Анаэробное дыхание это кратко и понятно

Обновлено: 30.06.2024

При выполнении гематологических исследований используются два типа организмов аэробные и анаэробные. Они отличаются потребностью в наличии кислорода в окружающей среде. Аэробные микроорганизмы могут функционировать только при наличии кислорода, в то время, как анаэробные в нем совсем не нуждаются.

Классификация этих видов проводится на основе реакции на наличие или отсутствие кислорода. Из-за этого аэробные и анаэробные микроорганизмы по-разному выполняют свои функции в процессе клеточного дыхания.

Особенности аэробных микроорганизмов

Аэробные микроорганизмы не могут существовать без кислорода. Он необходим им для роста, развития и участвует в процессах размножения. Благодаря кислороду они способны окислять моносахариды, например, глюкозу.

Генерация энергии в этих микроорганизмах происходит при гликолизе. После него следует цикл Кребса и цепь переноса электронов. Среды, насыщенные кислородом – отличная питательная среда для таких микроорганизмов. Примеры аэробов – бациллы и нокардии.

Типы аэробов

Аэробные микроорганизмы классифицируют по уровню необходимого для жизнедеятельности кислорода:

Облигатные аэробы или аэрофилы. В обязательном порядке нуждаются в кислороде. Они используют его для клеточного дыхания и окисления органических веществ – сахаров и жиров, из которых получают энергию. Примеры облигатных аэробных микроорганизмов - Nocardia, Mycobacterium tuberculosis и Vibrio cholerae.
Микроаэрофильные аэробы. Обладают способностью выживать при малых концентрациях кислорода (около 10 процентов). Пример – Хеликобактер пилори.

Бактерии, нуждающиеся в кислороде для выживания, легко выделяются при культивировании в жидкой среде. Так для полноценной жизнедеятельности им необходим кислород, то чтобы выжить они всплывают на поверхность.

Особенности анаэробов

В процессе энергетического обмена эти микроорганизмы не используют кислород. Для этого им необходимы марганец, сера, кобальт, азот, метал или железо. В процессе образования энергии анаэробные микроорганизмы подвергаются ферментации. Для выживания они используют энергию, производимую при анаэробных процессах брожения:

Классификация анаэробных микроорганизмов также определяется по уровню токсичности кислорода:

Аэротолерантные. Для выживания кислород им не требуется, а его присутствие не наносит им вреда. Пример – лактобациллы.
Облигатные. Для таких микроорганизмов кислород губителен. Они живут и растут только при полном его отсутствии в среде. Пример – клостридии, метаносарцины.
Факультативные. На их развитие и жизнедеятельность не влияет наличие кислорода. Они могут жить как при его наличии, так и при отсутствии. Пример – кишечная палочка.

Анаэробы не способны выживать в среде, богатой кислородом. Для облигатных разновидностей он токсичен, а вот факультативным видам он не вредит.

Сходства между аэробами и анаэробами

Являются прокариотическими микроорганизмами.
Их начальная стадия клеточного дыхания – гликолиз.
Их основу составляют патогенные болезнетворные микроорганизмы.
Применяются в различных сферах промышленности.

Различия аэробов и анаэробов

Отличительные особенности микроорганизмов представлены в таблице.

Параметр сравнения	Аэробы	Анаэробы
Условия выживания	Нуждаются в кислороде, так как он конечный акцептор электронов в их клеточном дыхании	Для клеточного дыхания им не нужен кислород
Конечные электронные акцепторы	Кислород	Сера, метан, азот, железо
Процессы, участвующие в клеточном дыхании	Гликолиз, Цикл Кребса, Цепь переноса электронов	Гликолиз, Ферментация
Разновидности	Облигатные, Микроаэрофильные, Факультативные, Аэротолерантные	Облигатные, Факультативные
Среда для роста	Богатые уровнем кислорода среды	Среды, в которых отсутствует кислород
Токсичность кислорода	Нетоксичен	Токсичен
Кислородные детоксифицирующие ферменты	Присутствуют	Отсутствуют
Уровень производства энергии	Высокая эффективность производства энергии	Низкая эффективность производства энергии
Примеры	Сенная палочка (Bacillus spp), Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa), Палочка Коха (Mycobacterium tuberculosis)	Актиномицеты (Actinomyces), Бактероиды (Bacteroides), Пропионовокислые бактерии (Propionibacterium), Вейлонелла (Veillonella), Пептострепококки (Peptostreptococcus), Порфиромонас (Porphyromonas), Клостридии (Clostridium spp)

