Οι μεταβολικές οδοί της φωτοσύνθεσης και της κυτταρικής αναπνοής

Ο φωτοσύνθεση και ο κυτταρικός κύκλος αναπνοής χρησιμοποιείται για την παραγωγή χρήσιμης ενέργειας για φυτά και άλλους οργανισμούς. Αυτές οι διαδικασίες συμβαίνουν σε μοριακό επίπεδο μέσα στα κύτταρα των οργανισμών. Σε αυτήν την κλίμακα, μόρια που περιέχουν ενέργεια τοποθετούνται μέσω μεταβολικών διεργασιών που αποδίδουν ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί αμέσως. Μια τέτοια πηγή ενέργειας παράγεται στη φωτοσύνθεση. ένα άλλο αποθηκεύεται σαν μπαταρία όπως στην κυτταρική αναπνοή.

Τα φυτά λαμβάνουν ελαφριά ενέργεια μέσω μικρών πόρων στα φύλλα τους που ονομάζονται στομάτα και τη μετατρέπουν στα οργανίδια που ονομάζονται χλωροπλάστες, που βρίσκονται στα φυτικά κύτταρα στα φύλλα και στους πράσινους μίσχους. Τα οργανίδια είναι εξειδικευμένα μέρη ενός κυττάρου που λειτουργούν με τρόπο που μοιάζει με όργανο. Η ενέργεια χρησιμοποιείται σε αυτήν τη διαδικασία για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα και του νερού σε υδατάνθρακες όπως η γλυκόζη και το μοριακό οξυγόνο.

Η φωτοσύνθεση είναι μια μεταβολική διαδικασία δύο μερών. Τα δύο μέρη της βιοχημικής οδού της φωτοσύνθεσης είναι η αντίδραση στερέωσης ενέργειας και η αντίδραση στερέωσης άνθρακα. Το πρώτο παράγει μόρια τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ) και μορίων φωσφορικού δινουκλεοτιδίου αδενίνης νικοτιναμιδίου (NADPH). Και τα δύο μόρια περιέχουν ενέργεια και χρησιμοποιούνται στην αντίδραση στερέωσης άνθρακα για να σχηματίσουν γλυκόζη.

Στην αντίδραση σταθεροποίησης της φωτοσύνθεσης, τα ηλεκτρόνια περνούν από συνένζυμα και μόρια όπου απελευθερώνουν την ενέργειά τους. Τα περισσότερα από τα ηλεκτρόνια περνούν κατά μήκος της αλυσίδας, αλλά μέρος αυτής της ενέργειας χρησιμοποιείται για την κίνηση πρωτονίων με τη μορφή υδρογόνου κατά μήκος της μεμβράνης του θυλακοειδούς μέσα στον χλωροπλάστη. Η ενέργεια που διατηρείται χρησιμοποιείται για τη σύνθεση ATP και NADPH.

Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης στερέωσης άνθρακα, η ενέργεια στο ATP και το NADPH που παράγεται στην αντίδραση στερέωσης ενέργειας χρησιμοποιείται για τη μετατροπή υδατανθράκων σε γλυκόζη και άλλα σάκχαρα και οργανικές ουσίες. Αυτό συμβαίνει μέσω του κύκλου Calvin, που ονομάστηκε για τον ερευνητή Melvin Calvin. Ο κύκλος χρησιμοποιεί διοξείδιο του άνθρακα που λαμβάνεται από την ατμόσφαιρα. Το υδρογόνο από το NADPH, ο άνθρακας από το διοξείδιο του άνθρακα και το οξυγόνο από το νερό συνδυάζονται για να σχηματίσουν τα μόρια γλυκόζης που υποδηλώνονται ως C₆Η₁₂Ο₆.

Οι οργανισμοί χρησιμοποιούν την κυτταρική αναπνοή για να μετατρέψουν τους υδατάνθρακες σε ενέργεια και αυτή η διαδικασία συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από υδατάνθρακες αποθηκεύεται σε μόρια ATP. Αυτά τα μόρια σχηματίζονται χρησιμοποιώντας την ενέργεια που λαμβάνεται από υδατάνθρακες για το συνδυασμό μορίων διφωσφορικής αδενοσίνης (ADP) και φωσφορικών ιόντων. Τα κύτταρα στη συνέχεια χρησιμοποιούν αυτήν την αποθηκευμένη ενέργεια για διάφορες διαδικασίες που εξαρτώνται από την ενέργεια.

Παράγονται επίσης κατά την κυτταρική αναπνοή είναι νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Η διαδικασία που αποδίδει αυτά τα τρία προϊόντα αποτελείται από τέσσερα μέρη: τη γλυκόζη, τον κύκλο Krebs, το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων και τη χημείωση.

Κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης, η γλυκόζη διασπάται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος. Δύο μόρια ATP παράγονται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Δύο μόρια δινουκλεοτιδίων νικοτιναμιδίου αδενίνης (NADH) που θα χρησιμοποιηθούν στο σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων επίσης παράγονται κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης.

Στον κύκλο Krebs, δύο μόρια πυρουβικού οξέος που παράγονται κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης χρησιμοποιούνται για να σχηματίσουν NADH. Αυτό συμβαίνει όταν προστίθεται υδρογόνο στο NAD. Παράγονται επίσης κατά τη διάρκεια του κύκλου Krebs είναι δύο μόρια ATP.

Τα άτομα άνθρακα που απελευθερώνονται στη διαδικασία συνδυάζονται με οξυγόνο για να σχηματίσουν διοξείδιο του άνθρακα. Έξι μόρια διοξειδίου του άνθρακα απελευθερώνονται όταν ολοκληρωθεί ο κύκλος. Αυτά τα έξι μόρια αντιστοιχούν στα έξι άτομα άνθρακα στη γλυκόζη που χρησιμοποιήθηκαν αρχικά στη γλυκόζη.

Τα κυτοχρώματα (κυτταρικές χρωστικές) και τα συνένζυμα στα μιτοχόνδρια σχηματίζουν το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Τα ηλεκτρόνια που λαμβάνονται από το NAD μεταφέρονται μέσω αυτών των μορίων φορέα και μεταφοράς. Σε ορισμένα σημεία κατά τη διάρκεια του συστήματος, τα πρωτόνια με τη μορφή ατόμων υδρογόνου από το NADH μεταφέρονται διαμέσου μίας μεμβράνης και απελευθερώνονται στην εξωτερική περιοχή των μιτοχονδρίων. Το οξυγόνο είναι ο τελευταίος δέκτης ηλεκτρονίων στην αλυσίδα. Όταν λαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο, το οξυγόνο συνδέεται με το απελευθερούμενο υδρογόνο για να σχηματίσει νερό.