ODDYCHANIE BEZTLENOWE: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE I ORGANIZMY - BIOLOGIA - 2026

Oddychania beztlenowego lub beztlenowe tryb metaboliczna, która jest oparta na energii chemicznej cząsteczek organicznych zostaje zwolniony. Ostatnim akceptorem elektronów w całym tym procesie jest cząsteczka inna niż tlen, taka jak jon azotanowy lub siarczany.

Organizmy prezentujące ten rodzaj metabolizmu są prokariotami i nazywane są organizmami beztlenowymi. Prokarioty, które są ściśle beztlenowe, mogą żyć tylko w środowiskach, w których nie ma tlenu, ponieważ jest on wysoce toksyczny, a nawet śmiertelny.

Oddychanie beztlenowe występuje u prokariotów.
Źródło: pixabay.com

Niektóre mikroorganizmy - bakterie i drożdże - pozyskują energię w procesie fermentacji. W tym przypadku proces nie wymaga tlenu ani łańcucha transportu elektronów. Po glikolizie dodaje się kilka dodatkowych reakcji, a produktem końcowym może być alkohol etylowy.

Przemysł od lat wykorzystuje ten proces do produkcji interesujących nas produktów spożywczych, takich jak m.in. chleb, wino, piwo.

Nasze mięśnie są również zdolne do oddychania beztlenowego. Kiedy te komórki są poddawane intensywnemu wysiłkowi, rozpoczyna się proces fermentacji mlekowej, w wyniku którego ten produkt gromadzi się w mięśniach, powodując zmęczenie.

cechy

Oddychanie to zjawisko, dzięki któremu energia pozyskiwana jest w postaci ATP, począwszy od różnych cząsteczek organicznych - głównie węglowodanów. Proces ten odbywa się dzięki różnym reakcjom chemicznym zachodzącym wewnątrz komórek.

Chociaż głównym źródłem energii w większości organizmów jest glukoza, do ekstrakcji energii można wykorzystać inne cząsteczki, takie jak inne cukry, kwasy tłuszczowe lub w przypadku skrajnej potrzeby aminokwasy - budulec białek.

Energię, którą każda cząsteczka jest w stanie uwolnić, określa się ilościowo w dżulach. Biochemiczne szlaki lub szlaki organizmów do degradacji wspomnianych cząsteczek zależą głównie od obecności lub braku tlenu. W ten sposób możemy podzielić oddychanie na dwie duże grupy: beztlenową i tlenową.

W oddychaniu beztlenowym występuje łańcuch transportu elektronów, który generuje ATP, a ostatecznym akceptorem elektronów jest substancja organiczna, taka jak m.in.jon azotanowy, siarczany.

Ważne jest, aby nie mylić tego typu oddychania beztlenowego z fermentacją. Oba procesy są niezależne od tlenu, ale w tym drugim nie ma łańcucha transportu elektronów.

Rodzaje

Istnieje wiele dróg, którymi organizm może oddychać bez tlenu. Jeśli nie ma łańcucha transportu elektronów, utlenianie materii organicznej będzie połączone z redukcją innych atomów ze źródła energii w procesie fermentacji (patrz poniżej).

W przypadku łańcucha transportowego rolę końcowego akceptora elektronów mogą pełnić różne jony, w tym między innymi azotany, żelazo, mangan, siarczany, dwutlenek węgla.

Łańcuch transportu elektronów to system reakcji redukcji tlenków, który prowadzi do produkcji energii w postaci ATP, poprzez modalność zwaną fosforylacją oksydacyjną.

Enzymy biorące udział w tym procesie znajdują się wewnątrz bakterii, zakotwiczone w błonie. Prokariota mają te wgłębienia lub pęcherzyki, które przypominają mitochondria organizmów eukariotycznych. Ten system różni się znacznie w zależności od bakterii. Najbardziej popularne to:

Zastosowanie azotanów jako akceptora elektronów

Duża grupa bakterii z oddychaniem beztlenowym jest klasyfikowana jako bakterie redukujące azotany. W tej grupie ostatecznym akceptorem łańcucha transportu elektronów jest jon NO ₃ ^- .

