Metabolické cesty fotosyntézy a bunkového dýchania

Fotosyntéza a cyklus bunkového dýchania sa používajú na výrobu využiteľnej energie pre rastliny a iné organizmy. Tieto procesy prebiehajú na molekulárnej úrovni vo vnútri buniek organizmov. V tomto rozsahu sa molekuly obsahujúce energiu podrobujú metabolickým procesom, ktoré poskytujú energiu, ktorú je možné ihneď použiť. Jeden taký zdroj energie sa vyrába pri fotosyntéze; iný je uložený ako batéria ako v bunkovom dýchaní.

Rastliny prijímajú svetelnú energiu cez malé póry na svojich listoch, ktoré sa nazývajú stomata, a premieňajú ju na organely nazývané chloroplasty, ktoré sa nachádzajú v rastlinných bunkách v listoch a zelených stonkách. Organely sú špecializované časti bunky, ktoré fungujú orgánovo. Energia sa pri tomto procese využíva na premenu oxidu uhličitého a vody na sacharidy, ako sú glukóza a molekulárny kyslík.

Fotosyntéza je dvojdielny metabolický proces. Dve časti biochemickej dráhy fotosyntézy sú reakcia fixujúca energiu a reakcia fixujúca uhlík. Prvý z nich produkuje molekuly vodíka adenozíntrifosfátu (ATP) a nikotínamidadeníndinukleotidfosfátu (NADPH). Obe molekuly obsahujú energiu a používajú sa pri reakcii viazajúcej uhlík na tvorbu glukózy.

Pri reakcii fotosyntézy na fixáciu energie prechádzajú elektróny koenzýmami a molekulami, kde uvoľňujú svoju energiu. Väčšina elektrónov prechádza pozdĺž reťazca, ale časť tejto energie sa používa na pohyb protónov vo forme vodíka cez tylakoidnú membránu vo vnútri chloroplastu. Zachovaná energia sa potom použije na syntézu ATP a NADPH.

Počas reakcie viazania uhlíka sa energia ATP a NADPH vyrobená pri reakcii viazania energie používa na premenu uhľohydrátov na glukózu a ďalšie cukry a organické látky. K tomu dochádza počas Kalvínovho cyklu, pomenovaného pre výskumníka Melvina Calvina. Cyklus využíva oxid uhličitý získaný z atmosféry. Vodík z NADPH, uhlík z oxidu uhličitého a kyslík z vody sa spoja a vytvoria molekuly glukózy označené ako C₆H₁₂O₆.

Organizmy využívajú bunkové dýchanie na premenu sacharidov na energiu a tento proces sa vyskytuje v bunkovej cytoplazme. Energia uvoľnená zo sacharidov sa ukladá v molekulách ATP. Tieto molekuly sa tvoria pomocou energie získanej zo sacharidov na kombináciu molekúl adenozíndifosfátu (ADP) a fosfátových iónov. Bunky potom využívajú túto uloženú energiu na rôzne energeticky závislé procesy.

Počas bunkového dýchania sa tiež vytvára voda a oxid uhličitý. Proces, pri ktorom sa získajú tieto tri produkty, sa skladá zo štyroch častí: glykolóza, Krebsov cyklus, elektrónový transportný systém a chemiosmóza.

Počas glykolózy sa glukóza rozkladá na dve molekuly kyseliny pyrohroznovej. Počas tohto procesu sa vytvárajú dve molekuly ATP. Dve molekuly nikotínamidu adeníndinukleotidu (NADH), ktoré sa použijú v systéme transportu elektrónov, sa tiež získajú počas glykolózy.

V Krebsovom cykle sa na tvorbu NADH používajú dve molekuly kyseliny pyrohroznovej produkované počas glykolózy. K tomu dôjde, keď sa k NAD pridá vodík. Počas Krebsovho cyklu sú tiež produkované dve molekuly ATP.

Atómy uhlíka uvoľnené v procese sa spoja s kyslíkom za vzniku oxidu uhličitého. Po dokončení cyklu sa uvoľní šesť molekúl oxidu uhličitého. Týchto šesť molekúl zodpovedá šiestim atómom uhlíka v glukóze, ktoré sa pôvodne používali pri glykolóze.

Cytochrómy (bunkové pigmenty) a koenzýmy v mitochondriách tvoria systém transportu elektrónov.

Elektróny odobraté z NAD sú transportované cez tento nosič a prenosové molekuly. V určitých bodoch systému sú protóny vo forme atómov vodíka z NADH transportované cez membránu a uvoľňované do vonkajšej oblasti mitochondrií. Kyslík je posledným akceptorom elektrónov v reťazci. Keď prijme elektrón, kyslík sa spojí s uvoľneným vodíkom a vytvorí vodu.