2010-5-16 张星元：发酵原理 1
第四节 化能异养型微生物代
谢中的能量形式转换
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
化能异养型微生物利用化
学能源，并以有机化合物为主
要碳源和能源进行生命活动。
化学能源物质作为能源化合物
参与生物氧化，从而获得可以
直接支持生命活动（支撑生命）
的代谢能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
2.4.1 氧化还原对及其氧化还原电位
2.4.2 电子载体与高能（磷酸）键载体
2.4.3 生物学体系中的能量耦合
2.4.4 与呼吸、发酵对应的代谢能转换
机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
2.4.1 氧化还原对及其
氧化还原电位
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
2.4.1.1 溶质标准状况的规定
2.4.1.2 生化反应前后自由能的变化
2.4.1.3 氧化还原电位的测定及标准
状况的规定
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
氧化还原系统中成对的氧化物
和还原物被称为氧化还原对（ redox
couple）,又称为电极对，其通式为：
氧化型 / 还原型。
例如：
NAD+／ NADH+H+
Fe3+／ Fe2+。
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
在氧化还原电极对之间有电子转移的
趋势，它们的还原电位（或称电极电位）
就是衡量这种电子转移（获得电子）的趋
势的物理量，记作,E,。 在物理化学标准
状况下电极对的还原电位, 叫标准还原电
位，记作 E0。在生物化学标准状态下电极
对的还原电位记作 E0′,叫生化标准还原电
位。所谓标准还原电位，是根据下述溶质
的标准状况的参考标准来定义的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
2.4.1.1 溶质标准状况的规定
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
在生物系统中，溶质标准状
况有它的特殊性，因为 生化反应
通常在接近中性 pH 的稀水溶液
中进行 。已对生物系统的标准状
况作如下参考规定：
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
①水的标准状况规定为纯液体
的标准状况。因而，水的浓度（或
活度）取作 1,尽管实际上水的摩
尔浓度为 55.5 mol/L。
② 氢离子的活度规定为对应于
在生理 pH 条件（ pH 7 ） 的活度，
而不是化学标准状态规定的 pH 0
（ 氢离子活度为 1 ）的活度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
③能经历酸碱反应的化合物的标
准状况规定为其天然存在的离子混合
物在 pH 7 的条件下的总浓度。这样
做的好处在于，通常测量一个化合物
的总浓度比测量其一种离子的浓度要
更容易些。然而，因为酸或碱的离子
组成随 pH 值而变化，用总浓度计算
标准自由能时，只能采用 pH 7 时的
浓度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
使用上述参考规定时,标准自
由能变化一般用符号 ΔG 0′（ 生化标
准状况下自由能的变化） 来表示，
这里加上撇号,′”，以区别于物理
化学标准状况下自由能的变化 ΔG 0。
由于 自由能变化与所规定的参考状
况无关,所以参考状况是可以人为
选择的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
然而，在用公式表示水和质子对
自由能变化的影响时，规定这参考状
况是很重要的，如果用生化标准状况
作参照，水的浓度可以从公式中省去。
类似地，如果反应在 pH7条件下进行，
则质子浓度不必包括在公式中（如果
反应在 pH 值不等于 7 的情况下进行，
质子浓度应当取与 10-7 有关的值，即
应当以, [H+ ]/10-7, 的方式出现）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
2.4.1.2 生化反应前后自由能的变化
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
在活细胞内的反应条件是恒温、恒压
的条件。 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（反应的 ΔG′与变化的途径无
关）。
当 ΔG′＜ 0 时，反应能自发进行，并
能放出自由能量；
当 ΔG′＝ 0 时，反应已达到平衡；
当 ΔG′＞ 0 时，反应不能自发进行，
必须,注入” 代谢能才能进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
生物体内的反应在恒温、恒压下
进行，反应的自由能变化是：
ΔG′ = G′终态 － ′G始态
如果反应系统处于平衡状态，上
式可进一步化为：
ΔG′ = ΔG 0 ′+ RT ln Keq′
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
当系统达到热力学平衡（ ΔG′= 0）,则
有：
ΔG 0′= - RT ln Keq′
R 是摩尔气体常数 8.314 [J·（ mol° K） -1 ]，
平衡常数 Keq′可以测得的，因此可以从该反
应的 Keq′值及绝对温度 T,来推算 ΔG 0′。 当
然 ΔG 0′的值也可以通过查表获得。
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
2.4.1.3 氧化还原电位的测定
及标准状况的规定
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
在测量电极对的还原电位时，常用
氢电极作为标准电极，并要求样品半电
池的氧化物、还原物对子的溶质的浓度
均为 l mol·L-1； 对参比半电池为氢电极
的情况来说,H+ 浓度为 l mol·L-1（ pH
值为 0）； H2为 l atm。 指定氢电极的标
准还原电位 E0为零，因此，两个半电池
的电位差即为样品对子的标准还原电位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
为了使电极对的还原电位数据
有可比性，必须对溶质的标准状况
作上述严格的规定。下表列出了若
干在生物学上比较重要的氧化还原
对子的 E0 ′值。 E0 ′是在 pH 7.0 和
25℃ 条件下，相对于标准氢半电池
的生化标准还原电位的测定值。
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
可以预见，在生化标准状况
下，表中任何指定的氧化还原对，
倾向于还原任何列在它下面的氧
化还原对，其相对位置是它们之
间 氧化还原热力学自发性 的度量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 23
在生物体中，氧化还原反应的标准自由
能变化（ ΔG 0′ ） 实际上是与两个氧化还原
对之间的标准还原电位之差 （ ΔE0′） 成线
性关系的。两者的关系可用下式表示：
ΔG 0′= - nFΔE0′
式中,n 为电子传递数目,F 为法拉第
常数（ 9.6485× 104C／ mo1）,ΔE0′为电子
受体的 E0′减去电子供体的 E0′所得之差值。
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
2.4.2 电子载体与高能
（磷酸）键载体
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
2.4.2.1 电子载体与氢载体
2.4.2.2 高能（磷酸）键载体及能量偶联
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
2.4.2.1 电子载体与氢载体
电子载体广义地包括脱氢酶的
辅酶和电子传递链的全体成员。广
义的电子载体又可以分为 氢载体 和
电子载体 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
脱氢酶的辅酶 NAD+实际上 是氢负
离子 （ hydride ion,即一个质子和一对
电子 ） 的载体； 黄素蛋白 和 CoQ 实际
上是 氢原子 （一个质子和一个电子 ）的
载体，它们均可称为氢载体。
铁硫蛋白 （ Fe-S-P ） 和 细胞色素 是
狭义的电子载体。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
这些载体的氧化型和各自的还
原型配对，组成各自的氧化还原电
极对。例如：
NAD+／ NADH+H+,FAD/FADH2、
CoQ / CoQH2 和 Fe3+／ Fe2+ 等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 29
2.4.2.2 高能（磷酸）键载体
及能量偶联
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
根据热力学第二定律，当反应体系
的 ΔG ＞ 0 时反应不能自发进行，若要
进行，必须提供足够的、可以被反应体
系利用的能量。在细胞中，这种可以利
用的能量只能来源于放能反应所释放的
自由能，而且只有当放能反应提供的自
由能大于该需能反应所需的自由能时，
反应才能进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
生物学中定义：由放能
反应提供自由能，用以驱动
需能反应的过程，被称为放
能反应与需能反应之间能量
的偶联。
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
然而，在生物体内，放能反应不
能与需能反应直接发生偶联，必须借
助能量载体才能将放能反应所释放的
自由能的一部分（生物可直接利用的
能量）提供给需能反应，从而驱动需
能反应。 大自然已选择 5′-三磷酸腺嘌
呤核苷（ ATP） 作为生物可直接利用
的能量的载体。我们把这种细胞可直
接利用的能量叫做代谢能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
高能磷酸
酯键
普通磷酸
酯键
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
在生命活动过程中，生
物体不断地消耗 ATP,同时
也不断再生 ATP,因此 ATP
的转运、使用和再生是生物
最重要的生理过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
2.4.3 生物学体系中
的能量耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
在化能异养型微生物中，能
源化合物被氧化时放出的化学能
主要通过以下 3 种机制转换成生
物可以直接利用的能量 ——代谢
能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
2.4.3.1 直接化学耦合
2.4.3.2 电耦合
2.4.3.3 还原当量耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
2.4.3.1 直接化学耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
直接化学耦合指的是代谢中间化合
物参与的底物水平磷酸化的过程。也就
是代谢中间化合物 （ 如 1,3-2P-GA,
PEP,ScCoA和乙酰磷酸等高能磷酸化
合物）的 高能磷酸键的水解反应与 ADP
或 GDP 的磷酸化反应直接耦合 。 借助
于对应的酶的催化作用,在酶的底物的
水平上发生磷酸化作用,形成特殊的高
能化合物（ ATP,GTP） 的过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
这类代谢中间化合物，也就是前面所
谓酶的底物，包括酵解途径中由脱氢酶催
化的反应生成的 1,3-2P-GA,由烯醇化酶
催化生成的 PEP,TCA环中由 α- KG脱氢酶
催化生成的 ScCoA,以及 PK 途径中的由
磷酸酮解酶（ phosphoketolase） 裂解酮糖
生成的乙酰磷酸等高能化合物。这些高能
（ 磷酸 ） 化合物在对应的酶（ 1,3-2P-GA
对应于 3-P-GA 激酶,PEP对应于 PYR激酶）
的催化下将 ADP 磷酸化成 ATP。
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
2.4.3.2 电耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
电耦合是指以质子运动势 Δp为媒
介，借助电子传递链和 ATP 酶,将
ATP的使用（ ATP→ADP） 与 ATP 的
再生（ ADP→ATP） 耦合起来。 详见
本章 2.4.4。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
2.4.3.3 还原当量耦合
⑴还原当量，⑵还原当量耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
⑴还原当量
讨论还原当量耦合问题，首先必须
弄清什么叫还原当量。
生物化学将相当于一个电子或一个
