微生物的能量代謝

能量代謝的中心任務是生物體如何把外界環境中多種形式的最初能源轉換成對一切生命活

動都能使用的通用能源——ATP。對微生物來說，它們可利用的最初能源有三大類即：有機

物、日光和還原態無機物。

一、異養微生物的生物氧化

生物氧化是發生在活細胞內的一系列產能性氧反應的總稱。生物氧化的形式包括某物質

與氧結合、脫氫或失去電子；生物氧化的過程可分為脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受

氫（或電子）三個階段；生物氧化的功能則有產能、產還原力和產小分子中間代謝物三種。

異養微生物氧化有機物的方式，根據氧化還原反應中電子受體的不同可分成發酹和呼吸兩種

類型，而呼吸以可分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種方式。

1.發酵

發酵是指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完成氧化的某種中間

產物，同時釋放能量并產生各種不同的代謝產物。在發酵條件下有機化合物只是部分地被氧

化，因此只釋放出一小部分的能量。發酵過程的氧化是與有機物的還原偶聯在一起的。被還

原的有機物來自于初始發酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。

發酵的種類有很多，可發酵的底物有糖類、有機酸、氨基酸等，其中以微生物發酵葡萄

糖最為重要。生物體內葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解，主要分為四種途徑：EMP、

HMP、ED、磷酸解酮酶途徑。

（1）EMP途徑

整個EMP途徑大致可分為兩個階段。第一階段可認為是不涉及氧化還原反應及能量釋放

的準備階段，只是生成兩分子的主要中間代謝產物：甘油醛-3-磷酸。第二個階段發生氧化

還原反應，合成ATP并形成兩分子的丙酮酸。在糖酵解過程中，有兩分子ATP用于糖的磷

酸化，但合成出四個分子的ATP,因此每氧化一個分子的葡萄糖凈得兩個ATP。

在兩分子的1，3-二磷酯甘油酸的合成過程中，兩分子NAD+被還成為NADH。然而，細

胞中的NAD+供應是有限的，假如所有的NAD+都轉化為NADH,葡萄糖的氧化就得停止。

因為甘油-3-磷酸的氧化反應只有在NAD+存在時才能進行。這一路徑可以通過將丙酮酸還

原，使NADH氧化重新成為NAD+而得以克服。例如在酵母細胞中丙酮酸被還原成為乙醇,

并伴有C02的釋放。而在乳酸菌細胞中，丙酮酸被還原成乳酸。對于原核生物細胞，丙酮

酸的還原途徑是多樣的，但有點是一致的：NADH必須重新被還原成NAD+,使得酵解過

程中的產能反應得以進行。

EMP途徑可為微生物的生理活動提供ATP和NADH,其中間產物又可為微生物的合成代

謝提供碳骨架，并在一定的條件下可逆轉合成多糖。

(2)HMP

HMP途徑是從葡萄糖-6-磷酸開始的，HMP途徑的一個循環的最終結果是一分子葡萄糖

-6-磷酸轉變成一分子甘油醛-3-磷酸，三分子C02和六分子NADPHo一般認為HMP途徑

合成不是產能途徑，而是為生物合成提供大量的還原力（NADPH）和中間代謝產物。如核

酮糖-5-磷酸是合成核酸，某些輔酶及組氨酸的原料。另外HMP途徑中產生的核酮糖-5-磷酸,

還可以轉化為核酮糖-1,5-二磷酸，在竣化酶作用下固定C02,對于光能自養菌、化通自養

菌具有重要意義。雖然這條途徑中產生的NADPH可經呼吸鏈氧化產能，1摩爾葡萄糖經

HMP途徑最終可得到35摩爾ATP,但這不是代謝中的主要方式。因此，不能把HMP途徑

看作是產生ATP的有效機制。大多數好氧和兼性厭氧微生物中都有HMP途徑，而且在同一

微生物中往往同時存在EMP和HMP途徑，單獨具有EMP和HMP途徑的微生物較少見。

（3）ED途徑

ED途徑是在研究嗜糖假單胞菌時發現的，在ED途徑中，葡萄糖-6-磷酸首先脫氫產生葡

萄糖酸-6-磷酸，接著在脫水酶和醛縮酶的作用下，產生一個分子甘油醛-3-磷酸和一個分子

