Анаеробне та аеробне дихання

Дихання – сукупність реакцій біологічного окиснення органічних енерговмісних речовин з виділенням енергії, необхідної для підтримання життєдіяльності організму. Дихання є процесом, при якому атоми Гідрогену (електрони) переносяться від органічних речовин на молекулярний кисень. Виділяють два основних типи дихання: анаеробне та аеробне.

Анаеробне дихання – сукупність процесів, які здійснюють окиснення органічних речовин і отримання енергії за відсутності кисню. Розщеплення органічних речовин у анаеробів є неповним і відбувається з утворенням проміжних сполук. Характерне для для багатьох нижчих організмів (молочнокислі бактерії, дріжджі), тварин (паразитичні черви, глибоководні безхребетні), окремих видів гетеротрофних рослин та багатьох рослинних тканин. В анаеробних організмів замість кисню можуть використовуватися інші, зазвичай органічні, речовини як акцептори електрона. Термін “анаеробне дихання” часто використовується рівнозначно термінам “бродіння” та “ферментація”, особливо, коли йдеться про гліколітичний шлях у клітині. Анаеробне дихання, на відміну від аеробного, є процесом, за якого водень, відщеплений від органічної речовини, передається не на кисень, а на іншу органічну сполуку, що утворюється в цьому процесі. При анаеробному диханні виділяється значно менше енергії, ніж при аеробному, а тому для одержання такої ж кількості енергії анаеробні організми повинні витратити набагато більше глюкози порівняно з аеробами. Анаеробне дихання забезпечує існування організмів в умовах, де немає кисню. Анаероби дуже поширені у природі та живуть там, де не можуть жити аероби: у ґрунті, під водою, в кишковому тракті вищих тварин. Деякі анаероби є збудниками небезпечних захворювань людини (ботулізм, гострі кишкові інфекції та інші).

Аеробне дихання – сукупність процесів, які здійснюють окиснення органічних речовин і отримання енергії за участю кисню. Розщеплення органічних речовин є повним і відбувається з утворенням кінцевих продуктів окиснення Н2O і СO2. Характерне аеробне дихання для переважної більшості організмів і проходить в мітохондріях клітини. Аеробні організми в процесі дихання можуть окиснювати різні органічні сполуки: вуглеводи, жири, білки тощо. В аеробних організмів окиснення протікає з використанням кисню як акцептора (приймача) електрона до вуглекислого газу і води. Аеробне дихання – найдосконаліший спосіб утворення енергії. В основі – повне розщеплення, яке відбувається за участю реакцій безкисневого і кисневого етапів енергетичного обміну. Аеробне дихання відіграє основну роль у забезпеченні клітин енергією та рощепленні речовин до кінцевих продуктів окиснення – води і вуглекислого газу.

Ядро – це фортеця, де схована головна відгадка самовідтворення життя.

✅Відмінності між аеробним і анаеробним диханням

З цієї статті ви дізнаєтеся, в чому полягають відмінності між двома основними типами клітинного дихання: аеробним і анаеробним. Ми розглянемо основи кожного типу дихання, які організми їх використовують і які продукти вони створюють.

Клітинне дихання

Клітинне дихання – це процес, при якому організми розщеплюють глюкозу з їжі, щоб створити придатну для використання форму енергії, звану АТФ. Скорочено від аденозинтрифосфату, АТФ легко переносить енергію по організму.

Коли одна з трьох фосфатних груп АТФ відривається, енергія вивільняється для використання всіма клітинами. Ясно, що клітинне дихання – важливий процес, і існує два основних типи клітинного дихання: аеробне і анаеробне. Давайте розглянемо і порівняємо ці процеси.

Аеробне дихання

Практично всі рослини, тварини, гриби і багато бактерій використовують аеробне дихання.

Аеробне дихання може відбуватися тільки в присутності кисню. Під час аеробного дихання реагенти кисень і глюкоза перетворюються в продукти діоксид вуглецю, воду і АТФ.

Ці продукти утворюються під час аеробного дихання протягом трьох етапів: гліколізу, циклу лимонної кислоти і окисного фосфорилювання. Під час гліколізу молекули глюкози розпадаються на дві більш дрібні молекули пірувату.

У циклі лимонної кислоти електрони вивільняються і збираються молекулами акцептора. Під час окисного фосфорилювання електрони допомагають створити градієнт концентрації з іонами водню, які допомагають молекулі, званої АТФ-синтаза, створювати АТФ.

