微生物 產(chǎn)能代謝途徑 合集,很有用.doc

第二節(jié) 微生物的產(chǎn)能代謝內(nèi)容提示能量代謝中的主能與遞能分子微生物的主要產(chǎn)能代謝途徑與能量轉(zhuǎn)換方式微生物中自葡萄糖形成丙酮酸的糖酵解 EMP途徑HMP途徑ED途徑WD途徑Stickland反應(yīng)發(fā)酵與底物水平磷酸化呼吸產(chǎn)能代謝光合作用與光合磷酸化在微生物的物質(zhì)代謝中，與分解代謝相伴隨的蘊含在營養(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?？梢姰a(chǎn)能代謝與分解代謝密不可分。任何生物體的生命活動都必須有能量驅(qū)動，產(chǎn)能代謝是生命活動的能量保障。微生物細胞內(nèi)的產(chǎn)能與能量儲存、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 NADH 、 NADPH 、 FMNH 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（ substrate level phosphorylation ）、氧化磷酸化 (oxidation phosphorylation) 也稱電子轉(zhuǎn)移磷酸化 (electron transfer phosphorylation) 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含能量的物質(zhì)降解途徑和參與產(chǎn)能代謝的儲能、遞能分子捕獲與釋放能量的反應(yīng)過程和機制。 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、貯存和運載能量作用的重要分子是腺嘌呤核苷三磷酸，簡稱腺苷三磷酸（ adenosine triphosphate, 即 ATP ）。 ATP 是由 ADP （腺苷二磷酸）和無機磷酸合成的。 ATP 、 ADP 和無機磷酸廣泛存在于細胞內(nèi)，起著儲存和傳遞能量的作用。因此 , 也稱為能量傳遞系統(tǒng)（ energy-transmitting system ）。 ATP 的分子結(jié)構(gòu)式見下圖 4-1 。 圖 4-1 腺嘌呤核苷三磷酸（ 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： 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)，為進一步裝配成生物大分子蛋白質(zhì)等作好準備。 是為細胞各種運動（如鞭毛運動等）提供能量來源。 為細胞提供逆濃度梯度跨膜運輸營養(yǎng)物所需的自由能。 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。 在細胞進行某些特異性生物過程如固定氮素時提供能量。 當 ATP 提供能量時， ATP 分子遠端的 g - 磷酸基團水解成為無機磷酸分子， ATP 分子失掉一個磷?；?yōu)?ADP 。 ADP 在捕獲能量的前提下，再與無機磷酸結(jié)合形成 ATP 。 ATP 和 ADP 的往復(fù)循環(huán)是細胞儲存和利用能量的基本方式。 ATP 作為自由能的貯存物質(zhì)，處于動態(tài)平衡的不斷周轉(zhuǎn)之中。一般情況下，在一個快速生長的微生物細胞內(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，以保證生命活動中用能與儲能的正常進行。 能直接提供自由能的高能核苷酸類分子除 ATP 外，還有 GTP （鳥苷三磷酸）、 UTP （尿苷三磷酸）以及 CTP （胞苷三磷酸）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 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（ nicotinamideadenine dinucleotide, NAD ，輔酶 I ）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ nicotinamide adenine dinucleotidephosphate, NADP ，輔酶）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、運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 NADPH ，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 - 酮酸中間物脫羧、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 H + ，然后把氫交給黃素蛋白中的黃素腺嘌呤二核苷酸（ FAD ）或黃素單核苷酸（ 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?？