二、生物氧化的类型

在微生物体系中，能量的释放,ATP的生成都是通过生物氧化实现的。根据最终电子受体（或最终受氢体），可划分为 3种类型：

(一) 发酵

无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]不经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。

特点 ：

1.有机物部分被氧化，释放出一小部分能量

2.氧化与有机物的还原偶联。不需要外界提供电子受体

微生物发酵底物：碳水化合物、有机酸、氨基酸等

1. EMP途径（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）糖酵解途径、 己糖二磷酸途径

整个EMP途径大致可分为两个阶段。第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛-3-磷酸。第二个阶段发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。在糖酵解过程中，有两分子ATP用于糖的磷酸化，但合成出四个分子的ATP，因此每氧化一个分子的葡萄糖净得两个ATP。

总反应式：C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2CH3COCOOH + 2NADH+ 2H+ + 2ATP + 2H2O

三种产物：丙酮酸、NADH+H+ 、ATP
作用：ATP和 NADH——微生物生理活动所需、中间产物——合成代谢的碳骨架
存在：绝大多数生物所共有的基本代谢途径。

微生物——酵母菌、霉菌、多数细菌

(2) HMP途径（hexose monophosphate pathway），又叫己糖-磷酸途径（戊糖磷酸途径、Warburg-Dickens途径、磷酸葡萄糖途径）。

总反应式:

6葡萄糖-6-磷酸 + 12NADP+ +6H2O → 5葡萄糖-6-磷酸 + 12NADPH + 12H+ +6CO2 + 6Pi

HMP途径的一个循环：

葡萄糖-6-磷酸 + 6NADP+ + 6H2O → 甘油醛-3-磷酸 + 6NADPH + 6H+ + 3CO2 + 3Pi
产物：大量NADPH+H+、CO2

作用：一般认为不是产能途径；合成和提供大量的还原力（NADPH→供氢体、经呼吸链产生ATP）；合成和提供大量的中间代谢产物（重要的如核酮糖-5-磷酸→核酸、自养菌CO2固定）。

存 在：大多数好氧和兼性厌氧微生物，往往与EMP途径同时存在。 

2. 葡萄糖代谢中的发酵类型：
        A． 酒精(乙醇)发酵：酵母菌(I)、细菌
        B． 乳酸发酵
        C． 混合酸发酵      D．丁二醇发酵
        E． 丙酮丁酸发酵     F. 丁酸发酵    G. 丙酸发酵

A． 乙醇发酵：酵母菌、细菌

酵母菌酒精发酵兼性厌氧菌（EMP途径）

反应条件：中性或微酸性、缺氧

巴斯德效应：在发酵乙醇过程中，向发酵液中通入氧气，则乙醇停止产生，葡萄糖利用率下降。

B、乳酸发酵：

同型乳酸发酵：乳杆菌属、链球菌属（厌氧、耐氧菌）（EMP途径）在葡萄糖发酵产物中只累积乳酸.

异型乳酸发酵：乳杆菌、两歧双歧杆菌（PK途径），产物：乳酸、乙醇、乙酸等 

C、混合酸发酵

多数肠道菌：EMP

在葡萄糖发酵中累积多种有机酸：琥珀酸、乳酸、乙酸、甲酸、H2、CO2

糖发酵试验：

大肠杆菌：产酸产气（甲基红（pH 4.2） 

志贺氏菌：产酸不产气

D、丁二醇发酵：产气杆菌

产气杆菌发酵产生丁二醇。

其中间产物3-羟基丁酮在碱性条件下，脱氢生成二乙酰（丁二酮），与环境中的精氨酸的胍基反应，生成红色化合物，即为V.P反应阳性。而大肠杆菌则VP反应阴性。

（二）好氧呼吸

电子受体为O2，底物被彻底氧化成CO2和H2O，并有大量ATP产生。

在好氧呼吸过程中，电子并不是直接传递给O2，而是先转移给NAD，成为NADH2，然后NADH2被氧化后，电子传递给电子传递体系，最后由电子传递体系转给O2,得到电子的O2与H结合形成H2O。