丙酮酸。然后甘油醛-3-磷酸進入EMP途徑轉變成丙酮酸。一分子葡萄糖經ED途徑最后生

成兩分子丙酮酸、一分子ATP、一分子NADPH和NADH。ED途徑在革蘭代陰性菌中分布

廣泛，特別是假單胞菌和固氮的某些菌株較多存在。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑

而單獨存在，但對于靠底物水平磷酸化獲得ATP的厭氧菌而言，ED途徑不如EMP途徑。

（4）磷酸解酮酶途徑

磷酸解酮酶途徑是明串珠菌在進行異型乳酸發酵過程中分解已糖和戊糖的途徑。該途徑

的特征性酶是磷酸解酮酶，根據解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的稱為PK途徑，把

具有磷酸已糖解酮酶的稱為HK途徑。

在糖酵解過程中生成的丙酮酸可被進一步代謝。在無氧條件下，不同的微生物分解丙酮

酸后會積累不同的代謝產物。目前發現多種微生物可以發酵葡萄糖產生乙醇，能進行乙醇發

酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些細菌。根據在不同條件下代謝產物的不同，可將

酵母菌利用葡萄糖進行的發酵分為三種類型：如果以乙醛（丙酮酸脫竣）為受體生成乙醇，

這種發酵稱為酵母的一型發酵；當環境中存在亞硫酸氫鈉時，不能以乙醛作為受體，而以磷

酸二羥丙酮作為受體時，產物為甘油，稱為酵母的二型發酵；在弱堿性條件下（PH7.6）,乙

醛因得不到足夠的氫而積累，兩個乙醛分子間會發生歧化反應，一個作為還原劑形成乙酸，

一個作為氧化劑形成乙醇，受體為磷酸二羥丙酮，發酵產物為甘油、乙醇和乙酸，稱為酵母

的三型發酵。這種發酵方式不產生能量，只能在非生長的情況下進行。

不同的細菌進行乙醇發酵時，其發酵途徑也各不相同。如厭氧發酵單胞菌是利用ED途

徑分解葡萄糖為丙酮酸，最后得到乙醇。腸桿菌則是利用EMP途徑來進行乙醇發酵。

許多細菌能利用葡萄糖產生乳酸，這類細菌稱為乳酸細菌。根據產物的不同，乳酸發酵

有三種類型：同型乳酸發酹（利用EMP途徑產物只有乳酸）、異型乳酸發酵（利用PK乳酸

及部分乙醇或乙酸）和雙歧發酵（利用雙歧雙歧桿菌發酵葡萄糖產生乳酸的一條途徑）。

許多厭氧菌可進行丙酸發酵、丙酮-丁醇發酵；某些腸桿菌可進行混合酸發酵，產物為乳

酸、乙酸、甲酸、乙醇、C02和氫氣等。

2呼吸作用

微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)、FAD或FMN等電子載體,

再經電子傳遞系統傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產物并釋放出能量的過程，

稱為呼吸作用。其中以分子氧作為最張終電子受體的稱為有氧呼吸，以氧化型化合物作為最

終電子受體的稱為無氧呼吸。呼吸作用與發酵作用的根本區別在于：電子載體不是將電子直

接傳遞給給底物降解的中間產物，而交給電子傳遞系統，逐步釋放出能量后再將取終電子受

體。

(1)有氧呼吸

在發酵過程中，葡萄糖經過糖酵解作用形成的丙酮酸在厭氧化條件下轉變成不同的發酵

產物，而在有氧呼吸過程中，丙酮酸進入三竣酸循環(TCA)被徹底氧化成水和C02,同

時釋放出大量能量。

在TCA循環過程中，丙酮酸完全氧化為三個分子的C02,同時生成四分子的NADH和

一分子FADH2oNADH和FADH2可以電子傳遞系統重新被氧化，由此每一氧化一分子

NADH可生成三個分子ATP,每氧化一分子FADH2可生成兩分子ATP。另外琥珀酰輔酶A

在氧化成延胡索酸時，包含著底物水平磷酸化作用，由此產生一分子GTP,隨后GTP轉化

ATPo因此每一次TCA循環可生成15分子ATP,此外在糖酵解過程中產生的兩分子NADH

可經電子傳遞鏈系統重新被氧化，產生6分子ATP。在葡萄糖轉變為兩個分子丙酮酸時還可

借底物水平磷酸化生成兩分子ATP。因些需氧微生物在完全氧化葡萄糖的過程中總共可得到

38分子的ATP?

