La respirazione aerobica, la respirazione anaerobica e la fermentazione sono metodi con cui le cellule viventi producono energia da fonti di cibo. Mentre tutti gli organismi viventi conducono uno o più di questi processi, solo un gruppo selezionato di organismi è in grado di fotosintesi che consente loro di produrre cibo dalla luce solare. Tuttavia, anche in questi organismi, il cibo prodotto dalla fotosintesi viene convertita in energia cellulare attraverso la respirazione cellulare.
Una caratteristica distintiva della respirazione aerobica rispetto ai percorsi di fermentazione è il prerequisito per l'ossigeno e la resa molto più elevata di energia per molecola di glucosio.
glicolisi
La glicolisi è un percorso iniziale universale condotto nel citoplasma delle cellule per scomporre il glucosio in energia chimica. L'energia rilasciata da ciascuna molecola di glucosio viene utilizzata per attaccare un fosfato a ciascuna delle quattro molecole di adenosina difosfato (ADP) per produrre due molecole di adenosina trifosfato (ATP) e una molecola aggiuntiva di NADH.
L'energia immagazzinata nel legame fosfato viene utilizzata in altre reazioni cellulari ed è spesso considerata la "valuta" energetica della cellula. Tuttavia, poiché la glicolisi richiede l'apporto di energia da due molecole di ATP, il rendimento netto della glicolisi è solo di due molecole di ATP per molecola di glucosio. Il glucosio stesso viene scomposto in piruvato durante la glicolisi.
Respirazione aerobica
La respirazione aerobica si verifica nei mitocondri in presenza di ossigeno e fornisce la maggior parte dell'energia per gli organismi capaci del processo. Il piruvato viene spostato nei mitocondri e convertito in acetil CoA, che viene quindi combinato con ossalacetato per produrre acido citrico nella prima fase del ciclo dell'acido citrico.
La serie successiva converte l'acido citrico in ossalacetato e produce molecole che trasportano energia insieme a un modo chiamato NADH e FADH2.
Ogni giro del ciclo di Krebs è in grado di produrre una molecola di ATP e altre 17 molecole di ATP attraverso la catena di trasporto degli elettroni. Poiché la glicolisi produce due molecole di piruvato da utilizzare nel ciclo di Krebs, la resa totale per la respirazione aerobica è di 36 ATP per molecola di glucosio in aggiunta ai due ATP prodotti durante glicolisi.
L'accettore terminale per gli elettroni durante la catena di trasporto degli elettroni è l'ossigeno.
Fermentazione
Da non confondere con respirazione anaerobica, la fermentazione avviene in assenza di ossigeno all'interno del citoplasma delle cellule e converte il piruvato in un prodotto di scarto per produrre le molecole che trasportano l'energia necessarie per continuare la glicolisi. Poiché l'unica energia prodotta durante la fermentazione è attraverso la glicolisi, la resa totale per molecola di glucosio è di due ATP.
Mentre la produzione di energia è sostanzialmente inferiore alla respirazione aerobica, la fermentazione consente alla conversione del carburante in energia di continuare in assenza di ossigeno. Esempi di fermentazione includono la fermentazione dell'acido lattico nell'uomo e in altri animali e fermentazione di etanolo dal lievito. I prodotti di scarto vengono riciclati quando l'organismo rientra in uno stato aerobico o rimossi dall'organismo.
Respirazione anaerobica
Trovato in procarioti selezionati, la respirazione anaerobica utilizza una catena di trasporto degli elettroni tanto quanto respirazione aerobica ma invece di usare l'ossigeno come accettore terminale di elettroni, altri elementi sono Usato. Questi accettori alternativi includono nitrato, solfato, zolfo, anidride carbonica e altre molecole.
Questi processi contribuiscono in modo importante al ciclo dei nutrienti all'interno del suolo e consentono a questi organismi di colonizzare aree inabitabili da altri organismi.
Fotosintesi
A differenza delle varie vie di respirazione cellulare, la fotosintesi viene utilizzata da piante, alghe e alcuni batteri per produrre il cibo necessario per il metabolismo. Nelle piante, la fotosintesi avviene in strutture specializzate chiamate cloroplasti mentre i batteri fotosintetici effettuano tipicamente la fotosintesi lungo le estensioni membranose della membrana plasmatica.
La fotosintesi può essere suddivisa in due fasi: la reazioni dipendenti dalla luce e il reazioni indipendenti dalla luce.
Durante reazioni dipendenti dalla luce, l'energia luminosa viene utilizzata per energizzare gli elettroni rimossi dall'acqua e produrre a gradiente protonico che a sua volta produce molecole ad alta energia che alimentano le reazioni indipendenti dalla luce. Quando gli elettroni vengono strappati dalle molecole d'acqua, le molecole d'acqua vengono scomposte in ossigeno e protoni.
I protoni contribuiscono al gradiente protonico ma l'ossigeno viene rilasciato. Durante le reazioni indipendenti dalla luce, l'energia prodotta durante le reazioni alla luce viene utilizzata per produrre molecole di zucchero dall'anidride carbonica attraverso un processo chiamato il ciclo di Calvin.
Il ciclo di Calvin produce una molecola di zucchero ogni sei molecole di anidride carbonica. In combinazione con le molecole d'acqua utilizzate nelle reazioni dipendenti dalla luce, la formula generale per la fotosintesi è 6 H2O + 6 CO2 + luce → Do6H12oh6 + 6 O2.