Aerobe Atmung, anaerobe Atmung und Fermentation sind Methoden für lebende Zellen, um Energie aus Nahrungsquellen zu gewinnen. Während alle lebenden Organismen einen oder mehrere dieser Prozesse durchführen, ist nur eine ausgewählte Gruppe von Organismen dazu in der Lage Photosynthese die es ihnen ermöglicht, aus Sonnenlicht Nahrung zu produzieren. Aber auch in diesen Organismen ist die Nahrung durch Photosynthese hergestellt wird durch die Zellatmung in Zellenergie umgewandelt.
Ein Unterscheidungsmerkmal der aeroben Atmung gegenüber Fermentationswegen ist die Voraussetzung für Sauerstoff und die deutlich höhere Energieausbeute pro Molekül Glucose.
Glykolyse
Die Glykolyse ist ein universeller Anfangsweg im Zytoplasma von Zellen zum Abbau von Glukose in chemische Energie durchgeführt. Die Energie, die von jedem Glucosemolekül freigesetzt wird, wird verwendet, um ein Phosphat an jedes der vier Moleküle zu binden Adenosindiphosphat (ADP) zur Herstellung von zwei Molekülen Adenosintriphosphat (ATP) und einem zusätzlichen Molekül NADH.
Die in der Phosphatbindung gespeicherte Energie wird bei anderen zellulären Reaktionen genutzt und wird oft als Energie-„Währung“ der Zelle angesehen. Da die Glykolyse jedoch den Energieeintrag von zwei ATP-Molekülen erfordert, beträgt die Nettoausbeute der Glykolyse nur zwei Moleküle ATP pro Glukosemolekül. Die Glucose selbst wird während der Glykolyse zu Pyruvat abgebaut.
Aerobe Atmung
Die aerobe Atmung erfolgt in Mitochondrien in Gegenwart von Sauerstoff und liefert den Großteil der Energie für prozessfähige Organismen. Pyruvat wird in die Mitochondrien transportiert und in Acetyl-CoA umgewandelt, das dann mit Oxalacetat kombiniert wird, um in der ersten Stufe der Zitronensäure Zitronensäure zu produzieren Zitronensäurezyklus.
Die folgende Serie wandelt die Zitronensäure wieder in Oxalacetat um und produziert energietragende Moleküle zusammen mit NADH und FADH2.
Jede Runde des Krebs-Zyklus ist in der Lage, ein Molekül ATP und weitere 17 Moleküle ATP durch die Elektronentransportkette zu produzieren. Da die Glykolyse zwei Moleküle Pyruvat zur Verwendung im Krebs-Zyklus ergibt, beträgt die Gesamtausbeute für Die aerobe Atmung beträgt 36 ATP pro Glukosemolekül zusätzlich zu den zwei ATP, die während der Glykolyse.
Der terminale Akzeptor für die Elektronen während der Elektronentransportkette ist Sauerstoff.
Fermentation
Nicht zu verwechseln mit anaerobe Atmung, erfolgt die Fermentation in Abwesenheit von Sauerstoff im Zytoplasma der Zellen und wandelt Pyruvat in ein Abfallprodukt um, um die energietragenden Moleküle zu produzieren, die für die Fortsetzung der Glykolyse benötigt werden. Da während der Fermentation nur Energie durch Glykolyse erzeugt wird, beträgt die Gesamtausbeute pro Glukosemolekül zwei ATP.
Während die Energieproduktion wesentlich geringer ist als bei der aeroben Atmung, ermöglicht die Fermentation die Umwandlung von Kraftstoff in Energie in Abwesenheit von Sauerstoff. Beispiele für die Fermentation umfassen Milchsäurefermentation bei Menschen und anderen Tieren und Ethanol-Fermentation durch Hefe. Die Abfallprodukte werden entweder recycelt, wenn der Organismus wieder in einen aeroben Zustand eintritt, oder aus dem Organismus entfernt.
Anaerobe Atmung
Die anaerobe Atmung kommt in ausgewählten Prokaryoten vor und nutzt eine Elektronentransportkette ähnlich wie much aerobe Atmung, aber anstatt Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor zu verwenden, sind andere Elemente benutzt. Diese alternativen Akzeptoren umfassen Nitrat, Sulfat, Schwefel, Kohlendioxid und andere Moleküle.
Diese Prozesse tragen wesentlich zum Nährstoffkreislauf in Böden bei und ermöglichen es diesen Organismen, Gebiete zu besiedeln, die von anderen Organismen unbewohnbar sind.
Photosynthese
Im Gegensatz zu den verschiedenen Zellatmungswegen wird die Photosynthese von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien genutzt, um die für den Stoffwechsel notwendige Nahrung zu produzieren. In Pflanzen findet die Photosynthese in spezialisierten Strukturen statt, die Chloroplasten genannt werden, während photosynthetische Bakterien typischerweise Photosynthese entlang membranöser Erweiterungen der Plasmamembran durchführen.
Die Photosynthese kann in zwei Phasen unterteilt werden: die lichtabhängige Reaktionen und der lichtunabhängige Reaktionen.
Während der lichtabhängige Reaktionen, Lichtenergie wird verwendet, um aus dem Wasser entfernte Elektronen zu energetisieren und a Protonengradient das wiederum erzeugt hochenergetische Moleküle, die die lichtunabhängigen Reaktionen antreiben. Wenn die Elektronen von den Wassermolekülen abgezogen werden, werden die Wassermoleküle in Sauerstoff und Protonen zerlegt.
Die Protonen tragen zum Protonengradienten bei, aber der Sauerstoff wird freigesetzt. Bei den lichtunabhängigen Reaktionen wird die bei den Lichtreaktionen erzeugte Energie verwendet, um durch einen Prozess namens. Zuckermoleküle aus Kohlendioxid herzustellen der Calvin-Zyklus.
Der Calvin-Zyklus produziert ein Molekül Zucker für jeweils sechs Moleküle Kohlendioxid. Zusammen mit den Wassermolekülen, die bei den lichtabhängigen Reaktionen verwendet werden, lautet die allgemeine Formel für die Photosynthese 6 Stunden2O + 6 CO2 + Licht → C6H12Ö6 + 6 O2.