主な違い-発酵と呼吸
発酵と呼吸は2種類の細胞プロセスで、細胞内のブドウ糖の分解に関与しています。 発酵と呼吸はどちらも異化プロセスであり、ATPの形でエネルギーを生成します。 発酵と呼吸の主な違いは、発酵ではATPを生成するための酸化的リン酸化にNADHが使われないのに対し、呼吸ではNADHを酸化的リン酸化に使い、NADHあたり3つのATPを生成することです
この記事では、
1. 発酵とは何か
-特徴、プロセス
2.呼吸とは何か
-特徴、プロセス
3.発酵と呼吸の違い
発酵とは
発酵は細菌や酵母などの微生物によってブドウ糖などの有機基質を化学分解し、通常は発泡と熱を発生させることである。 いくつかの細菌、酵母、寄生虫のような微生物で発生する。 発酵は、それらの生物の細胞の細胞質内に局在している。 発酵の純収量はわずか2ATPsである。 発酵は、解糖とピルビン酸の部分酸化の2つのステップで行われる。 エタノール発酵は酵母の中で酸素のない状態で起こる。 したがって、通性嫌気性菌と呼ばれる。 乳酸発酵は細菌で行われる。 動物も酸素がない状態では、主に筋肉で乳酸を生成する。 乳酸は組織に対して毒性がある。 解糖はどちらの発酵でも同じです。 解糖では、グルコースは2つのピルビン酸分子に分解され、純益として2ATPが生成される。 その他に、グリセルアルデヒド-3-リン酸から電子を得て、2分子のNADHが生成される。 エタノール発酵では、ピルビン酸は二酸化炭素を除去してアセトアルデヒドに脱炭酸される。 アセトアルデヒドは、NADHの水素原子を利用してエタノールに変換される。 発泡は、培地中の細胞によって炭酸ガスが培地中に放出されることにより起こる。 乳酸発酵では、ピルビン酸が乳酸に変換され、それが酸化されて乳酸になる。 エタノール発酵と乳酸発酵の化学反応全体を以下に示す。
エタノール発酵：
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP
乳酸発酵：
乳酸発酵：
エタノール発酵と乳酸発酵の全体化学反応を以下に示す。
C6H12O6 → 2C3H6O3 + 2ATP
図1：エタノールと乳酸発酵
呼吸とは
呼吸とは食物を完全に酸化してエネルギーを作り出す一連の化学反応のことで、この化学反応には次のようなものがあります。 副産物として二酸化炭素と水を放出します。 呼吸はエネルギー生産のプロセスの中で最も多く、最も効率的なプロセスである。 高等植物や動物では、エネルギー消費量の多い複雑な細胞プロセスを用いて行われる。 呼吸では、36個のATPが生産される。 全過程は細胞質とミトコンドリアで起こる。
呼吸は、解糖、クエン酸サイクル、電子輸送鎖の3つのステップを経て起こる。 解糖は発酵のときと同じように細胞の細胞質で起こる。 解糖で生成された2つのピルビン酸は、ミトコンドリアマトリックスに移動する。 それらは、それぞれ1つずつ2つの二酸化炭素を放出し、酸化的脱炭酸の際にアセチル-CoAとなる。 このアセチル-CoAはクエン酸サイクルに入り、クレブスサイクルとも呼ばれる。 クエン酸サイクルでは、グルコース1分子が完全に酸化されて二酸化炭素6分子になり、2 GTP、6 NADH、2 FADH2が生成される。 これらのNADHとFADH2は酸素と結合し、ミトコンドリア内膜で行われる酸化的リン酸化でATPが生成される。 酸化的リン酸化の際、NADHとFADH2の電子は、電子輸送系と呼ばれる一連の電子キャリアーを介して移動する。 ATPの純収量は、呼吸では36個である。 化学反応の全体像を以下に示す。
呼吸：
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP
図2：呼吸
発酵と呼吸の違い
定義
発酵：Fermentation.Ferは、発酵と呼吸が混ざり合ったものです。 発酵とは、ブドウ糖などの有機基質を細菌や酵母などの微生物が化学的に分解することで、通常、発泡と熱を発生させます。 呼吸は、食物を完全に酸化させることによってエネルギーを生産する一連の化学反応である。 副産物として二酸化炭素と水を放出します。
酸素
発酵。 発酵に酸素は必要ありません。
呼吸。
Water
