7.5: Kimetaboliki bila oksijeni

Ujuzi wa Kuendeleza

• Jadili tofauti ya msingi kati ya kupumua kwa seli za anaerobic na fermentation
• Eleza aina ya fermentation ambayo hutokea kwa urahisi katika seli za wanyama na hali zinazoanzisha fermentation hiyo

Katika kupumua aerobic, mwokozi wa mwisho wa elektroni ni molekuli ya oksijeni, O ₂. Ikiwa kupumua kwa aerobic hutokea, basi ATP itazalishwa kwa kutumia nishati ya elektroni za juu-nishati iliyobeba na NADH au FADH ₂ kwenye mlolongo wa usafiri wa elektroni. Kama kupumua aerobic haina kutokea, NADH lazima reoxidized kwa NAD ⁺ kwa kutumia tena kama carrier elektroni kwa njia glycolytic kuendelea. Je! Hii inafanywaje? Baadhi ya mifumo hai hutumia molekuli ya kikaboni kama mpokeaji wa mwisho wa elektroni. Michakato ambayo hutumia molekuli ya kikaboni ili kurejesha NAD ⁺ kutoka NADH hujulikana kwa pamoja kama fermentation. Kinyume chake, baadhi ya mifumo hai hutumia molekuli isokaboni kama mpokeaji wa elektroni wa mwisho. Njia zote mbili huitwa kupumua kwa seli za anaerobic ambapo viumbe hubadilisha nishati kwa matumizi yao kwa kutokuwepo kwa oksijeni.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Rangi ya kijani inayoonekana katika maji haya ya pwani ni kutokana na mlipuko wa bakteria inayozalisha sulfidi hidrojeni. Bakteria hizi za anaerobic, za kupunguza sulfate hutoa gesi ya sulfidi hidrojeni kama zinavyoharibika mwani ndani ya maji. (mikopo: mabadiliko ya kazi na NASA/Jeff Schmaltz, Timu ya Rapid Response ya Ardhi ya MODIS katika NASA GSFC, Catalog ya Dunia inayoonekana ya picha za NASA)

Kupumua kwa seli za Anaerobic

Prokaryotes fulani, ikiwa ni pamoja na aina fulani za bakteria na Archaea, hutumia kupumua kwa anaerobic. Kwa mfano kundi la Archaea linaloitwa methanojeni linapunguza dioksidi kaboni kwa methane ili kuoksidisha NADH. Vijiumbe hivi hupatikana katika udongo na katika njia za utumbo wa ruminants, kama vile ng'ombe na kondoo. Vile vile, bakteria ya kupunguza sulfate na Archaea, ambazo nyingi ni anaerobic (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)), hupunguza sulfate kwa sulfidi hidrojeni ili kurejesha NAD ⁺ kutoka NADH.

Unganisha na Kujifunza

Video\(\PageIndex{1}\): Tazama video hii ili uone kupumua kwa seli za anaerobic katika hatua.

Lactic asidi fermentation

Njia ya fermentation inayotumiwa na wanyama na bakteria fulani, kama wale walio katika mtindi, ni fermentation ya lactic asidi (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Aina hii ya fermentation hutumiwa mara kwa mara katika seli nyekundu za damu za mamalia na katika misuli ya mifupa ambayo ina ugavi wa kutosha wa oksijeni ili kuruhusu kupumua aerobic kuendelea (yaani katika misuli inayotumiwa hadi kufikia hatua ya uchovu). Katika misuli, mkusanyiko wa asidi lactic lazima kuondolewa na mzunguko wa damu na lactate kuletwa kwa ini kwa kimetaboliki zaidi. Athari za kemikali za fermentation ya lactic asidi ni yafuatayo:

\[\text{Pyruvic} \enspace \text{acid} + \text{NADH} \leftrightarrow \text{lactic} \enspace \text{acid} + \text{NAD}^+ \nonumber\]

Enzyme inayotumiwa katika mmenyuko huu ni lactate dehydrogenase (LDH). Majibu yanaweza kuendelea katika mwelekeo wowote, lakini majibu kutoka kushoto kwenda kulia yanazuiliwa na hali ya tindikali. Mkusanyiko huo wa asidi lactic mara moja uliaminika kusababisha ugumu wa misuli, uchovu, na uchovu, ingawa utafiti wa hivi karibuni unapingana na hypothesis hii. Mara baada ya asidi lactic imeondolewa kwenye misuli na kusambazwa kwenye ini, inaweza kurejeshwa kuwa asidi ya pyruvic na zaidi ya catabolized kwa nishati.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Fermentation ya asidi ya Lactic ni ya kawaida katika seli za misuli ambazo zimekwisha oksijeni.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Tremetol, sumu ya kimetaboliki iliyopatikana katika mmea wa mizizi nyeupe ya nyoka, huzuia kimetaboliki ya lactate. Wakati ng'ombe hula mmea huu, hujilimbikizia katika maziwa wanayozalisha. Binadamu ambao hutumia maziwa huwa mgonjwa. Dalili za ugonjwa huu, ambazo ni pamoja na kutapika, maumivu ya tumbo, na kutetemeka, kuwa mbaya zaidi baada ya zoezi. Kwa nini unadhani hii ndiyo kesi?

