كيف يكون التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي معاكسين تقريبًا للعمليات؟

يعتبر التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي عمليتين متعارضتين في الأساس. التمثيل الضوئي هو العملية التي تصنع بها الكائنات الحية مركبات عالية الطاقة - سكر الجلوكوز على وجه الخصوص - من خلال "الاختزال" الكيميائي لثاني أكسيد الكربون (CO)₂). من ناحية أخرى ، يتضمن التنفس الخلوي تكسير الجلوكوز والمركبات الأخرى من خلال "الأكسدة" الكيميائية. يستهلك التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون₂ وينتج الأكسجين. يستهلك التنفس الخلوي الأكسجين وينتج ثاني أكسيد الكربون₂.

في عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل الطاقة من الضوء إلى طاقة كيميائية للروابط بين الذرات التي تعمل على تشغيل العمليات داخل الخلايا. ظهر التمثيل الضوئي في الكائنات الحية منذ 3.5 مليار سنة ، وقد طور آليات بيوكيميائية وفيزيائية حيوية معقدة ، ويحدث اليوم في النباتات والكائنات وحيدة الخلية. بسبب عملية التمثيل الضوئي ، يحتوي الغلاف الجوي للأرض والبحار على الأكسجين.

في عملية التمثيل الضوئي ، CO₂ وضوء الشمس لإنتاج الجلوكوز (السكر) والأكسجين الجزيئي (O₂). يحدث هذا التفاعل من خلال عدة خطوات على مرحلتين: مرحلة الضوء والمرحلة المظلمة.

في طور الضوء ، تعمل الطاقة من الضوء على تغذية التفاعلات التي تقسم الماء لإطلاق الأكسجين. في هذه العملية ، يتم تكوين جزيئات عالية الطاقة ، ATP و NADPH. الروابط الكيميائية في هذه المركبات تخزن الطاقة. الأكسجين منتج ثانوي ، وهذه المرحلة من التمثيل الضوئي هي عكس التأكسد التأكسدي لعملية التنفس الخلوي ، الموضحة أدناه ، والتي يتم فيها استهلاك الأكسجين.

تُعرف المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي أيضًا باسم دورة كالفين. في هذه المرحلة التي تستخدم فيها نواتج طور الضوء CO₂ يستخدم لصنع السكر والجلوكوز.

التنفس الخلوي هو انهيار كيميائي حيوي للركيزة من خلال الأكسدة ، حيث توجد الإلكترونات تنتقل من الركيزة إلى "متقبل الإلكترون" ، والتي يمكن أن تكون أي مجموعة متنوعة من المركبات ، أو الأكسجين ذرات. إذا كانت الركيزة عبارة عن مركب يحتوي على الكربون والأكسجين ، مثل الجلوكوز وثاني أكسيد الكربون (CO₂) يتم إنتاجه من خلال تحلل الجلوكوز ، وهو تحلل الجلوكوز.

التحلل الجلدي ، الذي يحدث في سيتوبلازم الخلية ، يكسر الجلوكوز إلى البيروفات ، وهو مركب أكثر "مؤكسد". في حالة وجود كمية كافية من الأكسجين ، ينتقل البيروفات إلى عضيات متخصصة تسمى الميتوكوندريا. هناك ، يتم تقسيمها إلى أسيتات وثاني أكسيد الكربون₂. شركة CO₂ اطلق سراحه. يدخل الأسيتات في نظام تفاعل يُعرف باسم دورة كريبس.

في دورة كريبس ، يتم تكسير الأسيتات بشكل أكبر بحيث يتم إطلاق ذرات الكربون المتبقية على شكل ثاني أكسيد الكربون₂. هذا عكس جانب واحد من عملية التمثيل الضوئي ، وهو ارتباط الكربون من ثاني أكسيد الكربون₂ معا لصنع السكر. بالإضافة إلى CO₂تستخدم دورة كريبس وتحلل السكر الطاقة من الروابط الكيميائية للركائز (مثل الجلوكوز) لتكوين مركبات عالية الطاقة مثل ATP و GTP ، والتي تستخدمها أنظمة الخلايا. تُنتج أيضًا مركبات منخفضة الطاقة وعالية الطاقة: NADH و FADH2. هذه المركبات هي الوسيلة التي تمتلك بها الإلكترونات الطاقة المشتقة منها في البداية يتم نقل الجلوكوز أو مركب غذائي آخر إلى العملية التالية ، والتي تسمى نقل الإلكترون سلسلة.

في سلسلة نقل الإلكترون ، التي توجد في الخلايا الحيوانية في الغالب على الأغشية الداخلية للميتوكوندريا ، منتجات مخفضة مثل يتم استخدام NADH و FADH2 لإنشاء تدرج بروتوني - وهو عدم توازن في تركيز ذرات الهيدروجين غير المتزاوجة على جانب واحد من الغشاء مقابل. الأخرى. يؤدي تدرج البروتونات ، بدوره ، إلى إنتاج المزيد من ATP ، في عملية تسمى الفسفرة المؤكسدة.

بشكل عام ، يتضمن التمثيل الضوئي تنشيط الإلكترونات بواسطة الطاقة الضوئية لتقليل (إضافة إلكترونات إلى) ثاني أكسيد الكربون لبناء مركب أكبر (الجلوكوز) ، مما ينتج الأكسجين كمنتج ثانوي. من ناحية أخرى ، يتضمن التنفس الخلوي أخذ الإلكترونات بعيدًا عن الركيزة (الجلوكوز ، على سبيل المثال) ، وهو قل الأكسدة ، وفي هذه العملية تتحلل الركيزة بحيث يتم إطلاق ذرات الكربون الخاصة بها على شكل ثاني أكسيد الكربون ، بينما يكون الأكسجين مستهلك. وبالتالي ، فإن التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي هما عمليتان كيميائية حيوية معاكسة تقريبًا.