发酵与厌氧呼吸

在缺氧条件下，微生物通过发酵（在内部平衡氧化还原反应）或厌氧呼吸（利用替代的末端电子受体）来保存能量。

Definition

发酵是一种厌氧的、电子平衡的分解代谢，通过底物水平磷酸化在没有外部电子受体的情况下保存能量，而厌氧呼吸通过电子传递到除氧气以外的受体来保存能量。

Scope

本主题涵盖发酵的原理及其主要途径，包括乳酸发酵、酒精发酵和混合酸发酵；利用硝酸盐、硫酸盐、三价铁和二氧化碳等受体的厌氧呼吸的多样性；以及厌氧代谢的生态学和应用意义。它将这些策略的能量学与有氧呼吸进行了对比。

Core questions

• 当氧气不可用时，细胞如何保存能量？
• 哪些产物是主要发酵途径的特征？
• 哪些替代电子受体支持厌氧呼吸？
• 为什么厌氧策略通常比有氧呼吸产生的能量少？

Key concepts

• 发酵与内部氧化还原平衡
• 乳酸、酒精和混合酸发酵
• 替代电子受体
• 硝酸盐、硫酸盐和碳酸盐呼吸
• 厌氧与有氧代谢的能量产率

Mechanisms

在发酵过程中，底物被部分氧化，其电子传递给有机中间体，从而再生电子载体并通过底物水平磷酸化产生ATP；其结果是产生特征性的发酵产物。在厌氧呼吸中，电子通过电子传递链流向除氧气以外的无机或有机受体，产生质子动力。由于这些受体的还原电位低于氧气，因此通常保存的能量较少。

Clinical relevance

厌氧代谢是许多工业和环境过程的核心，包括发酵食品、饮料和生物燃料的生产，沉积物和肠道等厌氧栖息地的功能，以及通过呼吸还原作用进行的全球氮硫循环。

History

路易·巴斯德在19世纪的研究确立了发酵是一种由活微生物在无空气条件下进行的生物过程，后来的工作则揭示了在缺氧环境中利用替代电子受体的多种厌氧呼吸形式。

Key figures

• Louis Pasteur
• Sergei Winogradsky

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

发酵与厌氧呼吸有何不同？

两者都在无氧条件下发生，但发酵通过使用有机分子作为最终受体在内部平衡电子，并通过底物水平磷酸化产生ATP，而厌氧呼吸则通过电子传递链将电子传递给外部受体，如硝酸盐或硫酸盐，从而产生质子动力。