Anaerobik solunum - Anaerobic respiration

Anaerobik solunum , moleküler oksijen (O 2 ) dışındaki elektron alıcılarının kullanıldığı solunumdur . Oksijen son elektron alıcısı olmasa da, süreç hala bir solunum elektron taşıma zinciri kullanır.

Olarak aerobik organizmalar gören solunum, elektronlar için mekik olan elektron taşıma zinciri ve son elektron alıcı bir oksijen . Moleküler oksijen, yüksek enerjili bir oksitleyici ajandır ve bu nedenle mükemmel bir elektron alıcısıdır. Gelen anaeroblar gibi diğer daha az oksitleyici maddeler nitrat (NO 3 - ), fumarat , sülfat (SO 4 2- ) ya da sülfür (S) kullanılır. Bu, terminal elektron akseptörleri küçük olan redüksiyon potansiyeli , O den 2 daha az enerji oksitlenmiş molekül başına serbest, yani. Bu nedenle, anaerobik solunum aerobikten daha az verimlidir.

Fermantasyon ile karşılaştırıldığında

Anaerobik hücresel solunum ve fermantasyon , ATP'yi çok farklı şekillerde üretir ve terimler eş anlamlı olarak ele alınmamalıdır. Hücresel solunum (hem aerobik ve anaerobik) yüksek oranda gibi kimyasal bileşiklerin düşük kullanır NADH ve FADH 2 (esnasında üretilen, örneğin glikoliz ve sitrik asit döngüsünün bir kurmak) elektrokimyasal gradyanı bir membran boyunca (genellikle proton gradyanı). Bu , zar boyunca bir elektrik potansiyeli veya iyon konsantrasyonu farkı ile sonuçlanır . İndirgenmiş kimyasal bileşikler , son elektron alıcısı oksijen ( aerobik solunumda ) veya başka bir kimyasal madde (anaerobik solunumda) olmak üzere, sıralı olarak artan indirgeme potansiyeline sahip bir dizi solunum integral membran proteini tarafından oksitlenir . Bir proton hareket kuvveti , protonları ATP sentazın proton kanalı boyunca gradyandan (zar boyunca) aşağı doğru iter . Ortaya çıkan akım, ADP ve inorganik fosfattan ATP sentezini yönlendirir .

Fermantasyon , aksine, bir elektrokimyasal gradyan kullanmaz. Fermantasyon bunun yerine ATP üretmek için yalnızca substrat düzeyinde fosforilasyonu kullanır . Elektron alıcısı NAD + , oksitlenmiş bileşiklerin indirgenmesiyle fermantasyon yolunun oksidatif adımlarında oluşturulan NADH'den yeniden üretilir. Bu oksitlenmiş bileşikler genellikle fermantasyon yolunun kendisi sırasında oluşur, ancak harici de olabilir. Örneğin, homofermentatif laktik asit bakterileri, NADH oksidasyonu sırasında oluşan gliseraldehid-3-fosfat NAD için geri oksitlenir + indirgenmesi ile piruvat için laktik asit yolunda bir sonraki aşamada. Olarak maya , asetaldehit indirgenir etanol NAD yeniden oluşturmak için + .

Karbon dioksit / bikarbonat (HCO 3 - ) redüksiyonu (solunum) veya asetat fermantasyonu yoluyla iki önemli anaerobik mikrobiyal metan oluşum yolu vardır .

Ekolojik önemi

Anaerobik solunum, azot , kükürt ve karbonun oksianyonlarının daha indirgenmiş bileşiklere indirgenmesi yoluyla küresel azot , demir , kükürt ve karbon döngülerinin kritik bir bileşenidir . Biyokimyasal bisiklet anaerobik solunum, önemli ölçüde etkiler bağlıdır, bu bileşiklerin, karbon döngüsü ve küresel ısınma . Anaerobik solunum, tatlı su ve deniz tortulları, toprak, yeraltı akiferleri, derin yeraltı ortamları ve biyofilmler dahil olmak üzere birçok ortamda meydana gelir. Toprak gibi oksijen içeren ortamlar bile oksijen gazının yavaş difüzyon özelliğinden dolayı oksijenden yoksun mikro ortamlara sahiptir .

Anaerobik solunumun ekolojik önemine bir örnek, nitratın bir terminal elektron alıcısı olarak kullanılması veya sabit nitrojenin moleküler nitrojen gazı olarak atmosfere geri döndürülmesinin ana yolu olan disimilasyon denitrifikasyonudur . Denitrifikasyon süreci de konak-mikrop etkileşimlerinde çok önemlidir. Oksijen soluyan mikroorganizmalardaki mitokondriye benzer şekilde, bazı tek hücreli anaerobik siliatlar, enerji kazanmak için denitrifikasyon endosembiyozlarını kullanır. Başka bir örnek, anaerobik sindirim yoluyla metan gazı üretmek için kullanılan bir karbondioksit solunumu şekli olan metanojenezdir . Biyojenik metan, fosil yakıtlara sürdürülebilir bir alternatif olarak kullanılmaktadır. Olumsuz tarafı, depolama alanlarındaki kontrolsüz metanojenez, güçlü bir sera gazı olarak hareket ettiği atmosfere büyük miktarlarda metan salmaktadır . Sülfat solunumu , kıyıdaki sulak alanların karakteristik 'çürük yumurta' kokusundan sorumlu olan ve çözeltiden ağır metal iyonlarını çökeltme kapasitesine sahip olan ve sülfidik metal cevherlerinin birikmesine yol açan hidrojen sülfür üretir .

