Lên men và hô hấp kỵ khí

Khi không có oxy, vi khuẩn bảo toàn năng lượng thông qua quá trình lên men, cân bằng oxy hóa khử nội bộ, hoặc thông qua hô hấp kỵ khí, sử dụng các chất nhận điện tử cuối cùng thay thế.

Definition

Lên men là một quá trình dị hóa kỵ khí, cân bằng điện tử, bảo toàn năng lượng bằng cách phosphoryl hóa mức cơ chất mà không cần chất nhận điện tử bên ngoài, trong khi hô hấp kỵ khí bảo toàn năng lượng thông qua vận chuyển điện tử đến một chất nhận khác ngoài oxy.

Scope

Chủ đề này bao gồm các nguyên tắc của quá trình lên men và các con đường chính của nó, bao gồm lên men lactic, lên men rượu và lên men axit hỗn hợp; sự đa dạng của hô hấp kỵ khí sử dụng các chất nhận như nitrat, sulfat, sắt ferric và carbon dioxide; và ý nghĩa sinh thái cũng như ứng dụng của quá trình chuyển hóa kỵ khí. Nó đối chiếu năng lượng của các chiến lược này với hô hấp hiếu khí.

Core questions

• Các tế bào bảo toàn năng lượng như thế nào khi không có oxy?
• Những sản phẩm nào đặc trưng cho các con đường lên men chính?
• Những chất nhận điện tử thay thế nào hỗ trợ hô hấp kỵ khí?
• Tại sao các chiến lược kỵ khí thường tạo ra ít năng lượng hơn hô hấp hiếu khí?

Key concepts

• Lên men và cân bằng oxy hóa khử nội bộ
• Lên men lactic, lên men rượu và lên men axit hỗn hợp
• Các chất nhận điện tử thay thế
• Hô hấp nitrat, sulfat và cacbonat
• Năng suất năng lượng của chuyển hóa kỵ khí so với hiếu khí

Mechanisms

Trong quá trình lên men, một cơ chất bị oxy hóa một phần và các điện tử của nó được chuyển đến một chất trung gian hữu cơ, tái tạo các chất mang điện tử và tạo ra ATP bằng cách phosphoryl hóa mức cơ chất; kết quả là các sản phẩm lên men đặc trưng. Trong hô hấp kỵ khí, các điện tử chảy qua một chuỗi vận chuyển đến một chất nhận vô cơ hoặc hữu cơ khác ngoài oxy, tạo ra một lực vận động proton; vì các chất nhận này có thế khử thấp hơn oxy, nên thường ít năng lượng được bảo toàn hơn.

Clinical relevance

Chuyển hóa kỵ khí là trung tâm của nhiều quá trình công nghiệp và môi trường, bao gồm sản xuất thực phẩm lên men, đồ uống và nhiên liệu sinh học, chức năng của các môi trường sống kỵ khí như trầm tích và ruột, và chu trình nitơ và lưu huỳnh toàn cầu thông qua các phản ứng khử hô hấp.

History

Các nghiên cứu của Louis Pasteur vào thế kỷ XIX đã xác định lên men là một quá trình sinh học được thực hiện bởi các vi khuẩn sống khi không có không khí, và các công trình sau này đã mô tả nhiều dạng hô hấp kỵ khí khai thác các chất nhận điện tử thay thế trong môi trường thiếu oxy.

Key figures

• Louis Pasteur
• Sergei Winogradsky

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

Lên men khác với hô hấp kỵ khí như thế nào?

Cả hai đều xảy ra khi không có oxy, nhưng lên men cân bằng điện tử nội bộ bằng cách sử dụng một phân tử hữu cơ làm chất nhận cuối cùng và tạo ra ATP bằng cách phosphoryl hóa mức cơ chất, trong khi hô hấp kỵ khí chuyển điện tử qua một chuỗi vận chuyển đến một chất nhận bên ngoài như nitrat hoặc sulfat, tạo ra một lực vận động proton.