Anaerob andning

Definition

Anaerob andning är den typ av andning där cellerna kan bryta ner socker för att generera energi i avsaknad av syre. Detta står i kontrast till den mycket effektiva processen aerob respiration, som är beroende av syre för att producera energi.

Molekylärt syre är den mest effektiva elektronacceptorn för respiration, på grund av dess höga affinitet för elektroner. Vissa organismer har dock utvecklats till att använda andra slutliga elektronacceptorer och kan därför utföra andning utan syre.

Översikt

Respiration är den process genom vilken den energi som lagras i bränsle omvandlas till en form som en cell kan använda. Typiskt sett används energi som lagras i molekylbindningarna i en socker- eller fettmolekyl för att göra ATP, genom att ta elektroner från bränslemolekylen och använda dem för att driva en elektrontransportkedja.

Respiration är avgörande för en cells överlevnad eftersom om den inte kan frigöra energi från bränslen kommer den inte att ha tillräckligt med energi för att driva sina normala funktioner. Det är därför luftandande organismer dör så snabbt utan en konstant tillförsel av syre: våra celler kan inte generera tillräckligt med energi för att hålla sig vid liv utan det.

Istället för syre använder anaeroba celler ämnen som sulfat, nitrat, svavel och fumarat för att driva sin cellandning. Många celler kan utföra antingen aerob eller anaerob respiration, beroende på om syre finns tillgängligt.

Anaerob vs aerob respiration

Likheter

Både den aeroba och den anaeroba respirationen är metoder för att utvinna energi från en näringskälla, till exempel fetter eller sockerarter. Båda processerna börjar med att en sexkolig sockermolekyl delas upp i två trekoliga pyruvatmolekyler i en process som kallas glykolys. Denna process förbrukar två ATP-molekyler och skapar fyra ATP, vilket ger en nettovinst på två ATP per sockermolekyl som delas.

I både aerob och anaerob andning utsätts de två pyruvatmolekylerna för en annan serie reaktioner som använder sig av elektrontransportkedjor för att generera mer ATP.

Det är dessa reaktioner som kräver en elektronacceptor – vare sig det är syre, sulfat, nitrat osv. – för att driva dem.

Många bakterier och arkéer kan bara utföra anaerob andning. Många andra organismer kan utföra antingen aerob eller anaerob respiration, beroende på om det finns syre eller inte.

Människor och andra djur förlitar sig på aerob respiration för att hålla sig vid liv, men de kan förlänga sina cellers liv eller prestanda i frånvaro av syre genom anaerob respiration.

Skillnader

Efter glykolysen skickar både de aeroba och anaeroba cellerna de två pyruvatmolekylerna genom en serie kemiska reaktioner för att generera mer ATP och utvinna elektroner för användning i deras elektrontransportkedja.

Hur dessa reaktioner ser ut och var de sker varierar dock mellan aerob och anaerob respiration

Under aerob respiration sker elektrontransportkedjan och de flesta av respirationens kemiska reaktioner i mitokondrierna. Mitokondriernas system av membran gör processen mycket effektivare genom att koncentrera andningens kemiska reaktanter tillsammans i ett litet utrymme.

Däremot sker den anaeroba andningen vanligtvis i cytoplasman. Detta beror på att de flesta celler som uteslutande utför anaerob andning inte har specialiserade organeller. Reaktionsserien är vanligtvis kortare vid anaerob respiration och använder en slutlig elektronacceptor som sulfat, nitrat, svavel eller fumarat i stället för syre.

Anaerob respiration producerar också mindre ATP för varje sockermolekyl som smälts än aerob respiration, vilket gör det till en mindre effektiv metod för att generera cellenergi. Dessutom produceras olika avfallsprodukter – i vissa fall även alkohol!

Cellulärrespiration i olika organismer

Organismer kan klassificeras utifrån de typer av cellulärrespiration som de utför.

• Obligate aerober – organismer som inte kan överleva utan syre. Människor är till exempel obligata aerober.
• Obligata anaerober – organismer som inte kan överleva i närvaro av syre. Vissa bakteriearter är obligat anaeroba, till exempel Clostridium tetani, som orsakar stelkramp.
• Aerotoleranta organismer – organismer som kan leva i närvaro av syre, men som inte använder det för att växa. Till exempel bakterien Streptococcus, som orsakar streptokocker i halsen.
• Facultativa aerober – organismer som kan använda syre för att växa, men som också kan utföra anaerob andning. Till exempel Saccharomyces cerevisiae som är den jäst som används vid bryggning.

