Зміст
Аеробне дихання, анаеробне дихання та бродіння - це способи отримання живими клітинами енергії з джерел їжі. Хоча всі живі організми виконують один або кілька з цих процесів для виробництва енергії, лише вибрана група організмів здатна виробляти їжу шляхом фотосинтезу із сонячного світла. Однак навіть у цих організмах вироблена їжа перетворюється на клітинну енергію за допомогою клітинного дихання. Відмінною особливістю аеробного дихання шляхом ферментації є передумова кисню та набагато більший вихід енергії на молекулу глюкози. Ферментація та анаеробне дихання поділяють відсутність кисню, але анаеробне дихання використовує електронний транспортний ланцюг для виробництва енергії, як і аеробне дихання, тоді як бродіння просто забезпечує молекули, необхідні для подальшого гліколізу, без будь-якого виробництва енергії. додаткові.
Гліколіз
Гліколіз - це універсальний шлях, розпочатий у цитоплазмі клітин для розщеплення глюкози до хімічної енергії. Енергія, що виділяється з кожної молекули глюкози, використовується для з'єднання фосфату з кожною з чотирьох молекул аденозиндифосфату (АДФ) для отримання двох молекул аденозинтрифосфату (АТФ) і додаткової молекули НАДН. Енергія, що зберігається у фосфатному зв’язку, використовується в інших клітинних реакціях і часто вважається енергією клітини «валютою». Однак, оскільки гліколіз вимагає надходження енергії з двох молекул АТФ, то чистий вихід гліколізу становить лише дві молекули АТФ на молекулу глюкози. Сама глюкоза під час гліколізу розщеплюється, стаючи піруватом. Інші джерела палива, такі як жири, метаболізуються за допомогою інших процесів, наприклад, спіральна жирна кислота, у разі жирних кислот, з утворенням молекул палива, які можуть потрапляти в дихальні шляхи в різні точки під час дихання.
Аеробне дихання
Аеробне дихання відбувається в присутності кисню і виробляє більшу частину енергії для організмів, які роблять цей процес. У цьому процесі піруват, що утворюється під час гліколізу, перетворюється в ацетил-кофермент А (ацетил-КоА) перед входом у цикл лимонної кислоти, також відомий як цикл Кребса. Ацетил-КоА поєднується з оксалацетатом для отримання лимонної кислоти на ранній стадії циклу лимонної кислоти. Подальші серії перетворюють лимонну кислоту в оксалацетат і виробляють транспортну енергію для молекул, що називаються NADH і FADH2. Ці молекули енергії перенаправляються в електронний транспортний ланцюг, або окисне фосфорилювання, де вони виробляють більшу частину АТФ, що утворюється під час аеробного клітинного дихання. Діоксид вуглецю утворюється як відхідний продукт під час циклу Кребса, тоді як оксалацетат, вироблений одним циклом циклу Кребса, поєднується з іншим ацетил-КоА, щоб знову розпочати процес. У еукаріотичних організмів, таких як рослини і тварини, цикл Кребса і ланцюг транспорту електронів відбуваються у спеціалізованій структурі, яка називається мітохондріями, тоді як бактерії, здатні до аеробного дихання, проводять ці процеси вздовж плазматичної мембрани, оскільки вони не мають спеціалізовані органели, виявлені в еукаріотичних клітинах. Кожен поворот циклу Кребса здатний продукувати одну молекулу гуанінтрифосфату (ГТФ), який легко перетворюється в АТФ, і додаткові 17 молекул АТФ через електронно-транспортний ланцюг. Оскільки гліколіз дає дві молекули пірувату для використання в циклі Кребса, загальний вихід для аеробного дихання становить 36 АТФ на молекулу глюкози, на додаток до двох АТФ, що утворюються під час гліколізу. Кінцевим акцептором електронів під час ланцюга транспорту електронів є кисень.
Бродіння
Щоб не плутати з анаеробним диханням, ферментація відбувається за відсутності кисню в цитоплазмі клітин і перетворює піруват у відхідний продукт, виробляючи енергію для заряду молекул, необхідних для продовження гліколізу. Оскільки енергія виробляється лише під час бродіння за допомогою гліколізу, загальний вихід на молекулу глюкози становить два АТФ. Хоча виробництво енергії значно менше, ніж аеробне дихання, бродіння дозволяє перетворенню палива в енергію продовжуватись за відсутності кисню. Приклади бродіння включають бродіння молочної кислоти у людей та інших тварин та бродіння етанолу дріжджами. Відходи переробляються, коли організм знову переходить в аеробний стан або виводиться з організму.
Анаеробне дихання
Знайдене у деяких прокаріотів, анаеробне дихання використовує електронно-транспортний ланцюг так само, як аеробне дихання, але замість використання кисню як кінцевого акцептора електронів використовуються інші елементи. Ці альтернативні рецептори включають нітрат, сульфат, сірку, діоксид вуглецю та інші молекули. Ці процеси мають важливий внесок у кругообіг поживних речовин у ґрунтах, а також дозволяють цим організмам колонізувати території, непридатні для проживання іншими організмами. Ці організми можуть бути обов'язковими анаеробами, здатними здійснювати ці процеси лише за відсутності кисню, або факультативними анаеробами, здатними виробляти енергію в присутності або відсутності кисню. Анаеробне дихання виробляє менше енергії, ніж аеробне, оскільки ці альтернативні електроноакцептори не настільки ефективні, як кисень.
Фотосинтез
На відміну від різних клітинних шляхів дихання, фотосинтез використовується рослинами, водоростями та деякими бактеріями для виробництва їжі, необхідної для метаболізму. У рослин фотосинтез відбувається в спеціалізованих структурах, які називаються хлоропластами, тоді як фотосинтезуючі бактерії зазвичай здійснюють фотосинтез уздовж перетинчастих розширень плазматичної мембрани. Фотосинтез можна розділити на два етапи: світлозалежні реакції та світлонезалежні реакції. Під час реакцій, що залежать від світла, світлова енергія використовується для активізації електронів, вилучених з води, і утворення градієнта протонів, які, в свою чергу, виробляють високоенергетичні молекули, що підживлюють незалежні світлові реакції. Коли електрони витягуються з молекул води, вони розщеплюються на кисень і протони. Протони сприяють градієнту протонів, але кисень виділяється. Під час незалежних світлових реакцій енергія, що виробляється під час світлових реакцій, використовується для отримання молекул цукру з вуглекислого газу через процес, який називається циклом Кальвіна. Цикл Кальвіна виробляє одну молекулу цукру на кожні шість молекул вуглекислого газу. У поєднанні з молекулами води, що використовуються в залежних від світла реакціях, загальною формулою для фотосинтезу є 6 H2O + 6 CO2 + світло -> C6H12O6 + 6 O2.