Fotosintēzes un šūnu elpošanas vielmaiņas ceļi

Fotosintēzi un šūnu elpošanas ciklu izmanto, lai ražotu augiem un citiem organismiem izmantojamu enerģiju. Šie procesi notiek molekulārā līmenī organismu šūnu iekšienē. Šajā mērogā enerģiju saturošās molekulas tiek izmantotas vielmaiņas procesos, kas dod enerģiju, kuru var izmantot uzreiz. Viens no šādiem enerģijas avotiem tiek iegūts fotosintēzē; cits tiek glabāts kā akumulators kā šūnu elpošanā.

Augi gaismas enerģiju saņem caur mazām porām uz viņu lapām, ko sauc par stomātiem, un pārveido to organoļos, ko sauc par hloroplastiem, kas atrodas augu šūnās lapās un zaļajos stublājos. Organelles ir specializētas šūnas daļas, kas darbojas līdzīgi orgāniem. Enerģija tiek izmantota šajā procesā, lai oglekļa dioksīdu un ūdeni pārveidotu par ogļhidrātiem, piemēram, glikozi un molekulāro skābekli.

Fotosintēze ir divdaļīgs vielmaiņas process. Divas fotosintēzes bioķīmiskā ceļa daļas ir enerģijas fiksēšanas reakcija un oglekļa fiksācijas reakcija. Pirmais ražo adenozīna trifosfāta (ATP) un nikotinamīda adenīna dinukleaotīda fosfāta ūdeņraža (NADPH) molekulas. Abas molekulas satur enerģiju un tiek izmantotas oglekļa piesaistes reakcijā glikozes veidošanai.

Fotosintēzes enerģijas fiksēšanas reakcijā elektroni tiek izvadīti caur koenzīmiem un molekulām, kur tie atbrīvo savu enerģiju. Lielākā daļa elektronu tiek izvadīti gar ķēdi, bet daļu no šīs enerģijas izmanto protonu pārvietošanai ūdeņraža veidā pa tilakoīda membrānu hloroplasta iekšpusē. Saglabātā enerģija tiek izmantota ATP un NADPH sintezēšanai.

Oglekļa fiksēšanas reakcijas laikā enerģija, kas rodas ATP un NADPH, kas rodas enerģijas fiksēšanas reakcijā, tiek izmantota ogļhidrātu pārvēršanai glikozē un citos cukuros un organiskās vielās. Tas notiek caur Kalvina ciklu, kurš nosaukts pētniekam Melvinam Kalvinam. Cikla laikā tiek izmantots no atmosfēras iegūtais oglekļa dioksīds. Ūdeņradis no NADPH, ogleklis no oglekļa dioksīda un skābeklis no ūdens apvienojas, veidojot glikozes molekulas, kas apzīmētas kā C₆H₁₂O₆.

Organismi izmanto šūnu elpošanu, lai ogļhidrātus pārvērstu enerģijā, un šis process notiek šūnas citoplazmā. No ogļhidrātiem izdalītā enerģija tiek uzkrāta ATP molekulās. Šīs molekulas tiek veidotas, izmantojot enerģiju, kas iegūta no ogļhidrātiem, lai apvienotu adenozīna difosfāta (ADP) molekulas un fosfāta jonus. Pēc tam šūnas izmanto šo uzkrāto enerģiju dažādiem no enerģijas atkarīgiem procesiem.

Šūnu elpošanas laikā rodas arī ūdens un oglekļa dioksīds. Procesu, kas dod šos trīs produktus, veido četras daļas: glikoloze, Krebsa cikls, elektronu transporta sistēma un ķīmiozoze.

Glikolozes laikā glikoze tiek sadalīta divās pirovīnskābes molekulās. Šajā procesā tiek ražotas divas ATP molekulas. Glikolozes laikā tiek iegūtas arī divas nikotinamīda adenīna dinukleotīda (NADH) molekulas, kuras tiks izmantotas elektronu transporta sistēmā.

Krebsa ciklā NADH veidošanai tiek izmantotas divas pirovīnskābes molekulas, kas rodas glikolozes laikā. Tas notiek, kad NAD pievieno ūdeņradi. Krebsa cikla laikā tiek ražotas arī divas ATP molekulas.

Procesā izdalītie oglekļa atomi kopā ar skābekli veido oglekļa dioksīdu. Kad cikls ir pabeigts, tiek atbrīvotas sešas oglekļa dioksīda molekulas. Šīs sešas molekulas atbilst sešiem glikozes oglekļa atomiem, kas sākotnēji tika izmantoti glikolozē.

Mitohondriju citohromi (šūnu pigmenti) un koenzīmi veido elektronu transporta sistēmu.

Elektroni, kas ņemti no NAD, tiek transportēti caur šīm nesēja un pārneses molekulām. Atsevišķos sistēmas punktos protoni ūdeņraža atomu veidā no NADH tiek transportēti pa membrānu un izdalīti mitohondriju ārējā zonā. Skābeklis ir pēdējais elektronu akceptors ķēdē. Saņemot elektronu, skābeklis saistās ar izdalīto ūdeņradi, veidojot ūdeni.