미생물의 대사는 생명 유지와 성장에 필요한 에너지를 생성하고, 세포 내 화학 반응을 조절하는 중요한 과정이다. 이러한 대사는 크게 이화작용(catabolism)과 동화작용(anabolism)으로 나뉘며, 각각 에너지를 방출하거나 소비하는 역할을 한다.
1. 미생물 대사의 개요
A. 대사의 기본 개념
미생물의 대사는 크게 두 가지 과정으로 나뉜다.
- 이화작용(Catabolism): 큰 분자를 분해하여 에너지를 방출하는 과정이다. 예를 들어, 포도당을 분해하여 ATP를 생성하는 해당과정(glycolysis)이 이에 해당한다.
- 동화작용(Anabolism): 작은 분자를 이용하여 세포 성장과 생합성을 위한 새로운 분자를 합성하는 과정이다. 예를 들어, 아미노산을 단백질로 합성하는 것이 이에 속한다.
이 두 과정은 균형을 이루어 미생물이 지속적으로 생존할 수 있도록 한다.
2. 미생물의 에너지 생성 과정
미생물은 다양한 방법으로 에너지를 생성하며, 이를 통해 세포 활동을 유지한다.
A. ATP와 에너지 대사
ATP(아데노신 삼인산)는 미생물이 사용하는 주요 에너지원으로, 고에너지 인산 결합을 포함하고 있다. ATP는 다음과 같은 대사 경로를 통해 생성된다.
- 해당과정(Glycolysis): 포도당이 피루브산으로 분해되면서 ATP를 생성하는 과정이다.
- 시트르산 회로(Krebs cycle): 피루브산이 미토콘드리아(세균에서는 세포막 근처)에서 산화되어 추가적인 ATP와 NADH를 생성한다.
- 전자전달계(Electron Transport Chain, ETC): NADH와 FADH2가 전달하는 전자를 통해 막을 따라 양성자 농도 기울기를 형성하고, ATP 합성을 유도한다.
B. 호흡과 발효
미생물은 환경 조건에 따라 서로 다른 에너지 대사 방식을 사용한다.
- 호기성 호흡(Aerobic respiration): 산소를 이용하여 유기물을 완전 분해하고 높은 수의 ATP를 생산한다.
- 무산소 호흡(Anaerobic respiration): 산소 대신 질산(NO3-), 황산(SO4-2)과 같은 분자를 최종 전자 수용체로 사용하여 ATP를 생성한다.
- 발효(Fermentation): 산소 없이 에너지를 얻는 방법으로, 피루브산을 젖산이나 알코올로 변환하면서 소량의 ATP를 생성한다.
3. 미생물의 탄소 대사
탄소는 미생물 성장과 생합성의 필수 요소로, 미생물은 이를 다양한 방식으로 활용한다.
A. 독립영양과 종속영양
미생물은 탄소원을 이용하는 방식에 따라 다음과 같이 나뉜다.
- 독립영양생물(Autotrophs): CO₂를 탄소원으로 이용하는 미생물로, 광합성이나 화학합성을 통해 에너지를 얻는다.
- 종속영양생물(Heterotrophs): 유기 탄소원을 이용하여 에너지를 생산하는 미생물로, 동물과 식물의 잔해를 분해한다.
B. 탄소 대사의 주요 경로
- 캘빈 회로(Calvin Cycle): 독립영양세균이 이산화탄소를 고정하는 과정으로, 광합성을 통해 유기물을 생성한다.
- TCA 회로: 유기물의 완전 산화를 통해 NADH, FADH2 및 ATP를 생성하는 대사 과정이다.
4. 미생물의 질소 및 황 대사
A. 질소 대사
질소는 단백질과 핵산의 필수 구성 요소이며, 미생물은 이를 다양한 형태로 변환할 수 있다.
- 질소고정(Nitrogen fixation): 대기 중의 질소(N₂)를 암모니아(NH₃)로 변환하는 과정으로, 남세균(Cyanobacteria)이 대표적인 수행 미생물이다.
- 질산화(Nitrification): 암모늄(NH₄⁺)을 아질산(NO₂⁻)과 질산(NO₃⁻)으로 산화하는 과정이다.
- 탈질소화(Denitrification): 질산(NO₃⁻)을 기체 상태의 질소(N₂)로 환원하는 과정으로, 혐기성 세균이 수행한다.
B. 황 대사
미생물은 황을 이용하여 에너지를 생성하거나 환경 내 황 화합물을 변환할 수 있다.
- 황산염 환원(Sulfate reduction): 황산염(SO₄²⁻)을 황화수소(H₂S)로 환원하여 에너지를 얻는 과정이다.
- 황산화(Sulfur oxidation): 황화수소(H₂S)를 황산염(SO₄²⁻)으로 산화하는 과정으로, 일부 화학독립영양세균이 수행한다.
5. 미생물 대사의 산업적 응용
미생물 대사는 다양한 산업 분야에서 활용되며, 생명공학 및 환경 과학 분야에서 중요한 역할을 한다.
A. 발효 산업
- 유산균을 이용한 발효: 치즈, 요구르트, 김치 제조
- 효모를 이용한 알코올 발효: 빵과 맥주 생산
B. 환경 및 에너지 산업
- 바이오연료 생산: 미생물을 이용한 바이오디젤, 바이오에탄올 생산
- 미생물을 이용한 폐기물 처리: 오염된 토양과 물을 정화하는 생물학적 복원 기술
C. 의약품 개발
- 항생제 생산: 미생물을 이용하여 페니실린, 스트렙토마이신 등의 항생제를 생산
- 유전자 치료 연구: 미생물을 이용한 백신 및 치료제 개발
<출 처>
Difference Between Anabolism and Catabolism
The major difference between anabolism and catabolism is that anabolism builds complex molecules from simpler ones using energy, while catabolism breaks down complex molecules into simpler ones, releasing energy.
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www.semanticscholar.org
The ecology and biotechnology of sulphate-reducing bacteria | Nature Reviews Microbiology
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