تفاوت تخمیر و تنفس بی‌هوازی: کدام‌یک کارآمدتر است؟

تمام موجودات زنده، برای انجام ساده‌ترین فعالیت‌های حیاتی خود، به یک منبع انرژی دائمی نیاز دارند. این انرژی می‌تواند مستقیماً از خورشید از طریق فتوسنتز به دست آید یا با خوردن گیاهان و حیوانات کسب شود. در هر صورت، انرژی اولیه باید مصرف شده و به شکل قابل استفاده‌تری مانند آدنوزین تری‌فسفات (ATP) تبدیل شود.

سازوکارهای گوناگونی برای تبدیل منبع انرژی اولیه به ATP وجود دارد. کارآمدترین روش، تنفس هوازی است که به اکسیژن نیاز دارد و بیشترین مقدار ATP را به ازای هر واحد انرژی ورودی تولید می‌کند. با این حال، اگر اکسیژن در دسترس نباشد، موجود زنده باید از روش‌های دیگری برای تبدیل انرژی استفاده کند. فرآیندهایی که بدون اکسیژن رخ می‌دهند، بی‌هوازی نامیده می‌شوند. تخمیر، یک روش رایج برای تولید ATP در موجودات زنده بدون استفاده از اکسیژن است. اما آیا این بدان معناست که تخمیر و تنفس بی‌هوازی یکسان هستند؟

پاسخ کوتاه "خیر" است. اگرچه تخمیر و تنفس بی‌هوازی اجزای مشابهی دارند و هیچ‌کدام از اکسیژن استفاده نمی‌کنند، تفاوت‌های مهمی بین آن‌ها وجود دارد. در واقع، تنفس بی‌هوازی شباهت بیشتری به تنفس هوازی دارد تا به تخمیر. در ادامه به بررسی دقیق‌تر این تفاوت‌ها می‌پردازیم.

تخمیر: یک مسیر جایگزین برای تولید انرژی

در بسیاری از کلاس‌های علوم، تخمیر تنها به عنوان یک جایگزین برای تنفس هوازی مطرح می‌شود. تنفس هوازی با فرآیندی به نام گلیکولیز آغاز می‌شود؛ در گلیکولیز، یک کربوهیدرات مانند گلوکز شکسته شده و پس از از دست دادن تعدادی الکترون، مولکولی به نام پیروات تشکیل می‌دهد. اگر اکسیژن کافی یا گاهی اوقات انواع دیگری از پذیرنده‌های الکترون وجود داشته باشد، پیروات به مرحله بعدی تنفس هوازی منتقل می‌شود. فرآیند گلیکولیز، یک سود خالص 2 ATP تولید می‌کند.

اساساً، تخمیر فرآیندی مشابه گلیکولیز است. کربوهیدرات شکسته می‌شود، اما به جای تولید پیروات، محصول نهایی بسته به نوع تخمیر، مولکول متفاوتی است. تخمیر اغلب به دلیل کمبود اکسیژن کافی برای ادامه زنجیره تنفس هوازی تحریک می‌شود. در انسان، تخمیر اسید لاکتیک رخ می‌دهد. در این حالت، به جای پیروات، اسید لاکتیک تولید می‌شود.

میکروارگانیسم‌های دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند تخمیر الکلی را انجام دهند، که در آن نتیجه نه پیروات است و نه اسید لاکتیک. در این حالت، میکروارگانیسم اتیل الکل تولید می‌کند. انواع دیگر تخمیر کمتر رایج هستند، اما همگی بسته به میکروارگانیسمی که تخمیر را انجام می‌دهد، محصولات متفاوتی تولید می‌کنند. از آنجایی که تخمیر از زنجیره انتقال الکترون استفاده نمی‌کند، نوعی تنفس محسوب نمی‌شود. در نتیجه، تخمیر یک راهکار کمکی برای تولید انرژی در شرایط کمبود اکسیژن است.

تنفس بی‌هوازی: مسیری مشابه، اما با پایانی متفاوت

با وجود اینکه تخمیر بدون اکسیژن انجام می‌شود، با تنفس بی‌هوازی یکسان نیست. تنفس بی‌هوازی مانند تنفس هوازی و تخمیر آغاز می‌شود. اولین مرحله همچنان گلیکولیز است و همچنان 2 ATP از یک مولکول کربوهیدرات تولید می‌کند. با این حال، برخلاف تخمیر که در گلیکولیز متوقف می‌شود، تنفس بی‌هوازی پیروات تولید می‌کند و سپس در همان مسیر تنفس هوازی ادامه می‌یابد.

پس از تولید مولکولی به نام استیل کوآنزیم آ، تنفس بی‌هوازی به چرخه اسید سیتریک ادامه می‌دهد. حامل‌های الکترون بیشتری تولید می‌شوند و سپس همه چیز به زنجیره انتقال الکترون ختم می‌شود. حامل‌های الکترون، الکترون‌ها را در ابتدای زنجیره رسوب می‌دهند و سپس از طریق فرآیندی به نام کمیسموز ، ATP زیادی تولید می‌کنند. برای اینکه زنجیره انتقال الکترون به کار خود ادامه دهد، باید یک پذیرنده نهایی الکترون وجود داشته باشد. اگر این پذیرنده اکسیژن باشد، فرآیند تنفس هوازی در نظر گرفته می‌شود. با این حال، برخی از انواع موجودات، از جمله بسیاری از انواع باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها، می‌توانند از پذیرنده‌های نهایی الکترون مختلفی استفاده کنند. این پذیرنده‌ها شامل یون‌های نیترات، یون‌های سولفات یا حتی دی‌اکسید کربن هستند.

دانشمندان معتقدند که تخمیر و تنفس بی‌هوازی فرآیندهای قدیمی‌تری نسبت به تنفس هوازی هستند. کمبود اکسیژن در جو اولیه زمین، تنفس هوازی را غیرممکن می‌کرد. با گذشت زمان و از طریق تکامل، یوکاریوت‌ها توانایی استفاده از "ضایعات" اکسیژن ناشی از فتوسنتز را برای ایجاد تنفس هوازی به دست آوردند.