Η αναπνοή των κυττάρων και η φωτοσύνθεση είναι ουσιαστικά αντίθετες διαδικασίες. Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία με την οποία οι οργανισμοί παράγουν ενώσεις υψηλής ενέργειας - ιδιαίτερα η γλυκόζη σακχάρου - μέσω της χημικής "αναγωγής" του διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Η κυτταρική αναπνοή, από την άλλη πλευρά, περιλαμβάνει τη διάσπαση της γλυκόζης και άλλων ενώσεων μέσω της χημικής «οξείδωσης». Η φωτοσύνθεση καταναλώνει CO2 και παράγει οξυγόνο. Η κυτταρική αναπνοή καταναλώνει οξυγόνο και παράγει CO2.
Φωτοσύνθεση
Στη φωτοσύνθεση, η ενέργεια από το φως μετατρέπεται σε χημική ενέργεια δεσμών μεταξύ ατόμων που επεξεργάζονται την ισχύ εντός των κυττάρων. Η φωτοσύνθεση εμφανίστηκε σε οργανισμούς πριν από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, έχει εξελιχθεί πολύπλοκος βιοχημικός και βιοφυσικός μηχανισμός και σήμερα εμφανίζεται σε φυτά και μονοκύτταρους οργανισμούς. Λόγω της φωτοσύνθεσης, η ατμόσφαιρα και οι θάλασσες της Γης περιέχουν οξυγόνο.
Πώς λειτουργεί η φωτοσύνθεση
Στη φωτοσύνθεση, CO2 και το ηλιακό φως χρησιμοποιούνται για την παραγωγή γλυκόζης (ζάχαρης) και μοριακού οξυγόνου (Ο
2). Αυτή η αντίδραση πραγματοποιείται μέσω διαφόρων σταδίων σε δύο στάδια: τη φάση φωτός και τη σκοτεινή φάση.Στη φάση φωτός, η ενέργεια από το φως τροφοδοτεί αντιδράσεις που χωρίζουν το νερό για να απελευθερώσει οξυγόνο. Στη διαδικασία, σχηματίζονται μόρια υψηλής ενέργειας, ATP και NADPH. Οι χημικοί δεσμοί σε αυτές τις ενώσεις αποθηκεύουν την ενέργεια. Το οξυγόνο είναι ένα υποπροϊόν, και αυτή η φάση της φωτοσύνθεσης είναι το αντίθετο της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης της διαδικασίας κυτταρικής αναπνοής, που συζητείται παρακάτω, στην οποία καταναλώνεται οξυγόνο.
Η σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης είναι επίσης γνωστή ως Calvin Cycle. Σε αυτή τη φάση, η οποία χρησιμοποιεί τα προϊόντα της φάσης φωτός, CO2 χρησιμοποιείται για την παραγωγή ζάχαρης, γλυκόζης.
Κυτταρική αναπνοή
Η κυτταρική αναπνοή είναι η βιοχημική διάσπαση ενός υποστρώματος μέσω οξείδωσης, όπου τα ηλεκτρόνια είναι μεταφέρεται από το υπόστρωμα σε έναν «δέκτη ηλεκτρονίων», ο οποίος μπορεί να είναι οποιαδήποτε από μια ποικιλία ενώσεων ή οξυγόνου άτομα. Εάν το υπόστρωμα είναι μια ένωση που περιέχει άνθρακα και οξυγόνο, όπως γλυκόζη, διοξείδιο του άνθρακα (CO2παράγεται μέσω γλυκόλυσης, η διάσπαση της γλυκόζης.
Η γλυκόλυση, η οποία λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα ενός κυττάρου, διασπά τη γλυκόζη σε πυροσταφυλικό, μια πιο «οξειδωμένη» ένωση. Εάν υπάρχει αρκετό οξυγόνο, το πυροσταφυλικό μετακινείται σε εξειδικευμένα οργανίδια που ονομάζονται μιτοχόνδρια. Εκεί, διασπάται σε οξικό και CO2. Η συνεργασία2 απελευθερώνεται. Το οξικό εισέρχεται σε ένα σύστημα αντίδρασης γνωστό ως Κύκλος Krebs.
Ο Κύκλος Krebs
Στον κύκλο Krebs, το οξικό διασπάται περαιτέρω έτσι ώστε τα εναπομένοντα άτομα άνθρακα να απελευθερώνονται ως CO2. Αυτό είναι αντίθετο από μια πτυχή της φωτοσύνθεσης, τη δέσμευση άνθρακα από CO2 μαζί για να φτιάξετε ζάχαρη. Εκτός από το CO2, ο Κύκλος Krebs και η γλυκόλυση χρησιμοποιούν ενέργεια από τους χημικούς δεσμούς υποστρωμάτων (όπως η γλυκόζη) για να σχηματίσουν ενώσεις υψηλής ενέργειας όπως το ATP και το GTP, που χρησιμοποιούνται από κυτταρικά συστήματα. Παράγονται επίσης υψηλής ενέργειας, μειωμένες ενώσεις: NADH και FADH2. Αυτές οι ενώσεις είναι τα μέσα με τα οποία τα ηλεκτρόνια, που συγκρατούν την ενέργεια που προέρχεται αρχικά από γλυκόζη ή άλλη ένωση τροφής, μεταφέρονται στην επόμενη διαδικασία, που ονομάζεται μεταφορά ηλεκτρονίων αλυσίδα.
Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων και οξειδωτική φωσφορυλίωση
Στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η οποία σε ζωικά κύτταρα βρίσκεται κυρίως στις εσωτερικές μεμβράνες των μιτοχονδρίων, μειωμένα προϊόντα όπως Τα NADH και FADH2 χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία διαβάθμισης πρωτονίων - μια ανισορροπία στη συγκέντρωση μη ζευγαρωμένων ατόμων υδρογόνου στη μία πλευρά του μεμβράνη εναντίον το άλλο. Η διαβάθμιση πρωτονίων, με τη σειρά της, οδηγεί την παραγωγή περισσότερου ATP, σε μια διαδικασία που ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Κυτταρική αναπνοή: Το αντίθετο της φωτοσύνθεσης
Συνολικά, η φωτοσύνθεση περιλαμβάνει την ενεργοποίηση ηλεκτρονίων με ελαφριά ενέργεια για τη μείωση (προσθήκη ηλεκτρονίων σε) CO2 για τη δημιουργία μεγαλύτερης ένωσης (γλυκόζη), παράγοντας οξυγόνο ως υποπροϊόν. Η κυτταρική αναπνοή, από την άλλη πλευρά, περιλαμβάνει την απομάκρυνση ηλεκτρονίων από ένα υπόστρωμα (για παράδειγμα γλυκόζη), που λένε οξείδωση, και στη διαδικασία το υπόστρωμα αποικοδομείται έτσι ώστε τα άτομα άνθρακα να απελευθερώνονται ως CO2, ενώ το οξυγόνο είναι καταναλώθηκε. Έτσι, η φωτοσύνθεση και η κυτταρική αναπνοή είναι σχεδόν αντίθετες βιοχημικές διεργασίες.