Metaboliczne szlaki fotosyntezy i oddychania komórkowego

Cykl fotosyntezy i oddychania komórkowego jest wykorzystywany do wytwarzania energii użytecznej dla roślin i innych organizmów. Procesy te zachodzą na poziomie molekularnym wewnątrz komórek organizmów. W tej skali cząsteczki zawierające energię są poddawane procesom metabolicznym, które dają energię, którą można od razu wykorzystać. Jedno z takich źródeł energii jest wytwarzane w fotosyntezie; inny jest przechowywany jak bateria, jak w oddychaniu komórkowym.

Rośliny otrzymują energię świetlną przez małe pory na liściach zwane aparatami szparkowymi i przekształcają ją w organelle zwane chloroplastami, znajdujące się w komórkach roślinnych liści i zielonych łodygach. Organelle to wyspecjalizowane części komórki, które działają w sposób podobny do organów. Energia jest wykorzystywana w tym procesie do przekształcania dwutlenku węgla i wody w węglowodany, takie jak glukoza i tlen cząsteczkowy.

Fotosynteza to dwuczęściowy proces metaboliczny. Dwie części biochemicznego szlaku fotosyntezy to reakcja wiązania energii i reakcja wiązania węgla. Pierwszy wytwarza cząsteczki adenozynotrifosforanu (ATP) i wodorofosforanu dinukleaotydu nikotynamidoadeninowego (NADPH). Obie cząsteczki zawierają energię i są wykorzystywane w reakcji wiązania węgla w celu wytworzenia glukozy.

W reakcji fotosyntezy utrwalającej energię elektrony przechodzą przez koenzymy i cząsteczki, gdzie uwalniają swoją energię. Większość elektronów przechodzi wzdłuż łańcucha, ale część tej energii jest wykorzystywana do przemieszczania protonów w postaci wodoru przez błonę tylakoidów wewnątrz chloroplastu. Zatrzymana energia jest następnie wykorzystywana do syntezy ATP i NADPH.

Podczas reakcji wiązania węgla energia w ATP i NADPH wytworzona w reakcji wiązania energii jest wykorzystywana do przekształcania węglowodanów w glukozę i inne cukry oraz substancje organiczne. Dzieje się to poprzez cykl Calvina, nazwany na cześć badacza Melvina Calvina. Cykl wykorzystuje dwutlenek węgla pozyskiwany z atmosfery. Wodór z NADPH, węgiel z dwutlenku węgla i tlen z wody łączą się, tworząc cząsteczki glukozy oznaczone jako C₆H₁₂O₆.

Organizmy wykorzystują oddychanie komórkowe do przekształcania węglowodanów w energię, a proces ten zachodzi w cytoplazmie komórki. Energia uwalniana z węglowodanów jest magazynowana w cząsteczkach ATP. Cząsteczki te powstają przy wykorzystaniu energii uzyskanej z węglowodanów do połączenia cząsteczek difosforanu adenozyny (ADP) i jonów fosforanowych. Komórki następnie wykorzystują tę zmagazynowaną energię do różnych procesów zależnych od energii.

Podczas oddychania komórkowego wytwarzana jest również woda i dwutlenek węgla. Proces, w wyniku którego powstają te trzy produkty, składa się z czterech części: glikozy, cyklu Krebsa, systemu transportu elektronów i chemiosmozy.

Podczas glikozy glukoza rozkłada się na dwie cząsteczki kwasu pirogronowego. Podczas tego procesu powstają dwie cząsteczki ATP. Podczas glikozy powstają również dwie cząsteczki dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADH), które zostaną wykorzystane w systemie transportu elektronów.

W cyklu Krebsa dwie cząsteczki kwasu pirogronowego wytwarzane podczas glikozy są wykorzystywane do tworzenia NADH. Dzieje się tak, gdy do NAD dodaje się wodór. Podczas cyklu Krebsa powstają również dwie cząsteczki ATP.

Uwolnione w tym procesie atomy węgla łączą się z tlenem, tworząc dwutlenek węgla. Po zakończeniu cyklu uwalnianych jest sześć cząsteczek dwutlenku węgla. Te sześć cząsteczek odpowiada sześciu atomom węgla w glukozie, które początkowo były używane w glikozie.

Cytochromy (pigmenty komórkowe) i koenzymy w mitochondriach tworzą system transportu elektronów.

Elektrony pobrane z NAD są transportowane przez te cząsteczki nośnika i transferu. W pewnych punktach systemu protony w postaci atomów wodoru z NADH są transportowane przez błonę i uwalniane do zewnętrznego obszaru mitochondriów. Tlen jest ostatnim akceptorem elektronów w łańcuchu. Kiedy otrzymuje elektron, tlen łączy się z uwolnionym wodorem, tworząc wodę.