تفاوت اصلی – تنفس هوازی و تنفس بی‌هوازی
تنفس هوازی و بی‌هوازی (Aerobic and anaerobic respiration) دو نوع تنفس سلولی (cellular respiration) هستند که در موجودات زنده یافت می‌شوند. تنفس سلولی فرآیند تخریب غذا به منظور آزادسازی انرژی بالقوه به شکل ATP است. تنفس هوازی در جانوران و گیاهان تکامل‌یافته‌تر رخ می‌دهد. تنفس بی‌هوازی عمدتاً در میکروارگانیسم‌هایی مانند مخمر رخ می‌دهد. هر دو فرآیند از گلوکز به عنوان ماده خام استفاده می‌کنند. تفاوت اصلی بین تنفس هوازی و تنفس بی‌هوازی این است که تنفس هوازی در حضور اکسیژن اتفاق می‌افتد در حالی که تنفس بی‌هوازی در غیاب اکسیژن اتفاق می‌افتد.
تنفس هوازی چیست؟
مجموعه ای از واکنش‌هایی که در حضور اکسیژن رخ می‌دهد، که غذا را تجزیه می‌کند تا انرژی به شکل ATP تولید کند، به عنوان تنفس هوازی شناخته می‌شود. فراوان ترین نوع بازسازی سلولی تنفس هوازی است که در گیاهان و جانوران تکامل‌یافته‌تر رخ می‌دهد. تنفس هوازی در سیتوپلاسم و همچنین در میتوکندری رخ می‌دهد. از یک مولکول گلوکز ۳۶ATP تولید می‌کند. اساساً سه مرحله در تنفس هوازی دخیل است. آنها گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک و زنجیره انتقال الکترون هستند. بیشتر مواقع پیش ماده گلوکز است و محصولات معدنی نهایی دی‌اکسیدکربن و آب هستند. بنابراین، تنفس هوازی معکوس فتوسنتز است. واکنش شیمیایی کلی تنفس هوازی در زیر نشان داده شده است.
واکنش شیمیایی تنفس هوازی
C۶H۱۲O۶ + ۶O۲ → ۶CO۲ + ۶H۲O + 2900 kJ/mol
گلیکولیز اولین مرحله تنفس هوازی است و به طور مستقل و بدون اکسیژن اتفاق می‌افتد. بنابراین اولین مرحله تجزیه گلوکز در تنفس بی‌هوازی نیز می‌باشد. گلیکولیز در سیتوپلاسم تمام سلول‌ها اتفاق می‌افتد. در طی گلیکولیز، گلوکز به دو مولکول پیروات تجزیه می‌شود و ۲ATP به عنوان سود خالص تولید می‌کند. علاوه بر این، دو مولکول NADH با به دست آوردن الکترون از glyceraldehyde-3-phosphate تشکیل می‌شود. پیروات به ماتریکس میتوکندری تبدیل می‌شود و با حذف دی‌اکسیدکربن در طی دکربوکسیلاسیون اکسیداتیو پیرووات، acetyl-CoA را از پیرووات تشکیل می‌دهد. سپس استیل کوآ وارد چرخه اسید سیتریک می‌شود که به آن چرخه کربس نیز می‌گویند. در طول چرخه اسید سیتریک، یک مولکول گلوکز به طور کامل به شش مولکول دی‌اکسیدکربن اکسید می‌شود و ۲GTP، ۶NADH و ۲FADH2 تولید می‌کند. این NADH و FADH2 با اکسیژن ترکیب می‌شوند و در طی فسفوریلاسیون اکسیداتیو ATP تولید می‌کنند. فسفوریلاسیون اکسیداتیو در غشای داخلی میتوکندری اتفاق می‌افتد و الکترون‌ها را از طریق یک سری حامل در زنجیره انتقال الکترون منتقل می‌کند. بازده کل تنفس هوازی ۳۶ATP است. نمودار شماتیک تنفس هوازی در شکل ۱ نشان داده شده است.
شکل ۱: تنفس هوازی
Step 5 of the Krebs cycle: Succinyl-CoA Synthetase
Figure: Formation of Succinate
The reaction of succinyl-CoA to succinate (see figure) proceeds via the intermediate succinyl phosphate. In the first step, the coenzyme A (green), which is located at the succinyl group, is substituted by a hydrogen phosphate ion (yellow). Succinyl phosphate remains bound in the enzyme an dis therefore not released. In the second step, succinyl phosphate transfers its phosphoric acid residue on GDP (guanosine diphosphate), so that the energy-rich compound GTP (guanosin triphosphate) and succinate produced.
