Respiração anaeróbica - Anaerobic respiration

A respiração anaeróbica é a respiração que usa aceitadores de elétrons diferentes do oxigênio molecular (O 2 ). Embora o oxigênio não seja o aceptor final de elétrons, o processo ainda usa uma cadeia respiratória de transporte de elétrons.

Em organismos aeróbios submetidos à respiração, os elétrons são transportados para uma cadeia de transporte de elétrons e o aceptor final de elétrons é o oxigênio . O oxigênio molecular é um agente oxidante de alta energia e, portanto, um excelente aceptor de elétrons. Em anaeróbios , outras substâncias menos oxidantes, como nitrato (NO 3 - ), fumarato , sulfato (SO 4 2− ) ou enxofre (S) são usadas. Esses aceptores de elétrons terminais têm potenciais de redução menores do que o O 2 , o que significa que menos energia é liberada por molécula oxidada. Portanto, a respiração anaeróbica é menos eficiente do que a aeróbica.

Em comparação com a fermentação

A respiração celular anaeróbica e a fermentação geram ATP de maneiras muito diferentes, e os termos não devem ser tratados como sinônimos. A respiração celular ( aeróbica e anaeróbica) usa compostos químicos altamente reduzidos, como NADH e FADH 2 (por exemplo, produzidos durante a glicólise e o ciclo do ácido cítrico ) para estabelecer um gradiente eletroquímico (geralmente um gradiente de prótons) através de uma membrana. Isso resulta em um potencial elétrico ou diferença de concentração de íons através da membrana. Os compostos químicos reduzidos são oxidados por uma série de proteínas integrantes da membrana respiratória com potenciais de redução sequencialmente crescentes, com o aceptor de elétrons final sendo o oxigênio (na respiração aeróbica ) ou outra substância química (na respiração anaeróbica). Uma força motriz de prótons impulsiona os prótons para baixo no gradiente (através da membrana) através do canal de prótons da ATP sintase . A corrente resultante conduz a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico.

A fermentação , ao contrário, não usa gradiente eletroquímico. A fermentação, em vez disso, usa apenas fosforilação em nível de substrato para produzir ATP. O aceptor de elétrons NAD + é regenerado a partir do NADH formado nas etapas oxidativas da via de fermentação pela redução dos compostos oxidados. Esses compostos oxidados são freqüentemente formados durante a própria via de fermentação, mas também podem ser externos. Por exemplo, em bactérias de ácido lático homofermentativas, o NADH formado durante a oxidação do gliceraldeído-3-fosfato é oxidado de volta a NAD + pela redução do piruvato a ácido lático em um estágio posterior da via. Na levedura , o acetaldeído é reduzido a etanol para regenerar o NAD + .

Existem duas vias importantes de formação de metano microbiano anaeróbico, através da redução do dióxido de carbono / bicarbonato (HCO 3 - ) (respiração) ou fermentação do acetato.

Importância ecológica

A respiração anaeróbica é um componente crítico dos ciclos globais de nitrogênio , ferro , enxofre e carbono por meio da redução dos oxiânions de nitrogênio, enxofre e carbono a compostos mais reduzidos. O ciclo biogeoquímico desses compostos, que depende da respiração anaeróbica, impacta significativamente o ciclo do carbono e o aquecimento global . A respiração anaeróbica ocorre em muitos ambientes, incluindo água doce e sedimentos marinhos, solo, aquíferos subterrâneos, ambientes subterrâneos profundos e biofilmes. Mesmo ambientes, como solo, que contêm oxigênio também têm microambientes que carecem de oxigênio devido às características de difusão lenta do gás oxigênio .

Um exemplo da importância ecológica da respiração anaeróbica é o uso de nitrato como um aceitador de elétron terminal, ou desnitrificação dissimilatória , que é a principal via pela qual o nitrogênio fixo é devolvido à atmosfera como gás nitrogênio molecular. O processo de desnitrificação também é muito importante nas interações hospedeiro-micróbio. Semelhante às mitocôndrias em microrganismos que respiram oxigênio, alguns ciliados anaeróbios unicelulares usam endossimbiontes desnitrificantes para ganhar energia. Outro exemplo é a metanogênese , uma forma de respiração de dióxido de carbono, que é usada para produzir gás metano por digestão anaeróbica . O metano biogênico é usado como uma alternativa sustentável aos combustíveis fósseis. Do lado negativo, a metanogênese não controlada em aterros sanitários libera grandes volumes de metano na atmosfera, onde atua como um poderoso gás de efeito estufa . A respiração de sulfato produz sulfeto de hidrogênio , que é responsável pelo cheiro característico de 'ovo podre' dos pântanos costeiros e tem a capacidade de precipitar íons de metais pesados ​​da solução, levando à deposição de minérios de metal sulfídico .

