被称为是放能
的（ exoergic） 过程，它们可以用来做功；
当 ΔG＝ 0 时，反应已达到平衡，即其正
向过程和逆向过程正好处于平衡；
当 ΔG＞ 0 时，非自发过程，被称为吸能
的（ endergonic） 过程，必须注入自由能
才能驱动此类过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
在细胞中，能直接驱动吸能过程
的自由能有两类供体：在细胞内流通
的能量货币（以 ATP为代表）和能化
了的生物膜（以 Δp为代表）。它们一
般在代谢过程中形成，在代谢过程中
使用，特别是它们作为细胞的组成成
分，在细胞的代谢中再生和周转。我
们把这两类特殊能量形式叫做 代谢能 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 29
特别提请注意：
①虽然酶对于加速反应非常重要，但
它们并不改变反应的 ΔG,作为催化
剂它们只能加快热力学平衡的达到，
却不能使 ΔG ＞ 0 的反应进行。
②反应或过程的吉布斯自由能随温度
等变化，其值可以推算。
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
第二节 微生物细胞内外的
物质交换
2.2.1 微生物细胞与其所处的环境的关系
2.2.2 化学物质的跨膜过程
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
2.2.1 微生物细胞与其
所处环境的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
2.2.1.1 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
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
2.2.1.1 微生物的营养
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
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（ building block）
生物合成提供碳骨架（ carbon skeletons） 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
O,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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
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） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
2.2.1.2微生物的营养类型
2.2.1.2 微生物的营养类型
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
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
CO2
CO2
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
2.2.1.3 微生物的生理状态
与环境的关系
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
② 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
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 ） 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
CO2 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
④ 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,
( water stress ) 。 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
(compatible solutes),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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
⑤ 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
⑥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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
2.2.2 化学物质的跨膜过程
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
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 10 000 Da 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
2.2.2.1 化学物质跨过细胞
质膜的机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
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；
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
②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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
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）
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
⑴ 简单扩散 (simple diffusion)：
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
⑵ 促进扩散（ facilitated diffusion）,
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
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
（ Zymomonas mobilis ） 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
另一类是低分子量的肽，如短杆
菌肽 A（ Gramicidin A）,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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
⑶ 简单主动输送 (simple active transport)：
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
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 ( proton motive force ),它能用
来驱动营养物质的吸收或 ATP的合成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
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）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
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）；
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
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）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
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+
Ile Ile Glu－ - 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 － Z ΔpH
的驱动
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
－
－
－
－
－
－
－
－
－
Δp =Δψ － Z ΔpH
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
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（ ion gradient） 是由质子
