微生物的代謝a優(yōu)秀課件

微生物的代謝a本章內(nèi)容第一節(jié)代謝概論第二節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝第三節(jié)大分子物質(zhì)的分解代謝第四節(jié)分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系第五節(jié)

微生物獨特合成代謝途徑第六節(jié)微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)

第一節(jié)代謝概論新陳代謝（metabolism）簡稱代謝，是細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學反應的總稱。

代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)一、代謝

分解代謝（catabolism）指細胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并產(chǎn)生能量的過程。合成代謝（anabolism）指細胞利用簡單的小分子物質(zhì)合成復雜大分子的過程，并消耗能量的過程。

復雜分子（有機物）分解代謝簡單小分子ATP[H]合成代謝

能量是使自然界中各種活動得以進行的一種能力，所有的物理和化學過程都是能量應用或轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

二、能量

能量代謝是一切生物代謝的核心問題。能量代謝的中心任務，是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP。

微生物代謝過程中的能量來源主要為有機物的氧化（分解代謝）、無機物的氧化、光。

氧化還原反應是電子從一個供體（還原劑）轉(zhuǎn)移至一個電子受體（氧化劑）的反應。在生物化學中，氧化還原通常不僅僅只是轉(zhuǎn)移電子，有時也轉(zhuǎn)移氫原子，因為在細胞氧化中，電子和質(zhì)子可以同時失去，這就相當于失去氫原子。三、氧化還原反應

氧化還原對E0′（氧化還原電勢）2H+

＋2e－

——→H2NAD(P)+

＋H+

＋e－

——→NAD(P)HS＋2H+

＋2e－

——→H2SFAD＋2H+

＋2e－

——→FADH2Cytb(Fe3+)＋e－

——→Cytb(Fe2+)Cytc(Fe3+)＋e－

——→Cytb(Fe2+)NO3－＋2H+

＋2e－

——→NO2－＋H2ONO2－＋8H+

＋6e－

——→NH4

＋2H2OFe3+

＋e－

——→Fe2+O2

＋4H+

＋4e－

——→4H2O－0.42－0.32－0.274－0.180.0750.2540.4210.440.7710.815

腺苷三磷酸（ATP）在細胞代謝的能量流通中扮演著“能量貨幣”的重要角色，它作為能量的載體參與代謝途徑中能量的儲存、釋放和轉(zhuǎn)移。

四、ATP及產(chǎn)生ATP的三種磷酸化反應

ATP的結(jié)構(gòu)：生物體通過三種磷酸化方式產(chǎn)生ATP：

底物水平磷酸化

氧化磷酸化

光合磷酸化

物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。物質(zhì)在生物氧化過程中，電子通過電子傳遞鏈被轉(zhuǎn)給分子氧或其他分子時ADP發(fā)生磷酸化而產(chǎn)生ATP。光合磷酸化只存在于能進行光合作用的細胞中。光合色素捕獲光能后釋放電子，電子通過電子傳遞鏈傳遞逐步釋放能量，使ADP發(fā)生磷酸化而產(chǎn)生ATP

。第一節(jié)微生物的能量代謝微生物可利用的最初能源有哪些？

研究能量代謝的根本目的，是追蹤生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能利用的通用能源---ATP。

一切生命活動都是耗能反應，能量代謝是新陳代謝中的核心問題。最初能源有機物還原態(tài)無機物光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物通用能源（ATP）化學物質(zhì)，光

一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能生物氧化的定義發(fā)生在活細胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應的總稱。燃燒生物體外的氧化比較項目燃燒生物氧化反應步驟一步式快速反應順序嚴格的系列反應條件激烈由酶催化，條件溫和產(chǎn)能形式熱、光大部分為ATP能量利用率低高

生物氧化的形式：加氧、脫氫或失去電子；

生物氧化的過程：脫氫(或電子)、遞氫(或電子)、受氫(或電子)；

生物氧化的功能:產(chǎn)ATP、還原力[H]和小分子中間代謝物。

生物氧化的類型：有氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵（一）底物脫氫的四條途徑

以葡萄糖作為生物氧化的典型底物，它在脫氫階段主要可通過四條途徑完成其脫氫反應，并伴隨還原力[H]和能量的產(chǎn)生。底物脫氫的四條主要途徑:EMP途徑HMP途徑ED途徑TCA循環(huán)EMP途徑

（Embden-Meyerhof-Parnaspathway）

EMP途徑又稱糖酵解途徑（glycolysis）或己糖二磷酸途徑（hexosediphosphatepathway），是絕大多數(shù)生物所共有的一條主流代謝途徑。

