Брожение и анаэробное дыхание

В отсутствие кислорода микробы запасают энергию посредством брожения, которое внутренне балансирует окислительно-восстановительные реакции, или посредством анаэробного дыхания, которое использует альтернативные конечные акцепторы электронов.

Definition

Брожение — это анаэробный, электронно-сбалансированный катаболизм, который запасает энергию путем субстратного фосфорилирования без внешнего акцептора электронов, в то время как анаэробное дыхание запасает энергию посредством переноса электронов к акцептору, отличному от кислорода.

Scope

Эта тема охватывает принципы брожения и его основные пути, включая молочнокислое, спиртовое и смешаннокислое брожение; разнообразие анаэробных дыханий с использованием таких акцепторов, как нитрат, сульфат, трехвалентное железо и диоксид углерода; а также экологическое и прикладное значение анаэробного метаболизма. В ней сравнивается энергетика этих стратегий с аэробным дыханием.

Core questions

• Как клетки запасают энергию при отсутствии кислорода?
• Какие продукты характеризуют основные пути брожения?
• Какие альтернативные акцепторы электронов поддерживают анаэробное дыхание?
• Почему анаэробные стратегии обычно дают меньше энергии, чем аэробное дыхание?

Key concepts

• Брожение и внутренний окислительно-восстановительный баланс
• Молочнокислое, спиртовое и смешаннокислое брожение
• Альтернативные акцепторы электронов
• Нитратное, сульфатное и карбонатное дыхание
• Выход энергии анаэробного по сравнению с аэробным метаболизмом

Mechanisms

При брожении субстрат частично окисляется, и его электроны передаются органическому промежуточному продукту, регенерируя переносчики электронов и давая АТФ путем субстратного фосфорилирования; результатом являются характерные продукты брожения. При анаэробном дыхании электроны проходят через транспортную цепь к неорганическому или органическому акцептору, отличному от кислорода, генерируя протон-движущую силу; поскольку эти акцепторы имеют более низкие редукционные потенциалы, чем кислород, обычно запасается меньше энергии.

Clinical relevance

Анаэробный метаболизм играет центральную роль во многих промышленных и экологических процессах, включая производство ферментированных продуктов, напитков и биотоплива, функционирование анаэробных сред обитания, таких как отложения и кишечник, а также глобальный круговорот азота и серы посредством восстановительных реакций.

History

Исследования Луи Пастера в девятнадцатом веке установили брожение как биологический процесс, осуществляемый живыми микробами в отсутствие воздуха, а более поздние работы охарактеризовали множество форм анаэробного дыхания, которые используют альтернативные акцепторы электронов в аноксидных средах.

Key figures

• Louis Pasteur
• Sergei Winogradsky

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

Чем брожение отличается от анаэробного дыхания?

Оба процесса происходят без кислорода, но брожение балансирует электроны внутренне, используя органическую молекулу в качестве конечного акцептора, и производит АТФ путем субстратного фосфорилирования, тогда как анаэробное дыхание передает электроны через транспортную цепь внешнему акцептору, такому как нитрат или сульфат, генерируя протон-движущую силу.