微生物的能量代谢微生物进行生命活动需要能量，这些能量的来源主要是化学能和光能。那么自然界的能量是怎样转变成微生物可利用的形式？能量是如何被利用的？这些都是微生物能量代谢的基本问题。一、细胞中的氧化还原反应与能量产生物质失去电子称为氧化，含有氢的物质在失去电子的同时伴随着脱氢或加氧。物质获得电子称为还原，在获得电子的同时可能伴随着加氢或脱氧。可见氧化和还原是两个相反而偶联的反应，二者不能分开独立完成，即一物质的氧化必然伴随着另一物质的还原，称为氧化还原反应，可以表示为：AH2-→2H++2e+A（氧化）B+2H++2e-+BH2（还原）AH2+B+→A+BH2（氧化还原）在氧化还原反应中，凡是失去电子的物质称为电子供体：得到电子的物质称为电子受体。如还伴随有氢的转移时则称为供氢体和受氢体。上式中AH就是电子供体（或供氢体），B是电子受体(或受氢体)。实际上，生物体内发生的许多反应都是氧化还原反应。生物氧化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放出能量的过程。其中有机化合物的氧化还原反应是生物氧化的主要形式，在此过程中都包含有氢和电子的转移，称为脱氢作用。各种基质给出电子而被氧化和接受电子而被还原的趋势是不同的，这种趋势称为基质的还原势(reductionpotential)，用Eo，表示，以伏(V)或毫伏(mV)为单位。在电化学上还原势以基质H2作参比而测定，因而各种物质的还原势可以相互比较。按规定还原剂（电子供体）写在反应式的左边。在pH：7时，氢和氧的还原势分别为：2H*+2eH2Eo=-421mV1/202+2H++2e→H20Eo=+816mV在细胞内进行的氧化还原反应中，电子从最初供体转移到最终受体，一般都需经由中间载体(电子传递体)，全反应过程的净能量变化决定于最初供体和最终受体之间还原势之差。在分解代谢中，电子供体一般就是指能源，当电子供体与电子受体偶联起来发生氧化还原反应时能释放出能量，两个相偶联（氧化一还原分子对，或称O--R对)的反应之间还原势相差愈大，释放的能量就愈多。中间电子载体有两类：一类是游离的，一类是牢固地结合在细胞膜中的辅酶上。辅酶NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)和NADP+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)就是细胞中常见的游离电子载体，它们是氢原子载体，能携带一个质子和两个电子，在反应中另一个质子(H+)来自溶液。NAD++2e+2H+产生NADH+H+，为简略起见一般将NADH+H+书写为NADH。尽管NAD+和NADP+具有相同还原势(-320mV)，但在细胞中前者直接用于产能反应（分解代谢），后者主要用于合成反应
微生物的能量代谢 微生物进行生命活动需要能量，这些能量的来源主要是化学能和光能。那么自然界的 能量是怎样转变成微生物可利用的形式? 能量是如何被利用的? 这些都是微生物能量代谢 的基本问题。 一、细胞中的氧化还原反应与能量产生 物质失去电子称为氧化，含有氢的物质在失去电子的同时伴随着脱氢或加氧。物质获 得电子称为还原，在获得电子的同时可能伴随着加氢或脱氧。可见氧化和还原是两个相反而 偶联的反应，二者不能分开独立完成，即一物质的氧化必然伴随着另一物质的还原，称为氧 化还原反应，可以表示为： AH2→2H++2e+A（氧化) B+2H++2e→BH2 (还原） AH2+B←→ A+BH2（氧化还原) 在氧化还原反应中，凡是失去电子的物质称为电子供体；得到电子的物质称为电子受体。 如还伴随有氢的转移时则称为供氢体和受氢体。上式中 AH2 就是电子供体(或供氢体)，B 是 电子受体(或受氢体)。实际上，生物体内发生的许多反应都是氧化还原反应。生物氧化是物 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放出能量的过程。其中有机化合物 的氧化还原反应是生物氧化的主要形式，在此过程中都包含有氢和电子的转移，称为脱氢作 用。 各种基质给出电子而被氧化和接受电子而被还原的趋势是不同的，这种趋势称为基质的 还原势(reduction potential)，用 E0'，表示，以伏(V)或毫伏(mV)为单位。在电化学上还原势 以基质 H2 作参比而测定，因而各种物质的还原势可以相互比较。按规定还原剂(电子供体) 写在反应式的左边。