Porównanie strategii tlenowych aerobów i anaerobów

Oddychanie wewnątrzkomórkowe to proces kataboliczny polegający na utlenianiu związków organicznych, co ma na celu uwolnienie energii. Substratem do oddychania jest glukoza. Oddychanie można podzielić na beztlenowe oraz tlenowe.

Oddychanie beztlenowe

Oddychanie beztlenowe pojawiło się wcześniej w ewolucji. Zysk energetyczny z tego procesu jest mniejszy niż w przypadku oddychania tlenowego. Oddychanie beztlenowe zachodzi u bakterii anaerobowych, u grzybów czy w trakcie intensywnego wysiłku fizycznego w mięśniach poprzecznie prążkowanych.

Glikoliza

Pierwszym etapem oddychania jest glikoliza, czyli ciąg beztlenowych reakcji, w których z glukozy powstaje pirogronian. Zysk energetyczny z glikolizy to dwie cząsteczki ATP. W trakcie glikolizy powstają także dwie cząsteczki NADH, a zużywany NAD+ musi zostać zregenerowany. W przypadku oddychania beztlenowego regeneracja NAD+ odbywa się w trakcie beztlenowych przemian pirogronianu, których produktem może być m.in. kwas mlekowy, kwas masłowy czy alkohol etylowy. Oddychanie beztlenowe zachodzi w cytozolu.

Fermentacja

Fermentacja pozwala organizmom, u których występuje oddychanie beztlenowe, zregenerować zużyte podczas glikolizy NAD+. Pirogronian powstały w trakcie glikolizy może być przetworzony w procesie fermentacji do różnych produktów, w zależności od organizmu.

Fermentacja mlekowa

Fermentacja mlekowa to istotny proces dla przemysłu. Prowadzona jest przez bakterie fermentacji mlekowej, np. Lactococcus lactis czy Lactobacillus bulgaricus. Fermentacja mlekowa pozwala na uzyskanie przetworów mlecznych (m.in. jogurty, sery), kwaszonych warzyw, takich jak ogórki i kapusta, surowych wędlin (salami), czy zakwasu chlebowego. Proces fermentacji mlekowej polega na redukcji pirogronianu do kwasu mlekowego z jednoczesnym utlenieniem NADH2 do NAD.

Fermentacja alkoholowa

Fermentacja alkoholowa rozpoczyna się od dekarboksylacji pirogronianu, podczas której otrzymywany jest aldehyd octowy oraz CO2. Następnie aldehyd octowy ulega redukcji do alkoholu etylowego z jednoczesnym utlenieniem NADH2 do NAD. Ten rodzaj fermentacji pozwala na uzyskanie m.in. napojów alkoholowych. W zależności od użytego szczepu można otrzymać różnorodne gatunki piwa czy wina. Wykorzystywana jest również w piekarnictwie do produkcji chleba i ciast drożdżowych. Najpopularniejszym gatunkiem drożdży przeprowadzającym ten rodzaj fermentacji jest Saccharomyces cerevisiae.

Oddychanie tlenowe

Oddychanie tlenowe również rozpoczyna się od glikolizy, jednak powstający w niej pirogronian może ulegać dalszym przemianom w obecności tlenu. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie większej ilość ATP. Glikoliza, podobnie jak w przypadku oddychania beztlenowego, zachodzi w cytoplazmie, natomiast dalsze etapy odbywają się w mitochondriach. Najpierw w macierzy mitochondrialnej dochodzi do reakcji pomostowej, czyli oksydacyjnej dekarboksylacji pirogronianu, w której powstaje acetylokoenzym A (acetylo-CoA). Kolejny etap to cykl Krebsa, zachodzący w matrix, w którym z acetylo-CoA odzyskiwany jest koenzym A (CoA) oraz powstaje CO2. Zużywane w tych dwóch etapach cząsteczki NAD+ są regenerowane w trakcie utleniania końcowego w błonach grzebieni mitochondrialnych, gdzie znajduje się łańcuch oddechowy. W wyniku tych reakcji powstają cząsteczki wody. Zysk z oddychania tlenowego z jednej cząsteczki glukozy to około 30-36 cząsteczek ATP.

Porównanie oddychania beztlenowego i tlenowego

Oddychanie beztlenowe zachodzi w cytozolu. W wyniku tego oddychania, którego substratem jest glukoza, z jej jednej cząsteczki uzyskiwane są 2 cząsteczki ATP. Produktem końcowym może być m.in. kwas mlekowy czy alkohol etylowy. Etapy oddychania beztlenowego to glikoliza i odtwarzanie NAD+.

Oddychanie beztlenowe natomiast zachodzi w cytozolu i w mitochondrium. Substratami dla tych przemian są glukoza i O2, a produkty końcowe to CO2 i H2O. Oddychanie tlenowe jest bardziej skomplikowane i jego etapy to glikoliza, reakcja pomostowa, cykl Krebsa oraz utlenianie końcowe. Z jednej cząsteczki glukozy uzyskiwanych jest około 30-36 cząsteczek ATP, co pokazuje, że oddychanie tlenowe jest znacznie wydajniejszym procesem niż oddychanie beztlenowe.