微生物代谢产物的代谢调节在发酵工业中有何重要意义
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时间：2016-10-28 08:29
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微生物的代谢调控与发酵生产
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《食品微生物学》复习思考题
4． 巴斯德灭菌后仍存活
D. 嗜盐菌 5． 生活在高盐环境中
E. 嗜高渗微生物 6． 在高压下旺盛生长
F. 微好氧菌 7． 生活在pH7.0
G. 嗜盐嗜压细菌 8． 喜欢酸性环境
H. 嗜压微生物 9． 利用二氧化碳
I. 嗜热微生物 10．生活在稍微有氧的环境
J. 异养微生物
五、问答题： 1． 为什么微生物的营养类型多种多样，而动植物营养类型则相对单一？ 2． 采取什么方法能分离到能分解并利用苯作为碳源和能源物质的细菌纯培养物？ 3． 与促进扩散相比，微生物通过主动运输吸收营养物质的优点是什么？ 4． 什么叫微生物的营养类型，试以能源为主、碳源为辅对微生物的营养类型进行分类？ 5． 什么叫自养微生物，它们有几种生理类型？ 6． 什么叫生长因子，它包括哪几类化合物？ 7． 什么叫(aw)，它对微生物的生命活动有何影响？ 8． 什么是选择性培养基，试举一例并分析其中的原理？ 9． 什么是鉴别性培养基，试举例分析其鉴别作用和原理？ 10. 什么叫碳氮比？ 11．何为固体培养基，它有何用途？ 12．试分析影响微生物生长的主要环境因素及它们影响微生物生长繁殖的机理？ 13．细菌的生长繁殖与高等动植物有哪些异同，与丝状真菌又有哪些异同？ 14．测定微生物生长有何意义，常用微生物生长测定方法有哪些？ 15．控制微生物生长繁殖的主要方法及原理有哪些？ 16．细菌耐药性机理是哪些，如何避免抗药性的产生？ 17．试举例说明日常生活中的防腐、消毒和灭菌及其原理？ 18．细菌肥料是由相关的不同微生物组成的一个菌群并通过混合培养得到的一种产品。活菌数的多少是质量好坏的一个重要指标之一。但在质量检查中，有时数据相差很大。请分析产生这种现象的原因及如何克服？ 19．何为纯培养物的典型生长曲线，它可分为几期？ 20．什么叫生长速率常数（R），什么叫生长代谢（G），它们如何计算？ 21．什么叫连续培养，有何优点？ 12．目前一般认为氧对厌氧菌毒害的机制是什么？ 23．微生物培养过程中pH变化的规律如何，如何调整？
15 24．微生物培养装置的类型和发展有哪些规律？ 25．实验室中培养厌氧菌的技术有哪些？ 26．试列表比较灭菌、消毒、防腐和化疗的异同，并各举若干实例？ 27．试以磺胺及其增效剂TMF为例，说明化学治疗剂的作用机制？
微生物的代谢 一、名词解释：
1. 有氧呼吸
2. 无氧呼吸
4. 氧化磷酸化
5. 光合磷酸化
6. 初级代谢
7. 次级代谢
9. 反馈抑制。
二、选择题 1．合成代谢是微生物细胞中
的一个过程。 A． 合成分子及细胞结构 B． 在电子载体间传递电子 C． 微生物细胞分解大分子为较小的分子 D． 糖酵解和三羧酸循环是关键的中间产物 2．代谢过程中为了产生ATP分子，下列物质除了
之外都是需要的。 A．二磷酸腺苷分子
B．能量 C．磷酸基
D．DNA或RNA
3．当进行糖酵解化学反应时，
。 A．糖类转变为蛋白质 B．酶不起作用 C．从二氧化碳分子生产糖类分子 D．从一个葡萄糖分子产生两个丙酮酸分子
4．微生物中从糖酵解途径获得
ATP分子。 A．2个
B．4个 C．36个
D．38个 5．下面的叙述
可应用于发酵。 A．在无氧条件下发生发酵 B．发酵过程发生时需要DNA C．发酵的一个产物是淀粉分子 D．发酵可在大多数微生物细胞中发生 6．电子传递链中
。 A．氧用作末端受体
16 B．细胞色素分子不参加电子转移 C．转移的一个可能结果是发酵 D．电子转移的电子来源是DNA
7．微生物代谢中，硝酸盐和硫酸盐可作为电子受体是在
。 A．无酶时
B．无ATP时 C．无氧时
D．有细胞色素时 8．为使淀粉和纤维素进行代谢而提供能量，
。 A．它们必须第一步变成脂肪分子 B．它们的葡萄糖单位必须被释放 C．环境中必须有游离氧存在 D．遗传密码必须起促进作用
9．脱氨（基）作用实现
转变。 A．多糖转变为双糖
B．双糖转变为多糖 C．脂肪转变为糖类分子
D．氨基酸转变为能量化合物 10. 细菌中参加光合作用的是
。 A．紫细菌和绿硫细菌
B．肠道细菌和大肠杆菌 C．土壤细菌如放线菌
D．立克次体和衣原体 11．某些微生物光合作用从叶绿素分子丢失的电子来源于
。 A．ATP分子
B．细胞色素分子 C．水分子
D．含氮碱基分子 12．当光合作用固定碳反应时
。 A．CO2分子与磷酸核酮糖分子反应 B．丙酮酸分子结构形成葡萄糖分子 C．淀粉分子转变为纤维素分子 D．DNA分子改变为RNA分子
三、填空题： 1．细胞代谢中分解大分子成较小分子称为
。 2．微生物的能量主要储存形式在化合物
。 3．糖酵解的2分子丙酮酸是由1分子的
分解产生的。 4．微生物中糖类酵解最普遍的途径是称为
途径。 5．当微生物进行呼吸时，分解一个单个葡萄糖时，一般形成
个ATP分子。 6．含有色素的那些细菌发生光合作用时，用色素吸收
。 7．光合作用固定能量反应结果形成NADH分子和
。 8．光合作用光能能量中的一个重要产物是
17 四、问答题： 1． 什么是微生物的新陈代谢，分解代谢和合成代谢有何差别与联系？ 2． 什么是生物氧化？ 3．在化能异养微生物的生物氧化中，其基质脱氢和产能途径主要有哪几类？ 3． 试述EMP途径、HMP途径在微生物生命活动中的重要性？ 4． 什么是呼吸，呼吸链由哪些组成？ 5． 什么是氧化磷酸化作用，试用化学渗透学说解释微生物细胞中ATP的产生？ 6． 什么叫无氧呼吸（厌氧呼吸），比较呼吸、无氧呼吸和发酵的异同点？ 7． 什么叫Stickland反应？ 8． 在化能自养细菌中，亚硝化细菌和硝化细菌是如何获得其生命活动所需的ATP和还原力[H]的？ 10. 什么叫循环光合磷酸化，什么叫非循环光合磷酸化？ 11．试述嗜盐菌紫膜光合作用的基本原理？ 12．简单说明自养微生物固定CO2的卡尔文循环？ 13．简述细菌细胞壁上的肽聚糖的合成途径，哪些化学因子可抑制其合成？ 14．青霉素为何只能抑制代谢旺盛的细菌，其抑制机理如何？ 15．什么叫次级代谢，次级代谢途径与初级代谢途径之间有何联系？ 16．微生物代谢调节有何特点，它们调节代谢的主要方式有哪两类？ 17．微生物代谢调节在发酵工业中有何重要性？ 18．胃八叠球菌和运动发酵单孢菌产生乙醇的方式有什么不同？ 19．一酵母突变株的糖酵解途径中，从乙醛到乙醇的途径被阻断，它不能在无氧条件下的葡萄糖平板上生长，但可能在有氧条件下的葡萄糖平板上存活。试解释这一现象？ 20．光合细菌共分几类，细菌的光合作用与绿色植物的光合作用之间有什么不同？ 21．与高等动植物相比，微生物代谢的多样性表现在哪些方面？
微生物遗传变异与菌种选育 一、选择题： 1．1928年，F.Grffith用
，证明了DNA是遗传信息的物质基础。 A．噬菌体感染实验
B．植物病毒的重建实验 C．经典转化实验
D．涂布试验
2. 质粒是一种独立存在于细胞内的
。 A．附加体(episom)
B．复制子（replicon） C．F因子（F plasmid）
D．Ｒ因子（R factor）
3. 不能在基本培养基（minimum medium, MM）上正常生长繁殖的变异类型为
18 A．野生型（wild type） B．营养缺陷型（auxotroph） C．条件致死突变型（conditional lethal mutant） D．抗性突变型（resistant mutant）
4. Hfr菌株与F-菌株相接合后，发生基因重组的频率要比单纯用F+与F-接合后的频率高出数百倍，这是因为在Hfr菌株细胞中，其F质粒
5. 在筛选细菌营养缺陷型时，为了提高筛选工作效率，常常在培养基中加入一定量的青霉素，以浓缩营养缺陷型，这一实验所用的培养基必须是
。 A．完全培养基
B．基本培养基 C．补充培养基
D．夹层培养基
6. 目前在植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体是
。 A．Col质粒
B．R质粒 C．Ti质粒
D．mega质粒
7. 某些微生物在细胞内DNA分子受到较大范围的重大损害时，可诱导一种涉及recA、lexA、uvrA、uvrB、uvrC等一批修复基因的表达，进而对损伤进行修复，这种修复称为
。 A．光复活作用
B．重组修复 C．SOS修复
D．切除修复
是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。 A．同义突变
B．无义突变 C．移码突变
D．错义突变
二、填空题： 1．D. Hershey和M. Chase于1952年发表了证实DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验
。该实验所用的重要实验材料是：噬菌体宿主
和放射性同位素
2．遗传物质在微生物细胞中的存在部位与方式可概括为7个水平或层次，他们分别为
。 3．细菌细胞中独立存在的质粒，如其复制行为与核染色体的复制同步，称为
，这类细胞一般可含
个甚至更多的质粒。 4．E.coli等细菌中决定性别并有转移能力的质粒是
，其大小仅
。 5．细菌素（bacteriocin）是由
。 6．在遗传学研究中较为常用的三种突变型是
联系客服：cand57</第六章 微生物的代谢和发酵
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第六章 微生物的代谢和发酵
第六章 微生物的代谢和发酵
第六章 微生物的代谢和发酵
新陈代谢（metabolism）简称代谢，是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和，即：
新陈代谢=分解代谢+合成代谢
分解代谢是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量，一般用[H]来表示）的作用；合成代谢与分解代谢正好相反，是指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起合成复杂的大分子的过程。分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简单地表示为：
分解代谢与合成代谢间有着极其密切的联系，这些联系将放在第二节中讨论。
一切生物，在其新陈代谢的本质上既存在着高度的统一性，同时，不同的生物间又存在着明显的特殊性。有关统一性的问题主要在普通生物化学课程中讨论，这里由于篇幅和重点的关系，在简要地概括微生物能量代谢及其在微生物生命活动中的功能外，将更多地讨论有关微生物代谢的特殊性问题。
第一节 微生物的能量代谢
因为一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢就成了新陈代谢中的核心问题。
能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源——ATP*。对微生物来说，它们可利用的最初能源不外乎有机物、日光和还原态无机物三大类，因此，研究其能量代谢的机制实质上就是追踪这三类最初能源如何一步步地转化并释放出ATP的过程，即：
一、化能异养微生物的生物氧化和产能
生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。生物氧化与非生物氧化即燃烧有着若干相同点和不同点，相同点是它们的总效应都是通过有机物的氧化反应而释放出其中的化学潜能，不同点有很多，可见表6-1。
生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或失去电子三种；生物氧化的过程可分脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段；生物氧化的功能则有产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物三种。以下我们按底物（基质）脱氢的三个阶段以及各阶段的类型和细节的顺序来讨论化能异养微生物的生物氧化及其产能效应。
（一）底物脱氢的四条主要途径
这里以葡萄糖作为典型的生物氧化底物，它的脱氢阶段主要可通过四条途径，每条途径既有脱氢、产能的功能，又有产多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能。在讨论中除着重讨论它们的产能功能外，还附带介绍它们的一些其他重要功能。底物脱氢的途径及其与递氢、受氢阶段联系的概貌见图6-1。
1．EMP途径（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway）
EMP途径又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途径（hexosediphosphatepathway）。它是以1分子葡萄糖为底物，约经过10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。在其总反应中，可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（NADH＋H+*、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤。EMP途径的简式可见图6-2。
在图6-2的产物中，2NADH＋H+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP，在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物——乙醛而产生乙醇。
EMP途径的总反应式为：
C6H12O6＋2NAD+＋2ADP＋2Pi→2CH3COCOOH＋2NADH＋2H+＋2ATP＋2H2O有关EMP途径的反应细节见图6-3。
EMP途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，因而也是酵母菌、真菌和多数细菌所具有的代谢途径。在有氧条件下，EMP途径与TCA途径连接，并通过后者把丙酮酸彻底氧化成CO2和H20。在无氧条件下，丙酮酸或其进一步代谢后所产生的乙醛等产物被还原，从而形成乳酸或乙醇等发酵产物。EMP途径的反应过程分10步，即：
（1）葡萄糖形成葡糖-6-磷酸。不同菌种通过不同方式实现这步反应。在酵母菌、真菌和许多假单胞菌等好氧细菌中，通过需要Mg2+和ATP的己糖激酶来实现（此反应在细胞内为不可逆反应）；在大肠杆菌和链球菌等兼性厌氧菌中，可借磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸转移酶系统（见第五章第三节）在葡萄糖进入细胞之时即完成了磷酸化。
（2）葡糖-6-磷酸经磷酸己糖异构酶异构成果糖-6-磷酸。
（3）果糖-6-磷酸通过磷酸果糖激酶催化成果糖-1，6-二磷酸。磷酸果糖激酶是EMP途径中的一个关键酶，故它的存在就意味着该微生物具有EMP途径。与己糖激酶相似的是，磷酸果糖激酶也需要ATP和Mg2+，且在活细胞内催化的反应是不可逆的。
（4）果糖-1，6-二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催化下，分裂成二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸两个丙糖磷酸分子。果糖二磷酸醛缩酶不但在葡萄糖降解中十分重要，而且对葡糖异生作用（gluconeogenesis）即对由非碳水化合物前体逆向合成己糖的反应也很重要。另外，二羟丙酮磷酸在糖代谢和脂类代谢中还是一个重要的连接点，因为它可被还原成甘油磷酸而用于脂类的合成中。
（5）二羟丙酮磷酸在丙糖磷酸异构酶的作用下转化成甘油醛-3-磷酸。虽然在反应（4）中产生等分子的丙糖磷酸，但二羟丙酮磷酸只有转化为甘油醛-3-磷酸后才能进一步代谢下去。因此，己糖分子至此实际上已生成了2分子甘油醛-3-磷酸。此后的代谢反应在所有能代谢葡萄糖的微生物中都没有什么不同了。
（6）甘油醛-3-磷酸在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催化下产生1，3-二磷酸甘油酸。此反应中的酶是一种依赖NAD+的含硫醇酶，它能把无机磷酸结合到反应产物上。这一氧化反应由于产生一个高能磷酸化合物和一个NADH＋H+，所以从产能和产还原力的角度来看都是十分重要的。
（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。此酶是一种依赖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转移到ADP分子上，产生了本途径中的第一个ATP。这是借底物水平磷酸化作用而产ATP的一个实例。
（8）3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下转变为2-磷酸甘油酸。
（9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下经脱水反应而产生含有一个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。烯醇酶需要Mg2+、Mn2+或Zn2+等二价金属离子作为激活剂。
（10）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下产生了丙酮酸，这时，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基团转移到ADP上，产生了本途径的第二个ATP，这是借底物水平磷酸化而产生ATP的又一个例子。
由上可知在无氧条件下，整个EMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP，但其中产生的多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用。从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等大量重要发酵产物的生产有着密切的关系（详见本节“发酵”内容）。
2．HMP途径（hexosemonophosphatepathway）HMP途径即已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径、Warburg-Dickens途径或磷酸葡萄糖酸途径。这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH＋H+*形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。HMP途径的总反应可用一简图表示（图6-4）。
HMP途径可概括成三个阶段：①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸发生同分异构化（isomerization）或表异构化（epimerization）而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③上述各种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。以上三个阶段的细节见图6-5。
在图6-5的反应（1）和（2）中，产生的戊糖磷酸与还原力（NADPH＋H+）的比率为1∶2，即：
3葡萄糖-6-磷酸＋6NADP+＋3H2O→3戊糖-5-磷酸＋3CO2＋6NADPH＋6H+在图6-5的反应（3）中，其净效应为：
2木酮糖-5-磷酸＋核糖-5-磷酸2果糖-6-磷酸＋甘油醛-3-磷酸
在一定条件下，上述反应中产生的甘油醛-3-磷酸也可通过生成葡萄糖的反应重新合成葡糖-6-磷酸，因此，HMP途径要进行一次周转就需要6个葡糖-6-磷酸分子同时参与（详细过程见图6-6），其总式为：
6葡糖-6-磷酸＋12NADP+＋6H2O—→5葡糖-6-磷酸＋12NADPH＋12H+＋12CO2＋Pi
HMP途径在微生物生命活动中有着极其重要的意义，具体表现在：
（1）为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。
（2）产生大量的NADPH2形式的还原剂，它不仅为合成脂肪酸、固醇等重要细胞物质之需，而且可通过呼吸链产生大量能量，这些都是EMP途径和TCA循环所无法完成的。因此，凡存在HMP途径的微生物，当它们处在有氧条件下时，就不必再依赖于TCA循环以获得产能所需的NADH2了。
（3）如果微生物对戊糖的需要超过HMP途径的正常供应量时，可通过EMP途径与本途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来加以调剂。
（4）反应中的赤藓糖-4-磷酸可用于合成芳香氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸。
（5）由于在反应中存在着C3～C7的各种糖，使具有HMP途径的微生物的碳源利用范围更广，例如它们可以利用戊糖作碳源。
（6）通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。
据研究，当以硝酸盐作为曲霉属一些菌种的氮源时，有关HMP途径酶的浓度要比长在其他氮源上时增高许多，这与硝酸盐还原酶催化时需要大量NADPH2是一致的。又如，用放射呼吸测定技术（radiorespirometry）研究大肠杆菌对碳源（葡萄糖）的利用时，发现其中约有28％是进入HMP途径而氧化的，其余的72％则是通过EMP途径氧化的。
3．ED途径（Entner-Doudoroffpathway） ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。此途径最早（1952）由Entner和Doudoroff两人在Pseudomonassaccharophila（嗜糖假单胞菌）中发现，接着许多学者证明它在细菌中广泛存在。ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现。其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。ED途径的总反应概貌和细节可见图6-7和6-8。
在ED途径中的关键反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解，其具体步骤见图6-9。
ED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如Pseudomonasspp．（一些假单胞菌）和ZymomonassPP．（一些发酵单胞菌）等所特有的利用葡萄糖的替代途径，其特点是利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，仅为EMP途径之半），反应中有一个6碳的关键中间代谢物——KDPG。由于ED途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等各种代谢途径相连接，因此可以相互协调，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要，例如，通过与HMP途径连接可获得必要的戊糖和NADPH2等。此外，在ED途径中所产生的丙酮酸对Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）这类微好氧菌来说，可脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原为乙醇。这种经ED途径发酵产生乙醇的过程与传统的由酵母菌通过EMP途径生产乙醇不同，因此称作细菌酒精发酵。
