Tabla de Contenidos
Procesy tlenowe i beztlenowe to dwa różne rodzaje procesów, które komórki wykorzystują do pozyskiwania energii z pożywienia, które jedzą, w zależności od warunków otoczenia. Główna różnica między nimi polega na tym, że pierwszą przeprowadzają komórki, gdy znajdują się w środowisku bogatym w tlen, a drugą, gdy go nie ma lub gdy stężenie tego gazu nie jest wystarczająco wysokie.
Oprócz tej fundamentalnej różnicy, reakcje biochemiczne zachodzące w obecności lub nieobecności tlenu są również różne, więc procesy tlenowe i beztlenowe generalnie prowadzą do różnych produktów pośrednich i końcowych, a także do innego poziomu wykorzystania energii. składniki odżywcze. Z drugiej strony istnieją również różnice dotyczące rodzaju organizmu zdolnego do wykorzystania każdego procesu i części komórki, w której zachodzą.
Różnice między tlenowymi i beztlenowymi procesami komórkowymi
Poniższa tabela podsumowuje najważniejsze różnice między tymi dwoma procesami metabolicznymi. Zostały one dokładniej wyjaśnione później.
| Procesy tlenowe | Procesy beztlenowe | |
| Kiedy występują: | Występują w obecności tlenu. | Występują przy braku tlenu lub przy niskim stężeniu tlenu. |
| Podłoże początkowe: | glukoza i tlen. | Tylko glukoza. |
| Produkt finalny: | CO 2 , woda i energia w postaci ATP | Energia w postaci ATP iw zależności od rodzaju procesu produktem końcowym może być kwas mlekowy lub etanol i CO 2 . |
| Zaangażowane etapy: | • Glikoliza • Utlenianie pirogronianu • Cykl kwasu cytrynowego lub cykl Krebsa. • Fosforylacja oksydacyjna. |
• Glikoliza • Utlenianie pirogronianu • Większość nie obejmuje cyklu Krebsa. • Większość nie obejmuje fosforylacji oksydacyjnej. |
| Obejmuje łańcuch transportu elektronów. | W przypadku fermentacji nie obejmuje łańcucha transportu elektronów. | |
| Wydajność produkcji energii: | Wytwarza duże ilości energii w postaci ATP. Dla każdej cząsteczki glukozy powstaje w sumie 30-32 cząsteczek ATP netto. | Produkuje mało energii w postaci ATP. Na każdą sfermentowaną cząsteczkę glukozy powstają tylko 2 cząsteczki ATP netto. |
| Część komórki, w której występuje: | Jedna część występuje w cytoplazmie, a druga w mitochondriach. | Występuje w cytoplazmie iw niektórych przypadkach na błonie komórkowej. |
| Rodzaj organizacji, która go używa: | Występuje w organizmach tlenowych i fakultatywnych beztlenowcach. Nie występuje u bezwzględnych beztlenowców ani u tolerujących beztlenowców. |
Występuje u ścisłych, fakultatywnych i tolerancyjnych beztlenowców. |
| Różnice w ewolucji: | Jest to nowszy proces metaboliczny. | Uważa się, że jest to najstarszy proces metaboliczny węglowodanów. |
ATP: Paliwo komórkowe
Nawet po strawieniu komórki nie mogą wykorzystywać substancji, w które spożywane przez nas pokarmy są przekształcane bezpośrednio jako źródło energii. To musi je przetworzyć i przekształcić w specjalną cząsteczkę zwaną trifosforanem adenozyny, trifosforanem adenozyny lub ATP, od angielskiego akronimu.
W tym miejscu wchodzą w grę tlenowe i beztlenowe procesy metaboliczne, ponieważ oba reprezentują różne sposoby przekształcania glukozy i innych składników odżywczych w ATP. Innymi słowy, procesy tlenowe i beztlenowe można postrzegać jako różne sposoby rafinacji żywności w celu wytworzenia ogniw paliwowych, których faktycznie potrzebują.
Procesy tlenowe
Procesy tlenowe odnoszą się do oddychania komórkowego w obecności tlenu. Są to serie reakcji biochemicznych, w których tlen jest końcowym akceptorem elektronów generowanych przez utlenianie glukozy. Reakcja netto oddychania tlenowego to:
C 6 H 12 O 6 (glukoza) + 6O 2 + 32ADP + 32Pi → 6CO 2 + 6H 2O + 32ATP
W tym równaniu chemicznym ADP oznacza monofosforan adenozyny, Pi odnosi się do fosforanu nieorganicznego, a ATP to trójfosforan adenozyny.
Elektrony z utleniania glukozy są transportowane w górę łańcucha transportu elektronów poprzez szereg reakcji utleniania-redukcji, znanych łącznie jako fosforylacja oksydacyjna. Proces ten zachodzi w mitochondriach i wytwarza duże ilości energii w postaci ATP.
Oddychanie tlenowe rozpoczyna się od etapu, który nie wymaga tlenu, zwanego glikolizą . Podczas tej pierwszej fazy, która zachodzi w cytoplazmie komórki, cząsteczka glukozy jest dzielona na dwie części w wyniku różnych reakcji, w wyniku czego powstają dwie cząsteczki związku zwanego pirogronianem, generując dwie cząsteczki ATP netto.
