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La respirazione aerobica, la respirazione anaerobica e la fermentazione sono i metodi con cui le cellule viventi producono energia da fonti alimentari. Sebbene tutti gli organismi viventi eseguano uno o più di questi processi per la produzione di energia, solo un gruppo selezionato di organismi è in grado di produrre cibo mediante la fotosintesi dalla luce solare. Tuttavia, anche in questi organismi, il cibo prodotto viene convertito in energia cellulare, attraverso la respirazione cellulare. Una caratteristica distintiva della respirazione aerobica attraverso le vie fermentative è il prerequisito per l'ossigeno e una resa energetica molto più elevata per molecola di glucosio. La fermentazione e la respirazione anaerobica condividono l'assenza di ossigeno, ma la respirazione anaerobica utilizza una catena di trasporto di elettroni per la produzione di energia, proprio come la respirazione aerobica, mentre la fermentazione fornisce semplicemente le molecole necessarie per la glicolisi continua, senza alcuna produzione di energia. aggiuntivo.
Glicolisi
La glicolisi è un percorso universale avviato nel citoplasma delle cellule per scomporre il glucosio in energia chimica. L'energia rilasciata da ciascuna molecola di glucosio viene utilizzata per collegare un fosfato a ciascuna delle quattro molecole di adenosina difosfato (ADP) per produrre due molecole di adenosina trifosfato (ATP) e un'ulteriore molecola di NADH. L'energia immagazzinata nel legame fosfato viene utilizzata in altre reazioni cellulari ed è spesso considerata l'energia "valuta" della cellula. Tuttavia, poiché la glicolisi richiede l'apporto di energia da due molecole di ATP, la resa netta di glicolisi è solo di due molecole di ATP per molecola di glucosio. Il glucosio stesso viene scomposto durante la glicolisi, diventando piruvato. Altre fonti di carburante, come i grassi, vengono metabolizzate attraverso altri processi, ad esempio l'acido grasso a spirale, nel caso degli acidi grassi, per produrre molecole di carburante che possono entrare nelle vie aeree in vari punti durante la respirazione.
Respirazione aerobica
La respirazione aerobica avviene in presenza di ossigeno e produce la maggior parte dell'energia per gli organismi che eseguono questo processo. In questo processo, il piruvato prodotto durante la glicolisi viene convertito in acetil-coenzima A (acetil-CoA) prima di entrare nel ciclo dell'acido citrico, noto anche come ciclo di Krebs. L'acetil-CoA è combinato con l'ossalacetato per produrre acido citrico nella fase iniziale del ciclo dell'acido citrico. La serie successiva converte l'acido citrico in ossalacetato e produce energia di trasporto per molecole chiamate NADH e FADH2. Queste molecole di energia vengono deviate alla catena di trasporto degli elettroni, o fosforilazione ossidativa, dove producono la maggior parte dell'ATP prodotto durante la respirazione cellulare aerobica. L'anidride carbonica viene prodotta come prodotto di scarto durante il ciclo di Krebs, mentre l'ossalacetato prodotto da un round del ciclo di Krebs viene combinato con un altro acetil-CoA per ricominciare il processo. Negli organismi eucarioti, come piante e animali, sia il ciclo di Krebs che la catena di trasporto degli elettroni si verificano in una struttura specializzata chiamata mitocondri mentre i batteri capaci di respirazione aerobica conducono questi processi lungo la membrana plasmatica, poiché non hanno il organelli specializzati trovati nelle cellule eucariotiche. Ogni turno del ciclo di Krebs è in grado di produrre una molecola di guanina trifosfato (GTP), che viene facilmente convertita in 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, oltre ai due ATP prodotti durante la glicolisi. L'accettore terminale per gli elettroni durante la catena di trasporto degli elettroni è l'ossigeno.
Fermentazione
Da non confondere con la respirazione anaerobica, la fermentazione avviene in assenza di ossigeno all'interno del citoplasma delle cellule e converte il piruvato in un prodotto di scarto, producendo energia per caricare le molecole necessarie per continuare la glicolisi. Poiché l'energia viene prodotta solo durante la fermentazione attraverso la glicolisi, la resa totale per molecola di glucosio è di due ATP. Sebbene la produzione di energia sia sostanzialmente inferiore alla respirazione aerobica, la fermentazione consente di continuare la conversione del carburante in energia in assenza di ossigeno. Esempi di fermentazione includono la fermentazione dell'acido lattico, nell'uomo e in altri animali, e la fermentazione dell'etanolo mediante lievito. I rifiuti vengono riciclati quando l'organismo entra di nuovo in uno stato aerobico o viene rimosso dall'organismo.
Respirazione anaerobica
Trovato in alcuni procarioti, la respirazione anaerobica utilizza una catena di trasporto degli elettroni proprio come la respirazione aerobica, ma invece di utilizzare l'ossigeno come accettore di elettroni terminale, vengono utilizzati altri elementi. Questi recettori alternativi includono nitrato, solfato, zolfo, anidride carbonica e altre molecole. Questi processi contribuiscono in modo importante al ciclo dei nutrienti nei suoli, oltre a consentire a questi organismi di colonizzare aree inabitabili da altri organismi. Questi organismi possono essere anaerobi obbligatori, in grado di svolgere questi processi solo in assenza di ossigeno, oppure anaerobi facoltativi, in grado di produrre energia in presenza o assenza di ossigeno. La respirazione anaerobica produce meno energia della respirazione aerobica, perché questi accettori di elettroni alternativi non sono efficienti come l'ossigeno.
Fotosintesi
A differenza delle varie vie respiratorie cellulari, la fotosintesi viene utilizzata da piante, alghe e alcuni batteri per produrre il cibo necessario al metabolismo. Nelle piante, la fotosintesi si verifica in strutture specializzate chiamate cloroplasti, mentre i batteri fotosintetici eseguono tipicamente la fotosintesi lungo estensioni membranose della membrana plasmatica. La fotosintesi può essere suddivisa in due fasi: reazioni dipendenti dalla luce e reazioni indipendenti dalla luce. Durante le reazioni dipendenti dalla luce, l'energia luminosa viene utilizzata per energizzare gli elettroni rimossi dall'acqua e produrre un gradiente di protoni, che a loro volta producono molecole ad alta energia che alimentano reazioni luminose indipendenti. Quando gli elettroni vengono estratti dalle molecole d'acqua, vengono scomposti in ossigeno e protoni. I protoni contribuiscono al gradiente protonico, ma l'ossigeno viene rilasciato. Durante le reazioni alla luce indipendenti, l'energia prodotta durante le reazioni alla luce viene utilizzata per produrre molecole di zucchero dall'anidride carbonica attraverso un processo chiamato ciclo di Calvin. Il ciclo di Calvin produce una molecola di zucchero ogni sei molecole di anidride carbonica. Combinata con le molecole d'acqua utilizzate nelle reazioni dipendenti dalla luce, la formula generale per la fotosintesi è 6 H2O + 6 CO2 + luce -> C6H12O6 + 6 O2.