《水污染控制工程》微生物的能量代謝

微生物的能量代謝

能量代謝的中心任務(wù)是生物體如何把外界環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活

動(dòng)都能使用的通用能源——ATP。對微生物來說，它們可利用的最初能源有三大類即：有機(jī)

物、日光和還原態(tài)無機(jī)物。

一、異養(yǎng)微生物的生物氧化

生物氧化是發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧反應(yīng)的總稱。生物氧化的形式包括某物質(zhì)

與氧結(jié)合、脫氫或失去電子；生物氧化的過程可分為脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受

氫（或電子）三個(gè)階段；生物氧化的功能則有產(chǎn)能、產(chǎn)還原力和產(chǎn)小分子中間代謝物三種。

異養(yǎng)微生物氧化有機(jī)物的方式，根據(jù)氧化還原反應(yīng)中電子受體的不同可分成發(fā)酹和呼吸兩種

類型，而呼吸以可分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種方式。

1.發(fā)酵

發(fā)酵是指微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完成氧化的某種中間

產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。在發(fā)酵條件下有機(jī)化合物只是部分地被氧

化，因此只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵過程的氧化是與有機(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的。被還

原的有機(jī)物來自于初始發(fā)酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。

發(fā)酵的種類有很多，可發(fā)酵的底物有糖類、有機(jī)酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄

糖最為重要。生物體內(nèi)葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解，主要分為四種途徑：EMP、

HMP、ED、磷酸解酮酶途徑。

（1）EMP途徑

整個(gè)EMP途徑大致可分為兩個(gè)階段。第一階段可認(rèn)為是不涉及氧化還原反應(yīng)及能量釋放

的準(zhǔn)備階段，只是生成兩分子的主要中間代謝產(chǎn)物：甘油醛-3-磷酸。第二個(gè)階段發(fā)生氧化

還原反應(yīng)，合成ATP并形成兩分子的丙酮酸。在糖酵解過程中，有兩分子ATP用于糖的磷

酸化，但合成出四個(gè)分子的ATP,因此每氧化一個(gè)分子的葡萄糖凈得兩個(gè)ATP。

在兩分子的1，3-二磷酯甘油酸的合成過程中，兩分子NAD+被還成為NADH。然而，細(xì)

胞中的NAD+供應(yīng)是有限的，假如所有的NAD+都轉(zhuǎn)化為NADH,葡萄糖的氧化就得停止。

因?yàn)楦视?3-磷酸的氧化反應(yīng)只有在NAD+存在時(shí)才能進(jìn)行。這一路徑可以通過將丙酮酸還

原，使NADH氧化重新成為NAD+而得以克服。例如在酵母細(xì)胞中丙酮酸被還原成為乙醇,

并伴有C02的釋放。而在乳酸菌細(xì)胞中，丙酮酸被還原成乳酸。對于原核生物細(xì)胞，丙酮

酸的還原途徑是多樣的，但有點(diǎn)是一致的：NADH必須重新被還原成NAD+,使得酵解過

程中的產(chǎn)能反應(yīng)得以進(jìn)行。

EMP途徑可為微生物的生理活動(dòng)提供ATP和NADH,其中間產(chǎn)物又可為微生物的合成代

謝提供碳骨架，并在一定的條件下可逆轉(zhuǎn)合成多糖。

(2)HMP

HMP途徑是從葡萄糖-6-磷酸開始的，HMP途徑的一個(gè)循環(huán)的最終結(jié)果是一分子葡萄糖

-6-磷酸轉(zhuǎn)變成一分子甘油醛-3-磷酸，三分子C02和六分子NADPHo一般認(rèn)為HMP途徑

合成不是產(chǎn)能途徑，而是為生物合成提供大量的還原力（NADPH）和中間代謝產(chǎn)物。如核

酮糖-5-磷酸是合成核酸，某些輔酶及組氨酸的原料。另外HMP途徑中產(chǎn)生的核酮糖-5-磷酸,

還可以轉(zhuǎn)化為核酮糖-1,5-二磷酸，在竣化酶作用下固定C02,對于光能自養(yǎng)菌、化通自養(yǎng)

菌具有重要意義。雖然這條途徑中產(chǎn)生的NADPH可經(jīng)呼吸鏈氧化產(chǎn)能，1摩爾葡萄糖經(jīng)

HMP途徑最終可得到35摩爾ATP,但這不是代謝中的主要方式。因此，不能把HMP途徑

看作是產(chǎn)生ATP的有效機(jī)制。大多數(shù)好氧和兼性厭氧微生物中都有HMP途徑，而且在同一

微生物中往往同時(shí)存在EMP和HMP途徑，單獨(dú)具有EMP和HMP途徑的微生物較少見。

（3）ED途徑

ED途徑是在研究嗜糖假單胞菌時(shí)發(fā)現(xiàn)的，在ED途徑中，葡萄糖-6-磷酸首先脫氫產(chǎn)生葡

萄糖酸-6-磷酸，接著在脫水酶和醛縮酶的作用下，產(chǎn)生一個(gè)分子甘油醛-3-磷酸和一個(gè)分子

丙酮酸。然后甘油醛-3-磷酸進(jìn)入EMP途徑轉(zhuǎn)變成丙酮酸。一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生

成兩分子丙酮酸、一分子ATP、一分子NADPH和NADH。ED途徑在革蘭代陰性菌中分布

廣泛，特別是假單胞菌和固氮的某些菌株較多存在。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑

而單獨(dú)存在，但對于靠底物水平磷酸化獲得ATP的厭氧菌而言，ED途徑不如EMP途徑。

（4）磷酸解酮酶途徑

磷酸解酮酶途徑是明串珠菌在進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵過程中分解已糖和戊糖的途徑。該途徑

的特征性酶是磷酸解酮酶，根據(jù)解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的稱為PK途徑，把

具有磷酸已糖解酮酶的稱為HK途徑。

在糖酵解過程中生成的丙酮酸可被進(jìn)一步代謝。在無氧條件下，不同的微生物分解丙酮

酸后會(huì)積累不同的代謝產(chǎn)物。目前發(fā)現(xiàn)多種微生物可以發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乙醇，能進(jìn)行乙醇發(fā)

酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些細(xì)菌。根據(jù)在不同條件下代謝產(chǎn)物的不同，可將

酵母菌利用葡萄糖進(jìn)行的發(fā)酵分為三種類型：如果以乙醛（丙酮酸脫竣）為受體生成乙醇，

這種發(fā)酵稱為酵母的一型發(fā)酵；當(dāng)環(huán)境中存在亞硫酸氫鈉時(shí)，不能以乙醛作為受體，而以磷

酸二羥丙酮作為受體時(shí)，產(chǎn)物為甘油，稱為酵母的二型發(fā)酵；在弱堿性條件下（PH7.6）,乙

醛因得不到足夠的氫而積累，兩個(gè)乙醛分子間會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，一個(gè)作為還原劑形成乙酸，

