微生物产能代谢途径合集很有用.doc

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1、-/第二节 微生物的产能代谢内容提示能量代谢中的主能与递能分子微生物的主要产能代谢途径与能量转换方式微生物中自葡萄糖形成丙酮酸的糖酵解 EMP途径HMP途径ED途径WD途径Stickland反应发酵与底物水平磷酸化呼吸产能代谢光合作用与光合磷酸化在微生物的物质代谢中，与分解代谢相伴随的蕴含在营养物质中的能量逐步释放与转化的变化被称为产能代谢。可见产能代谢与分解代谢密不可分。任何生物体的生命活动都必须有能量驱动，产能代谢是生命活动的能量保障。微生物细胞内的产能与能量储存、转换和利用主要依赖于氧化还原反应。化学上，物质加氧、脱氢、失去电子被定义为氧化，而反之则称为还原。发生在生物细胞内的氧化还原反

2、应通常被称为生物氧化。微生物的产能代谢即是细胞内化学物质经过一系列的氧化还原反应而逐步分解，同时释放能量的生物氧化过程。营养物质分解代谢释放的能量，一部分通过合成 ATP 等高能化合物而被捕获，另一部分能量以电子与质子的形式转移给一些递能分子如 NAD 、 NADP 、 FMN 、 FAD 等形成还原力 NADH 、 NADPH 、 FMNH 和 FADH ，参与生物合成中需要还原力的反应，还有一部分以热的方式释放。另有一部分微生物能捕获光能并将其转化为化学能以提供生命活动所需的能量。种类繁多的微生物所能利用的能量有两类：一是蕴含在化学物质（营养物）中的化学能，二是光能。 微生物产能代谢具有丰

3、富的多样性，但可归纳为两类途径和三种方式，即发酵、呼吸（含有氧呼吸和无氧呼吸）两类通过营养物分解代谢产生和获得能量的途径，以及通过底物水平磷酸化（ substrate level phosphorylation ）、氧化磷酸化 (oxidation phosphorylation) 也称电子转移磷酸化 (electron transfer phosphorylation) 和光合磷酸化 (photo-phosphorylation) 三种化能与光能转换为生物通用能源物质（ ATP ）的转换方式。 研究微生物的产能代谢就是追踪了解蕴含能量的物质降解途径和参与产能代谢的储能、递能分子捕获与释放能量

4、的反应过程和机制。 一、能量代谢中的 贮能与递能分子 （一） ATP 在与分解代谢相伴随的产能代谢中，起捕获、贮存和运载能量作用的重要分子是腺嘌呤核苷三磷酸，简称腺苷三磷酸（ adenosine triphosphate, 即 ATP ）。 ATP 是由 ADP （腺苷二磷酸）和无机磷酸合成的。 ATP 、 ADP 和无机磷酸广泛存在于细胞内，起着储存和传递能量的作用。因此 , 也称为能量传递系统（ energy-transmitting system ）。 ATP 的分子结构式见下图 4-1 。 图 4-1 腺嘌呤核苷三磷酸（ ATP ）的分子结构式 以 ATP 形式贮存的自由能，用于提供以

5、下各方面对能量的需要： 提供生物合成所需的能量。在生物合成过程中， ATP 将其所携带的能量提供给大分子的结构元件，例如氨基酸，使这些元件活化，处于较高能态，为进一步装配成生物大分子蛋白质等作好准备。 是为细胞各种运动（如鞭毛运动等）提供能量来源。 为细胞提供逆浓度梯度跨膜运输营养物所需的自由能。 在 DNA 、 RNA 、蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确传递， ATP 也以特殊方式起着递能作用等等。 在细胞进行某些特异性生物过程如固定氮素时提供能量。 当 ATP 提供能量时， ATP 分子远端的 g - 磷酸基团水解成为无机磷酸分子， ATP 分子失掉一个磷酰基而变为 ADP 。 AD

6、P 在捕获能量的前提下，再与无机磷酸结合形成 ATP 。 ATP 和 ADP 的往复循环是细胞储存和利用能量的基本方式。 ATP 作为自由能的贮存物质，处于动态平衡的不断周转之中。一般情况下，在一个快速生长的微生物细胞内， ATP 一旦形成，很快就被利用，起着捕获与传递能量的作用。在一种微生物细胞中 ATP 和 ADP 总是以一定的浓度比例范围存在，以保证生命活动中用能与储能的正常进行。 能直接提供自由能的高能核苷酸类分子除 ATP 外，还有 GTP （鸟苷三磷酸）、 UTP （尿苷三磷酸）以及 CTP （胞苷三磷酸）等。 GTP 为一些功能蛋白的活化、蛋白质的生物合成和转运等提供自由能。 U

