Hô hấp không cần oxy

Hô hấp không cần oxy hay còn gọi là hô hấp kị khí, là quá trình hô hấp mà không sử dụng oxy làm chất ôxy hóa. Mặc dù oxy không phải là chất nhận electron cuối cùng, quá trình này vẫn sử dụng một chuỗi truyền electron gọi là physolmere; sự hô hấp không có oxy.

Trong hô hấp của các sinh vật hiếu khí, electron gắn vào chuỗi truyền electron và oxy là chất ôxy hóa cuối cùng. Oxy, với khả năng oxy hóa rất cao, là chất nhận electron xuất sắc. Ngược lại, các sinh vật kị khí sử dụng các chất oxy hóa khác như sunfat (SO₄), nitrat (NO₃), sulfur (S), hoặc fumarat. Những chất nhận electron này có khả năng khử kém hơn O₂, do đó ít năng lượng hơn được sản sinh trên mỗi phân tử bị oxy hóa, dẫn đến hiệu quả thấp hơn so với hô hấp hiếu khí.

Hô hấp kị khí chủ yếu được các vi khuẩn và cổ khuẩn trong môi trường thiếu oxy sử dụng. Nhiều sinh vật kị khí thuộc dạng bắt buộc, nghĩa là chúng chỉ hô hấp bằng các hợp chất kị khí và sẽ chết nếu có sự hiện diện của oxy.

So sánh với quá trình lên men

Mêtan vi khuẩn có thể được hình thành qua hai con đường chính: quá trình khử cacbonat (hô hấp) và lên men acetate.

Hô hấp tế bào, dù là yếm khí hay kỵ khí, sử dụng các hợp chất hóa học như NADH và FADH2 (sinh ra từ glycolysis và chu trình axit citric) để tạo ra một gradient điện hóa (thường là gradient proton) qua màng tế bào, dẫn đến sự khác biệt về điện thế hoặc nồng độ ion. Các hợp chất hóa học bị khử được oxy hóa bởi một chuỗi các protein màng tích hợp, với khả năng khử tăng dần theo thứ tự và chất nhận electron cuối cùng có thể là oxy (trong hô hấp hiếu khí) hoặc một hợp chất khác (trong hô hấp kỵ khí). Gradient proton điều khiển các proton qua kênh của ATP synthase, từ đó thúc đẩy tổng hợp ATP từ ADP và phosphat vô cơ.

Quá trình lên men không sử dụng gradient điện hóa mà chỉ dựa vào phosphoryl hóa ở mức cơ chất để tạo ATP. NAD + được tái sinh từ NADH bằng cách khử các hợp chất oxy hóa. Các hợp chất oxy hóa này có thể được hình thành trong quá trình lên men hoặc từ bên ngoài. Ví dụ, trong vi khuẩn axit lactic đồng hóa, NADH từ oxy hóa glyceraldehyd-3-phosphate được tái tạo thành NAD + bằng cách khử pyruvate thành axit lactic. Trong nấm men, acetaldehyd được khử thành ethanol để tái tạo NAD +. Do đó, hai quá trình tạo ATP khác nhau rõ rệt và không nên nhầm lẫn với nhau.

Tầm quan trọng trong hệ sinh thái

Hô hấp kị khí đóng vai trò quan trọng trong chu trình toàn cầu của nitơ, sắt, lưu huỳnh và carbon bằng cách khử các hợp chất oxy hóa thành các hợp chất khử hơn. Chu trình hóa sinh của những hợp chất này, phụ thuộc vào hô hấp kị khí, ảnh hưởng lớn đến chu trình carbon và sự nóng lên toàn cầu. Hô hấp kị khí xảy ra trong nhiều môi trường như trầm tích nước ngọt và biển, đất, tầng ngậm nước ngầm, môi trường dưới bề mặt sâu và màng sinh học. Ngay cả trong các môi trường có oxy như đất, vẫn có các khu vực vi mô thiếu oxy do sự khuếch tán chậm của khí oxy.

Một ví dụ về vai trò sinh thái của hô hấp kị khí là việc sử dụng nitrat làm chất nhận electron cuối cùng, hoặc khử nitrat hòa tan, là con đường chính giúp đưa nitơ cố định trở lại khí quyển dưới dạng khí nitơ phân tử. Một ví dụ khác là methanogenesis, một dạng hô hấp cacbonate, sản xuất khí metan thông qua quá trình tiêu hóa kị khí. Mêtan sinh học được sử dụng như một nguồn năng lượng thay thế bền vững cho nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, nếu không được kiểm soát, quá trình methanogenesis tại các bãi chôn lấp có thể giải phóng một lượng lớn khí mêtan vào khí quyển, làm tăng hiệu ứng nhà kính. Hô hấp sunfat tạo ra hydro sulfide, gây ra mùi 'trứng thối' đặc trưng của các vùng đất ngập nước ven biển và có khả năng kết tủa các ion kim loại nặng từ dung dịch, dẫn đến sự lắng đọng của quặng kim loại sulfide.