微生物的能量代謝

能量代謝的中心任務是生物體如何把外界環境中多種形式的最初能源轉換成對一切生命活動都能使用的通用能源—— ATP 。對微生物來說，它們可利用的最初能源有三大類即：有機物、日光和還原態無機物。

一、異養微生物的生物氧化

生物氧化是發生在活細胞內的一係列產能性氧反應的總稱。生物氧化的形式包括某物質與氧結合、脫氫或失去電子；生物氧化的過程可分為脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）三個階段；生物氧化的功能則有產能、產還原力和產小分子中間代謝物三種。異養微生物氧化有機物的方式，根據氧化還原反應中電子受體的不同可分成發酵和呼吸兩種類型，而呼吸以可分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種方式。

1 ．發酵

    發酵是指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完成氧化的某種中間產物，同時釋放能量並產生各種不同的代謝產物。在發酵條件下有機化合物隻是部分地被氧化，因此隻釋放出一小部分的能量。發酵過程的氧化是與有機物的還原偶聯在一起的。被還原的有機物來自於初始發酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。

    發酵的種類有很多，可發酵的底物有糖類、有機酸、氨基酸等，其中以微生物發酵葡萄糖最為重要。生物體內葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解，主要分為四種途徑： EMP 、 HMP 、 ED 、磷酸解酮酶途徑。

2 . EMP 途徑

    整個 EMP 途徑大致可分為兩個階段。第一階段可認為是不涉及氧化還原反應及能量釋放的準備階段，隻是生成兩分子的主要中間代謝產物：甘油醛 -3- 磷酸。第二個階段發生氧化還原反應，合成 ATP 並形成兩分子的丙酮酸。在糖酵解過程中，有兩分子 ATP 用於糖的磷酸化，但合成出四個分子的 ATP ，因此每氧化一個分子的葡萄糖淨得兩個 ATP 。

    在兩分子的 1 ， 3- 二磷酯甘油酸的合成過程中，兩分子 NAD + 被還成為 NADH 。然而，細胞中的 NAD + 供應是有限的，假如所有的 NAD + 都轉化為 NADH ，葡萄糖的氧化就得停止。因為甘油 -3- 磷酸的氧化反應隻有在 NAD + 存在時才能進行。這一路徑可以通過將丙酮酸還原，使 NADH 氧化重新成為 NAD + 而得以克服。例如在酵母細胞中丙酮酸被還原成為乙醇，並伴有 CO₂ 的釋放。而在乳酸菌細胞中，丙酮酸被還原成乳酸。對於原核生物細胞，丙酮酸的還原途徑是多樣的，但有點是一致的： NADH 必須重新被還原成 NAD + ，使得酵解過程中的產能反應得以進行。

    EMP 途徑可為微生物的生理活動提供 ATP 和 NADH ，其中間產物又可為微生物的合成代謝提供碳骨架，並在一定的條件下可逆轉合成多糖。

3 . HMP

    HMP 途徑是從葡萄糖 -6- 磷酸開始的， HMP 途徑的一個循環的最終結果是一分子葡萄糖 -6- 磷酸轉變成一分子甘油醛 -3- 磷酸，三分子 CO₂ 和六分子 NADPH 。一般認為 HMP 途徑合成不是產能途徑，而是為生物合成提供大量的還原力（ NADPH ）和中間代謝產物。如核酮糖 -5- 磷酸是合成核酸，某些輔酶及組氨酸的原料。另外 HMP 途徑中產生的核酮糖 -5- 磷酸，還可以轉化為核酮糖 -1 ， 5- 二磷酸，在羧化酶作用下固定 CO₂ ，對於光能自養菌、化通自養菌具有重要意義。雖然這條途徑中產生的 NADPH 可經呼吸鏈氧化產能， 1 摩爾葡萄糖經 HMP 途徑最終可得到 35 摩爾 ATP ，但這不是代謝中的主要方式。因此，不能把 HMP 途徑看作是產生 ATP 的有效機製。大多數好氧和兼性厭氧微生物中都有 HMP 途徑，而且在同一微生物中往往同時存在 EMP 和 HMP 途徑，單獨具有 EMP 和 HMP 途徑的微生物較少見。

