Obsah
Aerobní dýchání, anaerobní dýchání a fermentace jsou způsoby, jak živé buňky produkují energii z potravinových zdrojů. Zatímco všechny živé organismy provádějí jeden nebo více z těchto procesů pro výrobu energie, pouze vybraná skupina organismů je schopná produkovat potravu fotosyntézou ze slunečního světla. Avšak i v těchto organismech se vyrobené jídlo přeměňuje na buněčnou energii prostřednictvím buněčného dýchání. Charakteristickým rysem aerobního dýchání pomocí fermentačních cest je předpoklad pro kyslík a mnohem vyšší energetický výtěžek na molekulu glukózy. Fermentace a anaerobní dýchání sdílejí nepřítomnost kyslíku, ale anaerobní dýchání používá pro výrobu energie elektronový transportní řetězec, stejně jako aerobní dýchání, zatímco fermentace jednoduše poskytuje molekuly nezbytné pro pokračující glykolýzu bez jakékoli výroby energie. další.
Glykolýza
Glykolýza je univerzální cesta zahájená v cytoplazmě buněk k rozpadu glukózy na chemickou energii. Energie uvolněná z každé molekuly glukózy se používá k připojení fosfátu ke každé ze čtyř molekul adenosindifosfátu (ADP) za vzniku dvou molekul adenosintrifosfátu (ATP) a další molekuly NADH. Energie uložená ve fosfátové vazbě se používá při jiných buněčných reakcích a je často považována za „měnovou“ energii buňky. Jelikož však glykolýza vyžaduje přísun energie ze dvou molekul ATP, je čistý výnos glykolýzy pouze dvě molekuly ATP na molekulu glukózy. Samotná glukóza se během glykolýzy rozkládá a stává se pyruvátem. Jiné zdroje paliva, jako jsou tuky, se metabolizují jinými procesy, například spirální mastnou kyselinou, v případě mastných kyselin, za vzniku molekul paliva, které se mohou během dýchání dostat do dýchacích cest v různých bodech.
Aerobní dýchání
Aerobní dýchání probíhá v přítomnosti kyslíku a produkuje většinu energie pro organismy, které tento proces provádějí. V tomto procesu se pyruvát produkovaný během glykolýzy převádí na acetyl-koenzym A (acetyl-CoA) před vstupem do cyklu kyseliny citronové, známý také jako Krebsův cyklus. Acetyl-CoA se kombinuje s oxalacetátem za vzniku kyseliny citronové v rané fázi cyklu kyseliny citrónové. Následující série převádí kyselinu citronovou na oxalacetát a produkuje transportní energii pro molekuly zvané NADH a FADH2. Tyto energetické molekuly jsou odváděny do elektronového transportního řetězce nebo oxidační fosforylace, kde produkují většinu ATP produkovaného během aerobního buněčného dýchání. Oxid uhličitý se produkuje jako odpadní produkt během Krebsova cyklu, zatímco oxalacetát produkovaný jedním kolem Krebsova cyklu se kombinuje s dalším acetyl-CoA, aby se proces znovu zahájil. U eukaryotických organismů, jako jsou rostliny a zvířata, se jak Krebsův cyklus, tak elektronový transportní řetězec vyskytují ve specializované struktuře zvané mitochondrie, zatímco bakterie schopné aerobního dýchání tyto procesy provádějí podél plazmatické membrány, protože nemají specializované organely nacházející se v eukaryotických buňkách. Každé kolo Krebsova cyklu je schopné produkovat jednu molekulu guanin trifosfátu (GTP), který se snadno přemění na ATP, a dalších 17 molekul ATP prostřednictvím řetězce transportu elektronů. Jelikož glykolýza poskytuje dvě molekuly pyruvátu pro použití v Krebsově cyklu, je celkový výtěžek pro aerobní dýchání 36 ATP na molekulu glukózy, navíc ke dvěma ATP produkovaným během glykolýzy. Terminálním akceptorem pro elektrony během elektronového transportního řetězce je kyslík.
Kvašení
Nezaměňujte s anaerobním dýcháním, fermentace probíhá v nepřítomnosti kyslíku v cytoplazmě buněk a přeměňuje pyruvát na odpadní produkt a produkuje energii pro nabíjení molekul nezbytných pro pokračování glykolýzy. Jelikož se energie vyrábí pouze během fermentace glykolýzou, je celkový výtěžek na molekulu glukózy dva ATP. Ačkoli produkce energie je podstatně menší než aerobní dýchání, fermentace umožňuje, aby přeměna paliva na energii pokračovala i bez kyslíku. Příklady fermentace zahrnují fermentaci kyseliny mléčné u lidí a jiných zvířat a fermentaci ethanolu kvasinkami. Odpad se recykluje, když se organismus znovu dostane do aerobního stavu nebo je z organismu odstraněn.
Anaerobní dýchání
Nalezeno v některých prokaryotech, anaerobní dýchání používá elektronový transportní řetězec stejně jako aerobní dýchání, ale místo použití kyslíku jako terminálního akceptoru elektronů se používají další prvky. Tyto alternativní receptory zahrnují dusičnany, sírany, síru, oxid uhličitý a další molekuly. Tyto procesy významně přispívají k cyklu živin v půdách a také umožňují těmto organismům kolonizovat oblasti neobyvatelné jinými organismy. Těmito organismy mohou být povinné anaeroby, schopné provádět tyto procesy pouze v nepřítomnosti kyslíku, nebo fakultativní anaeroby, schopné produkovat energii v přítomnosti nebo nepřítomnosti kyslíku. Anaerobní dýchání produkuje méně energie než aerobní dýchání, protože tyto alternativní akceptory elektronů nejsou tak účinné jako kyslík.
Fotosyntéza
Na rozdíl od různých buněčných cest dýchání využívají fotosyntézu rostliny, řasy a některé bakterie k produkci potravy nezbytné pro metabolismus. V rostlinách dochází k fotosyntéze ve specializovaných strukturách nazývaných chloroplasty, zatímco fotosyntetizující bakterie obvykle provádějí fotosyntézu podél membránových prodloužení plazmatické membrány. Fotosyntézu lze rozdělit do dvou fází: reakce závislé na světle a reakce nezávislé na světle. Během reakcí závislých na světle se světelná energie používá k energizaci elektronů odstraněných z vody a produkci gradientu protonů, které zase produkují vysokoenergetické molekuly, které podporují nezávislé světelné reakce. Když jsou elektrony vytaženy z molekul vody, jsou rozloženy na kyslík a protony. Protony přispívají k protonovému gradientu, ale kyslík se uvolňuje. Během nezávislých světelných reakcí se energie produkovaná během světelných reakcí používá k výrobě molekul cukru z oxidu uhličitého prostřednictvím procesu zvaného Calvinův cyklus. Calvinův cyklus produkuje jednu molekulu cukru na každých šest molekul oxidu uhličitého. V kombinaci s molekulami vody použitými při reakcích závislých na světle je obecný vzorec pro fotosyntézu 6 H2O + 6 CO2 + světlo -> C6H12O6 + 6 O2.