大肠杆菌在葡萄糖发酵过程中阴离子和阳离子的流动及其生化意义

摘要

大肠杆菌通过葡萄糖发酵产生的最终产物包括甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等有机酸。阴离子通过与F_OF₁-ATP酶介导的协同转运机制（该酶以水解模式运作）一起随质子从细胞中转运出去。本研究测量并分析了在pH 7.5的发酵条件下，当葡萄糖浓度分别为2 g L^-1和8 g L^-1时，大肠杆菌整个细胞中H⁺的外流、K⁺的内流以及甲酸盐、乙酸盐、乳酸和琥珀酸盐的外流速率的新数据。实验在添加了0.2 mM N,N’-二环己基碳二亚胺（DCCD）的情况下以及未添加DCCD的情况下进行，同时也考虑了外部甲酸盐的存在与否。在培养基中葡萄糖浓度为2 g L^-1且额外添加了2 g L^-1葡萄糖的情况下，平均DCCD敏感的H⁺外流速率为（1.83 ± 0.20）× 10^-3 mmol min^-1，这一速率几乎完全被（琥珀酸 + K⁺）的转运速率（1.94 ± 0.12）× 10^-3 mmol min^-1所抵消。在其他实验条件下，例如存在10 mM外部甲酸盐的情况下，或者在培养基中葡萄糖浓度为8 g L^-1且额外添加了2 g L^-1葡萄糖的情况下，这一等价关系同样成立。此外，还比较了野生型与突变型atpB（a）和atpE（c）大肠杆菌细胞在生长pH 7.5且额外添加了2 g L^-1葡萄糖条件下的离子转运速率。文章讨论了这些发现的生化意义，并提出了一个与实验观察结果一致的结构模型，该模型涉及F_OF₁-ATP酶的协同转运和超复合物的形成。最后，文章还探讨了未来研究的广阔前景以及在这些生物能量学和生物膜转运关键领域取得进一步进展所需的技术创新。