在 pH：7 时，氢和氧的还原势分别为： 2H++2e→H2 E0'=-421mV 1/2O2+2H++2e- → H2O E0'=+816mV 在细胞内进行的氧化还原反应中，电子从最初供体转移到最终受体，一般都需经由中间 载体(电子传递体)，全反应过程的净能量变化决定于最初供体和最终受体之间还原势之差。 在分解代谢中，电子供体一般就是指能源，当电子供体与电子受体偶联起来发生氧化还 原反应时能释放出能量，两个相偶联(氧化一还原分子对，或称 O-R 对)的反应之间还原势 相差愈大，释放的能量就愈多。 中间电子载体有两类：一类是游离的，一类是牢固地结合在细胞膜中的辅酶上。辅酶 NAD+ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)和 NADP+ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)就是细胞中常见的游 离电子载体，它们是氢原子载体，能携带一个质子和两个电子，在反应中另一个质子(H+) 来自溶液。NAD+ +2e- +2H+产生 NADH+H+，为简略起见一般将 NADH+H+书写为 NADH。 尽管 NAD+和 NADP+具有相同还原势(-320mV)，但在细胞中前者直接用于产能反应(分解代 谢)，后者主要用于合成反应
二、高能化合物和ATP的合成基质通过氧化还原反应产生的能量可以转变为高能化合物，供细胞用于作功。高能化合物是在水解过程中能够释放大量自由能的有机物分子。自由能以C表示，生化反应中自由能的变化表示为△G，负值说明反应中有自由能释放，并且反应能自发进行，这时称为产能反应；正值说明反应不能自发进行，需外界能量，称为吸能反应。生物学中表示能量的单位最常用的是千卡(Kcal）和千焦耳(kl)，Ikcal等于4.184kJ。如果没有高能化合物则在一般氧化作用中会以放热的方式而浪费能量。（一）细胞中的高能化合物许多高能化合物最少含有一个高能磷酸键。有些化合物虽具有磷酸键，但所含能量不够高，不算高能化合物。高能磷酸化合物水解时释放的自由能大于-29.3kJ/mol。例如，葡萄糖-6一磷酸水解时仅放出-12.5kJ/mol自由能，而磷酸烯醇丙酮酸可释放-61.9kJ/mol自由能，几平为前者的5倍，所以葡萄糖一6一磷酸（磷酸酯）不算高能化合物，而磷酸烯醇丙酮酸(磷酸酐)则是。ATP是最常见的高能磷酸化合物，在生物新陈代谢中起重要作用。（二）细胞合成ATP的途径ATP含3个磷酸基，其中2个磷酸以高能健（符号～代表）相联。当细胞需要能量时，ATP末端磷酸基水解，产生一分子ADP、一分子无机磷酸(Pi)并释放能量。微生物产生ATP有3种方式，即底物水平磷酸化、呼吸链（或氧化磷酸化和光合磷酸化。1：底物水平磷酸化这种磷酸化的特点即在底物氧化过程中生成含高能磷酸键的化合物通过相应酶的作用将此高能磷酸根转移给ADP生成ATP。这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中普遍发生，其通式可写成：X~P+ADP-+X+ATP碳水化合物是微生物最常用的能源，但蛋白质、类脂和核酸也可用作能源。碳水化合物在氧化过程中可以提供大量电子。2.氧化磷酸化通过呼吸链产生ATP的过程称为电子传递水平磷酸化或氧化磷酸化。这种磷酸化的特点是当由物质氧化产生的质子和电子向最终电子受体转移时需经过一系列的氢和电子传递体，每个传递体都是一个氧化还原系统。这一系列氢和电子传递体在不同生物中大同小异，构成一条链，称其为呼吸链。流动的电子通过呼吸链时逐步释放出能量，该能量可使ADP生成ATP。在呼吸链中，氢和电子传递体主要由各种辅酶和辅基组成，呼吸链的这些酶系定向有序地、又是不对称地排列在真核微生物的线粒体内膜上，或排列在原核微生物的细胞质膜上。原核生物和真核生物呼吸链含有类似的基本的氧化还原载体，就目前所知，呼吸链中最重要的中间电子传递体成员是泛醒(CoQ)和细胞色素系统。泛醒及其衍生物是一类分子量较小的酯溶性氢载体。在电子传递链中，由于其结构上的改变起氧化还原剂的作用。存在于微生物中的主要是泛醒和萘醒。细胞色素都是含有铁吓嘛基团的电子传递蛋白，有多种，以细胞色素a、b和c等表示，并有al、a2...bl、b2....等之分。在所有真核生物的线粒体中发现的细胞色素类型是相同的，而细菌所含的细胞色素类型有很大差异。例如，大肠杆菌有细胞色素al、a2、bl和o；枯草芽胞杆菌含有细胞色素a、a3、b、c和cl。以英文小写字母区别的各种细胞色素，其转移电子的顺序并非按字母顺序进行，而是cyt.b-cytc→cyt.a。