Zawartość
Oddychanie tlenowe, oddychanie beztlenowe i fermentacja to metody wytwarzania energii przez żywe komórki ze źródeł pożywienia. Podczas gdy wszystkie organizmy żywe wykonują jeden lub więcej z tych procesów w celu produkcji energii, tylko wybrana grupa organizmów jest w stanie wytwarzać żywność poprzez fotosyntezę ze światła słonecznego. Jednak nawet w tych organizmach wyprodukowana żywność jest przekształcana w energię komórkową poprzez oddychanie komórkowe. Charakterystyczną cechą oddychania tlenowego drogą fermentacji jest warunek wstępny dla tlenu i znacznie wyższej wydajności energetycznej na cząsteczkę glukozy. Fermentacja i oddychanie beztlenowe współdzielą brak tlenu, ale oddychanie beztlenowe wykorzystuje łańcuch transportu elektronów do produkcji energii, podobnie jak oddychanie tlenowe, podczas gdy fermentacja po prostu dostarcza cząsteczek niezbędnych do ciągłej glikolizy, bez jakiejkolwiek produkcji energii. dodatkowy.
Glikoliza
Glikoliza to uniwersalny szlak inicjowany w cytoplazmie komórek w celu rozbicia glukozy na energię chemiczną. Energia uwolniona z każdej cząsteczki glukozy jest wykorzystywana do połączenia fosforanu z każdą z czterech cząsteczek difosforanu adenozyny (ADP) w celu wytworzenia dwóch cząsteczek trifosforanu adenozyny (ATP) i dodatkowej cząsteczki NADH. Energia zmagazynowana w wiązaniu fosforanowym jest wykorzystywana w innych reakcjach komórkowych i często jest uważana za „walutę” energii komórki. Jednakże, ponieważ glikoliza wymaga dostarczania energii z dwóch cząsteczek ATP, wydajność netto glikolizy to tylko dwie cząsteczki ATP na cząsteczkę glukozy. Sama glukoza jest rozkładana podczas glikolizy, stając się pirogronianem. Inne źródła paliwa, takie jak tłuszcze, są metabolizowane w innych procesach, na przykład spiralny kwas tłuszczowy, w przypadku kwasów tłuszczowych, do produkcji cząsteczek paliwa, które mogą dostać się do dróg oddechowych w różnych punktach podczas oddychania.
Oddychanie aerobowe
Oddychanie tlenowe zachodzi w obecności tlenu i wytwarza większość energii dla organizmów wykonujących ten proces. W tym procesie pirogronian wytwarzany podczas glikolizy jest przekształcany w acetylo-koenzym A (acetylo-CoA) przed wejściem w cykl kwasu cytrynowego, znany również jako cykl Krebsa. Acetylo-CoA łączy się ze szczawiooctanem w celu wytworzenia kwasu cytrynowego na wczesnym etapie cyklu kwasu cytrynowego. Kolejna seria przekształca kwas cytrynowy w szczawiooctan i wytwarza energię transportu dla cząsteczek zwanych NADH i FADH2. Te cząsteczki energii są kierowane do łańcucha transportu elektronów lub fosforylacji oksydacyjnej, gdzie wytwarzają większość ATP wytwarzanego podczas tlenowego oddychania komórkowego. Dwutlenek węgla jest wytwarzany jako produkt odpadowy podczas cyklu Krebsa, podczas gdy szczawiooctan wytwarzany w jednej rundzie cyklu Krebsa jest łączony z innym acetylo-CoA, aby ponownie rozpocząć proces. W organizmach eukariotycznych, takich jak rośliny i zwierzęta, zarówno cykl Krebsa, jak i łańcuch transportu elektronów zachodzą w wyspecjalizowanej strukturze zwanej mitochondriami, podczas gdy bakterie zdolne do oddychania tlenowego prowadzą te procesy wzdłuż błony plazmatycznej, ponieważ nie mają wyspecjalizowane organelle występujące w komórkach eukariotycznych. Każdy obrót cyklu Krebsa jest zdolny do wytworzenia jednej cząsteczki trifosforanu guaniny (GTP), który łatwo przekształca się w ATP, oraz dodatkowych 17 cząsteczek ATP poprzez łańcuch transportu elektronów. Ponieważ glikoliza daje dwie cząsteczki pirogronianu do wykorzystania w cyklu Krebsa, całkowita wydajność oddychania tlenowego wynosi 36 ATP na cząsteczkę glukozy, oprócz dwóch ATP wytwarzanych podczas glikolizy. Akceptorem terminalnym dla elektronów w łańcuchu transportu elektronów jest tlen.
