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）簡稱代謝，是指發(fā)生在活細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 分解代謝是指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力（或稱還原當量，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，由簡單小

3、分子、ATP形式的能量和H形式的還原力一起合成復雜的大分子的過程。分解代謝與合成代謝的含義及其間的關系可簡單地表示為： 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，不同的生物間又存在著明顯的特殊性。有關統(tǒng)一性的問題主要在普通生物化學課程中討論，這里由于篇幅和重點的關系，在簡要地概括微生物能量代謝及其在微生物生命活動中的功能外，將更多地討論有關微生物代謝的特殊性問題。 第一節(jié) 微生物的能量代謝 因為一切生命活動都是耗能反應(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，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)換成對一切生命活動(hu dng)都能使用的通用能源ATP*。對微生物來說，它們(t men)可利用的最初能源不外乎有機物、日光和還原態(tài)無機物三大類，因此，研究其能量代謝的機制實質(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)生在活細胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應的總稱。生物氧化與非生物氧化即燃燒有著若干相同點和不同點，相同點是它們的總效應都是通過有機物的氧化反應而釋放出其中的化學潛能，不同點有很多，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)）脫氫的三個階段以及(yj)各階段的類型和細節(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。 （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步反應而產(chǎn)生2分子丙酮酸和2分子ATP的過程。在其總反應中，可概括成兩個階段（耗能和產(chǎn)能）、三種產(chǎn)物（NADHH+*、丙酮酸和ATP）和10個反應步驟。EMP途徑的簡式可見圖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途徑的總反應式為： C6H12O62NAD+2ADP2Pi2CH3COCOOH2NADH2H+2ATP2H2O有關EMP途徑的反應細節(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現(xiàn)這步反應。在酵母菌、真菌和許多假單胞菌等好氧細菌

8、中，通過需要Mg2+和ATP的己糖激酶來實現(xiàn)（此反應在細胞內(nèi)為不可逆反應）；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)）在葡萄糖進入細胞之時即完成了磷酸化。 （2）葡糖(p tn)-6-磷酸(ln sun)經(jīng)磷酸己糖異構酶異構成果糖-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途徑中的一個關鍵酶，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+，且在活細胞內(nèi)催化的反應是不可逆的。 （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，而且對葡糖異生作用（gluconeogenesis）即對由非碳水化合物前體逆向合成己糖的反應也很重要。另外，二羥丙酮磷酸在糖代謝和脂類代謝中還是一個重要的連接點，因為它可被還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酶的作用下轉(zhuǎn)化成甘油醛-3-磷酸。雖然在反應（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-磷酸后才能進一步代謝下去。因此，己糖分子至此實際上已生成了2分子甘油醛-3-磷酸。此后的代謝反應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。此反應中的酶是一種依賴NAD+的含硫醇酶，它能把無機磷酸結合到反應產(chǎn)物上。這一氧化反應由于產(chǎn)生一個高能磷酸化合物和一個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ATP。這是借底物水平磷酸化作用而產(chǎn)ATP的一個實例。 （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)脫水反應而產(chǎn)生含有一個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，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基團轉(zhuǎn)移到ADP上，產(chǎn)生了本途徑的第二個ATP，這是借底物水平磷酸化而產(chǎn)生ATP的又一個例子。 由上可知在無氧條件(tiojin)下，整個EMP途徑的產(chǎn)能效率(xio l)是很低的，即每一個葡萄糖分子僅凈產(chǎn)2個ATP，但其中產(chǎn)生的多種中間代謝物不僅可為合成反應提供(tgng)原材料，而且起著連接許多有關代謝途徑的作用。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途徑的總反應可用一簡圖表示（圖6-4）。 HMP途徑可概括成三個階段：葡萄糖分子通過幾步氧化反應產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO2；核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構化（isomerization）或表異構化（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一步代謝：其一為通過EMP途徑轉(zhuǎn)化成丙酮酸再進入TCA循環(huán)進行徹底氧化，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。以上三個階段的細節(jié)見圖6-5。 在圖6-5的反應(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（3）中，其凈效應為： 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，上述反應中產(chǎn)生的甘油醛-3-磷酸也可通過生成葡萄糖的反應重新合成葡糖-6-磷酸，因此，HMP途徑要進行一次周轉(zhuǎn)就需要6個葡糖-6-磷酸分子同時參與（詳細過程見圖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，當它們處在有氧條件下時，就不必再依賴于TCA循環(huán)以獲得產(chǎn)能所需的NADH2了。 （3）如果微生物對戊糖的需要超過HMP途徑的正常供應量時，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(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，當以硝酸鹽作為曲霉屬一些菌種的氮源時，有關HMP途徑酶的濃度要比長在其他氮源上時增高許多，這與硝酸鹽還原酶催化時需要大量NADPH2是一致的。又如，用放射呼吸測定技術（radiorespirometry）研究大腸桿菌對碳源（葡萄糖）的利用時，發(fā)現(xiàn)其中約有28是進入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)，接著許多學者證明它在細菌中廣泛存在。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)。其特點是葡萄糖只經(jīng)過4步反應即可快速獲得由EMP途徑須經(jīng)10步才能獲得的丙酮酸。ED途徑的總反應概貌和細節(jié)可見圖6-7和6-8。 在ED途徑中的關鍵(gunjin)反應是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，其特點是利用葡萄

18、糖的反應步驟簡單，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），反應中有一個6碳的關鍵中間代謝物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Zymomonasmobilis（運動發(fā)酵單胞菌）這類微好氧菌來說，可脫羧成乙醛，乙醛進一步被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，因此稱作細菌酒精發(fā)酵。 利用Z.mobilis等細

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：（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。當然，細菌酒精發(fā)酵也有其缺點，主要是其生長PH為5，較易染菌（而酵母菌為pH3），其次是細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，有關實例可見表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）代謝中起著關鍵性的作用。在真核微生物中，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；在原核生物例如細菌中，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合在膜上的。 三羧酸循環(huán)的主要反應產(chǎn)物見圖6-10。 從產(chǎn)能的角度來看，如果(rgu)把丙酮酸進入循環(huán)前的“入門(r mn)反應”（gatewaystep）所產(chǎn)生(chnshng)的NADH+H+也計入的話，則每個丙酮酸分子的徹底氧化可高效地產(chǎn)生15個ATP。有關三羧酸循環(huán)的反應細節(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（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)酵中應用的菌種一般為Aspergillusniger（黑曲霉），檸檬酸的產(chǎn)生(chnshng)機制見圖6-13。從理論(lln)上來計算，1分子葡萄糖只能產(chǎn)生2/3分子的檸檬酸，即相當于每100g葡萄糖產(chǎn)生71.1g檸檬酸，可是，生產(chǎn)實踐上卻常可獲得7587g檸檬酸。用同位素14CO2作實驗后證明，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，并簡要地介紹了它們在產(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，有關它們在產(chǎn)能效率方面的簡單比較可見表6-3。 （二）遞氫和受氫 在生物體中，貯存在葡萄糖等有機物中的化學能，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）等方式進行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結合，以釋放其化學潛能。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行，因此又稱有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸鏈是指位于原核生物細胞膜上或真核生物線粒體膜上的由一系列氧化還原勢不同的氫傳遞經(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的化合物處傳遞給高氧化還原勢的分子氧或其他無機、有機氧化物，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現(xiàn)它們在呼吸鏈中所執(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個氫離子（質(zhì)子）和2個電子，而變成還原態(tài)的NAD（P）H+H+。它們的結構和引起的氧

25、化還原反應見圖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，它們的活性基團是異咯嗪結構，其基本結構和遞氫功能見圖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)膜和革蘭氏陰性細菌的細胞膜上；而革蘭氏陽性細菌和某些革蘭氏陰性細菌則含甲基萘醌（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胞色素系統(tǒng)。泛醌的結構和功能見圖6-18。 （5）細胞(xbo)色素系統(tǒng) 細胞色素系統(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，同時將同等數(shù)

27、目的質(zhì)子推到線粒體膜（真核生物）或細胞膜（原核生物）外的溶液中。細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)的價電荷的變化而傳遞電子。細胞色素a3即細胞色素氧化酶，它是許多微生物的末端氧化酶，能催化4個電子還原氧的反應， O2+4Fe2+2O2-+4F3+ 從而把氧分子激活。有關細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，在同一個種生活在不同的環(huán)境條件（例如生長期、碳源、末端電子受體等）下時也會發(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）就提出了一個關于線粒體起源的內(nèi)共生學說。這一學說認為，由于早期的Pdenitrificans與其宿主細胞共生，而使前者成為后者細胞內(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)生物細胞膜上

29、的呼吸鏈有幾個主要差別（表6-4），尤其(yuq)是：（1）氧還載體(zit)的取代性強：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進入呼吸鏈的前端時有不同的分支外，主要是呼吸鏈后端細胞色素系統(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)的機制，目前仍在繼續(xù)研究中。至今能獲得多數(shù)學者接受的是1978年諾貝爾獎獲得者英國(yn u)學者PMitchell在1961年所提出的化學滲透學說（chemiosmotichypothesis）。該學說認為，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)側傳遞至外側，從而造成了質(zhì)子在膜的兩側分布的不均衡，亦即形成了質(zhì)子梯度差（H+，或稱質(zhì)子動勢、pH梯度等）。這個

