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¿Son los humanos capaces tanto de la respiración anaeróbica como de la fermentación del ácido láctico?


¿Son los humanos capaces tanto de la respiración anaeróbica como de la fermentación del ácido láctico?

Y si es así, ¿cuándo hacen cada uno?

Entiendo que la diferencia entre respiración y fermentación es que la respiración tiene lugar en la cadena de transporte de electrones. Entiendo que la respiración aeróbica usa oxígeno en la cadena de transporte de electrones, y la respiración anaeróbica usa alguna otra molécula en la cadena de transporte de electrones en lugar de oxígeno, como el nitrato. Mientras que la fermentación no utiliza la cadena de transporte de electrones en absoluto.

Sé que los humanos tenemos un proceso metabólico anaeróbico que produce ácido láctico, pero no tengo claro si es respiración o fermentación, o si podría ser cualquiera, en cuyo caso, ¿cuándo es cuál?

adicional
alguna discusión adicional w roland en el enlace de chat / https://pastebin.com/raw/mkxckeqA / http://archive.is/CwCRL y en este q en el enlace de chat aquí / https://pastebin.com/raw/ 9sV38LnQ / http://archive.is/HJVVe y un ejemplo de definiciones en conflicto disponible https://pastebin.com/raw/3EKGmEb6 / http://archive.is/9sAlY


Los seres humanos no tenemos respiración anaeróbica, si la definimos como la oxidación de un sustrato con un aceptor de electrones externo distinto del oxígeno. En los seres humanos, el aceptor terminal de electrones en la respiración es siempre el oxígeno, que se reduce en el complejo IV de la cadena respiratoria. Los aceptores de electrones alternativos se encuentran principalmente en bacterias y arqueas.

Yo llamaría al metabolismo anaeróbico de la glucosa a lactato en humanos un proceso de fermentación. Consiste en la glucólisis, que convierte la glucosa en piruvato, que a su vez se convierte en lactato por la lactato deshidrogenasa. En este caso, no existe un aceptor de electrones terminal; en cambio, la energía se extrae de la glucosa reordenando la estructura molecular del azúcar en una configuración más favorable ("baja energía"), sin ninguna donación neta de electrones.


Nota: así es como utilizo los términos, y creo que este es el uso más común en bioquímica hoy en día. Pero estoy seguro de que puedes encontrar otras fuentes que los definan de manera diferente. Esto es bastante común en biología y bioquímica, y estos términos son muy antiguos y están cargados de todo tipo de connotaciones históricas. Pero los nombres no son cruciales; comprender los procesos bioquímicos sí lo es. La distinción importante aquí es que la conversión de glucosa en lactato no oxida el sustrato y, por lo tanto, no necesita un aceptor de electrones externo; de esta manera es fundamentalmente diferente del metabolismo oxidativo.


El tejido muscular es un buen ejemplo de fermentación anaeróbica. El ácido láctico se fermenta y se acumula en este tejido cuando hacemos mucho ejercicio. Usamos la molécula de piruvato y LDH para producir lactato cuando es necesario, pero es solo para breves ráfagas de energía en tejidos específicos.

Intente una búsqueda de imágenes de Google para la vía glucolítica. Por lo general, las rutas aeróbicas y anaeróbicas se enumeran después de que se forma la molécula de piruvato al final de esta ruta.


Mencioné en el comentario bastante temprano "aparentemente los humanos no hacen respiración anaeróbica en absoluto. Solo hacen a) respiración aeróbica yb) fermentación. Los humanos no pueden usar nitrato o sulfito como aceptores en la cadena de transporte de electrones".

Ampliaré eso un poco ... https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration

"La respiración celular anaeróbica es similar a la respiración celular aeróbica en que los electrones extraídos de una molécula de combustible pasan a través de una cadena de transporte de electrones, impulsando la síntesis de ATP. Algunos organismos usan sulfato como aceptor final de electrones al final de la cadena de transporte, mientras que otros usan nitrato, azufre o una de una variedad de otras moléculas ... ¿Qué tipo de organismos utilizan la respiración celular anaeróbica? Algunos procariotas (bacterias y arqueas) que viven en ambientes con poco oxígeno dependen de la respiración anaeróbica para descomponer los combustibles ". (es decir, no humanos)

y "La fermentación es una vía generalizada, pero no es la única forma de obtener energía de los combustibles de forma anaeróbica (en ausencia de oxígeno). En cambio, algunos sistemas vivos utilizan una molécula inorgánica distinta del O2, como el sulfato, como aceptor final de electrones. para una cadena de transporte de electrones. Este proceso, llamado respiración celular anaeróbica, es realizado por algunas bacterias y arqueas ".

Los seres humanos no pueden usar sulfato o nitrato (o cualquier otra molécula inorgánica que no sea el o2) en la cadena de transporte de electrones. Entonces no pueden hacer respiración anaeróbica.

Ese es ciertamente el punto que hizo khanacademy, y otro microbiólogo con el que hablé, y que se hizo eco de la respuesta de Roland.

Nota: al momento de escribir, Roland ha socavado un poco su respuesta ... Dado que la primera oración de su respuesta dice "Los humanos no tienen respiración anaeróbica", pero un comentario que hizo dice "Creo que estos términos se definen de manera algo diferente dependiendo de a quién le preguntes, y estoy de acuerdo con @David en que no es muy interesante discutir sobre definiciones. Pero mi propia preferencia sería usar el término "respiración anaeróbica" solo para la oxidación de sustratos que entrega electrones a un aceptor de electrones terminal que no sea O2, y "fermentación "para significar un proceso que no da como resultado ninguna oxidación neta. Esta es una diferencia bioquímica importante, por lo que motiva diferentes términos, en mi humilde opinión. Con estas definiciones, el músculo no realiza respiración anaeróbica"

es decir, está diciendo que la definición es solo su preferencia. Y que, si bien tiene una buena razón detrás, sigue siendo su preferencia. Entonces, es una cuestión de las definiciones preferidas de algunas personas, sobre otras.

He hablado con un microbiólogo que dice que todos los textos científicos avanzados usan esa definición (dejando de lado los textos introductorios y las pruebas de biología humana), es decir, no es solo la preferencia de algunas personas. He añadido más sobre eso - Y lo que he encontrado fuerte evidencia / prueba que apoya que se hace una distinción estricta, en los textos no introductorios de microbiología. Probablemente tenga razón en que las revistas científicas como PNAS, Nature y Science también hacen la distinción.

