Tartalom
Az aerob légzés, az anaerob légzés és a fermentáció az élő sejtek energiaforrásokból történő előállításának módszerei. Míg az összes élő szervezet egy vagy több ilyen folyamatot hajt végre az energiatermelés érdekében, csak a szervezetek egy kiválasztott csoportja képes napfény fotoszintézisével előállítani az élelmiszereket. Azonban még ezekben az organizmusokban is a megtermelt étel sejtenergiává alakul át, a sejtek légzése révén. A fermentációs útvonalon keresztül történő aerob légzés megkülönböztető jellemzője az oxigén és a glükózmolekulánként jóval magasabb energiahozam előfeltétele. A fermentáció és az anaerob légzés megosztja az oxigén hiányát, de az anaerob légzés elektrontermelő láncot használ az energiatermeléshez, akárcsak az aerob légzés, míg a fermentáció egyszerűen biztosítja a folyamatos glikolízishez szükséges molekulákat, mindenféle energiatermelés nélkül. további.
Glikolízis
A glikolízis a sejtek citoplazmájában elindított univerzális út a glükóz kémiai energiára bontására. Az egyes glükózmolekulákból felszabaduló energiát egy foszfát összekapcsolására használják mind a négy adenozin-difoszfát (ADP) molekula mindegyikéhez, hogy két adenozin-trifoszfát (ATP) és egy további NADH molekula jöjjön létre. A foszfátkötésben tárolt energiát más sejtreakciókban használják fel, és gyakran a sejt "pénznem" energiájának tekintik. Mivel azonban a glikolízis két ATP-molekula energiaellátását igényli, a glikolízis nettó hozama csak két ATP-molekula glükózmolekulánként. Maga a glükóz a glikolízis során lebomlik, piruváttá válik. Egyéb üzemanyag-források, például a zsírok, más folyamatok révén metabolizálódnak, például a spirális zsírsavak, zsírsavak esetében, olyan üzemanyag-molekulák előállítására, amelyek a légzés során különböző pontokon juthatnak be a légutakba.
Aerob légzés
Az aerob légzés oxigén jelenlétében következik be, és az energia nagy részét olyan szervezetek számára termeli, amelyek ezt a folyamatot végzik. Ebben a folyamatban a glikolízis során keletkező piruvátot acetil-koenzim A-vá (acetil-CoA) alakítják át, mielőtt belépnének a citromsav ciklusba, más néven Krebs ciklusba. Az acetil-CoA-t oxalacetáttal kombinálva citromsavat állítanak elő a citromsav-ciklus korai szakaszában. A következő sorozat átalakítja a citromsavat oxalacetáttá, és transzport energiát termel a NADH és FADH2 nevű molekulák számára. Ezeket az energiamolekulákat az elektrontranszportláncba vagy az oxidatív foszforilezésbe terelik, ahol az aerob sejtlégzés során keletkező ATP legnagyobb részét előállítják. A szén-dioxid hulladéktermékként keletkezik a Krebs-ciklus alatt, míg a Krebs-ciklus egyik fordulójában keletkező oxalacetátot egy másik acetil-CoA-val kombinálják, hogy újra elindítsák a folyamatot. Az eukarióta organizmusokban, például növényekben és állatokban mind a Krebs-ciklus, mind az elektrontranszport-lánc egy speciális struktúrában, az úgynevezett mitokondriumban fordul elő, míg az aerob légzésre képes baktériumok ezeket a folyamatokat a plazmamembrán mentén hajtják végre, mivel nincsenek az eukarióta sejtekben található speciális organellák. A Krebs-ciklus minden fordulata képes előállítani egy guanin-trifoszfát (GTP) molekulát, amely könnyen átalakul ATP-vé, és további 17 ATP-molekulát az elektrontranszportláncon keresztül. Mivel a glikolízis két piruvátmolekulát eredményez a Krebs-ciklusban történő felhasználáshoz, az aerob légzés teljes hozama 36 ATP glükózmolekulánként, a glikolízis során keletkező két ATP mellett. Az elektronok terminális akceptora az elektrontranszportlánc alatt oxigén.
Erjesztés
Nem tévesztendő össze az anaerob légzéssel, a fermentáció oxigén hiányában történik a sejtek citoplazmájában, és a piruvátot hulladéktermékké alakítja, energiát termelve a glikolízis folytatásához szükséges molekulák feltöltésére. Mivel az energia csak a glikolízissel történő fermentáció során keletkezik, a glükózmolekulára jutó teljes hozam két ATP. Bár az energiatermelés lényegesen kevesebb, mint az aerob légzés, az erjesztés lehetővé teszi az üzemanyag energiává történő átalakítását oxigén nélkül. A fermentáció példái közé tartozik a tejsav fermentációja emberekben és más állatokban, valamint az etanol fermentálása élesztővel. A hulladék újrahasznosításra kerül, ha a szervezet ismét aerob állapotba kerül, vagy eltávolítják a szervezetből.
Anaerob légzés
Egyes prokariótákban az anaerob légzés elektron transzportláncot használ, mint az aerob légzés, de az oxigén terminális elektron-akceptorként történő használata helyett más elemeket használnak. Ezen alternatív receptorok közé tartoznak a nitrát, a szulfát, a kén, a szén-dioxid és más molekulák. Ezek a folyamatok jelentősen hozzájárulnak a talaj tápanyagciklusához, valamint lehetővé teszik ezeknek az organizmusoknak, hogy gyarmatosítsák a más szervezetek által lakhatatlan területeket. Ezek a szervezetek lehetnek kötelező anaerobok, amelyek csak oxigén hiányában képesek végrehajtani ezeket a folyamatokat, vagy fakultatív anaerobok, amelyek képesek oxigén jelenlétében vagy hiányában energiát előállítani. Az anaerob légzés kevesebb energiát termel, mint az aerob légzés, mert ezek az alternatív elektron-akceptorok nem annyira hatékonyak, mint az oxigén.
Fotoszintézis
A különféle sejtes légzési utaktól eltérően a fotoszintézist a növények, az algák és egyes baktériumok használják az anyagcseréhez szükséges élelmiszer előállításához. Növényekben a fotoszintézis a kloroplasztnak nevezett speciális struktúrákban fordul elő, míg a fotoszintetikus baktériumok tipikusan a plazmamembrán membránnyúlványai mentén hajtják végre a fotoszintézist. A fotoszintézis két szakaszra osztható: fényfüggő reakciókra és fényfüggetlen reakciókra. A fényfüggő reakciók során a fényenergiát a vízből eltávolított elektronok energiájára használják fel, és protongradienseket állítanak elő, amelyek viszont nagy energiájú molekulákat állítanak elő, amelyek független fényreakciókat táplálnak. Ahogy az elektronokat kihúzzák a vízmolekulákból, oxigénre és protonokra bomlanak. A protonok hozzájárulnak a protongradienshez, de oxigén szabadul fel. A független fényreakciók során a fényreakciók során keletkező energiát szén-dioxidból cukormolekulák előállítására használják fel a Calvin-ciklusnak nevezett folyamat révén. A Calvin-ciklus minden hat szén-dioxid-molekula esetében egy molekula cukrot termel. A fényfüggő reakciókban alkalmazott vízmolekulákkal kombinálva a fotoszintézis általános képlete 6 H2O + 6 CO2 + fény -> C6H12O6 + 6 O2.