利用Z.mobilis等细菌以生产酒精，是近年来正在开发的工业，它比传统的酵母酒精发酵有许多优点：（1）代谢速率高，（2）产物转化率高，（3）菌体生成少，（4）代谢副产物少，（5）发酵温度较高，以及（6）不必定期供氧等。当然，细菌酒精发酵也有其缺点，主要是其生长PH为5，较易染菌（而酵母菌为pH3），其次是细菌耐乙醇力较酵母菌为低（前者约为7.0％，后者则为8～10％）。
在不同的微生物中，EMP、HMP和ED三途径在己糖分解代谢中的重要性是有明显差别的，有关实例可见表6-2。
4．三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle） 三羧酸循环又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。这是一种循环方式的反应顺序，它在绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢中起着关键性的作用。在真核微生物中，TCA循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中；在原核生物例如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。
三羧酸循环的主要反应产物见图6-10。
从产能的角度来看，如果把丙酮酸进入循环前的“入门反应”（gatewaystep）所产生的NADH+H+也计入的话，则每个丙酮酸分子的彻底氧化可高效地产生15个ATP。有关三羧酸循环的反应细节见图6-11。
从TCA循环在微生物物质代谢中的地位来看，它在一切分解代谢和合成代谢中都占有枢纽的地位，因而也与微生物大量发酵产物例如柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸等的生产密切相关（图6-12）。
柠檬酸是葡萄糖经TCA循环而形成的最有代表性的发酵产物，在工业发酵中应用的菌种一般为Aspergillusniger（黑曲霉），柠檬酸的产生机制见图6-13。从理论上来计算，1分子葡萄糖只能产生2/3分子的柠檬酸，即相当于每100g葡萄糖产生71.1g柠檬酸，可是，生产实践上却常可获得75～87g柠檬酸。用同位素14CO2作实验后证明，在柠檬酸合成过程中，还伴随着大量的CO2固定，这就解释了上面提到的现象。
以上已经介绍了以葡萄糖为代表的生物氧化底物的四条主要脱氢途径，并简要地介绍了它们在产能、产还原力、分解或合成代谢以及生产发酵产物中的重要作用，有关它们在产能效率方面的简单比较可见表6-3。
（二）递氢和受氢
在生物体中，贮存在葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的多种途径脱氢后，经过呼吸链（或称电子传递链）等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可以把生物氧化区分成呼吸（有氧呼吸）、无氧呼吸和发酵三种类型（图6-14）。
1．呼吸（respiration） 呼吸是一种最普遍和最重要的生物氧化方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链[RC，respiratorychain，又称电子传递链（ETC，electrontransportchain）]递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）。由于呼吸必须在有氧条件下进行，因此又称有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势不同的氢传递经（或电子传递体）组成的一组链状传递顺序，它能把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递给高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。
组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类外，都是一些含有辅酶或辅基的酶，正是依靠这些辅酶或辅基才能实现它们在呼吸链中所执行的氧化还原功能。每种辅酶或辅基在氧化与还原条件下，都有其特定的吸收光谱值，因此可通过分光光度计来确定呼吸链的组分及其所处的状态。在微生物中最重要的呼吸链的组分，有以下几种：
（1）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）*某些脱氢酶含有NAD+或NADP+形式的辅酶，能从还原性底物上移出1个氢离子（质子）和2个电子，而变成还原态的NAD（P）H+H+。它们的结构和引起的氧化还原反应见图6-15。
（2）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黄素单核苷酸（FMN） FAD和FMN是一类称为黄素蛋白（FP，flavoprotein）的脱氢酶的辅基，它们的活性基团是异咯嗪结构，其基本结构和递氢功能见图6-16。
（3）铁硫蛋白（Fe-S） 是传递电子的氧化还原载体，这类小分子蛋白的辅基是其分子中含铁硫（有些为“2Fe+2S”，另一些为“4Fe+4S”）的中心部分。铁硫蛋白存在于呼吸链的几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。此外，在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化中也有作用。在呼吸链中的“2Fe+2S”中心（图6-17）每次仅能传递一个电子。
（4）泛醌（辅酶Q） 是一类脂溶性的氢载体。泛醌广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；而革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌（MK或维生素K2）。醌类在呼吸链中的功能是传递氢，传递过程分两步进行，中间体是半醌。在呼吸链中，醌类的含量比其他组分多10～15倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢（还原力[H]）的作用，然后再将它们传递给细胞色素系统。泛醌的结构和功能见图6-18。
（5）细胞色素系统 细胞色素系统位于呼吸链的后端，它们的功能是传递电子而不是传递氢。它们只从泛醌中接受电子，同时将同等数目的质子推到线粒体膜（真核生物）或细胞膜（原核生物）外的溶液中。细胞色素按其吸收光谱和氧还电位的差别可分成多种类型，如cyt.a，cyt.a3，cyt.b，cyt.c和cyt.o等。它们都有血红素作为辅基，而血红素则通过其分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子。细胞色素a3即细胞色素氧化酶，它是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，
O2+4Fe2+→2O2-+4F3+
从而把氧分子激活。有关细胞色素在传递电子中的作用见图6-19。
不论在真核生物或原核生物中，呼吸链的主要组分都是类似的，一般为：NAD（P）→FP→Fe·S→CoQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3（图6-20）。然而，在原核生物中，各具体组分却有很大的变化。这种变化除了表现在不同种间外，在同一个种生活在不同的环境条件（例如生长期、碳源、末端电子受体等）下时也会发生明显的变化。在原核生物中，只有少数种如Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）和Alcaligeneseutrophus（真养产碱菌）的呼吸链与真核生物的呼吸链相似，因而John和Whalley（1975）就提出了一个关于线粒体起源的内共生学说。这一学说认为，由于早期的P．denitrificans与其宿主细胞共生，而使前者成为后者细胞内的线粒体。
与真核生物线粒体膜上的呼吸链相比，原核生物细胞膜上的呼吸链有几个主要差别（表6-4），尤其是：（1）氧还载体的取代性强：如CoQ可被MK（甲基萘醌）或DMK（脱甲基甲基萘醌）所取代，Cyt.a3可被Cyt.aa3、Cyt.o或Cyt.d所取代等；（2）氧还载体的数量可增可减，如E.coli的细胞色素就有9种以上；（3）有分支呼吸链的存在：除了前面已提及的来自不同底物的还原力[H]进入呼吸链的前端时有不同的分支外，主要是呼吸链后端细胞色素系统中的分支类型多。例如，E.coli在缺氧条件下，在CoQ后的呼吸链就分成两支，一支是Cyt.b556→Cyt.o，另一支是Cyt.b558→Cyt.d（这一支可抗氰化物抑制）；又如，在Azotobactervinelandii（维涅兰德固氮菌）的Cyt.b后，呼吸链可分出4条分支，等等。
呼吸链在传递氢或电子的过程中，通过与氧化磷酸化作用的偶联，产生了生物的通用能源——ATP。其中包括的机制，目前仍在继续研究中。至今能获得多数学者接受的是1978年诺贝尔奖获得者英国学者P．Mitchell在1961年所提出的化学渗透学说（chemiosmotichypothesis）。该学说认为，在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜的两侧分布的不均衡，亦即形成了质子梯度差（△μH+，或称质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP能量的来源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果，一方面消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。化学渗透学说的模式表示可见图6-21。
从图6-20中可以看出，在典型的呼吸链中，只有三处能提供合成ATP所需的足够能量。因此，在2[H]从NADH2传递至O2的过程中，只有三处能与磷酸化反应（ADP+Pi→ATP）相偶联，亦即只有3分子磷酸能参与有机磷化物ATP的合成。这种关系用数量来表示的话就称P/O比（即molATP/mol氧原子）。P/O比的高低表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。例如，以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物的线粒体能由2[H]产生3ATP，即P/O=3；而以琥珀酸为底物时，由于琥珀酸脱氢酶的辅基是黄素蛋白，因此只能从FP水平进入呼吸链，故由2[H]只能获得2个ATP，其P/O=2。
按化学渗透学说来看，生物的“通用能源”ATP是由跨膜的质子梯度差△μH+而产生的。因此，我们可以把质子梯度差理解成一个高水位的水源，ATP酶犹如一台水轮发电机，ATP则是由该发电机产生的电流。现把质子梯度差与ATP的相互关系及其在生命活动中的作用综合在图6-22中。
2．无氧呼吸（anaerobicrespiration） 无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。
根据呼吸链末端的最终氢受体的不同，可把无氧呼吸分成以下多种类型。
（1）硝酸盐呼吸（nitraterespiration） 又称反硝化作用（denitrification）。硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能，其一是在有氧或无氧条件下所进行的同化性硝酸盐还原作用，亦即微生物利用硝酸盐作为其氮源营养物的作用；其二是在无氧条件下，微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，这是一种异化性的硝酸盐还原作用，又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。上述两个还原过程的共同特点是硝酸盐都要经过一种含钼的硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸。
能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物即反硝化细菌，而专性厌氧微生物是无法进行硝酸盐呼吸的。反硝化细菌都有其完整的呼吸系统。只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需要的硝酸盐还原酶A（结合在膜上）和亚硝酸还原酶。能进行硝酸盐呼吸的细菌种类很多，例如Bacilluslicheniformis（地衣芽孢杆菌），Paracoccusdenitrificans[脱氮副球菌，以前称Micrococcusdenitrificans（脱氮小球菌）]，Pseudomonasaeruginosa（铜绿假单胞菌），Ps．stutzeri（斯氏假单胞菌）以及Thiobacillusdenitrificans（脱氮硫杆菌）等。
（2）硫酸盐呼吸（sulfaterespiration） 是一种由硫酸盐还原细菌（或称反硫化细菌）把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢受体的一种厌氧呼吸。这是一种异化性的硫酸盐还原作用。通过这一过程，微生物就可在无氧条件下借呼吸链的电子传递磷酸化而获得能量。
硫酸盐还原的最终产物是H2S，自然界中的大多数H2S是由这一反应产生的。
与硝酸盐还原细菌不同的是，硫酸盐还原细菌都是一些严格依赖于无氧环境的专性厌氧细菌，例如Desulfovibriodesulfuricans（脱硫脱硫弧菌），D．gigas（巨大脱硫弧菌），Desulfotomaculumnigrificans（致黑脱硫肠状菌）以及D．ruminis（瘤胃脱硫肠状菌）等。
（3）硫呼吸（sulphurrespiration） 这是近年来才发现的一种无氧呼吸类型。目前只知道Desulfuromonasacetoxidans（氧化乙酸脱硫单胞菌）能进行硫呼吸。其过程为，无机硫作为无氧呼吸链的最终氢受体，结果硫被还原成H2S。
（4）碳酸盐呼吸（carbonaterespiration） 是一类以CO2或重碳酸盐作为无氧呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物的不同，可分为两种类型，一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。有关它们的详细内容将在第九章第五节中讨论。
（5）延胡索酸呼吸（fumaraterespiration） 以往都是把琥珀酸的形成作为微生物的一般发酵产物来考虑的，可是，在延胡索酸呼吸中，延胡索酸却被充作无氧呼吸链的末端氢受体，而琥珀酸则是延胡索酸的还原产物。
许多兼性厌氧细菌，例如Escherichia（埃希氏杆菌属）、Proteus（变形杆菌属）、Salmonella（沙门氏菌属）和Klebsiella（克氏杆菌属）等肠杆菌，以及厌氧细菌例如Bacteroides（拟杆菌属）、Propionibacterium（丙酸杆菌属）和Vibriosuccinogenes（产琥珀酸弧菌）等，都能进行延胡索酸呼吸。在无氧条件下培养它们时，如在培养基中加入延胡索酸，就会促使其快速生长并有较高的细胞得率，其原因是它们可利用延胡索酸作为末端氢受体，从而可利用电子传递磷酸化产生大量的ATP。
3．发酵（fermentation） “发酵”这一名词用得十分普遍。在发酵工业上，发酵是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式；而在生物氧化或能量代谢中，发酵仅是指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应，即：
发酵的类型很多，以下拟从与EMP、HMP、ED途径有关的几类发酵和称作Stickland反应的独特氨基酸发酵这四个方面来加以讨论。
（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 丙酮酸是EMP途径的关键产物，由它出发，在不同的微生物中可进行多种发酵，例如，由Saccharomycescerevisiae（酿酒酵母）进行的酵母型酒精发酵；由Lactobacillusdelbruckii（德氏乳杆菌）等进行的同型乳酸发酵；由Propionibacteriumshermanii（谢氏丙酸杆菌）进行的丙酸发酵；由Enterobacteraerogenes（产气肠杆菌）等进行的2，3-丁二醇发酵；由E．coli等进行的混合酸发酵；以及由各种厌氧梭菌例如Clostridiumbutyricum（丁酸梭菌）、Cl．butylicum（丁醇梭菌）和Cl.acetobutylicum（丙酮丁醇梭菌）等所进行的丁酸型发酵等。通过这些发酵，微生物可获得其生命活动所需的能量，而对人类的生产实践来说，就可以通过工业发酵手段大规模地生产这类代谢产物。此外，某些特殊代谢产物还是鉴定菌种时的重要生化指标。例如，V．P．试验（Vogos-Prouskauertest）就是利用Enterobacteraerogenes能产生3-羟基丁酮（乙酰甲基甲醇）的原理来设计的。
现把从丙酮酸出发的6条发酵途径及其相互联系总结在图6-23中。
在以上的6条发酵途径中，Clostridiumacetobutyricum所进行的丙酮丁醇发酵，是迄今为止由严格厌氧菌所进行的唯一能大规模生产的发酵产品。该菌在利用玉米粉等淀粉原料发酵后，产生的是混合溶剂，其中的丙酮：丁醇：乙醇大体上为3：6：1（重量比）。其具体代谢途径见图6-24。
（2）通过HMP途径的发酵——异型乳酸发酵（heterolacticfermentation）凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多种产物的发酵称异型乳酸发酵；相对的如只产生2分子乳酸的发酵，则称同型乳酸发酵（homolacticfermentation）。
一些异型发酵乳酸杆菌例如Leuconostocmesenteroides（肠膜明串珠菌）、L．cremoris（乳脂明串珠菌）、Lactobacillusbrevis（短乳杆菌）、L．fermentum（发酵乳杆菌）和Bifidobacteriumbifidum（两歧双歧杆菌）等，因缺乏EMP途径中的若干重要酶——醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径。不同的微生物虽然都进行异型乳酸发酵，但其发酵途径和产物仍稍有不同。例如，Leuconostocmesenteroides的葡萄糖发酵产物为乳酸、乙醇和CO2，核糖的发酵产物为乳酸和乙酸，果糖的发酵产物为乳酸、乙酸、CO2和甘露醇（3果糖→乳酸+乙酸+CO2+2甘露醇）；又如，Bifidobacteriumbifidum可把葡萄糖发酵为乳酸和乙酸（2葡萄糖→2乳酸+3乙酸）。
当Leuconostocmesenteroids以葡萄糖为发酵底物时，所进行的总反应是：
而当其以核糖作发酵底物时，所进行的总反应则是：
现把L.mesenteroides利用葡萄糖和核糖作底物而进行的异型乳酸发酵总反应画在图6-25中。
在异型乳酸发酵过程中，由木酮糖-5-磷酸经磷酸转酮酶（phosphoketolase）产生乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸，然后分别产生乙酸和乙醇。其反应见图6-26。
现将异型乳酸发酵与同型乳酸发酵间的主要差别列在表6-5中。
（3）通过ED途径进行的发酵 通过ED途径的发酵就是指细菌的酒精发酵（详见ED途径）。至此，我们已讨论过的酒精发酵已有三个类型，即通过EMP途径的酵母酒精发酵、通过HMP途径（异型乳酸发酵）的细菌酒精发酵和通过ED途径的细菌酒精发酵。
与乳酸发酵相类似，因为葡萄糖通过EMP与ED途径都可产生2个乙醇分子，我们也可称其为“同型酒精发酵”（homoalcholicfermentation），而通过HMP途径的酒精发酵因1个葡萄糖分子会产生1分子乙醇和1分子乳酸，故我们也可称其为“异型酒精发酵”（heteroalcoholicfermentation）。现将它们的反应式分别列在下面。
①酵母的“同型酒精发酵”：由Saccharomycescerevisiae（酿酒酵母）等通过EMP途径进行。
葡萄糖+2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP
②细菌的“同型酒精发酵”：由Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）等通过ED途径进行。
葡萄糖+ADP+Pi→2乙醇+2CO2+ATP
③细菌的“异型酒精发酵”：由Leuconostocmesenteroides等通过HMP途径进行。
葡萄糖+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATP
此外，由于这三类酒精发酵所经过的途径是不同的，所以在发酵产物——乙醇分子上的碳原子来源也是不同的。如果将葡萄糖分子的不同碳原子进行14C标记，并测定14C在产物中的分布，则上述三条途径的差别可从图6-27中看到。
（4）氨基酸发酵产能——Stickland反应 34年，L．H．Stickland发现少数厌氧梭菌例如Clostridiumsporogenes（生孢梭菌）能利用一些氨基酸同时当作碳源、氮源和能源，经深入研究后，发现其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化与另一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的发酵方式。这种以一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基酸作氢受体而产能的独特发酵类型，称为Stickland反应。Stickland反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。
在Stickland反应中，作为氢供体的氨基酸主要有丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸和色氨酸等，作为氢受体的氨基酸主要有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和色氨酸等。现以丙氨酸和甘氨酸间的发酵反应为例（图6-28），来说明这种反应的生化机制。它们的总反应是：
除Clostridiumsporogenes外，还发现C.botulinum（肉毒梭菌）和C.sticklandii（斯氏梭菌）等也能进行Stickland反应。
（5）发酵中的产能反应 仅是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式，其产能方式只是通过底物水平的磷酸化，因而产能效率很低。
