第二节微生物细胞内外的物质交换

第二节微生物细胞内外的物质交换内容摘要：

酶）；③直接用于输送的代谢能。 2020/11/4 张星元：发酵原理 61 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； 2020/11/4 张星元：发酵原理 62 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 63 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） 2020/11/4 张星元：发酵原理 64 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 65 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 66 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、 NH 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 67 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 68 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 69 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 70 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 71 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 72 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 73 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 74 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 75 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 76 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 77 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 Dα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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 78 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 79 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 80 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 81 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 82 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 83 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。 2020/11/4 张星元：发酵原理 8。