Pirogronian powstały podczas glikolizy jest utleniany, a następnie wchodzi do mitochondriów, gdzie wchodzi w cykl Krebsa, znany również jako cykl kwasu trikarboksylowego lub cykl kwasu cytrynowego. Cykl ten jest sprzężony z fosforylacją oksydacyjną , a te dwa procesy wraz z glikolizą wytwarzają łącznie 32 cząsteczki ATP netto na każdą metabolizowaną cząsteczkę glukozy.
Procesy beztlenowe
W przeciwieństwie do procesów tlenowych, procesy beztlenowe nie wykorzystują tlenu na żadnym ze swoich etapów. W rzeczywistości termin ten obejmuje procesy metabolizmu glukozy i innych składników odżywczych przy braku tlenu.
Najczęstszymi procesami beztlenowymi są oddychanie beztlenowe i różne rodzaje fermentacji.
oddychanie beztlenowe
Odnosi się do sposobu, w jaki niektóre mikroorganizmy beztlenowe przeprowadzają utlenianie glukozy. W takich przypadkach, zamiast tlenu będącego końcowym akceptorem elektronów z glukozy, inne związki nieorganiczne, takie jak jony azotanowe, siarczany, dwutlenek węgla, a nawet, w niektórych przypadkach, niektóre kationy metali, takie jak żelazo (III), mangan (IV) lub uran (VI).
Oddychanie beztlenowe jest bardzo podobne do oddychania tlenowego, ponieważ obejmuje również początkowy etap glikolizy i szereg reakcji utleniania połączonych z łańcuchem transportu elektronów, ale wytwarza mniej energii niż oddychanie tlenowe.
fermentacja
Fermentacja to inny rodzaj procesu beztlenowego. Chociaż zaczyna się również od tworzenia pirogronianu poprzez glikolizę, nie następuje łańcuch reakcji, który prowadzi do jego całkowitego utlenienia, jak ma to miejsce podczas oddychania (beztlenowego lub nie).
W zależności od rodzaju produktu końcowego, w którym przetwarzany jest pirogronian, można przeprowadzić różne rodzaje fermentacji. Na przykład komórki mięśniowe mogą fermentować pirogronian do kwasu mlekowego, jeśli nie ma wystarczającej ilości tlenu lub jeśli jest więcej pirogronianu, niż mitochondria mogą obsłużyć poprzez oddychanie tlenowe. Może się to zdarzyć, gdy wykonujemy długotrwałe ćwiczenia o wysokiej intensywności.
Wiele mikroorganizmów może również przeprowadzać inne rodzaje fermentacji. Niektóre, jak na przykład drożdże, fermentują węglowodany do alkoholu etylowego . Proces ten jest wykorzystywany do produkcji napojów alkoholowych. Jeszcze inne bakterie mogą wytwarzać metan poprzez fermentację.
Ponieważ pirogronian podczas fermentacji usuwa pirogronian, zanim dotrze on do łańcucha transportu elektronów, nie jest to uważane za rodzaj oddychania, ale za rodzaj procesu beztlenowego.
Różnice w produkcji energii w procesach tlenowych i beztlenowych
Jedną z najważniejszych różnic między procesami tlenowymi i beztlenowymi jest ich zdolność do wykorzystania energii chemicznej zawartej w glukozie i innych pokarmach komórkowych. Oddychanie tlenowe jest znacznie wydajniejsze w wytwarzaniu energii niż którykolwiek z procesów beztlenowych.
Zarówno procesy tlenowe, jak i beztlenowe rozpoczynają się od tego samego początkowego etapu, którym jest glikoliza. Ten proces ma produkcję netto tylko 2 cząsteczek ATP.
Jednak tutaj podobieństwa się kończą. W procesach beztlenowych, ponieważ nie ma tlenu, pirogronian nie wchodzi w cykl Krebsa, który łączy się z maszynerią do produkcji ATP utworzoną przez łańcuch transportu elektronów, więc nie jest możliwe wytworzenie większej ilości ATP niż dwie cząsteczki, które pochodzą z glikolizy.
Z tego powodu procesy tlenowe są znacznie bardziej efektywne energetycznie niż beztlenowe.
Różnice w ich ewolucji
Uważa się, że procesy beztlenowe są starsze niż tlenowe, ponieważ pierwotna atmosfera nie zawierała tlenu. Nie powstał, dopóki organizmy fotosyntetyzujące, głównie rośliny zielone, nie wyewoluowały, długo po powstaniu życia na lądzie.
Uważa się, że nawet pierwsze jednokomórkowe organizmy eukariotyczne były beztlenowe. Jednak ewoluując poprzez endosymbiozę, w pewnym momencie włączyli komórki fotosyntetyczne, które wytwarzały tlen jako produkt uboczny, a później ewoluowały, aby móc wykorzystać ten związek dzięki jego wysokiemu potencjałowi redukcyjnemu.
Gdy na Ziemi zaczęły pojawiać się wielokomórkowe organizmy eukariotyczne, większe i bardziej złożone organizmy potrzebowały więcej energii, więc procesy tlenowe były wielką zaletą ewolucyjną. Dzięki doborowi naturalnemu organizmy z największą liczbą mitochondriów, które mogły podlegać oddychaniu tlenowemu, przeżyły i rozmnażały się masowo, przekazując te korzystne adaptacje swojemu potomstwu. Starsze wersje nie mogły dłużej zaspokajać zapotrzebowania na ATP w bardziej złożonych organizmach i wymarły.
