微生物的產能代謝

代謝（metalsolism）是細胞內發生的各種化學反應的總稱，它主要由分解代謝(catabolism)和合成代謝(anabolism)兩個過程組成。分解代謝是指細胞將大分子物質降解成小分子物質，並在這個過程中產生能量。一般可將分解代謝分為三個階段（圖）：第一階段是將蛋白質、多糖及脂類等大分子營養物質降解成氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質；第二階段是將第一階段產物進一步降解成更為簡單的乙醯輔酶A、丙酮酸以及能進入三羧酸循環的某些中間產物，在這個階段會產生一些ATP、NADH及FADH２；第三階段是通過三羧酸循環將第二階段產物完全降解生成CO２,併產生ATP、NADH及FADH２。第二和第三階段產生的ATP、NADH及FADH２通過電子傳遞鏈被氧化，產生大量的ATP。微生物的產能代謝在微生物的物質代謝中，與分解代謝相伴隨的蘊含在營養物質中的能量逐步釋放與轉化的變化被稱為產能代謝。可見產能代謝與分解代謝密不可分。任何生物體的生命活動都必須有能量驅動，產能代謝是生命活動的能量保障。微生物細胞內的產能與能量儲存、轉換和利用主要依賴於氧化還原反應。微生物所能利用的能量有兩類：一是蘊含在化學物質（營養物）中的化學能，二是光能。微生物產能代謝具有豐富的多樣性。一、生物氧化分解代謝實際上是物質在生物體內經過一系列連續的氧化還原反應，逐步分解並釋放能量的過程，這個過程也稱為生物氧化，是一個產能代謝過程。在生物氧化過程中釋放的能量可被微生物直接利用，也可通過能量轉換儲存在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，還有部分能量以熱的形式被釋放到環境中。不同類型微生物進行生物氧化所利用的物質是不同的，異養微生物利用有機物，自養微生物則利用無機物，通過生物氧化來進行產能代謝。二、異養微生物的生物氧化異養微生物將有機物氧化，根據氧化還原反應中電子受體的不同，可將微生物細胞內發生的生物氧化反應分成發酵和呼吸兩種類型，而呼吸又可分為有氧呼吸和厭氧呼吸兩種方式。（一）、 發酵發酵（ fermentation ）有廣義與狹義兩種概念。廣義的發酵是指微生物在有氧或無氧條件下利用營養物生長繁殖並生產人類有用產品的過程。例如發酵工業上用蘇雲金芽孢桿菌等生產生物殺蟲劑，利用酵母菌生產麵包酵母或酒精，利用鏈黴菌生產抗生素等通稱為發酵。而狹義的發酵僅僅是指微生物生理學意義上的，它一般是指微生物在無氧條件下利用底物代謝時，將有機物生物氧化過程中釋放的電子直接轉移給底物本身未徹底氧化的中間產物，生成代謝產物並釋放能量的過程。這裡討論的是狹義的發酵。發酵的種類有很多，可發酵的底物有碳水化合物、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（glycolysis），主要分為四種途徑：EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、磷酸解酮酶途徑。1、EMP 途徑及其終產物和發酵產能EMP途徑 (Embden — Meyerhof pathway) 以葡萄糖為起始底物，丙酮酸為其終產物，整個代謝途徑歷經 10 步反應，分為兩個階段：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中消耗 2 分子 ATP ： 在葡萄糖被細胞吸收運輸進入胞內的過程中，葡萄糖被磷酸化，消耗了 1 分子 ATP ，形成 6- 磷酸葡萄糖； 6- 磷酸葡萄糖進一步轉化為 6- 磷酸果糖後，再一次被磷酸化，形成 1, 6- 二磷酸果糖，此步反應又消耗了 1 分子 ATP 。而後，在醛縮酶催化下， 1, 6- 二磷酸果糖裂解形成 2 個三碳中間產物： 3- 磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮。在細胞中，磷酸二羥丙酮為不穩定的中間代謝產物，通常很快轉變為 3- 磷酸甘油醛而進入下步反應。 因此，在第一階段實際是消耗了 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一步反應做準備，故一般稱為準備階段。EMP 途徑的第二階段為產能階段。