在糖酹解和三較酸循環過程中形成的NADH和FADH2通過電子傳遞系統被氧化，最終

形成ATP為微生物的生命活動提供能量。電子傳遞系統是由一系列氫和電子傳遞體組成的

多酶氧化還原體系。NADH、FADH2以及其他還原型載體上的氫原子，以質子和電子的形

式在其上進行定向傳遞；其組成酶系是定向有序的，又是不對稱的地排列在原核微生物的細

胞質膜上或是在真核微生物的線粒體內膜上。這些系統具有兩種功能：一是從電子供體接受

電子并將電子傳遞給電子受體；二是通過合成ATP把在電子傳遞過程中釋放的一部分能量

保存起來。電子傳遞系統中的氧化還原酶包括：NADH脫氫酶、黃素蛋白、鐵硫蛋白、細

胞色素、醍及其化合物。

(2)無氧呼吸

某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸。無氧呼吸的最終電子受體不是

氧，而是像NO3-、N02-、SO42-、S2O32-、C02等這類外源受體。無氧呼吸也需要細胞色

素等電子傳遞體。并在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產生較多的能量用于生

命活動。但由于部分能量隨電子轉移給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產生的

多。在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作為呼吸作用的最終電子受體時，可以磷

酸鹽代替，其結果生成磷化氫，一種易燃氣體。在夜晚，氣體燃燒會發出綠幽幽的光。

二、自養微生物的生物氧化和C02的固定

一些微生物可以從氧化無機物獲得能量，同化合成細胞物質，這類細菌稱為化能自養微

生物。它們在無機能源氧化過程中通過氧化磷酸化產生ATP。

(-)自養微生物的生物氧化

1.氨的氧化

NH3同亞硝酸(N02-)是可以用作能源的最普通的無機氮化合物，能被硝化細菌所氧化，

硝化細菌可分為兩個亞群：亞硝化細菌和硝化細菌。氨氧化為硝酸的過程可分為兩個階段，

先由亞硝化細菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細菌將亞硝酸氧化為硝酸。由氨氧化為硝酸是

通過這兩類細菌依次進行的。硝化細菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性細菌，以分子氧為最

終電子受體，且大多數是專性無機營養型。它們的細胞都具有復雜的膜內褶結構，這有利于

增加細胞的代謝能力。硝化細菌無芽抱，多數為二分裂殖，生長緩慢，平均代時在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；二是經磷酸腺甘硫酸的氧化的途徑，每氧化一分子SO42-

產生動5個ATP。

3.鐵的氧化

從亞鐵到高鐵狀態的鐵的氧化，對于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。在低pH環境中這種菌能利用亞鐵氧化時放出的能量生長。在

該菌的呼吸鏈中發現了一種含銅蛋白質，它與幾種細胞色素c和一種細胞色素al氧化酶構

成電子傳遞鏈。在電子傳遞到氧的過程中細胞質內有質子消耗，從而驅動用ATP的合成。

4.氫的氧化

氫細菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養茵。它們能利用分子氫氧化產生的能量同

化C02,也能利用其他有機物生長。氫細菌的細胞膜上有泛醍、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了

ATP。在多數氫細菌中有兩種與氫的氧化有關的酶。一種是位于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：

H2T2H+十2e-

該酶在氧化氫并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主要用于C02的還原。

(二)C02的固定

C02是自養微生物的唯一碳源，異養微生物也能利用C02作為輔助的碳源。將空氣中的

C02同化成細胞物質的過程，稱為C02的固定作用。微生物有兩種同化C02的方式，一類

是自養式，另一類為異養式。在自養式中，CO2加在一個特殊的受體上，經過循環反應，

使之合成糖并重新生成該受體。在異養式中，C02被固定在某種有機酸上。因此異養微生

物即使能同化C02,最終卻必須靠吸收有機碳化合物生存。

自養微生物同化C02所需要的能量來自光能或無機物氧化所得的化學能，固定C02的途

徑主要有以下三條：

1.卡爾文循環(Calvincycle)