7、TP 在糖原合成中可以活化葡萄糖分子。 CTP 为合成磷脂酰胆碱等提供自由能等等。 （二）烟酰胺辅酶 NAD 与 NADP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（ nicotinamideadenine dinucleotide, NAD ，辅酶 I ）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ nicotinamide adenine dinucleotidephosphate, NADP ，辅酶）为物质与能量代谢中起重要作用的脱氢酶的辅酶。作为电子载体，在能量代谢的各种酶促氧化 - 还原反应中发挥着能量的暂储、运载与释放等重要功能。其氧化形式分别为 NAD 和 NADP ，在能量代谢氧化途径中作电子受体。还原形式为 N

8、ADH 和 NADPH ，在能量代谢还原途径中作电子供体（图 4-2 ）。 依赖于 NAD + 和 NADP + 的脱氢酶至少催化 6 种不同类型的反应：简单的氢转移、氨基酸脱氨生成 a - 酮酸、 b - 羟酸氧化与随后 b - 酮酸中间物脱羧、醛的氧化、双键的还原和碳 - 氮键的氧化（如二氢叶酸还原酶）等。 NAD 也是参与呼吸链电子传递过程的重要分子，在多数情况下代谢物上脱下的氢先交给 NAD + ，使之成为 NADH 和 H + ，然后把氢交给黄素蛋白中的黄素腺嘌呤二核苷酸（ FAD ）或黄素单核苷酸（ FMN ），再通过呼吸链的传递，最后交给氧等最终受氢体。但也存在另一种情况，即代谢

9、物上的氢先交给 NAD + 或 NADP + ，生成还原型的 NADH 或 NADPH ，后者再去还原另一个代谢物。因此通过 NAD + 或 NADP + 的作用，可以使某些反应偶联起来。此外， NAD + 也是 DNA 连接酶的辅酶，对 DNA 的复制有重要作用，为形成 3, 5- 磷酸二酯键提供所需要的能量。可见辅酶 I 与辅酶在细胞物质与能量代谢中起着不可替代的重要作用。 图 4 2 烟酰胺辅酶的结构和氧化还原状态 氢负离子（ H ： 一个质子和两个电子）转移给 NAD + 生成 NADH （三）黄素辅酶 FMN 与 FAD 黄素单核苷酸（ flavin mononucleotide,

10、FMN ）和黄素腺嘌呤二核苷酸（ flavin adenine dinucleotide ， FAD ）是核黄素 (riboflavin ，即 维生素 B 2 ) 在生物体内的存在形式，是细胞内一类称为黄素蛋白的氧化还原酶的辅基，因此也称为 黄素辅酶， 其分子结构见图 4-3 。 核黄素是 核醇与 7, 8- 二甲基异咯嗪缩合物。由于在异咯嗪的 1 位和 5 位 N 原子上具有两个活泼的双键，故易发生氧化还原反应。因此，它有氧化型和还原型两种形式 ，其分子结构与氧化还原机制见图 4-4 ， 图 4 3 FMN 和 FAD 的分子结构 黄素辅酶是比 NAD + 和 NADP + 更强的氧化剂，能

11、被 1 个电子和 2 个电子途径还原，并且很容易被分子氧重新氧化。黄素辅酶可以 3 种不同氧化还原状态的任一种形式存在。完全氧化型的黄素辅酶为黄色， l max 为 450 nm ，通过 1 个电子转移，可将完全氧化型的黄素辅酶转变成半醌（ semiquinone ），半醌是一个中性基， l max 为 570 nm ，呈蓝色；第二个电子转移将半醌变成完全还原型无色二氢黄素辅酶（见图 4-4 ）。 图 4-4 FAD 和 FMN 的氧化还原型 黄素辅酶与许多不同的电子受体和供体一起，通过 3 种不同的氧化还原状态参与电子转移反应，在细胞的物质与能量代谢的氧化还原过程中发挥传递电子与氢的功能，促

12、进糖、脂肪和蛋白质的代谢。二、微生物的主要产能代谢途径与能量转换方式 微生物产能代谢可分为发酵、呼吸（含有氧呼吸与无氧呼吸）两类代谢途径，以及底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化三种化能与光能转换为生物通用能源的能量转换方式。 （一）微生物中自葡萄糖形成丙酮酸的糖酵解 微生物以葡萄糖为底物时都要经历将葡萄糖转化为丙酮酸的糖酵解过程。这一过程的代谢途径主要有 EMP 、 HMP 、 ED 、 PK 、 HK 和 Stickland 等途径。这些途径中释放的可被利用的能量，部分是通过底物水平磷酸化生成 ATP 等，部分被转移至递能分子中形成还原力 H 。在微生物中，进行能量代谢的途径具有丰富的多