在這第二階段中， 3- 磷酸甘油醛接受無機磷酸被進一步磷酸化，此步以 NAD+ 為受氫體發生氧化還原反應， 3- 磷酸甘油醛轉化為 1, 3- 二磷酸油甘酸；同時， NAD+ 接受氫（ 2e + 2H+ ）被還原生成 NADH２ 。與磷酸己糖中的有機磷酸鍵不同，二磷酸甘油酸中的 2 個磷酸鍵為高能磷酸鍵，在 1, 3- 二磷酸甘油酸轉變成 3- 磷酸甘油酸及隨後發生的磷酸烯醇式丙酮酸轉變成丙酮酸的 2 個反應中，發生能量釋放與轉化，各生成 1 分子 ATP 。綜上所述， EMP 途徑以 1 分子葡萄糖為起始底物，歷經 10 步反應，產生 4 分子 ATP ，由於在反應的第一階段消耗 2 分子 ATP ，故凈得 2 分子 ATP ；同時生成 2 分子 NADH２和為分子丙酮酸。EMP 途徑是微生物基礎代謝的重要途徑之一。必需指出，從現象看，似乎只要有源源不斷的葡萄糖提供給細胞，它就可產生大量的 ATP 、丙酮酸、 NADH２。其實不然，因為，只要是氧化還原反應，其氧化反應與還原反應兩者是相偶聯與平衡的。在細胞內， EMP 途徑的第二階段始有底物釋放電子的氧化反應發生，消耗 2 分子氧化態的 NAD+ ，產生 2 分子還原態的 NADH２。但若要保持 EMP 途徑持續運行，必須有底物還原吸納電子與氫，使 NADH２氧化再生成氧化態 NAD+ ，以有足夠的氧化型 NAD+ 作為受氫體再循環參與 3- 磷酸甘油醛轉化為 1,3- 二磷酸油甘酸的脫氫氧化反應，從而保持氧化還原反應的持續平衡進行，同時不斷生成 ATP ，以供細胞生命活動中能量之所需。因此，在保證葡萄糖供給的條件下，胞內 NADH２氧化脫氫（ 2e- + 2H+ ）後，受氫體的來源與數量成為 EMP 途徑能否持續運行的決定性條件，否則， EMP 途徑的運行將受阻。在微生物中，使 EMP 途徑順暢運行的受氫體主要有兩類： 一是在有氧條件下，以氧作為受氫體。 NADH 2 途經呼吸鏈脫氫氧化，最終生成 H２O 和氧化態 NAD + ，而在 NADH２途經呼吸鏈過程中生成 ATP （將在「呼吸作用」節中詳述）。 二是在無氧條件下發酵時，以胞內中間代謝物為受氫體。還原態的 NADH２被氧化，生成氧化態 NAD +和分解不徹底的還原態中間代謝產物。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、根霉、麴黴和某些細菌。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：在酵母菌的乙醇發酵中，酵母菌可將葡萄糖經EMP途徑降解為兩分子丙酮酸，然後丙酮酸脫羧生成乙醛，乙醛作為氫受體使NAD+再生，發酵終產物為乙醇，這種發酵類型稱為酵母的一型發酵；但當環境中存在亞硫酸氫鈉時，它可與乙醛反應生難溶的磺化羥基乙醛。由於乙醛和亞硫酸鹽結合而不能作為NADH２的受氫體，所以不能形成乙醇，迫使磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體，生成α-磷酸甘油。α-磷酸甘油進一步水解脫磷酸而生成甘油，稱為酵母的二型發酵；在弱鹼性條件下（pH 7.6），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，一分子乙醛作為氧化劑被還原成乙醇，另一個則作為還原劑被氧化為乙酸。氫受體則由磷酸二羥丙酮擔任。發酵終產物為甘油、乙醇和乙酸，稱為酵母的三型發酵。這種發酵方式不能產生能量，只能在非生長的情況下才進行。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、異型乳酸發酵和雙歧發酵。同型乳酸發酵的過程是：葡萄糖經EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由於終產物只有乳酸一種，故稱為同型乳酸發酵。在異型乳酸發酵中，葡萄糖首先經PK途徑分解，發酵終產物除乳酸以外還有一部分乙醇或乙酸。在腸膜明串珠菌 中，利用HK途徑分解葡萄糖，產生3-磷酸甘油醛和乙醯磷酸，其中3-磷酸甘油醛進一步轉化為乳酸，乙醯磷酸經兩次還原變為乙醇，當發酵戊糖時，則是利用PK途徑，磷酸解酮糖酶催化5-P木酮糖裂解生成乙醯磷酸和3-P-甘油醛。雙歧發酵是兩歧雙歧桿菌發酵葡萄糖產生乳酸的一條途徑。