ลักษณะการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนประเภทและสิ่งมีชีวิต - ชีววิทยา - 2026

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือโหมดการเผาผลาญแบบไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งเป็นพลังงานเคมีจากโมเลกุลอินทรีย์จะถูกปล่อยออกมา ตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้ายในกระบวนการทั้งหมดนี้เป็นโมเลกุลอื่นที่ไม่ใช่ออกซิเจนเช่นไนเตรตไอออนหรือซัลเฟต

สิ่งมีชีวิตที่นำเสนอเมแทบอลิซึมประเภทนี้คือโปรคาริโอตและเรียกว่าสิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช้ออกซิเจน โปรคาริโอตที่ไม่ใช้ออกซิเจนอย่างเคร่งครัดสามารถอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีออกซิเจนเท่านั้นเนื่องจากเป็นพิษสูงและถึงตายได้

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนมีอยู่ในโปรคาริโอต
ที่มา: pixabay.com

จุลินทรีย์บางชนิดเช่นแบคทีเรียและยีสต์ได้รับพลังงานจากกระบวนการหมัก ในกรณีนี้กระบวนการไม่ต้องการออกซิเจนหรือห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน หลังจากไกลโคไลซิสจะมีการเพิ่มปฏิกิริยาพิเศษสองสามรายการและผลิตภัณฑ์สุดท้ายอาจเป็นเอทิลแอลกอฮอล์

หลายปีที่ผ่านมาอุตสาหกรรมได้ใช้ประโยชน์จากกระบวนการนี้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่น่าสนใจสำหรับการบริโภคของมนุษย์เช่นขนมปังไวน์เบียร์เป็นต้น

กล้ามเนื้อของเรายังสามารถหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนได้อีกด้วย เมื่อเซลล์เหล่านี้ต้องใช้ความพยายามอย่างมากกระบวนการหมักแลคติกจะเริ่มขึ้นซึ่งส่งผลให้เกิดการสะสมของผลิตภัณฑ์นี้ในกล้ามเนื้อทำให้เกิดความเหนื่อยล้า

ลักษณะเฉพาะ

การหายใจเป็นปรากฏการณ์ที่ได้รับพลังงานในรูปของ ATP โดยเริ่มจากโมเลกุลอินทรีย์ต่างๆ - ส่วนใหญ่เป็นคาร์โบไฮเดรต กระบวนการนี้เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมีต่างๆที่เกิดขึ้นภายในเซลล์

แม้ว่าแหล่งพลังงานหลักในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่คือกลูโคส แต่โมเลกุลอื่น ๆ ก็สามารถใช้ในการดึงพลังงานได้เช่นน้ำตาลอื่น ๆ กรดไขมันหรือในกรณีที่มีความต้องการมากกรดอะมิโนซึ่งเป็นส่วนประกอบของโปรตีน

พลังงานที่แต่ละโมเลกุลสามารถปล่อยออกมาได้ถูกวัดเป็นหน่วยเป็นจูล วิถีทางชีวเคมีหรือทางเดินของสิ่งมีชีวิตสำหรับการย่อยสลายโมเลกุลดังกล่าวส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการมีหรือไม่มีออกซิเจน ด้วยวิธีนี้เราสามารถจำแนกการหายใจออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ ๆ : แบบไม่ใช้ออกซิเจนและแบบแอโรบิค

ในการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนมีห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนที่สร้าง ATP และตัวรับสุดท้ายของอิเล็กตรอนคือสารอินทรีย์เช่นไนเตรตไอออนซัลเฟตและอื่น ๆ

สิ่งสำคัญคืออย่าสับสนระหว่างการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนประเภทนี้กับการหมัก กระบวนการทั้งสองไม่ขึ้นอยู่กับออกซิเจน แต่ในช่วงหลังไม่มีห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

ประเภท

มีหลายเส้นทางที่สิ่งมีชีวิตสามารถหายใจได้โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจน หากไม่มีห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนการเกิดออกซิเดชันของสารอินทรีย์จะควบคู่ไปกับการลดลงของอะตอมอื่น ๆ จากแหล่งพลังงานในกระบวนการหมัก (ดูด้านล่าง)

ในกรณีของห่วงโซ่การขนส่งบทบาทของตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้ายสามารถรับได้โดยไอออนต่างๆ ได้แก่ ไนเตรตเหล็กแมงกานีสซัลเฟตและคาร์บอนไดออกไซด์เป็นต้น

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนเป็นระบบปฏิกิริยารีดักชันออกไซด์ที่นำไปสู่การผลิตพลังงานในรูปของ ATP โดยวิธีการที่เรียกว่า Oxidative phosphorylation

เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้พบได้ในแบคทีเรียโดยยึดกับเมมเบรน โปรคาริโอตมีการบุกรุกหรือถุงที่มีลักษณะคล้ายไมโทคอนเดรียของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต ระบบนี้แตกต่างกันไปในหมู่แบคทีเรีย คอมมอนมากที่สุดคือ:

