خصائص التنفس اللاهوائي ، الأنواع والكائنات الحية

ال التنفس اللاهوائي أو اللاهوائية هي طريقة التمثيل الغذائي حيث يتم إطلاق الطاقة الكيميائية بدءا من الجزيئات العضوية. المستقبل النهائي للإلكترون لهذه العملية برمتها هو جزيء غير الأكسجين ، مثل أيونات النترات أو الكبريتات.

الكائنات الحية التي تقدم هذا النوع من التمثيل الغذائي هي بدائيات النوى وتسمى الكائنات اللاهوائية. لا يمكن أن تعيش بدائيات النوى التي لا لاهوائية بشكل صارم إلا في البيئات التي لا يوجد فيها أكسجين ، حيث أنها شديدة السمية وحتى قاتلة..

بعض الكائنات الحية الدقيقة - البكتيريا والخميرة - تحصل على طاقتها من خلال عملية التخمير. في هذه الحالة ، لا تتطلب العملية الأكسجين أو سلسلة نقل الإلكترون. بعد تحلل السكر ، تتم إضافة بضع تفاعلات إضافية ويمكن أن يكون المنتج النهائي هو الكحول الإيثيلي.

لسنوات ، استفادت الصناعة من هذه العملية لإنتاج منتجات ذات أهمية للاستهلاك البشري ، مثل الخبز والنبيذ والبيرة وغيرها..

عضلاتنا هي أيضا قادرة على تنفيذ التنفس اللاهوائي. عندما تتعرض هذه الخلايا لجهد كبير ، تبدأ عملية التخمير اللبني ، مما يؤدي إلى تراكم هذا المنتج في العضلات ، مما يخلق التعب.

مؤشر

• 1 الخصائص
• 2 أنواع
  • 2.1 استخدام النترات كمتقبل للإلكترون
  • 2.2 استخدام الكبريتات كمتقبل للإلكترون
  • 2.3 استخدام ثاني أكسيد الكربون كمتقبل للإلكترون
• 3 التخمير
• 4 الكائنات الحية مع التنفس اللاهوائي
  • 4.1 اللاهوائية الصارمة
  • 4.2 اللاهوائية اختياري
  • 4.3 الكائنات التي لديها القدرة على التخمير
• 5 أهمية البيئة
• 6 الاختلافات مع التنفس الهوائية
• 7 المراجع

ملامح

التنفس هو الظاهرة التي يتم من خلالها الحصول على الطاقة في صورة ATP ، بدءاً من الجزيئات العضوية المختلفة - الكربوهيدرات بشكل رئيسي. تتم هذه العملية بفضل التفاعلات الكيميائية المختلفة التي تحدث داخل الخلايا.

على الرغم من أن المصدر الرئيسي للطاقة في معظم الكائنات الحية هو الجلوكوز ، إلا أنه يمكن استخدام جزيئات أخرى لاستخراج الطاقة ، مثل السكريات الأخرى والأحماض الدهنية أو في حالات الحاجة الشديدة ، والأحماض الأمينية - لبنات البناء الأساسية للبروتينات.

يتم تقدير كمية الطاقة التي يستطيع كل جزيء إطلاقها في جول. تعتمد الطرق أو المسارات الكيميائية الحيوية للكائنات الحية لتدهور هذه الجزيئات بشكل أساسي على وجود الأكسجين أو عدم وجوده. وبهذه الطريقة ، يمكننا تصنيف التنفس إلى مجموعتين كبيرتين: اللاهوائية والهوائية.

في التنفس اللاهوائي ، توجد سلسلة نقل إلكترونية تنتج ATP ، والمستقبل النهائي للإلكترون هو مادة عضوية مثل أيونات النترات ، والكبريتات ، وغيرها..

من المهم عدم الخلط بين هذا النوع من التنفس اللاهوائي والتخمر. كلتا العمليتين مستقلة عن الأكسجين ، لكن في الأخير لا توجد سلسلة نقل إلكترونية.

نوع

هناك طرق متعددة يمكن بها للكائن الحي أن يتنفس بدون أكسجين. إذا لم يكن هناك سلسلة نقل إلكترونية ، فإن أكسدة المادة العضوية سوف تقترن بتخفيض ذرات مصدر الطاقة الأخرى في عملية التخمير (انظر أدناه).

في حالة وجود سلسلة ناقل ، يمكن أخذ ورقة متقبل الإلكترون النهائية بواسطة أيونات مختلفة ، من بينها النترات والحديد والمنغنيز والكبريتات وثاني أكسيد الكربون ، وغيرها..

سلسلة نقل الإلكترون هي نظام لتفاعلات الحد من الأكسدة التي تؤدي إلى إنتاج الطاقة في شكل ATP ، من خلال طريقة تسمى الفسفرة التأكسدية.