一個(gè)作為氧化劑形成乙醇，受體為磷酸二羥丙酮，發(fā)酵產(chǎn)物為甘油、乙醇和乙酸，稱為酵母

的三型發(fā)酵。這種發(fā)酵方式不產(chǎn)生能量，只能在非生長的情況下進(jìn)行。

不同的細(xì)菌進(jìn)行乙醇發(fā)酵時(shí)，其發(fā)酵途徑也各不相同。如厭氧發(fā)酵單胞菌是利用ED途

徑分解葡萄糖為丙酮酸，最后得到乙醇。腸桿菌則是利用EMP途徑來進(jìn)行乙醇發(fā)酵。

許多細(xì)菌能利用葡萄糖產(chǎn)生乳酸，這類細(xì)菌稱為乳酸細(xì)菌。根據(jù)產(chǎn)物的不同，乳酸發(fā)酵

有三種類型：同型乳酸發(fā)酹（利用EMP途徑產(chǎn)物只有乳酸）、異型乳酸發(fā)酵（利用PK乳酸

及部分乙醇或乙酸）和雙歧發(fā)酵（利用雙歧雙歧桿菌發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乳酸的一條途徑）。

許多厭氧菌可進(jìn)行丙酸發(fā)酵、丙酮-丁醇發(fā)酵；某些腸桿菌可進(jìn)行混合酸發(fā)酵，產(chǎn)物為乳

酸、乙酸、甲酸、乙醇、C02和氫氣等。

2呼吸作用

微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)、FAD或FMN等電子載體,

再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過程，

稱為呼吸作用。其中以分子氧作為最張終電子受體的稱為有氧呼吸，以氧化型化合物作為最

終電子受體的稱為無氧呼吸。呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：電子載體不是將電子直

接傳遞給給底物降解的中間產(chǎn)物，而交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再將取終電子受

體。

(1)有氧呼吸

在發(fā)酵過程中，葡萄糖經(jīng)過糖酵解作用形成的丙酮酸在厭氧化條件下轉(zhuǎn)變成不同的發(fā)酵

產(chǎn)物，而在有氧呼吸過程中，丙酮酸進(jìn)入三竣酸循環(huán)(TCA)被徹底氧化成水和C02,同

時(shí)釋放出大量能量。

在TCA循環(huán)過程中，丙酮酸完全氧化為三個(gè)分子的C02,同時(shí)生成四分子的NADH和

一分子FADH2oNADH和FADH2可以電子傳遞系統(tǒng)重新被氧化，由此每一氧化一分子

NADH可生成三個(gè)分子ATP,每氧化一分子FADH2可生成兩分子ATP。另外琥珀酰輔酶A

在氧化成延胡索酸時(shí)，包含著底物水平磷酸化作用，由此產(chǎn)生一分子GTP,隨后GTP轉(zhuǎn)化

ATPo因此每一次TCA循環(huán)可生成15分子ATP,此外在糖酵解過程中產(chǎn)生的兩分子NADH

可經(jīng)電子傳遞鏈系統(tǒng)重新被氧化，產(chǎn)生6分子ATP。在葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)分子丙酮酸時(shí)還可

借底物水平磷酸化生成兩分子ATP。因些需氧微生物在完全氧化葡萄糖的過程中總共可得到

38分子的ATP?

在糖酹解和三較酸循環(huán)過程中形成的NADH和FADH2通過電子傳遞系統(tǒng)被氧化，最終

形成ATP為微生物的生命活動(dòng)提供能量。電子傳遞系統(tǒng)是由一系列氫和電子傳遞體組成的

多酶氧化還原體系。NADH、FADH2以及其他還原型載體上的氫原子，以質(zhì)子和電子的形

式在其上進(jìn)行定向傳遞；其組成酶系是定向有序的，又是不對稱的地排列在原核微生物的細(xì)

胞質(zhì)膜上或是在真核微生物的線粒體內(nèi)膜上。這些系統(tǒng)具有兩種功能：一是從電子供體接受

電子并將電子傳遞給電子受體；二是通過合成ATP把在電子傳遞過程中釋放的一部分能量

保存起來。電子傳遞系統(tǒng)中的氧化還原酶包括：NADH脫氫酶、黃素蛋白、鐵硫蛋白、細(xì)

胞色素、醍及其化合物。

(2)無氧呼吸

某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進(jìn)行無氧呼吸。無氧呼吸的最終電子受體不是

氧，而是像NO3-、N02-、SO42-、S2O32-、C02等這類外源受體。無氧呼吸也需要細(xì)胞色

素等電子傳遞體。并在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生

命活動(dòng)。但由于部分能量隨電子轉(zhuǎn)移給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的

多。在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作為呼吸作用的最終電子受體時(shí)，可以磷

酸鹽代替，其結(jié)果生成磷化氫，一種易燃?xì)怏w。在夜晚，氣體燃燒會(huì)發(fā)出綠幽幽的光。

二、自養(yǎng)微生物的生物氧化和C02的固定

一些微生物可以從氧化無機(jī)物獲得能量，同化合成細(xì)胞物質(zhì)，這類細(xì)菌稱為化能自養(yǎng)微

生物。它們在無機(jī)能源氧化過程中通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。

(-)自養(yǎng)微生物的生物氧化

1.氨的氧化

NH3同亞硝酸(N02-)是可以用作能源的最普通的無機(jī)氮化合物，能被硝化細(xì)菌所氧化，

硝化細(xì)菌可分為兩個(gè)亞群：亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌。氨氧化為硝酸的過程可分為兩個(gè)階段，

先由亞硝化細(xì)菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細(xì)菌將亞硝酸氧化為硝酸。由氨氧化為硝酸是

通過這兩類細(xì)菌依次進(jìn)行的。硝化細(xì)菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性細(xì)菌，以分子氧為最

終電子受體，且大多數(shù)是專性無機(jī)營養(yǎng)型。它們的細(xì)胞都具有復(fù)雜的膜內(nèi)褶結(jié)構(gòu)，這有利于

增加細(xì)胞的代謝能力。硝化細(xì)菌無芽抱，多數(shù)為二分裂殖，生長緩慢，平均代時(shí)在10h以上,

分布非常廣泛。

2.硫的氧化

硫桿菌能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代

硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽)作能源。H2S首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細(xì)胞

色素系統(tǒng)氧化成亞硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中可以偶聯(lián)產(chǎn)生四個(gè)ATP。亞硫酸鹽的氧