這個途徑存在于所有化能自養微生物和大部分光合細菌中。經卡爾文循環同化C02的途

徑可劃分為三個階段見圖：C02的固定；被固定的C02的還原；C02受體的再生。卡爾文

循環每循環一次，可將六分子C02同化成一分子葡萄糖，其總反應式為：

6CO2+18ATP+12NAD(P)H—C6H1206+18ADP+12NAD(P)++18Pi

2.還原性三竣酸循環固定C02

這個途徑見圖是在光合細菌、綠琉細菌中發現的。還原竣酸環的第一步反應是將乙酰CoA

還原竣化為丙酮酸，后者在丙酮酸竣化酶的催化下生成磷酸烯醇式丙酮酸，隨即被竣化為草

酰乙酸，草酰乙酸經一系列反應轉化為琥珀酰CoA,再被還原竣化為a-酮戊二酸。a-酮戊二

酸轉化為檸檬酸后，裂解成乙酸和草酰乙酸。乙酸經乙酰-CoA,從而合成酶催化生成乙酰

CoA,從而完成循環反應。每循環一次，可固定四分子C02,合成一分子草酰乙酸，消耗三

分子ATP、兩分子NAD(P)H和一分子FADH2。

3.還原的單竣酸環

這個體系與還原竣酸循環不同，不需要ATP,只要有Fd(red)就可運轉。Fd(red)由H2或

NADH2提供電子生成。光合細菌也有可能利用這個體系把C02換成乙酸。

第二節微生物的產能代謝

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

利用主要依賴于氧化還原反應。化學上，物質加氧、脫氫、失去電子被定義為氧化，而反之

則稱為還原。發生在生物細胞內的氧化還原反應通常被稱為生物氧化。微生物的產能代謝即

是細胞內化學物質經過一系列的氧化還原反應而逐步分解，同時釋放能量的生物氧化過程。

營養物質分解代謝釋放的能量，一部分通過合成ATP等高能化合物而被捕獲，另一部分能

量以電子與質子的形式轉移給一些遞能分子如NAD、NADP、FMN、FAD等形成還原力

NADII、NADPI1xFMNH和FADH,參與生物合成中需要還原力的反應，還有一部分以熱的

方式釋放。另有一部分微生物能捕獲光能并將其轉化為化學能以提供生命活動所需的能量。

種類繁多的微生物所能利用的能量有兩類：一是蘊含在化學物質（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，但可歸納為兩類途徑和三種方式，即發酵、呼吸

（含有氧呼吸和無氧呼吸）兩類通過營養物分解代謝產生和獲得能量的途徑，以及通過底物

水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）、氧化磷酸化（oxidation

phosphorylation）也稱電子轉移磷酸化（electrontransferphosphorylation）和光合磷

酸化（photo-phosphorylation）三種化能與光能轉換為生物通用能源物質（ATP）的轉換

方式。

研究微生物的產能代謝就是追蹤了解蘊含能量的物質降解途徑和參與產能代謝的儲

能、遞能分子捕獲與釋放能量的反應過程和機制。

一、能量代謝中的貯能與遞能分子

（一）ATP

在與分解代謝相伴隨的產能代謝中，起捕獲、貯存和運載能量作用的重要分子是腺喋

嶺核甘三磷酸，簡稱腺甘三磷酸（adenosinetriphosphate,即ATPATP是由ADP（腺

昔二磷酸）和無機磷酸合成的。ATP、ADP和無機磷酸廣泛存在于細胞內，起著儲存和傳

遞能量的作用。因此，也稱為能量傳遞系統（energy-transmittingsystem）。ATP的

分子結構式見下圖4-1?

