המסלולים המטבוליים של פוטוסינתזה ונשימה סלולרית

הפוטוסינתזה ומחזור הנשימה התאית משמשים לייצור אנרגיה שמיש לצמחים ואורגניזמים אחרים. תהליכים אלה מתרחשים ברמה המולקולרית בתוך תאי האורגניזמים. בסולם זה, מולקולות המכילות אנרגיה עוברות תהליכים מטבוליים המניבים אנרגיה שניתן להשתמש בה מיד. מקור אנרגיה אחד כזה מיוצר בפוטוסינתזה; אחרת מאוחסנת כמו סוללה כמו בנשימה תאית.

צמחים מקבלים אנרגיית אור דרך נקבוביות קטנות על העלים שלהם הנקראים סטומטה וממירים אותה באברונים הנקראים כלורופלסטים, הנמצאים בתאי הצמח בעלים ובגבעולים הירוקים. אברונים הם חלקים מיוחדים בתא המתפקדים בצורה דמוית איברים. האנרגיה משמשת בתהליך זה להמרת פחמן דו חמצני ומים לפחמימות כגון גלוקוז וחמצן מולקולרי.

פוטוסינתזה היא תהליך מטבולי דו-חלקי. שני החלקים במסלול הביוכימי של הפוטוסינתזה הם התגובה לקיבוע האנרגיה והתגובה לקיבוע הפחמן. הראשון מייצר מולקולות אדנוזין טריפוספט (ATP) וניקוטינאמיד אדנין דינוקלאואוטידי פוספט מימן (NADPH). שתי המולקולות מכילות אנרגיה ומשמשות בתגובת קיבוע הפחמן ליצירת גלוקוז.

בתגובה לתיקון אנרגיה של פוטוסינתזה, האלקטרונים עוברים דרך אנזימים ומולקולות שם הם משחררים את האנרגיה שלהם. רוב האלקטרונים מועברים לאורך השרשרת, אך חלק מהאנרגיה הזו משמשת להעברת פרוטונים בצורת מימן על פני קרום התילאקואיד שבתוך הכלורופלסט. האנרגיה הנשמרת משמשת לאחר מכן לסינתזת ATP ו- NADPH.

במהלך תגובת קיבוע הפחמן, האנרגיה ב- ATP וב- NADPH המיוצרת בתגובת קיבוע האנרגיה משמשת להמרת פחמימות לגלוקוז וסוכרים וחומרים אורגניים אחרים. זה קורה דרך מחזור קלווין, על שם החוקר מלווין קלווין. במחזור נעשה שימוש בפחמן דו חמצני שנרכש מהאטמוספירה. מימן מ- NADPH, פחמן מפחמן דו חמצני וחמצן ממים מתאחדים ויוצרים מולקולות הגלוקוז המסומנות כ- C₆ה₁₂או₆.

אורגניזמים משתמשים בנשימה תאית כדי להמיר פחמימות לאנרגיה, ותהליך זה מתרחש בציטופלזמה של התא. האנרגיה המשתחררת מפחמימות נשמרת במולקולות ATP. מולקולות אלו נוצרות תוך שימוש באנרגיה המתקבלת מפחמימות לשילוב מולקולות אדנוזין דיפוספט (ADP) ויוני פוספט. לאחר מכן תאים משתמשים באנרגיה המאוחסנת הזו לתהליכים שונים התלויים באנרגיה.

מיוצרים גם במהלך נשימה תאית מים ופחמן דו חמצני. התהליך המניב את שלושת המוצרים הללו מורכב מארבעה חלקים: גליקולוזיס, מחזור קרבס, מערכת הובלת האלקטרונים וכימוזמוזה.

במהלך הגליקולוזיס גלוקוז מתפרק לשתי מולקולות של חומצה פירובית. שתי מולקולות ATP מיוצרות במהלך תהליך זה. שתי מולקולות ניקוטינאמיד אדנין דינוקלאוטיד (NADH) שישמשו במערכת הובלת האלקטרונים, מופקות גם במהלך גליקולוזיס.

במחזור קרבס משתמשים בשתי מולקולות של חומצה פירובית המיוצרות במהלך הגליקולוזיס ליצירת NADH. זה קורה כאשר מימן מתווסף ל- NAD. מיוצרים גם במהלך מחזור קרבס שתי מולקולות ATP.

אטומי פחמן המשתחררים בתהליך משתלבים עם חמצן ליצירת פחמן דו חמצני. שש מולקולות פחמן דו חמצני משתחררות לאחר השלמת המחזור. שש המולקולות הללו תואמות את ששת אטומי הפחמן בגלוקוז ששימשו בתחילה בגליקולוזיס.

ציטוכרומים (פיגמנטים של תאים) וקואנזימים במיטוכונדריה יוצרים את מערכת הובלת האלקטרונים.

אלקטרונים שנלקחו מ- NAD מועברים דרך מולקולות נושאות ומעבירות אלה. בנקודות מסוימות במהלך המערכת, פרוטונים בצורת אטומי מימן מ- NADH מועברים על פני קרום ומשוחררים לאזור החיצוני של המיטוכונדריה. חמצן הוא מקבל האלקטרונים האחרון בשרשרת. כאשר הוא מקבל אלקטרון, החמצן נקשר עם המימן המשתחרר ליצירת מים.