Jibu

Ugonjwa husababishwa na mkusanyiko wa lactate. Lactate ngazi kupanda baada ya zoezi, na kufanya dalili mbaya zaidi. Maziwa ugonjwa ni nadra leo, lakini ilikuwa ya kawaida katika Midwestern Marekani katika miaka ya 1800 mapema.

pombe Fermentation

Mchakato mwingine unaojulikana wa fermentation ni fermentation ya pombe (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) ambayo hutoa ethanol, pombe. Menyu ya kwanza ya kemikali ya fermentation ya pombe ni yafuatayo (CO ₂ haina kushiriki katika mmenyuko wa pili):

\[\text{Pyruvic} \enspace \text{acid} \rightarrow \ce{CO_2} + \text{acetaldehyde} + \text{NADH} \rightarrow \text{ethanol} + \text{NAD}^+ \nonumber\]

Menyuko ya kwanza huchochewa na piruvati decarboxylase, enzyme ya cytoplasmic, na coenzyme ya pyrophosphate ya thiamine (TPP, inayotokana na vitamini B ₁ na pia huitwa thiamine). Kikundi cha carboxyl kinaondolewa kwenye asidi ya pyruvic, ikitoa dioksidi kaboni kama gesi. Kupoteza kwa dioksidi kaboni hupunguza ukubwa wa molekuli kwa kaboni moja, na kufanya acetaldehyde. Mmenyuko wa pili huchochewa na dehydrogenase ya pombe ili kuoksidisha NADH hadi NAD ⁺ na kupunguza asetaldehyde kwa ethanol. Fermentation ya asidi ya pyruvic na chachu hutoa ethanol inayopatikana katika vinywaji. Ethanol uvumilivu wa chachu ni kutofautiana, kuanzia asilimia 5 hadi asilimia 21, kulingana na matatizo ya chachu na hali ya mazingira.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Fermentation ya juisi ya zabibu katika mvinyo hutoa CO ₂ kama byproduct Mizinga ya fermentation ina valves ili shinikizo ndani ya mizinga iliyoundwa na dioksidi kaboni zinazozalishwa inaweza kutolewa.

Aina nyingine za Fermentation

Mbinu nyingine za fermentation hutokea katika bakteria. Prokaryotes nyingi ni anaerobic ya kitivo. Hii ina maana kwamba wanaweza kubadili kati ya kupumua aerobic na fermentation, kulingana na upatikanaji wa oksijeni. Prokaryotes fulani, kama Clostridia, ni wajibu wa anaerobes. Kuwajibisha anaerobes kuishi na kukua kwa kutokuwepo kwa oksijeni ya Masi. Oksijeni ni sumu kwa microorganisms hizi na huwaua juu ya mfiduo. Ikumbukwe kwamba aina zote za fermentation, isipokuwa fermentation lactic asidi, kuzalisha gesi. Uzalishaji wa aina fulani za gesi hutumiwa kama kiashiria cha fermentation ya wanga maalum, ambayo ina jukumu katika utambulisho wa maabara ya bakteria. Mbinu mbalimbali za fermentation hutumiwa na viumbe vilivyotengenezwa ili kuhakikisha ugavi wa kutosha wa NAD ⁺ kwa hatua ya sita katika glycolysis. Bila njia hizi, hatua hiyo haiwezi kutokea na hakuna ATP itavunwa kutokana na kuvunjika kwa glucose.

Muhtasari

Ikiwa NADH haiwezi kuoksidishwa kupitia kupumua kwa aerobic, kipokezi kingine cha elektroni kinatumika. Viumbe wengi watatumia aina fulani ya fermentation ili kukamilisha kuzaliwa upya kwa NAD ⁺, kuhakikisha kuendelea kwa glycolysis. Urejesho wa NAD ⁺ katika fermentation haufuatikani na uzalishaji wa ATP; kwa hiyo, uwezo wa NADH kuzalisha ATP kwa kutumia mnyororo wa usafiri wa elektroni hautumiki.

faharasa

anaerobic kupumua seli

mchakato ambao viumbe kubadilisha nishati kwa ajili ya matumizi yao kutokana na kukosekana kwa oksijeni

uchachu

mchakato wa kuzaliwa upya NAD ⁺ na kiwanja cha kikaboni au kikaboni kinachotumika kama mpokeaji wa mwisho wa elektroni, hutokea kwa kutokuwepo; hutokea kwa kukosekana kwa oksijeni