13、样性。 1 、 EMP 途径及其终产物和发酵产能 EMP 途径 (Embden Meyerhof pathway) 以葡萄糖为起始底物，丙酮酸为其终产物，整个代谢途径历经 10 步反应，分为两个阶段： EMP 途径的第一阶段为耗能阶段。在这一阶段中，不仅没有能量释放，还在以下两部步反应中消耗 2 分子 ATP ： 在葡萄糖被细胞吸收运输进入胞内的过程中，葡萄糖被磷酸化，消耗了 1 分子 ATP ，形成 6- 磷酸葡萄糖； 6- 磷酸葡萄糖进一步转化为 6- 磷酸果糖后，再一次被磷酸化，形成 1, 6- 二磷酸果糖，此步反应又消耗了 1 分子 ATP 。而后，在醛缩酶催化下， 1, 6- 二磷酸

14、果糖裂解形成 2 个三碳中间产物： 3- 磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。在细胞中，磷酸二羟丙酮为不稳定的中间代谢产物，通常很快转变为 3- 磷酸甘油醛而进入下步反应。 因此，在第一阶段实际是消耗了 2 分子 ATP ，生成 2 分子 3- 磷酸甘油醛；这一阶段为第二阶段的进一步反应做准备，故一般称为准备阶段。 EMP 途径的第二阶段为产能阶段。在这第二阶段中， 3- 磷酸甘油醛接受无机磷酸被进一步磷酸化，此步以 NAD + 为受氢体发生氧化还原反应， 3- 磷酸甘油醛转化为 1, 3- 二磷酸油甘酸；同时， NAD + 接受氢（ 2e + 2H + ）被还原生成 NADH 2 。与磷酸己糖中的有机

15、磷酸键不同，二磷酸甘油酸中的 2 个磷酸键为高能磷酸键，在 1, 3- 二磷酸甘油酸转变成 3- 磷酸甘油酸及随后发生的磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸的 2 个反应中，发生能量释放与转化，各生成 1 分子 ATP 。 EMP 途径的各个反应步骤见图 4-5 。 图 4-5 EMP 途径及某些微生物以丙酮酸为底物的发酵产能 综上所述， EMP 途径以 1 分子葡萄糖为起始底物，历经 10 步反应，产生 4 分子 ATP ，由于在反应的第一阶段消耗 2 分子 ATP ，故净得 2 分子 ATP ；同时生成 2 分子 NADH 2 和为分子丙酮酸。 EMP 途径是微生物基础代谢的重要途径之一。必需指出

16、，从现象看，似乎只要有源源不断的葡萄糖提供给细胞，它就可产生大量的 ATP 、丙酮酸、 NADH 2 。其实不然，因为，只要是氧化还原反应，其氧化反应与还原反应两者是相偶联与平衡的。在细胞内， EMP 途径的第二阶段始有底物释放电子的氧化反应发生，消耗 2 分子氧化态的 NAD + ，产生 2 分子还原态的 NADH 2 。但若要保持 EMP 途径持续运行，必须有底物还原吸纳电子与氢，使 NADH 2 氧化再生成氧化态 NAD + ，以有足够的氧化型 NAD + 作为受氢体再循环参与 3- 磷酸甘油醛转化为 1,3- 二磷酸油甘酸的脱氢氧化反应，从而保持氧化还原反应的持续平衡进行，同时不断生成

17、 ATP ，以供细胞生命活动中能量之所需。因此，在保证葡萄糖供给的条件下，胞内 NADH 2 氧化脱氢（ 2e - + 2H + ）后，受氢体的来源与数量成为 EMP 途径能否持续运行的决定性条件，否则， EMP 途径的运行将受阻。 在微生物中，使 EMP 途径顺畅运行的受氢体主要有两类： 一是在有氧条件下，以氧作为受氢体。 NADH 2 途经呼吸链脱氢氧化，最终生成 H 2 O 和氧化态 NAD + ，而在 NADH 2 途经呼吸链过程中生成 ATP （将在“呼吸作用”节中详述）。 二是在无氧条件下发酵时，以胞内中间代谢物为受氢体。还原态的 NADH 2 被氧化，生成氧化态 NAD + 和分

18、解不彻底的还原态中间代谢产物。如在无氧条件下的乳酸细菌中，丙酮酸作为受氢体被还原成乳酸（见图 4-5 第 11 步反应）。又如在酵母细胞中，丙酮酸经脱羧生成乙醛与 CO 2 后，在 NADH 2 参与下，乙醛作为受氢体被还原生成乙醇和氧化态 NAD + （见图 4-5 第 12 、 13 步反应）。在一些肠细菌中还生成多种副产物（见图 4-5 第 14 、 15 步反应）。 由上可知，微生物在无氧条件下的能量代谢，极为重要的是图 4-5 中的第三阶段，即丙酮酸后的发酵。没有丙酮酸后的发酵，细胞在无氧条件下难于持续获得生长与代谢需要的能量，此即发酵产能的实质内涵。但 ATP 的生成以 EMP 途