呼吸链的最末端细胞色素a称为细胞色素氧化酶（cytochromeoxidase)，它将电子转移给氧分子。电子传递水平磷酸化是经由呼吸链进行的。底物氧化时脱下的氢和电子首先交给NAD生成NADH+H+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸），或交给NADP+生成NADPH+H+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），也有的底物将脱下的氢和电子交给FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）或FMN
二、高能化合物和 ATP 的合成 基质通过氧化还原反应产生的能量可以转变为高能化合物，供细胞用于作功。高能化 合物是在水解过程中能够释放大量自由能的有机物分子。自由能以 C 表示，生化反应中自 由能的变化表示为△GO'，负值说明反应中有自由能释放，并且反应能自发进行，这时称为 产能反应；正值说明反应不能自发进行，需外界能量，称为吸能反应。生物学中表示能量的 单位最常用的是千卡(Kcal) 和千焦耳 (kJ)，l kcal 等于 4.184kJ。如果没有高能化合物则在一 般氧化作用中会以放热的方式而浪费能量。 (一) 细胞中的高能化合物 许多高能化合物最少含有一个高能磷酸键。有些化合物虽具有磷酸键，但所含能量不够 高，不算高能化合物。高能磷酸化合物水解时释放的自由能大于-29.3kJ／mol。例如，葡萄 糖-6—磷酸水解时仅放出-12．5kJ／mol 自由能，而磷酸烯醇丙酮酸可释放-61．9kJ／mol 自由能，几乎为前者的 5 倍，所以葡萄糖—6—磷酸(磷酸酯)不算高能化合物，而磷酸烯醇 丙酮酸(磷酸酐)则是。ATP 是最常见的高能磷酸化合物，在生物新陈代谢中起重要作用。 (二) 细胞合成 ATP 的途径 ATP 含 3 个磷酸基，其中 2 个磷酸以高能健 (符号～代表) 相联。当细胞需要能量时， ATP 末端磷酸基水解，产生一分子 ADP、一分子无机磷酸(Pi)并释放能量。 微生物产生 ATP 有 3 种方式，即底物水平磷酸化、呼吸链(或氧化)磷酸化和光合磷酸化。 1．底物水平磷酸化 这种磷酸化的特点即在底物氧化过程中生成含高能磷酸键的化合物, 通过相应酶的作用将此高能磷酸根转移给 ADP 生成 ATP。这种类型的氧化磷酸化方式在生 物代谢过程中普遍发生，其通式可写成： X~P+ADP→X+ATP 碳水化合物是微生物最常用的能源，但蛋白质、类脂和核酸也可用作能源。碳水化合物 在氧化过程中可以提供大量电子。 2．氧化磷酸化 通过呼吸链产生 ATP 的过程称为电子传递水平磷酸化或氧化磷酸化。 这种磷酸化的特点是当由物质氧化产生的质子和电子向最终电子受体转移时需经过一系列 的氢和电子传递体，每个传递体都是一个氧化还原系统。这一系列氢和电子传递体在不同生 物中大同小异，构成一条链，称其为呼吸链。流动的电子通过呼吸链时逐步释放出能量，该 能量可使 ADP 生成 ATP。在呼吸链中，氢和电子传递体主要由各种辅酶和辅基组成，呼吸 链的这些酶系定向有序地、又是不对称地排列在真核微生物的线粒体内膜上，或排列在原核 微生物的细胞质膜上。原核生物和真核生物呼吸链含有类似的基本的氧化还原载体，就目前 所知，呼吸链中最重要的中间电子传递体成员是泛醌(CoQ)和细胞色素系统。 泛醌及其衍生物是一类分子量较小的酯溶性氢载体。在电子传递链中，由于其结构上的 改变起氧化还原剂的作用。存在于微生物中的主要是泛醌和萘醌。 细胞色素都是含有铁卟啉基团的电子传递蛋白，有多种，以细胞色素 a、b 和 c 等表示， 并有 a1、a2.b1、b2.等之分。在所有真核生物的线粒体中发现的细胞色素类型是相同 的，而细菌所含的细胞色素类型有很大差异。例如，大肠杆菌有细胞色素 a1、a2、b1 和 o； 枯草芽胞杆菌含有细胞色素 a、a3、b、c 和 c1。以英文小写字母区别的各种细胞色素，其转 移电子的顺序并非按字母顺序进行，而是 cyt．b→cyt．c→cyt．a。呼吸链的最末端细胞色 素 a 称为细胞色素氧化酶 (cytochrome oxidase)，它将电子转移给氧分子。 电子传递水平磷酸化是经由呼吸链进行的。底物氧化时脱下的氢和电子首先交给 NAD+ 生成 NADH+H+ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) ，或交给 NADP+生成 NADPH+H+ (烟酰胺腺嘌呤 二核苷酸磷酸) ，也有的底物将脱下的氢和电子交给 FAD (黄素腺嘌呤二核苷酸) 或 FMN