0

圖4-1腺喋吟核甘三磷酸（ATP）的分子結構式

以ATP形式貯存的自由能，用于提供以下各方面對能量的需要：①提供生物合成所

需的能量。在生物合成過程中，ATP將其所攜帶的能量提供給大分子的結構元件，例如氨

基酸，使這些元件活化，處于較高能態，為進一步裝配成生物大分子蛋白質等作好準備。②

是為細胞各種運動（如鞭毛運動等）提供能量來源。③為細胞提供逆濃度梯度跨膜運輸營

養物所需的自由能。④在DNA、RNA、蛋白質等生物合成中，保證基因信息的正確傳遞,

ATP也以特殊方式起著遞能作用等等。⑤在細胞進行某些特異性生物過程如固定氮素時提

供能量。

當ATP提供能量時，ATP分子遠端的g-磷酸基團水解成為無機磷酸分子，ATP分

子失掉一個磷酰基而變為ADP。ADP在捕獲能量的前提下，再與無機磷酸結合形成ATP。

ATP和ADP的往復循環是細胞儲存和利用能量的基本方式。ATP作為自由能的貯存物質，

處于動態平衡的不斷周轉之中。一般情況下，在一個快速生長的微生物細胞內，ATP一旦

形成，很快就被利用，起著捕獲與傳遞能量的作用。在一種微生物細胞中ATP和ADP總是

以一定的濃度比例范圍存在，以保證生命活動中用能與儲能的正常進行。

能直接提供自由能的高能核甘酸類分子除ATP外，還有GTP（鳥昔三磷酸）、UTP（尿

昔三磷酸）以及CTP（胞昔三磷酸）等。GTP為一些功能蛋白的活化、蛋白質的生物合成

和轉運等提供自由能。UTP在糖原合成中可以活化葡萄糖分子。CTP為合成磷脂酰膽堿等

提供自由能等等。

（二）煙酰胺輔酶NAD與NADP

煙酰胺腺嘿吟二核甘酸（nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+,輔酶I）

和煙酰胺腺11票吟二核甘酸磷酸（nicotinamideadeninedinucleotidephosphate,NADP

+,輔酶H）為物質與能量代謝中起重要作用的脫氫酶的輔酶。作為電子載體，在能量代

謝的各種酶促氧化-還原反應中發揮著能量的暫儲、運載與釋放等重要功能。其氧化形式

分別為NAD+和NADP+,在能量代謝氧化途徑中作電子受體。還原形式為NADH和

NADPII,在能量代謝還原途徑中作電子供體（圖4-2）.

依賴于NAD+和NADP+的脫氫酶至少催化6種不同類型的反應：簡單的氫轉移、

氨基酸脫氨生成a-酮酸、b-羥酸氧化與隨后b-酮酸中間物脫峻、醛的氧化、雙鍵

的還原和碳-氮鍵的氧化（如二氫葉酸還原酶）等。NAD也是參與呼吸鏈電子傳遞過程的

重要分子，在多數情況下代謝物上脫下的氫先交給NAD+,使之成為NADH和II+,然后

把氫交給黃素蛋白中的黃素腺喋吟二核甘酸（FAD）或黃素單核甘酸（FMN）,再通過呼

吸鏈的傳遞，最后交給氧等最終受氫體。但也存在另一種情況，即代謝物上的氫先交給NAD

+或NADP+,生成還原型的NADH或NADPH,后者再去還原另一個代謝物。因此通過NAD

+或NADP+的作用，可以使某些反應偶聯起來。此外，NAD+也是DNA連接酶的輔酶，

對DNA的復制有重要作用，為形成3',5'-磷酸二酯鍵提供所需要的能量。可見輔酶I與

輔酶II在細胞物質與能量代謝中起著不可替代的重要作用。

a

圖4—2煙酰胺輔酶的結構和氧化一還原狀態氫負離子（H-:一個質子和兩個電子）

轉移給NAD+生成NADH

（三）黃素輔酶FMN與FAD

黃素單核甘酸（flavinmononucleotide,FMN）和黃素腺喋吟二核昔酸（flavin

adeninedinucleotide,FAD）是核黃素（riboflavin,即維生素B2）在生物體內

的存在形式，是細胞內一類稱為黃素蛋白的氧化還原酶的輔基，因此也稱為黃素輔酶，其

分子結構見圖4-3。核黃素是核醇與7,8-二甲基異咯嗪縮合物。由于在異咯嗪的1位

和5位N原子上具有兩個活潑的雙鍵，故易發生氧化還原反應。因此，它有氧化型和還原

型兩種形式，其分子結構與氧化還原機制見圖4-4,

回

圖4一3FMN和FAD的分子結構

黃素輔酶是比NAD+和NADP+更強的氧化劑，能被1個電子和2個電子途徑還原,

并且很容易被分子氧重新氧化。黃素輔酶可以3種不同氧化還原狀態的任一種形式存在。

完全氧化型的黃素輔酶為黃色，Imax為450nm,通過1個電子轉移，可將完全氧化型

的黃素輔酶轉變成半醍（semiquinone）,半醍是一個中性基，1max為570nm,呈藍

色；第二個電子轉移將半醍變成完全還原型無色二氫黃素輔酣（見圖4-4）o

0

圖4-4FAD和FMN的氧化還原型

黃素輔酶與許多不同的電子受體和供體一起，通過3種不同的氧化還原狀態參與電子

轉移反應，在細胞的物質與能量代謝的氧化還原過程中發揮傳遞電子與氫的功能，促進糖、

脂肪和蛋白質的代謝。

二、微生物的主要產能代謝途徑與能量轉換方式

微生物產能代謝可分為發酵、呼吸（含有氧呼吸與無氧呼吸）兩類代謝途徑，以及底

物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化三種化能與光能轉換為生物通用能源的能量轉換方

式。

（-）微生物中自葡萄糖形成丙酮酸的糖酵解

微生物以葡萄糖為底物時都要經歷將葡萄糖轉化為丙酮酸的糖酵解過程。這一過程的

代謝途徑主要有EMP、HMP、ED、PK、HK和Stickland等途徑。這些途徑中釋放

的可被利用的能量，部分是通過底物水平磷酸化生成ATP等，部分被轉移至遞能分子中形

成還原力［H］。在微生物中，進行能量代謝的途徑具有豐富的多樣性。

1、EMP途徑及其終產物和發酵產能

EMP途徑（Embden—Meyerhofpathway）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

