Fotosentez ve Hücresel Solunumun Metabolik Yolları

Fotosentez ve hücresel solunum döngüsü, bitkiler ve diğer organizmalar için kullanılabilir enerji üretmek için kullanılır. Bu süreçler, organizma hücrelerinin içinde moleküler düzeyde gerçekleşir. Bu ölçekte, enerji içeren moleküller, hemen kullanılabilecek enerjiyi veren metabolik süreçlerden geçirilir. Böyle bir enerji kaynağı fotosentezde üretilir; diğeri ise hücresel solunumda olduğu gibi pil gibi depolanır.

Bitkiler, yapraklarındaki stoma adı verilen küçük gözeneklerden ışık enerjisini alırlar ve bunu yaprak ve yeşil gövdelerdeki bitki hücrelerinde bulunan kloroplast adı verilen organellerde dönüştürürler. Organeller, bir hücrenin organ benzeri bir şekilde işlev gören özel parçalarıdır. Bu süreçte enerji, karbondioksit ve suyu glikoz ve moleküler oksijen gibi karbonhidratlara dönüştürmek için kullanılır.

Fotosentez iki parçalı bir metabolik süreçtir. Fotosentezin biyokimyasal yolunun iki kısmı, enerji sabitleme reaksiyonu ve karbon sabitleme reaksiyonudur. Birincisi, adenosin trifosfat (ATP) ve nikotinamid adenin dinükleaotit fosfat hidrojen (NADPH) molekülleri üretir. Her iki molekül de enerji içerir ve glikoz oluşturmak için karbon sabitleme reaksiyonunda kullanılır.

Fotosentezin enerji sabitleme reaksiyonunda elektronlar, enerjilerini serbest bıraktıkları koenzimlerden ve moleküllerden geçirilir. Elektronların çoğu zincir boyunca geçirilir, ancak bu enerjinin bir kısmı, kloroplast içindeki tilakoid zar boyunca hidrojen formundaki protonları hareket ettirmek için kullanılır. Tutulan enerji daha sonra ATP ve NADPH'yi sentezlemek için kullanılır.

Karbon sabitleme reaksiyonu sırasında, enerji sabitleme reaksiyonunda üretilen ATP ve NADPH'deki enerji, karbonhidratları glikoza ve diğer şekerlere ve organik maddelere dönüştürmek için kullanılır. Bu, araştırmacı Melvin Calvin'in adını taşıyan Calvin döngüsü aracılığıyla gerçekleşir. Döngü, atmosferden elde edilen karbondioksiti kullanır. NADPH'den hidrojen, karbondioksitten karbon ve sudan oksijen birleşerek C olarak gösterilen glikoz moleküllerini oluşturur.₆H₁₂Ö₆.

Organizmalar karbonhidratları enerjiye dönüştürmek için hücresel solunum kullanır ve bu süreç hücrenin sitoplazmasında gerçekleşir. Karbonhidratlardan salınan enerji ATP moleküllerinde depolanır. Bu moleküller, adenozin difosfat (ADP) moleküllerini ve fosfat iyonlarını birleştirmek için karbonhidratlardan elde edilen enerji kullanılarak oluşturulur. Hücreler daha sonra bu depolanmış enerjiyi çeşitli enerjiye bağlı işlemler için kullanır.

Ayrıca hücresel solunum sırasında üretilen su ve karbondioksittir. Bu üç ürünü veren süreç dört bölümden oluşur: glikoloz, Krebs döngüsü, elektron taşıma sistemi ve kemiozmoz.

Glikoloz sırasında, glikoz iki piruvik asit molekülüne parçalanır. Bu işlem sırasında iki ATP molekülü üretilir. Elektron taşıma sisteminde kullanılacak iki nikotinamid adenin dinükleotid (NADH) molekülü de glikoloz sırasında ortaya çıkar.

Krebs döngüsünde, NADH oluşturmak için glikoloz sırasında üretilen iki molekül piruvik asit kullanılır. Bu, NAD'ye hidrojen eklendiğinde meydana gelir. Ayrıca Krebs döngüsü sırasında üretilen iki ATP molekülüdür.

İşlemde salınan karbon atomları, karbon dioksit oluşturmak için oksijenle birleşir. Döngü tamamlandığında altı karbon dioksit molekülü salınır. Bu altı molekül, başlangıçta glikolozda kullanılan glikozdaki altı karbon atomuna karşılık gelir.

Mitokondrideki sitokromlar (hücre pigmentleri) ve koenzimler elektron taşıma sistemini oluşturur.

NAD'den alınan elektronlar bu taşıyıcı ve transfer molekülleri aracılığıyla taşınır. Sistem sırasında belirli noktalarda, NADH'den hidrojen atomları şeklindeki protonlar bir zardan taşınır ve mitokondrinin dış alanına salınır. Oksijen, zincirdeki son elektron alıcısıdır. Bir elektron aldığında, oksijen, serbest kalan hidrojen ile su oluşturmak için bağlanır.