化可分為兩條途徑，一是直接氧化成SO42-的途徑，由亞硫酸鹽-細(xì)胞色素c還原酶和末端

細(xì)胞色素系統(tǒng)催化，產(chǎn)生一個(gè)ATP；二是經(jīng)磷酸腺甘硫酸的氧化的途徑，每氧化一分子SO42-

產(chǎn)生動(dòng)5個(gè)ATP。

3.鐵的氧化

從亞鐵到高鐵狀態(tài)的鐵的氧化，對于少數(shù)細(xì)菌來說也是一種產(chǎn)能反應(yīng)，但從這種氧化中

只有少量的能量可以被利用。在低pH環(huán)境中這種菌能利用亞鐵氧化時(shí)放出的能量生長。在

該菌的呼吸鏈中發(fā)現(xiàn)了一種含銅蛋白質(zhì)，它與幾種細(xì)胞色素c和一種細(xì)胞色素al氧化酶構(gòu)

成電子傳遞鏈。在電子傳遞到氧的過程中細(xì)胞質(zhì)內(nèi)有質(zhì)子消耗，從而驅(qū)動(dòng)用ATP的合成。

4.氫的氧化

氫細(xì)菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)茵。它們能利用分子氫氧化產(chǎn)生的能量同

化C02,也能利用其他有機(jī)物生長。氫細(xì)菌的細(xì)胞膜上有泛醍、維生素K2及細(xì)胞色素等呼

吸鏈組分。在該菌中，電子直接從氫傳遞給電子傳遞系統(tǒng)，電子在呼吸鏈傳遞過程中產(chǎn)生了

ATP。在多數(shù)氫細(xì)菌中有兩種與氫的氧化有關(guān)的酶。一種是位于壁膜間隙或結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)膜

上的不需NAD+的顆粒狀氧化酶，它能夠催化以下反應(yīng)：

H2T2H+十2e-

該酶在氧化氫并通過電子傳遞系統(tǒng)傳遞電子的過程中，可驅(qū)動(dòng)質(zhì)子的跨膜運(yùn)輸，形成跨

膜質(zhì)子梯度為ATP的合成提供動(dòng)力;另一種是可溶性氫化酶，它能催化氫的氧化，而使NAD+

還原的反應(yīng)。所生成的NADH主要用于C02的還原。

(二)C02的固定

C02是自養(yǎng)微生物的唯一碳源，異養(yǎng)微生物也能利用C02作為輔助的碳源。將空氣中的

C02同化成細(xì)胞物質(zhì)的過程，稱為C02的固定作用。微生物有兩種同化C02的方式，一類

是自養(yǎng)式，另一類為異養(yǎng)式。在自養(yǎng)式中，CO2加在一個(gè)特殊的受體上，經(jīng)過循環(huán)反應(yīng)，

使之合成糖并重新生成該受體。在異養(yǎng)式中，C02被固定在某種有機(jī)酸上。因此異養(yǎng)微生

物即使能同化C02,最終卻必須靠吸收有機(jī)碳化合物生存。

自養(yǎng)微生物同化C02所需要的能量來自光能或無機(jī)物氧化所得的化學(xué)能，固定C02的途

徑主要有以下三條：

1.卡爾文循環(huán)(Calvincycle)

這個(gè)途徑存在于所有化能自養(yǎng)微生物和大部分光合細(xì)菌中。經(jīng)卡爾文循環(huán)同化C02的途

徑可劃分為三個(gè)階段見圖：C02的固定；被固定的C02的還原；C02受體的再生?？栁?/p>

循環(huán)每循環(huán)一次，可將六分子C02同化成一分子葡萄糖，其總反應(yīng)式為：

6CO2+18ATP+12NAD(P)H—C6H1206+18ADP+12NAD(P)++18Pi

2.還原性三竣酸循環(huán)固定C02

這個(gè)途徑見圖是在光合細(xì)菌、綠琉細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的。還原竣酸環(huán)的第一步反應(yīng)是將乙酰CoA

還原竣化為丙酮酸，后者在丙酮酸竣化酶的催化下生成磷酸烯醇式丙酮酸，隨即被竣化為草

酰乙酸，草酰乙酸經(jīng)一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為琥珀酰CoA,再被還原竣化為a-酮戊二酸。a-酮戊二

酸轉(zhuǎn)化為檸檬酸后，裂解成乙酸和草酰乙酸。乙酸經(jīng)乙酰-CoA,從而合成酶催化生成乙酰

CoA,從而完成循環(huán)反應(yīng)。每循環(huán)一次，可固定四分子C02,合成一分子草酰乙酸，消耗三

分子ATP、兩分子NAD(P)H和一分子FADH2。

3.還原的單竣酸環(huán)

這個(gè)體系與還原竣酸循環(huán)不同，不需要ATP,只要有Fd(red)就可運(yùn)轉(zhuǎn)。Fd(red)由H2或

NADH2提供電子生成。光合細(xì)菌也有可能利用這個(gè)體系把C02換成乙酸。

第二節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝

在微生物的物質(zhì)代謝中，與分解代謝相伴隨的蘊(yùn)含在營養(yǎng)物質(zhì)中的能量逐步釋放與轉(zhuǎn)

化的變化被稱為產(chǎn)能代謝。可見產(chǎn)能代謝與分解代謝密不可分。任何生物體的生命活動(dòng)都必

須有能量驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)能代謝是生命活動(dòng)的能量保障。微生物細(xì)胞內(nèi)的產(chǎn)能與能量儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換和

利用主要依賴于氧化還原反應(yīng)?；瘜W(xué)上，物質(zhì)加氧、脫氫、失去電子被定義為氧化，而反之

則稱為還原。發(fā)生在生物細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)通常被稱為生物氧化。微生物的產(chǎn)能代謝即

是細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)經(jīng)過一系列的氧化還原反應(yīng)而逐步分解，同時(shí)釋放能量的生物氧化過程。

營養(yǎng)物質(zhì)分解代謝釋放的能量，一部分通過合成ATP等高能化合物而被捕獲，另一部分能

量以電子與質(zhì)子的形式轉(zhuǎn)移給一些遞能分子如NAD、NADP、FMN、FAD等形成還原力

NADII、NADPI1xFMNH和FADH,參與生物合成中需要還原力的反應(yīng)，還有一部分以熱的

方式釋放。另有一部分微生物能捕獲光能并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能以提供生命活動(dòng)所需的能量。

種類繁多的微生物所能利用的能量有兩類：一是蘊(yùn)含在化學(xué)物質(zhì)（營養(yǎng)物）中的化學(xué)能，二

是光能。

微生物產(chǎn)能代謝具有豐富的多樣性，但可歸納為兩類途徑和三種方式，即發(fā)酵、呼吸

（含有氧呼吸和無氧呼吸）兩類通過營養(yǎng)物分解代謝產(chǎn)生和獲得能量的途徑，以及通過底物

水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）、氧化磷酸化（oxidation

phosphorylation）也稱電子轉(zhuǎn)移磷酸化（electrontransferphosphorylation）和光合磷

酸化（photo-phosphorylation）三種化能與光能轉(zhuǎn)換為生物通用能源物質(zhì)（ATP）的轉(zhuǎn)換

方式。

研究微生物的產(chǎn)能代謝就是追蹤了解蘊(yùn)含能量的物質(zhì)降解途徑和參與產(chǎn)能代謝的儲(chǔ)

