Inhoud
Aërobe ademhaling, anaërobe ademhaling en fermentatie zijn de methoden voor levende cellen om energie te produceren uit voedselbronnen. Hoewel alle levende organismen een of meer van deze processen voor energieproductie uitvoeren, is slechts een geselecteerde groep organismen in staat om voedsel te produceren door fotosynthese uit zonlicht. Maar zelfs in deze organismen wordt het geproduceerde voedsel door cellulaire ademhaling omgezet in cellulaire energie. Een onderscheidend kenmerk van aërobe ademhaling via fermentatieroutes is de voorwaarde voor zuurstof en een veel hogere energieopbrengst per glucosemolecuul. Fermentatie en anaërobe ademhaling delen de afwezigheid van zuurstof, maar anaërobe ademhaling gebruikt een elektronentransportketen voor energieproductie, net als aërobe ademhaling, terwijl fermentatie eenvoudigweg de moleculen levert die nodig zijn voor voortdurende glycolyse, zonder enige energieproductie. extra.
Glycolyse
Glycolyse is een universele route die in het cytoplasma van cellen wordt geïnitieerd om glucose af te breken in chemische energie. De energie die vrijkomt uit elk glucosemolecuul wordt gebruikt om een fosfaat te verbinden met elk van de vier adenosinedifosfaat (ADP) -moleculen om twee moleculen adenosinetrifosfaat (ATP) en een extra NADH-molecuul te produceren. De energie die is opgeslagen in de fosfaatbinding wordt gebruikt in andere cellulaire reacties en wordt vaak gezien als de "valuta" -energie van de cel. Aangezien glycolyse echter de toevoer van energie uit twee moleculen ATP vereist, is de netto opbrengst van glycolyse slechts twee moleculen ATP per molecuul glucose. De glucose zelf wordt tijdens glycolyse afgebroken en wordt pyruvaat. Andere brandstofbronnen, zoals vetten, worden gemetaboliseerd via andere processen, bijvoorbeeld spiraalvormig vetzuur, in het geval van vetzuren, om brandstofmoleculen te produceren die op verschillende punten tijdens het ademen de luchtwegen kunnen binnendringen.
Aërobe ademhaling
Aërobe ademhaling vindt plaats in aanwezigheid van zuurstof en produceert de meeste energie voor organismen die dit proces uitvoeren. In dit proces wordt het pyruvaat dat tijdens glycolyse wordt geproduceerd, omgezet in acetyl-co-enzym A (acetyl-CoA) voordat het de citroenzuurcyclus ingaat, ook bekend als de Krebs-cyclus. Acetyl-CoA wordt gecombineerd met oxalacetaat om citroenzuur te produceren in het vroege stadium van de citroenzuurcyclus. De volgende reeks zet citroenzuur om in oxalacetaat en produceert transportenergie voor moleculen die NADH en FADH2 worden genoemd. Deze energiemoleculen worden omgeleid naar de elektronentransportketen, of oxidatieve fosforylering, waar ze het grootste deel van het ATP produceren dat wordt geproduceerd tijdens aërobe cellulaire ademhaling. Koolstofdioxide wordt geproduceerd als afvalproduct tijdens de Krebs-cyclus, terwijl het oxalacetaat dat wordt geproduceerd door een ronde van de Krebs-cyclus wordt gecombineerd met een andere acetyl-CoA om het proces opnieuw te starten. In eukaryote organismen, zoals planten en dieren, komen zowel de Krebs-cyclus als de elektronentransportketen voor in een gespecialiseerde structuur die mitochondriën wordt genoemd, terwijl bacteriën die in staat zijn tot aërobe ademhaling deze processen uitvoeren langs het plasmamembraan, omdat ze de gespecialiseerde organellen gevonden in eukaryote cellen. Elke draai van de Krebs-cyclus is in staat om één molecuul guaninetrifosfaat (GTP) te produceren, dat gemakkelijk kan worden omgezet in ATP, en nog eens 17 moleculen ATP door de elektronentransportketen. Aangezien glycolyse twee moleculen pyruvaat oplevert voor gebruik in de Krebs-cyclus, is de totale opbrengst voor aërobe ademhaling 36 ATP per molecuul glucose, naast de twee ATP die tijdens glycolyse worden geproduceerd. De terminale acceptor voor elektronen tijdens de elektronentransportketen is zuurstof.
