Saturs
Aerobā elpošana, anaerobā elpošana un fermentācija ir metodes, kā dzīvās šūnas ražo enerģiju no pārtikas avotiem. Kamēr visi dzīvie organismi enerģijas ražošanai veic vienu vai vairākus no šiem procesiem, tikai izvēlēta organismu grupa spēj ražot pārtiku fotosintēzes ceļā no saules gaismas. Tomēr pat šajos organismos saražotā pārtika tiek pārveidota šūnu enerģijā, izmantojot šūnu elpošanu. Aerobās elpošanas atšķirīgā iezīme fermentācijas ceļā ir priekšnoteikums skābeklim un daudz lielāka enerģijas raža no vienas glikozes molekulas. Fermentācijai un anaerobai elpošanai ir kopīgs skābekļa trūkums, bet anaerobā elpošana enerģijas ražošanai izmanto elektronu transporta ķēdi tāpat kā aerobā elpošana, savukārt fermentācija vienkārši nodrošina molekulas, kas nepieciešamas glikolīzes turpināšanai bez enerģijas ražošanas. papildu.
Glikolīze
Glikolīze ir universāls ceļš, kas uzsākts šūnu citoplazmā, lai sadalītu glikozi ķīmiskajā enerģijā. No katras glikozes molekulas izdalīto enerģiju izmanto, lai savienotu fosfātu ar katru no četrām adenozīna difosfāta (ADP) molekulām, lai iegūtu divas adenozīna trifosfāta (ATP) molekulas un papildu NADH molekulu. Fosfāta saitē uzkrāto enerģiju izmanto citās šūnu reakcijās, un to bieži uzskata par šūnas "valūtas" enerģiju. Tomēr, tā kā glikolīze prasa enerģijas piegādi no divām ATP molekulām, glikolīzes tīrā raža ir tikai divas ATP molekulas uz vienu glikozes molekulu. Pati glikoze glikolīzes laikā tiek sadalīta, kļūstot par piruvātu. Citi degvielas avoti, piemēram, tauki, tiek metabolizēti citos procesos, piemēram, spirālveida taukskābes taukskābju gadījumā, lai iegūtu degvielas molekulas, kas elpošanas laikā var nonākt elpceļos dažādos punktos.
Aerobā elpošana
Aerobā elpošana notiek skābekļa klātbūtnē un rada lielāko enerģijas daudzumu organismiem, kas veic šo procesu. Šajā procesā pirms iekļūšanas citronskābes ciklā, kas pazīstams arī kā Krebsa cikls, glikolīzes laikā iegūtais piruvāts tiek pārvērsts par acetil-koenzīmu A (acetil-CoA). Acetil-CoA tiek kombinēts ar oksalacetātu, lai citronskābes cikla agrīnā stadijā iegūtu citronskābi. Turpmākā sērija citronskābi pārvērš oksalacetātā un rada transporta enerģiju molekulām, ko sauc par NADH un FADH2. Šīs enerģijas molekulas tiek novirzītas uz elektronu transporta ķēdi jeb oksidatīvo fosforilēšanu, kur tās rada lielāko daļu ATP, kas rodas aerobās šūnu elpošanas laikā. Oglekļa dioksīds kā atkritumu produkts rodas Krebsa cikla laikā, bet oksalacetāts, ko ražo vienā Krebsa cikla kārtā, tiek apvienots ar citu acetil-CoA, lai procesu atkal sāktu. Eukariotu organismos, piemēram, augos un dzīvniekos, gan Krebsa cikls, gan elektronu transporta ķēde notiek specializētā struktūrā, ko sauc par mitohondrijiem, savukārt baktērijas, kas spējīgas uz aerobo elpošanu, veic šos procesus gar plazmas membrānu, jo tām nav specializēti organelli, kas atrodami eikariotu šūnās. Katrs Krebsa cikla pagrieziens spēj radīt vienu guanīna trifosfāta (GTP) molekulu, kas viegli pārveidojama par ATP, un papildu 17 ATP molekulas caur elektronu transporta ķēdi. Tā kā glikolīzes rezultātā tiek iegūtas divas piruvāta molekulas, kuras var izmantot Krebsa ciklā, kopējā aerobās elpošanas raža ir 36 ATP uz vienu glikozes molekulu, papildus divām ATP, kas rodas glikolīzes laikā. Elektronu terminālais akceptors elektronu transporta ķēdē ir skābeklis.