（黄素单核苷酸）生成FADH2或FMNH2。然后NADH+H+或FADH2以及其它还原型载体上的氢原子以质子和电子的形式进入呼吸链，顺序传递至最终电子受体，同时偶联有ATP的产生。教材上图6-11表示一条呼吸链的作用过程。电子传递磷酸化的效率通常用P/O来表示，P/O代表每消耗一个氧原子所形成的ATP数。真核生物如酵母菌为3，而细菌大约只可达到1。3.光合磷酸化光合磷酸化是将光能转变为化学能的过程。在这种转化过程中光合色素起着重要作用。微生物中蓝细菌、光合细菌以及嗜盐细菌的光合色素的光合磷酸化特点均有所不同。（1）蓝细菌。蓝细菌进行光合作用是靠叶绿素。和高等植物一样，蓝细菌在光合作用中还原CO2的电子是来自水的光解，并有氧的释放，把这类光合作用称为放氧型光合作用。属非环式光合磷酸化，其特点是有由光合色素组成的I与Ⅱ两个光反应系统。蓝细菌中的非环式电子传递，不但能产生ATP，而且还能提供NADPH+H+。系统I的光合色素为叶绿素P700，它吸收光能后释放电子，电子通过铁还蛋白将NADP+还原为NADPH+H+。系统ⅡI的P680吸收光能后释放电子，经质体醒(一种醒类衍生物)、细胞色素b、细胞色素f、质体蓝素等传递体，最后将电子交给系统I的P700。系统II失去的电子以水的光解所放出的电子来补充。在整个电子传递过程中有ATP产生。(2）光合细菌。光合细菌包括紫细菌和绿细菌，它们是在厌氧条件下靠细菌叶绿素进行光合作用。细菌叶绿素是光合细菌的光反应色素，它也具有镁吓琳环的中心结构，但侧链不同于叶绿素，目前已发现有a，b，c，d和e5种。绿硫细菌的光反应中心色素主要是细菌叶绿素c，d和e。而在紫细菌中光反应中心色素主要为细菌叶绿素a。光合细菌在光合作用中还原CO2的电子是来自还原型无机硫、氢或有机物，没有氧气的释放，称为非放氧型光合作用。其光合磷酸化的方式为环式光合磷酸化。首先，细菌叶绿素吸收光能处于激发状态，放出高能电子。电子通过铁氧还蛋白、COQ、细胞色素b和细胞色素c的电子传递系统，最后返回细菌叶绿素。在电子传递过程中产生ATP。三、微生物细胞中能量的释放和利用根据最终电子受体性质的不同，微生物产生能量的方式有3种，即发酵、有氧呼吸和无氧呼吸。（一）发酵作用（fermentation）在生理上，发酵作用是不需要分子态氧（O2）作电子受体的氧化作用，为厌氧代谢，在此过程中电子供体和受体都是有机物分子。作为基质的有机物质只是部分碳原子被氧化，所形成的某些中间产物又作为受氢体接受氢而形成新的产物。酒精发酵和乳酸发酵就是这类作用的典型代表。发酵产生ATP的机制主要是底物水平的磷酸化，即由底物氧化而产生的高能磷酸键被转移到ADP分子上形成ATP。微生物的发酵作用最常见于糖类的厌氧降解作用中，特别是葡萄糖的代谢。而一般工业发酵的含义则较广泛，凡是利用微生物进行生产的过程，无论是在有氧条件下还是无氧条件下，统称为发酵。发酵是厌氧微生物在生长过程中获能的一种主要方式。但这种氧化不彻底，只释放出一部分能量，大部分能量仍贮存在有机物中。例如，酵母菌利用葡萄糖进行酒精发酵时，一分子萄萄糖仅释放出225.7kJ的能量，其中约有62.7kJ贮存在ATP中，其余能量(225.7-62.7=163kJ)以热散失，而大部分能量仍贮存在产物酒精中。有些兼性厌氧菌在无氧条件下也能进行发酵作用，这时若通人氧气则会发生呼吸作用对发酵作用的抑制，这一现象首先是由巴斯德发现的，称为巴斯德效应。在利用酵母菌发酵生产酒精时若通人02，则发酵作用减慢，表现为酒精的产量下降。（二）有氧呼吸（respiration）即呼吸作用。是指微生物氧化底物时以分子氧作为最终电子受体的氧化作用。通过有氧呼吸可将有机物彻底氧化并释放出贮存在有机物中的大量能量。其中一部分转移到ATP中，另一部分则以热的形式散出。例如，一分子葡萄糖在有氧