W tej grupie istnieją różne modalności fizjologiczne. Reduktory azotanów mogą być typu oddechowego, w którym jon NO ₃ ^- staje się NO ₂ ^- ; Mogą to być denitryfikacje, w których wymieniony jon przechodzi do N ₂ lub typu asymilacyjnego, w którym dany jon jest przekształcany w NH ₃ .

Donorami elektronów mogą być między innymi pirogronian, bursztynian, mleczan, glicerol, NADH. Reprezentatywnym organizmem tego metabolizmu są dobrze znane bakterie Escherichia coli.

Zastosowanie siarczanów jako akceptora elektronów

Tylko kilka gatunków bakterii ściśle beztlenowe mogą przyjąć jon siarczanowy i przekształcenie go do S ² i wodą. Do reakcji wykorzystuje się kilka substratów, wśród których najczęściej spotyka się kwas mlekowy i czterowęglowe kwasy dikarboksylowe.

Zastosowanie dwutlenku węgla jako akceptora elektronów

Archaea to organizmy prokariotyczne, które zwykle zamieszkują regiony ekstremalne i charakteryzują się bardzo szczególnymi szlakami metabolicznymi.

Jedną z nich są archeony zdolne do produkcji metanu i do tego używają dwutlenku węgla jako ostatecznego akceptora. Końcowym produktem reakcji jest metan (CH ₄ ).

Organizmy te zasiedlają tylko bardzo specyficzne obszary ekosystemów, w których stężenie wodoru jest wysokie, gdyż jest on jednym z elementów niezbędnych do reakcji - jak na przykład dno jezior czy przewód pokarmowy niektórych ssaków.

Fermentacja

Fermentacja wina

Jak wspomnieliśmy, fermentacja jest procesem metabolicznym, który nie wymaga obecności tlenu. Należy zauważyć, że różni się od oddychania beztlenowego wspomnianego w poprzedniej sekcji brakiem łańcucha transportu elektronów.

Fermentacja charakteryzuje się tym, że jest procesem, który uwalnia energię pochodzącą z cukrów lub innych cząsteczek organicznych, nie wymaga tlenu, nie potrzebuje cyklu Krebsa ani łańcucha transportu elektronów, jej ostatecznym akceptorem jest cząsteczka organiczna i produkuje niewielkie ilości ATP - jeden lub dwa.

Po zakończeniu procesu glikolizy komórka uzyskuje dwie cząsteczki kwasu pirogronowego na każdą cząsteczkę glukozy.

W przypadku braku dostępności tlenu, komórka może uciec się do wytworzenia pewnej cząsteczki organicznej, aby osiągnąć wytwarzanie NAD ⁺ lub NADP ^+, które mogą ponownie wejść w kolejny cykl glikolizy.

W zależności od organizmu, który przeprowadza fermentację, produktem końcowym może być m.in.kwas mlekowy, etanol, kwas propionowy, kwas octowy, masłowy, butanol, aceton, alkohol izopropylowy, kwas bursztynowy, kwas mrówkowy, butanodiol.

Reakcje te są również często związane z wydalaniem cząsteczek dwutlenku węgla lub diwodoru.

Organizmy z oddychaniem beztlenowym

Proces oddychania beztlenowego jest typowy dla prokariotów. Ta grupa organizmów charakteryzuje się brakiem prawdziwego jądra (ograniczonego błoną biologiczną) i przedziałów subkomórkowych, takich jak mitochondria czy chloroplasty. W tej grupie są bakterie i archeony.

Ścisłe beztlenowce

Mikroorganizmy, które są śmiertelnie dotknięte obecnością tlenu, nazywane są ściśle beztlenowymi, takie jak rodzaj Clostridium.

