Il ciclo di fotosintesi e respirazione cellulare viene utilizzato per produrre energia utilizzabile per piante e altri organismi. Questi processi avvengono a livello molecolare all'interno delle cellule degli organismi. Su questa scala, le molecole contenenti energia vengono sottoposte a processi metabolici che producono energia che può essere utilizzata immediatamente. Una tale fonte di energia è prodotta nella fotosintesi; un altro è immagazzinato come una batteria come nella respirazione cellulare.
Metabolismo della fotosintesi
Le piante ricevono energia luminosa attraverso piccoli pori sulle foglie chiamati stomi e la convertono negli organelli chiamati cloroplasti, situati nelle cellule vegetali nelle foglie e negli steli verdi. Gli organelli sono parti specializzate di una cellula che funzionano in modo simile a un organo. L'energia viene utilizzata in questo processo per convertire l'anidride carbonica e l'acqua in carboidrati come glucosio e ossigeno molecolare.
La fotosintesi è un processo metabolico in due parti. Le due parti del percorso biochimico della fotosintesi sono la reazione di fissazione dell'energia e la reazione di fissazione del carbonio. Il primo produce molecole di adenosina trifosfato (ATP) e nicotinammide adenina dinucleaotide fosfato idrogeno (NADPH). Entrambe le molecole contengono energia e vengono utilizzate nella reazione di fissazione del carbonio per formare il glucosio.
Reazione di fissazione dell'energia
Nella reazione di fissazione dell'energia della fotosintesi, gli elettroni vengono fatti passare attraverso coenzimi e molecole dove rilasciano la loro energia. La maggior parte degli elettroni passa lungo la catena, ma parte di questa energia viene utilizzata per spostare i protoni sotto forma di idrogeno attraverso la membrana tilacoide all'interno del cloroplasto. L'energia trattenuta viene quindi utilizzata per sintetizzare ATP e NADPH.
Reazione di fissaggio del carbonio
Durante la reazione di fissazione del carbonio, l'energia nell'ATP e nel NADPH prodotta nella reazione di fissazione dell'energia viene utilizzata per convertire i carboidrati in glucosio e altri zuccheri e sostanze organiche. Ciò avviene attraverso il ciclo di Calvin, dal nome del ricercatore Melvin Calvin. Il ciclo utilizza l'anidride carbonica acquisita dall'atmosfera. L'idrogeno da NADPH, il carbonio dall'anidride carbonica e l'ossigeno dall'acqua si combinano per formare le molecole di glucosio indicate come C6H12oh6.
Respirazione cellulare
Gli organismi utilizzano la respirazione cellulare per convertire i carboidrati in energia e questo processo avviene nel citoplasma della cellula. L'energia rilasciata dai carboidrati è immagazzinata nelle molecole di ATP. Queste molecole si formano utilizzando l'energia ottenuta dai carboidrati per combinare molecole di adenosina difosfato (ADP) e ioni fosfato. Le cellule utilizzano quindi questa energia immagazzinata per vari processi dipendenti dall'energia.
Durante la respirazione cellulare vengono prodotti anche acqua e anidride carbonica. Il processo che produce questi tre prodotti è composto da quattro parti: la glicolosi, il ciclo di Krebs, il sistema di trasporto degli elettroni e la chemiosmosi.
Glicolosi: abbattere il glucosio
Durante la glicolisi, il glucosio viene scomposto in due molecole di acido piruvico. Durante questo processo vengono prodotte due molecole di ATP. Durante la glicolosi vengono prodotte anche due molecole di nicotinammide adenina dinucleotide (NADH) che verranno utilizzate nel sistema di trasporto degli elettroni.
Il ciclo di Krebs
Nel ciclo di Krebs, due molecole di acido piruvico prodotte durante la glicolosi vengono utilizzate per formare NADH. Ciò si verifica quando l'idrogeno viene aggiunto al NAD. Durante il ciclo di Krebs vengono prodotte anche due molecole di ATP.
Gli atomi di carbonio rilasciati nel processo si combinano con l'ossigeno per formare anidride carbonica. Al termine del ciclo vengono rilasciate sei molecole di anidride carbonica. Queste sei molecole corrispondono ai sei atomi di carbonio nel glucosio che sono stati inizialmente utilizzati nella glicolosi.
Sistema di trasporto di elettroni
I citocromi (pigmenti cellulari) e i coenzimi nei mitocondri formano il sistema di trasporto degli elettroni.
Gli elettroni prelevati dal NAD vengono trasportati attraverso questi trasportatori e trasferiscono le molecole. In alcuni punti durante il sistema, i protoni sotto forma di atomi di idrogeno del NADH vengono trasportati attraverso una membrana e rilasciati nell'area esterna dei mitocondri. L'ossigeno è l'ultimo accettore di elettroni nella catena. Quando riceve un elettrone, l'ossigeno si lega all'idrogeno rilasciato per formare acqua.