Kõik elusolendid vajavad pidevat energiavarustust, et hoida oma rakud normaalsena ja tervetena. Mõned organismid, mida nimetatakse autotroofideks, saavad oma energia toota päikesevalgust või muid energiaallikaid kasutades selliste protsesside abil nagufotosüntees. Teised, nagu inimesed, peavad energia tootmiseks sööma toitu.
Kuid see pole seda tüüpi energiarakke, mida funktsioneerimiseks kasutatakse. Enese jätkamiseks kasutavad nad molekuli, mida nimetatakse adenosiintrifosfaadiks (ATP). Rakkudel peab seetõttu olema viis, kuidas võtta toidus talletatud keemiline energia ja muuta see toimimiseks vajalikuks ATP-ks. Protsessirakud, mis selle muutuse läbi viivad, nimetatakse rakuhingamiseks.
Kaks tüüpi rakulisi protsesse
Rakuline hingamine võib olla aeroobne (tähendab "hapnikuga") või anaeroobne ("hapnikuvaba"). Milline marsruut rakud ATP loomiseks kulub, sõltub ainult sellest, kas aeroobse hingamise jaoks on hapnikku piisavalt või mitte. Kui aeroobseks hingamiseks pole hapnikku piisavalt, kasutavad mõned organismid anaeroobset hingamist või muid anaeroobseid protsesse, näiteks
käärimine.Aeroobne hingamine
Rakkude hingamise käigus tehtud ATP koguse maksimeerimiseks peab hapnik olema. Kuna eukarüootsed liigid aja jooksul arenesid, muutusid nad keerukamaks rohkemate elundite ja kehaosadega. Lahtriteks osutus vajalikuks, et need uued kohandused töötaks korralikult, nii palju kui võimalik ATP-d luua.
Maa varase atmosfääri hapnikku oli väga vähe. Alles pärast seda, kui autotroofid muutusid arvukalt ja vabastati suureks hapniku kogused kui fotosünteesi kõrvalsaadus, võib aeroobne hingamine areneda. Hapnik võimaldas igal rakul toota mitu korda rohkem ATP-d kui nende iidsed esivanemad, kes tuginesid anaeroobsele hingamisele. See protsess toimub raku organellides, mida nimetatakse mitokondrid.
Anaeroobsed protsessid
Primitiivsemad on protsessid, mille paljud organismid läbivad, kui hapnikku pole piisavalt. Enim tuntud anaeroobseid protsesse nimetatakse käärimiseks. Enamik anaeroobseid protsesse algab samal viisil kui aeroobne hingamine, kuid need peatuvad raja osaliselt, kuna hapnik ei ole aeroobse hingamise protsessi lõpuleviimiseks või liituvad nad teise molekuliga, mis ei ole lõpliku elektronina hapnik aktsepteerija. Kääritamine muudab ATP palju vähem ja eraldab enamasti piimhappe või alkoholi kõrvalsaadusi. Anaeroobsed protsessid võivad toimuda raku mitokondrites või tsütoplasmas.
Piimhappe kääritamine on anaeroobse protsessi tüüp, mis inimestel hapniku puuduse korral toimub. Näiteks pikamaajooksjad kogevad lihastes piimhappe kogunemist, kuna nad ei võta piisavalt hapnikku, et sammu pidada treenimiseks vajaliku energiavajadusega. Piimhape võib aja möödudes põhjustada lihastes isegi krampimist ja valulikkust.
Alkohoolset kääritamist inimestel ei toimu. Pärm on hea näide organismist, mis läbib alkohoolset kääritamist. Sama protsess, mis toimub piimhappe kääritamisel mitokondrites, toimub ka alkoholkäärimisel. Ainus erinevus on see, et alkohoolse kääritamise kõrvalsaadus on etüülalkohol.
Alkoholiline kääritamine on õlletööstuse jaoks oluline. Õlletootjad lisavad pärmi, mis alkoholi kääritamisel alkoholi lisamiseks keetmisele toimub. Ka veini kääritamine on sarnane ja annab veinile alkoholi.
Mis on parem?
Aeroobne hingamine on ATP valmistamiseks palju tõhusam kui anaeroobsed protsessid, näiteks kääritamine. Ilma hapnikuta Krebsi tsükkel ja Elektronide transpordiahel rakuhingamisel varundada ja ei tööta enam. See sunnib rakku läbima palju vähem tõhusa kääritamise. Kui aeroobne hingamine võib tekitada kuni 36 ATP, siis erinevat tüüpi kääritamise puhasvõimsus on ainult 2 ATP.
Evolutsioon ja hingamine
Arvatakse, et kõige iidsem hingamisviis on anaeroobne. Kuna esimesel oli hapnikku vähe või üldse mitte eukarüootsed rakud arenenud läbi endosümbioos, võivad nad läbida ainult anaeroobset hingamist või midagi sarnast kääritamisega. See ei olnud siiski probleem, kuna need esimesed rakud olid üherakulised. Ainult 2 ATP tootmiseks korraga piisas ühe raku töös hoidmiseks.
Kuna Maale hakkasid ilmnema mitmerakulised eukarüootsed organismid, olid suurema energia saamiseks vajalikud suuremad ja keerukamad organismid. Läbi looduslik valik, ellukutsusid ja paljunesid organismid, kus oli rohkem mitokondreid, kes võisid aeroobset hingamist läbi viia, kandes need järglased edasi nende soodsate kohandustega. Muistsemad versioonid ei suutnud enam sammu pidada keerukama organismi nõudlusega ATP järele ja läksid väljasuremiseks.