Анаэробное дыхание — процесс, примеры и для каких организмов характерно

Определение анаэробного дыхания

Угадайте, что общего между болью в мышцах, пивом, хлебом и компостом? Все это объединяет процесс, называемый анаэробным дыханием.

Большинство организмов эволюционировали, чтобы использовать кислород в своих метаболических процессах либо как компонент дыхания, либо как продукт фотосинтеза. Но на Земле существует множество условий, где кислород отсутствует, и тем не менее живые существа все еще находят способ использовать функции и энергию. Как они это делают? Они обходят кислородную часть дыхания, в результате чего образуются различные побочные продукты процесса.

Анаэробное дыхание – метаболический процесс, при котором кислород отсутствует и завершается только стадия гликолиза. Этот процесс происходит в первую очередь у микроорганизмов, но он также может быть временной реакцией на бескислородные или богатые кислородом условия в клетках многоклеточных организмов – даже у нас!

Типы анаэробного дыхания так же разнообразны, как и его акцепторы электронов.

Важные виды анаэробного дыхания включают в себя:

• Молочная кислота ферментация – При таком типе анаэробного дыхания глюкоза расщепляется на две молекулы молочной кислоты с образованием двух АТФ. Это происходит в определенных типах бактерий и некоторых тканях животных, таких как мускул ячейки
• Алкогольная ферментация – При таком типе анаэробного дыхания глюкоза расщепляется на этанол или этиловый спирт. Этот процесс также производит два АТФ на молекулу сахара. Это происходит у дрожжей и даже у некоторых видов рыб, таких как золотая рыбка,
• Другие виды брожения – Другие виды брожения выполняются некоторыми бактериями и археями. К ним относятся ферментация пропионовой кислоты, ферментация масляной кислоты, растворитель ферментация, смешанная кислотная ферментация, бутандиоловая ферментация, ферментация на палках, ацетогенез и метаногенез. Анаэробные уравнения дыхания

Уравнения двух наиболее распространенных типов анаэробного дыхания:

• Ферментация молочной кислоты:

C6H12O6 (глюкоза) + 2 АДФ + 2 пи → 2 молочная кислота + 2 АТФ

• Алкогольная ферментация:

C6H12O6 (глюкоза) + 2 АДФ + 2 пи → 2 C2H5OH (этанол) + 2 CO2 + 2 АТФ

Процесс анаэробного дыхания

Гликолиз — это первая стадия дыхания, на которой молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты), высвобождая электроны и образуя две молекулы АТФ — энергетическую «валюту» клетки и желаемый дыхательный результат. Во время аэробного дыхания, когда присутствует кислород, эти молекулы пирувата проходят две другие стадии, которые служат для высвобождения множества электронов, которые позже используются для производства большого количества АТФ.

Но когда кислород отсутствует, как при анаэробном дыхании, эти две последние стадии не происходят. Вместо этого пируват превращается в другой побочный продукт в процессе ферментации, а также выделяется углекислый газ. При этом образуются две молекулы АТФ. Хотя это и не так уж и много молекул АТФ, образующихся при аэробном дыхании, но вполне достаточно. Для облегчения этого процесса клетка часто использует ферменты, например, ферменты алкогольного брожения, выделяемые дрожжами. Суть процесса: глюкоза + ферменты = углекислый газ + этанол/молочная кислота.

Организмы с анаэробным дыханием

Для прокариот характерен процесс анаэробного дыхания. Эта группа организмов характеризуется отсутствием настоящего ядра (ограниченного биологической мембраной) и субклеточных компартментов, таких как митохондрии или хлоропласты. В эту группу входят бактерии и археи.

Строгие анаэробы

Микроорганизмы, смертельно подвергающиеся воздействию кислорода, называются строгими анаэробами, например Clostridium sex.

Эти микроорганизмы обладают анаэробным метаболизмом и могут колонизировать экстремальные условия, где не хватает кислорода и где аэробные организмы не могут жить, например, очень глубокую воду, почву или пищеварительный тракт некоторых животных..

