Anaerobic Respiration

Definitie

Anaerobic respiration is de vorm van ademhaling waarbij cellen suikers kunnen afbreken om energie op te wekken in afwezigheid van zuurstof. Dit in tegenstelling tot het zeer efficiënte proces van aërobe ademhaling, dat afhankelijk is van zuurstof om energie te produceren.

Moleculaire zuurstof is de meest efficiënte elektronenacceptor voor de ademhaling, vanwege zijn hoge affiniteit voor elektronen. Sommige organismen zijn echter geëvolueerd om andere eindelektronenacceptoren te gebruiken, en kunnen als zodanig ademhalen zonder zuurstof.

Overzicht

Respiratie is het proces waarbij de in brandstof opgeslagen energie wordt omgezet in een vorm die een cel kan gebruiken. De energie die is opgeslagen in de moleculaire bindingen van een suiker- of vetmolecuul wordt gebruikt om ATP te maken, door elektronen uit het brandstofmolecuul te halen en deze te gebruiken om een elektronentransportketen aan te drijven.

Respiratie is van cruciaal belang voor de overleving van een cel, want als deze geen energie uit brandstoffen kan vrijmaken, heeft hij niet voldoende energie om zijn normale functies uit te voeren. Dit is de reden waarom luchtademende organismen zo snel sterven zonder een constante toevoer van zuurstof: onze cellen kunnen niet genoeg energie genereren om in leven te blijven zonder zuurstof.

In plaats van zuurstof gebruiken anaerobe cellen stoffen als sulfaat, nitraat, zwavel en fumaraat om hun cellulaire ademhaling aan te drijven. Veel cellen kunnen zowel aërobe als anaërobe ademhaling uitvoeren, afhankelijk van of er zuurstof beschikbaar is.

Anaërobe versus aërobe ademhaling

Gelijkenissen

Zowel aërobe als anaërobe ademhaling zijn methoden om energie te oogsten uit een voedselbron, zoals vetten of suikers. Beide processen beginnen met de splitsing van een zes-koolstof suikermolecuul in twee drie-koolstof pyruvaatmoleculen in een proces dat glycolyse wordt genoemd. Dit proces verbruikt twee ATP-moleculen en creëert vier ATP, voor een netto winst van twee ATP per gesplitst suikermolecuul.

In zowel aërobe als anaërobe ademhaling worden de twee pyruvaatmoleculen onderworpen aan een andere reeks reacties die gebruik maken van elektronentransportketens om meer ATP te genereren.

Het zijn deze reacties die een elektronenacceptor nodig hebben – of het nu zuurstof, sulfaat, nitraat, enz. is om ze aan te drijven.

Het zijn deze reacties die een elektronenacceptor nodig hebben – of het nu zuurstof, sulfaat, nitraat, enz. –

Veel bacteriën en archaea kunnen alleen anaërobe ademhaling uitvoeren. Veel andere organismen kunnen zowel aërobe als anaërobe ademhaling uitvoeren, afhankelijk van de aanwezigheid van zuurstof.

Mensen en andere dieren vertrouwen op aërobe ademhaling om in leven te blijven, maar kunnen het leven of de prestaties van hun cellen verlengen bij afwezigheid van zuurstof door middel van anaërobe ademhaling.

Verschillen

Na de glycolyse sturen zowel de aerobe als de anaerobe cellen de twee pyruvaatmoleculen door een reeks chemische reacties om meer ATP te genereren en elektronen te onttrekken voor gebruik in hun elektronentransportketen.

Wat deze reacties zijn, en waar ze plaatsvinden, verschilt echter tussen aërobe en anaërobe ademhaling

Tijdens aërobe ademhaling vindt de elektronentransportketen, en het merendeel van de chemische reacties van de ademhaling, plaats in de mitochondriën. Het systeem van membranen in de mitochondriën maakt het proces veel efficiënter door de chemische reactanten van de ademhaling in één kleine ruimte te concentreren.

Anaërobe ademhaling daarentegen vindt meestal plaats in het cytoplasma. Dit komt doordat de meeste cellen die uitsluitend anaërobe ademhaling uitvoeren, geen gespecialiseerde organellen hebben. De reeks reacties is doorgaans korter bij anaerobe ademhaling en maakt gebruik van een laatste elektronenacceptor zoals sulfaat, nitraat, zwavel of fumaraat in plaats van zuurstof.

Anaerobe ademhaling produceert ook minder ATP voor elk verteerd suikermolecuul dan aerobe ademhaling, waardoor het een minder efficiënte methode is om cellulaire energie te genereren. Bovendien produceert het verschillende afvalproducten – waaronder, in sommige gevallen, alcohol!

Cellulaire ademhaling in verschillende organismen

Organismen kunnen worden ingedeeld op basis van de soorten cellulaire ademhaling die ze uitvoeren.

