【正文】 生長(zhǎng)與代謝需要的能量，此即發(fā)酵產(chǎn)能的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵。如在無氧條件下的乳酸細(xì)菌中，丙酮酸作為受氫體被還原成乳酸（見圖 45 第 11 步反應(yīng)）。 在微生物中，使 EMP 途徑順暢運(yùn)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。其實(shí)不然，因?yàn)?，只要是氧化還原反應(yīng)，其氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)兩者是相偶聯(lián)與平衡的。 EMP 途徑的各個(gè)反應(yīng)步驟見圖 45 。 因此，在第一階段實(shí)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(jìn)一步反應(yīng)做準(zhǔn)備，故一般稱為準(zhǔn)備階段。 1 、 EMP 途徑及其終產(chǎn)物和發(fā)酵產(chǎn)能 EMP 途徑 (Embden — Meyerhof pathway) 以葡萄糖為起始底物，丙酮酸為其終產(chǎn)物，整個(gè)代謝途徑歷經(jīng) 10 步反應(yīng)，分為兩個(gè)階段： EMP 途徑的第一階段為耗能階段。 （一）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(shí)都要經(jīng)歷將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸的糖酵解過程。黃素輔酶可以 3 種不同氧化還原狀態(tài)的任一種形式存在。 圖 4 － 2 煙酰胺輔酶的結(jié)構(gòu)和氧化－還原狀態(tài) 氫負(fù)離子（ H — ： 一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子）轉(zhuǎn)移給 NAD + 生成 NADH （三）黃素輔酶 FMN 與 FAD 黃素單核苷酸（ flavin mononucleotide, FMN ）和黃素腺嘌呤二核苷酸（ flavin adenine dinucleotide ， FAD ）是核黃素 (riboflavin ，即 維生素 B 2 ) 在生物體內(nèi)的存在形式，是細(xì)胞內(nèi)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(jié)構(gòu)見圖 43 。此外， NAD + 也是 DNA 連接酶的輔酶，對(duì) DNA 的復(fù)制有重要作用，為形成 339。 依賴于 NAD + 和 NADP + 的脫氫酶至少催化 6 種不同類型的反應(yīng)：簡(jiǎn)單的氫轉(zhuǎn)移、氨基酸脫氨生成 a 酮酸、 b 羥酸氧化與隨后 b 酮酸中間物脫羧、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。 （二）煙酰胺輔酶 NAD 與 NADP 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（ nicotinamideadenine dinucleotide, NAD ＋ ，輔酶 I ）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ nicotinamide adenine dinucleotidephosphate, NADP ＋ ，輔酶Ⅱ）為物質(zhì)與能量代謝中起重要作用的脫氫酶的輔酶。 能直接提供自由能的高能核苷酸類分子除 ATP 外，還有 GTP （鳥苷三磷酸）、 UTP （尿苷三磷酸）以及 CTP （胞苷三磷酸）等。 ATP 和 ADP 的往復(fù)循環(huán)是細(xì)胞儲(chǔ)存和利用能量的基本方式。④ 在 DNA 、 RNA 、蛋白質(zhì)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。 圖 41 腺嘌呤核苷三磷酸（ ATP ）的分子結(jié)構(gòu)式 以 ATP 形式貯存的自由能，用于提供以下各方面對(duì)能量的需要：① 提供生物合成所需的能量。 ATP 是由 ADP （腺苷二磷酸）和無機(jī)磷酸合成的。種類繁多的微生物所能利用的能量有兩類：一是蘊(yùn)含在化學(xué)物質(zhì)（營(yíng)養(yǎng)物）中的化學(xué)能，二是光能。發(fā)生在生物細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)通常被稱為生物氧化。