定義
嫌気性呼吸とは、酸素がなくても細胞が糖を分解してエネルギーを生み出すことができる呼吸の一種である。
分子状酸素は、電子に対する親和性が高いため、呼吸のための最も効率的な電子受容体であり、エネルギーを生成するために酸素に依存する好気性呼吸の高効率プロセスとは対照的です。
酸素は電子との親和性が高いため、呼吸に最も効率のよい電子受容体ですが、生物によっては他の最終電子受容体を使うように進化し、酸素なしでも呼吸ができるようになりました。
Overview
Overview
呼吸は、燃料に蓄えられたエネルギーを細胞が利用できる形に変換するプロセスである。
呼吸は細胞の生存に不可欠です。なぜなら、もし燃料からエネルギーを解放できなければ、通常の機能を駆動するのに十分なエネルギーを得ることができないからです。
酸素の代わりに、嫌気性細胞は硫酸塩、硝酸塩、硫黄、フマル酸塩などの物質を用いて、細胞呼吸を促進させます。
酸素が利用できるかどうかに応じて、多くの細胞は好気性呼吸と嫌気性呼吸のいずれかを実行できます。
嫌気性呼吸と好気性呼吸
類似点
好気性および嫌気性呼吸は両方とも、脂肪や糖などの食物源からエネルギーを採取する方法です。 どちらのプロセスも、解糖と呼ばれるプロセスで、6炭素の糖分子を2個の3炭素のピルビン酸分子に分割することから始まります。
好気性呼吸と嫌気性呼吸の両方において、2 つのピルビン酸分子は、電子輸送チェーンを使用した別の一連の反応にさらされ、さらに ATP が生成されます。 –
多くの細菌や古細菌は、嫌気性呼吸しか行えません。
多くの細菌や古細菌は嫌気性呼吸しかできませんが、その他の多くの生物は、酸素があるかないかによって好気性呼吸と嫌気性呼吸のどちらかを行います。
人間やその他の動物は好気性呼吸によって生きていますが、嫌気性呼吸により酸素がなくても細胞の寿命や性能を伸ばすことができます。
違い
解糖後、好気性および嫌気性細胞のどちらも、2 つのピルビン酸分子を一連の化学反応に送り、さらに ATP を生成して電子輸送系で使用するための電子を抽出します。
しかし、これらの反応が何であるか、どこで起こるかは、好気性呼吸と嫌気性呼吸で異なります
好気性呼吸では、電子輸送鎖、および呼吸の化学反応のほとんどがミトコンドリア内で起こります。
一方、嫌気性呼吸は通常、細胞質で行われる。 これは、嫌気性呼吸のみを行うほとんどの細胞は、特殊な小器官を持っていないためです。
嫌気性呼吸では、一連の反応は一般的に短く、酸素の代わりに硫酸、硝酸、硫黄、フマル酸などの最終電子受容体を用いる。
嫌気性呼吸は、好気性呼吸に比べて消化した糖分子あたりのATP生成量が少なく、細胞のエネルギー生成方法としての効率は劣る。
異なる生物における細胞呼吸
生物は、彼らが行う細胞呼吸のタイプに基づいて分類することができます
- 義性好気性-酸素なしでは生きていけない生物。
- 嫌気性菌 – 酸素の存在下で生存できない生物。 細菌の特定の種は、破傷風を引き起こす Clostridium tetani などの偏性嫌気性菌です。
- 耐好性生物 – 酸素の存在下で生きることができるが、成長するためにそれを使用しない生物。
- 通性好気性生物 – 酸素を使用して成長することができるが、嫌気性呼吸を行うこともできる生物である。
科学者は、チオグリコール酸塩ブロスを用いた簡単な実験セットアップを用いて、このように微生物を分類することができます。 この培地は、さまざまな酸素濃度を含み、勾配を生み出します。 これは、酸素を消費するチオグリコール酸ナトリウムの存在と、空気中の酸素が継続的に供給されるためで、チューブの上部には酸素が存在し、下部には酸素が存在しないことになります。
<h2title=”Types”>Types of Anaerobic Respiration
電子受容体の種類と同様に嫌気呼吸の種類も多様である。
- 乳酸発酵-このタイプの嫌気性呼吸では、グルコースが2分子の乳酸に分解されて、2つのATPが生成されます。 ある種の細菌や、筋肉細胞など一部の動物組織で発生する
- アルコール発酵 – このタイプの嫌気性呼吸では、グルコースがエタノールまたはエチルアルコールに分割されます。 この過程でも、糖1分子あたり2ATPが生成される。 これは酵母や、金魚のようなある種の魚でも起こる。
- その他のタイプの発酵 – その他のタイプの発酵は、いくつかの細菌や古細菌によって行われる。 プロピオン酸発酵、酪酸発酵、溶剤発酵、混合酸発酵、ブタンジオール発酵、スティックランド発酵、酢酸発酵、メタン発酵などである。
Anaerobic Respiration Equations
The equations for the two most common types of anaerobic respiration are:
• Lactic acid fermentation:
C6H12O6 (glucose)+ 2 ADP + 2 pi → 2 lactic acid + 2 ATP
• Alcoholic fermentation:
C6H12O6 (glucose) + 2 ADP + 2 pi → 2 C2H5OH (ethanol) + 2 CO2 + 2 ATP
Examples of Anaerobic Respiration
Sore Muscles and Lactic Acid
During intense exercise, our muscles use oxygen to produce ATP faster than we can supply it.
When this happens, muscle cells can perform glycolysis faster than they can supply oxygen to the mitochondrial electron transport chain.
The result is that anaerobic respiration and lactic acid fermentation occurs within our cells – and after prolonged exercise, the built-up lactic acid can make our muscles sore!
Yeasts and Alcoholic Drinks
ワインやウィスキーなどのアルコール飲料は、通常、アルコール発酵を行う酵母に砂糖や他の香料の溶液を加えて瓶詰めして製造されます。
酵母は、ジャガイモ、ブドウ、トウモロコシ、その他多くの穀物に含まれる複合炭水化物を、細胞呼吸を行うための糖源として使用できます。
酵母とその燃料源を気密ボトルに入れることで、周囲の酸素が十分でなくなり、酵母が嫌気性呼吸に切り替わることができます。
アルコールは酵母にとって毒であり、アルコール濃度が高くなると酵母は死滅します。
そのため、アルコール度数が30％を超えるワインやビールを醸造することはできません。
メタノジェネシスと危険な自家製ビール
残念ながら、アルコール発酵は、植物体内で起こりうる唯一の発酵ではありません。 セルロースの発酵から、メタノールと呼ばれる別のアルコールが生成されることがあります。
「密造酒」の危険性は、20世紀の禁酒法時代に宣伝されたもので、醸造や蒸留のプロセスが悪いために、しばしば多量のメタノールを含む安価な自家製アルコールです。
メタノール中毒による死亡や神経損傷は、人々が安価にアルコールを醸造しようとする地域では今でも問題になっています。
スイスチーズとプロピオン酸
プロピオン酸発酵は、スイスチーズに独特の風味を与えています。 スイスチーズの穴は、実はプロピオン酸発酵を利用したバクテリアの老廃物として放出される炭酸ガスの泡でできているのだそうです。
20世紀、より厳しい衛生基準の実施後、多くのスイスチーズ生産者が、チーズから穴と味が失われたことに困惑している。
その原因は、プロピオン酸を生成する特定のバクテリアの不足であることが判明しました。 このバクテリアは、古くから牛が食べる干し草から汚染物質として持ち込まれていたのです。
現在では、スイスチーズの風味を維持し、一目でわかる穴のあいた外観を保つために、この細菌を製造時に意図的に加えています。
Vinegar and Acetogenesis
Bacteria that perform acetogenesis are responsible for the making of vinegar, which consists mainly of acetic acid.
Vinegar actually requires two fermentation processes, because the bacteria that make acetic acid require alcohol as fuel!
As such, vinegar is first fermented into an alcoholic preparation, such as wine. The alcoholic mixture is then fermented again using the acetogenic bacteria.