การใช้ไนเตรตเป็นตัวรับอิเล็กตรอน

แบคทีเรียกลุ่มใหญ่ที่มีการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนจัดเป็นแบคทีเรียลดไนเตรต ในกลุ่มนี้ใบเสร็จสุดท้ายของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนเป็น NO ₃ ^-ไอออน

ภายในกลุ่มนี้มีรูปแบบทางสรีรวิทยาที่แตกต่างกัน ตัวลดไนเตรตอาจเป็นชนิดทางเดินหายใจโดยที่ไอออน NO ₃ ^-กลายเป็น NO ₂ ^- ; พวกเขาสามารถ Denitrifying ที่กล่าวว่าไอออนผ่านไป N ₂หรือประเภทของการปรับตัวที่ไอออนในคำถามที่จะเปลี่ยนเป็น NH 3

ผู้บริจาคอิเล็กตรอนสามารถเป็นไพรูเวตซัคซิเนตแลคเตทกลีเซอรอล NADH และอื่น ๆ สิ่งมีชีวิตที่เป็นตัวแทนของการเผาผลาญนี้คือแบคทีเรีย Escherichia coli ที่รู้จักกันดี

การใช้ซัลเฟตเป็นตัวรับอิเล็กตรอน

แบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนที่เข้มงวดเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่สามารถรับซัลเฟตไอออนและเปลี่ยนเป็น S ^2-และน้ำได้ มีการใช้สารตั้งต้นบางอย่างสำหรับปฏิกิริยาโดยที่พบมากที่สุด ได้แก่ กรดแลคติกและกรดไดคาร์บอกซิลิกสี่คาร์บอน

การใช้คาร์บอนไดออกไซด์เป็นตัวรับอิเล็กตรอน

Archaea เป็นสิ่งมีชีวิตประเภทโปรคาริโอตที่มักอาศัยอยู่ในบริเวณที่รุนแรงและมีลักษณะเฉพาะด้วยการแสดงเส้นทางการเผาผลาญที่เฉพาะเจาะจงมาก

หนึ่งในนั้นคืออาร์เคียที่สามารถผลิตก๊าซมีเทนและเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้พวกเขาใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นตัวรับขั้นสุดท้าย ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของปฏิกิริยาคือก๊าซมีเธน (CH ₄ )

สิ่งมีชีวิตเหล่านี้อาศัยอยู่เฉพาะในพื้นที่เฉพาะของระบบนิเวศซึ่งมีความเข้มข้นของไฮโดรเจนสูงเนื่องจากเป็นองค์ประกอบหนึ่งที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเช่นก้นทะเลสาบหรือทางเดินอาหารของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมบางชนิด

การหมัก

การหมักไวน์

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วการหมักเป็นกระบวนการเผาผลาญที่ไม่ต้องการให้มีออกซิเจนเกิดขึ้น โปรดสังเกตว่ามันแตกต่างจากการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่กล่าวถึงในหัวข้อก่อนหน้านี้เนื่องจากไม่มีห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

การหมักมีลักษณะเป็นกระบวนการที่ปลดปล่อยพลังงานโดยเริ่มจากน้ำตาลหรือโมเลกุลอินทรีย์อื่น ๆ ไม่ต้องการออกซิเจนไม่ต้องการวงจร Krebs หรือห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนตัวรับสุดท้ายคือโมเลกุลอินทรีย์และสร้าง ATP จำนวนเล็กน้อย - หนึ่งหรือสอง.

เมื่อเซลล์เสร็จสิ้นกระบวนการไกลโคไลซิสแล้วจะได้กรดไพรูวิกสองโมเลกุลสำหรับกลูโคสแต่ละโมเลกุล

ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนเซลล์สามารถใช้การสร้างโมเลกุลอินทรีย์บางส่วนเพื่อให้เกิดการสร้าง NAD ⁺หรือ NADP ⁺ที่สามารถเข้าสู่วงจรไกลโคไลซิสอีกครั้งได้

ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอาจเป็นกรดแลคติกเอทานอลกรดโพรพิโอนิกกรดอะซิติกกรดบิวทิริกบิวทานอลอะซิโตนไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์กรดซัคซินิกกรดฟอร์มิกบิวทานิไดออลและอื่น ๆ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิตที่ดำเนินการหมัก

ปฏิกิริยาเหล่านี้มักเกี่ยวข้องกับการขับโมเลกุลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หรือไดไฮโดรเจนออก

สิ่งมีชีวิตที่มีการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน

กระบวนการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นเรื่องปกติของโปรคาริโอต สิ่งมีชีวิตกลุ่มนี้มีลักษณะเฉพาะคือไม่มีนิวเคลียสที่แท้จริง (คั่นด้วยเยื่อชีวภาพ) และช่องใต้เซลล์เช่นไมโตคอนเดรียหรือคลอโรพลาสต์ ภายในกลุ่มนี้มีแบคทีเรียและอาร์เคีย

การไม่ใช้ออกซิเจนที่เข้มงวด

จุลินทรีย์ที่ได้รับผลกระทบร้ายแรงจากการมีออกซิเจนเรียกว่าไม่ใช้ออกซิเจนอย่างเคร่งครัดเช่นสกุล Clostridium

