微生物的產(chǎn)能代謝

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

光合作用與光合磷唆化

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(yíng)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?jī)?chǔ)存、轉(zhuǎn)換和利用主要依賴于氧化還原反應(yīng)。

化學(xué)上，物質(zhì)加氧、脫氯、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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解代謝釋放的能量，?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(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(yíng)養(yǎng)物)中的

化學(xué)能，二是光能。

微生物產(chǎn)能代謝具有豐甫的多樣性，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(yíng)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

levelphosphorylation)、氧化磷酸化(oxidationphosphorylation)也稱電子轉(zhuǎn)移磷酸化(electron

transferphosphorylation)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)過程司機(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立能代謝中，起捕獲、貯存和運(yùn)載能量作用的重要分子是腺嗓吟核甘三磷

酸，簡(jiǎn)稱腺昔三磷酸（adenosinetriphosphate,即ATP）。ATP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。

P

O

（高能?依W）

圖4-1腺喋嶺核甘三磷酸（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(duì)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)?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(yíng)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分了遠(yuǎn)端的g-磷酸基團(tuán)水解成為無機(jī)磷酸分了，ATP分了失掉

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ATP0ATP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(zhǎng)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）、UTPi尿昔

三磷酸）以及CTP（胞甘三磷酸）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

煙酰胺腺喋吟二核甘酸（nicotinamidcadcnincdinuclcotidc,NAD+,輔酶I）和煙酰胺腺喋吟

二核昔酸磷酸（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（仁各種施促氧化-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(jiǎn)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-酣酸中間物脫撥、醛的氧化、雙鍵的還原和碳-氮鍵的

氧化（如二氫葉酸還原的）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

物上脫卜.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噪吟

二核甘酸（FAD）或黃素的核甘酸（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(duì)DNA的復(fù)制有重要作用，為形成3；外磷

酸二酯鍵提供所需要的能量.可見輔酶I與輔酶H在細(xì)胞物質(zhì)與能量代謝中起著不可替代的重要作

用。

煙釀膿饌麻核

（X.化型）（還”3!）

a

v

N

.

?

本

岑

I&I

V

I1

窿

隈

簟

圖4—2煙酰胺輔酹的結(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

黃素單核昔酸（flavinmononucleotide,FMN）和黃素腺嚓吟二核甘酸（flavinadenine

dinuclcotidc,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的的輔基，因此也稱為黃素輔陶，其分子結(jié)構(gòu)見圖4-3o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,

w

型

MIw

lll

r-l

S1?￡

M:

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

很容易被分了?氧重新氧化。黃家鋪醐可以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

黃素輔能為黃色，Imax為450nm,通過1個(gè)電子轉(zhuǎn)移，可將完全氧化型的黃索輔酎轉(zhuǎn)變成半醒

（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酶（見圖4-4）。

氣化型

FAD或FMN

2—750nm

（黃色）

羋■熨

FADH或FMNH

A^-570nm

（筮色）

還原型

FADH2或FMNH2

（無色）

注rFADat.FMNR不E.見分子結(jié)構(gòu)國(guó).

圖4-4FAD和FMN的氧化還原型

黃素輔麻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。

(一)微生物中自葡萄糖形成丙酮酸的糖醇解

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I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I分子ATPo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的。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，放一般稱為準(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-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)化為1.3-二磷酸油甘酸；同

時(shí)，NAD+接受氫(2e+2H+)被還原生成NADH20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)磷酸健為高能瞬酸鍵，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

磷酸烯醇式丙胴酸轉(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。

階段IJATPADPATPADP

消耗ATP

淮缶階段GG6P必，F(xiàn)6PF1.6PPh兒帆破依

P：。醒基(■植貓團(tuán))

階段II，生成ATBDHAPf

2)2NAD*

注：圖中

(1)己”讖，2NADH

2GI?3P

(2)勺酸葡出需耳種?2ADP

(3)編破*皓用前

(7)

(4)群埔的

(5)或械因皓異構(gòu)陸2G3P2ATP

(6)?供甘油?睨N91

(--收甘油??彩

(8)??甘油酸變位例

(9)端坪化■2G2P

(10＞再咫及做JW

(11)肌?脫氧解

(12)內(nèi)■除限咬BI2EPP

(13)乙?guī)熋撗踅?/p>

Z2ADP

(14)年匐熟W傕(10)(

(15)甲酸氫解制X2ATP

階段UL生成發(fā)群產(chǎn)物2Pyr

與再生NAD*

NADH

NACK7

乳酸乙格+CO2

NADHf15)

注：國(guó)中

G:??弟(*：?苔MY-的段H6P：果?-6-堿?FL6Pl累管-1,6-二,限

IWAP:二速K■一眼GA9P：甘油8f-3-?i?GL3P；1.3-二，由曾注候

G3P：3■隆激M油酸C2P：2-。酸甘油酸EPP：?酸蝎導(dǎo)式內(nèi)陰酸Py—內(nèi)刪般

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分子前萄糖為起始底物，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)?，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