4 . ED 途徑

ED 途徑是在研究嗜糖假單胞菌時發現的，在 ED 途徑中，葡萄糖 -6- 磷酸首先脫氫產生葡萄糖酸 -6- 磷酸，接著在脫水酶和醛縮酶的作用下，產生一個分子甘油醛 -3- 磷酸和一個分子丙酮酸。然後甘油醛 -3- 磷酸進入 EMP 途徑轉變成丙酮酸。一分子葡萄糖經 ED 途徑最後生成兩分子丙酮酸、一分子 ATP 、一分子 NADPH 和 NADH 。 ED 途徑在革蘭代陰性菌中分布廣泛，特別是假單胞菌和固氮的某些菌株較多存在。 ED 途徑可不依賴於 EMP 和 HMP 途徑而單獨存在，但對於靠底物水平磷酸化獲得 ATP 的厭氧菌而言， ED 途徑不如 EMP 途徑。

 5 . 磷酸解酮酶途徑

磷酸解酮酶途徑是明串珠菌在進行異型乳酸發酵過程中分解已糖和戊糖的途徑。該途徑的特征性酶是磷酸解酮酶，根據解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的稱為 PK 途徑，把具有磷酸已糖解酮酶的稱為 HK 途徑。在糖酵解過程中生成的丙酮酸可被進一步代謝。在無氧條件下，不同的微生物分解丙酮酸後會積累不同的代謝產物。目前發現多種微生物可以發酵葡萄糖產生乙醇，能進行乙醇發酵的微生物包括酵母菌、根黴、曲黴和某些細菌。根據在不同條件下代謝產物的不同，可將酵母菌利用葡萄糖進行的發酵分為三種類型：如果以乙醛（丙酮酸脫羧）為受體生成乙醇，這種發酵稱為酵母的一型發酵；當環境中存在亞硫酸氫鈉時，不能以乙醛作為受體，而以磷酸二羥丙酮作為受體時，產物為甘油，稱為酵母的二型發酵；在弱堿性條件下（ PH7.6 ），乙醛因得不到足夠的氫而積累，兩個乙醛分子間會發生歧化反應，一個作為還原劑形成乙酸，一個作為氧化劑形成乙醇，受體為磷酸二羥丙酮，發酵產物為甘油、乙醇和乙酸，稱為酵母的三型發酵。這種發酵方式不產生能量，隻能在非生長的情況下進行。不同的細菌進行乙醇發酵時，其發酵途徑也各不相同。如厭氧發酵單胞菌是利用 ED 途徑分解葡萄糖為丙酮酸，最後得到乙醇。腸杆菌則是利用 EMP 途徑來進行乙醇發酵。

許多細菌能利用葡萄糖產生乳酸，這類細菌稱為乳酸細菌。根據產物的不同，乳酸發酵有三種類型：同型乳酸發酵（利用 EMP 途徑產物隻有乳酸）、異型乳酸發酵（利用 PK 乳酸及部分乙醇或乙酸）和雙歧發酵（利用雙歧雙歧杆菌發酵葡萄糖產生乳酸的一條途徑）。

2 呼吸作用

    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，再經電子傳遞係統傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產物並釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。其中以分子氧作為最張終電子受體的稱為有氧呼吸，以氧化型化合物作為最終電子受體的稱為無氧呼吸。呼吸作用與發酵作用的根本區別在於：電子載體不是將電子直接傳遞給給底物降解的中間產物，而交給電子傳遞係統，逐步釋放出能量後再將取終電子受體。

