Tabla de Contenidos
กระบวนการแอโรบิกและแอนแอโรบิกเป็นกระบวนการสองประเภทที่เซลล์ใช้เพื่อให้ได้พลังงานจากอาหารที่กิน ขึ้นอยู่กับสภาวะแวดล้อม ข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างสองสิ่งนี้คือเซลล์แรกดำเนินการโดยเซลล์เมื่ออยู่ในสื่อที่อุดมด้วยออกซิเจน ในขณะที่เซลล์ที่สองดำเนินการเมื่อไม่มีหรือเมื่อความเข้มข้นของก๊าซนี้ไม่สูงพอ
นอกจากความแตกต่างพื้นฐานนี้แล้ว ปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นในสภาวะที่มีหรือไม่มีออกซิเจนก็แตกต่างกันด้วย ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วกระบวนการที่ใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจนจะนำไปสู่ผลิตภัณฑ์ขั้นกลางและขั้นสุดท้ายที่แตกต่างกัน เช่นเดียวกับระดับการใช้พลังงานที่แตกต่างกัน พลังงานที่เก็บไว้ใน สารอาหาร ในทางกลับกัน ยังมีความแตกต่างเกี่ยวกับประเภทของสิ่งมีชีวิตที่สามารถใช้แต่ละกระบวนการและส่วนของเซลล์ที่เกิดขึ้นได้
ความแตกต่างระหว่างกระบวนการเซลล์แบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน
ตารางต่อไปนี้สรุปความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่างกระบวนการเมแทบอลิซึมทั้งสองนี้ ซึ่งจะอธิบายในเชิงลึกในภายหลัง
| กระบวนการแอโรบิก | กระบวนการไร้อากาศ | |
| เมื่อเกิดขึ้น: | เกิดขึ้นในที่ที่มีออกซิเจน | เกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนหรือเมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำ |
| พื้นผิวเริ่มต้น: | กลูโคสและออกซิเจน | แค่กลูโคส |
| ผลิตภัณฑ์สุดท้าย: | CO 2น้ำและพลังงานในรูปของ ATP | พลังงานในรูปของ ATP และผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอาจเป็นกรดแลคติกหรือเอทานอลและ CO 2 ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของกระบวนการเฉพาะ |
| ขั้นตอนที่เกี่ยวข้อง: | • Glycolysis • Pyruvate oxidation • Citric acid cycle หรือ Krebs cycle. • ออกซิเดทีฟ ฟอสโฟรีเลชั่น |
• ไกลโคไลซิส • ออกซิเดชันของไพรูเวต • ส่วนใหญ่ไม่เกี่ยวข้องกับวงจรเครบส์ • ส่วนใหญ่ไม่เกี่ยวข้องกับออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชั่น |
| มันเกี่ยวข้องกับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน | ในกรณีของการหมักจะไม่เกี่ยวข้องกับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน | |
| ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้า: | ผลิตพลังงานจำนวนมากในรูปของ ATP สำหรับแต่ละโมเลกุลของกลูโคส จะมีการสร้างโมเลกุล ATP สุทธิทั้งหมด 30-32 โมเลกุล | สร้างพลังงานในรูปของ ATP เพียงเล็กน้อย สำหรับทุกโมเลกุลของกลูโคสที่หมัก จะมีการสร้าง ATP สุทธิเพียง 2 โมเลกุลเท่านั้น |
| ส่วนของเซลล์ที่เกิดขึ้น: | ส่วนหนึ่งเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึมและอีกส่วนหนึ่งอยู่ในไมโทคอนเดรีย | มันเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึมและในบางกรณีบนเยื่อหุ้มเซลล์ |
| ประเภทขององค์กรที่ใช้งาน: | มันเกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตที่ใช้ออกซิเจนและในสิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช้ออกซิเจน ไม่เกิดขึ้นในแบบไม่ใช้ออกซิเจนแบบเข้มงวดหรือแบบไม่ใช้ออกซิเจนแบบทนได้ |
มันเกิดขึ้นใน anaerobes ที่เคร่งครัด มีปัญญา และอดทน |
| ความแตกต่างในวิวัฒนาการ: | เป็นกระบวนการเมแทบอลิซึมล่าสุด | มันควรจะเป็นกระบวนการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรตที่เก่าแก่ที่สุด |
ATP: เชื้อเพลิงเซลลูล่าร์
แม้หลังจากการย่อยอาหาร เซลล์ก็ไม่สามารถใช้สารที่เรากินเข้าไปเปลี่ยนเป็นแหล่งพลังงานได้โดยตรง สิ่งนี้จะต้องประมวลผลและแปลงให้เป็นโมเลกุลพิเศษที่เรียกว่า adenosine triphosphate, adenosine triphosphate หรือ ATP สำหรับตัวย่อในภาษาอังกฤษ
