- 発酵の型
生物がグルコースなどの糖を用いてエネルギーを得る時、グルコースを解糖系で分解を行いエネルギーを得ると同時に、最終生成物としてピルビン酸が得られます。
またこの過程で、酸化型NADが還元型NADへと変化します。
ここまでは、発酵、呼吸代謝に共通する部分です。
ここから、呼吸代謝はこのピルビン酸をクエン酸回路、電子伝達系によって酸化分解し、最終電子受容体を酸素もしくは無機物で行います。 そして、ATPを得ると同時に還元型NADを酸化型NADへ戻します。 対して、発酵はピルビン酸を嫌気条件下でその発酵の型特有の経路を用いてエネルギー得て、還元型NADを酸化型NADに戻します。 ただし、発酵は最終電子受容体として有機物を使用します。
以下では主な３つの型を紹介しています。
ここから、呼吸代謝はこのピルビン酸をクエン酸回路、電子伝達系によって酸化分解し、最終電子受容体を酸素もしくは無機物で行います。 そして、ATPを得ると同時に還元型NADを酸化型NADへ戻します。 対して、発酵はピルビン酸を嫌気条件下でその発酵の型特有の経路を用いてエネルギー得て、還元型NADを酸化型NADに戻します。 ただし、発酵は最終電子受容体として有機物を使用します。
以下では主な３つの型を紹介しています。
アルコール発酵は、グルコース、フルクトース、ショ糖などの糖を分解して、エタノールと二酸化炭素を生成し、エネルギーを得る代謝プロセスで、酸素を必要としない嫌気的反応です。
酵母は酸素がないところで、糖を用いてアルコール発酵する代表的な生物です。
その応用範囲は、燃料としてのエタノール（バイオエタノール）の大量生産やアルコール飲料、パンなど食品の生産など多岐に渡ります。
酵母によらない発酵は、「カーボニック・マセレーション」と呼ばれる反応で、高濃度の二酸化炭素または窒素ガス中（低酸素雰囲気）に置かれたブドウの果実中で起こる嫌気的反応で、 酵素の作用により糖がアルコールに変化します。この手法はボジョレー・ヌーヴォーの醸造の際に用いられています。
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
第一段階で、1分子のグルコースが解糖系の複数の酵素によって2分子のピルビン酸に分解されます。 この反応は、同時に、正味2分子のADPをATPに、2分子のNAD+をNADHに変換します。 この段階は、動物や植物の解糖経路と同じで、酸素呼吸の経路とも共通しています。
C6H12O6 + 2 ADP + 2 H3PO4 + 2 NAD+ → 2 CH3COCOOH + 2 ATP + 2 NADH + 2 H2O + 2 H+
第二段階からがアルコール発酵特有の反応になります。 1分子のピルビン酸から1分子の二酸化炭素が取り除かれ、アセトアルデヒドがつくられます。 この反応は、ピルビン酸デカルボキシラーゼ（EC 4.1.1.1）が触媒します。
CH3COCOOH → CH3CHO + CO2 その後、アセトアルデヒドは還元型NADHの電子によって速やかに還元されエタノールとなります。 この反応は、アルコール脱水素酵素（EC 1.1.1.1）が触媒します。
CH3CHO + NADH + H+ → C2H5OH + NAD+
多くの酵母では、アルコール発酵は嫌気条件でのみ進行し、酸素があるとピルビン酸を完全に分解して水と二酸化炭素に変えます（酸素呼吸）。 しかし、よく使われるパン酵母(Saccharomyces cerevisiae)や分裂酵母(S. pombe)は酸素があっても発酵を好むため、適当な培養条件を選ぶと好気条件でもエタノールを生産します。
酵母による発酵の結果、糖度計による計測糖度の値の約半分の値のアルコールが生成されます。つまり、糖度20度ならば、アルコール度数は約10度になると言うことです。
利用方法
酵母によらない発酵は、「カーボニック・マセレーション」と呼ばれる反応で、高濃度の二酸化炭素または窒素ガス中（低酸素雰囲気）に置かれたブドウの果実中で起こる嫌気的反応で、 酵素の作用により糖がアルコールに変化します。この手法はボジョレー・ヌーヴォーの醸造の際に用いられています。
- 化学的変化
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
第一段階で、1分子のグルコースが解糖系の複数の酵素によって2分子のピルビン酸に分解されます。 この反応は、同時に、正味2分子のADPをATPに、2分子のNAD+をNADHに変換します。 この段階は、動物や植物の解糖経路と同じで、酸素呼吸の経路とも共通しています。
