Περιεχόμενο
Η αερόβια αναπνοή, η αναερόβια αναπνοή και η ζύμωση είναι οι μέθοδοι για τα ζωντανά κύτταρα να παράγουν ενέργεια από πηγές τροφίμων. Ενώ όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί κάνουν μία ή περισσότερες από αυτές τις διαδικασίες για παραγωγή ενέργειας, μόνο μια επιλεγμένη ομάδα οργανισμών είναι σε θέση να παράγει τροφή με φωτοσύνθεση από το ηλιακό φως. Ωστόσο, ακόμη και σε αυτούς τους οργανισμούς, η παραγόμενη τροφή μετατρέπεται σε κυτταρική ενέργεια, μέσω της κυτταρικής αναπνοής. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της αερόβιας αναπνοής μέσω των οδών ζύμωσης είναι η προϋπόθεση για το οξυγόνο και πολύ υψηλότερη απόδοση ενέργειας ανά μόριο γλυκόζης. Η ζύμωση και η αναερόβια αναπνοή μοιράζονται την απουσία οξυγόνου, αλλά η αναερόβια αναπνοή χρησιμοποιεί μια αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων για παραγωγή ενέργειας, όπως και η αερόβια αναπνοή, ενώ η ζύμωση παρέχει απλώς τα μόρια που είναι απαραίτητα για τη συνεχιζόμενη γλυκόλυση, χωρίς καμία παραγωγή ενέργειας. πρόσθετος.
Γλυκόλυση
Η γλυκόλυση είναι μια καθολική οδός που ξεκινά στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων για τη διάσπαση της γλυκόζης σε χημική ενέργεια. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από κάθε μόριο γλυκόζης χρησιμοποιείται για τη σύνδεση ενός φωσφορικού σε καθένα από τα τέσσερα μόρια διφωσφορικής αδενοσίνης (ADP) για την παραγωγή δύο μορίων τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) και ενός επιπλέον μορίου NADH. Η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στον φωσφορικό δεσμό χρησιμοποιείται σε άλλες κυτταρικές αντιδράσεις και συχνά θεωρείται ότι είναι η «νομισματική» ενέργεια του κυττάρου. Ωστόσο, δεδομένου ότι η γλυκόλυση απαιτεί την παροχή ενέργειας από δύο μόρια ΑΤΡ, η καθαρή απόδοση της γλυκόλυσης είναι μόνο δύο μόρια ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης. Η ίδια η γλυκόζη διασπάται κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης, γίνεται πυροσταφυλικό. Άλλες πηγές καυσίμου, όπως λίπη, μεταβολίζονται μέσω άλλων διεργασιών, για παράδειγμα, σπειροειδούς λιπαρού οξέος, στην περίπτωση λιπαρών οξέων, για την παραγωγή μορίων καυσίμου που μπορούν να εισέλθουν στους αεραγωγούς σε διάφορα σημεία κατά την αναπνοή.
Αεροβική αναπνοή
Η αερόβια αναπνοή συμβαίνει παρουσία οξυγόνου και παράγει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας για τους οργανισμούς που κάνουν αυτή τη διαδικασία. Σε αυτήν τη διαδικασία, το πυροσταφυλικό που παράγεται κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης μετατρέπεται σε ακετυλο-συνένζυμο Α (ακετυλο-ΟοΑ) πριν εισέλθει στον κύκλο κιτρικού οξέος, επίσης γνωστό ως κύκλος Krebs. Το ακετυλο-ΟοΑ συνδυάζεται με οξαλικό οξύ για να παράγει κιτρικό οξύ στο αρχικό στάδιο του κύκλου κιτρικού οξέος. Η επόμενη σειρά μετατρέπει το κιτρικό οξύ σε οξαλικό οξύ και παράγει ενέργεια μεταφοράς για μόρια που ονομάζονται NADH και FADH2. Αυτά τα ενεργειακά μόρια εκτρέπονται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων ή στην οξειδωτική φωσφορυλίωση, όπου παράγουν το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ που παράγεται κατά την αερόβια κυτταρική αναπνοή. Το διοξείδιο του άνθρακα παράγεται ως απόβλητο κατά τη διάρκεια του κύκλου Krebs, ενώ το οξαλικό οξύ που παράγεται από έναν γύρο του κύκλου Krebs συνδυάζεται με ένα άλλο ακετυλο-CoA για να ξεκινήσει ξανά η διαδικασία. Σε ευκαρυωτικούς οργανισμούς, όπως φυτά και ζώα, τόσο ο κύκλος Krebs όσο και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων εμφανίζονται σε μια εξειδικευμένη δομή που ονομάζεται μιτοχόνδρια, ενώ βακτήρια ικανά αερόβιας αναπνοής διεξάγουν αυτές τις διεργασίες κατά μήκος της μεμβράνης του πλάσματος, καθώς δεν έχουν εξειδικευμένα οργανίδια που βρίσκονται σε ευκαρυωτικά κύτταρα. Κάθε στροφή του κύκλου Krebs είναι ικανή να παράγει ένα μόριο τριφωσφορικής γουανίνης (GTP), το οποίο μετατρέπεται εύκολα σε ATP, και επιπλέον 17 μόρια ATP μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Δεδομένου ότι η γλυκόλυση αποδίδει δύο μόρια πυροσταφυλικού για χρήση στον κύκλο Krebs, η συνολική απόδοση για αερόβια αναπνοή είναι 36 ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης, επιπλέον των δύο ΑΤΡ που παράγονται κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης. Ο τερματικός δέκτης για ηλεκτρόνια κατά τη διάρκεια της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι οξυγόνο.