氢原子的还原力的量叫做一个还原当量。
本课程为了说明问题的方便，将相当于
一对电子或一个氢负离子（ hydride ion）
的还原力的量叫做一个还原当量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
所谓氢负离子是指 [H∶ ]-，
即 [H++ 2e-]-,也就是一个质子
和一对电子。
NADH是 NAD+[H∶ ]- 的简
写。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
因此,NAD+ 是氢负离子的载体，也
就是一对电子和一个质子的载体，当然也
是一对电子的载体。 脱氢酶的辅酶 NAD+
作为一对电子 （ 即还原当量 ） 的载体，
其氧化型是空载的，其还原型携带了还原
当量的，所以也有人把还原型辅酶当作还
原当量，或把它称为还原力。就像我们把
ATP称为代谢能，而实际上 ATP是代谢能
的载体一样。
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
发生生物氧化时，还原性化合物（还
原剂）脱氢（氧化）而释放出“氢”（有
些书上标写为,2H” ）,这个,氢” 实
际上是 1对电子和 2个质子，这 2个质子有时
结合在辅酶或辅基上，有时其中一个质子
存在于溶液中，因此有：
NAD+ + 2H → NADH + H+
（ 其中一个质子和一对电子结合在辅酶分
子上，一个质子存在于溶液中）；
FAD + 2H → FADH2
（ 两个质子和一对电子都结合在辅基上）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
AMPFM N
FADH
FADH 2
FAD
图 4-23 FAD + 2H → FADH 2（这两个质子结合在辅基分子上）
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
图 4-24 NAD+ + 2H → NADH + H+
（其中一个质子和一对电子结合在辅酶分子上，一个质子存在于溶液中）
[H﹕ ]ˉ
来自水相NAD(P) + NAD(P)H
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
⑵还原当量耦合
还原当量耦合一般是指：直接
接受还原性化合物（还原剂）脱下
的电子而形成的还原型辅酶或辅基，
直接与细胞内不同的氧化还原反应
相耦合。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
在生物氧化过程中，还原性化
合物的降解通常涉及它们自身被氧
化，这就要求氧化型辅酶或辅基作
为 直接的电子受体 参与反应；另一
方面，微生物细胞内存在着许多需
还原的过程，要求有还原型的辅酶
或辅基作为 直接的电子供体 参与反
应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
一些重要的辅酶，如 烟酰胺腺嘌呤二
核苷酸（ NAD）,其氧化型 NAD+可作为
直接的电子受体，其还原型 NADH可作为
直接的电子供体，因此能将这些氧化反应
和还原反应偶联起来。 如 GA-3-P 脱氢时
生成的 NADH 与乙醇脱氢酶催化的反应
相耦合，将乙醛还原成乙醇；另一个重要
的辅酶 NADP（ 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷
酸）, 其还原形式 NADPH 主要与还原性
合成反应相耦合。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
NAD+是一些常见的脱氢酶的
辅酶,如乳酸脱氢酶,丙酮酸脱
氢酶,α- 酮戊二酸脱氢酶,苹果
酸脱氢酶； NADP+ 是另一些常见
的脱氢酶的辅酶 G-6-P脱氢酶,6-
P-GA 脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶、
α- 磷酸甘油脱氢酶等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
FAD 和 FMN 是一些氧化还原酶（ 脱
氢酶 ）的辅基,这些酶因为有 FAD 或
FMN 作辅基而称黄素蛋白。以 FAD 为辅
基的酶有琥珀酸脱氢酶，脂酰 CoA脱氢酶
等；以 FMN（或 FAD ）为辅基的酶有 L-
氨基酸氧化酶,电子传递链的成员中也有
以 FMN（ 或 FAD ）为辅基的蛋白质,如
NADH 脱氢酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
尽管大多数脱氢酶（氧化酶）所
催化的反应是有专一性的，但这种共
同的氧化还原耦合机制,允许不同的
酶催化的脱氢（氧化）反应为同一个
还原反应提供还原当量，允许同一个
脱氢（氧化）反应为许多其他还原反
应提供还原当量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
2.4.4 与呼吸、发酵对应的
代谢能转换机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
为了说明问题方便，以微生
物对葡萄糖的降解代谢为例，来
说明与呼吸、发酵对应的代谢能
转换机制。葡萄糖的降解可分成
3 个阶段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
第一阶段是指葡萄糖进入细胞，在胞
内以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯或葡萄糖酸的
磷酸酯的形式出现。
第二阶段是微生物细胞经酵解途径，
将葡萄糖或磷酸葡萄糖降解到处于 3C 水
平的丙酮酸。这个阶段不但通过底物水平
磷酸化生成 ATP,而且向细胞质释放还原
当量。
第三阶段是丙酮酸继续代谢和代谢产
物的分泌。这是区分葡萄糖的氧化性代谢
与发酵性代谢的关键性阶段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
如果丙酮酸或由丙酮酸继续代
谢而生成的可用作还原当量吸收剂
的化合物（如乙醛）吸收第二阶段
释放的还原当量，生成相应的还原
产物（如乙醇）。这时微生物细胞
进行 发酵性代谢 。 这个过程因这些
还原产物的分泌而得以进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
如果遗传与环境条件许可，丙
酮酸相对容易地经 TCA环降解，最
终可被氧化降解成二氧化碳；第二
阶段（酵解）及第三阶段所释放的
还原当量则被电子传递链吸收并传
递给外源的最终电子受体。这时微
生物细胞进行 氧化性代谢 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
葡萄糖的氧化性降解代谢与发酵
性降解代谢两者最基本的区别在于：
氧化性降解代谢除了可以与发酵性降
解代谢一样通过底物水平磷酸化形成
ATP外，还 经电子传递磷酸化产生更
多的 ATP,从而允许微生物有更高的
生物合成速率及更高的细胞得率 ( 细
胞对葡萄糖的转化率 ) 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
2.4.4.1 与呼吸相对应的代谢能转换机制
2.3.4.2 与发酵相对应的代谢能转换机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
2.4.4.1 与呼吸相对应的代谢能转换机制
与呼吸相对应的代谢能转换机制主
要是指：在电子传递过程中的构建质子
运动势 Δp 的机制, 以及 ADP被磷酸化
生成 ATP 的机制。呼吸既可以直接建
立 Δp（, 能库,），又可以间接地形成
ATP（, 能量货币”）。其机制分别是：
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
①还原性化合物被氧化时放出的、
并由还原型辅酶或辅基转交的电子，
经电子传递链传给最终电子受体（分
子氧或含氧化合物），完成有氧呼吸
或无氧呼吸。在传递的过程中，把质
子从膜的一侧送到另一侧（因而电子
传递链有“质子泵”之称），从而建
立了跨膜的 Δp；
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
② 质子可借助于 ATP合成酶
的质子通道（因而 ATP 合成酶也
有, 质子泵, 之称 ） 跨过膜，
在 ATP 合成酶的催化下，由 ADP
和磷酸根合成 ATP,按一定的计
量关系将 Δp 转化成 ATP。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
2.4.4.1 与发酵相对应的代谢能转换机制
发酵既可以直接形成 ATP,又可以
间接地建立 Δp,其机制分别是：
① 脱氢（或氧化）反应的直接或间
接产物高能磷酸化合物作为其对应的酶
的底物，在该酶的底物水平上发生磷酸
化作用，将 ADP磷酸化，生成 ATP；
② 借助 ATP 酶，消耗 ATP,把质
子从膜的一侧送到另一侧，从而可以按
一定计量关系增加 Δp。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
辅酶 NAD+ 吸收脱氢作用中放出的
电子，而被还原成 NADH。 NADH作为
电子供体将电子直接交给最终电子受体
（内源性有机化合物），生成发酵产物，
同时 NAD+ 得到再生。在此还原当量耦
合的过程中放出的自由能太少，不足以
生成 ATP,因此并没有代谢能形成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
第五节 质子运动势
和质子回路
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
生物能学 （ bioenergetics） 是能量代
谢领域中专门研究能量转换膜（如线粒体
内膜、原核生物细胞的质膜等）及其功能
的学说。生物能学能帮助我们分析和理解
微生物有关代谢能的能量形式转换的机制。
本节主要讨论 化学渗透假设，电子传递链、
ATP酶、载体蛋白在膜上的分布以及质子
运动势的产生原理,并对生物能学中的 质
子回路 与电学中的电路（ 电子回路 ）进行
比较。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
2.5.1 化学渗透假设及质子运动势
2.5.2 微生物细胞内代谢能形式的转换
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
2.5.1 化学渗透假设及质子运动势
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
2.5.1.1 化学渗透假设
2.5.1.2 电子传递链成员,ATP合成酶
以及载体蛋白在膜上的分布
2.5.1.3 质子运动势
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
2.5.1.1 化学渗透假设
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
化学渗透假设的要点：
①生物膜具有拓扑学的完整性，它对离子，
特别是 H+和 OH-离子是不通透的（借助
特异的交换系统才能跨膜输送）；
②膜结构（蛋白质和脂质分布）的不对称
性导致膜功能的方向性；
③电子在电子传递链上的传递导致质子向
膜外排放；
④膜上嵌有用于质子跨膜的 ATP磷酸化酶
（ ATP合成酶）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
2.5.1.2 电子传递链,ATP 合成酶以及
载体蛋白在膜上的分布
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
由磷脂双分子层组成的单位膜中
相对固定地镶嵌着电子传递链的成员、
ATP合成酶及载体蛋白。电子传递链
是一系列相互作用的多肽。它们各自
形成的氧化还原电极对还原电位的高
低顺序，以及它们在膜上的空间关系
的相对固定，为电子在电子传递链上
按相对固定的顺序流动提供了保证。
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
呼吸链的主要成分是具有辅基
的载体蛋白，这些辅基的氧化还原
电位处于 NAD+ 和分子氧之间，在真
核微生物的线粒体膜和细菌的细胞
质膜上,NADH的电子经还原电位逐
步提高的一连串载体，一直传送到
分子氧。
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
左图描绘
了大肠杆菌细
胞质膜的情况：
由磷脂双分子
层组成的单位
膜中相对固定
地镶嵌着电子
传递链的成员、
ATP合成酶及
载体蛋白。电
子传递链在图
中被描绘成一
系列相互作用
的蛋白质。
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
从图可见,ATP酶的 F1亚基不是被包
埋在膜的磷脂双分子层中，而是紧贴于膜
上，是膜的周边蛋白。电子传递链的组分
如黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素 b, 细
胞色素 o 等，被包埋在磷脂双分子层中，
属整合蛋白。像 ATP 合成酶的 F0 亚基和
β-半乳糖苷透性酶 （ 乳糖 / H+ 同向输送
的载体蛋白 ）,这类用于输送的载体蛋
白穿透整个磷脂双分子层结构，又被称为
膜输送蛋白。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
FMN
FMNH2
氧化型
还原型
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
AMP