GTP and ATP can be converted into each other by the enzyme nucleosiddiphosphatkinase: GTP + ADP → GDP + ATP. This enzyme transfers the phosphate group from GTP to ADP.
This reaction, which is called the substrate chain, is the only one in the Krebs cycle where direct energy is obtained as GTP.
تنفس بی‌هوازی چیست؟
تنفس بی‌هوازی مجموعه‌ای از واکنش‌هایی است که در غیاب اکسیژن رخ می‌دهد، که غذا را به ترکیبات آلی ساده تجزیه می‌کند و انرژی به شکل ATP تولید می‌کند. تنفس بی‌هوازی در میکروارگانیسم‌هایی مانند برخی از باکتری‌ها، مخمرها و کرم‌های انگلی رخ می‌دهد. این در سیتوپلاسم سلول‌های آن موجودات رخ می‌دهد و تنها ۲ATP تولید می‌کند.
دو دسته از تنفس هوازی شناسایی شده است. اولین دسته از تنفس بی‌هوازی از طریق گلیکولیز و اکسیداسیون ناقص پیروات به اسید لاکتیک یا اتانول رخ می‌دهد. فرآیند تخمیر نامیده می‌شود. گیرنده الکترون نهایی و گیرنده هیدروژن محصول نهایی آلی ساده است. محصولات نهایی به عنوان متابولیت‌های زائد در محیط ترشح می‌شوند. در طی تخمیر، گلیکولیز به عنوان اولین مرحله رخ می‌دهد. پیروات حاصل در مخمر و برخی باکتری‌ها به اتانول تبدیل می‌شود. در گیاهان، وقتی اکسیژن وجود ندارد، اتانول از طریق تنفس بی‌هوازی تولید می‌شود. به این نوع تخمیر، تخمیر اتانول می‌گویند. واکنش شیمیایی کلی تخمیر اتانول در زیر نشان داده شده است.
واکنش شیمیایی تخمیر اتانول
C۶H۱۲O۶ → ۲C۲H۵OH + 2CO۲ + ۱۱۸ kJ/mol
در جانوران، وقتی اکسیژن وجود ندارد، اسید لاکتیک توسط تنفس بی‌هوازی تولید می‌شود. این تخمیر اسید لاکتیک نامیده می‌شود. واکنش شیمیایی کلی برای تخمیر اسید لاکتیک در زیر نشان داده شده است.
واکنش شیمیایی تخمیر اسید لاکتیک
C۶H۱۲O۶ → ۲C۳H۶O۳ + ۱۲۰ kJ/mol
راندمان تخمیر در مقایسه با تنفس هوازی بسیار پایین است. اسید لاکتیک که در طی تخمیر اسید لاکتیک تولید می‌شود برای بافت‌ها سمی است. تفاوت بین تنفس هوازی و تنفس بی‌هوازی در معنای تخمیر اسید لاکتیک در شکل ۲ نشان داده شده است.
شکل ۲: تفاوت بین تنفس هوازی و تخمیر اسید لاکتیک
در طی دسته دوم تنفس بی‌هوازی، گیرنده نهایی الکترون سولفات یا نیترات در انتهای زنجیره انتقال الکترون است. برخی از پروکاریوت‌ها مانند باکتری‌ها و باستانی‌ها این نوع تنفس بی‌هوازی را انجام می‌دهند. پذیرش الکترون توسط سولفات باعث تولید سولفید هیدروژن به عنوان محصول نهایی می‌شود. در متانوژن‌ها، پذیرنده نهایی الکترون دی‌اکسیدکربن است که متان را به عنوان محصول نهایی تولید می‌کند.
تفاوت بین تنفس هوازی و بی‌هوازی
اکسیژن
تنفس هوازی: تنفس هوازی در حضور اکسیژن اتفاق می‌افتد.
تنفس بی‌هوازی: تنفس بی‌هوازی در غیاب اکسیژن اتفاق می‌افتد.
نوع گیاهان و جانوران
تنفس هوازی: تنفس هوازی در تمام گیاهان و جانوران عالی وجود دارد.
تنفس بی‌هوازی: تنفس بی‌هوازی معمولاً در میکروارگانیسم‌ها یافت می‌شود، اما به ندرت در موجودات تکامل‌یافته‌تز نیز انجام می‌شود.
بروز
تنفس هوازی: تنفس هوازی فقط در داخل سلول اتفاق می‌افتد.
تنفس بی‌هوازی: تنفس بی‌هوازی می‌تواند در هر جایی رخ دهد.
تعیین موقعیت در داخل سلول
تنفس هوازی: تنفس هوازی در سیتوپلاسم و میتوکندری اتفاق می‌افتد.