仍然以葡萄糖为例子:

1. 好氧呼吸第一阶段：EMP途径形成丙酮酸

2.丙酮酸有氧氧化

第一阶段：丙酮酸氧化脱羧

第二阶段：三羧酸循环（TCA循环）

TCA循环：也称为柠檬酸（CAC）循环。从丙酮酸开始，先形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A进入TCA循环，最终被彻底氧化成为CO2和H2O。

乙酰-CoA+ 3NAD+  + FAD + Pi + 2 H2O + GDP      2CO2 + 3NADH + FADH2 + 2H+  + CoA-SH + GTP

作用：氧化性（呼吸）代谢中起关键作用（枢纽）

产物：CO2、水、释放大量能量（彻底氧化）
存在：绝大多数异养微生物
好氧微生物氧化分解1 mol葡萄糖分子总共可生成38molATP，共有1193kJ的能量转变为ATP。

1 mol葡萄糖分子完全氧化产生的总能量大约为2876kJ。

好氧呼吸: 能量利用效率大约是42％(其余能量以热形式散发掉。

发酵:l mol葡萄糖分子的能量利用率只有26％。

注意：

丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环是糖类，脂类，蛋白质共同的代谢途径。所以丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环是物质的代谢枢纽。

3.氧化磷酸化(电子传递体系磷酸化）

微生物在氧化底物后产生的电子，通过电子传递链（呼吸链）传递并产生ATP的过程，由于代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故称为氧化磷酸化。

电子传递链、电子传递体系、呼吸链

(1)概念：有氧呼吸中，有机物脱下的质子和电子并不直接传递给氧，而是在多种酶及辅因子作用下，依次传递，最终传递给氧原子，产生水，在电子传递中产生能量。

（2）分类：根据第一个电子受体（或受氢体），可将呼吸链分为NADH和FADH2呼吸链。

电子（或氢）经NADH呼吸链可产生3molATP,经FADH2呼吸链可产生2molATP。

（三）无氧呼吸

某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；

无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸等有机物。

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磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。

生成的能量少于有氧呼吸，多于发酵

无氧呼吸类型

硝酸盐呼吸：  反硝化作用（厌氧）

              反硝化细菌——兼性厌氧菌

硫酸盐呼吸：  反硫化作用（厌氧），

              硫酸盐还原菌——专性厌氧菌

              产物——H2S

铁呼吸：      性厌氧菌、兼性厌氧菌

硫呼吸：      专性厌氧菌、兼性厌氧菌

碳酸盐呼吸：    产物甲烷或乙酸

延胡索酸呼吸：   许多兼性厌氧菌

三种生物氧化类型的比较

（四）自养微生物的生物氧化

(一）无机化能营养型微生物：

无机化能自养菌共有4大类：硝化细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌

• 能量代谢特点：

•    ①无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链氧化磷酸化产能。

•    ②电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。

•    ③产能效率，即氧化磷酸化效率(P／0值)通常要比化能异养细菌的低。

•    ④生长缓慢，产细胞率低。

无机物氧化时，根据氧化-还原电位高低进入呼吸链产生能量；无机氢供体逆呼吸链生产还原力，消耗能量。

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酸氧化为硝酸。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。

NH₄⁺ + 3/2O₂ → NO₂^- + H₂O + 2H⁺ + 64.7千卡

NO₂^- + 1/2O₂→ NO₃^- + 18.5千卡

2）硫的氧化

硫细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。

俄国著名微生物学家Winogradsky的杰出贡献是化能无机自养型微生物的发现，氧化无机物获得能量；没有光和叶绿素的条件下也能同化CO2为细胞物质（能以CO2为唯一或主要碳源）。

