第六章 微生物的代謝和發(fā)酵(共79頁)

1、第六章 微生物的代謝(dixi)和發(fā)酵 HYPERLINK /zhuantiwang/ziranwang/KexueB/kexue-2/co6-1/6102/01/007.htm l 1 第一節(jié) 微生物的能量代謝 HYPERLINK /zhuantiwang/ziranwang/KexueB/kexue-2/co6-1/6102/01/007.htm l 2 第二節(jié)分解代謝(dixi)和合成代謝間的聯(lián)系 HYPERLINK /zhuantiwang/ziranwang/KexueB/kexue-2/co6-1/6102/01/007.htm l 3 第三節(jié) 微生物獨(dú)特合成(hchng)代謝途徑

2、舉例 HYPERLINK /zhuantiwang/ziranwang/KexueB/kexue-2/co6-1/6102/01/007.htm l 4 第四節(jié) 微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn) 第六章 微生物的代謝和發(fā)酵 新陳代謝（metabolism）簡(jiǎn)稱代謝，是指發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和，即： 新陳代謝=分解代謝+合成代謝 分解代謝是指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力（或稱還原當(dāng)量，一般用H來表示）的作用；合成代謝與分解代謝正好相反，是指在合成代謝酶系的催化下，由簡(jiǎn)單小

3、分子、ATP形式的能量和H形式的還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過程。分解代謝與合成代謝的含義及其間的關(guān)系可簡(jiǎn)單地表示為： 分解代謝與合成代謝間有著極其密切的聯(lián)系，這些聯(lián)系將放在第二節(jié)中討論。 一切生物，在其新陳代謝的本質(zhì)上既存在著高度的統(tǒng)一性，同時(shí)，不同的生物間又存在著明顯的特殊性。有關(guān)統(tǒng)一性的問題主要在普通生物化學(xué)課程中討論，這里由于篇幅和重點(diǎn)的關(guān)系，在簡(jiǎn)要地概括微生物能量代謝及其在微生物生命活動(dòng)中的功能外，將更多地討論有關(guān)微生物代謝的特殊性問題。 第一節(jié) 微生物的能量代謝 因?yàn)橐磺猩顒?dòng)都是耗能反應(yīng)(fnyng)，因此，能量代謝就成了新陳代謝中的核心問題。 能量代謝的中心任務(wù)，是生物體如何

4、把外界環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)(hu dng)都能使用的通用能源ATP*。對(duì)微生物來說，它們(t men)可利用的最初能源不外乎有機(jī)物、日光和還原態(tài)無機(jī)物三大類，因此，研究其能量代謝的機(jī)制實(shí)質(zhì)上就是追蹤這三類最初能源如何一步步地轉(zhuǎn)化并釋放出ATP的過程，即： 一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能 生物氧化就是發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。生物氧化與非生物氧化即燃燒有著若干相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，相同點(diǎn)是它們的總效應(yīng)都是通過有機(jī)物的氧化反應(yīng)而釋放出其中的化學(xué)潛能，不同點(diǎn)有很多，可見表6-1。 生物氧化的形式(xngsh)包括某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或失去電子三種；生物氧化的過

5、程可分脫氫（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（ATP）、產(chǎn)還原(hun yun)力H和產(chǎn)小分子中間代謝物三種。以下我們按底物（基質(zhì)）脫氫的三個(gè)階段以及(yj)各階段的類型和細(xì)節(jié)的順序來討論化能異養(yǎng)微生物的生物氧化及其產(chǎn)能效應(yīng)。 （一）底物脫氫的四條主要途徑 這里以葡萄糖作為典型的生物氧化底物，它的脫氫階段主要可通過四條途徑，每條途徑既有脫氫、產(chǎn)能的功能，又有產(chǎn)多種形式小分子中間代謝物以供合成反應(yīng)作原料的功能。在討論中除著重討論它們的產(chǎn)能功能外，還附帶介紹它們的一些其他重要功能。底物脫氫的途徑及其與遞氫、受氫階段聯(lián)系的概貌見圖6-1。 1EMP途徑（Emb

6、dem-Meyerhof-ParnasPathway） EMP途徑又稱糖酵解途徑（glycolysis）或己糖二磷酸途徑（hexosediphosphatepathway）。它是以1分子葡萄糖為底物，約經(jīng)過10步反應(yīng)而產(chǎn)生2分子丙酮酸和2分子ATP的過程。在其總反應(yīng)中，可概括成兩個(gè)階段（耗能和產(chǎn)能）、三種產(chǎn)物（NADHH+*、丙酮酸和ATP）和10個(gè)反應(yīng)步驟。EMP途徑的簡(jiǎn)式可見圖6-2。 在圖6-2的產(chǎn)物(chnw)中，2NADHH+在有氧條件下可經(jīng)呼吸鏈的氧化(ynghu)磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生6ATP，在無氧條件下，則可還原丙酮酸產(chǎn)生(chnshng)乳酸或還原丙酮酸的脫羧產(chǎn)物乙醛而產(chǎn)生乙醇。

7、EMP途徑的總反應(yīng)式為： C6H12O62NAD+2ADP2Pi2CH3COCOOH2NADH2H+2ATP2H2O有關(guān)EMP途徑的反應(yīng)細(xì)節(jié)見圖6-3。 EMP途徑是絕大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑，因而也是酵母菌、真菌和多數(shù)細(xì)菌所具有(jyu)的代謝途徑。在有氧條件下，EMP途徑(tjng)與TCA途徑(tjng)連接，并通過后者把丙酮酸徹底氧化成CO2和H20。在無氧條件下，丙酮酸或其進(jìn)一步代謝后所產(chǎn)生的乙醛等產(chǎn)物被還原，從而形成乳酸或乙醇等發(fā)酵產(chǎn)物。EMP途徑的反應(yīng)過程分10步，即： （1）葡萄糖形成葡糖-6-磷酸。不同菌種通過不同方式實(shí)現(xiàn)這步反應(yīng)。在酵母菌、真菌和許多假單胞菌等好氧細(xì)菌

8、中，通過需要Mg2+和ATP的己糖激酶來實(shí)現(xiàn)（此反應(yīng)在細(xì)胞內(nèi)為不可逆反應(yīng)）；在大腸桿菌和鏈球菌等兼性厭氧菌中，可借磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（見第五章第三節(jié)）在葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞之時(shí)即完成了磷酸化。 （2）葡糖(p tn)-6-磷酸(ln sun)經(jīng)磷酸己糖異構(gòu)酶異構(gòu)成果糖-6-磷酸(ln sun)。 （3）果糖-6-磷酸通過磷酸果糖激酶催化成果糖-1，6-二磷酸。磷酸果糖激酶是EMP途徑中的一個(gè)關(guān)鍵酶，故它的存在就意味著該微生物具有EMP途徑。與己糖激酶相似的是，磷酸果糖激酶也需要ATP和Mg2+，且在活細(xì)胞內(nèi)催化的反應(yīng)是不可逆的。 （4）果糖-1，6-二磷酸在果糖二磷酸醛縮酶的催化下，分