Більшість еукаріотичних організмів використовують аеробне дихання. Еукаріотичні організми – це організми, клітини яких містять ядро та інші мембранозв’язані органели. Практично всі рослини, тварини і гриби використовують аеробне дихання, а також деякі бактерії.

Анаеробне дихання

Анаеробне дихання відбувається при відсутності кисню. Воно складається з двох етапів. Першим етапом, як і при аеробному диханні, є гліколіз, який виробляє АТФ з реагує глюкози. На другому етапі, ферментації, утворюється молочна кислота або етанол, в залежності від типу ферментації.

Молочна кислота утворюється в результаті ферментації молочної кислоти, а етанол – в результаті ферментації спирту. Ось чому ми використовуємо дріжджі у виробництві хліба або пива, щоб створити етанол.

Анаеробне дихання зазвичай здійснюється мікроорганізмами, такими як бактерії, які є прокаріотичними і позбавлені ядра. Бактерії і клітини тварин використовують молочнокисле бродіння. Прикладом молочнокислого бродіння є відчуття печіння в м’язах після пробіжки.

Це відбувається, коли ваші м’язові клітини не отримують достатньо кисню і їм доводиться дихати анаеробно. Молочна кислота дає вашим м’язам відчуття печіння, а недолік АТФ змушує вас відчувати втому.

Різниця

Як ми вже говорили, основна відмінність між аеробним і анаеробним диханням полягає в тому, чи присутній кисень. Для аеробного дихання потрібен кисень, а для анаеробного – немає.

Ця присутність кисню визначає, які продукти будуть створені. Під час аеробного дихання виробляються вуглекислий газ, вода і АТФ. Під час анаеробного дихання утворюються молочна кислота, етанол і АТФ.

При анаеробному диханні синтезується тільки 2 молекули АТФ, а при аеробному диханні – 36. Більш того, аеробне дихання має тенденцію відбуватися у еукаріотичних організмів, клітини яких мають ядро, тоді як анаеробне дихання відбувається у прокаріотичних організмів.

Однак важливо відзначити, що тварини піддаються молочнокислої ферментації, яка є анаеробної. Це відбувається, коли м’язові клітини не можуть отримувати достатньо кисню.

Підбивання підсумків

Клітинне дихання – це процес, при якому організми виробляють АТФ з глюкози. Це відбувається в присутності кисню під час аеробного дихання, і без доступу до кисню під час анаеробного дихання.

Невеликі прокаріотичні організми, такі як бактерії, зазвичай використовують анаеробне дихання для виробництва 2 молекул АТФ. Більші еукаріотичні організми зазвичай використовують аеробне дихання для синтезу 36 молекул АТФ.

Вступ до типів дихання

Дихання – це процес, під час якого організми обмінюються газами між клітинами свого тіла та навколишнім середовищем. Від прокаріотичних бактерій і архей до еукаріотичних протистів , грибів , рослин і тварин , усі живі організми зазнають дихання. Дихання може стосуватися будь-якого з трьох елементів процесу.

По- перше , дихання може означати зовнішнє дихання або процес дихання (вдих і видих), який також називають вентиляцією. По- друге , дихання може стосуватися внутрішнього дихання, яке є дифузією газів між рідинами організму ( кров’ю та міжтканинною рідиною) і тканинами . Нарешті , дихання може стосуватися метаболічних процесів перетворення енергії, що зберігається в біологічних молекулах , на придатну для використання енергію у формі АТФ. Цей процес може включати споживання кисню та виробництво вуглекислого газу, як це видно в аеробному клітинному диханні , або може не включати споживання кисню, як у випадку анаеробного дихання.

Ключові висновки: типи дихання

• Дихання — процес газообміну між повітрям і клітинами організму.
• Три види дихання включають внутрішнє, зовнішнє та клітинне дихання.
• Зовнішнє дихання – це процес дихання. Він передбачає вдихання і видихання газів.
• Внутрішнє дихання включає газообмін між кров’ю та клітинами організму.
• Клітинне дихання включає перетворення їжі в енергію. Аеробне дихання – це клітинне дихання, яке потребує кисню, тоді як анаеробне дихання не вимагає.