Adicional

El microbiólogo con el que hablé dijo que a menudo los textos de biología 101 se equivocan, por ejemplo, ese libro de texto de biología sin límites, incluso el título delata que es un libro de nivel muy inicial. Así que no es de extrañar que se equivoque. Dijo que a menudo los libros introductorios de pregrado se equivocan. Y los libros sobre biología humana, dado que no necesitan distinguir entre tipos de metabolización anaeróbica, pueden equivocarse a veces, porque no necesitan tanta claridad como no necesitan distinguir entre procesos anaeróbicos. Pero las revistas científicas como PNAS, Science, Nature. Y los textos de microbiología avanzada lo hacen bien. Claro que es posible que una persona use una definición muy general de respiración y luego pregunte si se usa la cadena de transporte de electrones, pero los textos de microbiología ni siquiera necesitan que se haga esa pregunta, ya que definen sus términos para hacer esa distinción. .

Si uno va a google books y busca microbiología, veo que tiene razón.

Por ejemplo, buscar en Google libros sobre microbiología, fermentación, respiración.

El primer resultado es introductorio, así que no lo miraré.

El segundo resultado es Microbiología y Fitopatología por el Dr. P.D. Sharma

"los heterótrofos exhiben dos estrategias básicas la fermentación y la respiración"

"A diferencia de la fermentación, la respiración requiere un aceptor de electrones externo"

está de acuerdo

El tercer resultado distingue pero es del mismo autor, así que lo omitiré.

está de acuerdo

El cuarto resultado - Principios de microbiología - Página 530

"Una comparación de la respiración aeróbica, la respiración anaeróbica y la fermentación"

Y distingue

está de acuerdo

El quinto resultado "Microbiología: un enfoque clínico, segunda edición: - página 39" aquí

tiene un diagrama que distingue

está de acuerdo

El sexto resultado Fundamentos de microbiología de Alcamo - Página 183

"una molécula inorgánica diferente como aceptor final de electrones"

nota: no puede ser piruvato como último, ya que el piruvato contiene carbono, por lo que es orgánico.

Luego da los ejemplos de una especie de bacteria que usa nitrato y una especie que usa sulfato

está de acuerdo

De hecho, es el caso de que la fermentación no involucra una cadena de transporte de electrones, pero también, la fermentación involucra un aceptor de electrones final, solo es piruvato o un derivado de piruvato.

Microbiología Por Cynthia Nau Cornelissen, Richard A. Harvey, Bruce D. Fisher aquí "el aceptor de electrones terminal en la fermentación, es piruvato o un derivado de piruvato"

Y como dijo el microbiólogo con el que hablé, es más una cuestión de si el aceptor de electrones final es interno / endógeno (es decir, producido por el propio organismo), o si es externo. (en lugar de si es orgánico / inorgánico)

Una cosa que dice la biología ilimitada (usando la definición estricta de fermentación y respiración), y es consistente con eso. https://www.boundless.com/microbiology/textbooks/boundless-microbiology-textbook/microbial-metabolism-5/anaerobic-respiration-49/electron-donors-and-acceptors-in-anaerobic-respiration-313-8023/

"Tanto los compuestos inorgánicos como los orgánicos pueden usarse como aceptores de electrones en la respiración anaeróbica. Los compuestos inorgánicos incluyen sulfato (SO42-), nitrato (NO3-) y hierro férrico (Fe3 +). Los compuestos orgánicos incluyen DMSO".
(El DMSO, por ejemplo, es orgánico / basado en carbono, pero es un aceptor de electrones externo, por lo que aún respira cuando se usa)

Conclusión-

Eso y todas esas definiciones distinguen claramente respiración y fermentación, con la misma definición estricta, que confirma que los humanos no hacen respiración anaeróbica, hacen fermentación, que no es una forma de respiración.

Sin embargo, a pesar de eso, es claramente el caso de que fuera de los textos de microbiología avanzada ... (y supongo que fuera de las revistas científicas), también en los textos de introducción a la biología, y en los textos de biología humana y los textos de la escuela secundaria ... y entre muchos en este sitio web que claramente tienen un profundo interés en la biología, esa definición general de respiración todavía existe. Y en tal situación, tiene sentido prestar menos atención al término pero preguntar sobre características específicas, p. "¿Implica la cadena de transporte de electrones" / ¿Utiliza un compuesto inorgánico como el nitrato o el sulfato como alternativa al O2? si uno quiere saber si es respiración, o si no le importa cuál es el término y solo quiere saber cuáles son las características, puede preguntar eso y otras preguntas como "¿Utiliza oxígeno" o características que no lo son? incluso relevante para el término, como lo que le interesa al comentarista en cómo piensan los términos: "¿Lo está haciendo un animal o no (tan directamente desde el medio ambiente a la célula)?".

Conclusión adicional

más aclaraciones sobre la distinción ...

Cuando le hice esta pregunta al microbiólogo-

Entiendo que la respiración generalmente se realiza con una sustancia inorgánica (O2) como aceptor terminal de electrones, pero que se puede realizar con una sustancia orgánica DMSO. Entonces, ¿existe todavía una enorme diferencia química entre la respiración y la fermentación, cuando la respiración se realiza con DMSO? No veo cómo el aceptor de electrones final, siendo interno frente a externo, causaría una diferencia importante en la química.

Tengo una muy buena respuesta
Dijo: la fermentación no utiliza un gradiente de protones ni una fuerza quimiosmótica para generar ATP. Fosforilación oxidativa vs fosforilación a nivel de sustrato

Mirando más allá… veo que la glucólisis produce ATP a través de la fosforilación a nivel de sustrato. Observando las distintas partes de la respiración y la fermentación, es decir, después de la glucólisis. (algunos definen la respiración y la fermentación como excluyendo la glucólisis de todos modos). Luego, (después de la glucólisis), la respiración utiliza la fosforilación oxidativa. La fermentación, si produce ATP (lo que suele hacer), se realiza mediante fosforilación a nivel de sustrato.

(Fisiología y bioquímica de los procariotas https://i.stack.imgur.com/PkRw9.png"> ¿Las bacterias del ácido acético utilizan la cadena de transporte de electrones cuando convierten el etanol en ácido acético?