นี่คือที่มาของกระบวนการเมแทบอลิซึมแบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน เนื่องจากทั้งสองวิธีเป็นตัวแทนของวิธีต่างๆ ในการเปลี่ยนกลูโคสและสารอาหารอื่นๆ ให้เป็น ATP กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระบวนการที่ใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจนสามารถมองได้ว่าเป็นวิธีที่แตกต่างกันในการปรับปรุงอาหารเพื่อผลิตเซลล์เชื้อเพลิงที่จำเป็นจริงๆ
กระบวนการแอโรบิก
กระบวนการแอโรบิกหมายถึงการหายใจระดับเซลล์เมื่อมีออกซิเจน เป็นชุดของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่มีออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้ายที่เกิดจากการออกซิเดชั่นของกลูโคส ปฏิกิริยาสุทธิของการหายใจแบบใช้ออกซิเจนคือ:
C 6 H 12 O 6 (กลูโคส) + 6O 2 + 32ADP + 32Pi → 6CO 2 + 6H 2 O + 32ATP
ในสมการเคมีนี้ ADP แทน adenosine monophosphate, Pi อ้างถึงอนินทรีย์ฟอสเฟต และ ATP คือ adenosine triphosphate
อิเล็กตรอนจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของกลูโคสถูกลำเลียงขึ้นสู่ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนผ่านชุดของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันที่เรียกรวมกันว่า ออกซิเดทีฟ ฟอสโฟรีเลชัน กระบวนการนี้เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรียและผลิตพลังงานจำนวนมากในรูปของ ATP
การหายใจแบบใช้ออกซิเจนเริ่มต้นด้วยระยะที่ไม่ต้องการออกซิเจนที่เรียกว่าไกลโคไลซิส ในช่วงแรกนี้ซึ่งเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึมของเซลล์ โมเลกุลของกลูโคสจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนผ่านปฏิกิริยาต่างๆ เพื่อผลิตโมเลกุลสองโมเลกุลของสารประกอบที่เรียกว่า pyruvate ซึ่งสร้างโมเลกุล ATP สุทธิสองโมเลกุล
ไพรูเวตที่เกิดขึ้นระหว่างไกลโคไลซิสจะถูกออกซิไดซ์แล้วเข้าสู่ไมโตคอนเดรียที่ซึ่งมันจะเข้าสู่วงจรเครบส์หรือที่เรียกว่าวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิกหรือวงจรกรดซิตริก วัฏจักรนี้ควบคู่ไปกับการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน และกระบวนการทั้งสองนี้ร่วมกับไกลโคไลซิสจะผลิตโมเลกุล ATP สุทธิทั้งหมด 32 โมเลกุลสำหรับโมเลกุลกลูโคสทุกโมเลกุลที่ถูกเผาผลาญ
กระบวนการไร้อากาศ
ซึ่งแตกต่างจากกระบวนการแอโรบิกตรงที่ กระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะไม่ใช้ออกซิเจนในทุกขั้นตอน อันที่จริงแล้ว คำนี้ครอบคลุมถึงกระบวนการเมแทบอลิซึมของกลูโคสและสารอาหารอื่นๆ ในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน
กระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่พบมากที่สุดคือการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนและการหมักแบบต่างๆ
การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน
หมายถึงวิธีการที่จุลินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจนบางชนิดดำเนินการออกซิเดชันของกลูโคส ในกรณีเหล่านี้ แทนที่ออกซิเจนจะเป็นตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายจากกลูโคส สารประกอบอนินทรีย์อื่นๆ เช่น ไนเตรตไอออน ซัลเฟต คาร์บอนไดออกไซด์ และในบางกรณี ไอออนบวกของโลหะบางชนิด เช่น เหล็ก (III) แมงกานีส (IV) หรือยูเรเนียม (VI)
การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนนั้นคล้ายกับการหายใจแบบใช้ออกซิเจนตรงที่ว่ามันเกี่ยวข้องกับระยะเริ่มต้นของไกลโคไลซิสและชุดของปฏิกิริยาออกซิเดชั่นที่ควบคู่กับห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน แต่มันให้พลังงานน้อยกว่าการหายใจแบบใช้ออกซิเจน
การหมัก
การหมักเป็นกระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนอีกประเภทหนึ่ง แม้ว่าจะเริ่มต้นด้วยการก่อตัวของไพรูเวตผ่านไกลโคไลซิส แต่ก็ไม่ได้เป็นไปตามปฏิกิริยาลูกโซ่ที่นำไปสู่การเกิดออกซิเดชันทั้งหมดเหมือนที่เกิดขึ้นระหว่างการหายใจ (ไม่ว่าจะไม่ใช้ออกซิเจนหรือไม่ก็ตาม)