C6H12O6 + 2 ADP + 2 H3PO4 + 2 NAD+ → 2 CH3COCOOH + 2 ATP + 2 NADH + 2 H2O + 2 H+
第二段階からがアルコール発酵特有の反応になります。 1分子のピルビン酸から1分子の二酸化炭素が取り除かれ、アセトアルデヒドがつくられます。 この反応は、ピルビン酸デカルボキシラーゼ（EC 4.1.1.1）が触媒します。
CH3COCOOH → CH3CHO + CO2 その後、アセトアルデヒドは還元型NADHの電子によって速やかに還元されエタノールとなります。 この反応は、アルコール脱水素酵素（EC 1.1.1.1）が触媒します。
CH3CHO + NADH + H+ → C2H5OH + NAD+
多くの酵母では、アルコール発酵は嫌気条件でのみ進行し、酸素があるとピルビン酸を完全に分解して水と二酸化炭素に変えます（酸素呼吸）。 しかし、よく使われるパン酵母(Saccharomyces cerevisiae)や分裂酵母(S. pombe)は酸素があっても発酵を好むため、適当な培養条件を選ぶと好気条件でもエタノールを生産します。
酵母による発酵の結果、糖度計による計測糖度の値の約半分の値のアルコールが生成されます。つまり、糖度20度ならば、アルコール度数は約10度になると言うことです。
利用方法
- アルコール飲料
- パン
- バイオエタノール
乳酸の構造乳酸発酵（にゅうさんはっこう、Lactic acid fermentation）は、酸素非存在下の細菌や動物細胞で起こる発酵の形式の1つである。乳酸発酵を通じて、1分子のグルコースは最終的に2分子の乳酸になります。
酸素の有無に関わらず、クエン酸回路と電子伝達系が機能している時は、解糖系を活性化することでATPの要求に応えられるようになります。 生じたピルビン酸は乳酸発酵により、乳酸に変換されます。
ピルビン酸の乳酸への変換に伴って、NAD+が再生され、解糖系を続けることができます。 乳酸は細胞外へ拡散し、血液に入っていきます。肝臓で再びピルビン酸に戻され、酸素が再び供給されると消費されます。
心筋などのある種の細胞は乳酸に対して特に高い透過性を持っています。乳酸はピルビン酸に変換され、クエン酸回路を通って通常の代謝経路へ回されます。 このような細胞には酸素が多量に供給されるため、乳酸の蓄積は起こりにくくなっています。
過剰の乳酸は肝臓でピルビン酸へ、続いてグルコースへ変換されるようになります。この反応はコリ回路の一部を構成しています。
ホスホフルクトキナーゼは酸性側では活性が阻害され、乳酸の生成、乳酸アシドーシスを阻害するため、血液のpHが急激に下がることがあります。 ホスホフルクトキナーゼは解糖系で不可逆の反応を触媒します。
筋肉の痙攣は、血液中の乳酸濃度の上昇、特に発汗によるイオンバランスの崩れによって起こってしまいます。
食品において、漬物、なれずし、ヨーグルト、甘酒などで乳酸発酵が利用されています。
- 発酵
酸素の有無に関わらず、クエン酸回路と電子伝達系が機能している時は、解糖系を活性化することでATPの要求に応えられるようになります。 生じたピルビン酸は乳酸発酵により、乳酸に変換されます。
ピルビン酸の乳酸への変換に伴って、NAD+が再生され、解糖系を続けることができます。 乳酸は細胞外へ拡散し、血液に入っていきます。肝臓で再びピルビン酸に戻され、酸素が再び供給されると消費されます。
心筋などのある種の細胞は乳酸に対して特に高い透過性を持っています。乳酸はピルビン酸に変換され、クエン酸回路を通って通常の代謝経路へ回されます。 このような細胞には酸素が多量に供給されるため、乳酸の蓄積は起こりにくくなっています。
過剰の乳酸は肝臓でピルビン酸へ、続いてグルコースへ変換されるようになります。この反応はコリ回路の一部を構成しています。
ホスホフルクトキナーゼは酸性側では活性が阻害され、乳酸の生成、乳酸アシドーシスを阻害するため、血液のpHが急激に下がることがあります。 ホスホフルクトキナーゼは解糖系で不可逆の反応を触媒します。
筋肉の痙攣は、血液中の乳酸濃度の上昇、特に発汗によるイオンバランスの崩れによって起こってしまいます。
食品において、漬物、なれずし、ヨーグルト、甘酒などで乳酸発酵が利用されています。
メタン発酵とは、メタン菌の有する代謝系のひとつであり、水素、ギ酸、酢酸などの電子を用いて二酸化炭素をメタンまで還元する系になります。
メタン菌以外の生物はこの代謝系を持っていません。嫌気環境における有機物分解の最終段階の代謝系であり、特異な酵素および補酵素群を有しています。
別名、メタン生成系、炭酸塩呼吸など。
水素と二酸化炭素
ギ酸
酢酸
メタノール
メチルアミン
ジメチルスルフィド
一酸化炭素
etc.