Fermentācija
Nevajadzētu jaukt ar anaerobo elpošanu, fermentācija notiek bez skābekļa šūnu citoplazmā un pārveido piruvātu par atkritumiem, radot enerģiju, lai uzlādētu molekulas, kas nepieciešamas glikolīzes turpināšanai. Tā kā enerģija tiek ražota tikai fermentācijas laikā, veicot glikolīzi, kopējais iznākums uz vienu glikozes molekulu ir divi ATP. Lai gan enerģijas ražošana ir ievērojami mazāka nekā aerobā elpošana, fermentācija ļauj turpināt degvielas pārvēršanu enerģijā bez skābekļa. Fermentācijas piemēri ietver pienskābes fermentāciju cilvēkiem un citiem dzīvniekiem un etanola fermentēšanu ar raugu. Atkritumi tiek pārstrādāti, kad organisms atkal nonāk aerobā stāvoklī vai tiek izvadīts no organisma.
Anaerobā elpošana
Dažos prokariotos atrodot, anaerobā elpošana izmanto elektronu transporta ķēdi tāpat kā aerobā elpošana, taču tā vietā, lai izmantotu skābekli kā gala elektronu akceptoru, tiek izmantoti citi elementi. Šie alternatīvie receptori ietver nitrātu, sulfātu, sēru, oglekļa dioksīdu un citas molekulas. Šie procesi būtiski veicina barības vielu ciklu augsnē, kā arī ļauj šiem organismiem kolonizēt apgabalus, kuros citi organismi nav apdzīvojami. Šie organismi var būt obligāti anaerobi, kas spēj veikt šos procesus tikai bez skābekļa, vai fakultatīvi anaerobi, kas spēj ražot enerģiju skābekļa klātbūtnē vai bez tā. Anaerobā elpošana rada mazāk enerģijas nekā aerobā elpošana, jo šie alternatīvie elektronu akceptori nav tik efektīvi kā skābeklis.
Fotosintēze
Atšķirībā no dažādiem šūnu elpošanas ceļiem, fotosintēzi augi, aļģes un dažas baktērijas izmanto, lai ražotu vielmaiņai nepieciešamo pārtiku. Augos fotosintēze notiek specializētās struktūrās, ko sauc par hloroplastiem, savukārt fotosintēzes baktērijas parasti veic fotosintēzi gar plazmas membrānas membrāniskajiem pagarinājumiem. Fotosintēzi var iedalīt divos posmos: no gaismas atkarīgās reakcijas un no gaismas neatkarīgās reakcijas. No gaismas atkarīgo reakciju laikā gaismas enerģija tiek izmantota, lai aktivizētu no ūdens izņemtos elektronus un radītu protonu gradientu, kas savukārt rada augstas enerģijas molekulas, kas veicina neatkarīgas gaismas reakcijas. Kad elektroni tiek izvilkti no ūdens molekulām, tie tiek sadalīti skābeklī un protonos. Protoni veicina protonu gradientu, bet izdalās skābeklis. Neatkarīgu gaismas reakciju laikā gaismas reakciju laikā saražotā enerģija tiek izmantota cukura molekulu ražošanai no oglekļa dioksīda, izmantojot procesu, ko sauc par Kalvina ciklu. Kalvina cikls rada vienu cukura molekulu uz katrām sešām oglekļa dioksīda molekulām. Apvienojumā ar ūdens molekulām, kuras izmanto gaismas atkarīgās reakcijās, fotosintēzes vispārējā formula ir 6 H2O + 6 CO2 + gaisma -> C6H12O6 + 6 O2.