Conţinut
Respirația aerobă, respirația anaerobă și fermentația sunt metodele pentru ca celulele vii să producă energie din surse alimentare. În timp ce toate organismele vii fac unul sau mai multe dintre aceste procese pentru producerea de energie, doar un grup selectat de organisme este capabil să producă hrană prin fotosinteză din lumina soarelui. Cu toate acestea, chiar și în aceste organisme, alimentele produse sunt transformate în energie celulară, prin respirație celulară. O caracteristică distinctivă a respirației aerobe prin căile de fermentare este condiția prealabilă pentru oxigen și un randament energetic mult mai mare pe moleculă de glucoză. Fermentarea și respirația anaerobă împărtășesc absența oxigenului, dar respirația anaerobă folosește un lanț de transport de electroni pentru producerea de energie, la fel ca respirația aerobă, în timp ce fermentația furnizează pur și simplu moleculele necesare pentru continuarea glicolizei, fără producerea de energie. adiţional.
Glicoliza
Glicoliza este o cale universală inițiată în citoplasma celulelor pentru a descompune glucoza în energie chimică. Energia eliberată din fiecare moleculă de glucoză este utilizată pentru a conecta un fosfat la fiecare dintre cele patru molecule de adenozin difosfat (ADP) pentru a produce două molecule de adenozin trifosfat (ATP) și o moleculă suplimentară de NADH. Energia stocată în legătura fosfat este utilizată în alte reacții celulare și este adesea considerată a fi energia „monedei” a celulei. Cu toate acestea, deoarece glicoliza necesită furnizarea de energie din două molecule de ATP, randamentul net al glicolizei este doar două molecule de ATP pe moleculă de glucoză. Glucoza însăși se descompune în timpul glicolizei, devenind piruvat. Alte surse de combustibil, cum ar fi grăsimile, sunt metabolizate prin alte procese, de exemplu, acidul gras spiralat, în cazul acizilor grași, pentru a produce molecule de combustibil care pot pătrunde în căile respiratorii în diferite puncte în timpul respirației.
Respirație aerobă
Respirația aerobă are loc în prezența oxigenului și produce cea mai mare parte a energiei pentru organismele care fac acest proces. În acest proces, piruvatul produs în timpul glicolizei este transformat în acetil-coenzimă A (acetil-CoA) înainte de a intra în ciclul acidului citric, cunoscut și sub numele de ciclul Krebs. Acetil-CoA este combinat cu oxalacetat pentru a produce acid citric în stadiul incipient al ciclului acidului citric. Seria ulterioară transformă acidul citric în oxalacetat și produce energie de transport pentru moleculele numite NADH și FADH2. Aceste molecule de energie sunt redirecționate către lanțul de transport al electronilor sau fosforilarea oxidativă, unde produc cea mai mare parte a ATP produsă în timpul respirației celulare aerobe. Dioxidul de carbon este produs ca produs rezidual în timpul ciclului Krebs, în timp ce oxalacetatul produs de o rundă a ciclului Krebs este combinat cu un alt acetil-CoA pentru a începe procesul din nou. În organismele eucariote, cum ar fi plantele și animalele, atât ciclul Krebs, cât și lanțul de transport al electronilor apar într-o structură specializată numită mitocondrii, în timp ce bacteriile capabile de respirație aerobă conduc aceste procese de-a lungul membranei plasmatice, deoarece acestea nu au organite specializate găsite în celulele eucariote. Fiecare rotație a ciclului Krebs este capabilă să producă o moleculă de guanină trifosfat (GTP), care este ușor convertită în ATP, și încă 17 molecule de ATP prin lanțul de transport al electronilor. Deoarece glicoliza produce două molecule de piruvat pentru utilizare în ciclul Krebs, randamentul total pentru respirația aerobă este de 36 ATP per moleculă de glucoză, în plus față de cele două ATP produse în timpul glicolizei. Acceptorul terminal pentru electroni în timpul lanțului de transport al electronilor este oxigenul.
Fermentaţie
Nu trebuie confundată cu respirația anaerobă, fermentarea are loc în absența oxigenului în citoplasma celulelor și transformă piruvatul într-un produs rezidual, producând energie pentru a încărca moleculele necesare pentru continuarea glicolizei. Deoarece energia este produsă numai în timpul fermentării prin glicoliză, randamentul total pe moleculă de glucoză este de două ATP. Deși producția de energie este substanțial mai mică decât respirația aerobă, fermentația permite continuarea conversiei combustibilului în energie în absența oxigenului. Exemple de fermentație includ fermentarea acidului lactic, la oameni și alte animale, și fermentarea etanolului prin drojdie. Deșeurile sunt reciclate atunci când organismul intră din nou într-o stare aerobă sau este îndepărtat din organism.
Respirație anaerobă
Găsit în unele procariote, respirația anaerobă folosește un lanț de transport al electronilor la fel ca respirația aerobă, dar în loc să folosească oxigenul ca acceptor terminal de electroni, sunt utilizate alte elemente. Acești receptori alternativi includ azotat, sulfat, sulf, dioxid de carbon și alte molecule. Aceste procese contribuie în mod semnificativ la ciclul nutrienților din soluri, precum și permit acestor organisme să colonizeze zone nelocuibile de alte organisme. Aceste organisme pot fi anaerobe obligatorii, capabile să efectueze aceste procese doar în absența oxigenului, sau anaerobe facultative, capabile să producă energie în prezența sau absența oxigenului. Respirația anaerobă produce mai puțină energie decât respirația aerobă, deoarece acești acceptori alternativi de electroni nu sunt la fel de eficienți ca oxigenul.
Fotosinteză
Spre deosebire de diferitele căi de respirație celulară, fotosinteza este utilizată de plante, alge și unele bacterii pentru a produce hrana necesară metabolismului. La plante, fotosinteza are loc în structuri specializate numite cloroplaste, în timp ce bacteriile fotosintetice efectuează de obicei fotosinteza de-a lungul extensiilor membranare ale membranei plasmatice. Fotosinteza poate fi împărțită în două etape: reacții dependente de lumină și reacții independente de lumină. În timpul reacțiilor dependente de lumină, energia luminii este utilizată pentru a energiza electronii eliminați din apă și pentru a produce un gradient de protoni, care la rândul lor produc molecule cu energie ridicată care alimentează reacții luminoase independente. Pe măsură ce electronii sunt scoși din moleculele de apă, acestea sunt descompuse în oxigen și protoni. Protonii contribuie la gradientul de protoni, dar oxigenul este eliberat. În timpul reacțiilor la lumină independente, energia produsă în timpul reacțiilor la lumină este utilizată pentru a produce molecule de zahăr din dioxid de carbon printr-un proces numit Ciclul Calvin. Ciclul Calvin produce o moleculă de zahăr pentru fiecare șase molecule de dioxid de carbon. Combinată cu moleculele de apă utilizate în reacțiile dependente de lumină, formula generală pentru fotosinteză este 6 H2O + 6 CO2 + lumină -> C6H12O6 + 6 O2.