التنفس الهوائي والتنفس اللاهوائي والتخمير هي طرق للخلايا الحية لإنتاج الطاقة من مصادر الغذاء. بينما تقوم جميع الكائنات الحية بواحدة أو أكثر من هذه العمليات ، إلا أن مجموعة مختارة فقط من الكائنات الحية قادرة على القيام بذلك البناء الضوئي مما يسمح لهم بإنتاج الطعام من ضوء الشمس. ومع ذلك ، حتى في هذه الكائنات ، الغذاء التي تنتجها عملية التمثيل الضوئي يتم تحويلها إلى طاقة خلوية من خلال التنفس الخلوي.
السمة المميزة للتنفس الهوائي مقارنة بمسارات التخمير هي الشرط الأساسي للأكسجين وإنتاجية أعلى بكثير من الطاقة لكل جزيء من الجلوكوز.
تحلل السكر
تحلل السكر هو مسار بداية عالمي أجريت في سيتوبلازم الخلايا لتحطيم الجلوكوز إلى طاقة كيميائية. يتم استخدام الطاقة المنبعثة من كل جزيء من الجلوكوز لربط الفوسفات بكل جزيء من أربعة جزيئات من ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) لإنتاج جزيئين من أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) وجزيء إضافي من NADH.
تُستخدم الطاقة المخزنة في رابطة الفوسفات في تفاعلات خلوية أخرى وغالبًا ما تُعتبر "عملة" طاقة الخلية. ومع ذلك ، نظرًا لأن تحلل السكر يتطلب إدخال الطاقة من جزيئين من ATP ، فإن العائد الصافي من تحلل السكر هو جزيئين فقط من ATP لكل جزيء من الجلوكوز. يتم تكسير الجلوكوز نفسه إلى بيروفات أثناء تحلل السكر.
التنفس الهوائي
يحدث التنفس الهوائي في الميتوكوندريا في وجود الأكسجين وينتج غالبية الطاقة للكائنات القادرة على هذه العملية. يتم نقل البيروفات إلى الميتوكوندريا وتحويلها إلى أسيتيل CoA ، والذي يتم دمجه بعد ذلك مع أوكسالأسيتات لإنتاج حامض الستريك في المرحلة الأولى من دورة حمض الستريك.
تقوم السلسلة اللاحقة بتحويل حمض الستريك مرة أخرى إلى oxaloacetate وتنتج جزيئات حاملة للطاقة جنبًا إلى جنب مع طريقة تسمى NADH و FADH2.
كل دورة من دورة كريبس قادرة على إنتاج جزيء واحد من ATP ، و 17 جزيءًا إضافيًا من ATP عبر سلسلة نقل الإلكترون. نظرًا لأن تحلل السكر ينتج جزيئين من البيروفات لاستخدامهما في دورة كريبس ، فإن الناتج الإجمالي لـ التنفس الهوائي هو 36 ATP لكل جزيء من الجلوكوز بالإضافة إلى اثنين من ATP المنتجة أثناء تحلل السكر.
المستقبل النهائي للإلكترونات أثناء سلسلة نقل الإلكترون هو الأكسجين.
التخمير
لا ينبغي الخلط بينه وبين التنفس اللاهوائييحدث التخمر في غياب الأكسجين داخل سيتوبلازم الخلايا ويحول البيروفات إلى نفايات لإنتاج الطاقة الحاملة للجزيئات اللازمة لمواصلة تحلل السكر. نظرًا لأن الطاقة الوحيدة التي يتم إنتاجها أثناء التخمير هي من خلال تحلل السكر ، فإن إجمالي العائد لكل جزيء من الجلوكوز هو اثنين من ATP.
في حين أن إنتاج الطاقة أقل بكثير من التنفس الهوائي ، فإن التخمير يسمح بتحويل الوقود إلى طاقة للاستمرار في غياب الأكسجين. تشمل أمثلة التخمير تخمير حمض اللاكتيك في البشر والحيوانات الأخرى و تخمير الإيثانول عن طريق الخميرة. يتم إعادة تدوير منتجات النفايات عندما يدخل الكائن مرة أخرى في حالة هوائية أو يتم إزالته من الكائن الحي.
التنفس اللاهوائي
يوجد في بدائيات النوى المختارة ، يستخدم التنفس اللاهوائي سلسلة نقل إلكترونية مثلها مثل التنفس الهوائي ولكن بدلاً من استخدام الأكسجين كمتقبل طرفي للإلكترون ، فإن العناصر الأخرى تكون كذلك تستخدم. تشتمل هذه المستقبلات البديلة على النترات ، والكبريتات ، والكبريت ، وثاني أكسيد الكربون والجزيئات الأخرى.
هذه العمليات هي مساهمات مهمة في تدوير المغذيات داخل التربة وكذلك السماح لهذه الكائنات باستعمار مناطق غير صالحة للسكن من قبل الكائنات الحية الأخرى.
البناء الضوئي
على عكس مسارات التنفس الخلوي المختلفة ، تستخدم النباتات والطحالب وبعض البكتيريا عملية التمثيل الضوئي لإنتاج الغذاء اللازم لعملية التمثيل الغذائي. في النباتات ، يحدث التمثيل الضوئي في هياكل متخصصة تسمى البلاستيدات الخضراء بينما تقوم بكتيريا التمثيل الضوئي عادةً بإجراء عملية التمثيل الضوئي على طول الامتدادات الغشائية لغشاء البلازما.
يمكن تقسيم التمثيل الضوئي إلى مرحلتين: ردود الفعل التي تعتمد على الضوء و ال تفاعلات الضوء المستقلة.
أثناء ال ردود الفعل التي تعتمد على الضوء، تستخدم الطاقة الضوئية لتنشيط الإلكترونات التي تمت إزالتها من الماء وإنتاج أ التدرج البروتوني وهذا بدوره ينتج جزيئات عالية الطاقة تغذي التفاعلات المستقلة للضوء. عندما يتم تجريد الإلكترونات من جزيئات الماء ، يتم تقسيم جزيئات الماء إلى أكسجين وبروتونات.
تساهم البروتونات في التدرج اللوني للبروتونات ولكن يتم إطلاق الأكسجين. أثناء التفاعلات المستقلة للضوء ، تُستخدم الطاقة المنتجة أثناء تفاعلات الضوء لإنتاج جزيئات السكر من ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية تسمى دورة كالفين.
تنتج دورة كالفين جزيءًا واحدًا من السكر لكل ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون. إلى جانب جزيئات الماء المستخدمة في التفاعلات المعتمدة على الضوء ، فإن الصيغة العامة لعملية التمثيل الضوئي هي 6 ح2O + 6 كو2 + ضوء → ج6ح12ا6 + 6 س2.