9、裂成二羥丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸兩個(gè)丙糖磷酸分子。果糖二磷酸醛縮酶不但在葡萄糖降解中十分重要，而且對(duì)葡糖異生作用（gluconeogenesis）即對(duì)由非碳水化合物前體逆向合成己糖的反應(yīng)也很重要。另外，二羥丙酮磷酸在糖代謝和脂類代謝中還是一個(gè)重要的連接點(diǎn)，因?yàn)樗杀贿€原成甘油磷酸而用于脂類的合成中。 （5）二羥丙酮磷酸在丙糖磷酸異構(gòu)酶的作用下轉(zhuǎn)化成甘油醛-3-磷酸。雖然在反應(yīng)（4）中產(chǎn)生等分子的丙糖磷酸，但二羥丙酮磷酸只有轉(zhuǎn)化為甘油醛-3-磷酸后才能進(jìn)一步代謝下去。因此，己糖分子至此實(shí)際上已生成了2分子甘油醛-3-磷酸。此后的代謝反應(yīng)在所有能代謝葡萄糖的微生物中都沒有什么不同了。 （6）甘油

10、醛-3-磷酸在甘油醛-3-磷酸脫氫酶的催化下產(chǎn)生1，3-二磷酸甘油酸。此反應(yīng)中的酶是一種依賴NAD+的含硫醇酶，它能把無機(jī)磷酸結(jié)合到反應(yīng)產(chǎn)物上。這一氧化反應(yīng)由于產(chǎn)生一個(gè)高能磷酸化合物和一個(gè)NADHH+，所以從產(chǎn)能和產(chǎn)還原力的角度來看都是十分重要的。 （7）1，3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下形成3-磷酸甘油酸。此酶是一種依賴Mg2+的酶，它催化1，3-二磷酸甘油酸C-1位置上的高能磷酸基轉(zhuǎn)移到ADP分子上，產(chǎn)生了本途徑中的第一個(gè)ATP。這是借底物水平磷酸化作用而產(chǎn)ATP的一個(gè)實(shí)例。 （8）3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸變位酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸。 （9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下

11、經(jīng)脫水反應(yīng)而產(chǎn)生含有一個(gè)高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸。烯醇酶需要Mg2+、Mn2+或Zn2+等二價(jià)金屬離子作為激活劑。 （10）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下產(chǎn)生了丙酮酸，這時(shí)，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP上，產(chǎn)生了本途徑的第二個(gè)ATP，這是借底物水平磷酸化而產(chǎn)生ATP的又一個(gè)例子。 由上可知在無氧條件(tiojin)下，整個(gè)EMP途徑的產(chǎn)能效率(xio l)是很低的，即每一個(gè)葡萄糖分子僅凈產(chǎn)2個(gè)ATP，但其中產(chǎn)生的多種中間代謝物不僅可為合成反應(yīng)提供(tgng)原材料，而且起著連接許多有關(guān)代謝途徑的作用。從微生物發(fā)酵生產(chǎn)的角度來看，EMP途徑與乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇

12、和丁二醇等大量重要發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)有著密切的關(guān)系（詳見本節(jié)“發(fā)酵”內(nèi)容）。 2HMP途徑（hexosemonophosphatepathway）HMP途徑即已糖一磷酸途徑，有時(shí)也稱戊糖磷酸途徑、Warburg-Dickens途徑或磷酸葡萄糖酸途徑。這是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPHH+*形式的還原力和多種重要中間代謝物的代謝途徑。HMP途徑的總反應(yīng)可用一簡(jiǎn)圖表示（圖6-4）。 HMP途徑可概括成三個(gè)階段：葡萄糖分子通過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO2；核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化（isomerization）或表異構(gòu)化（epimerizati

13、on）而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；上述各種戊糖磷酸在沒有氧參與的條件下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通過以下兩種方式進(jìn)一步代謝：其一為通過EMP途徑轉(zhuǎn)化成丙酮酸再進(jìn)入TCA循環(huán)進(jìn)行徹底氧化，另一為通過果糖二磷酸醛縮酶和果糖二磷酸酶的作用而轉(zhuǎn)化為己糖磷酸。以上三個(gè)階段的細(xì)節(jié)見圖6-5。 在圖6-5的反應(yīng)(fnyng)（1）和（2）中，產(chǎn)生(chnshng)的戊糖磷酸與還原力（NADPHH+）的比率(bl)為12，即： 3葡萄糖-6-磷酸6NADP+3H2O3戊糖-5-磷酸3CO26NADPH6H+在圖6-5的反應(yīng)（3）中，其凈效應(yīng)為： 2木酮糖-5-磷酸核

14、糖-5-磷酸2果糖-6-磷酸甘油醛-3-磷酸 在一定條件下，上述反應(yīng)中產(chǎn)生的甘油醛-3-磷酸也可通過生成葡萄糖的反應(yīng)重新合成葡糖-6-磷酸，因此，HMP途徑要進(jìn)行一次周轉(zhuǎn)就需要6個(gè)葡糖-6-磷酸分子同時(shí)參與（詳細(xì)過程見圖6-6），其總式為： 6葡糖(p tn)-6-磷酸(ln sun)12NADP+6H2O5葡糖(p tn)-6-磷酸12NADPH12H+12CO2Pi HMP途徑在微生物生命活動(dòng)中有著極其重要的意義，具體表現(xiàn)在： （1）為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 （2）產(chǎn)生大量的NADPH2形式的還原劑，它不僅為合成脂肪酸、固醇等重要細(xì)胞物質(zhì)之需，而且可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量，

15、這些都是EMP途徑和TCA循環(huán)所無法完成的。因此，凡存在HMP途徑的微生物，當(dāng)它們處在有氧條件下時(shí)，就不必再依賴于TCA循環(huán)以獲得產(chǎn)能所需的NADH2了。 （3）如果微生物對(duì)戊糖的需要超過HMP途徑的正常供應(yīng)量時(shí)，可通過EMP途徑與本途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處的連接來加以調(diào)劑。 （4）反應(yīng)中的赤蘚糖-4-磷酸可用于合成芳香氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸。 （5）由于在反應(yīng)(fnyng)中存在著C3C7的各種( zhn)糖，使具有HMP途徑(tjng)的微生物的碳源利用范圍更廣，例如它們可以利用戊糖作碳源。 （6）通過本途徑而產(chǎn)生的重要發(fā)酵產(chǎn)物很多，例如核苷酸、若

16、干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。 據(jù)研究，當(dāng)以硝酸鹽作為曲霉屬一些菌種的氮源時(shí)，有關(guān)HMP途徑酶的濃度要比長(zhǎng)在其他氮源上時(shí)增高許多，這與硝酸鹽還原酶催化時(shí)需要大量NADPH2是一致的。又如，用放射呼吸測(cè)定技術(shù)（radiorespirometry）研究大腸桿菌對(duì)碳源（葡萄糖）的利用時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中約有28是進(jìn)入HMP途徑而氧化的，其余的72則是通過EMP途徑氧化的。 3ED途徑（Entner-Doudoroffpathway） ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。此途徑最早（1952）由Entner和Doudoroff兩人在Pseudomonassaccharo