これらの基質がメタン発酵経路を通過することによってエネルギーが得られ、メタン菌は生育します。 この中で最も普遍的に存在し、研究が進んでいるのが、水素と二酸化炭素を資化するメタン発酵になります。
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O ΔG°（標準自由エネルギー変化）= -131kJ/mol
この値は、好気呼吸などに比べるときわめて低く、メタン菌の生息している環境にもよりますが、 水素分圧の低いところでは、更に効率が落ちると考えられています。 この、効率の低い呼吸系からは、基質レベルでATPの合成は不可能になります。
したがって、メタン菌のATP合成機構はメタン生成によるプロトンおよびナトリウムイオンの濃度勾配形成による化学浸透圧によってATP合成酵素で合成されていることが証明されています。 なお、メタン生成経路とは無関係だが、メタン菌はAoA1-ATP合成酵素とFoF1-ATP合成酵素の二種類を持っており、A型はプロトン駆動型、F型はナトリウムイオン駆動型であることが判っています。
メタノフラン（MFR）：CO2還元因子、二酸化炭素がメチル基に結合しホルミル化します。
テトラヒドロメタノプテリン（H4MPT）：メタン生成系では炭素キャリアーとして用いられます。
補酵素M（SH-CoM）：スルフヒドリル基にメチル基が転移されて、メタン生成反応の基質となります。
補酵素B（SH-CoB）：メタン生成反応に電子を供給する電子供与体です。別名SH-HTP、コンポーネントBなど。
補酵素F420（F420）：フラビン誘導体であり、プロトンの運搬を行なう（NAD+やFMNと形状や反応が似ています）。
補酵素F430（F430）：基質とは結合せず、酵素の補欠分子族であり、メチル-S-CoMレダクターゼに含まれています。
1.CO2 + MFR + H2 → ホルミルMFR ΔG°=+16kJ/mol
2.ホルミルMFR + H4MPT → MFR + ホルミルH4MPT ΔG゜=-4.4kJ/mol
3.ホルミルH4MPT → メテニルH4MPT ΔG°=-4.6kJ/mol
4.H2 + F420 → F420H2 + メテニルH4MPT → メチレンH4MPT ΔG゜=-5.5kJ/mol
5.H2 + F420 → F420H2 + メチレンH4MPT → メチルH4MPT ΔG゜=-17kJ/mol
6.メチルH4MPT + SH-CoM → H4MPT + CH3-S-CoM ΔG゜=-30kJ/mol（ΔμNa+発生）
7.CH3-S-CoM + SH-CoB → CoM-S-S-CoB + ↑CH4 ΔG°=-45kJ/mol
8.CoM-S-S-CoB + H2 → SH-CoM + SH-CoB ΔG゜=-40kJ/mol(ΔμH+発生)
この反応系では、1.の反応のみが標準自由エネルギー変化が正であり、エネルギーの投入を必要としますが、 そのエネルギーは6.のナトリウムイオン濃度勾配（ΔμNa+）のエネルギーを用いて行なわれます。また、4.の反応だが、F420 を介さず、直接H2を付加する系も種によっては存在し、以下の式で表されます。
メテニルH4MPT + H2 → メチルH4MPT
標準自由エネルギー変化は同じです。
これらの反応を行なう、酵素群の名前は以下の通りです。
1.ホルミルMFRデヒドロゲナーゼ
2.ホルミルMFR:H4MPTホルミルトランスフェラーゼ
3.メテニルH4MPTシクロヒドロラーゼ
4.F420依存性メチレンH4MPTデヒドロゲナーゼ
5.F420依存性メチレンH4MPTレダクターゼ
6.メチルH4MPT:SH-CoMメチルトランスフェラーゼ
7.CH3-S-CoMレダクターゼ
8.CoM-S-S-CoBレダクターゼ