Факультативные анаэробы

Кроме того, существуют некоторые микроорганизмы, которые могут переключаться между аэробным и анаэробным метаболизмом в зависимости от ваших потребностей и условий окружающей среды..

Однако существуют бактерии со строгим аэробным дыханием, которые могут расти и развиваться только в богатой кислородом среде.

В микробиологических науках знание типа обмена веществ является символом, помогающим идентифицировать микроорганизмы.

Организмы со способностью к брожению

Кроме того, существуют и другие организмы, способные проводить дыхательные пути без необходимости в кислороде или транспортной цепи, то есть они ферментируют.

Среди них мы находим несколько видов дрожжей (Saccharomyces), бактерий (Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus, Propionibacterium, Escherichia, Salmonella, Enterobacter) и даже наши собственные мышечные клетки. В ходе процесса для каждого вида характерно выделение разного продукта..

Примеры анаэробного дыхания

Спиртовая ферментация, или этаноловая ферментация, происходит, когда одноклеточные организмы расщепляют пируват на этанол и выделяют углекислый газ. Этот процесс используется при производстве хлеба, вина, пива и этанола. В этом процессе участвуют одноклеточные эукариоты, называемые дрожжами. Выделяющийся углекислый газ приводит к образованию пузырьков в напитках и подъему теста.

Молочнокислое брожение происходит, когда пируват превращается в молочную кислоту. Это может произойти, когда бактерии используются для приготовления йогурта из молока, а также в мышечных клетках животных в результате тяжелых физических упражнений.

Например, когда вы бежите, ваша аэробная дыхательная система не успевает за вашим темпом, но вы все равно можете продолжать движение, потому что ваши мышечные клетки могут переключиться на этот процесс вместо аэробной работы. Однако это длится недолго. Молочная кислота накапливается в мышцах и является причиной болезненности, которую вы чувствуете после тренировки.

Разложение органических веществ — это когда бактерии расщепляют органические вещества в отсутствие кислорода, обычно выделяя значительное тепло и неприятный запах. Это происходит, например, при компостировании.

Различия с аэробным дыханием

Наиболее очевидное различие между этими двумя метаболическими процессами — использование кислорода. В аэробике эта молекула действует как терминальный акцептор электронов.

В энергетическом отношении аэробное дыхание гораздо полезнее, так как при нем выделяется значительное количество энергии — около 38 молекул АТФ. Напротив, дыхание в отсутствие кислорода характеризуется гораздо меньшим количеством АТФ, которое сильно различается у разных организмов..

Продукты выделения также различаются. Аэробное дыхание заканчивается образованием углекислого газа и воды, при этом в аэробных продуктах присутствуют промежуточные продукты, такие как молочная кислота, спирт или другие органические кислоты..

С точки зрения скорости аэробное дыхание занимает гораздо больше времени. Таким образом, анаэробный процесс обеспечивает быстрый источник энергии для организмов.

Экологическая значимость

С экологической точки зрения анаэробное дыхание выполняет в экосистемах трансцендентные функции. Этот процесс происходит в различных средах обитания, таких как морские отложения или пресноводные водоемы, глубокие почвы и другие..

Некоторые бактерии поглощают сульфаты для производства сероводорода и используют карбонат для производства метана. Другие виды могут использовать нитрат-ион и превращать его в нитрит-ион, закись азота или газообразный азот.

Эти процессы необходимы в природных круговоротах как азота, так и серы. Например, анаэробный путь — это основной путь, по которому азот фиксируется и может вернуться в атмосферу в виде газа..

Аэробное дыхание

У аэробных эукариот происходят разные стадии клеточного дыхания

• в цитоплазме — гликолиз,
• в митохондриальном матриксе – цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот,
• на внутренней мембране митохондрий – окислительное фосфорилирование, или дыхательная цепь.

