- caractéristiques
- Les types
- Utilisation de nitrates comme accepteur d'électrons
- Utilisation de sulfates comme accepteur d'électrons
- Utilisation du dioxyde de carbone comme accepteur d'électrons
- Fermentation
- Organismes avec respiration anaérobie
- Anaérobies strictes
- Anaérobies facultatives
- Organismes capables de fermenter
- Pertinence écologique
- Différences avec la respiration aérobie
- Références
La respiration anaérobie ou mode métabolique anaérobie qui est une énergie chimique à base de molécules organiques est libérée. L'accepteur d'électrons final dans tout ce processus est une molécule autre que l'oxygène, comme l'ion nitrate ou les sulfates.
Les organismes qui présentent ce type de métabolisme sont des procaryotes et sont appelés organismes anaérobies. Les procaryotes strictement anaérobies ne peuvent vivre que dans des environnements dépourvus d'oxygène, car ils sont hautement toxiques et même mortels.
La respiration anaérobie est présente chez les procaryotes.
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Certains micro-organismes - bactéries et levures - obtiennent leur énergie grâce au processus de fermentation. Dans ce cas, le procédé ne nécessite ni oxygène ni chaîne de transport d'électrons. Après la glycolyse, quelques réactions supplémentaires sont ajoutées et le produit final peut être de l'alcool éthylique.
Pendant des années, l'industrie a profité de ce processus pour produire des produits d'intérêt pour la consommation humaine, tels que le pain, le vin, la bière, entre autres.
Nos muscles sont également capables de respiration anaérobie. Lorsque ces cellules sont soumises à un effort intense, le processus de fermentation lactique commence, ce qui se traduit par une accumulation de ce produit dans les muscles, créant de la fatigue.
caractéristiques
La respiration est le phénomène par lequel l'énergie est obtenue sous forme d'ATP, à partir de diverses molécules organiques - principalement des glucides. Ce processus a lieu grâce à diverses réactions chimiques qui ont lieu à l'intérieur des cellules.
Bien que la principale source d'énergie dans la plupart des organismes soit le glucose, d'autres molécules peuvent être utilisées pour l'extraction d'énergie, comme d'autres sucres, des acides gras ou en cas de besoin extrême, des acides aminés - les éléments constitutifs des protéines.
L'énergie que chaque molécule est capable de libérer est quantifiée en joules. Les voies ou voies biochimiques des organismes pour la dégradation de ces molécules dépendent principalement de la présence ou non d'oxygène. De cette façon, nous pouvons classer la respiration en deux grands groupes: anaérobie et aérobie.
Dans la respiration anaérobie, il existe une chaîne de transport d'électrons qui génère de l'ATP, et l'accepteur final d'électrons est une substance organique telle que l'ion nitrate, les sulfates, entre autres.
Il est important de ne pas confondre ce type de respiration anaérobie avec la fermentation. Les deux processus sont indépendants de l'oxygène, mais dans ce dernier il n'y a pas de chaîne de transport d'électrons.
Les types
Il existe plusieurs voies par lesquelles un organisme peut respirer sans oxygène. S'il n'y a pas de chaîne de transport d'électrons, l'oxydation de la matière organique sera couplée à la réduction d'autres atomes de la source d'énergie dans le processus de fermentation (voir ci-dessous).
Dans le cas d'une chaîne de transport, le rôle d'accepteur d'électrons final peut être assumé par divers ions, dont le nitrate, le fer, le manganèse, les sulfates et le dioxyde de carbone, entre autres.
La chaîne de transport d'électrons est un système de réaction de réduction des oxydes qui conduit à la production d'énergie sous forme d'ATP, par une modalité appelée phosphorylation oxydative.
Les enzymes impliquées dans le processus se trouvent à l'intérieur de la bactérie, ancrées à la membrane. Les procaryotes ont ces invaginations ou vésicules qui ressemblent aux mitochondries d'organismes eucaryotes. Ce système varie considérablement selon les bactéries. Les plus communs sont:
Utilisation de nitrates comme accepteur d'électrons
Un grand groupe de bactéries à respiration anaérobie sont classées parmi les bactéries réductrices de nitrate. Dans ce groupe, l'accepteur final de la chaîne de transport d'électrons est l'ion NO 3 -.
Au sein de ce groupe, il existe différentes modalités physiologiques. Les réducteurs de nitrate peuvent être de type respiratoire où l'ion NO 3 - devient NO 2 -; Ils peuvent être dénitrifiants, où ledit ion passe en N 2, ou de type assimilateur où l'ion en question est transformé en NH 3.
Les donneurs d'électrons peuvent être le pyruvate, le succinate, le lactate, le glycerol, le NADH, entre autres. L'organisme représentatif de ce métabolisme est la bactérie Escherichia coli bien connue.
Utilisation de sulfates comme accepteur d'électrons
Seules quelques espèces de bactéries anaérobies strictes sont capables de prendre l'ion sulfate et de le convertir en S 2- et en eau. Quelques substrats sont utilisés pour la réaction, parmi les plus courants sont l'acide lactique et les acides dicarboxyliques à quatre carbones.
Utilisation du dioxyde de carbone comme accepteur d'électrons
Les archées sont des organismes procaryotes qui habitent généralement des régions extrêmes et se caractérisent par des voies métaboliques très particulières.
L'un de ceux-ci sont les archées capables de produire du méthane et pour y parvenir, elles utilisent du dioxyde de carbone comme accepteur final. Le produit final de la réaction est le méthane gazeux (CH 4).