17、phila（嗜糖假單胞菌）中發(fā)現(xiàn)，接著許多學(xué)者證明它在細(xì)菌中廣泛存在。ED途徑是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物所具有的一種替代途徑，在其他生物中還沒有發(fā)現(xiàn)。其特點(diǎn)是葡萄糖只經(jīng)過4步反應(yīng)即可快速獲得由EMP途徑須經(jīng)10步才能獲得的丙酮酸。ED途徑的總反應(yīng)概貌和細(xì)節(jié)可見圖6-7和6-8。 在ED途徑中的關(guān)鍵(gunjin)反應(yīng)是2-酮-3-脫氧(tu yng)-6-磷酸(ln sun)葡萄糖酸的裂解，其具體步驟見圖6-9。 ED途徑是少數(shù)EMP途徑不完整的細(xì)菌例如Pseudomonasspp（一些假單胞菌）和ZymomonassPP（一些發(fā)酵單胞菌）等所特有的利用葡萄糖的替代途徑，其特點(diǎn)是利用葡萄

18、糖的反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單，產(chǎn)能效率低（1分子葡萄糖僅產(chǎn)1分子ATP，僅為EMP途徑之半），反應(yīng)中有一個(gè)6碳的關(guān)鍵中間代謝物KDPG。由于ED途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)等各種代謝途徑相連接，因此可以相互協(xié)調(diào)，以滿足微生物對(duì)能量、還原力和不同中間代謝物的需要，例如，通過與HMP途徑連接可獲得必要的戊糖和NADPH2等。此外，在ED途徑中所產(chǎn)生的丙酮酸對(duì)Zymomonasmobilis（運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌）這類微好氧菌來說，可脫羧成乙醛，乙醛進(jìn)一步被NADH2還原為乙醇。這種經(jīng)ED途徑發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的過程與傳統(tǒng)的由酵母菌通過EMP途徑生產(chǎn)乙醇不同，因此稱作細(xì)菌酒精發(fā)酵。 利用Z.mobilis等細(xì)

19、菌以生產(chǎn)酒精，是近年來正在開發(fā)的工業(yè)，它比傳統(tǒng)的酵母酒精發(fā)酵有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）代謝速率高，（2）產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，（3）菌體生成少，（4）代謝副產(chǎn)物少，（5）發(fā)酵溫度較高，以及（6）不必定期供氧等。當(dāng)然，細(xì)菌酒精發(fā)酵也有其缺點(diǎn)，主要是其生長(zhǎng)PH為5，較易染菌（而酵母菌為pH3），其次是細(xì)菌耐乙醇力較酵母菌為低（前者約為7.0，后者則為810）。 在不同的微生物中，EMP、HMP和ED三途徑在己糖分解代謝中的重要性是有明顯差別的，有關(guān)實(shí)例可見表6-2。 4三羧酸(su sun)循環(huán)（tricarboxylicacidcycle） 三羧酸(su sun)循環(huán)又稱TCA循環(huán)(xnhun)、Krebs循環(huán)

20、或檸檬酸循環(huán)。這是一種循環(huán)方式的反應(yīng)順序，它在絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物的氧化性（呼吸）代謝中起著關(guān)鍵性的作用。在真核微生物中，TCA循環(huán)的反應(yīng)在線粒體內(nèi)進(jìn)行，其中的大多數(shù)酶定位在線粒體的基質(zhì)中；在原核生物例如細(xì)菌中，大多數(shù)酶都存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。只有琥珀酸脫氫酶屬于例外，它在線粒體或細(xì)菌中都是結(jié)合在膜上的。 三羧酸循環(huán)的主要反應(yīng)產(chǎn)物見圖6-10。 從產(chǎn)能的角度來看，如果(rgu)把丙酮酸進(jìn)入循環(huán)前的“入門(r mn)反應(yīng)”（gatewaystep）所產(chǎn)生(chnshng)的NADH+H+也計(jì)入的話，則每個(gè)丙酮酸分子的徹底氧化可高效地產(chǎn)生15個(gè)ATP。有關(guān)三羧酸循環(huán)的反應(yīng)細(xì)節(jié)見圖6-11。 從TCA循環(huán)在

21、微生物物質(zhì)代謝中的地位來看，它在一切分解代謝和合成代謝中都占有樞紐的地位，因而也與微生物大量發(fā)酵產(chǎn)物例如檸檬酸、蘋果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸等的生產(chǎn)密切相關(guān)（圖6-12）。 檸檬酸是葡萄糖經(jīng)TCA循環(huán)而形成的最有代表性的發(fā)酵產(chǎn)物(chnw)，在工業(yè)發(fā)酵中應(yīng)用的菌種一般為Aspergillusniger（黑曲霉），檸檬酸的產(chǎn)生(chnshng)機(jī)制見圖6-13。從理論(lln)上來計(jì)算，1分子葡萄糖只能產(chǎn)生2/3分子的檸檬酸，即相當(dāng)于每100g葡萄糖產(chǎn)生71.1g檸檬酸，可是，生產(chǎn)實(shí)踐上卻?？色@得7587g檸檬酸。用同位素14CO2作實(shí)驗(yàn)后證明，在檸檬酸合成過程中，還伴隨著大量的CO2固定，

22、這就解釋了上面提到的現(xiàn)象。 以上已經(jīng)介紹了以葡萄糖為代表的生物氧化底物的四條主要脫氫途徑，并簡(jiǎn)要地介紹了它們?cè)诋a(chǎn)能、產(chǎn)還原力、分解或合成代謝以及生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)物中的重要作用，有關(guān)它們?cè)诋a(chǎn)能效率方面的簡(jiǎn)單比較可見表6-3。 （二）遞氫和受氫 在生物體中，貯存在葡萄糖等有機(jī)物中的化學(xué)能，經(jīng)上述的多種途徑脫氫后，經(jīng)過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能。根據(jù)(gnj)遞氫特別是受氫過程(guchng)中氫受體性質(zhì)的不同，可以把生物氧化區(qū)分(qfn)成呼吸（有氧呼吸）、無氧呼吸和發(fā)酵三種類型（圖6-14）。 1呼吸(hx)（respiratio

23、n） 呼吸是一種最普遍和最重要的生物氧化方式，其特點(diǎn)是底物按常規(guī)(chnggu)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈RC，respiratorychain，又稱電子傳遞鏈（ETC，electrontransportchain）遞氫，最終(zu zhn)由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）。由于呼吸必須在有氧條件下進(jìn)行，因此又稱有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸鏈?zhǔn)侵肝挥谠松锛?xì)胞膜上或真核生物線粒體膜上的由一系列氧化還原勢(shì)不同的氫傳遞經(jīng)（或電子傳遞體）組成的一組鏈狀傳遞順序，它能把氫或電子從低氧化還原勢(shì)的化合物處傳遞給高氧化還原勢(shì)的分子氧或其他無機(jī)、有機(jī)氧化物，并使它們還原。

