ATP โดยไม่ใช้ออกซิเจน ตัวรับอิเล็กตรอน ห่วงโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน และจุลินทรีย์

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนคือการหายใจระดับเซลล์ที่สร้าง ATP ด้วยห่วงโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน แต่ใช้ตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายที่ไม่ใช่ออกซิเจน

แนวคิดหลัก

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนใช้ห่วงโซ่หายใจโดยไม่มีออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้าย

ตัวรับที่พบบ่อย

ไนเตรต ซัลเฟต เหล็กเฟอร์ริก สารประกอบกำมะถัน ฟูมาเรต หรือคาร์บอนไดออกไซด์อาจถูกใช้ในระบบต่าง ๆ

ไม่ใช่การหมัก

การหมักไม่ใช้ห่วงโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน แต่การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนใช้

แผนภาพห่วงโซ่อาหารแบบไม่ใช้ออกซิเจน แสดงการเปลี่ยนอินทรียวัตถุผ่านขั้นตอนจุลินทรีย์ในสภาพไม่มีออกซิเจน — ห่วงโซ่อาหารจุลินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจนมีทั้งขั้นตอนการหายใจและการหมักที่เคลื่อนคาร์บอนและอิเล็กตรอนโดยไม่มีออกซิเจนดูภาพบน Wikimedia Commons

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนคืออะไร

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นวิธีที่เซลล์เก็บเกี่ยวพลังงานเมื่อไม่มีออกซิเจนหรือไม่ใช้ออกซิเจน อิเล็กตรอนจากอาหารหรือโมเลกุลที่มีพลังงานสูงเคลื่อนผ่านห่วงโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน และเซลล์ใช้การไหลนี้เพื่อสร้าง ATP

ตัวรับสุดท้ายเปลี่ยนไป

ในการหายใจแบบใช้ออกซิเจน ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้าย ในการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน สารเคมีอื่นรับอิเล็กตรอนที่ปลายห่วงโซ่ จุลินทรีย์อาจใช้ไนเตรต ซัลเฟต กำมะถัน เหล็กเฟอร์ริก ฟูมาเรต คาร์บอนไดออกไซด์ หรือสารอื่น ขึ้นอยู่กับเอนไซม์และสภาพแวดล้อมของมัน

ทำไมยังสร้าง ATP ได้

เครื่องจักรสำคัญคือเยื่อหุ้มและห่วงโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนผ่านห่วงโซ่ เซลล์สามารถสูบไอออนข้ามเยื่อหุ้มและสร้างความชันไฟฟ้าเคมี จากนั้น ATP synthase ใช้ความชันนั้นสร้าง ATP คล้ายกับที่เกิดในการหายใจแบบใช้ออกซิเจน

ต่างจากการหมักอย่างไร

การหมักก็ทำงานได้โดยไม่มีออกซิเจน แต่ไม่ใช่กระบวนการเดียวกัน การหมักสร้างตัวพาอิเล็กตรอนกลับคืนโดยส่งอิเล็กตรอนไปยังโมเลกุลอินทรีย์ เช่น ไพรูเวตหรืออะซีตัลดีไฮด์ ส่วนการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนยังคงใช้ห่วงโซ่หายใจและใช้ตัวรับอิเล็กตรอนภายนอก ซึ่งมักเป็นสารอนินทรีย์

เกิดขึ้นที่ไหน

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนพบมากในถิ่นอาศัยที่มีออกซิเจนน้อย เช่น ดินชุ่มน้ำ ตะกอน พื้นที่ชุ่มน้ำ ลำไส้สัตว์ ระบบบำบัดน้ำเสีย ชั้นหินอุ้มน้ำ และสภาพแวดล้อมใต้ผิวดินลึก กระบวนการนี้สำคัญเป็นพิเศษสำหรับแบคทีเรียและอาร์เคีย แม้เคมีที่ใช้จะแตกต่างกันมาก

ตัวอย่างในวัฏจักรชีวธรณีเคมี

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนหลายแบบช่วยเคลื่อนย้ายไนโตรเจน กำมะถัน เหล็ก และคาร์บอนในระบบนิเวศ จุลินทรีย์ดีไนตริฟายอาจใช้ไนเตรต จุลินทรีย์ลดซัลเฟตอาจสร้างไฮโดรเจนซัลไฟด์ และเมทาโนเจนใช้คาร์บอนไดออกไซด์หรือสารที่เกี่ยวข้องในเส้นทางสร้างมีเทน

ข้อแลกเปลี่ยนด้านพลังงาน

ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนที่แรงมาก ดังนั้นการหายใจแบบใช้ออกซิเจนมักให้พลังงานมากกว่า การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนยังมีประสิทธิภาพพอให้การเจริญเติบโตดำเนินได้ โดยเฉพาะในที่ที่ไม่มีออกซิเจนแต่มีตัวรับอิเล็กตรอนทางเลือก

ทำไมจึงสำคัญ

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนอธิบายว่าชีวิตเจริญได้อย่างไรในสถานที่ที่ไม่มีออกซิเจน มันกำหนดเคมีของดิน การบำบัดน้ำเสีย การผลิตก๊าซเรือนกระจก วัฏจักรธาตุอาหาร การกัดกร่อน การเกิดแร่ และนิเวศวิทยาจุลินทรีย์ของตะกอนกับพื้นที่ชุ่มน้ำ

แนวคิดหลัก

ห่วงโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนชุดปฏิกิริยาบนเยื่อหุ้มที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนและช่วยสร้าง ATP
ตัวรับอิเล็กตรอนปลายทางโมเลกุลที่รับอิเล็กตรอนที่ปลายกระบวนการหายใจ
Anaerobicเกิดโดยไม่มีออกซิเจน หรือไม่ต้องใช้ออกซิเจนเป็นสารตั้งต้นจำเป็น

ตัวรับที่พบบ่อย

ไนเตรตหรือไนไตรต์ในจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับวัฏจักรไนโตรเจน
ซัลเฟตหรือสารประกอบกำมะถันในระบบลดซัลเฟต
เหล็กเฟอร์ริก ฟูมาเรต คาร์บอนไดออกไซด์ หรือสารอื่นในถิ่นอาศัยเฉพาะทาง

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อย

การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนและการหมักเป็นกลยุทธ์ไม่ใช้ออกซิเจนที่เกี่ยวข้องกัน แต่ไม่เหมือนกัน
ไม่ใช้ออกซิเจนไม่ได้หมายถึงไม่มีพลังงาน เซลล์ยังสร้าง ATP ได้โดยไม่มีออกซิเจน
การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนไม่ได้หายาก มันแพร่หลายในระบบนิเวศจุลินทรีย์

คำถามเปิด

ยังมีตัวรับอิเล็กตรอนและเส้นทางที่ไม่รู้จักอีกเท่าใดในตะกอนและถิ่นอาศัยใต้ผิวดินที่ศึกษาน้อย
ระดับน้ำที่เปลี่ยนไปจะเปลี่ยนการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนในพื้นที่ชุ่มน้ำและดินอย่างไร
วิศวกรจะกำกับเมแทบอลิซึมแบบไม่ใช้ออกซิเจนในถังย่อยชีวภาพ ไบโอฟิลเตอร์ และระบบบำบัดน้ำเสียได้อย่างไร