Как клетъчното дишане и фотосинтезата са почти противоположни процеси?

Клетъчното дишане и фотосинтезата са по същество противоположни процеси. Фотосинтезата е процес, при който организмите произвеждат високоенергийни съединения - по-специално захарната глюкоза - чрез химичното "редуциране" на въглеродния диоксид₂). Клетъчното дишане, от друга страна, включва разграждането на глюкозата и други съединения чрез химично „окисляване“. Фотосинтезата консумира CO₂ и произвежда кислород. Клетъчното дишане консумира кислород и произвежда CO₂.

При фотосинтезата енергията от светлината се превръща в химическа енергия на връзките между атомите, които захранват процесите в клетките. Фотосинтезата се появи в организмите преди 3,5 милиарда години, разви е сложни биохимични и биофизични механизми и днес се среща в растенията и едноклетъчните организми. Именно поради фотосинтезата земната атмосфера и моретата съдържат кислород.

При фотосинтезата CO₂ и слънчевата светлина се използват за производство на глюкоза (захар) и молекулярен кислород (O₂). Тази реакция протича през няколко стъпки в два етапа: светлинна фаза и тъмна фаза.

В светлинната фаза енергията от светлината задейства реакции, които разделят водата за освобождаване на кислород. В процеса се образуват високоенергийни молекули, ATP и NADPH. Химичните връзки в тези съединения съхраняват енергията. Кислородът е страничен продукт и тази фаза на фотосинтеза е противоположна на окислителното фосфорилиране на процеса на клетъчно дишане, обсъдено по-долу, при което се консумира кислород.

Тъмната фаза на фотосинтезата е известна още като цикъла на Калвин. В тази фаза, която използва продуктите на леката фаза, CO₂ се използва за производството на захар, глюкоза.

Клетъчното дишане е биохимичното разграждане на субстрата чрез окисляване, при което са електроните прехвърлени от субстрата към "електронен акцептор", който може да бъде всяко от различни съединения или кислород атоми. Ако субстратът е съединение, съдържащо въглерод и кислород, като глюкоза, въглероден диоксид (CO₂) се произвежда чрез гликолиза, разграждането на глюкозата.

Гликолизата, която се извършва в цитоплазмата на клетката, разгражда глюкозата до пируват, по-"окислено" съединение. Ако има достатъчно кислород, пируватът се премества в специализирани органели, наречени митохондрии. Там се разгражда на ацетат и CO₂. CO₂ е освободен. Ацетатът влиза в реакционна система, известна като цикъл на Кребс.

В цикъла на Кребс ацетатът се разгражда допълнително, така че останалите му въглеродни атоми се освобождават като CO₂. Това е противоположно на един аспект на фотосинтезата, свързването на въглерод от CO₂ заедно да направим захар. В допълнение към CO₂, Цикълът на Кребс и гликолизата използват енергия от химическите връзки на субстратите (като глюкоза), за да образуват високоенергийни съединения като ATP и GTP, които се използват от клетъчните системи. Също така се произвеждат високоенергийни, редуцирани съединения: NADH и FADH2. Тези съединения са средството, чрез което електроните, които държат енергията, получена първоначално от глюкоза или друго хранително съединение, се прехвърлят в следващия процес, наречен електронен транспорт верига.

В електронната транспортна верига, която в животинските клетки е разположена най-вече върху вътрешните мембрани на митохондриите, се получават редуцирани продукти като напр. NADH и FADH2 се използват за създаване на протонен градиент - дисбаланс в концентрацията на несдвоени водородни атоми от едната страна на мембрана срещу другият. Протонният градиент от своя страна движи производството на повече АТФ, в процес, наречен окислително фосфорилиране.

Като цяло фотосинтезата включва енергизиране на електроните чрез светлинна енергия за намаляване (добавяне на електрони към) CO2 за изграждане на по-голямо съединение (глюкоза), произвеждащо кислород като страничен продукт. Клетъчното дишане, от друга страна, включва отнемане на електрони от субстрат (например глюкоза), което трябва да да речем окисление и в процеса субстратът се разгражда, така че неговите въглеродни атоми се отделят като CO2, докато кислородът консумирани. По този начин фотосинтезата и клетъчното дишане са почти противоположни биохимични процеси.