梢娸o酶 I 與輔酶在細胞物質(zhì)與能量代謝中起著不可替代的重要作用。 圖 4 2 煙酰胺輔酶的結(jié)構(gòu)和氧化還原狀態(tài) 氫負離子（ H ： 一個質(zhì)子和兩個電子）轉(zhuǎn)移給 NAD + 生成 NADH （三）黃素輔酶 FMN 與 FAD 黃素單核苷酸（ flavin mononucleotide, FMN ）和黃素腺嘌呤二核苷酸（ flavin adenine dinucleotide ， FAD ）是核黃素 (riboflavin ，即 維生素 B 2 ) 在生物體內(nèi)的存在形式，是細胞內(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)與氧化還原機制見圖 4-4 ， 圖 4 3 FMN 和 FAD 的分子結(jié)構(gòu) 黃素輔酶是比 NAD + 和 NADP + 更強的氧化劑，能被 1 個電子和 2 個電子途徑還原，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， l max 為 450 nm ，通過 1 個電子轉(zhuǎn)移，可將完全氧化型的黃素輔酶轉(zhuǎn)變成半醌（ semiquinone ），半醌是一個中性基， l max 為 570 nm ，呈藍色；第二個電子轉(zhuǎn)移將半醌變成完全還原型無色二氫黃素輔酶（見圖 4-4 ）。 圖 4-4 FAD 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。 （一）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 Meyerhof pathway) 以葡萄糖為起始底物，丙酮酸為其終產(chǎn)物，整個代謝途徑歷經(jīng) 10 步反應(yīng)，分為兩個階段： 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 ： 在葡萄糖被細胞吸收運輸進入胞內(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 個三碳中間產(chǎn)物： 3- 磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮。在細胞中，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)?3- 磷酸甘油醛而進入下步反應(yīng)。 因此，在第一階段實際是消耗了 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一步反應(yīng)做準備，故一般稱為準備階段。 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磷酸被進一步磷酸化，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， NAD + 接受氫（ 2e + 2H + ）被還原生成 NADH 2 。與磷酸己糖中的有機磷酸鍵不同，二磷酸甘油酸中的 2 個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 途徑的各個反應(yīng)步驟見圖 4-5 。 圖 4-5 EMP 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 ；同時生成 2 分子 NADH 2 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胞，它就可產(chǎn)生大量的 ATP 、丙酮酸、 NADH 2 。其實不然，因為，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 NADH 2 。但若要保持 EMP 途徑持續(xù)運行，必須有底物還原吸納電子與氫，使 NADH 2 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)平衡進行，同時不斷生成 ATP ，以供細胞生命活動中能量之所需。因此，在保證葡萄糖供給的條件下，胞內(nèi) NADH 2 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)運行的決定性條件，否則， EMP 途徑的運行將受阻。 