EMP途徑10步反應耗能產(chǎn)能C6H12O62NADH22ATP2丙酮酸EMP途徑的總反應式為：C6H12O6＋2NAD+＋2ADP＋2Pi→2CH3COCOOH

＋2NADH＋2H+＋2ATP＋2H2O在有氧條件下，可經(jīng)呼吸鏈的氧化磷酸化反應產(chǎn)生6ATP；在無氧條件下，則可還原丙酮酸產(chǎn)生乳酸或把丙酮酸的脫羧產(chǎn)物—乙醛還原成乙醇。在其終產(chǎn)物中，2（NADH＋H+）：（1）葡萄糖分解是從1，6-二磷酸果糖開始；（2）整個途徑僅在第1，3，10步反應是不可逆的；（3）EMP途徑的特征性酶是1，6-二磷酸果糖醛縮酶；（4）整個途徑不消耗氧；（5）有關酶系位于細胞質(zhì)中。

EMP途徑的特點:①供應ATP形式的能量和NADH2形式的還原力。②是連接其他幾個重要代謝途徑的橋梁，包括三羧酸循環(huán)（TCA）、HMP途徑和ED途徑等。③為生物合成提供多種中間代謝物。④通過逆向反應進行多糖合成。

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、丙酮和丁醇等的發(fā)酵生產(chǎn)關系密切。

EMP途徑是多種微生物所具有的代謝途徑，其產(chǎn)能效率雖低，但其生理功能極其重要：EMP途徑的生理功能:2.HMP途徑

（HexoseMonophosphatePathway）HMP途徑即己糖一磷酸途徑、己糖一磷酸支路（shunt）、戊糖磷酸途徑（pentosephosphatepathway）、磷酸葡萄糖酸途徑（phosphogluconatepathway）或WD途徑（Warburg-Dickenspathway）。6C6H12O66CO212個NADPH25葡糖-6-磷酸1.氧化階段：6-磷酸葡萄糖脫氫脫羧生成5-磷酸核糖HMP途徑2.非氧化階段：磷酸戊糖分子重排HMP途徑的總反應式為：6葡糖-6-磷酸＋12NADP+＋6H2O→5葡糖-6-磷酸＋12NADPH＋12H+＋6CO2＋Pi

HMP途徑的特點:（1）是從6-磷酸葡萄糖酸脫羧開始；（2）特征性酶是轉(zhuǎn)酮酶（TK）和轉(zhuǎn)醛酶（TA）；（3）該途徑一般只產(chǎn)生NADPH而不產(chǎn)生NADH；（4）

HMP酶系定位于細胞質(zhì)中。（5）葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而徹底氧化產(chǎn)能、產(chǎn)還原力[H]和許多中間代謝產(chǎn)物；（6）進行一次周轉(zhuǎn)需要六分子的葡萄糖同時參與，但實際只消耗一分子的葡萄糖；①供應合成原料：為核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA等的生物合成提供戊糖-磷酸；途徑中的赤蘚糖-4-磷酸是合成芳香族、雜環(huán)族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸）的原料。②產(chǎn)還原力：產(chǎn)生大量的NADPH2形式的還原力，不僅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，還可供通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量之需。HMP途徑的生理功能:

HMP途徑在微生物生命活動中有著極其重要的意義，具體表現(xiàn)在：③作為固定的CO2中介：是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定CO2的重要中介。④擴大碳源利用范圍：為微生物利用C3～C7多種碳源提供了必要的代謝途徑。⑤連接EMP途徑：通過與EMP途徑的連接，為生物合成提供更多的戊糖。

從微生物發(fā)酵生產(chǎn)的角度來看，通過HMP途徑可提供許多重要的發(fā)酵產(chǎn)物，例如核苷酸、氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。3.ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）

ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途徑。最早由Entner和Doudoroff兩人（1952）在Pseudomonassaccharophila（嗜糖假單胞菌）中發(fā)現(xiàn)，故名。這是存在于某些缺乏完整EMP途徑的微生物中的一種替代途徑，為微生物所特有。ED途徑C6H12O6NADH21ATP2丙酮酸NADPH2ED途徑的總反應式為：C6H12O6＋ADP＋Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH

＋ATP＋NADPH＋H+＋NADH＋H

ED途徑的特點:（1）特征反應為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛；（2）特征性酶是KDPG醛縮酶；（3）