可見產(chǎn)能代謝與分解代謝密不可分。任何生物體的生命活動(dòng)都必須有能量驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)能代謝是生命活動(dòng)的能量保障。微生物的產(chǎn)能代謝即是細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)經(jīng)過一系列的氧化還原反應(yīng)而逐步分解，同時(shí)釋放能量的生物氧化過程。 微生物產(chǎn)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(fā)酵、呼吸（含有氧呼吸和無氧呼吸）兩類通過營(yíng)養(yǎng)物分解代謝產(chǎn)生和獲得能量的途徑，以及通過底物水平磷酸化（ substrate level phosphorylation ）、氧化磷酸化 (oxidation phosphorylation) 也稱電子轉(zhuǎn)移磷酸化 (electron transfer phosphorylation) 和光合磷酸化 (photophosphorylation) 三種化能與光能轉(zhuǎn)換為生物通用能源物質(zhì)（ ATP ）的轉(zhuǎn)換方式。 ATP 、 ADP 和無機(jī)磷酸廣泛存在于細(xì)胞內(nèi)，起著儲(chǔ)存和傳遞能量的作用。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(jié)構(gòu)元件，例如氨基酸，使這些元件活化，處于較高能態(tài)，為進(jìn)一步裝配成生物大分子蛋白質(zhì)等作好準(zhǔn)備。 ⑤ 在細(xì)胞進(jìn)行某些特異性生物過程如固定氮素時(shí)提供能量。 ATP 作為自由能的貯存物質(zhì)，處于動(dòng)態(tài)平衡的不斷周轉(zhuǎn)之中。 GTP 為一些功能蛋白的活化、蛋白質(zhì)的生物合成和轉(zhuǎn)運(yùn)等提供自由能。作為電子載體，在能量代謝的各種酶促氧化 還原反應(yīng)中發(fā)揮著能量的暫儲(chǔ)、運(yùn)載與釋放等重要功能。 NAD 也是參與呼吸鏈電子傳遞過程的重要分子，在多數(shù)情況下代謝物上脫下的氫先交給 NAD + ，使之成為 NADH 和 H + ，然后把氫交給黃素蛋白中的黃素腺嘌呤二核苷酸（ FAD ）或黃素單核苷酸（ FMN ），再通過呼吸鏈的傳遞，最后交給氧等最終受氫體。, 539。 核黃素是 核醇與 7, 8 二甲基異咯嗪縮合物。完全氧化型的黃素輔酶為黃色， l max 為 450 nm ，通過 1 個(gè)電子轉(zhuǎn)移，可將完全氧化型的黃素輔酶轉(zhuǎn)變成半醌（ semiquinone ），半醌是一個(gè)中性基， l max 為 570 nm ，呈藍(lán)色；第二個(gè)電子轉(zhuǎn)移將半醌變成完全還原型無色二氫黃素輔酶（見圖 44 ）。這一過程的代謝途徑主要有 EMP 、 HMP 、 ED 、 PK 、 HK 和 Stickland 等途徑。在這一階段中，不僅沒有能量釋放，還在以下兩部步反應(yīng)中消耗 2 分子 ATP ： 在葡萄糖被細(xì)胞吸收運(yùn)輸進(jìn)入胞內(nèi)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(jìn)一步轉(zhuǎn)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(yīng)又消耗了 1 分子 ATP 。 EMP 途徑的第二階段為產(chǎn)能階段。 圖 45 EMP 途徑及某些微生物以丙酮酸為底物的發(fā)酵產(chǎn)能 綜上所述， EMP 途徑以 1 分子葡萄糖為起始底物，歷經(jīng) 10 步反應(yīng)，產(chǎn)生 4 分子 ATP ，由于在反應(yīng)的第一階段消耗 2 分子 ATP ，故凈得 2 分子 ATP ；同時(shí)生成 2 分子 NADH 2 和為分子丙酮酸。在細(xì)胞內(nèi)， EMP 途徑的第二階段始有底物釋放電子的氧化反應(yīng)發(fā)生，消耗 2 分子氧化態(tài)的 NAD + ，產(chǎn)生 2 分子還原態(tài)的 NADH 2 。 NADH 2 途經(jīng)呼吸鏈脫氫氧化，最終生成 H 2 O 和氧化態(tài) NAD + ，而在 NADH 2 途經(jīng)呼吸鏈過程中生成 ATP （將在“呼吸作用”節(jié)中詳述）。又如在酵母細(xì)胞中，丙酮酸經(jīng)脫羧生成乙醛與 CO 2 后，在 NADH 2 參與下，乙醛作為受氫體被還原生成乙醇和氧化態(tài) NAD + （見圖 45 第 12 、 13 步反應(yīng)）。