在微生物中，使 EMP 途徑順暢運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。 NADH 2 途經(jīng)呼吸鏈脫氫氧化，最終生成 H 2 O 和氧化態(tài) NAD + ，而在 NADH 2 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，以胞內(nèi)中間代謝物為受氫體。還原態(tài)的 NADH 2 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)）。又如在酵母細胞中，丙酮酸經(jīng)脫羧生成乙醛與 CO 2 后，在 NADH 2 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，包括大部分厭氧細菌，如梭菌（ Clostridium ），螺旋菌（ Spirillum ）等；兼性好氧細菌，如大腸桿菌（ E. coli ）；以及專性好氧細菌等。 EMP 途徑及隨后的發(fā)酵，能為微生物的代謝活動提供 ATP 和 NADH 2 外，其中間產(chǎn)物又可為微生物細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（ hexose monophosphate pathway ）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)，因為 HMP 途徑中的 3- 磷酸甘油醛可以進入 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、氧化脫羧生成 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： HMP 途徑是從 6- 磷酸葡萄糖酸脫羧開始降解的，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。 HMP 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 3- 磷酸甘油 + 7- 磷酸景天庚酮糖5- 磷酸木酮糖 + 4- 磷酸赤蘚糖3- 磷酸甘油醛 + 6- 磷酸果糖轉(zhuǎn)醛酶催化下面一步反應(yīng)： 7- 磷酸景天庚酮糖 + 3- 磷酸甘油醛4- 磷酸赤癬糖 + 6- 磷酸果糖 HMP 途徑一般只產(chǎn)生 NADPH 2 ，不產(chǎn)生 NADH 2 。 HMP 途徑中的酶系定位于細胞質(zhì)中。 HMP 途徑的一個循環(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 CO 2 和 6 分子 NADPH 2 。 圖 4-6 HMP 途徑 HMP 途徑的生理功能主要有： 為生物合成提供多種碳骨架。 5- 磷酸核糖可以合成嘌呤、嘧啶核苷酸，進一步合成核酸， 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。 HMP 途徑中的 5- 磷酸核酮糖可以轉(zhuǎn)化為 1 ， 5- 二磷酸核酮糖，在羧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。 為生物合成提供還原力（ NADPH 2 ）。 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 途徑常同時存在，單獨具有 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 NADPH 2 ，為生物合成提供還原力，同時輸送中間代謝產(chǎn)物。雖然 6 個 6- 磷酸葡萄糖分子經(jīng) HMP 途徑，再生 5 個 6- 磷酸葡萄糖分子，產(chǎn)生 6 分子 CO 2 和 P i ，并產(chǎn)生 12 個 NADPH 2 ，這 12 個 NADPH 2 如經(jīng)呼吸鏈氧化產(chǎn)能，最終可得到 36 個 ATP 。 HMP 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，同時與 EMP 一起，構(gòu)成細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-Doudoroff pathway ）是恩納（ Entner ）和道特洛夫（ Doudoroff ， 1952 年）在研究嗜糖假單胞菌 ( Pseudomonas saccharophila ) 時發(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 、 NADPH 2 和 NADH 2 。 ED 途徑見圖 4-7 。 