2分子的丙酮酸來源不同；（4）產(chǎn)能效率低，1mol葡萄糖只產(chǎn)生1molATP（5）反應步驟簡單，通過五步反應可快速獲得丙酮酸；（6）可與EMP、HMP和TCA循環(huán)等各種代謝途徑相連接，以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝產(chǎn)物的需要；ED途徑ED途徑也能通過發(fā)酵產(chǎn)生乙醇,但與酵母菌通過EMP途徑產(chǎn)生乙酵不同,故稱之為細菌酒精發(fā)酵。細菌酒精發(fā)酵：優(yōu)點：代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點：pH5（酵母菌pH3），較易染菌；細菌對乙醇耐受力低（細菌耐7%乙醇，酵母菌耐8%~10%。4.TCA循環(huán)（tricarboxylicacidcycle）

三羧酸循環(huán)又稱Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)（citricacidcycle），這是一個廣泛存在于各種生物體中的重要生物化學反應途徑，在各種好氧微生物中普遍存在。真核微生物，TCA循環(huán)的反應在線粒體內(nèi)進行，其中的大多數(shù)酶定位在線粒體的基質(zhì)中；原核微生物，例如細菌中，大多數(shù)酶都存在于細胞質(zhì)內(nèi)。只有琥珀酸脫氫酶屬于例外，它在線粒體或細菌中都是結(jié)合在膜上的。

TCA循環(huán)1丙酮酸4NADH21GTP3CO2FADH2整個TCA循環(huán)的總反應式為：丙酮酸＋4NAD+＋FAD＋GDP＋Pi＋3H2O→3CO2＋

FADH2＋GTP＋4(NADH＋H+)

①氧雖不直接參與其中反應，但必須在有氧條件下運轉(zhuǎn)（NAD+和

FAD

再生時需氧）。②每分子丙酮酸可產(chǎn)4個NADH＋H+、1個FADH2和1個GTP，總共相當于15個ATP，因此產(chǎn)能效率極高。③TCA位于一切分解代謝和合成代謝中的樞紐地位，可為微生物的生物合成提供各種碳架原料，還與人類的發(fā)酵生產(chǎn)緊密相關（如檸檬酸、蘋果酸、谷氨酸等）。TCA途徑的特點:TCA循環(huán)在微生物分解代謝和合成代謝中的樞紐地位四種脫氫途徑的比較EMP途徑：許多微生物都利用該途徑對糖類進行分解代謝。1分子葡萄糖經(jīng)10步反應產(chǎn)生2分子丙酮酸、2分子[H]和2個ATP；該途徑定位在微生物細胞質(zhì)中，有氧和無氧都能進行；HMP途徑：可與EMP途徑或ED途徑同時存在，也能在有氧和無氧條件下發(fā)生。許多微生物通過該途徑產(chǎn)能，但它的主要作用是用于生物合成。ED途徑：少數(shù)細菌以該途徑代替EMP途徑。1分子葡萄糖經(jīng)4步反應產(chǎn)生2分子丙酮酸、2分子[H]和1個ATP；TCA循環(huán)：有氧條件下，丙酮酸經(jīng)TCA循環(huán)進一步代謝產(chǎn)能或用于生物合成。5.磷酸解酮酶途徑

存在于某些細菌如明串珠菌屬和乳桿菌屬中的一些細菌中。進行磷酸解酮酶途徑的微生物缺少醛縮酶，所以它不能夠?qū)⒘姿峒禾橇呀鉃?個三碳糖。磷酸酮解酶途徑有兩種：

磷酸戊糖解酮酶途徑（PK）途徑磷酸己糖解酮酶途徑（HK）途徑

葡萄糖

6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸

5-P-核酮糖

5-P-木酮糖3-P-甘油醛丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoA

乙醛ATPADPNAD+NADH+H+CO2乳酸乙醇異構(gòu)化作用NAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解酶CoAPi2ADP2ATP-2H-2H-2HNAD+NADH+H+磷酸戊糖解酮酶途徑（1）分解1分子葡萄糖只產(chǎn)生1分子ATP，相當于EMP途徑的一半;（2）幾乎產(chǎn)生等量的乳酸、乙醇和CO2。磷酸戊糖解酮酶途徑的特點:磷酸己糖解酮酶途徑2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸戊糖解酮酶逆HMP途徑同EMP乙酸激酶2ADP2ATPADPATP2ATP2ADP4ADP4ATP（1）有兩個磷酸酮解酶參加反應；（2）在沒有氧化作用和脫氫作用的參與下，2分子葡萄糖分解為3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-