Fermentación / respiración anaeróbica

Algunos ejemplos de respiración anaeróbica incluyen fermentación de alcohol, fermentación de ácido láctico.

Explicación:

Algunos ejemplos de respiración anaeróbica incluyen la fermentación del alcohol, la fermentación del ácido láctico (que puede resultar en yogur y dolor muscular) y en la descomposición de la materia orgánica. La ecuación es: glucosa + enzimas = dióxido de carbono + etanol / ácido láctico.

Respuesta:

La fermentación es un proceso metabólico anaeróbico en el que un organismo convierte un carbohidrato en alcohol o ácido.

Explicación:

El primer paso en todos los procesos de fermentación es la glucólisis, la conversión de glucosa en piruvato:

# "C" _6 "H" _12 "O" _6 → "2CH" _3 "COCOO" ^ (-) + "2H" _2 "O" + 2 "H" ^ + #

Hay dos tipos principales de fermentación, uno convierte el piruvato en lactato (ácido láctico) y el otro en etanol.


(de sun.menloschool.org)

En fermentación de ácido láctico, el piruvato se convierte en ácido láctico.

#underbrace ("CH" _3 "COCOO" ^ -) _ color (rojo) ("piruvato") stackrelcolor (azul) ("enzimas") (→) underbrace ("2CH" _3 "CH (OH) COOH") _ color ( rojo) ("ácido láctico") #

En fermentación de alcohol, el piruvato se descarboxila a acetaldehído y luego a etanol.

# "CH" _3 "COCOO" ^ (-) + "H" ^ + stackrelcolor (azul) ("piruvato descarboxilasa") (→) "CH" _3 "CHO" + "CO" _2 #

# "CH" _3 "CHO" stackrelcolor (azul) ("alcohol deshidrogenasa") (⇌) "CH" _3 "CH" _2 "OH" #

En un aerobio proceso, el piruvato es convertido por respiración al dióxido de carbono y al agua.

Aquí hay un resumen de los tres posibles destinos del piruvato:


(rom vishbiochemblog.wordpress.com)


¿Cuáles son los dos tipos principales de respiración anaeróbica?

Los dos tipos principales de respiración anaeróbica son la fermentación alcohólica y la fermentación del ácido láctico. Estos métodos de respiración ocurren cuando la cantidad de oxígeno disponible es demasiado baja para soportar la respiración aeróbica.

La fermentación alcohólica convierte la glucosa en etanol. En la fermentación alcohólica, la glucosa se descompone por glucólisis y se liberan dos moléculas de ATP en el proceso. Las moléculas de ácido pirúvico producidas durante la glucólisis se descomponen en etanol y dióxido de carbono. En los animales, el proceso de fermentación del ácido láctico, de manera similar, ocurre después del proceso de glucólisis. El ácido pirúvico se transforma en ácido láctico y el ácido láctico descompone el tejido muscular. La fermentación del ácido láctico es la razón por la que los músculos se queman durante un entrenamiento intenso o prolongado. La degradación de los músculos por el ácido láctico da como resultado que el tejido muscular se reconstruya para volverse más fuerte.


¿Cómo se aplica esto a los deportes?

Muchos atletas aprovechan este tipo de respiración ya que ayuda con breves ráfagas de energía. Pueden entrenar para alargar el tiempo que transcurre la respiración anaeróbica en sus células y aumentar la cantidad de ácido láctico que pueden acumular. El entrenamiento generalmente consiste en ejercicios de alta intensidad como saltar o correr durante un corto período de tiempo repetidamente. Con el tiempo, una persona puede alargar la cantidad de tiempo que su cuerpo dedica al metabolismo anaeróbico. Esto puede resultar útil en deportes como el béisbol o el fútbol, ​​donde las jugadas son breves e intensas.


Respiración anaeróbica y su aplicación

La respiración anaeróbica es el proceso por el cual tiene lugar la oxidación incompleta del sustrato respiratorio. En este caso, ocurre en ausencia de oxígeno dando como resultado los productos finales de alcohol etílico y CO2 en plantas y ácido láctico (en animales) con muy poca energía.

La respiración anaeróbica se observa en ciertas bacterias, levaduras y otros hongos, endoparásitos y células de músculos animales. También se conoce como fermentación. La reacción común de la respiración anaeróbica es:

Características de la respiración anaeróbica

Fase de respiración anaeróbica

Hay dos fases definidas de respiración anaeróbica:

1. Glucólisis: La primera fase de la respiración anaeróbica es la glucólisis en la que se forman 2 moléculas de ácido pirúvico y 4H + a partir de una molécula de glucosa de la misma reacción de glucólisis (vía EMP) que se encuentra en la respiración aeróbica.

2. Fermentación: La segunda fase de la respiración anaeróbica es la fermentación que consiste en reacciones de descarboxilación y reducción que convierten el ácido pirúvico en alcohol etílico con el desprendimiento de dióxido de carbono (CO2).

Fermentación de etanol: Dos pasos implican este proceso. Al principio, el ácido pirúvico se somete a carboxilación en presencia de la enzima carboxilasa pirúvica y produce acetaldehído y CO2. Luego, el acetaldehído deshidrogenado por NADH2 en etanol en presencia de la enzima deshidrogenasa.

  • Fermentación del ácido láctico: El ácido pirúvico deshidrogenado por NADH2 en ácido láctico en condiciones anaeróbicas de la célula y en presencia de la enzima deshidrogenasa. Además de los anaerobios, el ácido láctico se forma en las células musculares de los animales superiores. Las plantas superiores no producen ácido láctico.

Energético de la respiración anaeróbica

Dos moléculas de NADH2 y dos moléculas de ATP se forman en la glucólisis. Durante la fermentación dos moléculas de NADH2 son usados. Solo se utilizan dos moléculas de ATP para producir una ligera energía de 20 Kcal.

Aplicación de respiración anaeróbica

Varios microorganismos participan en el proceso de fermentación y producen productos finales de gran utilidad. Estos útiles productos finales benefician a la humanidad de muchas formas. Algunas actividades de fermentación destacadas en los sectores industriales se detallan a continuación:


Fermentación alcohólica: ¿una "nueva" fuente de energía?