此反應中有兩種磷酸酮糖酶參加反應，即6-磷酸果糖磷酸酮糖酶和5-磷酸木酮糖磷酸酮糖酶分別催化6-磷酸果糖和5-磷酸木酮糖裂解產生乙醯磷酸和4-磷酸丁糖，及3-磷酸甘油醛和乙醯磷酸。絕大多數微生物都有 EMP 途徑，包括大部分厭氧細菌，如梭菌（ Clostridium ），螺旋菌（ Spirillum ）等；兼性好氧細菌，如大腸桿菌（ E. coli ）；以及專性好氧細菌等。EMP 途徑及隨後的發酵，能為微生物的代謝活動提供 ATP 和 NADH 2 外，其中間產物又可為微生物細胞的一系列合成代謝提供碳骨架，並在一定條件下可逆轉合成多糖。2、HMP 途徑HMP途徑（ hexose monophosphate pathway ）是從 6- 磷酸葡萄糖為起始底物，即在單磷酸己糖基礎上開始降解，故稱為單磷酸己糖途徑，簡稱為 HMP 途徑。 HMP 途徑與 EMP 途徑密切相關，因為 HMP 途徑中的 3- 磷酸甘油醛可以進入 EMP ，因此該途徑又可稱為磷酸戊糖支路。HMP 途徑也可分為兩個階段：第一階段即氧化階段：從 6- 磷酸葡萄糖開始，經過脫氫、水解、氧化脫羧生成 5- 磷酸核酮糖和二氧化碳。第二階段即非氧化階段：為磷酸戊糖之間的基團轉移，縮合（分子重排）使 6- 磷酸己糖再生。HMP 途徑的特點：① HMP 途徑是從 6- 磷酸葡萄糖酸脫羧開始降解的，這與 EMP 途徑不同， EMP 途徑是在二磷酸己糖基礎上開始降解的。② HMP 途徑中的特徵酶是轉酮酶和轉醛酶。轉酮酶催化下面 2 步反應：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- 磷酸赤蘚糖

3- 磷酸甘油醛 + 6- 磷酸果糖轉醛酶催化下面一步反應：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③ HMP 途徑一般只產生 NADPH２，不產生 NADH２。④ HMP 途徑中的酶系定位於細胞質中。HMP 途徑的一個循環的結果是 1 分子 6- 磷酸葡糖糖最終轉變成 1 分子 3- 磷酸甘油醛， 3 分子 CO２和 6 分子 NADPH２。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- 磷酸核糖可以合成嘌呤、嘧啶核苷酸，進一步合成核酸， 5- 磷酸核糖也是合成輔酶 [ NAD（P）， FAD（FMN）和 CoA ] 的原料， 4- 磷酸赤癬糖是合成芳香族氨基酸的前體。② HMP 途徑中的 5- 磷酸核酮糖可以轉化為 1, 5- 二磷酸核酮糖，在羧化酶催化下固定二氧化碳，這對於光能自養菌和化能自養菌具有重要意義。③ 為生物合成提供還原力（ NADPH２）。大多數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 途徑常同時存在，單獨具有 EMP 或 HMP 途徑的微生物較少見。 EMP 和 HMP 途徑的一些中間產物也能交叉轉化和利用，以滿足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，而並非能量代謝的全部。 HMP 途徑在糖被氧化降解的反應中，部分能量轉移，形成大量的 NADPH２，為生物合成提供還原力，同時輸送中間代謝產物。雖然 6 個 6- 磷酸葡萄糖分子經 HMP 途徑，再生 5 個 6- 磷酸葡萄糖分子，產生 6 分子 CO２和 Pi ，併產生 12 個 NADPH２，這 12 個 NADPH２如經呼吸鏈氧化產能，最終可得到 36 個 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物，同時與 EMP 一起，構成細胞糖分解代謝與有關合成代謝的調控網路。3、ED 途徑ED途徑（ Entner-Doudoroff pathway ）是恩納（ Entner ）和道特洛夫（ Doudoroff ， 1952 年）在研究嗜糖假單胞菌 ( Pseudomonas saccharophila ) 時發現的。在這一途徑中， 6- 磷酸葡萄糖先脫氫產生 6- 磷酸葡萄糖酸，後在脫水酶和醛縮酶的作用下，生成 1 分子 3- 磷酸甘油醛和 1 分子丙酮酸。 3- 磷酸甘油醛隨後進人 EMP 途徑轉變成丙酮酸。 1 分子葡萄糖經 ED 途徑最後產生 2 分子丙酮酸，以及凈得各 1 分子的 ATP 、 NADPH２和 NADH２。 