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Aerobe Atmung, anaerobe Atmung und Fermentation sind die Methoden für lebende Zellen, um Energie aus Nahrungsquellen zu produzieren. Während alle lebenden Organismen einen oder mehrere dieser Prozesse zur Energieerzeugung ausführen, kann nur eine ausgewählte Gruppe von Organismen durch Photosynthese aus Sonnenlicht Lebensmittel produzieren. Selbst in diesen Organismen wird das produzierte Lebensmittel durch Zellatmung in zelluläre Energie umgewandelt. Ein charakteristisches Merkmal der aeroben Atmung über Fermentationswege ist die Voraussetzung für Sauerstoff und eine viel höhere Energieausbeute pro Glucosemolekül. Fermentation und anaerobe Atmung teilen sich die Abwesenheit von Sauerstoff, aber anaerobe Atmung verwendet eine Elektronentransportkette zur Energieerzeugung, genau wie aerobe Atmung, während Fermentation einfach die Moleküle liefert, die für die fortgesetzte Glykolyse erforderlich sind, ohne Energie zu erzeugen. zusätzlich.
Glykolyse
Die Glykolyse ist ein universeller Weg, der im Zytoplasma von Zellen eingeleitet wird, um Glukose in chemische Energie umzuwandeln. Die von jedem Glucosemolekül freigesetzte Energie wird verwendet, um ein Phosphat mit jedem der vier Adenosindiphosphat (ADP) -Moleküle zu verbinden, um zwei Moleküle Adenosintriphosphat (ATP) und ein zusätzliches NADH-Molekül herzustellen. Die in der Phosphatbindung gespeicherte Energie wird in anderen zellulären Reaktionen verwendet und wird oft als "Währungsenergie" der Zelle angesehen. Da die Glykolyse jedoch die Zufuhr von Energie aus zwei ATP-Molekülen erfordert, beträgt die Nettoausbeute der Glykolyse nur zwei ATP-Moleküle pro Glukosemolekül. Die Glukose selbst wird während der Glykolyse abgebaut und zu Pyruvat. Andere Kraftstoffquellen wie Fette werden durch andere Prozesse metabolisiert, beispielsweise Spiralfettsäuren im Fall von Fettsäuren, um Kraftstoffmoleküle zu erzeugen, die an verschiedenen Stellen während des Atmens in die Atemwege gelangen können.
Aerobe Atmung
Die aerobe Atmung erfolgt in Gegenwart von Sauerstoff und erzeugt den größten Teil der Energie für Organismen, die diesen Prozess ausführen. Bei diesem Verfahren wird das während der Glykolyse entstehende Pyruvat vor dem Eintritt in den Zitronensäurezyklus, auch als Krebszyklus bekannt, in Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) umgewandelt. Acetyl-CoA wird mit Oxalacetat kombiniert, um im frühen Stadium des Zitronensäurezyklus Zitronensäure zu produzieren. Die folgende Reihe wandelt Zitronensäure in Oxalacetat um und erzeugt Transportenergie für Moleküle namens NADH und FADH2. Diese Energiemoleküle werden zur Elektronentransportkette oder zur oxidativen Phosphorylierung umgeleitet, wo sie den größten Teil des ATP produzieren, das während der aeroben Zellatmung entsteht. Während des Krebszyklus entsteht Kohlendioxid als Abfallprodukt, während das in einer Runde des Krebszyklus erzeugte Oxalacetat mit einem anderen Acetyl-CoA kombiniert wird, um den Prozess erneut zu starten. In eukaryotischen Organismen wie Pflanzen und Tieren treten sowohl der Krebszyklus als auch die Elektronentransportkette in einer speziellen Struktur auf, die Mitochondrien genannt wird, während Bakterien, die zur aeroben Atmung fähig sind, diese Prozesse entlang der Plasmamembran durchführen, da sie keine haben spezialisierte Organellen in eukaryotischen Zellen gefunden. Jede Umdrehung des Krebszyklus kann ein Molekül Guanintriphosphat (GTP), das leicht in ATP umgewandelt werden kann, und weitere 17 Moleküle ATP über die Elektronentransportkette produzieren. Da die Glykolyse zwei Pyruvatmoleküle zur Verwendung im Krebszyklus ergibt, beträgt die Gesamtausbeute für die aerobe Atmung 36 ATP pro Glucosemolekül zusätzlich zu den beiden während der Glykolyse erzeugten ATP. Der terminale Akzeptor für Elektronen während der Elektronentransportkette ist Sauerstoff.