24、在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應(yīng)發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。 組成呼吸鏈的氫或電子的載體，除醌類外，都是一些含有輔酶或輔基的酶，正是依靠這些輔酶或輔基才能實(shí)現(xiàn)它們?cè)诤粑溨兴鶊?zhí)行的氧化還原功能。每種輔酶或輔基在氧化與還原條件下，都有其特定的吸收光譜值，因此可通過分光光度計(jì)來確定呼吸鏈的組分及其所處的狀態(tài)。在微生物中最重要的呼吸鏈的組分，有以下幾種： （1）煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）*某些脫氫酶含有NAD+或NADP+形式的輔酶，能從還原性底物上移出1個(gè)氫離子（質(zhì)子）和2個(gè)電子，而變成還原態(tài)的NAD（P）H+H+。它們的結(jié)構(gòu)和引起的氧

25、化還原反應(yīng)見圖6-15。 （2）黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黃素單核苷酸（FMN） FAD和FMN是一類稱為黃素蛋白（FP，flavoprotein）的脫氫酶的輔基，它們的活性基團(tuán)是異咯嗪結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)和遞氫功能見圖6-16。 （3）鐵硫蛋白(dnbi)（Fe-S） 是傳遞(chund)電子的氧化還原載體，這類小分子蛋白的輔基是其分子中含鐵硫（有些為“2Fe+2S”，另一些(yxi)為“4Fe+4S”）的中心部分。鐵硫蛋白存在于呼吸鏈的幾種酶復(fù)合體中，參與膜上的電子傳遞。此外，在固氮、亞硫酸還原、亞硝酸還原、光合作用、分子氫的激活和釋放以及鏈烷的氧化中也有作用。在呼吸鏈中的“2Fe+2S”

26、中心（圖6-17）每次僅能傳遞一個(gè)電子。 （4）泛醌（輔酶Q） 是一類脂溶性的氫載體。泛醌廣泛存在于真核生物線粒體內(nèi)膜和革蘭氏陰性細(xì)菌的細(xì)胞膜上；而革蘭氏陽性細(xì)菌和某些革蘭氏陰性細(xì)菌則含甲基萘醌（MK或維生素K2）。醌類在呼吸鏈中的功能是傳遞氫，傳遞過程分兩步進(jìn)行，中間體是半醌。在呼吸鏈中，醌類的含量比其他組分多1015倍，其作用是收集來自呼吸鏈各種輔酶和輔基所輸出的氫（還原力H）的作用，然后再將它們傳遞給細(xì)胞色素系統(tǒng)。泛醌的結(jié)構(gòu)和功能見圖6-18。 （5）細(xì)胞(xbo)色素系統(tǒng) 細(xì)胞色素系統(tǒng)位于呼吸鏈的后端，它們(t men)的功能是傳遞電子而不是傳遞氫。它們只從泛醌中接受電子，同時(shí)將同等數(shù)

27、目的質(zhì)子推到線粒體膜（真核生物）或細(xì)胞膜（原核生物）外的溶液中。細(xì)胞色素按其吸收光譜和氧還電位的差別可分成多種類型，如cyt.a，cyt.a3，cyt.b，cyt.c和cyt.o等。它們都有血紅素作為輔基，而血紅素則通過其分子中心鐵原子(yunz)的價(jià)電荷的變化而傳遞電子。細(xì)胞色素a3即細(xì)胞色素氧化酶，它是許多微生物的末端氧化酶，能催化4個(gè)電子還原氧的反應(yīng)， O2+4Fe2+2O2-+4F3+ 從而把氧分子激活。有關(guān)細(xì)胞色素在傳遞電子中的作用見圖6-19。 不論在真核生物或原核生物中，呼吸鏈的主要組分都是類似的，一般為：NAD（P）FPFeSCoQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3（圖

28、6-20）。然而，在原核生物中，各具體組分卻有很大的變化。這種變化除了表現(xiàn)在不同種間外，在同一個(gè)種生活在不同的環(huán)境條件（例如生長(zhǎng)期、碳源、末端電子受體等）下時(shí)也會(huì)發(fā)生明顯的變化。在原核生物中，只有少數(shù)種如Paracoccusdenitrificans（脫氮副球菌）和Alcaligeneseutrophus（真養(yǎng)產(chǎn)堿菌）的呼吸鏈與真核生物的呼吸鏈相似，因而John和Whalley（1975）就提出了一個(gè)關(guān)于線粒體起源的內(nèi)共生學(xué)說。這一學(xué)說認(rèn)為，由于早期的Pdenitrificans與其宿主細(xì)胞共生，而使前者成為后者細(xì)胞內(nèi)的線粒體。 與真核生物線粒體膜上的呼吸鏈相比，原核(yun h)生物細(xì)胞膜上

29、的呼吸鏈有幾個(gè)主要差別（表6-4），尤其(yuq)是：（1）氧還載體(zit)的取代性強(qiáng)：如CoQ可被MK（甲基萘醌）或DMK（脫甲基甲基萘醌）所取代，Cyt.a3可被Cyt.aa3、Cyt.o或Cyt.d所取代等；（2）氧還載體的數(shù)量可增可減，如E.coli的細(xì)胞色素就有9種以上；（3）有分支呼吸鏈的存在：除了前面已提及的來自不同底物的還原力H進(jìn)入呼吸鏈的前端時(shí)有不同的分支外，主要是呼吸鏈后端細(xì)胞色素系統(tǒng)中的分支類型多。例如，E.coli在缺氧條件下，在CoQ后的呼吸鏈就分成兩支，一支是Cyt.b556Cyt.o，另一支是Cyt.b558Cyt.d（這一支可抗氰化物抑制）；又如，在Azoto

30、bactervinelandii（維涅蘭德固氮菌）的Cyt.b后，呼吸鏈可分出4條分支，等等。 呼吸(hx)鏈在傳遞氫或電子的過程中，通過與氧化磷酸化作用的偶聯(lián)，產(chǎn)生了生物的通用能源ATP。其中包括(boku)的機(jī)制，目前仍在繼續(xù)研究中。至今能獲得多數(shù)學(xué)者接受的是1978年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者英國(guó)(yn u)學(xué)者PMitchell在1961年所提出的化學(xué)滲透學(xué)說（chemiosmotichypothesis）。該學(xué)說認(rèn)為，在氧化磷酸化過程中，通過呼吸鏈酶系的作用，將底物分子上的質(zhì)子從膜的內(nèi)側(cè)傳遞至外側(cè)，從而造成了質(zhì)子在膜的兩側(cè)分布的不均衡，亦即形成了質(zhì)子梯度差（H+，或稱質(zhì)子動(dòng)勢(shì)、pH梯度等）。這個(gè)