ขึ้นอยู่กับประเภทของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ไพรูเวตถูกเปลี่ยนรูป การหมักประเภทต่างๆ สามารถดำเนินการได้ ตัวอย่างเช่น เซลล์กล้ามเนื้อสามารถหมักไพรูเวต ให้เป็นกรดแลคติกได้หากมีออกซิเจนไม่เพียงพอหรือมีไพรูเวตมากเกินกว่าที่ไมโทคอนเดรียจะจัดการได้ผ่านการหายใจแบบใช้ออกซิเจน สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อเราออกกำลังกายอย่างต่อเนื่องและมีความเข้มข้นสูง
จุลินทรีย์หลายชนิดสามารถดำเนินการหมักแบบอื่นได้ บางชนิด เช่น ยีสต์ หมักคาร์โบไฮเดรตให้เป็นเอทิลแอลกอฮอล์ กระบวนการนี้ใช้สำหรับการผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ แบคทีเรียอื่นๆ สามารถผลิตก๊าซมีเทนได้โดยการหมัก
เนื่องจากการหมักจะดูดไพรูเวตออกก่อนที่จะถึงห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน จึงไม่ถือว่าเป็นการหายใจประเภทหนึ่ง แต่เป็นกระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนประเภทหนึ่ง
ความแตกต่างของการผลิตพลังงานในกระบวนการที่ใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน
ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งระหว่างกระบวนการที่ใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจนคือความสามารถในการควบคุมพลังงานเคมีที่มีอยู่ในกลูโคสและอาหารเซลล์อื่นๆ การหายใจแบบใช้ออกซิเจนมีประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานมากกว่ากระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนใดๆ
กระบวนการทั้งแบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจนเริ่มต้นด้วยระยะเริ่มต้นเดียวกัน ซึ่งก็คือไกลโคไลซิส กระบวนการนี้มีการผลิตสุทธิของโมเลกุล ATP เพียง 2 โมเลกุล
อย่างไรก็ตาม ความคล้ายคลึงกันสิ้นสุดลงที่นี่ ในกระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจน เนื่องจากไม่มีออกซิเจน ไพรูเวตจึงไม่เข้าสู่วัฏจักรเครบส์ที่จับคู่กับเครื่องจักรผลิต ATP ที่เกิดจากห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะผลิต ATP มากกว่าสองโมเลกุลที่มาจากการไกลโคไลซิส
ด้วยเหตุนี้ กระบวนการแอโรบิกจึงใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ากระบวนการแอนแอโรบิก
ความแตกต่างในวิวัฒนาการของพวกเขา
เชื่อว่ากระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนมีอายุมากกว่ากระบวนการแบบใช้ออกซิเจน เนื่องจากบรรยากาศยุคแรกเริ่มไม่มีออกซิเจน มันไม่ได้ก่อตัวขึ้นจนกระทั่งสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสง ซึ่งส่วนใหญ่เป็นพืชสีเขียว วิวัฒนาการมาเป็นเวลานานหลังจากที่สิ่งมีชีวิตบนบกถือกำเนิดขึ้น
แม้แต่สิ่งมีชีวิตยูคาริโอตเซลล์เดียวเซลล์แรกก็ควรจะเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจน อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาผ่านเอนโดซิมไบโอซิส ในบางจุด เซลล์สังเคราะห์แสงที่ผลิตออกซิเจนเป็นผลพลอยได้ และต่อมาก็วิวัฒนาการเพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากสารประกอบนี้โดยอาศัยศักยภาพในการลดขนาดที่สูง
เมื่อสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ที่มียูคาริโอตเริ่มปรากฏบนโลก สิ่งมีชีวิตที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนมากขึ้นจำเป็นต้องผลิตพลังงานมากขึ้น ดังนั้นกระบวนการแอโรบิกจึงเป็นข้อได้เปรียบทางวิวัฒนาการที่ดี ผ่านการคัดเลือกโดยธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตที่มีไมโทคอนเดรียมากที่สุดที่สามารถหายใจแบบใช้ออกซิเจนได้จะรอดชีวิตและขยายพันธุ์อย่างหนาแน่น ส่งต่อการปรับตัวที่ดีเหล่านี้ไปยังลูกหลานของพวกมัน เวอร์ชันเก่าไม่สามารถตอบสนองความต้องการ ATP ในสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนกว่าได้อีกต่อไปและตายไป
