תוֹכֶן
נשימה אירובית, נשימה אנאירובית ותסיסה הן השיטות לתאים חיים לייצר אנרגיה ממקורות המזון. בעוד שכל האורגניזמים החיים עושים אחד או יותר מתהליכים אלה לייצור אנרגיה, רק קבוצה נבחרת של אורגניזמים מסוגלת לייצר מזון באמצעות פוטוסינתזה מאור השמש. עם זאת, גם באורגניזמים אלה, המזון המיוצר הופך לאנרגיה תאית, באמצעות נשימה תאית. מאפיין מובהק של נשימה אירובית דרך נתיבי תסיסה הוא התנאי לחמצן ותפוקת אנרגיה גבוהה בהרבה לכל מולקולת גלוקוז. תסיסה ונשימה אנאירובית חולקות את היעדר החמצן, אך הנשימה האנאירובית משתמשת בשרשרת הובלת אלקטרונים לייצור אנרגיה, ממש כמו נשימה אירובית, בעוד שהתסיסה פשוט מספקת את המולקולות הדרושות להמשך גליקוליזה, ללא כל ייצור אנרגיה. נוֹסָף.
גליקוליזה
גליקוליזה היא מסלול אוניברסלי שיוזם בציטופלזמה של תאים כדי לפרק את הגלוקוז לאנרגיה כימית. האנרגיה המשתחררת מכל מולקולת גלוקוז משמשת לחיבור פוספט לכל אחת מארבע מולקולות האדנוזין דיפוספט (ADP) כדי לייצר שתי מולקולות של אדנוזין טריפוספט (ATP) ומולקולת NADH נוספת. האנרגיה המאוחסנת בקשר הפוספט משמשת בתגובות תאיות אחרות ולעתים קרובות נחשבת לאנרגיית ה"מטבע "של התא. עם זאת, מכיוון שגליקוליזה דורשת אספקת אנרגיה משתי מולקולות של ATP, התשואה נטו של גליקוליזה היא רק שתי מולקולות של ATP לכל מולקולה של גלוקוז. הגלוקוז עצמו מתפרק במהלך הגליקוליזה, והופך לפירובט. מקורות דלק אחרים, כמו שומנים, עוברים חילוף חומרים בתהליכים אחרים, למשל, חומצת שומן ספירלית, במקרה של חומצות שומן, כדי לייצר מולקולות דלק שיכולות לחדור לדרכי הנשימה בנקודות שונות בזמן הנשימה.
נשימה אירובית
נשימה אירובית מתרחשת בנוכחות חמצן ומייצרת את מרבית האנרגיה לאורגניזמים שעושים את התהליך הזה. בתהליך זה, הפירובט המיוצר במהלך הגליקוליזה מומר לאצטיל-קואנזים A (אצטיל-קו-א) לפני הכניסה למחזור חומצת לימון, המכונה גם מחזור קרבס. Acetyl-CoA משולב עם oxalacetate כדי לייצר חומצת לימון בשלב מוקדם של מחזור חומצות לימון. הסדרה שלאחר מכן ממירה חומצת לימון לאוקסאלצטט ומייצרת אנרגיית תחבורה למולקולות הנקראות NADH ו- FADH2. מולקולות אנרגיה אלה מופנות לשרשרת הובלת האלקטרונים, או זרחון חמצוני, שם הן מייצרות את מרבית ה- ATP המיוצר במהלך נשימה תאית אירובית. פחמן דו חמצני מיוצר כמוצר פסולת במהלך מחזור קרבס, ואילו אוקסצטט המיוצר בסיבוב אחד של מחזור קרבס משולב עם אצטיל-CoA נוסף בכדי להתחיל את התהליך מחדש. באורגניזמים איקריוטיים, כמו צמחים ובעלי חיים, מחזור קרבס וגם שרשרת הובלת האלקטרונים מתרחשים במבנה מיוחד הנקרא מיטוכונדריה בעוד שחיידקים המסוגלים לנשימה אירובית מנהלים תהליכים אלה לאורך קרום הפלזמה, מכיוון שאין להם את אברונים מיוחדים שנמצאו בתאים אוקריוטיים. כל תור של מחזור קרבס מסוגל לייצר מולקולה אחת של גואנין טריפוספט (GTP), אשר מומרת בקלות ל- ATP, וכן 17 מולקולות נוספות של ATP דרך שרשרת הובלת האלקטרונים. מכיוון שגליקוליזה מניבה שתי מולקולות של פירובט לשימוש במחזור קרבס, התשואה הכוללת לנשימה אירובית היא 36 ATP למולקולת גלוקוז, בנוסף לשני ה- ATP המיוצרים במהלך הגליקוליזה. המקבל המסוף לאלקטרונים במהלך שרשרת הובלת האלקטרונים הוא חמצן.