31、梯度差就是產(chǎn)生ATP能量的來源，因?yàn)樗赏ㄟ^ATP酶的逆反應(yīng)，把質(zhì)子從膜的外側(cè)再輸回到內(nèi)側(cè)，結(jié)果，一方面消除了質(zhì)子梯度差，同時(shí)就合成了ATP?；瘜W(xué)滲透學(xué)說的模式表示可見圖6-21。 從圖6-20中可以(ky)看出，在典型的呼吸鏈中，只有三處能提供合成ATP所需的足夠能量(nngling)。因此，在2H從NADH2傳遞(chund)至O2的過程中，只有三處能與磷酸化反應(yīng)（ADP+PiATP）相偶聯(lián)，亦即只有3分子磷酸能參與有機(jī)磷化物ATP的合成。這種關(guān)系用數(shù)量來表示的話就稱P/O比（即molATP/mol氧原子）。P/O比的高低表示呼吸鏈氧化磷酸化效率的高低。例如，以異檸檬酸或蘋果酸為底物時(shí)，動(dòng)

32、物的線粒體能由2H產(chǎn)生3ATP，即P/O=3；而以琥珀酸為底物時(shí)，由于琥珀酸脫氫酶的輔基是黃素蛋白，因此只能從FP水平進(jìn)入呼吸鏈，故由2H只能獲得2個(gè)ATP，其P/O=2。 按化學(xué)滲透學(xué)說來看，生物的“通用能源”ATP是由跨膜的質(zhì)子梯度差H+而產(chǎn)生的。因此，我們可以把質(zhì)子梯度差理解成一個(gè)高水位的水源，ATP酶猶如一臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)，ATP則是由該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流。現(xiàn)把質(zhì)子梯度差與ATP的相互關(guān)系及其在生命活動(dòng)中的作用綜合在圖6-22中。 2無氧呼吸（anaerobicrespiration） 無氧呼吸又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物（個(gè)別為有機(jī)氧化物）的生物氧化。這是一類在無

33、氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點(diǎn)是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機(jī)物（個(gè)別是有機(jī)物延胡索酸）受氫。 根據(jù)呼吸鏈末端的最終氫受體的不同，可把無氧呼吸分成以下多種類型。 （1）硝酸鹽呼吸(hx)（nitraterespiration） 又稱反硝化作用(xio hu zu yn)（denitrification）。硝酸鹽在微生物生命活動(dòng)(hu dng)中具有兩種功能，其一是在有氧或無氧條件下所進(jìn)行的同化性硝酸鹽還原作用，亦即微生物利用硝酸鹽作為其氮源營(yíng)養(yǎng)物的作用；其二是在無氧條件下，微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體，這是一種異化性的硝酸鹽還原作用，又稱硝酸

34、鹽呼吸或反硝化作用。上述兩個(gè)還原過程的共同特點(diǎn)是硝酸鹽都要經(jīng)過一種含鉬的硝酸鹽還原酶將其還原為亞硝酸。 能進(jìn)行硝酸鹽呼吸的都是一些兼性厭氧微生物即反硝化細(xì)菌，而專性厭氧微生物是無法進(jìn)行硝酸鹽呼吸的。反硝化細(xì)菌都有其完整的呼吸系統(tǒng)。只有在無氧條件下，才能誘導(dǎo)出反硝化作用所需要的硝酸鹽還原酶A（結(jié)合在膜上）和亞硝酸還原酶。能進(jìn)行硝酸鹽呼吸的細(xì)菌種類很多，例如Bacilluslicheniformis（地衣芽孢桿菌），Paracoccusdenitrificans脫氮副球菌，以前稱Micrococcusdenitrificans（脫氮小球菌），Pseudomonasaeruginosa（銅綠假單胞菌

35、），Psstutzeri（斯氏假單胞菌）以及Thiobacillusdenitrificans（脫氮硫桿菌）等。 （2）硫酸鹽呼吸（sulfaterespiration） 是一種由硫酸鹽還原細(xì)菌（或稱反硫化細(xì)菌）把經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽這類末端氫受體的一種厭氧呼吸。這是一種異化性的硫酸鹽還原作用。通過這一過程，微生物就可在無氧條件下借呼吸鏈的電子傳遞磷酸化而獲得能量。 硫酸鹽還原的最終(zu zhn)產(chǎn)物是H2S，自然界中的大多數(shù)H2S是由這一反應(yīng)(fnyng)產(chǎn)生的。 與硝酸鹽還原(hun yun)細(xì)菌不同的是，硫酸鹽還原細(xì)菌都是一些嚴(yán)格依賴于無氧環(huán)境的專性厭氧細(xì)菌，例如Desulfov

36、ibriodesulfuricans（脫硫脫硫弧菌），Dgigas（巨大脫硫弧菌），Desulfotomaculumnigrificans（致黑脫硫腸狀菌）以及Druminis（瘤胃脫硫腸狀菌）等。 （3）硫呼吸（sulphurrespiration） 這是近年來才發(fā)現(xiàn)的一種無氧呼吸類型。目前只知道Desulfuromonasacetoxidans（氧化乙酸脫硫單胞菌）能進(jìn)行硫呼吸。其過程為，無機(jī)硫作為無氧呼吸鏈的最終氫受體，結(jié)果硫被還原成H2S。 （4）碳酸鹽呼吸（carbonaterespiration） 是一類以CO2或重碳酸鹽作為無氧呼吸鏈的末端氫受體的無氧呼吸。根據(jù)其還原產(chǎn)物的不同，

37、可分為兩種類型，一類是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸，另一類為產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。有關(guān)它們的詳細(xì)內(nèi)容將在第九章第五節(jié)中討論。 （5）延胡索酸呼吸（fumaraterespiration） 以往都是把琥珀酸的形成作為微生物的一般發(fā)酵產(chǎn)物來考慮的，可是，在延胡索酸呼吸中，延胡索酸卻被充作無氧呼吸鏈的末端氫受體，而琥珀酸則是延胡索酸的還原產(chǎn)物。 許多兼性厭氧細(xì)菌，例如Escherichia（埃希氏桿菌屬）、Proteus（變形桿菌屬）、Salmonella（沙門氏菌屬）和Klebsiella（克氏桿菌屬）等腸桿菌，以及厭氧細(xì)菌例如Bacteroides（擬桿菌屬）、Propionibact

38、erium（丙酸桿菌屬）和Vibriosuccinogenes（產(chǎn)琥珀酸弧菌）等，都能進(jìn)行延胡索酸呼吸。在無氧條件下培養(yǎng)它們時(shí)，如在培養(yǎng)基中加入延胡索酸，就會(huì)促使其快速生長(zhǎng)并有較高的細(xì)胞得率，其原因是它們可利用延胡索酸作為末端氫受體，從而可利用電子傳遞磷酸化產(chǎn)生大量的ATP。 3發(fā)酵（fermentation） “發(fā)酵”這一名詞用得十分普遍。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用好氧或厭氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式；而在生物氧化或能量代謝中，發(fā)酵僅是指在無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力H不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)，即： 發(fā)酵(f jio)的類