Posiadanie metabolizmu beztlenowego pozwala tym mikroorganizmom na kolonizację ekstremalnych środowisk pozbawionych tlenu, w których organizmy tlenowe nie mogły zasiedlić, takich jak bardzo głębokie wody, gleby czy przewód pokarmowy niektórych zwierząt.

Fakultatywne beztlenowce

Ponadto istnieją mikroorganizmy zdolne do przemian metabolizmu tlenowego i beztlenowego, w zależności od ich potrzeb i warunków środowiskowych.

Istnieją jednak bakterie ze ścisłym oddychaniem tlenowym, które mogą rosnąć i rozwijać się tylko w środowiskach bogatych w tlen.

W naukach mikrobiologicznych znajomość rodzaju metabolizmu jest cechą ułatwiającą identyfikację mikroorganizmów.

Organizmy posiadające zdolność fermentacji

Ponadto istnieją inne organizmy zdolne do tworzenia dróg oddechowych bez potrzeby tlenu lub łańcucha transportowego, to znaczy fermentują.

Wśród nich znajdziemy niektóre rodzaje drożdży (Saccharomyces), bakterie (Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus, Propionibacterium, Escherichia, Salmonella, Enterobacter), a nawet własne komórki mięśniowe. Podczas tego procesu każdy gatunek charakteryzuje się wydzielaniem innego produktu.

Znaczenie ekologiczne

Z punktu widzenia ekologii oddychanie beztlenowe spełnia w ekosystemach funkcje transcendentalne. Proces ten zachodzi w różnych siedliskach, takich jak między innymi osady morskie lub zbiorniki słodkowodne, głębokie środowiska glebowe.

Niektóre bakterie przyjmują siarczany, aby utworzyć siarkowodór i wykorzystują węglan do tworzenia metanu. Inne gatunki są zdolne do wykorzystania jonu azotanowego i zredukowania go do jonu azotynowego, podtlenku azotu lub gazowego azotu.

Procesy te są niezbędne w naturalnych cyklach, zarówno dla azotu, jak i siarki. Na przykład ścieżka beztlenowa jest główną drogą, dzięki której azot jest wiązany i może wrócić do atmosfery w postaci gazu.

Różnice w stosunku do oddychania tlenowego

Najbardziej oczywistą różnicą między tymi dwoma procesami metabolicznymi jest wykorzystanie tlenu. W aerobiku ta cząsteczka działa jako końcowy akceptor elektronów.

Pod względem energetycznym znacznie korzystniejsze jest oddychanie tlenowe, które uwalnia znaczne ilości energii - około 38 cząsteczek ATP. Natomiast oddychanie bez tlenu charakteryzuje się znacznie mniejszą liczbą ATP, która jest bardzo zróżnicowana w zależności od organizmu.

Produkty wydalania również się różnią. Oddychanie tlenowe kończy się produkcją dwutlenku węgla i wody, podczas gdy w oddychaniu tlenowym związki pośrednie są zróżnicowane - jak np. Kwas mlekowy, alkohol czy inne kwasy organiczne.

Pod względem szybkości oddychanie tlenowe trwa znacznie dłużej. Tak więc proces beztlenowy stanowi dla organizmów szybkie źródło energii.

Bibliografia

1. Baron, S. (1996). Mikrobiologia medyczna. Wydanie 4. University of Texas Medical Branch at Galveston.
2. Beckett, BS (1986). Biologia: współczesne wprowadzenie. Oxford University Press, USA.
3. Fauque, GD (1995). Ekologia bakterii redukujących siarczany. In Sulfate-Reducing Bacteria (str. 217-241). Springer, Boston, MA.
4. Soni, SK (2007). Mikroby: źródło energii XXI wieku. New India Publishing.
5. Wright, DB (2000). Fizjologia i zdrowie człowieka. Heinemann.