Relevância econômica

A desnitrificação dissimilatória é amplamente utilizada na remoção de nitrato e nitrito de águas residuais municipais. Um excesso de nitrato pode levar à eutrofização dos cursos d'água nos quais a água tratada é liberada. Os níveis elevados de nitrito na água potável podem causar problemas devido à sua toxicidade. A desnitrificação converte ambos os compostos em gás nitrogênio inofensivo.

Desnitrificação Anaeróbica (Sistema ETC)

Inglês: O modelo acima mostra o processo de respiração anaeróbia através da desnitrificação , que usa nitrogênio (na forma de nitrato, NO 3 - ) como aceptor de elétrons. NO 3 - passa pela desidrogenase respiratória e se reduz em cada etapa, desde a ubiquinose até o complexo bc1 e também pela proteína ATP sintase. Cada redutase perde oxigênio em cada etapa, de modo que o produto final da respiração anaeróbica é o N2.

1. Citoplasma
2. Periplasma Compare com a cadeia aeróbia de transporte de elétrons .

Tipos específicos de respiração anaeróbica também são essenciais na biorremediação , que usa microorganismos para converter produtos químicos tóxicos em moléculas menos prejudiciais para limpar praias, aquíferos, lagos e oceanos contaminados. Por exemplo, o arsenato ou selenato tóxico pode ser reduzido a compostos menos tóxicos por várias bactérias anaeróbias por meio da respiração anaeróbica. A redução de poluentes químicos clorados , como cloreto de vinila e tetracloreto de carbono , também ocorre por meio da respiração anaeróbia.

A respiração anaeróbica é útil na geração de eletricidade em células de combustível microbianas , que empregam bactérias que respiram aceitadores de elétrons sólidos (como o ferro oxidado) para transferir elétrons de compostos reduzidos para um eletrodo. Este processo pode degradar simultaneamente os resíduos de carbono orgânico e gerar eletricidade.

Exemplos de aceitadores de elétrons na respiração

Modelo Estilo de vida Aceitador de elétrons Produtos E o ' [V] Organismos de exemplo
respiração aeróbica aeróbios obrigatórios e anaeróbios facultativos O 2 H 2 O, CO 2 + 0,82 procariotos aeróbicos
respiração perclorato Anaeróbios facultativos ClO 4 - , ClO 3 - H 2 O, O 2 , Cl - + 0,797 Azospira Suillum , Sedimenticola selenatireducens , Sedimenticola thiotaurini e outros procariotos gram-negativos
respiração iodada Anaeróbios facultativos IO 3 - H 2 O, H 2 O 2 , I - + 0,72 Denitromonas , Azoarcus , Pseudomonas e outros procariontes
redução de ferro anaeróbios facultativos e anaeróbios obrigatórios Fe (III) Fe (II) + 0,75 Organismos dentro da ordem Desulfuromonadales (como Geobacter , Geothermobacter , Geopsychrobacter , Pelobacter ) e espécies de Shewanella
manganês anaeróbios facultativos e anaeróbios obrigatórios Mn (IV) Mn (II) Espécies Desulfuromonadales e Shewanella
redução de cobalto anaeróbios facultativos e anaeróbios obrigatórios Co (III) Co (II) Geobacter sulfurreducens
redução de urânio anaeróbios facultativos e anaeróbios obrigatórios U (VI) U (IV) Geobacter metallireducens , Shewanella oneidensis
redução de nitrato ( desnitrificação ) Anaeróbios facultativos nitrato NO 3 - (em última instância) N 2 + 0,40 Paracoccus denitrificans , Escherichia coli
respiração fumarada Anaeróbios facultativos fumarato succinato + 0,03 Escherichia coli
respiração de sulfato obrigar anaeróbios sulfato SO 4 2− sulfeto HS - - 0,22 Muitas espécies de Deltaproteobacteria nas ordens Desulfobacterales , Desulfovibrionales e Syntrophobacterales
metanogênese (redução de dióxido de carbono) metanógenos dióxido de carbono CO 2 metano CH 4 - 0,25 Methanosarcina barkeri
respiração de enxofre (redução de enxofre) anaeróbios facultativos e anaeróbios obrigatórios enxofre S 0 sulfeto HS - - 0,27 Desulfuromonadales
acetogênese (redução de dióxido de carbono) obrigar anaeróbios dióxido de carbono CO 2 acetato - 0,30 Acetobacterium woodii
desalorrespiração anaeróbios facultativos e anaeróbios obrigatórios compostos orgânicos halogenados RX Íons haleto e composto desalogenado X - + RH + 0,25– + 0,60 Dehalococcoides e Dehalobacter espécies

Veja também

Leitura adicional

  • Gregory, Kelvin B .; Bond, Daniel R .; Lovley, Derek R. (junho de 2004). "Eletrodos de grafite como doadores de elétrons para respiração anaeróbica". Microbiologia Ambiental . 6 (6): 596–604. doi : 10.1111 / j.1462-2920.2004.00593.x . ISSN  1462-2912 . PMID  15142248 .

Referências