発酵と嫌気呼吸の違いは何ですか?

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生物は、バクテリアのような最も単純なものから脊椎動物のような最も複雑なものまで、エネルギーを必要とする無限の化学反応に依存しています。このエネルギーは環境から得られます。ほとんどの場合、そのエネルギーはアデノシン三リン酸（ATP）と呼ばれる分子から得られます。しかし、ATP は環境中に存在しないため、生物は他のエネルギー源 (太陽光、熱、栄養素など) を ATP に変換するように進化してきました。このような変換を行う最も一般的な 2 つの方法は、細胞呼吸と発酵です。

最初の生物は、さまざまな種類の炭水化物を発酵させることによって ATP を生成するように進化しました。その後、真核生物は、炭水化物に蓄えられたエネルギーを嫌気呼吸によってより多く利用する能力を発達させました。最後に、他のより高度な生物は、光合成の廃棄物の 1 つである酸素を利用し始め、好気性細胞呼吸を引き起こしました。

これらは 2 つの嫌気性プロセスであるため、多くの人が嫌気性呼吸と発酵を混同しています。ただし、それらはメカニズム、最終生成物、およびエネルギー生産の点で、2 つの非常に異なるプロセスです。

次のセクションでは、嫌気性呼吸と発酵が何であるかを説明し、それらを比較して、両者の最も重要な違いを強調します.

嫌気呼吸

嫌気性呼吸は、酸素がない場合、または酸素濃度が非常に低い場合に発生する細胞呼吸の一種です (したがって、嫌気性という用語は、文字通り空気がないことを意味します)。このタイプの細胞呼吸は、一部の種の細菌や他の原核生物によってのみ実行されます。

細胞呼吸の一種であるため、プロセスは解糖から始まり、その間にグルコース分子が 2 つのピルビン酸分子に変換され、2 つの正味の ATP 分子が生成されます。次に、ピルビン酸は、クエン酸回路またはトリカルボン酸回路とも呼ばれるクレブス回路に入り、一連の化学反応によってピルビン酸が二酸化炭素に酸化されます。

プロセスの次の段階では、電子キャリアと呼ばれる分子がそれらを電子輸送チェーンに運び、そこでこれらのキャリアに蓄えられたポテンシャルエネルギーがプロトン濃度勾配に変換され、ATP と呼ばれる ATP 産生酵素が動きます。

プロセスのこの段階では、ほとんどの化学エネルギーが ATP 分子の形で生成されます。これは、好気性であろうと無酸素性であろうと、すべての呼吸プロセスに共通しています。両者の違いは、電子伝達系の末端に電子が蓄積しないように電子を受け取って運ぶ役割を担っている分子です。

酸素の存在下では、この分子は電子の最終受容体であり、その還元によって水分子が生成されます。一方、嫌気呼吸では、最終的な電子受容体は酸素以外の分子であり、問題の特定の微生物に依存します。

嫌気呼吸における最終電子受容体

次の表は、嫌気呼吸における異なる最終電子受容体の 3 つの例と、それらの還元の生成物、およびそれをエネルギー源として使用するいくつかの微生物を示しています。

受容者	最終製品	微生物
硫黄	硫化物	熱プラズマ
硝酸塩	亜硝酸塩、窒素酸化物、N2	シュードモナス、バチルス
硫酸塩	硫化物	デスルホビブリオ、クロストリジウム

嫌気呼吸におけるエネルギー生産

嫌気性呼吸は、好気性呼吸と同じ ATP 生成メカニズム、つまり解糖、クレブス回路、および電子伝達系を使用します。このため、エネルギー生成は両方のタイプの呼吸で同じです。つまり、合計で 36 ～ 38 個の ATP 分子が生成されます。消費されたものを割り引いた後、正味の生産は、酸化されたグルコース分子ごとに 30 ～ 32 分子の ATP です。

発酵

発酵は、細胞呼吸と同様に、炭水化物などの栄養素に含まれるエネルギーを使用し、それを ATP 分子の形で細胞が使用できる化学エネルギーに変換するように設計されたプロセスでもあります。これは純粋な嫌気性プロセスです。つまり、酸素を必要とせず、空気がなくても発生する可能性があります。実際、ほとんどの基礎生物学コースでは、発酵は細胞呼吸の嫌気的代替手段として挙げられており、嫌気的呼吸の存在を排除しています。

ただし、発酵呼吸と嫌気呼吸には根本的な違いがあり、前者はクエン酸回路を使用せず、ましてや電子伝達系を使用しないため、呼吸の一種と見なすことはできません。

発酵は呼吸と同じ方法で始まります。つまり、ヘキソースと呼ばれるさまざまな種類の 6 炭素糖の解糖で始まります。その中でグルコースが最も一般的です。しかし、解糖の後、ピルビン酸は発酵を行う生物に応じて他の最終生成物に変換されます。

発酵の種類

発酵の最終製品に応じて、これはさまざまなタイプになります。

アルコール発酵:場合によっては、酵母など、解糖に続く発酵によってエチルアルコールまたはエタノールが生成されます。このタイプの発酵はアルコール発酵と呼ばれます。これは、アルコール飲料の製造に使用される発酵のタイプです。

酢酸発酵:他の細胞は、酢の製造で起こるように、エタノールを酢酸にさらに酸化します。

乳酸発酵：最終生成物として乳酸を与えるものです。牛乳を発酵させてヨーグルトを生成するバクテリアは、乳糖（牛乳に含まれる糖分）を乳酸に発酵させ、乳タンパク質の凝固を引き起こします. 脊椎動物の筋肉組織の場合、酸素濃度が低い場合、グルコースを乳酸に発酵させることができます。

エネルギー生産

発酵は、エネルギー生産の点で非効率的なプロセスです。最初の段階である解糖では、正味の ATP 分子は 2 つしか生成されません (合計で 4 つ生成されますが、2 つも消費されます)。その後の発酵により、ATP ほど高エネルギーではありませんが、高エネルギー分子でもある NADH の正味 2 分子が適切に生成されます。