31、梯度差就是產(chǎn)生ATP能量的來源，因為它可通過ATP酶的逆反應，把質(zhì)子從膜的外側再輸回到內(nèi)側，結果，一方面消除了質(zhì)子梯度差，同時就合成了ATP。化學滲透學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（ADP+PiATP）相偶聯(lián)，亦即只有3分子磷酸能參與有機磷化物ATP的合成。這種關系用數(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，動

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，由于琥珀酸脫氫酶的輔基是黃素蛋白，因此只能從FP水平進入呼吸鏈，故由2H只能獲得2個ATP，其P/O=2。 按化學滲透學說來看，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高水位的水源，ATP酶猶如一臺水輪發(fā)電機，ATP則是由該發(fā)電機產(chǎn)生的電流。現(xiàn)把質(zhì)子梯度差與ATP的相互關系及其在生命活動中的作用綜合在圖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氧化物（個別為有機氧化物）的生物氧化。這是一類在無

33、氧條件下進行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物（個別是有機物延胡索酸）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(hu dng)中具有兩種功能，其一是在有氧或無氧條件下所進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。 能進行硝酸鹽呼吸的都是一些兼性厭氧微生物即反硝化細菌，而專性厭氧微生物是無法進行硝酸鹽呼吸的。反硝化細菌都有其完整的呼吸系統(tǒng)。只有在無氧條件下，才能誘導出反硝化作用所需要的硝酸鹽還原酶A（結合在膜上）和亞硝酸還原酶。能進行硝酸鹽呼吸的細菌種類很多，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菌（或稱反硫化細菌）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(fnyng)產(chǎn)生的。 與硝酸鹽還原(hun yun)細菌不同的是，硫酸鹽還原細菌都是一些嚴格依賴于無氧環(huán)境的專性厭氧細菌，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）能進行硫呼吸。其過程為，無機硫作為無氧呼吸鏈的最終氫受體，結果硫被還原成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)乙酸細菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。有關它們的詳細內(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，都能進行延胡索酸呼吸。在無氧條件下培養(yǎng)它們時，如在培養(yǎng)基中加入延胡索酸，就會促使其快速生長并有較高的細胞得率，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，即： 發(fā)酵(f jio)的類

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

40、發(fā)酵；由Ecoli等進行的混合酸發(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所需的能量，而對人類的生產(chǎn)實踐來說，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)物還是鑒定菌種時的重要生化指標。例如，VP試驗（Vogos-Prouskauertest）就是利用Enterobacteraerogenes能產(chǎn)生3-羥基丁酮（乙酰甲基甲醇）的原理來設計的。 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、結在圖6-23中。 在以上的6條發(fā)酵途徑中，Clostridiumacetobutyricum所進行的丙酮丁醇發(fā)酵，是迄今為止由嚴格厭氧菌所進行的唯一能大規(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Leuconostocmesenteroids以葡萄糖為發(fā)酵底物時，所進行(jnxng)的總反應是： 而當其以核糖作發(fā)酵(f jio)底物時，所進行的總反應則是： 現(xiàn)把L.mesenteroides利用葡萄糖和核糖作底物而進行的異型乳酸發(fā)酵(f jio)總反應畫在圖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途徑進行(jnxng)的發(fā)酵 通過(tnggu)ED途徑的發(fā)酵就是指細菌的酒精發(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）的細菌酒精發(fā)酵和通過ED途徑的細菌酒精發(fā)酵。 與乳酸發(fā)酵相類似，因為葡萄糖通過EMP與ED途徑都可產(chǎn)生2個乙醇分子，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個葡萄糖分子會產(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途徑進行。 葡萄糖+2ADP+2Pi2乙醇+2CO2+2ATP 細菌的“同型酒精發(fā)酵”：由Zymomonasmobilis（運動發(fā)酵單胞菌）等通過ED途徑進行。 葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP 細菌的“異型酒精發(fā)酵”：由Leuconostocmesenteroides等通過HMP途徑進行。 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行14C標記，并測定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 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當作碳源、氮源和能源，經(jīng)深入研究后，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)能機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)能的獨特發(fā)

47、酵類型，稱為Stickland反應。Stickland反應的產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1個ATP。 在Stickland反應中，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)酵反應為例（圖6-28），來說明這種反應的生化機制。它們的總反應是： 除Clostridiumsporogenes外，還發(fā)現(xiàn)(fxin)C.botulinum（肉毒梭菌）和C.sticklandii（斯氏梭菌）等也能進行(jnxng)Stickland反應(fnyng)。

