De metabolske veiene for fotosyntese og cellulær respirasjon

Fotosyntese og cellulær respirasjonssyklus brukes til å produsere brukbar energi for planter og andre organismer. Disse prosessene forekommer på molekylært nivå i cellene til organismer. På denne skalaen blir energiholdige molekyler satt gjennom metabolske prosesser som gir energi som kan brukes med en gang. En slik energikilde produseres i fotosyntese; en annen er lagret som et batteri som i mobil respirasjon.

Planter mottar lysenergi gjennom små porer på bladene deres, kalt stomata og omdanner den i organellene kalt kloroplaster, som ligger i plantecellene i bladene og grønne stengler. Organeller er spesialiserte deler av en celle som fungerer på en organlignende måte. Energien brukes i denne prosessen til å omdanne karbondioksid og vann til karbohydrater som glukose og molekylært oksygen.

Fotosyntese er en todelt metabolsk prosess. De to delene av den biokjemiske banen til fotosyntese er energifikserende reaksjon og karbonfikseringsreaksjon. Den første produserer adenosin trifosfat (ATP) og nikotinamid adenin dinukleaotid fosfat hydrogen (NADPH) molekyler. Begge molekylene inneholder energi og brukes i karbonfikseringsreaksjonen for å danne glukose.

I den energifiksende reaksjonen til fotosyntese føres elektroner gjennom koenzymer og molekyler der de frigjør energien. De fleste elektronene føres langs kjeden, men noe av denne energien brukes til å bevege protoner i form av hydrogen over tylakoidmembranen inne i kloroplasten. Den beholdte energien brukes deretter til å syntetisere ATP og NADPH.

Under karbonfikseringsreaksjonen brukes energien i ATP og NADPH produsert i energifikseringsreaksjonen til å omdanne karbohydrater til glukose og annet sukker og organiske stoffer. Dette skjer gjennom Calvin-syklusen, oppkalt etter forskeren Melvin Calvin. Syklusen bruker karbondioksid hentet fra atmosfæren. Hydrogen fra NADPH, karbon fra karbondioksid og oksygen fra vann kombineres for å danne glukosemolekylene betegnet som C₆H₁₂O₆.

Organismer bruker cellulær respirasjon for å omdanne karbohydrater til energi, og denne prosessen skjer i cellens cytoplasma. Energien som frigjøres fra karbohydrater lagres i ATP-molekyler. Disse molekylene blir dannet ved å bruke energien oppnådd fra karbohydrater for å kombinere adenosindifosfat (ADP) molekyler og fosfationer. Celler bruker deretter denne lagrede energien til forskjellige energiavhengige prosesser.

Også produsert under cellulær respirasjon er vann og karbondioksid. Prosessen som gir disse tre produktene består av fire deler: glykolose, Krebs-syklusen, elektrontransportsystemet og kjemiosmose.

Under glykolose brytes glukose ned i to pyruvinsyremolekyler. To ATP-molekyler produseres under denne prosessen. To nikotinamid-adenin-dinukleotid (NADH) molekyler som vil bli brukt i elektrontransportsystemet blir også gitt under glykolose.

I Krebs-syklusen brukes to molekyler av pyruvinsyre produsert under glykolose for å danne NADH. Dette skjer når hydrogen tilsettes NAD. Det produseres også to ATP-molekyler under Krebs-syklusen.

Karbonatomer som frigjøres i prosessen kombineres med oksygen for å danne karbondioksid. Seks karbondioksidmolekyler frigjøres når syklusen er fullført. Disse seks molekylene tilsvarer de seks karbonatomer i glukose som opprinnelig ble brukt i glykolose.

Cytokromer (cellepigmenter) og koenzymer i mitokondriene danner elektrontransportsystemet.

Elektroner hentet fra NAD transporteres gjennom disse bærer- og overføringsmolekylene. På visse punkter i løpet av systemet transporteres protoner i form av hydrogenatomer fra NADH over en membran og frigjøres til det ytre området av mitokondriene. Oksygen er den siste elektronakseptoren i kjeden. Når den mottar et elektron, binder oksygen seg med det frigjorte hydrogenet for å danne vann.