群放電子的氧化反應(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，在保證輸萄糖供給的條件下，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，以輒作為受氫體。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II步反應(yīng))。乂如在酵母細(xì)胞中，丙酮酸經(jīng)脫竣生成乙醛與CO2后，

在NADH2參與下，乙醛作為受氫體被還原生成乙醉和氧化態(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昂:代謝，極為重要的是圖4-5中的第三階段，即丙酶酸后

的發(fā)酵。沒有丙酮酸后的發(fā)醉，細(xì)胞在無氧條件卜.難于持續(xù)獲得生長(zhǎng)與代謝需要的能量，此即發(fā)醉產(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(E.coli)；以及專性好氧細(xì)菌等。

EMP途徑及隨后的發(fā)醉，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-璘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(jiǎn)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4-6o

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、氧化脫粉生成5-磷酸核酮糖

和二氧化碳。即圖4-6中⑴?(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-談酸葡萄糖酸脫拔開始降解的，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)酮酷和轉(zhuǎn)醛酶。

轉(zhuǎn)酮酶催化卜.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-磷酸赤碎糖3-磷酸甘油醛+6-磷酸果糖

轉(zhuǎn)醛的催化下面一步反應(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

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

④HMP途徑中的的系定位于細(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I分子3-磷酸甘油修，3

分子C02和6分子NADPH2。

6x前的館

eHATP

46ADP

物6-硫酸肺萄鋪

L-8NADP

?卜6NADPH,

物6-研酸菊產(chǎn)博睢內(nèi)南

J6Hq

6X6-R險(xiǎn)翔藥糖酸

『6NAOP

(13)＜4）卜6NADPH1

卜*682

8x5-磷隆核配*

2X5-硝酸核銷—^^^2x5-0*本網(wǎng)情

_X7》

2X3-磷酸甘油廨=0=2x7-磷酸景天庚曰幄

JL（8）

-------?袋6-罅酸果精—＞^2X4?磷限赤琳福

（12）廣2X

1.6-二硝酸果德

）

璘陵二經(jīng)丙府"2X3■由酸甘油鹿2x5-硝酸木制錯(cuò)

注，

（1）己植激典〈2坨-硫酸葡萄餡脫淑陶（3）內(nèi)曲陶（4）6-硝酸鮑荀鈉酸脫黑陶

（5＞項(xiàng)酸核鑲弁構(gòu)屏（6）硝眼核陽檐拄向異構(gòu)酶若叫解〈8）轉(zhuǎn)髓部,9〉即7〉

內(nèi)錮異構(gòu)/《“）底緡酹＜12＞硝酸果腦海：整《13＞研酸葡癡明異構(gòu)鹿

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-磷酸核糖可以合成嗯吟、嗜咤核甘酸，進(jìn)?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-磷酸赤癬楣是合

成芳香族氨基酸的前體。

②HMP途徑中的5-璘酸核酮糖可以轉(zhuǎn)化為1,5-二磷酸核酮糖，在按化酶催化下固定二

氧化碳，這對(duì)于光能自養(yǎng)菌利化能自養(yǎng)菌具有重要意義。

③為生物合成提供還原力（NADPH2）o

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)&磷酸葡葡糖分子經(jīng)HMP途徑，再生5個(gè)&磷

酸葡萄糖分子，產(chǎn)生6分子CO2和Pi,并產(chǎn)生）2個(gè)NADPH2，這12個(gè)NADPH2如經(jīng)呼

吸鏈氧化產(chǎn)能，最終可得到36個(gè)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(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-Doucoroffpathway）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，后在脫水施和醛縮施的作用下，

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)入EMP途徑轉(zhuǎn)變成丙陽酸。

I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

NADH2oED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1molATP,從產(chǎn)能效率言，ED途徑不如EMP途徑。

與EMP造核

6PG與HMP連接

%。-16PG脫水修

KDPG

JF時(shí)，TCA連接

(如Pteudomonasapp)

GAP

'、J無■時(shí)行清氣發(fā)彈

?(IDZymomonasspp)

2ATP；

NADH*H

、、、、EMP途徑.J

注.——一

G；■,抬4-MKVWWF6P：6一■酸果■

KDPG：2IR3-6?ttWWK

GAP：3--發(fā)W1油酸Pyrt丙?酸

6PG：

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

途徑EMPHMPED

TK(HIWM)KDTGA

特征酹

(1,6-二硝酸果艙網(wǎng)魅隨)TA(WiKM)(KDPGfi￥?IW)

首先脫核都位GG.G

產(chǎn)生A1P數(shù)目

，Ca-ry-\211

還獨(dú)輛解NADHNATFHNAWH(NADH)

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(Pseudomonas

saccharophila),銅綠假單細(xì)胞(Ps.aeruginosa),熒光假單胞菌(P.v.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?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、HMP、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-

1Z9

產(chǎn)脫假絲酵母66-81.