48、（5）發(fā)酵中的產(chǎn)能反應 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課程中有詳細的介紹，故這里僅介紹乙酰磷酸的形成及其產(chǎn)生ATP的反應。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、遞氫和受氫三個階段，其間經(jīng)過與磷酸化反應相偶聯(lián)，就可產(chǎn)生生命活動所需的通用能源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。不論是化能無機營養(yǎng)型還是光能無機營養(yǎng)型的微生物，在它們生命活動中最重要的反應就是把CO2先還原成CH2O水平的簡單有機物，然后(rnhu)再進一步合成復雜的細胞成分。這是一個大量耗能和耗還原力H的過程。在化能無機營養(yǎng)型微生物中，其所需能量ATP是通過還原態(tài)無機物經(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是通過氧化無機底物（NH4+、NO2-、H2S、S0、H2和Fe2+等）來實現(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，因此，絕大多數(shù)化能自養(yǎng)菌是好氧菌。即使少數(shù)可進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）當其生長在含無機硫化物環(huán)境下，還能部分地進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時需要消耗ATP，而且當其生產(chǎn)還原力H時，也要消耗許多ATP（圖6-30）。這是因為，只有借輸入ATP才能通過逆呼吸鏈的方式把無機氫（H+e）變成可用于還原CO2的還原力H。這一情況，可以用抽水機把低水位的水重新回灌到高水位蓄水庫去的例子來加以理解。 在所有還原(hun yun)態(tài)的無機物中，除了H2的氧化還原(hun yun)電位比NAD+NADH對較低外，其余都明顯高于它，因此，在各種無機底物氧化時，都必須以其相應的位置(wi zhi)進入呼吸鏈（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)細菌的產(chǎn)能效率、生長速率和生長得率很低

53、等原因，故對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)細菌的能量代謝主要有三個特點：無機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底物脫氫或脫電子后，直接進入呼吸鏈傳遞。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)菌硝化細菌和硫桿菌為例來加以說明。 （1）硝化細菌的能量代謝 Nitrobacter（硝化桿菌屬）以亞硝酸作為能源，由于NO2-NO3-中只涉及2個電子的傳遞，所以對其機

54、制研究得較為清楚。用同位素18O的實驗證明，在NO2-氧化為NO3-的過程中，氧來自水分子而非空氣。當NO2-+H2OH2ONO2-NO3-+2H+2e時，由于NO2-的氧化還原電位很高，故H+和e只能從與其相當?shù)腃yta1部位進入呼吸鏈。2H+2e如果順著呼吸鏈傳遞至O2，僅能產(chǎn)生1個ATP。而對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，為什么硝化細菌的能量效率、生長速度和細胞產(chǎn)率是如此的低，同時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菌菌體。 （2）硫細菌(xjn)的能量代謝 硫細菌(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定的硫代硫酸鹽作為能源，所以有利于開展對其代謝機制的研究。 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)細菌相似，即NADH2脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、黃素蛋白（FP）、泛醌（CoQ）、細胞色素b（有的含2種）、細胞色素氧化酶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)細胞色素C進入呼吸鏈，但在Tdenitrificans中卻例外地從黃素蛋白或細胞色素b水平上進入的。 能產(chǎn)生1個ATP。與硝化細菌等其他自養(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，有必要先簡單介紹一下在自然界中具有光合作用的各類生物的特點和差異?，F(xiàn)表解如下： 各種( zhn)光合細菌都是原核生物，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、機物作為氫供體，故光合作用中不產(chǎn)生O2，因而它們進行的是一種不產(chǎn)氧光合作用（anoxygenicphotosynthesis）。在它們的細胞（單細胞）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。現(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菌中的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應，由于它是一種在光驅(qū)動下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成的磷酸化，故稱循環(huán)光合磷酸化。其特點是：在光能的驅(qū)動下，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分別進行；還原力來自H2S等的無機氫供體；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、細胞色素b和細胞色素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、藻類和藍細菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應。其特點是：電子(dinz)的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；在有氧條件下進行；有兩個光合系統(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）可利用藍光；反應中同時有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，在電子傳遞過程中還有兩處發(fā)生光合磷酸化反

60、應，產(chǎn)生供CO2還原用的ATP。在兩個傳遞系統(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)境中才能生長的古細菌（archaebacteria，參見第十一章）。它們廣泛分布在鹽湖、曬鹽場或鹽腌海產(chǎn)品上，常見的咸魚上的紫紅斑塊就是嗜鹽菌的細胞群。主要代表有Halobacteriumhalobium（鹽生鹽桿菌）和H.cutirubrum（紅皮鹽