การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน

จาก Wikipedia สารานุกรมเสรี
ข้ามไปที่การนำทางข้ามไปที่การค้นหา

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนคือการหายใจโดยใช้ตัวรับอิเล็กตรอนอื่นที่ไม่ใช่ออกซิเจนระดับโมเลกุล (O 2 ) แม้ว่าออกซิเจนจะไม่ใช่ตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้าย แต่กระบวนการนี้ยังคงใช้ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในระบบทางเดินหายใจ [1]

ในชีวิตแอโรบิกในระหว่างการหายใจของอิเล็กตรอนจะมอบหมายให้กับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนและรับอิเล็กตรอนสุดท้ายคือออกซิเจนออกซิเจนโมเลกุลเป็นตัวออกซิไดซ์พลังงานสูง[2]ดังนั้นจึงเป็นตัวรับอิเล็กตรอนที่ดีเยี่ยม ในแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะใช้สารที่ออกซิไดซ์น้อยอื่น ๆ เช่นไนเตรต (NO 3 - ) ฟูมาเรตซัลเฟต (SO 4 2− ) หรือกำมะถัน (S) ตัวรับอิเล็กตรอนแบบเทอร์มินัลเหล่านี้มีศักยภาพในการลดน้อยกว่า O 2 ซึ่งหมายความว่าพลังงานจะถูกปล่อยออกมาน้อยลงต่อโมเลกุลที่ถูกออกซิไดซ์ ดังนั้นการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนจึงมีประสิทธิภาพน้อยกว่าแบบแอโรบิค

เมื่อเปรียบเทียบกับการหมัก[ แก้]

การหายใจและการหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจนของเซลล์ทำให้เกิด ATP ในรูปแบบที่แตกต่างกันมากและไม่ควรถือว่าคำนี้เป็นคำพ้องความหมาย การหายใจของเซลล์ (ทั้งแบบแอโรบิคและแบบไม่ใช้ออกซิเจน) ใช้สารประกอบทางเคมีที่ลดลงอย่างมากเช่นNADHและFADH 2 (ตัวอย่างเช่นที่ผลิตในระหว่างการไกลโคไลซิสและวัฏจักรของกรดซิตริก ) เพื่อสร้างการไล่ระดับสีด้วยเคมีไฟฟ้า (มักจะเป็นการไล่ระดับโปรตอน) บนเมมเบรน ส่งผลให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือความเข้มข้นของไอออนบนเมมเบรน สารประกอบทางเคมีที่ลดลงจะถูกออกซิไดซ์โดยชุดของระบบทางเดินหายใจโปรตีนเมมเบรนที่มีศักยภาพในการลดเพิ่มขึ้นตามลำดับโดยตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายคือออกซิเจน (ในการหายใจแบบแอโรบิค ) หรือสารเคมีอื่น (ในการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน) โปรตอนแรงจูงใจแรงไดรฟ์โปรตอนลงลาด (ตรงข้ามเมมเบรน) ผ่านช่องทางโปรตอนของเอทีพีเทสผลลัพธ์ในปัจจุบันขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP จากADPและอนินทรีย์ฟอสเฟต

ในทางตรงกันข้ามการหมักไม่ได้ใช้การไล่ระดับสีด้วยไฟฟ้าเคมี การหมักจะใช้เฉพาะฟอสโฟรีเลชันระดับพื้นผิวในการผลิต ATP เท่านั้น ตัวรับอิเล็กตรอนNAD +ถูกสร้างใหม่จากNADH ที่เกิดขึ้นในขั้นตอนออกซิเดชั่นของเส้นทางการหมักโดยการลดสารประกอบออกซิไดซ์ สารประกอบออกซิไดซ์เหล่านี้มักเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการหมัก แต่ก็อาจเกิดขึ้นภายนอกได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่นในแบคทีเรียกรดแลคติก homofermentative NADH ที่เกิดขึ้นระหว่างการออกซิเดชั่นของไกลเซอราลดีไฮด์ -3- ฟอสเฟตจะถูกออกซิไดซ์กลับเป็น NAD +โดยการลดไพรูเวตเป็นกรดแลคติคในระยะต่อมาในทางเดิน ในยีสต์ , acetaldehydeจะลดลงไปเอทานอลในการงอกใหม่ของ NAD +

มีวิถีการสร้างก๊าซมีเทนของจุลินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจนที่สำคัญสองวิธีโดยผ่านการลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ / ไบคาร์บอเนต (HCO 3 - ) (การหายใจ) หรือการหมักด้วยอะซิเตท [3]

ความสำคัญต่อระบบนิเวศ[ แก้]