ED 途徑見圖 。ED 途徑的特點是：① 2- 酮 -3- 脫氧 -6- 磷酸葡萄糖酸（ KDPG ）裂解為丙酮酸和 3- 磷酸甘油醛是有別於其它途徑的特徵性反應。② 2- 酮 -3- 脫氧 -6- 磷酸葡萄糖酸醛縮酶是 ED 途徑特有的酶。③ ED 途徑中最終產物，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生，另 1 分子是由磷酸甘油醛經 EMP 途徑獲得。這 2 個丙酮酸的羧基分別來自葡萄糖分子的第一與第四位碳原子。④ 1mol 葡萄糖經 ED 途徑只產生 1 mol ATP ，從產能效率言， ED 途徑不如 EMP 途徑。EMP 、 HMP 、 ED 途徑的特點比較圖。在革蘭氏陰性的假單胞菌屬的一些細菌中， ED 途徑分布較廣，如嗜糖假單胞菌（ Pseudomonas saccharophila ），銅綠假單細胞（ Ps ． aeruginosa ），熒光假單胞菌（ Ps. 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 途徑一般是與 EMP 途徑並存，但 ED 途徑可不依賴於 EMP 和 HMP 途徑而獨立存在。表 4-7 EMP 、 HMP 、 ED 等糖代謝途徑在微生物中的分布微生物不同途徑的分布（％）EMPHMPED啤酒酵母產脫假絲酵母灰色鏈黴菌產黃青黴大腸桿菌藤黃八疊球菌枯草桿菌銅綠假單胞菌氧化醋單胞菌運動發酵單胞菌嗜糖假單胞菌8866-819777727074----1219-3432328302629100---------71-1001004、WD 途徑WD 途徑是由沃勃（ Warburg ）、狄更斯（ Dickens ）、霍克（ Horecker ）等人發現的，故稱 WD 途徑。由於 WD 途徑中的特徵性酶是磷酸解酮酶（ Phosphoketolase ），所以又稱磷酸解酮酶途徑。根據磷酸解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的叫 PK 途徑，把具有磷酸已糖解酮酶的叫 HK 途徑。腸膜狀明串珠菌（ Leuconostoc mesenteroides ），就是經 PK 途徑利用葡萄糖進行異型乳酸發酵生成乳酸、乙醇和 CO２。 而兩歧雙歧桿菌（ Bifidobacterium bifidum ）則是利用磷酸已糖解酮酶途徑分解葡萄糖產生乙酸和乳酸的。5、Stickland 反應上述 4 條途徑均是以糖類為起始底物的代謝途徑。而早在 1934 年， L. H. Stickland 發現，某些厭氧梭菌如生孢梭菌（ Clostridium sporogenes ）等，可把一些氨基酸當作碳源、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行生物氧化並獲得能量的發酵產能方式。後將這種獨特的發酵類型，稱為 Stickland 反應。 Stickland 反應是經底物水平磷酸化生成 ATP ，其產能效率相對較低。在 Stickland 反應中，作為供氫體的有多種氨基酸，如丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸和色氨酸等，作為受氫體的主要有甘氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸、色氨酸和精氨酸等。例 Clostridium sporogenes 中以丙氨酸為供氫體和以甘氨酸為受氫體的 Stickland 反應途徑 。（二） 呼吸作用在物質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 O２或氧化型化合物，從而生成 H２O 或還原型產物並釋放能量的過程，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 等電子載體是呼吸鏈電子傳遞的參與者。因此，它們在呼吸產能代謝中發揮著更為重要的作用。呼吸又可根據在呼吸鏈末端接受電子的是氧還是氧以外的氧化型物質，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 (aerobic respiration) ，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 (anoxic respiration) 。