能、遞能分子捕獲與釋放能量的反應(yīng)過程和機(jī)制。

一、能量代謝中的貯能與遞能分子

（一）ATP

在與分解代謝相伴隨的產(chǎn)能代謝中，起捕獲、貯存和運(yùn)載能量作用的重要分子是腺喋

嶺核甘三磷酸，簡稱腺甘三磷酸（adenosinetriphosphate,即ATPATP是由ADP（腺

昔二磷酸）和無機(jī)磷酸合成的。ATP、ADP和無機(jī)磷酸廣泛存在于細(xì)胞內(nèi)，起著儲(chǔ)存和傳

遞能量的作用。因此，也稱為能量傳遞系統(tǒng)（energy-transmittingsystem）。ATP的

分子結(jié)構(gòu)式見下圖4-1?

0

圖4-1腺喋吟核甘三磷酸（ATP）的分子結(jié)構(gòu)式

以ATP形式貯存的自由能，用于提供以下各方面對能量的需要：①提供生物合成所

需的能量。在生物合成過程中，ATP將其所攜帶的能量提供給大分子的結(jié)構(gòu)元件，例如氨

基酸，使這些元件活化，處于較高能態(tài)，為進(jìn)一步裝配成生物大分子蛋白質(zhì)等作好準(zhǔn)備。②

是為細(xì)胞各種運(yùn)動(dòng)（如鞭毛運(yùn)動(dòng)等）提供能量來源。③為細(xì)胞提供逆濃度梯度跨膜運(yùn)輸營

養(yǎng)物所需的自由能。④在DNA、RNA、蛋白質(zhì)等生物合成中，保證基因信息的正確傳遞,

ATP也以特殊方式起著遞能作用等等。⑤在細(xì)胞進(jìn)行某些特異性生物過程如固定氮素時(shí)提

供能量。

當(dāng)ATP提供能量時(shí)，ATP分子遠(yuǎn)端的g-磷酸基團(tuán)水解成為無機(jī)磷酸分子，ATP分

子失掉一個(gè)磷?；?yōu)锳DP。ADP在捕獲能量的前提下，再與無機(jī)磷酸結(jié)合形成ATP。

ATP和ADP的往復(fù)循環(huán)是細(xì)胞儲(chǔ)存和利用能量的基本方式。ATP作為自由能的貯存物質(zhì)，

處于動(dòng)態(tài)平衡的不斷周轉(zhuǎn)之中。一般情況下，在一個(gè)快速生長的微生物細(xì)胞內(nèi)，ATP一旦

形成，很快就被利用，起著捕獲與傳遞能量的作用。在一種微生物細(xì)胞中ATP和ADP總是

以一定的濃度比例范圍存在，以保證生命活動(dòng)中用能與儲(chǔ)能的正常進(jìn)行。

能直接提供自由能的高能核甘酸類分子除ATP外，還有GTP（鳥昔三磷酸）、UTP（尿

昔三磷酸）以及CTP（胞昔三磷酸）等。GTP為一些功能蛋白的活化、蛋白質(zhì)的生物合成

和轉(zhuǎn)運(yùn)等提供自由能。UTP在糖原合成中可以活化葡萄糖分子。CTP為合成磷脂酰膽堿等

提供自由能等等。

（二）煙酰胺輔酶NAD與NADP

煙酰胺腺嘿吟二核甘酸（nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+,輔酶I）

和煙酰胺腺11票吟二核甘酸磷酸（nicotinamideadeninedinucleotidephosphate,NADP

+,輔酶H）為物質(zhì)與能量代謝中起重要作用的脫氫酶的輔酶。作為電子載體，在能量代

謝的各種酶促氧化-還原反應(yīng)中發(fā)揮著能量的暫儲(chǔ)、運(yùn)載與釋放等重要功能。其氧化形式

分別為NAD+和NADP+,在能量代謝氧化途徑中作電子受體。還原形式為NADH和

NADPII,在能量代謝還原途徑中作電子供體（圖4-2）.

依賴于NAD+和NADP+的脫氫酶至少催化6種不同類型的反應(yīng)：簡單的氫轉(zhuǎn)移、

氨基酸脫氨生成a-酮酸、b-羥酸氧化與隨后b-酮酸中間物脫峻、醛的氧化、雙鍵

的還原和碳-氮鍵的氧化（如二氫葉酸還原酶）等。NAD也是參與呼吸鏈電子傳遞過程的

重要分子，在多數(shù)情況下代謝物上脫下的氫先交給NAD+,使之成為NADH和II+,然后

把氫交給黃素蛋白中的黃素腺喋吟二核甘酸（FAD）或黃素單核甘酸（FMN）,再通過呼

吸鏈的傳遞，最后交給氧等最終受氫體。但也存在另一種情況，即代謝物上的氫先交給NAD

+或NADP+,生成還原型的NADH或NADPH,后者再去還原另一個(gè)代謝物。因此通過NAD

+或NADP+的作用，可以使某些反應(yīng)偶聯(lián)起來。此外，NAD+也是DNA連接酶的輔酶，

對DNA的復(fù)制有重要作用，為形成3',5'-磷酸二酯鍵提供所需要的能量。可見輔酶I與

輔酶II在細(xì)胞物質(zhì)與能量代謝中起著不可替代的重要作用。

a

圖4—2煙酰胺輔酶的結(jié)構(gòu)和氧化一還原狀態(tài)氫負(fù)離子（H-:一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子）

轉(zhuǎn)移給NAD+生成NADH

（三）黃素輔酶FMN與FAD

黃素單核甘酸（flavinmononucleotide,FMN）和黃素腺喋吟二核昔酸（flavin

adeninedinucleotide,FAD）是核黃素（riboflavin,即維生素B2）在生物體內(nèi)

的存在形式，是細(xì)胞內(nèi)一類稱為黃素蛋白的氧化還原酶的輔基，因此也稱為黃素輔酶，其

分子結(jié)構(gòu)見圖4-3。核黃素是核醇與7,8-二甲基異咯嗪縮合物。由于在異咯嗪的1位

和5位N原子上具有兩個(gè)活潑的雙鍵，故易發(fā)生氧化還原反應(yīng)。因此，它有氧化型和還原

型兩種形式，其分子結(jié)構(gòu)與氧化還原機(jī)制見圖4-4,

回

圖4一3FMN和FAD的分子結(jié)構(gòu)