梯度（ proton gradient） 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+。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
⑷ 基团转移 (group translocation)：
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
PTS 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
而对糖是具有特异性的 酶 Ⅱ （ E Ⅱ ）,
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 EⅡ A,EⅡ B、
EⅡ C。 在 PTS系统中 PEP的磷酸基团通过 EⅠ,
HPr,EⅡ A 和 EⅡ B 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
EⅡ C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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
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 +PP i
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
2.2.2.2 真核微生物细胞内化学
物质的跨膜输送
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
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
( acy1 carnitines ) 和 PEP（ 磷酸烯醇式丙酮
酸）等化合物的输送系统。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
NAD(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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 138
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 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
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-
Asp 2-
Glu ·H2- +
OH -
PYR
2 OH -
2 H2PO4 -
2 H2PO4 -
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
AcCoA AcCoACTA CTA
(CS) (CL)
CoA
OAA OAA
内 外CoA
线粒体内膜
乙酰基从线粒体送出的过程
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 143
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 ( electrogenic antiport )。 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
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？
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
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：
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
+
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
Asp Asp
NADH + H+ NADH + H
NAD+ NAD+
Glu Glu
OAA OAA
α- KG α- KG
MLA MLA
(MD) (MD)
(AAT) (AAT)GAT
MOT
还原力
胞质中的 基质中的
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
跨线粒体外膜 的, 3-磷酸甘油／磷酸二羟
丙酮, 穿梭往返，它涉及到分别位于细胞质
中和线粒体内膜上的 2 个 3 - 磷酸甘油脱氢酶。
细胞质中的 3 - 磷酸甘油脱氢酶以细胞质中的
NADH 为辅酶，而线粒体内膜中的 3-磷酸甘油
脱氢酶是以 FAD为辅基的黄素蛋白。,3-磷酸
甘油／磷酸二羟丙酮, 穿梭往返 使细胞质中
的 NADH, 转变,成了线粒体内膜的 FADH2，
因此失去了合成 1 个 ATP 分子的机会 。 这种
还原力跨膜的机制主要见于昆虫细胞，也存在
于某些酵母（ 如 Candida tropicalis ） 细胞中。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
线粒体基质
线粒体的
3 -磷酸甘
油脱氢酶
（ 黄素蛋
白 ）
Glyc-3-PGlyc-3-P
DHAP DHAP
NAD+
NADH+ H+
细胞质的
3-磷酸甘油
脱氢酶
细胞质 线粒体外膜 间腔 线粒体内膜
FADH
CoA
跨线粒体外膜 的, 3-磷酸甘油／磷酸二羟丙酮”穿梭往返
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
这种穿梭过程分 4 步进行：
①细胞质中：在细胞质的 3-磷酸甘油脱氢酶
的催化下，磷酸二羟丙酮被还原为 3-磷酸甘
油 DHAP + NADH + H+ → G3P + NAD +
② 细胞质中的 3-磷酸甘油穿过线粒体外膜进
入线粒体的内膜和外膜之间的间腔
③在线粒体内膜上的 3-磷酸甘油脱氢酶的催
化下,3-磷酸甘油重新氧化成磷酸二羟丙酮
④磷酸二羟丙酮穿过线粒体外膜回到细胞质。
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
线粒体的 3- 磷酸甘油脱氢酶的催
化位点位于 线粒体内膜的外表面,因
此为了 3 -磷酸甘油的重新氧化并没有
必要跨过线粒体内膜。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。当电子通过这个穿梭系统进行
传送时,NADH 氧化的 P/O比率将类
似于琥珀酸氧化的 P/O比率。
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
2.2.2.3 代谢中间产物排出细胞的机制
⑴ 氨基酸的释出（略）
⑵ 核苷酸的“释出”
（略）
⑶ 胞外酶的分泌 （略）
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
从化学平衡的观点来看，分泌可
以促进合成；从生物学的角度来看，
分泌又是对过量合成的代谢中间产物
的解毒机制，是微生物细胞生存策略
的一个方面 。代谢产物的释放也是跨
膜输送的过程，但强调的是从细胞释
放或排出。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
必须指出，由于微生物具有高度
严密的自我调节能力，正常代谢的细
胞的中间代谢产物既不会在胞内大量
积累，也不会大量排出体外而流失。
发酵工程的任务之一是人为地改变微
生物的代谢调节机制，其中包括改变
化学物质输送的调节机制，使目的代
谢产物大量合成并及时释出或排出细
胞。
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
2.2.2.4 跨膜过程中代谢能的消耗
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
细胞消耗在主动输送过程中的 ATP，
在其 ATP的总消耗中占相当大的比例。在
质子同向输送中,ATP消耗取决于运输过
程的化学计量和质子重新输出的化学计量。
这种输送系统中研究得最透彻的是大肠杆
菌的乳糖透性酶，其同时输送一个质子和
一个乳糖分子。许多其他物质的输送占有
相似的化学计量比率，例如原核生物和真
核生物中许多氨基酸的输送，以及丝状真
菌中通过高度亲和系统对糖（诸如葡萄糖、
果糖和半乳糖等）的输送。
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
对于质子的重新输出，在原核细胞和
真核细胞之间存在一些差别。在需氧细菌
中，电子传递链位于细胞质膜，质子可通
过电子传递链从细胞质中重新输送出去；
质子还可借助于 ATP酶重新输送至胞外。
ATP酶在原核细胞中位于细胞质膜，它主
要涉及氧化磷酸化过程中 ATP的合成，但
它是可逆的，也可以在消耗 ATP的情况下，
将质子泵出细胞外。目前还不能准确知道
ATP酶的化学计量比率，但在大肠杆菌中，
2H+/ATP是通常使用的化学计量比。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
在真核细胞中,ATP酶位于线粒
体的内膜，但 真核细胞也具有属于另
一类型的 ATP酶 ——质膜 ATP酶。 这
种 ATP酶可能只在 ATP水解方向起作
用，通常其化学计量比为 1 H+/ATP。
利用化学计量方法，有可能计算出通
过以主动输送机制输送不同的化合物
时 ATP的消耗量。