¿Ha alimentado su auto con maíz? Sí, si compró gasolina en la ciudad de Portland, Oregon. Portland fue la primera ciudad en exigir que toda la gasolina vendida dentro de los límites de la ciudad contenga al menos un 10% de etanol. A mediados de 2006, casi 6 millones de vehículos de “combustible flexible”, que pueden usar mezclas de gasolina hasta en un 85% de etanol (E85 - Figura 5) viajaban por las carreteras estadounidenses. Esta "nueva" industria emplea un "antiguo" equipo de levaduras y bacterias para producir etanol mediante una vía bioquímica aún más antigua: fermentación alcohólica. Mucha gente considera que los biocombustibles "renovables" como el etanol son una solución parcial a la disponibilidad cada vez menor de combustibles fósiles "no renovables". Aunque la controversia todavía rodea la verdadera eficiencia de la producción de combustible a partir del maíz, el etanol se está infiltrando en el panorama mundial de los recursos combustibles (Figura 6).

Figura 5: El etanol proporciona hasta el 85% de las necesidades energéticas de los nuevos automóviles “fuel-flex”. Aunque su eficiencia energética sigue siendo controvertida, el etanol de maíz o celulosa parece ser más "renovable" que los combustibles fósiles.

Figura 6: Uno de los niños más nuevos del bloque, el etanol de maíz o celulosa es producido por levaduras a través de la fermentación alcohólica, un tipo de respiración anaeróbica.

Probablemente esté más familiarizado con el término "fermentación" en términos de bebidas alcohólicas. Es posible que no haya considerado que el proceso es en realidad una reacción química que utilizan ciertas bacterias y levaduras para producir ATP. Al igual que la fermentación del ácido láctico, la fermentación alcohólica procesa el piruvato un paso más para regenerar NAD + para que la glucólisis pueda continuar produciendo ATP. En esta forma de respiración anaeróbica, el piruvato se descompone en alcohol etílico y dióxido de carbono:

$ C_3 H_3 O_3 ( text) + NADH longrightarrow C_2 H_5 OH ( text) + CO_2 + NAD ^ + $

Disponemos de levadura domesticada (Figuras 7 y Figura 8) para realizar este tipo de respiración anaeróbica con muchos fines comerciales. Cuando haces pan, empleas la levadura para hacer que el pan “suba” produciendo burbujas de gas de dióxido de carbono. ¿Por qué crees que comer pan no te embriaga?

Figura 7: Las levaduras son anaerobios facultativos, lo que significa que, en ausencia de oxígeno, utilizan la fermentación alcohólica para producir alcohol etílico y dióxido de carbono. Ambos productos son importantes comercialmente.

Figura 8: Empleamos levaduras para usar sus talentos anaeróbicos para ayudar a que el pan crezca (a través de burbujas de (CO_2 )) y las uvas fermenten (agregando etanol).

Los cerveceros de cerveza y vino usan levadura para agregar alcohol a las bebidas. Las variedades tradicionales de levadura no solo producen, sino que también limitan la cantidad de alcohol en estas bebidas, porque por encima del 18% en volumen, ¡el alcohol se vuelve tóxico para la levadura misma! Recientemente hemos desarrollado nuevas cepas de levadura que pueden tolerar hasta un 25% de alcohol por volumen. Estos se utilizan principalmente en la producción de combustible de etanol.

El uso humano de la fermentación alcohólica depende de la energía química que queda en el piruvato después de la glucólisis. La transformación del piruvato no agrega ATP al producido en la glucólisis, y para los organismos anaeróbicos, este es el final de la línea de producción de ATP. Todos los tipos de respiración anaeróbica producen solo 2 ATP por glucosa.

Respiración aeróbica frente a anaeróbica: una comparación

Como aerobios en un mundo de aerobio organismos, tendemos a considerar la respiración aeróbica "mejor" que fermentación. En cierto modo lo es. Sin embargo, la respiración anaeróbica ha persistido mucho más tiempo en este planeta, a través de cambios importantes en la atmósfera y la vida. Debe haber valor en esta forma alternativa de hacer ATP. Compararemos las ventajas y desventajas de estos dos tipos de respiración.

Un argumento importante a favor de la respiración aeróbica sobre la anaeróbica es la producción total de energía. Sin oxígeno, los organismos solo pueden romper la glucosa de 6 carbonos en dos moléculas de 3 carbonos. Como vimos anteriormente, la glucólisis libera solo la energía suficiente para producir dos ATP (netos) por molécula de glucosa. Por el contrario, la respiración aeróbica descompone la glucosa hasta (CO_2 ), produciendo hasta 38 ATP. Los costos de transporte de membranas pueden reducir este rendimiento teórico, pero la respiración aeróbica produce consistentemente al menos 15 veces más ATP que la respiración anaeróbica. Este gran aumento en la producción de energía probablemente explica por qué los organismos aeróbicos han llegado a dominar la vida en la tierra. También puede explicar cómo los organismos pudieron aumentar de tamaño, agregando multicelularidad y gran diversidad.

Sin embargo, las vías anaeróbicas persisten y algunos anaerobios obligados han sobrevivido más de 2000 millones de años después de la evolución de la respiración aeróbica. ¿Cuáles son las ventajas de la fermentación?

Una ventaja está disponible para los organismos que ocupan los pocos nichos anóxicos (sin oxígeno) que quedan en la tierra. El oxígeno sigue siendo el gas tóxico y altamente reactivo que causó la "catástrofe del oxígeno". Los organismos aeróbicos simplemente han aprendido algunos trucos (enzimas y antioxidantes) para protegerse. Los organismos que viven en nichos anóxicos no corren el riesgo de exposición al oxígeno, por lo que no necesitan gastar energía para fabricar estos complejos químicos.

Las células individuales que experimentan condiciones anóxicas enfrentan mayores desafíos. Mencionamos anteriormente que las células musculares "todavía recuerdan" la respiración anaeróbica, utilizando la fermentación del ácido láctico para producir ATP en condiciones de bajo oxígeno. Las células cerebrales no "recuerdan" y, en consecuencia, no pueden producir ATP sin oxígeno. Esto explica por qué la muerte sigue a la mayoría de los humanos que soportan más de cuatro minutos sin oxígeno.

