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好気性呼吸、嫌気性呼吸および発酵は、生きた細胞が食物源からエネルギーを生成する方法です。すべての生物はこれらのエネルギー生産プロセスの1つ以上を実行しますが、選択された生物のグループのみが太陽光からの光合成によって食物を生産することができます。しかし、これらの生物でも、生産された食物は細胞呼吸を通じて細胞エネルギーに変換されます。発酵経路による好気性呼吸の特徴は、酸素の必要条件であり、グルコース分子あたりのエネルギー収量がはるかに高いことです。発酵と嫌気性呼吸は酸素の欠如を共有しますが、嫌気性呼吸は好気性呼吸と同様に、エネルギー生産に電子輸送チェーンを使用しますが、発酵は単にエネルギー生産なしに解糖を継続するために必要な分子を提供します。追加。
解糖
解糖は、グルコースを化学エネルギーに分解するために細胞の細胞質で開始される普遍的な経路です。各グルコース分子から放出されたエネルギーを使用して、リン酸を4つのアデノシン二リン酸（ADP）分子のそれぞれに接続し、2分子のアデノシン三リン酸（ATP）と追加のNADH分子を生成します。リン酸結合に蓄えられたエネルギーは他の細胞反応で使用され、細胞の「通貨」エネルギーとしばしば考えられています。しかし、解糖には2分子のATPからエネルギーを供給する必要があるため、解糖の正味収量は、グルコース1分子あたり2分子のATPです。解糖中にグルコース自体が分解され、ピルビン酸になります。脂肪などの他の燃料源は、他のプロセス、たとえば脂肪酸の場合はスパイラル脂肪酸を通じて代謝され、呼吸中のさまざまな時点で気道に入る燃料分子を生成します。
有酸素呼吸
有酸素呼吸は酸素の存在下で発生し、このプロセスを行う生物にエネルギーのほとんどを生成します。このプロセスでは、解糖中に生成されたピルビン酸塩は、クレブス回路としても知られているクエン酸回路に入る前に、アセチル-コエンザイムA（アセチル-CoA）に変換されます。アセチルCoAは、オキサラセテートと組み合わせて、クエン酸サイクルの初期段階でクエン酸を生成します。次のシリーズでは、クエン酸をオキサラセテートに変換し、NADHおよびFADH2と呼ばれる分子の輸送エネルギーを生成します。これらのエネルギー分子は、電子輸送鎖または酸化的リン酸化に転用され、好気性細胞呼吸中に生成されるATPのほとんどを生成します。二酸化炭素はクレブスサイクル中に廃棄物として生成されますが、クレブスサイクルの1回のラウンドで生成されたオキサラセテートは、別のアセチル-CoAと結合してプロセスを再開します。植物や動物などの真核生物では、クレブス回路と電子伝達鎖の両方がミトコンドリアと呼ばれる特殊な構造で発生しますが、好気性呼吸が可能な細菌はこれらのプロセスを形質膜に沿って行います。真核細胞に見られる特殊なオルガネラ。クレブス回路の各回転は、容易にATPに変換されるグアニン三リン酸（GTP）の1分子と、電子輸送鎖を介してATPの追加の17分子を生成することができます。解糖によりクレブス回路で使用されるピルビン酸の2つの分子が生成されるため、有酸素呼吸の総収量は、解糖中に生成される2つのATPに加えて、グルコースの分子あたり36 ATPです。電子輸送連鎖中の電子の末端受容体は酸素です。
発酵
嫌気性呼吸と混同しないでください。発酵は細胞の細胞質内に酸素がない状態で行われ、ピルビン酸を老廃物に変換し、解糖を続けるために必要な分子を充電するエネルギーを生成します。エネルギーは解糖による発酵中にのみ生成されるため、グルコース分子あたりの総収量は2 ATPです。エネルギー生産は好気性呼吸よりも大幅に少ないですが、発酵により、酸素がない状態で燃料をエネルギーに変換し続けることができます。発酵の例には、ヒトおよび他の動物における乳酸の発酵、および酵母によるエタノールの発酵が含まれる。廃棄物は、生物が再び好気性の状態になったとき、または生物から取り除かれたときにリサイクルされます。
嫌気性呼吸
一部の原核生物で見られる嫌気性呼吸は、好気性呼吸と同様に電子輸送チェーンを使用しますが、酸素を末端電子受容体として使用する代わりに、他の元素が使用されます。これらの代替受容体には、硝酸塩、硫酸塩、硫黄、二酸化炭素、その他の分子が含まれます。これらのプロセスは、土壌の栄養循環に重要な貢献者であるだけでなく、これらの生物が他の生物が住むことのできない領域にコロニーを形成することを可能にします。これらの生物は、酸素の不在下でのみこれらのプロセスを実行できる強制嫌気性菌、または酸素の存在下または不在下でエネルギーを生成できる通性嫌気性菌であり得る。これらの代替電子受容体は酸素ほど効率的ではないため、嫌気性呼吸は好気性呼吸よりも少ないエネルギーを生成します。
光合成
さまざまな細胞呼吸経路とは異なり、光合成は植物、藻類、一部の細菌が代謝に必要な食物を生産するために使用されます。植物では、光合成は葉緑体と呼ばれる特殊な構造で発生しますが、光合成細菌は通常、細胞膜の膜状の伸長部に沿って光合成を行います。光合成は、光に依存する反応と光に依存しない反応の2つの段階に分けることができます。光に依存する反応の間、光エネルギーは、水から取り除かれた電子にエネルギーを与え、プロトンの勾配を生成するために使用されます。プロトンの勾配は、独立した光反応を促進する高エネルギー分子を生成します。電子が水分子から引き出されると、それらは酸素とプロトンに分解されます。プロトンはプロトン勾配に寄与しますが、酸素が放出されます。独立した光反応中に、光反応中に生成されたエネルギーは、カルビンサイクルと呼ばれるプロセスを通じて二酸化炭素から糖分子を生成するために使用されます。カルビンサイクルは、6分子の二酸化炭素ごとに1分子の糖を生成します。光依存反応で使用される水分子と組み合わせると、光合成の一般式は6 H2O + 6 CO2 +光-> C6H12O6 + 6 O2です。