Jak oddychanie komórkowe i fotosynteza są prawie przeciwstawnymi procesami?

Oddychanie komórkowe i fotosynteza to zasadniczo przeciwstawne procesy. Fotosynteza to proces, w którym organizmy wytwarzają związki wysokoenergetyczne – w szczególności cukrową glukozę – poprzez chemiczną „redukcję” dwutlenku węgla (CO₂). Z drugiej strony oddychanie komórkowe obejmuje rozkład glukozy i innych związków poprzez chemiczne „utlenianie”. Fotosynteza zużywa CO₂ i wytwarza tlen. Oddychanie komórkowe zużywa tlen i wytwarza CO₂.

W fotosyntezie energia światła zamieniana jest na energię chemiczną wiązań między atomami, które przetwarzają energię w komórkach. Fotosynteza pojawiła się w organizmach 3,5 miliarda lat temu, rozwinęła złożone mechanizmy biochemiczne i biofizyczne, a dziś występuje w roślinach i organizmach jednokomórkowych. To dzięki fotosyntezie atmosfera i morza Ziemi zawierają tlen.

W fotosyntezie CO₂ a światło słoneczne jest wykorzystywane do produkcji glukozy (cukru) i tlenu cząsteczkowego (O₂). Ta reakcja przebiega w kilku etapach w dwóch etapach: faza jasna i faza ciemna.

W fazie światła energia ze światła zasila reakcje, które dzielą wodę i uwalniają tlen. W tym procesie powstają cząsteczki o wysokiej energii, ATP i NADPH. Wiązania chemiczne w tych związkach magazynują energię. Tlen jest produktem ubocznym, a ta faza fotosyntezy jest przeciwieństwem omówionej poniżej fosforylacji oksydacyjnej procesu oddychania komórkowego, w którym tlen jest zużywany.

Ciemna faza fotosyntezy jest również znana jako cykl Calvina. W tej fazie, w której wykorzystuje się produkty fazy lekkiej, CO₂ służy do produkcji cukru, glukozy.

Oddychanie komórkowe to biochemiczny rozkład substratu poprzez utlenianie, w którym elektrony są przeniesione z podłoża do „akceptora elektronów”, którym może być dowolny z różnych związków lub tlen atomy. Jeśli podłożem jest związek zawierający węgiel i tlen, taki jak glukoza, dwutlenek węgla (CO₂) powstaje w wyniku glikolizy, czyli rozkładu glukozy.

Glikoliza, która zachodzi w cytoplazmie komórki, rozkłada glukozę na pirogronian, bardziej „utleniony” związek. Jeśli obecna jest wystarczająca ilość tlenu, pirogronian przenosi się do wyspecjalizowanych organelli zwanych mitochondriami. Tam rozkłada się na octan i CO₂. CO₂ jest zwolniony. Octan wchodzi w układ reakcyjny znany jako cykl Krebsa.

W cyklu Krebsa octan jest rozkładany dalej, tak że pozostałe atomy węgla są uwalniane jako CO₂. Jest to przeciwieństwo jednego aspektu fotosyntezy, wiązania węgli z CO₂ razem na cukier. Oprócz CO₂, cykl Krebsa i glikoliza wykorzystują energię z wiązań chemicznych substratów (takich jak glukoza) do tworzenia wysokoenergetycznych związków, takich jak ATP i GTP, które są wykorzystywane przez systemy komórkowe. Produkowane są również wysokoenergetyczne, zredukowane związki: NADH i FADH2. Związki te są środkiem, za pomocą którego elektrony, które przechowują energię pochodzącą początkowo z glukoza lub inny składnik pokarmowy są przenoszone do następnego procesu, zwanego transportem elektronów łańcuch.

W łańcuchu transportu elektronów, który w komórkach zwierzęcych znajduje się głównie na błonach wewnętrznych mitochondriów, produkty zredukowane, takie jak NADH i FADH2 są wykorzystywane do tworzenia gradientu protonów - braku równowagi w stężeniu niesparowanych atomów wodoru po jednej stronie membrana vs. inny. Z kolei gradient protonów napędza produkcję większej ilości ATP w procesie zwanym fosforylacją oksydacyjną.

Ogólnie rzecz biorąc, fotosynteza polega na pobudzaniu elektronów energią świetlną w celu zmniejszenia (dodania elektronów do) CO2 w celu zbudowania większego związku (glukozy), wytwarzając tlen jako produkt uboczny. Z drugiej strony oddychanie komórkowe polega na odciąganiu elektronów od substratu (na przykład glukozy), co ma powiedzmy utlenianie, a w procesie substrat ulega degradacji, tak że jego atomy węgla są uwalniane jako CO2, podczas gdy tlen jest strawiony. Tak więc fotosynteza i oddychanie komórkowe są prawie przeciwstawnymi procesami biochemicznymi.