תוֹכֶן
נשימה אירובית, נשימה אנאירובית ותסיסה הן שיטות לתאים חיים לייצור אנרגיה ממקורות מזון. בעוד שכל האורגניזמים החיים מנהלים אחד או יותר מתהליכים אלה, רק קבוצה מסוימת של אורגניזמים מסוגלים פוטוסינתזה המאפשרת להם לייצר אוכל מאור השמש. עם זאת, אפילו באורגניזמים אלה, המזון המיוצר על ידי פוטוסינתזה מומר לאנרגיה תאית באמצעות נשימה תאית.
מאפיין המייחד את הנשימה האירובית בהשוואה למסלולי תסיסה הוא תנאי התנאי לחמצן והתשואה הרבה יותר גבוהה של אנרגיה לכל מולקולת גלוקוזה.
גליקוליזה
גליקוליזה היא מסלול התחלה אוניברסלי הנערך בציטופלסמה של תאים לפירוק הגלוקוזה לאנרגיה כימית. האנרגיה המשתחררת מכל מולקולת גלוקוזה משמשת לחיבור פוספט לכל אחת מארבע מולקולות של אדנוזין דיפוספט (ADP) לייצור שתי מולקולות של אדנוזין טריפוספט (ATP) ומולקולה נוספת של NADH.
האנרגיה המאוחסנת בקשר הפוספט משמשת בתגובות סלולריות אחרות ונחשבת לרוב כ"מטבע "האנרגיה של התא. עם זאת, מכיוון שגליקוליזה מחייבת הזנת אנרגיה משתי מולקולות של ATP, התשואה הנקיה מגליוקוליזה היא רק שתי מולקולות של ATP לכל מולקולת גלוקוזה. הגלוקוז עצמו מתפרק לפירוב בזמן גליקוליזה.
נשימה אירובית
נשימה אירובית מתרחשת במיטוכונדריה בנוכחות חמצן ומניבה את מרבית האנרגיה לאורגניזמים המסוגלים לתהליך. פירובאט מועבר למיטוכונדריה ומומר לאצטיל CoA המשולב לאחר מכן עם אוקסלואצטט לייצור חומצה לימונית בשלב הראשון של מחזור חומצות לימון.
הסדרה שלאחר מכן ממירה את חומצת הלימון חזרה לאוקסלואצטט ומייצרת מולקולות נושאות אנרגיה יחד עם דרך הנקראת NADH ו- FADH2.
כל סיבוב של מחזור קרבס מסוגל לייצר מולקולה אחת של ATP, ועוד 17 מולקולות של ATP דרך שרשרת הובלת האלקטרונים. מכיוון שגליקוליזה מניבה שתי מולקולות פירובט לשימוש במחזור קרבס, התשואה הכוללת לנשימה אירובית היא 36 ATP לכל מולקולת גלוקוז בנוסף לשני ה- ATP המיוצרים במהלך גליקוליזה.
המקבל הסופי עבור האלקטרונים במהלך שרשרת הובלת האלקטרונים הוא חמצן.
תסיסה
אין להתבלבל עם נשימה אנאירובית, התסיסה מתרחשת בהיעדר חמצן בתוך הציטופלסמה של התאים וממירה את פירובט לתוצר פסולת לייצור מולקולות הנושאות אנרגיה הדרושות להמשך גליקוליזה. מכיוון שהאנרגיה היחידה המופקת במהלך התסיסה היא באמצעות גליקוליזה, התשואה הכוללת לכל מולקולת גלוקוזה היא שני ATP.
בעוד שייצור האנרגיה פחות משמעותית מהנשימה אירובית, התסיסה מאפשרת להמיר דלק לאנרגיה להמשיך בהיעדר חמצן. דוגמאות לתסיסה כוללות תסיסה של חומצה לקטית בבני אדם ובעלי חיים אחרים ותסיסה אתנול על ידי שמרים. מוצרי הפסולת ממוחזרים כאשר האורגניזם נכנס למצב אירובי או מוצא מהאורגניזם.
הנשמה אנאירובית
נמצא בהפרוקריוטות נבחרות, נשימה אנאירובית מנצלת את שרשרת ההובלה האלקטרונית כמו נשימה אירובית, אך במקום להשתמש בחמצן כמקבל אלקטרונים סופני, משתמשים באלמנטים אחרים. מקבלי אלטרנטיבה אלה כוללים חנקה, סולפט, גופרית, דו תחמוצת הפחמן ומולקולות אחרות.
תהליכים אלה הם תורמים חשובים להפעלת רכיבים תזונתיים בקרקעות, כמו גם לאפשר לאורגניזמים אלה להתיישב אזורים שאינם מיושבים על ידי אורגניזמים אחרים.
פוטוסינתזה
שלא כמו מסלולי הנשימה התאיים השונים, פוטוסינתזה משמשת לצמחים, אצות וכמה חיידקים לייצור המזון הדרוש לחילוף חומרים. בצמחים פוטוסינתזה מתרחשת במבנים מיוחדים הנקראים כלורופלסטים ואילו חיידקים פוטוסינתטיים בדרך כלל מבצעים פוטוסינתזה לאורך הרחבות הממברנות של קרום הפלזמה.
ניתן לחלק את הפוטוסינתזה לשני שלבים: תגובות תלויות אור וה תגובות עצמאיות קלות.
במהלך התגובות התלויות באור, אנרגיית האור משמשת להמריץ אלקטרונים המורחקים מהמים ולייצר א שיפוע פרוטון שמייצרת מולקולות אנרגיות גבוהות שמדלקות את התגובות שאינן תלויות אור. כאשר האלקטרונים מורחקים ממולקולות מים, מולקולות המים מתפרקות לחמצן ולפרוטונים.
הפרוטונים תורמים לדרגת הפרוטון אך החמצן משתחרר. במהלך התגובות הבלתי תלויות האור, האנרגיה המופקת במהלך תגובות האור משמשת לייצור מולקולות סוכר מפחמן דו חמצני באמצעות תהליך המכונה מחזור קלווין.
מחזור קלווין מייצר מולקולת אחת של סוכר לכל שש מולקולות של דו תחמוצת הפחמן. בשילוב עם מולקולות המים המשמשות בתגובות תלויות האור, הנוסחה הכללית לפוטוסינתזה היא 6 ח2O + 6 CO2 + אור → ג6ח12O6 + 6 O2.