تنفس بی‌هوازی: تنفس بی‌هوازی فقط در سیتوپلاسم رخ می‌دهد.
ماهیت دائمی/موقت
تنفس هوازی: تنفس هوازی به طور مداوم در حضور گاز اکسیژن انجام می‌شود.
تنفس بی‌هوازی: تنفس بی‌هوازی به طور مداوم در میکروارگانیسم‌ها اتفاق می‌افتد. اما در جانوران تکامل‌یافته‌تر، در غیاب اکسیژن رخ می‌دهد.
مراحل
تنفس هوازی: تنفس هوازی از طریق گلیکولیز، اکسیداسیون پیرووات، چرخه TCA، زنجیره انتقال الکترون و سنتز ATP رخ می‌دهد.
تنفس بی‌هوازی: تنفس بی‌هوازی از طریق گلیکولیز و تجزیه ناقص پیروات اتفاق می‌افتد.
راندمان
تنفس هوازی: تنفس هوازی ۳۶ATP در هر مولکول گلوکز تولید می‌کند.
تنفس بی‌هوازی: تنفس بی‌هوازی ۲ATP در هر مولکول گلوکز تولید می‌کند.
سمیت
تنفس هوازی: تنفس هوازی برای ارگانیسم غیرسمی است.
تنفس بی‌هوازی: تنفس بی‌هوازی برای موجودات تکامل‌یافته‌تر سمی است.
محصولات نهایی
تنفس هوازی: محصولات نهایی در تنفس هوازی دی‌اکسیدکربن و آب هستند.
تنفس بی‌هوازی: محصولات نهایی تخمیر در مخمر اتانول و دی‌اکسیدکربن هستند. در جانوران، محصول نهایی اسید لاکتیک است. باکتری‌ها متان و سولفید هیدروژن را به عنوان محصولات نهایی تولید می‌کنند.
اکسید شدن
تنفس هوازی: پیش‌ماده در طی تنفس هوازی به طور کامل به دی‌اکسیدکربن و آب اکسید می‌شود.
تنفس بی‌هوازی: پیش‌ماده در طی تنفس بی‌هوازی به طور ناقص اکسید می‌شود.
نتیجه
تنفس سلولی در دو مسیر به نام‌های تنفس هوازی و تنفس بی‌هوازی انجام می‌شود. تنفس هوازی بیشتر در جانوران و گیاهان تکامل‌یافته‌تر رخ می‌دهد. تنفس بی‌هوازی در میکروارگانیسم‌هایی مانند کرم‌های انگلی، مخمرها و برخی باکتری‌ها رخ می‌دهد. هر دو تنفس هوازی و بی‌هوازی از گلوکز به عنوان پیش ماده استفاده می‌کنند. تنفس هوازی در حضور اکسیژن اتفاق می‌افتد، پیش ماده را کاملاً اکسید می‌کند، محصولات نهایی معدنی، دی‌اکسیدکربن و آب تولید می‌کند. در مقابل، تنفس بی‌هوازی در غیاب اکسیژن رخ می‌دهد، پیش ماده را به‌طور ناقص اکسید می‌کند و محصولات نهایی آلی مانند اتانول تولید می‌کند. از آنجایی که تنفس بی‌هوازی به طور ناقص پیش ماده را اکسید می‌کند، بازده ATP در مقایسه با بازده آن در تنفس هوازی بسیار کم است. تنفس هوازی ۳۶ATP تولید می‌کند اما تنفس بی‌هوازی تنها ۲ATP در هر مولکول گلوکز تولید می‌کند. این تفاوت بین تنفس هوازی و تنفس بی‌هوازی است.
منابع
۱. Cooper, Geoffrey M. “Metabolic Energy.” The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. U.S. National Library of Medicine, 01 Jan. 1970. Web. 07 Apr. 2017.
۲. Jurtshuk, Peter, and Jr. “Bacterial Metabolism.” Medical Microbiology. 4th edition. U.S. National Library of Medicine, 01 Jan. 1996. Web. 07 Apr. 2017.
۳. “Aerobic Respiration and Anaerobic Respiration – Pass My Exams: Easy exam revision notes for GSCE Biology.” Aerobic Respiration and Anaerobic Respiration – Pass My Exams: Easy exam revision notes for GSCE Biology. N.p., n.d. Web. 07 Apr. 2017.
Image Courtesy:
۱. “Aerobic pathways” By Boumphreyfr – Own work (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
۲. “۲۵۰۵ Aerobic Versus Anaerobic Respiration” By OpenStax College – Anatomy & Physiology, Connexions Web site. Jun 19, 2013. (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia
