Sisu
Aeroobne hingamine, anaeroobne hingamine ja kääritamine on meetodid, kuidas elusrakud toota energiaallikatest. Kui kõik elusorganismid teevad energia tootmiseks ühte või mitut neist protsessidest, on päikesevalgusest fotosünteesi abil toitu toota vaid valitud organismide rühm. Kuid isegi nendes organismides muundatakse toodetud toit raku hingamiseks raku energiaks. Fermentatsiooniteede kaudu toimuva aeroobse hingamise eripära on hapniku eeltingimus ja palju suurem energia saagis glükoosi molekuli kohta. Fermentatsioonil ja anaeroobsel hingamisel on hapniku puudumine ühine, kuid anaeroobne hingamine kasutab energia tootmiseks elektroni transpordiahelat, täpselt nagu aeroobne hingamine, samal ajal kui kääritamine annab lihtsalt glükolüüsi jätkamiseks vajalikud molekulid ilma energia tootmiseta. lisaks.
Glükolüüs
Glükolüüs on rakkude tsütoplasmas algatatud universaalne rada glükoosi lagundamiseks keemiliseks energiaks. Igast glükoosimolekulist eralduvat energiat kasutatakse fosfaadi ühendamiseks kõigi nelja adenosiindifosfaadi (ADP) molekuliga, et saada kaks adenosiinitrifosfaadi (ATP) molekuli ja täiendav NADH molekul. Fosfaatsidemesse salvestatud energiat kasutatakse teistes rakulistes reaktsioonides ja seda peetakse sageli raku "valuuta" energiaks. Kuid kuna glükolüüs nõuab energia tarnimist kahest ATP molekulist, on glükolüüsi puhassaagis ainult kaks ATP molekuli glükoosi molekuli kohta. Glükoos ise laguneb glükolüüsi käigus, muutudes püruvaadiks. Muud kütuseallikad, näiteks rasvad, metaboliseeritakse muude protsesside kaudu, näiteks rasvhapete korral spiraalrasvhape, et saada kütuse molekule, mis võivad hingamise ajal hingamisteedesse siseneda erinevates punktides.
Aeroobne hingamine
Aeroobne hingamine toimub hapniku juuresolekul ja toodab suurema osa energiast seda protsessi tegevate organismide jaoks. Selles protsessis muundatakse glükolüüsi käigus tekkinud püruvaat atsetüül-koensüümiks A (atsetüül-CoA) enne sidrunhappetsüklisse sisenemist, mida nimetatakse ka Krebsi tsükliks. Atsetüül-CoA kombineeritakse oksalatsetaadiga sidrunhappe tootmiseks sidrunhappetsükli varases staadiumis. Järgnev seeria muundab sidrunhappe oksalatsetaadiks ja toodab NADH ja FADH2 molekulide jaoks transpordi energiat. Need energia molekulid suunatakse elektronide transportahelasse ehk oksüdatiivsesse fosforüülimisse, kus nad toodavad suurema osa Aeroobse rakuhingamise käigus tekkivast ATP-st. Süsinikdioksiid tekib jääkproduktina Krebsi tsükli ajal, samal ajal kui Krebsi tsükli ühe vooru käigus tekkinud oksalatsetaat on protsessi taasalustamiseks ühendatud teise atsetüül-CoA-ga. Eukarüootsetes organismides, näiteks taimedes ja loomades, esinevad nii Krebsi tsükkel kui ka elektronide transpordiahel spetsiaalses struktuuris, mida nimetatakse mitokondriteks, samal ajal kui aeroobseks hingamiseks võimelised bakterid juhivad neid protsesse mööda plasmamembraani, kuna neil puudub eukarüootsetes rakkudes leiduvad spetsialiseerunud organellid. Krebsi tsükli iga pööre on võimeline tootma ühe guaniinitrifosfaadi (GTP) molekuli, mis on kergesti muundatav ATP-ks, ja lisaks 17 ATP molekuli elektrontranspordiahela kaudu. Kuna glükolüüs annab Krebsi tsüklis kasutamiseks kaks püruvaadi molekuli, on aeroobse hingamise kogusaagis 36 ATP glükoosi molekuli kohta, lisaks glükolüüsi käigus tekkinud kahele ATP-le. Elektroonide terminali aktseptor elektronide transpordiahelas on hapnik.