ED 途徑的特點是： 2- 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)。 2- 酮 -3- 脫氧 -6- 磷酸葡萄糖酸醛縮酶是 ED 途徑特有的酶。 ED 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 個丙酮酸的羧基分別來自葡萄糖分子的第一與第四位碳原子。 1mol 葡萄糖經(jīng) ED 途徑只產(chǎn)生 1 mol ATP ，從產(chǎn)能效率言， ED 途徑不如 EMP 途徑。 圖 4-7 ED 途徑及其與 EMP 、 HMP 、 TCA 關(guān)系 表 4-6 示 EMP 、 HMP 、 ED 途徑的特點比較。 表 4-6 EMP 、 HMP 、 ED 途徑比較在革蘭氏陰性的假單胞菌屬的一些細菌中， ED 途徑分布較廣，如嗜糖假單胞菌（ Pseudomonas saccharophila ），銅綠假單細胞（ 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 途徑而獨立存在。 表 4-7 EMP 、 HMP 、 ED 等糖代謝途徑在微生物中的分布 微生物 不同途徑的分布（） EMP HMP ED 啤酒酵母 產(chǎn)脫假絲酵母灰色鏈霉菌產(chǎn)黃青霉大腸桿菌藤黃八疊球菌枯草桿菌銅綠假單胞菌氧化醋單胞菌運動發(fā)酵單胞菌嗜糖假單胞菌 88 66-819777727074- 1219-3432328302629100- -71-100100 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（ Leuconostoc mesenteroides ），就是經(jīng) PK 途徑利用葡萄糖進行異型乳酸發(fā)酵生成乳酸、乙醇和 CO 2 ( 圖 4-8) 。 圖 4-8 磷酸戊糖解酮酶（ PK ）途徑 而兩歧雙歧桿菌（ Bifidobacterium bifidum ）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。 圖 4-9 磷酸已糖解酮酶 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)，某些厭氧梭菌如生孢梭菌（ Clostridium sporogenes ）等，可把一些氨基酸當作碳源、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行生物氧化并獲得能量的發(fā)酵產(chǎn)能方式。后將這種獨特的發(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、纈氨酸、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 。 圖 4-10 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) （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)上用蘇云金芽孢桿菌等生產(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，將有機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。乳酸細菌可以將丙酮酸還原為乳酸。酵母菌將丙酮酸脫羧形成乙醛，再由乙醛還原形成乙醇。丁酸弧菌屬 ( Butyrivibrio ) 、真桿菌屬 ( Eubacterium ) 和羧狀芽孢桿菌屬（ Clostridium ）的一些種如丁酸羧菌（ C.butyricum ）、克氏羧菌 ( C.kluyveri ) 等，通過將丙酮酸脫羧并輔酶 A 化形成乙酰 -CoA ，然后 2 個乙酰 -CoA 縮合為乙酰乙酰 CoA ，在經(jīng)過多個步驟形成丁酸。也可由多種腸道細菌將丙酮酸發(fā)酵為包括甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、乙醇、丙三醇、 2, 3- 丁二醇、 3- 羥丁酮等多種有機酸和醇的混合酸。 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 (substrate level phosphorylation, SLP) 合成 ATP ，是營養(yǎng)物質(zhì)中釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成細胞可利用的自由能的主要方式。底物水平磷酸化是指 ATP 的形成直接由一個代謝中間產(chǎn)物上的高能磷酸基團轉(zhuǎn)移到 ADP 分之上的作用，見圖 4-11 。 