• Obligate aerobes – organismen die niet zonder zuurstof kunnen overleven. Mensen zijn bijvoorbeeld obligate aëroben.
• Obligate anaëroben – organismen die niet in aanwezigheid van zuurstof kunnen overleven. Bepaalde bacteriesoorten zijn obligate anaëroben, zoals Clostridium tetani, die tetanus veroorzaakt.
• Aerotolerante organismen – organismen die in aanwezigheid van zuurstof kunnen leven, maar deze niet gebruiken om te groeien. Bijvoorbeeld de bacterie Streptococcus, die keelontsteking veroorzaakt.
• Facultatieve aëroben – organismen die zuurstof kunnen gebruiken om te groeien, maar ook anaërobe ademhaling kunnen uitvoeren. Bijvoorbeeld Saccharomyces cerevisiae, de gist die bij het brouwen wordt gebruikt.

Wetenschappers kunnen microben op deze manier indelen met behulp van een eenvoudige experimentele opstelling met thioglycolaatbouillon. Dit medium bevat een reeks zuurstofconcentraties, waardoor een gradiënt ontstaat. Dit komt door de aanwezigheid van natriumthioglycolaat, dat zuurstof verbruikt, en de voortdurende toevoer van zuurstof uit de lucht; bovenaan in de buis zal zuurstof aanwezig zijn, en onderaan niet.
<h2title=”Soorten”>Typen anaërobe ademhaling

De typen anaërobe ademhaling zijn even gevarieerd als de elektronenacceptoren. Belangrijke soorten anaërobe ademhaling zijn:

• Melkzuurfermentatie – Bij deze vorm van anaërobe ademhaling wordt glucose gesplitst in twee moleculen melkzuur om twee ATP te produceren. Het komt voor in bepaalde soorten bacteriën en sommige dierlijke weefsels, zoals spiercellen
• Alcoholische gisting – Bij deze vorm van anaërobe ademhaling wordt glucose gesplitst in ethanol of ethylalcohol. Dit proces produceert ook twee ATP per suikermolecuul. Dit komt voor in gist en zelfs in sommige vissoorten, zoals goudvissen.
• Andere soorten fermentatie – Andere soorten fermentatie worden uitgevoerd door sommige bacteriën en archaea. Deze omvatten propionzuurfermentatie, boterzuurfermentatie, solventfermentatie, gemengde zuurfermentatie, butaandiolfermentatie, Sticklandfermentatie, acetogenese, en methanogenese.

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

Alcoholische dranken zoals wijn en whisky worden gewoonlijk geproduceerd door gisten – die de alcoholische gisting uitvoeren – te bottelen met een oplossing van suiker en andere aromatische stoffen.

Gisten kunnen complexe koolhydraten, zoals die uit aardappelen, druiven, maïs en vele andere granen, gebruiken als suikerbron om de celademhaling uit te voeren.

Door de gist en zijn brandstofbron in een luchtdichte fles te doen, wordt ervoor gezorgd dat er niet genoeg zuurstof in de buurt is, en dus zal de gist overgaan op anaërobe ademhaling. Dit levert alcohol op.

Alcohol is in feite giftig voor de gisten die het produceren – wanneer de alcoholconcentraties hoog genoeg worden, zal de gist beginnen te sterven.

Om die reden is het niet mogelijk wijn of bier te brouwen met een alcoholgehalte van meer dan 30%. Het distillatieproces, waarbij alcohol wordt gescheiden van andere bestanddelen van het brouwsel, kan echter wel worden gebruikt om de alcohol te concentreren en sterke drank zoals wodka te produceren.

Methanogenese en gevaarlijke zelfbrouwsels

Helaas is alcoholische gisting niet de enige vorm van gisting die in plantaardig materiaal kan plaatsvinden. Een andere alcohol, genaamd methanol, kan worden geproduceerd uit de fermentatie van cellulose. Dit kan methanolvergiftiging veroorzaken.

De gevaren van “moonshine” – goedkope, zelfgebrouwen alcohol die vaak grote hoeveelheden methanol bevat als gevolg van slechte brouw- en distillatieprocessen – werden in de 20e eeuw tijdens de drooglegging aangeprezen.

Dood en zenuwbeschadiging door methanolvergiftiging is nog steeds een probleem in gebieden waar mensen goedkoop alcohol proberen te brouwen. Dus, als je brouwer wilt worden, zorg er dan voor dat je je huiswerk doet!

Zwitserse kaas en propionzuur

De fermentatie van propionzuur geeft Zwitserse kaas zijn kenmerkende smaak. De gaten in Zwitserse kaas worden in feite gemaakt door belletjes koolzuurgas die vrijkomen als afvalproduct van een bacterie die propionzuur fermenteert.

Na de invoering van strengere hygiënenormen in de 20e eeuw waren veel producenten van Zwitserse kaas verbaasd toen ze merkten dat hun kaas zijn gaten – en zijn smaak – was verloren.

De boosdoener bleek een gebrek te zijn aan een specifieke bacterie die propionzuur produceert. Door de eeuwen heen was deze bacterie ingebracht als een verontreiniging van het hooi dat de koeien aten. Maar na de invoering van strengere hygiënenormen gebeurde dit niet meer!

Deze bacterie wordt nu opzettelijk toegevoegd tijdens de productie om ervoor te zorgen dat de Zwitserse kaas smaakvol blijft en zijn direct herkenbare schorre uiterlijk behoudt.

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.

Quiz

Bibliography