A fotoszintézist és a sejtes légzési ciklust felhasználható energia előállítására használják növények és más szervezetek számára. Ezek a folyamatok molekuláris szinten zajlanak le az organizmusok sejtjein belül. Ezen a skálán az energiatartalmú molekulákat olyan anyagcsere-folyamatokon keresztül hajtják végre, amelyek azonnal felhasználható energiát adnak. Az egyik ilyen energiaforrás a fotoszintézis során keletkezik; egy másik elemként van tárolva, mint a sejtlégzésben.
A fotoszintézis anyagcseréje
A növények fényenergiát kapnak leveleiken levő kis pórusokon keresztül, úgynevezett sztómáknak, és átalakítják a kloroplasztnak nevezett organellákban, amelyek a levelek és a zöld szárak növényi sejtjeiben találhatók. Az organellák a sejt speciális részei, amelyek szervszerű módon működnek. Az energiát ebben a folyamatban használják a szén-dioxid és a víz szénhidrátokká, például glükózzá és molekuláris oxigénné történő átalakítására.
A fotoszintézis kétrészes anyagcsere folyamat. A fotoszintézis biokémiai útjának két része az energia-rögzítés és a szén-rögzítés. Az első adenozin-trifoszfát (ATP) és nikotinamid-adenin-dinukleootid-foszfát-hidrogén (NADPH) molekulákat állít elő. Mindkét molekula energiát tartalmaz, és a szénmegkötő reakcióban felhasználják glükóz képződéséhez.
Energia-rögzítő reakció
A fotoszintézis energia-rögzítő reakciójában az elektronok koenzimeken és molekulákon mennek keresztül, ahol felszabadítják energiájukat. Az elektronok nagy része a lánc mentén halad, de ennek az energiának egy részét a protonok hidrogén formájában történő mozgatására használják fel a kloroplaszt belsejében lévő tilakoid membránon keresztül. A visszatartott energiát azután felhasználják az ATP és a NADPH szintetizálására.
Szénmegkötő reakció
A szénmegkötő reakció során az ATP-ben és az NADPH-ban az energia-rögzítő reakcióban keletkező energiát felhasználják a szénhidrátok glükózzá és más cukrokká és szerves anyagokká történő átalakítására. Ez a Calvin-cikluson keresztül történik, amelyet Melvin Calvin kutatónak neveztek el. A ciklus a légkörből nyert szén-dioxidot használja fel. A NADPH-ból származó hidrogén, a szén-dioxidból származó szén és a vízből származó oxigén együtt alkotják a C-ként jelölt glükózmolekulákat6H12O6.
Sejtlégzés
A szervezetek a sejtek légzésével átalakítják a szénhidrátokat energiává, és ez a folyamat a sejt citoplazmájában megy végbe. A szénhidrátokból felszabaduló energiát ATP-molekulák tárolják. Ezek a molekulák a szénhidrátokból nyert energia felhasználásával jönnek létre az adenozin-difoszfát (ADP) molekulák és a foszfátionok kombinálásához. A sejtek ezt a tárolt energiát különféle energiától függő folyamatokhoz használják fel.
A sejtlégzés során termelődik a víz és a szén-dioxid is. A három terméket eredményező folyamat négy részből áll: glikolózisból, a Krebs-ciklusból, az elektrontranszport rendszerből és a kemioszmózisból.
Glikolózis: A glükóz lebontása
A glikolózis során a glükózt két pironsavmolekulára bontják. Két ATP molekula keletkezik ebben a folyamatban. A glikolózis során két nikotinamid-adenin-dinukleotid (NADH) molekula is keletkezik, amelyeket az elektrontranszport rendszerben fognak használni.
A Krebs-ciklus
A Krebs-ciklusban a glikolózis során termelődő két piruvinsavmolekulát használják a NADH képződéséhez. Ez akkor fordul elő, ha hidrogént adnak a NAD-hoz. A Krebs-ciklus során két ATP-molekula is előáll.
A folyamat során felszabaduló szénatomok oxigénnel kombinálva szén-dioxidot képeznek. A ciklus befejeztével hat szén-dioxid molekula szabadul fel. Ez a hat molekula megfelel a glükóz hat szénatomjának, amelyet kezdetben a glikolózisban használtak.
Elektrontranszport rendszer
A mitokondrium citokrómjai (sejtpigmentjei) és koenzimjei alkotják az elektrontranszport rendszert.
A NAD-ból vett elektronokat ezen hordozó- és transzfermolekulákon keresztül szállítják. A rendszer bizonyos pontjain a NADH hidrogénatomjai formájában lévő protonokat egy membránon át szállítják, és a mitokondriumok külső területére engedik. Az oxigén az utolsó elektron-akceptor a láncban. Amikor elektront kap, az oxigén kötődik a felszabadult hidrogénnel, és így vizet képez.