主な相違点 – 発酵と呼吸
発酵と呼吸は2種類の細胞プロセスで、細胞内のグルコース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3ATPを生成する点です。
この記事では
- 発酵とは
– 特徴、プロセス - 呼吸とは
– 特徴、プロセス - 発酵と呼吸の違いについて
発酵とは
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、発泡と熱を発する。
一部の細菌、酵母、寄生虫などの微生物で発生する。
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です。
発酵のプロセスは、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。
発酵には、エタノール発酵と乳酸発酵という2つのタイプがあります。
エタノール発酵は、酵母の中で酸素がない状態で起こる。
そのため、通性嫌気性菌と呼ばれています。
乳酸発酵は細菌で行われます。
動物も酸素がない状態では、主に筋肉で乳酸を生成します。
乳酸は組織に対して毒性があります。
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NADH2分子が生成される。
エタノール発酵では、ピルビン酸は二酸化炭素を除去され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、培地中の細胞が炭酸ガスを培地中に放出す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全体的な化学反応を以下に示す。
エタノールの発酵
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP
乳酸発酵。
C6H12O6 → 2C3H6O3 + 2ATP
：図1 エタノール発酵と乳酸発酵
呼吸とは
呼吸とは、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のことである。
副産物として二酸化炭素と水を放出する。
呼吸は、エネルギー生産過程の中で最も多く、最も効率的なプロセスです。
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いるため、このプロセスが発生します。
呼吸の過程で36個のATPが生産される。
全プロセスは、細胞質およびミトコンドリアで起こる。
呼吸は、解糖、クエン酸サイクル、電子輸送連鎖の3つのステップを経て行われる。
解糖は、発酵時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つのピルビン酸分子は、ミトコンドリアマトリックスに移される。
それぞれから2個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、クレブスサイクルとも呼ばれるクエン酸サイクルに入る。
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6個の二酸化炭素分子になり、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起こる酸化的リン酸化の際にATPを生成する。
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36個です。
化学反応の全体像を以下に示す。
呼吸
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP
発酵と呼吸の違い
定義
発酵。
発酵とは、ブドウ糖のような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、発泡と熱を発する。
呼吸。
食物を完全に酸化させ、エネルギーを生産する一連の化学反応。
副産物として炭酸ガスと水を放出する。
酸素
発酵のため。
発酵に酸素は必要ない。
呼吸。
呼吸には酸素が必要です。
水
発酵中。
発酵の際に水は発生しない。
呼吸。
呼吸の際に副産物として水が発生する。
発生状況
発酵する。
細胞質で発酵が起こる。
呼吸。
細胞質とミトコンドリアで呼吸が行われる。
ATPの純収量
発酵の場合 発酵では、グルコース1分子の分解により、2つのATPしか生成されない。
呼吸。
呼吸では、グルコース1個を分解して36ATPを発生させる。
基質酸化
発酵のこと。
発酵：基質であるブドウ糖が完全に分解されることはない。
呼吸。
基質であるグルコースは、呼吸によって完全に分解される。
タイプ
発酵のこと。
生物の発酵には、エタノール発酵と乳酸発酵の2つがあります。
呼吸。
生物の呼吸には、好気性呼吸と嫌気性呼吸の2種類があります。
ファイナルエレクトロンアクセプター
発酵のこと。
発酵の最終電子受容体は有機分子であり、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が多い。
呼吸。
最終的な電子受容体は主に酸素です。
最終製品
発酵する。
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る。
乳酸発酵では、最終生成物として乳酸が生成される。
呼吸。
呼吸により、無機物、二酸化炭素、水が生成される。
NAD+の再生
発酵の様子。
発酵でNAD+が再生される際にATPは生成されない。
呼吸。
呼吸でNAD+が再生される際に、3つのATPが生成される。
酸化的リン酸化
発酵の様子。
発酵中は酸化的リン酸化は起こらない。
呼吸。
呼吸では、酸化的リン酸化によりNADHとFADH2からATPが生成される。
生物種
発酵。
発酵は通常、酵母のような微生物に見られる。
呼吸。
呼吸は高等生物に見られる。
貢献度
発酵。
発酵は、地球上の細胞プロセスのためのエネルギー生産にあまり寄与していない。
呼吸。
呼吸は、地球上の細胞プロセスのエネルギー生産に最も寄与している。
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。
発酵と呼吸では、有機分子に蓄積された位置エネルギーが、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経て、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行われ、ピルビン酸がエタノールまたは乳酸に不完全に酸化される。
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。
発酵の解糖で生成されたNADHは、再生しながらアセトアルデヒドに電子を供与する。
したがって、発酵と呼吸の大きな違いは、NAD+の再生過程でATPを産生できるかどうかです。
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”. 医学の微生物学。