通过氧化磷酸化途径产生ATP（主要途径）底物水平磷酸化途径产生ATP（非主要途径）磷酸腺苷硫酸的氧化途径，每氧化一分子硫酸根产生2.5个ATP和硝化细菌一样，硫细菌也是通过电子的逆呼吸链传递来生成还原力。

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，—是直接氧化成SO₄^2-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的途径，每氧化一分子SO₄^2-产生动5个ATP。

硫细菌在进行还原态硫物质的氧化时会产酸（主要是硫酸），因此它们的生长会显著地导致环境的pH下降，有些硫细菌可以在很酸的环境，例如在pH低于1的环境中生长。

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。在低pH环境中这种菌能利用亚铁氧化时放出的能量生长。

以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）为例：

2Fe²⁺ + 1/4O₂ + 2H⁺ → 2Fe³⁺ + 1/2H₂O + 10.6千卡

亚铁（Fe2+）只有在酸性条件（pH低于3.0）下才能保持可溶解性和化学稳定；

当pH大于4-5，亚铁（Fe2+）很容易被氧气氧化成为高价铁（Fe3+）；因此氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）

要在酸性环境下生活？氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）。

在富含FeS2的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸和Fe(OH)3，从而造成严重的环境污染。它的生长只需要FeS2及空气中的O2和CO2，因此要防止其破坏性大量繁殖的唯一可行的方法是封闭矿山，使环境恢复到原来的无氧状态。

4）氢的氧化

能以氢为电子供体，以O2为电子受体，以CO2为唯一碳源进行生长的细菌被称为氢细菌：氢细菌都是—些呈革兰氏阴性的兼性化能自养茵。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO₂，也能利用其他有机物生长。

氢的氧化可通过电子和氢离子在呼吸链上的传递产生ATP和用于细胞合成代谢所需要的还原力。

（五） 光能营养型微生物能量产生_____光合磷酸化

 光合细菌、蓝细菌、单细胞藻类。

光合磷酸化: 光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程。

光合作用实质: 通过光合磷酸化将光能转变成化学能，以用于还原CO2合成细胞物质。

光合作用:  产氧型和不产氧型

①环式光合磷酸化：光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP，这类细菌主要包括紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌。在光合细菌中，吸收光量子而被激活的细菌叶绿素释放出高能电子，于是这个细菌叶绿素分子即带有正电荷。所释放出来的高能电子顺序通过铁氧还蛋白、辅酶Q、细胞色素b和c，再返回到带正电荷的细菌叶绿素分子。在辅酶Q将电子传递给细胞色素c的过程中，造成了质子的跨膜移动，为ATP的合成提供了能量。在这个电子循环传递过程中，光能转变为化学能，故称环式光合磷酸化。

环式光合磷酸化可在厌氧条件下进行，产物只有ATP，无NADP(H)，也不产生分子氧。

②非环式光合磷酸化：高等植物和蓝细菌与光合细菌不同，它们可以裂解水，以提供细胞合成的还原能力。它们含有两种类型的反应中心，连同天线色素、初级电子受体和供体一起构成了光合系统I和光合系统II，这两个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。非环式光合磷酸化的反应式为：

2NADP⁺ + 2ADP + 2Pi + 2H₂O → 2NADPH + 2H⁺ + 2ATP + O₂

有些光合细菌虽然只有一个光合系统，但也以非环式光合磷酸化的方式合成ATP，如绿硫细菌和绿色细菌。从光反应中心释放出的高能电子经铁硫蛋白、铁氧还蛋白、黄素蛋白，最后用于还原NAD⁺生成NADH。反应中心的还原依靠外源电子供体，如S^2-、S₂O₃^2-等。外源电子供体在氧化过程中放出电子，经电子传递系统传给失去了电子的光合色素，使其还原，同时偶联ATP的生成。由于这个电了传递途径也没有形成环式，故也称为非环式光合磷酸化。

③嗜盐菌紫膜的光合作用：一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。红色部分（红膜）：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；紫色部分（紫膜）：在膜上呈斑片状（直径约0.5 mm）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。