糖后，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。而后,

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+211+)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-磷酸甘油酸及隨后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。EMP途徑的各個反應步驟見圖4-5。

0

圖4-5EMP途徑及某些微生物以丙酮酸為底物的發酵產能

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,由于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+）后，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。NADH2途經呼吸鏈脫氫氧化，最終生成H20

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。如在無氧條件下的乳酸細菌中，

丙酮酸作為受氫體被還原成乳酸（見圖4-5第11步反應）。又如在酵母細胞中，丙酮酸

經脫竣生成乙醛與C02后，在NAD1I2參與下，乙醛作為受氫體被還原生成乙醇和氧化態

NAD+（見圖4-5第12、13步反應）。在一些腸細菌中還生成多種副產物（見圖4-5第

14、15步反應）。

由上可知，微生物在無氧條件下的能量代謝，極為重要的是圖4-5中的第三階段，即

丙酮酸后的發酵。沒有丙酮酸后的發酵，細胞在無氧條件下難于持續獲得生長與代謝需要的

能量，此即發酵產能的實質內涵。但ATP的生成以EMP途徑的第二階段為主，因此，EMP

是微生物在無氧條件下發酵產能的重要途徑。

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（￡coli）；以及專性好氧細菌

等。

EMP途徑及隨后的發酵，能為微生物的代謝活動提供ATP和NADH2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，并在一定條件下可逆轉合成多糖。

2.HMP途徑

HMP途徑（hexosemonophosphatepathway）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途徑的反應過程見圖4-6。

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、氧化脫竣生成5-磷

酸核酮糖和二氧化碳。即圖4-6中（1）?（4）的階段。

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。即圖4-6中（5）?（13）的階段。

HMP途徑的特點：

①HMP途徑是從6-磷酸葡萄糖酸脫竣開始降解的，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。

②HMP途徑中的特征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gI3-磷酸甘油+7-磷酸景天庚酮糖

5-磷酸木酮糖+4-磷酸赤薛糖1TlI3-磷酸甘油醛+6-磷酸果糖

轉醛能催化下面一步反應：

7-磷酸景天庚酮糖+3-磷酸甘油

4-磷酸赤癬糖+6-磷酸果糖

醛

③HMP途徑一般只產生NADPH2,不產生NADH2。

@HMP途徑中的酶系定位于細胞質中。

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。

a

圖4-6HMP途徑

HMP途徑的生理功能主要有：

①為生物合成提供多種碳骨架。5-磷酸核糖可以合成喋吟、口密噬核甘酸，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。

②HMP途徑中的5-磷酸核酮糖可以轉化為1,5-二磷酸核酮糖，在竣化酶催化

下固定二氧化碳，這對于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(NADP112)?

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，以滿足微生物代謝的多種需要。

微生物代謝中高能磷酸化合物如ATP等的生成是能量代謝的重要反應，而并非能量代

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IIMP途徑，

再生5個6-磷酸葡萄糖分子，產生6分子CO2和Pi,并產生12個NADPH2,這

12個NADPII2如經呼吸鏈氧化產能，最終可得到36個ATP。IIMP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

代謝的調控網絡。

3.ED途徑

ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）是恩納（Entner）和道特洛夫（Doudoroff,

1952年）在研究嗜糖假單胞菌（Pseudomonassaccharophila）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，后在脫水酶和醛縮酶

