Fotosünteesi ja rakulist hingamistsüklit kasutatakse taimedele ja teistele organismidele kasutatava energia tootmiseks. Need protsessid toimuvad organismide rakkudes molekulaarsel tasandil. Selles skaalas viiakse energiat sisaldavad molekulid metaboolsete protsesside kaudu, mis annavad energiat, mida saab kohe kasutada. Üks selline energiaallikas tekib fotosünteesis; teine on salvestatud nagu aku nagu rakuhingamises.
Fotosüntees Metabolism
Taimed saavad valguse energiat oma lehtede väikeste pooride kaudu, mida nimetatakse toomadeks, ja muudavad selle kloroplastideks nimetatud organellides, mis asuvad lehtede ja roheliste varte taimerakkudes. Organellid on raku spetsiaalsed osad, mis toimivad elundi moodi. Selles protsessis kasutatakse energiat süsinikdioksiidi ja vee muundamiseks süsivesikuteks nagu glükoos ja molekulaarne hapnik.
Fotosüntees on kaheosaline ainevahetusprotsess. Fotosünteesi biokeemilise raja kaks osa on energia sidumise reaktsioon ja süsiniku sidumise reaktsioon. Esimene neist toodab adenosiinitrifosfaadi (ATP) ja nikotiinamiid-adeniindinukleaotiidfosfaatvesiniku (NADPH) molekule. Mõlemad molekulid sisaldavad energiat ja neid kasutatakse süsiniku sidumisreaktsioonis glükoosi moodustamiseks.
Energiat fikseeriv reaktsioon
Fotosünteesi energiat fikseerivas reaktsioonis viiakse elektronid läbi koensüümide ja molekulide, kus nad vabastavad oma energia. Enamik elektronidest kulgeb mööda ahelat, kuid osa sellest energiast kulub vesiniku kujul prootonite liikumiseks kloroplasti sees oleva tilakoidmembraani kaudu. Säilitatud energiat kasutatakse seejärel ATP ja NADPH sünteesimiseks.
Süsinikku siduv reaktsioon
Süsiniku sidumisreaktsiooni käigus kasutatakse energia sidumise reaktsioonis tekkivat ATP ja NADPH energiat süsivesikute muundamiseks glükoosiks ning muudeks suhkruteks ja orgaanilisteks aineteks. See juhtub läbi Calvini tsükli, mille nimi on teadlane Melvin Calvin. Tsüklis kasutatakse atmosfäärist saadud süsinikdioksiidi. NADPH-st pärinev vesinik, süsinikdioksiidi süsinik ja veest pärinev hapnik ühendavad glükoosimolekulid, mida tähistatakse kui C6H12O6.
Rakuhingamine
Organismid kasutavad rakuhingamist süsivesikute muundamiseks energiaks ja see protsess toimub raku tsütoplasmas. Süsivesikutest eralduv energia salvestatakse ATP molekulidesse. Need molekulid moodustatakse süsivesikutest saadud energia abil adenosiindifosfaadi (ADP) molekulide ja fosfaatioonide ühendamiseks. Seejärel kasutavad rakud seda salvestatud energiat mitmesugustest energiasõltuvatest protsessidest.
Rakuhingamise käigus tekivad ka vesi ja süsinikdioksiid. Nende kolme saaduse saamise protsess koosneb neljast osast: glükoloos, Krebsi tsükkel, elektronide transpordisüsteem ja kemiosmoos.
Glükoloos: glükoosi lagundamine
Glükoloosi ajal lagundatakse glükoos kaheks püroviinhappe molekuliks. Selle protsessi käigus toodetakse kaks ATP molekuli. Glükoloosi ajal saadakse ka kaks nikotiinamiidadeniindinukleotiidi (NADH) molekuli, mida kasutatakse elektronide transpordisüsteemis.
Krebsi tsükkel
Krebsi tsüklis kasutatakse NADH moodustamiseks kahte glükoloosil tekkinud püroviinhappe molekuli. See juhtub siis, kui vesinik lisatakse NAD-le. Krebsi tsükli jooksul toodetakse ka kahte ATP molekuli.
Protsessi käigus vabanevad süsinikuaatomid koos hapnikuga moodustavad süsinikdioksiidi. Tsükli lõppedes vabaneb kuus süsinikdioksiidi molekuli. Need kuus molekuli vastavad kuuele glükoosis sisalduvale süsinikuaatomile, mida algselt kasutati glükoloosis.
Elektronide transpordisüsteem
Mitokondrites asuvad tsütokroomid (rakupigmendid) ja koensüümid moodustavad elektronide transpordisüsteemi.
NAD-st võetud elektronid transporditakse läbi nende kandja- ja ülekandemolekulide. Süsteemi teatud kohtades transporditakse NADH-st pärit vesinikuaatomite kujul olevad prootonid läbi membraani ja lastakse mitokondrite välispinnale. Hapnik on ahela viimane elektronide aktseptor. Elektrooni vastuvõtmisel seondub hapnik vabanenud vesinikuga, moodustades vett.