Ζύμωση
Για να μην συγχέεται με την αναερόβια αναπνοή, η ζύμωση συμβαίνει απουσία οξυγόνου στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων και μετατρέπει το πυροσταφυλικό σε απόβλητο προϊόν, παράγοντας ενέργεια για τη φόρτιση των μορίων που είναι απαραίτητα για τη συνέχιση της γλυκόλυσης. Δεδομένου ότι η ενέργεια παράγεται μόνο κατά τη ζύμωση μέσω γλυκόλυσης, η συνολική απόδοση ανά μόριο γλυκόζης είναι δύο ATP. Αν και η παραγωγή ενέργειας είναι ουσιαστικά μικρότερη από την αερόβια αναπνοή, η ζύμωση επιτρέπει τη συνέχιση της μετατροπής του καυσίμου σε ενέργεια απουσία οξυγόνου. Παραδείγματα ζύμωσης περιλαμβάνουν ζύμωση γαλακτικού οξέος, σε ανθρώπους και άλλα ζώα και ζύμωση αιθανόλης με ζύμη. Τα απόβλητα ανακυκλώνονται όταν ο οργανισμός εισέρχεται ξανά σε αερόβια κατάσταση ή απομακρύνεται από τον οργανισμό.
Αναερόβια αναπνοή
Βρίσκεται σε ορισμένα προκαρυωτικά, η αναερόβια αναπνοή χρησιμοποιεί μια αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων όπως η αερόβια αναπνοή, αλλά αντί να χρησιμοποιεί οξυγόνο ως τερματικό δέκτη ηλεκτρονίων, χρησιμοποιούνται άλλα στοιχεία. Αυτοί οι εναλλακτικοί υποδοχείς περιλαμβάνουν νιτρικά, θειικά, θείο, διοξείδιο του άνθρακα και άλλα μόρια. Αυτές οι διεργασίες είναι σημαντικοί συντελεστές στον κύκλο θρεπτικών ουσιών στα εδάφη, καθώς και επιτρέποντας σε αυτούς τους οργανισμούς να αποικίσουν περιοχές ακατοίκητες από άλλους οργανισμούς. Αυτοί οι οργανισμοί μπορεί να είναι υποχρεωτικοί αναερόβιοι, ικανοί να εκτελούν αυτές τις διεργασίες μόνο απουσία οξυγόνου, ή προαιρετικοί αναερόβιοι, ικανές να παράγουν ενέργεια παρουσία ή απουσία οξυγόνου. Η αναερόβια αναπνοή παράγει λιγότερη ενέργεια από την αερόβια αναπνοή, επειδή αυτοί οι εναλλακτικοί δέκτες ηλεκτρονίων δεν είναι τόσο αποτελεσματικοί όσο το οξυγόνο.
Φωτοσύνθεση
Σε αντίθεση με τις διάφορες κυτταρικές οδούς αναπνοής, η φωτοσύνθεση χρησιμοποιείται από φυτά, φύκια και μερικά βακτήρια για την παραγωγή της τροφής που είναι απαραίτητη για το μεταβολισμό. Στα φυτά, η φωτοσύνθεση εμφανίζεται σε εξειδικευμένες δομές που ονομάζονται χλωροπλάστες, ενώ τα φωτοσυνθετικά βακτήρια συνήθως εκτελούν φωτοσύνθεση κατά μήκος μεμβρανών επεκτάσεων της μεμβράνης πλάσματος. Η φωτοσύνθεση μπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια: αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως και αντιδράσεις ανεξάρτητες από το φως. Κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων που εξαρτώνται από το φως, η ελαφριά ενέργεια χρησιμοποιείται για την ενεργοποίηση ηλεκτρονίων που απομακρύνονται από το νερό και παράγει μια κλίση πρωτονίων, τα οποία με τη σειρά τους παράγουν μόρια υψηλής ενέργειας που τροφοδοτούν ανεξάρτητες αντιδράσεις φωτός. Καθώς τα ηλεκτρόνια εξάγονται από μόρια νερού, διασπώνται σε οξυγόνο και πρωτόνια. Τα πρωτόνια συμβάλλουν στη διαβάθμιση του πρωτονίου, αλλά απελευθερώνεται οξυγόνο. Κατά τη διάρκεια ανεξάρτητων αντιδράσεων φωτός, η ενέργεια που παράγεται κατά τις αντιδράσεις φωτός χρησιμοποιείται για την παραγωγή μορίων σακχάρου από διοξείδιο του άνθρακα μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται Calvin Cycle. Ο Κύκλος Calvin παράγει ένα μόριο ζάχαρης για κάθε έξι μόρια διοξειδίου του άνθρακα. Σε συνδυασμό με τα μόρια νερού που χρησιμοποιούνται σε αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως, ο γενικός τύπος για τη φωτοσύνθεση είναι 6 H2O + 6 CO2 + φως -> C6H12O6 + 6 O2.