3 有氧呼吸

    在發酵過程中，葡萄糖經過糖酵解作用形成的丙酮酸在厭氧化條件下轉變成不同的發酵產物，而在有氧呼吸過程中，丙酮酸進入三羧酸循環（ TCA ）被徹底氧化成水和 CO₂ ，同時釋放出大量能量。

    在 TCA 循環過程中，丙酮酸完全氧化為三個分子的 CO₂ ，同時生成四分子的 NADH 和一分子 FADH 2 。 NADH 和 FADH 2 可以電子傳遞係統重新被氧化，由此每一氧化一分子 NADH 可生成三個分子 ATP ，每氧化一分子 FADH 2 可生成兩分子 ATP 。另外琥珀酰輔酶 A 在氧化成延胡索酸時，包含著底物水平磷酸化作用，由此產生一分子 GTP ，隨後 GTP 轉化 ATP 。因此每一次 TCA 循環可生成 15 分子 ATP 。此外在糖酵解過程中產生的兩分子 NADH 可經電子傳遞鏈係統重新被氧化，產生 6 分子 ATP 。在葡萄糖轉變為兩個分子丙酮酸時還可借底物水平磷酸化生成兩分子 ATP 。因些需氧微生物在完全氧化葡萄糖的過程中總共可得到 38 分子的 ATP 。

     在糖酵解和三羧酸循環過程中形成的 NADH 和 FADH 2 通過電子傳遞係統被氧化，最終形成 ATP 為微生物的生命活動提供能量。電子傳遞係統是由一係列氫和電子傳遞體組成的多酶氧化還原體係。 NADH 、 FADH 2 以及其他還原型載體上的氫原子，以質子和電子的形式在其上進行定向傳遞；其組成酶係是定向有序的，又是不對稱的地排列在原核微生物的細胞質膜上或是在真核微生物的線粒體內膜上。這些係統具有兩種功能：一是從電子供體接受電子並將電子傳遞給電子受體；二是通過合成 ATP 把在電子傳遞過程中釋放的一部分能量保存起來。電子傳遞係統中的氧化還原酶包括： NADH 脫氫酶、黃素蛋白、鐵硫蛋白、細胞色素、醌及其化合物。

(2) 無氧呼吸

    某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸。無氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是像 NO^3- 、 NO^2- 、 SO₄^2- 、 S₂O₃^2- 、 CO₂ 等這類外源受體。無氧呼吸也需要細胞色素等電子傳遞體。並在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產生較多的能量用於生命活動。但由於部分能量隨電子轉移給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產生的多。在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作為呼吸作用的最終電子受體時，可以磷酸鹽代替，其結果生成磷化氫，一種易燃氣體。在夜晚，氣體燃燒會發出綠幽幽的光。

二、自養微生物的生物氧化和 CO₂ 的固定

一些微生物可以從氧化無機物獲得能量，同化合成細胞物質，這類細菌稱為化能自養微生物。它們在無機能源氧化過程中通過氧化磷酸化產生 ATP 。

（一）自養微生物的生物氧化

1 ．氨的氧化

    NH₃ 同亞硝酸 (NO^{2 -} ) 是可以用作能源的最普通的無機氮化合物，能被硝化細菌所氧化，硝化細菌可分為兩個亞群：亞硝化細菌和硝化細菌。氨氧化為硝酸的過程可分為兩個階段，先由亞硝化細菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細菌將亞硝酸氧化為硝酸。由氨氧化為硝酸是通過這兩類細菌依次進行的。硝化細菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性細菌，以分子氧為最終電子受體，且大多數是專性無機營養型。它們的細胞都具有複雜的膜內褶結構，這有利於增加細胞的代謝能力。硝化細菌無芽抱，多數為二分裂殖，生長緩慢，平均代時在 l0h 以上，分布非常廣泛。