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)物如磷酸烯醇式丙酮酸、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)?3- 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 。在三羧酸循環(huán)中（圖 4-13 ），琥珀酰輔酶 A 轉(zhuǎn)變?yōu)殓晁釙r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，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)酵時也可能形成不同的末端產(chǎn)物。 如酵母菌利用葡萄糖進行的發(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： 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，后丙酮酸脫羧生成乙醛，乙醛作為氫受體使 NADH 2 氧化生成 NAD + ，同時乙醛被還原生成乙醇，這種發(fā)酵類型稱為酵母的 型發(fā)酵。 在酒精工業(yè)上，就是利用釀酒酵母（ S. cerevisiae ）的 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。釀酒酵母細胞從細胞外每輸入 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 CO 2 ，并將乙醇與 CO 2 從胞內(nèi)排出至胞外發(fā)酵液中。在釀酒酵母細胞內(nèi)，這一反應(yīng)每運行一次，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 用于細胞生命活動的其它能量需要。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)，推動反應(yīng)持續(xù)進行。同時還有大量的熱能釋放，使發(fā)酵液的溫度上升。 型發(fā)酵 ：當環(huán)境中存在亞硫酸氫鈉時，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 NADH 2 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 - 磷酸甘油進一步水解脫磷酸生成甘油。此稱為酵母的 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，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醇。 型發(fā)酵 ：葡萄糖經(jīng) EMP 途徑生成丙酮酸，后脫羧生成乙醛，如處于弱堿性環(huán)境條件下 (pH 7.6) ，乙醛因得不到足夠的氫而積累， 2 個乙醛分子間發(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 個則作為還原劑被氧化為乙酸。而磷酸二羥丙酮作為 NADH 2 的氫受體，使 NAD + 再生，產(chǎn)物為乙醇、乙酸和甘油。 型發(fā)酵與 型發(fā)酵產(chǎn)能較少，一般在非生長情況下才能進行。 許多細菌能利用葡萄糖產(chǎn)生乳酸，這類細菌稱為乳酸細菌。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 CO 2 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 O 2 或氧化型化合物，從而生成 H 2 O 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 (anoxic respiration) 。 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 FADH 2 到 O 2 的傳遞所經(jīng)過的途徑稱為呼吸鏈 (respiratory chain) ，也稱電子傳遞鏈（ electron transport chain ）。呼吸鏈主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體組成，大致分為 4 個部分，分別稱為 NADH-Q 還原酶（ NADH-Q reductase ）、琥珀酸 -Q 還原酶（ succinate - Q reductase ）、細胞色素還原酶（ cytochrome reductase ）和細胞色素氧化酶（ cytochrome oxidase ）。