39、型很多，以下擬從與EMP、HMP、ED途徑有關(guān)(yugun)的幾類發(fā)酵和稱作Stickland反應(yīng)的獨(dú)特氨基酸發(fā)酵(f jio)這四個(gè)方面來加以討論。 （1）由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵 丙酮酸是EMP途徑的關(guān)鍵產(chǎn)物，由它出發(fā)，在不同的微生物中可進(jìn)行多種發(fā)酵，例如，由Saccharomycescerevisiae（釀酒酵母）進(jìn)行的酵母型酒精發(fā)酵；由Lactobacillusdelbruckii（德氏乳桿菌）等進(jìn)行的同型乳酸發(fā)酵；由Propionibacteriumshermanii（謝氏丙酸桿菌）進(jìn)行的丙酸發(fā)酵；由Enterobacteraerogenes（產(chǎn)氣腸桿菌）等進(jìn)行的2，3-丁二醇

40、發(fā)酵；由Ecoli等進(jìn)行的混合酸發(fā)酵；以及由各種厭氧梭菌例如Clostridiumbutyricum（丁酸梭菌）、Clbutylicum（丁醇梭菌）和Cl.acetobutylicum（丙酮丁醇梭菌）等所進(jìn)行的丁酸型發(fā)酵等。通過這些發(fā)酵，微生物可獲得其生命活動(dòng)所需的能量，而對(duì)人類的生產(chǎn)實(shí)踐來說，就可以通過工業(yè)發(fā)酵手段大規(guī)模地生產(chǎn)這類代謝產(chǎn)物。此外，某些特殊代謝產(chǎn)物還是鑒定菌種時(shí)的重要生化指標(biāo)。例如，VP試驗(yàn)（Vogos-Prouskauertest）就是利用Enterobacteraerogenes能產(chǎn)生3-羥基丁酮（乙酰甲基甲醇）的原理來設(shè)計(jì)的。 現(xiàn)把從丙酮酸出發(fā)的6條發(fā)酵途徑及其相互聯(lián)系總

41、結(jié)在圖6-23中。 在以上的6條發(fā)酵途徑中，Clostridiumacetobutyricum所進(jìn)行的丙酮丁醇發(fā)酵，是迄今為止由嚴(yán)格厭氧菌所進(jìn)行的唯一能大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品。該菌在利用玉米粉等淀粉原料發(fā)酵后，產(chǎn)生的是混合溶劑，其中的丙酮：丁醇：乙醇大體上為3：6：1（重量比）。其具體代謝途徑見圖6-24。 （2）通過(tnggu)HMP途徑(tjng)的發(fā)酵異型乳酸(r sun)發(fā)酵（heterolacticfermentation）凡葡萄糖發(fā)酵后產(chǎn)生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵稱異型乳酸發(fā)酵；相對(duì)的如只產(chǎn)生2分子乳酸的發(fā)酵，則稱同型乳酸發(fā)酵（homolacticferment

42、ation）。 一些異型發(fā)酵乳酸桿菌例如Leuconostocmesenteroides（腸膜明串珠菌）、Lcremoris（乳脂明串珠菌）、Lactobacillusbrevis（短乳桿菌）、Lfermentum（發(fā)酵乳桿菌）和Bifidobacteriumbifidum（兩歧雙歧桿菌）等，因缺乏EMP途徑中的若干重要酶醛縮酶和異構(gòu)酶，因此其葡萄糖的降解完全依賴HMP途徑。不同的微生物雖然都進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵，但其發(fā)酵途徑和產(chǎn)物仍稍有不同。例如，Leuconostocmesenteroides的葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸、乙醇和CO2，核糖的發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸和乙酸，果糖的發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸、乙酸、CO2和

43、甘露醇（3果糖乳酸+乙酸+CO2+2甘露醇）；又如，Bifidobacteriumbifidum可把葡萄糖發(fā)酵為乳酸和乙酸（2葡萄糖2乳酸+3乙酸）。 當(dāng)Leuconostocmesenteroids以葡萄糖為發(fā)酵底物時(shí)，所進(jìn)行(jnxng)的總反應(yīng)是： 而當(dāng)其以核糖作發(fā)酵(f jio)底物時(shí)，所進(jìn)行的總反應(yīng)則是： 現(xiàn)把L.mesenteroides利用葡萄糖和核糖作底物而進(jìn)行的異型乳酸發(fā)酵(f jio)總反應(yīng)畫在圖6-25中。 在異型乳酸發(fā)酵(f jio)過程中，由木酮糖-5-磷酸(ln sun)經(jīng)磷酸轉(zhuǎn)酮酶（phosphoketolase）產(chǎn)生(chnshng)乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸，

44、然后分別產(chǎn)生乙酸和乙醇。其反應(yīng)見圖6-26。 現(xiàn)將異型乳酸發(fā)酵與同型乳酸發(fā)酵間的主要差別列在表6-5中。 （3）通過(tnggu)ED途徑進(jìn)行(jnxng)的發(fā)酵 通過(tnggu)ED途徑的發(fā)酵就是指細(xì)菌的酒精發(fā)酵（詳見ED途徑）。至此，我們已討論過的酒精發(fā)酵已有三個(gè)類型，即通過EMP途徑的酵母酒精發(fā)酵、通過HMP途徑（異型乳酸發(fā)酵）的細(xì)菌酒精發(fā)酵和通過ED途徑的細(xì)菌酒精發(fā)酵。 與乳酸發(fā)酵相類似，因?yàn)槠咸烟峭ㄟ^EMP與ED途徑都可產(chǎn)生2個(gè)乙醇分子，我們也可稱其為“同型酒精發(fā)酵”（homoalcholicfermentation），而通過HMP途徑的酒精發(fā)酵因1個(gè)葡萄糖分子會(huì)產(chǎn)生1分子乙醇和1

45、分子乳酸，故我們也可稱其為“異型酒精發(fā)酵”（heteroalcoholicfermentation）。現(xiàn)將它們的反應(yīng)式分別列在下面。 酵母的“同型酒精發(fā)酵”：由Saccharomycescerevisiae（釀酒酵母）等通過EMP途徑進(jìn)行。 葡萄糖+2ADP+2Pi2乙醇+2CO2+2ATP 細(xì)菌的“同型酒精發(fā)酵”：由Zymomonasmobilis（運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌）等通過ED途徑進(jìn)行。 葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP 細(xì)菌的“異型酒精發(fā)酵”：由Leuconostocmesenteroides等通過HMP途徑進(jìn)行。 葡萄糖+ADP+Pi乳酸(r sun)+乙醇(y chn)+CO

46、2+ATP 此外，由于(yuy)這三類酒精發(fā)酵所經(jīng)過的途徑是不同的，所以在發(fā)酵產(chǎn)物乙醇分子上的碳原子來源也是不同的。如果將葡萄糖分子的不同碳原子進(jìn)行14C標(biāo)記，并測(cè)定14C在產(chǎn)物中的分布，則上述三條途徑的差別可從圖6-27中看到。 （4）氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能Stickland反應(yīng) 34年，LHStickland發(fā)現(xiàn)少數(shù)厭氧梭菌例如Clostridiumsporogenes（生孢梭菌）能利用一些氨基酸同時(shí)當(dāng)作碳源、氮源和能源，經(jīng)深入研究后，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)能機(jī)制是通過部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化與另一些氨基酸（如甘氨酸等）的還原相偶聯(lián)的發(fā)酵方式。這種以一種氨基酸作氫供體和以另一種氨基酸作氫受體而產(chǎn)能的獨(dú)特發(fā)