底物水平磷酸化可形成多种含高能磷酸的产物，例如EMP途径中的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇丙酮酸及异型乳酸发酵途径中的乙酰磷酸等。因前两者在生物化学课程中有详细的介绍，故这里仅介绍乙酰磷酸的形成及其产生ATP的反应。在不同厌氧菌的发酵过程中，有不同的方式形成乙酰磷酸，例如：
①在Lactobacillusdelbriuckii中由丙酮酸产生：
②许多原核厌氧微生物中由乙酰辅酶A产生：
③在Leuconostocmesenteroides中Bifidobacteriumbifidum中由木酮糖磷酸产生：
④在Bifidobacteriumbifidumk中还可由果糖磷酸产生：
有了乙酰磷酸后，只要经乙酸激酶的催化，就可完成底物水平磷酸化产能：
CH3CO-OPO3H2+ADPCH3COOH+ATP
这就是厌氧微生物产能的主要方式，并由此可知道它们的产能效率是很低的。
二、自养微生物的生物氧化、产能和CO2 固定
异养微生物和自养微生物在最初能源上尽管存在着巨大的差异，但它们生物氧化的本质却是相同的，即都包括脱氢、递氢和受氢三个阶段，其间经过与磷酸化反应相偶联，就可产生生命活动所需的通用能源——ATP。但从具体类型来看，自养微生物中的生物氧化与产能的类型很多、途径复杂，有些化能自养菌的生物氧化与产能过程至今还了解很少。不论是化能无机营养型还是光能无机营养型的微生物，在它们生命活动中最重要的反应就是把CO2 先还原成[CH2 O]水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分。这是一个大量耗能和耗还原力[H]的过程。在化能无机营养型微生物中，其所需能量ATP是通过还原态无机物经过生物氧化产生的，还原力[H]则是通过耗ATP的无机氢（H+ +e）的逆呼吸链传递而产生的；在光能自养型的微生物中，其ATP和[H]都是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或通过紫膜的光合磷酸化而获得的（图6-29）。
（一）生物氧化和产能
1．化能自养型化能自养菌为还原CO2 而需要的ATP和还原力[H]是通过氧化无机底物（NH4+、NO2- 、H2 S、S0 、H2 和Fe2+ 等）来实现的。其产能的途径主要也是借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应，因此，绝大多数化能自养菌是好氧菌。即使少数可进行厌氧生活的化能自养菌，也是利用以硝酸盐或碳酸盐代替氧的无氧呼吸。除呼吸链产能途径外，少数硫杆菌例如Thiobacillusthioparus（排硫硫杆菌）、T．denitrificans（脱氮硫杆菌）和T．ferrooxidans（氧化亚铁硫杆菌）当其生长在含无机硫化物环境下，还能部分地进行底物水平磷酸化产能。必须指出的是，化能自养微生物不仅在还原CO2 时需要消耗ATP，而且当其生产还原力[H]时，也要消耗许多ATP（图6-30）。这是因为，只有借输入ATP才能通过逆呼吸链的方式把无机氢（H+ +e）变成可用于还原CO2 的还原力[H]。这一情况，可以用抽水机把低水位的水重新回灌到高水位蓄水库去的例子来加以理解。
在所有还原态的无机物中，除了H2 的氧化还原电位比NAD+ ／NADH对较低外，其余都明显高于它，因此，在各种无机底物氧化时，都必须以其相应的位置进入呼吸链（图6-31），这就必然造成化能自养菌呼吸链的氧化磷酸化效率（P／O比）很低。
由于化能自养细菌的产能效率、生长速率和生长得率很低等原因，故对它们的生物氧化和能量代谢还研究得很少。与异养微生物相比，化能自养细菌的能量代谢主要有三个特点：①无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系。由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，直接进入呼吸链传递。这与异养微生物葡萄糖氧化要经过EMP和TCA等途径的复杂代谢过程不同。②呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可从任一组分进入呼吸链。③产能效率即P／O比一般要比异养微生物更低。
化能自养微生物种类很多，现以研究得较清楚的化能自养菌——硝化细菌和硫杆菌为例来加以说明。
（1）硝化细菌的能量代谢 Nitrobacter（硝化杆菌属）以亚硝酸作为能源，由于NO2- →NO3- 中只涉及2个电子的传递，所以对其机制研究得较为清楚。用同位素18 O的实验证明，在NO2- 氧化为NO3- 的过程中，氧来自水分子而非空气。当NO2- +H2 O→H2 O·NO2- →NO3- +2H+ +2e时，由于NO2- 的氧化还原电位很高，故H+ 和e只能从与其相当的Cyt．a1 部位进入呼吸链。2H+ +2e如果顺着呼吸链传递至O2 ，仅能产生1个ATP。而对CO2 还原所需要的大量还原力[H]则是通过H+ +e的逆呼吸链传递并消耗大量ATP后才能形成（图6-32）。由此不难理解，为什么硝化细菌的能量效率、生长速度和细胞产率是如此的低，同时还解释了为什么在硝化作用旺盛的土壤中，却只能找到很少量的硝化细菌菌体。
（2）硫细菌的能量代谢 硫细菌尤其是Thiobacillus（硫杆菌属）的能量代谢的研究近年来有很大进展。由于所有的硫杆菌都能在中性条件下以易溶于水且易测定的硫代硫酸盐作为能源，所以有利于开展对其代谢机制的研究。
硫杆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盐或APS途径，也不起主要作用。它们氧化无机硫化物的主要方式是通过呼吸链的氧化磷酸化途径。硫杆菌呼吸链的组成基本上与线粒体和原核生物中的Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）等革兰氏阴性异养细菌相似，即NADH2 脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、黄素蛋白（FP）、泛醌（CoQ）、细胞色素b（有的含2种）、细胞色素氧化酶aa3 等。在大多数硫杆菌中，从硫化物或硫代硫酸盐底物上脱下的电子经细胞色素C进入呼吸链，但在T．denitrificans中却例外地从黄素蛋白或细胞色素b水平上进入的。
能产生1个ATP。与硝化细菌等其他自养菌一样，硫杆菌还原CO2 所需要的还原力[H]，也是通过耗ATP的逆呼吸链传递而产生的。
2．光能自养型在讨论光能自养微生物的能量代谢前，有必要先简单介绍一下在自然界中具有光合作用的各类生物的特点和差异。现表解如下：
各种光合细菌都是原核生物，它们一齐被归纳在红螺菌目（Rhodospirillales）中。它们不能利用H2 O作为还原CO2 的氢供体，只能利用还原态的H2 S、H2 或有机物作为氢供体，故光合作用中不产生O2 ，因而它们进行的是一种不产氧光合作用（anoxygenicphotosynthesis）。在它们的细胞（单细胞）内因所含的菌绿素和类胡萝卜素的量和比例的不同，使菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫红、紫或褐等颜色。这是一群典型的水生菌，广泛地分布于深层（缺氧的）淡水或海水中。现将红螺菌目的科和主要属表解如下：
（1）循环光合磷酸化（cyclicPhotophosphorylation） 一种存在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称循环光合磷酸化。其特点是：①在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；②产ATP与产还原力[H]分别进行；③还原力来自H2 S等的无机氢供体；④不产生氧。
循环光合磷酸化的过程是：菌绿素分子在光照下被光量子所激发并逐出电子，这时菌绿素分子带正电荷。被逐出的电子经铁氧还蛋白、泛醌、细胞色素b和细胞色素f组成的类似于呼吸链的电子传递链传递后，重新返回带正电荷的菌绿素分子。这是一个完整的循环过程，在此过程中的Cyt．b与Cyt．f间有ATP的合成。其整个过程及其与Calvin循环间的联系，见图6-33。
（2）非循环光合磷酸化（noncyclicPhotophosphorylation） 这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。其特点是：①电子的传递途径属非循环式的；②在有氧条件下进行；③有两个光合系统，其中的色素系统Ⅰ（含叶绿素a）可以利用红光，色素系统Ⅱ（含叶绿素b）可利用蓝光；④反应中同时有ATP（产自系统Ⅱ）、还原力[H]（产自系统Ⅰ）和O2 产生；⑤还原力NADPH2 中的[H]是来自H2 O分子光解后的H+ 和e- 。
非循环光合磷酸化的过程是：H2 O通过光解作用产生了1／2O2 +2H+ +2e- ，其中的电子经过两个电子传递系统（Ⅰ和Ⅱ）接连传递，最终将电子传递给NADP+ 接受，于是产生了NADPH+H+ ，为还原CO2 提供了还原力，同时，在电子传递过程中还有两处发生光合磷酸化反应，产生供CO2 还原用的ATP。在两个传递系统中，系统Ⅱ有O2 和ATP产生，系统Ⅰ则有NADPH2 和ATP产生。整个过程见图6-34。
（3）嗜盐菌紫膜的光合作用 这是一种直至70年代才揭示的只有嗜盐菌才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。嗜盐菌是一类必须在高盐（3.5～5.0mol／LNaCl）环境中才能生长的古细菌（archaebacteria，参见第十一章）。它们广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上，常见的咸鱼上的紫红斑块就是嗜盐菌的细胞群。主要代表有Halobacteriumhalobium（盐生盐杆菌）和H.cutirubrum（红皮盐杆菌）等。
H.halobium是一种能运动的杆菌，因其细胞内含类胡萝卜素而使细胞呈红色、桔黄色或黄色。它们的细胞膜制备物可分成红色与紫色两部分，前者主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体，后者则十分特殊，在膜上呈斑片状（直径约0.5μm）独立分布，其总面积约占细胞膜面积的一半，这就是能进行独特光合作用的紫膜。含量占紫膜75％的是一种称作细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）的蛋白质，它与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种蛋白质——视紫红质（rhodopsin）十分相似，两者都以紫色的视黄醛（retinal）作辅基。
从70年代起，人们对视紫红质的功能作了研究并获得了重大的发现。首先，人们从有氧和无氧条件下对四种生理类型的微生物进行照光和黑暗培养，并测定其ATP的合成（表6-6）。结果发现，H.halobium可以生长在光照和氧都具备的条件下，但不能生长在两者都不存在的情况下。这就说明，嗜盐菌可通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的氧化磷酸化途径，另一条是有光存在下的某种光合磷酸化途径。实验还发现，在波长为550～600nm的光照下，其ATP合成速率最高，而这一波长范围恰与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。
目前认为，细菌视紫红质与叶绿素相象，在光量子的驱动下，具有质子泵的作用，这时它将产生的H+ 推出细胞膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差。根据化学渗透学说，这一质子动势在驱使H+ 通过ATP合成酶进入膜内而得到平衡时，就可合成细胞的通用能源ATP（图6-35）。嗜盐菌只有在环境中O2 浓度很低和有光照条件下才合成其紫膜。这时，通过正常的氧化磷酸化已无法满足其能量需要，因而转由紫膜的光合磷酸化来提供。
通过紫膜的光能转化而建立起来的质子梯度（△p）除了可驱动ATP合成外，还可为嗜盐菌在高盐环境下建立跨膜的Na+ 电化学梯度（△μNa+ ），并由此而完成一系列的生理生化功能（图6-36）。
嗜盐菌紫膜光合磷酸化功能的发现，使在经典的叶绿素和菌绿素所进行光合磷酸化之外又增添了一种新的光合作用类型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应，这是研究化学渗透作用的一个极好的实验模型，对它的研究正在大力开展。对其机制的揭示，将是生物学基本理论中的又一项重大突破，并无疑会对人类的生产实践例如太阳能的利用和海水的淡化等带来巨大的推动力。
（二）自养微生物的CO2 固定
各种自养微生物在生物氧化后所取得的能量主要用于CO2 固定。在微生物中，至今已了解的CO2 固定的途径有三条*，即Calvin循环、厌氧乙酰辅酶A途径和还原性三羧酸循环途径，现简述如下。1．Calvin循环（Calvincycle）也称Calvin-Bussham循环、核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖循环。这一循环是光能自养生物和化能自养生物固定CO2 的主要途径。磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶是本途径的特有酶。利用Calvin循环进行CO2 暗固定的生物除了绿色植物、蓝细菌和绝大多数光合细菌外，还包括全部好氧性的化能自养菌，因此十分重要。
Calvin循环的整个过程可分三个阶段。
（1）羧化反应 3个核酮糖-1，5-二磷酸（Ru-1，5-P）通过核酮糖二磷酸羧化酶将3个CO2 固定，并转变成6个3-磷酸甘油酸分子。
在循环中，这一基本反应进行3次，就可利用掺入的3个CO2 分子净产1个C3 分子。
（2）还原反应 紧接在羧化反应后，立即发生3-磷酸甘油酸上羟基还原成醛基的反应。这种转化是经过逆向EMP途径进行的，即通过3-磷酸甘油酸激酶和ATP使其磷酸化成1，3-二磷酸甘油酸，然后再通过甘油醛-3-磷酸脱氢酶用NAD（P）H2 使1，3-二磷酸甘油酸还原成甘油醛-3-磷酸。形成1个甘油醛-3-磷酸分子需要消耗6个ATP和6个NAD（P）H2 。
（3）CO2 受体的再生 在循环中除净产1个甘油醛-3-磷酸可进一步通过EMP途径的逆转而形成葡萄糖分子外，其余5个分子经过复杂的反应并消耗3个ATP后，最终再生出3个核酮糖-1，5-二磷酸分子，以便重新接受CO2 分子。
如果以产生1个葡萄糖分子来计算，则Calvin循环的总式为：
6CO2 +12NAD（P）H2 +18ATP→C6H12O6 +12NAD（P）+18ADP+18Pi
现把经精简后的Calvin循环途径列在图6-37中。
Calvin循环的最初产物是甘油醛-3-磷酸，然后再进一步合成细胞所需要的各种成分，即：
2．厌氧乙酰-辅酶A途径 厌氧乙酰辅酶A途径（anaerobicacetyl-CoApathway）又称活乙酸途径（activatedaceticacidPathway）。这是近年来在一些能利用氢的严格厌氧菌包括产甲菌、硫酸盐还原菌和产乙酸菌中发现的新的自养CO2 还原途径。它们不存在Calvin循环，因由乙酰-辅酶A途径来担任CO2 还原功能。实验是用Methanobacteriumthermoautotrophicum（热自养甲烷杆菌）并结合同位素方法来进行的。初步研究的结果见图6-38。
从图6-38中可以看出，在厌氧乙酰-辅酶A的CO2 还原途径中，1分子CO2 先被还原力[H]（通过含F420因子①或NADP的酶所转移）还原成甲醇水平（甲基-X），另一分子CO2 则被一氧化碳脱氢酶还原成一氧化碳。通过甲基-X的羧化产生乙酰-X，进而形成乙酰-COA，在丙酮酸合成酶的催化下，由乙酰-CoA接受第3个CO2 分子而羧化成丙酮酸。然后就可由丙酮酸通过已知代谢途径去合成细胞所需要的各种有机物。
3．还原性TCA循环途径 通过还原性TCA循环（reductivetricarboxylicacidcycle）而固定CO2 的途径只是在少数光合细菌例如Chlorobiumthiosulfatophilum（嗜硫代硫酸盐绿菌）中才能找到。在这一途径中，CO2 通过琥珀酰-COA的还原性羧化作用而被固定，即：
值得指出的是，通过对以上三类自养微生物CO2 固定的比较后，发现厌氧CO2 固定要比好氧CO2 固定更为经济有效。例如，3molCO2 经厌氧的乙酰-辅酶A途径合成1mol甘油醛-3-磷酸只需要消耗3molATP；通过还原性TCA循环途径相应地需要5molATP；而通过Calvin循环则需要9molATP。
第二节 分解代谢和合成代谢间的联系
在本章一开始就已讲过，分解代谢与合成代谢间有着极其密切的联系。可以说，分解代谢的功能在于保证正常合成代谢的进行，而合成代谢又反过来为分解代谢创造了更好的条件，两者相互联系，促进了生物个体的生长繁殖和种族的繁荣发展。分解代谢和合成代谢的相互关系可见图6-39。
在分解代谢的三类产物中，有关能量（ATP）及还原力[H]问题已在第一节中作了较详细的讨论，本节将着重讨论联结分解与合成代谢的一些重要中间代谢物的来源。这些中间代谢物一共有12种（表6-7），如果在生物体中只进行能量代谢，则有机能源的最终结局只是产生ATP、H2 O和CO2 ，这时便没有任何中间代谢物可供累积，因此，合成代谢也不可能正常进行。相反，如果要进行正常的合成代谢，又须抽走大量为分解代谢正常进行所必需的中间代谢物，结果也势必影响具有循环机制的分解代谢的正常运转。
为解决上述矛盾，生物体在其长期进化过程中，发展了以下两类独特功能的代谢途径。
一、兼用代谢途径（amphibolic pathway）
凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称兼用代谢途径。从表6-7中可知，EMP、HMP和TCA循环是重要的兼用代谢途径。例如，TCA循环不仅包含着丙酮酸和乙酰-CoA的氧化，而且还包含了琥珀酰-CoA、草酰乙酸和α-酮戊二酸等的产生，它们是合成氨基酸和卟啉等化合物的重要中间代谢物；又如，葡萄糖通过EMP途径可以分解为2个丙酮酸，反之，两个丙酮酸也可通过EMP途径的逆转而合成1个葡萄糖，这就是葡糖异生作用（gluconeogenesis）。必须指出的是，①在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转，即催化两个方向中的同一反应并不是总是用同一种酶来进行的。例如，在上述的葡糖异生作用中，有两个酶与分解代谢时不同，即由果糖二磷酸酯酶（而不是磷酸果糖激酶）来催化果糖-1，6-二磷酸至果糖-6-磷酸的反应，而由葡萄糖-6-磷酸酯酶（而不是己糖激酶）来催化葡萄糖-6-磷酸至葡萄糖的反应。②在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。③在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在细胞的不同区域中分隔进行，即合成代谢一般在细胞质中进行，而分解代谢则多在线粒体和微粒体中进行，这就有利于两者可同时有条不紊地运转。原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行（见第四节）。
二、代谢物回补顺序（anaplerotic sequence）
微生物在正常情况下，为进行生长、繁殖的需要，必须从分解代谢途径中取得大量中间代谢物以满足其合成细胞基本物质——糖类、氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和维生素等的需要。这样一来，势必又造成了分解代谢不能正常运转并进而影响产能功能的严重后果。例如，在TCA循环中，如果因合成谷氨酸而抽去了α-酮戊二酸，就会使循环中断。中间代谢物的回补顺序就是为解决这一矛盾而发展起来的。所谓回补顺序，又称补偿途径或添补途径（replenishmentpathway），就是指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应。这样，当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被大量用作生物合成的原料时，仍可保证能量代谢的正常进行。例如，在通常情况下，TCA循环中约有一半的中间代谢物被抽作合成氨基酸和嘧啶的原料。
不同的微生物和在不同的碳源条件下，有不同的回补顺序。与EMP和TCA循环有关的回补顺序约有10条，它们都围绕着回补EMP途径中的磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）和TCA循环中的草酰乙酸（oxaloacetate，OA）这两种关键性中间代谢物。现将其中最重要的途径表解如下：
（一）合成草酰乙酸（OA）的回补顺序
草酰乙酸是保证TCA循环正常运转中的一个关键性中间代谢物，缺少它时，乙酰-CoA就无法进入此循环，从而不能产能或形成其他中间代谢物。合成草酰乙酸的回补顺序有以下两类。
1．用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成OA 当微生物生长在葡萄糖或其他3碳化合物如丙酮酸、乳酸或甘油等碳源上时，可以利用以下两条途径来补充草酰乙酸：
（1）由PEP羧化酶（PEPcarboxylase）催化磷酸烯醇丙酮酸为草酰乙酸。
（2）由丙酮酸羧化酶（Py carboxylase）催化丙酮酸为草酰之酸
2．用乙酸等2碳化合物作碳源合成OA 以乙酸、乙醇、烃类或脂肪酸等2碳化合物作为唯一碳源上的微生物，例如许多细菌、真菌、藻类和原生动物等，其产生草酰乙酸的回补顺序是由独特的乙醛酸循环（glyoxy-latecycle）或称Krebs-Kornberg循环来完成的。
凡能利用乙酸为唯一碳源或能源的微生物，都证明存在着乙醛酸循环。这类微生物的种类很多，如细菌中的Acetobacter（醋杆菌属）、Azotobacter（固氮菌属）、E.coli、Enterobacteraerogenes（产气肠杆菌）、Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonasfluorescens（荧光假单胞菌）和Rhodospirillum（红螺菌属）等，真菌中的Saccharomyces（酵母属）、Aspergillusniger（黑曲霉）和Penicillium（青霉属）等。
乙醛酸循环这种回补顺序主要是通过两种独特酶来实现的。其一是异柠檬酸裂合酶（isocitratelyase），它催化异柠檬酸裂解成琥珀酸和乙醛酸的反应：
另一为苹果酸合梅，它催化2个2碳化合物——乙酰-CoA和乙醛酸缩合为苹果酸的反应：
通过这两种酶的合作，就可把1分子异柠檬酸和1分子乙酰-CoA转化成2分子4碳二羧酸，然后再进一步借苹果酸脱氢酶和丙酮酸羧化酶转化成丙酮酸或借磷酸烯醇丙酮酸激酶转化成磷酸烯醇丙酮酸，从而可通过葡糖异生作用合成葡萄糖，另一方面它们还可供柠檬酸合酶合成草酰乙酸，从而为生物合成提供更多的原料。乙醛酸循环常与TCA循环同时存在，相互补充，借以充分发挥TCA循环的产能功能和乙醛酸循环的中间代谢物回补功能（图6-40）。
从图6-40中可知，乙醛酸循环每周转一次可把2个2碳化合物（乙酸）合成1个4碳化合物（琥珀酸），即：
（二）合成磷酸烯醇丙酮酸（PEP）的回补顺序
磷酸烯醇丙酮酸是EMP途径中的重要中间代谢物。当PEP的来源充足时，微生物就可通过合适反应合成有关成分，也可通过葡糖异生作用合成己糖。