FMN
FADHFAD
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
不同形式的铁硫蛋白
蛋白质
蛋白质
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
醌
（ CoQ）
半醌
氢醌
（ CoQ H2）
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
a-型血红素
b-型血红素
c-型血红素
细胞色素氧化酶
的 Cyt a 和 Cyt a3
中的铁卟啉
CoQH2-Cyt c 还原酶
复合物的 Cyt b562 和
Cyt b566 中的铁卟啉
CytC 和 CytC1
中的铁卟啉
细
胞
色
素
中
的
铁
卟
啉
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
大肠杆菌细胞
质膜上输送蛋
白、电子传递
链和 ATP酶，
及它们各自的
功能的示意图。
图中：
1,黄素蛋白；
2,铁硫蛋白；
3,细胞色素 b;
4,细胞色素 o;
5/6,ATP酶；
7,输送蛋白。
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
真核细胞线粒体上的电子传递链及 ATP酶
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
2.5.1.3 质子运动势
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
质子运动势（ proton motive force，
简称 pmf ）,是参照电动势（ electron
motive force） 汉译的。质子运动势和
电动势的单位都是伏特。
根据化学渗透假设,膜对质子是
不透的，电子传递质子泵,ATP 酶质
子泵的运转 在膜两边建立了质子运动
势。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
质子运动势 Δp, 一般由电分
量（电荷因子） ΔΨ 和化学分量
（浓度因子） － Z（ ΔpH ） 两项
组成：
Δp = ΔΨ － Z（ ΔpH ）
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
上式中,ΔΨ 代表跨膜电位 ；－ Z（ ΔpH ）
代表膜两边 H+浓度差引起的电位差的。
Δp = p外 － p内,
ΔΨ = Ψ外 － Ψ内，
ΔpH = pH外 — pH内
Z是将 pH值转变为电势单位的转换系数。
Z = 2.3 RT/ F,30℃ 时,Z = 60 mV。
R为摩尔气体常数 [8.314 J·（ mol ° K） -1]、
T为绝对温度（° K）、
F为法拉第常数（ 9.618× 104 C·mol-1）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
热力学第一定律告诉我们，能量
既不可能创生也不可能消灭，只能从
一种形式的能量转变成另一种形式的
能量。微生物的代谢能来自化学能或
光能，对于化能异养型微生物来说只
能来自生物氧化过程中释放的化学能。
代谢能的两种主要形式 ATP 和 Δp 的
关系就类似于货币与银行的关系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
2.5.2.1 电子在电子传递链上的传递建立 Δp
2.5.2.2 ATP的形成与电子传递磷酸化的产率
2.5.2.3 胞内 pH值自动（调节）动态平衡
2.5.2.4 化学渗透质子回路及其功能的有关讨论
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
2.5.2.1 电子在电子传递链上的传递
和 Δp 的建立
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
++++
－
－
－
－
NADH + H+
NAD+
Q
QH2
2H+
2H+
2H+
FMN
Fe-S-P
b
d
o
? O2 + 2H+
H2O
2e -
2e -
2e -
E.coli 质膜胞外 胞内
2 H2O
2 OH-
大
肠
杆
菌
质
膜
上
的
电
子
传
递
链
及
质
子
泵
出
机
制返回
NADH脱氢酶的组成部分
细胞色素氧化酶
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
细菌细胞膜内侧的一个 H+及由 NAD+运
载的氢负离子（ 包含一个 H+和一对电子 ）
首先被传送到横跨在膜上的 NADH 脱氢酶
的组分 黄素蛋白,把它的辅基 FMN 还原成
FMNH2； 接着，已传送到 FMNH2 的这一对
电子通过 NADH脱氢酶的另一组分 铁硫蛋白
返回到细胞膜的内表面，而 2 个 H+则被留在
细胞膜的外侧的水相中，与此同时 FMNH2
被再生为 FMN。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
电子载体铁硫蛋白得到的这对电子与
细胞质内的 2 个 H+ 一起,把 1 分子泛醌
（ CoQ） 还原成氢醌（ CoQH2）； 带着这
对电子和这 2 个 H+的氢醌将这对电子交给
贴近膜外侧的细胞色素 b,把这 2 个 H+释
放到胞外，自身又回复成泛醌；然后，细
胞色素 b 又把这对电子传递给细胞色素 o
（ 细胞色素氧化酶）。最后，传递到细胞
色素 o 的这对电子还原胞内的分子氧，同
时消耗膜内侧 2 个 H+,生成水。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
由此可见在大肠杆菌中借助电子传递
链每氧化 1分子 NADH,就有 4个 H+被转移
出去。 H+的转移在膜两边形成质子梯度，
蕴藏在这个梯度中的能量可用于推动各种
细胞过程。例如，在酵母细胞质中 2 个 H+
通过 ATP合成酶进入线粒体，可驱动 1 分
子 ATP的合成，质子梯度能驱动某些糖和
氨基酸的简单主动输送，驱动细菌鞭毛旋
转等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
从以上分析得知，在电子传递
磷酸化的电子传递过程中，像泵一
样把质子泵出细胞。 每当电子从氢
载体传到电子载体时，把质子留在
膜外，当电子从电子载体传到氢载
体时，从膜内侧吸取质子，完成质
子泵的功能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
细菌细胞质膜（左）和真核细胞的线粒体内膜（右）上
的电子传递过程的比较图
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
对大肠杆菌细胞质膜来说,NADH
所负载的一对电子在经电子传递链传到
最终电子受体分子氧的过程中，只能泵
出 4 个 H+； 而在酵母细胞中经线粒体上
的电子传递链（其细胞色素系统比细菌
的细胞色素系统复杂），一共可泵出 6
个 H+。
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
有些化能自养型的细菌以硫化物、硫、
亚硝酸等还原性化合物为氢供体（能源），
由于这些氢供体各自形成的氧化还原对的还
原电位比 NAD+/NADH+H+ 的还原电位高，
它们在热力学上不可能直接还原 NAD+,故
假设在这些细菌中 NAD（ P） + 的还原只能
由 ATP驱动的 反向电子传递 来完成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
在这种情况下，微生物细
胞依赖于电子反向传递而形成
的 NAD（ P） H + H+来把 CO2
（ 碳源 ）还原成有机化合物 。
而 ATP的合成则借助于电子传
递链后段的顺向电子传递。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
2.5.2.2 ATP的形成与电子
传递磷酸化的产率
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
电子传递通常与 ATP的合成紧
密耦合。只有当电子传递链发生并
提供了质子梯度时,ATP才得以生
成； 只有当 ADP 同时被磷酸化成
ATP时，电子才经电子传递链流向
氧。 氧化磷酸化的实际速率取决于
细胞内可利用的 ATP的量（浓度）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
氧化磷酸化需要 NADH（或 FADH2 ）,
氧，以及 ADP,无机磷酸。如果把 ADP加到
线粒体，当电子顺向传递时，氧消耗速率上
升；当 ADP 已被磷酸化为 ATP 时，氧的消
耗速率下降，这个过程叫做 呼吸控制 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
这个机制可以保证,当需要 ATP合成
时，电子才向下传递。 如果 ATP 水平高，
ADP水平低，就不会发生电子传递。如果
NADH和 FADH2累积,TCA环和酵解受抑
制。呼吸控制按如下方式进行：
关闭：【 ATP】 ↑→ 电子传递受阻 →
【 NADH或 FADH2】 ↑→ TCA环和酵解受
抑制。
开启：【 ADP】 ↑→ 拉动电子传递 →
【 NADH或 FADH2】 ↓→ TCA环和酵解就
畅通。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
生物化学把从 ADP 形成 ATP 的过程叫
做磷酸化。磷酸化有两种方式，即 底物水平
磷酸化 和 电子传递磷酸化 。 电子传递磷酸化
是指与电子传递链上电子传递过程相耦合的
磷酸化,这种磷酸化要借助膜上的 ATP合成
酶，消耗 Δp 而生成 ATP。
电子传递磷酸化的 产率 主要取决于以下
因素：① 用来泵出质子并形成 Δp 的细胞色
素系统；② 最终电子受体的类型； ③ ATP
合成酶的效率。
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
因此就出现了电子传递磷酸化的产
率问题，即 ATP/NADH之比值。例如，
需氧生长中的大肠杆菌与酵母菌两者都
形成 NADH, 它的一对电子经电子传递
链传到分子氧，大肠杆菌泵出 4 个 H+，
而酵母菌泵出 6 个 H+,这是因为它们的
细胞色素系统不同 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
此外，大肠杆菌的 ATP合成酶合
成 1个 ATP需消耗 2～ 3个 H+,而酵母
线粒体的 ATP合成酶只有消耗将近 2
个 H+ 。因此,1 分子 NADH（ 即每对
电子）在大肠杆菌可能相当于 1～ 2分
子 ATP,而酵母能产 3 个 ATP分子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
2.5.2.3 微生物细胞内代谢能形式的转换
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
微生物细胞内代谢能的主要存在
形式是 ATP 和 Δp 。 借助于 ATP 酶，
ATP 形式的代谢能和 Δp 形式的代谢
能，能够互相转换。如果把 ATP看作
为生物体的能量货币,那么 Δp 相当
于能量银行，也就是能库。货币可以
存入银行，也可以从银行取出。银行
和货币都有支付的功能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
代谢能形式的转换与代谢能的支出
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
估计微生物细胞产生代谢能的潜在
能力远远超过代谢能的消耗，酵解酶系
统以及线粒体氧化还原酶系统所形成的
ATP量，也大大超过生物合成过程以及
种种做功过程所需要的 ATP量。然而，
细胞始终根据实际需要对 ATP的形成进
行精细的调节,根据需要控制代谢能的
来路和去向。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
在细胞中,ATP的周转十分迅速，
有的细菌的 ATP半衰期 ——也就是存
在于细胞中的全部 ATP分子总数的一
半用于驱动需能反应并从放能反应再
生所需的时间 ——通常只有几秒钟甚
至更短。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
ATP 和 Δp 这两种不同
形式的代谢能同时支持生
命活动，一刻也不能松弛；
因而有 代谢能支撑 之说。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
2.5.2.4 胞内 pH值自动动态平
衡（ pH homeostasis）
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
大多数酶和蛋白质都有一个相当狭
窄的表现活性的最适 pH 值范围。相对
而言，微生物细胞具有在较宽的 pH 值
范围内生长的能力。细菌具有在宽广的
pH 值范围的介质中生长的能力。 按细
菌适宜生长的 pH 值范围，可以把它们
分成嗜酸性、嗜中性和嗜碱性 3 类。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
大肠杆菌是嗜中性的，其生长 pH
值为 5～ 8,H+ 浓度变化可达 1000 倍，
其存活的 pH 值范围是 4～ 9,H+ 浓度
变化可达 100000倍。即使环境 pH 值有
如上变化，胞内 H+浓度变化不到 10 倍，
通常远远小于 10 倍。外部 pH 值从 5.5
上升到 8，而胞内 pH 值的变化仅仅是
7.2到 7.7，这种 pH自动动态平衡究竟是
怎样完成的呢?