黃素輔酶是比NAD+和NADP+更強(qiáng)的氧化劑，能被1個(gè)電子和2個(gè)電子途徑還原,

并且很容易被分子氧重新氧化。黃素輔酶可以3種不同氧化還原狀態(tài)的任一種形式存在。

完全氧化型的黃素輔酶為黃色，Imax為450nm,通過1個(gè)電子轉(zhuǎn)移，可將完全氧化型

的黃素輔酶轉(zhuǎn)變成半醍（semiquinone）,半醍是一個(gè)中性基，1max為570nm,呈藍(lán)

色；第二個(gè)電子轉(zhuǎn)移將半醍變成完全還原型無色二氫黃素輔酣（見圖4-4）o

0

圖4-4FAD和FMN的氧化還原型

黃素輔酶與許多不同的電子受體和供體一起，通過3種不同的氧化還原狀態(tài)參與電子

轉(zhuǎn)移反應(yīng)，在細(xì)胞的物質(zhì)與能量代謝的氧化還原過程中發(fā)揮傳遞電子與氫的功能，促進(jìn)糖、

脂肪和蛋白質(zhì)的代謝。

二、微生物的主要產(chǎn)能代謝途徑與能量轉(zhuǎn)換方式

微生物產(chǎn)能代謝可分為發(fā)酵、呼吸（含有氧呼吸與無氧呼吸）兩類代謝途徑，以及底

物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化三種化能與光能轉(zhuǎn)換為生物通用能源的能量轉(zhuǎn)換方

式。

（-）微生物中自葡萄糖形成丙酮酸的糖酵解

微生物以葡萄糖為底物時(shí)都要經(jīng)歷將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸的糖酵解過程。這一過程的

代謝途徑主要有EMP、HMP、ED、PK、HK和Stickland等途徑。這些途徑中釋放

的可被利用的能量，部分是通過底物水平磷酸化生成ATP等，部分被轉(zhuǎn)移至遞能分子中形

成還原力［H］。在微生物中，進(jìn)行能量代謝的途徑具有豐富的多樣性。

1、EMP途徑及其終產(chǎn)物和發(fā)酵產(chǎn)能

EMP途徑（Embden—Meyerhofpathway）以葡萄糖為起始底物，丙酮酸為其終產(chǎn)物,

整個(gè)代謝途徑歷經(jīng)10步反應(yīng)，分為兩個(gè)階段：

EMP途徑的第一階段為耗能階段。在這一階段中，不僅沒有能量釋放，還在以下兩部

步反應(yīng)中消耗2分子ATP：在葡萄糖被細(xì)胞吸收運(yùn)輸進(jìn)入胞內(nèi)的過程中，葡萄糖被磷酸

化，消耗了1分子ATP,形成6-磷酸葡萄糖；6-磷酸葡萄糖進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為6-磷酸果

糖后，再一次被磷酸化，形成1,6-二磷酸果糖，此步反應(yīng)又消耗了1分子ATP。而后,

在醛縮酶催化下，1,6-二磷酸果糖裂解形成2個(gè)三碳中間產(chǎn)物：3-磷酸甘油醛和磷酸

二羥丙酮。在細(xì)胞中，磷酸二羥丙酮為不穩(wěn)定的中間代謝產(chǎn)物，通常很快轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘

油醛而進(jìn)入下步反應(yīng)。

因此，在第一階段實(shí)際是消耗了2分子ATP,生成2分子3-磷酸甘油醛；這一階

段為第二階段的進(jìn)一步反應(yīng)做準(zhǔn)備，故一般稱為準(zhǔn)備階段。

EMP途徑的第二階段為產(chǎn)能階段。在這第二階段中，3-磷酸甘油醛接受無機(jī)磷酸被

進(jìn)一步磷酸化，此步以NAD+為受氫體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，3-磷酸甘油醛轉(zhuǎn)化為1,3-二

磷酸油甘酸；同時(shí)，NAD+接受氫(2e+211+)被還原生成NADH2。與磷酸己糖中的

有機(jī)磷酸鍵不同，二磷酸甘油酸中的2個(gè)磷酸鍵為高能磷酸鍵，在1,3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)

變成3-磷酸甘油酸及隨后發(fā)生的磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變成丙酮酸的2個(gè)反應(yīng)中，發(fā)生能

量釋放與轉(zhuǎn)化，各生成1分子ATP。EMP途徑的各個(gè)反應(yīng)步驟見圖4-5。

0

圖4-5EMP途徑及某些微生物以丙酮酸為底物的發(fā)酵產(chǎn)能

綜上所述，EMP途徑以1分子葡萄糖為起始底物，歷經(jīng)10步反應(yīng)，產(chǎn)生4分子

ATP,由于在反應(yīng)的第一階段消耗2分子ATP,故凈得2分子ATP；同時(shí)生成2分子

NADH2和為分子丙酮酸。

EMP途徑是微生物基礎(chǔ)代謝的重要途徑之一。必需指出，從現(xiàn)象看，似乎只要有源源

不斷的葡萄糖提供給細(xì)胞，它就可產(chǎn)生大量的ATP、丙酮酸、NADH2。其實(shí)不然，因?yàn)椋?/p>

只要是氧化還原反應(yīng)，其氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)兩者是相偶聯(lián)與平衡的。在細(xì)胞內(nèi)，EMP途

徑的第二階段始有底物釋放電子的氧化反應(yīng)發(fā)生，消耗2分子氧化態(tài)的NAD+,產(chǎn)生2分

子還原態(tài)的NADH2。但若要保持EMP途徑持續(xù)運(yùn)行，必須有底物還原吸納電子與氫，使

NADH2氧化再生成氧化態(tài)NAD+,以有足夠的氧化型NAD+作為受氫體再循環(huán)參與3-磷

酸甘油醛轉(zhuǎn)化為1,3-二磷酸油甘酸的脫氫氧化反應(yīng)，從而保持氧化還原反應(yīng)的持續(xù)平衡進(jìn)

行，同時(shí)不斷生成ATP,以供細(xì)胞生命活動(dòng)中能量之所需。因此，在保證葡萄糖供給的條

件下，胞內(nèi)NADH2氧化脫氫（2e-+2H+）后，受氫體的來源與數(shù)量成為EMP途徑能

否持續(xù)運(yùn)行的決定性條件，否則，EMP途徑的運(yùn)行將受阻。

在微生物中，使EMP途徑順暢運(yùn)行的受氫體主要有兩類：

一是在有氧條件下，以氧作為受氫體。NADH2途經(jīng)呼吸鏈脫氫氧化，最終生成H20

和氧化態(tài)NAD+,而在NADH2途經(jīng)呼吸鏈過程中生成ATP（將在“呼吸作用”節(jié)中詳述）。

二是在無氧條件下發(fā)酵時(shí)，以胞內(nèi)中間代謝物為受氫體。還原態(tài)的NADH2被氧化，

生成氧化態(tài)NAD+和分解不徹底的還原態(tài)中間代謝產(chǎn)物。如在無氧條件下的乳酸細(xì)菌中，

丙酮酸作為受氫體被還原成乳酸（見圖4-5第11步反應(yīng)）。又如在酵母細(xì)胞中，丙酮酸

經(jīng)脫竣生成乙醛與C02后，在NAD1I2參與下，乙醛作為受氫體被還原生成乙醇和氧化態(tài)

