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代谢（metalsolism）是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。 分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。一般可将分解代谢分为三个阶段（图）：第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH２；第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO２,并产生ATP、NADH及FADH２。第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH２通过电子传递链被氧化，产生大量的ATP。 微生物的产能代谢 在微生物的物质代谢中，与分解代谢相伴随的蕴含在营养物质中的能量逐步释放与转化的变化被称为产能代谢。可见产能代谢与分解代谢密不可分。任何生物体的生命活动都必须有能量驱动，产能代谢是生命活动的能量保障。微生物细胞内的产能与能量储存、转换和利用主要依赖于氧化还原反应。微生物所能利用的能量有两类：一是蕴含在化学物质（营养物）中的化学能，二是光能。微生物产能代谢具有丰富的多样性。 一、生物氧化 分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。 二、异养微生物的生物氧化 异养微生物将有机物氧化，根据氧化还原反应中电子受体的不同，可将微生物细胞内发生的生物氧化反应分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可分为有氧呼吸和厌氧呼吸两种方式。 （一）、 发酵 发酵（ fermentation ）有广义与狭义两种概念。广义的发酵是指微生物在有氧或无氧条件下利用营养物生长繁殖并生产人类有用产品的过程。例如发酵工业上用苏云金芽孢杆菌等生产生物杀虫剂，利用酵母菌生产面包酵母或酒精，利用链霉菌生产抗生素等通称为发酵。而狭义的发酵仅仅是指微生物生理学意义上的，它一般是指微生物在无氧条件下利用底物代谢时，将有机物生物氧化过程中释放的电子直接转移给底物本身未彻底氧化的中间产物，生成代谢产物并释放能量的过程。这里讨论的是狭义的发酵。 发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis），主要分为四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。 1、EMP 途径及其终产物和发酵产能 EMP途径 (Embden — Meyerhof pathway) 以葡萄糖为起始底物，丙酮酸为其终产物，整个代谢途径历经 10 步反应，分为两个阶段： EMP 途径的第一阶段为耗能阶段。在这一阶段中，不仅没有能量释放，还在以下两部步反应中消耗 2 分子 ATP ： 在葡萄糖被细胞吸收运输进入胞内的过程中，葡萄糖被磷酸化，消耗了 1 分子 ATP ，形成 6- 磷酸葡萄糖； 6- 磷酸葡萄糖进一步转化为 6- 磷酸果糖后，再一次被磷酸化，形成 1, 6- 二磷酸果糖，此步反应又消耗了 1 分子 ATP 。而后，在醛缩酶催化下， 1, 6- 二磷酸果糖裂解形成 2 个三碳中间产物： 3- 磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。在细胞中，磷酸二羟丙酮为不稳定的中间代谢产物，通常很快转变为 3- 磷酸甘油醛而进入下步反应。 因此，在第一阶段实际是消耗了 2 分子 ATP ，生成 2 分子 3- 磷酸甘油醛；这一阶段为第二阶段的进一步反应做准备，故一般称为准备阶段。EMP 途径的第二阶段为产能阶段。在这第二阶段中， 3- 磷酸甘油醛接受无机磷酸被进一步磷酸化，此步以 NAD+ 为受氢体发生氧化还原反应， 3- 磷酸甘油醛转化为 1, 3- 二磷酸油甘酸；同时， NAD+ 接受氢（ 2e + 2H+ ）被还原生成 NADH２ 。与磷酸己糖中的有机磷酸键不同，二磷酸甘油酸中的 2 个磷酸键为高能磷酸键，在 1, 3- 二磷酸甘油酸转变成 3- 磷酸甘油酸及随后发生的磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸的 2 个反应中，发生能量释放与转化，各生成 1 分子 ATP 。 