เนื้อหา
การหายใจแบบแอโรบิคการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนและการหมักเป็นวิธีการที่เซลล์ของสิ่งมีชีวิตจะผลิตพลังงานจากแหล่งอาหาร ในขณะที่สิ่งมีชีวิตทั้งหมดทำกระบวนการเหล่านี้อย่างน้อยหนึ่งกระบวนการเพื่อผลิตพลังงาน แต่มีเพียงกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่เลือกเท่านั้นที่สามารถผลิตอาหารโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงจากแสงแดด อย่างไรก็ตามแม้ในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้อาหารที่ผลิตขึ้นจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานของเซลล์โดยผ่านการหายใจระดับเซลล์ คุณลักษณะที่โดดเด่นของการหายใจแบบแอโรบิคผ่านเส้นทางการหมักคือข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับออกซิเจนและผลผลิตพลังงานต่อโมเลกุลของกลูโคสที่สูงขึ้นมาก การหมักและการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนมีส่วนร่วมในการขาดออกซิเจน แต่การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะใช้ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในการผลิตพลังงานเช่นเดียวกับการหายใจแบบแอโรบิคในขณะที่การหมักจะให้โมเลกุลที่จำเป็นสำหรับไกลโคไลซิสอย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องผลิตพลังงานใด ๆ เพิ่มเติม
ไกลโคไลซิส
Glycolysis เป็นวิถีสากลที่เริ่มต้นในไซโตพลาสซึมของเซลล์เพื่อสลายกลูโคสเป็นพลังงานเคมี พลังงานที่ปล่อยออกมาจากโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคสแต่ละโมเลกุลจะใช้ในการเชื่อมต่อฟอสเฟตกับโมเลกุลของอะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) แต่ละโมเลกุลเพื่อสร้างอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) สองโมเลกุลและโมเลกุล NADH เพิ่มเติม พลังงานที่เก็บไว้ในพันธะฟอสเฟตจะถูกใช้ในปฏิกิริยาของเซลล์อื่น ๆ และมักถือเป็นพลังงาน "สกุลเงิน" ของเซลล์ อย่างไรก็ตามเนื่องจากไกลโคไลซิสต้องการการจัดหาพลังงานจาก ATP สองโมเลกุลผลผลิตสุทธิของไกลโคไลซิสจึงเป็น ATP เพียงสองโมเลกุลของกลูโคสต่อโมเลกุลของกลูโคส กลูโคสจะถูกย่อยสลายระหว่างไกลโคไลซิสกลายเป็นไพรูเวต แหล่งที่มาของเชื้อเพลิงอื่น ๆ เช่นไขมันจะถูกเผาผลาญโดยกระบวนการอื่น ๆ ตัวอย่างเช่นกรดไขมันเกลียวในกรณีของกรดไขมันเพื่อผลิตโมเลกุลของเชื้อเพลิงที่สามารถเข้าสู่ทางเดินหายใจในจุดต่างๆระหว่างการหายใจ
การหายใจแบบแอโรบิค
การหายใจแบบแอโรบิคเกิดขึ้นเมื่อมีออกซิเจนและผลิตพลังงานส่วนใหญ่ให้กับสิ่งมีชีวิตที่ทำกระบวนการนี้ ในกระบวนการนี้ไพรูเวตที่ผลิตระหว่างไกลโคไลซิสจะถูกเปลี่ยนเป็นอะซิทิล - โคเอนไซม์เอ (acetyl-CoA) ก่อนเข้าสู่วงจรกรดซิตริกหรือที่เรียกว่าวัฏจักรเครบส์ Acetyl-CoA รวมกับ oxalacetate เพื่อผลิตกรดซิตริกในช่วงแรกของวัฏจักรกรดซิตริก ชุดที่ตามมาจะแปลงกรดซิตริกเป็นออกซาเลตเตตและผลิตพลังงานขนส่งสำหรับโมเลกุลที่เรียกว่า NADH และ FADH2 โมเลกุลของพลังงานเหล่านี้ถูกเปลี่ยนไปยังห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนหรือฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชั่นซึ่งจะผลิต ATP ส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นระหว่างการหายใจของเซลล์แบบแอโรบิค คาร์บอนไดออกไซด์ถูกผลิตเป็นของเสียในระหว่างวัฏจักร Krebs ในขณะที่ออกซาลาซีเตตที่เกิดจากรอบ Krebs หนึ่งรอบจะรวมกับ acetyl-CoA อื่นเพื่อเริ่มกระบวนการอีกครั้ง ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตเช่นพืชและสัตว์ทั้งวัฏจักร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนเกิดขึ้นในโครงสร้างพิเศษที่เรียกว่าไมโตคอนเดรียในขณะที่แบคทีเรียที่มีความสามารถในการหายใจแบบแอโรบิคจะดำเนินกระบวนการเหล่านี้ไปตามเมมเบรนในพลาสมาเนื่องจากไม่มี ออร์แกเนลล์เฉพาะทางที่พบในเซลล์ยูคาริโอต แต่ละรอบของวงจร Krebs สามารถผลิต guanine triphosphate (GTP) หนึ่งโมเลกุลซึ่งเปลี่ยนเป็น ATP ได้ง่ายและ ATP อีก 17 โมเลกุลผ่านห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน เนื่องจากไกลโคไลซิสให้โมเลกุลของไพรูเวทสองโมเลกุลเพื่อใช้ในวงจร Krebs ผลผลิตรวมสำหรับการหายใจแบบแอโรบิคคือ 36 ATP ต่อโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคสนอกเหนือจาก ATP ทั้งสองที่ผลิตระหว่างไกลโคไลซิส ตัวรับขั้วสำหรับอิเล็กตรอนในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนคือออกซิเจน
การหมัก
เพื่อไม่ให้สับสนกับการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนการหมักเกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนภายในไซโตพลาสซึมของเซลล์และเปลี่ยนไพรูเวตเป็นของเสียผลิตพลังงานเพื่อชาร์จโมเลกุลที่จำเป็นในการทำไกลโคไลซิสต่อไป เนื่องจากพลังงานถูกผลิตขึ้นในระหว่างการหมักผ่านไกลโคไลซิสเท่านั้นผลผลิตรวมต่อโมเลกุลของกลูโคสจึงเป็น ATP สองหน่วย แม้ว่าการผลิตพลังงานจะน้อยกว่าการหายใจแบบแอโรบิคอย่างมาก แต่การหมักยังช่วยให้การเปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นพลังงานดำเนินต่อไปได้ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน ตัวอย่างของการหมัก ได้แก่ การหมักกรดแลคติกในคนและสัตว์อื่น ๆ และการหมักเอทานอลด้วยยีสต์ ของเสียจะถูกรีไซเคิลเมื่อสิ่งมีชีวิตเข้าสู่สถานะแอโรบิคอีกครั้งหรือถูกกำจัดออกจากสิ่งมีชีวิต
การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน
พบในโปรคาริโอตบางชนิดการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะใช้ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนเหมือนกับการหายใจแบบแอโรบิค แต่แทนที่จะใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนแบบเทอร์มินัลจะใช้องค์ประกอบอื่น ๆ แทน ตัวรับทางเลือกเหล่านี้ ได้แก่ ไนเตรตซัลเฟตซัลเฟอร์คาร์บอนไดออกไซด์และโมเลกุลอื่น ๆ กระบวนการเหล่านี้มีส่วนสำคัญต่อวัฏจักรของสารอาหารในดินและทำให้สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ตั้งรกรากในพื้นที่ที่สิ่งมีชีวิตอื่นไม่สามารถอาศัยอยู่ได้ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจนบังคับซึ่งสามารถดำเนินกระบวนการเหล่านี้ได้เฉพาะในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนหรือไม่ใช้ออกซิเจนทางปัญญาซึ่งสามารถผลิตพลังงานได้เมื่อมีหรือไม่มีออกซิเจน การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนให้พลังงานน้อยกว่าการหายใจแบบแอโรบิคเนื่องจากตัวรับอิเล็กตรอนทางเลือกเหล่านี้ไม่มีประสิทธิภาพเท่ากับออกซิเจน
การสังเคราะห์ด้วยแสง
ซึ่งแตกต่างจากวิถีการหายใจของเซลล์ต่างๆการสังเคราะห์ด้วยแสงจะใช้โดยพืชสาหร่ายและแบคทีเรียบางชนิดเพื่อผลิตอาหารที่จำเป็นสำหรับการเผาผลาญ ในพืชการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นในโครงสร้างเฉพาะที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ในขณะที่แบคทีเรียสังเคราะห์แสงโดยทั่วไปจะทำการสังเคราะห์ด้วยแสงตามส่วนขยายของเยื่อหุ้มของเยื่อหุ้มพลาสมา การสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถแบ่งออกเป็น 2 ขั้นตอน ได้แก่ ปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงและปฏิกิริยาที่ไม่ขึ้นกับแสง ในระหว่างปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงพลังงานแสงจะถูกใช้เพื่อให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนที่ถูกดึงออกจากน้ำและทำให้เกิดการไล่ระดับของโปรตอนซึ่งจะทำให้เกิดโมเลกุลพลังงานสูงที่เป็นเชื้อเพลิงให้เกิดปฏิกิริยาแสงที่เป็นอิสระ เมื่ออิเล็กตรอนถูกดึงออกจากโมเลกุลของน้ำพวกมันจะถูกแยกออกเป็นออกซิเจนและโปรตอน โปรตอนมีส่วนทำให้โปรตอนไล่ระดับ แต่ออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมา ในระหว่างปฏิกิริยาแสงอิสระพลังงานที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาแสงจะถูกใช้เพื่อผลิตโมเลกุลของน้ำตาลจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าวัฏจักรคาลวิน วัฏจักรคาลวินผลิตน้ำตาลหนึ่งโมเลกุลสำหรับทุกๆหกโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ เมื่อรวมกับโมเลกุลของน้ำที่ใช้ในปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงสูตรทั่วไปสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงคือ 6 H2O + 6 CO2 + light -> C6H12O6 + 6 O2