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
许多因素都可能缓冲胞内 pH 值，维持
胞内 pH 值自动动态平衡（ pH homeostasis）。
它们包括：
①细胞内化学物质自身的缓冲能力，
②与呼吸和 ATP水解相关的 H+向外输送，
③以 H+交换某些阳离子的电中性的输送系统，
特别是 H+与 Na+（ 或 K+ ） 交换的输送系统，
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
例如，当环境 pH 值下降时，细胞内
pH值的任何下降都将触发 K+/H+反向输送,
当它逐出 H+的时候将 K+ 带入细胞，从而
使细胞内 pH值维持在 7.5 左右，造成一个
较大的 ΔpH。 同样地，外部 pH 值的上升
将引起细胞质的碱化，触发 Na+/H+ 反向
输送,从而逐出 Na+,引入 H+,酸化细胞
质。此外，细菌还能诱导对抗酸性的保护
体系（耐酸性响应），以抵抗环境的酸性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
2.5.2.4 化学渗透质子回路及其功能的
有关讨论
⑴ 质子泵及其正向运转的定义
⑵ 跨越能量转换膜的质子回路
⑶ 质子回路与电路的比较研究
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
⑴质子泵及其正向运转的定义
原核细胞（如细菌细胞）的质膜，
真核细胞（如酵母细胞）的线粒体内
膜都是能量转换膜，从以上讨论可以
看出每一种能量转换膜都具有两类质
子泵，一类是通过电子转移（或捕获
光子）来驱动，而另一类则是通过水
解 ATP来驱动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
这两类质子泵的作用是一致的，
即电子沿电子传递链的顺向传递及
ATP 酶对 ATP 的水解都会将质子
（ H+ ）, 泵出,, 从而形成膜
电位（外正内负）。 我们把质子泵
的“泵出”定义为正向运转。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
⑵跨越能量转换膜的质子回路
在有氧条件下，微生物体内的 ATP不
断地被细胞质内各种反应所消耗（在线粒
体内也因种种原因而使 ATP 浓度下降），
因此就必须通过消耗膜电位而合成的 ATP
来补充。也就是要求 ATP合成酶质子泵反
向运转，使质子不断进入细胞（或线粒体）
内。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
ATP合成酶质子泵反向运转所消
耗的膜电位则可由呼吸条件下的电子
传递链质子泵的正向运转（泵出）来
补充，从而形成跨越能量转换膜的质
子回路。根据化学渗透假设可以画出
化学渗透质子回路：
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
ATP
跨越能量转换膜的质子回路与直流电路的比较
ATP酶
呼吸链
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
这种回路与电路（电子回路）在
形式上十分相似。它们都有电源、用
电器和导线等，只是在 质子回路中流
动的是质子, 在电子回路中流动的是
电子 。在质子回路中，质子流的
,导线, 分别为膜两侧的溶液；而
,用电器, 一般是指 ATP 酶复合物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
在详尽地讨论复杂的电子或质子流
动时，这种相似性仍然保持，仍然正确
如同在电学中一样，我们可以测定或计
算质子回路的“电动势”，“电流强度”
和,电阻,。这里,电动势,相当于
质子运动势，“电流强度”相当于质子
流强度，,电阻, 则反映质子回路组
分的质子传导性能（ conductance of
proton ）,在数值上等于质子流量除跨
越回路中的这一组分前后的电位降。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
显然，为了防止“短路”（质子
无阻力跨膜），膜必须是封闭的，并
且对质子流来说并非“导体”，而这
些事实上也就是化学渗透学说成立的
先决条件或基本假定。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
从质子回路这个观点出发，可以
清楚地认识到：通过电子传递而发生
的氧化过程与 ADP的磷酸化过程之间
的偶联，需要质子运动势 Δp（ 能库）
作为中间媒介。
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
⑶质子回路与电
路的比较研究
如左图（ a） 所
示，质子回路正常
运转并做有用功，
也就是 ATP酶（质
子回路的用电器）
合成 ATP。 对照电
路，电源与电灯接
通，电灯亮。
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
如图 2-34（ b） 所示,ATP合成酶复合物
的质子阱 （ F0亚基 ）受阻塞，比如寡霉素与
真菌的 ATP 合成酶复合物中的寡霉素敏感授
予蛋白 OSCP 结合，使质子阱阻塞，质子回
路不通。 在这种情况下，电子传递链质子泵
打出去的质子 无法重新回到线粒体的基质中
去,膜电位达一定值后,电子传递链质子泵
停止运行,膜电位达到最大值。 因为电子传
递过程必须与 ADP 的磷酸化过程偶联，质
子阱阻塞使呼吸作用不能继续下去,相当于
电路中的断路状态。 这里寡霉素起了 能量转
移抑制剂 的作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
如图 2-34（ c） 所示，在质子回路中，因加入质
子移位体，如羰基氰 -对 -三氟甲氧基苯腙（ FCCP）
或 2,4 -二硝基苯酚（ DNP ）,造成质子回路的短路，
也就是说质子实际上不经过 ATP 合成酶复合体，而
是在质子移位体的帮助下,轻易地进入细菌细胞或
线粒体的。它们的加入能 促进电子传递过程（ 即促
进呼吸作用 ），但没有相应化学计量的 ATP合成 。
正如电路短路时，电路中实际上没有电流通过，或
几乎没有电流通过电灯，电流没有做使灯发光的有
用功，而以放热的方式被消耗掉。起这种作用的质
子移位体被称为 解偶联剂,实质上它们能瓦解已形
成的能库。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
如图 2-34（ d） )所示，在质子回路中，因加
入某些会破坏电子传递链的成员的化合物（如氰
化物、抗霉素），使电子传递过程不能正常进行，
从而抑制 Δp 的形成,使质子回路失去动力,或
者说无法形成质子回路，当然也就没有 ATP的形
成。这种情况正如没有电源的电路一样，灯是不
会亮的。这类加入的化合物称为 电子传递链抑制
剂,其作用是阻止或抑制能库的形成。质子回路
的功能除了形成 ATP外，还有驱动简单主动传送
等，前面已有叙述。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
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 138
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
2.6.1 微生物细胞的生长能学
生长能学（ 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 143
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
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。这里将讨论合
成生物大分子的代谢成本。
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
组成细胞的生物大分子可分成以
下几类,① RNA；② DNA；③ 蛋白
质；④碳水化合物（糖类）；⑤氨基
碳水化合物（氨基糖类）；⑥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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
⑴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 个氨基酸一共要消耗 4.3
个 ATP。
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
⑵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。
⑶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。
⑷磷脂等的生物合成成本（略）
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
2.6.2 用于维持的 ATP消耗
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
许多细胞反应需要消耗 ATP,但
这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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
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，但
不会导致新菌体量的合成,因此是维
持过程的典型例子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
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%。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
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的净消
耗。
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
2.6.3 微生物能量的贮存
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 161
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 （ trehalose），
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 162
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
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。
在原核细胞中，葡糖基（ glycosyl ） 的
供体是 ADP-葡萄糖，而不是 UDP-葡萄
糖（原核细胞中 UDP - 葡萄糖用来合成
细胞壁）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 163
2.6.3.2 脂类的贮藏
在原核细胞中，多聚 -β- 羟基丁酸
（ poly -β-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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 164
PHB 是一种线形多聚体（ 可达
菌体干重的 60 % ），它的降解需要
蛋白水解酶使 PHB 颗粒活化,随后
被 PHB 解聚酶（ depolymerase） 水
解成二聚体，最后切成单体。
真核细胞中没有发现 PHB, 却
有 中性脂 类的堆积。
2010-5-16 张星元：发酵原理 165