综上所述， EMP 途径以 1 分子葡萄糖为起始底物，历经 10 步反应，产生 4 分子 ATP ，由于在反应的第一阶段消耗 2 分子 ATP ，故净得 2 分子 ATP ；同时生成 2 分子 NADH２和为分子丙酮酸。 EMP 途径是微生物基础代谢的重要途径之一。必需指出，从现象看，似乎只要有源源不断的葡萄糖提供给细胞，它就可产生大量的 ATP 、丙酮酸、 NADH２。其实不然，因为，只要是氧化还原反应，其氧化反应与还原反应两者是相偶联与平衡的。在细胞内， EMP 途径的第二阶段始有底物释放电子的氧化反应发生，消耗 2 分子氧化态的 NAD+ ，产生 2 分子还原态的 NADH２。但若要保持 EMP 途径持续运行，必须有底物还原吸纳电子与氢，使 NADH２氧化再生成氧化态 NAD+ ，以有足够的氧化型 NAD+ 作为受氢体再循环参与 3- 磷酸甘油醛转化为 1,3- 二磷酸油甘酸的脱氢氧化反应，从而保持氧化还原反应的持续平衡进行，同时不断生成 ATP ，以供细胞生命活动中能量之所需。因此，在保证葡萄糖供给的条件下，胞内 NADH２氧化脱氢（ 2e- + 2H+ ）后，受氢体的来源与数量成为 EMP 途径能否持续运行的决定性条件，否则， EMP 途径的运行将受阻。 在微生物中，使 EMP 途径顺畅运行的受氢体主要有两类： 一是在有氧条件下，以氧作为受氢体。 NADH 2 途经呼吸链脱氢氧化，最终生成 H２O 和氧化态 NAD + ，而在 NADH２途经呼吸链过程中生成 ATP （将在“呼吸作用”节中详述）。 二是在无氧条件下发酵时，以胞内中间代谢物为受氢体。还原态的 NADH２被氧化，生成氧化态 NAD +和分解不彻底的还原态中间代谢产物。 目前发现多种微生物可以发酵葡萄糖产生乙醇，能进行乙醇发酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些细菌。根据在不同条件下代谢产物的不同，可将酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为三种类型：在酵母菌的乙醇发酵中，酵母菌可将葡萄糖经EMP途径降解为两分子丙酮酸，然后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢受体使NAD+再生，发酵终产物为乙醇，这种发酵类型称为酵母的一型发酵；但当环境中存在亚硫酸氢钠时，它可与乙醛反应生难溶的磺化羟基乙醛。由于乙醛和亚硫酸盐结合而不能作为NADH２的受氢体，所以不能形成乙醇，迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成α-磷酸甘油。α-磷酸甘油进一步水解脱磷酸而生成甘油，称为酵母的二型发酵；在弱碱性条件下（pH 7.6），乙醛因得不到足够的氢而积累，两个乙醛分子间会发生歧化反应，一分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇，另一个则作为还原剂被氧化为乙酸。氢受体则由磷酸二羟丙酮担任。发酵终产物为甘油、乙醇和乙酸，称为酵母的三型发酵。这种发酵方式不能产生能量，只能在非生长的情况下才进行。 许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为乳酸细菌。根据产物的不同，乳酸发酵有三种类型：同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵。同型乳酸发酵的过程是：葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原为乳酸。由于终产物只有乳酸一种，故称为同型乳酸发酵。在异型乳酸发酵中，葡萄糖首先经PK途径分解，发酵终产物除乳酸以外还有一部分乙醇或乙酸。在肠膜明串珠菌 中，利用HK途径分解葡萄糖，产生3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸，其中3-磷酸甘油醛进一步转化为乳酸，乙酰磷酸经两次还原变为乙醇，当发酵戊糖时，则是利用PK途径，磷酸解酮糖酶催化5-P木酮糖裂解生成乙酰磷酸和3-P-甘油醛。双歧发酵是两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。