La respirazione anaerobica

Definizione

La respirazione anaerobica è il tipo di respirazione attraverso cui le cellule possono scomporre gli zuccheri per generare energia in assenza di ossigeno. Questo è in contrasto con il processo altamente efficiente della respirazione aerobica, che si basa sull’ossigeno per produrre energia.

L’ossigeno molecolare è l’accettore di elettroni più efficiente per la respirazione, grazie alla sua alta affinità per gli elettroni. Tuttavia, alcuni organismi si sono evoluti per utilizzare altri accettori finali di elettroni, e come tali, possono effettuare la respirazione senza ossigeno.

Visualizzazione

La respirazione è il processo attraverso il quale l’energia immagazzinata nel carburante viene convertita in una forma che una cellula può utilizzare. Tipicamente, l’energia immagazzinata nei legami molecolari di uno zucchero o di una molecola di grasso è usata per fare ATP, prendendo gli elettroni dalla molecola di combustibile e usandoli per alimentare una catena di trasporto degli elettroni.

La respirazione è cruciale per la sopravvivenza di una cellula perché se non può liberare energia dai combustibili, non avrà energia sufficiente per guidare le sue normali funzioni. Questo è il motivo per cui gli organismi che respirano aria muoiono così rapidamente senza un apporto costante di ossigeno: le nostre cellule non possono generare abbastanza energia per rimanere in vita senza di esso.

Invece dell’ossigeno, le cellule anaerobiche usano sostanze come solfato, nitrato, zolfo e fumarato per guidare la loro respirazione cellulare. Molte cellule possono eseguire sia la respirazione aerobica che quella anaerobica, a seconda che l’ossigeno sia disponibile.

La respirazione anaerobica contro quella aerobica

Similitudini

Sia la respirazione aerobica che quella anaerobica sono metodi per raccogliere energia da una fonte alimentare, come grassi o zuccheri. Entrambi i processi iniziano con la scissione di una molecola di zucchero a sei carboni in 2 molecole di piruvato a tre carboni in un processo chiamato glicolisi. Questo processo consuma due molecole di ATP e crea quattro ATP, per un guadagno netto di due ATP per ogni molecola di zucchero che viene scissa.

In entrambi i casi di respirazione aerobica e anaerobica, le due molecole di piruvato sono soggette a un’altra serie di reazioni che utilizzano catene di trasporto di elettroni per generare altro ATP.

Sono queste reazioni che richiedono un accettore di elettroni – sia esso ossigeno, solfato, nitrato, ecc. –

Molti batteri e archei possono eseguire solo la respirazione anaerobica. Molti altri organismi possono effettuare sia la respirazione aerobica che quella anaerobica, a seconda della presenza o meno di ossigeno.

Gli esseri umani e gli altri animali si affidano alla respirazione aerobica per rimanere in vita, ma possono prolungare la vita o le prestazioni delle loro cellule in assenza di ossigeno attraverso la respirazione anaerobica.

Differenze

Dopo la glicolisi, sia le cellule aerobiche che quelle anaerobiche inviano le due molecole di piruvato attraverso una serie di reazioni chimiche per generare più ATP ed estrarre elettroni da usare nella loro catena di trasporto degli elettroni.

Tuttavia, quali sono queste reazioni e dove avvengono varia tra la respirazione aerobica e quella anaerobica

Nella respirazione aerobica, la catena di trasporto degli elettroni e la maggior parte delle reazioni chimiche della respirazione avvengono nei mitocondri. Il sistema di membrane dei mitocondri rende il processo molto più efficiente concentrando i reagenti chimici della respirazione in un piccolo spazio.

Al contrario, la respirazione anaerobica avviene tipicamente nel citoplasma. Questo perché la maggior parte delle cellule che svolgono esclusivamente la respirazione anaerobica non hanno organelli specializzati. La serie di reazioni è tipicamente più breve nella respirazione anaerobica e utilizza un accettore di elettroni finale come il solfato, il nitrato, lo zolfo o il fumarato invece dell’ossigeno.

La respirazione anaerobica produce anche meno ATP per ogni molecola di zucchero digerita rispetto alla respirazione aerobica, rendendola un metodo meno efficiente per generare energia cellulare. Inoltre, produce diversi prodotti di scarto – incluso, in alcuni casi, l’alcol!

La respirazione cellulare in diversi organismi

Gli organismi possono essere classificati in base al tipo di respirazione cellulare che svolgono.

• Aerobi obbligati – organismi che non possono sopravvivere senza ossigeno. Per esempio, gli esseri umani sono aerobi obbligati.
• Anaerobi obbligati – organismi che non possono sopravvivere in presenza di ossigeno. Alcune specie di batteri sono anaerobi obbligati, come il Clostridium tetani, che causa il tetano.
• Organismi aerotolleranti – organismi che possono vivere in presenza di ossigeno, ma non lo usano per crescere. Per esempio, il batterio Streptococcus, che causa lo Strep throat.
• Aerobi facoltativi – organismi che possono usare l’ossigeno per crescere, ma possono anche effettuare la respirazione anaerobica. Per esempio, Saccharomyces cerevisiae che è il lievito usato nella produzione della birra.

