Šūnu elpošana un fotosintēze būtībā ir pretēji procesi. Fotosintēze ir process, kurā organismi, izmantojot ķīmisko oglekļa dioksīda (CO2). Savukārt šūnu elpošana ietver glikozes un citu savienojumu sadalīšanos ķīmiskās "oksidēšanas" ceļā. Fotosintēze patērē CO2 un ražo skābekli. Šūnu elpošana patērē skābekli un rada CO2.
Fotosintēze
Fotosintēzē gaismas enerģija tiek pārveidota par ķīmisko savienojumu enerģiju starp atomiem, kas darbojas šūnās. Fotosintēze organismos parādījās pirms 3,5 miljardiem gadu, ir attīstījusies sarežģīti bioķīmiskie un biofizikālie mehānismi, un mūsdienās tā notiek augos un vienšūņu organismos. Fotosintēzes dēļ Zemes atmosfēra un jūras satur skābekli.
Kā darbojas fotosintēze
Fotosintēzē CO2 un saules gaismu izmanto glikozes (cukura) un molekulārā skābekļa (O2). Šī reakcija notiek vairākos posmos divos posmos: gaismas fāzē un tumšajā fāzē.
Gaismas fāzē gaismas enerģija iedarbina reakcijas, kas sadala ūdeni, lai atbrīvotu skābekli. Šajā procesā tiek veidotas augstas enerģijas molekulas - ATP un NADPH. Šajos savienojumos esošās ķīmiskās saites uzkrāj enerģiju. Skābeklis ir blakusprodukts, un šī fotosintēzes fāze ir pretēja šūnu elpošanas procesa oksidatīvai fosforilācijai, kas aplūkota turpmāk, kurā tiek patērēts skābeklis.
Tumšā fotosintēzes fāze ir pazīstama arī kā Kalvina cikls. Šajā fāzē, kurā tiek izmantoti gaismas fāzes produkti, CO2 lieto cukura, glikozes pagatavošanai.
Šūnu elpošana
Šūnu elpošana ir substrāta bioķīmiskais sadalījums oksidēšanās ceļā, kur elektroni ir no substrāta pārnests uz "elektronu akceptoru", kas var būt jebkurš no dažādiem savienojumiem vai skābeklis atomi. Ja substrāts ir oglekli un skābekli saturošs savienojums, piemēram, glikoze, oglekļa dioksīds (CO2) tiek ražots glikolīzes ceļā, sadalot glikozi.
Glikolīze, kas notiek šūnas citoplazmā, sadala glikozi līdz piruvātam - vairāk "oksidētam" savienojumam. Ja ir pietiekami daudz skābekļa, piruvāts pārvietojas uz specializētiem organoīdiem, ko sauc par mitohondrijiem. Tur tas tiek sadalīts acetātā un CO2. CO2 tiek izlaists. Acetāts nonāk reakcijas sistēmā, kas pazīstama kā Krebsa cikls.
Krebsa cikls
Krebsa ciklā acetāts tiek sadalīts tālāk, lai tā atlikušie oglekļa atomi tiktu atbrīvoti kā CO2. Tas ir pretrunā ar vienu fotosintēzes aspektu - ogļūdeņražu saistīšanu no CO2 kopā, lai pagatavotu cukuru. Papildus CO2, Krebsa cikls un glikolīze izmanto substrātu ķīmisko saišu enerģiju (piemēram, glikozi), lai izveidotu tādus augstas enerģijas savienojumus kā ATP un GTP, kurus izmanto šūnu sistēmas. Izgatavo arī augstas enerģijas, reducētus savienojumus: NADH un FADH2. Šie savienojumi ir līdzekļi, ar kuriem elektroni, kas satur sākotnēji iegūto enerģiju glikoze vai cits pārtikas savienojums, tiek pārnesti uz nākamo procesu, ko sauc par elektronu transportu ķēde.
Elektronu transporta ķēde un oksidatīvā fosforilēšana
Elektronu transporta ķēdē, kas dzīvnieku šūnās galvenokārt atrodas uz mitohondriju iekšējām membrānām, samazināti produkti, piemēram, NADH un FADH2 tiek izmantoti, lai izveidotu protonu gradientu - nesabalansētu nepārstrādātu ūdeņraža atomu koncentrāciju vienā membrāna vs. otrs. Protonu gradients savukārt veicina vairāk ATP veidošanos procesā, ko sauc par oksidatīvo fosforilēšanu.
Šūnu elpošana: fotosintēzes pretstats
Kopumā fotosintēze ietver elektronu aktivizēšanu ar gaismas enerģiju, lai samazinātu (pievienotu elektronus) CO2, lai izveidotu lielāku savienojumu (glikozi), ražojot skābekli kā blakusproduktu. Šūnu elpošana, no otras puses, ietver elektronu noņemšanu no substrāta (piemēram, glikozes), kas ir teiksim oksidāciju, un procesā substrāts tiek noārdīts tā, ka tā oglekļa atomi izdalās kā CO2, bet skābeklis ir patērēts. Tādējādi fotosintēze un šūnu elpošana ir gandrīz pretēji bioķīmiskajiem procesiem.