Ekonomik alaka

Disimilatory denitrifikasyon , belediye atık sularından nitrat ve nitritin giderilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır . Fazla nitrat, arıtılmış suyun salındığı su yollarının ötrofikasyonuna yol açabilir . İçme suyundaki yüksek nitrit seviyeleri, toksisitesi nedeniyle sorunlara yol açabilir. Denitrifikasyon, her iki bileşiği de zararsız nitrojen gazına dönüştürür.

Anaerobik Denitrifikasyon (ETC Sistemi)

Türkçe: Yukarıdaki model , elektron alıcısı olarak nitrojeni (nitrat formunda, NO 3 ) kullanan denitrifikasyon yoluyla anaerobik solunum sürecini gösterir . NO 3 - solunum dehidrojenazından geçer ve her adımda ubikinozdan bc1 kompleksine ve ayrıca ATP sentaz proteini aracılığıyla azalır. Her bir redüktaz, her adımda oksijen kaybeder, böylece anaerobik solunumun son ürünü N2 olur. 1. Sitoplazma 2. Periplazma Aerobik elektron taşıma zinciriyle karşılaştırın .


Mikroorganizmaların toksik kimyasalları daha az zararlı moleküllere dönüştürerek kirlenmiş plajları, akiferleri, gölleri ve okyanusları temizlemek için kullandığı biyoremediasyonda belirli anaerobik solunum türleri de kritik öneme sahiptir. Örneğin, toksik arsenat veya selenat , anaerobik solunum yoluyla çeşitli anaerobik bakteriler tarafından daha az toksik bileşiklere indirgenebilir. Vinil klorür ve karbon tetraklorür gibi klorlu kimyasal kirleticilerin azaltılması da anaerobik solunum yoluyla gerçekleşir.

Anaerobik solunum, elektronları indirgenmiş bileşiklerden bir elektrota aktarmak için katı elektron alıcılarını (oksitlenmiş demir gibi) soluyan bakterileri kullanan mikrobiyal yakıt hücrelerinde elektrik üretiminde faydalıdır . Bu süreç aynı anda organik karbon atığını bozabilir ve elektrik üretebilir.

Solunumda elektron alıcı örnekleri

Tip Yaşam tarzı elektron alıcısı Ürün:% s E o' [V] Örnek organizmalar
aerobik solunum zorunlu aeroblar ve fakültatif anaeroblar O 2 H 2 , O, CO 2 + 0.82 aerobik prokaryotlar
perklorat solunumu fakültatif anaeroblar ClO 4 , ClO 3 H 2 O, O 2 , Cl - + 0.797 Azospira Suillum , Sedimenticola selenatireducens , Sedimenticola thiotaurini ve diğer gram negatif prokaryotlar
iyodat solunumu fakültatif anaeroblar 3 - H 2 O, H 2 O 2 , ben - + 0.72 Denitromonas , Azoarcus , Pseudomonas ve diğer prokaryotlar
demir azaltma fakültatif anaeroblar ve zorunlu anaeroblar Fe(III) Fe(II) + 0.75 Sipariş içindeki organizmalar Desulfuromonadales (örneğin Geobacter , Geothermobacter , Geopsychrobacter , Pelobacter ve) Shewanella türleri
manganez fakültatif anaeroblar ve zorunlu anaeroblar Mn(IV) Mn(II) Desulfuromonadales ve Shewanella türleri
kobalt azaltma fakültatif anaeroblar ve zorunlu anaeroblar Co(III) Co(II) Geobacter kükürt azaltıcılar
uranyum azaltma fakültatif anaeroblar ve zorunlu anaeroblar U(VI) U(IV) Geobacter metallireducens , Shewanella oneidensis
nitrat azaltma ( denitrifikasyon ) fakültatif anaeroblar nitrat NO 3 (nihai olarak) N 2 + 0.40 Paracoccus denitrificans , Escherichia coli
fumarat solunumu fakültatif anaeroblar fumarat süksinat + 0.03 Escherichia koli
sülfat solunumu zorunlu anaeroblar sülfat SO 4 2− sülfür HS - - 0.22 Desulfobacterales , Desulfovibrionales ve Syntrophobacterales takımlarındaki birçok Deltaproteobacteria türü
metanojenez (karbondioksit azaltımı) metanojenler karbondioksit CO 2 metan CH 4 - 0.25 Methanosarcina barkeri
kükürt solunumu (kükürt azaltımı) fakültatif anaeroblar ve zorunlu anaeroblar kükürt S 0 sülfür HS - - 0.27 desulfuromonadales
asetogenez (karbon dioksit azalması) zorunlu anaeroblar karbondioksit CO 2 asetat - 0.30 acetobacterium woodii
dehalorespirasyon fakültatif anaeroblar ve zorunlu anaeroblar halojenli organik bileşikler RX Halid iyonları ve halojensizleştirilmiş bileşik X + RH + 0.25–+ 0.60 Dehalococcoides ve Dehalobacter türleri

Ayrıca bakınız

daha fazla okuma

  • Gregory, Kelvin B.; Bond, Daniel R.; Lovley, Derek R. (Haziran 2004). "Anaerobik solunum için elektron verici olarak grafit elektrotlar". Çevre Mikrobiyolojisi . 6 (6): 596-604. doi : 10.1111/j.1462-2920.2004.00593.x . ISSN  1462-2912 . PMID  15142248 .

Referanslar