2 ．硫的氧化

    硫杆菌能夠利用一種或多種還原態或部分還原態的硫化合物 ( 包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽 ) 作能源。 H ₂ S 首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細胞色素係統氧化成亞硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中可以偶聯產生四個 ATP 。亞硫酸鹽的氧化可分為兩條途徑，—是直接氧化成 SO₄^2- 的途徑，由亞硫酸鹽 -- 細胞色素 c 還原酶和末端細胞色素係統催化，產生一個 ATP ；二是經磷酸腺苷硫酸的氧化的途徑，每氧化一分子 SO₄^2- 產生動 5 個 ATP 。

3 ．鐵的氧化

    從亞鐵到高鐵狀態的鐵的氧化，對於少數細菌來說也是一種產能反應，但從這種氧化中隻有少量的能量可以被利用。在低 pH 環境中這種菌能利用亞鐵氧化時放出的能量生長。在該菌的呼吸鏈中發現了—種含銅蛋白質，它與幾種細胞色素 c 和一種細胞色素 a 1 氧化酶構成電子傳遞鏈。在電子傳遞到氧的過程中細胞質內有質子消耗，從而驅動用 ATP 的合成。

4 ．氫的氧化

    氫細菌都是—些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養茵。它們能利用分子氫氧化產生的能量同化 CO 2 ，也能利用其他有機物生長。氫細菌的細胞膜上有泛醌、維生素 K 2 及細胞色素等呼吸鏈組分。在該菌中，電子直接從氫傳遞給電子傳遞係統，電子在呼吸鏈傳遞過程中產生了 ATP 。在多數氫細菌中有兩種與氫的氧化有關的酶。—種是位於壁膜間隙或結合在細胞質膜上的不需 NAD + 的顆粒狀氧化酶，它能夠催化以下反應：

H2 → 2H + 十 2e -

    該酶在氧化氫並通過電子傳遞係統傳遞電子的過程中，可驅動質子的跨膜運輸，形成跨膜質子梯度為 ATP 的合成提供動力；另—種是可溶性氫化酶，它能催化氫的氧化，而使 NAD + 還原的反應。所生成的 NADH 主要用於 CO 2 的還原。

（二） CO 2 的固定

    CO 2 是自養微生物的唯一碳源，異養微生物也能利用 CO 2 作為輔助的碳源。將空氣中的 CO 2 同化成細胞物質的過程，稱為 CO 2 的固定作用。微生物有兩種同化 CO 2 的方式，一類是自養式，另一類為異養式。在自養式中， CO 2 加在一個特殊的受體上，經過循環反應，使之合成糖並重新生成該受體。在異養式中， CO 2 被固定在某種有機酸上。因此異養微生物即使能同化 C02 ，最終卻必須靠吸收有機碳化合物生存。

    自養微生物同化 CO 2 所需要的能量來自光能或無機物氧化所得的化學能，固定 CO 2 的途徑主要有以下三條：

1 ．卡爾文循環 (Calvin cycle)

    這個途徑存在於所有化能自養微生物和大部分光合細菌中。經卡爾文循環同化 CO 2 的途徑可劃分為三個階段見圖： CO 2 的固定；被固定的 CO 2 的還原； CO 2 受體的再生。卡爾文循環每循環一次，可將六分子 CO 2 同化成一分子葡萄糖，其總反應式為：

6CO 2 +18ATP+12NAD(P)H — C 6 H 12 O 6 +18ADP+12NAD(P) + +18Pi

2 ．還原性三竣酸循環固定 CO 2

    這個途徑見圖是在光合細菌、綠琉細菌中發現的。還原羧酸環的第—步反應是將乙酰 CoA 還原羧化為丙酮酸，後者在丙酮酸羧化酶的催化下生成磷酸烯醇式丙酮酸，隨即被羧化為草酰乙酸，草酰乙酸經一係列反應轉化為琥珀酰 CoA ，再被還原羧化為 а - 酮戊二酸。 а - 酮 戊二酸轉化為檸檬酸後，裂解成乙酸和草酰乙酸。乙酸經乙酰 -CoA ，從而合成酶催化生成乙酰 CoA ，從而完成循環反應。每循環—次，可固定四分子 CO 2 ，合成一分子草酰乙酸，消耗三分子 ATP 、兩分子 NAD(P)H 和—分子 FADH 2 。