19、径的第二阶段为主，因此， EMP 是微生物在无氧条件下发酵产能的重要途径。 绝大多数微生物都有 EMP 途径，包括大部分厌氧细菌，如梭菌（ Clostridium ），螺旋菌（ Spirillum ）等；兼性好氧细菌，如大肠杆菌（ E. coli ）；以及专性好氧细菌等。 EMP 途径及随后的发酵，能为微生物的代谢活动提供 ATP 和 NADH 2 外，其中间产物又可为微生物细胞的一系列合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。 2 HMP 途径 HMP 途径（ hexose monophosphate pathway ）是从 6- 磷酸葡萄糖为起始底物，即在单磷酸己糖基础上开始降解，

20、故称为单磷酸己糖途径，简称为 HMP 途径。 HMP 途径与 EMP 途径密切相关，因为 HMP 途径中的 3- 磷酸甘油醛可以进入 EMP ，因此该途径又可称为磷酸戊糖支路。 HMP 途径的反应过程见图 4-6 。 HMP 途径也可分为两个阶段： 第一阶段即氧化阶段：从 6- 磷酸葡萄糖开始，经过脱氢、水解、氧化脱羧生成 5- 磷酸核酮糖和二氧化碳。即图 4-6 中 (1) (4) 的阶段。 第二阶段即非氧化阶段：为磷酸戊糖之间的基团转移，缩合（分子重排）使 6- 磷酸己糖再生。即图 4-6 中 (5) (13) 的阶段。 HMP 途径的特点： HMP 途径是从 6- 磷酸葡萄糖酸脱羧开始降

21、解的，这与 EMP 途径不同， EMP 途径是在二磷酸己糖基础上开始降解的。 HMP 途径中的特征酶是转酮酶和转醛酶。 转酮酶催化下面 2 步反应： 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- 磷酸赤藓糖3- 磷酸甘油醛 + 6- 磷酸果糖转醛酶催化下面一步反应： 7- 磷酸景天庚酮糖 + 3- 磷酸甘油醛4- 磷酸赤癣糖 + 6- 磷酸果糖 HMP 途径一般只产生 NADPH 2 ，不产生 NADH 2 。 HMP 途径中的酶系定位于细胞质中。 HMP 途径的一个循环的结果是 1 分子 6- 磷酸葡糖糖最终转变成 1 分子 3-

22、磷酸甘油醛， 3 分子 CO 2 和 6 分子 NADPH 2 。 图 4-6 HMP 途径 HMP 途径的生理功能主要有： 为生物合成提供多种碳骨架。 5- 磷酸核糖可以合成嘌呤、嘧啶核苷酸，进一步合成核酸， 5- 磷酸核糖也是合成辅酶 NAD （ P ）， FAD （ FMN ）和 CoA 的原料， 4- 磷酸赤癣糖是合成芳香族氨基酸的前体。 HMP 途径中的 5- 磷酸核酮糖可以转化为 1 ， 5- 二磷酸核酮糖，在羧化酶催化下固定二氧化碳，这对于光能自养菌和化能自养菌具有重要意义。 为生物合成提供还原力（ NADPH 2 ）。 大多数好氧和兼性厌氧微生物中都具有 HMP 途径，而且在同

23、一种微生物中， EMP 和 HMP 途径常同时存在，单独具有 EMP 或 HMP 途径的微生物较少见。 EMP 和 HMP 途径的一些中间产物也能交叉转化和利用，以满足微生物代谢的多种需要。 微生物代谢中高能磷酸化合物如 ATP 等的生成是能量代谢的重要反应，而并非能量代谢的全部。 HMP 途径在糖被氧化降解的反应中，部分能量转移，形成大量的 NADPH 2 ，为生物合成提供还原力，同时输送中间代谢产物。虽然 6 个 6- 磷酸葡萄糖分子经 HMP 途径，再生 5 个 6- 磷酸葡萄糖分子，产生 6 分子 CO 2 和 P i ，并产生 12 个 NADPH 2 ，这 12 个 NADPH 2

24、 如经呼吸链氧化产能，最终可得到 36 个 ATP 。 HMP 途径的主要功能是为生物合成提供还原力和中间代谢产物，同时与 EMP 一起，构成细胞糖分解代谢与有关合成代谢的调控网络。 3 ED 途径 ED 途径（ Entner-Doudoroff pathway ）是恩纳（ Entner ）和道特洛夫（ Doudoroff ， 1952 年）在研究嗜糖假单胞菌 ( Pseudomonas saccharophila ) 时发现的。 在这一途径中， 6- 磷酸葡萄糖先脱氢产生 6- 磷酸葡萄糖酸，后在脱水酶和醛缩酶的作用下，生成 1 分子 3- 磷酸甘油醛和 1 分子丙酮酸。 3- 磷酸甘油醛随