Види дихання: зовнішнє і внутрішнє

При вдиху діафрагма стискається, а легені розширюються, штовхаючи грудну клітку вгору. При видиху діафрагма розслабляється, а легені скорочуються, повертаючи грудну клітку вниз.

wetcake/DigitalVision Vectors/Getty Images

Зовнішнє дихання

Одним із способів отримання кисню з навколишнього середовища є зовнішнє дихання. У тваринних організмах процес зовнішнього дихання здійснюється кількома різними способами. Тварини, які не мають спеціалізованих органів дихання, отримують кисень через дифузію через зовнішні поверхні тканин. Інші або мають органи, що спеціалізуються на газообміні, або мають повну дихальну систему . У таких організмів, як нематоди (круглі черви), гази та поживні речовини обмінюються із зовнішнім середовищем шляхом дифузії по поверхні тіла тварин. У комах і павуків є органи дихання , які називаються трахеями, у той час як у риб є зябра як місця газообміну.

Люди та інші ссавці мають дихальну систему зі спеціалізованими дихальними органами ( легенями ) і тканинами. В організмі людини кисень потрапляє в легені при вдиху, а вуглекислий газ виводиться з легенів при видиху. Зовнішнє дихання у ссавців охоплює механічні процеси, пов’язані з диханням. Це включає скорочення та розслаблення діафрагми та допоміжних м’язів , а також частоту дихання.

Внутрішнє дихання

Процеси зовнішнього дихання пояснюють, як отримується кисень, але як кисень потрапляє до клітин тіла ? Внутрішнє дихання включає транспортування газів між кров’ю та тканинами організму. Кисень у легенях дифундує через тонкий епітелій легеневих альвеол (повітряних мішків) у навколишні капіляри , що містять збіднену киснем кров. У той же час вуглекислий газ дифундує в зворотному напрямку (з крові в легеневі альвеоли) і виводиться назовні. Збагачена киснем кров транспортується системою кровообігу від легеневих капілярів до клітин і тканин організму. У той час як кисень потрапляє в клітини, вуглекислий газ збирається і транспортується з клітин тканини в легені.

Клітинне дихання

Три процеси виробництва АТФ або клітинного дихання включають гліколіз, цикл трикарбонових кислот і окисне фосфорилювання. Авторство: Encyclopaedia Britannica/UIG/Getty Images

Кисень, отриманий при внутрішньому диханні, використовується клітинами для клітинного дихання . Щоб отримати доступ до енергії, що зберігається в їжі, яку ми їмо, біологічні молекули, що входять до складу їжі ( вуглеводи , білки тощо), повинні бути розщеплені до форм, які організм може використовувати. Це досягається через процес травлення, коли їжа розщеплюється, а поживні речовини всмоктуються в кров. Коли кров циркулює по всьому тілу, поживні речовини транспортуються до клітин організму. При клітинному диханні глюкоза, отримана в результаті травлення, розщеплюється на складові частини для виробництва енергії. За допомогою низки етапів глюкоза та кисень перетворюються на вуглекислий газ (CO ₂ ), воду (H ₂ O) і високоенергетичну молекулу аденозинтрифосфату (АТФ). Утворені при цьому вуглекислий газ і вода дифундують в інтерстиціальну рідину, що оточує клітини. Звідти CO ₂ дифундує в плазму крові та еритроцити . АТФ, що утворюється в процесі, забезпечує енергію, необхідну для виконання нормальних клітинних функцій, таких як синтез макромолекул, скорочення м’язів, рух війок і джгутиків і поділ клітин .

Аеробне дихання

Це діаграма аеробного клітинного дихання, включаючи гліколіз, цикл Кребса (цикл лимонної кислоти) і ланцюг транспортування електронів. RegisFrey/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

Аеробне клітинне дихання складається з трьох стадій: гліколізу , циклу лимонної кислоти (цикл Кребса) і транспорту електронів з окисним фосфорилюванням.

• Гліколіз відбувається в цитоплазмі і включає окислення або розщеплення глюкози до пірувату. У гліколізі також утворюються дві молекули АТФ і дві молекули високоенергетичного NADH. У присутності кисню піруват потрапляє у внутрішній матрикс клітинних мітохондрій і піддається подальшому окисленню в циклі Кребса.
• Цикл Кребса : у цьому циклі утворюються дві додаткові молекули АТФ разом із CO ₂ , додатковими протонами й електронами, а також високоенергетичними молекулами NADH і FADH ₂ . Електрони, що утворюються в циклі Кребса, рухаються через складки внутрішньої мембрани (кристи), які відокремлюють мітохондріальний матрикс (внутрішній відділ) від міжмембранного простору (зовнішній відділ). Це створює електричний градієнт, який допомагає ланцюгу транспортування електронів викачувати протони водню з матриці в міжмембранний простір.
• Електронтранспортний ланцюг — це серія білкових комплексів електроносіїв у внутрішній мембрані мітохондрій. NADH і FADH ₂ , що утворюються в циклі Кребса, передають свою енергію в ланцюзі транспортування електронів для транспортування протонів і електронів у міжмембранний простір. Висока концентрація протонів водню в міжмембранному просторі використовується білковим комплексом АТФ-синтази для транспортування протонів назад у матрикс. Це забезпечує енергію для фосфорилювання АДФ до АТФ. Електронний транспорт і окисне фосфорилювання забезпечують утворення 34 молекул АТФ.

Загалом при окисленні однієї молекули глюкози прокаріоти утворюють 38 молекул АТФ . У еукаріот це число скорочується до 36 молекул АТФ, оскільки два АТФ витрачаються на перенесення НАДН до мітохондрій.

Ферментація

Аеробне дихання відбувається тільки в присутності кисню. Коли постачання киснем низьке, лише невелика кількість АТФ може утворюватися в цитоплазмі клітини шляхом гліколізу. Хоча піруват не може увійти в цикл Кребса або ланцюг транспортування електронів без кисню, він все ще може бути використаний для отримання додаткового АТФ шляхом бродіння. Ферментація – це інший тип клітинного дихання, хімічний процес розщеплення вуглеводів на менші сполуки для виробництва АТФ. У порівнянні з аеробним диханням, під час бродіння утворюється лише невелика кількість АТФ. Це тому, що глюкоза розщеплюється лише частково. Деякі організми є факультативними анаеробами і можуть використовувати як бродіння (коли кисню мало або його немає), так і аеробне дихання (коли кисень доступний). Двома поширеними типами бродіння є молочнокисле бродіння та спиртове (етанольне) бродіння. Гліколіз є першою стадією кожного процесу.

Молочнокисле бродіння

Під час молочнокислого бродіння NADH, піруват і АТФ утворюються шляхом гліколізу. NADH потім перетворюється на свою низькоенергетичну форму NAD + , тоді як піруват перетворюється на лактат. NAD + повертається назад у процес гліколізу для отримання додаткової кількості пірувату та АТФ. Молочнокисле бродіння зазвичай здійснюється м’язами клітин, коли рівень кисню вичерпується. Лактат перетворюється на молочну кислоту, яка може накопичуватися у великих кількостях у м’язових клітинах під час тренування. Молочна кислота підвищує кислотність м’язів і викликає відчуття печіння, яке виникає під час сильного навантаження. Коли нормальний рівень кисню відновлюється, піруват може входити в аеробне дихання, і може вироблятися набагато більше енергії, щоб допомогти у відновленні. Посилення кровотоку допомагає доставляти кисень до м’язових клітин і виводити з них молочну кислоту.

Спиртове бродіння

Під час спиртового бродіння піруват перетворюється на етанол і CO ₂ . NAD + також утворюється під час перетворення та повертається назад у процес гліколізу для отримання більшої кількості молекул АТФ. Спиртове бродіння здійснюють рослини , дріжджі та деякі види бактерій. Цей процес використовується у виробництві алкогольних напоїв, палива, хлібобулочних виробів.

Анаеробне дихання

Біфідобактерії – це грампозитивні анаеробні бактерії, які мешкають у шлунково-кишковому тракті. КАТЕРИНА КОН/Наукова фототека/Getty Images

Як екстремофіли люблять деякі бактерії та археї вижити в середовищі без кисню? Відповідь – анаеробне дихання. Цей тип дихання відбувається без кисню і передбачає споживання іншої молекули (нітрату, сірки, заліза, вуглекислого газу тощо) замість кисню. На відміну від бродіння, анаеробне дихання передбачає утворення електрохімічного градієнта системою транспорту електронів, що призводить до виробництва ряду молекул АТФ. На відміну від аеробного дихання, кінцевим реципієнтом електронів є молекула, відмінна від кисню. Багато анаеробних організмів є облігатними анаеробами; вони не здійснюють окисного фосфорилювання і гинуть у присутності кисню. Інші є факультативними анаеробами і також можуть здійснювати аеробне дихання за наявності кисню.

Джерела

• « Як працюють легені ». Національний інститут серця, легенів і крові , Департамент охорони здоров’я та соціальних служб США.
• Лодіш, Харві. « Транспорт електронів і окисне фосфорилювання ». Current Neurology and Neuroscience Reports , Національна медична бібліотека США, 1 січня 1970 р., .
• Орен, Аарон. « Анаеробне дихання ». Канадський журнал хімічної інженерії , Wiley-Blackwell, 15 вересня 2009 р.