呼吸作用與發酵作用的根本區別在於：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物，而是與呼吸鏈的電子傳遞系統相偶聯，使電子沿呼吸鏈傳遞，並達到電子傳遞系統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併合成 ATP 。（ 1 ）以有機物為呼吸基質的有氧呼吸常見的異養微生物最易利用的能源和碳源有葡萄糖等。葡萄糖經 EMP 途徑酵解形成的丙酮酸，在無氧的條件下經發酵轉變成不同的發酵產物，如乳酸、乙醇和 CO２等，併產生少量能量。但在環境有氧的條件下，細胞行有氧呼吸，丙酮酸先轉變為乙醯 CoA （ acetyl-coenzymeA ， acetyl-CoA ），隨即進入三羧酸循環 (tricarboxylic acid cycle ，簡稱 TCA 循環 ) ，被徹底氧化生成 CO２和水，同時釋放大量能量。從 TCA 循環圖與電子傳遞鏈產能反應可見， 1 分子丙酮酸經 TCA 循環而被徹底氧化，共釋放出 3 分子 CO２，生成 4 分子的 NADH２和 1 分子的 FADH２，通過底物水平磷酸化產生 1 分子的 GTP 。而每分子 NADH２經電子傳遞鏈，通過氧化磷酸化產生 3 分子 ATP ，每分子 FADH２經電子傳遞鏈通過氧化磷酸化產生 2 分子 ATP ，因此， 1 分子的丙酮酸經有氧呼吸徹底氧化，生成 ATP 分子的數量為： 4×3 + 1×2 + 1 = 15 。微生物行有氧呼吸時，葡萄糖的利用首先經 EMP 途徑生成 2 分子丙酮酸，並經底物水平磷酸化產生 4 分子 ATP 和 2 分子 NADH２。在有氧條件下， EMP 途徑中生成 2 分子 NADH２可進入電子傳遞鏈，經氧化磷酸化產生 6 分子 ATP 。因此，在有氧條件下，微生物經 EMP 途徑與 TCA 循環，通過底物水平磷酸化與氧化磷酸化，徹底氧化分解 1mol 葡萄糖，共產生 40mol ATP 。但在 EMP 途徑中，葡萄糖經 2 次磷酸化生成 1, 6- 二磷酸果糖的過程中有 2 步為耗能反應，共消耗了 2 分子 ATP ，故凈得 38mol ATP 。已知 ATP 水解為 ADP 釋放的能量約為 31.8kJ／mol ，故1mol 葡萄糖被徹底氧化約有 1208kJ （ 31.8kJ × 38 ）的能量被轉儲於 ATP 的高能磷酸鍵中。 1mol 葡萄糖被徹底氧化為 CO２和 H２O 可釋放的總能量約為 2822kJ 。因此好氧微生物通過有氧呼吸利用葡萄糖，其能量利用效率約為 43 ％，其餘的能量以熱等形式散失。可見，生物機體在有氧條件下的能量利用效率極高。（ 2 ）以無機物為呼吸基質的有氧呼吸好氧或兼性的化能無機自養型微生物能從無機化合物的氧化中獲得能量。它們能以無機物如NH４+、 NO２－、 H２S 、 S、 H２和 Fe２+等為呼吸基質，把它們作為電子供體，氧為最終電子受體，電子供體被氧化後釋放的電子，經過呼吸鏈和氧化磷酸化合成 ATP ，為還原同化 CO２提供能量。因此，化能自養菌一般是好氧菌。這類好氧型的化能無機自養型微生物分別屬於氫細菌、硫化細菌、硝化細菌和鐵細菌等。它們廣泛分布在土壤和水域中，並對自然界的物質轉化起著重要的作用。這些微生物的產能途徑見下列化學反應式：

化能自養微生物對底物的要求具有嚴格的專一性，即用作能源的無機物及其代謝途徑缺乏統一性。如硝化細菌不能氧化無機硫化物，同樣，硫化細菌也不能氧化氨或亞硝酸。上述各種無機化合物不僅可作為最初的能源供體，而且其中有些底物（如 NH４+ 、 H２S 、 H２等）還可作為質子供體，通過逆呼吸鏈傳遞方式形成用於還原 CO２的還原力（NADH２） ，但這個過程需要提供能量，是一個消耗 ATP 的反應。與異養微生物比較，化能自養微生物的能量代謝有以下 3 個主要特點：① 無機底物的氧化直接與呼吸鏈相偶聯。即無機底物由脫氫酶或氧化還原酶催化脫氫或脫電子後，隨即進人呼吸鏈傳遞，這與異養微生物對葡萄糖等有機底物的氧化要經過多條途徑逐級脫氫有明顯差異；② 呼吸鏈更具多樣性，不同的化能自養微生物呼吸鏈組成分與長短往往不一。