נשימה אנאירובית: מאפיינים, סוגים ואורגניזמים - ביולוגיה - 2025

נשימה אנאירובית או מצב מטבולי אנאירובי שהינה אנרגיה כימית המבוססת על מולקולות אורגניות משתחרר. מקבל האלקטרונים הסופי בכל התהליך הזה הוא מולקולה שאינה חמצן, כגון יון החנקתי או סולפטים.

אורגניזמים המציגים מטבוליזם מסוג זה הם פרוקריוטים ונקראים אורגניזמים אנאירוביים. פרוקריוטות שהם אנאירוביים בהחלט יכולים לחיות רק בסביבות בהן אין חמצן, מכיוון שהוא רעיל ביותר ואף קטלני.

נשימה אנאירובית קיימת בפרוקריוטות.
מקור: pixabay.com

מיקרואורגניזמים מסוימים - חיידקים ושמרים - משיגים את האנרגיה שלהם בתהליך התסיסה. במקרה זה, התהליך אינו דורש חמצן או שרשרת הובלה אלקטרונית. לאחר הגליקוליזה מתווספות מספר תגובות נוספות והמוצר הסופי יכול להיות אלכוהול אתילי.

במשך שנים ניצלה התעשייה תהליך זה כדי לייצר מוצרים מעניינים לצריכה אנושית, כמו לחם, יין, בירה, בין היתר.

השרירים שלנו מסוגלים גם לנשימה אנאירובית. כאשר תאים אלו נתונים למאמץ אינטנסיבי, מתחיל תהליך התסיסה הלקטית, מה שמביא להצטברות של מוצר זה בשרירים, ויוצר עייפות.

מאפיינים

נשימה היא התופעה שבאמצעותה מתקבלת אנרגיה בצורה של ATP, החל ממולקולות אורגניות שונות - בעיקר פחמימות. תהליך זה מתרחש בזכות תגובות כימיות שונות המתרחשות בתוך תאים.

למרות שמקור האנרגיה העיקרי ברוב האורגניזמים הוא גלוקוז, ניתן להשתמש במולקולות אחרות למיצוי אנרגיה, כמו סוכרים אחרים, חומצות שומן או במקרים של צורך קיצוני, חומצות אמינו - אבני הבניין של חלבונים.

האנרגיה שכל מולקולה מסוגלת לשחרר מכמתת בג'ואלים. המסלולים או מסלולי הביוכימיה של אורגניזמים להשפלת המולקולות האמורות תלויים בעיקר בנוכחות או בהיעדר חמצן. בדרך זו אנו יכולים לסווג את הנשימה לשתי קבוצות גדולות: אנאירובי ואירובי.

בהנשמה אנאירובית יש שרשרת תובלה אלקטרונית המייצרת ATP, והקולט הסופי של אלקטרונים הוא חומר אורגני כמו ניטראט יון, סולפטים, בין היתר.

חשוב לא לבלבל סוג זה של נשימה אנאירובית עם תסיסה. שני התהליכים אינם תלויים בחמצן, אך באחרון אין שרשרת הובלת אלקטרונים.

סוגים

ישנם מספר דרכים בהן אורגניזם יכול לנשום ללא חמצן. אם אין שרשרת הובלת אלקטרונים, חמצון של חומר אורגני ישולב עם הפחתת האטומים האחרים ממקור האנרגיה בתהליך התסיסה (ראה להלן).

במקרה של שרשרת תובלה, תפקידו של מקבל האלקטרונים הסופי יכול לקחת על ידי יונים שונים, כולל ניטרט, ברזל, מנגן, סולפטים ופחמן דו חמצני, בין היתר.

שרשרת הובלת האלקטרונים היא מערכת התגובה להפחתת תחמוצות המובילה לייצור אנרגיה בצורה של ATP, על ידי דרך הנקראת זרחן חמצוני.

האנזימים המעורבים בתהליך נמצאים בתוך החיידק המעוגנים לקרום. לפרוקריוטות יש פתיחות או שלפוחיות הדומות למיטוכונדריה של אורגניזמים אוקריוטים. מערכת זו משתנה מאוד בין חיידקים. המפקח ביותר הוא:

שימוש בחנקות כמקבל אלקטרונים

קבוצה גדולה של חיידקים עם נשימה אנאירובית מסווגים כחיידקים להפחתת חנקות. בקבוצה זו המקבל הסופי של שרשרת ההובלה האלקטרונית הוא ה- NO ₃ ^- ion .