Gli scienziati possono classificare i microbi in questo modo usando un semplice set-up sperimentale con brodo di tioglicolato. Questo mezzo contiene una gamma di concentrazioni di ossigeno, producendo un gradiente. Ciò è dovuto alla presenza del tioglicolato di sodio, che consuma ossigeno, e al continuo apporto di ossigeno dall’aria; nella parte superiore della provetta, l’ossigeno sarà presente, e nella parte inferiore non sarà presente.
<h2title=”Tipi”>Tipi di respirazione anaerobica

I tipi di respirazione anaerobica sono tanto vari quanto i suoi accettori di elettroni. I tipi importanti di respirazione anaerobica includono:

• Fermentazione dell’acido lattico – In questo tipo di respirazione anaerobica, il glucosio è scisso in due molecole di acido lattico per produrre due ATP. Si verifica in alcuni tipi di batteri e in alcuni tessuti animali, come le cellule muscolari
• Fermentazione alcolica – In questo tipo di respirazione anaerobica, il glucosio viene scisso in etanolo o alcol etilico. Questo processo produce anche due ATP per molecola di zucchero. Questo avviene nel lievito e anche in alcuni tipi di pesci, come il pesce rosso.
• Altri tipi di fermentazione – Altri tipi di fermentazione sono eseguiti da alcuni batteri e archei. Questi includono la fermentazione dell’acido propionico, la fermentazione dell’acido butirrico, la fermentazione solvente, la fermentazione acida mista, la fermentazione del butandiolo, la fermentazione di Stickland, l’acetogenesi e la metanogenesi.

Anaerobic Respiration Equations

The equations for the two most common types of anaerobic respiration are:

• Lactic acid fermentation:

C6H12O6 (glucose)+ 2 ADP + 2 pi → 2 lactic acid + 2 ATP

• Alcoholic fermentation:

C6H12O6 (glucose) + 2 ADP + 2 pi → 2 C2H5OH (ethanol) + 2 CO2 + 2 ATP

Examples of Anaerobic Respiration

Sore Muscles and Lactic Acid

During intense exercise, our muscles use oxygen to produce ATP faster than we can supply it.

When this happens, muscle cells can perform glycolysis faster than they can supply oxygen to the mitochondrial electron transport chain.

The result is that anaerobic respiration and lactic acid fermentation occurs within our cells – and after prolonged exercise, the built-up lactic acid can make our muscles sore!

Yeasts and Alcoholic Drinks

Bevande alcoliche come il vino e il whiskey sono tipicamente prodotte imbottigliando i lieviti – che svolgono la fermentazione alcolica – con una soluzione di zucchero e altri composti aromatizzanti.

I lieviti possono usare carboidrati complessi, compresi quelli che si trovano nelle patate, nell’uva, nel mais e in molti altri cereali, come fonti di zucchero per effettuare la respirazione cellulare.

Mettere il lievito e la sua fonte di carburante in una bottiglia ermetica assicura che non ci sia abbastanza ossigeno in giro, e quindi il lievito si convertirà alla respirazione anaerobica. Questo produce alcool.

L’alcool è in realtà tossico per i lieviti che lo producono – quando le concentrazioni di alcool diventano abbastanza alte, il lievito comincerà a morire.

Per questo motivo, non è possibile produrre vino o una birra che abbia una gradazione superiore al 30%. Tuttavia, il processo di distillazione, che separa l’alcol da altri componenti dell’infuso, può essere usato per concentrare l’alcol e produrre alcolici come la vodka.

Metanogenesi e birre casalinghe pericolose

Purtroppo, la fermentazione alcolica non è l’unico tipo di fermentazione che può avvenire nella materia vegetale. Un alcol diverso, chiamato metanolo, può essere prodotto dalla fermentazione della cellulosa. Questo può causare avvelenamento da metanolo.

I pericoli del “moonshine” – alcol economico, fatto in casa, che spesso contiene alte quantità di metanolo a causa di cattivi processi di produzione e distillazione – sono stati pubblicizzati nel 20° secolo durante il proibizionismo.

La morte e i danni nervosi da avvelenamento da metanolo sono ancora un problema nelle aree in cui la gente cerca di produrre alcol a buon mercato. Quindi, se hai intenzione di diventare un produttore di birra, assicurati di fare i tuoi compiti!

Il formaggio svizzero e l’acido propionico

La fermentazione dell’acido propionico dà al formaggio svizzero il suo sapore caratteristico. I buchi nel formaggio svizzero sono in realtà fatti da bolle di gas di anidride carbonica rilasciate come prodotto di scarto di un batterio che utilizza la fermentazione dell’acido propionico.

Dopo l’implementazione di standard sanitari più severi nel 20° secolo, molti produttori di formaggio svizzero sono rimasti perplessi nello scoprire che il loro formaggio stava perdendo i buchi – e il suo sapore.

Il colpevole è stato scoperto essere la mancanza di un batterio specifico che produce acido propionico. Nel corso dei secoli, questo batterio era stato introdotto come contaminante dal fieno che le mucche mangiavano. Ma dopo l’introduzione di norme igieniche più severe, questo non accadeva più!

Questo batterio viene ora aggiunto intenzionalmente durante la produzione per garantire che il formaggio svizzero rimanga saporito e conservi il suo aspetto bucherellato immediatamente riconoscibile.

Vinegar and Acetogenesis

Bacteria that perform acetogenesis are responsible for the making of vinegar, which consists mainly of acetic acid.

Vinegar actually requires two fermentation processes, because the bacteria that make acetic acid require alcohol as fuel!

As such, vinegar is first fermented into an alcoholic preparation, such as wine. The alcoholic mixture is then fermented again using the acetogenic bacteria.

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Bibliography