的作用下，生成1分子3-磷酸甘油醛和1分子丙酮酸。3-磷酸甘油醛隨后進人EMP途

徑轉變成丙酮酸。1分子葡萄糖經ED途徑最后產生2分子丙酮酸，以及凈得各1分子

的ATP、NADPH2和NADH2。ED途徑見圖4-7

ED途徑的特點是：

①2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛是

有別于其它途徑的特征性反應。

②2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸醛縮酶是ED途徑特有的酶。

③ED途徑中最終產物，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

丙酮酸的竣基分別來自葡萄糖分子的第一與第四位碳原子。

④Imol葡萄糖經ED途徑只產生ImolATP,從產能效率言，ED途徑不如EMP途

徑。

岡

圖4-7ED途徑及其與EMP、HMP、TCA關系

表4-6示EMP、HMP、ED途徑的特點比較。

表4-6EMP、HMP、ED途徑比較

岡

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

(Pseudomonassaccharophila),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途徑并存，但ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而獨立存在。

表4-7EMP、1IMP、ED等糖代謝途徑在微生物中的分布

不同途徑的分布(％)

微生物

EMPHMPED

啤酒酵母88-

12

產脫假絲酵母66-81-

19-34

灰色鏈霉菌97-

323

產黃青霉77-

28

大腸桿菌72

30

藤黃八疊球菌70-

26

枯草桿菌74-

29

銅綠假單胞菌-71

100

氧化醋單胞菌--

運動發酵單胞菌-100

嗜糖假單胞菌-100

4.WD途徑

WD途徑是由沃勃(Warburg)、狄更斯(Dickens)、霍克(Horecker)等人發

現的，故稱WD途徑。由于WD途徑中的特征性酶是磷酸解酮酶(Phosphoketolase),

所以又稱磷酸解酮酶途徑。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(Leuconostocmesenteroides),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(圖4-8)。

0

圖4-8磷酸戊糖解酮酶(PK)途徑

而兩歧雙歧桿菌(Bifidobacteriumbifidum)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，見圖4-9磷酸已糖解酮酶HK途徑。

回一

圖4-9磷酸已糖解酮醐HK途徑

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，某些厭氧梭菌如生他梭菌(Clostridiumsporogenes)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并獲

得能量的發酵產能方式。后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、繳氨酸、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。Clostridium

sporogenes中以丙氨酸為供氫體和以甘氨酸為受氫體的Stickland反應途徑見圖4-10。

s

圖4-10Clostridiumsporogenes中以丙氨酸為供氫體和以甘氨酸為受氫體的Stickland

反應

(二)發酵與底物水平磷酸化

1、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并生產人類有用產品的過程。例如發酵工業上用蘇云金芽抱桿

菌等生產生物殺蟲劑，利用酵母菌生產面包酵母或酒精，利用鏈霉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，生成代謝產物并釋放能量的過程。這里討論的是狹義的發酵。

在發酵過程中，供微生物發酵的底物通常是多糖經分解而得到的單糖，以己糖和戊糖

等糖類為多見，葡萄糖是發酵最為常用的底物，另有有機酸、氨基酸等.

在葡萄糖轉化為丙酮酸后，厭氧微生物和無氧條件下的兼性厭氧微生物可以不同的途

徑將丙酮酸轉化為多種發酵產物。乳酸細菌可以將丙酮酸還原為乳酸。酵母菌將丙酮酸脫瘦

形成乙醛，再由乙醛還原形成乙醇。丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、真桿菌屬

(Eubacterium)和竣狀芽抱桿菌屬(Clostridium)的一些種如丁酸竣菌

(C.butyricum)、克氏段菌(C.kluyveri)等，通過將丙酮酸脫竣并輔酶A化形成乙

酰-CoA,然后2個乙酰-CoA縮合為乙酰乙酰CoA，在經過多個步驟形成丁酸。也可由

多種腸道細菌將丙酮酸發酵為包括甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、乙醇、丙三醇、2,3-T

二醇、3-羥丁酮等多種有機酸和醇的混合酸。

2、發酵途徑中的底物水平磷酸化

在發酵途徑中,通過底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation,SLP)合

成ATP,是營養物質中釋放的化學能轉換成細胞可利用的自由能的主要方式。底物水平磷

酸化是指ATP的形成直接由一個代謝中間產物上的高能磷酸基團轉移到ADP分之上的作

用，見圖4-11o

問

圖4-11底物水平磷酸化生成ATP的反應

在上述發酵過程中，形成的富能中間產物如磷酸烯醵式丙酮酸、乙酰CoA等酰基類物,

通過底物水平磷酸化形成ATP。底物水平磷酸化既存在于發酵過程中，也存在于呼吸作用

過程的某些步驟中。如在EMP途徑中，1,3-二磷酸甘油酸轉變為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，均通過底物水平磷酸化分別產生1分子ATP。在