Аэробы и анаэробы требуют различных по уровню кислорода питательных сред для выживания. Аэробным микроорганизмам кислород необходим для энергетического обмена, а анаэробные микроорганизмы его не используют. Вместо этого они используют нитраты, серу и метан. Именно поэтому ключевыми отличиями этих микроорганизмов являются типы конечных акцепторов электронов, которые используются в процессе клеточного дыхания.

Внимание! Компания Медика Групп занимается продажей автоматических микробиологических анализаторов и флаконов с питательными средами, но не оказывает услуги по сбору или расшифровке результатов анализов крови.

Анаэробное дыхание – это такое дыхание микробов, при котором для окисления органических или неорганических веществ используется не молекулярный кислород, а другие окисленные соединения. В частности, соли азотной, серной и угольной кислот. При этом используемые соединения превращаются в более восстановленные. Процессы идут в анаэробных условиях, то есть без доступа кислорода [1] .

При анаэробном дыхании акцептором электронов выступают различные неорганические соединения – нитраты, сульфаты, карбонаты. Таким образом, различия между аэробным дыханием и анаэробным дыханием заключено в природе конечного акцептора электронов. Выход аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) при анаэробном дыхании меньше, чем при аэробном, но больше, чем при брожении [2] [1] .

Типы анаэробного дыхания

Тип анаэробного дыхания зависит от природы конечного акцептора электронов в электротранспортной цепи. В зависимости от этого различают:

сульфатное дыхание – конечный акцептор электронов сульфатная группа SO₄ 2- . Бактерии – сульфатвосстанавливающие или сульфатредуцирующие;
нитратное дыхание (денитрификация) – конечный акцептор электронов нитратная (NO₃ - ) или нитритная группа (NO₂ - ). Бактерии – денитрифицирующие;
карбонатное дыхание – конечный акцептор электронов CO₂ (улекислый газ). Бактерии – метаногенные (метанобразующие);
фумаратное дыхание – конечным акцептором электронов служит органическое вещество [2] .

Метаболические особенности анаэробных бактерий

Бактерии способные к анаэробному дыханию характеризуются укороченными электротранспортными или дыхательными цепями. Они не содержат всех переносчиков, характерных для дыхательных цепей аэробных бактерий [2] .

Параллельно в цепях анаэробов цитохромоксидаза заменена соответствующими редуктазами. В обмене веществ строгих анаэробов не функционирует цикл Кребса или он разорван и выполняет только биосинтетические, но не энергетические функции [2] .

Основное количество молекул АТФ при анаэробном дыхании синтезируется в процессе мембранного фосфорилирования [2] .

По отношению к молекулярному кислороду бактерии, для которых характерно анаэробное дыхание, могут являться факультативными или облигатными анаэробами [2] .

Облигатные анаэробы – это сульфатвосстанавливающие и метаногенные бактерии [2] .

Факультативные анаэробы – это денитрифицирующие бактерии и бактерии, осуществляющие фумаратное дыхание [2] .

Факультативные анаэробы могут переключать свой энергетический метаболизм с аэробного дыхания в присутствии в среде молекулярного кислорода, на анаэробное дыхание в отсутствии молекулярного кислорода [2] .

Анаэробное дыхание. Характеристика анаэробного дыхания.

Анаэробное дыхание часто называют брожением. Многие микроорганизмы получают большую часть своего АТФ за счет анаэробного дыхания. Для некоторых бактерий кислород, даже в обычных присутствующих в атмосфере количествах, вообще губителен, так что они вынуждены жить там, где нет кислорода. Такие организмы называют облигатными анаэробами (пример — Clostridium tetani, возбудитель столбняка).