בתוך קבוצה זו ישנם מצבים פיזיולוגיים שונים. מפחית חנקות יכול להיות מסוג הנשימה בו היון NO ₃ ^- הופך למס ₂ ^- ; הם יכולים להיות מכחישים, היכן שהיון האמור עובר ל- N ₂ , או מהסוג ההטמעה בו היון המדובר הופך ל- NH ₃ .

תורמי אלקטרונים יכולים להיות פירובט, סוכטין, לקטט, גליצרול, NADH, בין היתר. האורגניזם המייצג של חילוף חומרים זה הוא חיידק הקולי Escherichia coli הידוע.

שימוש בסולפטים כמקבל אלקטרונים

רק כמה מינים של חיידקים אנאירוביים קפדניים מסוגלים לקחת את יון הגופרתי ולהמיר אותו ל- S ^2- ומים. משתמשים בתגובה מעטה לתגובה, בין הנפוצות ביותר הן חומצה לקטית וחומצות דיארבוקסיליות בעלות ארבע פחמן.

שימוש בפחמן דו חמצני כמקבל אלקטרונים

ארכאאה הם אורגניזמים פרוקריוטיים המאכלסים בדרך כלל אזורים קיצוניים, ומאופיינים בכך שהם מציגים מסלולי מטבוליות מאוד מסוימים.

אחד מאלה הוא ארכיאה המסוגלת לייצר מתאן וכדי להשיג זאת הם משתמשים בפחמן דו חמצני כמקבל הסופי. התוצר הסופי של התגובה הוא גז מתאן (CH ₄ ).

אורגניזמים אלה חיים רק באזורים ספציפיים מאוד של מערכות אקולוגיות, בהן ריכוז המימן גבוה, מכיוון שהוא אחד היסודות הנחוצים לתגובה - כמו קרקעית אגמים או דרכי העיכול של יונקים מסוימים.

תְסִיסָה

תסיסת יין

כפי שציינו, תסיסה היא תהליך מטבולי שאינו מצריך נוכחות של חמצן כדי להתקיים. שימו לב שהוא שונה מהנשמה אנאירובית שהוזכרה בסעיף הקודם בהיעדר שרשרת תובלה אלקטרונית.

תסיסה מאופיינת בכך שהיא תהליך שמשחרר אנרגיה המתחילה מסוכרים או ממולקולות אורגניות אחרות, אינו זקוק לחמצן, אינו זקוק למחזור קרבס או שרשרת הובלת אלקטרונים, המקבל הסופי שלו הוא מולקולה אורגנית ומייצר כמויות קטנות של ATP - אחד או שניים.

לאחר שהתא סיים את תהליך הגליקוליזה, הוא משיג שתי מולקולות של חומצה פירובית לכל מולקולת גלוקוזה.

בהיעדר זמינות חמצן, התא יכול לפנות לדור של מולקולה אורגנית כלשהי בכדי להשיג את הדור של NAD ⁺ או NADP ⁺ שיכולים להיכנס שוב למחזור אחר של גליקוליזה.

בהתאם לאורגניזם שמבצע את התסיסה, התוצר הסופי יכול להיות חומצה לקטית, אתנול, חומצה פרופוניונית, חומצה אצטית, חומצה בוטירית, בוטאנול, אצטון, איזופרופיל אלכוהול, חומצה סוקסינית, חומצה פורמית, בוטאנדיול, ועוד.

תגובות אלה קשורות לעיתים קרובות גם להפרשת מולקולות פחמן דו חמצני או דיהידרוגן.

אורגניזמים עם נשימה אנאירובית

תהליך הנשימה האנאירובי אופייני לפרוקריוטות. קבוצת אורגניזמים זו מאופיינת בחסר גרעין אמיתי (שתוחם על ידי קרום ביולוגי) ותאים תת-תאיים, כמו מיטוכונדריה או כלורופלסטים. בתוך קבוצה זו נמצאים חיידקים וארכיאה.

אנאירובים קפדניים

מיקרואורגניזמים שנפגעים קטלניים מנוכחות חמצן נקראים אנאירוביים בהחלט, כמו הסוג קלוסטרידיום.