19-34

灰色鏈霉菌97-

產(chǎn)黃青霉77-

Zo

大腸桿菌72-

JoUn

藤黃八登球菌70-

zo

枯草桿菌74-

zy

銅綠假單胞菌-71

i1UnnU

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

前途徑。根據(jù)磷酸解酮施的不同，把具有磷酸戊糖解酮梅的叫PK途徑，把具有璘酸已糖解酮酶的

叫IIK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C02(圖4-8)。

D■演箱L?■拉伯?

卜A1PI

D-木第?L-鐵陽?

AEP

|<ATP

5-碉融修?簿v5?■本■■L-S-SIVtfMff

Pi一?S?應(yīng)??修■

乙餐*假金?甘浦?

乙?

圖4-8磷酸戊糖解酮前(PK)途徑

而兩歧雙歧桿菌(Bifidobacteriinnbijidum)則是利用磷酸已糖解酮的途徑分解葡萄糖產(chǎn)生乙限

和乳酸的，見圖4-9磷酸已糖解酮酶HK途徑。

2面?S

圖4-9磷酸已糖解酮梅HK途徑

5.Stickland反應(yīng)

上述4條途徑均是以楣類為起始底物的代謝途徑。而早在1934年，L.H.Stickland發(fā)現(xiàn)，某

些厭氧梭菌如生泡梭菌(Cbstridiumsporogenes)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(duì)較低。在Stickland反應(yīng)中，作為供氫體的有多種氮基酸，如丙氨酸、亮氨酸、異亮氣酸、

緞亞酸、組疑酸、采丙氨酸、絲叁酸和色叁酸等，作為受氫體的主要有甘氨酸、腑級(jí)酸、羥脯氨酸、

色氨酸和精氨酸等。€7小"/加〃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4-10o

CHtCOOH（乙酸）2CHW'OOH（乙酸）

dlfft：丙*2Itn*+2>I2O+1ADP-31?*~*?3乙|?+CO2+3NH$+3A1P

圖4-10Closiridiumsporogenes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)醉是指微生物在有氧或無氧條件下利

用營(yíng)養(yǎng)物生長(zhǎng)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)醉。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氟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)醉過程中，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，葡萄犍是發(fā)醉最為常用的底物，另有有機(jī)酸、藥;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。酵母菌將丙酮酸脫按形成乙醛，再由乙醛

還原形成乙醉?！杆峄【鷮?Butyrivibrio)、真桿菌屬(Eubacleriiun)和峻狀芽泡桿菌屬

(Clostridium)的一些種如丁酸瘦菌(C.butyricum)、克氏拔菌(C.Hiiyveri)等，通過將丙酮限

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-丁二醇、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(yíng)養(yǎng)

物質(zhì)中糅放的化學(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

ADP-ATP

底物-°P°3H2不匕贏小I.產(chǎn)物

圖4-11底物水平磷酸化生成ATP的反應(yīng)

在上述發(fā)醉過程中，形成的富能中間產(chǎn)物如磷酸烯醉式百酮酸、乙酰CoA等?；愇铮ㄟ^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)?-磷峻甘油酸以及磷酸烯醉式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

丙酮酸的過程中，均通過底物水平磷酸化分別產(chǎn)生1分子ATPo在三叛酸循環(huán)中(圖4-13),

琥珀酰輔酣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，后丙酮酸脫陵生

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)醉類型

稱為酵母的I型發(fā)酵。

在酒精工業(yè)上，就是利用配酒酵母(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。限酒酵母細(xì)胞從細(xì)胞外每輸入1分子葡萄穗，在無

氧條件下，經(jīng)EMP途徑及隨后的反應(yīng)，最終生成2分子乙釀與2分子的CO2,并將乙醇與CO

2從胞內(nèi)排出至胞外發(fā)酵液中。在釀酒醉母細(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?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LT油，a-磷酸LI?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(zhǎng)與代謝，致使甘油發(fā)酵效率低。在要求酵母生長(zhǎng)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醇。

III型發(fā)酵：葡萄糖經(jīng)EMP途徑生成丙酮酸，后脫陵生成乙醛，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(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

原成乙醉，另I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)醉產(chǎn)能較少，一般在非生長(zhǎng)情況下才能進(jìn)行。

許多細(xì)菌能利用葡萄糖比生乳酸，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)醛也有兩種

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H2O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等電子我體是呼吸鏈電子傳遞的參與者。因此，它們?cè)诤粑a(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(aerobicrespirat沁n),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(anoxicrespiralion)。

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ATPo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、氨基酸和許多醉類等等。

1、呼吸鏈與氧化磷酸化

呼吸徒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FADH2到02的傳遞所經(jīng)過的途徑稱為呼吸鏈(respiratorych