วัฏจักรการสังเคราะห์แสงและการหายใจระดับเซลล์ใช้ในการผลิตพลังงานที่ใช้งานได้สำหรับพืชและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นในระดับโมเลกุลภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ในระดับนี้ โมเลกุลที่ประกอบด้วยพลังงานจะผ่านกระบวนการเมตาบอลิซึมซึ่งให้พลังงานที่สามารถใช้ได้ทันที แหล่งพลังงานดังกล่าวเกิดขึ้นจากการสังเคราะห์ด้วยแสง อีกส่วนหนึ่งถูกเก็บไว้เหมือนแบตเตอรี่เช่นเดียวกับการหายใจระดับเซลล์
เมแทบอลิซึมของการสังเคราะห์ด้วยแสง
พืชได้รับพลังงานแสงผ่านรูเล็กๆ บนใบที่เรียกว่าปากใบ และแปลงเป็นออร์แกเนลล์ที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ ซึ่งอยู่ในเซลล์พืชในใบและลำต้นสีเขียว ออร์แกเนลล์เป็นส่วนพิเศษของเซลล์ที่ทำงานในลักษณะคล้ายอวัยวะ พลังงานถูกใช้ในกระบวนการนี้เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้เป็นคาร์โบไฮเดรต เช่น กลูโคสและโมเลกุลออกซิเจน
การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการเผาผลาญสองส่วน สองส่วนของวิถีทางชีวเคมีของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือปฏิกิริยาการตรึงพลังงานและปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอน ประการแรกผลิตโมเลกุลอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) และนิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ ฟอสเฟต ไฮโดรเจน (NADPH) โมเลกุลทั้งสองมีพลังงานและถูกใช้ในปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอนเพื่อสร้างกลูโคส
ปฏิกิริยาการตรึงพลังงาน
ในปฏิกิริยาการตรึงพลังงานของการสังเคราะห์ด้วยแสง อิเล็กตรอนจะถูกส่งผ่านโคเอ็นไซม์และโมเลกุลที่ปล่อยพลังงานออกมา อิเล็กตรอนส่วนใหญ่ถูกส่งผ่านไปตามสายโซ่ แต่พลังงานบางส่วนนี้ใช้เพื่อเคลื่อนโปรตอนในรูปของไฮโดรเจนผ่านเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ภายในคลอโรพลาสต์ จากนั้นพลังงานที่สะสมไว้จะใช้ในการสังเคราะห์ ATP และ NADPH
ปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอน
ระหว่างปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอน พลังงานใน ATP และ NADPH ที่ผลิตในปฏิกิริยาการตรึงพลังงานจะถูกใช้เพื่อเปลี่ยนคาร์โบไฮเดรตเป็นน้ำตาลกลูโคส น้ำตาลอื่นๆ และสารอินทรีย์ สิ่งนี้เกิดขึ้นผ่านวัฏจักรคาลวิน ซึ่งตั้งชื่อตามนักวิจัยเมลวิน คาลวิน วัฏจักรนี้ใช้คาร์บอนไดออกไซด์ที่ได้จากบรรยากาศ ไฮโดรเจนจาก NADPH คาร์บอนจากคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนจากน้ำรวมกันเป็นโมเลกุลกลูโคสที่แสดงว่า C6โฮ12โอ6.
การหายใจระดับเซลล์
สิ่งมีชีวิตใช้การหายใจระดับเซลล์เพื่อเปลี่ยนคาร์โบไฮเดรตเป็นพลังงาน และกระบวนการนี้เกิดขึ้นในไซโตพลาสซึมของเซลล์ พลังงานที่ปล่อยออกมาจากคาร์โบไฮเดรตจะถูกเก็บไว้ในโมเลกุลเอทีพี โมเลกุลเหล่านี้ก่อตัวขึ้นโดยใช้พลังงานที่ได้จากคาร์โบไฮเดรตเพื่อรวมโมเลกุลของอะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) และไอออนฟอสเฟต จากนั้นเซลล์จะใช้พลังงานที่เก็บไว้นี้สำหรับกระบวนการต่างๆ ที่ขึ้นกับพลังงาน
ที่เกิดขึ้นระหว่างการหายใจระดับเซลล์คือน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ กระบวนการที่ให้ผลผลิตทั้งสามนี้ประกอบด้วยสี่ส่วน ได้แก่ ไกลโคโลซิส วงจรเครบส์ ระบบขนส่งอิเล็กตรอน และเคมีโอโมซิส
Glycolosis: สลายกลูโคส
ระหว่างไกลโคโลซิส กลูโคสจะถูกแบ่งออกเป็นสองโมเลกุลกรดไพรูวิก สองโมเลกุล ATP ถูกผลิตขึ้นในระหว่างกระบวนการนี้ โมเลกุลนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (NADH) สองโมเลกุลที่จะใช้ในระบบการขนส่งอิเล็กตรอนยังถูกผลิตออกมาในระหว่างไกลคอล
The Krebs Cycle
ในวัฏจักรเครบส์ กรดไพรูวิกสองโมเลกุลที่ผลิตขึ้นระหว่างไกลโคโลซิสถูกใช้เพื่อสร้าง NADH สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อเติมไฮโดรเจนลงใน NAD ที่ผลิตขึ้นในระหว่างวงจร Krebs คือโมเลกุล ATP สองโมเลกุล
อะตอมของคาร์บอนที่ปล่อยออกมาในกระบวนการรวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างคาร์บอนไดออกไซด์ โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์หกตัวจะถูกปล่อยออกมาเมื่อวัฏจักรเสร็จสมบูรณ์ โมเลกุลทั้งหกนี้สอดคล้องกับอะตอมของคาร์บอนทั้งหกในกลูโคสซึ่งเริ่มแรกใช้ในไกลโคโลซิส
ระบบขนส่งอิเล็กตรอน
ไซโตโครม (เม็ดสีของเซลล์) และโคเอ็นไซม์ในไมโตคอนเดรียสร้างระบบขนส่งอิเล็กตรอน
อิเล็กตรอนที่นำมาจาก NAD จะถูกส่งผ่านตัวพาเหล่านี้และถ่ายโอนโมเลกุล ในบางจุดระหว่างระบบ โปรตอนในรูปของอะตอมไฮโดรเจนจาก NADH จะถูกส่งผ่านเมมเบรนและปล่อยออกสู่บริเวณด้านนอกของไมโตคอนเดรีย ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในสายโซ่ เมื่อได้รับอิเล็กตรอน ออกซิเจนจะจับกับไฮโดรเจนที่ปล่อยออกมาเพื่อสร้างน้ำ