Ciklus fotosinteze i staničnog disanja koristi se za proizvodnju korisne energije za biljke i druge organizme. Ti se procesi događaju na molekularnoj razini unutar stanica organizama. Na toj se ljestvici molekule koje sadrže energiju provode kroz metaboličke procese koji daju energiju koja se može odmah iskoristiti. Jedan takav izvor energije nastaje u fotosintezi; druga je pohranjena poput baterije kao kod staničnog disanja.
Metabolizam fotosinteze
Biljke primaju svjetlosnu energiju kroz male pore na lišću zvane stomati i pretvaraju je u organele zvane kloroplasti, smještene u biljnim stanicama u lišću i zelenim stabljikama. Organeli su specijalizirani dijelovi stanice koji funkcioniraju na način sličan organima. U tom se procesu energija koristi za pretvaranje ugljičnog dioksida i vode u ugljikohidrate poput glukoze i molekularnog kisika.
Fotosinteza je dvodijelni metabolički proces. Dva dijela biokemijskog puta fotosinteze su reakcija fiksiranja energije i reakcija fiksiranja ugljika. Prvi proizvodi molekule adenozin trifosfata (ATP) i nikotinamid adenin dinukleaotid fosfat vodik (NADPH). Obje molekule sadrže energiju i koriste se u reakciji fiksiranja ugljika za stvaranje glukoze.
Reakcija učvršćivanja energije
U reakciji fiksiranja energije fotosinteze, elektroni prolaze kroz koenzime i molekule gdje oslobađaju svoju energiju. Većina elektrona prolazi kroz lanac, ali dio te energije koristi se za kretanje protona u obliku vodika preko tilakoidne membrane unutar kloroplasta. Zadržana energija tada se koristi za sintezu ATP i NADPH.
Reakcija učvršćivanja ugljika
Tijekom reakcije fiksiranja ugljika, energija u ATP i NADPH koja se stvara u reakciji fiksiranja energije koristi se za pretvaranje ugljikohidrata u glukozu i druge šećere i organske tvari. To se događa kroz Calvinov ciklus, nazvan po istraživaču Melvinu Calvinu. U ciklusu se koristi ugljični dioksid stečen iz atmosfere. Vodik iz NADPH, ugljik iz ugljičnog dioksida i kisik iz vode kombiniraju se u molekule glukoze označene kao C6H12O6.
Stanično disanje
Organizmi koriste stanično disanje za pretvaranje ugljikohidrata u energiju, a taj se proces događa u staničnoj citoplazmi. Energija oslobođena od ugljikohidrata pohranjuje se u molekulama ATP. Te molekule nastaju pomoću energije dobivene iz ugljikohidrata za kombiniranje molekula adenozin difosfata (ADP) i fosfatnih iona. Stanice tada koriste tu pohranjenu energiju za razne procese ovisne o energiji.
Tijekom staničnog disanja također se proizvode voda i ugljični dioksid. Proces koji daje ova tri proizvoda sastoji se od četiri dijela: glikoloza, Krebsov ciklus, sustav prijenosa elektrona i kemiosmoza.
Glikoloza: razgradnja glukoze
Tijekom glikoloze glukoza se razgrađuje na dvije molekule piruvične kiseline. Tijekom ovog procesa stvaraju se dvije molekule ATP. Tijekom glikoloze dobivene su i dvije molekule nikotinamid adenin dinukleotida (NADH) koje će se koristiti u sustavu prijenosa elektrona.
Krebsov ciklus
U Krebsovom ciklusu za stvaranje NADH koriste se dvije molekule piruvične kiseline proizvedene tijekom glikoloze. To se događa kada se vodik doda u NAD. Također se tijekom Krebsovog ciklusa proizvode dvije ATP molekule.
Atomi ugljika koji se oslobađaju u procesu kombiniraju se s kisikom i stvaraju ugljični dioksid. Kada se ciklus završi, oslobađa se šest molekula ugljičnog dioksida. Ovih šest molekula odgovara šest atoma ugljika u glukozi koji su se u početku koristili u glikolozi.
Elektronski transportni sustav
Citohromi (stanični pigmenti) i koenzimi u mitohondrijima čine sustav prijenosa elektrona.
Elektroni uzeti iz NAD-a prenose se kroz te nosače i prenose molekule. U određenim točkama tijekom sustava protoni u obliku atoma vodika iz NADH prenose se kroz membranu i puštaju u vanjsko područje mitohondrija. Kisik je zadnji akceptor elektrona u lancu. Kad primi elektron, kisik se s oslobođenim vodikom veže i stvara vodu.