Aerobe versus Anaërobe processen

Alle levende wezens hebben een voortdurende toevoer van energie nodig om hun cellen normaal te laten functioneren en gezond te blijven. Sommige organismen, autotrofen genaamd, kunnen hun eigen energie produceren met behulp van zonlicht of andere energiebronnen door processen zoals fotosynthese. Anderen, zoals mensen, moeten voedsel eten om energie te produceren.

Dat is echter niet het soort energie dat cellen gebruiken om te functioneren. In plaats daarvan gebruiken ze een molecule genaamd adenosinetrifosfaat (ATP) om zichzelf in stand te houden. De cellen moeten daarom een ​​manier hebben om de chemische energie opgeslagen in voedsel op te nemen en om te zetten in de ATP die ze nodig hebben om te functioneren. De procescellen die deze verandering ondergaan, worden cellulaire ademhaling genoemd.

Twee soorten cellulaire processen

Cellulaire ademhaling kan aëroob zijn (wat betekent "met zuurstof") of anaëroob ("zonder zuurstof"). Welke route de cellen nemen om de ATP te maken, hangt uitsluitend af van het feit of er voldoende zuurstof aanwezig is om aerobe ademhaling te ondergaan. Als er onvoldoende zuurstof aanwezig is voor aërobe ademhaling, zullen sommige organismen hun toevlucht nemen tot anaërobe ademhaling of andere anaërobe processen zoals fermentatie.

Aerobe ademhaling

Om de hoeveelheid ATP te maximaliseren die tijdens het proces van cellulaire ademhaling wordt gemaakt, moet zuurstof aanwezig zijn. Naarmate eukaryotische soorten zich in de loop van de tijd ontwikkelden, werden ze complexer met meer organen en lichaamsdelen. Het werd noodzakelijk dat cellen zoveel mogelijk ATP konden maken om deze nieuwe aanpassingen goed te laten werken.

De atmosfeer van de vroege aarde had heel weinig zuurstof. Pas nadat autotrofen overvloedig werden en grote hoeveelheden zuurstof vrijmaakten als bijproduct van de fotosynthese, kon aerobe ademhaling evolueren. Dankzij de zuurstof kon elke cel vele malen meer ATP produceren dan hun oude voorouders die afhankelijk waren van anaërobe ademhaling. Dit proces gebeurt in het celorganel dat de mitochondria wordt genoemd.

Anaërobe processen

Meer primitief zijn de processen die veel organismen ondergaan wanneer er onvoldoende zuurstof aanwezig is. De meest bekende anaërobe processen staan ​​bekend als fermentatie. De meeste anaërobe processen beginnen op dezelfde manier als aërobe ademhaling, maar ze stoppen halverwege het pad omdat de zuurstof niet beschikbaar is om het aërobe ademhalingsproces te voltooien, of ze komen samen met een ander molecuul dat geen zuurstof is als de uiteindelijke elektronenacceptor. Fermentatie maakt veel minder ATP en geeft in de meeste gevallen ook bijproducten van melkzuur of alcohol vrij. Anaërobe processen kunnen plaatsvinden in de mitochondriën of in het cytoplasma van de cel.

Melkzuurfermentatie is het type anaerobe proces dat mensen ondergaan als er een tekort aan zuurstof is. Langeafstandslopers ervaren bijvoorbeeld een opeenhoping van melkzuur in hun spieren omdat ze onvoldoende zuurstof opnemen om de vraag naar energie bij te houden die nodig is voor de oefening. Het melkzuur kan na verloop van tijd zelfs kramp en pijn in de spieren veroorzaken.

Alcoholische gisting gebeurt niet bij mensen. Gist is een goed voorbeeld van een organisme dat alcoholische gisting ondergaat. Hetzelfde proces dat plaatsvindt in de mitochondriën tijdens melkzuurfermentatie gebeurt ook bij alcoholische fermentatie. Het enige verschil is dat het bijproduct van alcoholische gisting ethylalcohol is.

Alcoholische gisting is belangrijk voor de bierindustrie. Biermakers voegen gist toe die alcoholische gisting ondergaat om alcohol aan het brouwsel toe te voegen. Wijngisting is ook vergelijkbaar en levert de alcohol voor de wijn.

Wat is beter?

Aërobe ademhaling is veel efficiënter in het maken van ATP dan anaërobe processen zoals fermentatie. Zonder zuurstof worden de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen in cellulaire ademhaling ondersteund en werken niet meer. Dit dwingt de cel om de veel minder efficiënte gisting te ondergaan. Hoewel aerobe ademhaling tot 36 ATP kan produceren, kunnen de verschillende soorten gisting slechts een netto winst van 2 ATP hebben.

Evolutie en ademhaling

Men denkt dat het oudste type ademhaling anaëroob is. Omdat er weinig tot geen zuurstof aanwezig was toen de eerste eukaryotische cellen evolueerden via endosymbiose, konden ze alleen anaërobe ademhaling of iets vergelijkbaar met gisting ondergaan. Dit was echter geen probleem, aangezien die eerste cellen eencellig waren. Het produceren van slechts 2 ATP per keer was voldoende om de enkele cel te laten werken.

Toen meercellige eukaryote organismen op aarde begonnen te verschijnen, moesten de grotere en complexere organismen meer energie produceren. Door natuurlijke selectie overleefden organismen met meer mitochondriën die aërobe ademhaling konden ondergaan, zich voort en gaven deze gunstige aanpassingen door aan hun nakomelingen. De meer oude versies konden de vraag naar ATP in het complexere organisme niet langer bijhouden en gingen uit.