NAD+（見圖4-5第12、13步反應(yīng)）。在一些腸細(xì)菌中還生成多種副產(chǎn)物（見圖4-5第

14、15步反應(yīng)）。

由上可知，微生物在無氧條件下的能量代謝，極為重要的是圖4-5中的第三階段，即

丙酮酸后的發(fā)酵。沒有丙酮酸后的發(fā)酵，細(xì)胞在無氧條件下難于持續(xù)獲得生長與代謝需要的

能量，此即發(fā)酵產(chǎn)能的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵。但ATP的生成以EMP途徑的第二階段為主，因此，EMP

是微生物在無氧條件下發(fā)酵產(chǎn)能的重要途徑。

絕大多數(shù)微生物都有EMP途徑，包括大部分厭氧細(xì)菌，如梭菌（Clostridium）,

螺旋菌（Spirillum）等；兼性好氧細(xì)菌，如大腸桿菌（￡coli）；以及專性好氧細(xì)菌

等。

EMP途徑及隨后的發(fā)酵，能為微生物的代謝活動(dòng)提供ATP和NADH2外，其中間產(chǎn)物

又可為微生物細(xì)胞的一系列合成代謝提供碳骨架，并在一定條件下可逆轉(zhuǎn)合成多糖。

2.HMP途徑

HMP途徑（hexosemonophosphatepathway）是從6-磷酸葡萄糖為起始底物，即

在單磷酸己糖基礎(chǔ)上開始降解，故稱為單磷酸己糖途徑,簡稱為HMP途徑。HMP途徑與EMP

途徑密切相關(guān)，因?yàn)镠MP途徑中的3-磷酸甘油醛可以進(jìn)入EMP,因此該途徑又可稱為磷

酸戊糖支路。HMP途徑的反應(yīng)過程見圖4-6。

HMP途徑也可分為兩個(gè)階段：

第一階段即氧化階段：從6-磷酸葡萄糖開始，經(jīng)過脫氫、水解、氧化脫竣生成5-磷

酸核酮糖和二氧化碳。即圖4-6中（1）?（4）的階段。

第二階段即非氧化階段：為磷酸戊糖之間的基團(tuán)轉(zhuǎn)移，縮合（分子重排）使6-磷酸

己糖再生。即圖4-6中（5）?（13）的階段。

HMP途徑的特點(diǎn)：

①HMP途徑是從6-磷酸葡萄糖酸脫竣開始降解的，這與EMP途徑不同，EMP途徑

是在二磷酸己糖基礎(chǔ)上開始降解的。

②HMP途徑中的特征酶是轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶。

轉(zhuǎn)酮酶催化下面2步反應(yīng)：

5-磷酸木酮糖+5-磷酸核糖gI3-磷酸甘油+7-磷酸景天庚酮糖

5-磷酸木酮糖+4-磷酸赤薛糖1TlI3-磷酸甘油醛+6-磷酸果糖

轉(zhuǎn)醛能催化下面一步反應(yīng)：

7-磷酸景天庚酮糖+3-磷酸甘油

4-磷酸赤癬糖+6-磷酸果糖

醛

③HMP途徑一般只產(chǎn)生NADPH2,不產(chǎn)生NADH2。

@HMP途徑中的酶系定位于細(xì)胞質(zhì)中。

HMP途徑的一個(gè)循環(huán)的結(jié)果是1分子6-磷酸葡糖糖最終轉(zhuǎn)變成1分子3-磷酸甘

油醛，3分子CO2和6分子NADPH2。

a

圖4-6HMP途徑

HMP途徑的生理功能主要有：

①為生物合成提供多種碳骨架。5-磷酸核糖可以合成喋吟、口密噬核甘酸，進(jìn)一步合

成核酸，5-磷酸核糖也是合成輔酶［NAD(P),FAD(FMN)和CoA］的原料，4-

磷酸赤癬糖是合成芳香族氨基酸的前體。

②HMP途徑中的5-磷酸核酮糖可以轉(zhuǎn)化為1,5-二磷酸核酮糖，在竣化酶催化

下固定二氧化碳，這對于光能自養(yǎng)菌和化能自養(yǎng)菌具有重要意義。

③為生物合成提供還原力(NADP112)?

大多數(shù)好氧和兼性厭氧微生物中都具有HMP途徑，而且在同一種微生物中，EMP和

HMP途徑常同時(shí)存在，單獨(dú)具有EMP或HMP途徑的微生物較少見。EMP和HMP途徑的一

些中間產(chǎn)物也能交叉轉(zhuǎn)化和利用，以滿足微生物代謝的多種需要。

微生物代謝中高能磷酸化合物如ATP等的生成是能量代謝的重要反應(yīng)，而并非能量代

謝的全部。HMP途徑在糖被氧化降解的反應(yīng)中，部分能量轉(zhuǎn)移，形成大量的NADPH2,為

生物合成提供還原力，同時(shí)輸送中間代謝產(chǎn)物。雖然6個(gè)6-磷酸葡萄糖分子經(jīng)IIMP途徑，

再生5個(gè)6-磷酸葡萄糖分子，產(chǎn)生6分子CO2和Pi,并產(chǎn)生12個(gè)NADPH2,這

12個(gè)NADPII2如經(jīng)呼吸鏈氧化產(chǎn)能，最終可得到36個(gè)ATP。IIMP途徑的主要功能是為

生物合成提供還原力和中間代謝產(chǎn)物，同時(shí)與EMP一起，構(gòu)成細(xì)胞糖分解代謝與有關(guān)合成

代謝的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

3.ED途徑

ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）是恩納（Entner）和道特洛夫（Doudoroff,

1952年）在研究嗜糖假單胞菌（Pseudomonassaccharophila）時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

在這一途徑中，6-磷酸葡萄糖先脫氫產(chǎn)生6-磷酸葡萄糖酸，后在脫水酶和醛縮酶

的作用下，生成1分子3-磷酸甘油醛和1分子丙酮酸。3-磷酸甘油醛隨后進(jìn)人EMP途

徑轉(zhuǎn)變成丙酮酸。1分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后產(chǎn)生2分子丙酮酸，以及凈得各1分子

的ATP、NADPH2和NADH2。ED途徑見圖4-7

ED途徑的特點(diǎn)是：

①2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛是

有別于其它途徑的特征性反應(yīng)。

②2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸醛縮酶是ED途徑特有的酶。

③ED途徑中最終產(chǎn)物，即2分子丙酮酸，其來歷不同。1分子是由2-酮-3-脫

氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解產(chǎn)生，另1分子是由磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑獲得。這2個(gè)