Известны и другие организмы, например дрожжи и паразиты кишечного тракта (ленточные черви и др.), которые могут существовать как без кислорода, так и и его присутствии. Их называют факультативными анаэробами: при необходимости они переходят на анаэробное дыхание, однако в присутствии кислорода используют аэробный путь. Некоторые клетки, временно испытывающие недостаток кислорода (в частности, мышечные клетки), также обладают способностью к анаэробному дыханию.

Первой фазой анаэробного дыхания тоже является гликолиз. Он дает в результате на каждую молекулу глюкозы две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы восстановленного НАД (см. табл. 9.1). При аэробном дыхании присоединившийся к НАД водород после ряда реакций, идущих с высвобождением энергии, передается в конце концов кислороду и окисляется до воды. При анаэробном дыхании это оказывается невозможным, поскольку кислорода нет. Вместо этого водород вновь присоединяется к пировиноградной кислоте, так что часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, так и не извлекается (остается в конечном продукте брожения). Ниже мы подробнее рассмотрим, как это происходит у грибов и в животных клетках.

Анаэробное дыхание у грибов, например у дрожжей

Пировиноградная кислота---------> Ацетальдегид + СО₂
Фермент: пируватдекарбоксилаза

Ацетальдегид + НАД • Н + Н+---------> Этанол + НАД+
Фермент: алкогольдегидрогеназа

Итого: Пировиноградная кислота---------> Этанол + СO₂

Здесь приведены конечные этапы процесса, который носит название спиртового брожения. АТФ при спиртовом брожении образуется только на ранних его этапах — при расщеплении глюкозы до пировиноградной кислоты. Спиртовое брожение используется в производстве пива, вина и других спиртных напитков. В производстве хлебобулочных изделий используют выделяемый дрожжами в процессе спиртового брожения СОг — пузырьки этого газа заставляют подниматься тесто. Конечный продукт спиртового брожения — этанол — содержит еще довольно много энергии (в Бразилии, например, из него делают газохол, на котором ездят автомобили). Однако в отсутствие кислорода энергию из этанола извлечь нельзя.

Общий выход АТФ при спиртовом брожении составляет две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.

Анаэробное дыхание в животных клетках, например в мышечной ткани

Пировиноградная кислота + НАД * Н + Н+ ----------------> Молочная кислота + НАД*
Фермент: лактатдегидрогеназа

В отличие от спиртового брожения ни СО₂, ни этанол при молочнокислом брожении не образуются. Конечным продуктом в данном случае является молочная кислота, накопление которой в мышцах вызывает чувство усталости, а иногда и судороги. О кислородной задолженности, возникающей при усиленной мышечной работе, мы будем говорить в следующих статьях.

При молочнокислом брожении, так же как и при спиртовом, на одну молекулу глюкозы образуются две молекулы АТФ. В конечном его продукте — молочной кислоте — сохраняется еще много энергии.

Общая схема анаэробного дыхания приведена на рисунке.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Анаэробное дыхание – это тип дыхания, посредством которого клетки могут расщеплять сахара для выработки энергии в отсутствие кислорода. Это в отличие от высокоэффективного процесса аэробного дыхания, который опирается на кислород для производства энергии.

Молекулярный кислород является наиболее эффективным акцептором электронов для дыхания из-за его высокого сродства к электронам. Однако некоторые организмы эволюционировали для использования других конечных акцепторов электронов и, как таковые, могут выполнять дыхание без кислорода.

Дыхание имеет решающее значение для выживания клетки, потому что если она не сможет высвободить энергию из топлива, у нее не будет достаточно энергии, чтобы выполнять свои нормальные функции. Вот почему дышащие воздухом организмы умирают так быстро без постоянного запаса кислорода: наши клетки не могут генерировать достаточно энергии, чтобы остаться в живых без него.

Вместо кислорода анаэробные клетки используют такие вещества, как сульфат, нитрат, сера и фумарат, чтобы управлять клеточное дыхание, Многие клетки могут выполнять аэробное или анаэробное дыхание в зависимости от наличия кислорода.