تم العثور على الإنزيمات المشاركة في العملية داخل البكتيريا ، مثبتة في الغشاء. تشتمل بدائيات النوى على مثل هذه الانقلابات أو الحويصلات التي تشبه الميتوكوندريا في الكائنات حقيقية النواة. هذا النظام يختلف على نطاق واسع بين البكتيريا. الاكثر شيوعا هي:

استخدام النترات كمتقبل للإلكترون

يتم تصنيف مجموعة كبيرة من البكتيريا مع التنفس اللاهوائي كما البكتيريا الحد من النترات. في هذه المجموعة ، يكون المستلم النهائي لسلسلة نقل الإلكترون هو الأيون₃^-.

داخل هذه المجموعة هناك طرائق فسيولوجية مختلفة. يمكن أن تكون مخفضات النترات من النوع التنفسي حيث لا يوجد أيون₃^- يحدث أن يكون لا₂^-. يمكن أن يكون نزع السمنة ، حيث قال أيون يذهب إلى N₂, أو من نوع الاستيعاب حيث يصبح الأيون المعني NH₃.

يمكن أن يكون المتبرعون بالإلكترونات البيروفات ، السكسينات ، اللاكتات ، الجلسرين ، NADH ، من بين آخرين. الكائن التمثيلي لهذا التمثيل الغذائي هو البكتيريا المعروفة الإشريكية القولونية.

استخدام الكبريتات كمتقبل للإلكترون

فقط عدد قليل من أنواع البكتيريا اللاهوائية الصارمة قادرة على أخذ أيونات الكبريت وتحويلها إلى S^2- والماء. يتم استخدام ركائز قليلة للتفاعل ، من بين أكثرها شيوعا حامض اللبنيك وأحماض كربوكسيلية ثنائية الكربون.

استخدام ثاني أكسيد الكربون كمتقبل للإلكترون

الأركيا عبارة عن كائنات بدائية النواة تعيش عادة في المناطق القاسية ، وتتميز بإظهار مسارات استقلابية معينة للغاية.

أحد هذه العناصر هو القدرة القديمة على إنتاج الميثان ولتحقيق ذلك يستخدمون ثاني أكسيد الكربون كمتقبل نهائي. المنتج النهائي للتفاعل هو غاز الميثان (CH₄).

هذه الكائنات الحية تعيش فقط في مناطق محددة للغاية من النظم الإيكولوجية ، حيث يكون تركيز الهيدروجين عاليًا ، لأنه أحد العناصر الضرورية للتفاعل - مثل قاع البحيرات أو السبيل الهضمي لبعض الثدييات.

تخمير

كما ذكرنا ، التخمير هو عملية التمثيل الغذائي التي لا تتطلب وجود الأكسجين. لاحظ أنه يختلف عن التنفس اللاهوائي المذكور في القسم السابق بسبب عدم وجود سلسلة نقل إلكترونية.

يتميز التخمير بأنه عملية تطلق الطاقة من السكريات أو الجزيئات العضوية الأخرى ، ولا تحتاج إلى أكسجين ولا تحتاج إلى دورة كريبس أو سلسلة نقل الإلكترون ، والمستقبل النهائي هو جزيء عضوي وينتج كميات صغيرة من ATP - واحد أو اثنين.

بمجرد اكتمال الخلية لعملية تحلل السكر ، تحصل على جزيئين من حمض البيروفيك لكل جزيء من الجلوكوز.

في حالة عدم توفر الأكسجين ، يمكن للخلية اللجوء إلى توليد جزيء عضوي لتوليد NAD⁺ أو NADP⁺ التي يمكن أن تدخل دورة أخرى من تحلل السكر.

اعتمادًا على الكائن الحي الذي ينفذ التخمير ، يمكن أن يكون المنتج النهائي هو حمض اللبنيك ، والإيثانول ، وحمض البروبيونيك ، وحمض الخليك ، وحمض الزبد ، والبيوتانول ، والأسيتون ، وكحول الأيزوبروبيل ، وحمض السكسينيك ، وحمض الفورميك ، البيوتانيديول ، من بين أشياء أخرى.

ترتبط هذه التفاعلات عادة بإفراز ثاني أكسيد الكربون أو جزيئات هيدروجين.

الكائنات الحية مع التنفس اللاهوائي

عملية التنفس اللاهوائية هي نموذجي من بدائيات النوى. تتميز هذه المجموعة من الكائنات الحية بنقص في نواة حقيقية (محددة بواسطة غشاء بيولوجي) ومقصورات خلوية ، مثل الميتوكوندريا أو البلاستيدات الخضراء. داخل هذه المجموعة هي البكتيريا والعتيقة.