甘油醛在脫氫酶的參與下轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?；乙酰磷酸生成乙酸的反應則與ADP生成ATP的反應相偶聯(lián)；（3）每分子葡萄糖產(chǎn)生2.5分子的ATP；（4）一些微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式。磷酸戊糖解酮酶途徑的特點:（二）遞氫和受氫

貯存在生物體內(nèi)葡萄糖等有機物中的化學能，經(jīng)上述途徑脫氫后，經(jīng)過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式傳遞，最終與氧、無機或有機氧化物等氫受體相結(jié)合而釋放出其中的能量。發(fā)酵

根據(jù)遞氫特點尤其是氫受體性質(zhì)的不同，可把生物氧化區(qū)分成3種類型：呼吸無氧呼吸生物氧化有氧呼吸有氧呼吸：底物分解產(chǎn)生的氫，經(jīng)完整的呼吸鏈（respirarorychain，RC)又稱電子傳遞鏈(ETCelectrontransportchain）傳遞，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）的過程。無氧呼吸：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)的無機物或有機物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應。

發(fā)酵：在無氧條件下，底物脫氫后不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接將其交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝物的一類低效產(chǎn)能反應

。

生物氧化1.呼吸作用（respiration）

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（氧、無機或有機氧化物），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。以氧氣以外的氧化型化合物作為最終電子受體有氧呼吸（aerobicrespiration）：無氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作為最終電子受體

底物脫下的氫（常以還原力[H]形式存在）經(jīng)完整的呼吸鏈傳遞，最終被外源分子氧接受，產(chǎn)生了水并釋放出ATP形式的能量。

這是一種遞氫和受氫都必須在有氧條件下完成的生物氧化作用，是一種高效產(chǎn)能方式。（1）好氧呼吸（aerobicrespiration）

又稱電子傳遞鏈（electrontransportchain，ETC），是指位于原核生物細胞膜上或真核生物線粒體內(nèi)膜上的、一系列氧化還原勢呈梯度差的（由低到高）、鏈狀排列的氫（或電子）傳遞體。呼吸鏈（respiratorychain，RC）（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）（2）黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）

和黃素單核苷酸（FMN）（3）鐵硫蛋白（Fe-S）（4）泛醌（輔酶Q）

（5）細胞色素系統(tǒng)遞氫體或遞電子體：NAD或NADPFAD或FMN鐵硫蛋白泛醌細胞色素系統(tǒng)ATPATPATP低氧化還原勢的化合物高氧化還原勢化合物例如：分子氧或其他無機、有機氧化物通過與氧化磷酸化反應相偶聯(lián)跨膜質(zhì)子動勢推動了ATP的合成氫或電子逐級傳遞氧化磷酸化

（oxidativephosphorylation）

又稱電子傳遞鏈磷酸化，是指呼吸鏈的遞氫（或遞電子）和受氫過程與磷酸化反應相偶聯(lián)并產(chǎn)生ATP的作用。遞氫、受氫即氧化過程造成了跨膜的質(zhì)子梯度差即質(zhì)子動勢，進而質(zhì)子動勢再推動ATP酶合成ATP。氧化磷酸化作用的化學滲透假說

位于細胞膜或線粒體內(nèi)膜的呼吸鏈組分在傳遞來自基質(zhì)的氫時，在將電子傳遞給下一個電子載體的同時把質(zhì)子從膜內(nèi)泵到膜外，因而造成了膜內(nèi)外兩側(cè)的質(zhì)子梯度和電位梯度，由此產(chǎn)生質(zhì)子動勢，這種動勢蘊藏著電子傳遞過程中所釋放的能量。在質(zhì)子動勢的驅(qū)動下，質(zhì)子通過跨膜的ATP合酶從膜外回到膜內(nèi)，并釋放能量驅(qū)使ADP磷酸化生成ATP。電子從NAD+進入呼吸鏈傳遞至O2

時，只有3處釋放出足夠的能量能與ADP磷酸化相偶聯(lián)，產(chǎn)生3分子ATP；NAD呼吸鏈的P/O=3；電子從FAD+進入呼吸鏈傳遞至O2時，只有2處釋放出足夠的能量能與ADP磷酸化相偶聯(lián)，產(chǎn)生2分子ATP，F(xiàn)AD呼吸鏈的P/O=2；

