Oddychanie tlenowe, oddychanie beztlenowe i fermentacja to metody wytwarzania energii przez żywe komórki ze źródeł pożywienia. Podczas gdy wszystkie żywe organizmy przeprowadzają jeden lub więcej z tych procesów, tylko wybrana grupa organizmów jest zdolna do fotosynteza co pozwala im produkować żywność ze światła słonecznego. Jednak nawet w tych organizmach żywność produkowane przez fotosyntezę jest przekształcany w energię komórkową poprzez oddychanie komórkowe.
Cechą wyróżniającą oddychanie tlenowe w porównaniu ze szlakami fermentacyjnymi jest wymóg tlenu i znacznie wyższa wydajność energii na cząsteczkę glukozy.
Glikoliza
Glikoliza jest uniwersalną ścieżką początkową prowadzone w cytoplazmie komórek w celu rozbicia glukozy na energię chemiczną. Energia uwolniona z każdej cząsteczki glukozy jest wykorzystywana do przyłączenia fosforanu do każdej z czterech cząsteczek adenozynodifosforan (ADP) do produkcji dwóch cząsteczek adenozynotrójfosforanu (ATP) i dodatkowej cząsteczki NADH.
Energia zmagazynowana w wiązaniu fosforanowym jest wykorzystywana w innych reakcjach komórkowych i często jest uważana za „walutę” energetyczną komórki. Jednakże, ponieważ glikoliza wymaga wkładu energii z dwóch cząsteczek ATP, wydajność netto z glikolizy wynosi tylko dwie cząsteczki ATP na cząsteczkę glukozy. Sama glukoza jest rozkładana na pirogronian podczas glikolizy.
Oddychanie aerobowe
Oddychanie tlenowe zachodzi w mitochondriach w obecności tlenu i dostarcza większość energii organizmom zdolnym do tego procesu. Pirogronian jest przenoszony do mitochondriów i przekształcany w acetylo-CoA, który jest następnie łączony ze szczawiooctanem w celu wytworzenia kwasu cytrynowego w pierwszym etapie cykl kwasu cytrynowego.
Kolejna seria przekształca kwas cytrynowy z powrotem w szczawiooctan i wytwarza cząsteczki przenoszące energię wraz ze sposobem zwanym NADH i FADH2.
Każdy obrót cyklu Krebsa jest w stanie wytworzyć jedną cząsteczkę ATP i dodatkowe 17 cząsteczek ATP poprzez łańcuch transportu elektronów. Ponieważ glikoliza daje dwie cząsteczki pirogronianu do wykorzystania w cyklu Krebsa, całkowita wydajność dla oddychanie tlenowe wynosi 36 ATP na cząsteczkę glukozy oprócz dwóch ATP wytwarzanych podczas glikoliza.
Akceptorem końcowym dla elektronów w łańcuchu transportu elektronów jest tlen.
Fermentacja
Nie mylić z oddychanie beztlenowe, fermentacja zachodzi przy braku tlenu w cytoplazmie komórek i przekształca pirogronian w produkt odpadowy w celu wytworzenia cząsteczek przenoszących energię potrzebnych do kontynuowania glikolizy. Ponieważ jedyną energią wytwarzaną podczas fermentacji jest glikoliza, całkowita wydajność na cząsteczkę glukozy wynosi dwa ATP.
Podczas gdy produkcja energii jest znacznie mniejsza niż oddychanie tlenowe, fermentacja umożliwia konwersję paliwa w energię przy braku tlenu. Przykłady fermentacji obejmują fermentację kwasu mlekowego u ludzi i innych zwierząt oraz fermentacja etanolowa przez drożdże. Produkty odpadowe są albo poddawane recyklingowi, gdy organizm ponownie wejdzie w stan tlenowy, albo usuwane z organizmu.
Oddychanie beztlenowe
Oddychanie beztlenowe, występujące u wybranych prokariontów, wykorzystuje łańcuch transportu elektronów w takim stopniu, jak oddychanie tlenowe, ale zamiast używać tlenu jako końcowego akceptora elektronów, inne pierwiastki są używany. Te alternatywne akceptory obejmują azotan, siarczan, siarkę, dwutlenek węgla i inne cząsteczki.
Procesy te w istotny sposób przyczyniają się do obiegu składników odżywczych w glebie, a także umożliwiają tym organizmom kolonizację obszarów nienadających się do zamieszkania przez inne organizmy.
Fotosynteza
W przeciwieństwie do różnych szlaków oddychania komórkowego fotosynteza jest wykorzystywana przez rośliny, glony i niektóre bakterie do produkcji pożywienia potrzebnego do metabolizmu. W roślinach fotosynteza zachodzi w wyspecjalizowanych strukturach zwanych chloroplastami, podczas gdy bakterie fotosyntetyczne zazwyczaj przeprowadzają fotosyntezę wzdłuż błoniastych wypustek błony plazmatycznej.
Fotosyntezę można podzielić na dwa etapy: reakcje zależne od światła i reakcje niezależne od światła.
Podczas reakcje zależne od światła, energia świetlna jest wykorzystywana do energetyzowania elektronów usuniętych z wody i wytwarzania gradient protonu to z kolei wytwarza cząsteczki o wysokiej energii, które napędzają reakcje niezależne od światła. Gdy elektrony są usuwane z cząsteczek wody, cząsteczki wody rozkładają się na tlen i protony.
Protony przyczyniają się do gradientu protonów, ale uwalniany jest tlen. Podczas reakcji niezależnych od światła energia wytworzona podczas reakcji świetlnych jest wykorzystywana do wytwarzania cząsteczek cukru z dwutlenku węgla w procesie zwanym cykl Calvina.
Cykl Calvina wytwarza jedną cząsteczkę cukru na każde sześć cząsteczek dwutlenku węgla. W połączeniu z cząsteczkami wody używanymi w reakcjach zależnych od światła, ogólny wzór na fotosyntezę to 6 godz2O + 6 CO2 + światło → C6H12O6 + 6 O2.
