Цикълът на фотосинтеза и клетъчното дишане се използва за производство на използваема енергия за растенията и други организми. Тези процеси протичат на молекулярно ниво в клетките на организмите. В този мащаб молекулите, съдържащи енергия, се поставят чрез метаболитни процеси, които дават енергия, която може да се използва веднага. Един такъв източник на енергия се получава при фотосинтеза; друга се съхранява като батерия, както при клетъчното дишане.
Фотосинтеза Метаболизъм
Растенията получават светлинна енергия през малки пори на листата си, наречени устици, и я преобразуват в органелите, наречени хлоропласти, разположени в растителните клетки в листата и зелените стъбла. Органелите са специализирани части от клетка, които функционират по подобен на орган начин. В този процес енергията се използва за превръщане на въглеродния диоксид и водата във въглехидрати като глюкоза и молекулярен кислород.
Фотосинтезата е двуделен метаболитен процес. Двете части от биохимичния път на фотосинтезата са реакцията на фиксиране на енергията и реакцията на фиксиране на въглерода. Първият произвежда аденозин трифосфат (АТФ) и никотинамид аденин динуклеатид фосфат водород (NADPH) молекули. И двете молекули съдържат енергия и се използват в реакцията за фиксиране на въглерод за образуване на глюкоза.
Реакция за фиксиране на енергия
В енергофиксиращата реакция на фотосинтезата електроните се предават през коензими и молекули, където освобождават енергията си. Повечето от електроните се предават по веригата, но част от тази енергия се използва за преместване на протони под формата на водород през тилакоидната мембрана вътре в хлоропласта. След това задържаната енергия се използва за синтезиране на АТФ и НАДФН.
Реакция за фиксиране на въглерод
По време на реакцията на фиксиране на въглерод, енергията в АТФ и NADPH, произведена в реакцията на фиксиране на енергия, се използва за превръщане на въглехидратите в глюкоза и други захари и органични вещества. Това се случва чрез цикъла на Калвин, наречен на изследователя Мелвин Калвин. Цикълът използва въглероден диоксид, получен от атмосферата. Водородът от NADPH, въглеродът от въглеродния диоксид и кислородът от водата се комбинират, за да образуват молекулите на глюкозата, обозначени като С6Н12О6.
Клетъчно дишане
Организмите използват клетъчно дишане, за да преобразуват въглехидратите в енергия и този процес се случва в клетъчната цитоплазма. Енергията, освободена от въглехидратите, се съхранява в молекулите на АТФ. Тези молекули се образуват, като се използва енергията, получена от въглехидратите, за да се съчетаят молекулите на аденозин дифосфат (ADP) и фосфатните йони. След това клетките използват тази съхранена енергия за различни енергийно зависими процеси.
По време на клетъчното дишане също се произвеждат вода и въглероден диоксид. Процесът, при който се получават тези три продукта, се състои от четири части: гликоза, цикъл на Кребс, електронно транспортна система и хемиосмоза.
Гликолоза: Разграждане на глюкозата
По време на гликолозата глюкозата се разгражда на две молекули на пировиноградна киселина. По време на този процес се получават две молекули АТФ. По време на гликолозата се получават и две молекули никотинамид аденин динуклеотид (NADH), които ще бъдат използвани в електронната транспортна система.
Цикълът на Кребс
В цикъла на Кребс две молекули пировиноградна киселина, получени по време на гликолоза, се използват за образуване на NADH. Това се случва, когато към NAD се добавя водород. По време на цикъла на Кребс се получават и две молекули АТФ.
Въглеродните атоми, отделени в процеса, се комбинират с кислород, образувайки въглероден диоксид. Шест молекули въглероден диоксид се освобождават, когато цикълът приключи. Тези шест молекули съответстват на шестте въглеродни атома в глюкозата, които първоначално са били използвани при гликолоза.
Електронна транспортна система
Цитохромите (клетъчни пигменти) и коензимите в митохондриите образуват електронно транспортната система.
Електроните, взети от NAD, се транспортират през тези носители и прехвърлят молекули. В определени точки по време на системата протоните под формата на водородни атоми от NADH се транспортират през мембрана и се освобождават във външната зона на митохондриите. Кислородът е последният електронен акцептор във веригата. Когато получи електрон, кислородът се свързва с освободения водород, образувайки вода.