具有抑制電子傳遞、能量轉(zhuǎn)移和解偶聯(lián)作用的物質(zhì)都會阻止氧化磷酸化。抑制電子傳遞：KCN、NaN3、CO等；解偶聯(lián)劑：2,4-二硝基苯酚，短桿菌肽等P/O：表示當一對電子通過呼吸鏈傳遞至O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)，即表示呼吸鏈氧化磷酸化效率。（2）無氧呼吸（anaerobicrespiration）

又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（少數(shù)為有機氧化物）的生物氧化。特點是底物脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物或有機物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應。

這是一類在無氧條件下進行的、產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。

根據(jù)呼吸鏈末端氫受體的不同，可把無氧呼吸分為下列幾種類型：

其一是在有氧或無氧條件下所進行的利用硝酸鹽作為氮源營養(yǎng)物，稱為同化性硝酸鹽還原作用（assimilativenitratereduction）；①硝酸鹽呼吸，

又稱反硝化作用（denitrification）

硝酸鹽在微生物生命活動中具有兩種功能：很多細菌及真菌將NO3-還原成NH3，為生長提供氮源。

其二是在無氧條件下，某些兼性厭氧微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體，把它還原成亞硝酸、NO、N2O直至N2的過程，稱為異化性硝酸鹽還原作用（dissimilativenitratereduction），又稱硝酸鹽呼吸或反硝化作用。兩個還原過程的共同特點是硝酸鹽都要經(jīng)過一種含鉬的硝酸鹽還原酶將其還原為亞硝酸。例如，Bacilluslicheniformis（地衣芽孢桿菌），

Paracoccusdenitrification（脫氮小球菌），

Pseudomonasaeruginosa（銅綠假單胞菌）等。

大腸桿菌也是一種反硝化細菌，但它只能將NO3-還原成NO2-。反硝化細菌——兼性厭氧微生物反硝化作用的生態(tài)學作用：反硝化細菌進行厭氧呼吸土壤及水環(huán)境好氧性機體的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厭氧環(huán)境害：土壤中植物能利用的氮（NO3-）還原成氮氣而消失，從而降低了土壤的肥力。其中間產(chǎn)物NO和N2O會污染環(huán)境。防止措施：松土，排除過多的水分，保證土壤中有良好的通氣條件。利：反硝化作用在氮素循環(huán)中的重要作用硝酸鹽易溶解于水，常通過水從土壤流入水域中。如果沒有反硝化作用，硝酸鹽將在水中積累，會導致水質(zhì)變壞與地球上氮素循環(huán)的中斷。

是一類稱作硫酸鹽還原細菌（或稱反硫化細菌）的嚴格厭氧菌在無氧條件下獲取能量的方式。②硫酸鹽呼吸特點：底物脫氫后，經(jīng)呼吸鏈遞氫，最終由末端氫受體硫酸鹽受氫，在遞氫過程中與氧化磷酸化作用相偶聯(lián)而獲得ATP。硫酸鹽呼吸的最終產(chǎn)物是H2S。例如，Desulfovibriodesulfuricans（脫硫脫硫弧菌），D．gigas（巨大脫硫弧菌），Desulfotomaculumnigrificans（致黑脫硫腸狀菌）等。

在浸水或通氣不良的土壤中，厭氧微生物的硫酸鹽呼吸及其有害產(chǎn)物對植物根系生長十分不利。

以無機硫作為呼吸鏈的最終氫受體并產(chǎn)生H2S的生物氧化作用。③硫呼吸兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙?，Desulfuromonasacetoxidans

（氧化乙酸脫硫單胞菌）④鐵呼吸

在某些專性厭氧菌和兼性厭氧菌（包括化能異養(yǎng)細菌、化能自養(yǎng)細菌和某些真菌）中發(fā)現(xiàn)，其呼吸鏈末端的氫受體是Fe3+。例如，氧化亞鐵硫桿菌⑤碳酸鹽呼吸根據(jù)其還原產(chǎn)物的不同，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，一類為產(chǎn)乙酸細菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。

是一類以CO2或重碳酸鹽作為呼吸鏈末端氫受體的無氧呼吸。⑥延胡索酸呼吸

在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是末端氫受體，而琥珀酸則是延胡索酸的還原產(chǎn)物。兼性厭氧細菌，例如，Escherichia（埃希氏桿菌屬）、

