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Aerobe und anaerobe Prozesse sind zwei verschiedene Arten von Prozessen, die Zellen verwenden, um Energie aus der Nahrung zu gewinnen, die sie in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen aufnehmen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, dass der erste von den Zellen ausgeführt wird, wenn sie sich in einem sauerstoffreichen Medium befinden, während der zweite ausgeführt wird, wenn er fehlt oder wenn die Konzentration dieses Gases nicht hoch genug ist.
Neben diesem grundlegenden Unterschied unterscheiden sich auch die biochemischen Reaktionen, die in Gegenwart oder Abwesenheit von Sauerstoff ablaufen, sodass aerobe und anaerobe Prozesse in der Regel zu unterschiedlichen Zwischen- und Endprodukten sowie einem unterschiedlichen Energienutzungsgrad führen Nährstoffe. Andererseits gibt es auch Unterschiede hinsichtlich der Art des Organismus, der die einzelnen Prozesse nutzen kann, und des Teils der Zelle, in dem sie ablaufen.
Unterschiede zwischen aeroben und anaeroben zellulären Prozessen
Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen diesen beiden Stoffwechselprozessen zusammen. Sie werden später ausführlicher erläutert.
| Aerobe Prozesse | Anaerobe Prozesse | |
| Wenn sie auftreten: | Sie treten in Gegenwart von Sauerstoff auf. | Sie treten in Abwesenheit von Sauerstoff oder bei niedriger Sauerstoffkonzentration auf. |
| Ausgangssubstrat: | Glukose und Sauerstoff. | Nur Glukose. |
| Endprodukt: | CO 2 , Wasser und Energie in Form von ATP | Energie in Form von ATP und je nach Verfahrenstyp als Endprodukt Milchsäure oder Ethanol und CO 2 . |
| Beteiligte Phasen: | • Glykolyse • Pyruvatoxidation • Zitronensäurezyklus oder Krebszyklus. • Oxidative Phosphorylierung. |
• Glykolyse • Oxidation von Pyruvat • Die meisten sind nicht am Krebszyklus beteiligt. • Die meisten beinhalten keine oxidative Phosphorylierung. |
| Es betrifft die Elektronentransportkette. | Bei der Fermentation ist die Elektronentransportkette nicht beteiligt. | |
| Effizienz der Stromerzeugung: | Es produziert große Mengen an Energie in Form von ATP. Für jedes Glukosemolekül werden insgesamt 30-32 Netto-ATP-Moleküle produziert. | Es produziert wenig Energie in Form von ATP. Für jedes fermentierte Glucosemolekül werden nur 2 Netto-ATP-Moleküle produziert. |
| Teil der Zelle, in der es auftritt: | Ein Teil kommt im Zytoplasma und ein anderer in den Mitochondrien vor. | Es kommt im Zytoplasma und in einigen Fällen auf der Zellmembran vor. |
| Art der Organisation, die es verwendet: | Es kommt in aeroben Organismen und in fakultativen Anaerobiern vor. Es kommt nicht bei strengen Anaerobiern oder bei toleranten Anaerobiern vor. |
Es tritt bei strikten, fakultativen und toleranten Anaerobiern auf. |
| Unterschiede in der Evolution: | Es ist ein neuerer Stoffwechselprozess. | Es soll der älteste Kohlenhydrat-Stoffwechselprozess sein. |
ATP: Zellularer Brennstoff
Auch nach der Verdauung können die Zellen die Stoffe, in die die Nahrung umgewandelt wird, nicht direkt als Energiequelle nutzen. Dieser muss sie verarbeiten und in ein spezielles Molekül namens Adenosintriphosphat, Adenosintriphosphat oder ATP, für sein Akronym auf Englisch, umwandeln.
Hier kommen aerobe und anaerobe Stoffwechselprozesse ins Spiel, da beide unterschiedliche Wege darstellen, um Glukose und andere Nährstoffe in ATP umzuwandeln. Anders ausgedrückt: Aerobe und anaerobe Prozesse können als unterschiedliche Arten der Veredelung von Lebensmitteln zur Herstellung der tatsächlich benötigten Brennstoffzellen angesehen werden.
Aerobe Prozesse
Aerobe Prozesse beziehen sich auf die Zellatmung in Anwesenheit von Sauerstoff. Sie sind eine Reihe biochemischer Reaktionen, bei denen Sauerstoff der letzte Akzeptor der Elektronen ist, die durch die Oxidation von Glukose erzeugt werden. Die Nettoreaktion der aeroben Atmung ist:
C 6 H 12 O 6 (Glucose) + 6O 2 + 32ADP + 32Pi → 6CO 2 + 6H 2 O + 32ATP
In dieser chemischen Gleichung steht ADP für Adenosinmonophosphat, Pi für anorganisches Phosphat und ATP für Adenosintriphosphat.
Elektronen aus der Oxidation von Glucose werden durch eine Reihe von Oxidations-Reduktions-Reaktionen, die zusammen als oxidative Phosphorylierung bekannt sind, die Elektronentransportkette nach oben transportiert. Dieser Prozess findet in den Mitochondrien statt und produziert große Mengen an Energie in Form von ATP.
Die aerobe Atmung beginnt mit einem Stadium, das keinen Sauerstoff benötigt und als Glykolyse bezeichnet wird . Während dieser ersten Phase, die im Zytoplasma der Zelle stattfindet, wird das Glukosemolekül durch verschiedene Reaktionen in zwei Teile gespalten, um zwei Moleküle einer Verbindung namens Pyruvat zu produzieren, wodurch zwei Netto-ATP-Moleküle erzeugt werden.
