Obsah
Aeróbne dýchanie, anaeróbne dýchanie a fermentácia sú metódy, ktoré umožňujú živým bunkám vyrábať energiu z potravinových zdrojov. Zatiaľ čo všetky živé organizmy vykonávajú jeden alebo viac z týchto procesov na výrobu energie, iba vybraná skupina organizmov je schopná vyrábať potravu fotosyntézou zo slnečného žiarenia. Avšak aj v týchto organizmoch sa vyrobené jedlo premieňa na bunkovú energiu prostredníctvom bunkového dýchania. Charakteristickým rysom aeróbneho dýchania prostredníctvom fermentačných ciest je predpoklad kyslíka a oveľa vyšší energetický výťažok na molekulu glukózy. Fermentácia a anaeróbne dýchanie zdieľajú neprítomnosť kyslíka, ale anaeróbne dýchanie využíva na výrobu energie reťazec transportov elektrónov, rovnako ako aeróbne dýchanie, zatiaľ čo fermentácia jednoducho poskytuje molekuly potrebné na nepretržitú glykolýzu bez akejkoľvek výroby energie. dodatočné.
Glykolýza
Glykolýza je univerzálna cesta iniciovaná v cytoplazme buniek, ktorá rozkladá glukózu na chemickú energiu. Energia uvoľnená z každej molekuly glukózy sa použije na pripojenie fosfátu ku každej zo štyroch molekúl adenozíndifosfátu (ADP), aby sa vytvorili dve molekuly adenozíntrifosfátu (ATP) a ďalšia molekula NADH. Energia uložená vo fosfátovej väzbe sa používa pri iných bunkových reakciách a často sa považuje za energiu „meny“ bunky. Pretože však glykolýza vyžaduje prísun energie z dvoch molekúl ATP, je čistý výnos glykolýzy iba dve molekuly ATP na molekulu glukózy. Samotná glukóza sa štiepi počas glykolýzy a stáva sa pyruvátom. Iné zdroje paliva, ako napríklad tuky, sa metabolizujú inými procesmi, napríklad špirálovou mastnou kyselinou, v prípade mastných kyselín, na výrobu molekúl paliva, ktoré môžu počas dýchania vstupovať do dýchacích ciest v rôznych bodoch.
Aeróbne dýchanie
Aeróbne dýchanie sa vyskytuje v prítomnosti kyslíka a produkuje väčšinu energie pre organizmy, ktoré tento proces vykonávajú. V tomto procese sa pyruvát produkovaný počas glykolýzy premieňa na acetyl-koenzým A (acetyl-CoA) pred vstupom do cyklu kyseliny citrónovej, tiež známej ako Krebsov cyklus. Acetyl-CoA sa kombinuje s oxalacetátom za vzniku kyseliny citrónovej v počiatočnom štádiu cyklu kyseliny citrónovej. Nasledujúca séria prevádza kyselinu citrónovú na oxalacetát a produkuje transportnú energiu pre molekuly nazývané NADH a FADH2. Tieto energetické molekuly sú odklonené do reťazca transportu elektrónov alebo oxidačnej fosforylácie, kde produkujú väčšinu ATP produkovaného počas aeróbneho bunkového dýchania. Oxid uhličitý sa produkuje ako odpadový produkt počas Krebsovho cyklu, zatiaľ čo oxalacetát produkovaný jedným kolom Krebsovho cyklu sa kombinuje s ďalším acetyl-CoA, aby sa proces znovu zahájil. V eukaryotických organizmoch, ako sú rastliny a živočíchy, sa Krebsov cyklus aj elektrónový transportný reťazec vyskytujú v špecializovanej štruktúre nazývanej mitochondrie, zatiaľ čo baktérie schopné aeróbneho dýchania tieto procesy vedú pozdĺž plazmatickej membrány, pretože nemajú špecializované organely nachádzajúce sa v eukaryotických bunkách. Každé otočenie Krebsovho cyklu je schopné produkovať jednu molekulu guaníntrifosfátu (GTP), ktorý sa ľahko premieňa na ATP, a ďalších 17 molekúl ATP prostredníctvom reťazca transportu elektrónov. Pretože glykolýza poskytuje dve molekuly pyruvátu na použitie v Krebsovom cykle, celkový výťažok aeróbneho dýchania je 36 ATP na molekulu glukózy, navyše k dvom ATP produkovaným počas glykolýzy. Terminálnym akceptorom pre elektróny počas transportného reťazca elektrónov je kyslík.