3 ．還原的單羧酸環

    這個體係與還原羧酸循環不同，不需要 ATP ，隻要有 Fd(red) 就可運轉。 Fd(red) 由 H 2 或 NADH 2 提供電子生成。光合細菌也有可能利用這個體係把 CO 2 換成乙酸。

三、能量轉換

    在產能代謝過程中，微生物通過底物水平磷酸化和氧化磷酸化將某種物質氧化而釋放的能量儲存於 ATP 高能分子中，對光全微生物而言，則可通過光合磷酸化將光能轉變為化學能儲存於 ATP 中。

    1 ．底物水平磷酸化

    物質在生物氧化過程中，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 ATP 或 GTP 的合成，這種產生 ATP 等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在於發酵過程中，也存在於呼吸作用過程中。例如，在 EMP 途徑中 1 ， 3 —二磷酸甘油酸轉變為 3 —磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸轉變為丙酮酸的過程中都分別偶聯著—分子 ATP 的形成；在三磷酸循環過程中，琥珀酰輔酶 A 轉變為琥珀酸時偶聯著—分子 ATP 的形成。

2 ．氧化磷酸化

    物質在生物氧化過程中形成的 NADH 和 FADH 2 可通過位於線粒體內膜和細菌質膜上的電子傳遞係統將電子傳遞給氧或其他氧化型物質，在這個過程中偶聯著 ATP 的合成，這種產生 ATP 的方式稱為氧化磷酸化。一分子 NADH 和 FAD H 2 可分別產生 3 個和 2 個 ATP 。

3 ．光合磷酸化

    光合作用是自然界一個極其重要的生物學過程，其實質是通過光合磷酸化將光能轉變成化學能，以用於從 CO 2 合成細胞物質。行光合作用的生物體除了綠色植物外，還包括光合微生物，如藻類、藍細菌和光合細菌 ( 包括紫色細菌、綠色細菌、嗜鹽菌等 ) 。它們利用光能維持生命，同時也為其他生物 ( 如動物和異養微生物 ) 提供了賴以生存的有機物。

(1) 光合色素

    光合色素是光合生物所特有的色素，是將光能轉化為化學能的關鍵物質。共分三類：葉綠素 (chl) 或細菌葉綠素 (Bchl) ，類胡蘿卜素和藻膽素。除光合細菌外，葉綠素 a 普遍存在於光合生物中，葉綠素 a 、 b 共同存在於高等植物、綠藻和藍綠細菌中，葉綠素 c 存在於褐藻和矽藻中，葉綠素 d 存在於紅藻中，葉綠素 e 存在於金黃藻中，褐藻和紅藻也含有葉綠素 a 。細菌葉綠素具有和高等植物中的葉綠素相類似的化學結構，兩者的區別在於側鏈基團的不同，以及由此而導致的光吸收特性的差異。此外，葉綠素和細菌葉綠素的吸收光譜在不同的細胞中也有差異。

    所有光合生物都有類胡蘿卜素。類胡蘿卜素雖然不直接參加光合反應，但它們有捕獲光能的作用，能把吸收的光能高效地傳給細菌葉綠素 ( 或葉綠素 ) 。而且這種光能同葉綠素 ( 或細菌葉綠素 ) 直接捕捉到的光能一樣被用來進行光合磷酸化作用。此外胡蘿卜素還有兩個作用：一是可以作為葉綠素所催化的光氧化反應的猝滅劑，以保護光合機構不受光氧化損傷，二是可能在細胞能量代謝方麵起輔助作用。

