Tabla de Contenidos
สิ่งมีชีวิตตั้งแต่สิ่งที่ง่ายที่สุดอย่างแบคทีเรียไปจนถึงสิ่งที่ซับซ้อนที่สุดอย่างสัตว์มีกระดูกสันหลัง ล้วนขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาเคมีที่ต้องใช้พลังงานอย่างไม่มีที่สิ้นสุด พลังงานนี้ได้รับจากสิ่งแวดล้อม เกือบตลอดเวลา พลังงานนั้นมาจากโมเลกุลที่เรียกว่าอะดีโนซีนไตรฟอสเฟตหรือเอทีพี อย่างไรก็ตาม ATP ไม่พบในสิ่งแวดล้อม ดังนั้นสิ่งมีชีวิตจึงวิวัฒนาการเพื่อเปลี่ยนแหล่งพลังงานอื่นๆ (เช่น แสงแดด ความร้อน และสารอาหาร) ให้เป็น ATP วิธีทั่วไปสองวิธีในการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวคือการหายใจระดับเซลล์และการหมัก
สิ่งมีชีวิตชนิดแรกวิวัฒนาการมาเพื่อผลิต ATP โดยการหมักคาร์โบไฮเดรตประเภทต่างๆ ต่อมา ยูคาริโอตได้พัฒนาความสามารถในการควบคุมพลังงานที่เก็บไว้ในคาร์โบไฮเดรตได้มากขึ้นผ่านการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน ในที่สุด สิ่งมีชีวิตขั้นสูงอื่นๆ เริ่มใช้ประโยชน์จากของเสียจากการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งก็คือออกซิเจน ซึ่งก่อให้เกิดการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจน
เนื่องจากเป็นกระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนสองกระบวนการ หลายคนจึงสับสนระหว่างการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนกับการหมัก อย่างไรก็ตาม กระบวนการเหล่านี้เป็นสองกระบวนการที่แตกต่างกันมากในแง่ของกลไก ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย และการผลิตพลังงาน
ในหัวข้อต่อไปนี้ เราจะอธิบายว่าการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนและการหมักคืออะไร จากนั้นเปรียบเทียบเพื่อเน้นความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่างสิ่งหนึ่งกับอีกสิ่งหนึ่ง
การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน
การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นการหายใจระดับเซลล์ประเภทหนึ่งที่เกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน หรือเมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำมาก การหายใจระดับเซลล์ประเภทนี้ดำเนินการโดยแบคทีเรียและโปรคารีโอตบางชนิดเท่านั้น
เนื่องจากการหายใจระดับเซลล์ชนิดหนึ่ง กระบวนการเริ่มต้นด้วยไกลโคไลซิส ซึ่งในระหว่างนั้นโมเลกุลของกลูโคสจะเปลี่ยนเป็นโมเลกุลของกรดไพรูวิก 2 โมเลกุล ทำให้เกิดโมเลกุล ATP สุทธิ 2 โมเลกุล จากนั้นกรดไพรูวิคจะเข้าสู่วัฏจักรเครบส์ หรือที่เรียกว่าวัฏจักรกรดซิตริกหรือวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก ซึ่งปฏิกิริยาเคมีชุดหนึ่งจะออกซิไดซ์กรดไพรูวิกเป็นคาร์บอนไดออกไซด์
ในขั้นตอนต่อไปของกระบวนการ โมเลกุลที่เรียกว่าตัวพาอิเล็กตรอนจะนำพวกมันเข้าสู่ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งพลังงานศักย์ที่เก็บอยู่ในตัวพาเหล่านี้จะถูกเปลี่ยนเป็นการไล่ระดับความเข้มข้นของโปรตอนที่เคลื่อนเอนไซม์ที่ผลิต ATP ที่เรียกว่า ATP -synth
ในระหว่างขั้นตอนของกระบวนการนี้เป็นที่ซึ่งพลังงานเคมีส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นในรูปของโมเลกุล ATP; เป็นเรื่องปกติของกระบวนการหายใจทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นแบบใช้ออกซิเจนหรือแบบไม่ใช้ออกซิเจน สิ่งที่แตกต่างจากโมเลกุลอื่นคือโมเลกุลใดมีหน้าที่รับและพาอิเล็กตรอนเพื่อไม่ให้สะสมที่ปลายสุดของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
เมื่อมีออกซิเจน โมเลกุลนี้เป็นตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้าย และการลดลงของออกซิเจนจะทำให้เกิดโมเลกุลของน้ำ ในทางกลับกัน ในการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน ตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายคือโมเลกุลอื่นที่ไม่ใช่ออกซิเจนและขึ้นอยู่กับจุลินทรีย์ที่เป็นปัญหา
ตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายในการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน
ตารางต่อไปนี้แสดงสามตัวอย่างของตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายที่แตกต่างกันในการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนพร้อมกับผลของการลดลงของพวกมันและจุลินทรีย์บางชนิดที่ใช้เป็นแหล่งพลังงาน:
| ผู้รับ | ผลิตภัณฑ์สุดท้าย | จุลินทรีย์ |
| กำมะถัน | ซัลไฟด์ | เทอร์โมพลาสมา |
| ไนเตรต | ไนไตรต์ ไนโตรเจนออกไซด์ และ N2 | ซูโดโมแนส , บาซิลลัส |
| ซัลเฟต | ซัลไฟด์ | เดซัลโฟวิบริโอ, คลอสตริเดียม |
การผลิตพลังงานในการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน
การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนใช้กลไกการผลิต ATP แบบเดียวกับการหายใจแบบใช้ออกซิเจน กล่าวคือไกลโคไลซิส วัฏจักรเครบส์ และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ด้วยเหตุนี้ การผลิตพลังงานจึงเหมือนกันในการหายใจทั้งสองประเภท ซึ่งหมายความว่ามีการผลิต ATP ทั้งหมดระหว่าง 36 ถึง 38 โมเลกุล หลังจากหักลดส่วนที่บริโภคแล้ว การผลิตสุทธิจะอยู่ระหว่าง 30 ถึง 32 โมเลกุลของ ATP สำหรับแต่ละโมเลกุลของกลูโคสที่ถูกออกซิไดซ์
การหมัก
การหมัก เช่นเดียวกับการหายใจระดับเซลล์ เป็นกระบวนการที่ออกแบบมาเพื่อใช้พลังงานที่มีอยู่ในสารอาหาร เช่น คาร์โบไฮเดรต และเปลี่ยนให้เป็นพลังงานเคมีที่เซลล์นำไปใช้ได้ในรูปของโมเลกุล ATP เป็นกระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนล้วน กล่าวคือ ไม่ต้องการออกซิเจนและเกิดขึ้นได้ในกรณีที่ไม่มีอากาศ ในความเป็นจริง ในหลักสูตรชีววิทยาพื้นฐานส่วนใหญ่ การหมักถูกอ้างถึงว่าเป็นทางเลือกแบบไม่ใช้ออกซิเจนแทนการหายใจระดับเซลล์ ดังนั้นจึงเป็นการปฏิเสธการมีอยู่ของการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน
อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่างการหมักกับการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน นั่นคือ วงจรแรกไม่ใช้วงจรกรดซิตริกและใช้ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนน้อยกว่า ดังนั้นจึงไม่ถือว่าเป็นการหายใจประเภทหนึ่ง โทรศัพท์มือถือ
การหมักเริ่มต้นในลักษณะเดียวกับการหายใจ นั่นคือ ไกลโคไลซิสของน้ำตาล 6 คาร์บอนชนิดต่างๆ ที่เรียกว่า เฮกโซส ซึ่งกลูโคสเป็นน้ำตาลที่พบได้บ่อยที่สุด อย่างไรก็ตาม หลังจากไกลโคไลซิสแล้ว ไพรูเวตจะเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอื่นๆ ขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิตที่ทำการหมัก
ประเภทของการหมัก
ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการหมัก อาจมีหลายประเภท:
การหมักแอลกอฮอล์:ในบางกรณี เช่น ยีสต์ การหมักที่ตามหลังไกลโคไลซิสจะผลิตเอทิลแอลกอฮอล์หรือเอทานอล การหมักแบบนี้เรียกว่าการหมักแอลกอฮอล์ นี่คือประเภทของการหมักที่ใช้ในการผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์
การหมักอะซิติก:เซลล์อื่นๆ ออกซิไดซ์เอทานอลให้เป็นกรดอะซิติกต่อไป เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในการผลิตน้ำส้มสายชู
การหมักแลคติก:เป็นการให้กรดแลคติคเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย แบคทีเรียที่หมักนมเพื่อผลิตโยเกิร์ตจะหมักแลคโตส (น้ำตาลในนม) ให้เป็นกรดแลคติก ซึ่งเป็นสาเหตุให้โปรตีนในนมเกิดการแข็งตัว ในกรณีของเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อสัตว์มีกระดูกสันหลัง พวกมันสามารถหมักกลูโคสให้เป็นกรดแลคติคได้เมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำ
การผลิตพลังงาน
การหมักเป็นกระบวนการที่ไม่มีประสิทธิภาพในแง่ของการผลิตพลังงาน ขั้นตอนแรก ไกลโคไลซิส สร้างโมเลกุล ATP สุทธิเพียง 2 โมเลกุล (สร้างทั้งหมด 4 โมเลกุล แต่กิน 2 โมเลกุลด้วย) การหมักในภายหลังทำให้เกิด NADH สองโมเลกุลสุทธิ ซึ่งเป็นโมเลกุลพลังงานสูงเช่นกัน แม้ว่าจะไม่ได้พลังงานสูงเท่ากับ ATP
ความแตกต่างระหว่างการหมักและการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน
ดังที่เห็นได้ว่ามีความแตกต่างและความคล้ายคลึงกันระหว่างการหมักและการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน ความคล้ายคลึงกันหลักคือทั้งสองอย่างเริ่มต้นด้วยไกลโคไลซิส ทั้งคู่เกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน และโปรคาริโอตบางชนิดสามารถดำเนินการทั้งสองอย่างได้ อย่างไรก็ตามความคล้ายคลึงกันสิ้นสุดลงที่นั่น ตารางต่อไปนี้สรุปความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสองวิธีในการรับ ATP:
| การหมัก | การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน |
| มันสามารถดำเนินการโดยทั้งสิ่งมีชีวิตประเภทโปรคาริโอตและยูคาริโอต รวมถึงสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เช่น สัตว์มีกระดูกสันหลัง | โปรคาริโอตบางสายพันธุ์เท่านั้นที่สามารถทำได้ |
| การหมักประเภทต่างๆ ให้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของปฏิกิริยาออกซิเดชันของกลูโคสที่แตกต่างกัน รวมถึงกรดแลคติก กรดอะซิติก และอีเทน และอื่นๆ | มันออกซิไดซ์กลูโคสให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์อย่างสมบูรณ์ และถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายประเภทต่างๆ เช่น ธาตุกำมะถัน ซัลเฟต หรือไนเตรต |
| มันผลิตพลังงานที่ใช้ได้ค่อนข้างน้อยสำหรับเซลล์ เพียงสองโมเลกุลสุทธิของ ATP และสองโมเลกุลของ NADH | มันผลิต ATP จำนวนมาก ทำให้พลังงานที่มีอยู่ในกลูโคสเกิดประโยชน์สูงสุด สำหรับทุกโมเลกุลของกลูโคส จะมีการสร้าง ATP มากกว่า 30 โมเลกุล |
| มันเกิดขึ้นเฉพาะในไซโตพลาสซึม | มันเริ่มต้นในไซโตพลาสซึมและสิ้นสุดภายในไมโตคอนเดรีย |
| เป็นกระบวนการที่ค่อนข้างง่ายซึ่งประกอบด้วยปฏิกิริยาของเอนไซม์จำนวนเล็กน้อย | เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนมากซึ่งต้องอาศัยการแทรกแซงของเอ็นไซม์ต่างๆ มากมายทั้งในไซโตซอลและในเมทริกซ์ ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ และเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย |
| สามารถดำเนินการได้ในหลอดทดลอง ต้องการเฉพาะเอนไซม์ที่มีหน้าที่ในการหมักเท่านั้น ซึ่งสามารถทำงานในสภาพแวดล้อมนอกเซลล์ที่เหมาะสม | ขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของไมโทคอนเดรีย ดังนั้นจึงไม่สามารถดำเนินการในหลอดทดลองได้ |
อ้างอิง
- สิ่งแวดล้อม. (2561, 11 เมษายน). ประเภทการหมัก สืบค้นจากhttps://www.ambientum.com/enciclopedia_medioambiental/suelos/tipos_de_fermentacion.asp
- คลาร์ก, แมสซาชูเซตส์ (2018, 5 มีนาคม) เมแทบอลิซึมโดยไม่ใช้ออกซิเจน–ชีววิทยา 2e . สืบค้นจากhttps://opentextbc.ca/biology2eopenstax/chapter/metabolism-without-oxygen/
- ลักนา, บี. (2560, 26 ธันวาคม). ความแตกต่างระหว่างการหมักและการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน | ความหมาย กระบวนการ การประยุกต์ใช้ สืบค้นจากhttps://pediaa.com/difference-between-fermentation-and-anaerobic-respiration/
- คอร์, เจ. (น.). การหมักและการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนแตกต่างกันอย่างไร? | โสกราตีส สืบค้นจากhttps://socratic.org/questions/how-do-fermentation-and-anaerobic-respiration-differ