La variación en las células musculares da más información sobre algunos de los beneficios de la respiración anaeróbica. En los músculos de los vertebrados, la fermentación del ácido láctico permite que los músculos produzcan ATP rápidamente durante breves ráfagas de actividad intensa. Las células musculares especializadas para este tipo de actividad muestran diferencias tanto en la estructura como en la química. Las fibras musculares rojas son "oscuras" porque tienen un abundante suministro de sangre para un suministro constante de oxígeno y una proteína, la mioglobina, que retiene el oxígeno adicional. También contienen más mitocondrias, el orgánulo en el que el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones concluyen la respiración aeróbica. Los glóbulos blancos son "ligeros" porque carecen de un abundante suministro de sangre, tienen menos mitocondrias y almacenan glucógeno en lugar de oxígeno. Cuando comes carne oscura, estás comiendo músculo de resistencia. Cuando comes carne blanca, estás comiendo músculo desarrollado para correr.

Cada tipo de fibra muscular tiene ventajas y desventajas, que reflejan sus diferentes vías bioquímicas. La respiración aeróbica en los músculos rojos produce una gran cantidad de ATP a partir de mucha menos glucosa, pero lentamente, durante mucho tiempo. La respiración anaeróbica en los músculos blancos produce ATP rápidamente para ráfagas rápidas de velocidad, pero un depredador que continúa la persecución puede eventualmente atrapar una presa de músculos blancos.

En resumen, la respiración aeróbica y anaeróbica tienen ventajas en condiciones específicas. La respiración aeróbica produce mucho más ATP, pero corre el riesgo de exposición a la toxicidad del oxígeno. La respiración anaeróbica es menos eficiente energéticamente, pero permite la supervivencia en hábitats que carecen de oxígeno. Dentro del cuerpo humano, ambos son importantes para la función muscular. Las células musculares especializadas para la respiración aeróbica brindan resistencia, y las especializadas para la fermentación del ácido láctico soportan gastos de energía breves pero intensos. Ambas formas de hacer ATP juegan un papel fundamental en la vida en la tierra.


Yogur

Fermentación del ácido láctico | Respiración celular | Biología

Explorando cómo la oxidación de coenzimas como NADH a NAD + puede eventualmente conducir a la producción de ATP a través de la fosforilación oxidativa y la cadena de transporte de electrones.

Fuente: YouTube, Khan Academy, 2015, Duración 11:21, URL: https://www.youtube.com/watch?v=lfeXuK8pbFw

El proceso de fermentación en el yogur.

Jake describe los cambios químicos que ocurren cuando las bacterias en crecimiento transforman la leche en yogur.


Cadena productiva de biocombustibles y biocatálisis industrial

Ayla Sant'Ana da Silva,. Viridiana S. Ferreira-Leitão, en Biotecnología de Enzimas Microbianas, 2017

20.4 Producción de biogás / biometano

El proceso de fermentación anaeróbica (FA) ha sido considerado como una tecnología viable para el tratamiento de residuos orgánicos y para la producción de bioenergía. Este proceso genera beneficios agrícolas y ambientales entrelazados, como la producción de energía renovable, el tratamiento de desechos orgánicos respetuosos con el medio ambiente, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, la reducción de patógenos a través del saneamiento y la mejora de la eficiencia de la fertilización (Holm-Nielsen et al., 2009 Mao et al., 2015 ). Por estas razones, la FA de los residuos orgánicos ha recibido una gran atención en todo el mundo en los últimos años.

AF es un proceso de degradación de material orgánico en biogás por microorganismos, en ausencia de oxígeno. El AF ofrece importantes ventajas, como bajo consumo de energía, bajos requerimientos de nutrientes, baja producción de lodos y alta eficiencia en la reducción de carga orgánica y generación de biogás (Khalid et al., 2011 Rajagopal et al., 2013). Se ha utilizado una variedad de materiales orgánicos como materia prima para la FA, por ejemplo, biomasa lignocelulósica (Arreola-Vargas et al., 2015 Li et al., 2015 Sambusiti et al., 2013), residuos sólidos urbanos (Beevi et al., 2015 Luo et al., 2014), estiércol animal (Babaee et al., 2013 Dareioti y Kornaros, 2015), y residuos de procesamiento de alimentos (Browne y Murphy, 2013 Zhang et al., 2014, 2015), entre otros. Estas materias primas suelen estar disponibles en plantas de biogás a pequeña escala, lo que evita costos de transporte adicionales y, por lo tanto, hace que la producción de biogás sea económicamente viable (Naik et al., 2014 Yang et al., 2014). Además de la producción de biogás, AF también permite obtener un efluente llamado digestato, que puede utilizarse como biofertilizante. La calidad del digestato es fundamental para su aceptación como sustituto de los fertilizantes minerales en la producción de cultivos. Los parámetros que permiten un digestato de alta calidad son el pH apropiado, el contenido de nutrientes y químicos, sin impurezas inorgánicas y sin contaminación patológica (Hamawand, 2015).

Varios factores pueden afectar la productividad y la estabilidad del sistema fermentativo anaeróbico para la producción de biogás, como la temperatura, el pH, la relación de masa de carbono a nitrógeno (relación C: N), el potencial redox, la tasa de carga orgánica (OLR) y el tiempo de retención. . La temperatura es uno de los principales factores que afectan a la FA, ya que influye directamente en el CH4 producir. En general, CH4 la producción aumenta con el aumento de la temperatura (Zhang et al., 2014). La tasa de crecimiento de los microorganismos se ve afectada significativamente por el pH. Por ejemplo, la tasa de crecimiento de las arqueas metanogénicas se reduce en gran medida a un pH por debajo de 6,0 y por encima de 8,0 (Mao et al., 2015). La relación C: N afecta el desempeño de la FA, ya que las bacterias anaeróbicas requieren un medio nutricional balanceado para su crecimiento y mantenimiento de un ambiente estable. Según la literatura, se consideró que un rango C: N de 20-30 era la condición óptima para la FA (Puyuelo et al., 2011 Zhang et al., 2014). El potencial redox se puede utilizar como indicador de la FA, ya que el crecimiento de arqueas metanogénicas requiere un potencial redox bajo. Se ha informado que este potencial redox varía de −200 a −400 mV (Naik et al., 2014). La estabilidad del AF depende del OLR y del tiempo de retención hidráulica (HRT). Cuando el OLR es alto, el sistema fermentativo puede desequilibrarse debido a la producción excesiva de ácidos volátiles, lo que lleva a la inhibición del proceso. El mismo comportamiento se observa en la TRH breve. Por lo tanto, un OLR bajo y un HRT largo proporcionan la mejor estrategia para lograr rendimientos de metano máximos y constantes (Naik et al., 2014 Mao et al., 2015).

