Odddychanie beztlenowe

Człowiek i inne zwierzęta polegają na oddychaniu tlenowym, aby pozostać przy życiu, ale mogą przedłużyć życie swoich komórek lub wydajność w przypadku braku tlenu poprzez oddychanie beztlenowe.

Różnice

Po glikolizie, zarówno komórki tlenowe jak i beztlenowe wysyłają dwie cząsteczki pirogronianu przez serię reakcji chemicznych w celu wytworzenia większej ilości ATP i pobrania elektronów do użycia w ich łańcuchu transportu elektronów.

Jednakże, jakie to reakcje i gdzie one zachodzą, różnią się w zależności od tego, czy jest to oddychanie tlenowe czy beztlenowe

Podczas oddychania tlenowego łańcuch transportu elektronów i większość reakcji chemicznych zachodzących podczas oddychania zachodzi w mitochondriach. System błon mitochondrialnych sprawia, że proces ten jest znacznie bardziej wydajny, ponieważ reakcje chemiczne zachodzące podczas oddychania są skupione w jednej małej przestrzeni.

Z kolei oddychanie beztlenowe odbywa się zazwyczaj w cytoplazmie. Dzieje się tak dlatego, że większość komórek, które przeprowadzają wyłącznie oddychanie beztlenowe, nie ma wyspecjalizowanych organelli. Seria reakcji jest zwykle krótsza w oddychaniu beztlenowym i wykorzystuje końcowy akceptor elektronów, taki jak siarczan, azotan, siarka lub fumaran zamiast tlenu.

Oddychanie beztlenowe wytwarza również mniej ATP na każdą strawioną cząsteczkę cukru niż oddychanie tlenowe, co czyni je mniej wydajną metodą generowania energii komórkowej. Ponadto wytwarza różne produkty odpadowe – w tym, w niektórych przypadkach, alkohol!

Oddychanie komórkowe w różnych organizmach

Organizmy można sklasyfikować na podstawie typów oddychania komórkowego, które przeprowadzają.

• Obligate aerobes – organizmy, które nie mogą przetrwać bez tlenu. Na przykład, ludzie są obligatoryjnymi tlenowcami.
• Obligate anaerobes – organizmy, które nie mogą przetrwać w obecności tlenu. Niektóre gatunki bakterii są obligatoryjnymi beztlenowcami, takie jak Clostridium tetani, który powoduje tężec.
• Organizmy tolerujące tlen – organizmy, które mogą żyć w obecności tlenu, ale nie używają go do wzrostu. Na przykład, bakteria Streptococcus, który powoduje Strep gardła.
• Facultative aerobes – organizmy, które mogą korzystać z tlenu do wzrostu, ale może również wykonywać oddychanie beztlenowe. Na przykład Saccharomyces cerevisiae, które są drożdżami używanymi w browarnictwie.

Naukowcy mogą klasyfikować mikroby w ten sposób, używając prostego zestawu doświadczalnego z bulionem tioglikolowym. To medium zawiera zakres stężeń tlenu, tworząc gradient. Dzieje się tak z powodu obecności tioglikolanu sodu, który zużywa tlen, oraz ciągłego dostarczania tlenu z powietrza; na górze probówki będzie obecny tlen, a na dole nie będzie go wcale.
<h2title=”Rodzaje”>Typy oddychania beztlenowego

Rodzaje oddychania beztlenowego są tak różnorodne, jak jego akceptory elektronów. Ważne typy oddychania beztlenowego obejmują:

• Fermentacja kwasu mlekowego – W tym typie oddychania beztlenowego glukoza jest dzielona na dwie cząsteczki kwasu mlekowego w celu wytworzenia dwóch ATP. Występuje w pewnych typach bakterii i niektórych tkankach zwierzęcych, takich jak komórki mięśniowe
• Fermentacja alkoholowa – W tym typie oddychania beztlenowego glukoza jest rozkładana na etanol lub alkohol etylowy. Proces ten również wytwarza dwa ATP na cząsteczkę cukru. Występuje on u drożdży, a nawet u niektórych gatunków ryb, takich jak złota rybka.
• Inne rodzaje fermentacji – Inne rodzaje fermentacji są wykonywane przez niektóre bakterie i archaea. Obejmują one fermentację kwasu propionowego, fermentację kwasu masłowego, fermentację rozpuszczalnikową, fermentację kwasów mieszanych, fermentację butanodiolową, fermentację Sticklanda, acetogenezę i metanogenezę.

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

Napoje alkoholowe, takie jak wino i whiskey, są zwykle produkowane przez drożdże butelkujące – które przeprowadzają fermentację alkoholową – z roztworem cukru i innych związków aromatycznych.

Drożdże mogą wykorzystywać złożone węglowodany, w tym te znajdujące się w ziemniakach, winogronach, kukurydzy i wielu innych zbożach, jako źródła cukru do przeprowadzania oddychania komórkowego.

Zamieszczenie drożdży i ich źródła paliwa w hermetycznej butelce zapewnia, że nie będzie tam wystarczająco dużo tlenu, a zatem drożdże przejdą na oddychanie beztlenowe. W ten sposób powstaje alkohol.

Alkohol jest toksyczny dla drożdży, które go wytwarzają – gdy stężenie alkoholu jest wystarczająco wysokie, drożdże zaczynają obumierać.

Z tego powodu nie jest możliwe warzenie wina lub piwa o zawartości alkoholu większej niż 30%. Jednak proces destylacji, który oddziela alkohol od innych składników naparu, może być użyty do skoncentrowania alkoholu i produkcji napojów spirytusowych, takich jak wódka.

Metanogeneza i niebezpieczne domowe piwa

Niestety, fermentacja alkoholowa nie jest jedynym rodzajem fermentacji, która może zachodzić w materii roślinnej. Inny alkohol, zwany metanolem, może być produkowany w wyniku fermentacji celulozy. Może to spowodować zatrucie metanolem.

Niebezpieczeństwa związane z „bimbrem” – tanim, domowym alkoholem, który często zawiera duże ilości metanolu z powodu złych procesów warzenia i destylacji – były reklamowane w XX wieku podczas prohibicji.

Śmierć i uszkodzenia nerwów spowodowane zatruciem metanolem są nadal problemem na obszarach, gdzie ludzie próbują tanio warzyć alkohol. Tak więc, jeśli zamierzasz zostać piwowarem, upewnij się, że odrobiłeś pracę domową!

Ser szwajcarski i kwas propionowy

Fermentacja kwasu propionowego nadaje serowi szwajcarskiemu jego charakterystyczny smak. Dziury w szwajcarskim serze są w rzeczywistości tworzone przez pęcherzyki dwutlenku węgla uwalnianego jako produkt odpadowy bakterii, która wykorzystuje fermentację kwasu propionowego.

Po wprowadzeniu surowszych norm sanitarnych w XX wieku, wielu producentów szwajcarskiego sera było zdziwionych, że ich ser traci dziury – i swój smak.

Wykryto, że winowajcą był brak specyficznej bakterii, która produkuje kwas propionowy. Przez wieki bakteria ta była wprowadzana jako zanieczyszczenie z siana zjadanego przez krowy. Ale po wprowadzeniu bardziej rygorystycznych standardów higieny nie miało to już miejsca!

Bakteria ta jest obecnie celowo dodawana podczas produkcji, aby zapewnić, że ser szwajcarski pozostanie aromatyczny i zachowa swój natychmiastowo rozpoznawalny dziurawy wygląd.

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