1．用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成PEP
（1）丙酮酸通过磷酸烯醇丙酮酸合酶（PEPsynthase）产生磷酸烯醇丙酮酸
（2）丙酮酸通过丙酮酸磷酸双激酶（pyruvatephosphatedikinase）产生磷酸烯醇丙酮酸
2．用乙酸等2碳化合物作碳源合成PEP 当某些微生物生长在以2碳化合物乙酸等作为唯一碳源的培养基上时，它们可以通过上述的乙醛酸循环合成草酰乙酸，有了草酰乙酸后，就可以进一步通过以下两种途径产生磷酸烯醇丙酮酸。
（1）草酰乙酸由PEP羧激酶（PEPcarboxykinase）催化产生磷酸烯醇丙酮酸
（2）草酰乙酸由PEP羧转磷酸酶（PEPcarboxytransphosphorylase）催化产生磷酸烯醇丙酮酸
以上已较详细地把若干最重要的中间代谢物的回补顺序作了介绍，现把它们综合在图6-41中。
第三节 微生物独特合成代谢途径举例
对一切生物所共有的重要物质如糖类、蛋白质、核酸、脂类和维生素等的合成代谢知识是生物化学课程的重点讨论内容，因此不打算在这里重复。本章要讨论的只是为微生物所特有的合成代谢类型，它们的种类很多，例如生物固氮，各种结构大分子、细胞贮藏物和很多次生代谢产物的生物合成等。以下我们仅选其中的生物固氮和细菌细胞壁肽聚糖的生物合成为例来作比较详细的介绍。
一、生物固氮
如果把光合作用看作是地球上最重要的生物化学反应的话，则生物固氮应当是地球上仅次于光合作用的第二个最重要的生物化学反应。生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。这是一种极其温和的生物化学反应，它比人类发明的利用铁催化剂、在高温（约300℃）、高压（约300个大气压）下的化学固氮要优越得多。
（一）固氮微生物的种类自1886年M．W．Beijerinck分离到共生固氮的根瘤菌后，至今所研究过的固氮生物约有50多属和100多种，它们都是原核生物。以下分别按自生固氮菌（能独立进行固氮的微生物）、共生固氮菌（必须与它种生物共生在一起时才能固氮的微生物）和联合固氮菌（必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物）三类分别来作表解式的介绍。
1．自生固氮菌
2．共生固氮菌
* 表解中列出的许多属并不是它所包括的所有种都能固氮。
3．联合固氮菌
（二）固氮的生化机制
生物固氮是一个极其重要的生化反应过程，因此一向受到研究者的高度重视。可是长期来由于对固氮酶这种生物催化剂的高度氧敏感性未予认识，因此无法进行深入研究。1960年，J．E．Carnahan等从Clostridiumpasteurianum（巴氏梭菌）这一厌氧菌中获得了具有固氮活性的无细胞抽提液，实现了分子氮还原为氨的实验。1966年，L．Mortenson等从C．pasteurianum和Azoto-bactervinelandii（维涅兰德固氮菌）的细胞抽提液中，分离出两种半纯的固氮蛋白——钼铁蛋白和铁蛋白。至1970年，R．C．Burns等才获得固氮钼铁蛋白的白色针状结晶。从此，固氮的生化和遗传机制的研究才蓬勃开展起来。
（1）ATP的供应 固氮过程中需要消耗大量的能量，据试验，固定1molN2约要消耗10～15molATP。这些ATP是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合作用所提供的。
（2）还原力[H]及其载体 固氮过程所需要的大量还原力[H]或电子由NAD（P）H2所提供，它们由电子载体铁氧还蛋白（Fd，ferredoxin）或黄素氧还蛋白（Fld，flavodoxin）传递至铁蛋白。此外，H2（在氢化酶作用下形成H+e）、丙酮酸、甲酸、连二亚硫酸盐（一种人工还原剂）或异柠檬酸等也可在不同微生物中作为氢供体。Fd或Fld是一类在低氧化还原势下的电子传递体。Fd是一种铁硫蛋白，它存在于许多微生物中，含等摩尔的铁和不稳态硫（在酸化时能以H2S形式释放），参与固氮、光合作用以及释放和利用H2的反应；而Fld则是一种黄素蛋白，在许多反应中有取代Fd的功能。每1分子Fld中含1分子FMN，但不含金属或不稳态硫。此外，在A．vinelandii中，还含有一种特殊的Fld，称为“固氮黄素”（azotoflavin）。
（3）固氮酶（nitrogenase） 从各种不同生理类型的固氮微生物中，都可以抽提到结构相同的固氮酶。它含有两种成分——组分Ⅰ（P1）和组分Ⅱ（P2）。组分Ⅰ是真正的“固氮酶”，又称钼铁蛋白（MF）或钼铁氧还蛋白（MoFd，molebdoferredoxin）；组分Ⅱ实质上是一种“固氮酶还原酶”，又称铁蛋白（F）或固氮铁氧还蛋白（AzoFd，azoferredoxin）。有关组分Ⅰ和组分Ⅱ的结构、功能及其活性中心等的比较可见表6-8。
（4）还原底物N2（有NH3存在时会抑制固氮作用）
（5）镁离子
（6）严格的厌氧微环境
2．固氮酶活力的测定测定固氮酶活力的方法很多。经典的方法有粗放的微量克氏定氮法和烦琐的同位素法等。1966年，M．J．Dilworth和R．Scholhorn等分别发表了既灵敏又简便的乙炔还原法来测定固氮酶的活性，从而大大促进了固氮生化的研究。
已知所有的固氮酶除了能催化N2→NH3的反应外，还能催化以下多种有关反应：
①N2O→N2+H2O
②N3-→N2+NH3
③C2H2→C2H4
④HCN→CH4+NH3+[CH3NH2]
⑤CH3NC→CH4+CH3NH2+[C2H4，C2H6]
在其中的C2H2（乙炔）→C2H4（乙烯）反应中，这两种气体即使在很低浓度下，也能方便地用气相色谱仪测定出来。由于此反应的灵敏度高、设备简单、成本低廉和操作简便，使之迅速成为各固氮研究实验室中的常规方法，它不仅可用于纯酶制剂固氮活力的测定，也可用于天然固氮生态系统固氮活力的研究。
3．固氮的生化途径固氮反应的总式为：
N2+6e+6H++12ATP→2NH3+12ADP+12Pi
固氮过程及其细节可见图6-42。
从图6-42中可以看出，整个固氮过程主要有以下几个环节：①由Fd或Fld向氧化型组分Ⅱ的铁原子提供一个电子，使其还原；②还原型的组分Ⅱ与ATP-Mg结合后，改变了自己的构象；③组分Ⅰ在含Mo的位点上与分子氮结合，并与组分Ⅱ-Mg-ATP复合物反应，形成一个1∶1复合物，即固氮酶；④在固氮酶分子上，有一个电子从组分Ⅱ-Mg-ATP复合物转移到组分Ⅰ的铁原子上，使组分Ⅱ重新转变成氧化态，同时ATP也就水解成ADP+Pi；⑤通过以上电子转移过程连续6次（用打点子的箭头表示）的运转，才可使组分Ⅰ释放出2个NH3分子。还须指出的是，在以上过程中，固氮酶必须始终受活细胞中各种“氧障”的严密保护，以防固氮酶遇氧分子而发生不可逆的失活。
N2分子经固氮酶的催化而还原成NH3后，就可通过下述途径（图6-43）与相应的酮酸结合而形成各种氨基酸。
图6-43的总反应为：NH4++α-酮酸→相应的氨基酸。例如，由丙酮酸形成丙氨酸，由α-酮戊二酸形成谷氨酸，由草酰乙酸形成天冬氨酸等。有了氨基酸后，就可进一步合成蛋白质和其他有关化合物了。
4．固氮酶的氢反应固氮酶除能催化N2→NH3外，还具有催化2H+→H2反应的氢酶活性。当固氮菌生活在缺N2条件下时，其固氮酶可将H+全部还原成H2；在有N2条件下，固氮酶也总是只把75％的还原力[H]去还原N2，而把另外25％的[H]以形成H2的方式浪费掉了：
N2+8H++8e+16Mg-ATP→2NH3+H2+16Mg-ADP+16Pi
然而，在大多数的固氮菌中，还含有另一种经典的氢酶，它能将被固氮酶浪费的分子氢重新激活，以回收一部分还原力[H]和ATP。
（三）好氧性固氮菌固氮酶的抗氧机制
前已述及，固氮酶的两个蛋白组分对氧是极端敏感的，而且一旦遇氧就很快导致不可逆的失活，例如，组分Ⅱ（铁蛋白）一般只要在空气中暴露45秒钟即会丧失一半活性，组分Ⅰ（钼铁蛋白）虽稍稳定，但一般在空气中的活性半衰期也只有10分钟。当然，来自不同微生物的钼铁蛋白，其氧敏感性是不同的（表6-9）。
事实上，大多数的固氮菌都是好氧菌，它们需要利用氧气进行呼吸和产生能量。固氮菌在其漫长的进化过程中，发展出多种机制来解决其既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾。
1．好氧性自生固氮菌的保护机制
（1）呼吸保护 指固氮菌以较强的呼吸作用迅速地将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，并以此来保护固氮酶不受氧的损伤。
属于固氮菌科（Azotobacteriaceae）的固氮菌，都有特别高的呼吸强度。例如，把生长在低氧分压下的A．vinelandii突然转移到高氧分压条件下时，可发现其呼吸强度和NADPH2脱氢酶活性同时增高，细胞色素a2的含量也增加，而氧化磷酸化的效率却明显降低。其原因是细胞动用了一套以耗费碳源来去除氧以保护固氮酶的呼吸系统，据研究，这是因为它们利用了一条分支的、与磷酸化解偶联的呼吸链。
（2）构象保护 当固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象，称为构象保护。在对A．vinelandii和A．chroococcum的研究中，发现固氮酶的构象保护是由于该酶与一个或几个蛋白质或磷脂等稳定因子的结合而引起的。例如，已在这两种菌中分离和纯化了具有构象保护功能的蛋白因子，即Fe-S蛋白Ⅱ。它是一种2Fe-2S的耐氧蛋白。来源于A．vinelandii的，称AvP（分子量为15000，是单体），来源于A．chroococcum者，称AcP（分子量为24000～30000，有两个亚基）。实验发现，当Fe-S蛋白Ⅱ与固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白都处于氧化状态且有Mg2+存在时，三者可形成耐氧的大分子复合物。反之，当它们处于还原状态时，可发生解离，并重新出现固氮活性。
呼吸保护与构象保护两者相互协调，组成一个“双保险”式的保护机制。在一般情况下，可通过呼吸保护来去除多余的氧，如果它还不足以去除过量分子氧时，则可进一步利用构象保护使固氮酶达到可逆性抑制状态，以渡过不良的环境条件。
2．蓝细菌固氮酶的保护 蓝细菌是一类放氧性光合生物（oxygenicphototrophs），在光照下，会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度增高，但同时它又有厌氧的固氮系统，因此，在其长期进化过程中就发展出种种保护固氮酶免受氧损伤的独特机制。
（1）分化出特殊的还原性异形胞 在第二章第三节中，我们已初步讨论过蓝细菌异形胞的结构和功能。在具有异形胞分化的蓝细菌中，固氮作用只有在异形胞中才能进行。异形胞的体积较营养细胞大，细胞外有一层由糖脂组成的片层式的较厚外膜，它具有阻止氧气扩散入细胞内的物理屏障作用；异形胞内缺乏产氧光合系统Ⅱ，加上脱氢酶和氢酶活性高，使异形胞能维持很强的还原态；其中超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，简称SOD，详见第七章第三节）的活性很高，有解除氧毒害的功能；此外，异形胞还有比邻近营养细胞高出约2倍的呼吸强度，借此可消耗过多的氧和产生对固氮所必要的ATP。
（2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护 这类蓝细菌一般缺乏独特的防止氧对固氮酶的损伤机制。在它们之中，有的采用将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔（黑暗下固氮，光照下进行光合作用），如（织线蓝菌属）等；有的则形成束状群体，在其中央处于厌氧环境下的细胞失去光合系统Ⅱ，有利于固氮酶在微氧环境下进行固氮作用，如Trichodesmium（束毛蓝菌属）；有的则在固氮酶活性高时，细胞内用以除去有毒过氧化物的过氧化物酶和SOD的活力也均提高，如Gloeocapsa（粘球蓝菌属）等。
3．根瘤菌固氮酶的抗氧保护
（1）豆科植物共生根瘤菌 根瘤菌以只能生长不能分裂的类菌体（bacteroids）形式存在于豆科植物的根瘤中。许多类菌体被包在一层类菌体周膜（peribacterialmembrane，简称pbm）中，维持了一个良好的氧、氮和营养环境。最重要的是在这层膜的内外都存在着一种独特的豆血红蛋白（leghaemoglobin）。豆血红蛋白是一种氧结合蛋白，可将氧输送给根瘤中的类菌体，由于它与氧的亲合力极强（可使氧浓度比周围环境降低8万倍），因此，又可防止局部氧浓度增高，从而避免了固氮酶被氧所损伤。豆血红蛋白就像一种缓冲剂，可在根瘤中调节氧的浓度，使它稳定在对固氮酶最合适的范围内。已知在豆血红蛋白中的蛋白部分是由根瘤菌触发，再由植物基因所编码和合成，而其血红素部分则由植物所触发，再由根瘤菌基因所编码和合成，两者达到极其默契的共生状态。
（2）非豆科植物共生根瘤菌 1973年才发现的一种生长在非洲的榆科植物——Parasponia（糙叶山黄麻），是首次发现的在根瘤中共生着根瘤菌（豇豆根瘤菌）的非豆科植物。在其根瘤中虽未发现豆血红蛋白，但却含有能可逆地与氧相结合的植物血红蛋白，它在菌体内也起着氧载体的作用。在赤杨、杨梅、木麻黄等非豆科木本植物的根瘤中，存在着共生的Frankia（弗兰克氏菌属）放线菌。目前初步知道Frankia的营养菌丝的末端可膨大成一球形囊，称为泡囊，这是它的固氮部位。泡囊与蓝细菌中的异形胞相似，具有保护固氮酶免受分子氧损伤的特殊功能。
二、微生物结构大分子——肽聚糖的合成
微生物所特有的结构大分子的种类很多，例如原核生物中的肽聚糖、磷壁酸、脂多糖以及各种荚膜成分等，真核生物中的葡聚糖、甘聚糖、纤维素和几丁质等。
肽聚糖是绝大多数原核生物细胞壁所含有的独特成分；它在细菌的生命活动中有着重要的功能（详见第二章），尤其是许多重要抗生素例如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selectivetoxicity）的物质基础；加之它的合成机制复杂，并在细胞膜外进行最终装配步骤，因此，这里就以它为例，来讨论这一有代表性的微生物结构大分子是如何合成的。
整个肽聚糖合成过程的步骤极多（近20步），根据反应是在细胞质中、细胞膜上或是在细胞膜外进行，可把它明显地划分成三个阶段（图6-44）。
（一）在细胞质中的合成
1．由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸
2．由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸这一过程共有4步反应，它们都需尿嘧啶二磷酸（UDP）作为糖载体，另外还有合成D-丙氨酰-D-丙氨酸的2步反应，它们可被环丝氨酸（恶唑霉素）所抑制（图6-45）。
（二）在细胞膜中的合成
由“Park”核苷酸合成肽聚糖单体分子是在细胞膜上进行的。由于细胞膜是疏水性的，所以，要把在细胞质中合成的亲水性化合物“Park”核苷酸穿入细胞膜并进一步接上N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后把肽聚糖单体（即双糖肽亚单位）插入到细胞膜外的细胞壁生长点处，必须通过一种称作细菌萜醇（bactoprenol）的类脂载体的运送。
类脂载体是一种含11个异戊二烯单位的C55类异戊二烯醇，它可通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸分子相接，使糖的中间代谢物呈现很强的疏水性，从而使它能顺利通过疏水性很强的细胞膜并转移到膜外。类脂载体的结构为：
类脂载体除在肽聚糖的合成中具有重要作用外，还可参与微生物多种胞外多糖和脂多糖的生物合成，例如细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌的纤维素，以及真菌的几丁质和甘露聚糖等。
由“Park”核苷酸合成肽聚糖单体可分3步进行，再加上有关步骤总计有5步，其详细过程见图6-46。
（三）在细胞膜外的合成
就象装运到建筑工地上的一个个“预制件”被逐个安装到大厦上的适当部位就可组装成一座雄伟壮丽的大厦那样，从焦磷酸类脂载体上脱下来的肽聚糖单体，被运送到细胞膜外正在活跃合成肽聚糖的部位，在那里，必须有现成的细胞壁残余（至少含有6～8个肽聚糖单体）作为引物，然后，肽聚糖单体与引物分子间先发生转糖基作用（transglycosylation），使多糖链横向延伸一个双糖单位，然后再通过转肽酶（transpeptidase）的转肽作用（transpeptidation），再使前后两条多糖链间通过形成甘氨酸五肽“桥”而发生纵向交联。甲乙两肽尾间的五甘氨酸肽桥是这样形成的：通过转肽酶的作用，在甲肽尾五甘氨酸肽的游离氨基端与乙肽尾的第四个氨基酸——D-Ala的游离羧基间形成一个肽键，而使两者交联。这时，乙肽尾从原有的五肽变成正常肽聚糖分子中的四肽尾了。必须指出的是，以上过程是以Staph．aureas为材料研究出来的，而在其他原核生物中还有别的肽桥类型或根本不存在什么肽桥（见第二章）。有关转糖基作用和转肽作用的反应见图6-47。
从图6-47中可以看出，转肽酶的转肽作用可被青霉素所抑制。其作用机制是：青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D-丙氨酰D-丙氨酸的结构类似物（图6-48），它们两者可相互竞争转肽酶的活力中心。当转肽酶与青霉素结合后，因前后两个肽聚糖单体间的肽桥无法交联，因此只能合成缺乏正常机械强度的缺损“肽聚糖”，从而形成了细胞壁缺损的细胞，例如原生质体或球状体等，它们在渗透压变动的不利环境下，极易因破裂而死亡。因为青霉素的作用机制在于抑制肽聚糖的生物合成，因此对处于生长繁殖旺盛期的微生物具有明显的抑制作用，而对处于生长休止期的细胞（restcell），则无抑制作用。
第四节 微生物的代谢调控与发酵生产
微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。有人估计，在大肠杆菌细胞中，同时存在着2500种左右的蛋白，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。如果细胞平均使用蛋白质，由于每个细菌细胞的体积只够装约10万个蛋白质分子，所以每种酶平均还分配不到100个分子。在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。例如，在每种微生物的遗传因子上，虽然潜在着合成各种分解酶的能力，但是除了一部分是属于经常以较高浓度存在的组成酶（constitutiveen-zyme）外，大量的都是属于只有当其分解底物或有关诱导物存在时才合成的诱导酶（induceden-zyme或inducibleenzyme）。据估计，诱导酶的总量约占细胞总蛋白含量的10％。通过代谢调节，微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
微生物细胞的代谢调节方式很多，例如可调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力，通过酶的定位以限制它与相应底物的接近，以及调节代谢流等。其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是“粗调”，即调节酶的合成量，二是“细调”，即调节现成酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果。
利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株。有关的实际例子将在本节后部分进行介绍。
以下将以原核生物为对象来讨论微生物的代谢调节及其工业应用。
一、酶活性的调节
酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。酶活性的激活系指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进，例如Streptococcusfeacalis（粪链球菌）的乳酸脱氢酶活性可被果糖-1，6-二磷酸所促进，或Neu-rosporacrassa（粗糙脉孢菌）的异柠檬酸脱氢酶的活性会受柠檬酸促进等。酶活性的抑制主要是反馈抑制（feed-backinhibition），它主要表现在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积（图6-49）。反馈抑制具有作用直接、效果快速以及当末端产物浓度降低时又可重新解除等优点。
（一）反馈抑制的类型
1．直线式代谢途径中的反馈抑制 这是一种最简单的反馈抑制类型。例如E．coli在合成异亮氨酸时，因合成产物过多可抑制途径中第一个酶——苏氨酸脱氨酶的活性，从而使α-酮丁酸及其后一系列中间代谢物都无法合成，最终导致异亮氨酸合成的停止（图6-50）；另外，Corynebacteriumglutamicum（谷氨酸棒杆菌）利用谷氨酸合成精氨酸也是直线式反馈抑制的典型例子。
2．分支代谢途径中的反馈抑制在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂。为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物已发展出多种调节方式。
（1）同功酶调节 同功酶（isoenzyme）又称同工酶，是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却存在着差别。同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。如图6-51中A→B的反应由三个同功酶a、b、c所催化，它们分别受最终产物E、G、H所抑制，这样，当环境中只有一种最终产物过多时就只能抑制相应酶的活力，而不致影响其他几种最终产物的形成。
通过同功酶进行反馈抑制的实例很多，例如在E．coli的赖氨酸和苏氨酸合成中，天冬氨酸激酶Ⅰ和同型丝氨酸脱氢酶Ⅰ可被苏氨酸所抑制；天冬氨酸激酶Ⅲ可被赖氨酸所抑制（见图6-52）。
（2）协同反馈抑制（concertedfeedbackinhibition） 指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式（图6-53）。例如Corynebacteriumglutamicum或Bacilluspolymyxa（多粘芽孢杆菌）在合成天冬氨酸族氨基酸时，天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制，如果仅苏氨酸或赖氨酸过量，并不能引起抑制作用。
（3）合作反馈抑制（cooperativefeedbackinhibition） 又称增效反馈抑制，系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用（图6-54）。例如，AMP和GMP虽可分别抑制PRPP（磷酸核糖焦磷酸酶），但两者同时存在时抑制效果却要大得多。
（4）累积反馈抑制（cumulativefeedbackinhibition） 每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。在各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用（图6-55）。
累积反馈抑制最早在E．coli的谷氨酰胺合成酶调节中发现，该酶受8个最终产物的累积反馈抑制，只有当它们同时存在时，酶活力才被全部抑制（图6-56）。如色氨酸单独存在时，可抑制酶活力的16％，CTP相应为14％，氨基甲酰磷酸为13％，AMP为41％。这4种末端产物同时存在时，}
