Anaerobā elpošana: definīcija, mehānisms un piemēri

Anaerobā elpošana — skābekļa neizmantošana, mehānisms ar terminālajiem akceptoriem, enerģijas atšķirības un piemēri (E. coli, fermentācija). Uzzini definīciju un piemērus.

Anaerobā elpošana ir elpošanas veids, kurā netiek izmantots skābeklis. Elektronu transportam tiek izmantoti citi elementi, nevis skābeklis. Bieži sastopamie skābekļa aizstājēji ir nitrāti, dzelzs, mangāns, sulfāti, sērs, fumārskābe un oglekļa dioksīds. Escherichia coli elpošanai izmanto nitrātus un fumārskābi.

Lai elektronu pārneses ķēde darbotos, ķēdes beigās jābūt galīgajam elektronu akceptoram. Tas ļauj elektroniem pāriet cauri ķēdei. Aerobos organismos šis galīgais elektronu akceptors ir skābeklis. Molekulārais skābeklis ir ļoti oksidējošs aģents, tāpēc tas ir lielisks akceptors. Anaerobos izmanto citas mazāk oksidējošas vielas, piemēram, sulfātu (SO ₄²⁻), nitrātu (NO ₃⁻), sēru (S) un citus. Šiem terminālajiem elektronu akceptoriem ir mazāks reducēšanas potenciāls nekā O ₂, tāpēc uz vienu oksidēto molekulu izdalās mazāk enerģijas. Tāpēc anaerobā elpošana parasti ir mazāk efektīva nekā aerobā elpošana, tomēr tā ļauj organismiem iegūt enerģiju vidēs, kur skābeklis nav pieejams.

Atšķirība no fermentācijas

Ja skābeklis netiek izmantots vispār, procesu sauc par fermentāciju. Galvenā atšķirība ir šāda:

• Anaerobā elpošana izmanto elektronu transporta ķēdi un ārēju terminālo elektronu akceptoru (piem., NO₃⁻, SO₄²⁻, CO₂).
• Fermentācija nenodrošina eksterna akceptora izmantošanu — elektroni tiek pārnesti uz organiskām molekulām, kas radītas no pašas substrāta (piem., pienskābe, etanols). Fermentācijā bieži rodas mazāk ATP (parasti tikai 2 ATP/glikozi), turpretī anaerobā elpošana var dot vairāk ATP, bet parasti mazāk nekā aerobā elpošana.

Piemēram, fermentāciju izmanto pienskābes baktērijas un raugs. Raugs ir sēne, nevis baktērija.

Galvenie terminālie elektronu akceptori un piemēri

• Nitrāti (NO₃⁻) — daudz baktēriju veic denitrifikāciju, pārvēršot nitrātus vispirms par nitrītu (NO₂⁻) un tālāk par slāpekļa oksīdiem līdz molekulārajam slāpeklim (N₂).
• Sulfāti (SO₄²⁻) — sulfatreduktējošas baktērijas reducē sulfātus līdz sērūdeņraža (H₂S) veidam.
• Karbonāts / oglekļa dioksīds (CO₂) — metanogēnās arhejas reducē CO₂ ar ūdeņradi (H₂) un ražo metānu (CH₄), tas ir svarīgi anaerobos nogulumos un zarnu mikrobiotā.
• Dzelzs (Fe³⁺) un mangāns (Mn⁴⁺) — anaerobi oksidē organiskos savienojumus, reducējot metālus.
• Fumārskābe — dažas baktērijas (piem., daži E. coli celmi) izmanto fumārskābi kā terminālo akceptoru, reducējot to uz sukcinātu.

Enerģētiskā efektivitāte

Anaerobā elpošana parasti nodrošina vairāk enerģijas nekā fermentācija, jo pastāv elektronu transporta ķēde un spēja radīt protonu gradientu ATP sintezēšanai. Tomēr, salīdzinot ar aerobās elpošanas potenciālu, anaerobā elpošana parasti izraisa mazāku enerģijas atdevi, jo alternatīvie akceptori ir mazāk oksidējoši nekā skābeklis. Precīzs ATP daudzums, ko organisms iegūst, ir atkarīgs no izmantotā akceptora un konkrētā metabolisma ceļa.

Vides un bioloģiskā nozīme

• Anaerobā elpošana ir būtiska organisko vielu sadalē bezskābekļa vidēs: purvos, dūņās, lielu ūdens ķermeņu nogulumos, augsnē un zarnu traktos.
• Tā ietekmē globālos biogeohīmiskos ciklus — slāpekļa, sēra un oglekļa pārveidi (piem., denitrifikācija samazina nitrātu saturu, metanogeneze rada CH₄ kā siltumnīcefekta gāzi).
• Praktiskas nozīmes sakarā — anaerobā elpošana tiek izmantota notekūdeņu attīrīšanā, biogāzes ražošanā un bioremediācijā, kā arī ietekmē pārtikas konservēšanu un medicīnas jomas (anaerobi patogēni).

Piemēri un ķīmiskie vienādojumi

Anaerobās elpošanas vienādojums ir atkarīgs no izmantotā terminālā akceptora. Daži piemēri:

• Nitrāta reducēšana (vienkāršots): NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO → N₂O → N₂ (denitrifikācija)
• Sulfāta reducēšana (vienkāršots): SO₄²⁻ + 8H⁺ + 8e⁻ → H₂S + 4H₂O
• Fumārskābes reducēšana: fumārskābe → sukcināts (fumārskābe + 2e⁻ + 2H⁺ → sukcināts)
• Metanogeneze (arhejas): CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

Organismi, kas veic anaerobo elpošanu

• Daudzas bakteriju grupas: denitrifikatori (piem., Pseudomonas), sulfatreduktori (piem., Desulfovibrio), fermentējošas un anaerobi adaptētas E. coli līnijas.
• Arhejas: metanogēnās sugas (piem., Methanobacterium), kas izmanto CO₂ par terminālo akceptoru, ražojot metānu.
• Sīkāka parauga mikrobiota zarnu traktā un bezskābekļa nogulumos, kur dominē anaerobi procesi.

Kopsavilkumā: anaerobā elpošana ir elastīgs metabolisms, kas ļauj dzīvajām būtnēm iegūt enerģiju vidēs bez skābekļa, izmantojot dažādus terminālos elektronu akceptorus. Tā ietekmē vidi, rūpniecību un veselību, un tās specifiskie ceļi atšķiras atkarībā no pieejamajiem akceptoriem un organismu spējām.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir anaerobā elpošana?

J: Kādus elementus var izmantot kā skābekļa aizstājējus anaerobajā elpošanā?

Kāds organisms elpošanai izmanto nitrātus un fumārskābi?

J: Kam jābūt elektronu transporta ķēdes galā, lai caur to varētu izvadīt elektronus?

J: Cik efektīva ir anaerobā elpošana salīdzinājumā ar aerobo elpošanu?

J: Kā veidojas pienskābe, ja fiziskās slodzes laikā nav pieejams pietiekami daudz skābekļa?

J: Kāds process notiek, ja anaerobās elpošanas laikā skābeklis netiek izmantots vispār?

Meklēt pēc burta