Innehåll
Aerob andning, anaerob andning och jäsning är metoderna för levande celler att producera energi från matkällor. Medan alla levande organismer gör en eller flera av dessa processer för energiproduktion, är det bara en utvald grupp av organismer som kan producera mat genom fotosyntes från solljus. Men även i dessa organismer omvandlas den producerade maten till cellulär energi genom cellulär andning. Ett kännetecken för aerob andning via fermenteringsvägar är förutsättningen för syre och ett mycket högre energiutbyte per glukosmolekyl. Jäsning och anaerob andning delar frånvaron av syre, men anaerob andning använder en elektrontransportkedja för energiproduktion, precis som aerob andning, medan jäsning helt enkelt ger de molekyler som är nödvändiga för fortsatt glykolys, utan någon energiproduktion. ytterligare.
Glykolys
Glykolys är en universell väg som initieras i cellernas cytoplasma för att bryta ner glukos till kemisk energi. Energin som frigörs från varje glukosmolekyl används för att ansluta ett fosfat till var och en av de fyra adenosindifosfatmolekylerna (ADP) för att producera två molekyler av adenosintrifosfat (ATP) och en ytterligare NADH-molekyl. Den energi som lagras i fosfatbindningen används i andra cellulära reaktioner och anses ofta vara cellens "valuta" -energi. Eftersom glykolys kräver energiförsörjning från två ATP-molekyler, är emellertid nettoutbytet av glykolys endast två molekyler ATP per glukosmolekyl. Själva glukosen bryts ner under glykolys och blir pyruvat. Andra bränslekällor, såsom fetter, metaboliseras genom andra processer, till exempel spiralfettsyra, i fallet med fettsyror, för att producera bränslemolekyler som kan komma in i luftvägarna vid olika punkter under andningen.
Aerob andning
Aerob andning sker i närvaro av syre och producerar det mesta av energin för organismer som gör denna process. I denna process omvandlas pyruvat som produceras under glykolys till acetyl-coenzym A (acetyl-CoA) innan det går in i citronsyracykeln, även känd som Krebs-cykeln. Acetyl-CoA kombineras med oxalacetat för att producera citronsyra i det tidiga stadiet av citronsyracykeln. Den efterföljande serien omvandlar citronsyra till oxalacetat och producerar transportenergi för molekyler som kallas NADH och FADH2. Dessa energimolekyler avleds till elektrontransportkedjan, eller oxidativ fosforylering, där de producerar det mesta av ATP som produceras under aerob cellandning. Koldioxid produceras som en avfallsprodukt under Krebs-cykeln, medan oxalacetatet som produceras av en omgång av Krebs-cykeln kombineras med en annan acetyl-CoA för att starta processen igen. I eukaryota organismer, såsom växter och djur, uppträder både Krebs-cykeln och elektrontransportkedjan i en specialiserad struktur som kallas mitokondrier medan bakterier som kan aerob andning utför dessa processer längs plasmamembranet, eftersom de inte har specialiserade organeller som finns i eukaryota celler. Varje vändning i Krebs-cykeln kan producera en molekyl guanintrifosfat (GTP), som lätt kan omvandlas till ATP, och ytterligare 17 molekyler ATP genom elektrontransportkedjan. Eftersom glykolys ger två pyruvatmolekyler för användning i Krebs-cykeln är det totala utbytet för aerob andning 36 ATP per molekyl glukos, förutom de två ATP som produceras under glykolys. Terminalacceptorn för elektroner under elektrontransportkedjan är syre.
Jäsning
För att inte förväxlas med anaerob andning sker jäsning i frånvaro av syre i cellernas cytoplasma och omvandlar pyruvat till en avfallsprodukt och producerar energi för att ladda de molekyler som krävs för att fortsätta glykolys. Eftersom energi endast produceras under fermentering genom glykolys är det totala utbytet per glukosmolekyl två ATP. Även om energiproduktionen är väsentligt mindre än aerob andning tillåter jäsning omvandlingen av bränsle till energi att fortsätta i frånvaro av syre. Exempel på jäsning innefattar jäsning av mjölksyra, hos människor och andra djur, och jäsning av etanol med jäst. Avfall återvinns när organismen kommer in i ett aerobt tillstånd igen eller avlägsnas från organismen.
Anaerob andning
Finns i vissa prokaryoter använder anaerob andning en elektrontransportkedja precis som aerob andning, men i stället för att använda syre som en terminal elektronacceptor används andra element. Dessa alternativa receptorer inkluderar nitrat, sulfat, svavel, koldioxid och andra molekyler. Dessa processer är viktiga bidrag till näringscykeln i jord, såväl som att de tillåter dessa organismer att kolonisera områden som är obebodliga av andra organismer. Dessa organismer kan vara obligatoriska anaerober, som kan utföra dessa processer endast i frånvaro av syre, eller fakultativa anaerober, som kan producera energi i närvaro eller frånvaro av syre. Anaerob andning producerar mindre energi än aerob andning, eftersom dessa alternativa elektronacceptorer inte är lika effektiva som syre.
Fotosyntes
Till skillnad från de olika andningsvägarna används fotosyntes av växter, alger och vissa bakterier för att producera den mat som behövs för ämnesomsättningen. I växter förekommer fotosyntes i specialiserade strukturer som kallas kloroplaster medan fotosyntetiska bakterier vanligtvis utför fotosyntes längs membranförlängningar av plasmamembranet. Fotosyntes kan delas in i två steg: ljusberoende reaktioner och ljusoberoende reaktioner. Under ljusberoende reaktioner används ljusenergi för att aktivera elektroner som tas bort från vatten och producera en gradient av protoner, som i sin tur producerar högenergimolekyler som bränner oberoende ljusreaktioner. När elektroner dras ut ur vattenmolekyler bryts de ner i syre och protoner. Protoner bidrar till protongradienten, men syre frigörs. Under oberoende ljusreaktioner används den energi som produceras under ljusreaktioner för att producera sockermolekyler från koldioxid genom en process som kallas Calvin Cycle. Calvin-cykeln producerar en molekyl socker för varje sex molekyler koldioxid. Kombinerat med de vattenmolekyler som används i ljusberoende reaktioner är den allmänna formeln för fotosyntes 6 H2O + 6 CO2 + ljus -> C6H12O6 + 6 O2.