Анаэробный против Аэробного Дыхания

сходства

Как аэробное, так и анаэробное дыхание являются методами сбора энергии из таких источников пищи, как жиры или сахара. Оба процесса начинаются с расщепления молекулы сахара с шестью углеродами на 2 три углерода пируват молекулы в процессе, называемом гликолизом. Этот процесс потребляет две молекулы АТФ и создает четыре АТФ, что приводит к чистому увеличению двух АТФ на молекулу сахара, которая расщепляется.

Как при аэробном, так и при анаэробном дыхании две молекулы пирувата подвергаются другой серии реакций, в которых используются цепи переноса электронов для генерирования большего количества АТФ.

Именно эти реакции требуют акцептора электронов – будь то кислород, сульфат, нитрат и т. Д. – чтобы привести их в движение.

Многие бактерии и археи могут выполнять только анаэробное дыхание. Многие другие организмы могут выполнять либо аэробное, либо анаэробное дыхание, в зависимости от наличия кислорода.

Люди и другие животные полагаются на аэробного дыхания остаться в живых, но может продлить жизнь или работу своих клеток в отсутствие кислорода посредством анаэробного дыхания.

Различия

После гликолиза и аэробные, и анаэробные клетки направляют две молекулы пирувата через серию химических реакций, чтобы генерировать больше АТФ и извлекать электроны для использования в их цепи переноса электронов.

Тем не менее, что это за реакции и где они происходят, зависит от аэробного и анаэробного дыхания

Во время аэробного дыхания электронная транспортная цепь и большинство химических реакций дыхания происходят в митохондрии, Система мембран митохондрий делает процесс намного более эффективным, концентрируя химические реагенты дыхания вместе в одном небольшом пространстве.

Напротив, анаэробное дыхание обычно происходит в цитоплазма, Это потому, что большинство клеток, которые осуществляют исключительно анаэробное дыхание, не имеют специализированных органелл. Последовательность реакций при анаэробном дыхании обычно короче, и вместо кислорода используется конечный акцептор электронов, такой как сульфат, нитрат, сера или фумарат.

Анаэробное дыхание также производит меньше АТФ для каждой перевариваемой молекулы сахара, чем аэробное дыхание, что делает его менее эффективным методом генерирования клеточной энергии. Кроме того, он производит различные отходы, включая, в некоторых случаях, алкоголь!

Облигатные аэробы – организмы, которые не могут выжить без кислорода. Например, люди являются обязательными аэробами.
Облигатные анаэробы – организмы, которые не могут выжить в присутствии кислорода. Определенный вид Из бактерий являются облигатные анаэробы, такие как Clostridium tetani, вызывающий столбняк.
Аэротолерантные организмы – организмы, которые могут жить в присутствии кислорода, но не используют его для роста. Например, бактерия Streptococcus, вызывающая воспаление горла.
Факультативные аэробики – организмы, которые могут использовать кислород для роста, но также могут выполнять анаэробное дыхание. Например, Saccharomyces cerevisiae – дрожжи, используемые в пивоварении.

Ученые могут классифицировать микробы таким способом, используя простую экспериментальную установку с тиогликолятным бульоном. Эта среда содержит диапазон концентраций кислорода, создающих градиент. Это происходит из-за присутствия тиогликолата натрия, который потребляет кислород, и постоянной подачи кислорода из воздуха; в верхней части трубки будет присутствовать кислород, а в нижней части кислород не будет присутствовать.