(黄素单核苷酸) 生成 FADH2 或 FMNH2。然后 NADH+H+或 FADH2 以及其它还原型载体上 的氢原子以质子和电子的形式进入呼吸链，顺序传递至最终电子受体，同时偶联有 ATP 的 产生。教材上图 6-11 表示一条呼吸链的作用过程。电子传递磷酸化的效率通常用 P／O 来 表示，P／O 代表每消耗一个氧原子所形成的 ATP 数。真核生物如酵母菌为 3，而细菌大约 只可达到 1。 3．光合磷酸化 光合磷酸化是将光能转变为化学能的过程。在这种转化过程中光合色素 起着重要作用。微生物中蓝细菌、光合细菌以及嗜盐细菌的光合色素的光合磷酸化特点均有 所不同。 (1) 蓝细菌。蓝细菌进行光合作用是靠叶绿素。和高等植物一样，蓝细菌在光合作用中 还原 C02 的电子是来自水的光解，并有氧的释放，把这类光合作用称为放氧型光合作用。属 非环式光合磷酸化，其特点是有由光合色素组成的 I 与Ⅱ两个光反应系统。蓝细菌中的非环 式电子传递，不但能产生 ATP，而且还能提供 NADPH+H+。系统 I 的光合色素为叶绿素 P700， 它吸收光能后释放电子，电子通过铁还蛋白将 NADP+还原为 NADPH +H+。系统Ⅱ的 P680 吸收光能后释放电子，经质体醌(一种醌类衍生物)、细胞色素 b、细胞色素 f、质体蓝素等传 递体，最后将电子交给系统 I 的 P700。系统Ⅱ失去的电子以水的光解所放出的电子来补充。 在整个电子传递过程中有 ATP 产生。 (2) 光合细菌。光合细菌包括紫细菌和绿细菌，它们是在厌氧条件下靠细菌叶绿素进行 光合作用。细菌叶绿素是光合细菌的光反应色素，它也具有镁卟啉环的中心结构，但侧链不 同于叶绿素，目前已发现有 a，b，c，d 和 e 5 种。绿硫细菌的光反应中心色素主要是细菌 叶绿素 c，d 和 e。而在紫细菌中光反应中心色素主要为细菌叶绿素 a。光合细菌在光合作用 中还原 C02 的电子是来自还原型无机硫、氢或有机物，没有氧气的释放，称为非放氧型光合 作用。其光合磷酸化的方式为环式光合磷酸化。首先，细菌叶绿素吸收光能处于激发状态， 放出高能电子。电子通过铁氧还蛋白、COQ、细胞色素 b 和细胞色素 c 的电子传递系统， 最后返回细菌叶绿素。在电子传递过程中产生 ATP。 三、微生物细胞中能量的释放和利用 根据最终电子受体性质的不同，微生物产生能量的方式有 3 种，即发酵、有氧呼吸和无 氧呼吸。 (一) 发酵作用 (fermentation) 在生理上，发酵作用是不需要分子态氧 (02) 作电子受体的 氧化作用，为厌氧代谢，在此过程中电子供体和受体都是有机物分子。作为基质的有机物质 只是部分碳原子被氧化，所形成的某些中间产物又作为受氢体接受氢而形成新的产物。酒精 发酵和乳酸发酵就是这类作用的典型代表。发酵产生 ATP 的机制主要是底物水平的磷酸化， 即由底物氧化而产生的高能磷酸键被转移到 ADP 分子上形成 ATP。微生物的发酵作用最常 见于糖类的厌氧降解作用中，特别是葡萄糖的代谢。而一般工业发酵的含义则较广泛，凡是 利用微生物进行生产的过程，无论是在有氧条件下还是无氧条件下，统称为发酵。发酵是厌 氧微生物在生长过程中获能的一种主要方式。但这种氧化不彻底，只释放出一部分能量，大 部分能量仍贮存在有机物中。例如，酵母菌利用葡萄糖进行酒精发酵时，一分子萄萄糖仅释 放出 225.7kJ 的能量，其中约有 62.7kJ 贮存在 ATP 中，其余能量(225.7-62.7=163kJ)以热散失， 而大部分能量仍贮存在产物酒精中。 有些兼性厌氧菌在无氧条件下也能进行发酵作用，这时若通人氧气则会发生呼吸作用对 发酵作用的抑制，这一现象首先是由巴斯德发现的，称为巴斯德效应。在利用酵母菌发酵生 产酒精时若通人 02，则发酵作用减慢，表现为酒精的产量下降。 (二) 有氧呼吸 (respiration) 即呼吸作用。是指微生物氧化底物时以分子氧作为最终电 子受体的氧化作用。通过有氧呼吸可将有机物彻底氧化并释放出贮存在有机物中的大量能 量。其中一部分转移到 ATP 中，另一部分则以热的形式散出。例如，一分子葡萄糖在有氧
条件下完全氧化成CO2和H20时可放出2875.810的自由能，其中约有1254kj贮存在ATP中，其余以热的形式散出，，因此，有氧呼吸的特点是必须有氧气参加，底物氧化彻底，产能量大。有氧呼吸是需氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进行的生物氧化方式。化能异养微生物以有机物如葡萄糖、淀粉、纤维素等作为呼吸底物：而化能自养菌是以无机物作为呼吸底物，如氢细菌、硫细菌和硝化细菌分别利用氢气、含硫无机物(H2S，S，S203-)、氨或亚硝酸等作为被氧化的底物。底物氧化时脱下的氢和电子经呼吸链传递，最终将它们交给分子氧生成水，同时释放出大量的能量，完成了有氧呼吸过程。（三）无氧呼吸（anaerobicrespiration）化合物氧化脱下的氢和电子经呼吸链传递，最终交给无机氧化物的过程称为无氧呼吸。与有氧呼吸不同的是，在这个过程中并没有分子氧参加，而是以无机氧化物如NO3、NO2、S042、S203或CO02等代替分子氧作为最终电子受体。与有氧呼吸相同的是，无氧呼吸过程中底物氧化脱下的氢和电子也经过细胞色素等一系列中间传递体并伴随有磷酸化作用产生ATP，底物也可被彻底氧化。但与有氧呼吸相比，因最终电子受体为无机氧化物，一部分能量转移给它们，因此生成的能量不如有氧呼吸多。例如，一分子葡萄糖以KNO3作为最终电子受体进行无氧呼吸时仅放出1793.2kI的自由能，其余能量则转移于所生成的NO2中。进行厌氧呼吸的微生物主要是厌氧菌和兼性厌氧菌，它们的活动可以造成反硝化作用（也称为脱氮作用）、脱硫作用和甲烷发酵作用等。（四）能量的消耗微生物进行的一切生理活动需要消耗能量，生长时需要消耗能量，不生长时因维持生命状态也需要消耗能量。微生物产生的能量主要用手以下儿个方面：1：生物合成消耗能量微生物合成的ATP主要用手蛋白质、核酸、脂类和多糖等各种细胞物质和各种贮藏物质的合成，使微生物得以生长和繁殖。并且细胞内的核酸、蛋白质等大分子是处于不停的降解与合成状态的，用于这些大分子再生和转换的能量称为维持能量。2.一些其他生命活动消耗能量微生物对营养物质的主动吸收、维持细胞渗透压、鞭毛运动、原生质流动以及细胞核分裂过程中染色体的分离等都需要消耗能量。3.生物发光消耗能量到目前为止，在细菌、真菌和藻类中都发现有可发光的菌种存在。生物发光现象实质上是将化学能转变为光能的过程。该过程必须具备有发光素和发光素酶。4有些ATP以热的形式散失在需要ATP的合成反应中，ATP水解时释放出的能量并非完全被利用，有些是以热的形式散失了。例如在进行微生物培养时，常表现出培养物自升温现象。因此，在发酵工业上常需降温设备来解决这个问题。微生物的分解代谢复杂的有机物质，通过一系列分解代谢酶系的催化，产生能量(ATP)和小分子物质的过程称为分解代谢。微生物可利用的有机物营养种类很多，不同有机物的分解途径各异。已糖是各种多糖的主要单位，是代谢作用的一个关键环节。一、己糖的分解对于大多数异养型微生物来说，己糖是最重要的碳源和能源，也是微生物细胞壁、荚膜和贮藏物的主要组成成分，尤其是葡萄糖和果糖，可以直接进人糖代谢途径逐步分解成各种中间代谢产物，并释放出能量。（一）糖酵解和三羧酸循环葡萄糖在有氧条件下的分解过程主要经过4个阶段。即：①糖酵解一②生成乙酰辅酶A一③三羧酸循环一④进入呼吸链产能。许多好氧微生物都是通过这条途径将葡萄糖彻底氧化为CO2和H2O，并获得能量。糖酵解(glycolysis)从字面上理解即糖发酵裂解的意思。糖酵解可以通过不同途径，最一般的是EM途径(Embden-MeyerhofPathway)，也称己糖二磷酸途径。这条途径是生物界所共有的，在微生物中广泛存在于许多好氧菌、兼性好氧菌和厌氧菌中
条件下完全氧化成 CO2 和 H20 时可放出 2875.810 的自由能，其中约有 1254kj 贮存在 ATP 中，其余以热的形式散出，因此，有氧呼吸的特点是必须有氧气参加，底物氧化彻底，产 能量大。有氧呼吸是需氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进行的生物氧化方式。化能异养微 生物以有机物如葡萄糖、淀粉、纤维素等作为呼吸底物；而化能自养菌是以无机物作为呼吸 底物，如氢细菌、硫细菌和硝化细菌分别利用氢气、含硫无机物(H2S，S，S203-)、氨或亚硝 酸等作为被氧化的底物。底物氧化时脱下的氢和电子经呼吸链传递，最终将它们交给分子氧 生成水，同时释放出大量的能量，完成了有氧呼吸过程。 (三) 无氧呼吸 (anaerobic respiration) 化合物氧化脱下的氢和电子经呼吸链传递，最终交 给无机氧化物的过程称为无氧呼吸。与有氧呼吸不同的是，在这个过程中并没有分子氧参加， 而是以无机氧化物如 N03 -、N02 -、S04 2-、S203 -或 C02 等代替分子氧作为最终电子受体。与有 氧呼吸相同的是，无氧呼吸过程中底物氧化脱下的氢和电子也经过细胞色素等一系列中间传 递体,并伴随有磷酸化作用产生 ATP，底物也可被彻底氧化。但与有氧呼吸相比，因最终电 子受体为无机氧化物，一部分能量转移给它们，因此生成的能量不如有氧呼吸多。例如，一 分子葡萄糖以 KN03 作为最终电子受体进行无氧呼吸时仅放出 1 793．2kJ 的自由能，其余能 量则转移于所生成的 N02 -中。 进行厌氧呼吸的微生物主要是厌氧菌和兼性厌氧菌，它们的活动可以造成反硝化作用 (也称为脱氮作用)、脱硫作用和甲烷发酵作用等。 (四) 能量的消耗 微生物进行的一切生理活动需要消耗能量，生长时需要消耗能量，不 生长时因维持生命状态也需要消耗能量。微生物产生的能量主要用于以下几个方面： 1．生物合成消耗能量 微生物合成的 ATP 主要用于蛋白质、核酸、脂类和多糖等各种 细胞物质和各种贮藏物质的合成，使微生物得以生长和繁殖。并且细胞内的核酸、蛋白质等 大分子是处于不停的降解与合成状态的，用于这些大分子再生和转换的能量称为维持能量。 2．一些其他生命活动消耗能量 微生物对营养物质的主动吸收、维持细胞渗透压、鞭毛 运动、原生质流动以及细胞核分裂过程中染色体的分离等都需要消耗能量。 3．生物发光消耗能量 到目前为止，在细菌、真菌和藻类中都发现有可发光的菌种存在。 生物发光现象实质上是将化学能转变为光能的过程。该过程必须具备有发光素和发光素酶。 4．有些 ATP 以热的形式散失 在需要 ATP 的合成反应中，ATP 水解时释放出的能量并 非完全被利用，有些是以热的形式散失了。例如在进行微生物培养时，常表现出培养物自升 温现象。因此，在发酵工业上常需降温设备来解决这个问题。 微生物的分解代谢 复杂的有机物质，通过一系列分解代谢酶系的催化，产生能量(ATP)和小分子物质的过 程称为分解代谢。微生物可利用的有机物营养种类很多，不同有机物的分解途径各异。己糖 是各种多糖的主要单位，是代谢作用的一个关键环节。 一、己糖的分解 对于大多数异养型微生物来说，己糖是最重要的碳源和能源，也是微生物细胞壁、荚膜 和贮藏物的主要组成成分，尤其是葡萄糖和果糖，可以直接进人糖代谢途径逐步分解成各种 中间代谢产物，并释放出能量。 (一) 糖酵解和三羧酸循环 葡萄糖在有氧条件下的分解过程主要经过 4 个阶段。即： ①糖酵解一②生成乙酰辅酶 A—③三羧酸循环一④进入呼吸链产能。许多好氧微生物都是通 过这条途径将葡萄糖彻底氧化为 C02 和 H20，并获得能量。糖酵解(glycolysis)从字面上理解 即糖发酵裂解的意思。糖酵解可以通过不同途径，最一般的是 EM 途径(Embden-Meyerhof Pathway)，也称己糖二磷酸途径。这条途径是生物界所共有的，在微生物中广泛存在于许多 好氧菌、兼性好氧菌和厌氧菌中
1：糖酵解的EMP途径是指在不需要氧的条件下一分子葡萄糖经转化成1，6-二磷酸果糖后，在醛缩酶催化下，裂解并由此生成2分子丙酮酸的过程。葡萄糖经EMP途径降解成丙酮酸的总反应式为：C6H12O6+2NAD++2pi+2ADP-→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP反应过程如图6-6（教材）所示，包括许多步骤。葡萄糖首先经过三次磷酸化转变成1，6-二磷酸果糖。后者在EM途径的特征酶1，6-二磷酸果糖醛缩酶的作用下分解成2个三碳化合物，即3一磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，其中磷酸二羟丙酮也可转变为3，磷酸甘油醛。因此，由1，6-二磷酸果糖生成2分子3一磷酸甘油醛。在此基础上脱氢和磷酸化生成2分子丙酮酸、2个NADH和4个ATP。由于在前面葡萄糖磷酸化时用去2个ATP，所以净得2个ATP。全此糖酵解反应完成。EMP途径在反应过程中生成的几种磷酸化中间产物及终产物丙酮酸在合成代谢中起着重要作用，并且为微生物提供生理活动所需的ATP和NADH。其中NADH生成后不能积存，必须重新氧化为NAD+。在进行有氧呼吸时NADH经呼吸链氧化，同时由电子转移磷酸化生成ATP。在发酵时NADH将分子中的氢交给有机物使之还原，本身则氧化为NAD+，这时NADH并非为微生物提供能量，而是提供还原力2.乙酰辅酶A的生成内酮酸在内酮酸脱氢酶系的催化下氧化脱羧、脱氢生成乙酰辅酶A。其反应式为：丙酮酸脱氢酶系CH3COCOOH+CoSH+NAD++CH3CO~SCoA+NADH+H++CO2丙酮酸辅酶A乙酰辅酶A丙酮酸脱氢酶系由3种酶组成：丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶和二氢硫辛酸脱氢酶。该酶系在一些兼性好氧菌如大肠杆菌中，只在有氧时才合成，无氧时不合成。在无氧条件下即使是已合成的丙酮酸脱氢酶系，其活性也被抑制。3.三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle，TCA循环）这个循环是从乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸开始的，它是葡萄糖降解成丙酮酸后进一步彻底氧化的过程。