Kvasenie
Nezamieňajte s anaeróbnym dýchaním, fermentácia prebieha v neprítomnosti kyslíka v cytoplazme buniek a prevádza pyruvát na odpadový produkt, pričom vytvára energiu na nabitie molekúl potrebných na ďalšiu glykolýzu. Pretože energia sa vyrába iba počas fermentácie glykolýzou, celkový výťažok na molekulu glukózy je dva ATP. Aj keď je výroba energie podstatne menšia ako pri aeróbnom dýchaní, fermentácia umožňuje, aby konverzia paliva na energiu pokračovala bez prítomnosti kyslíka. Príklady fermentácie zahŕňajú fermentáciu kyseliny mliečnej u ľudí a iných zvierat a fermentáciu etanolu kvasinkami. Odpad sa recykluje, keď sa organizmus znova dostane do aeróbneho stavu alebo sa z organizmu odstráni.
Anaeróbne dýchanie
Nájdené v niektorých prokaryotoch, anaeróbne dýchanie využíva elektrónový transportný reťazec rovnako ako aeróbne dýchanie, ale namiesto použitia kyslíka ako terminálneho akceptora elektrónov sa používajú ďalšie prvky. Tieto alternatívne receptory zahŕňajú dusičnan, síran, síru, oxid uhličitý a ďalšie molekuly. Tieto procesy významne prispievajú k cyklu výživných látok v pôdach a umožňujú týmto organizmom kolonizovať oblasti neobývateľné inými organizmami. Týmito organizmami môžu byť povinné anaeróby schopné uskutočňovať tieto procesy iba v neprítomnosti kyslíka alebo fakultatívne anaeróby schopné produkovať energiu v prítomnosti alebo neprítomnosti kyslíka. Anaeróbne dýchanie produkuje menej energie ako aeróbne dýchanie, pretože tieto alternatívne akceptory elektrónov nie sú také účinné ako kyslík.
Fotosyntéza
Na rozdiel od rôznych bunkových dýchacích ciest fotosyntézu využívajú rastliny, riasy a niektoré baktérie na výrobu potravy potrebnej pre metabolizmus. V rastlinách sa fotosyntéza vyskytuje v špecializovaných štruktúrach nazývaných chloroplasty, zatiaľ čo fotosyntetické baktérie zvyčajne vykonávajú fotosyntézu pozdĺž membránových výbežkov plazmatickej membrány. Fotosyntézu možno rozdeliť do dvoch etáp: reakcie závislé od svetla a reakcie nezávislé od svetla. Počas reakcií závislých od svetla sa svetelná energia používa na napájanie elektrónov odstránených z vody a na produkciu gradientu protónov, ktoré zase vytvárajú vysokoenergetické molekuly, ktoré poháňajú nezávislé svetelné reakcie. Keď sa elektróny vytiahnu z molekúl vody, rozdelia sa na kyslík a protóny. Protóny prispievajú k protónovému gradientu, ale kyslík sa uvoľňuje. Počas nezávislých svetelných reakcií sa energia vyrobená pri svetelných reakciách používa na výrobu molekúl cukru z oxidu uhličitého procesom nazývaným Calvinov cyklus. Calvinov cyklus produkuje jednu molekulu cukru na každých šesť molekúl oxidu uhličitého. V kombinácii s molekulami vody použitými pri reakciách závislých od svetla je všeobecný vzorec pre fotosyntézu 6 H2O + 6 CO2 + svetlo -> C6H12O6 + 6 O2.