Proteus（變形桿菌屬）、

Salmonella（沙門氏菌屬）、

Klebsiella（克氏桿菌屬）等腸桿菌；厭氧細菌，例如，Bacteroides（擬桿菌屬）、

Propionibacterium（丙酸桿菌屬）、

Vibriosuccinogenes（產(chǎn)琥珀酸弧菌）等。

在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作呼吸作用的最終電子受體時，可以磷酸鹽代替，其結(jié)果是生成磷化氫（PH3），一種易燃氣體。當有機物腐敗變質(zhì)時，經(jīng)常會發(fā)生這種情況。若埋葬尸體的墳墓封口不嚴時，這種氣體就很易逸出。農(nóng)村的墓地通常位于山坡上，埋葬著大量尸體。在夜晚，氣體燃燒會發(fā)出綠幽幽的光。長期以來人們無法正確地解釋這種現(xiàn)象，將其稱之為“鬼火”。無氧呼吸對“鬼火”的生物學解釋:

厭氧呼吸的產(chǎn)能較有氧呼吸少，但比發(fā)酵多，它使微生物在沒有氧的情況下仍然可以通過電子傳遞和氧化磷酸化來產(chǎn)生ATP，因此對很多微生物是非常重要的。除氧以外的多種物質(zhì)可被各種微生物用作最終電子受體，充分體現(xiàn)了微生物代謝類型的多樣性。2.發(fā)酵（fermentation）

泛指任何利用好氧或厭氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物或食品、飲料的一類生產(chǎn)方式。廣義的發(fā)酵（1）定義

指在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應，即：狹義的發(fā)酵（1）底物氧化不徹底，產(chǎn)能水平低；（2）積累各種中間代謝產(chǎn)物不可缺少的途徑；（3）能進行發(fā)酵的微生物是專性厭氧菌或兼性厭氧菌;（4）能通過底物水平磷酸化形成高能磷酸鍵的代謝物:1,3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸琥珀酰-CoA發(fā)酵的特點:發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和磷酸解酮酶途徑。

不同的微生物通過發(fā)酵作用，積累的代謝產(chǎn)物是不一樣的。根據(jù)主要代謝產(chǎn)物將微生物發(fā)酵分為以下幾個類型。（2）微生物的發(fā)酵類型①乙醇發(fā)酵②乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤丁二醇發(fā)酵⑥丁酸型發(fā)酵①乙醇發(fā)酵

乙醇（酒精）發(fā)酵是最古老的一種發(fā)酵，它在化工、醫(yī)藥及食品行業(yè)的用途廣泛。

酵母菌只有在pH3.5～4.5（弱酸性）和厭氧條件下才能進行正常的酒精發(fā)酵，稱之為酵母菌的第一型發(fā)酵。酵母菌的第一型發(fā)酵葡萄糖2×丙酮酸EMP途徑丙酮酸脫羧酶2×乙醛2×CO2乙醇脫氫酶2×乙醇NAD+NADH2NADH2NAD+關鍵酶1分子2分子乙醇發(fā)酵對環(huán)境條件的變化十分敏感

乙醇發(fā)酵需在厭氧條件下進行。如果變成好氧條件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解的速度減慢——巴斯德效應。A.O2的作用巴斯德效應產(chǎn)生的原因：在好氧條件下:(1)丙酮酸脫羧酶失活，丙酮酸脫氫酶起作用，進入TCA循環(huán)。(2)高含量的ATP抑制磷酸果糖激酶活性，減慢葡萄糖酵解速度。

如果將發(fā)酵過程的pH控制在微堿性（pH7.6左右）和厭氧條件下，酵母的乙醇發(fā)酵－→甘油發(fā)酵，得到的產(chǎn)物主要是甘油、少量的乙醇、乙酸和CO2——酵母菌的第三型發(fā)酵。乙醇發(fā)酵所需的pH是弱酸性的，pH3.5～4.5。B.pH的作用EMP途徑葡萄糖丙酮酸EMP途徑丙酮酸脫羧酶乙醛CO2磷酸甘油脫氫酶乙醇NAD+NADH2NADH2NAD+磷酸二羥丙酮乙酸3－P－甘油甘油EMP途徑NAD+NADH2

在酵母菌的第三型發(fā)酵中沒有ATP產(chǎn)生，所以這種發(fā)酵是在靜息細胞中進行的。

乙酸的產(chǎn)生會降低培養(yǎng)基的pH，使酵母菌的第三型發(fā)酵重新回到正常的乙醇發(fā)酵，所以，如果產(chǎn)品需要的是甘油，一定要控制好pH。