此反应中有两种磷酸酮糖酶参加反应，即6-磷酸果糖磷酸酮糖酶和5-磷酸木酮糖磷酸酮糖酶分别催化6-磷酸果糖和5-磷酸木酮糖裂解产生乙酰磷酸和4-磷酸丁糖，及3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。 绝大多数微生物都有 EMP 途径，包括大部分厌氧细菌，如梭菌（ Clostridium ），螺旋菌（ Spirillum ）等；兼性好氧细菌，如大肠杆菌（ E. coli ）；以及专性好氧细菌等。EMP 途径及随后的发酵，能为微生物的代谢活动提供 ATP 和 NADH 2 外，其中间产物又可为微生物细胞的一系列合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。 2、HMP 途径 HMP途径（ hexose monophosphate pathway ）是从 6- 磷酸葡萄糖为起始底物，即在单磷酸己糖基础上开始降解，故称为单磷酸己糖途径，简称为 HMP 途径。 HMP 途径与 EMP 途径密切相关，因为 HMP 途径中的 3- 磷酸甘油醛可以进入 EMP ，因此该途径又可称为磷酸戊糖支路。 HMP 途径也可分为两个阶段： 第一阶段即氧化阶段：从 6- 磷酸葡萄糖开始，经过脱氢、水解、氧化脱羧生成 5- 磷酸核酮糖和二氧化碳。 第二阶段即非氧化阶段：为磷酸戊糖之间的基团转移，缩合（分子重排）使 6- 磷酸己糖再生。 HMP 途径的特点： ① HMP 途径是从 6- 磷酸葡萄糖酸脱羧开始降解的，这与 EMP 途径不同， EMP 途径是在二磷酸己糖基础上开始降解的。 ② HMP 途径中的特征酶是转酮酶和转醛酶。 转酮酶催化下面 2 步反应：
转醛酶催化下面一步反应：
③ HMP 途径一般只产生 NADPH２，不产生 NADH２。 ④ HMP 途径中的酶系定位于细胞质中。 HMP 途径的一个循环的结果是 1 分子 6- 磷酸葡糖糖最终转变成 1 分子 3- 磷酸甘油醛， 3 分子 CO２和 6 分子 NADPH２。 HMP 途径的生理功能主要有： ① 为生物合成提供多种碳骨架。 5- 磷酸核糖可以合成嘌呤、嘧啶核苷酸，进一步合成核酸， 5- 磷酸核糖也是合成辅酶 [ NAD（P）， FAD（FMN）和 CoA ] 的原料， 4- 磷酸赤癣糖是合成芳香族氨基酸的前体。 ② HMP 途径中的 5- 磷酸核酮糖可以转化为 1, 5- 二磷酸核酮糖，在羧化酶催化下固定二氧化碳，这对于光能自养菌和化能自养菌具有重要意义。 ③ 为生物合成提供还原力（ NADPH２）。 大多数好氧和兼性厌氧微生物中都具有 HMP 途径，而且在同一种微生物中， EMP 和 HMP 途径常同时存在，单独具有 EMP 或 HMP 途径的微生物较少见。 EMP 和 HMP 途径的一些中间产物也能交叉转化和利用，以满足生物代谢的多种需要。 微生物代谢中高能磷酸化合物如 ATP 等的生成是能量代谢的重要反应，而并非能量代谢的全部。 HMP 途径在糖被氧化降解的反应中，部分能量转移，形成大量的 NADPH２，为生物合成提供还原力，同时输送中间代谢产物。虽然 6 个 6- 磷酸葡萄糖分子经 HMP 途径，再生 5 个 6- 磷酸葡萄糖分子，产生 6 分子 CO２和 Pi ，并产生 12 个 NADPH２，这 12 个 NADPH２如经呼吸链氧化产能，最终可得到 36 个 ATP 。 HMP 途径的主要功能是为生物合成提供还原力和中间代谢产物，同时与 EMP 一起，构成细胞糖分解代谢与有关合成代谢的调控网络。 3、ED 途径 ED途径（ Entner-Doudoroff pathway ）是恩纳（ Entner ）和道特洛夫（ Doudoroff ， 1952 年）在研究嗜糖假单胞菌 ( Pseudomonas saccharophila ) 时发现的。 在这一途径中， 6- 磷酸葡萄糖先脱氢产生 6- 磷酸葡萄糖酸，后在脱水酶和醛缩酶的作用下，生成 1 分子 3- 磷酸甘油醛和 1 分子丙酮酸。 3- 磷酸甘油醛随后进人 EMP 途径转变成丙酮酸。 1 分子葡萄糖经 ED 途径最后产生 2 分子丙酮酸，以及净得各 1 分子的 ATP 、 NADPH２和 NADH２。 ED 途径见图 。 ED 途径的特点是： ① 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸（ KDPG ）裂解为丙酮酸和 3- 磷酸甘油醛是有别于其它途径的特征性反应。 ② 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸醛缩酶是 ED 途径特有的酶。 ③ ED 途径中最终产物，即 2 分子丙酮酸，其来历不同。 1 分子是由 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另 1 分子是由磷酸甘油醛经 EMP 途径获得。这 2 个丙酮酸的羧基分别来自葡萄糖分子的第一与第四位碳原子。 ④ 1mol 葡萄糖经 ED 途径只产生 1 mol ATP ，从产能效率言， ED 途径不如 EMP 途径。 EMP 、 HMP 、 ED 途径的特点比较图。 在革兰氏阴性的假单胞菌属的一些细菌中， ED 途径分布较广，如嗜糖假单胞菌（ Pseudomonas saccharophila ），铜绿假单细胞（ Ps ． aeruginosa ），荧光假单胞菌（ Ps. fluorescens ），林氏假单胞菌（ Ps. lindneri ）等。固氮菌的某些菌株中也存在 ED 途径。 表 4-7 表明了 EMP ， HMP 和 ED 途径在某些微生物中存在的百分比。表中可见， HMP 途径一般是与 EMP 途径并存，但 ED 途径可不依赖于 EMP 和 HMP 途径而独立存在。 表 4-7 EMP 、 HMP 、 ED 等糖代谢途径在微生物中的分布
4、WD 途径 WD 途径是由沃勃（ Warburg ）、狄更斯（ Dickens ）、霍克（ Horecker ）等人发现的，故称 WD 途径。由于 WD 途径中的特征性酶是磷酸解酮酶（ Phosphoketolase ），所以又称磷酸解酮酶途径。根据磷酸解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的叫 PK 途径，把具有磷酸已糖解酮酶的叫 HK 途径。 肠膜状明串珠菌（ Leuconostoc mesenteroides ），就是经 PK 途径利用葡萄糖进行异型乳酸发酵生成乳酸、乙醇和 CO２。 而两歧双歧杆菌（ Bifidobacterium bifidum ）则是利用磷酸已糖解酮酶途径分解葡萄糖产生乙酸和乳酸的。 5、Stickland 反应 上述 4 条途径均是以糖类为起始底物的代谢途径。而早在 1934 年， L. H. Stickland 发现，某些厌氧梭菌如生孢梭菌（ Clostridium sporogenes ）等，可把一些氨基酸当作碳源、氮源和能源。这是以一种氨基酸作氢供体，另一种氨基酸作为氢受体进行生物氧化并获得能量的发酵产能方式。后将这种独特的发酵类型，称为 Stickland 反应。 Stickland 反应是经底物水平磷酸化生成 ATP ，其产能效率相对较低。在 Stickland 反应中，作为供氢体的有多种氨基酸，如丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸和色氨酸等，作为受氢体的主要有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、色氨酸和精氨酸等。例 Clostridium sporogenes 中以丙氨酸为供氢体和以甘氨酸为受氢体的 Stickland 反应途径 。 （二） 呼吸作用 在物质与能量代谢中底物降解释放出的高位能电子，通过呼吸链（也称电子传递链）最终传递给外源电子受体 O２或氧化型化合物，从而生成 H２O 或还原型产物并释放能量的过程，称为呼吸或呼吸作用（ respiration ）。在呼吸过程中通过氧化磷酸化合成 ATP 。呼吸与氧化磷酸化是微生物特别是好氧性微生物产能代谢中形成 ATP 的主要途径。在呼吸作用中， NAD 、 NADP 、 FAD 和 FMN 等电子载体是呼吸链电子传递的参与者。因此，它们在呼吸产能代谢中发挥着更为重要的作用。 呼吸又可根据在呼吸链末端接受电子的是氧还是氧以外的氧化型物质，将它分为有氧呼吸与无氧呼吸两种类型。以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸 (aerobic respiration) ，而以氧以外的外源氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸 (anoxic respiration) 。 呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：呼吸作用中，电子载体不是将电子直接传递给被部分降解的中间产物，而是与呼吸链的电子传递系统相偶联，使电子沿呼吸链传递，并达到电子传递系统末端交给最终电子受体，在电子传递的过程中逐步释放出能量并合成 ATP 。 （ 1 ）以有机物为呼吸基质的有氧呼吸 常见的异养微生物最易利用的能源和碳源有葡萄糖等。葡萄糖经 EMP 途径酵解形成的丙酮酸，在无氧的条件下经发酵转变成不同的发酵产物，如乳酸、乙醇和 CO２等，并产生少量能量。但在环境有氧的条件下，细胞行有氧呼吸，丙酮酸先转变为乙酰 CoA （ acetyl-coenzymeA ， acetyl-CoA ），随即进入三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle ，简称 TCA 循环 ) ，被彻底氧化生成 CO２和水，同时释放大量能量。 从 TCA 循环图与电子传递链产能反应可见， 1 分子丙酮酸经 TCA 循环而被彻底氧化，共释放出 3 分子 CO２，生成 4 分子的 NADH２和 1 分子的 FADH２，通过底物水平磷酸化产生 1 分子的 GTP 。而每分子 NADH２经电子传递链，通过氧化磷酸化产生 3 分子 ATP ，每分子 FADH２经电子传递链通过氧化磷酸化产生 2 分子 ATP ，因此， 1 分子的丙酮酸经有氧呼吸彻底氧化，生成 ATP 分子的数量为： 4×3 + 1×2 + 1 = 15 。 微生物行有氧呼吸时，葡萄糖的利用首先经 EMP 途径生成 2 分子丙酮酸，并经底物水平磷酸化产生 4 分子 ATP 和 2 分子 NADH２。在有氧条件下， EMP 途径中生成 2 分子 NADH２可进入电子传递链，经氧化磷酸化产生 6 分子 ATP 。因此，在有氧条件下，微生物经 EMP 途径与 TCA 循环，通过底物水平磷酸化与氧化磷酸化，彻底氧化分解 1mol 葡萄糖，共产生 40mol ATP 。但在 EMP 途径中，葡萄糖经 2 次磷酸化生成 1, 6- 二磷酸果糖的过程中有 2 步为耗能反应，共消耗了 2 分子 ATP ，故净得 38mol ATP 。 已知 ATP 水解为 ADP 释放的能量约为 31.8kJ／mol ，故1mol 葡萄糖被彻底氧化约有 1208kJ （ 31.8kJ × 38 ）的能量被转储于 ATP 的高能磷酸键中。 1mol 葡萄糖被彻底氧化为 CO２和 H２O 可释放的总能量约为 2822kJ 。因此好氧微生物通过有氧呼吸利用葡萄糖，其能量利用效率约为 43 ％，其余的能量以热等形式散失。可见，生物机体在有氧条件下的能量利用效率极高。 （ 2 ）以无机物为呼吸基质的有氧呼吸 好氧或兼性的化能无机自养型微生物能从无机化合物的氧化中获得能量。它们能以无机物如NH４+、 NO２－、 H２S 、 S、 H２和 Fe２+等为呼吸基质，把它们作为电子供体，氧为最终电子受体，电子供体被氧化后释放的电子，经过呼吸链和氧化磷酸化合成 ATP ，为还原同化 CO２提供能量。因此，化能自养菌一般是好氧菌。这类好氧型的化能无机自养型微生物分别属于氢细菌、硫化细菌、硝化细菌和铁细菌等。它们广泛分布在土壤和水域中，并对自然界的物质转化起着重要的作用。这些微生物的产能途径见下列化学反应式：
化能自养微生物对底物的要求具有严格的专一性，即用作能源的无机物及其代谢途径缺乏统一性。如硝化细菌不能氧化无机硫化物，同样，硫化细菌也不能氧化氨或亚硝酸。 上述各种无机化合物不仅可作为最初的能源供体，而且其中有些底物（如 NH４+ 、 H２S 、 H２等）还可作为质子供体，通过逆呼吸链传递方式形成用于还原 CO２的还原力（NADH２） ，但这个过程需要提供能量，是一个消耗 ATP 的反应。 与异养微生物比较，化能自养微生物的能量代谢有以下 3 个主要特点：① 无机底物的氧化直接与呼吸链相偶联。即无机底物由脱氢酶或氧化还原酶催化脱氢或脱电子后，随即进人呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机底物的氧化要经过多条途径逐级脱氢有明显差异；② 呼吸链更具多样性，不同的化能自养微生物呼吸链组成分与长短往往不一。③ 产能效率（即 P/0 ）一般低于化能异养微生物。 各种无机底物的氧化与呼吸链相偶联的具体位点，决定于被氧化无机底物的氧化还原电位，其氧化后释放的电子进入呼吸链的位置也不一样。上述这些还原态无机物中，除了 H２的氧化还原电位比 NAD +/NADH 对稍低外，其余都明显高于它。因此，化能自养微生物呼吸链氧化磷酸化效率（ P/O 比）比较低。 3 、无氧呼吸产能途径 无氧呼吸亦称厌氧呼吸。某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下能进行无氧呼吸。