典型的呼吸鏈組分及其在鏈中的排列順序、電子傳遞方向見下列流程與圖 4-12 。此外，還有一些非蛋白的電子載體，如脂溶性醌類等。 NAD(P)-FP( 黃素蛋白 )- Fe-S( 鐵硫蛋白 )- CoQ （輔酶 Q)-Cyt b-Cyt c -Cyt a-Cyt a3 圖 4-12 典型的呼吸鏈與 ATP 合成酶復(fù)合體 圖 4-12 中復(fù)合體 (complex ) 為 NADH-Q 還原酶，又稱為 NADH 脫氫酶 (NADH dehydrogenase) ，簡稱為復(fù)合體，是一個 MW 為 88 000Da 的大蛋白質(zhì)分子。 FMN 、 CoQ 、 NAD 均為 NADH-Q 還原酶的輔酶。 NAD 是不與內(nèi)膜緊密結(jié)合而 自由擴散的電子傳遞鏈組分 。此酶的作用是先與 NADH 結(jié)合并將 NADH 上的兩個高勢能電子轉(zhuǎn)移到 FMN 輔基上，使 NADH 氧化，并使 FMN 還原。 復(fù)合體 (complex ) 是 琥珀酸 -Q 還原酶，位于線粒體內(nèi)膜的酶蛋白。完整的酶還包括檸檬酸循環(huán)中使琥珀酸氧化為延胡索酸的琥珀酸脫氫酶。 FADH 2 為該酶的輔基，在傳遞電子時， FADH 2 將電子傳遞給琥珀酸脫氫酶分子的鐵 - 硫蛋白。電子經(jīng)過鐵 - 硫蛋白又傳遞給 CoQ 從而進人了電子傳遞鏈。 復(fù)合體 (complex ) 為 細胞色素還原酶，又稱輔酶 -Q 細胞色素 c 還原酶 (coenzyme Q cytochrome reductase) 、細胞色素 bc 1 復(fù)合體（ cytochrome bc 1 complex ）或簡稱 bc 1 等。除了極少數(shù)的專性厭氧微生物 (obligate anaerobes) 外，細胞色素幾乎存在于所有的生物體內(nèi)。細胞色素還原酶通過接受和送走電子的方式傳遞高勢能的電子。 復(fù)合體 (complex ) 為細胞色素氧化酶。細胞色素氧化酶又稱為細胞色素 c 氧化酶 （ cytochrome c oxidase ） 。其功能是接受細胞色素 c 傳過來的電子并最終交給 O 2 ，經(jīng)過一系列反應(yīng)生成 H 2 O 。 在真核微生物中，呼吸鏈的成分大多位于線粒體內(nèi)膜上，在原核生物中位于細胞質(zhì)膜上。 （ 2 ）、電子傳遞與 ATP 合成部位 電子傳遞和形成 ATP 的偶聯(lián)機制稱為氧化磷酸化 （ oxidative phosphorylation ）或稱電子轉(zhuǎn)移磷酸化 (electron transfer phosphorylation, ETP) 。氧化磷酸化是電子在沿著電子傳遞鏈傳遞過程中所伴隨的，將 ADP 磷酸化而形成 ATP 的過程。 以 NADH 為起端的電子傳遞鏈上，釋放自由能的部位有 3 處：由復(fù)合體 I 將 NADH 放出的電子經(jīng) FMN 傳遞給 CoQ 的過程是第 1 個 ATP 合成部位；第 2 個部位是復(fù)合體 ，它將電子由 CoQ 傳遞給細胞色素 c 的過程中合成 ATP ；第 3 個 ATP 合成部位是復(fù)合體 ，其將電子從細胞色素 c 傳遞給氧的過程中合成 ATP 。 從圖 4-12 可見， FADH 2 氧化釋放的電子未經(jīng) FMN 而直接交給 CoQ ，因為，琥珀酸 -Q 還原酶將電子從 FADH 2 轉(zhuǎn)移到 CoQ 上的標準氧還電勢變化（電勢差）所蘊含的自由能不足以合成一個 ATP 。故該電子依次繼續(xù)向細胞色素系統(tǒng)傳遞至 Cyt c 的過程中才形成合成 1 個 ATP 。因此，凡以 FADH 2 所攜帶的高勢能電子傳經(jīng)呼吸鏈僅生成 2 個 ATP （見圖 4-12 用虛線表示的電子傳遞路徑）。而 NADH 所攜帶的高勢能電子傳經(jīng)呼吸鏈生成 3 個 ATP （見圖 4-12 用實線表示的電子傳遞路徑）。故 NADH 提供的電子，其 P/O=3 ，而 FADH 2 提供的電子，其 P/O=2 。 （ 3 ） ATP 合成與 ATP 合成酶 ATP 合成是一個復(fù)雜的過程。 ATP 的合成是由一個位于線粒體、葉綠體、細菌內(nèi)膜上的 ATP 酶來完成的。這個復(fù)合體最初被稱為線粒體 ATP 酶（ mitochondrial ATPase ）或稱為 H-ATP 酶（ H + -ATPase ），現(xiàn)被稱為 ATP 合成酶（ ATP synthase, ATPase ）。 ATP 合成酶和電子傳遞酶類不同。電子傳遞所釋放出的自由能必須通過 ATP 合成酶轉(zhuǎn)換成可保存的 ATP 形式，這種能量的保存和 ATP 合成酶對它的轉(zhuǎn)換過程稱為能量偶聯(lián)（ energy coupling ）或能量轉(zhuǎn)換（ energy conversion ）。 ATPase 及其能量的轉(zhuǎn)換見圖 4-13 所示。 ATPase 由位于膜內(nèi)的稱為 F 0 部分和位于膜外的稱為 F 1 部分及其兩者之間的連接部分（也稱頸部）組成。膜外部分由 3 個 a 亞基和 3 個 b 亞基隔排依次圍繞 g 亞基 相列組成， ATP 合成的活性位點在 b 亞基上。 b 亞基有 3 個不同的構(gòu)象，即空結(jié)合位點的構(gòu)象、與 ADP 和 Pi 結(jié)合的構(gòu)象和與 ATP 結(jié)合的構(gòu)象。 g 也是連接 F 1 和 F 0 的頸部的主要 亞基， d 和 e 亞基 也參與了這一 組成。 F 0 是位于膜內(nèi)的一個質(zhì)子通道。當膜內(nèi)外形成質(zhì)子梯度后，質(zhì)子通過 F 0 質(zhì)子通道進入 F 1 并驅(qū)動 a 亞基和 b 亞基圍繞 g 亞基作旋轉(zhuǎn)運動， g 亞基與 3 種構(gòu)象不同的 b 亞基依次接觸， b 亞基的構(gòu)象在與 g 亞基的旋轉(zhuǎn)接觸過程中不斷依次發(fā)生變化，即與底物 ADP 和 Pi 與空位點結(jié)合，催化合成 ATP 并釋放，循環(huán)往復(fù)。 電子傳遞與氧化磷酸化作用相偶聯(lián)是一個不爭的事實，但其中的機理問題仍未完全闡明。對此曾有三種假說，即：化學(xué)偶聯(lián)假說（ chemical coupling hypothesis ）、結(jié)構(gòu)偶聯(lián)假說（ conformational 圖 4-13 ATPase 結(jié)構(gòu)（ a ）及其 ATP 合成（ b ）（轉(zhuǎn)引自沈萍主編 微生物學(xué)，高等教育出版社， 2000 ） coupling hypothesis ）和由 Michaell 提出的 化學(xué)滲透假說 (chemiosmotic hypothesis) 。其中化學(xué)滲透假說已獲得相對較多的實驗證據(jù)支持并為較多學(xué)者所認同。 就目前所知，電子傳遞鏈上氧化磷酸化合成 ATP 的大致機制是： 電子在呼吸鏈傳遞產(chǎn)生的自由能，在特定的部位被稱為質(zhì)子泵（ proton pump ）驅(qū)動 H + 從基質(zhì)跨過內(nèi)膜到達膜間隙的一邊，從而形成內(nèi)膜兩邊電化學(xué)電勢差，使基質(zhì)的 H 濃度低于膜間隙，因而基質(zhì)形成負電勢，而膜間隙形成正電勢。這樣就形成了電化學(xué)梯度即電動勢（ electromotive force, EMF ），此可稱為質(zhì)子動勢或質(zhì)子動力（ protonmotive force, PMF ），這種質(zhì)子動勢蘊含的自由能作為動力，驅(qū)動位于內(nèi)膜中的 ATP 合成酶（ 復(fù)合體 V ）將 H + 從膜間隙一邊經(jīng)質(zhì)子通道泵回至基質(zhì)一邊，在這一過程中將能量轉(zhuǎn)移給 ADP 與 P i 合成 ATP 。同時降低內(nèi)膜兩邊的電化學(xué)電勢差，并實現(xiàn) H + 的跨膜循環(huán) （見圖 4-12 和 4- 13 ） 。 （ 4 ）微生物中呼吸鏈的多樣性 微生物作為生物三大類群之一，它是一個種類極其繁多生物世界，某些種類的進化程度差異比較大。這種根本的差異在呼吸鏈組成與結(jié)構(gòu)等方面有所顯現(xiàn)。尤其是異養(yǎng)與自養(yǎng)這兩大類微生物的呼吸鏈組成與結(jié)構(gòu)在某些種屬間有較明顯的不同，如真核微生物酵母菌具有組成與結(jié)構(gòu)完整的呼吸鏈（如圖 4-12 所示），而一些營有氧或無氧呼吸獲得能量的自養(yǎng)微生物中的某些代謝類型，其呼吸鏈較短，有的甚至只有 12 類氧化還原酶系組成，它們把簡單的無機物作為電子供體，這些電子供體直接與位于細胞質(zhì)膜中的呼吸鏈組分偶聯(lián)傳遞電子，進行氧化磷酸化生成 ATP 。其呼吸鏈組分不全、長度較短，結(jié)果是氧化磷酸化生成 ATP 的偶聯(lián)位少，因此，電子流經(jīng)呼吸鏈時產(chǎn)能少，根本原因是它們所能利用的無機電子供體所載有的能量大多數(shù)較少，這是導(dǎo)致自養(yǎng)型微生物生長比較緩慢的重要原因 ，見圖 4-15 。 2 、有氧呼吸產(chǎn)能途徑 有氧呼吸 也稱好氧呼吸，它是最為普遍的生物氧化產(chǎn)能方式。 微生物能量代謝中的有氧呼吸可根據(jù)呼吸基質(zhì)即能源物質(zhì)的性質(zhì)分為兩種類型，一是主要以有機能源物質(zhì)為呼吸基質(zhì)的化能異養(yǎng)型微生物中存在的有氧呼吸，二是以無機能源物質(zhì)為呼吸基質(zhì)的化能自養(yǎng)型微生物的有氧呼吸。這兩種類型的呼吸作用的共同特點是它們的最終電子受體均為氧。 （ 1 ）以有機物為呼吸基質(zhì)的有氧呼吸 常見的異養(yǎng)微生物最易利用的能源和碳源有葡萄糖等。葡萄糖經(jīng) EMP 途徑酵解形成的丙酮酸，在無氧的條件下經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)變成不同的發(fā)酵產(chǎn)物，如乳酸、乙醇和 CO 2 等，并產(chǎn)生少量能量。但在環(huán)境有氧的條件下，細胞行有氧呼吸，丙酮酸先轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴?CoA （ acetyl-coenzymeA ， acetyl-CoA ），隨即進入三羧酸循環(huán) (tricarboxylic acid cycle ，簡稱 TCA 循環(huán) ) ，被徹底氧化生成 CO 2 和水，同時釋放大量能量，見圖 4-14 TCA 循環(huán)圖。 從 TCA 循環(huán)圖與電子傳遞鏈產(chǎn)能反應(yīng)（見圖 4-12 和 4-14 ）可見， 1 分子丙酮酸經(jīng) TCA 循環(huán)而被徹底氧化，共釋放出 3 分子 CO 2 ，生成 4 分子的 NADH 2 和 1 分子的 FADH 2 ，通過底物水平磷酸化產(chǎn)生 1 分子的 GTP 。而每分子 NADH 2 經(jīng)電子傳遞鏈，通過氧化磷酸化產(chǎn)生 3 分子 ATP ，每分子 FADH 2 經(jīng)電子傳遞鏈通過氧化磷酸化產(chǎn)生 2 分子 ATP ，因此， 1 分子的丙酮酸經(jīng)有氧呼吸徹底氧化，生成 ATP 分子的數(shù)量為： 4 3+1 2+1 = 15 。 微生物行有氧呼吸時，葡萄糖的利用首先經(jīng) EMP 途徑生成 2 分子丙酮酸，并經(jīng)底物水平磷酸化產(chǎn)生 4 分子 ATP 和 2 分子 NADH 2 。在有氧條件下， EMP 途徑中生成 2 分子 NADH 2 可進入電子傳遞鏈，經(jīng)氧化磷酸化產(chǎn)生 6 分子 ATP 。因此，在有氧條件下，微生物經(jīng) EMP 途徑與 TCA 循環(huán)，通過底物水平磷酸化與氧化磷酸化，徹底氧化分解 1mol 葡萄糖，共產(chǎn)生 40mol ATP 。但在 EMP 途徑中，葡萄糖經(jīng) 2 次磷酸化生成 1, 6- 二磷酸果糖的過程中有 2 步為耗能反應(yīng)，共消耗了 2 分子 ATP ，故凈得 38mol ATP 。 已知 ATP 水解為 ADP 釋放的能量約為 31.8kJ mol ，故 1mol 葡萄糖被徹底氧化約有 1 208kJ （ 31.8kJ 38 ）的能量被轉(zhuǎn)儲于 ATP 的高能磷酸鍵中。 1mol 葡萄糖被徹底氧化為 CO 2 和 H 2 O 可釋放的總能量約為 2 822kJ 。因此好氧微生物通過有氧呼吸利用葡萄糖，其能量利用效率約為 43 ，其余的能量以熱等形式散失?？梢?，生物機體在有氧條件下的能量利用效率極高。 圖4-14 三羧酸循環(huán)（ TCA ） （ 2 ）以無機物為呼吸基質(zhì)的有氧呼吸 好氧或兼性的化能無機自養(yǎng)型微生物能從無機化合物的氧化中獲得能量。它們能以無機物如 NH 4 、 NO 2 - 、 H 2 S 、 S o 、 H 2 和 Fe 2+ 等為呼吸基質(zhì)，把它們作為電子供體，氧為最終電子受體，電子供體被氧化后釋放的電子，經(jīng)過呼吸鏈和氧化磷酸化合成 ATP ，為還原同化 CO 2 提供能量。因此，化能自養(yǎng)菌一般是好氧菌。這類好氧型的化能無機自養(yǎng)型微生物分別屬于氫細菌、硫化細菌、硝化細菌和鐵細菌等。它們廣泛分布在土壤和水域中，并對自然界的物質(zhì)轉(zhuǎn)化起著重要的作用。這些微生物的產(chǎn)能途徑見下列化學(xué)反應(yīng)式： 化能自養(yǎng)微生物對底物的要求具有嚴格的專一性，即用作能源的無機物及其代謝途徑缺乏統(tǒng)一性。如硝化細菌不能氧化無機硫化物，同樣，硫化細菌也不能氧化氨或亞硝酸。 上述各種無機化合物不僅可作為最初的能源供體，而且其中有些底物（如 NH 4 + 、 H 2 S 、 H 2 等）還可作為質(zhì)子供體，通過逆呼吸鏈傳遞方式形成用于還原 CO 2 的還原力（ NADH 2 ） ，但這個過程需要提供能量，是一個消耗 ATP 的反應(yīng)。 與異養(yǎng)微生物比較，化能自養(yǎng)微生物的能量代謝有以下 3 個主要特點： 無機底物的氧化直接與呼吸鏈相偶聯(lián)。即無機底物由脫氫酶或氧化還原酶催化脫氫或脫電子后，隨即進