Fermentatie
Niet te verwarren met anaërobe ademhaling, fermentatie vindt plaats in afwezigheid van zuurstof in het cytoplasma van de cellen en zet pyruvaat om in een afvalproduct, waarbij energie wordt geproduceerd om de moleculen op te laden die nodig zijn om de glycolyse voort te zetten. Omdat energie alleen wordt geproduceerd tijdens fermentatie door glycolyse, is de totale opbrengst per glucosemolecuul twee ATP. Hoewel de energieproductie aanzienlijk minder is dan aërobe ademhaling, maakt fermentatie het mogelijk om brandstof om te zetten in energie zonder zuurstof. Voorbeelden van fermentatie zijn fermentatie van melkzuur bij mensen en andere dieren, en fermentatie van ethanol door gist. Afval wordt gerecycled wanneer het organisme weer in een aërobe toestand komt of uit het organisme wordt verwijderd.
Anaërobe ademhaling
Anaërobe ademhaling, gevonden in sommige prokaryoten, gebruikt een elektronentransportketen, net als aërobe ademhaling, maar in plaats van zuurstof te gebruiken als een terminale elektronenacceptor, worden andere elementen gebruikt. Deze alternatieve receptoren zijn onder andere nitraat, sulfaat, zwavel, kooldioxide en andere moleculen. Deze processen leveren een belangrijke bijdrage aan de nutriëntencyclus in bodems, en stellen deze organismen in staat om gebieden te koloniseren die onbewoonbaar zijn voor andere organismen. Deze organismen kunnen verplichte anaëroben zijn, die deze processen alleen kunnen uitvoeren in afwezigheid van zuurstof, of facultatieve anaëroben, die energie kunnen produceren in aanwezigheid of afwezigheid van zuurstof. Anaërobe ademhaling produceert minder energie dan aërobe ademhaling, omdat deze alternatieve elektronenacceptoren niet zo efficiënt zijn als zuurstof.
Fotosynthese
In tegenstelling tot de verschillende cellulaire ademhalingsroutes, wordt fotosynthese gebruikt door planten, algen en sommige bacteriën om het voedsel te produceren dat nodig is voor het metabolisme. In planten vindt fotosynthese plaats in gespecialiseerde structuren die chloroplasten worden genoemd, terwijl fotosynthetische bacteriën doorgaans fotosynthese uitvoeren langs vliezige uitbreidingen van het plasmamembraan. Fotosynthese kan worden onderverdeeld in twee fasen: lichtafhankelijke reacties en lichtonafhankelijke reacties. Tijdens lichtafhankelijke reacties wordt lichtenergie gebruikt om elektronen die uit water worden verwijderd van energie te voorzien en een gradiënt van protonen te produceren, die op hun beurt hoogenergetische moleculen produceren die onafhankelijke lichtreacties voeden. Als elektronen uit watermoleculen worden getrokken, worden ze afgebroken tot zuurstof en protonen. Protonen dragen bij aan de protongradiënt, maar er komt zuurstof vrij. Tijdens onafhankelijke lichtreacties wordt de energie die tijdens lichtreacties wordt geproduceerd, gebruikt om suikermoleculen uit kooldioxide te produceren via een proces dat de Calvin-cyclus wordt genoemd. De Calvin-cyclus produceert één molecuul suiker voor elke zes moleculen koolstofdioxide. In combinatie met de watermoleculen die worden gebruikt in lichtafhankelijke reacties, is de algemene formule voor fotosynthese 6 H2O + 6 CO2 + licht -> C6H12O6 + 6 O2.