المسارات الأيضية لعملية التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي

تُستخدم دورة التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي لإنتاج طاقة قابلة للاستخدام للنباتات والكائنات الحية الأخرى. تحدث هذه العمليات على المستوى الجزيئي داخل خلايا الكائنات الحية. على هذا المقياس ، يتم وضع الجزيئات المحتوية على الطاقة من خلال عمليات التمثيل الغذائي التي تنتج طاقة يمكن استخدامها على الفور. يتم إنتاج أحد مصادر الطاقة في عملية التمثيل الضوئي ؛ يتم تخزين الآخر مثل البطارية كما هو الحال في التنفس الخلوي.

تستقبل النباتات الطاقة الضوئية من خلال مسام صغيرة على أوراقها تسمى الثغور وتحولها إلى عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء ، وتقع في الخلايا النباتية في الأوراق والسيقان الخضراء. العضيات هي أجزاء متخصصة من الخلية تعمل بطريقة تشبه الأعضاء. تُستخدم الطاقة في هذه العملية لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى كربوهيدرات مثل الجلوكوز والأكسجين الجزيئي.

التمثيل الضوئي هو عملية التمثيل الغذائي من جزأين. الجزءان من المسار الكيميائي الحيوي لعملية التمثيل الضوئي هما تفاعل تثبيت الطاقة وتفاعل تثبيت الكربون. الأول ينتج جزيئات الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) والنيكوتيناميد الأدينين ثنائي نوكليوتيد الفوسفات الهيدروجين (NADPH). يحتوي كلا الجزيئين على طاقة ويستخدمان في تفاعل تثبيت الكربون لتكوين الجلوكوز.

في تفاعل التثبيت الضوئي للطاقة ، يتم تمرير الإلكترونات عبر الإنزيمات المساعدة والجزيئات حيث تطلق طاقتها. يتم تمرير معظم الإلكترونات على طول السلسلة ، ولكن يتم استخدام بعض هذه الطاقة لتحريك البروتونات في شكل هيدروجين عبر غشاء الثايلاكويد داخل البلاستيدات الخضراء. ثم يتم استخدام الطاقة المحتجزة لتوليف ATP و NADPH.

أثناء تفاعل تثبيت الكربون ، تُستخدم الطاقة في ATP و NADPH الناتجة في تفاعل تثبيت الطاقة لتحويل الكربوهيدرات إلى جلوكوز وسكريات ومواد عضوية أخرى. يحدث هذا من خلال دورة كالفين ، التي سميت على اسم الباحث ميلفن كالفن. تستخدم الدورة ثاني أكسيد الكربون المكتسب من الغلاف الجوي. يتحد الهيدروجين من NADPH والكربون من ثاني أكسيد الكربون والأكسجين من الماء لتشكيل جزيئات الجلوكوز التي يشار إليها باسم C₆ح₁₂ا₆.

تستخدم الكائنات الحية التنفس الخلوي لتحويل الكربوهيدرات إلى طاقة ، وتحدث هذه العملية في سيتوبلازم الخلية. يتم تخزين الطاقة المنبعثة من الكربوهيدرات في جزيئات ATP. تتشكل هذه الجزيئات باستخدام الطاقة التي يتم الحصول عليها من الكربوهيدرات لدمج جزيئات ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) وأيونات الفوسفات. ثم تستخدم الخلايا هذه الطاقة المخزنة لمختلف العمليات المعتمدة على الطاقة.

ينتج أيضًا الماء وثاني أكسيد الكربون أثناء التنفس الخلوي. تتكون العملية التي تنتج هذه المنتجات الثلاثة من أربعة أجزاء: داء السكري ، ودورة كريبس ، ونظام نقل الإلكترون ، والتناضح الكيميائي.

أثناء الإصابة بالجلوكوز ، يتم تقسيم الجلوكوز إلى جزيئين من حمض البيروفيك. يتم إنتاج جزيئين من ATP خلال هذه العملية. يتم أيضًا إنتاج جزيئين من نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH) الذي سيتم استخدامه في نظام نقل الإلكترون أثناء الإصابة بالجليكولز.

في دورة كريبس ، يتم استخدام جزيئين من حمض البيروفيك المنتج خلال داء السكر لتكوين NADH. يحدث هذا عند إضافة الهيدروجين إلى NAD. ينتج أيضًا خلال دورة كريبس جزيئين من ATP.

تتحد ذرات الكربون المنبعثة أثناء العملية مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون. يتم إطلاق ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون عند اكتمال الدورة. تتوافق هذه الجزيئات الستة مع ذرات الكربون الست الموجودة في الجلوكوز والتي كانت تستخدم في البداية في داء السكر.

تشكل السيتوكرومات (أصباغ الخلية) والإنزيمات المساعدة في الميتوكوندريا نظام نقل الإلكترون.

يتم نقل الإلكترونات المأخوذة من NAD عبر هذه الجزيئات الحاملة والنقل. في نقاط معينة خلال النظام ، يتم نقل البروتونات على شكل ذرات هيدروجين من NADH عبر غشاء ويتم إطلاقها في المنطقة الخارجية للميتوكوندريا. الأكسجين هو آخر متقبل للإلكترون في السلسلة. عندما يتلقى إلكترونًا ، يرتبط الأكسجين بالهيدروجين المحرر لتكوين الماء.