Содержание
Аэробное дыхание, анаэробное дыхание и ферментация - это методы, которыми живые клетки могут вырабатывать энергию из пищевых источников. Хотя все живые организмы выполняют один или несколько из этих процессов для производства энергии, только избранная группа организмов может производить пищу путем фотосинтеза из солнечного света. Однако даже в этих организмах производимая пища превращается в клеточную энергию посредством клеточного дыхания. Отличительной особенностью аэробного дыхания через ферментационные пути является наличие кислорода и гораздо более высокий выход энергии на молекулу глюкозы. Ферментация и анаэробное дыхание разделяют отсутствие кислорода, но анаэробное дыхание использует цепь переноса электронов для производства энергии, точно так же, как аэробное дыхание, в то время как ферментация просто обеспечивает молекулы, необходимые для продолжения гликолиза, без какого-либо производства энергии. доп.
Гликолиз
Гликолиз - это универсальный путь, инициируемый в цитоплазме клеток для расщепления глюкозы до химической энергии. Энергия, высвобождаемая каждой молекулой глюкозы, используется для соединения фосфата с каждой из четырех молекул аденозиндифосфата (АДФ) с образованием двух молекул аденозинтрифосфата (АТФ) и дополнительной молекулы НАДН. Энергия, хранящаяся в фосфатной связи, используется в других клеточных реакциях и часто считается «валютной» энергией клетки. Однако, поскольку гликолиз требует снабжения энергией от двух молекул АТФ, чистый выход гликолиза составляет всего две молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Сама глюкоза расщепляется во время гликолиза, превращаясь в пируват. Другие источники топлива, такие как жиры, метаболизируются посредством других процессов, например, спиральная жирная кислота, в случае жирных кислот, с образованием молекул топлива, которые могут попадать в дыхательные пути в различных точках во время дыхания.
Аэробное дыхание
Аэробное дыхание происходит в присутствии кислорода и производит большую часть энергии для организмов, которые делают этот процесс. В этом процессе пируват, образующийся во время гликолиза, превращается в ацетил-кофермент А (ацетил-КоА) перед тем, как войти в цикл лимонной кислоты, также известный как цикл Кребса. Ацетил-КоА объединяется с оксалацетатом с образованием лимонной кислоты на ранней стадии цикла лимонной кислоты. Последующие серии превращают лимонную кислоту в оксалацетат и производят транспортную энергию для молекул, называемых НАДН и ФАДН2. Эти энергетические молекулы направляются в цепь переноса электронов или окислительное фосфорилирование, где они производят большую часть АТФ, производимого во время аэробного клеточного дыхания. Двуокись углерода образуется в качестве побочного продукта во время цикла Кребса, в то время как оксалацетат, полученный в одном цикле цикла Кребса, объединяется с другим ацетил-КоА, чтобы снова запустить процесс. У эукариотических организмов, таких как растения и животные, и цикл Кребса, и цепь переноса электронов происходят в специальной структуре, называемой митохондриями, в то время как бактерии, способные к аэробному дыханию, проводят эти процессы вдоль плазматической мембраны, поскольку они не имеют специализированные органеллы, обнаруженные в эукариотических клетках. Каждый виток цикла Кребса способен производить одну молекулу гуанинтрифосфата (ГТФ), которая легко превращается в АТФ, и еще 17 молекул АТФ через цепь переноса электронов. Поскольку при гликолизе образуются две молекулы пирувата для использования в цикле Кребса, общий выход для аэробного дыхания составляет 36 АТФ на молекулу глюкозы в дополнение к двум АТФ, образующимся во время гликолиза. Конечным акцептором электронов в цепи переноса электронов является кислород.
Ферментация
Не путать с анаэробным дыханием, ферментация происходит в отсутствие кислорода в цитоплазме клеток и превращает пируват в ненужный продукт, производя энергию для заряда молекул, необходимую для продолжения гликолиза. Поскольку энергия производится только во время ферментации посредством гликолиза, общий выход на молекулу глюкозы составляет два АТФ. Хотя производство энергии значительно меньше, чем при аэробном дыхании, ферментация позволяет продолжать преобразование топлива в энергию в отсутствие кислорода. Примеры ферментации включают ферментацию молочной кислоты у людей и других животных и ферментацию этанола дрожжами. Отходы перерабатываются, когда организм снова переходит в аэробное состояние или удаляется из организма.
Анаэробное дыхание
Обнаруженное у некоторых прокариот, анаэробное дыхание использует цепь переноса электронов, как и аэробное дыхание, но вместо кислорода в качестве конечного акцептора электронов используются другие элементы. Эти альтернативные рецепторы включают нитраты, сульфаты, серу, углекислый газ и другие молекулы. Эти процессы вносят важный вклад в круговорот питательных веществ в почвах, а также позволяют этим организмам колонизировать районы, непригодные для проживания других организмов. Эти организмы могут быть обязательными анаэробами, способными выполнять эти процессы только в отсутствие кислорода, или факультативными анаэробами, способными производить энергию в присутствии или в отсутствие кислорода. Анаэробное дыхание производит меньше энергии, чем аэробное дыхание, потому что эти альтернативные акцепторы электронов не так эффективны, как кислород.
Фотосинтез
В отличие от различных путей клеточного дыхания, фотосинтез используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями для производства пищи, необходимой для обмена веществ. У растений фотосинтез происходит в специализированных структурах, называемых хлоропластами, тогда как фотосинтезирующие бактерии обычно выполняют фотосинтез вдоль мембранных расширений плазматической мембраны. Фотосинтез можно разделить на два этапа: светозависимые реакции и светонезависимые реакции. Во время светозависимых реакций энергия света используется для возбуждения электронов, удаленных из воды, и создания градиента протонов, которые, в свою очередь, производят молекулы высокой энергии, которые подпитывают независимые световые реакции. Когда электроны вытягиваются из молекул воды, они распадаются на кислород и протоны. Протоны вносят вклад в протонный градиент, но выделяется кислород. Во время независимых световых реакций энергия, производимая во время световых реакций, используется для производства молекул сахара из углекислого газа в процессе, называемом циклом Кальвина. Цикл Кальвина производит одну молекулу сахара на каждые шесть молекул углекислого газа. В сочетании с молекулами воды, используемыми в светозависимых реакциях, общая формула фотосинтеза: 6 H2O + 6 CO2 + свет -> C6H12O6 + 6 O2.