③ 產能效率（即 P/0 ）一般低於化能異養微生物。各種無機底物的氧化與呼吸鏈相偶聯的具體位點，決定於被氧化無機底物的氧化還原電位，其氧化後釋放的電子進入呼吸鏈的位置也不一樣。上述這些還原態無機物中，除了 H２的氧化還原電位比 NAD +/NADH 對稍低外，其餘都明顯高於它。因此，化能自養微生物呼吸鏈氧化磷酸化效率（ P/O 比）比較低。3 、無氧呼吸產能途徑無氧呼吸亦稱厭氧呼吸。某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下能進行無氧呼吸。在無氧呼吸中，作為最終電子受體的物質不是分子氧，而是 NO２－、 SO４２－ 、 S２O３２－ 、 CO２等這類外源含氧無機化合物。與發酵不同，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氧化磷酸化作用而生成 ATP ，也能產生較多的能量。但由於部分能量在沒有充分釋放之前就隨電子傳遞給了最終電子受體，故產生的能量比有氧呼吸少。在無氧呼吸中，作為能源物質的呼吸基質一般是有機物，如葡萄糖、乙酸等，通過無氧呼吸也可被徹底氧化成 CO２，並伴隨有 ATP 的生成。例如：（ 1 ） 硝酸鹽還原細菌在厭氧條件下，可把 NO２－作為電子的最終受體，即 :

絕大多數硝酸鹽還原細菌以有機物作為電子供體，也有少數硝酸鹽還原細菌能利用元素硫或分子氫或硫代硫酸作為電子供體還原硝酸鹽。如兼性厭氧的脫氮硫桿菌（ Thiobacillus denitrificans ）在 NO２ －存在時，可經無氧呼吸，利用元素硫作為電子供體和 NO２－為最終電子受體而還原硝酸鹽獲得能量：5S + 6NO３— + 8H２O

5H２SO４+ 6OH － + 3N２ + 能量又如兼性厭氧的脫氮副球菌（ Paracoccus denitrificans ）在無氧條件下行無氧呼吸，以氫為電子供體，硝酸鹽為最終電子受體，還原硝酸鹽，進行徹底地反硝化作用：5H２+ 2NO３-

N２+ 2OH — + 4H２O + 能量（ 2 ） 在厭氧條件下，硫酸鹽還原細菌可以 SO４２－ 作為最終電子受體，即：2CH３CHOHCOOH ＋ H２SO４

2CH３COOH ＋ 2CO２ ＋ 2H２O 十 H２S ＋ 能量脫硫弧菌屬（ Desulfavibrio ）等少數幾種菌能以有機物（乳酸、丙酮酸等）或分子氫作為硫酸鹽還原的供氫體。（ 3 ）嚴格厭氧的大多數產甲烷細菌可以 CO２作為最終電子受體進行無氧呼吸，即：4H２＋ CO２

CH４＋ 2H２O ＋ 能量（ 4 ） 以延胡索酸作為電子受體的無氧呼吸，如雷氏變形菌（ Proteus rettgeri ）和甲酸乙酸梭菌（ Clostridium formicoacetium ）能以延胡索酸作為受氫體還原生成琥珀酸：HCOOCH ＝ CHCOOH ＋ H２

COOCH２CH２COOH ＋ 能量三．自養微生物的生物氧化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。1. 氨的氧化NH３同亞硝酸（NO２－）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。硝化細菌無芽孢，多數為二分裂殖，生長緩慢，平均代時在10h以上，分布非常廣泛。2. 硫的氧化硫桿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。H２S首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細胞色素系統氧化成亞硫酸鹽，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，一是直接氧化成SO４２－的途徑，由亞硫酸鹽-細胞色素C還原酶和末端細胞色素系統催化，產生一個ATP；二是經磷酸腺苷硫酸的氧化途徑，每-氧化一分子SO４２－產生2.5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，但從這種氧化中只有少量的能量可以被利用。亞鐵的氧化僅在嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans）中進行了較為詳細的研究。