在无氧呼吸中，作为最终电子受体的物质不是分子氧，而是 NO２－、 SO４２－ 、 S２O３２－ 、 CO２等这类外源含氧无机化合物。与发酵不同，无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有氧化磷酸化作用而生成 ATP ，也能产生较多的能量。但由于部分能量在没有充分释放之前就随电子传递给了最终电子受体，故产生的能量比有氧呼吸少。 在无氧呼吸中，作为能源物质的呼吸基质一般是有机物，如葡萄糖、乙酸等，通过无氧呼吸也可被彻底氧化成 CO２，并伴随有 ATP 的生成。例如： （ 1 ） 硝酸盐还原细菌在厌氧条件下，可把 NO２－作为电子的最终受体，即 :
绝大多数硝酸盐还原细菌以有机物作为电子供体，也有少数硝酸盐还原细菌能利用元素硫或分子氢或硫代硫酸作为电子供体还原硝酸盐。如兼性厌氧的脱氮硫杆菌（ Thiobacillus denitrificans ）在 NO２ －存在时，可经无氧呼吸，利用元素硫作为电子供体和 NO２－为最终电子受体而还原硝酸盐获得能量：
又如兼性厌氧的脱氮副球菌（ Paracoccus denitrificans ）在无氧条件下行无氧呼吸，以氢为电子供体，硝酸盐为最终电子受体，还原硝酸盐，进行彻底地反硝化作用：
（ 2 ） 在厌氧条件下，硫酸盐还原细菌可以 SO４２－ 作为最终电子受体，即：
脱硫弧菌属（ Desulfavibrio ）等少数几种菌能以有机物（乳酸、丙酮酸等）或分子氢作为硫酸盐还原的供氢体。 （ 3 ）严格厌氧的大多数产甲烷细菌可以 CO２作为最终电子受体进行无氧呼吸，即：
（ 4 ） 以延胡索酸作为电子受体的无氧呼吸，如雷氏变形菌（ Proteus rettgeri ）和甲酸乙酸梭菌（ Clostridium formicoacetium ）能以延胡索酸作为受氢体还原生成琥珀酸：
三．自养微生物的生物氧化 一些微生物可以从氧化无机物获得能量，同化合成细胞物质，这类细菌称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。 1. 氨的氧化 NH３同亚硝酸（NO２－）是可以用作能源的最普通的无机氮化合物，能被硝化细菌所氧化，硝化细菌可分为两个亚群：亚硝化细菌和硝化细菌。氨氧化为硝酸的过程可分为两个阶段，先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝氧化为硝酸。由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的。硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌，以分子氧为最终电子受体，且大多数是专性无机营养型。它们的细胞都具有复杂的膜内褶结构，这有利于增加细胞的代谢能力。硝化细菌无芽孢，多数为二分裂殖，生长缓慢，平均代时在10h以上，分布非常广泛。 2. 硫的氧化 硫杆菌能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。H２S首先被氧化成元素硫，随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中可以偶联产生四个ATP。亚硫酸盐的氧化可分为两条途径，一是直接氧化成SO４２－的途径，由亚硫酸盐-细胞色素C还原酶和末端细胞色素系统催化，产生一个ATP；二是经磷酸腺苷硫酸的氧化途径，每-氧化一分子SO４２－产生2.5个ATP。 3. 铁的氧化 从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。亚铁的氧化仅在嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）中进行了较为详细的研究。在低pH环境中这种菌能利用亚铁放出的能量生长。在该菌的呼吸链中发现了一种含铜蛋白质rusticyanin），它与几种细胞色素c和一种细胞色素a1氧化酶构成电子传递链。虽然电子传递过程中的放能部位和放出有效能的多少还有待研究，但已知在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗，从而驱动ATP的合成。 4. 氢的氧化 氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自氧菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO２，也能利用其它有机物生长。氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素K２及细胞色素等呼吸链组分。在该菌中，电子直接从氢传递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产生ATP。在多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的酶。一种是位于壁膜间隙或结合在细胞质膜上的不需NAD +的颗粒状氧化酶，它能够催化以下反应：
该酶在氧化氢并通过电子传递系统传递电子的过程中，可驱动质子的跨膜运输，形成跨膜质子梯度为ATP的合成提供动力；另一种是可溶性氢化酶，它能催化氢的氧化，而使NAD+还原的反应。所生成的NADH主要用于CO２的还原。 四．能量转换 在产能代谢过程中，微生物可通过底物水平磷酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化而释放的能量储存于ATP等高能分子中，对光合微生物而言，则可通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于ATP中。 1．底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation） 物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程中，也存在于呼吸作用过程中。例如，在EMP途径中1，3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中都分别偶联着一分子ATP的形成；在三羧酸循环过程中，琥珀酰辅酶A转变为琥珀酸时偶联着一分子GTP的形成。 2．氧化磷酸化（oxidative phosphorylation） 物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH２可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式称为氧化磷酸化。 电子从 NADH 或 FADH２到 O２的传递所经过的途径称为呼吸链 (respiratory chain) ，也称电子传递链（ electron transport chain ）。呼吸链主要由蛋白质复合体组成，大致分为 4 个部分，分别称为 NADH-Q 还原酶（ NADH-Q reductase ）、琥珀酸 -Q 还原酶（ succinate - Q reductase ）、细胞色素还原酶（ cytochrome reductase ）和细胞色素氧化酶（ cytochrome oxidase ）。典型的呼吸链组分及其在链中的排列顺序、电子传递方向见下列流程见图。此外，还有一些非蛋白的电子载体，如脂溶性醌类等。 以 NADH 为起端的电子传递链上，释放自由能的部位有 3 处：由复合体 I 将 NADH 放出的电子经 FMN 传递给 CoQ 的过程是第 1 个 ATP 合成部位；第 2 个部位是复合体 Ⅲ ，它将电子由 CoQ 传递给细胞色素 c 的过程中合成 ATP ；第 3 个 ATP 合成部位是复合体 Ⅳ ，其将电子从细胞色素 c 传递给氧的过程中合成 ATP 。FADH２氧化释放的电子未经 FMN 而直接交给 CoQ ，因为，琥珀酸 -Q 还原酶将电子从 FADH２转移到 CoQ 上的标准氧还电势变化（电势差）所蕴含的自由能不足以合成一个 ATP 。故该电子依次继续向细胞色素系统传递至 Cytc 的过程中才形成合成 1 个 ATP 。因此，凡以 FADH２所携带的高势能电子传经呼吸链仅生成 2 个 ATP 3．光合磷酸化（photophosphorylation） 光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程，其实质是通过光合磷酸化将光能转变成化学能，以用于从CO２合成细胞物质。行光合作用的生物体除了绿色植物外，还包括光合微生物，如藻类、蓝细菌和光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌、嗜盐菌等）。它们利用光能维持生命，同时也为其它生物（如动物和异养微生物）提供了赖以生存的有机物。 