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(fā)酵產(chǎn)能的重要途徑。 HMP 途徑與 EMP 途徑密切相關(guān)，因?yàn)?HMP 途徑中的 3 磷酸甘油醛可以進(jìn)入 EMP ，因此該途徑又可稱為磷酸戊糖支路。 第二階段即非氧化階段：為磷酸戊糖之間的基團(tuán)轉(zhuǎn)移，縮合（分子重排）使 6 磷酸己糖再生。 轉(zhuǎn)酮酶催化下面 2 步反應(yīng)： 5 磷酸木酮糖 + 5 磷酸核糖 3 磷酸甘油 + 7 磷酸景天庚酮糖5 磷酸木酮糖 + 4 磷酸赤蘚糖3 磷酸甘油醛 + 6 磷酸果糖轉(zhuǎn)醛酶催化下面一步反應(yīng)： 7 磷酸景天庚酮糖 + 3 磷酸甘油醛4 磷酸赤癬糖 + 6 磷酸果糖 ③ HMP 途徑一般只產(chǎn)生 NADPH 2 ，不產(chǎn)生 NADH 2 。 5 磷酸核糖可以合成嘌呤、嘧啶核苷酸，進(jìn)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。 EMP 和 HMP 途徑的一些中間產(chǎn)物也能交叉轉(zhuǎn)化和利用，以滿足微生物代謝的多種需要。 HMP 途徑的主要功能是為生物合成提供還原力和中間代謝產(chǎn)物，同時(shí)與 EMP 一起，構(gòu)成細(xì)胞糖分解代謝與有關(guān)合成代謝的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。 1 分子葡萄糖經(jīng) ED 途徑最后產(chǎn)生 2 分子丙酮酸，以及凈得各 1 分子的 ATP 、 NADPH 2 和 NADH 2 。 ③ ED 途徑中最終產(chǎn)物，即 2 分子丙酮酸，其來歷不同。 圖 47 ED 途徑及其與 EMP 、 HMP 、 TCA 關(guān)系 表 46 示 EMP 、 HMP 、 ED 途徑的特點(diǎn)比較。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(dú)立存在。 腸膜狀明串珠菌（ Leuconostoc mesenteroides ），就是經(jīng) PK 途徑利用葡萄糖進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵生成乳酸、乙醇和 CO 2 ( 圖 48) 。這是以一種氨基酸作氫供體，另一種氨基酸作為氫受體進(jìn)行生物氧化并獲得能量的發(fā)酵產(chǎn)能方式。 Clostridium sporogenes 中以丙氨酸為供氫體和以甘氨酸為受氫體的 Stickland 反應(yīng)途徑見圖 410 。而狹義的發(fā)酵僅僅是指微生物生理學(xué)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(shí)，將有機(jī)物生物氧化過程中釋放的電子直接轉(zhuǎn)移給底物本身未徹底氧化的中間產(chǎn)物，生成代謝產(chǎn)物并釋放能量的過程。乳酸細(xì)菌可以將丙酮酸還原為乳酸。 2 、發(fā)酵途徑中的底物水平磷酸化 在發(fā)酵途徑中，通過底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation, SLP) 合成 ATP ，是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成細(xì)胞可利用的自由能的主要方式。如在 EMP 途徑中， 1, 3 二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?3 磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸岬倪^程中，均通過底物水平磷酸化分別產(chǎn)生 1 分子 ATP 。 在酒精工業(yè)上，就是利用釀酒酵母（ S. cerevisiae ）的 Ⅰ 型發(fā)酵，主要以淀粉等碳水化合物降解后的葡萄糖等可發(fā)酵性糖為底物生產(chǎn)酒精的。同時(shí)還有大量的熱能釋放，使發(fā)酵液的溫度上升。但在實(shí)際上，酵母所處環(huán)境中的高濃度亞硫酸氫鈉可抑制酵母細(xì)胞的生長(zhǎng)與代謝，致使甘油發(fā)酵效率低。 Ⅱ 型發(fā)酵與 Ⅲ 型發(fā)酵產(chǎn)能較少，一般在非生長(zhǎng)情況下才能進(jìn)行。在呼吸過程中通過氧化磷酸化合成 ATP 。 呼吸又可根據(jù)在呼吸鏈末端接受電子的是氧還是氧