Ces organismes ne vivent que dans des zones très spécifiques des écosystèmes, où la concentration d'hydrogène est élevée, car c'est l'un des éléments nécessaires à la réaction - comme le fond des lacs ou le tube digestif de certains mammifères.
Fermentation
Fermentation du vin
Comme nous l'avons mentionné, la fermentation est un processus métabolique qui ne nécessite pas la présence d'oxygène pour avoir lieu. Notez qu'elle diffère de la respiration anaérobie mentionnée dans la section précédente par l'absence de chaîne de transport d'électrons.
La fermentation se caractérise par être un processus qui libère de l'énergie à partir de sucres ou d'autres molécules organiques, ne nécessite pas d'oxygène, n'a pas besoin d'un cycle de Krebs ou d'une chaîne de transport d'électrons, son accepteur final est une molécule organique et produit de petites quantités d'ATP - un ou deux.
Une fois que la cellule a terminé le processus de glycolyse, elle obtient deux molécules d'acide pyruvique pour chaque molécule de glucose.
En l'absence de disponibilité d'oxygène, la cellule peut recourir à la génération d'une molécule organique pour obtenir la génération de NAD + ou NADP + qui peut entrer à nouveau dans un autre cycle de glycolyse.
Selon l'organisme qui effectue la fermentation, le produit final peut être l'acide lactique, l'éthanol, l'acide propionique, l'acide acétique, l'acide butyrique, le butanol, l'acétone, l'alcool isopropylique, l'acide succinique, l'acide formique, le butanediol, entre autres.
Ces réactions sont également souvent associées à l'excrétion de molécules de dioxyde de carbone ou de dihydrogène.
Organismes avec respiration anaérobie
Le processus de respiration anaérobie est typique des procaryotes. Ce groupe d'organismes est caractérisé par l'absence d'un véritable noyau (délimité par une membrane biologique) et de compartiments subcellulaires, tels que les mitochondries ou les chloroplastes. Dans ce groupe se trouvent les bactéries et les archées.
Anaérobies strictes
Les micro-organismes qui sont mortellement affectés par la présence d'oxygène sont appelés strictement anaérobies, comme le genre Clostridium.
La possession d'un métabolisme anaérobie permet à ces microorganismes de coloniser des milieux extrêmes dépourvus d'oxygène, où les organismes aérobies ne pourraient pas habiter, comme les eaux très profondes, les sols ou le tube digestif de certains animaux.
Anaérobies facultatives
De plus, il existe certains micro-organismes capables d'alterner le métabolisme aérobie et anaérobie, en fonction de leurs besoins et des conditions environnementales.
Cependant, il existe des bactéries à respiration aérobie stricte qui ne peuvent se développer et se développer que dans des environnements riches en oxygène.
Dans les sciences microbiologiques, la connaissance du type de métabolisme est un caractère qui aide à identifier les micro-organismes.
Organismes capables de fermenter
En outre, il existe d'autres organismes capables de créer des voies respiratoires sans avoir besoin d'oxygène ou d'une chaîne de transport, c'est-à-dire qu'ils fermentent.
Parmi eux, nous trouvons certains types de levures (Saccharomyces), des bactéries (Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus, Propionibacterium, Escherichia, Salmonella, Enterobacter) et même nos propres cellules musculaires. Au cours du processus, chaque espèce est caractérisée par l'excrétion d'un produit différent.
Pertinence écologique
Du point de vue de l'écologie, la respiration anaérobie remplit des fonctions transcendantales au sein des écosystèmes. Ce processus se déroule dans différents habitats, tels que les sédiments marins ou les plans d'eau douce, les environnements de sol profond, entre autres.
Certaines bactéries prennent des sulfates pour former du sulfure d'hydrogène et utilisent du carbonate pour former du méthane. D'autres espèces sont capables d'utiliser l'ion nitrate et de le réduire en ion nitrite, oxyde nitreux ou azote gazeux.
Ces processus sont vitaux dans les cycles naturels, à la fois pour l'azote et le soufre. Par exemple, la voie anaérobie est la principale voie par laquelle l'azote est fixé et peut retourner dans l'atmosphère sous forme de gaz.
Différences avec la respiration aérobie
La différence la plus évidente entre ces deux processus métaboliques est l'utilisation de l'oxygène. En aérobic, cette molécule agit comme un accepteur d'électrons final.
Sur le plan énergétique, la respiration aérobie est beaucoup plus bénéfique, libérant des quantités importantes d'énergie - environ 38 molécules d'ATP. En revanche, la respiration en l'absence d'oxygène se caractérise par un nombre d'ATP beaucoup plus faible, qui varie largement en fonction de l'organisme.
Les produits d'excrétion varient également. La respiration aérobie se termine par la production de dioxyde de carbone et d'eau, tandis que dans la respiration aérobie, les intermédiaires sont variés - tels que l'acide lactique, l'alcool ou d'autres acides organiques, par exemple.
En termes de vitesse, la respiration aérobie prend beaucoup plus de temps. Ainsi, le processus anaérobie représente une source d'énergie rapide pour les organismes.
Références
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- Beckett, BS (1986). Biologie: une introduction moderne. Oxford University Press, États-Unis.
- Fauque, GD (1995). Écologie des bactéries sulfato-réductrices. In Sulfate-Reducing Bacteria (p. 217-241). Springer, Boston, MA.
- Soni, SK (2007). Les microbes: une source d'énergie pour le 21e siècle. New India Publishing.
- Wright, DB (2000). Physiologie et santé humaines. Heinemann.