三竣酸循環中(圖4-13),琥珀酰輔酶A轉變為琥珀酸時通過底物水平磷酸化生成1分

子高能磷酸化合物GTP。

3、微生物發酵代謝的多樣性

在無氧條件下發酵時，不同微生物在以糖類為底物的重要代謝途徑中，其終端產物或

中間產物進一步發酵產能代謝的途徑呈現出豐富的多樣性，即使同一微生物利用同一底物發

酵時也可能形成不同的末端產物。

如酵母菌利用葡萄糖進行的發酵，可根據不同條件下代謝產物的不同分為三種類型：

I型發酵：酵母菌將葡萄糖經EMP途徑降解生成2分子終端產物丙酮酸，后丙酮

酸脫竣生成乙醛，乙醛作為氫受體使NADH2氧化生成NAD+,同時乙醛被還原生成乙醇,

這種發酵類型稱為酵母的I型發酵。

在酒精工業上，就是利用釀酒酵母(S.cerevisiae)的I型發酵，主要以淀粉等

碳水化合物降解后的葡萄糖等可發酵性糖為底物生產酒精的。釀酒酵母細胞從細胞外每輸入

1分子葡萄糖，在無氧條件下，經EMP途徑及隨后的反應，最終生成2分子乙醇與2分

子的CO2,并將乙醇與CO2從胞內排出至胞外發酵液中。在釀酒酵母細胞內，這一反應

每運行一次，生成的4分子ATP,其中2分子在下一輪分別用于第一階段的第一和第三

步的耗能反應，其余2分子ATP用于細胞生命活動的其它能量需要。而NAD+作為受氫

體和氫載體，在3-磷酸甘油醛氧化生成1,3-二磷酸甘油酸和乙醛還原生成乙醇這兩步

反應之間往返循環，推動反應持續進行。同時還有大量的熱能釋放，使發酵液的溫度上升。

II型發酵：當環境中存在亞硫酸氫鈉時，亞硫酸氫鈉可與乙醛反應，生成難溶的磺

化羥基乙醛，該化合物失去了作為受氫體使NADH2脫氫氧化的性能，而不能形成乙醇，轉

而使磷酸二羥丙酮替代乙醛作為受氫體，生成a-磷酸甘油，a-磷酸甘油進一步水解脫

磷酸生成甘油。此稱為酵母的II型發酵。這是利用酵母菌工業化生產甘油的“經典”途徑。

但在實際上，酵母所處環境中的高濃度亞硫酸氫鈉可抑制酵母細胞的生長與代謝，致使甘油

發酵效率低。在要求酵母生長代謝活力與甘油發酵效率兩者兼顧時，應控制較低濃度的亞硫

酸氫鈉，這樣就不使100%的乙醛與亞硫酸氫鈉反應，生成磺化羥基乙醛，而尚有部分乙醛

被還原生成乙醵。

m型發酵：葡萄糖經EMP途徑生成丙酮酸，后脫竣生成乙醛，如處于弱堿性環境條

件下(PH7.6),乙醛因得不到足夠的氫而積累，2個乙醛分子間發生歧化反應，1分子

乙醛作為氧化劑被還原成乙醇，另1個則作為還原劑被氧化為乙酸。而磷酸二羥丙酮作為

NADH2的氫受體，使NAD+再生，產物為乙醇、乙酸和甘油。

II型發酵與III型發酵產能較少，一般在非生長情況下才能進行。

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

酵也有兩種類型，即發酵產物只有乳酸的同型乳酸發酵和發酵產物除乳酸外還有乙酸、乙醇

和CO2等的異型乳酸發酵。

(三)呼吸產能代謝

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02或氧化型化合物，從而生成II20或還原型產物并釋放能量

的過程，稱為呼吸或呼吸作用(respiration)。在呼吸過程中通過氧化磷酸化合成ATP。

呼吸與氧化磷酸化是微生物特別是好氧性微生物產能代謝中形成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

(anoxicrespiration)。

呼吸作用與發酵作用的根本區別在于：呼吸作用中，電子載體不是將電子直接傳遞給

被部分降解的中間產物，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，并達

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并合成ATP。

微生物通過呼吸作用能分解的有機物種類繁多，包括碳水化合物、脂肪酸、氨基酸和許多醇

類等等。

1、呼吸鏈與氧化磷酸化

呼吸鏈與氧化磷酸化緊密偶聯，在產能代謝中起著不可替代的重要作用?

(1)呼吸鏈及其組分與分布

電子從NADH或FADII