また、F420とH2を結合させる反応（4.、5.の反応）はヒドロゲナーゼという水素を活性化できる酵素がになっています。
メタン生成系の反応の中で、メタン生成に直接関わるメチルH4MPT:SH-CoMメチルトランスフェラーゼは、特に重要な酵素として最も研究が進んでいて、 サブユニット組成から活性型を得る方法にわたって明らかになっています。また、メタン生成系の酵素として二番目にその立体構造が明らかになっています。 アミノ酸立体構造をてがけとして、その反応機構のモデリングもなされています。
メタン生成系はエネルギー問題が訪れることが予想されるであろう昨今、古細菌研究の中では最も重要視されていると考えられます。 事実、アメリカやドイツでは相当の設備と論文が発表されています。日本では、メタン菌研究は後れを取っているといわざるを得ない（他の古細菌研究については、欧米と比べても進んでいるといって良いでしょう）。 水田環境などでは相当量のメタンが発生していると言われていて、地球温暖化への影響が叫ばれていますが、 こうした事実からも、これから日本でのメタン生成系に関する研究は進んでいくと思われます。
炭酸固定を通じて、利用しやすいエネルギー源に変化させるメタン発酵は非常に魅力ある反応系でありますが、個々の酵素の触媒機構などについて詳細に調べられた研究は無いといっていいです。 これは嫌気環境で実験を進めなければならないという、実験の困難さが影響しているものと思われます。
近年、メタン菌Methanosarcina属で機能するプラスミドおよび形質転換法が確立され、分子生物学的応用が可能になっています。 これらの実験技術の向上などから、メタン生成に関する研究は進行していくことが予想されます。
- メタン生成の基質
水素と二酸化炭素
ギ酸
酢酸
メタノール
メチルアミン
ジメチルスルフィド
一酸化炭素
etc.
これらの基質がメタン発酵経路を通過することによってエネルギーが得られ、メタン菌は生育します。 この中で最も普遍的に存在し、研究が進んでいるのが、水素と二酸化炭素を資化するメタン発酵になります。
- 水素と二酸化炭素からのメタン生成
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O ΔG°（標準自由エネルギー変化）= -131kJ/mol
この値は、好気呼吸などに比べるときわめて低く、メタン菌の生息している環境にもよりますが、 水素分圧の低いところでは、更に効率が落ちると考えられています。 この、効率の低い呼吸系からは、基質レベルでATPの合成は不可能になります。
したがって、メタン菌のATP合成機構はメタン生成によるプロトンおよびナトリウムイオンの濃度勾配形成による化学浸透圧によってATP合成酵素で合成されていることが証明されています。 なお、メタン生成経路とは無関係だが、メタン菌はAoA1-ATP合成酵素とFoF1-ATP合成酵素の二種類を持っており、A型はプロトン駆動型、F型はナトリウムイオン駆動型であることが判っています。
- メタン生成経路に用いられる補酵素群
メタノフラン（MFR）：CO2還元因子、二酸化炭素がメチル基に結合しホルミル化します。
テトラヒドロメタノプテリン（H4MPT）：メタン生成系では炭素キャリアーとして用いられます。
補酵素M（SH-CoM）：スルフヒドリル基にメチル基が転移されて、メタン生成反応の基質となります。
補酵素B（SH-CoB）：メタン生成反応に電子を供給する電子供与体です。別名SH-HTP、コンポーネントBなど。
補酵素F420（F420）：フラビン誘導体であり、プロトンの運搬を行なう（NAD+やFMNと形状や反応が似ています）。
補酵素F430（F430）：基質とは結合せず、酵素の補欠分子族であり、メチル-S-CoMレダクターゼに含まれています。
- 水素と二酸化炭素からのメタン生成経路
1.CO2 + MFR + H2 → ホルミルMFR ΔG°=+16kJ/mol