光合磷酸化是叶绿素（ chlorophyll ， Chl ）或菌绿素 (bacteriochlorophyll, Bchl ) 的光反应中心接受光能被激发而放出电子，在循环或非循环的电子传递系统中，一部分能量被用于合成 ATP 。 三类光合微生物在光合作用中的光合磷酸化获得能量的过程与机制不一样。 （1）紫硫细菌的光能转化 紫硫细菌是以环式电子传递方式进行光能转化，其过程可分为五步： ① 紫硫细菌通过光捕获复合体（Bchl 十 类胡萝卜素 十 P870），吸收光能。 ② 光被吸收后使反应中心叶绿素 P870 处于激发态成为 P870* 。 ③ 电荷分离， P870* 失去一个电子为P870+ ，高能电子跃升到电子受体细菌脱镁叶绿素（ bacteriopheophytin, Bph ）形成 Bph－ 。 ④ 电子沿醌铁蛋白（ QFe ）、 Q 、细胞色素 bc1到 C２ 顺序移动，电子在细胞色素bc1 至 C２时偶联磷酸化产生 ATP 。 ⑤ 低能电子返回到 P870+ 而形成P870，然后整个系统又接受光量子重复上述过程 。 紫硫细菌生物合成需要 NAD(P)H 。当其在氢中生长时，可以利用分子氢直接还原 NAD(P)+为 NAD(P)H 。在异养生长时，各种氧化还原电位较高的基质对 NAD+ 的还原一般都是由光能推动的。 紫硫细菌光能转化的特点是：① 紫硫细菌能利用长波光， Bchl 吸收光的峰值为 870nm 波长处。② 紫硫细菌以环式方式传递电子。③ 在异养生长时一般不能直接还原 NAD+为 NADH 。 光能营养微生物的光合磷酸化，是在位于细胞质膜中的类似于呼吸链那样的光合电子传递链上进行的。其 ATP 的合成也有赖质子运动力。紫色光营养细菌的光合电子传递途径及光合磷酸化合成 ATP 的过程与机制见图。 （2 ）绿硫细菌的光能转化 绿硫细菌也是以环式电子传递方式进行的，其过程也可分为五步： ① 绿硫细菌通过光合色素（主要是细菌叶绿素 c 和类胡萝卜素，有的还伴有细菌叶绿素 d 和 e ）吸收光能。 ② 使反应中心的叶绿素 P840处于激发态成为 P840* 。 ③ 电荷分离使P840* 而形成P840 + 和一个电子，这个高能电子跃升到电子受体 Fe-S 蛋白上，使 Fe-S 蛋白（ E0= — 540mV ）被还原。 ④ 电子由 Fe-S 蛋白经醌类（ MK ， CQ ），细胞色素 b 传到 C555 。电子在细胞色素 b 至C555 时偶联磷酸化产生 ATP 。 ⑤ 低能电子返回到P840+ 形成P840。整个系统又接受光子重复上述过程。 绿硫细菌光能转化的特点是：① 绿硫细菌的 Bchl 吸收光的峰值在 840nm 处。② 绿硫细菌 是环式电子传递方式进行的。③ 绿硫细菌通过 Fe-S 蛋白能直接还原 NAD(P)+为 NAD(P)H 。 （3 ）蓝细菌的光能转化 蓝细菌的光能电子传递是非环式的。从水到 NADP+的非环式电子传递是一个短波光合系统Ⅱ（PS Ⅱ）。它含有作为主要光捕获色素的新藻胆蛋白，并在氧化水的同时放出氧和还原质体醌；还原 NADP +的电子传递是通过细胞色素链和长波光合系统（ PSⅠ）进行的。蓝细菌的光能电子传递见图。 在光合系统 Ⅱ （ PS Ⅱ ）中藻蓝素（ Phc ）和藻红素（ Phe ）吸收光子并把能量传递给异藻蓝素 (aphc) ，再把能量传递给反应中心叶绿素 (P680) ，由水提供电子还原质体醌（ PQ ），再经电子传递链，从 b559到 f 至 PC ，电子经 b559到 f 时偶联产生 ATP 。低能电子通过 PSⅠ 中的叶绿素 a 吸收光能使电子在 P700处受到激发去还原 Fe-S ，再通过可溶性铁氧还蛋白和铁氧还蛋白 - NADP +还原酶最后传至 NADP +。 蓝细菌光能转化的特点是： ① 电子传递一般不成闭合途径。 ② 电子由外源电子供体提供。 ③ PSⅡ 具有光解水放氧的作用，并经电子传递偶联产生 ATP ， PSⅠ 把电子还原 Fe-S 经 Fd 和 FP 使 NADP+还原为 NADPH 。 蓝细菌中的非环式电子传递，不但能产生 ATP ，而目还能提供 NADPH ，在这类光合细菌中，具有对 ATP 和 NADPH 合成的调节功能。当体内需要还原型 NADPH 时，在外源供氢体帮助下进行非环式电子传递作用。当细菌不需要还原性 NADPH 时，或者由 PSⅠ 产生的电子能量不足以还原 NADP+时，则按环式电子传递方式为细胞提供 ATP 。 |
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