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของโลกไนโตรเจน , เหล็ก , กำมะถันและคาร์บอนรอบที่ผ่านการลดลงของ oxyanions ของไนโตรเจนกำมะถันและสารคาร์บอนมากขึ้นลดลงขี่จักรยาน biogeochemicalของสารเหล่านี้ซึ่งขึ้นอยู่กับการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนอย่างมีนัยสำคัญส่งผลกระทบต่อวัฏจักรคาร์บอนและภาวะโลกร้อนการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนเกิดขึ้นในหลายสภาพแวดล้อมรวมถึงตะกอนในน้ำจืดและในทะเลดินชั้นอุ้มน้ำใต้ผิวดินสภาพแวดล้อมใต้ผิวดินลึกและฟิล์มชีวภาพ แม้แต่สภาพแวดล้อมเช่นดินที่มีออกซิเจนก็มีสภาพแวดล้อมขนาดเล็กที่ขาดออกซิเจนเนื่องจากลักษณะการแพร่กระจายช้าของก๊าซ ออกซิเจน

ตัวอย่างของความสำคัญของระบบนิเวศของการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนคือการใช้ไนเตรตเป็นตัวรับอิเล็กตรอนขั้วหรือ dissimilatory เซลเซียสซึ่งเป็นเส้นทางหลักโดยที่คงไนโตรเจนจะถูกส่งกลับไปสู่ชั้นบรรยากาศเป็นก๊าซไนโตรเจนโมเลกุล [4]กระบวนการดีไนตริฟิเคชันยังมีความสำคัญอย่างยิ่งในปฏิกิริยาระหว่างโฮสต์กับจุลินทรีย์ คล้ายกับไมโทคอนเดรียในจุลินทรีย์ที่ช่วยหายใจโดยใช้ออกซิเจนซิลิเอตแบบไม่ใช้ออกซิเจนเซลล์เดียวบางชนิดใช้เอนโดซิมไบออนเพื่อให้ได้พลังงาน [5] อีกตัวอย่างหนึ่งคือเมทาโนเจเนซิสรูปแบบหนึ่งของการหายใจด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ที่ใช้ในการผลิตก๊าซมีเทนโดยการย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจน. มีเทนไบโอเจนิกใช้เป็นทางเลือกที่ยั่งยืนแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล เกี่ยวกับด้านลบที่ไม่สามารถควบคุมได้ปล่อยก๊าซมีเทนในเว็บไซต์ฝังกลบออกปริมาณมากของก๊าซมีเทนสู่ชั้นบรรยากาศซึ่งจะทำหน้าที่เป็นที่มีประสิทธิภาพก๊าซเรือนกระจก [6] ซัลเฟตหายใจผลิตไฮโดรเจนซัลไฟด์ซึ่งเป็นผู้รับผิดชอบในลักษณะ 'ไข่เน่า' กลิ่นของพื้นที่ชุ่มน้ำชายฝั่งทะเลและมีความสามารถในการไอออนของโลหะหนักตะกอนจากการแก้ปัญหาที่นำไปสู่การสะสมของแร่โลหะ sulfidic [7]

ความเกี่ยวข้องทางเศรษฐกิจ[ แก้ไข]

Dissimilatory denitrificationถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการกำจัดไนเตรตและไนไตรท์จากน้ำเสียเทศบาล ไนเตรตที่มากเกินไปสามารถนำไปสู่ยูโทรฟิเคชั่นของทางน้ำที่ปล่อยน้ำที่ผ่านการบำบัด ระดับไนไตรต์ที่สูงขึ้นในน้ำดื่มอาจทำให้เกิดปัญหาเนื่องจากความเป็นพิษ Denitrification แปลงสารประกอบทั้งสองให้เป็นก๊าซไนโตรเจนที่ไม่เป็นอันตราย[8]

Anaerobic Denitrification (ระบบ ETC)

อังกฤษ: แบบจำลองด้านบนแสดงกระบวนการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนผ่านการดีไนตริฟิเคชันซึ่งใช้ไนโตรเจน (ในรูปของไนเตรต NO 3 - ) เป็นตัวรับอิเล็กตรอน NO 3 -ผ่าน dehydrogenase ทางเดินหายใจและลดแต่ละขั้นตอนจาก ubiquinose ผ่าน bc1 complex ผ่านโปรตีน Synthase ของ ATP เช่นกัน รีดักเทสแต่ละตัวจะสูญเสียออกซิเจนไปในแต่ละขั้นตอนดังนั้นผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนคือ N2

1. พลาสซึม
2. Periplasm เปรียบเทียบกับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนแอโรบิก

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนบางประเภทมีความสำคัญอย่างยิ่งในการบำบัดทางชีวภาพซึ่งใช้จุลินทรีย์ในการเปลี่ยนสารเคมีที่เป็นพิษให้เป็นโมเลกุลที่เป็นอันตรายน้อยกว่าเพื่อทำความสะอาดชายหาดที่ปนเปื้อนชั้นหินอุ้มน้ำทะเลสาบและมหาสมุทร ตัวอย่างเช่นสารหนูที่เป็นพิษหรือซีลีเนตสามารถลดสารประกอบที่เป็นพิษให้น้อยลงได้โดยแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนหลายชนิดผ่านการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน การลดมลพิษทางเคมีที่มีคลอรีนเช่นไวนิลคลอไรด์และคาร์บอนเตตระคลอไรด์ยังเกิดขึ้นจากการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน

Anaerobic respiration is useful in generating electricity in microbial fuel cells, which employ bacteria that respire solid electron acceptors (such as oxidized iron) to transfer electrons from reduced compounds to an electrode. This process can simultaneously degrade organic carbon waste and generate electricity.[9]

Examples of electron acceptors in respiration[edit]

TypeLifestyleElectron acceptorProductsEo' [V]Example organisms
aerobic respirationobligate aerobes and facultative anaerobesO2H2O, CO2+ 0.82aerobic prokaryotes
perchlorate respirationfacultative anaerobesClO4-, ClO3-H2O, O2, Cl-+ 0.797Azospira Suillum, Sedimenticola selenatireducens, Sedimenticola thiotaurini, and other gram negative prokaryotes[10]
iodate respirationfacultative anaerobesIO3-H2O, H2O2, I-+ 0.72Denitromonas, Azoarcus, Pseudomonas, and other prokaryotes[11]
iron reductionfacultative anaerobes and obligate anaerobesFe(III)Fe(II)+ 0.75Organisms within the order Desulfuromonadales (such as Geobacter, Geothermobacter, Geopsychrobacter, Pelobacter) and Shewanella species [12]
manganesefacultative anaerobes and obligate anaerobesMn(IV)Mn(II)Desulfuromonadales and Shewanella species [12]
cobalt reductionfacultative anaerobes and obligate anaerobesCo(III)Co(II)Geobacter sulfurreducens
uranium reductionfacultative anaerobes and obligate anaerobesU(VI)U(IV)Geobacter metallireducens, Shewanella oneidensis[13]
nitrate reduction (denitrification)facultative anaerobesnitrate NO3(ultimately) N2+ 0.40Paracoccus denitrificans, Escherichia coli
fumarate respirationfacultative anaerobesfumaratesuccinate+ 0.03Escherichia coli
sulfate respirationobligate anaerobessulfate SO42−sulfide HS- 0.22Many Deltaproteobacteria species in the orders Desulfobacterales, Desulfovibrionales, and Syntrophobacterales
methanogenesis (carbon dioxide reduction)methanogenscarbon dioxide CO2methane CH4- 0.25Methanosarcina barkeri
sulfur respiration (sulfur reduction)facultative anaerobes and obligate anaerobessulfur S0sulfide HS- 0.27Desulfuromonadales
acetogenesis (carbon dioxide reduction)obligate anaerobescarbon dioxide CO2acetate- 0.30Acetobacterium woodii
dehalorespirationfacultative anaerobes and obligate anaerobeshalogenated organic compounds R-XHalide ions and dehalogenated compound X + R-H+ 0.25–+ 0.60[14]Dehalococcoides and Dehalobacter species

See also[edit]

  • Hydrogenosomes and mitosomes
  • Anaerobic digestion[15]
  • Microbial fuel cell
  • Standard electrode potential (data page)
  • Table of standard reduction potentials for half-reactions important in biochemistry
  • Lithotrophs

Further reading[edit]

  • Gregory, Kelvin B.; Bond, Daniel R.; Lovley, Derek R. (June 2004). "Graphite electrodes as electron donors for anaerobic respiration". Environmental Microbiology. 6 (6): 596–604. doi:10.1111/j.1462-2920.2004.00593.x. ISSN 1462-2912. PMID 15142248.

