발효 및 혐기성 호흡

산소가 없는 환경에서 미생물은 내부적으로 산화환원 균형을 맞추는 발효를 통하거나, 대체 최종 전자 수용체를 사용하는 혐기성 호흡을 통해 에너지를 보존합니다.

Definition

발효는 외부 전자 수용체 없이 기질 수준 인산화를 통해 에너지를 보존하는 혐기성, 전자 균형적 이화작용인 반면, 혐기성 호흡은 산소 이외의 수용체로의 전자 전달을 통해 에너지를 보존합니다.

Scope

이 주제는 발효의 원리와 젖산 발효, 알코올 발효, 혼합산 발효를 포함한 주요 발효 경로; 질산염, 황산염, 제2철, 이산화탄소와 같은 수용체를 사용하는 다양한 혐기성 호흡; 그리고 혐기성 대사의 생태학적 및 응용적 중요성을 다룹니다. 또한 이러한 전략들의 에너지학을 호기성 호흡과 비교합니다.

Core questions

• 산소가 없을 때 세포는 어떻게 에너지를 보존합니까?
• 주요 발효 경로를 특징짓는 산물은 무엇입니까?
• 어떤 대체 전자 수용체가 혐기성 호흡을 지원합니까?
• 혐기성 전략이 호기성 호흡보다 일반적으로 에너지를 덜 생성하는 이유는 무엇입니까?

Key concepts

• 발효와 내부 산화환원 균형
• 젖산, 알코올, 혼합산 발효
• 대체 전자 수용체
• 질산염, 황산염, 탄산염 호흡
• 혐기성 대사와 호기성 대사의 에너지 수율

Mechanisms

발효에서는 기질이 부분적으로 산화되고 그 전자가 유기 중간체로 전달되어 전자 운반체를 재생하고 기질 수준 인산화에 의해 ATP를 생성합니다. 그 결과 특징적인 발효 산물이 생성됩니다. 혐기성 호흡에서는 전자가 전자 전달 사슬을 통해 산소 이외의 무기 또는 유기 수용체로 흘러 양성자 동력(proton motive force)을 생성합니다. 이러한 수용체는 산소보다 낮은 환원 전위를 가지므로 일반적으로 보존되는 에너지가 더 적습니다.

Clinical relevance

혐기성 대사는 발효 식품, 음료, 바이오 연료 생산, 퇴적물 및 장과 같은 혐기성 서식지의 기능, 그리고 호흡 환원을 통한 질소 및 황의 전지구적 순환을 포함한 많은 산업 및 환경 과정의 핵심입니다.

History

루이 파스퇴르의 19세기 연구는 발효가 공기 없는 환경에서 살아있는 미생물에 의해 수행되는 생물학적 과정임을 확립했으며, 이후의 연구는 무산소 환경에서 대체 전자 수용체를 활용하는 다양한 형태의 혐기성 호흡을 특징지었습니다.

Key figures

• Louis Pasteur
• Sergei Winogradsky

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

발효는 혐기성 호흡과 어떻게 다릅니까?

둘 다 산소 없이 발생하지만, 발효는 유기 분자를 최종 수용체로 사용하여 내부적으로 전자의 균형을 맞추고 기질 수준 인산화에 의해 ATP를 생성하는 반면, 혐기성 호흡은 전자 전달 사슬을 통해 질산염이나 황산염과 같은 외부 수용체로 전자를 전달하여 양성자 동력을 생성합니다.