丙酮酸的竣基分別來自葡萄糖分子的第一與第四位碳原子。

④Imol葡萄糖經(jīng)ED途徑只產(chǎn)生ImolATP,從產(chǎn)能效率言，ED途徑不如EMP途

徑。

岡

圖4-7ED途徑及其與EMP、HMP、TCA關(guān)系

表4-6示EMP、HMP、ED途徑的特點(diǎn)比較。

表4-6EMP、HMP、ED途徑比較

岡

在革蘭氏陰性的假單胞菌屬的一些細(xì)菌中，ED途徑分布較廣，如嗜糖假單胞菌

(Pseudomonassaccharophila),銅綠假單細(xì)胞(Ps.aeruginosa),熒光假單胞

菌(Ps.fluorescens),林氏假單胞菌(Ps.lindneri)等。固氮菌的某些菌株中也

存在ED途徑。

表4-7表明了EMP,HMP和ED途徑在某些微生物中存在的百分比。表中可見，HMP

途徑一般是與EMP途徑并存，但ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而獨(dú)立存在。

表4-7EMP、1IMP、ED等糖代謝途徑在微生物中的分布

不同途徑的分布(％)

微生物

EMPHMPED

啤酒酵母88-

12

產(chǎn)脫假絲酵母66-81-

19-34

灰色鏈霉菌97-

323

產(chǎn)黃青霉77-

28

大腸桿菌72

30

藤黃八疊球菌70-

26

枯草桿菌74-

29

銅綠假單胞菌-71

100

氧化醋單胞菌--

運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌-100

嗜糖假單胞菌-100

4.WD途徑

WD途徑是由沃勃(Warburg)、狄更斯(Dickens)、霍克(Horecker)等人發(fā)

現(xiàn)的，故稱WD途徑。由于WD途徑中的特征性酶是磷酸解酮酶(Phosphoketolase),

所以又稱磷酸解酮酶途徑。根據(jù)磷酸解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的叫PK途徑，

把具有磷酸已糖解酮酶的叫HK途徑。

腸膜狀明串珠菌(Leuconostocmesenteroides),就是經(jīng)PK途徑利用葡萄糖進(jìn)行

異型乳酸發(fā)酵生成乳酸、乙醇和CO2(圖4-8)。

0

圖4-8磷酸戊糖解酮酶(PK)途徑

而兩歧雙歧桿菌(Bifidobacteriumbifidum)則是利用磷酸已糖解酮酶途徑分解葡

萄糖產(chǎn)生乙酸和乳酸的，見圖4-9磷酸已糖解酮酶HK途徑。

回一

圖4-9磷酸已糖解酮醐HK途徑

5.Stickland反應(yīng)

上述4條途徑均是以糖類為起始底物的代謝途徑。而早在1934年，L.H.Stickland

發(fā)現(xiàn)，某些厭氧梭菌如生他梭菌(Clostridiumsporogenes)等，可把一些氨基酸當(dāng)作碳

源、氮源和能源。這是以一種氨基酸作氫供體，另一種氨基酸作為氫受體進(jìn)行生物氧化并獲

得能量的發(fā)酵產(chǎn)能方式。后將這種獨(dú)特的發(fā)酵類型，稱為Stickland反應(yīng)。Stickland反

應(yīng)是經(jīng)底物水平磷酸化生成ATP,其產(chǎn)能效率相對較低。在Stickland反應(yīng)中，作為供氫

體的有多種氨基酸，如丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、繳氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸和

色氨酸等，作為受氫體的主要有甘氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸、色氨酸和精氨酸等。Clostridium

sporogenes中以丙氨酸為供氫體和以甘氨酸為受氫體的Stickland反應(yīng)途徑見圖4-10。

s

圖4-10Clostridiumsporogenes中以丙氨酸為供氫體和以甘氨酸為受氫體的Stickland

反應(yīng)

(二)發(fā)酵與底物水平磷酸化

1、發(fā)酵

發(fā)酵(fermentation)有廣義與狹義兩種概念。廣義的發(fā)酵是指微生物在有氧或無

氧條件下利用營養(yǎng)物生長繁殖并生產(chǎn)人類有用產(chǎn)品的過程。例如發(fā)酵工業(yè)上用蘇云金芽抱桿

菌等生產(chǎn)生物殺蟲劑，利用酵母菌生產(chǎn)面包酵母或酒精，利用鏈霉菌生產(chǎn)抗生素等通稱為發(fā)

酵。而狹義的發(fā)酵僅僅是指微生物生理學(xué)意義上的，它一般是指微生物在無氧條件下利用底

物代謝時(shí)，將有機(jī)物生物氧化過程中釋放的電子直接轉(zhuǎn)移給底物本身未徹底氧化的中間產(chǎn)

物，生成代謝產(chǎn)物并釋放能量的過程。這里討論的是狹義的發(fā)酵。

在發(fā)酵過程中，供微生物發(fā)酵的底物通常是多糖經(jīng)分解而得到的單糖，以己糖和戊糖

等糖類為多見，葡萄糖是發(fā)酵最為常用的底物，另有有機(jī)酸、氨基酸等.

在葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸后，厭氧微生物和無氧條件下的兼性厭氧微生物可以不同的途

徑將丙酮酸轉(zhuǎn)化為多種發(fā)酵產(chǎn)物。乳酸細(xì)菌可以將丙酮酸還原為乳酸。酵母菌將丙酮酸脫瘦

形成乙醛，再由乙醛還原形成乙醇。丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、真桿菌屬

(Eubacterium)和竣狀芽抱桿菌屬(Clostridium)的一些種如丁酸竣菌

(C.butyricum)、克氏段菌(C.kluyveri)等，通過將丙酮酸脫竣并輔酶A化形成乙

酰-CoA,然后2個(gè)乙酰-CoA縮合為乙酰乙酰CoA，在經(jīng)過多個(gè)步驟形成丁酸。也可由

多種腸道細(xì)菌將丙酮酸發(fā)酵為包括甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、乙醇、丙三醇、2,3-T

二醇、3-羥丁酮等多種有機(jī)酸和醇的混合酸。

2、發(fā)酵途徑中的底物水平磷酸化

在發(fā)酵途徑中,通過底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation,SLP)合

成ATP,是營養(yǎng)物質(zhì)中釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成細(xì)胞可利用的自由能的主要方式。底物水平磷

酸化是指ATP的形成直接由一個(gè)代謝中間產(chǎn)物上的高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP分之上的作

用，見圖4-11o

問

圖4-11底物水平磷酸化生成ATP的反應(yīng)

在上述發(fā)酵過程中，形成的富能中間產(chǎn)物如磷酸烯醵式丙酮酸、乙酰CoA等?；愇?