תְסִיסָה
כדי לא להתבלבל עם נשימה אנאירובית, התסיסה מתרחשת בהיעדר חמצן בתוך הציטופלזמה של התאים והופכת פירובט לתוצר פסולת, ומייצרת אנרגיה להטעין את המולקולות הדרושות להמשך הגליקוליזה. מכיוון שאנרגיה מופקת רק במהלך התסיסה באמצעות גליקוליזה, התשואה הכוללת לכל מולקולת גלוקוז היא שתי ATP. אף על פי שייצור האנרגיה הוא פחות מהנשימה האירובית, התסיסה מאפשרת להמשיך בהמרת הדלק לאנרגיה בהיעדר חמצן. דוגמאות לתסיסה כוללות תסיסה של חומצת חלב, בבני אדם ובעלי חיים אחרים, ותסיסה של אתנול על ידי שמרים. פסולת ממוחזרת כאשר האורגניזם נכנס שוב למצב אירובי או מוציא אותו מהאורגניזם.
נשימה אנאירובית
נמצא בכמה פרוקריוטים, נשימה אנאירובית משתמשת בשרשרת הובלת אלקטרונים ממש כמו נשימה אירובית, אך במקום להשתמש בחמצן כמקבל אלקטרונים סופני, משתמשים באלמנטים אחרים. קולטנים אלטרנטיביים אלה כוללים חנקתי, סולפט, גופרית, פחמן דו חמצני ומולקולות אחרות. תהליכים אלה הם תורמים חשובים למחזור התזונתי בקרקעות, כמו גם לאפשר לאורגניזמים אלה להתיישב באזורים שאינם ראויים למגורים בידי אורגניזמים אחרים. אורגניזמים אלה יכולים להיות אנאירובים חובה, המסוגלים לבצע תהליכים אלה רק בהיעדר חמצן, או אנאירובים פקולטטיביים, המסוגלים לייצר אנרגיה בנוכחות או בהיעדר חמצן. נשימה אנאירובית מייצרת פחות אנרגיה מנשימה אירובית, מכיוון שקולטני אלקטרונים חלופיים אלה אינם יעילים כמו חמצן.
פוטוסינתזה
בניגוד למסלולי הנשימה התאית השונים, פוטוסינתזה משמשת צמחים, אצות וכמה חיידקים לייצור המזון הדרוש לחילוף החומרים. בצמחים פוטוסינתזה מתרחשת במבנים מיוחדים הנקראים כלורופלסטים ואילו חיידקים פוטוסינתטיים מבצעים בדרך כלל פוטוסינתזה לאורך הרחבות קרומיות של קרום הפלזמה. ניתן לחלק את הפוטוסינתזה לשני שלבים: תגובות תלויות אור ותגובות שאינן תלויות באור. במהלך תגובות תלויות אור, משתמשים באנרגיית האור להפעלת אלקטרונים שהוסרו מהמים ולייצר שיפוע של פרוטונים, אשר בתורם מייצרים מולקולות בעלות אנרגיה גבוהה המתדלקות תגובות אור עצמאיות. כאשר האלקטרונים נשלפים ממולקולות המים, הם מתפרקים לחמצן ולפרוטונים. פרוטונים תורמים לשיפוע הפרוטון, אך חמצן משתחרר. במהלך תגובות אור עצמאיות, האנרגיה המופקת במהלך תגובות האור משמשת להפקת מולקולות סוכר מפחמן דו חמצני באמצעות תהליך הנקרא מחזור קלווין. מחזור קלווין מייצר מולקולה אחת של סוכר על כל שש מולקולות של פחמן דו חמצני. בשילוב עם מולקולות המים המשמשות בתגובות תלויות אור, הנוסחה הכללית לפוטוסינתזה היא 6 H2O + 6 CO2 + אור -> C6H12O6 + 6 O2.