На каждом из этих этапов из АДФ синтезируется АТФ, больше всего в конце. Кислород используется в качестве окислителя только на стадии окислительного фосфорилирования.

Суммарные реакции аэробного дыхания следующие.

Гликолиз и цикл Кребса: C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 12H2 + 4АТФ

Дыхательная цепь: 12H2 + 6O2 → 12H2O + 34АТФ

Таким образом, в результате биологического окисления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. На самом деле зачастую оно меньше.

Анаэробный против Аэробного Дыхания

Сходства

И аэробное, и анаэробное дыхание — это методы получения энергии из пищевых источников, таких как жир или сахар. Оба процесса начинаются с распада 6-углеродной молекулы сахара на 2-углеродную молекулу пирувата в процессе, называемом гликолизом. Этот процесс потребляет две молекулы АТФ и создает четыре АТФ, что приводит к чистому увеличению на два АТФ на молекулу расщепляемого сахара.

И при аэробном, и при анаэробном дыхании две молекулы пирувата подвергаются разным сериям реакций, в которых используются цепи переноса электронов для генерации большего количества АТФ.

Именно эти реакции требуют акцептора электронов – будь то кислород, сульфат, нитрат и т д. – чтобы инициировать их.

Многие бактерии и археи могут осуществлять только анаэробное дыхание. Многие другие организмы могут выполнять либо аэробное, либо анаэробное дыхание, в зависимости от наличия кислорода.

Жизнь людей и других животных зависит от аэробного дыхания, но они могут продлить продолжительность жизни или функционирование своих клеток в отсутствие кислорода за счет анаэробного дыхания.

Различия

После гликолиза как аэробные, так и анаэробные клетки отправляют две молекулы пирувата через серию химических реакций, чтобы генерировать больше АТФ и извлекать электроны для использования в своей цепи переноса электронов.

Однако то, каковы эти реакции и где они происходят, зависит от аэробного и анаэробного дыхания

Во время аэробного дыхания цепь переноса электронов и большинство химических реакций во время дыхания происходят в митохондриях.Мембранная система митохондрий делает этот процесс намного более эффективным, концентрируя дыхательные химические вещества вместе в одном небольшом пространстве.

Напротив, анаэробное дыхание обычно происходит в цитоплазме, поскольку большинство клеток, осуществляющих исключительно анаэробное дыхание, не имеют специализированных органелл. Последовательность реакций при анаэробном дыхании обычно короче и вместо кислорода использует терминальный акцептор электронов, такой как сульфат, нитрат, сера или фумарат.

Анаэробное дыхание также производит меньше АТФ на каждую переваренную молекулу сахара, чем аэробное дыхание, что делает его менее эффективным методом выработки клеточной энергии. Кроме того, здесь образуются различные отходы, в том числе в некоторых случаях и алкоголь!

• Облигатные аэробы – организмы, которые не могут существовать без кислорода. Например, человек является облигатным аэробом.
• Облигатные анаэробы – это организмы, которые не могут выжить в присутствии кислорода. Некоторые виды бактерий являются облигатными анаэробами, например Clostridium tetani, вызывающая столбняк.
• Аэротолерантные организмы – это организмы, которые могут жить в присутствии кислорода, но не используют его для роста. Например, бактерия стрептококк, вызывающая боль в горле.
• Факультативные аэробы — это организмы, которые могут использовать кислород для роста, но также могут осуществлять анаэробное дыхание. Например, Saccharomyces cerevisiae — дрожжи, используемые в пивоварении.

Исследователи могут классифицировать микробы таким образом, используя простую экспериментальную установку с тиогликолятным бульоном. Эта среда содержит диапазон концентраций кислорода, которые создают градиент. Это связано с наличием тиогликолата натрия, потребляющего кислород, и постоянным поступлением кислорода из воздуха; вверху трубки будет кислород, а внизу кислород не будет.

Читайте также: Изображения частей тела человека с именами