酵母菌在亞適量的NaHSO3（3％）作用下可進行酵母菌的第二型發(fā)酵生成甘油和少量乙醇。C.培養(yǎng)基成分的作用葡萄糖丙酮酸EMP途徑丙酮酸脫羧酶乙醛CO2磷酸甘油脫氫酶NAD+NADH2NADH2NAD+磷酸二羥丙酮3－P－甘油甘油EMP途徑NAD+NADH2復合物NaHSO3

這里有少量的乙醇產(chǎn)生是為了提供能量，維持菌體正常生長。

如果要利用酵母菌的第二型發(fā)酵來生產(chǎn)甘油，則培養(yǎng)基中的一定要有亞適量NaHSO3（3％），大量的NaHSO3對酵母有毒害作用。酵母菌的酒精發(fā)酵（均在厭氧條件下）第三型發(fā)酵——pH7.6左右（微堿性）第一型發(fā)酵——pH3.5～4.5（弱酸性）第二型發(fā)酵——亞適量NaHSO3（3％）甘油、少量的乙醇、乙酸和CO2甘油和少量乙醇乙醇

通過酵母菌的三個類型發(fā)酵的分析，可以看出工藝條件對發(fā)酵工業(yè)的重要性。工藝條件不同，發(fā)酵的產(chǎn)品性質(zhì)和數(shù)量不同，其他類型的發(fā)酵也是如此。②

乳酸發(fā)酵

在工業(yè)上用于生產(chǎn)乳酸，在農(nóng)業(yè)上用于青貯飼料的發(fā)酵，在食品加工業(yè)上也有廣泛的應用。

乳酸發(fā)酵是由乳酸菌在嚴格厭氧的條件下進行的。乳酸菌是耐氧型的厭氧菌，G+，無芽孢，有桿菌、球菌等。乳酸菌生長過程中需要多種生長因子，可分解葡萄糖產(chǎn)生大量的乳酸。

由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑）異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)PK途徑）雙歧桿菌發(fā)酵:（經(jīng)PK和HK途徑）葡萄糖2×丙酮酸EMP途徑乳酸脫氫酶2×乳酸NAD+NADH2NAD+A.同型乳酸發(fā)酵

凡葡萄糖發(fā)酵后只產(chǎn)生2分子乳酸的發(fā)酵，稱同型乳酸發(fā)酵。B.異型乳酸發(fā)酵

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。葡萄糖乙酰磷酸PK途徑乙醛乳酸脫氫酶乳酸NADH2NAD+3－P－甘油醛NAD+丙酮酸乙醇乙酸＋CO2

這是一條在20世紀60年代中后期才發(fā)現(xiàn)的雙歧桿菌（Bifidobacteria）發(fā)酵葡萄糖的新途徑。C.雙歧桿菌途徑特點：2分子葡萄糖→3分子乙酸＋2分子乳酸＋5分子ATP2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸戊糖解酮酶逆HMP途徑同EMP乙酸激酶2ADP2ATPADPATP2ATP2ADP4ADP4ATP

乳酸發(fā)酵對我們食品工業(yè)和釀酒工業(yè)來說十分重要。例如，酸乳、泡菜、乳酪、酸奶油等的生產(chǎn)均通過乳酸發(fā)酵。甚至在香腸的制作中也需乳酸菌的參與。但在釀酒工業(yè)中乳酸菌是一重大污染菌。③

丙酸發(fā)酵

丙酸是丙酸桿菌（Propionibacteriumspp.）等菌的發(fā)酵產(chǎn)物，它具有與乙醇類似的刺激味。丙酸及其鹽類對引起面包產(chǎn)生粘絲狀物質(zhì)的好氣性芽孢桿菌有抑制作用，但對酵母無效，因此國內(nèi)廣泛用于面包糕點的防腐。④

混合酸發(fā)酵與丁二醇發(fā)酵

進行這類發(fā)酵的是腸道菌，不同的腸道菌具有不同的酶系來作用于丙酮酸，所以終產(chǎn)物是不同的。

以大腸桿菌為代表的一類腸道菌，例如，埃希氏菌、志賀氏菌、沙門氏菌等，發(fā)酵產(chǎn)物主要是甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有機酸和CO2、H2，所以稱為混合酸發(fā)酵。

