Respirație anaerobă - Anaerobic respiration
Respirația anaerobă este respirația utilizând acceptori de electroni, alții decât oxigenul molecular (O 2 ). Deși oxigenul nu este ultimul acceptor de electroni, procesul folosește în continuare un lanț de transport respirator de electroni.
La organismele aerobe supuse respirației, electronii sunt transportați la un lanț de transport de electroni , iar acceptorul final de electroni este oxigenul . Oxigenul molecular este un agent oxidant cu energie ridicată și, prin urmare, este un excelent acceptor de electroni. În anaerobi , se utilizează alte substanțe mai puțin oxidante, cum ar fi azotatul (NO 3 - ), fumarat , sulfat (SO 4 2− ) sau sulf (S). Acești acceptori de electroni terminali au potențiale de reducere mai mici decât O 2 , ceea ce înseamnă că se eliberează mai puțină energie pentru fiecare moleculă oxidată. Prin urmare, respirația anaerobă este mai puțin eficientă decât aerobă.
În comparație cu fermentația
Respirația și fermentația celulară anaerobă generează ATP în moduri foarte diferite, iar termenii nu trebuie tratați ca sinonime. Respirația celulară (atât aerobă, cât și anaerobă) folosește compuși chimici foarte reduși, cum ar fi NADH și FADH 2 (de exemplu, produși în timpul glicolizei și ciclului acidului citric ) pentru a stabili un gradient electrochimic (adesea un gradient de protoni) pe o membrană. Acest lucru are ca rezultat o diferență de potențial electric sau concentrație de ioni pe membrană. Compușii chimici reduși sunt oxidați de o serie de proteine de membrană respiratorie integrală cu potențiale de reducere secvențial crescând, acceptorul final de electroni fiind oxigen (în respirația aerobă ) sau o altă substanță chimică (în respirația anaerobă). O forță motivantă a protonului conduce protonii în josul gradientului (de-a lungul membranei) prin canalul de protoni al ATP sintazei . Curentul rezultat determină sinteza ATP din ADP și fosfat anorganic.
În schimb, fermentarea nu folosește un gradient electrochimic. În schimb, fermentarea folosește doar fosforilarea la nivel de substrat pentru a produce ATP. Acceptorul de electroni NAD + este regenerat din NADH format în etape oxidative ale căii de fermentare prin reducerea compușilor oxidați. Acești compuși oxidați se formează adesea în timpul căii de fermentație însăși, dar pot fi și externe. De exemplu, în bacteriile acid lactice homofermentative, NADH format în timpul oxidării gliceraldehidei-3-fosfatului este oxidat înapoi la NAD + prin reducerea piruvatului în acid lactic într-o etapă ulterioară a căii. În drojdie , acetaldehida este redusă la etanol pentru a regenera NAD + .
Există două căi anaerobe importante de formare a metanului microbian, prin reducerea (respirația) dioxidului de carbon / bicarbonat (HCO 3 - ) sau fermentării acetatului.
Importanța ecologică
Respirația anaerobă este o componentă critică a ciclurilor globale de azot , fier , sulf și carbon, prin reducerea oxianionilor de azot, sulf și carbon la compuși mai reduși. Ciclul biogeochimic al acestor compuși, care depinde de respirația anaerobă, are un impact semnificativ asupra ciclului carbonului și asupra încălzirii globale . Respirația anaerobă are loc în multe medii, inclusiv sedimente de apă dulce și marine, sol, acvifere subterane, medii subterane profunde și biofilme. Chiar și mediile, cum ar fi solul, care conțin oxigen au, de asemenea, micro-medii care nu au oxigen datorită caracteristicilor de difuzie lentă a oxigenului gazos.
Un exemplu al importanței ecologice a respirației anaerobe este utilizarea azotatului ca acceptor terminal de electroni sau denitrificarea disimilatoare , care este principala cale prin care azotul fix este returnat în atmosferă ca azot molecular. Procesul de denitrificare este, de asemenea, foarte important în interacțiunile gazdă-microb. Similar cu mitocondriile din microorganismele care respiră oxigenul, unele ciliate anaerobe unicelulare folosesc endosimbioni pentru a câștiga energie. Un alt exemplu este metanogeneza , o formă de respirație cu dioxid de carbon, care este utilizată pentru a produce gaz metan prin digestie anaerobă . Metanul biogen este utilizat ca alternativă durabilă la combustibilii fosili. Pe partea negativă, metanogeneza necontrolată în depozitele de deșeuri eliberează volume mari de metan în atmosferă, unde acționează ca un puternic gaz cu efect de seră . Respirația cu sulfat produce hidrogen sulfurat , care este responsabil pentru mirosul caracteristic de „ou putred” al zonelor umede de coastă și are capacitatea de a precipita ioni de metale grele din soluție, ducând la depunerea minereurilor metalice sulfidice .
Relevanță economică
Dissimilatory denitrificarea este utilizat pe scară largă în îndepărtarea nitrat și nitrit de ape uzate municipale. Un exces de nitrați poate duce la eutrofizarea căilor navigabile în care este eliberată apa tratată. Nivelurile ridicate de nitriți din apa potabilă pot duce la probleme din cauza toxicității sale. Denitrificarea transformă ambii compuși în gaz azot inofensiv.
.svg)
Engleză: Modelul de mai sus prezintă procesul de respirație anaerobă prin denitrificare , care folosește azotul (sub formă de azotat, NO 3 - ) ca acceptor de electroni. NO 3 - trece prin dehidrogenază respiratorie și se reduce prin fiecare pas din ubiquinoză prin complexul bc1 și prin proteina ATP sintază. Fiecare reductază pierde oxigen prin fiecare pas, astfel încât produsul final al respirației anaerobe este N2.
1. Citoplasma
2. Periplasma Comparați cu lanțul aerob de transport al electronilor .
Tipuri specifice de respirație anaerobă sunt, de asemenea, critice în bioremediere , care utilizează microorganisme pentru a transforma substanțele chimice toxice în molecule mai puțin dăunătoare pentru a curăța plajele, acviferele, lacurile și oceanele contaminate. De exemplu, arsenatul sau selenatul toxic pot fi reduse la compuși mai puțin toxici de diferite bacterii anaerobe prin respirație anaerobă. Reducerea poluanților chimici clorurați , cum ar fi clorura de vinil și tetraclorura de carbon , are loc și prin respirație anaerobă.
Respirația anaerobă este utilă în generarea de electricitate în celulele de combustie microbiene , care folosesc bacterii care respira acceptori de electroni solizi (cum ar fi fierul oxidat) pentru a transfera electronii din compușii reduși într-un electrod. Acest proces poate degrada simultan deșeurile de carbon organic și poate genera electricitate.
Exemple de acceptori de electroni în respirație
Vezi si
- Hidrogenozomi și mitosomi
- Digestie anaerobă
- Pilă de combustibil microbiană
- Potențial standard al electrodului (pagina de date)
- Tabelul potențialelor de reducere standard pentru jumătățile de reacții importante în biochimie
- Litotrofe
Lecturi suplimentare
- Gregory, Kelvin B .; Bond, Daniel R .; Lovley, Derek R. (iunie 2004). „Electrozi de grafit ca donatori de electroni pentru respirația anaerobă”. Microbiologie de mediu . 6 (6): 596-604. doi : 10.1111 / j.1462-2920.2004.00593.x . ISSN 1462-2912 . PMID 15142248 .