La conversión de material orgánico en biogás es realizada por un consorcio de microorganismos a través de una serie de fases metabólicas, a saber, hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. La primera fase implica la hidrólisis de materiales orgánicos complejos en materiales orgánicos simples como azúcares, aminoácidos y ácidos grasos. En la fase acidógena, los productos solubles del paso anterior se convierten en ácidos orgánicos volátiles, alcoholes, CO2, H2y nuevas células bacterianas. Las bacterias acetogénicas son responsables de la oxidación de los productos generados en la fase acidógena en sustratos adecuados (H2 y ácido acético) para arqueas metanogénicas. En el último paso, las arqueas metanogénicas convierten el H2 y ácido acético en CH4 y compañía2 (Sá et al., 2014 Christy et al., 2014).

La composición del biogás varía según el tipo de materia prima utilizada en el proceso y las condiciones operativas del digestor. En general, el biogás se compone de 50 a 75% de metano (CH4) y 25-50% de dióxido de carbono (CO2) con pequeñas cantidades de vapor de agua (H2O), sulfuro de hidrógeno (H2S) y amoniaco (NH3), entre otros (Surendra et al., 2014). CH4 es el componente del biogás responsable del poder calorífico. En general, 1 m 3 de biogás con 60% de CH4 tiene un poder calorífico de 21,5 MJ, que corresponde a aproximadamente 6 kWh de electricidad (Hamawand, 2015 Surendra et al., 2014). Además de la generación de electricidad, el biogás también permite la generación de calor en una unidad combinada de calor y energía (Yang et al., 2014).

20.4.1 Generación y uso de biogás / biometano en Brasil

El biogás producido a partir del proceso AF se ha presentado como una alternativa eficiente en la producción de bioenergía. La producción de biogás en los países miembros de la IEA Bioenergy Task 37 está claramente dominada por Alemania, con más de 10.000 plantas de biogás. Ninguno de los otros países miembros (Austria, Brasil, Dinamarca, Finlandia, Francia, Noruega, Irlanda, Corea, Suecia, Suiza, Países Bajos y Reino Unido) tiene más de 1000 plantas de biogás cada uno. La producción anual de biogás es de aproximadamente 80 TWh en Alemania, 20 TWh en el Reino Unido, 4 TWh tanto en los Países Bajos como en Francia, y entre 0,5 y 2 TWh en el resto de países. In countries such as the United Kingdom, Brazil, and South Korea, biogas produced in landfills is the largest source, while landfill gas is only a minor contributor in countries such as Germany, Switzerland, and Denmark. The biogas produced is mainly used for the generation of heat and electricity in most countries, with the exception of Sweden, where approximately half of the produced biogas is used as vehicle fuel. Many countries, such as Denmark, Germany, and South Korea, among others, show initiatives and interest in increasing the share of biogas to be used as a vehicle fuel in the near future ( IEA, 2015 ).

The Brazilian potential for biogas production is great because of the amount of wastewater and organic waste generated, as well as the disposal of waste in landfills. According to Applied Economic Research Institute (IPEA) data, in 2009, Brazil produced 291 million tons of wastes from the agroindustry. If all these residues can be used for energy production, it could represent an energy potential of up to 23 GW/year, which is equivalent to 191,398 GWh/year. The wastes with the highest potential for energy production, approximately 69% of the total estimated for the sector, are bagasse and filter cake from sugarcane, generated mostly in Brazil’s Southeast region. In addition, this region has a high amount of waste generated by dairy cattle (106 million tons/year) and laying hens (4.3 million tons/year). The South Brazil region already generates a large amount of waste through the creation of broilers (7.5 million tons/year—not considering the poultry litter) and pig manure (9.8 million tons/year) ( IPEA, 2012 ). The projection of the biogas/biomethane production potential is approximately 12 billion cubic meters per year in the sugar and alcohol sector and 8 billion cubic meters per year in the food agroindustry sector ( Bley Jr., 2015 ). However, the energy use of biogas for electrical systems in Brazil remains insufficient. The majority of the biogas plants are located on agricultural properties to process residues and on landfills ( IEA, 2015 ). According to the Bank of Generation Information of the Brazilian Electricity Regulatory Agency (ANEEL), there are 403 thermoelectric plants fueled by biomass in operation in the country. Of the total related plants, only 24 are driven by biogas, totaling approximately 66.1 MW of installed capacity, which represents little more than 0.5% of the electricity production by biomass ( ANEEL, 2015 ).

The purification of biogas, through the removal of CO2, H2O, H2S, NH3 and other impurities, makes it possible to obtain biomethane, which can be used as a substitute for natural gas and as a transportation fuel ( Holm-Nielsen et al., 2009 Pöschl et al., 2010 ). This approach allows an efficient integration of biogas into the energy sector, and it is also observed that the industries are strongly interested in this product, not only in Brazil but in Africa, Europe and throughout the Americas ( Bley Jr., 2015 ). Applications of gaseous fuels developed from shale gas in the United States have been tendered competitively around the world. In Brazil, impacts are already observed on the use of engines relying on 100% natural gas (perfectly replaceable by biomethane), including heavy loads, trucks and buses. Shale gas has accelerated the arrival of the “Age of gas” in the world energy matrix and in Brazil ( Bley Jr., 2015 ).

Currently, the use of biogas as a vehicle fuel is rare. However, one project developed by ITAIPU Binacional, the Itaipu Technology Park Foundation, Scania, Haacke Farm, and the International Center on Renewable Energy-Biogas/CIBiogás-ER has demonstrated the viability to use biomethane as a vehicle fuel ( IEA, 2015 ). A recent initiative is the creation of legislation (Resolution No. 8, Jan 30, 2015) that will allow the development of the biomethane market in Brazil. This legislation was developed by the government’s National Agency of Petroleum, Natural Gas and Biofuels (ANP) and applied to biomethane produced from biodegradable materials originating from agroforestry and organic waste and intended for nationwide use as a fuel for vehicles, in commercial shipping and for residential use. The standard includes obligations regarding quality control to be met by the various economic agents who trade biomethane throughout Brazil ( IEA, 2015 ).