產(chǎn)氣桿菌、枯草桿菌等發(fā)酵產(chǎn)物主要是丁二醇，所以稱之為丁二醇發(fā)酵?；旌纤岚l(fā)酵

甲基紅反應(M.R）陽性

葡萄糖

EMP

PEP羧化酶蘋果酸脫氫酶

PEP草酰乙酸琥珀酸

乳酸脫氫酶

丙酮酸

乳酸

丙酮酸甲酸裂解酶乙醛脫氫酶

甲酸乙酰CoA乙醛

甲酸氫解酶磷酸轉(zhuǎn)乙?；敢掖济摎涿?/p>

乙醇CO2H2

乙酰-磷酸乙酸激酶

乙酸大腸桿菌發(fā)酵葡萄糖在產(chǎn)酸（pH<4.5）的同時產(chǎn)氣丁二醇發(fā)酵丁二醇發(fā)酵的中間產(chǎn)物3-羥基丁酮是V.P試驗的物質(zhì)基礎

一些微生物能發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生大量的2,3-丁二醇和少量乳酸、乙醇、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，被稱為2,3-丁二醇發(fā)酵。⑤丁酸發(fā)酵與丙酮-丁醇發(fā)酵

這類發(fā)酵是由專性厭氧菌如梭狀芽孢桿菌分解葡萄糖進行的。這類型發(fā)酵的終產(chǎn)物主要是丁酸或丙酮和丁醇。葡萄糖2×丙酮酸EMP途徑丙酮酸鐵氧還蛋白氧化酶2×乙酰CoA丁醛脫氫酶NAD+NADH2NADH2NAD+丁酰CoA丙酮丁醛丁醇CO2NADH2NAD+丁醇脫氫酶丁酸CoA轉(zhuǎn)移酶乙酸乙酰CoA丁酸發(fā)酵丁酸梭狀芽孢桿菌能夠發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生丁酸，稱為丁酸發(fā)酵。

丙酮酸首先被脫去CO2生成乙酰CoA和H2，乙酰CoA能夠在縮合后逐步還原成丁酸。丙酮-丁醇發(fā)酵

在丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌(Clostridumacetobutylium)中，丙酮酸經(jīng)過一系列的脫羧和縮合等過程而轉(zhuǎn)變?yōu)楸?、丁醇，稱為丙酮-丁醇發(fā)酵。

在丙酮-丁醇發(fā)酵過程中，pH要控制在4.5以下。

與丁酸發(fā)酵相類似的是己酸發(fā)酵，丁酰CoA經(jīng)過類似脂肪酸合成途徑合成己酰CoA，再生成己酸。己酸是一種香型物質(zhì)，例如，白酒中大曲、特曲四溢的香氣。己酸還可作為食品添加劑。Stickland反應產(chǎn)能機制是通過部分氨基酸（如丙氨酸）的氧化與另一些氨基酸（如甘氨酸）的還原相偶聯(lián)的發(fā)酵過程而產(chǎn)生能量的。一種氨基酸作氫供體和以另一種氨基酸作氫受體。產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1個ATP。氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能——Stickland反應

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。目前僅在專性厭氧梭菌中發(fā)現(xiàn)呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別：

電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體?；墚愷B(yǎng)微生物利用葡萄糖生物氧化3種類型比較產(chǎn)能方式有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵微生物好氧菌兼性厭氧菌兼性厭氧菌厭氧菌兼性厭氧菌厭氧菌電子受體O2外源無機氧化物（少數(shù)有機氧化物）更氧化的有機中間代謝物底物有機物有機物有機物酶類脫氫酶氧化還原酶脫氫酶特殊氧化還原酶脫氫酶產(chǎn)ATP方式呼吸鏈（氧化磷酸化）呼吸鏈（氧化磷酸化）直接產(chǎn)生（底物水平磷酸化）產(chǎn)能效率高居中低自養(yǎng)微生物

生物合成起點是建立在對氧化程度極高的CO2進行還原（即CO2的固定）的基礎上。異養(yǎng)微生物

生物合成起點是建立在對氧化還原水平適中的有機碳源直接利用的基礎上。二、化能自養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能

化能自養(yǎng)微生物還原CO2所需要的ATP和[H]是通過氧化無機底物，例如，NH4+、NO2-、H2S、S0、H2和Fe2+等而獲得的。其產(chǎn)能途徑主要也是借助于經(jīng)過呼吸鏈的氧化磷酸化反應，化能自養(yǎng)菌一般都是好氧菌。

化能自養(yǎng)型微生物中，其ATP是通過氧化還原態(tài)無機物產(chǎn)生的，其NAD(P)H2是通過消耗ATP將無機氫（H++e）逆呼吸鏈傳遞產(chǎn)生的。NAD←→FP←→COQ←→Cyt.c.c1←→Cyt.a1←→

aa3→O2Cyt.bH2NO2-S2O3-Fe2+ATPA