Hô hấp hiếu khí là gì? So sánh giữa hô hấp hiếu khí và kị khí?

1. Hô hấp hiếu khí là gì? 

Hô hấp hiếu khí là quá trình oxy hóa các phân tử hữu cơ, trong đó oxi phân tử (O2) là chất cuối cùng nhận electron. Đây là cách vi sinh vật nhỏ thực hiện hô hấp. Ở vi sinh vật nhân thực, chuỗi truyền electron ở màng ti thể, còn vi sinh vật sơ diễn ra trên màng sinh chất.

Vi sinh vật là các cơ thể nhỏ, thường chỉ thấy qua kính hiển vi. Chúng có đặc điểm chung là hấp thụ và chuyển hóa chất dinh dưỡng nhanh, sinh trưởng và sinh sản nhanh, phân bố rộng. Chúng có mặt ở khắp nơi trong tự nhiên, trong các môi trường và điều kiện sinh thái đa dạng.

Ở môi trường có oxi phân tử, một số vi sinh vật thực hiện hô hấp hiếu khí. Còn ở môi trường thiếu oxi, chúng sẽ lên men hoặc hô hấp kị khí.

Quá trình phân giải đường sản xuất CO2 và H2O. Trong vi khuẩn, phân giải Glucôzơ tạo ra 38 ATP, chiếm 40% năng lượng của Glucôzơ. Một số vi sinh vật hiếu khí, khi thiếu nguyên tố vi lượng, gây rối loạn trao đổi chất ở giai đoạn Crep. Do đó, loại vi sinh vật này thực hiện hô hấp không hoàn toàn.

1.1. Ý nghĩa của hô hấp hiếu khí:

Hô hấp hiếu khí mang đến ý nghĩa vô cùng quan trọng, từ việc tổng hợp ATP cho đến cung cấp nguyên liệu cần thiết cho các phản ứng tổng hợp. Hệ số hô hấp là tỉ lệ giữa số lượng phân tử CO2 được thải ra và số lượng phân tử O2 được hấp thụ trong quá trình hô hấp. Tham số này cho chúng ta biết về loại chất đang tham gia vào quá trình hô hấp, từ đó chúng ta có thể đánh giá tình trạng hô hấp của cây cối.

1.2. Hô hấp hiếu khí xảy ra ở đâu?

Là quá trình xảy ra trong môi trường có O2, hô hấp hiếu khí chỉ thực hiện được khi có sự tham gia của O2 trong hô hấp. Hô hấp hiếu khí cùng với hô hấp kị khí, là một phần thuộc hô hấp ở xây xanh. Hô hấp hiếu khí được thực hiện qua nhiều con đường khác nhau:

Đường phân – chu trình Crebs.

Chu trình Pentozo photphat.

Đường phân – chu trình Glioxilic (ở thực vật).

Oxy hoá trực tiếp (ở VSV)

Đường phân – chu trình Crebs

Hô hấp hiếu khí theo con đường đường phân – chu trình Crebs là con đường chính của hô hấp tế bào xảy ra phổ biến ở mọi sinh vật, ở mọi tế bào. Hô hấp hiếu khí theo con đường này xảy ra qua 3 giai đoạn:

Đường phân tiến hành trong tế bào chất.

Chu trình Crebs tiến hành trong cơ chất ty thể.

Chuỗi hô hấp tiến hành trên màng trong ty thể.

Đường phân: đường phân là quá trình phân huỷ phân tử glucose tạo acid pyruvic và NADH. Điểm đặc biệt của đường phân là không phải phân tử đường tự do phân giải mà phân tử đường đã được hoạt hoá bởi việc gắn gốc P vào mới bị phân huỷ. Ở dạng đường – photphat phân tử trở nên hoạt động hơn nên dễ biến đổi hơn.

Đường phân được chia làm 2 giai đoạn:

Phân cắt phân tử glucose thành 2 phân tử trioza: AlPG và PDA.

Biến đổi AlPG và PDA thành acid pyruvic.