การมีเมแทบอลิซึมแบบไม่ใช้ออกซิเจนช่วยให้จุลินทรีย์เหล่านี้ตั้งรกรากในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่ปราศจากออกซิเจนซึ่งสิ่งมีชีวิตประเภทแอโรบิคไม่สามารถอาศัยอยู่ได้เช่นน้ำลึกมากดินหรือทางเดินอาหารของสัตว์บางชนิด

การไม่ใช้ออกซิเจนทางปัญญา

นอกจากนี้ยังมีจุลินทรีย์บางชนิดที่สามารถสลับระหว่างการเผาผลาญแบบแอโรบิคและแบบไม่ใช้ออกซิเจนขึ้นอยู่กับความต้องการและสภาพแวดล้อม

อย่างไรก็ตามมีแบคทีเรียที่มีการหายใจแบบแอโรบิคที่เข้มงวดซึ่งสามารถเติบโตและพัฒนาได้ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนเท่านั้น

ในทางจุลชีววิทยาความรู้เกี่ยวกับประเภทของเมแทบอลิซึมเป็นลักษณะที่ช่วยในการระบุจุลินทรีย์

สิ่งมีชีวิตที่มีความสามารถในการหมัก

นอกจากนี้ยังมีสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ที่สามารถสร้างทางเดินหายใจได้โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจนหรือห่วงโซ่การขนส่งนั่นคือพวกมันหมัก

เราพบยีสต์บางชนิด (Saccharomyces) แบคทีเรีย (Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus, Propionibacterium, Escherichia, Salmonella, Enterobacter) และแม้แต่เซลล์กล้ามเนื้อของเราเอง ในระหว่างกระบวนการแต่ละสายพันธุ์มีลักษณะการขับถ่ายผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกัน

ความเกี่ยวข้องกับระบบนิเวศ

จากมุมมองของนิเวศวิทยาการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนช่วยเติมเต็มการทำงานที่ยอดเยี่ยมภายในระบบนิเวศ กระบวนการนี้เกิดขึ้นในแหล่งที่อยู่อาศัยที่แตกต่างกันเช่นตะกอนทะเลหรือแหล่งน้ำจืดสภาพแวดล้อมในดินลึกเป็นต้น

แบคทีเรียบางชนิดใช้ซัลเฟตเพื่อสร้างไฮโดรเจนซัลไฟด์และใช้คาร์บอเนตเพื่อสร้างก๊าซมีเทน สิ่งมีชีวิตชนิดอื่นสามารถใช้ไอออนไนเตรตและลดเป็นไนไตรต์ไอออนไนตรัสออกไซด์หรือก๊าซไนโตรเจน

กระบวนการเหล่านี้มีความสำคัญในวัฏจักรธรรมชาติทั้งไนโตรเจนและกำมะถัน ตัวอย่างเช่นวิถีแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นเส้นทางหลักที่ไนโตรเจนได้รับการแก้ไขและสามารถกลับสู่บรรยากาศเป็นก๊าซได้

ความแตกต่างจากการหายใจแบบแอโรบิค

ความแตกต่างที่ชัดเจนที่สุดระหว่างกระบวนการเผาผลาญทั้งสองนี้คือการนำออกซิเจนไปใช้ประโยชน์ ในแอโรบิคโมเลกุลนี้จะทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้าย

การหายใจแบบแอโรบิคอย่างกระฉับกระเฉงมีประโยชน์มากกว่าโดยปล่อยพลังงานจำนวนมาก - ประมาณ 38 โมเลกุล ATP ในทางตรงกันข้ามการหายใจในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนนั้นมีค่า ATP ต่ำกว่ามากซึ่งแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิต

ผลิตภัณฑ์ในการขับถ่ายก็แตกต่างกันไป การหายใจแบบแอโรบิคจะสิ้นสุดลงด้วยการผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในขณะที่การหายใจแบบแอโรบิคสารตัวกลางจะแตกต่างกันไปเช่นกรดแลคติกแอลกอฮอล์หรือกรดอินทรีย์อื่น ๆ เป็นต้น

ในแง่ของความเร็วการหายใจแบบแอโรบิคใช้เวลานานกว่ามาก ดังนั้นกระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนจึงเป็นแหล่งพลังงานที่รวดเร็วสำหรับสิ่งมีชีวิต

อ้างอิง

1. บารอนเอส. (2539). จุลชีววิทยาทางการแพทย์. พิมพ์ครั้งที่ 4. สาขาการแพทย์มหาวิทยาลัยเท็กซัสที่กัลเวสตัน
2. Beckett, BS (1986). ชีววิทยา: บทนำที่ทันสมัย สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดสหรัฐอเมริกา
3. Fauque, GD (1995). นิเวศวิทยาของแบคทีเรียลดซัลเฟต ในแบคทีเรียลดซัลเฟต (หน้า 217-241) สปริงเกอร์บอสตันแมสซาชูเซตส์
4. Soni, SK (2007). จุลินทรีย์: แหล่งพลังงานสำหรับศตวรรษที่ 21 สำนักพิมพ์นิวอินเดีย
5. ไรท์ DB (2000) สรีรวิทยาและสุขภาพของมนุษย์ ไฮเนมันน์.