Skip to main content
Global

7.14: מטבוליזם ללא חמצן - נשימה תאית אנאירובית

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    210599

    • Boundless
    • Boundless
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    חלק מהפרוקריוטים והאיקריוטים משתמשים בנשימה אנאירובית שבה הם יכולים ליצור אנרגיה לשימוש בהיעדר חמצן.

    מטרות למידה
    • תאר את תהליך הנשימה התאית האנאירובית.

    נקודות מפתח

    • נשימה אנאירובית היא סוג של נשימה שבה לא משתמשים בחמצן; במקום זאת, מולקולות אורגניות או אנאורגניות משמשות כמקבלי אלקטרונים סופיים.
    • התסיסה כוללת תהליכים המשתמשים במולקולה אורגנית לחידוש NAD + מ- NADH.
    • סוגי התסיסה כוללים תסיסה של חומצת חלב ותסיסת אלכוהול, בהם מיוצר אתנול.
    • כל צורות התסיסה למעט תסיסה של חומצת חלב מייצרות גז, הממלא תפקיד בזיהוי המעבדה של חיידקים.
    • סוגים מסוימים של פרוקריוטים הם אנאירוביים מבחינה פקולטטיבית, מה שאומר שהם יכולים לעבור בין נשימה אירובית לתסיסה, בהתאם לזמינות החמצן.

    מונחי מפתח

    • ארכאה: קבוצה של מיקרואורגניזמים חד תאיים. אין להם גרעין תאים או כל אברונים אחרים הקשורים לממברנה בתוך התאים שלהם.
    • נשימה אנאירובית: צורת נשימה באמצעות מקבלי אלקטרונים שאינם חמצן.
    • תְסִיסָה: תגובה ביוכימית אנאירובית. כאשר תגובה זו מתרחשת בשמרים, אנזימים מזרזים את ההמרה של סוכרים לאלכוהול או חומצה אצטית עם התפתחות הפחמן הדו חמצני.

    נשימה תאית אנאירובית

    ייצור אנרגיה דורש חמצן. שרשרת הובלת האלקטרונים, שבה נוצר רוב ה- ATP, דורשת קלט גדול של חמצן. עם זאת, אורגניזמים רבים פיתחו אסטרטגיות לביצוע חילוף חומרים ללא חמצן, או יכולים לעבור מנשימה אירובית לתאים אנאירוביים כאשר החמצן דל.

    במהלך הנשימה התאית, חלק מהמערכות החיות משתמשות במולקולה אורגנית כמקבל האלקטרונים הסופי. תהליכים המשתמשים במולקולה אורגנית כדי ליצור מחדש NAD + מ- NADH מכונים ביחד תסיסה. לעומת זאת, חלק מהמערכות החיות משתמשות במולקולה אנאורגנית כמקבל אלקטרונים סופי. שתי השיטות נקראות נשימה תאית אנאירובית, שבה אורגניזמים ממירים אנרגיה לשימושם בהיעדר חמצן.

    פרוקריוטים מסוימים, כולל מינים מסוימים של חיידקים וארכיאה, משתמשים בנשימה אנאירובית. לדוגמה, קבוצת הארכאים הנקראת מתנוגנים מפחיתה פחמן דו חמצני למתאן כדי לחמצן את NADH. מיקרואורגניזמים אלה נמצאים באדמה ובדרכי העיכול של מעלי גירה, כמו פרות וכבשים. באופן דומה, חיידקים וארכיאה מפחיתים סולפט, שרובם אנאירוביים, מפחיתים סולפט למימן גופרתי כדי לחדש את NAD+מ- NADH.

    דמות
    איור\(\PageIndex{1}\): חיידקים אנאירוביים: הצבע הירוק שנראה במי החוף הללו הוא מהתפרצות של חיידקים המייצרים מימן גופרתי. חיידקים אנאירוביים אלה, מפחיתים סולפט, משחררים גז מימן גופרתי כשהם מפרקים אצות במים.

    אוקריוטים יכולים גם לעבור נשימה אנאירובית. כמה דוגמאות כוללות תסיסת אלכוהול בשמרים ותסיסה של חומצת חלב ביונקים.

