Kuidas on rakuhingamine ja fotosüntees peaaegu vastupidised protsessid?

Rakkude hingamine ja fotosüntees on põhimõtteliselt vastupidised protsessid. Fotosüntees on protsess, mille käigus organismid tekitavad süsinikdioksiidi (CO₂). Rakuline hingamine hõlmab seevastu glükoosi ja muude ühendite lagundamist keemilise "oksüdatsiooni" teel. Fotosünteesil kulub CO₂ ja toodab hapnikku. Rakuline hingamine kulutab hapnikku ja tekitab CO₂.

Fotosünteesis muudetakse valguse energia rakkudes töötavate aatomite vaheliste sidemete keemiliseks energiaks. Fotosüntees tekkis organismides 3,5 miljardit aastat tagasi, on välja töötanud keerukad biokeemilised ja biofüüsikalised mehhanismid ning tänapäeval toimub see taimedes ja üherakulistes organismides. Just fotosünteesi tõttu sisaldavad Maa atmosfäär ja mered hapnikku.

Fotosünteesis CO₂ ja päikesevalgust kasutatakse glükoosi (suhkru) ja molekulaarse hapniku (O₂). See reaktsioon toimub mitmel etapil kahes etapis: hele ja tume faas.

Valgusfaasis annab valguse energia reaktsioone, mis lõhustavad vett hapniku eraldamiseks. Selle käigus moodustuvad suure energiaga molekulid ATP ja NADPH. Nende ühendite keemilised sidemed salvestavad energiat. Hapnik on kõrvalprodukt ja see fotosünteesi faas on vastupidine allpool käsitletud rakuhingamisprotsessi oksüdatiivsele fosforüülimisele, kus hapnikku tarbitakse.

Fotosünteesi tumedat faasi tuntakse ka kui Calvini tsüklit. Selles faasis, kus kasutatakse kerge faasi saadusi, CO₂ kasutatakse suhkru, glükoosi valmistamiseks.

Rakuhingamine on substraadi biokeemiline lagunemine oksüdatsiooni teel, kusjuures elektronid on substraadilt üle viidud "elektronaktseptorile", mis võib olla ükskõik milline paljudest ühenditest või hapnik aatomid. Kui substraat on süsinikku ja hapnikku sisaldav ühend, näiteks glükoos, süsinikdioksiid (CO₂) toodetakse glükoosi lagundamise teel glükolüüsi teel.

Glükolüüs, mis toimub raku tsütoplasmas, lagundab glükoosi püruvaadiks, rohkem "oksüdeerunud" ühendiks. Piisava hapniku olemasolu korral liigub püruvaat spetsialiseeritud organellidesse, mida nimetatakse mitokondriteks. Seal lagundatakse see atsetaadiks ja CO-ks₂. CO₂ vabastatakse. Atsetaat siseneb reaktsioonisüsteemi, mida nimetatakse Krebsi tsükliks.

Krebsi tsüklis lagundatakse atsetaat edasi, nii et selle ülejäänud süsinikuaatomid eralduvad CO-na₂. See on vastupidine fotosünteesi ühele aspektile, süsinike sidumisele CO-st₂ koos suhkru valmistamiseks. Lisaks CO₂, kasutab Krebsi tsükkel ja glükolüüs substraatide keemilistest sidemetest (näiteks glükoosist) saadavat energiat, et moodustada rakusüsteemides kasutatavaid kõrge energiaga ühendeid nagu ATP ja GTP. Samuti toodetakse kõrge energiaga redutseeritud ühendeid: NADH ja FADH2. Need ühendid on vahend, mille abil elektronid, mis hoiavad algselt saadud energiat glükoos või muu toiduühend viiakse järgmisse protsessi, mida nimetatakse elektronide transportimiseks kett.

Elektroonitranspordiahelas, mis loomarakkudes asub enamasti mitokondrite sisemembraanidel, on redutseeritud tooted nagu NADH ja FADH2 kasutatakse prootonigradiendi loomiseks - tasakaalustamata paardumata vesinikuaatomite kontsentratsioon membraan vs. teine. Prootongradient juhib omakorda rohkem ATP tootmist protsessis, mida nimetatakse oksüdatiivseks fosforüülimiseks.

Üldiselt hõlmab fotosüntees elektronide energiat energiat valguse abil, et vähendada (lisada elektrone) CO2-d suurema ühendi (glükoosi) saamiseks, tootes kõrvalproduktina hapnikku. Rakuline hingamine hõlmab seevastu elektronide eemaldamist substraadist (näiteks glükoos), mis öelda oksüdeerumine ja selle käigus substraat laguneb nii, et selle süsinikuaatomid eralduvad CO2-na, hapnik tarbitud. Seega on fotosüntees ja rakuline hingamine peaaegu vastupidised biokeemilised protsessid.