Wszystkie żywe istoty muszą mieć stałe źródła energii, aby nadal wykonywać nawet najbardziej podstawowe funkcje życiowe. Niezależnie od tego, czy energia ta pochodzi bezpośrednio od słońca poprzez fotosyntezę, czy też poprzez jedzenie roślin lub zwierząt, energia musi zostać zużyta, a następnie zamieniona w użyteczną formę, taką jak trifosforan adenozyny (ATP).
Wiele mechanizmów może przekształcić oryginalne źródło energii w ATP. Najbardziej efektywny sposób to koniec oddychanie aerobowe, co wymaga tlen. Ta metoda daje najwięcej ATP na wkład energii. Jeśli jednak tlen nie jest dostępny, organizm nadal musi przetwarzać energię za pomocą innych środków. Takie procesy, które zachodzą bez tlenu, nazywane są beztlenowymi. Fermentacja jest powszechnym sposobem, w jaki żywe stworzenia wytwarzają ATP bez tlenu. Czy to sprawia, że fermentacja jest tym samym, co oddychanie beztlenowe?
Krótka odpowiedź brzmi: nie. Mimo że mają podobne części i żaden z nich nie wykorzystuje tlenu, istnieją różnice między fermentacją a oddychaniem beztlenowym. W rzeczywistości oddychanie beztlenowe bardziej przypomina oddychanie tlenowe niż fermentację.
Fermentacja
Większość zajęć przyrodniczych omawia fermentacja tylko jako alternatywa dla oddychania tlenowego. Oddychanie tlenowe rozpoczyna się od procesu zwanego glikoliza, w której węglowodany, takie jak glukoza, ulegają rozpadowi i po utracie niektórych elektronów tworzą cząsteczkę zwaną pirogronianem. Jeśli istnieje wystarczająca podaż tlenu, a czasem inne typy akceptorów elektronów, pirogronian przenosi się do następnej części oddychania tlenowego. Proces glikolizy daje zysk netto 2 ATP.
Fermentacja jest zasadniczo tym samym procesem. Węglowodany są rozkładane, ale zamiast pirogronianu produkt końcowy jest inną cząsteczką w zależności od rodzaju fermentacji. Fermentację najczęściej wywołuje brak wystarczającej ilości tlenu, aby kontynuować prowadzenie tlenowego łańcucha oddechowego. Ludzie przechodzą fermentację kwasu mlekowego. Zamiast wykańczania pirogronianem powstaje kwas mlekowy.
Inne organizmy mogą ulec fermentacji alkoholowej, w wyniku czego nie powstaje ani pirogronian, ani kwas mlekowy. W takim przypadku organizm wytwarza alkohol etylowy. Inne rodzaje fermentacji są mniej powszechne, ale wszystkie dają różne produkty w zależności od organizmu poddawanego fermentacji. Ponieważ fermentacja nie wykorzystuje łańcucha transportu elektronów, nie jest uważana za rodzaj oddychania.
Oddychanie beztlenowe
Chociaż fermentacja przebiega bez tlenu, to nie jest to samo, co oddychanie beztlenowe. Oddychanie beztlenowe zaczyna się tak samo, jak oddychanie tlenowe i fermentacja. Pierwszym krokiem jest nadal glikoliza i nadal tworzy 2 ATP z jednej cząsteczki węglowodanu. Jednak zamiast zakończyć się glikolizą, podobnie jak fermentacja, oddychanie beztlenowe tworzy pirogronian, a następnie kontynuuje tę samą ścieżkę, co oddychanie tlenowe.
Po wytworzeniu cząsteczki zwanej acetylokoenzymem A przechodzi do cyklu kwasu cytrynowego. Powstaje więcej nośników elektronów, a potem wszystko trafia do łańcucha transportu elektronów. Nośniki elektronów odkładają elektrony na początku łańcucha, a następnie, w procesie zwanym chemiosmozą, wytwarzają wiele ATP. Aby łańcuch transportu elektronów mógł dalej działać, musi istnieć końcowy akceptor elektronów. Jeśli akceptorem jest tlen, proces ten uważa się za oddychanie tlenowe. Jednak niektóre rodzaje organizmów, w tym wiele rodzajów bakterii i innych mikroorganizmów, mogą wykorzystywać różne końcowe akceptory elektronów. Należą do nich jony azotanowe, jony siarczanowe, a nawet dwutlenek węgla.
Naukowcy uważają, że fermentacja i oddychanie beztlenowe są starszymi procesami niż oddychanie tlenowe. Brak tlenu we wczesnej atmosferze ziemskiej uniemożliwił oddychanie tlenowe. Przez ewolucja, eukarionty nabył umiejętność wykorzystania „odpadów” tlenowych z fotosyntezy do stworzenia oddychania tlenowego.