通過底物水平磷酸化形成ATP。底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中，也存在于呼吸作用

過程的某些步驟中。如在EMP途徑中，1,3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸以及磷

酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸岬倪^程中，均通過底物水平磷酸化分別產(chǎn)生1分子ATP。在

三竣酸循環(huán)中(圖4-13),琥珀酰輔酶A轉(zhuǎn)變?yōu)殓晁釙r(shí)通過底物水平磷酸化生成1分

子高能磷酸化合物GTP。

3、微生物發(fā)酵代謝的多樣性

在無氧條件下發(fā)酵時(shí)，不同微生物在以糖類為底物的重要代謝途徑中，其終端產(chǎn)物或

中間產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)酵產(chǎn)能代謝的途徑呈現(xiàn)出豐富的多樣性，即使同一微生物利用同一底物發(fā)

酵時(shí)也可能形成不同的末端產(chǎn)物。

如酵母菌利用葡萄糖進(jìn)行的發(fā)酵，可根據(jù)不同條件下代謝產(chǎn)物的不同分為三種類型：

I型發(fā)酵：酵母菌將葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解生成2分子終端產(chǎn)物丙酮酸，后丙酮

酸脫竣生成乙醛，乙醛作為氫受體使NADH2氧化生成NAD+,同時(shí)乙醛被還原生成乙醇,

這種發(fā)酵類型稱為酵母的I型發(fā)酵。

在酒精工業(yè)上，就是利用釀酒酵母(S.cerevisiae)的I型發(fā)酵，主要以淀粉等

碳水化合物降解后的葡萄糖等可發(fā)酵性糖為底物生產(chǎn)酒精的。釀酒酵母細(xì)胞從細(xì)胞外每輸入

1分子葡萄糖，在無氧條件下，經(jīng)EMP途徑及隨后的反應(yīng)，最終生成2分子乙醇與2分

子的CO2,并將乙醇與CO2從胞內(nèi)排出至胞外發(fā)酵液中。在釀酒酵母細(xì)胞內(nèi)，這一反應(yīng)

每運(yùn)行一次，生成的4分子ATP,其中2分子在下一輪分別用于第一階段的第一和第三

步的耗能反應(yīng)，其余2分子ATP用于細(xì)胞生命活動(dòng)的其它能量需要。而NAD+作為受氫

體和氫載體，在3-磷酸甘油醛氧化生成1,3-二磷酸甘油酸和乙醛還原生成乙醇這兩步

反應(yīng)之間往返循環(huán)，推動(dòng)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。同時(shí)還有大量的熱能釋放，使發(fā)酵液的溫度上升。

II型發(fā)酵：當(dāng)環(huán)境中存在亞硫酸氫鈉時(shí)，亞硫酸氫鈉可與乙醛反應(yīng)，生成難溶的磺

化羥基乙醛，該化合物失去了作為受氫體使NADH2脫氫氧化的性能，而不能形成乙醇，轉(zhuǎn)

而使磷酸二羥丙酮替代乙醛作為受氫體，生成a-磷酸甘油，a-磷酸甘油進(jìn)一步水解脫

磷酸生成甘油。此稱為酵母的II型發(fā)酵。這是利用酵母菌工業(yè)化生產(chǎn)甘油的“經(jīng)典”途徑。

但在實(shí)際上，酵母所處環(huán)境中的高濃度亞硫酸氫鈉可抑制酵母細(xì)胞的生長與代謝，致使甘油

發(fā)酵效率低。在要求酵母生長代謝活力與甘油發(fā)酵效率兩者兼顧時(shí)，應(yīng)控制較低濃度的亞硫

酸氫鈉，這樣就不使100%的乙醛與亞硫酸氫鈉反應(yīng)，生成磺化羥基乙醛，而尚有部分乙醛

被還原生成乙醵。

m型發(fā)酵：葡萄糖經(jīng)EMP途徑生成丙酮酸，后脫竣生成乙醛，如處于弱堿性環(huán)境條

件下(PH7.6),乙醛因得不到足夠的氫而積累，2個(gè)乙醛分子間發(fā)生歧化反應(yīng)，1分子

乙醛作為氧化劑被還原成乙醇，另1個(gè)則作為還原劑被氧化為乙酸。而磷酸二羥丙酮作為

NADH2的氫受體，使NAD+再生，產(chǎn)物為乙醇、乙酸和甘油。

II型發(fā)酵與III型發(fā)酵產(chǎn)能較少，一般在非生長情況下才能進(jìn)行。

許多細(xì)菌能利用葡萄糖產(chǎn)生乳酸，這類細(xì)菌稱為乳酸細(xì)菌。根據(jù)產(chǎn)物的不同，乳酸發(fā)

酵也有兩種類型，即發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸的同型乳酸發(fā)酵和發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外還有乙酸、乙醇

和CO2等的異型乳酸發(fā)酵。

(三)呼吸產(chǎn)能代謝

在物質(zhì)與能量代謝中底物降解釋放出的高位能電子，通過呼吸鏈(也稱電子傳遞鏈)

最終傳遞給外源電子受體02或氧化型化合物，從而生成II20或還原型產(chǎn)物并釋放能量

的過程，稱為呼吸或呼吸作用(respiration)。在呼吸過程中通過氧化磷酸化合成ATP。

呼吸與氧化磷酸化是微生物特別是好氧性微生物產(chǎn)能代謝中形成ATP的主要途徑。在呼吸

作用中，NAD、NADP、FAD和FMN等電子載體是呼吸鏈電子傳遞的參與者。因此，它

們在呼吸產(chǎn)能代謝中發(fā)揮著更為重要的作用。

呼吸又可根據(jù)在呼吸鏈末端接受電子的是氧還是氧以外的氧化型物質(zhì)，將它分為有氧

呼吸與無氧呼吸兩種類型。以分子氧作為最終電子受體的稱為有氧呼吸(aerobic

respiration),而以氧以外的外源氧化型化合物作為最終電子受體的稱為無氧呼吸

(anoxicrespiration)。

呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：呼吸作用中，電子載體不是將電子直接傳遞給

被部分降解的中間產(chǎn)物，而是與呼吸鏈的電子傳遞系統(tǒng)相偶聯(lián)，使電子沿呼吸鏈傳遞，并達(dá)

到電子傳遞系統(tǒng)末端交給最終電子受體，在電子傳遞的過程中逐步釋放出能量并合成ATP。

微生物通過呼吸作用能分解的有機(jī)物種類繁多，包括碳水化合物、脂肪酸、氨基酸和許多醇

類等等。

1、呼吸鏈與氧化磷酸化

呼吸鏈與氧化磷酸化緊密偶聯(lián)，在產(chǎn)能代謝中起著不可替代的重要作用?

(1)呼吸鏈及其組分與分布

電子從NADH或FADII