Fermentacja
Nie należy mylić z oddychaniem beztlenowym, fermentacja zachodzi pod nieobecność tlenu w cytoplazmie komórek i przekształca pirogronian w produkt odpadowy, wytwarzając energię do naładowania cząsteczek potrzebnych do kontynuowania glikolizy. Ponieważ energia jest wytwarzana tylko podczas fermentacji poprzez glikolizę, całkowita wydajność na cząsteczkę glukozy wynosi dwa ATP. Chociaż produkcja energii jest znacznie mniejsza niż oddychanie tlenowe, fermentacja umożliwia kontynuację konwersji paliwa w energię przy braku tlenu. Przykłady fermentacji obejmują fermentację kwasu mlekowego u ludzi i innych zwierząt oraz fermentację etanolu przez drożdże. Odpady są poddawane recyklingowi, gdy organizm ponownie wejdzie w stan tlenowy lub zostanie usunięty z organizmu.
Oddychanie beztlenowe
Oddychanie beztlenowe, występujące u niektórych prokariotów, wykorzystuje łańcuch transportu elektronów, podobnie jak oddychanie tlenowe, ale zamiast tlenu jako terminalnego akceptora elektronów używane są inne pierwiastki. Te alternatywne receptory obejmują azotany, siarczany, siarki, dwutlenek węgla i inne cząsteczki. Procesy te są ważnymi czynnikami przyczyniającymi się do obiegu składników odżywczych w glebie, a także umożliwiają tym organizmom kolonizację obszarów niezdatnych do zamieszkania przez inne organizmy. Organizmy te mogą być bezwzględnymi beztlenowcami, zdolnymi do przeprowadzania tych procesów tylko przy braku tlenu lub fakultatywnymi beztlenowcami, zdolnymi do wytwarzania energii w obecności lub przy braku tlenu. Oddychanie beztlenowe wytwarza mniej energii niż oddychanie tlenowe, ponieważ te alternatywne akceptory elektronów nie są tak wydajne jak tlen.
Fotosynteza
W przeciwieństwie do różnych dróg oddychania komórkowego, fotosynteza jest wykorzystywana przez rośliny, algi i niektóre bakterie do produkcji pożywienia niezbędnego do metabolizmu. W roślinach fotosynteza zachodzi w wyspecjalizowanych strukturach zwanych chloroplastami, podczas gdy bakterie fotosyntetyczne zazwyczaj przeprowadzają fotosyntezę wzdłuż błoniastych rozszerzeń błony komórkowej. Fotosyntezę można podzielić na dwa etapy: reakcje zależne od światła i reakcje niezależne od światła. Podczas reakcji zależnych od światła energia świetlna jest wykorzystywana do pobudzania elektronów usuniętych z wody i wytwarzania gradientu protonów, które z kolei wytwarzają wysokoenergetyczne cząsteczki, które napędzają niezależne reakcje świetlne. Gdy elektrony są wyciągane z cząsteczek wody, rozpadają się na tlen i protony. Protony przyczyniają się do gradientu protonów, ale uwalniany jest tlen. Podczas niezależnych reakcji świetlnych energia wytwarzana podczas reakcji świetlnych jest wykorzystywana do produkcji cząsteczek cukru z dwutlenku węgla w procesie zwanym cyklem Calvina. Cykl Calvina wytwarza jedną cząsteczkę cukru na każde sześć cząsteczek dwutlenku węgla. W połączeniu z cząsteczkami wody używanymi w reakcjach zależnych od światła, ogólny wzór fotosyntezy to 6 H2O + 6 CO2 + światło -> C6H12O6 + 6 O2.