Aerobic vs. Anaerob folyamatok

Minden élőlénynek folyamatos energiaellátásra van szüksége a sejtek normál működésének és egészséges állapotának fenntartásához. Egyes szervezetek, úgynevezett autotrofák, napfény vagy más energiaforrás felhasználásával előállíthatják saját energiájukat olyan folyamatok révén, mint példáulfotoszintézis. Másoknak, mint például az embereknek, energiát kell termelniük.

Azonban ez nem az a fajta energia, amelyet a sejtek működéshez használnak. Ehelyett adenozin-trifoszfátnak (ATP) nevezett molekulát használnak, hogy folyamatosan működjenek. Ezért a sejteknek képesnek kell lenniük arra, hogy átvegyék az ételekben tárolt kémiai energiát és átalakítsák azt a működésükhöz szükséges ATP-ként. A folyamatsejteken ezen a változáson megy keresztül, amelyet sejtes légzésnek hívnak.

A sejtek légzése lehet aerob (jelentése "oxigénnel") vagy anaerob ("oxigén nélkül"). Az, hogy a sejtek milyen úton hajtják végre az ATP-t, kizárólag attól függ, hogy van-e elegendő mennyiségű oxigént az aerob légzés elvégzéséhez. Ha nincs elegendő mennyiségű oxigén az aerob légzéshez, akkor néhány organizmus anaerob légzés vagy egyéb anaerob folyamatok, például

Annak érdekében, hogy a celluláris légzés során az ATP mennyiségét maximalizálják, oxigénnek kell lennie. Ahogy az eukarióta fajok az idő múlásával fejlődtek, bonyolultabbá váltak, több szervvel és testrészkel. Szükségessé vált a cellák számára, hogy képesek legyenek minél több ATP-t létrehozni az új alkalmazások megfelelő működésének fenntartása érdekében.

A Föld korai légkörében nagyon kevés oxigén volt. Csak azután, hogy az autotrofok elterjedtek és nagyobbak lettek oxigénmennyiség mint a fotoszintézis mellékterméke, amelyben aerob légzés alakulhat ki. Az oxigén lehetővé tette az egyes sejtek számára, hogy sokszor több ATP-t termeljenek, mint ősi őseik, akik anaerob légzésre támaszkodtak. Ez a folyamat a sejtekben, az úgynevezett mitokondriumok.

Primitívebbek azok a folyamatok, amelyek sok organizmuson átmennek, ha nincs elegendő mennyiségű oxigén. A leggyakrabban ismert anaerob folyamatokat erjesztésnek nevezik. A legtöbb anaerob folyamat ugyanúgy kezdődik, mint az aerob légzés, de részben megáll az útvonalon, mert az oxigén nem rendelkezésre áll az aerob légzésfolyamat befejezéséhez, vagy kapcsolódnak egy másik molekulához, amely nem oxigén, mint végső elektron elfogadó. A fermentáció sokkal kevesebb ATP-t eredményez, és a legtöbb esetben a tejsav vagy az alkohol melléktermékeit is felszabadítja. Anaerob folyamatok történhetnek a sejt mitokondriumában vagy citoplazmájában.

A tejsav erjesztése az az anaerob folyamat, amelyen az emberek átmennek, ha hiányzik az oxigén. Például a hosszú távú futók tejsavfelhalmozódást tapasztalnak az izmokban, mert nem vesznek be elegendő mennyiségű oxigént ahhoz, hogy lépést tartsanak az edzéshez szükséges energiaigénygel. A tejsav az idő múlásával görcsöt és fájdalmat okozhat az izmokban.

Az alkoholos erjedés nem történik meg az emberekben. Az élesztő jó példa egy olyan szervezetre, amely alkoholos erjedésen megy keresztül. Ugyanaz a folyamat, amely a mitokondriumokban megy végbe a tejsav erjedésekor, az alkoholos erjesztésnél is történik. Az egyetlen különbség az, hogy az alkoholos erjedés mellékterméke etilalkohol.

Az alkoholos erjesztés fontos a söripar számára. A sörgyártók élesztőt adnak hozzá, amely alkoholos erjedésen megy keresztül, hogy alkoholt adjon a főzéshez. A bor erjedése szintén hasonló, és biztosítja az alkoholt a bor számára.

Az aerob légzés sokkal hatékonyabb az ATP előállításában, mint az anaerob folyamatok, például a fermentáció. Oxigén nélkül Krebs ciklus és a Elektronszállító lánc a sejtes légzés során készítsen biztonsági másolatot, és már nem fog működni. Ez arra kényszeríti a sejtet, hogy a sokkal kevésbé hatékony fermentáción megy keresztül. Míg az aerob légzés akár 36 ATP-t is eredményezhet, a különféle erjesztési típusoknak csak 2 ATP nettó nyeresége lehet.

Úgy gondolják, hogy a legrégibb légzési típus az anaerob. Mivel az elsőnél kevés volt vagy nem volt oxigén eukarióta sejtek keresztül fejlődött endosymbiosis, csak anaerob légzésen vagy valami hasonlóan fermentáción mentek keresztül. Ez azonban nem volt probléma, mivel ezek az első sejtek egysejtűek voltak. Egyszerre csak 2 ATP előállítása volt elegendő az egyetlen cella futásához.

Ahogy a többsejtű eukarióta szervezetek megjelentek a Földön, a nagyobb és összetettebb organizmusoknak több energiát kellett előállítaniuk. Keresztül természetes kiválasztódás, a több mitokondriummal rendelkező, aerob légzésben részt vevő organizmusok túléltek és szaporodtak, továbbadva ezeket a kedvező adaptációkat utódaik számára. A régebbi verziók már nem tudták lépést tartani az ATP iránti kereslettel a bonyolultabb szervezetben, és kihaltak.