25、后进人 EMP 途径转变成丙酮酸。 1 分子葡萄糖经 ED 途径最后产生 2 分子丙酮酸，以及净得各 1 分子的 ATP 、 NADPH 2 和 NADH 2 。 ED 途径见图 4-7 。 ED 途径的特点是： 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸（ KDPG ）裂解为丙酮酸和 3- 磷酸甘油醛是有别于其它途径的特征性反应。 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸醛缩酶是 ED 途径特有的酶。 ED 途径中最终产物，即 2 分子丙酮酸，其来历不同。 1 分子是由 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另 1 分子是由磷酸甘油醛经 EMP 途径获得。这 2 个

26、丙酮酸的羧基分别来自葡萄糖分子的第一与第四位碳原子。 1mol 葡萄糖经 ED 途径只产生 1 mol ATP ，从产能效率言， ED 途径不如 EMP 途径。 图 4-7 ED 途径及其与 EMP 、 HMP 、 TCA 关系 表 4-6 示 EMP 、 HMP 、 ED 途径的特点比较。 表 4-6 EMP 、 HMP 、 ED 途径比较在革兰氏阴性的假单胞菌属的一些细菌中， ED 途径分布较广，如嗜糖假单胞菌（ Pseudomonas saccharophila ），铜绿假单细胞（ Ps aeruginosa ），荧光假单胞菌（ Ps. fluorescens ），林氏假单胞菌（ Ps.

27、 lindneri ）等。固氮菌的某些菌株中也存在 ED 途径。 表 4-7 表明了 EMP ， HMP 和 ED 途径在某些微生物中存在的百分比。表中可见， HMP 途径一般是与 EMP 途径并存，但 ED 途径可不依赖于 EMP 和 HMP 途径而独立存在。 表 4-7 EMP 、 HMP 、 ED 等糖代谢途径在微生物中的分布 微生物 不同途径的分布（） EMP HMP ED 啤酒酵母 产脱假丝酵母灰色链霉菌产黄青霉大肠杆菌藤黄八叠球菌枯草杆菌铜绿假单胞菌氧化醋单胞菌运动发酵单胞菌嗜糖假单胞菌 88 66-819777727074- 1219-3432328302629100- -71-

28、100100 4. WD 途径 WD 途径是由沃勃（ Warburg ）、狄更斯（ Dickens ）、霍克（ Horecker ）等人发现的，故称 WD 途径。由于 WD 途径中的特征性酶是磷酸解酮酶（ Phosphoketolase ），所以又称磷酸解酮酶途径。根据磷酸解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的叫 PK 途径，把具有磷酸已糖解酮酶的叫 HK 途径。 肠膜状明串珠菌（ Leuconostoc mesenteroides ），就是经 PK 途径利用葡萄糖进行异型乳酸发酵生成乳酸、乙醇和 CO 2 ( 图 4-8) 。 图 4-8 磷酸戊糖解酮酶（ PK ）途径 而两歧双歧杆菌（ Bi

29、fidobacterium bifidum ）则是利用磷酸已糖解酮酶途径分解葡萄糖产生乙酸和乳酸的，见图 4-9 磷酸已糖解酮酶 HK 途径。 图 4-9 磷酸已糖解酮酶 HK 途径 5. Stickland 反应 上述 4 条途径均是以糖类为起始底物的代谢途径。而早在 1934 年， L. H. Stickland 发现，某些厌氧梭菌如生孢梭菌（ Clostridium sporogenes ）等，可把一些氨基酸当作碳源、氮源和能源。这是以一种氨基酸作氢供体，另一种氨基酸作为氢受体进行生物氧化并获得能量的发酵产能方式。后将这种独特的发酵类型，称为 Stickland 反应。 Sticklan

30、d 反应是经底物水平磷酸化生成 ATP ，其产能效率相对较低。在 Stickland 反应中，作为供氢体的有多种氨基酸，如丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸和色氨酸等，作为受氢体的主要有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、色氨酸和精氨酸等。 Clostridium sporogenes 中以丙氨酸为供氢体和以甘氨酸为受氢体的 Stickland 反应途径见图 4-10 。 图 4-10 Clostridium sporogenes 中以丙氨酸为供氢体和以甘氨酸为受氢体的 Stickland 反应 （二）发酵与底物水平磷酸化 1 、发酵 发酵（ fermentation ）有广义与

31、狭义两种概念。广义的发酵是指微生物在有氧或无氧条件下利用营养物生长繁殖并生产人类有用产品的过程。例如发酵工业上用苏云金芽孢杆菌等生产生物杀虫剂，利用酵母菌生产面包酵母或酒精，利用链霉菌生产抗生素等通称为发酵。而狭义的发酵仅仅是指微生物生理学意义上的，它一般是指微生物在无氧条件下利用底物代谢时，将有机物生物氧化过程中释放的电子直接转移给底物本身未彻底氧化的中间产物，生成代谢产物并释放能量的过程。这里讨论的是狭义的发酵。 在发酵过程中，供微生物发酵的底物通常是多糖经分解而得到的单糖，以己糖和戊糖等糖类为多见，葡萄糖是发酵最为常用的底物，另有有机酸、氨基酸等。 在葡萄糖转化为丙酮酸后，厌氧微生物和无

32、氧条件下的兼性厌氧微生物可以不同的途径将丙酮酸转化为多种发酵产物。乳酸细菌可以将丙酮酸还原为乳酸。酵母菌将丙酮酸脱羧形成乙醛，再由乙醛还原形成乙醇。丁酸弧菌属 ( Butyrivibrio ) 、真杆菌属 ( Eubacterium ) 和羧状芽孢杆菌属（ Clostridium ）的一些种如丁酸羧菌（ C.butyricum ）、克氏羧菌 ( C.kluyveri ) 等，通过将丙酮酸脱羧并辅酶 A 化形成乙酰 -CoA ，然后 2 个乙酰 -CoA 缩合为乙酰乙酰 CoA ，在经过多个步骤形成丁酸。也可由多种肠道细菌将丙酮酸发酵为包括甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、乙醇、丙三醇、 2, 3- 丁

33、二醇、 3- 羟丁酮等多种有机酸和醇的混合酸。 2 、发酵途径中的底物水平磷酸化 在发酵途径中，通过底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation, SLP) 合成 ATP ，是营养物质中释放的化学能转换成细胞可利用的自由能的主要方式。底物水平磷酸化是指 ATP 的形成直接由一个代谢中间产物上的高能磷酸基团转移到 ADP 分之上的作用，见图 4-11 。 图 4-11 底物水平磷酸化生成 ATP 的反应 在上述发酵过程中，形成的富能中间产物如磷酸烯醇式丙酮酸、乙酰 CoA 等酰基类物，通过底物水平磷酸化形成 ATP 。 底物水平磷酸化既存在于发酵过程中，也存在

34、于呼吸作用过程的某些步骤中。如在 EMP 途径中， 1, 3- 二磷酸甘油酸转变为 3- 磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中，均通过底物水平磷酸化分别产生 1 分子 ATP 。在三羧酸循环中（图 4-13 ），琥珀酰辅酶 A 转变为琥珀酸时通过底物水平磷酸化生成 1 分子高能磷酸化合物 GTP 。 3 、微生物发酵代谢的多样性 在无氧条件下发酵时，不同微生物在以糖类为底物的重要代谢途径中，其终端产物或中间产物进一步发酵产能代谢的途径呈现出丰富的多样性，即使同一微生物利用同一底物发酵时也可能形成不同的末端产物。 如酵母菌利用葡萄糖进行的发酵，可根据不同条件下代谢产物的不同分为三种

35、类型： 型发酵 ：酵母菌将葡萄糖经 EMP 途径降解生成 2 分子终端产物丙酮酸，后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢受体使 NADH 2 氧化生成 NAD + ，同时乙醛被还原生成乙醇，这种发酵类型称为酵母的 型发酵。 在酒精工业上，就是利用酿酒酵母（ S. cerevisiae ）的 型发酵，主要以淀粉等碳水化合物降解后的葡萄糖等可发酵性糖为底物生产酒精的。酿酒酵母细胞从细胞外每输入 1 分子葡萄糖，在无氧条件下，经 EMP 途径及随后的反应，最终生成 2 分子乙醇与 2 分子的 CO 2 ，并将乙醇与 CO 2 从胞内排出至胞外发酵液中。在酿酒酵母细胞内，这一反应每运行一次，生成的 4 分子

36、 ATP ，其中 2 分子在下一轮分别用于第一阶段的第一和第三步的耗能反应，其余 2 分子 ATP 用于细胞生命活动的其它能量需要。而 NAD + 作为受氢体和氢载体，在 3- 磷酸甘油醛氧化生成 1, 3- 二磷酸甘油酸和乙醛还原生成乙醇这两步反应之间往返循环，推动反应持续进行。同时还有大量的热能释放，使发酵液的温度上升。 型发酵 ：当环境中存在亚硫酸氢钠时，亚硫酸氢钠可与乙醛反应，生成难溶的磺化羟基乙醛，该化合物失去了作为受氢体使 NADH 2 脱氢氧化的性能，而不能形成乙醇，转而使磷酸二羟丙酮替代乙醛作为受氢体，生成 a - 磷酸甘油， a - 磷酸甘油进一步水解脱磷酸生成甘油。此称为酵