    תסיסה של חומצה לקטית

    שיטת התסיסה בה משתמשים בעלי חיים וחיידקים מסוימים (כמו אלה ביוגורט) נקראת תסיסה של חומצת חלב. תסיסה מסוג זה משמשת באופן שגרתי בתאי דם אדומים של יונקים ובשריר השלד שיש להם אספקת חמצן לא מספקת בכדי לאפשר את המשך הנשימה האירובית (כלומר בשרירים המשמשים עד כדי עייפות). הכמות העודפת של לקטט בשרירים אלה היא הגורמת לתחושת הצריבה ברגליים בזמן ריצה. כאב זה מהווה אות למנוחת השרירים העמוסים מדי כדי שיוכלו להתאושש. בשרירים אלה יש להסיר את הצטברות חומצת החלב על ידי זרימת הדם ולהביא את הלקטט לכבד לצורך חילוף חומרים נוסף. התגובות הכימיות של תסיסת חומצת חלב הן כדלקמן:

    חומצה פירובית+NADH ↔ חומצה לקטית + NAD +

    דמות
    איור\(\PageIndex{1}\): תסיסה של חומצת חלב: תסיסה של חומצת חלב נפוצה בתאי שריר שנגמר להם החמצן.

    האנזים המשמש בתגובה זו הוא לקטט דהידרוגנאז (LDH). התגובה יכולה להתקדם לשני הכיוונים, אך התגובה משמאל לימין מעוכבת על ידי תנאים חומציים. בעבר האמינו כי הצטברות חומצת חלב כזו גורמת לנוקשות שרירים, עייפות וכאב, אם כי מחקרים עדכניים יותר חולקים על השערה זו. לאחר הסרת חומצת החלב מהשריר והופצה לכבד, ניתן להמיר אותה מחדש לחומצה פירובית ולקטבול עוד יותר לאנרגיה.

    תסיסת אלכוהול

    תהליך תסיסה מוכר נוסף הוא תסיסת אלכוהול, המייצרת אתנול, אלכוהול. השימוש בתסיסת אלכוהול ניתן לייחס בהיסטוריה במשך אלפי שנים. התגובות הכימיות של תסיסה אלכוהולית הן הבאות (הערה: CO 2 אינו משתתף בתגובה השנייה):

    חומצה פירובית → CO2 + אצטאלדהיד + NADH → אתנול + NAD +

    דמות
    איור\(\PageIndex{1}\): תסיסת אלכוהול: תסיסה של מיץ ענבים ליין מייצרת CO2 כתוצר לוואי. למיכלי התסיסה יש שסתומים כך שניתן לשחרר את הלחץ בתוך המיכלים שנוצרו על ידי הפחמן הדו-חמצני המיוצר.

    התגובה הראשונה מזורזת על ידי פירובאט דקרבוקסילאז, אנזים ציטופלסמי, עם קואנזים של תיאמין פירופוספט (TPP, שמקורו בוויטמין B 1 ונקרא גם תיאמין). קבוצת קרבוקסיל מוסרת מחומצה פירובית, ומשחררת פחמן דו חמצני כגז. אובדן פחמן דו חמצני מקטין את גודל המולקולה על ידי פחמן אחד, מה שהופך אצטאלדהיד. התגובה השנייה מזורזת על ידי אלכוהול דהידרוגנאז כדי לחמצן NADH ל- NAD + ולהפחית אצטאלדהיד לאתנול.

    התסיסה של חומצה פירובית על ידי שמרים מייצרת את האתנול המצוי במשקאות אלכוהוליים. סובלנות האתנול לשמרים משתנה, ונעה בין כ -5 אחוזים ל -21 אחוזים, תלוי בזן השמרים ובתנאי הסביבה.

    סוגים אחרים של תסיסה

    שיטות שונות של תסיסה משמשות אורגניזמים שונים כדי להבטיח אספקה נאותה של NAD + לשלב השישי בגליקוליזה. ללא מסלולים אלה, שלב זה לא היה מתרחש ולא ייבצר ATP מפירוק הגלוקוז. שיטות תסיסה אחרות מתרחשות גם בחיידקים. פרוקריוטים רבים הם אנאירוביים מבחינה פקולטטיבית. המשמעות היא שהם יכולים לעבור בין נשימה אירובית לתסיסה, תלוי בזמינות החמצן. פרוקריוטים מסוימים, כמו קלוסטרידיה, הם אנאירובים מחייבים. אנאירובים מחויבים חיים וגדלים בהיעדר חמצן מולקולרי. חמצן הוא רעל למיקרואורגניזמים אלה, והורג אותם בחשיפה.

    יש לציין כי כל צורות התסיסה, למעט תסיסה של חומצת חלב, מייצרות גז. ייצור סוגים מסוימים של גז משמש כאינדיקטור לתסיסה של פחמימות ספציפיות, הממלאות תפקיד בזיהוי המעבדה של החיידקים.

    תרומות וייחוס