Hvordan er cellulær respirasjon og fotosyntese nesten motsatte prosesser?

Celleånding og fotosyntese er egentlig motsatte prosesser. Fotosyntese er prosessen der organismer lager høyenergiforbindelser - spesielt sukker glukose - gjennom den kjemiske "reduksjonen" av karbondioksid (CO₂). Cellular respirasjon, derimot, innebærer nedbrytning av glukose og andre forbindelser gjennom kjemisk "oksidasjon". Fotosyntese bruker CO₂ og produserer oksygen. Cellular respirasjon forbruker oksygen og produserer CO₂.

I fotosyntese omdannes energi fra lys til kjemisk energi av bindinger mellom atomer som driver prosesser i celler. Fotosyntese dukket opp i organismer for 3,5 milliarder år siden, har utviklet seg komplekse biokjemiske og biofysiske mekanismer, og forekommer i dag i planter og encellede organismer. Det er på grunn av fotosyntese at jordens atmosfære og hav inneholder oksygen.

I fotosyntese, CO₂ og sollys brukes til å produsere glukose (sukker) og molekylært oksygen (O₂). Denne reaksjonen finner sted gjennom flere trinn i to trinn: den lette fasen og den mørke fasen.

I lysfasen frembringer energi fra lys reaksjoner som splitter vann for å frigjøre oksygen. I prosessen dannes høyenergimolekyler, ATP og NADPH. De kjemiske bindingene i disse forbindelsene lagrer energien. Oksygen er et biprodukt, og denne fasen av fotosyntese er det motsatte av oksidativ fosforylering av den cellulære respirasjonsprosessen, diskutert nedenfor, der oksygen forbrukes.

Den mørke fasen av fotosyntese er også kjent som Calvin Cycle. I denne fasen, som bruker produktene fra lysfasen, CO₂ brukes til å lage sukker, glukose.

Cellular respiration er den biokjemiske nedbrytningen av et substrat gjennom oksidasjon, hvor elektroner er overført fra substratet til en "elektronakseptor", som kan være hvilken som helst av en rekke forbindelser, eller oksygen atomer. Hvis substratet er en karbon- og oksygenholdig forbindelse, slik som glukose, karbondioksid (CO₂) produseres gjennom glykolyse, nedbrytningen av glukose.

Glykolyse, som finner sted i celleplastene, bryter glukose ned til pyruvat, en mer "oksidert" forbindelse. Hvis nok oksygen er tilstede, beveger pyruvat seg inn i spesialiserte organeller kalt mitokondrier. Der brytes det ned i acetat og CO₂. CO₂ er utgitt. Acetatet kommer inn i et reaksjonssystem kjent som Krebs Cycle.

I Krebs-syklusen brytes acetat ned ytterligere slik at dets gjenværende karbonatomer frigjøres som CO₂. Dette er motsatt av ett aspekt av fotosyntese, binding av karbon fra CO₂ sammen for å lage sukker. I tillegg til CO₂, Krebs-syklusen og glykolysen bruker energi fra kjemiske bindinger av substrater (som glukose) for å danne høyenergiforbindelser som ATP og GTP, som brukes av cellesystemer. Også produsert er høyenergi, reduserte forbindelser: NADH og FADH2. Disse forbindelsene er virkemidlene elektroner, som holder energien opprinnelig fra glukose eller annen matforbindelse, overføres til neste prosess, kalt elektrontransport kjede.

I elektrontransportkjeden, som i dyreceller hovedsakelig ligger på mitokondriens indre membraner, reduserte produkter som f.eks. NADH og FADH2 brukes til å skape en protongradient - en ubalanse i konsentrasjonen av uparede hydrogenatomer på den ene siden av membran vs. den andre. Protongradienten driver i sin tur produksjonen av mer ATP, i en prosess som kalles oksidativ fosforylering.

Samlet sett innebærer fotosyntese energigivende elektroner med lysenergi for å redusere (tilsette elektroner til) CO2 for å bygge en større forbindelse (glukose), og produsere oksygen som et biprodukt. Cellular respirasjon, derimot, innebærer å ta elektroner fra et substrat (for eksempel glukose), som si oksidasjon, og i prosessen brytes underlaget ned slik at karbonatomer frigjøres som CO2, mens oksygen forbrukes. Dermed er fotosyntese og cellulær respirasjon nesten motsatte biokjemiske prosesser.