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Aerobe Atmung, anaerobe Atmung und Fermentation sind Methoden für lebende Zellen, um Energie aus Nahrungsquellen zu gewinnen. Während alle lebenden Organismen einen oder mehrere dieser Prozesse ausführen, ist nur eine ausgewählte Gruppe von Organismen dazu in der Lage Photosynthese das erlaubt ihnen, Lebensmittel aus Sonnenlicht zu produzieren. Aber auch in diesen Organismen wird das durch Photosynthese produzierte Lebensmittel durch Zellatmung in zelluläre Energie umgewandelt.
Ein Unterscheidungsmerkmal der aeroben Atmung im Vergleich zu Fermentationswegen ist die Voraussetzung für Sauerstoff und die viel höhere Energieausbeute pro Glucosemolekül.
Glykolyse
Die Glykolyse ist ein universeller Anfangspfad, der im Zytoplasma von Zellen zum Abbau von Glukose in chemische Energie durchgeführt wird. Die Energie, die von jedem Glucosemolekül freigesetzt wird, wird verwendet, um ein Phosphat an jedes der vier Moleküle Adenosindiphosphat (ADP) zu binden, um zwei Moleküle Adenosintriphosphat (ATP) und ein zusätzliches Molekül NADH zu erzeugen.
Die in der Phosphatbindung gespeicherte Energie wird für andere zelluläre Reaktionen verwendet und oft als Energiewährung der Zelle angesehen. Da die Glykolyse jedoch die Zufuhr von Energie aus zwei ATP-Molekülen erfordert, beträgt die Nettoausbeute aus der Glykolyse nur zwei ATP-Moleküle pro Glukosemolekül. Die Glucose selbst wird während der Glykolyse in Pyruvat zerlegt.
Aerobe Atmung
Die aerobe Atmung findet in Mitochondrien in Gegenwart von Sauerstoff statt und liefert den größten Teil der Energie für Organismen, die in der Lage sind, diesen Prozess durchzuführen. Pyruvat wird in Mitochondrien überführt und in Acetyl-CoA umgewandelt, das dann in der ersten Stufe des Zitronensäurezyklus mit Oxalacetat kombiniert wird, um Zitronensäure zu produzieren.
Die nachfolgende Serie wandelt die Zitronensäure wieder in Oxalacetat um und produziert neben NADH und FADH auch energietragende Moleküle2.
Jede Umdrehung des Krebszyklus kann ein ATP-Molekül und weitere 17 ATP-Moleküle durch die Elektronentransportkette produzieren. Da die Glykolyse zwei Pyruvatmoleküle zur Verwendung im Krebszyklus liefert, beträgt die Gesamtausbeute für die aerobe Atmung 36 ATP pro Glucosemolekül zusätzlich zu den zwei ATP, die während der Glykolyse erzeugt werden.
Der Endakzeptor für die Elektronen während der Elektronentransportkette ist Sauerstoff.
Fermentation
Nicht zu verwechseln mit anaerober Atmung. Die Fermentation findet in Abwesenheit von Sauerstoff im Zytoplasma der Zellen statt und wandelt Pyruvat in ein Abfallprodukt um, um die energietragenden Moleküle zu produzieren, die zur Fortsetzung der Glykolyse benötigt werden. Da die einzige Energie, die während der Fermentation erzeugt wird, durch Glykolyse erzeugt wird, beträgt die Gesamtausbeute pro Glucosemolekül zwei ATP.
Während die Energieerzeugung wesentlich geringer ist als die aerobe Atmung, ermöglicht die Fermentation die Umwandlung von Kraftstoff in Energie unter Ausschluss von Sauerstoff. Beispiele für die Fermentation schließen die Milchsäurefermentation bei Menschen und anderen Tieren und die Ethanolfermentation durch Hefe ein. Die Abfallprodukte werden entweder recycelt, wenn der Organismus wieder in einen aeroben Zustand übergeht, oder aus dem Organismus entfernt.
Anaerobe Atmung
In ausgewählten Prokaryoten wird bei der anaeroben Atmung eine Elektronentransportkette ähnlich wie bei der aeroben Atmung verwendet. Anstatt Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor zu verwenden, werden andere Elemente verwendet. Diese alternativen Akzeptoren umfassen Nitrat, Sulfat, Schwefel, Kohlendioxid und andere Moleküle.
Diese Prozesse tragen wesentlich zum Nährstoffkreislauf im Boden bei und ermöglichen diesen Organismen, Gebiete zu besiedeln, die für andere Organismen unbewohnbar sind.
Photosynthese
Im Gegensatz zu den verschiedenen zellulären Atmungswegen wird die Photosynthese von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien genutzt, um die für den Stoffwechsel benötigten Lebensmittel zu produzieren. In Pflanzen findet die Photosynthese in speziellen Strukturen statt, die als Chloroplasten bezeichnet werden, während photosynthetische Bakterien typischerweise die Photosynthese entlang membranöser Ausdehnungen der Plasmamembran durchführen.
Die Photosynthese kann in zwei Stufen unterteilt werden: lichtabhängige Reaktionen und das lichtunabhängige Reaktionen.
Während der lichtabhängigen Reaktionen wird Lichtenergie verwendet, um aus dem Wasser entfernte Elektronen anzuregen und a zu erzeugen Protonengradient das wiederum produziert energiereiche Moleküle, die die lichtunabhängigen Reaktionen befeuern. Wenn die Elektronen von den Wassermolekülen befreit werden, werden die Wassermoleküle in Sauerstoff und Protonen zerlegt.
Die Protonen tragen zum Protonengradienten bei, aber der Sauerstoff wird freigesetzt. Während der lichtunabhängigen Reaktionen wird die Energie, die während der Lichtreaktionen erzeugt wird, verwendet, um Zuckermoleküle aus Kohlendioxid durch einen Prozess zu erzeugen, der als Calvin-Zyklus bezeichnet wird.
Der Calvin-Zyklus produziert ein Molekül Zucker pro sechs Moleküle Kohlendioxid. In Kombination mit den in den lichtabhängigen Reaktionen verwendeten Wassermolekülen lautet die allgemeine Formel für die Photosynthese 6 H2O + 6 CO2 + Licht → C6H12O6 + 6 O2.