Vetenskapsmän kan klassificera mikrober på detta sätt med hjälp av en enkel experimentell uppställning med tioglykolatbuljong. Detta medium innehåller en rad olika syrekoncentrationer, vilket ger en gradient. Detta beror på närvaron av natriumtioglykolat, som förbrukar syre, och den kontinuerliga tillförseln av syre från luften; högst upp i röret kommer syre att finnas, och längst ner kommer inget syre att finnas.
<h2title=”Typer”>Typer av anaerob respiration

Typerna av anaerob respiration är lika varierande som dess elektronacceptorer. Viktiga typer av anaerob respiration är:

• Mjölksyrafermentering – I denna typ av anaerob respiration delas glukos upp i två mjölksyramolekyler för att producera två ATP. Den förekommer i vissa typer av bakterier och i vissa djurvävnader, t.ex. muskelceller
• Alkoholjäsning – Vid denna typ av anaerob andning delas glukos till etanol eller etylalkohol. Även denna process producerar två ATP per sockermolekyl. Detta förekommer i jäst och även i vissa typer av fiskar, till exempel guldfiskar.
• Andra typer av jäsning – Andra typer av jäsning utförs av vissa bakterier och arkéer. Dessa inkluderar propionsyrajäsning, smörsyrajäsning, lösningsmedelsjäsning, blandsyrajäsning, butandioljäsning, Sticklandjäsning, acetogenes och metanogenes.

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

Alkoholhaltiga drycker som vin och whisky framställs vanligtvis genom att buteljera jäst – som utför alkoholjäsning – med en lösning av socker och andra smakämnen.

Jäst kan använda komplexa kolhydrater, inklusive de som finns i potatis, druvor, majs och många andra sädesslag, som sockerkällor för att utföra cellandning.

Placering av jästen och dess bränslekälla i en lufttät flaska säkerställer att det inte kommer att finnas tillräckligt med syre i närheten, och därmed kommer jästen att övergå till anaerob andning. Detta ger alkohol.

Alkohol är faktiskt giftigt för jästen som producerar det – när alkoholkoncentrationen blir tillräckligt hög kommer jästen att börja dö.

Det är därför inte möjligt att brygga vin eller öl som har en alkoholhalt på mer än 30 %. Destillationsprocessen, som separerar alkoholen från andra komponenter i bryggan, kan dock användas för att koncentrera alkoholen och producera spritdrycker som vodka.

Metanogenes och farliga hemmabrygderier

Olyckligtvis är alkoholjäsning inte den enda typen av jäsning som kan ske i växtmaterial. En annan alkohol, kallad metanol, kan framställas genom jäsning av cellulosa. Detta kan orsaka metanolförgiftning.

Faran med ”moonshine” – billig, hembränd alkohol som ofta innehåller stora mängder metanol på grund av dåliga bryggnings- och destillationsprocesser – uppmärksammades på 1900-talet under förbudet.

Dödsfall och nervskador till följd av metanolförgiftning är fortfarande ett problem i områden där människor försöker brygga alkohol billigt. Så om du ska bli bryggare, se till att du gör din hemläxa!

Schweizerost och propionsyra

Propionsyrajäsning ger schweizisk ost dess karakteristiska smak. Hålen i schweizisk ost är i själva verket gjorda av bubblor av koldioxidgas som frigörs som en avfallsprodukt från en bakterie som använder sig av propionsyrajäsning.

När man införde strängare sanitetsnormer på 1900-talet blev många producenter av schweizisk ost förbryllade när de upptäckte att deras ost förlorade sina hål – och sin smak.

Den skyldiga upptäcktes vara en brist på en specifik bakterie som producerar propionsyra. Genom tiderna hade denna bakterie förts in som en förorening från det hö som korna åt. Men efter att strängare hygiennormer infördes, skedde detta inte längre!

Denna bakterie tillsätts nu avsiktligt under tillverkningen för att se till att schweizisk ost förblir smakrik och behåller sitt omedelbart igenkännliga grumliga utseende.

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