Типы анаэробного дыхания

Типы анаэробного дыхания так же разнообразны, как и его акцепторы электронов. Важные виды анаэробного дыхания включают в себя:

Молочная кислота ферментация – При таком типе анаэробного дыхания глюкоза расщепляется на две молекулы молочной кислоты с образованием двух АТФ. Это происходит в определенных типах бактерий и некоторых тканях животных, таких как мускул ячейки
Алкогольная ферментация – При таком типе анаэробного дыхания глюкоза расщепляется на этанол или этиловый спирт. Этот процесс также производит два АТФ на молекулу сахара. Это происходит у дрожжей и даже у некоторых видов рыб, таких как золотая рыбка,
Другие виды брожения – Другие виды брожения выполняются некоторыми бактериями и археями. К ним относятся ферментация пропионовой кислоты, ферментация масляной кислоты, растворитель ферментация, смешанная кислотная ферментация, бутандиоловая ферментация, ферментация на палках, ацетогенез и метаногенез.

Анаэробные уравнения дыхания

Уравнения для двух наиболее распространенных типов анаэробного дыхания:

• Брожение молочной кислоты:

C6H12O6 (глюкоза) + 2 АДФ + 2 пи → 2 молочной кислоты + 2 АТФ

C6H12O6 (глюкоза) + 2 АДФ + 2 пи → 2 C2H5OH (этанол) + 2 СО2 + 2 АТФ

Примеры анаэробного дыхания

Боль в мышцах и молочной кислоте

Во время интенсивных тренировок наши мышцы используют кислород для производства АТФ быстрее, чем мы можем его поставлять.

Когда это происходит, мышечные клетки могут выполнять гликолиз быстрее, чем они могут поставлять кислород в митохондриальную цепь транспорта электронов.

В результате в наших клетках происходит анаэробное дыхание и ферментация молочной кислоты, а после продолжительных упражнений накопившаяся молочная кислота может сделать наши мышцы болит!

Дрожжи и алкогольные напитки

Дрожжи могут использовать сложные углеводы, в том числе содержащиеся в картофеле, винограде, кукурузе и многих других зернах, в качестве источников сахара для клеточного дыхания.

Помещение дрожжей и их источника топлива в герметичную бутылку гарантирует, что вокруг не будет достаточно кислорода, и, таким образом, дрожжи перейдут в анаэробное дыхание. Это производит алкоголь.

Алкоголь фактически токсичен для дрожжей, которые его производят – когда концентрации алкоголя станут достаточно высокими, дрожжи начнут умирать.

По этой причине невозможно варить вино или пиво с содержанием алкоголя более 30%. Однако процесс дистилляции, который отделяет спирт от других компонентов варева, может использоваться для концентрирования спирта и производства спиртных напитков, таких как водка.

Метаногенез и Опасные Доморощенные

К сожалению, алкогольная ферментация – не единственный вид ферментации, который может происходить в растение дело. Другой алкоголь, называется метанол, может быть получен из ферментации целлюлозы. Это может вызвать отравление метанолом.

Смерть и повреждение нервов от отравления метанолом все еще остаются проблемой в районах, где люди пытаются дешево заваривать алкоголь. Итак, если вы собираетесь стать пивоваром, убедитесь, что вы делаете свою домашнюю работу!

Швейцарский сыр и пропионовая кислота

Ферментация пропионовой кислоты придает швейцарскому сыру характерный вкус. Отверстия в швейцарском сыре на самом деле сделаны пузырьками углекислого газа, которые выделяются в качестве отходов бактерий, использующих ферментацию пропионовой кислоты.

Обнаружено, что виновником является отсутствие специфических бактерий, которые производят пропионовую кислоту. На протяжении веков, эти бактерии были введены в качестве загрязнителя из сена, который ели коровы. Но после введения более строгих стандартов гигиены этого больше не происходило!

Эта бактерия сейчас добавлено намеренно во время производства, чтобы гарантировать, что швейцарский сыр остается ароматным и сохраняет свой мгновенно узнаваемый внешний вид.

Уксус и Ацетогенез

Бактерии, которые выполняют ацетогенез, ответственны за создание уксуса, который состоит в основном из уксусная кислота.

Уксус фактически требует двух процессов брожения, потому что бактерии, которые производят уксусную кислоту, требуют алкоголя в качестве топлива!

Как таковой, уксус сначала сбраживается в алкогольный препарат, такой как вино. Затем спиртовую смесь снова ферментируют с использованием ацетогенных бактерий.

Читайте также: