כיצד הנשימה הסלולרית והפוטוסינתזה כמעט מנוגדות לתהליכים?

נשימה של תאים ופוטוסינתזה הם למעשה תהליכים הפוכים. פוטוסינתזה היא התהליך שבו אורגניזמים מייצרים תרכובות בעלות אנרגיה גבוהה - הגלוקוז הסוכר בפרט - באמצעות "הפחתה" כימית של פחמן דו חמצני (CO₂). לעומת זאת, נשימה תאית כוללת פירוק גלוקוז ותרכובות אחרות באמצעות "חמצון" כימי. פוטוסינתזה צורכת CO₂ ומייצר חמצן. נשימה תאית צורכת חמצן ומייצרת CO₂.

בפוטוסינתזה, אנרגיה מאור מומרת לאנרגיה כימית של קשרים בין אטומים המעבירים תהליכים בתאים. פוטוסינתזה הופיעה באורגניזמים לפני 3.5 מיליארד שנים, התפתחה מנגנונים ביוכימיים וביו-פיזיים מורכבים, וכיום היא מתרחשת בצמחים ובאורגניזמים חד תאיים. זה בגלל הפוטוסינתזה שהאטמוספירה והים של כדור הארץ מכילים חמצן.

בפוטוסינתזה, CO₂ ואור שמש משמשים לייצור גלוקוז (סוכר) וחמצן מולקולרי (O₂). תגובה זו מתרחשת באמצעות מספר שלבים בשני שלבים: שלב האור והשלב החשוך.

בשלב האור, אנרגיה מאור מפעילה תגובות המפצלות מים לשחרור חמצן. בתהליך נוצרות מולקולות בעלות אנרגיה גבוהה, ATP ו- NADPH. הקשרים הכימיים בתרכובות אלה אוגרים את האנרגיה. חמצן הוא תוצר לוואי, ושלב זה של פוטוסינתזה הוא ההפך מפיוספורילציה חמצונית של תהליך הנשימה התאית, הנדון להלן, בו נצרך חמצן.

השלב האפל של הפוטוסינתזה מכונה גם מחזור קלווין. בשלב זה, המשתמש במוצרי שלב האור, CO₂ משמש להכנת הסוכר, הגלוקוז.

נשימה תאית היא פירוק ביוכימי של מצע באמצעות חמצון, שבו האלקטרונים נמצאים מועבר מהמצע ל"קולט אלקטרונים ", שיכול להיות כל אחד ממגוון תרכובות, או חמצן אטומים. אם המצע הוא תרכובת המכילה פחמן וחמצן, כגון גלוקוז, פחמן דו חמצני (CO₂) מיוצר באמצעות גליקוליזה, פירוק הגלוקוז.

גליקוליזה, המתרחשת בציטופלזמה של תא, מפרקת את הגלוקוז לפירובט, תרכובת "מחומצנת" יותר. אם יש מספיק חמצן, פירובט עובר לאברונים מיוחדים הנקראים מיטוכונדריה. שם הוא מתפרק לאצטט ו- CO₂. CO₂ משוחרר. האצטט נכנס למערכת תגובה המכונה מחזור קרבס.

במחזור קרבס, אצטט מתפרק עוד יותר כך שאטומי הפחמן הנותרים שלו משתחררים כ- CO₂. זה מנוגד להיבט אחד של פוטוסינתזה, קשירת פחמנים מ CO₂ יחד להכנת סוכר. בנוסף ל- CO₂, מחזור קרבס וגליקוליזה משתמשים באנרגיה מהקשרים הכימיים של מצעים (כגון גלוקוז) ליצירת תרכובות בעלות אנרגיה גבוהה כגון ATP ו- GTP, המשמשות מערכות תאים. מיוצרים גם תרכובות מופחתות באנרגיה גבוהה: NADH ו- FADH2. תרכובות אלה הן האמצעים שבהם אלקטרונים, המחזיקים את האנרגיה שמקורם בתחילה גלוקוז או תרכובת מזון אחרת, מועברים לתהליך הבא, הנקרא הובלת אלקטרונים שַׁרשֶׁרֶת.

בשרשרת הובלת האלקטרונים, שבתאי בעלי חיים ממוקמת בעיקר על הממברנות הפנימיות של המיטוכונדריה, מופחתים מוצרים כגון NADH ו- FADH2 משמשים ליצירת שיפוע פרוטון - חוסר איזון בריכוז אטומי המימן הלא מזוודים בצד אחד של קרום לעומת האחר. שיפוע הפרוטון, בתורו, מניע ייצור של ATP נוסף, בתהליך הנקרא זרחון חמצוני.

בסך הכל, פוטוסינתזה כוללת אנרגיית אלקטרונים על ידי אנרגיית אור להפחתת (להוסיף אלקטרונים ל) CO2 לבניית תרכובת גדולה יותר (גלוקוז), לייצור חמצן כתוצר לוואי. לעומת זאת, נשימה סלולרית כוללת הוצאת אלקטרונים ממצע (גלוקוז, למשל), כלומר אומרים חמצון, ובתוך כך המצע מושפל כך שאטומי הפחמן שלו משתחררים כ- CO2, ואילו חמצן הוא מְאוּכָּל. לפיכך, פוטוסינתזה ונשימה תאית הם כמעט מנוגדים לתהליכים ביוכימיים.