Kết quả đường phân có thể tóm tắt là: C6H12O6 + 2NAD + ADP + 2H3PO4  →  2 CH3COCOOH + 2NADH + H+ + 2ATP

Trong hô hấp hiếu khí, acid pyruvic tiếp tục phân huỷ qua chu trình Crebs, còn 2 NADH + H+ thực hiện chuỗi hô hấp để tạo H2O: 2NADH + H+ + O2   →  2 NAD + 2 H2O

Vậy kết quả của đường phân trong hô hấp hiếu khí là: C6H12O6 + O2  →  2 CH3COCOOH + 2H2O

Chu trình Crebs: sản phẩm của đường phân là acid pyruvic sẽ tiếp tục phân huỷ qua chu trình Crebs (chu trình do Crebs và SZ.Gyogy phát hiện ra năm 1937).

Quá trình phân huỷ acid pyruvic qua chu trình Crebs được thực hiện tại cơ chất ty thể do nhiều hệ enzyme xúc tác. Phần lớn các phản ứng trong chu trình là decacboxyl hoá và dehydro hoá acid pyruvic. Chu trình xảy ra qua 2 phần:

Phân huỷ acid pyruvic tạo CO2 và các coenzime khử (NADH – H+, FADH2).

Các coenzime khử thực hiện chuỗi hô hấp.

Kết quả của chu trình là:

2 CH3COCOOH + 6H2O  →   6CO2 + 10H2 (phần 1)

10H2 + 5O2             → 10H2O   (phần 2)

Kết quả chung là:  2 CH3COCOOH + 5O2  →   6CO2 + 4H2O

Nếu kết hợp giai đoạn đường phân ta có phương trình tổng quát của hô hấp là:

C6H12O6 + 6O2  →   6CO2 + 6H2O

Chu trình Pentozo photphat

Phân huỷ glucose qua đường phân không phải là con đường duy nhất mà còn có nhiều con đường khác, trong đó, chu trình Pentozo P là con đường phổ biến hơn cả. Con đường Pentozo P được phát hiện đầu tiên ở nấm enzyme, sau đó ở động vật và cuối cùng ở thực vật (Warburg, Cristian, 1930; Grise, 1935; Diken, 1936 …).

Khác với  đường phân, con  đường Pentozo – P không phân huỷ glucose thành 2 triose mà glucose bị oxy hoá và decacboxyl hoá để tạo ra các Pentozo – P. Từ các Pentozo P tái tạo lại glucozo P. Con đường Pentozo – P xảy ra trong tế bào chất cùng với đường phân, vì vậy, có sự cạnh tranh với đường phân.

Từ glucozo – P, nếu  được enzyme glucozo – 6P – izomerase xúc tác sẽ biến thành fructozo 6P và đường phân sẽ xảy ra. Còn nếu enzyme glucozo 6P -dehydrogenase hoạt động nó sẽ oxy hoá glucozo 6P thành acid 6P – gluconic và con đường pentozo P xảy ra.

Cũng như chu trình Crebs, con đường phân huỷ glucose theo chu trình Pentozo P cũng xảy ra theo 2 phần:

Phân huỷ glucose tạo CO2 và NADPH2.

NADPH2 thực hiện chuỗi hô hấp tạo H2O.

Quá trình đó xảy ra một cách tổng quát là:

C6H12O6 + 6H2O  →   6CO2 + 12H2O

12H2 + 6O2 → 12 H2O

Kết quả chung là:   C6H12O6 + 6H2O  →   6CO2 + 6H2O

2. Hô hấp kị khí là gì? 

Hô hấp kị khí, còn được biết đến như hô hấp yếm khí, đại diện cho một dạng hô hấp độc đáo. Không sử dụng oxi làm chất oxi hóa, quá trình này thay thế bằng các chất oxi hóa khác. Oxi không tham gia dưới hình thức chất electron cuối cùng. Tuy nhiên, vẫn tạo thành chuỗi truyền electron, được gọi là physolmere.