2.ホルミルMFR + H4MPT → MFR + ホルミルH4MPT ΔG゜=-4.4kJ/mol
3.ホルミルH4MPT → メテニルH4MPT ΔG°=-4.6kJ/mol
4.H2 + F420 → F420H2 + メテニルH4MPT → メチレンH4MPT ΔG゜=-5.5kJ/mol
5.H2 + F420 → F420H2 + メチレンH4MPT → メチルH4MPT ΔG゜=-17kJ/mol
6.メチルH4MPT + SH-CoM → H4MPT + CH3-S-CoM ΔG゜=-30kJ/mol（ΔμNa+発生）
7.CH3-S-CoM + SH-CoB → CoM-S-S-CoB + ↑CH4 ΔG°=-45kJ/mol
8.CoM-S-S-CoB + H2 → SH-CoM + SH-CoB ΔG゜=-40kJ/mol(ΔμH+発生)
この反応系では、1.の反応のみが標準自由エネルギー変化が正であり、エネルギーの投入を必要としますが、 そのエネルギーは6.のナトリウムイオン濃度勾配（ΔμNa+）のエネルギーを用いて行なわれます。また、4.の反応だが、F420 を介さず、直接H2を付加する系も種によっては存在し、以下の式で表されます。
メテニルH4MPT + H2 → メチルH4MPT
標準自由エネルギー変化は同じです。
これらの反応を行なう、酵素群の名前は以下の通りです。
1.ホルミルMFRデヒドロゲナーゼ
2.ホルミルMFR:H4MPTホルミルトランスフェラーゼ
3.メテニルH4MPTシクロヒドロラーゼ
4.F420依存性メチレンH4MPTデヒドロゲナーゼ
5.F420依存性メチレンH4MPTレダクターゼ
6.メチルH4MPT:SH-CoMメチルトランスフェラーゼ
7.CH3-S-CoMレダクターゼ
8.CoM-S-S-CoBレダクターゼ
また、F420とH2を結合させる反応（4.、5.の反応）はヒドロゲナーゼという水素を活性化できる酵素がになっています。
- F420還元ヒドロゲナーゼ
- H2生成メチレンH4MPTデヒドロゲナーゼ
- メタン生成系の酵素
メタン生成系の反応の中で、メタン生成に直接関わるメチルH4MPT:SH-CoMメチルトランスフェラーゼは、特に重要な酵素として最も研究が進んでいて、 サブユニット組成から活性型を得る方法にわたって明らかになっています。また、メタン生成系の酵素として二番目にその立体構造が明らかになっています。 アミノ酸立体構造をてがけとして、その反応機構のモデリングもなされています。
メタン生成系はエネルギー問題が訪れることが予想されるであろう昨今、古細菌研究の中では最も重要視されていると考えられます。 事実、アメリカやドイツでは相当の設備と論文が発表されています。日本では、メタン菌研究は後れを取っているといわざるを得ない（他の古細菌研究については、欧米と比べても進んでいるといって良いでしょう）。 水田環境などでは相当量のメタンが発生していると言われていて、地球温暖化への影響が叫ばれていますが、 こうした事実からも、これから日本でのメタン生成系に関する研究は進んでいくと思われます。
炭酸固定を通じて、利用しやすいエネルギー源に変化させるメタン発酵は非常に魅力ある反応系でありますが、個々の酵素の触媒機構などについて詳細に調べられた研究は無いといっていいです。 これは嫌気環境で実験を進めなければならないという、実験の困難さが影響しているものと思われます。
近年、メタン菌Methanosarcina属で機能するプラスミドおよび形質転換法が確立され、分子生物学的応用が可能になっています。 これらの実験技術の向上などから、メタン生成に関する研究は進行していくことが予想されます。
- その他の発酵
ほかにも、酪酸型発酵、ブタノール-アセトン型発酵、硝酸塩発酵、酢酸発酵があります。