Fermentation
Nicht zu verwechseln mit anaerober Atmung. Die Fermentation erfolgt in Abwesenheit von Sauerstoff im Zytoplasma der Zellen und wandelt Pyruvat in ein Abfallprodukt um, wodurch Energie erzeugt wird, um die zur Fortsetzung der Glykolyse erforderlichen Moleküle aufzuladen. Da Energie nur während der Fermentation durch Glykolyse erzeugt wird, beträgt die Gesamtausbeute pro Glucosemolekül zwei ATP. Obwohl die Energieerzeugung wesentlich geringer ist als die aerobe Atmung, ermöglicht die Fermentation, dass die Umwandlung von Kraftstoff in Energie ohne Sauerstoff fortgesetzt wird. Beispiele für die Fermentation umfassen die Fermentation von Milchsäure bei Menschen und anderen Tieren und die Fermentation von Ethanol durch Hefe. Abfall wird recycelt, wenn der Organismus wieder in einen aeroben Zustand übergeht oder aus dem Organismus entfernt wird.
Anaerobe Atmung
Bei einigen Prokaryoten wird bei der anaeroben Atmung wie bei der aeroben Atmung eine Elektronentransportkette verwendet. Statt Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor zu verwenden, werden andere Elemente verwendet. Diese alternativen Rezeptoren 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. Diese Organismen können obligatorische Anaerobier sein, die diese Prozesse nur in Abwesenheit von Sauerstoff ausführen können, oder fakultative Anaerobier, die in Gegenwart oder Abwesenheit von Sauerstoff Energie erzeugen können. Anaerobe Atmung produziert weniger Energie als aerobe Atmung, da diese alternativen Elektronenakzeptoren nicht so effizient sind wie Sauerstoff.
Photosynthese
Im Gegensatz zu den verschiedenen Zellatmungswegen wird die Photosynthese von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien genutzt, um die für den Stoffwechsel notwendigen Lebensmittel zu produzieren. In Pflanzen findet die Photosynthese in speziellen Strukturen statt, die als Chloroplasten bezeichnet werden, während photosynthetische Bakterien typischerweise eine Photosynthese entlang membranöser Verlängerungen der Plasmamembran durchführen. Die Photosynthese kann in zwei Stufen unterteilt werden: lichtabhängige Reaktionen und lichtunabhängige Reaktionen. Während lichtabhängiger Reaktionen wird Lichtenergie verwendet, um aus dem Wasser entfernte Elektronen anzuregen und einen Gradienten von Protonen zu erzeugen, die wiederum energiereiche Moleküle erzeugen, die unabhängige Lichtreaktionen befeuern. Wenn Elektronen aus Wassermolekülen herausgezogen werden, werden sie in Sauerstoff und Protonen zerlegt. Protonen tragen zum Protonengradienten bei, aber Sauerstoff wird freigesetzt. Bei unabhängigen Lichtreaktionen wird die bei Lichtreaktionen erzeugte Energie verwendet, um Zuckermoleküle aus Kohlendioxid durch einen als Calvin-Zyklus bezeichneten Prozess herzustellen. Der Calvin-Zyklus produziert ein Zuckermolekül pro sechs Kohlendioxidmoleküle. In Kombination mit den in lichtabhängigen Reaktionen verwendeten Wassermolekülen lautet die allgemeine Formel für die Photosynthese 6 H2O + 6 CO2 + Licht -> C6H12O6 + 6 O2.