其总反应式为：Z酰CoA+3H2O+3NAD+FAD+ADP+pi--2CO2+CoA+3NADH+3H++FADH2+ATP反应步骤见图6-9(教材)所示。该循环的主要特点是：①在循环中生成一系列二羧酸和三羧酸化合物，最后又再生出草酰乙酸。其结果是乙酰辅酶A被分解成CO2、NADH和FADH2。②乙酰辅酶A是脂肪酸合成的原料，TCA循环中的二羧酸和三羧酸中间化合物也为生物合成提供原料，它们与氨基酸、嘌吟和啶等的合成有密切关系。因此，三羧酸循环是糖、蛋白质和脂肪酸等代谢的桥梁。③反应过程中由底物水平磷酸化生成1个ATP。此外所生成的NADH和FADH2都可进入呼吸链进行有氧呼吸作用产生大量能量。因此，尽管分子氧不直接参与TCA循环，但TCA循环必须在有氧条件下才能进行。4.进入呼吸链产能在这一步骤中，三羧酸循环中生成的NADH和FADH2进入呼吸链
1．糖酵解的 EMP 途径 是指在不需要氧的条件下一分子葡萄糖经转化成 1，6-二磷酸 果糖后, 在醛缩酶催化下，裂解并由此生成 2 分子丙酮酸的过程。葡萄糖经 EMP 途径降解 成丙酮酸的总反应式为： C6H12O6+2NAD++2pi+2ADP→ 2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP 反应过程如图 6-6(教材)所示，包括许多步骤。葡萄糖首先经过二次磷酸化转变成 1，6- 二磷酸果糖。后者在 EM 途径的特征酶 1，6-二磷酸果糖醛缩酶的作用下分解成 2 个三碳化 合物，即 3—磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，其中磷酸二羟丙酮也可转变为 3，磷酸甘油醛。 因此，由 1，6-二磷酸果糖生成 2 分子 3—磷酸甘油醛。在此基础上脱氢和磷酸化生成 2 分 子丙酮酸、2 个 NADH 和 4 个 ATP。由于在前面葡萄糖磷酸化时用去 2 个 ATP，所以净得 2 个 ATP。至此糖酵解反应完成。 EMP 途径在反应过程中生成的几种磷酸化中间产物及终产物丙酮酸在合成代谢中起着 重要作用，并且为微生物提供生理活动所需的 ATP 和 NADH。其中 NADH 生成后不能积存， 必须重新氧化为 NAD+。在进行有氧呼吸时 NADH 经呼吸链氧化，同时由电子转移磷酸化 生成 ATP。在发酵时 NADH 将分子中的氢交给有机物使之还原，本身则氧化为 NAD+ ，这 时 NADH 并非为微生物提供能量，而是提供还原力。 2．乙酰辅酶 A 的生成 丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系的催化下氧化脱羧、脱氢生成乙酰辅 酶 A。 其反应式为： 丙酮酸脱氢酶系 CH3COCOOH+CoSH+NAD+ -→CH3CO~SCoA+NADH+H++CO2 丙酮酸 辅酶 A 乙 酰辅酶 A 丙酮酸脱氢酶系由 3 种酶组成：丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶和二氢硫辛酸脱 氢酶。该酶系在一些兼性好氧菌如大肠杆菌中，只在有氧时才合成，无氧时不合成。在无氧 条件下即使是已合成的丙酮酸脱氢酶系，其活性也被抑制。 3．三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle，TCA 循环) 这个循环是从乙酰辅酶 A 与草酰乙 酸缩合形成柠檬酸开始的，它是葡萄糖降解成丙酮酸后进一步彻底氧化的过程。其总反应式 为： 乙酰 CoA+3H2O+3NAD+FAD+ADP+pi→2CO2+CoA+3NADH+3H++FADH2+ATP 反应步骤见图 6-9(教材)所示。该循环的主要特点是：①在循环中生成一系列二羧酸和 三羧酸化合物，最后又再生出草酰乙酸。其结果是乙酰辅酶 A 被分解成 C02、NADH 和 FADH2。②乙酰辅酶 A 是脂肪酸合成的原料，TCA 循环中的二羧酸和三羧酸中间化合物也 为生物合成提供原料，它们与氨基酸、嘌呤和嘧啶等的合成有密切关系。因此，三羧酸循环 是糖、蛋白质和脂肪酸等代谢的桥梁。③反应过程中由底物水平磷酸化生成 1 个 ATP。此外 所生成的 NADH 和 FADH2 都可进入呼吸链进行有氧呼吸作用产生大量能量。因此，尽管分 子氧不直接参与 TCA 循环，但 TCA 循环必须在有氧条件下才能进行。 4．进入呼吸链产能 在这一步骤中，三羧酸循环中生成的 NADH 和 FADH2 进入呼吸链