37、母的 型发酵。这是利用酵母菌工业化生产甘油的“经典”途径。但在实际上，酵母所处环境中的高浓度亚硫酸氢钠可抑制酵母细胞的生长与代谢，致使甘油发酵效率低。在要求酵母生长代谢活力与甘油发酵效率两者兼顾时，应控制较低浓度的亚硫酸氢钠，这样就不使 100% 的乙醛与亚硫酸氢钠反应，生成磺化羟基乙醛，而尚有部分乙醛被还原生成乙醇。 型发酵 ：葡萄糖经 EMP 途径生成丙酮酸，后脱羧生成乙醛，如处于弱碱性环境条件下 (pH 7.6) ，乙醛因得不到足够的氢而积累， 2 个乙醛分子间发生歧化反应， 1 分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇，另 1 个则作为还原剂被氧化为乙酸。而磷酸二羟丙酮作为 NADH 2 的氢受

38、体，使 NAD + 再生，产物为乙醇、乙酸和甘油。 型发酵与 型发酵产能较少，一般在非生长情况下才能进行。 许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为乳酸细菌。根据产物的不同，乳酸发酵也有两种类型，即发酵产物只有乳酸的同型乳酸发酵和发酵产物除乳酸外还有乙酸、乙醇和 CO 2 等的异型乳酸发酵。（三）呼吸产能代谢 在物质与能量代谢中底物降解释放出的高位能电子，通过呼吸链（也称电子传递链）最终传递给外源电子受体 O 2 或氧化型化合物，从而生成 H 2 O 或还原型产物并释放能量的过程，称为呼吸或呼吸作用（ respiration ）。在呼吸过程中通过氧化磷酸化合成 ATP 。呼吸与氧化磷酸化是微

39、生物特别是好氧性微生物产能代谢中形成 ATP 的主要途径。在呼吸作用中， NAD 、 NADP 、 FAD 和 FMN 等电子载体是呼吸链电子传递的参与者。因此，它们在呼吸产能代谢中发挥着更为重要的作用。 呼吸又可根据在呼吸链末端接受电子的是氧还是氧以外的氧化型物质，将它分为有氧呼吸与无氧呼吸两种类型。以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸 (aerobic respiration) ，而以氧以外的外源氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸 (anoxic respiration) 。 呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：呼吸作用中，电子载体不是将电子直接传递给被部分降解的中间产物，而是与呼

40、吸链的电子传递系统相偶联，使电子沿呼吸链传递，并达到电子传递系统末端交给最终电子受体，在电子传递的过程中逐步释放出能量并合成 ATP 。微生物通过呼吸作用能分解的有机物种类繁多，包括碳水化合物、脂肪酸、氨基酸和许多醇类等等。 1 、呼吸链与氧化磷酸化 呼吸链与氧化磷酸化紧密偶联，在产能代谢中起着不可替代的重要作用。 （ 1 ）呼吸链及其组分与分布 电子从 NADH 或 FADH 2 到 O 2 的传递所经过的途径称为呼吸链 (respiratory chain) ，也称电子传递链（ electron transport chain ）。呼吸链主要由蛋白质复合体组成，大致分为 4 个部分，分别称

41、为 NADH-Q 还原酶（ NADH-Q reductase ）、琥珀酸 -Q 还原酶（ succinate - Q reductase ）、细胞色素还原酶（ cytochrome reductase ）和细胞色素氧化酶（ cytochrome oxidase ）。典型的呼吸链组分及其在链中的排列顺序、电子传递方向见下列流程与图 4-12 。此外，还有一些非蛋白的电子载体，如脂溶性醌类等。 NAD(P)-FP( 黄素蛋白 )- Fe-S( 铁硫蛋白 )- CoQ （辅酶 Q)-Cyt b-Cyt c -Cyt a-Cyt a3 图 4-12 典型的呼吸链与 ATP 合成酶复合体 图 4-12

42、中复合体 (complex ) 为 NADH-Q 还原酶，又称为 NADH 脱氢酶 (NADH dehydrogenase) ，简称为复合体，是一个 MW 为 88 000Da 的大蛋白质分子。 FMN 、 CoQ 、 NAD 均为 NADH-Q 还原酶的辅酶。 NAD 是不与内膜紧密结合而 自由扩散的电子传递链组分 。此酶的作用是先与 NADH 结合并将 NADH 上的两个高势能电子转移到 FMN 辅基上，使 NADH 氧化，并使 FMN 还原。 复合体 (complex ) 是 琥珀酸 -Q 还原酶，位于线粒体内膜的酶蛋白。完整的酶还包括柠檬酸循环中使琥珀酸氧化为延胡索酸的琥珀酸脱氢酶。