    藻膽素因具有類似膽汁的顏色而得名，其化學結構與葉綠素相似，都含有四個吡咯環，但藻膽素沒有長鏈植醇基，也沒有鎂原子，而且四個吡咯環是直鏈的。

(2) 光合單位

    以往將在光合作用過程中還原一分子 C0 2 所需的葉綠素分子數稱為光合單位。後來通過分析紫色細菌載色體的結構，獲得了對光合單位的進一步認識。光合色素分布於兩個“係統”，分別稱為“光合係統 I ”和“光合係統 II ”。每個係統即為一個光合單位。這兩個係統中的光合色素的成分和比例不同。一個光合單位由一個光捕獲複合體和一個反應中心複合體組成。光捕獲複合體含有菌綠素和類胡蘿卜素，它們吸收一個光子後，引起波長最長的菌綠素 (P870) 激活，從而傳給反應中心，激發態的 P870 可釋放出一個高能電子。

(3) 光合磷酸化

    光合磷酸化是指光能轉變為化學能的過程。當—個葉綠素分子吸收光量子時，葉綠素性質上即被激活，導致葉綠素 ( 或細菌葉綠素 ) 釋放一個電子而被氧化，釋放出的電子在電子傳遞係統中的傳遞過程中逐步釋放能量，這就是光合磷酸化的基本動力。

①環式光合磷酸化 光合細菌主要通過環式光合磷酸化作用產生 ATP ，這類細菌主要包括紫色硫細菌、綠色硫細菌、紫色非硫細菌和綠色非硫細菌。在光合細菌中，吸收光量子而被激活的細菌葉綠素釋放出高能電子，於是這個細菌葉綠素分子即帶有正電荷。所釋放出來的高能電子順序通過鐵氧還蛋白、輔酶 Q 、細胞色素 b 和 c ，再返回到帶正電荷的細菌葉綠素分子。在輔酶 Q 將電子傳遞給細胞色素 c 的過程中，造成了質子的跨膜移動，為 ATP 的合成提供了能量見圖。在這個電子循環傳遞過程中，光能轉變為化學能，故稱環式光合磷酸化。環式光合磷酸化可在厭氧條件下進行，產物隻有 ATP ，無 NADP(H) ，也不產生分子氧。

②非環式光合磷酸化 高等植物和藍細菌與光合細菌不同，它們可以裂解水，以提供細胞合成的還原能力。它們含有兩種類型的反應中心，連同天線色素、初級電子受體和供體一起構成了光合係統 I 和光合係統 II ，這兩個係統偶聯，進行非環式光合磷酸化見圖。在光合係統 I 中，葉綠素分子 P 700 吸收光子後被激活，釋放出—個高能電子。這個高能電子傳遞給鐵氧還蛋白 (Fd) ，並使之被還原。還原的鐵氧還蛋白在 Fd ： NADP + 還原酶的作用下，將 NADP + 還原為 NADPH 。用以還原 P 700 的電子來源於光合係統 II 。在光合係統 II 中，葉綠素分子 P 680 吸收光子後，釋放出一個高能電子。後者先傳遞給輔酶 Q ，再傳給光合係統 I ，使 P 700 還原。失去電子的 P 680 ，靠水的光解產生的電子來補充。高能電子從輔酶 Q 到光合係統 I 的過程中，可推動 ATP 的合成。非環式光合磷酸化的反應式為：

2NADP + + 2ADP + 2Pi + 2H 2 O → 2NADPH + 2H + + 2ATP + O 2

    有些光合細菌雖然隻有一個光合係統，但也以非環式光合磷酸化的方式合成 ATP ，如綠硫細菌和綠色細菌。從光反應中心釋放出的高能電子經鐵硫蛋白、鐵氧還蛋白、黃素蛋白，最後用於還原 NAD + 生成 NADH 。反應中心的還原依靠外源電子供體，如 S 2- 、 S 2 O 3 2- 等。外源電子供體在氧化過程中放出電子，經電子傳遞係統傳給失去了電子的光合色素，使其還原，同時偶聯 ATP 的生成。由於這個電了傳遞途徑也沒有形成環式，故也稱為非環式光合磷酸化。