20.4.2 Biohydrogen Production via AF

Another strategy that has been extensively studied is H2 production from the AF process. In particular, hydrogen has attracted great interest due to its high energy content (143 kJ·g −1 ) and clean burning. H2 production via AF can be performed by mixed microbial cultures derived from natural environments or pure cultures selected from H2-producing bacteria. The use of mixed cultures for large-scale processes is considered favorable due to the control and operation of the process being facilitated by the use of nonsterile media, reducing the overall cost. In this approach, H2-consuming microorganisms are inhibited and/or eliminated, allowing the selection of H2-producing microorganisms. This effect is obtained by pretreatment of the inoculum. During pretreatment, the H2-producing-bacteria, such as Clostridium, can form endospores as a result of bacterial stress when in hostile environmental conditions (high temperature, nutrient limitation, extreme acidity and alkalinity), while methanogenic archaea (H2-consuming microorganisms) cannot resist these conditions ( Sá et al., 2013 ). Different chemical (acid, alkali, or organic compounds) and physical (heat, aeration, ultraviolet, ultrasonic, and freezing/thawing) methods of inoculum pretreatment have been reported in the literature to favor H2 production ( Cui and Shen, 2012 Dong et al., 2010 Wang and Wan, 2008 Wang et al., 2011 ).

Studies have shown that microorganisms of the genus Clostridium are primarily responsible for H2 production in inocula with different methods of pretreatment ( Lee et al., 2009 Liu et al., 2009 Ren et al., 2008 ). These microorganisms produce hydrogenase enzymes that catalyze the reversible reaction of hydrogen oxidation (2H + +2e − ↔H2) ( Kirtay, 2011 ). Sá et al. (2013, 2011) have used the level of hydrogenase gene (hyd) expression as an indicator of H2 production in different systems.

A wide variety of materials rich in carbohydrates, lipids, and/or proteins can be used as substrates in the production of H2 by AF. Carbohydrates, such as sucrose and glucose, are easily assimilated by fermentative bacteria. However, sources of pure carbohydrates represent expensive substrates for H2 production in large scale. In this context, the use of waste materials as potential substrates for H2 production has attracted great interest ( Lin et al., 2012 ). Different waste materials have been used for H2 production, such as food waste ( Yong et al., 2015 Gadhe et al., 2014 ), sugarcane vinasse from ethanol production ( Fernandes et al., 2010 Santos et al., 2014 ), dairy industry wastewater ( Karadag et al., 2014 ), lignocellulose hydrolysates ( Chen et al., 2013 Nissila et al., 2014 ), glycerin from biodiesel processing ( Fernandes et al., 2010 ), and palm oil mill effluent ( Chong et al., 2009a,b ), among others.

20.4.3 Sequential Production of H2 y CH4

The use of waste materials for H2 production has been gaining importance to support environmental sustainability. However, most of the organic fraction remains soluble at the end of the fermentation process ( Peixoto et al., 2012 ). A two-stage process for sequential production of H2 y CH4 has been considered as an alternative to improve the viability of soluble organic fraction treatment. This system includes the separation of acidogenic and methanogenic processes for the production of H2 y CH4, respectivamente. In the first stage (acidogenic process), organic matter is degraded to organic acids and H2, and in the second stage (methanogenic process), organic acids are metabolized to CH4 y compañía2 ( Kiran et al., 2014 ).

The purpose of using a two-stage system for the production of H2 y CH4 is to optimize each process separately. In addition, previous studies showed that the two-stage process for the production of H2 y CH4 allows the production of energy with higher efficiency than a single-stage process for CH4 production ( Luo et al., 2011 Liu et al., 2006 ). A recent review showed that the sequential production of H2 y CH4 has higher energy potential than the production of CH4 in a single-stage process. The authors have shown through calculations of the theoretical energy production that the two-stage process using sucrose, glucose or fructose as a substrate presented approximately 9% more energy than the CH4 production process in a single stage. Values of approximately 14% and 11% were obtained for xylose and glycerol, respectively ( Sá et al., 2014 ).


12 Pros and Cons of Anaerobic Respiration

Respiration takes place in two different ways in cells: either aerobically or anaerobically. The amount of energy that is produced will then be distributed to a number of different needs throughout the body. What makes anaerobic respiration different is that it doesn’t need to have oxygen present for it to begin. There are certain advantages to anaerobic respiration that aerobic respiration cannot provide, but there are certain disadvantages that must also be considered.

Here is a look at some of the key points to consider when evaluating anaerobic respiration today.

What Are the Pros of Anaerobic Respiration?

1. Muscles can respire even when they don’t have oxygen available.
When you’re working out, the amount of oxygen the body needs to aerobically respire increases. Inevitably there won’t be enough oxygen available within the body for every muscle group to be able to have what it needs. Through the process of anaerobic respiration, the muscles can still get the energy it needs to continue working so that the body doesn’t just shut down.

2. It assists aerobic respiration.
A unique component of anaerobic respiration is the fact that it can metabolize pyruvic acid. This acid is used to regenerate the enzymes that the body needs for a process called glycolysis, which starts the respiration process in the first place. If oxygen becomes available, then the body can transition from anaerobic respiration to aerobic respiration, thus completing an energy cycle that can keep the body moving.

3. The body can adapt the energy more quickly.
Anaerobic respiration is an essential part of the human fight or flight reaction. The energy it produces is more readily absorbed when compared to aerobic energy, allowing the cells to start the respiration process for replenishment. This gives people bursts of energy when necessary to respond to any given situation so that reactions can be appropriate.

4. It can create a renewable source of energy.
Certain organisms that are 100% anaerobically inclined will produce gas as a byproduct of their respiration process. This happens most frequently when they are breaking down waste products of some sort. The gas that is produced is often combustible, which means it could potentially be harnessed to create a source of energy that is renewable.

5. People can raise their threshold levels for lactic acid.
With regular high-intensity exercise training sessions, it becomes possible to raise a personal threshold level for lactic acid. Although there are eventually caps on the threshold that exist, people are able to extend their ability to exercise by up to 50% with frequent high-intensity sessions.