Fermentation(発酵)：酸素は必要です。 発酵時に水は発生しません。
呼吸。
水
発酵：発酵の際に水は副産物として生成されます。 発酵は細胞質で起こります。
呼吸。 呼吸は細胞質とミトコンドリアで起こる。
ATPの純収量
Fermentation: 発酵はグルコース1分子の分解で2ATPしか発生しない。
呼吸。
基質酸化
発酵：発酵では、グルコース1個を分解して36個のATPを生成する。 発酵では基質であるグルコースは完全に分解されません。
呼吸。 基質であるグルコースは呼吸で完全に分解されます。
Types
Fermentation: エタノール発酵と乳酸発酵の2種類があります。
最終電子受容体
醗酵。 発酵の最終電子受容体は有機分子で、通常エタノール発酵ではアセトアルデヒド、乳酸発酵ではピルビン酸です。
呼吸。 最終的な電子受容体は主に酸素です。
最終製品
発酵。 エタノール発酵では、エタノールと二酸化炭素が生成されます。 乳酸発酵では最終生成物として乳酸が生成されます。
呼吸。 呼吸では無機質の最終生成物、二酸化炭素、水が発生します。
NAD+ Regeneration
Fermentation: 発酵。 発酵ではNAD+の再生時にATPは生成されません。
呼吸では、NAD+の再生時にATPは生成されません。 8771>
Oxidative Phosphorylation
Fermentation: NAD+の再生時に3つのATPが生成されます。 発酵中は酸化的リン酸化は起こりません。
呼吸。 呼吸では、酸化的リン酸化によりNADHとFADH2からATPが生成されます。
Type of Organism
Fermentation（発酵）: 発酵は通常、酵母のような微生物に見られます。
呼吸。 呼吸は高等生物に見られます。
寄与
発酵。
呼吸：地球上の細胞プロセスのためのエネルギー生産において、発酵はあまり寄与していません。
結論
発酵と呼吸は、細胞プロセスに必要なエネルギーを生産する際に食物として使用される有機基質の異化に関与する2つのプロセスである。 発酵と呼吸の間に、有機分子に蓄積された位置エネルギーは、ATPの形で運動化学エネルギーに変換される。 どちらのプロセスも解糖から始まり、2つのピルビン酸分子が生成される。 解糖は地球上のすべての細胞の細胞質で起こっている。 酸素は解糖に関与しない。 しかし、酸素が存在すると、細胞質内のピルビン酸はミトコンドリアマトリックスに入り、クエン酸サイクルを行い、ピルビン酸を完全に酸化する。 この完全な酸化は、呼吸のときだけ起こる。 また、クエン酸サイクルによってNADHとFADH2が生成される。 これらはミトコンドリアの内膜で酸化的リン酸化により還元される。 一方、発酵は酸素がない状態で起こり、ピルビン酸をエタノールまたは乳酸に不完全に酸化する。 エタノール発酵では、ピルビン酸はアセトアルデヒドに変換され、さらにエタノールに変換される。 発酵の解糖で生成したNADHは、再生しながらアセトアルデヒドに電子を提供する。 したがって、発酵と呼吸の主な違いは、NAD+の再生過程でATPを生成できるかどうかということになる。 Cooper, Geoffrey M. “Metabolic Energy”. ザ・セル：ア・モレキュラー・アプローチ(The Cell: A Molecular Approach). 第2版. 米国国立医学図書館、1970年1月1日。 Web. 07 Apr. 2017.
2. Jurtshuk, Peter, and Jr. “Bacterial Metabolism.”. メディカル・マイクロバイオロジー. 第4版. 米国国立医学図書館、1996年01月01日。 Web. 07 Apr. 2017.
Image Courtesy:
1. “Heterofermentative Milchsäuregärung” By Yikrazuul – Own work (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
2. “By Darekk2 – Own work (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