在低pH環境中這種菌能利用亞鐵放出的能量生長。在該菌的呼吸鏈中發現了一種含銅蛋白質rusticyanin），它與幾種細胞色素c和一種細胞色素a1氧化酶構成電子傳遞鏈。雖然電子傳遞過程中的放能部位和放出有效能的多少還有待研究，但已知在電子傳遞到氧的過程中細胞質內有質子消耗，從而驅動ATP的合成。4. 氫的氧化氫細菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自氧菌。它們能利用分子氫氧化產生的能量同化CO２，也能利用其它有機物生長。氫細菌的細胞膜上有泛醌、維生素K２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系統，電子在呼吸鏈傳遞過程中產生ATP。在多數氫細菌中有兩種與氫的氧化有關的酶。一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：

該酶在氧化氫並通過電子傳遞系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；另一種是可溶性氫化酶，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CO２的還原。四．能量轉換在產能代謝過程中，微生物可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等高能分子中，對光合微生物而言，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（substrate level phosphorylation）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一分子ATP的形成；在三羧酸循環過程中，琥珀醯輔酶A轉變為琥珀酸時偶聯著一分子GTP的形成。2．氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）物質在生物氧化過程中形成的NADH和FADH２可通過位於線粒體內膜和細菌質膜上的電子傳遞系統將電子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。電子從 NADH 或 FADH２到 O２的傳遞所經過的途徑稱為呼吸鏈 (respiratory chain) ，也稱電子傳遞鏈（ electron transport chain ）。呼吸鏈主要由蛋白質複合體組成，大致分為 4 個部分，分別稱為 NADH-Q 還原酶（ NADH-Q reductase ）、琥珀酸 -Q 還原酶（ succinate - Q reductase ）、細胞色素還原酶（ cytochrome reductase ）和細胞色素氧化酶（ cytochrome oxidase ）。典型的呼吸鏈組分及其在鏈中的排列順序、電子傳遞方向見下列流程見圖。此外，還有一些非蛋白的電子載體，如脂溶性醌類等。以 NADH 為起端的電子傳遞鏈上，釋放自由能的部位有 3 處：由複合體 I 將 NADH 放出的電子經 FMN 傳遞給 CoQ 的過程是第 1 個 ATP 合成部位；第 2 個部位是複合體 Ⅲ ，它將電子由 CoQ 傳遞給細胞色素 c 的過程中合成 ATP ；第 3 個 ATP 合成部位是複合體 Ⅳ ，其將電子從細胞色素 c 傳遞給氧的過程中合成 ATP 。FADH２氧化釋放的電子未經 FMN 而直接交給 CoQ ，因為，琥珀酸 -Q 還原酶將電子從 FADH２轉移到 CoQ 上的標準氧還電勢變化（電勢差）所蘊含的自由能不足以合成一個 ATP 。故該電子依次繼續向細胞色素系統傳遞至 Cytc 的過程中才形成合成 1 個 ATP 。因此，凡以 FADH２所攜帶的高勢能電子傳經呼吸鏈僅生成 2 個 ATP3．光合磷酸化（photophosphorylation）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CO２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，同時也為其它生物（如動物和異養微生物）提供了賴以生存的有機物。