Метаболички путеви фотосинтезе и ћелијског дисања

Циклус фотосинтезе и ћелијског дисања користи се за производњу корисне енергије за биљке и друге организме. Ови процеси се дешавају на молекуларном нивоу унутар ћелија организама. На овој скали, молекули који садрже енергију пролазе кроз метаболичке процесе који дају енергију која се може одмах употребити. Један такав извор енергије настаје у фотосинтези; друга се чува попут батерије као код ћелијског дисања.

Биљке добијају светлосну енергију кроз мале поре на својим листовима званим стомати и претварају је у органеле зване хлоропласти, смештене у биљним ћелијама у лишћу и зеленим стабљима. Органели су специјализовани делови ћелије који функционишу на начин сличан органима. Енергија се у овом процесу користи за претварање угљен-диоксида и воде у угљене хидрате као што су глукоза и молекуларни кисеоник.

Фотосинтеза је дводелни метаболички процес. Два дела биохемијског пута фотосинтезе су реакција фиксирања енергије и реакција фиксирања угљеника. Први производи молекуле аденозин трифосфата (АТП) и никотинамид аденин динуклеаотид фосфат водоник (НАДПХ). Оба молекула садрже енергију и користе се у реакцији фиксирања угљеника за стварање глукозе.

У реакцији фиксирања енергије фотосинтезе, електрони пролазе кроз коензиме и молекуле где ослобађају своју енергију. Већина електрона пролази кроз ланац, али део те енергије користи се за кретање протона у облику водоника преко тилакоидне мембране унутар хлоропласта. Задржана енергија се затим користи за синтезу АТП и НАДПХ.

Током реакције фиксирања угљеника, енергија АТП и НАДПХ произведена у реакцији фиксирања енергије користи се за претварање угљених хидрата у глукозу и друге шећере и органске супстанце. То се дешава кроз Цалвинов циклус, назван по истраживачу Мелвину Цалвину. У циклусу се користи угљен-диоксид стечен из атмосфере. Водоник из НАДПХ, угљеник из угљен-диоксида и кисеоник из воде комбинују се и формирају молекуле глукозе означене као Ц₆Х.₁₂О.₆.

Организми користе ћелијско дисање за претварање угљених хидрата у енергију, а овај процес се дешава у ћелијској цитоплазми. Енергија ослобођена од угљених хидрата складишти се у молекулима АТП. Ови молекули настају коришћењем енергије добијене из угљених хидрата за комбиновање молекула аденозин дифосфата (АДП) и фосфатних јона. Ћелије затим користе ту ускладиштену енергију за различите процесе који зависе од енергије.

Такође се током ћелијског дисања производе вода и угљен-диоксид. Процес који даје ова три производа састоји се од четири дела: гликолозе, Кребсовог циклуса, система за пренос електрона и хемиосмозе.

Током гликолозе, глукоза се разграђује на два молекула пирувичне киселине. Током овог процеса настају два АТП молекула. Два молекула никотинамид аденин динуклеотида (НАДХ) који ће се користити у систему за пренос електрона такође се дају током гликолозе.

У Кребсовом циклусу два молекула пирувичне киселине произведене током гликолозе користе се за стварање НАДХ. То се дешава када се водоник дода у НАД. Такође се током Кребсовог циклуса производе два АТП молекула.

Атоми угљеника који се ослобађају у процесу комбинују се са кисеоником дајући угљен-диоксид. Шест молекула угљен-диоксида се ослобађа када се циклус заврши. Ових шест молекула одговарају шест атома угљеника у глукози који су у почетку коришћени у гликолози.

Цитохроми (ћелијски пигменти) и коензими у митохондријима чине систем за пренос електрона.

Електрони узети из НАД транспортују се кроз ове носаче и преносе молекуле. У одређеним тачкама система, протони у облику атома водоника из НАДХ транспортују се кроз мембрану и пуштају у спољно подручје митохондрија. Кисеоник је последњи акцептор електрона у ланцу. Када прими електрон, кисеоник се са ослобођеним водоником веже и ствара воду.