Aërobe ademhaling, anaërobe ademhaling en fermentatie zijn methoden waarmee levende cellen energie kunnen produceren uit voedselbronnen. Terwijl alle levende organismen een of meer van deze processen uitvoeren, is slechts een selecte groep organismen in staat om: fotosynthese waardoor ze voedsel kunnen produceren uit zonlicht. Maar zelfs in deze organismen is het voedsel geproduceerd door fotosynthese wordt omgezet in cellulaire energie door cellulaire ademhaling.
Een onderscheidend kenmerk van aërobe ademhaling in vergelijking met fermentatieroutes is de voorwaarde voor zuurstof en de veel hogere energieopbrengst per glucosemolecuul.
Glycolyse
Glycolyse is een universeel beginpad uitgevoerd in het cytoplasma van cellen voor het afbreken van glucose in chemische energie. De energie die vrijkomt uit elk glucosemolecuul wordt gebruikt om een fosfaat te hechten aan elk van de vier moleculen van adenosinedifosfaat (ADP) om twee moleculen adenosinetrifosfaat (ATP) en een extra molecule van NADH.
De energie die is opgeslagen in de fosfaatbinding wordt gebruikt in andere cellulaire reacties en wordt vaak beschouwd als de energie "valuta" van de cel. Omdat glycolyse echter de invoer van energie van twee ATP-moleculen vereist, is de netto-opbrengst van glycolyse slechts twee ATP-moleculen per glucosemolecuul. De glucose zelf wordt tijdens de glycolyse afgebroken tot pyruvaat.
Aërobe ademhaling
Aërobe ademhaling vindt plaats in mitochondriën in aanwezigheid van zuurstof en levert de meeste energie op voor organismen die in staat zijn tot het proces. Pyruvaat wordt naar de mitochondriën verplaatst en omgezet in acetyl CoA, dat vervolgens wordt gecombineerd met oxaalacetaat om citroenzuur te produceren in de eerste fase van de citroenzuur cyclus.
De daaropvolgende serie zet het citroenzuur terug in oxaalacetaat en produceert energiedragende moleculen samen met de manier genaamd NADH en FADH2.
Elke draai van de Krebs-cyclus kan één molecuul ATP produceren en nog eens 17 ATP-moleculen via de elektronentransportketen. Aangezien glycolyse twee moleculen pyruvaat oplevert voor gebruik in de Krebs-cyclus, is de totale opbrengst voor aerobe ademhaling is 36 ATP per molecuul glucose naast de twee ATP geproduceerd tijdens glycolyse.
De terminale acceptor voor de elektronen tijdens de elektronentransportketen is zuurstof.
Fermentatie
Niet te verwarren met anaërobe ademhalingfermentatie vindt plaats in afwezigheid van zuurstof in het cytoplasma van cellen en zet pyruvaat om in een afvalproduct om de energiedragende moleculen te produceren die nodig zijn om de glycolyse voort te zetten. Aangezien de enige energie die tijdens fermentatie wordt geproduceerd door glycolyse is, is de totale opbrengst per molecuul glucose twee ATP.
Hoewel de energieproductie aanzienlijk minder is dan bij aërobe ademhaling, maakt fermentatie het mogelijk dat de omzetting van brandstof in energie doorgaat in afwezigheid van zuurstof. Voorbeelden van fermentatie zijn onder meer melkzuurfermentatie bij mensen en andere dieren en ethanol fermentatie door gist. De afvalproducten worden ofwel gerecycleerd wanneer het organisme opnieuw een aerobe toestand binnengaat of verwijderd uit het organisme.
Anaërobe ademhaling
Gevonden in geselecteerde prokaryoten, maakt anaërobe ademhaling gebruik van een elektronentransportketen zoals aërobe ademhaling, maar in plaats van zuurstof als terminale elektronenacceptor te gebruiken, zijn andere elementen: gebruikt. Deze alternatieve acceptoren omvatten nitraat, sulfaat, zwavel, kooldioxide en andere moleculen.
Deze processen leveren een belangrijke bijdrage aan de kringloop van voedingsstoffen in de bodem en zorgen ervoor dat deze organismen gebieden kunnen koloniseren die niet door andere organismen kunnen worden bewoond.
Fotosynthese
In tegenstelling tot de verschillende cellulaire ademhalingswegen, wordt fotosynthese door planten, algen en sommige bacteriën gebruikt 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 typisch fotosynthese uitvoeren langs vliezige verlengingen van het plasmamembraan.
Fotosynthese kan worden onderverdeeld in twee fasen: de lichtafhankelijke reacties en de lichtonafhankelijke reacties.
Tijdens de lichtafhankelijke reacties, wordt lichtenergie gebruikt om elektronen te activeren die uit water zijn verwijderd en om a. te produceren proton gradiënt dat op zijn beurt hoogenergetische moleculen produceert die de lichtonafhankelijke reacties voeden. Terwijl de elektronen van watermoleculen worden ontdaan, worden de watermoleculen afgebroken tot zuurstof en protonen.
De protonen dragen bij aan de protongradiënt maar de zuurstof komt vrij. Tijdens de lichtonafhankelijke reacties wordt de energie die wordt geproduceerd tijdens de lichtreacties gebruikt om suikermoleculen te produceren uit koolstofdioxide via een proces dat de Calvin-cyclus.
De Calvin-cyclus produceert één suikermolecuul voor elke zes moleculen koolstofdioxide. Gecombineerd met de watermoleculen die worden gebruikt in de lichtafhankelijke reacties, is de algemene formule voor fotosynthese: 6 H2O + 6 CO2 + licht → C6H12O6 + 6 O2.