43、FADH 2 为该酶的辅基，在传递电子时， FADH 2 将电子传递给琥珀酸脱氢酶分子的铁 - 硫蛋白。电子经过铁 - 硫蛋白又传递给 CoQ 从而进人了电子传递链。 复合体 (complex ) 为 细胞色素还原酶，又称辅酶 -Q 细胞色素 c 还原酶 (coenzyme Q cytochrome reductase) 、细胞色素 bc 1 复合体（ cytochrome bc 1 complex ）或简称 bc 1 等。除了极少数的专性厌氧微生物 (obligate anaerobes) 外，细胞色素几乎存在于所有的生物体内。细胞色素还原酶通过接受和送走电子的方式传递高势能的电子。 复合体

44、 (complex ) 为细胞色素氧化酶。细胞色素氧化酶又称为细胞色素 c 氧化酶 （ cytochrome c oxidase ） 。其功能是接受细胞色素 c 传过来的电子并最终交给 O 2 ，经过一系列反应生成 H 2 O 。 在真核微生物中，呼吸链的成分大多位于线粒体内膜上，在原核生物中位于细胞质膜上。 （ 2 ）、电子传递与 ATP 合成部位 电子传递和形成 ATP 的偶联机制称为氧化磷酸化 （ oxidative phosphorylation ）或称电子转移磷酸化 (electron transfer phosphorylation, ETP) 。氧化磷酸化是电子在沿着电子传递链传

45、递过程中所伴随的，将 ADP 磷酸化而形成 ATP 的过程。 以 NADH 为起端的电子传递链上，释放自由能的部位有 3 处：由复合体 I 将 NADH 放出的电子经 FMN 传递给 CoQ 的过程是第 1 个 ATP 合成部位；第 2 个部位是复合体 ，它将电子由 CoQ 传递给细胞色素 c 的过程中合成 ATP ；第 3 个 ATP 合成部位是复合体 ，其将电子从细胞色素 c 传递给氧的过程中合成 ATP 。 从图 4-12 可见， FADH 2 氧化释放的电子未经 FMN 而直接交给 CoQ ，因为，琥珀酸 -Q 还原酶将电子从 FADH 2 转移到 CoQ 上的标准氧还电势变化（电势差

46、）所蕴含的自由能不足以合成一个 ATP 。故该电子依次继续向细胞色素系统传递至 Cyt c 的过程中才形成合成 1 个 ATP 。因此，凡以 FADH 2 所携带的高势能电子传经呼吸链仅生成 2 个 ATP （见图 4-12 用虚线表示的电子传递路径）。而 NADH 所携带的高势能电子传经呼吸链生成 3 个 ATP （见图 4-12 用实线表示的电子传递路径）。故 NADH 提供的电子，其 P/O=3 ，而 FADH 2 提供的电子，其 P/O=2 。 （ 3 ） ATP 合成与 ATP 合成酶 ATP 合成是一个复杂的过程。 ATP 的合成是由一个位于线粒体、叶绿体、细菌内膜上的 ATP 酶

47、来完成的。这个复合体最初被称为线粒体 ATP 酶（ mitochondrial ATPase ）或称为 H-ATP 酶（ H + -ATPase ），现被称为 ATP 合成酶（ ATP synthase, ATPase ）。 ATP 合成酶和电子传递酶类不同。电子传递所释放出的自由能必须通过 ATP 合成酶转换成可保存的 ATP 形式，这种能量的保存和 ATP 合成酶对它的转换过程称为能量偶联（ energy coupling ）或能量转换（ energy conversion ）。 ATPase 及其能量的转换见图 4-13 所示。 ATPase 由位于膜内的称为 F 0 部分和位于膜外的称

48、为 F 1 部分及其两者之间的连接部分（也称颈部）组成。膜外部分由 3 个 a 亚基和 3 个 b 亚基隔排依次围绕 g 亚基 相列组成， ATP 合成的活性位点在 b 亚基上。 b 亚基有 3 个不同的构象，即空结合位点的构象、与 ADP 和 Pi 结合的构象和与 ATP 结合的构象。 g 也是连接 F 1 和 F 0 的颈部的主要 亚基， d 和 e 亚基 也参与了这一 组成。 F 0 是位于膜内的一个质子通道。当膜内外形成质子梯度后，质子通过 F 0 质子通道进入 F 1 并驱动 a 亚基和 b 亚基围绕 g 亚基作旋转运动， g 亚基与 3 种构象不同的 b 亚基依次接触， b 亚基的构象在与 g 亚基的旋转接触过程中不断依次发生变化，即与底物 ADP 和 Pi 与空位点结合，催化合成 ATP 并释放，循环往复。 电子传递与氧化磷酸