Fermentation und anaerobe Atmung

In Abwesenheit von Sauerstoff konservieren Mikroben Energie durch Fermentation, die den Redoxhaushalt intern ausgleicht, oder durch anaerobe Atmung, die alternative terminale Elektronenakzeptoren nutzt.

Definition

Fermentation ist ein anaerober, elektronenbilanzierter Katabolismus, der Energie durch Substratkettenphosphorylierung ohne externen Elektronenakzeptor konserviert, während die anaerobe Atmung Energie durch Elektronentransport zu einem anderen Akzeptor als Sauerstoff konserviert.

Scope

Dieses Thema behandelt die Prinzipien der Fermentation und ihre Hauptwege, einschließlich Milchsäure-, Alkohol- und gemischter Säuregärungen; die Vielfalt anaerober Atmungen unter Verwendung von Akzeptoren wie Nitrat, Sulfat, Eisen(III)-Ionen und Kohlendioxid; sowie die ökologische und angewandte Bedeutung des anaeroben Stoffwechsels. Es kontrastiert die Energetik dieser Strategien mit der aeroben Atmung.

Core questions

• Wie konservieren Zellen Energie, wenn Sauerstoff nicht verfügbar ist?
• Welche Produkte kennzeichnen die Hauptwege der Fermentation?
• Welche alternativen Elektronenakzeptoren unterstützen die anaerobe Atmung?
• Warum liefern anaerobe Strategien typischerweise weniger Energie als die aerobe Atmung?

Key concepts

• Fermentation und interner Redoxausgleich
• Milchsäure-, Alkohol- und gemischte Säuregärungen
• Alternative Elektronenakzeptoren
• Nitrat-, Sulfat- und Carbonatrespiration
• Energieausbeute von anaerobem versus aerobem Stoffwechsel

Mechanisms

Bei der Fermentation wird ein Substrat partiell oxidiert und seine Elektronen werden an ein organisches Zwischenprodukt weitergegeben, wodurch Elektronenträger regeneriert und ATP durch Substratkettenphosphorylierung gewonnen wird; das Ergebnis sind charakteristische Fermentationsprodukte. Bei der anaeroben Atmung fließen Elektronen durch eine Transportkette zu einem anorganischen oder organischen Akzeptor außer Sauerstoff, wodurch eine Protonenmotorische Kraft erzeugt wird; da diese Akzeptoren niedrigere Reduktionspotentiale als Sauerstoff aufweisen, wird typischerweise weniger Energie konserviert.

Clinical relevance

Der anaerobe Stoffwechsel ist zentral für viele industrielle und Umweltprozesse, einschließlich der Herstellung von fermentierten Lebensmitteln, Getränken und Biokraftstoffen, der Funktion anaerober Habitate wie Sedimente und des Darms sowie des globalen Stickstoff- und Schwefelkreislaufs durch respiratorische Reduktionen.

History

Louis Pasteurs Studien im neunzehnten Jahrhundert etablierten die Fermentation als einen biologischen Prozess, der von lebenden Mikroben in Abwesenheit von Luft durchgeführt wird, und spätere Arbeiten charakterisierten die vielen Formen der anaeroben Atmung, die alternative Elektronenakzeptoren in anoxischen Umgebungen nutzen.

Key figures

• Louis Pasteur
• Sergei Winogradsky

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

Wie unterscheidet sich Fermentation von anaerober Atmung?

Beide finden ohne Sauerstoff statt, aber die Fermentation gleicht Elektronen intern aus, indem sie ein organisches Molekül als finalen Akzeptor verwendet und ATP durch Substratkettenphosphorylierung bildet, während die anaerobe Atmung Elektronen durch eine Transportkette zu einem externen Akzeptor wie Nitrat oder Sulfat leitet, wodurch eine Protonenmotorische Kraft erzeugt wird.