Съдържание
Аеробното дишане, анаеробното дишане и ферментацията са методите за живите клетки да произвеждат енергия от хранителни източници. Докато всички живи организми правят един или повече от тези процеси за производство на енергия, само избрана група организми е в състояние да произвежда храна чрез фотосинтеза от слънчева светлина. Въпреки това, дори в тези организми, произведената храна се превръща в клетъчна енергия, чрез клетъчно дишане. Отличителна черта на аеробното дишане чрез ферментационни пътища е предпоставката за кислород и много по-висок енергиен добив на молекула глюкоза. Ферментацията и анаеробното дишане споделят липсата на кислород, но анаеробното дишане използва електронна транспортна верига за производство на енергия, точно както аеробното дишане, докато ферментацията просто осигурява молекулите, необходими за продължителна гликолиза, без никакво производство на енергия. допълнителен.
Гликолиза
Гликолизата е универсален път, иницииран в цитоплазмата на клетките за разграждане на глюкозата до химическа енергия. Енергията, освободена от всяка молекула глюкоза, се използва за свързване на фосфат към всяка от четирите молекули аденозин дифосфат (ADP), за да се получат две молекули аденозин трифосфат (ATP) и допълнителна молекула NADH. Енергията, съхранявана във фосфатната връзка, се използва в други клетъчни реакции и често се счита за "валутна" енергия на клетката. Тъй като обаче гликолизата изисква снабдяване с енергия от две молекули АТФ, нетният добив на гликолиза е само две молекули АТФ на молекула глюкоза. Самата глюкоза се разгражда по време на гликолизата, превръщайки се в пируват. Други източници на гориво, като мазнини, се метаболизират чрез други процеси, например спиралната мастна киселина, в случай на мастни киселини, за да се получат горивни молекули, които могат да проникнат в дихателните пътища в различни точки по време на дишането.
Аеробно дишане
Аеробното дишане се случва в присъствието на кислород и произвежда по-голямата част от енергията за организмите, които извършват този процес. В този процес, пируватът, получен по време на гликолиза, се превръща в ацетил-коензим А (ацетил-КоА), преди да влезе в цикъла на лимонената киселина, известен също като цикъл на Кребс. Ацетил-КоА се комбинира с оксалацетат, за да се получи лимонена киселина в ранния етап на цикъла на лимонената киселина. Следващата серия превръща лимонената киселина в оксалацетат и произвежда транспортна енергия за молекули, наречени NADH и FADH2. Тези енергийни молекули се пренасочват към електронната транспортна верига или окислително фосфорилиране, където те произвеждат по-голямата част от АТФ, произведен по време на аеробно клетъчно дишане. Въглеродният диоксид се получава като отпадъчен продукт по време на цикъла на Кребс, докато оксалацетатът, получен в един кръг от цикъла на Кребс, се комбинира с друг ацетил-КоА, за да започне процесът отново. В еукариотните организми, като растения и животни, както цикълът на Кребс, така и електронната транспортна верига се срещат в специализирана структура, наречена митохондрии, докато бактериите, способни на аеробно дишане, провеждат тези процеси по плазмената мембрана, тъй като нямат специализирани органели, открити в еукариотни клетки. Всеки завой от цикъла на Кребс е способен да произведе една молекула гуанин трифосфат (GTP), която лесно се превръща в АТФ, и допълнителни 17 молекули АТФ чрез електронната транспортна верига. Тъй като гликолизата дава две молекули пируват за използване в цикъла на Кребс, общият добив за аеробно дишане е 36 ATP на молекула глюкоза, в допълнение към двете ATP, получени по време на гликолизата. Крайният акцептор за електрони по време на електронно-транспортната верига е кислородът.
Ферментация
За да не се бърка с анаеробното дишане, ферментацията се случва при липса на кислород в цитоплазмата на клетките и превръща пирувата в отпадъчен продукт, произвеждайки енергия за зареждане на молекулите, необходими за продължаване на гликолизата. Тъй като енергията се произвежда само по време на ферментация чрез гликолиза, общият добив на молекула глюкоза е два АТФ. Въпреки че производството на енергия е значително по-малко от аеробното дишане, ферментацията позволява превръщането на горивото в енергия да продължи при липса на кислород. Примери за ферментация включват ферментация на млечна киселина при хора и други животни и ферментация на етанол с дрожди. Отпадъците се рециклират, когато организмът отново влезе в аеробно състояние или се отстрани от него.
Анаеробно дишане
Намерено в някои прокариоти, анаеробното дишане използва електронна транспортна верига точно като аеробното дишане, но вместо да използва кислород като краен електронен акцептор, се използват други елементи. Тези алтернативни рецептори включват нитрати, сулфати, сяра, въглероден диоксид и други молекули. Тези процеси имат важен принос за хранителния цикъл в почвите, както и позволяват на тези организми да колонизират райони, необитаеми от други организми. Тези организми могат да бъдат задължителни анаероби, способни да извършват тези процеси само при липса на кислород, или факултативни анаероби, способни да произвеждат енергия в присъствието или липсата на кислород. Анаеробното дишане произвежда по-малко енергия от аеробното дишане, тъй като тези алтернативни електронни акцептори не са толкова ефективни, колкото кислорода.
Фотосинтеза
За разлика от различните пътища на клетъчно дишане, фотосинтезата се използва от растения, водорасли и някои бактерии за производството на храната, необходима за метаболизма. При растенията фотосинтезата се случва в специализирани структури, наречени хлоропласти, докато фотосинтетичните бактерии обикновено извършват фотосинтеза по мембранни удължения на плазмената мембрана. Фотосинтезата може да бъде разделена на два етапа: зависими от светлината реакции и независими от светлината реакции. По време на зависимите от светлината реакции светлинната енергия се използва за енергизиране на електроните, отстранени от водата, и произвежда градиент от протони, които от своя страна произвеждат високоенергийни молекули, които подхранват независими светлинни реакции. Когато електроните се изтеглят от молекулите на водата, те се разграждат до кислород и протони. Протоните допринасят за протонния градиент, но кислородът се освобождава. По време на независими светлинни реакции, енергията, получена по време на светлинните реакции, се използва за получаване на захарни молекули от въглероден диоксид чрез процес, наречен цикъл на Калвин. Цикълът на Калвин произвежда една молекула захар на всеки шест молекули въглероден диоксид. В комбинация с водните молекули, използвани в зависими от светлината реакции, общата формула за фотосинтеза е 6 H2O + 6 CO2 + светлина -> C6H12O6 + 6 O2.