Kääritamine
Seda ei tohi segi ajada anaeroobse hingamisega, kuid fermentatsioon toimub hapniku puudumisel rakkude tsütoplasmas ja muundab püruvaadi jääkaineks, tootes energiat glükolüüsi jätkamiseks vajalike molekulide laadimiseks. Kuna energiat toodetakse ainult kääritamisel glükolüüsi teel, on glükoosi molekuli kogusaagis kaks ATP. Ehkki energiatootmine on oluliselt väiksem kui aeroobne hingamine, võimaldab kääritamine hapniku puudumisel kütuse muundamist energiaks jätkuda. Fermentatsiooni näited hõlmavad piimhappe fermentatsiooni inimestel ja teistel loomadel ning etanooli fermenteerimist pärmi abil. Jäätmed taaskasutatakse siis, kui organism satub uuesti aeroobsesse olekusse või eemaldatakse organismist.
Anaeroobne hingamine
Mõnedes prokarüootides leitakse, et anaeroobne hingamine kasutab elektroni transpordiahelat nagu aeroobne hingamine, kuid selle asemel, et kasutada hapnikku terminaalse elektronide aktseptorina, kasutatakse muid elemente. Nende alternatiivsete retseptorite hulka kuuluvad nitraat, sulfaat, väävel, süsinikdioksiid ja muud molekulid. Need protsessid aitavad olulisel määral kaasa toitainete ringlusele mullas ning võimaldavad neil organismidel koloniseerida teiste organismide jaoks elamiskõlbmatud alad. Need organismid võivad olla kohustuslikud anaeroobid, mis suudavad neid protsesse läbi viia ainult hapniku puudumisel, või fakultatiivsed anaeroobid, mis suudavad hapniku juuresolekul või puudumisel energiat toota. Anaeroobne hingamine toodab vähem energiat kui aeroobne hingamine, kuna need alternatiivsed elektronide aktseptorid pole nii tõhusad kui hapnik.
Fotosüntees
Erinevalt rakulistest hingamisteedest kasutavad taimed, vetikad ja mõned bakterid fotosünteesi ainevahetuseks vajaliku toidu tootmiseks. Taimedes toimub fotosüntees spetsiaalsetes struktuurides, mida nimetatakse kloroplastideks, samal ajal kui fotosünteesivad bakterid teostavad fotosünteesi tavaliselt plasmamembraani membraanipikendustes. Fotosünteesi võib jagada kaheks etapiks: valgusest sõltuvad reaktsioonid ja valgusest sõltumatud reaktsioonid. Valgusest sõltuvate reaktsioonide ajal kasutatakse valgusenergiat veest eemaldatud elektronide energiat andmiseks ja prootonite gradiendi tootmiseks, mis omakorda toodavad suure energiaga molekule, mis toidavad sõltumatuid valgusreaktsioone. Kui elektronid veemolekulidest välja tõmmatakse, lagunevad nad hapnikuks ja prootoniteks. Prootonid aitavad kaasa prootonigradientile, kuid hapnik vabaneb. Sõltumatute valgusreaktsioonide ajal kasutatakse valgusreaktsioonide käigus toodetud energiat Calvini tsükli protsessis süsinikdioksiidist suhkrumolekulide tootmiseks. Calvini tsükkel toodab ühe suhkru molekuli iga kuue süsinikdioksiidi molekuli kohta. Koos valgust sõltuvates reaktsioonides kasutatavate veemolekulidega on fotosünteesi üldvalemiks 6 H2O + 6 CO2 + valgus -> C6H12O6 + 6 O2.