Hoe zijn cellulaire ademhaling en fotosynthese bijna tegenovergestelde processen?

Celademhaling en fotosynthese zijn in wezen tegengestelde processen. Fotosynthese is het proces waarbij organismen energierijke verbindingen maken - met name de suikerglucose - door de chemische "reductie" van koolstofdioxide (CO₂). Cellulaire ademhaling daarentegen omvat de afbraak van glucose en andere verbindingen door chemische "oxidatie". Fotosynthese verbruikt CO₂ en produceert zuurstof. Cellulaire ademhaling verbruikt zuurstof en produceert CO₂.

Bij fotosynthese wordt energie van licht omgezet in chemische energie van bindingen tussen atomen die processen in cellen aandrijven. Fotosynthese ontstond 3,5 miljard jaar geleden in organismen, heeft complexe biochemische en biofysische mechanismen ontwikkeld en komt tegenwoordig voor in planten en eencellige organismen. Het is vanwege fotosynthese dat de atmosfeer en de zeeën van de aarde zuurstof bevatten.

Bij fotosynthese, CO₂ en zonlicht worden gebruikt om glucose (suiker) en moleculaire zuurstof (O .) te produceren

In de lichtfase drijft energie uit licht reacties aan die water splitsen om zuurstof vrij te maken. Daarbij worden hoogenergetische moleculen, ATP en NADPH, gevormd. De chemische bindingen in deze verbindingen slaan de energie op. Zuurstof is een bijproduct en deze fase van fotosynthese is het tegenovergestelde van oxidatieve fosforylering van het cellulaire ademhalingsproces, dat hieronder wordt besproken, waarbij zuurstof wordt verbruikt.

De donkere fase van fotosynthese wordt ook wel de Calvincyclus genoemd. In deze fase, die gebruikmaakt van de producten van de lichtfase, CO₂ wordt gebruikt om de suiker, glucose te maken.

Cellulaire ademhaling is de biochemische afbraak van een substraat door oxidatie, waarbij elektronen overgebracht van het substraat naar een "elektronenacceptor", die een van een verscheidenheid aan verbindingen of zuurstof kan zijn atomen. Als het substraat een koolstof- en zuurstofhoudende verbinding is, zoals glucose, koolstofdioxide (CO₂) wordt geproduceerd door glycolyse, de afbraak van glucose.

Glycolyse, die plaatsvindt in het cytoplasma van een cel, breekt glucose af tot pyruvaat, een meer "geoxideerde" verbinding. Als er voldoende zuurstof aanwezig is, verplaatst pyruvaat zich naar gespecialiseerde organellen die mitochondriën worden genoemd. Daar wordt het afgebroken tot acetaat en CO₂. de CO₂ is vrijgegeven. Het acetaat komt in een reactiesysteem dat bekend staat als de Krebs-cyclus.

In de Krebs-cyclus wordt acetaat verder afgebroken, zodat de resterende koolstofatomen vrijkomen als CO₂. Dit is het tegenovergestelde van één aspect van fotosynthese, de binding van koolstof uit CO₂ samen suiker maken. Naast CO₂, de Krebs-cyclus en glycolyse gebruiken energie uit de chemische bindingen van substraten (zoals glucose) om hoogenergetische verbindingen te vormen, zoals ATP en GTP, die door celsystemen worden gebruikt. Er worden ook hoogenergetische, gereduceerde verbindingen geproduceerd: NADH en FADH2. Deze verbindingen zijn de middelen waarmee elektronen, die de energie vasthouden die aanvankelijk is afgeleid van glucose of een andere voedingsstof, worden overgebracht naar het volgende proces, het elektronentransport genoemd ketting.

In de elektronentransportketen, die zich in dierlijke cellen meestal op de binnenmembranen van mitochondriën bevindt, worden gereduceerde producten zoals NADH en FADH2 worden gebruikt om een ​​protongradiënt te creëren - een onbalans in de concentratie van ongepaarde waterstofatomen aan één kant van de membraan vs. de andere. De protongradiënt stimuleert op zijn beurt de productie van meer ATP, in een proces dat oxidatieve fosforylering wordt genoemd.

Over het algemeen omvat fotosynthese het activeren van elektronen door lichtenergie om CO2 te verminderen (elektronen toe te voegen aan) om een ​​grotere verbinding (glucose) te bouwen, waarbij zuurstof als bijproduct wordt geproduceerd. Cellulaire ademhaling daarentegen houdt in dat elektronen worden weggenomen van een substraat (bijvoorbeeld glucose), dat moet worden zeg maar oxidatie, en tijdens het proces wordt het substraat afgebroken zodat de koolstofatomen vrijkomen als CO2, terwijl zuurstof verbruikt. Zo zijn fotosynthese en cellulaire ademhaling bijna tegengestelde biochemische processen.