Metaboliniai fotosintezės ir korinio kvėpavimo keliai

Fotosintezė ir ląstelių kvėpavimo ciklas naudojami gaminti energiją augalams ir kitiems organizmams. Šie procesai vyksta molekuliniu lygiu organizmo ląstelių viduje. Šioje skalėje energijos turinčios molekulės atliekamos medžiagų apykaitos procesuose, kurie duoda energiją, kurią galima iš karto panaudoti. Vienas iš tokių energijos šaltinių susidaro fotosintezės metu; kitas yra saugomas kaip baterija kaip korinio kvėpavimo metu.

Augalai gauna šviesos energiją per mažas poras ant lapų, vadinamų stomata, ir paverčia organeliuose, vadinamuose chloroplastais, esančiais augalų ląstelėse lapuose ir žaliuose stiebuose. Organelės yra specializuotos ląstelės dalys, kurios veikia panašiai kaip organai. Energija naudojama šiame procese anglies dvideginiui ir vandeniui paversti angliavandeniais, tokiais kaip gliukozė ir molekulinis deguonis.

Fotosintezė yra dviejų dalių metabolinis procesas. Dvi fotosintezės biocheminio kelio dalys yra energiją fiksuojanti reakcija ir anglies fiksavimo reakcija. Pirmasis gamina adenozino trifosfato (ATP) ir nikotinamido adenino dinukleaotido fosfato vandenilio (NADPH) molekules. Abi molekulės turi energijos ir yra naudojamos anglies fiksavimo reakcijoje, kad susidarytų gliukozė.

Vykstant fotosintezės energijos fiksavimo reakcijai, elektronai praeina per kofermentus ir molekules, kur jie išleidžia savo energiją. Dauguma elektronų praeina išilgai grandinės, tačiau dalis šios energijos yra naudojama vandenilio pavidalo protonams pernešti per tilakoidinę membraną chloroplasto viduje. Sulaikyta energija naudojama ATP ir NADPH sintezei.

Vykstant anglies fiksavimo reakcijai, ATP ir NADPH energija, susidariusi energijos fiksavimo reakcijoje, naudojama angliavandeniams paversti gliukoze ir kitais cukrumi bei organinėmis medžiagomis. Tai vyksta per Kalvino ciklą, pavadintą tyrinėtojo Melvino Kalvino. Ciklas naudoja anglies dioksidą, gautą iš atmosferos. Vandenilis iš NADPH, anglis iš anglies dioksido ir deguonis iš vandens susijungia ir sudaro gliukozės molekules, žymimas kaip C₆H₁₂O₆.

Organizmai naudoja ląstelių kvėpavimą angliavandeniams paversti energija, ir šis procesas vyksta ląstelės citoplazmoje. Iš angliavandenių išsiskirianti energija kaupiama ATP molekulėse. Šios molekulės susidaro naudojant energiją, gautą iš angliavandenių, derinant adenozino difosfato (ADP) molekules ir fosfato jonus. Tada ląstelės naudoja šią sukauptą energiją įvairiems nuo energijos priklausomiems procesams.

Ląstelinio kvėpavimo metu taip pat susidaro vanduo ir anglies dioksidas. Procesą, iš kurio gaunami šie trys produktai, sudaro keturios dalys: glikolozė, Krebso ciklas, elektronų pernešimo sistema ir chemiozozė.

Glikolozės metu gliukozė suskaidoma į dvi piruvos rūgšties molekules. Šio proceso metu gaminamos dvi ATP molekulės. Glikolozės metu taip pat gaunamos dvi nikotinamido adenino dinukleotido (NADH) molekulės, kurios bus naudojamos elektronų transportavimo sistemoje.

Krebso cikle NADH formavimui naudojamos dvi piruvino rūgšties molekulės, susidariusios glikolozės metu. Tai atsitinka, kai vandenilio yra pridėta prie NAD. Krebso ciklo metu taip pat gaminamos dvi ATP molekulės.

Procese išsiskyrę anglies atomai kartu su deguonimi sudaro anglies dioksidą. Pasibaigus ciklui, išsiskiria šešios anglies dvideginio molekulės. Šios šešios molekulės atitinka šešis anglies atomus gliukozėje, kurie iš pradžių buvo naudojami glikolozėje.

Mitochondrijose esantys citochromai (ląstelių pigmentai) ir kofermentai sudaro elektronų pernešimo sistemą.

Iš NAD paimti elektronai pernešami per šias nešiklius ir perneša molekules. Tam tikruose sistemos taškuose protonai vandenilio atomų pavidalu iš NADH yra pernešami per membraną ir išleidžiami į išorinį mitochondrijų plotą. Deguonis yra paskutinis elektronų priėmėjas grandinėje. Gavęs elektroną, deguonis jungiasi su išsiskyrusiu vandeniliu, kad susidarytų vanduo.