שימוש בחילוף חומרים אנאירובי מאפשר למיקרואורגניזמים אלה להתיישב בסביבות קיצוניות חסרות חמצן, בהן אורגניזמים אירוביים לא יכלו להתגורר, כמו מים עמוקים מאוד, קרקעות או דרכי העיכול של בעלי חיים מסוימים.

אנאירובים מקבילים

בנוסף, ישנם מיקרואורגניזמים המסוגלים להחליף בין מטבוליזם אירובי ואנאירובי, בהתאם לצרכים שלהם ולתנאי הסביבה.

עם זאת, ישנם חיידקים עם נשימה אירובית קפדנית שיכולים רק לצמוח ולהתפתח בסביבות עשירות חמצן.

במדעים המיקרוביולוגיים ידע בסוג חילוף החומרים הוא אופי המסייע בזיהוי מיקרואורגניזמים.

אורגניזמים בעלי יכולת תסיסה

בנוסף, ישנם אורגניזמים אחרים המסוגלים ליצור דרכי הנשימה ללא צורך בחמצן או בשרשרת הובלה, כלומר הם תוססים.

ביניהם אנו מוצאים כמה סוגים של שמרים (Saccharomyces), חיידקים (סטרפטוקוקוס, לקטובצילוס, Bacillus, Propionibacterium, Escherichia, Salmonella, Enterobacter) ואפילו תאי שריר משלנו. במהלך התהליך, כל מין מאופיין בהפרשת מוצר אחר.

רלוונטיות אקולוגית

מנקודת המבט של האקולוגיה, הנשימה האנאירובית ממלאת פונקציות טרנסצנדנטליות בתוך מערכות אקולוגיות. תהליך זה מתרחש בבתי גידול שונים, כמו משקעים ימיים או גופי מים מתוקים, סביבות אדמה עמוקות, בין היתר.

ישנם חיידקים הנוטלים סולפטים ליצירת מימן גופרתי ומשתמשים בקרבונט ליצירת מתאן. מינים אחרים מסוגלים להשתמש ביון החנקתי ולהפחית אותו ליון ניטריט, תחמוצת החנקן או גז חנקן.

תהליכים אלה חיוניים במחזורים טבעיים, הן עבור חנקן והן של גופרית. לדוגמא, המסלול האנאירובי הוא המסלול העיקרי באמצעותו מקבע חנקן ומסוגל לחזור לאטמוספירה כגז.

הבדלים מהנשמה אירובית

ההבדל הבולט ביותר בין שני התהליכים המטבוליים הללו הוא השימוש בחמצן. בתחום האירובי, מולקולה זו פועלת כמקבל אלקטרונים סופי.

מבחינה אנרגטית, הנשימה אירובית מועילה הרבה יותר, ומשחררת כמויות משמעותיות של אנרגיה - כ- 38 מולקולות ATP. לעומת זאת, הנשימה בהיעדר חמצן מאופיינת במספר נמוך בהרבה של ATP, המשתנה במידה רבה בהתאם לאורגניזם.

מוצרי ההפרשה משתנים גם הם. הנשימה אירובית מסתיימת בייצור פחמן דו חמצני ומים, ואילו בנשימה אירובית הביניים מגוונים - כמו חומצה לקטית, אלכוהול או חומצות אורגניות אחרות, למשל.

מבחינת מהירות, הנשימה אירובית אורכת הרבה יותר זמן. לפיכך, התהליך האנאירובי מייצג מקור מהיר של אנרגיה לאורגניזמים.

הפניות

1. Baron, S. (1996). מיקרוביולוגיה רפואית. מהדורה רביעית. סניף רפואי של אוניברסיטת טקסס בגלווסטון.
2. בקט, BS (1986). ביולוגיה: מבוא מודרני. הוצאת אוניברסיטת אוקספורד, ארה"ב.
3. Fauque, GD (1995). אקולוגיה של חיידקים המפחיתים סולפטים. בחיידקים להפחתת סולפטים (עמ '217-241). שפרינגר, בוסטון, מ.א.
4. סוני, SK (2007). מיקרובים: מקור אנרגיה למאה ה -21. הוצאת הודו החדשה.
5. רייט, דב (2000). פיזיולוגיה אנושית ובריאות. היינמן.