Εναλλακτική λύση στην κυτταρική αναπνοή

Η παραγωγή ενέργειας από οργανικές ενώσεις, όπως η γλυκόζη, με οξείδωση χρησιμοποιώντας χημικές (συνήθως οργανικές) ενώσεις από ένα κύτταρο ως "δέκτες ηλεκτρονίων" ονομάζεται ζύμωση.

Αυτή είναι μια εναλλακτική λύση για την κυτταρική αναπνοή στην οποία ηλεκτρόνια από γλυκόζη και άλλες ενώσεις που οξειδώνονται μεταφέρονται σε έναν δέκτη που φέρεται έξω από το κύτταρο, συνήθως οξυγόνο. Αυτή είναι μια εναλλακτική λύση για την κυτταρική αναπνοή (χωρίς οξυγόνο, δεν μπορεί να συμβεί κυτταρική αναπνοή).

Ενώ η ζύμωση μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό αναερόβιες συνθήκες (έλλειψη οξυγόνου), μπορεί να συμβεί και όταν υπάρχει άφθονο οξυγόνο.

Η μαγιά, για παράδειγμα, προτιμά τη ζύμωση από την κυτταρική αναπνοή εάν υπάρχει αρκετή γλυκόζη για να υποστηρίξει τη διαδικασία, ακόμη και αν υπάρχει αρκετό οξυγόνο.

Όταν η πλούσια σε ενέργεια ζάχαρη - συγκεκριμένα η γλυκόζη - εισέρχεται σε ένα κύτταρο, διασπάται σε μια διαδικασία που ονομάζεται γλυκόλυση.

Είναι μια κοινή οδός για την κατανομή της ζάχαρης, η οποία μπορεί να οδηγήσει είτε σε ζύμωση είτε κυτταρική αναπνοή.

Η γλυκόλυση είναι μια αρχαία βιοχημική διεργασία, που εμφανίστηκε πολύ νωρίς στην εξελικτική ιστορία. Οι βασικές αντιδράσεις για τη γλυκόλυση «εφευρέθηκαν» από μικροοργανισμούς πολύ πριν εξελιχθεί η φωτοσύνθεση, η οποία εμφανίστηκε περίπου 3,5 πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, αλλά το οποίο θα απαιτούσε περίπου 1,5 δισεκατομμύριο χρόνια για να γεμίσει τις θάλασσες και την ατμόσφαιρα με οποιοδήποτε σημαντικό ποσό οξυγόνο.

Έτσι, ακόμη και σύνθετα ευκαρυωτικά (το βιολογικό πεδίο που περιλαμβάνει το ζώο, τα φυτά, τους μύκητες και τα βασίλεια των πρωταγωνιστών) είναι ικανά να παράγουν ενέργεια χωρίς αναπνοή, χωρίς οξυγόνο κ.λπ. Στη ζύμη, που ανήκει στο βασίλειο των μυκήτων, τα χημικά προϊόντα της γλυκόλυσης ζυμώνονται για να παράγουν ενέργεια για το κύτταρο.

Στο τέλος της γλυκόλυσης, η δομή έξι-άνθρακα της γλυκόζης θα χωριστεί σε δύο μόρια της ένωσης τριών-άνθρακα που ονομάζεται πυροσταφυλικό. Παράγεται επίσης η χημική ουσία NADH, από μια πιο «οξειδωμένη» χημική ουσία που ονομάζεται NAD +.

Στη ζύμη, το πυροσταφυλικό υφίσταται «αναγωγή», η απόκτηση ηλεκτρονίων, τα οποία στη συνέχεια μεταφέρονται από το NADH που παρήχθη νωρίτερα σε γλυκόλυση για να αποδώσουν ακεταλδεΰδη και διοξείδιο του άνθρακα.

Στη συνέχεια, η ακεταλδεΰδη ανάγεται περαιτέρω σε αιθυλική αλκοόλη, το τελικό προϊόν της ζύμωσης. Σε ζώα, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, το πυροσταφυλικό μπορεί να υποστεί ζύμωση όταν η διαθεσιμότητα οξυγόνου είναι χαμηλή. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα στα μυϊκά κύτταρα. Όταν συμβαίνει αυτό, παρόλο που παράγονται μικρές ποσότητες αλκοόλ, το μεγαλύτερο μέρος του πυροσταφυλικού από τη γλυκόλυση μειώνεται όχι σε αλκοόλ, αλλά μάλλον σε γαλακτικό οξύ.

Ενώ το γαλακτικό οξύ μπορεί να αφήσει ζωικά κύτταρα και να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας στην καρδιά, μπορεί να συσσωρευτεί μέσα στους μύες, προκαλώντας πόνο και μειωμένη αθλητική απόδοση. Αυτό είναι το «κάψιμο» που αισθάνεστε μετά την άρση βαρών, το τρέξιμο για μεγάλο χρονικό διάστημα, το σπριντ, την ανύψωση βαρέων κουτιών κ.λπ.

Ο γενικός φορέας ενέργειας στα κύτταρα είναι μια χημική ουσία γνωστή ως ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Εάν χρησιμοποιούν οξυγόνο, τα κύτταρα μπορούν να παράγουν ΑΤΡ μέσω γλυκόλυσης ακολουθούμενη από κυτταρική αναπνοή - έτσι ώστε ένα μόριο σακχάρου γλυκόζης να αποδίδει 36-38 μόρια ΑΤΡ, ανάλογα με τον τύπο των κυττάρων.

Από αυτά τα 36-38 μόρια ΑΤΡ, μόνο δύο παράγονται κατά τη φάση της γλυκόλυσης. Έτσι, εάν χρησιμοποιούν τη ζύμωση ως εναλλακτική λύση για την κυτταρική αναπνοή, τα κύτταρα παράγουν πολύ λιγότερη ενέργεια από ότι χρησιμοποιούν την αναπνοή. Ωστόσο, σε χαμηλό οξυγόνο ή αναερόβιες συνθήκες, η ζύμωση μπορεί να κρατήσει έναν οργανισμό ζωντανό και να επιβιώνει αφού διαφορετικά δεν θα είχαν αναπνοή χωρίς οξυγόνο.

Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν τη διαδικασία ζύμωσης για δικό μας όφελος, ειδικά όταν πρόκειται για φαγητό και ποτό. Η παρασκευή ψωμιού, η μπύρα και το κρασί, τα τουρσιά, το γιαούρτι και το kombucha χρησιμοποιούν όλα διαδικασία ζύμωσης.