47、酵類型，稱為Stickland反應(yīng)。Stickland反應(yīng)的產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1個(gè)ATP。 在Stickland反應(yīng)中，作為氫供體的氨基酸主要有丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸、組氨酸和色氨酸等，作為氫受體的氨基酸主要有甘氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸、鳥氨酸、精氨酸和色氨酸等?，F(xiàn)以丙氨酸和甘氨酸間的發(fā)酵反應(yīng)為例（圖6-28），來說明這種反應(yīng)的生化機(jī)制。它們的總反應(yīng)是： 除Clostridiumsporogenes外，還發(fā)現(xiàn)(fxin)C.botulinum（肉毒梭菌）和C.sticklandii（斯氏梭菌）等也能進(jìn)行(jnxng)Stickland反應(yīng)(fnyng)。

48、（5）發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng) 僅是專性厭氧菌或兼性厭氧菌在無氧條件下的一種生物氧化形式，其產(chǎn)能方式只是通過底物水平的磷酸化，因而產(chǎn)能效率很低。 底物水平磷酸化可形成多種含高能磷酸的產(chǎn)物，例如EMP途徑中的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇丙酮酸及異型乳酸發(fā)酵途徑中的乙酰磷酸等。因前兩者在生物化學(xué)課程中有詳細(xì)的介紹，故這里僅介紹乙酰磷酸的形成及其產(chǎn)生ATP的反應(yīng)。在不同厭氧菌的發(fā)酵過程中，有不同的方式形成乙酰磷酸，例如： 在Lactobacillusdelbriuckii中由丙酮酸產(chǎn)生： 許多原核厭氧微生物中由乙酰輔酶A產(chǎn)生： 在Leuconostocmesenteroides中Bifidobacteri

49、umbifidum中由木酮糖磷酸(ln sun)產(chǎn)生： 在Bifidobacteriumbifidumk中還可由果糖磷酸(ln sun)產(chǎn)生： 有了乙酰磷酸(ln sun)后，只要經(jīng)乙酸激酶的催化，就可完成底物水平磷酸化產(chǎn)能： CH3CO-OPO3H2+ADPCH3COOH+ATP 這就是厭氧微生物產(chǎn)能的主要方式，并由此可知道它們的產(chǎn)能效率是很低的。 二、自養(yǎng)微生物的生物氧化、產(chǎn)能和CO2固定 異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)微生物在最初能源上盡管存在著巨大的差異，但它們(t men)生物氧化的本質(zhì)卻是相同的，即都包括脫氫、遞氫和受氫三個(gè)階段，其間經(jīng)過與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)，就可產(chǎn)生生命活動(dòng)所需的通用能源ATP。

50、但從具體類型來看，自養(yǎng)微生物中的生物氧化與產(chǎn)能的類型很多、途徑復(fù)雜，有些(yuxi)化能自養(yǎng)菌的生物氧化與產(chǎn)能過程至今還了解很少。不論是化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型還是光能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型的微生物，在它們生命活動(dòng)中最重要的反應(yīng)就是把CO2先還原成CH2O水平的簡(jiǎn)單有機(jī)物，然后(rnhu)再進(jìn)一步合成復(fù)雜的細(xì)胞成分。這是一個(gè)大量耗能和耗還原力H的過程。在化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物中，其所需能量ATP是通過還原態(tài)無機(jī)物經(jīng)過生物氧化產(chǎn)生的，還原力H則是通過耗ATP的無機(jī)氫（H+e）的逆呼吸鏈傳遞而產(chǎn)生的；在光能自養(yǎng)型的微生物中，其ATP和H都是通過循環(huán)光合磷酸化、非循環(huán)光合磷酸化或通過紫膜的光合磷酸化而獲得的（圖6-29）。

51、 （一）生物氧化和產(chǎn)能 1化能自養(yǎng)型化能自養(yǎng)菌為還原CO2而需要的ATP和還原力H是通過氧化無機(jī)底物（NH4+、NO2-、H2S、S0、H2和Fe2+等）來實(shí)現(xiàn)的。其產(chǎn)能的途徑主要也是借助于經(jīng)過呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)，因此，絕大多數(shù)化能自養(yǎng)菌是好氧菌。即使少數(shù)可進(jìn)行厭氧生活的化能自養(yǎng)菌，也是利用以硝酸鹽或碳酸鹽代替氧的無氧呼吸。除呼吸鏈產(chǎn)能途徑外，少數(shù)硫桿菌例如Thiobacillusthioparus（排硫硫桿菌）、Tdenitrificans（脫氮硫桿菌）和Tferrooxidans（氧化亞鐵硫桿菌）當(dāng)其生長(zhǎng)在含無機(jī)硫化物環(huán)境下，還能部分地進(jìn)行底物水平磷酸化產(chǎn)能。必須指出的是，化能自養(yǎng)微生

52、物不僅在還原CO2時(shí)需要消耗ATP，而且當(dāng)其生產(chǎn)還原力H時(shí)，也要消耗許多ATP（圖6-30）。這是因?yàn)椋挥薪栎斎階TP才能通過逆呼吸鏈的方式把無機(jī)氫（H+e）變成可用于還原CO2的還原力H。這一情況，可以用抽水機(jī)把低水位的水重新回灌到高水位蓄水庫(kù)去的例子來加以理解。 在所有還原(hun yun)態(tài)的無機(jī)物中，除了H2的氧化還原(hun yun)電位比NAD+NADH對(duì)較低外，其余都明顯高于它，因此，在各種無機(jī)底物氧化時(shí)，都必須以其相應(yīng)的位置(wi zhi)進(jìn)入呼吸鏈（圖6-31），這就必然造成化能自養(yǎng)菌呼吸鏈的氧化磷酸化效率（PO比）很低。 由于化能自養(yǎng)細(xì)菌的產(chǎn)能效率、生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)得率很低

53、等原因，故對(duì)它們的生物氧化和能量代謝還研究得很少。與異養(yǎng)微生物相比，化能自養(yǎng)細(xì)菌的能量代謝主要有三個(gè)特點(diǎn)：無機(jī)底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系。由脫氫酶或氧化還原酶催化的無機(jī)底物脫氫或脫電子后，直接進(jìn)入呼吸鏈傳遞。這與異養(yǎng)微生物葡萄糖氧化要經(jīng)過EMP和TCA等途徑的復(fù)雜代謝過程不同。呼吸鏈的組分更為多樣化，氫或電子可從任一組分進(jìn)入呼吸鏈。產(chǎn)能效率即PO比一般要比異養(yǎng)微生物更低。 化能自養(yǎng)微生物種類很多，現(xiàn)以研究得較清楚的化能自養(yǎng)菌硝化細(xì)菌和硫桿菌為例來加以說明。 （1）硝化細(xì)菌的能量代謝 Nitrobacter（硝化桿菌屬）以亞硝酸作為能源，由于NO2-NO3-中只涉及2個(gè)電子的傳遞，所以對(duì)其機(jī)

