Fotosynteesin ja soluhengityksen aineenvaihduntareitit

Fotosynteesiä ja soluhengitysjaksoa käytetään käyttökelpoisen energian tuottamiseen kasveille ja muille organismeille. Nämä prosessit tapahtuvat molekyylitasolla organismien solujen sisällä. Tässä mittakaavassa energiaa sisältävät molekyylit käyvät läpi metabolisia prosesseja, jotka tuottavat energiaa, jota voidaan käyttää heti. Yksi tällainen energialähde tuotetaan fotosynteesissä; toinen on tallennettu kuin akku kuten soluhengityksessä.

Kasvit vastaanottavat valoenergiaa pienillä huokosilla lehdillä, joita kutsutaan stomatoiksi, ja muuntavat sen kloroplastiksi kutsuttuihin organelleihin, jotka sijaitsevat lehtien ja vihreiden varsien kasvisoluissa. Organellit ovat solun erikoistuneita osia, jotka toimivat elinten kaltaisella tavalla. Energiaa käytetään tässä prosessissa hiilidioksidin ja veden muuntamiseksi hiilihydraateiksi, kuten glukoosiksi ja molekyylihapeksi.

Fotosynteesi on kaksiosainen metabolinen prosessi. Fotosynteesin biokemiallisen reitin kaksi osaa ovat energian kiinnitysreaktio ja hiilen kiinnitysreaktio. Ensimmäinen tuottaa adenosiinitrifosfaatti- (ATP) ja nikotiiniamidiadeniinidinukleaotidifosfaattivety (NADPH) -molekyylejä. Molemmat molekyylit sisältävät energiaa ja niitä käytetään hiilen kiinnitysreaktiossa glukoosin muodostamiseksi.

Fotosynteesin energian kiinnitysreaktiossa elektronit kulkevat koentsyymien ja molekyylien läpi, missä ne vapauttavat energiansa. Suurin osa elektroneista kulkeutuu ketjua pitkin, mutta osa tästä energiasta käytetään protonien siirtämiseen vedyn muodossa kloroplastin sisällä olevan tyloidikalvon läpi. Säilytettyä energiaa käytetään sitten ATP: n ja NADPH: n syntetisoimiseksi.

Hiilen kiinnitysreaktion aikana energian kiinnitysreaktiossa tuotettu energia ATP: ssä ja NADPH: ssa käytetään hiilihydraattien muuttamiseen glukoosiksi ja muiksi sokereiksi ja orgaanisiksi aineiksi. Tämä tapahtuu Calvin-syklin kautta, joka on nimetty tutkija Melvin Calvinille. Sykli käyttää ilmakehästä hankittua hiilidioksidia. Vety NADPH: sta, hiili hiilidioksidista ja happi vedestä yhdistyvät muodostamaan glukoosimolekyylit, joita merkitään nimellä C₆H₁₂O₆.

Organismit käyttävät soluhengitystä muuntamaan hiilihydraatit energiaksi, ja tämä prosessi tapahtuu solun sytoplasmassa. Hiilihydraateista vapautuva energia varastoidaan ATP-molekyyleihin. Nämä molekyylit muodostetaan käyttämällä hiilihydraateista saatua energiaa adenosiinidifosfaatti (ADP) -molekyylien ja fosfaatti-ionien yhdistämiseksi. Sitten solut käyttävät tätä varastoitua energiaa erilaisiin energiariippuvaisiin prosesseihin.

Soluhengityksen aikana syntyy myös vettä ja hiilidioksidia. Nämä kolme tuotetta tuottava prosessi koostuu neljästä osasta: glykoloosi, Krebs-sykli, elektroninsiirtojärjestelmä ja kemiosmoosi.

Glykoloosin aikana glukoosi hajotetaan kahteen pyruviinihappomolekyyliin. Tämän prosessin aikana tuotetaan kaksi ATP-molekyyliä. Kaksi nikotiiniamidiadeniinidinukleotidimolekyyliä (NADH), joita käytetään elektroninsiirtojärjestelmässä, saadaan myös glykoloosin aikana.

Krebsin syklissä kahta glykoloosin aikana tuotettua pyruviinihappomolekyyliä käytetään NADH: n muodostamiseen. Tämä tapahtuu, kun vetyä lisätään NAD: iin. Krebs-syklin aikana tuotetaan myös kaksi ATP-molekyyliä.

Prosessissa vapautuneet hiiliatomit yhdistyvät hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia. Kuusi hiilidioksidimolekyyliä vapautuu, kun sykli on valmis. Nämä kuusi molekyyliä vastaavat kuutta glukoosissa olevaa hiiliatomia, joita alun perin käytettiin glykoloosissa.

Mitokondrioiden sytokromit (solupigmentit) ja koentsyymit muodostavat elektroninsiirtojärjestelmän.

NAD: sta otetut elektronit kuljetetaan näiden kantaja- ja siirtomolekyylien läpi. Järjestelmän tietyissä kohdissa NADH: sta peräisin olevat vetyatomien muodossa olevat protonit kuljetetaan kalvon läpi ja vapautetaan mitokondrioiden ulkopinta-alueelle. Happi on ketjun viimeinen elektronin vastaanottaja. Saatuaan elektronin happi sitoutuu vapautuneen vedyn kanssa muodostaen vettä.