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） 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 166
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
工业发酵运行的立足点。
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 167
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？
2010-5-16 张星元：发酵原理 168
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？
第四节 化能异养型微生物代
谢中的能量形式转换
2010-5-16 张星元：发酵原理 2
化能异养型微生物利用化
学能源，并以有机化合物为主
要碳源和能源进行生命活动。
化学能源物质作为能源化合物
参与生物氧化，从而获得可以
直接支持生命活动（支撑生命）
的代谢能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 3
2.4.1 氧化还原对及其氧化还原电位
2.4.2 电子载体与高能（磷酸）键载体
2.4.3 生物学体系中的能量耦合
2.4.4 与呼吸、发酵对应的代谢能转换
机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 4
2.4.1 氧化还原对及其
氧化还原电位
2010-5-16 张星元：发酵原理 5
2.4.1.1 溶质标准状况的规定
2.4.1.2 生化反应前后自由能的变化
2.4.1.3 氧化还原电位的测定及标准
状况的规定
2010-5-16 张星元：发酵原理 6
氧化还原系统中成对的氧化物
和还原物被称为氧化还原对（ redox
couple）,又称为电极对，其通式为：
氧化型 / 还原型。
例如：
NAD+／ NADH+H+
Fe3+／ Fe2+。
2010-5-16 张星元：发酵原理 7
在氧化还原电极对之间有电子转移的
趋势，它们的还原电位（或称电极电位）
就是衡量这种电子转移（获得电子）的趋
势的物理量，记作,E,。 在物理化学标准
状况下电极对的还原电位, 叫标准还原电
位，记作 E0。在生物化学标准状态下电极
对的还原电位记作 E0′,叫生化标准还原电
位。所谓标准还原电位，是根据下述溶质
的标准状况的参考标准来定义的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 8
2.4.1.1 溶质标准状况的规定
2010-5-16 张星元：发酵原理 9
在生物系统中，溶质标准状
况有它的特殊性，因为 生化反应
通常在接近中性 pH 的稀水溶液
中进行 。已对生物系统的标准状
况作如下参考规定：
2010-5-16 张星元：发酵原理 10
①水的标准状况规定为纯液体
的标准状况。因而，水的浓度（或
活度）取作 1,尽管实际上水的摩
尔浓度为 55.5 mol/L。
② 氢离子的活度规定为对应于
在生理 pH 条件（ pH 7 ） 的活度，
而不是化学标准状态规定的 pH 0
（ 氢离子活度为 1 ）的活度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 11
③能经历酸碱反应的化合物的标
准状况规定为其天然存在的离子混合
物在 pH 7 的条件下的总浓度。这样
做的好处在于，通常测量一个化合物
的总浓度比测量其一种离子的浓度要
更容易些。然而，因为酸或碱的离子
组成随 pH 值而变化，用总浓度计算
标准自由能时，只能采用 pH 7 时的
浓度。
2010-5-16 张星元：发酵原理 12
使用上述参考规定时,标准自
由能变化一般用符号 ΔG 0′（ 生化标
准状况下自由能的变化） 来表示，
这里加上撇号,′”，以区别于物理
化学标准状况下自由能的变化 ΔG 0。
由于 自由能变化与所规定的参考状
况无关,所以参考状况是可以人为
选择的。
2010-5-16 张星元：发酵原理 13
然而，在用公式表示水和质子对
自由能变化的影响时，规定这参考状
况是很重要的，如果用生化标准状况
作参照，水的浓度可以从公式中省去。
类似地，如果反应在 pH7条件下进行，
则质子浓度不必包括在公式中（如果
反应在 pH 值不等于 7 的情况下进行，
质子浓度应当取与 10-7 有关的值，即
应当以, [H+ ]/10-7, 的方式出现）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 14
2.4.1.2 生化反应前后自由能的变化
2010-5-16 张星元：发酵原理 15
在活细胞内的反应条件是恒温、恒压
的条件。 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（反应的 ΔG′与变化的途径无
关）。
当 ΔG′＜ 0 时，反应能自发进行，并
能放出自由能量；
当 ΔG′＝ 0 时，反应已达到平衡；
当 ΔG′＞ 0 时，反应不能自发进行，
必须,注入” 代谢能才能进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 16
生物体内的反应在恒温、恒压下
进行，反应的自由能变化是：
ΔG′ = G′终态 － ′G始态
如果反应系统处于平衡状态，上
式可进一步化为：
ΔG′ = ΔG 0 ′+ RT ln Keq′
2010-5-16 张星元：发酵原理 17
当系统达到热力学平衡（ ΔG′= 0）,则
有：
ΔG 0′= - RT ln Keq′
R 是摩尔气体常数 8.314 [J·（ mol° K） -1 ]，
平衡常数 Keq′可以测得的，因此可以从该反
应的 Keq′值及绝对温度 T,来推算 ΔG 0′。 当
然 ΔG 0′的值也可以通过查表获得。
2010-5-16 张星元：发酵原理 18
2.4.1.3 氧化还原电位的测定
及标准状况的规定
2010-5-16 张星元：发酵原理 19
在测量电极对的还原电位时，常用
氢电极作为标准电极，并要求样品半电
池的氧化物、还原物对子的溶质的浓度
均为 l mol·L-1； 对参比半电池为氢电极
的情况来说,H+ 浓度为 l mol·L-1（ pH
值为 0）； H2为 l atm。 指定氢电极的标
准还原电位 E0为零，因此，两个半电池
的电位差即为样品对子的标准还原电位。
2010-5-16 张星元：发酵原理 20
为了使电极对的还原电位数据
有可比性，必须对溶质的标准状况
作上述严格的规定。下表列出了若
干在生物学上比较重要的氧化还原
对子的 E0 ′值。 E0 ′是在 pH 7.0 和
25℃ 条件下，相对于标准氢半电池
的生化标准还原电位的测定值。
2010-5-16 张星元：发酵原理 21
2010-5-16 张星元：发酵原理 22
可以预见，在生化标准状况
下，表中任何指定的氧化还原对，
倾向于还原任何列在它下面的氧
化还原对，其相对位置是它们之
间 氧化还原热力学自发性 的度量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 23
在生物体中，氧化还原反应的标准自由
能变化（ ΔG 0′ ） 实际上是与两个氧化还原
对之间的标准还原电位之差 （ ΔE0′） 成线
性关系的。两者的关系可用下式表示：
ΔG 0′= - nFΔE0′
式中,n 为电子传递数目,F 为法拉第
常数（ 9.6485× 104C／ mo1）,ΔE0′为电子
受体的 E0′减去电子供体的 E0′所得之差值。
2010-5-16 张星元：发酵原理 24
2.4.2 电子载体与高能
（磷酸）键载体
2010-5-16 张星元：发酵原理 25
2.4.2.1 电子载体与氢载体
2.4.2.2 高能（磷酸）键载体及能量偶联
2010-5-16 张星元：发酵原理 26
2.4.2.1 电子载体与氢载体
电子载体广义地包括脱氢酶的
辅酶和电子传递链的全体成员。广
义的电子载体又可以分为 氢载体 和
电子载体 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 27
脱氢酶的辅酶 NAD+实际上 是氢负
离子 （ hydride ion,即一个质子和一对
电子 ） 的载体； 黄素蛋白 和 CoQ 实际
上是 氢原子 （一个质子和一个电子 ）的
载体，它们均可称为氢载体。
铁硫蛋白 （ Fe-S-P ） 和 细胞色素 是
狭义的电子载体。
2010-5-16 张星元：发酵原理 28
这些载体的氧化型和各自的还
原型配对，组成各自的氧化还原电
极对。例如：
NAD+／ NADH+H+,FAD/FADH2、
CoQ / CoQH2 和 Fe3+／ Fe2+ 等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 29
2.4.2.2 高能（磷酸）键载体
及能量偶联
2010-5-16 张星元：发酵原理 30
根据热力学第二定律，当反应体系
的 ΔG ＞ 0 时反应不能自发进行，若要
进行，必须提供足够的、可以被反应体
系利用的能量。在细胞中，这种可以利
用的能量只能来源于放能反应所释放的
自由能，而且只有当放能反应提供的自
由能大于该需能反应所需的自由能时，
反应才能进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 31
生物学中定义：由放能
反应提供自由能，用以驱动
需能反应的过程，被称为放
能反应与需能反应之间能量
的偶联。
2010-5-16 张星元：发酵原理 32
然而，在生物体内，放能反应不
能与需能反应直接发生偶联，必须借
助能量载体才能将放能反应所释放的
自由能的一部分（生物可直接利用的
能量）提供给需能反应，从而驱动需
能反应。 大自然已选择 5′-三磷酸腺嘌
呤核苷（ ATP） 作为生物可直接利用
的能量的载体。我们把这种细胞可直
接利用的能量叫做代谢能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 33
高能磷酸
酯键
普通磷酸
酯键
2010-5-16 张星元：发酵原理 34
在生命活动过程中，生
物体不断地消耗 ATP,同时
也不断再生 ATP,因此 ATP
的转运、使用和再生是生物
最重要的生理过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 35
2.4.3 生物学体系中
的能量耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 36
在化能异养型微生物中，能
源化合物被氧化时放出的化学能
主要通过以下 3 种机制转换成生
物可以直接利用的能量 ——代谢
能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 37
2.4.3.1 直接化学耦合
2.4.3.2 电耦合
2.4.3.3 还原当量耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 38
2.4.3.1 直接化学耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 39
直接化学耦合指的是代谢中间化合
物参与的底物水平磷酸化的过程。也就
是代谢中间化合物 （ 如 1,3-2P-GA,
PEP,ScCoA和乙酰磷酸等高能磷酸化
合物）的 高能磷酸键的水解反应与 ADP
或 GDP 的磷酸化反应直接耦合 。 借助
于对应的酶的催化作用,在酶的底物的
水平上发生磷酸化作用,形成特殊的高
能化合物（ ATP,GTP） 的过程。
2010-5-16 张星元：发酵原理 40
这类代谢中间化合物，也就是前面所
谓酶的底物，包括酵解途径中由脱氢酶催
化的反应生成的 1,3-2P-GA,由烯醇化酶
催化生成的 PEP,TCA环中由 α- KG脱氢酶
催化生成的 ScCoA,以及 PK 途径中的由
磷酸酮解酶（ phosphoketolase） 裂解酮糖
生成的乙酰磷酸等高能化合物。这些高能
（ 磷酸 ） 化合物在对应的酶（ 1,3-2P-GA
对应于 3-P-GA 激酶,PEP对应于 PYR激酶）
的催化下将 ADP 磷酸化成 ATP。