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微生物的代谢调控与发酵生产
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《食品微生物学》复习思考题
4． 巴斯德灭菌后仍存活
D. 嗜盐菌 5． 生活在高盐环境中
E. 嗜高渗微生物 6． 在高压下旺盛生长
F. 微好氧菌 7． 生活在pH7.0
G. 嗜盐嗜压细菌 8． 喜欢酸性环境
H. 嗜压微生物 9． 利用二氧化碳
I. 嗜热微生物 10．生活在稍微有氧的环境
J. 异养微生物
五、问答题： 1． 为什么微生物的营养类型多种多样，而动植物营养类型则相对单一？ 2． 采取什么方法能分离到能分解并利用苯作为碳源和能源物质的细菌纯培养物？ 3． 与促进扩散相比，微生物通过主动运输吸收营养物质的优点是什么？ 4． 什么叫微生物的营养类型，试以能源为主、碳源为辅对微生物的营养类型进行分类？ 5． 什么叫自养微生物，它们有几种生理类型？ 6． 什么叫生长因子，它包括哪几类化合物？ 7． 什么叫(aw)，它对微生物的生命活动有何影响？ 8． 什么是选择性培养基，试举一例并分析其中的原理？ 9． 什么是鉴别性培养基，试举例分析其鉴别作用和原理？ 10. 什么叫碳氮比？ 11．何为固体培养基，它有何用途？ 12．试分析影响微生物生长的主要环境因素及它们影响微生物生长繁殖的机理？ 13．细菌的生长繁殖与高等动植物有哪些异同，与丝状真菌又有哪些异同？ 14．测定微生物生长有何意义，常用微生物生长测定方法有哪些？ 15．控制微生物生长繁殖的主要方法及原理有哪些？ 16．细菌耐药性机理是哪些，如何避免抗药性的产生？ 17．试举例说明日常生活中的防腐、消毒和灭菌及其原理？ 18．细菌肥料是由相关的不同微生物组成的一个菌群并通过混合培养得到的一种产品。活菌数的多少是质量好坏的一个重要指标之一。但在质量检查中，有时数据相差很大。请分析产生这种现象的原因及如何克服？ 19．何为纯培养物的典型生长曲线，它可分为几期？ 20．什么叫生长速率常数（R），什么叫生长代谢（G），它们如何计算？ 21．什么叫连续培养，有何优点？ 12．目前一般认为氧对厌氧菌毒害的机制是什么？ 23．微生物培养过程中pH变化的规律如何，如何调整？
15 24．微生物培养装置的类型和发展有哪些规律？ 25．实验室中培养厌氧菌的技术有哪些？ 26．试列表比较灭菌、消毒、防腐和化疗的异同，并各举若干实例？ 27．试以磺胺及其增效剂TMF为例，说明化学治疗剂的作用机制？
微生物的代谢 一、名词解释：
1. 有氧呼吸
2. 无氧呼吸
4. 氧化磷酸化
5. 光合磷酸化
6. 初级代谢
7. 次级代谢
9. 反馈抑制。
二、选择题 1．合成代谢是微生物细胞中
的一个过程。 A． 合成分子及细胞结构 B． 在电子载体间传递电子 C． 微生物细胞分解大分子为较小的分子 D． 糖酵解和三羧酸循环是关键的中间产物 2．代谢过程中为了产生ATP分子，下列物质除了
之外都是需要的。 A．二磷酸腺苷分子
B．能量 C．磷酸基
D．DNA或RNA
3．当进行糖酵解化学反应时，
。 A．糖类转变为蛋白质 B．酶不起作用 C．从二氧化碳分子生产糖类分子 D．从一个葡萄糖分子产生两个丙酮酸分子
4．微生物中从糖酵解途径获得
ATP分子。 A．2个
B．4个 C．36个
D．38个 5．下面的叙述
可应用于发酵。 A．在无氧条件下发生发酵 B．发酵过程发生时需要DNA C．发酵的一个产物是淀粉分子 D．发酵可在大多数微生物细胞中发生 6．电子传递链中
。 A．氧用作末端受体
16 B．细胞色素分子不参加电子转移 C．转移的一个可能结果是发酵 D．电子转移的电子来源是DNA
7．微生物代谢中，硝酸盐和硫酸盐可作为电子受体是在
。 A．无酶时
B．无ATP时 C．无氧时
D．有细胞色素时 8．为使淀粉和纤维素进行代谢而提供能量，
。 A．它们必须第一步变成脂肪分子 B．它们的葡萄糖单位必须被释放 C．环境中必须有游离氧存在 D．遗传密码必须起促进作用
9．脱氨（基）作用实现
转变。 A．多糖转变为双糖
B．双糖转变为多糖 C．脂肪转变为糖类分子
D．氨基酸转变为能量化合物 10. 细菌中参加光合作用的是
。 A．紫细菌和绿硫细菌
B．肠道细菌和大肠杆菌 C．土壤细菌如放线菌
D．立克次体和衣原体 11．某些微生物光合作用从叶绿素分子丢失的电子来源于
。 A．ATP分子
B．细胞色素分子 C．水分子
D．含氮碱基分子 12．当光合作用固定碳反应时
。 A．CO2分子与磷酸核酮糖分子反应 B．丙酮酸分子结构形成葡萄糖分子 C．淀粉分子转变为纤维素分子 D．DNA分子改变为RNA分子
三、填空题： 1．细胞代谢中分解大分子成较小分子称为
。 2．微生物的能量主要储存形式在化合物
。 3．糖酵解的2分子丙酮酸是由1分子的
分解产生的。 4．微生物中糖类酵解最普遍的途径是称为
途径。 5．当微生物进行呼吸时，分解一个单个葡萄糖时，一般形成
个ATP分子。 6．含有色素的那些细菌发生光合作用时，用色素吸收
。 7．光合作用固定能量反应结果形成NADH分子和
。 8．光合作用光能能量中的一个重要产物是
17 四、问答题： 1． 什么是微生物的新陈代谢，分解代谢和合成代谢有何差别与联系？ 2． 什么是生物氧化？ 3．在化能异养微生物的生物氧化中，其基质脱氢和产能途径主要有哪几类？ 3． 试述EMP途径、HMP途径在微生物生命活动中的重要性？ 4． 什么是呼吸，呼吸链由哪些组成？ 5． 什么是氧化磷酸化作用，试用化学渗透学说解释微生物细胞中ATP的产生？ 6． 什么叫无氧呼吸（厌氧呼吸），比较呼吸、无氧呼吸和发酵的异同点？ 7． 什么叫Stickland反应？ 8． 在化能自养细菌中，亚硝化细菌和硝化细菌是如何获得其生命活动所需的ATP和还原力[H]的？ 10. 什么叫循环光合磷酸化，什么叫非循环光合磷酸化？ 11．试述嗜盐菌紫膜光合作用的基本原理？ 12．简单说明自养微生物固定CO2的卡尔文循环？ 13．简述细菌细胞壁上的肽聚糖的合成途径，哪些化学因子可抑制其合成？ 14．青霉素为何只能抑制代谢旺盛的细菌，其抑制机理如何？ 15．什么叫次级代谢，次级代谢途径与初级代谢途径之间有何联系？ 16．微生物代谢调节有何特点，它们调节代谢的主要方式有哪两类？ 17．微生物代谢调节在发酵工业中有何重要性？ 18．胃八叠球菌和运动发酵单孢菌产生乙醇的方式有什么不同？ 19．一酵母突变株的糖酵解途径中，从乙醛到乙醇的途径被阻断，它不能在无氧条件下的葡萄糖平板上生长，但可能在有氧条件下的葡萄糖平板上存活。试解释这一现象？ 20．光合细菌共分几类，细菌的光合作用与绿色植物的光合作用之间有什么不同？ 21．与高等动植物相比，微生物代谢的多样性表现在哪些方面？
微生物遗传变异与菌种选育 一、选择题： 1．1928年，F.Grffith用
，证明了DNA是遗传信息的物质基础。 A．噬菌体感染实验
B．植物病毒的重建实验 C．经典转化实验
D．涂布试验
2. 质粒是一种独立存在于细胞内的
。 A．附加体(episom)
B．复制子（replicon） C．F因子（F plasmid）
D．Ｒ因子（R factor）
3. 不能在基本培养基（minimum medium, MM）上正常生长繁殖的变异类型为
18 A．野生型（wild type） B．营养缺陷型（auxotroph） C．条件致死突变型（conditional lethal mutant） D．抗性突变型（resistant mutant）
4. Hfr菌株与F-菌株相接合后，发生基因重组的频率要比单纯用F+与F-接合后的频率高出数百倍，这是因为在Hfr菌株细胞中，其F质粒
5. 在筛选细菌营养缺陷型时，为了提高筛选工作效率，常常在培养基中加入一定量的青霉素，以浓缩营养缺陷型，这一实验所用的培养基必须是
。 A．完全培养基
B．基本培养基 C．补充培养基
D．夹层培养基
6. 目前在植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体是
。 A．Col质粒
B．R质粒 C．Ti质粒
D．mega质粒
7. 某些微生物在细胞内DNA分子受到较大范围的重大损害时，可诱导一种涉及recA、lexA、uvrA、uvrB、uvrC等一批修复基因的表达，进而对损伤进行修复，这种修复称为
。 A．光复活作用
B．重组修复 C．SOS修复
D．切除修复
是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。 A．同义突变
B．无义突变 C．移码突变
D．错义突变
二、填空题： 1．D. Hershey和M. Chase于1952年发表了证实DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验
。该实验所用的重要实验材料是：噬菌体宿主
和放射性同位素
2．遗传物质在微生物细胞中的存在部位与方式可概括为7个水平或层次，他们分别为
。 3．细菌细胞中独立存在的质粒，如其复制行为与核染色体的复制同步，称为
，这类细胞一般可含
个甚至更多的质粒。 4．E.coli等细菌中决定性别并有转移能力的质粒是
，其大小仅
。 5．细菌素（bacteriocin）是由
。 6．在遗传学研究中较为常用的三种突变型是
联系客服：cand57</第六章 微生物的代谢和发酵
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第六章 微生物的代谢和发酵
第六章 微生物的代谢和发酵
第六章 微生物的代谢和发酵
新陈代谢（metabolism）简称代谢，是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和，即：
新陈代谢=分解代谢+合成代谢
分解代谢是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量，一般用[H]来表示）的作用；合成代谢与分解代谢正好相反，是指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起合成复杂的大分子的过程。分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简单地表示为：
分解代谢与合成代谢间有着极其密切的联系，这些联系将放在第二节中讨论。
一切生物，在其新陈代谢的本质上既存在着高度的统一性，同时，不同的生物间又存在着明显的特殊性。有关统一性的问题主要在普通生物化学课程中讨论，这里由于篇幅和重点的关系，在简要地概括微生物能量代谢及其在微生物生命活动中的功能外，将更多地讨论有关微生物代谢的特殊性问题。
第一节 微生物的能量代谢
因为一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢就成了新陈代谢中的核心问题。
能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源——ATP*。对微生物来说，它们可利用的最初能源不外乎有机物、日光和还原态无机物三大类，因此，研究其能量代谢的机制实质上就是追踪这三类最初能源如何一步步地转化并释放出ATP的过程，即：
一、化能异养微生物的生物氧化和产能
生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。生物氧化与非生物氧化即燃烧有着若干相同点和不同点，相同点是它们的总效应都是通过有机物的氧化反应而释放出其中的化学潜能，不同点有很多，可见表6-1。
生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或失去电子三种；生物氧化的过程可分脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段；生物氧化的功能则有产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物三种。以下我们按底物（基质）脱氢的三个阶段以及各阶段的类型和细节的顺序来讨论化能异养微生物的生物氧化及其产能效应。
（一）底物脱氢的四条主要途径
这里以葡萄糖作为典型的生物氧化底物，它的脱氢阶段主要可通过四条途径，每条途径既有脱氢、产能的功能，又有产多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能。在讨论中除着重讨论它们的产能功能外，还附带介绍它们的一些其他重要功能。底物脱氢的途径及其与递氢、受氢阶段联系的概貌见图6-1。
1．EMP途径（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway）
EMP途径又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途径（hexosediphosphatepathway）。它是以1分子葡萄糖为底物，约经过10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。在其总反应中，可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（NADH＋H+*、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤。EMP途径的简式可见图6-2。
在图6-2的产物中，2NADH＋H+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP，在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物——乙醛而产生乙醇。
EMP途径的总反应式为：
C6H12O6＋2NAD+＋2ADP＋2Pi→2CH3COCOOH＋2NADH＋2H+＋2ATP＋2H2O有关EMP途径的反应细节见图6-3。
EMP途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，因而也是酵母菌、真菌和多数细菌所具有的代谢途径。在有氧条件下，EMP途径与TCA途径连接，并通过后者把丙酮酸彻底氧化成CO2和H20。在无氧条件下，丙酮酸或其进一步代谢后所产生的乙醛等产物被还原，从而形成乳酸或乙醇等发酵产物。EMP途径的反应过程分10步，即：
（1）葡萄糖形成葡糖-6-磷酸。不同菌种通过不同方式实现这步反应。在酵母菌、真菌和许多假单胞菌等好氧细菌中，通过需要Mg2+和ATP的己糖激酶来实现（此反应在细胞内为不可逆反应）；在大肠杆菌和链球菌等兼性厌氧菌中，可借磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸转移酶系统（见第五章第三节）在葡萄糖进入细胞之时即完成了磷酸化。
（2）葡糖-6-磷酸经磷酸己糖异构酶异构成果糖-6-磷酸。
（3）果糖-6-磷酸通过磷酸果糖激酶催化成果糖-1，6-二磷酸。磷酸果糖激酶是EMP途径中的一个关键酶，故它的存在就意味着该微生物具有EMP途径。与己糖激酶相似的是，磷酸果糖激酶也需要ATP和Mg2+，且在活细胞内催化的反应是不可逆的。
（4）果糖-1，6-二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催化下，分裂成二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸两个丙糖磷酸分子。果糖二磷酸醛缩酶不但在葡萄糖降解中十分重要，而且对葡糖异生作用（gluconeogenesis）即对由非碳水化合物前体逆向合成己糖的反应也很重要。另外，二羟丙酮磷酸在糖代谢和脂类代谢中还是一个重要的连接点，因为它可被还原成甘油磷酸而用于脂类的合成中。
（5）二羟丙酮磷酸在丙糖磷酸异构酶的作用下转化成甘油醛-3-磷酸。虽然在反应（4）中产生等分子的丙糖磷酸，但二羟丙酮磷酸只有转化为甘油醛-3-磷酸后才能进一步代谢下去。因此，己糖分子至此实际上已生成了2分子甘油醛-3-磷酸。此后的代谢反应在所有能代谢葡萄糖的微生物中都没有什么不同了。
（6）甘油醛-3-磷酸在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催化下产生1，3-二磷酸甘油酸。此反应中的酶是一种依赖NAD+的含硫醇酶，它能把无机磷酸结合到反应产物上。这一氧化反应由于产生一个高能磷酸化合物和一个NADH＋H+，所以从产能和产还原力的角度来看都是十分重要的。
（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。此酶是一种依赖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转移到ADP分子上，产生了本途径中的第一个ATP。这是借底物水平磷酸化作用而产ATP的一个实例。
（8）3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下转变为2-磷酸甘油酸。
（9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下经脱水反应而产生含有一个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。烯醇酶需要Mg2+、Mn2+或Zn2+等二价金属离子作为激活剂。
（10）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下产生了丙酮酸，这时，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基团转移到ADP上，产生了本途径的第二个ATP，这是借底物水平磷酸化而产生ATP的又一个例子。
由上可知在无氧条件下，整个EMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP，但其中产生的多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用。从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等大量重要发酵产物的生产有着密切的关系（详见本节“发酵”内容）。
2．HMP途径（hexosemonophosphatepathway）HMP途径即已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径、Warburg-Dickens途径或磷酸葡萄糖酸途径。这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH＋H+*形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。HMP途径的总反应可用一简图表示（图6-4）。
HMP途径可概括成三个阶段：①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸发生同分异构化（isomerization）或表异构化（epimerization）而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③上述各种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。以上三个阶段的细节见图6-5。
在图6-5的反应（1）和（2）中，产生的戊糖磷酸与还原力（NADPH＋H+）的比率为1∶2，即：
3葡萄糖-6-磷酸＋6NADP+＋3H2O→3戊糖-5-磷酸＋3CO2＋6NADPH＋6H+在图6-5的反应（3）中，其净效应为：
2木酮糖-5-磷酸＋核糖-5-磷酸2果糖-6-磷酸＋甘油醛-3-磷酸
在一定条件下，上述反应中产生的甘油醛-3-磷酸也可通过生成葡萄糖的反应重新合成葡糖-6-磷酸，因此，HMP途径要进行一次周转就需要6个葡糖-6-磷酸分子同时参与（详细过程见图6-6），其总式为：
6葡糖-6-磷酸＋12NADP+＋6H2O—→5葡糖-6-磷酸＋12NADPH＋12H+＋12CO2＋Pi
HMP途径在微生物生命活动中有着极其重要的意义，具体表现在：
（1）为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。
（2）产生大量的NADPH2形式的还原剂，它不仅为合成脂肪酸、固醇等重要细胞物质之需，而且可通过呼吸链产生大量能量，这些都是EMP途径和TCA循环所无法完成的。因此，凡存在HMP途径的微生物，当它们处在有氧条件下时，就不必再依赖于TCA循环以获得产能所需的NADH2了。
（3）如果微生物对戊糖的需要超过HMP途径的正常供应量时，可通过EMP途径与本途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来加以调剂。
（4）反应中的赤藓糖-4-磷酸可用于合成芳香氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸。
（5）由于在反应中存在着C3～C7的各种糖，使具有HMP途径的微生物的碳源利用范围更广，例如它们可以利用戊糖作碳源。
（6）通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。
据研究，当以硝酸盐作为曲霉属一些菌种的氮源时，有关HMP途径酶的浓度要比长在其他氮源上时增高许多，这与硝酸盐还原酶催化时需要大量NADPH2是一致的。又如，用放射呼吸测定技术（radiorespirometry）研究大肠杆菌对碳源（葡萄糖）的利用时，发现其中约有28％是进入HMP途径而氧化的，其余的72％则是通过EMP途径氧化的。
3．ED途径（Entner-Doudoroffpathway） ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。此途径最早（1952）由Entner和Doudoroff两人在Pseudomonassaccharophila（嗜糖假单胞菌）中发现，接着许多学者证明它在细菌中广泛存在。ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现。其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。ED途径的总反应概貌和细节可见图6-7和6-8。
在ED途径中的关键反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解，其具体步骤见图6-9。
ED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如Pseudomonasspp．（一些假单胞菌）和ZymomonassPP．（一些发酵单胞菌）等所特有的利用葡萄糖的替代途径，其特点是利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，仅为EMP途径之半），反应中有一个6碳的关键中间代谢物——KDPG。由于ED途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等各种代谢途径相连接，因此可以相互协调，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要，例如，通过与HMP途径连接可获得必要的戊糖和NADPH2等。此外，在ED途径中所产生的丙酮酸对Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）这类微好氧菌来说，可脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原为乙醇。这种经ED途径发酵产生乙醇的过程与传统的由酵母菌通过EMP途径生产乙醇不同，因此称作细菌酒精发酵。
利用Z.mobilis等细菌以生产酒精，是近年来正在开发的工业，它比传统的酵母酒精发酵有许多优点：（1）代谢速率高，（2）产物转化率高，（3）菌体生成少，（4）代谢副产物少，（5）发酵温度较高，以及（6）不必定期供氧等。当然，细菌酒精发酵也有其缺点，主要是其生长PH为5，较易染菌（而酵母菌为pH3），其次是细菌耐乙醇力较酵母菌为低（前者约为7.0％，后者则为8～10％）。
在不同的微生物中，EMP、HMP和ED三途径在己糖分解代谢中的重要性是有明显差别的，有关实例可见表6-2。
4．三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle） 三羧酸循环又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。这是一种循环方式的反应顺序，它在绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢中起着关键性的作用。在真核微生物中，TCA循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中；在原核生物例如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。
三羧酸循环的主要反应产物见图6-10。
从产能的角度来看，如果把丙酮酸进入循环前的“入门反应”（gatewaystep）所产生的NADH+H+也计入的话，则每个丙酮酸分子的彻底氧化可高效地产生15个ATP。有关三羧酸循环的反应细节见图6-11。
从TCA循环在微生物物质代谢中的地位来看，它在一切分解代谢和合成代谢中都占有枢纽的地位，因而也与微生物大量发酵产物例如柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸等的生产密切相关（图6-12）。
柠檬酸是葡萄糖经TCA循环而形成的最有代表性的发酵产物，在工业发酵中应用的菌种一般为Aspergillusniger（黑曲霉），柠檬酸的产生机制见图6-13。从理论上来计算，1分子葡萄糖只能产生2/3分子的柠檬酸，即相当于每100g葡萄糖产生71.1g柠檬酸，可是，生产实践上却常可获得75～87g柠檬酸。用同位素14CO2作实验后证明，在柠檬酸合成过程中，还伴随着大量的CO2固定，这就解释了上面提到的现象。
以上已经介绍了以葡萄糖为代表的生物氧化底物的四条主要脱氢途径，并简要地介绍了它们在产能、产还原力、分解或合成代谢以及生产发酵产物中的重要作用，有关它们在产能效率方面的简单比较可见表6-3。
（二）递氢和受氢
在生物体中，贮存在葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的多种途径脱氢后，经过呼吸链（或称电子传递链）等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可以把生物氧化区分成呼吸（有氧呼吸）、无氧呼吸和发酵三种类型（图6-14）。
1．呼吸（respiration） 呼吸是一种最普遍和最重要的生物氧化方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链[RC，respiratorychain，又称电子传递链（ETC，electrontransportchain）]递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）。由于呼吸必须在有氧条件下进行，因此又称有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势不同的氢传递经（或电子传递体）组成的一组链状传递顺序，它能把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递给高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。
组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类外，都是一些含有辅酶或辅基的酶，正是依靠这些辅酶或辅基才能实现它们在呼吸链中所执行的氧化还原功能。每种辅酶或辅基在氧化与还原条件下，都有其特定的吸收光谱值，因此可通过分光光度计来确定呼吸链的组分及其所处的状态。在微生物中最重要的呼吸链的组分，有以下几种：
（1）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）*某些脱氢酶含有NAD+或NADP+形式的辅酶，能从还原性底物上移出1个氢离子（质子）和2个电子，而变成还原态的NAD（P）H+H+。它们的结构和引起的氧化还原反应见图6-15。
（2）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黄素单核苷酸（FMN） FAD和FMN是一类称为黄素蛋白（FP，flavoprotein）的脱氢酶的辅基，它们的活性基团是异咯嗪结构，其基本结构和递氢功能见图6-16。
（3）铁硫蛋白（Fe-S） 是传递电子的氧化还原载体，这类小分子蛋白的辅基是其分子中含铁硫（有些为“2Fe+2S”，另一些为“4Fe+4S”）的中心部分。铁硫蛋白存在于呼吸链的几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。此外，在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化中也有作用。在呼吸链中的“2Fe+2S”中心（图6-17）每次仅能传递一个电子。
（4）泛醌（辅酶Q） 是一类脂溶性的氢载体。泛醌广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；而革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌（MK或维生素K2）。醌类在呼吸链中的功能是传递氢，传递过程分两步进行，中间体是半醌。在呼吸链中，醌类的含量比其他组分多10～15倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢（还原力[H]）的作用，然后再将它们传递给细胞色素系统。泛醌的结构和功能见图6-18。
（5）细胞色素系统 细胞色素系统位于呼吸链的后端，它们的功能是传递电子而不是传递氢。它们只从泛醌中接受电子，同时将同等数目的质子推到线粒体膜（真核生物）或细胞膜（原核生物）外的溶液中。细胞色素按其吸收光谱和氧还电位的差别可分成多种类型，如cyt.a，cyt.a3，cyt.b，cyt.c和cyt.o等。它们都有血红素作为辅基，而血红素则通过其分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子。细胞色素a3即细胞色素氧化酶，它是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，
O2+4Fe2+→2O2-+4F3+
从而把氧分子激活。有关细胞色素在传递电子中的作用见图6-19。
不论在真核生物或原核生物中，呼吸链的主要组分都是类似的，一般为：NAD（P）→FP→Fe·S→CoQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3（图6-20）。然而，在原核生物中，各具体组分却有很大的变化。这种变化除了表现在不同种间外，在同一个种生活在不同的环境条件（例如生长期、碳源、末端电子受体等）下时也会发生明显的变化。在原核生物中，只有少数种如Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）和Alcaligeneseutrophus（真养产碱菌）的呼吸链与真核生物的呼吸链相似，因而John和Whalley（1975）就提出了一个关于线粒体起源的内共生学说。这一学说认为，由于早期的P．denitrificans与其宿主细胞共生，而使前者成为后者细胞内的线粒体。
与真核生物线粒体膜上的呼吸链相比，原核生物细胞膜上的呼吸链有几个主要差别（表6-4），尤其是：（1）氧还载体的取代性强：如CoQ可被MK（甲基萘醌）或DMK（脱甲基甲基萘醌）所取代，Cyt.a3可被Cyt.aa3、Cyt.o或Cyt.d所取代等；（2）氧还载体的数量可增可减，如E.coli的细胞色素就有9种以上；（3）有分支呼吸链的存在：除了前面已提及的来自不同底物的还原力[H]进入呼吸链的前端时有不同的分支外，主要是呼吸链后端细胞色素系统中的分支类型多。例如，E.coli在缺氧条件下，在CoQ后的呼吸链就分成两支，一支是Cyt.b556→Cyt.o，另一支是Cyt.b558→Cyt.d（这一支可抗氰化物抑制）；又如，在Azotobactervinelandii（维涅兰德固氮菌）的Cyt.b后，呼吸链可分出4条分支，等等。
呼吸链在传递氢或电子的过程中，通过与氧化磷酸化作用的偶联，产生了生物的通用能源——ATP。其中包括的机制，目前仍在继续研究中。至今能获得多数学者接受的是1978年诺贝尔奖获得者英国学者P．Mitchell在1961年所提出的化学渗透学说（chemiosmotichypothesis）。该学说认为，在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜的两侧分布的不均衡，亦即形成了质子梯度差（△μH+，或称质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP能量的来源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果，一方面消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。化学渗透学说的模式表示可见图6-21。
从图6-20中可以看出，在典型的呼吸链中，只有三处能提供合成ATP所需的足够能量。因此，在2[H]从NADH2传递至O2的过程中，只有三处能与磷酸化反应（ADP+Pi→ATP）相偶联，亦即只有3分子磷酸能参与有机磷化物ATP的合成。这种关系用数量来表示的话就称P/O比（即molATP/mol氧原子）。P/O比的高低表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。例如，以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物的线粒体能由2[H]产生3ATP，即P/O=3；而以琥珀酸为底物时，由于琥珀酸脱氢酶的辅基是黄素蛋白，因此只能从FP水平进入呼吸链，故由2[H]只能获得2个ATP，其P/O=2。
按化学渗透学说来看，生物的“通用能源”ATP是由跨膜的质子梯度差△μH+而产生的。因此，我们可以把质子梯度差理解成一个高水位的水源，ATP酶犹如一台水轮发电机，ATP则是由该发电机产生的电流。现把质子梯度差与ATP的相互关系及其在生命活动中的作用综合在图6-22中。
2．无氧呼吸（anaerobicrespiration） 无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。
根据呼吸链末端的最终氢受体的不同，可把无氧呼吸分成以下多种类型。
（1）硝酸盐呼吸（nitraterespiration） 又称反硝化作用（denitrification）。硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能，其一是在有氧或无氧条件下所进行的同化性硝酸盐还原作用，亦即微生物利用硝酸盐作为其氮源营养物的作用；其二是在无氧条件下，微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，这是一种异化性的硝酸盐还原作用，又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。上述两个还原过程的共同特点是硝酸盐都要经过一种含钼的硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸。
能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物即反硝化细菌，而专性厌氧微生物是无法进行硝酸盐呼吸的。反硝化细菌都有其完整的呼吸系统。只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需要的硝酸盐还原酶A（结合在膜上）和亚硝酸还原酶。能进行硝酸盐呼吸的细菌种类很多，例如Bacilluslicheniformis（地衣芽孢杆菌），Paracoccusdenitrificans[脱氮副球菌，以前称Micrococcusdenitrificans（脱氮小球菌）]，Pseudomonasaeruginosa（铜绿假单胞菌），Ps．stutzeri（斯氏假单胞菌）以及Thiobacillusdenitrificans（脱氮硫杆菌）等。
（2）硫酸盐呼吸（sulfaterespiration） 是一种由硫酸盐还原细菌（或称反硫化细菌）把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢受体的一种厌氧呼吸。这是一种异化性的硫酸盐还原作用。通过这一过程，微生物就可在无氧条件下借呼吸链的电子传递磷酸化而获得能量。
硫酸盐还原的最终产物是H2S，自然界中的大多数H2S是由这一反应产生的。
与硝酸盐还原细菌不同的是，硫酸盐还原细菌都是一些严格依赖于无氧环境的专性厌氧细菌，例如Desulfovibriodesulfuricans（脱硫脱硫弧菌），D．gigas（巨大脱硫弧菌），Desulfotomaculumnigrificans（致黑脱硫肠状菌）以及D．ruminis（瘤胃脱硫肠状菌）等。
（3）硫呼吸（sulphurrespiration） 这是近年来才发现的一种无氧呼吸类型。目前只知道Desulfuromonasacetoxidans（氧化乙酸脱硫单胞菌）能进行硫呼吸。其过程为，无机硫作为无氧呼吸链的最终氢受体，结果硫被还原成H2S。
（4）碳酸盐呼吸（carbonaterespiration） 是一类以CO2或重碳酸盐作为无氧呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物的不同，可分为两种类型，一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。有关它们的详细内容将在第九章第五节中讨论。
（5）延胡索酸呼吸（fumaraterespiration） 以往都是把琥珀酸的形成作为微生物的一般发酵产物来考虑的，可是，在延胡索酸呼吸中，延胡索酸却被充作无氧呼吸链的末端氢受体，而琥珀酸则是延胡索酸的还原产物。
许多兼性厌氧细菌，例如Escherichia（埃希氏杆菌属）、Proteus（变形杆菌属）、Salmonella（沙门氏菌属）和Klebsiella（克氏杆菌属）等肠杆菌，以及厌氧细菌例如Bacteroides（拟杆菌属）、Propionibacterium（丙酸杆菌属）和Vibriosuccinogenes（产琥珀酸弧菌）等，都能进行延胡索酸呼吸。在无氧条件下培养它们时，如在培养基中加入延胡索酸，就会促使其快速生长并有较高的细胞得率，其原因是它们可利用延胡索酸作为末端氢受体，从而可利用电子传递磷酸化产生大量的ATP。
3．发酵（fermentation） “发酵”这一名词用得十分普遍。在发酵工业上，发酵是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式；而在生物氧化或能量代谢中，发酵仅是指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应，即：
发酵的类型很多，以下拟从与EMP、HMP、ED途径有关的几类发酵和称作Stickland反应的独特氨基酸发酵这四个方面来加以讨论。
（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 丙酮酸是EMP途径的关键产物，由它出发，在不同的微生物中可进行多种发酵，例如，由Saccharomycescerevisiae（酿酒酵母）进行的酵母型酒精发酵；由Lactobacillusdelbruckii（德氏乳杆菌）等进行的同型乳酸发酵；由Propionibacteriumshermanii（谢氏丙酸杆菌）进行的丙酸发酵；由Enterobacteraerogenes（产气肠杆菌）等进行的2，3-丁二醇发酵；由E．coli等进行的混合酸发酵；以及由各种厌氧梭菌例如Clostridiumbutyricum（丁酸梭菌）、Cl．butylicum（丁醇梭菌）和Cl.acetobutylicum（丙酮丁醇梭菌）等所进行的丁酸型发酵等。通过这些发酵，微生物可获得其生命活动所需的能量，而对人类的生产实践来说，就可以通过工业发酵手段大规模地生产这类代谢产物。此外，某些特殊代谢产物还是鉴定菌种时的重要生化指标。例如，V．P．试验（Vogos-Prouskauertest）就是利用Enterobacteraerogenes能产生3-羟基丁酮（乙酰甲基甲醇）的原理来设计的。
现把从丙酮酸出发的6条发酵途径及其相互联系总结在图6-23中。
在以上的6条发酵途径中，Clostridiumacetobutyricum所进行的丙酮丁醇发酵，是迄今为止由严格厌氧菌所进行的唯一能大规模生产的发酵产品。该菌在利用玉米粉等淀粉原料发酵后，产生的是混合溶剂，其中的丙酮：丁醇：乙醇大体上为3：6：1（重量比）。其具体代谢途径见图6-24。
（2）通过HMP途径的发酵——异型乳酸发酵（heterolacticfermentation）凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多种产物的发酵称异型乳酸发酵；相对的如只产生2分子乳酸的发酵，则称同型乳酸发酵（homolacticfermentation）。
一些异型发酵乳酸杆菌例如Leuconostocmesenteroides（肠膜明串珠菌）、L．cremoris（乳脂明串珠菌）、Lactobacillusbrevis（短乳杆菌）、L．fermentum（发酵乳杆菌）和Bifidobacteriumbifidum（两歧双歧杆菌）等，因缺乏EMP途径中的若干重要酶——醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径。不同的微生物虽然都进行异型乳酸发酵，但其发酵途径和产物仍稍有不同。例如，Leuconostocmesenteroides的葡萄糖发酵产物为乳酸、乙醇和CO2，核糖的发酵产物为乳酸和乙酸，果糖的发酵产物为乳酸、乙酸、CO2和甘露醇（3果糖→乳酸+乙酸+CO2+2甘露醇）；又如，Bifidobacteriumbifidum可把葡萄糖发酵为乳酸和乙酸（2葡萄糖→2乳酸+3乙酸）。
当Leuconostocmesenteroids以葡萄糖为发酵底物时，所进行的总反应是：
而当其以核糖作发酵底物时，所进行的总反应则是：
现把L.mesenteroides利用葡萄糖和核糖作底物而进行的异型乳酸发酵总反应画在图6-25中。
在异型乳酸发酵过程中，由木酮糖-5-磷酸经磷酸转酮酶（phosphoketolase）产生乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸，然后分别产生乙酸和乙醇。其反应见图6-26。
现将异型乳酸发酵与同型乳酸发酵间的主要差别列在表6-5中。
（3）通过ED途径进行的发酵 通过ED途径的发酵就是指细菌的酒精发酵（详见ED途径）。至此，我们已讨论过的酒精发酵已有三个类型，即通过EMP途径的酵母酒精发酵、通过HMP途径（异型乳酸发酵）的细菌酒精发酵和通过ED途径的细菌酒精发酵。
与乳酸发酵相类似，因为葡萄糖通过EMP与ED途径都可产生2个乙醇分子，我们也可称其为“同型酒精发酵”（homoalcholicfermentation），而通过HMP途径的酒精发酵因1个葡萄糖分子会产生1分子乙醇和1分子乳酸，故我们也可称其为“异型酒精发酵”（heteroalcoholicfermentation）。现将它们的反应式分别列在下面。
①酵母的“同型酒精发酵”：由Saccharomycescerevisiae（酿酒酵母）等通过EMP途径进行。
葡萄糖+2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP
②细菌的“同型酒精发酵”：由Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）等通过ED途径进行。
葡萄糖+ADP+Pi→2乙醇+2CO2+ATP
③细菌的“异型酒精发酵”：由Leuconostocmesenteroides等通过HMP途径进行。
葡萄糖+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATP
此外，由于这三类酒精发酵所经过的途径是不同的，所以在发酵产物——乙醇分子上的碳原子来源也是不同的。如果将葡萄糖分子的不同碳原子进行14C标记，并测定14C在产物中的分布，则上述三条途径的差别可从图6-27中看到。
（4）氨基酸发酵产能——Stickland反应 34年，L．H．Stickland发现少数厌氧梭菌例如Clostridiumsporogenes（生孢梭菌）能利用一些氨基酸同时当作碳源、氮源和能源，经深入研究后，发现其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化与另一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的发酵方式。这种以一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基酸作氢受体而产能的独特发酵类型，称为Stickland反应。Stickland反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。
在Stickland反应中，作为氢供体的氨基酸主要有丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸和色氨酸等，作为氢受体的氨基酸主要有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和色氨酸等。现以丙氨酸和甘氨酸间的发酵反应为例（图6-28），来说明这种反应的生化机制。它们的总反应是：
除Clostridiumsporogenes外，还发现C.botulinum（肉毒梭菌）和C.sticklandii（斯氏梭菌）等也能进行Stickland反应。
（5）发酵中的产能反应 仅是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式，其产能方式只是通过底物水平的磷酸化，因而产能效率很低。
底物水平磷酸化可形成多种含高能磷酸的产物，例如EMP途径中的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇丙酮酸及异型乳酸发酵途径中的乙酰磷酸等。因前两者在生物化学课程中有详细的介绍，故这里仅介绍乙酰磷酸的形成及其产生ATP的反应。在不同厌氧菌的发酵过程中，有不同的方式形成乙酰磷酸，例如：
①在Lactobacillusdelbriuckii中由丙酮酸产生：
②许多原核厌氧微生物中由乙酰辅酶A产生：
③在Leuconostocmesenteroides中Bifidobacteriumbifidum中由木酮糖磷酸产生：
④在Bifidobacteriumbifidumk中还可由果糖磷酸产生：
有了乙酰磷酸后，只要经乙酸激酶的催化，就可完成底物水平磷酸化产能：
CH3CO-OPO3H2+ADPCH3COOH+ATP
这就是厌氧微生物产能的主要方式，并由此可知道它们的产能效率是很低的。
二、自养微生物的生物氧化、产能和CO2 固定
异养微生物和自养微生物在最初能源上尽管存在着巨大的差异，但它们生物氧化的本质却是相同的，即都包括脱氢、递氢和受氢三个阶段，其间经过与磷酸化反应相偶联，就可产生生命活动所需的通用能源——ATP。但从具体类型来看，自养微生物中的生物氧化与产能的类型很多、途径复杂，有些化能自养菌的生物氧化与产能过程至今还了解很少。不论是化能无机营养型还是光能无机营养型的微生物，在它们生命活动中最重要的反应就是把CO2 先还原成[CH2 O]水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分。这是一个大量耗能和耗还原力[H]的过程。在化能无机营养型微生物中，其所需能量ATP是通过还原态无机物经过生物氧化产生的，还原力[H]则是通过耗ATP的无机氢（H+ +e）的逆呼吸链传递而产生的；在光能自养型的微生物中，其ATP和[H]都是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或通过紫膜的光合磷酸化而获得的（图6-29）。
（一）生物氧化和产能
1．化能自养型化能自养菌为还原CO2 而需要的ATP和还原力[H]是通过氧化无机底物（NH4+、NO2- 、H2 S、S0 、H2 和Fe2+ 等）来实现的。其产能的途径主要也是借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应，因此，绝大多数化能自养菌是好氧菌。即使少数可进行厌氧生活的化能自养菌，也是利用以硝酸盐或碳酸盐代替氧的无氧呼吸。除呼吸链产能途径外，少数硫杆菌例如Thiobacillusthioparus（排硫硫杆菌）、T．denitrificans（脱氮硫杆菌）和T．ferrooxidans（氧化亚铁硫杆菌）当其生长在含无机硫化物环境下，还能部分地进行底物水平磷酸化产能。必须指出的是，化能自养微生物不仅在还原CO2 时需要消耗ATP，而且当其生产还原力[H]时，也要消耗许多ATP（图6-30）。这是因为，只有借输入ATP才能通过逆呼吸链的方式把无机氢（H+ +e）变成可用于还原CO2 的还原力[H]。这一情况，可以用抽水机把低水位的水重新回灌到高水位蓄水库去的例子来加以理解。
在所有还原态的无机物中，除了H2 的氧化还原电位比NAD+ ／NADH对较低外，其余都明显高于它，因此，在各种无机底物氧化时，都必须以其相应的位置进入呼吸链（图6-31），这就必然造成化能自养菌呼吸链的氧化磷酸化效率（P／O比）很低。
由于化能自养细菌的产能效率、生长速率和生长得率很低等原因，故对它们的生物氧化和能量代谢还研究得很少。与异养微生物相比，化能自养细菌的能量代谢主要有三个特点：①无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系。由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，直接进入呼吸链传递。这与异养微生物葡萄糖氧化要经过EMP和TCA等途径的复杂代谢过程不同。②呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可从任一组分进入呼吸链。③产能效率即P／O比一般要比异养微生物更低。
化能自养微生物种类很多，现以研究得较清楚的化能自养菌——硝化细菌和硫杆菌为例来加以说明。
（1）硝化细菌的能量代谢 Nitrobacter（硝化杆菌属）以亚硝酸作为能源，由于NO2- →NO3- 中只涉及2个电子的传递，所以对其机制研究得较为清楚。用同位素18 O的实验证明，在NO2- 氧化为NO3- 的过程中，氧来自水分子而非空气。当NO2- +H2 O→H2 O·NO2- →NO3- +2H+ +2e时，由于NO2- 的氧化还原电位很高，故H+ 和e只能从与其相当的Cyt．a1 部位进入呼吸链。2H+ +2e如果顺着呼吸链传递至O2 ，仅能产生1个ATP。而对CO2 还原所需要的大量还原力[H]则是通过H+ +e的逆呼吸链传递并消耗大量ATP后才能形成（图6-32）。由此不难理解，为什么硝化细菌的能量效率、生长速度和细胞产率是如此的低，同时还解释了为什么在硝化作用旺盛的土壤中，却只能找到很少量的硝化细菌菌体。
（2）硫细菌的能量代谢 硫细菌尤其是Thiobacillus（硫杆菌属）的能量代谢的研究近年来有很大进展。由于所有的硫杆菌都能在中性条件下以易溶于水且易测定的硫代硫酸盐作为能源，所以有利于开展对其代谢机制的研究。
硫杆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盐或APS途径，也不起主要作用。它们氧化无机硫化物的主要方式是通过呼吸链的氧化磷酸化途径。硫杆菌呼吸链的组成基本上与线粒体和原核生物中的Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）等革兰氏阴性异养细菌相似，即NADH2 脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、黄素蛋白（FP）、泛醌（CoQ）、细胞色素b（有的含2种）、细胞色素氧化酶aa3 等。在大多数硫杆菌中，从硫化物或硫代硫酸盐底物上脱下的电子经细胞色素C进入呼吸链，但在T．denitrificans中却例外地从黄素蛋白或细胞色素b水平上进入的。
能产生1个ATP。与硝化细菌等其他自养菌一样，硫杆菌还原CO2 所需要的还原力[H]，也是通过耗ATP的逆呼吸链传递而产生的。
2．光能自养型在讨论光能自养微生物的能量代谢前，有必要先简单介绍一下在自然界中具有光合作用的各类生物的特点和差异。现表解如下：
各种光合细菌都是原核生物，它们一齐被归纳在红螺菌目（Rhodospirillales）中。它们不能利用H2 O作为还原CO2 的氢供体，只能利用还原态的H2 S、H2 或有机物作为氢供体，故光合作用中不产生O2 ，因而它们进行的是一种不产氧光合作用（anoxygenicphotosynthesis）。在它们的细胞（单细胞）内因所含的菌绿素和类胡萝卜素的量和比例的不同，使菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫红、紫或褐等颜色。这是一群典型的水生菌，广泛地分布于深层（缺氧的）淡水或海水中。现将红螺菌目的科和主要属表解如下：
（1）循环光合磷酸化（cyclicPhotophosphorylation） 一种存在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称循环光合磷酸化。其特点是：①在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；②产ATP与产还原力[H]分别进行；③还原力来自H2 S等的无机氢供体；④不产生氧。
循环光合磷酸化的过程是：菌绿素分子在光照下被光量子所激发并逐出电子，这时菌绿素分子带正电荷。被逐出的电子经铁氧还蛋白、泛醌、细胞色素b和细胞色素f组成的类似于呼吸链的电子传递链传递后，重新返回带正电荷的菌绿素分子。这是一个完整的循环过程，在此过程中的Cyt．b与Cyt．f间有ATP的合成。其整个过程及其与Calvin循环间的联系，见图6-33。
（2）非循环光合磷酸化（noncyclicPhotophosphorylation） 这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。其特点是：①电子的传递途径属非循环式的；②在有氧条件下进行；③有两个光合系统，其中的色素系统Ⅰ（含叶绿素a）可以利用红光，色素系统Ⅱ（含叶绿素b）可利用蓝光；④反应中同时有ATP（产自系统Ⅱ）、还原力[H]（产自系统Ⅰ）和O2 产生；⑤还原力NADPH2 中的[H]是来自H2 O分子光解后的H+ 和e- 。
非循环光合磷酸化的过程是：H2 O通过光解作用产生了1／2O2 +2H+ +2e- ，其中的电子经过两个电子传递系统（Ⅰ和Ⅱ）接连传递，最终将电子传递给NADP+ 接受，于是产生了NADPH+H+ ，为还原CO2 提供了还原力，同时，在电子传递过程中还有两处发生光合磷酸化反应，产生供CO2 还原用的ATP。在两个传递系统中，系统Ⅱ有O2 和ATP产生，系统Ⅰ则有NADPH2 和ATP产生。整个过程见图6-34。
（3）嗜盐菌紫膜的光合作用 这是一种直至70年代才揭示的只有嗜盐菌才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。嗜盐菌是一类必须在高盐（3.5～5.0mol／LNaCl）环境中才能生长的古细菌（archaebacteria，参见第十一章）。它们广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上，常见的咸鱼上的紫红斑块就是嗜盐菌的细胞群。主要代表有Halobacteriumhalobium（盐生盐杆菌）和H.cutirubrum（红皮盐杆菌）等。
H.halobium是一种能运动的杆菌，因其细胞内含类胡萝卜素而使细胞呈红色、桔黄色或黄色。它们的细胞膜制备物可分成红色与紫色两部分，前者主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体，后者则十分特殊，在膜上呈斑片状（直径约0.5μm）独立分布，其总面积约占细胞膜面积的一半，这就是能进行独特光合作用的紫膜。含量占紫膜75％的是一种称作细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）的蛋白质，它与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种蛋白质——视紫红质（rhodopsin）十分相似，两者都以紫色的视黄醛（retinal）作辅基。
从70年代起，人们对视紫红质的功能作了研究并获得了重大的发现。首先，人们从有氧和无氧条件下对四种生理类型的微生物进行照光和黑暗培养，并测定其ATP的合成（表6-6）。结果发现，H.halobium可以生长在光照和氧都具备的条件下，但不能生长在两者都不存在的情况下。这就说明，嗜盐菌可通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的氧化磷酸化途径，另一条是有光存在下的某种光合磷酸化途径。实验还发现，在波长为550～600nm的光照下，其ATP合成速率最高，而这一波长范围恰与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。
目前认为，细菌视紫红质与叶绿素相象，在光量子的驱动下，具有质子泵的作用，这时它将产生的H+ 推出细胞膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差。根据化学渗透学说，这一质子动势在驱使H+ 通过ATP合成酶进入膜内而得到平衡时，就可合成细胞的通用能源ATP（图6-35）。嗜盐菌只有在环境中O2 浓度很低和有光照条件下才合成其紫膜。这时，通过正常的氧化磷酸化已无法满足其能量需要，因而转由紫膜的光合磷酸化来提供。
通过紫膜的光能转化而建立起来的质子梯度（△p）除了可驱动ATP合成外，还可为嗜盐菌在高盐环境下建立跨膜的Na+ 电化学梯度（△μNa+ ），并由此而完成一系列的生理生化功能（图6-36）。
嗜盐菌紫膜光合磷酸化功能的发现，使在经典的叶绿素和菌绿素所进行光合磷酸化之外又增添了一种新的光合作用类型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应，这是研究化学渗透作用的一个极好的实验模型，对它的研究正在大力开展。对其机制的揭示，将是生物学基本理论中的又一项重大突破，并无疑会对人类的生产实践例如太阳能的利用和海水的淡化等带来巨大的推动力。
（二）自养微生物的CO2 固定
各种自养微生物在生物氧化后所取得的能量主要用于CO2 固定。在微生物中，至今已了解的CO2 固定的途径有三条*，即Calvin循环、厌氧乙酰辅酶A途径和还原性三羧酸循环途径，现简述如下。1．Calvin循环（Calvincycle）也称Calvin-Bussham循环、核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖循环。这一循环是光能自养生物和化能自养生物固定CO2 的主要途径。磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶是本途径的特有酶。利用Calvin循环进行CO2 暗固定的生物除了绿色植物、蓝细菌和绝大多数光合细菌外，还包括全部好氧性的化能自养菌，因此十分重要。
Calvin循环的整个过程可分三个阶段。
（1）羧化反应 3个核酮糖-1，5-二磷酸（Ru-1，5-P）通过核酮糖二磷酸羧化酶将3个CO2 固定，并转变成6个3-磷酸甘油酸分子。
在循环中，这一基本反应进行3次，就可利用掺入的3个CO2 分子净产1个C3 分子。
（2）还原反应 紧接在羧化反应后，立即发生3-磷酸甘油酸上羟基还原成醛基的反应。这种转化是经过逆向EMP途径进行的，即通过3-磷酸甘油酸激酶和ATP使其磷酸化成1，3-二磷酸甘油酸，然后再通过甘油醛-3-磷酸脱氢酶用NAD（P）H2 使1，3-二磷酸甘油酸还原成甘油醛-3-磷酸。形成1个甘油醛-3-磷酸分子需要消耗6个ATP和6个NAD（P）H2 。
（3）CO2 受体的再生 在循环中除净产1个甘油醛-3-磷酸可进一步通过EMP途径的逆转而形成葡萄糖分子外，其余5个分子经过复杂的反应并消耗3个ATP后，最终再生出3个核酮糖-1，5-二磷酸分子，以便重新接受CO2 分子。
如果以产生1个葡萄糖分子来计算，则Calvin循环的总式为：
6CO2 +12NAD（P）H2 +18ATP→C6H12O6 +12NAD（P）+18ADP+18Pi
现把经精简后的Calvin循环途径列在图6-37中。
Calvin循环的最初产物是甘油醛-3-磷酸，然后再进一步合成细胞所需要的各种成分，即：
2．厌氧乙酰-辅酶A途径 厌氧乙酰辅酶A途径（anaerobicacetyl-CoApathway）又称活乙酸途径（activatedaceticacidPathway）。这是近年来在一些能利用氢的严格厌氧菌包括产甲菌、硫酸盐还原菌和产乙酸菌中发现的新的自养CO2 还原途径。它们不存在Calvin循环，因由乙酰-辅酶A途径来担任CO2 还原功能。实验是用Methanobacteriumthermoautotrophicum（热自养甲烷杆菌）并结合同位素方法来进行的。初步研究的结果见图6-38。
从图6-38中可以看出，在厌氧乙酰-辅酶A的CO2 还原途径中，1分子CO2 先被还原力[H]（通过含F420因子①或NADP的酶所转移）还原成甲醇水平（甲基-X），另一分子CO2 则被一氧化碳脱氢酶还原成一氧化碳。通过甲基-X的羧化产生乙酰-X，进而形成乙酰-COA，在丙酮酸合成酶的催化下，由乙酰-CoA接受第3个CO2 分子而羧化成丙酮酸。然后就可由丙酮酸通过已知代谢途径去合成细胞所需要的各种有机物。
3．还原性TCA循环途径 通过还原性TCA循环（reductivetricarboxylicacidcycle）而固定CO2 的途径只是在少数光合细菌例如Chlorobiumthiosulfatophilum（嗜硫代硫酸盐绿菌）中才能找到。在这一途径中，CO2 通过琥珀酰-COA的还原性羧化作用而被固定，即：
值得指出的是，通过对以上三类自养微生物CO2 固定的比较后，发现厌氧CO2 固定要比好氧CO2 固定更为经济有效。例如，3molCO2 经厌氧的乙酰-辅酶A途径合成1mol甘油醛-3-磷酸只需要消耗3molATP；通过还原性TCA循环途径相应地需要5molATP；而通过Calvin循环则需要9molATP。
第二节 分解代谢和合成代谢间的联系
在本章一开始就已讲过，分解代谢与合成代谢间有着极其密切的联系。可以说，分解代谢的功能在于保证正常合成代谢的进行，而合成代谢又反过来为分解代谢创造了更好的条件，两者相互联系，促进了生物个体的生长繁殖和种族的繁荣发展。分解代谢和合成代谢的相互关系可见图6-39。
在分解代谢的三类产物中，有关能量（ATP）及还原力[H]问题已在第一节中作了较详细的讨论，本节将着重讨论联结分解与合成代谢的一些重要中间代谢物的来源。这些中间代谢物一共有12种（表6-7），如果在生物体中只进行能量代谢，则有机能源的最终结局只是产生ATP、H2 O和CO2 ，这时便没有任何中间代谢物可供累积，因此，合成代谢也不可能正常进行。相反，如果要进行正常的合成代谢，又须抽走大量为分解代谢正常进行所必需的中间代谢物，结果也势必影响具有循环机制的分解代谢的正常运转。
为解决上述矛盾，生物体在其长期进化过程中，发展了以下两类独特功能的代谢途径。
一、兼用代谢途径（amphibolic pathway）
凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称兼用代谢途径。从表6-7中可知，EMP、HMP和TCA循环是重要的兼用代谢途径。例如，TCA循环不仅包含着丙酮酸和乙酰-CoA的氧化，而且还包含了琥珀酰-CoA、草酰乙酸和α-酮戊二酸等的产生，它们是合成氨基酸和卟啉等化合物的重要中间代谢物；又如，葡萄糖通过EMP途径可以分解为2个丙酮酸，反之，两个丙酮酸也可通过EMP途径的逆转而合成1个葡萄糖，这就是葡糖异生作用（gluconeogenesis）。必须指出的是，①在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转，即催化两个方向中的同一反应并不是总是用同一种酶来进行的。例如，在上述的葡糖异生作用中，有两个酶与分解代谢时不同，即由果糖二磷酸酯酶（而不是磷酸果糖激酶）来催化果糖-1，6-二磷酸至果糖-6-磷酸的反应，而由葡萄糖-6-磷酸酯酶（而不是己糖激酶）来催化葡萄糖-6-磷酸至葡萄糖的反应。②在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。③在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在细胞的不同区域中分隔进行，即合成代谢一般在细胞质中进行，而分解代谢则多在线粒体和微粒体中进行，这就有利于两者可同时有条不紊地运转。原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行（见第四节）。
二、代谢物回补顺序（anaplerotic sequence）
微生物在正常情况下，为进行生长、繁殖的需要，必须从分解代谢途径中取得大量中间代谢物以满足其合成细胞基本物质——糖类、氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和维生素等的需要。这样一来，势必又造成了分解代谢不能正常运转并进而影响产能功能的严重后果。例如，在TCA循环中，如果因合成谷氨酸而抽去了α-酮戊二酸，就会使循环中断。中间代谢物的回补顺序就是为解决这一矛盾而发展起来的。所谓回补顺序，又称补偿途径或添补途径（replenishmentpathway），就是指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应。这样，当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被大量用作生物合成的原料时，仍可保证能量代谢的正常进行。例如，在通常情况下，TCA循环中约有一半的中间代谢物被抽作合成氨基酸和嘧啶的原料。
不同的微生物和在不同的碳源条件下，有不同的回补顺序。与EMP和TCA循环有关的回补顺序约有10条，它们都围绕着回补EMP途径中的磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）和TCA循环中的草酰乙酸（oxaloacetate，OA）这两种关键性中间代谢物。现将其中最重要的途径表解如下：
（一）合成草酰乙酸（OA）的回补顺序
草酰乙酸是保证TCA循环正常运转中的一个关键性中间代谢物，缺少它时，乙酰-CoA就无法进入此循环，从而不能产能或形成其他中间代谢物。合成草酰乙酸的回补顺序有以下两类。
1．用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成OA 当微生物生长在葡萄糖或其他3碳化合物如丙酮酸、乳酸或甘油等碳源上时，可以利用以下两条途径来补充草酰乙酸：
（1）由PEP羧化酶（PEPcarboxylase）催化磷酸烯醇丙酮酸为草酰乙酸。
（2）由丙酮酸羧化酶（Py carboxylase）催化丙酮酸为草酰之酸
2．用乙酸等2碳化合物作碳源合成OA 以乙酸、乙醇、烃类或脂肪酸等2碳化合物作为唯一碳源上的微生物，例如许多细菌、真菌、藻类和原生动物等，其产生草酰乙酸的回补顺序是由独特的乙醛酸循环（glyoxy-latecycle）或称Krebs-Kornberg循环来完成的。
凡能利用乙酸为唯一碳源或能源的微生物，都证明存在着乙醛酸循环。这类微生物的种类很多，如细菌中的Acetobacter（醋杆菌属）、Azotobacter（固氮菌属）、E.coli、Enterobacteraerogenes（产气肠杆菌）、Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonasfluorescens（荧光假单胞菌）和Rhodospirillum（红螺菌属）等，真菌中的Saccharomyces（酵母属）、Aspergillusniger（黑曲霉）和Penicillium（青霉属）等。
乙醛酸循环这种回补顺序主要是通过两种独特酶来实现的。其一是异柠檬酸裂合酶（isocitratelyase），它催化异柠檬酸裂解成琥珀酸和乙醛酸的反应：
另一为苹果酸合梅，它催化2个2碳化合物——乙酰-CoA和乙醛酸缩合为苹果酸的反应：
通过这两种酶的合作，就可把1分子异柠檬酸和1分子乙酰-CoA转化成2分子4碳二羧酸，然后再进一步借苹果酸脱氢酶和丙酮酸羧化酶转化成丙酮酸或借磷酸烯醇丙酮酸激酶转化成磷酸烯醇丙酮酸，从而可通过葡糖异生作用合成葡萄糖，另一方面它们还可供柠檬酸合酶合成草酰乙酸，从而为生物合成提供更多的原料。乙醛酸循环常与TCA循环同时存在，相互补充，借以充分发挥TCA循环的产能功能和乙醛酸循环的中间代谢物回补功能（图6-40）。
从图6-40中可知，乙醛酸循环每周转一次可把2个2碳化合物（乙酸）合成1个4碳化合物（琥珀酸），即：
（二）合成磷酸烯醇丙酮酸（PEP）的回补顺序
磷酸烯醇丙酮酸是EMP途径中的重要中间代谢物。当PEP的来源充足时，微生物就可通过合适反应合成有关成分，也可通过葡糖异生作用合成己糖。
1．用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成PEP
（1）丙酮酸通过磷酸烯醇丙酮酸合酶（PEPsynthase）产生磷酸烯醇丙酮酸
（2）丙酮酸通过丙酮酸磷酸双激酶（pyruvatephosphatedikinase）产生磷酸烯醇丙酮酸
2．用乙酸等2碳化合物作碳源合成PEP 当某些微生物生长在以2碳化合物乙酸等作为唯一碳源的培养基上时，它们可以通过上述的乙醛酸循环合成草酰乙酸，有了草酰乙酸后，就可以进一步通过以下两种途径产生磷酸烯醇丙酮酸。
（1）草酰乙酸由PEP羧激酶（PEPcarboxykinase）催化产生磷酸烯醇丙酮酸
（2）草酰乙酸由PEP羧转磷酸酶（PEPcarboxytransphosphorylase）催化产生磷酸烯醇丙酮酸
以上已较详细地把若干最重要的中间代谢物的回补顺序作了介绍，现把它们综合在图6-41中。
第三节 微生物独特合成代谢途径举例
对一切生物所共有的重要物质如糖类、蛋白质、核酸、脂类和维生素等的合成代谢知识是生物化学课程的重点讨论内容，因此不打算在这里重复。本章要讨论的只是为微生物所特有的合成代谢类型，它们的种类很多，例如生物固氮，各种结构大分子、细胞贮藏物和很多次生代谢产物的生物合成等。以下我们仅选其中的生物固氮和细菌细胞壁肽聚糖的生物合成为例来作比较详细的介绍。
一、生物固氮
如果把光合作用看作是地球上最重要的生物化学反应的话，则生物固氮应当是地球上仅次于光合作用的第二个最重要的生物化学反应。生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。这是一种极其温和的生物化学反应，它比人类发明的利用铁催化剂、在高温（约300℃）、高压（约300个大气压）下的化学固氮要优越得多。
（一）固氮微生物的种类自1886年M．W．Beijerinck分离到共生固氮的根瘤菌后，至今所研究过的固氮生物约有50多属和100多种，它们都是原核生物。以下分别按自生固氮菌（能独立进行固氮的微生物）、共生固氮菌（必须与它种生物共生在一起时才能固氮的微生物）和联合固氮菌（必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物）三类分别来作表解式的介绍。
1．自生固氮菌
2．共生固氮菌
* 表解中列出的许多属并不是它所包括的所有种都能固氮。
3．联合固氮菌
（二）固氮的生化机制
生物固氮是一个极其重要的生化反应过程，因此一向受到研究者的高度重视。可是长期来由于对固氮酶这种生物催化剂的高度氧敏感性未予认识，因此无法进行深入研究。1960年，J．E．Carnahan等从Clostridiumpasteurianum（巴氏梭菌）这一厌氧菌中获得了具有固氮活性的无细胞抽提液，实现了分子氮还原为氨的实验。1966年，L．Mortenson等从C．pasteurianum和Azoto-bactervinelandii（维涅兰德固氮菌）的细胞抽提液中，分离出两种半纯的固氮蛋白——钼铁蛋白和铁蛋白。至1970年，R．C．Burns等才获得固氮钼铁蛋白的白色针状结晶。从此，固氮的生化和遗传机制的研究才蓬勃开展起来。
（1）ATP的供应 固氮过程中需要消耗大量的能量，据试验，固定1molN2约要消耗10～15molATP。这些ATP是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合作用所提供的。
（2）还原力[H]及其载体 固氮过程所需要的大量还原力[H]或电子由NAD（P）H2所提供，它们由电子载体铁氧还蛋白（Fd，ferredoxin）或黄素氧还蛋白（Fld，flavodoxin）传递至铁蛋白。此外，H2（在氢化酶作用下形成H+e）、丙酮酸、甲酸、连二亚硫酸盐（一种人工还原剂）或异柠檬酸等也可在不同微生物中作为氢供体。Fd或Fld是一类在低氧化还原势下的电子传递体。Fd是一种铁硫蛋白，它存在于许多微生物中，含等摩尔的铁和不稳态硫（在酸化时能以H2S形式释放），参与固氮、光合作用以及释放和利用H2的反应；而Fld则是一种黄素蛋白，在许多反应中有取代Fd的功能。每1分子Fld中含1分子FMN，但不含金属或不稳态硫。此外，在A．vinelandii中，还含有一种特殊的Fld，称为“固氮黄素”（azotoflavin）。
（3）固氮酶（nitrogenase） 从各种不同生理类型的固氮微生物中，都可以抽提到结构相同的固氮酶。它含有两种成分——组分Ⅰ（P1）和组分Ⅱ（P2）。组分Ⅰ是真正的“固氮酶”，又称钼铁蛋白（MF）或钼铁氧还蛋白（MoFd，molebdoferredoxin）；组分Ⅱ实质上是一种“固氮酶还原酶”，又称铁蛋白（F）或固氮铁氧还蛋白（AzoFd，azoferredoxin）。有关组分Ⅰ和组分Ⅱ的结构、功能及其活性中心等的比较可见表6-8。
（4）还原底物N2（有NH3存在时会抑制固氮作用）
（5）镁离子
（6）严格的厌氧微环境
2．固氮酶活力的测定测定固氮酶活力的方法很多。经典的方法有粗放的微量克氏定氮法和烦琐的同位素法等。1966年，M．J．Dilworth和R．Scholhorn等分别发表了既灵敏又简便的乙炔还原法来测定固氮酶的活性，从而大大促进了固氮生化的研究。
已知所有的固氮酶除了能催化N2→NH3的反应外，还能催化以下多种有关反应：
①N2O→N2+H2O
②N3-→N2+NH3
③C2H2→C2H4
④HCN→CH4+NH3+[CH3NH2]
⑤CH3NC→CH4+CH3NH2+[C2H4，C2H6]
在其中的C2H2（乙炔）→C2H4（乙烯）反应中，这两种气体即使在很低浓度下，也能方便地用气相色谱仪测定出来。由于此反应的灵敏度高、设备简单、成本低廉和操作简便，使之迅速成为各固氮研究实验室中的常规方法，它不仅可用于纯酶制剂固氮活力的测定，也可用于天然固氮生态系统固氮活力的研究。
3．固氮的生化途径固氮反应的总式为：
N2+6e+6H++12ATP→2NH3+12ADP+12Pi
固氮过程及其细节可见图6-42。
从图6-42中可以看出，整个固氮过程主要有以下几个环节：①由Fd或Fld向氧化型组分Ⅱ的铁原子提供一个电子，使其还原；②还原型的组分Ⅱ与ATP-Mg结合后，改变了自己的构象；③组分Ⅰ在含Mo的位点上与分子氮结合，并与组分Ⅱ-Mg-ATP复合物反应，形成一个1∶1复合物，即固氮酶；④在固氮酶分子上，有一个电子从组分Ⅱ-Mg-ATP复合物转移到组分Ⅰ的铁原子上，使组分Ⅱ重新转变成氧化态，同时ATP也就水解成ADP+Pi；⑤通过以上电子转移过程连续6次（用打点子的箭头表示）的运转，才可使组分Ⅰ释放出2个NH3分子。还须指出的是，在以上过程中，固氮酶必须始终受活细胞中各种“氧障”的严密保护，以防固氮酶遇氧分子而发生不可逆的失活。
N2分子经固氮酶的催化而还原成NH3后，就可通过下述途径（图6-43）与相应的酮酸结合而形成各种氨基酸。
图6-43的总反应为：NH4++α-酮酸→相应的氨基酸。例如，由丙酮酸形成丙氨酸，由α-酮戊二酸形成谷氨酸，由草酰乙酸形成天冬氨酸等。有了氨基酸后，就可进一步合成蛋白质和其他有关化合物了。
4．固氮酶的氢反应固氮酶除能催化N2→NH3外，还具有催化2H+→H2反应的氢酶活性。当固氮菌生活在缺N2条件下时，其固氮酶可将H+全部还原成H2；在有N2条件下，固氮酶也总是只把75％的还原力[H]去还原N2，而把另外25％的[H]以形成H2的方式浪费掉了：
N2+8H++8e+16Mg-ATP→2NH3+H2+16Mg-ADP+16Pi
然而，在大多数的固氮菌中，还含有另一种经典的氢酶，它能将被固氮酶浪费的分子氢重新激活，以回收一部分还原力[H]和ATP。
（三）好氧性固氮菌固氮酶的抗氧机制
前已述及，固氮酶的两个蛋白组分对氧是极端敏感的，而且一旦遇氧就很快导致不可逆的失活，例如，组分Ⅱ（铁蛋白）一般只要在空气中暴露45秒钟即会丧失一半活性，组分Ⅰ（钼铁蛋白）虽稍稳定，但一般在空气中的活性半衰期也只有10分钟。当然，来自不同微生物的钼铁蛋白，其氧敏感性是不同的（表6-9）。
事实上，大多数的固氮菌都是好氧菌，它们需要利用氧气进行呼吸和产生能量。固氮菌在其漫长的进化过程中，发展出多种机制来解决其既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾。
1．好氧性自生固氮菌的保护机制
（1）呼吸保护 指固氮菌以较强的呼吸作用迅速地将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，并以此来保护固氮酶不受氧的损伤。
属于固氮菌科（Azotobacteriaceae）的固氮菌，都有特别高的呼吸强度。例如，把生长在低氧分压下的A．vinelandii突然转移到高氧分压条件下时，可发现其呼吸强度和NADPH2脱氢酶活性同时增高，细胞色素a2的含量也增加，而氧化磷酸化的效率却明显降低。其原因是细胞动用了一套以耗费碳源来去除氧以保护固氮酶的呼吸系统，据研究，这是因为它们利用了一条分支的、与磷酸化解偶联的呼吸链。
（2）构象保护 当固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象，称为构象保护。在对A．vinelandii和A．chroococcum的研究中，发现固氮酶的构象保护是由于该酶与一个或几个蛋白质或磷脂等稳定因子的结合而引起的。例如，已在这两种菌中分离和纯化了具有构象保护功能的蛋白因子，即Fe-S蛋白Ⅱ。它是一种2Fe-2S的耐氧蛋白。来源于A．vinelandii的，称AvP（分子量为15000，是单体），来源于A．chroococcum者，称AcP（分子量为24000～30000，有两个亚基）。实验发现，当Fe-S蛋白Ⅱ与固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白都处于氧化状态且有Mg2+存在时，三者可形成耐氧的大分子复合物。反之，当它们处于还原状态时，可发生解离，并重新出现固氮活性。
呼吸保护与构象保护两者相互协调，组成一个“双保险”式的保护机制。在一般情况下，可通过呼吸保护来去除多余的氧，如果它还不足以去除过量分子氧时，则可进一步利用构象保护使固氮酶达到可逆性抑制状态，以渡过不良的环境条件。
2．蓝细菌固氮酶的保护 蓝细菌是一类放氧性光合生物（oxygenicphototrophs），在光照下，会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度增高，但同时它又有厌氧的固氮系统，因此，在其长期进化过程中就发展出种种保护固氮酶免受氧损伤的独特机制。
（1）分化出特殊的还原性异形胞 在第二章第三节中，我们已初步讨论过蓝细菌异形胞的结构和功能。在具有异形胞分化的蓝细菌中，固氮作用只有在异形胞中才能进行。异形胞的体积较营养细胞大，细胞外有一层由糖脂组成的片层式的较厚外膜，它具有阻止氧气扩散入细胞内的物理屏障作用；异形胞内缺乏产氧光合系统Ⅱ，加上脱氢酶和氢酶活性高，使异形胞能维持很强的还原态；其中超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，简称SOD，详见第七章第三节）的活性很高，有解除氧毒害的功能；此外，异形胞还有比邻近营养细胞高出约2倍的呼吸强度，借此可消耗过多的氧和产生对固氮所必要的ATP。
（2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护 这类蓝细菌一般缺乏独特的防止氧对固氮酶的损伤机制。在它们之中，有的采用将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔（黑暗下固氮，光照下进行光合作用），如（织线蓝菌属）等；有的则形成束状群体，在其中央处于厌氧环境下的细胞失去光合系统Ⅱ，有利于固氮酶在微氧环境下进行固氮作用，如Trichodesmium（束毛蓝菌属）；有的则在固氮酶活性高时，细胞内用以除去有毒过氧化物的过氧化物酶和SOD的活力也均提高，如Gloeocapsa（粘球蓝菌属）等。
3．根瘤菌固氮酶的抗氧保护
（1）豆科植物共生根瘤菌 根瘤菌以只能生长不能分裂的类菌体（bacteroids）形式存在于豆科植物的根瘤中。许多类菌体被包在一层类菌体周膜（peribacterialmembrane，简称pbm）中，维持了一个良好的氧、氮和营养环境。最重要的是在这层膜的内外都存在着一种独特的豆血红蛋白（leghaemoglobin）。豆血红蛋白是一种氧结合蛋白，可将氧输送给根瘤中的类菌体，由于它与氧的亲合力极强（可使氧浓度比周围环境降低8万倍），因此，又可防止局部氧浓度增高，从而避免了固氮酶被氧所损伤。豆血红蛋白就像一种缓冲剂，可在根瘤中调节氧的浓度，使它稳定在对固氮酶最合适的范围内。已知在豆血红蛋白中的蛋白部分是由根瘤菌触发，再由植物基因所编码和合成，而其血红素部分则由植物所触发，再由根瘤菌基因所编码和合成，两者达到极其默契的共生状态。
（2）非豆科植物共生根瘤菌 1973年才发现的一种生长在非洲的榆科植物——Parasponia（糙叶山黄麻），是首次发现的在根瘤中共生着根瘤菌（豇豆根瘤菌）的非豆科植物。在其根瘤中虽未发现豆血红蛋白，但却含有能可逆地与氧相结合的植物血红蛋白，它在菌体内也起着氧载体的作用。在赤杨、杨梅、木麻黄等非豆科木本植物的根瘤中，存在着共生的Frankia（弗兰克氏菌属）放线菌。目前初步知道Frankia的营养菌丝的末端可膨大成一球形囊，称为泡囊，这是它的固氮部位。泡囊与蓝细菌中的异形胞相似，具有保护固氮酶免受分子氧损伤的特殊功能。
二、微生物结构大分子——肽聚糖的合成
微生物所特有的结构大分子的种类很多，例如原核生物中的肽聚糖、磷壁酸、脂多糖以及各种荚膜成分等，真核生物中的葡聚糖、甘聚糖、纤维素和几丁质等。
肽聚糖是绝大多数原核生物细胞壁所含有的独特成分；它在细菌的生命活动中有着重要的功能（详见第二章），尤其是许多重要抗生素例如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selectivetoxicity）的物质基础；加之它的合成机制复杂，并在细胞膜外进行最终装配步骤，因此，这里就以它为例，来讨论这一有代表性的微生物结构大分子是如何合成的。
整个肽聚糖合成过程的步骤极多（近20步），根据反应是在细胞质中、细胞膜上或是在细胞膜外进行，可把它明显地划分成三个阶段（图6-44）。
（一）在细胞质中的合成
1．由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸
2．由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸这一过程共有4步反应，它们都需尿嘧啶二磷酸（UDP）作为糖载体，另外还有合成D-丙氨酰-D-丙氨酸的2步反应，它们可被环丝氨酸（恶唑霉素）所抑制（图6-45）。
（二）在细胞膜中的合成
由“Park”核苷酸合成肽聚糖单体分子是在细胞膜上进行的。由于细胞膜是疏水性的，所以，要把在细胞质中合成的亲水性化合物“Park”核苷酸穿入细胞膜并进一步接上N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后把肽聚糖单体（即双糖肽亚单位）插入到细胞膜外的细胞壁生长点处，必须通过一种称作细菌萜醇（bactoprenol）的类脂载体的运送。
类脂载体是一种含11个异戊二烯单位的C55类异戊二烯醇，它可通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸分子相接，使糖的中间代谢物呈现很强的疏水性，从而使它能顺利通过疏水性很强的细胞膜并转移到膜外。类脂载体的结构为：
类脂载体除在肽聚糖的合成中具有重要作用外，还可参与微生物多种胞外多糖和脂多糖的生物合成，例如细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌的纤维素，以及真菌的几丁质和甘露聚糖等。
由“Park”核苷酸合成肽聚糖单体可分3步进行，再加上有关步骤总计有5步，其详细过程见图6-46。
（三）在细胞膜外的合成
就象装运到建筑工地上的一个个“预制件”被逐个安装到大厦上的适当部位就可组装成一座雄伟壮丽的大厦那样，从焦磷酸类脂载体上脱下来的肽聚糖单体，被运送到细胞膜外正在活跃合成肽聚糖的部位，在那里，必须有现成的细胞壁残余（至少含有6～8个肽聚糖单体）作为引物，然后，肽聚糖单体与引物分子间先发生转糖基作用（transglycosylation），使多糖链横向延伸一个双糖单位，然后再通过转肽酶（transpeptidase）的转肽作用（transpeptidation），再使前后两条多糖链间通过形成甘氨酸五肽“桥”而发生纵向交联。甲乙两肽尾间的五甘氨酸肽桥是这样形成的：通过转肽酶的作用，在甲肽尾五甘氨酸肽的游离氨基端与乙肽尾的第四个氨基酸——D-Ala的游离羧基间形成一个肽键，而使两者交联。这时，乙肽尾从原有的五肽变成正常肽聚糖分子中的四肽尾了。必须指出的是，以上过程是以Staph．aureas为材料研究出来的，而在其他原核生物中还有别的肽桥类型或根本不存在什么肽桥（见第二章）。有关转糖基作用和转肽作用的反应见图6-47。
从图6-47中可以看出，转肽酶的转肽作用可被青霉素所抑制。其作用机制是：青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D-丙氨酰D-丙氨酸的结构类似物（图6-48），它们两者可相互竞争转肽酶的活力中心。当转肽酶与青霉素结合后，因前后两个肽聚糖单体间的肽桥无法交联，因此只能合成缺乏正常机械强度的缺损“肽聚糖”，从而形成了细胞壁缺损的细胞，例如原生质体或球状体等，它们在渗透压变动的不利环境下，极易因破裂而死亡。因为青霉素的作用机制在于抑制肽聚糖的生物合成，因此对处于生长繁殖旺盛期的微生物具有明显的抑制作用，而对处于生长休止期的细胞（restcell），则无抑制作用。
第四节 微生物的代谢调控与发酵生产
微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。有人估计，在大肠杆菌细胞中，同时存在着2500种左右的蛋白，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。如果细胞平均使用蛋白质，由于每个细菌细胞的体积只够装约10万个蛋白质分子，所以每种酶平均还分配不到100个分子。在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。例如，在每种微生物的遗传因子上，虽然潜在着合成各种分解酶的能力，但是除了一部分是属于经常以较高浓度存在的组成酶（constitutiveen-zyme）外，大量的都是属于只有当其分解底物或有关诱导物存在时才合成的诱导酶（induceden-zyme或inducibleenzyme）。据估计，诱导酶的总量约占细胞总蛋白含量的10％。通过代谢调节，微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
微生物细胞的代谢调节方式很多，例如可调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力，通过酶的定位以限制它与相应底物的接近，以及调节代谢流等。其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是“粗调”，即调节酶的合成量，二是“细调”，即调节现成酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果。
利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株。有关的实际例子将在本节后部分进行介绍。
以下将以原核生物为对象来讨论微生物的代谢调节及其工业应用。
一、酶活性的调节
酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率，包括酶活性的激活和抑制两个方面。酶活性的激活系指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进，例如Streptococcusfeacalis（粪链球菌）的乳酸脱氢酶活性可被果糖-1，6-二磷酸所促进，或Neu-rosporacrassa（粗糙脉孢菌）的异柠檬酸脱氢酶的活性会受柠檬酸促进等。酶活性的抑制主要是反馈抑制（feed-backinhibition），它主要表现在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积（图6-49）。反馈抑制具有作用直接、效果快速以及当末端产物浓度降低时又可重新解除等优点。
（一）反馈抑制的类型
1．直线式代谢途径中的反馈抑制 这是一种最简单的反馈抑制类型。例如E．coli在合成异亮氨酸时，因合成产物过多可抑制途径中第一个酶——苏氨酸脱氨酶的活性，从而使α-酮丁酸及其后一系列中间代谢物都无法合成，最终导致异亮氨酸合成的停止（图6-50）；另外，Corynebacteriumglutamicum（谷氨酸棒杆菌）利用谷氨酸合成精氨酸也是直线式反馈抑制的典型例子。
2．分支代谢途径中的反馈抑制在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂。为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物已发展出多种调节方式。
（1）同功酶调节 同功酶（isoenzyme）又称同工酶，是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却存在着差别。同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。如图6-51中A→B的反应由三个同功酶a、b、c所催化，它们分别受最终产物E、G、H所抑制，这样，当环境中只有一种最终产物过多时就只能抑制相应酶的活力，而不致影响其他几种最终产物的形成。
通过同功酶进行反馈抑制的实例很多，例如在E．coli的赖氨酸和苏氨酸合成中，天冬氨酸激酶Ⅰ和同型丝氨酸脱氢酶Ⅰ可被苏氨酸所抑制；天冬氨酸激酶Ⅲ可被赖氨酸所抑制（见图6-52）。
（2）协同反馈抑制（concertedfeedbackinhibition） 指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式（图6-53）。例如Corynebacteriumglutamicum或Bacilluspolymyxa（多粘芽孢杆菌）在合成天冬氨酸族氨基酸时，天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制，如果仅苏氨酸或赖氨酸过量，并不能引起抑制作用。
（3）合作反馈抑制（cooperativefeedbackinhibition） 又称增效反馈抑制，系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用（图6-54）。例如，AMP和GMP虽可分别抑制PRPP（磷酸核糖焦磷酸酶），但两者同时存在时抑制效果却要大得多。
（4）累积反馈抑制（cumulativefeedbackinhibition） 每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。在各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用（图6-55）。
累积反馈抑制最早在E．coli的谷氨酰胺合成酶调节中发现，该酶受8个最终产物的累积反馈抑制，只有当它们同时存在时，酶活力才被全部抑制（图6-56）。如色氨酸单独存在时，可抑制酶活力的16％，CTP相应为14％，氨基甲酰磷酸为13％，AMP为41％。这4种末端产物同时存在时，}
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