54、制研究得較為清楚。用同位素18O的實(shí)驗(yàn)證明，在NO2-氧化為NO3-的過程中，氧來自水分子而非空氣。當(dāng)NO2-+H2OH2ONO2-NO3-+2H+2e時(shí)，由于NO2-的氧化還原電位很高，故H+和e只能從與其相當(dāng)?shù)腃yta1部位進(jìn)入呼吸鏈。2H+2e如果順著呼吸鏈傳遞至O2，僅能產(chǎn)生1個(gè)ATP。而對(duì)CO2還原所需要的大量還原力H則是通過H+e的逆呼吸鏈傳遞并消耗大量ATP后才能形成（圖6-32）。由此不難理解，為什么硝化細(xì)菌的能量效率、生長(zhǎng)速度和細(xì)胞產(chǎn)率是如此的低，同時(shí)還解釋了為什么在硝化作用旺盛的土壤中，卻只能找到很少量的硝化細(xì)菌菌體。 （2）硫細(xì)菌(xjn)的能量代謝 硫細(xì)菌(xjn)尤其

55、是Thiobacillus（硫桿菌屬）的能量代謝的研究近年來有很大進(jìn)展。由于所有的硫桿菌都能在中性條件(tiojin)下以易溶于水且易測(cè)定的硫代硫酸鹽作為能源，所以有利于開展對(duì)其代謝機(jī)制的研究。 硫桿菌一般并不存在底物水平的磷酸化，即使存在磷酸腺苷硫酸鹽或APS途徑，也不起主要作用。它們氧化無機(jī)硫化物的主要方式是通過呼吸鏈的氧化磷酸化途徑。硫桿菌呼吸鏈的組成基本上與線粒體和原核生物中的Paracoccusdenitrificans（脫氮副球菌）等革蘭氏陰性異養(yǎng)細(xì)菌相似，即NADH2脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、黃素蛋白（FP）、泛醌（CoQ）、細(xì)胞色素b（有的含2種）、細(xì)胞色素氧化酶aa3等。在大多數(shù)

56、硫桿菌中，從硫化物或硫代硫酸鹽底物上脫下的電子經(jīng)細(xì)胞色素C進(jìn)入呼吸鏈，但在Tdenitrificans中卻例外地從黃素蛋白或細(xì)胞色素b水平上進(jìn)入的。 能產(chǎn)生1個(gè)ATP。與硝化細(xì)菌等其他自養(yǎng)菌一樣，硫桿菌還原CO2所需要的還原力H，也是通過耗ATP的逆呼吸鏈傳遞而產(chǎn)生的。 2光能自養(yǎng)型在討論光能自養(yǎng)微生物的能量代謝前，有必要先簡(jiǎn)單介紹一下在自然界中具有光合作用的各類生物的特點(diǎn)和差異?，F(xiàn)表解如下： 各種( zhn)光合細(xì)菌都是原核生物，它們一齊被歸納在紅螺菌目（Rhodospirillales）中。它們(t men)不能利用H2O作為(zuwi)還原CO2的氫供體，只能利用還原態(tài)的H2S、H2或有

57、機(jī)物作為氫供體，故光合作用中不產(chǎn)生O2，因而它們進(jìn)行的是一種不產(chǎn)氧光合作用（anoxygenicphotosynthesis）。在它們的細(xì)胞（單細(xì)胞）內(nèi)因所含的菌綠素和類胡蘿卜素的量和比例的不同，使菌體呈現(xiàn)紅、橙、綠、藍(lán)綠、紫紅、紫或褐等顏色。這是一群典型的水生菌，廣泛地分布于深層（缺氧的）淡水或海水中?，F(xiàn)將紅螺菌目的科和主要屬表解如下： （1）循環(huán)光合磷酸化（cyclicPhotophosphorylation） 一種存在于厭氧光合細(xì)菌中的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)，由于它是一種在光驅(qū)動(dòng)下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成的磷酸化，故稱循環(huán)光合磷酸化。其特點(diǎn)是：在光能的驅(qū)動(dòng)下，電子從菌綠素分子上

58、逐出后，通過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP；產(chǎn)ATP與產(chǎn)還原力H分別進(jìn)行；還原力來自H2S等的無機(jī)氫供體；不產(chǎn)生氧。 循環(huán)光合磷酸化的過程是：菌綠素分子在光照下被光量子所激發(fā)并逐出電子，這時(shí)菌綠素分子帶正電荷。被逐出的電子經(jīng)鐵氧還蛋白、泛醌、細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素f組成的類似于呼吸鏈的電子傳遞鏈傳遞后，重新返回帶正電荷的菌綠素分子。這是一個(gè)完整的循環(huán)過程，在此過程中的Cytb與Cytf間有ATP的合成。其整個(gè)過程及其與Calvin循環(huán)間的聯(lián)系，見圖6-33。 （2）非循環(huán)(xnhun)光合磷酸化（noncyclicPhotophosphorylation） 這是各種( zhn)

59、綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。其特點(diǎn)是：電子(dinz)的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；在有氧條件下進(jìn)行；有兩個(gè)光合系統(tǒng)，其中的色素系統(tǒng)（含葉綠素a）可以利用紅光，色素系統(tǒng)（含葉綠素b）可利用藍(lán)光；反應(yīng)中同時(shí)有ATP（產(chǎn)自系統(tǒng)）、還原力H（產(chǎn)自系統(tǒng)）和O2產(chǎn)生；還原力NADPH2中的H是來自H2O分子光解后的H+和e-。 非循環(huán)光合磷酸化的過程是：H2O通過光解作用產(chǎn)生了12O2+2H+2e-，其中的電子經(jīng)過兩個(gè)電子傳遞系統(tǒng)（和）接連傳遞，最終將電子傳遞給NADP+接受，于是產(chǎn)生了NADPH+H+，為還原CO2提供了還原力，同時(shí)，在電子傳遞過程中還有兩處發(fā)生光合磷酸化反

60、應(yīng)，產(chǎn)生供CO2還原用的ATP。在兩個(gè)傳遞系統(tǒng)中，系統(tǒng)有O2和ATP產(chǎn)生，系統(tǒng)則有NADPH2和ATP產(chǎn)生。整個(gè)過程見圖6-34。 （3）嗜鹽菌紫膜的光合作用(gungh-zuyng) 這是一種(y zhn)直至70年代才揭示的只有(zhyu)嗜鹽菌才有的無葉綠素或菌綠素參與的獨(dú)特光合作用。嗜鹽菌是一類必須在高鹽（3.55.0molLNaCl）環(huán)境中才能生長(zhǎng)的古細(xì)菌（archaebacteria，參見第十一章）。它們廣泛分布在鹽湖、曬鹽場(chǎng)或鹽腌海產(chǎn)品上，常見的咸魚上的紫紅斑塊就是嗜鹽菌的細(xì)胞群。主要代表有Halobacteriumhalobium（鹽生鹽桿菌）和H.cutirubrum（紅皮鹽