2010-5-16 张星元：发酵原理 41
2.4.3.2 电耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 42
电耦合是指以质子运动势 Δp为媒
介，借助电子传递链和 ATP 酶,将
ATP的使用（ ATP→ADP） 与 ATP 的
再生（ ADP→ATP） 耦合起来。 详见
本章 2.4.4。
2010-5-16 张星元：发酵原理 43
2.4.3.3 还原当量耦合
⑴还原当量，⑵还原当量耦合
2010-5-16 张星元：发酵原理 44
⑴还原当量
讨论还原当量耦合问题，首先必须
弄清什么叫还原当量。
生物化学将相当于一个电子或一个
氢原子的还原力的量叫做一个还原当量。
本课程为了说明问题的方便，将相当于
一对电子或一个氢负离子（ hydride ion）
的还原力的量叫做一个还原当量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 45
所谓氢负离子是指 [H∶ ]-，
即 [H++ 2e-]-,也就是一个质子
和一对电子。
NADH是 NAD+[H∶ ]- 的简
写。
2010-5-16 张星元：发酵原理 46
因此,NAD+ 是氢负离子的载体，也
就是一对电子和一个质子的载体，当然也
是一对电子的载体。 脱氢酶的辅酶 NAD+
作为一对电子 （ 即还原当量 ） 的载体，
其氧化型是空载的，其还原型携带了还原
当量的，所以也有人把还原型辅酶当作还
原当量，或把它称为还原力。就像我们把
ATP称为代谢能，而实际上 ATP是代谢能
的载体一样。
2010-5-16 张星元：发酵原理 47
发生生物氧化时，还原性化合物（还
原剂）脱氢（氧化）而释放出“氢”（有
些书上标写为,2H” ）,这个,氢” 实
际上是 1对电子和 2个质子，这 2个质子有时
结合在辅酶或辅基上，有时其中一个质子
存在于溶液中，因此有：
NAD+ + 2H → NADH + H+
（ 其中一个质子和一对电子结合在辅酶分
子上，一个质子存在于溶液中）；
FAD + 2H → FADH2
（ 两个质子和一对电子都结合在辅基上）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 48
AMPFM N
FADH
FADH 2
FAD
图 4-23 FAD + 2H → FADH 2（这两个质子结合在辅基分子上）
2010-5-16 张星元：发酵原理 49
图 4-24 NAD+ + 2H → NADH + H+
（其中一个质子和一对电子结合在辅酶分子上，一个质子存在于溶液中）
[H﹕ ]ˉ
来自水相NAD(P) + NAD(P)H
2010-5-16 张星元：发酵原理 50
⑵还原当量耦合
还原当量耦合一般是指：直接
接受还原性化合物（还原剂）脱下
的电子而形成的还原型辅酶或辅基，
直接与细胞内不同的氧化还原反应
相耦合。
2010-5-16 张星元：发酵原理 51
在生物氧化过程中，还原性化
合物的降解通常涉及它们自身被氧
化，这就要求氧化型辅酶或辅基作
为 直接的电子受体 参与反应；另一
方面，微生物细胞内存在着许多需
还原的过程，要求有还原型的辅酶
或辅基作为 直接的电子供体 参与反
应。
2010-5-16 张星元：发酵原理 52
一些重要的辅酶，如 烟酰胺腺嘌呤二
核苷酸（ NAD）,其氧化型 NAD+可作为
直接的电子受体，其还原型 NADH可作为
直接的电子供体，因此能将这些氧化反应
和还原反应偶联起来。 如 GA-3-P 脱氢时
生成的 NADH 与乙醇脱氢酶催化的反应
相耦合，将乙醛还原成乙醇；另一个重要
的辅酶 NADP（ 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷
酸）, 其还原形式 NADPH 主要与还原性
合成反应相耦合。
2010-5-16 张星元：发酵原理 53
NAD+是一些常见的脱氢酶的
辅酶,如乳酸脱氢酶,丙酮酸脱
氢酶,α- 酮戊二酸脱氢酶,苹果
酸脱氢酶； NADP+ 是另一些常见
的脱氢酶的辅酶 G-6-P脱氢酶,6-
P-GA 脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶、
α- 磷酸甘油脱氢酶等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 54
FAD 和 FMN 是一些氧化还原酶（ 脱
氢酶 ）的辅基,这些酶因为有 FAD 或
FMN 作辅基而称黄素蛋白。以 FAD 为辅
基的酶有琥珀酸脱氢酶，脂酰 CoA脱氢酶
等；以 FMN（或 FAD ）为辅基的酶有 L-
氨基酸氧化酶,电子传递链的成员中也有
以 FMN（ 或 FAD ）为辅基的蛋白质,如
NADH 脱氢酶。
2010-5-16 张星元：发酵原理 55
尽管大多数脱氢酶（氧化酶）所
催化的反应是有专一性的，但这种共
同的氧化还原耦合机制,允许不同的
酶催化的脱氢（氧化）反应为同一个
还原反应提供还原当量，允许同一个
脱氢（氧化）反应为许多其他还原反
应提供还原当量。
2010-5-16 张星元：发酵原理 56
2.4.4 与呼吸、发酵对应的
代谢能转换机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 57
为了说明问题方便，以微生
物对葡萄糖的降解代谢为例，来
说明与呼吸、发酵对应的代谢能
转换机制。葡萄糖的降解可分成
3 个阶段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 58
第一阶段是指葡萄糖进入细胞，在胞
内以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯或葡萄糖酸的
磷酸酯的形式出现。
第二阶段是微生物细胞经酵解途径，
将葡萄糖或磷酸葡萄糖降解到处于 3C 水
平的丙酮酸。这个阶段不但通过底物水平
磷酸化生成 ATP,而且向细胞质释放还原
当量。
第三阶段是丙酮酸继续代谢和代谢产
物的分泌。这是区分葡萄糖的氧化性代谢
与发酵性代谢的关键性阶段。
2010-5-16 张星元：发酵原理 59
如果丙酮酸或由丙酮酸继续代
谢而生成的可用作还原当量吸收剂
的化合物（如乙醛）吸收第二阶段
释放的还原当量，生成相应的还原
产物（如乙醇）。这时微生物细胞
进行 发酵性代谢 。 这个过程因这些
还原产物的分泌而得以进行。
2010-5-16 张星元：发酵原理 60
如果遗传与环境条件许可，丙
酮酸相对容易地经 TCA环降解，最
终可被氧化降解成二氧化碳；第二
阶段（酵解）及第三阶段所释放的
还原当量则被电子传递链吸收并传
递给外源的最终电子受体。这时微
生物细胞进行 氧化性代谢 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 61
葡萄糖的氧化性降解代谢与发酵
性降解代谢两者最基本的区别在于：
氧化性降解代谢除了可以与发酵性降
解代谢一样通过底物水平磷酸化形成
ATP外，还 经电子传递磷酸化产生更
多的 ATP,从而允许微生物有更高的
生物合成速率及更高的细胞得率 ( 细
胞对葡萄糖的转化率 ) 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 62
2.4.4.1 与呼吸相对应的代谢能转换机制
2.3.4.2 与发酵相对应的代谢能转换机制
2010-5-16 张星元：发酵原理 63
2.4.4.1 与呼吸相对应的代谢能转换机制
与呼吸相对应的代谢能转换机制主
要是指：在电子传递过程中的构建质子
运动势 Δp 的机制, 以及 ADP被磷酸化
生成 ATP 的机制。呼吸既可以直接建
立 Δp（, 能库,），又可以间接地形成
ATP（, 能量货币”）。其机制分别是：
2010-5-16 张星元：发酵原理 64
①还原性化合物被氧化时放出的、
并由还原型辅酶或辅基转交的电子，
经电子传递链传给最终电子受体（分
子氧或含氧化合物），完成有氧呼吸
或无氧呼吸。在传递的过程中，把质
子从膜的一侧送到另一侧（因而电子
传递链有“质子泵”之称），从而建
立了跨膜的 Δp；
2010-5-16 张星元：发酵原理 65
② 质子可借助于 ATP合成酶
的质子通道（因而 ATP 合成酶也
有, 质子泵, 之称 ） 跨过膜，
在 ATP 合成酶的催化下，由 ADP
和磷酸根合成 ATP,按一定的计
量关系将 Δp 转化成 ATP。
2010-5-16 张星元：发酵原理 66
2.4.4.1 与发酵相对应的代谢能转换机制
发酵既可以直接形成 ATP,又可以
间接地建立 Δp,其机制分别是：
① 脱氢（或氧化）反应的直接或间
接产物高能磷酸化合物作为其对应的酶
的底物，在该酶的底物水平上发生磷酸
化作用，将 ADP磷酸化，生成 ATP；
② 借助 ATP 酶，消耗 ATP,把质
子从膜的一侧送到另一侧，从而可以按
一定计量关系增加 Δp。
2010-5-16 张星元：发酵原理 67
辅酶 NAD+ 吸收脱氢作用中放出的
电子，而被还原成 NADH。 NADH作为
电子供体将电子直接交给最终电子受体
（内源性有机化合物），生成发酵产物，
同时 NAD+ 得到再生。在此还原当量耦
合的过程中放出的自由能太少，不足以
生成 ATP,因此并没有代谢能形成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 68
第五节 质子运动势
和质子回路
2010-5-16 张星元：发酵原理 69
生物能学 （ bioenergetics） 是能量代
谢领域中专门研究能量转换膜（如线粒体
内膜、原核生物细胞的质膜等）及其功能
的学说。生物能学能帮助我们分析和理解
微生物有关代谢能的能量形式转换的机制。
本节主要讨论 化学渗透假设，电子传递链、
ATP酶、载体蛋白在膜上的分布以及质子
运动势的产生原理,并对生物能学中的 质
子回路 与电学中的电路（ 电子回路 ）进行
比较。
2010-5-16 张星元：发酵原理 70
2.5.1 化学渗透假设及质子运动势
2.5.2 微生物细胞内代谢能形式的转换
2010-5-16 张星元：发酵原理 71
2.5.1 化学渗透假设及质子运动势
2010-5-16 张星元：发酵原理 72
2.5.1.1 化学渗透假设
2.5.1.2 电子传递链成员,ATP合成酶
以及载体蛋白在膜上的分布
2.5.1.3 质子运动势
2010-5-16 张星元：发酵原理 73
2.5.1.1 化学渗透假设
2010-5-16 张星元：发酵原理 74
化学渗透假设的要点：
①生物膜具有拓扑学的完整性，它对离子，
特别是 H+和 OH-离子是不通透的（借助
特异的交换系统才能跨膜输送）；
②膜结构（蛋白质和脂质分布）的不对称
性导致膜功能的方向性；
③电子在电子传递链上的传递导致质子向
膜外排放；
④膜上嵌有用于质子跨膜的 ATP磷酸化酶
（ ATP合成酶）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 75
2.5.1.2 电子传递链,ATP 合成酶以及
载体蛋白在膜上的分布
2010-5-16 张星元：发酵原理 76
由磷脂双分子层组成的单位膜中
相对固定地镶嵌着电子传递链的成员、
ATP合成酶及载体蛋白。电子传递链
是一系列相互作用的多肽。它们各自
形成的氧化还原电极对还原电位的高
低顺序，以及它们在膜上的空间关系
的相对固定，为电子在电子传递链上
按相对固定的顺序流动提供了保证。
2010-5-16 张星元：发酵原理 77
呼吸链的主要成分是具有辅基
的载体蛋白，这些辅基的氧化还原
电位处于 NAD+ 和分子氧之间，在真
核微生物的线粒体膜和细菌的细胞
质膜上,NADH的电子经还原电位逐
步提高的一连串载体，一直传送到
分子氧。
2010-5-16 张星元：发酵原理 78
2010-5-16 张星元：发酵原理 79
左图描绘
了大肠杆菌细
胞质膜的情况：
由磷脂双分子
层组成的单位
膜中相对固定
地镶嵌着电子
传递链的成员、
ATP合成酶及
载体蛋白。电
子传递链在图
中被描绘成一
系列相互作用
的蛋白质。
2010-5-16 张星元：发酵原理 80
从图可见,ATP酶的 F1亚基不是被包
埋在膜的磷脂双分子层中，而是紧贴于膜
上，是膜的周边蛋白。电子传递链的组分
如黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素 b, 细
胞色素 o 等，被包埋在磷脂双分子层中，
属整合蛋白。像 ATP 合成酶的 F0 亚基和
β-半乳糖苷透性酶 （ 乳糖 / H+ 同向输送
的载体蛋白 ）,这类用于输送的载体蛋
白穿透整个磷脂双分子层结构，又被称为
膜输送蛋白。
2010-5-16 张星元：发酵原理 81
FMN
FMNH2
氧化型
还原型
2010-5-16 张星元：发酵原理 82
AMP
FMN
FADHFAD
2010-5-16 张星元：发酵原理 83
不同形式的铁硫蛋白
蛋白质
蛋白质
2010-5-16 张星元：发酵原理 84
醌
（ CoQ）
半醌
氢醌
（ CoQ H2）
2010-5-16 张星元：发酵原理 85
a-型血红素
b-型血红素
c-型血红素
细胞色素氧化酶
的 Cyt a 和 Cyt a3
中的铁卟啉
CoQH2-Cyt c 还原酶
复合物的 Cyt b562 和
Cyt b566 中的铁卟啉
CytC 和 CytC1
中的铁卟啉
细
胞
色
素
中
的
铁
卟
啉
2010-5-16 张星元：发酵原理 86
大肠杆菌细胞
质膜上输送蛋
白、电子传递
链和 ATP酶，
及它们各自的
功能的示意图。
图中：
1,黄素蛋白；
2,铁硫蛋白；
3,细胞色素 b;
4,细胞色素 o;
5/6,ATP酶；
7,输送蛋白。
2010-5-16 张星元：发酵原理 87
真核细胞线粒体上的电子传递链及 ATP酶
2010-5-16 张星元：发酵原理 88
2.5.1.3 质子运动势
2010-5-16 张星元：发酵原理 89
质子运动势（ proton motive force，
简称 pmf ）,是参照电动势（ electron
motive force） 汉译的。质子运动势和
电动势的单位都是伏特。
根据化学渗透假设,膜对质子是
不透的，电子传递质子泵,ATP 酶质
子泵的运转 在膜两边建立了质子运动
势。
2010-5-16 张星元：发酵原理 90
质子运动势 Δp, 一般由电分
量（电荷因子） ΔΨ 和化学分量
（浓度因子） － Z（ ΔpH ） 两项
组成：
Δp = ΔΨ － Z（ ΔpH ）
2010-5-16 张星元：发酵原理 91
上式中,ΔΨ 代表跨膜电位 ；－ Z（ ΔpH ）
代表膜两边 H+浓度差引起的电位差的。
Δp = p外 － p内,
ΔΨ = Ψ外 － Ψ内，
ΔpH = pH外 — pH内
Z是将 pH值转变为电势单位的转换系数。
Z = 2.3 RT/ F,30℃ 时,Z = 60 mV。
R为摩尔气体常数 [8.314 J·（ mol ° K） -1]、
T为绝对温度（° K）、
F为法拉第常数（ 9.618× 104 C·mol-1）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 92
2010-5-16 张星元：发酵原理 93
热力学第一定律告诉我们，能量
既不可能创生也不可能消灭，只能从
一种形式的能量转变成另一种形式的
能量。微生物的代谢能来自化学能或
光能，对于化能异养型微生物来说只
能来自生物氧化过程中释放的化学能。
代谢能的两种主要形式 ATP 和 Δp 的
关系就类似于货币与银行的关系。
2010-5-16 张星元：发酵原理 94
2.5.2.1 电子在电子传递链上的传递建立 Δp
2.5.2.2 ATP的形成与电子传递磷酸化的产率
2.5.2.3 胞内 pH值自动（调节）动态平衡
2.5.2.4 化学渗透质子回路及其功能的有关讨论
2010-5-16 张星元：发酵原理 95
2.5.2.1 电子在电子传递链上的传递
和 Δp 的建立
2010-5-16 张星元：发酵原理 96
++++
－
－
－
－
NADH + H+
NAD+
Q
QH2
2H+
2H+
2H+
FMN
Fe-S-P
b
d
o
? O2 + 2H+
H2O
2e -
2e -
2e -
E.coli 质膜胞外 胞内
2 H2O
2 OH-
大
肠
杆
菌
质
膜
上
的
电
子
传
递
链
及
质
子
泵
出
机
制返回
NADH脱氢酶的组成部分
细胞色素氧化酶
2010-5-16 张星元：发酵原理 97
细菌细胞膜内侧的一个 H+及由 NAD+运
载的氢负离子（ 包含一个 H+和一对电子 ）
首先被传送到横跨在膜上的 NADH 脱氢酶
的组分 黄素蛋白,把它的辅基 FMN 还原成
FMNH2； 接着，已传送到 FMNH2 的这一对
电子通过 NADH脱氢酶的另一组分 铁硫蛋白
返回到细胞膜的内表面，而 2 个 H+则被留在
细胞膜的外侧的水相中，与此同时 FMNH2
被再生为 FMN。
2010-5-16 张星元：发酵原理 98
电子载体铁硫蛋白得到的这对电子与
细胞质内的 2 个 H+ 一起,把 1 分子泛醌
（ CoQ） 还原成氢醌（ CoQH2）； 带着这
对电子和这 2 个 H+的氢醌将这对电子交给
贴近膜外侧的细胞色素 b,把这 2 个 H+释
放到胞外，自身又回复成泛醌；然后，细
胞色素 b 又把这对电子传递给细胞色素 o
（ 细胞色素氧化酶）。最后，传递到细胞
色素 o 的这对电子还原胞内的分子氧，同
时消耗膜内侧 2 个 H+,生成水。
2010-5-16 张星元：发酵原理 99
由此可见在大肠杆菌中借助电子传递
链每氧化 1分子 NADH,就有 4个 H+被转移
出去。 H+的转移在膜两边形成质子梯度，
蕴藏在这个梯度中的能量可用于推动各种
细胞过程。例如，在酵母细胞质中 2 个 H+
通过 ATP合成酶进入线粒体，可驱动 1 分
子 ATP的合成，质子梯度能驱动某些糖和
氨基酸的简单主动输送，驱动细菌鞭毛旋
转等。
2010-5-16 张星元：发酵原理 100
从以上分析得知，在电子传递
磷酸化的电子传递过程中，像泵一
样把质子泵出细胞。 每当电子从氢
载体传到电子载体时，把质子留在
膜外，当电子从电子载体传到氢载
体时，从膜内侧吸取质子，完成质
子泵的功能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 101
细菌细胞质膜（左）和真核细胞的线粒体内膜（右）上
的电子传递过程的比较图
2010-5-16 张星元：发酵原理 102
对大肠杆菌细胞质膜来说,NADH
所负载的一对电子在经电子传递链传到
最终电子受体分子氧的过程中，只能泵
出 4 个 H+； 而在酵母细胞中经线粒体上
的电子传递链（其细胞色素系统比细菌
的细胞色素系统复杂），一共可泵出 6
个 H+。
2010-5-16 张星元：发酵原理 103
有些化能自养型的细菌以硫化物、硫、
亚硝酸等还原性化合物为氢供体（能源），
由于这些氢供体各自形成的氧化还原对的还
原电位比 NAD+/NADH+H+ 的还原电位高，
它们在热力学上不可能直接还原 NAD+,故
假设在这些细菌中 NAD（ P） + 的还原只能
由 ATP驱动的 反向电子传递 来完成。
2010-5-16 张星元：发酵原理 104
在这种情况下，微生物细
胞依赖于电子反向传递而形成
的 NAD（ P） H + H+来把 CO2
（ 碳源 ）还原成有机化合物 。
而 ATP的合成则借助于电子传
递链后段的顺向电子传递。
2010-5-16 张星元：发酵原理 105
2.5.2.2 ATP的形成与电子
传递磷酸化的产率
2010-5-16 张星元：发酵原理 106
电子传递通常与 ATP的合成紧
密耦合。只有当电子传递链发生并
提供了质子梯度时,ATP才得以生
成； 只有当 ADP 同时被磷酸化成
ATP时，电子才经电子传递链流向
氧。 氧化磷酸化的实际速率取决于
细胞内可利用的 ATP的量（浓度）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 107
氧化磷酸化需要 NADH（或 FADH2 ）,
氧，以及 ADP,无机磷酸。如果把 ADP加到
线粒体，当电子顺向传递时，氧消耗速率上
升；当 ADP 已被磷酸化为 ATP 时，氧的消
耗速率下降，这个过程叫做 呼吸控制 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 108
这个机制可以保证,当需要 ATP合成
时，电子才向下传递。 如果 ATP 水平高，
ADP水平低，就不会发生电子传递。如果
NADH和 FADH2累积,TCA环和酵解受抑
制。呼吸控制按如下方式进行：
关闭：【 ATP】 ↑→ 电子传递受阻 →
【 NADH或 FADH2】 ↑→ TCA环和酵解受
抑制。
开启：【 ADP】 ↑→ 拉动电子传递 →
【 NADH或 FADH2】 ↓→ TCA环和酵解就
畅通。
2010-5-16 张星元：发酵原理 109
生物化学把从 ADP 形成 ATP 的过程叫
做磷酸化。磷酸化有两种方式，即 底物水平
磷酸化 和 电子传递磷酸化 。 电子传递磷酸化
是指与电子传递链上电子传递过程相耦合的
磷酸化,这种磷酸化要借助膜上的 ATP合成
酶，消耗 Δp 而生成 ATP。
电子传递磷酸化的 产率 主要取决于以下
因素：① 用来泵出质子并形成 Δp 的细胞色
素系统；② 最终电子受体的类型； ③ ATP
合成酶的效率。
2010-5-16 张星元：发酵原理 110
因此就出现了电子传递磷酸化的产
率问题，即 ATP/NADH之比值。例如，
需氧生长中的大肠杆菌与酵母菌两者都
形成 NADH, 它的一对电子经电子传递
链传到分子氧，大肠杆菌泵出 4 个 H+，
而酵母菌泵出 6 个 H+,这是因为它们的
细胞色素系统不同 。
2010-5-16 张星元：发酵原理 111
此外，大肠杆菌的 ATP合成酶合
成 1个 ATP需消耗 2～ 3个 H+,而酵母
线粒体的 ATP合成酶只有消耗将近 2
个 H+ 。因此,1 分子 NADH（ 即每对
电子）在大肠杆菌可能相当于 1～ 2分
子 ATP,而酵母能产 3 个 ATP分子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 112
2.5.2.3 微生物细胞内代谢能形式的转换
2010-5-16 张星元：发酵原理 113
微生物细胞内代谢能的主要存在
形式是 ATP 和 Δp 。 借助于 ATP 酶，
ATP 形式的代谢能和 Δp 形式的代谢
能，能够互相转换。如果把 ATP看作
为生物体的能量货币,那么 Δp 相当
于能量银行，也就是能库。货币可以
存入银行，也可以从银行取出。银行
和货币都有支付的功能。
2010-5-16 张星元：发酵原理 114
代谢能形式的转换与代谢能的支出
2010-5-16 张星元：发酵原理 115
估计微生物细胞产生代谢能的潜在
能力远远超过代谢能的消耗，酵解酶系
统以及线粒体氧化还原酶系统所形成的
ATP量，也大大超过生物合成过程以及
种种做功过程所需要的 ATP量。然而，
细胞始终根据实际需要对 ATP的形成进
行精细的调节,根据需要控制代谢能的
来路和去向。
2010-5-16 张星元：发酵原理 116
在细胞中,ATP的周转十分迅速，
有的细菌的 ATP半衰期 ——也就是存
在于细胞中的全部 ATP分子总数的一
半用于驱动需能反应并从放能反应再
生所需的时间 ——通常只有几秒钟甚
至更短。
2010-5-16 张星元：发酵原理 117
ATP 和 Δp 这两种不同
形式的代谢能同时支持生
命活动，一刻也不能松弛；
因而有 代谢能支撑 之说。
2010-5-16 张星元：发酵原理 118
2.5.2.4 胞内 pH值自动动态平
衡（ pH homeostasis）
2010-5-16 张星元：发酵原理 119
大多数酶和蛋白质都有一个相当狭
窄的表现活性的最适 pH 值范围。相对
而言，微生物细胞具有在较宽的 pH 值
范围内生长的能力。细菌具有在宽广的
pH 值范围的介质中生长的能力。 按细
菌适宜生长的 pH 值范围，可以把它们
分成嗜酸性、嗜中性和嗜碱性 3 类。
2010-5-16 张星元：发酵原理 120
大肠杆菌是嗜中性的，其生长 pH
值为 5～ 8,H+ 浓度变化可达 1000 倍，
其存活的 pH 值范围是 4～ 9,H+ 浓度
变化可达 100000倍。即使环境 pH 值有
如上变化，胞内 H+浓度变化不到 10 倍，
通常远远小于 10 倍。外部 pH 值从 5.5
上升到 8，而胞内 pH 值的变化仅仅是
7.2到 7.7，这种 pH自动动态平衡究竟是
怎样完成的呢?
2010-5-16 张星元：发酵原理 121
许多因素都可能缓冲胞内 pH 值，维持
胞内 pH 值自动动态平衡（ pH homeostasis）。
它们包括：
①细胞内化学物质自身的缓冲能力，
②与呼吸和 ATP水解相关的 H+向外输送，
③以 H+交换某些阳离子的电中性的输送系统，
特别是 H+与 Na+（ 或 K+ ） 交换的输送系统，
2010-5-16 张星元：发酵原理 122
例如，当环境 pH 值下降时，细胞内
pH值的任何下降都将触发 K+/H+反向输送,
当它逐出 H+的时候将 K+ 带入细胞，从而
使细胞内 pH值维持在 7.5 左右，造成一个
较大的 ΔpH。 同样地，外部 pH 值的上升
将引起细胞质的碱化，触发 Na+/H+ 反向
输送,从而逐出 Na+,引入 H+,酸化细胞
质。此外，细菌还能诱导对抗酸性的保护
体系（耐酸性响应），以抵抗环境的酸性。
2010-5-16 张星元：发酵原理 123
2.5.2.4 化学渗透质子回路及其功能的
有关讨论
⑴ 质子泵及其正向运转的定义
⑵ 跨越能量转换膜的质子回路
⑶ 质子回路与电路的比较研究
2010-5-16 张星元：发酵原理 124
⑴质子泵及其正向运转的定义
原核细胞（如细菌细胞）的质膜，
真核细胞（如酵母细胞）的线粒体内
膜都是能量转换膜，从以上讨论可以
看出每一种能量转换膜都具有两类质
子泵，一类是通过电子转移（或捕获
光子）来驱动，而另一类则是通过水
解 ATP来驱动。
2010-5-16 张星元：发酵原理 125
这两类质子泵的作用是一致的，
即电子沿电子传递链的顺向传递及
ATP 酶对 ATP 的水解都会将质子
（ H+ ）, 泵出,, 从而形成膜
电位（外正内负）。 我们把质子泵
的“泵出”定义为正向运转。
2010-5-16 张星元：发酵原理 126
⑵跨越能量转换膜的质子回路
在有氧条件下，微生物体内的 ATP不
断地被细胞质内各种反应所消耗（在线粒
体内也因种种原因而使 ATP 浓度下降），
因此就必须通过消耗膜电位而合成的 ATP
来补充。也就是要求 ATP合成酶质子泵反
向运转，使质子不断进入细胞（或线粒体）
内。
2010-5-16 张星元：发酵原理 127
ATP合成酶质子泵反向运转所消
耗的膜电位则可由呼吸条件下的电子
传递链质子泵的正向运转（泵出）来
补充，从而形成跨越能量转换膜的质
子回路。根据化学渗透假设可以画出
化学渗透质子回路：
2010-5-16 张星元：发酵原理 128
ATP
跨越能量转换膜的质子回路与直流电路的比较
ATP酶
呼吸链
2010-5-16 张星元：发酵原理 129
这种回路与电路（电子回路）在
形式上十分相似。它们都有电源、用
电器和导线等，只是在 质子回路中流
动的是质子, 在电子回路中流动的是
电子 。在质子回路中，质子流的
,导线, 分别为膜两侧的溶液；而
,用电器, 一般是指 ATP 酶复合物。
2010-5-16 张星元：发酵原理 130
在详尽地讨论复杂的电子或质子流
动时，这种相似性仍然保持，仍然正确
如同在电学中一样，我们可以测定或计
算质子回路的“电动势”，“电流强度”
和,电阻,。这里,电动势,相当于
质子运动势，“电流强度”相当于质子
流强度，,电阻, 则反映质子回路组
分的质子传导性能（ conductance of
proton ）,在数值上等于质子流量除跨
越回路中的这一组分前后的电位降。
2010-5-16 张星元：发酵原理 131
显然，为了防止“短路”（质子
无阻力跨膜），膜必须是封闭的，并
且对质子流来说并非“导体”，而这
些事实上也就是化学渗透学说成立的
先决条件或基本假定。
2010-5-16 张星元：发酵原理 132
从质子回路这个观点出发，可以
清楚地认识到：通过电子传递而发生
的氧化过程与 ADP的磷酸化过程之间
的偶联，需要质子运动势 Δp（ 能库）
作为中间媒介。
2010-5-16 张星元：发酵原理 133
⑶质子回路与电
路的比较研究
如左图（ a） 所
示，质子回路正常
运转并做有用功，
也就是 ATP酶（质
子回路的用电器）
合成 ATP。 对照电
路，电源与电灯接
通，电灯亮。
2010-5-16 张星元：发酵原理 134
如图 2-34（ b） 所示,ATP合成酶复合物
的质子阱 （ F0亚基 ）受阻塞，比如寡霉素与
真菌的 ATP 合成酶复合物中的寡霉素敏感授
予蛋白 OSCP 结合，使质子阱阻塞，质子回
路不通。 在这种情况下，电子传递链质子泵
打出去的质子 无法重新回到线粒体的基质中
去,膜电位达一定值后,电子传递链质子泵
停止运行,膜电位达到最大值。 因为电子传
递过程必须与 ADP 的磷酸化过程偶联，质
子阱阻塞使呼吸作用不能继续下去,相当于
电路中的断路状态。 这里寡霉素起了 能量转
移抑制剂 的作用。
2010-5-16 张星元：发酵原理 135
如图 2-34（ c） 所示，在质子回路中，因加入质
子移位体，如羰基氰 -对 -三氟甲氧基苯腙（ FCCP）
或 2,4 -二硝基苯酚（ DNP ）,造成质子回路的短路，
也就是说质子实际上不经过 ATP 合成酶复合体，而
是在质子移位体的帮助下,轻易地进入细菌细胞或
线粒体的。它们的加入能 促进电子传递过程（ 即促
进呼吸作用 ），但没有相应化学计量的 ATP合成 。
正如电路短路时，电路中实际上没有电流通过，或
几乎没有电流通过电灯，电流没有做使灯发光的有
用功，而以放热的方式被消耗掉。起这种作用的质
子移位体被称为 解偶联剂,实质上它们能瓦解已形
成的能库。
2010-5-16 张星元：发酵原理 136
如图 2-34（ d） )所示，在质子回路中，因加
入某些会破坏电子传递链的成员的化合物（如氰
化物、抗霉素），使电子传递过程不能正常进行，
从而抑制 Δp 的形成,使质子回路失去动力,或
者说无法形成质子回路，当然也就没有 ATP的形
成。这种情况正如没有电源的电路一样，灯是不
会亮的。这类加入的化合物称为 电子传递链抑制
剂,其作用是阻止或抑制能库的形成。质子回路
的功能除了形成 ATP外，还有驱动简单主动传送
等，前面已有叙述。
2010-5-16 张星元：发酵原理 137
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 138
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 139
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 140
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 141
2.6.1 微生物细胞的生长能学
生长能学（ 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 142
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 143
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 144
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 145
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。这里将讨论合
成生物大分子的代谢成本。
2010-5-16 张星元：发酵原理 146
组成细胞的生物大分子可分成以
下几类,① RNA；② DNA；③ 蛋白
质；④碳水化合物（糖类）；⑤氨基
碳水化合物（氨基糖类）；⑥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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 147
⑴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 个氨基酸一共要消耗 4.3
个 ATP。
2010-5-16 张星元：发酵原理 148
⑵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。
⑶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。
⑷磷脂等的生物合成成本（略）
2010-5-16 张星元：发酵原理 149
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 150
2.6.2 用于维持的 ATP消耗
2010-5-16 张星元：发酵原理 151
许多细胞反应需要消耗 ATP,但
这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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 152
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 153
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，但
不会导致新菌体量的合成,因此是维
持过程的典型例子。
2010-5-16 张星元：发酵原理 154
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%。
2010-5-16 张星元：发酵原理 155
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的净消
耗。
2010-5-16 张星元：发酵原理 156
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 157
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 158
2.6.3 微生物能量的贮存
2010-5-16 张星元：发酵原理 159
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 160
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
2010-5-16 张星元：发酵原理 161
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 （ trehalose），
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 162
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
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。
在原核细胞中，葡糖基（ glycosyl ） 的
供体是 ADP-葡萄糖，而不是 UDP-葡萄
糖（原核细胞中 UDP - 葡萄糖用来合成
细胞壁）。
2010-5-16 张星元：发酵原理 163
2.6.3.2 脂类的贮藏
在原核细胞中，多聚 -β- 羟基丁酸
（ poly -β-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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 164
PHB 是一种线形多聚体（ 可达
菌体干重的 60 % ），它的降解需要
蛋白水解酶使 PHB 颗粒活化,随后
被 PHB 解聚酶（ depolymerase） 水
解成二聚体，最后切成单体。
真核细胞中没有发现 PHB, 却
有 中性脂 类的堆积。
2010-5-16 张星元：发酵原理 165
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） 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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 166
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
工业发酵运行的立足点。
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。
2010-5-16 张星元：发酵原理 167
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？
2010-5-16 张星元：发酵原理 168
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？