6. Only a few minutes of anaerobic exercises are typically necessary to improve respiration rates.
Compared to aerobic exercises, it only takes about 50% of the time to use strength training for maximum benefit. Even resistance machines can help to create these exercises to build up threshold levels. When first getting started, this often means only a few minutes per day need to be dedicated to this process.

What Are the Cons of Anaerobic Respiration?

1. It produces lactic acid as a side effect.
Because there isn’t always oxygen involved in the respiration process, the amount of glucose that is broken down is reduced greatly. According to some estimates, anaerobic respiration only provides 5% of the energy potential from glucose that aerobic respiration is able to provide. Because every action as an equal and opposite reaction, a waste product is created and in this instance it is lactic acid. There is only so much lactic acid that can be stored, which means eventually the body shuts down because it just doesn’t have any room to leave waste products from energy production.

2. Too much of it can cause pain and cramping to occur.
Anaerobic respiration may help to allow muscles to receive the energy that they need, but too much of it causes pain and cramping within the muscle. This is because the lactic acid has built up so much that the muscle affected cannot properly contract any more. It requires rest periods where a person’s circulatory system can filter out the lactic acid for the muscle to recover and that can be a lengthy amount of time. Although stretching out muscles can help filter out some of the lactic acid, it won’t increase the muscle capacity.

3. It is a temporary process for many forms of life.
Although anaerobic respiration is a bit of evolution that may trace back as far as 3.5 billion years, the fact remains that for most forms of life, it is a temporary solution to a lack of oxygen problem. Some living microbes, such as yeast, thrive in oxygen-free environments because they are naturally geared toward the anaerobic process. For humans, without oxygen, eventually the body shuts down. It means this form of respiration is a temporary process that can only provide a limited benefit.

4. It does not provide endurance energy.
Anaerobic energy might be excellent for the fight or flight response, but it doesn’t have the power to endure. Once muscle groups reach their threshold of lactic acid, they stop functioning. That’s the feeling of fatigue that sets in rapidly. Even in well conditioned athletes, the maximum level of energy output from anaerobic respiration that can be produced is about 4 minutes worth of maximum effort.

5. Metabolism rates increase for calorie burning, but not for fat burning.
The problem with anaerobic respiration is where it tends to originate: within the body’s muscle fibers. The cells of the muscle are stimulated by this form of respiration, but it also requires energy for it to happen. This often results in muscle tissues being consumed by the body instead of fat tissues. There is no guarantee that the targeted muscle groups are going to see the consumption either, which means the toning process can become inconsistent without aerobic respiration added from time to time.

6. Working to muscle fatigue increases the chances of an injury.
Even with proper stretching and conditioning, working until the muscles refuse to contract creates more risk for strains, sprains, and tears to occur. People are often encouraged to push out “one more rep” to increase their threshold levels, but that extra rep might take the muscles beyond their capacity. Only listen to your body and you’ll be able to avoid this disadvantage.

The pros and cons of anaerobic respiration show that it is an essential component of life. 3.5 billion years of potential evolution have created a system where a person can max out their energy output for up to 4 minutes. It takes time to develop threshold levels, so be sure to include weight training with running or other forms of aerobic exercise for a maximum level of benefit.


Lesson 4.4 - Anaerobic Pathways: Life Without Oxygen Flashcards Preview

Define Alcohol Fermentation

A process in which pyruvate is decarboxylated, producing a molecule of CO2, ethanol, and an NAD + .

What is a process in which pyruvate is decarboxylated, producing a molecule of CO2, ethanol, and an NAD +​ known as?

Define Lactate Fermentation

A process in which pyruvate reacts with NADH and is converted directly into lactate and regenerates NAD + .

What is a process in which pyruvate reacts with NADH and is converted directly into lactate and regenerates NAD + known as?

Fermentation pathways enable organisms to use _____ as a source of ATP, without an _____ transport chain.

Fermentation pathways enable organisms to use glucólisis as a source of ATP, without an electrón transport chain.

Alcohol fermentation is performed by _____ and has significant commercial value.

Alcohol fermentation is performed by levadura and has significant commercial value.

Lactate fermentation in muscles provides a supplementary source of _____ when energy demands are very high.

Lactate fermentation in muscles provides a supplementary source of ATP when energy demands are very high.

_____ respiration uses inorganic substances other than O2 as terminal electron acceptors in an electron transport chain.

Anaerobic respiration uses inorganic substances other than O2 as terminal electron acceptors in an electron transport chain.

Compare aerobic respiration and fermentation in terms of the amount of ATP that can be generated from a single glucose molecule.

Aerobic respiration and fermentation can generate quite different numbers of molecules of ATP from a single glucose molecule. Cells that rely on fermentation to generate ATP using only glycolysis generate 2 ATP per molecule of glucose. Conversely aerobic respiration uses an electron transport chain and produces approximately 36–38 ATP per molecule of glucose.

Why do cells rely on fermentation rather than glycolysis alone?

If cells relied on glycolysis alone, they would quickly run out of NAD+, a necessary reactant in glycolysis. They rely on fermentation to regenerate the NAD+.

Explain the anaerobic pathway that is used to create a loaf of bread. How does this pathway work?

The alcoholic fermentation pathway is used by bakers to create a loaf of leavened bread. Yeast is mixed with a small amount of sugar and is blended into dough, where oxygen levels are low. As the yeast cells convert the sugar into ethanol and CO2, the gaseous CO2 expands and creates gas bubbles that cause the dough to rise. In the oven, thermal energy evaporates the alcohol and causes further expansion of the bubbles, producing leavened bread.

Do our muscle cells produce alcohol? Given that alcohol and lactate fermentation both yield two ATP molecules for every glucose molecule, do you think it would make any difference which pathway was used? Explicar.

No, our muscle cells do not produce alcohol instead they undergo lactate fermentation under anaerobic conditions. Even though they produce the same number of ATP per molecule of glucose, alcohol is toxic. Producing it in large amounts during strenuous exercise would cause a variety of problems for the cell and for the organism as a whole.

Using what you know about lactic acid fermentation, explain why a person could not perform sternuous exercise indefinitely.

Muscle tissue has a lactate threshold, which is the point of lactic acid buildup at which the acid cannot be carried away from muscle tissue as quickly as it is produced. After reaching this threshold, muscle damage would result and a person would eventually be unable to continue exercising.


Ver el vídeo: Respiración Anaerobica (Enero 2022).