اللاهوائية الصارمة

الكائنات الحية الدقيقة التي تتأثر بطريقة قاتلة من وجود الأكسجين تسمى اللاهوائية الصارمة ، مثل الجنس كلوستريديوم.

إن امتلاك استقلاب من النوع اللاهوائي يسمح لهذه الكائنات الحية الدقيقة باستعمار البيئات القاسية التي تفتقر إلى الأكسجين ، حيث لا يمكن أن تعيش الكائنات الهوائية ، مثل المياه العميقة للغاية أو التربة أو الجهاز الهضمي لبعض الحيوانات.

اللاهوائية الاختيارية

بالإضافة إلى ذلك ، هناك بعض الكائنات الحية الدقيقة القادرة على التناوب بين الأيض الهوائي واللاهوائي ، حسب احتياجاتك والظروف البيئية.

ومع ذلك ، هناك البكتيريا ذات التنفس الهوائي الصارم التي يمكن أن تنمو وتتطور فقط في البيئات الغنية بالأكسجين.

في العلوم الميكروبيولوجية ، فإن معرفة نوع الأيض هي الشخصية التي تساعد على تحديد الكائنات الحية الدقيقة.

الكائنات الحية مع القدرة على التخمير

بالإضافة إلى ذلك ، هناك كائنات أخرى قادرة على تنفيذ مجاري الهواء دون الحاجة إلى سلسلة الأكسجين أو الناقل ، أي أنها تخمر.

من بينها نجد بعض أنواع الخمائر (خميرة) ، البكتيريا (المكورات العقدية ، لاكتوباسيلوس ، باسيلوس ، بروبيونيباكتيريوم ، الإشريكية ، السالمونيلا ، الأمعاء) وحتى خلايا العضلات الخاصة بنا. خلال هذه العملية ، تتميز كل الأنواع بإفراز منتج مختلف.

الأهمية البيئية

من وجهة نظر البيئة ، يؤدي التنفس اللاهوائي إلى وظائف متعالية داخل النظم الإيكولوجية. تحدث هذه العملية في موائل مختلفة ، مثل الرواسب البحرية أو المسطحات المائية العذبة ، وبيئات التربة العميقة ، وغيرها..

بعض البكتيريا تأخذ كبريتات لتكوين كبريتيد الهيدروجين واستخدام كربونات لتشكيل الميثان. الأنواع الأخرى قادرة على استخدام أيون النترات وتقليله إلى أيون النتريت أو أكسيد النيتروز أو غاز النيتروجين.

هذه العمليات حيوية في الدورات الطبيعية ، سواء بالنسبة للنيتروجين أو الكبريت. على سبيل المثال ، المسار اللاهوائي هو الطريق الرئيسي الذي يتم من خلاله تثبيت النيتروجين وقادر على العودة إلى الغلاف الجوي في شكل غاز.

الاختلافات مع التنفس الهوائية

الفرق الأكثر وضوحا بين هاتين العمليتين الأيضية هو استخدام الأكسجين. في التمارين الرياضية ، يعمل هذا الجزيء كمتقبل نهائي للإلكترون.

من الناحية الحيوية ، يكون التنفس الهوائي أكثر ربحية ، لأنه يطلق كميات كبيرة من الطاقة - حوالي 38 جزيئة من ATP. في المقابل ، يتميز التنفس في غياب الأكسجين بعدد أقل بكثير من ATP ، والذي يختلف بشكل كبير حسب الكائن الحي.

منتجات إفراز تختلف أيضا. ينتهي التنفس الهوائي بإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء ، في حين تتنوع المنتجات الوسيطة في الأيروبيك - مثل حمض اللبنيك أو الكحول أو الأحماض العضوية الأخرى ، على سبيل المثال.

من حيث السرعة ، يستغرق التنفس الهوائي وقتًا أطول بكثير. وبالتالي ، فإن عملية اللاهوائية تمثل مصدرا سريعا للطاقة للكائنات الحية.

مراجع

1. البارون ، س. (1996). علم الأحياء الدقيقة الطبية الطبعة الرابعة. فرع جامعة تكساس الطبي في جالفيستون.
2. Beckett، B. S. (1986). علم الأحياء: مقدمة حديثة. مطبعة جامعة أكسفورد ، الولايات المتحدة الأمريكية.
3. Fauque، G. D. (1995). البيئة من البكتيريا الحد من الكبريتات. في كبريتات خفض البكتيريا (ص. 217-241). سبرينغر ، بوسطن ، ماساتشوستس.
4. Soni، S. K. (2007). الميكروبات: مصدر للطاقة في القرن الحادي والعشرين. الهند الجديدة للنشر.
5. رايت ، D. B. (2000). فسيولوجيا الإنسان والصحة. هاينمان.