Jak jsou buněčné dýchání a fotosyntéza téměř opačné procesy?

Buněčné dýchání a fotosyntéza jsou v podstatě opačné procesy. Fotosyntéza je proces, při kterém organismy vytvářejí vysokoenergetické sloučeniny - zejména cukrovou glukózu - chemickou „redukcí“ oxidu uhličitého (CO₂). Na druhé straně buněčné dýchání zahrnuje rozklad glukózy a dalších sloučenin chemickou „oxidací“. Fotosyntéza spotřebovává CO₂ a produkuje kyslík. Buněčné dýchání spotřebovává kyslík a produkuje CO₂.

Při fotosyntéze se energie ze světla přeměňuje na chemickou energii vazeb mezi atomy, které pohánějí procesy v buňkách. Fotosyntéza se objevila v organismech před 3,5 miliardami let, vyvinula složité biochemické a biofyzikální mechanismy a dnes se vyskytuje v rostlinách a jednobuněčných organismech. Atmosféra Země a moře obsahují kyslík díky fotosyntéze.

Ve fotosyntéze, CO₂ a sluneční světlo se používá k výrobě glukózy (cukru) a molekulárního kyslíku (O₂). Tato reakce probíhá v několika krocích ve dvou fázích: fáze světla a fáze temna.

Ve světelné fázi energie ze světla pohání reakce, které rozdělují vodu a uvolňují kyslík. V tomto procesu se tvoří vysokoenergetické molekuly, ATP a NADPH. Chemické vazby v těchto sloučeninách ukládají energii. Kyslík je vedlejším produktem a tato fáze fotosyntézy je opakem oxidační fosforylace procesu buněčného dýchání, o kterém se pojednává níže a při kterém se spotřebovává kyslík.

Temná fáze fotosyntézy je také známá jako Calvinův cyklus. V této fázi, která využívá produkty světelné fáze, CO₂ se používá k výrobě cukru, glukózy.

Buněčné dýchání je biochemický rozklad substrátu oxidací, kde jsou elektrony přeneseny ze substrátu do „akceptoru elektronů“, kterým může být jakákoli z různých sloučenin nebo kyslík atomy. Pokud je podkladem sloučenina obsahující uhlík a kyslík, jako je glukóza, oxid uhličitý (CO₂) se vyrábí glykolýzou, rozkladem glukózy.

Glykolýza, která probíhá v cytoplazmě buňky, štěpí glukózu na pyruvát, více „oxidovanou“ sloučeninu. Pokud je přítomno dostatek kyslíku, pyruvát se přesune do specializovaných organel nazývaných mitochondrie. Tam se rozkládá na acetát a CO₂. CO₂ je vydáno. Acetát vstupuje do reakčního systému známého jako Krebsův cyklus.

V Krebsově cyklu se acetát dále rozkládá, takže jeho zbývající atomy uhlíku se uvolňují jako CO₂. To je opak jednoho aspektu fotosyntézy, vazby uhlíků z CO₂ společně k výrobě cukru. Kromě CO₂Krebsův cyklus a glykolýza využívají energii z chemických vazeb substrátů (například glukózy) k vytvoření vysokoenergetických sloučenin, jako jsou ATP a GTP, které jsou používány buněčnými systémy. Vyrábí se také vysoce energetické redukované sloučeniny: NADH a FADH2. Tyto sloučeniny jsou prostředky, kterými elektrony drží energii původně odvozenou od glukóza nebo jiná sloučenina potravy, jsou přeneseny do dalšího procesu, který se nazývá transport elektronů řetěz.

V řetězci transportu elektronů, který se ve zvířecích buňkách nachází převážně na vnitřních membránách mitochondrií, jsou redukovány produkty jako např. NADH a FADH2 se používají k vytvoření protonového gradientu - nerovnováha v koncentraci nepárových atomů vodíku na jedné straně membrána vs. jiný. Protonový gradient zase řídí produkci více ATP v procesu zvaném oxidační fosforylace.

Fotosyntéza celkově zahrnuje energizaci elektronů světelnou energií ke snížení (přidání elektronů) k CO2 za účelem vytvoření větší sloučeniny (glukózy), která produkuje kyslík jako vedlejší produkt. Na druhou stranu buněčné dýchání zahrnuje odebírání elektronů ze substrátu (například glukózy), který má být řekněme oxidace, a v tomto procesu je substrát degradován tak, že jeho atomy uhlíku jsou uvolňovány jako CO2, zatímco kyslík ano spotřebované. Fotosyntéza a buněčné dýchání jsou tedy téměř opačné biochemické procesy.