Das während der Glykolyse gebildete Pyruvat wird oxidiert und gelangt dann in die Mitochondrien, wo es in den Krebszyklus eintritt, der auch als Tricarbonsäurezyklus oder Zitronensäurezyklus bekannt ist. Dieser Zyklus ist mit der oxidativen Phosphorylierung gekoppelt , und diese beiden Prozesse produzieren zusammen mit der Glykolyse insgesamt 32 Netto-ATP-Moleküle für jedes metabolisierte Glucosemolekül.
Anaerobe Prozesse
Im Gegensatz zu aeroben Prozessen verwenden anaerobe Prozesse in keiner ihrer Phasen Sauerstoff. Tatsächlich umfasst der Begriff die Prozesse des Metabolismus von Glukose und anderen Nährstoffen in Abwesenheit von Sauerstoff.
Die häufigsten anaeroben Prozesse sind die anaerobe Atmung und die verschiedenen Arten der Fermentation.
anaerobe Atmung
Es bezieht sich auf die Art und Weise, wie einige anaerobe Mikroorganismen die Oxidation von Glucose durchführen. In diesen Fällen sind anstelle von Sauerstoff als letztem Akzeptor der Elektronen aus Glucose andere anorganische Verbindungen wie Nitrationen, Sulfat, Kohlendioxid und in einigen Fällen sogar einige Metallkationen wie Eisen (III), Mangan (IV) oder Uran (VI).
Die anaerobe Atmung ist der aeroben Atmung sehr ähnlich, da sie auch eine Anfangsphase der Glykolyse und eine Reihe von Oxidationsreaktionen umfasst, die an eine Elektronentransportkette gekoppelt sind, aber sie erzeugt weniger Energie als die aerobe Atmung.
Fermentation
Die Fermentation ist eine andere Art von anaerobem Prozess. Obwohl es auch mit der Bildung von Pyruvat durch Glykolyse beginnt, folgt es keiner Reaktionskette, die zu seiner vollständigen Oxidation führt, wie es während der Atmung (ob anaerob oder nicht) geschieht.
Je nach Art des Endprodukts, in das das Pyruvat umgewandelt wird, können unterschiedliche Arten der Fermentation durchgeführt werden. Beispielsweise können Muskelzellen Pyruvat zu Milchsäure fermentieren , wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist oder wenn mehr Pyruvat vorhanden ist, als die Mitochondrien durch aerobe Atmung verarbeiten können. Dies kann passieren, wenn wir anhaltende, hochintensive Übungen machen.
Viele Mikroorganismen können auch andere Arten der Fermentation durchführen. Einige, wie zum Beispiel Hefe, fermentieren Kohlenhydrate zu Ethylalkohol . Dieses Verfahren wird zur Herstellung von alkoholischen Getränken verwendet. Wieder andere Bakterien können durch Fermentation Methan produzieren .
Da die Fermentation Pyruvat abschöpft, bevor es die Elektronentransportkette erreicht, wird es nicht als eine Art Atmung angesehen, sondern als eine Art anaerober Prozess.
Unterschied in der Energieerzeugung bei aeroben und anaeroben Prozessen
Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen aeroben und anaeroben Prozessen ist ihre Fähigkeit, die in Glukose und anderen zellulären Nahrungsmitteln enthaltene chemische Energie nutzbar zu machen. Die aerobe Atmung ist bei der Energieerzeugung viel effizienter als jeder der anaeroben Prozesse.
Sowohl aerobe als auch anaerobe Prozesse beginnen mit der gleichen Anfangsphase, der Glykolyse. Dieser Prozess hat eine Nettoproduktion von nur 2 ATP-Molekülen.
Hier enden jedoch die Gemeinsamkeiten. Da in anaeroben Prozessen kein Sauerstoff vorhanden ist, tritt Pyruvat nicht in den Krebszyklus ein, der mit der durch die Elektronentransportkette gebildeten ATP-Produktionsmaschinerie koppelt, sodass es nicht möglich ist, mehr ATP als die beiden Moleküle zu produzieren Sie stammen aus der Glykolyse.
Aus diesem Grund sind aerobe Prozesse viel energieeffizienter als anaerobe.
Unterschiede in ihrer Entwicklung
Anaerobe Prozesse gelten als älter als aerobe, da die Uratmosphäre keinen Sauerstoff enthielt. Es wurde erst gebildet, als sich photosynthetische Organismen, hauptsächlich grüne Pflanzen, entwickelten, lange nachdem das Leben an Land entstanden war.
Schon die ersten einzelligen eukaryotischen Organismen sollen anaerob gewesen sein. Durch die Entwicklung durch Endosymbiose bauten sie jedoch irgendwann photosynthetische Zellen ein, die Sauerstoff als Nebenprodukt produzierten, und entwickelten sich später so, dass sie diese Verbindung aufgrund ihres hohen Reduktionspotentials nutzen konnten.
Als mehrzellige eukaryotische Organismen auf der Erde auftauchten, mussten größere und komplexere Organismen mehr Energie produzieren, daher waren aerobe Prozesse ein großer evolutionärer Vorteil. Durch natürliche Selektion überlebten und vermehrten sich Organismen mit den meisten Mitochondrien, die aerob atmen konnten, massiv und gaben diese günstigen Anpassungen an ihre Nachkommen weiter. Die älteren Versionen konnten den Bedarf an ATP im komplexeren Organismus nicht mehr decken und starben aus.