光合磷酸化是葉綠素（ chlorophyll ， Chl ）或菌綠素 (bacteriochlorophyll, Bchl ) 的光反應中心接受光能被激發而放出電子，在循環或非循環的電子傳遞系統中，一部分能量被用於合成 ATP 。三類光合微生物在光合作用中的光合磷酸化獲得能量的過程與機制不一樣。（1）紫硫細菌的光能轉化紫硫細菌是以環式電子傳遞方式進行光能轉化，其過程可分為五步：① 紫硫細菌通過光捕獲複合體（Bchl 十 類胡蘿蔔素 十 P870），吸收光能。 ② 光被吸收後使反應中心葉綠素 P870 處於激發態成為 P870* 。 ③ 電荷分離， P870* 失去一個電子為P870+ ，高能電子躍升到電子受體細菌脫鎂葉綠素（ bacteriopheophytin, Bph ）形成 Bph－ 。 ④ 電子沿醌鐵蛋白（ QFe ）、 Q 、細胞色素 bc1到 C２ 順序移動，電子在細胞色素bc1 至 C２時偶聯磷酸化產生 ATP 。 ⑤ 低能電子返回到 P870+ 而形成P870，然後整個系統又接受光量子重複上述過程 。紫硫細菌生物合成需要 NAD(P)H 。當其在氫中生長時，可以利用分子氫直接還原 NAD(P)+為 NAD(P)H 。在異養生長時，各種氧化還原電位較高的基質對 NAD+ 的還原一般都是由光能推動的。紫硫細菌光能轉化的特點是：① 紫硫細菌能利用長波光， Bchl 吸收光的峰值為 870nm 波長處。② 紫硫細菌以環式方式傳遞電子。③ 在異養生長時一般不能直接還原 NAD+為 NADH 。光能營養微生物的光合磷酸化，是在位於細胞質膜中的類似於呼吸鏈那樣的光合電子傳遞鏈上進行的。其 ATP 的合成也有賴質子運動力。紫色光營養細菌的光合電子傳遞途徑及光合磷酸化合成 ATP 的過程與機制見圖。（2 ）綠硫細菌的光能轉化綠硫細菌也是以環式電子傳遞方式進行的，其過程也可分為五步：① 綠硫細菌通過光合色素（主要是細菌葉綠素 c 和類胡蘿蔔素，有的還伴有細菌葉綠素 d 和 e ）吸收光能。 ② 使反應中心的葉綠素 P840處於激發態成為 P840* 。 ③ 電荷分離使P840* 而形成P840 + 和一個電子，這個高能電子躍升到電子受體 Fe-S 蛋白上，使 Fe-S 蛋白（ E0= — 540mV ）被還原。 ④ 電子由 Fe-S 蛋白經醌類（ MK ， CQ ），細胞色素 b 傳到 C555 。電子在細胞色素 b 至C555 時偶聯磷酸化產生 ATP 。 ⑤ 低能電子返回到P840+ 形成P840。整個系統又接受光子重複上述過程。綠硫細菌光能轉化的特點是：① 綠硫細菌的 Bchl 吸收光的峰值在 840nm 處。② 綠硫細菌 是環式電子傳遞方式進行的。③ 綠硫細菌通過 Fe-S 蛋白能直接還原 NAD(P)+為 NAD(P)H 。（3 ）藍細菌的光能轉化藍細菌的光能電子傳遞是非環式的。從水到 NADP+的非環式電子傳遞是一個短波光合系統Ⅱ（PS Ⅱ）。它含有作為主要光捕獲色素的新藻膽蛋白，並在氧化水的同時放出氧和還原質體醌；還原 NADP +的電子傳遞是通過細胞色素鏈和長波光合系統（ PSⅠ）進行的。藍細菌的光能電子傳遞見圖。在光合系統 Ⅱ （ PS Ⅱ ）中藻藍素（ Phc ）和藻紅素（ Phe ）吸收光子並把能量傳遞給異藻藍素 (aphc) ，再把能量傳遞給反應中心葉綠素 (P680) ，由水提供電子還原質體醌（ PQ ），再經電子傳遞鏈，從 b559到 f 至 PC ，電子經 b559到 f 時偶聯產生 ATP 。低能電子通過 PSⅠ 中的葉綠素 a 吸收光能使電子在 P700處受到激發去還原 Fe-S ，再通過可溶性鐵氧還蛋白和鐵氧還蛋白 - NADP +還原酶最後傳至 NADP +。藍細菌光能轉化的特點是： ① 電子傳遞一般不成閉合途徑。 ② 電子由外源電子供體提供。 ③ PSⅡ 具有光解水放氧的作用，並經電子傳遞偶聯產生 ATP ， PSⅠ 把電子還原 Fe-S 經 Fd 和 FP 使 NADP+還原為 NADPH 。藍細菌中的非環式電子傳遞，不但能產生 ATP ，而目還能提供 NADPH ，在這類光合細菌中，具有對 ATP 和 NADPH 合成的調節功能。當體內需要還原型 NADPH 時，在外源供氫體幫助下進行非環式電子傳遞作用。當細菌不需要還原性 NADPH 時，或者由 PSⅠ 產生的電子能量不足以還原 NADP+時，則按環式電子傳遞方式為細胞提供 ATP 。
推薦閱讀：