Sinh vật thực hiện hô hấp kị khí sử dụng các chất oxi hóa như SO42-, nitrat hoặc fumarat. Tuy nhiên, những chất này có khả năng khử thấp hơn đáng kể so với O2. Kết quả là, quá trình oxi hóa mỗi phân tử đem lại ít năng lượng hơn nhiều.

Tính không hiệu quả của kiểu hô hấp này dễ dàng được nhận ra. Hô hấp kị khí được sử dụng rộng rãi trong các loại vi khuẩn và cổ khuẩn sống trong môi trường thiếu oxi. Vì vậy, sinh vật thực hiện hô hấp kị khí trở thành hình thức bắt buộc. Điều này có nghĩa là chúng tiến hành hô hấp với các chất khí kị khí và nếu oxi xuất hiện, chúng sẽ nhanh chóng chết.

2.1. Lên men lactic:

Lên men lactic hiện là quá trình hô hấp kỵ khí phổ biến ở nhiều vi sinh vật và cũng xảy ra ở một số mô thực vật trong điều kiện thiếu O2. Quá trình enzym này xảy ra bằng hai con đường khác nhau. Trong quá trình đường phân, sau khi AIPG được tạo ra, AIPG không bị oxy hóa thành A13PG như trong quá trình đường phân mà chuyển trực tiếp thành axit lactic.

2.2. Lên men rượu:

Quá trình lên men rượu hiện nay cũng được coi là một dạng hô hấp kỵ khí phổ biến diễn ra ở một số nhóm vi sinh vật và trong một số mô thực vật. Quá trình enzym này cũng xảy ra qua 2 giai đoạn chính là:

Đường phân hủy glucose thành axit pyruvic và NADH – H +

Lên men rượu

Quá trình lên men rượu diễn ra theo công thức sau:

C6H12O6 + 2NAD → 2CH3COCOOH + 2NADH + H + 2CH3COCOOH → 2CH3CHO + 2CO2

2CH3CHO + 2NADH + H + → 2CH3CH2OH + 2NAD

Kết quả chung: C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2

3. So sánh hô hấp hiếu khí và kị khí:

3.1. Giống nhau:

Đều là quá trình phân giải nguyên liệu để sinh năng lượng cung cấp cho hoạt động sống của cơ thể.

Nguyên liệu thường là đường đơn.

Đều có chung giai đoạn đường phân.

ATP là sản phẩm cuối cùng.

3.2. Khác nhau:

Hô hấp hiếu khí: là hô hấp mà chất nhận electron cuối cùng là Oxi phân tử.

Nơi xảy ra: màng trong ty thể (sinh vật nhân thực) hoặc màng sinh chất (sinh vật nhân sơ).

Điều kiện môi trường: cần O2.

Chất nhận điện tử: O2 phân tử.

Năng lượng sinh ra: tạo ra 38 ATP (riêng chuỗi vận chuyển electron tạo ra 34 ATP).

Sản phẩm cuối cùng: CO2 và H2O cùng với năng lượng ATP.

Hô hấp kị khí: là hô hấp mà chất nhận electron cuối cùng là Oxi liên kết. Ví dụ, NO3 2- (hô hấp nitrat), SO4 2- (hô hấp sunfat).

Nơi xảy ra: màng sinh chất – sinh vật nhân thực (không có bào quan ty thể).

Điều kiện môi trường: không cần O2.

Chất nhận điện tử: chất vô cơ NO3- , SO4 2-, CO2.

Năng lượng sinh ra: tạo lượng ATP ít hơn, vì hô hấp kị khí chỉ dùng một phần chu trình Krebs, và không phải tất cả các chất mang trong chuỗi vận chuyển electron đều tham gia vào quá trình hô hấp kị khí.

Sản phẩm cuối cùng: chất vô cơ, chất hữu cơ với năng lượng ATP (đường phân piruvic, lên men CO2, rượu etylic hoặc axit lactic).