References[edit]

  1. ^ Slonczewski, Joan L.; Foster, John W. (2011). Microbiology : An Evolving Science (2nd ed.). New York: W.W. Norton. p. 166. ISBN 9780393934472.
  2. ^ Schmidt-Rohr, K. (2020). "Oxygen Is the High-Energy Molecule Powering Complex Multicellular Life: Fundamental Corrections to Traditional Bioenergetics” ACS Omega 5: 2221-2233. doi:10.1021/acsomega.9b03352
  3. ^ Sapart; et al. (2017). "The origin of methane in the East Siberian Arctic Shelf unraveled with triple isotope analysis". Biogeosciences. 14 (9): 2283–2292. Bibcode:2017BGeo...14.2283S. doi:10.5194/bg-14-2283-2017.
  4. ^ Simon, Jörg; Klotz, Martin G. (2013-02-01). "Diversity and evolution of bioenergetic systems involved in microbial nitrogen compound transformations". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 1827 (2): 114–135. doi:10.1016/j.bbabio.2012.07.005. PMID 22842521.
  5. ^ Graf, Jon S.; Schorn, Sina; Kitzinger, Katharina; Ahmerkamp, Soeren; Woehle, Christian; Huettel, Bruno; Schubert, Carsten J.; Kuypers, Marcel M. M.; Milucka, Jana (3 March 2021). "Anaerobic endosymbiont generates energy for ciliate host by denitrification". Nature: 1–6. doi:10.1038/s41586-021-03297-6.
  6. ^ Bogner, Jean; Pipatti, Riitta; Hashimoto, Seiji; Diaz, Cristobal; Mareckova, Katarina; Diaz, Luis; Kjeldsen, Peter; Monni, Suvi; Faaij, Andre (2008-02-01). "Mitigation of global greenhouse gas emissions from waste: conclusions and strategies from the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report. Working Group III (Mitigation)". Waste Management & Research. 26 (1): 11–32. doi:10.1177/0734242x07088433. ISSN 0734-242X. PMID 18338699. S2CID 29740189.
  7. ^ Pester, Michael; Knorr, Klaus-Holger; Friedrich, Michael W.; Wagner, Michael; Loy, Alexander (2012-01-01). "Sulfate-reducing microorganisms in wetlands - fameless actors in carbon cycling and climate change". Frontiers in Microbiology. 3: 72. doi:10.3389/fmicb.2012.00072. ISSN 1664-302X. PMC 3289269. PMID 22403575.
  8. ^ Nancharaiah, Y. V.; Venkata Mohan, S.; Lens, P. N. L. (2016-09-01). "Recent advances in nutrient removal and recovery in biological and bioelectrochemical systems". Bioresource Technology. 215: 173–185. doi:10.1016/j.biortech.2016.03.129. ISSN 1873-2976. PMID 27053446.
  9. ^ Xu, Bojun; Ge, Zheng; He, Zhen (2015-05-15). "Sediment microbial fuel cells for wastewater treatment: challenges and opportunities". Environ. Sci.: Water Res. Technol. 1 (3): 279–284. doi:10.1039/c5ew00020c. ISSN 2053-1419.
  10. ^ Melnyk, Ryan A.; Engelbrektson, Anna; Clark, Iain C.; Carlson, Hans K.; Byrne-Bailey, Kathy; Coates, John D. (2011). "Identification of a Perchlorate Reduction Genomic Island with Novel Regulatory and Metabolic Genes". Applied and Environmental Microbiology. 77 (20): 7401–7404. doi:10.1128/AEM.05758-11. PMC 3194888. PMID 21856823.
  11. ^ Reyes-Umana, Victor; Henning, Zachary; Lee, Kristina; Barnum, Tyler; Coates, John (2020). "Genetic and phylogenetic analysis of dissimilatory iodate-reducing bacteria identifies potential niches across the world's oceans". bioRxiv 10.1101/2020.12.28.424624.
  12. ^ a b Richter, Katrin; Schicklberger, Marcus; Gescher, Johannes (2012-02-01). "Dissimilatory reduction of extracellular electron acceptors in anaerobic respiration". Applied and Environmental Microbiology. 78 (4): 913–921. doi:10.1128/AEM.06803-11. ISSN 1098-5336. PMC 3273014. PMID 22179232.
  13. ^ Wall, Judy D.; Krumholz, Lee R. (13 October 2006). "Uranium Reduction". Annual Review of Microbiology. 60: 149–166. doi:10.1146/annurev.micro.59.030804.121357. PMID 16704344.
  14. ^ Holliger, C.; Wohlfarth, G.; Diekert, G. (1998). "Reductive dechlorination in the energy metabolism of anaerobic bacteria" (PDF). FEMS Microbiology Reviews. 22 (5): 383. doi:10.1111/j.1574-6976.1998.tb00377.x.
  15. ^ Lovley, Derek R.; Fraga, Jocelyn L.; Coates, John D.; Blunt‐Harris, Elizabeth L. (1999). "Humics as an electron donor for anaerobic respiration". Environmental Microbiology. 1 (1): 89–98. doi:10.1046/j.1462-2920.1999.00009.x. PMID 11207721.