Метаболічні шляхи фотосинтезу та клітинного дихання

Цикл фотосинтезу та клітинного дихання використовується для отримання корисної енергії для рослин та інших організмів. Ці процеси відбуваються на молекулярному рівні всередині клітин організмів. У цьому масштабі молекули, що містять енергію, потрапляють через метаболічні процеси, що дають енергію, яку можна використати відразу. Одне з таких джерел енергії виробляється при фотосинтезі; інший зберігається як батарея, як при клітинному диханні.

Рослини отримують світлову енергію через дрібні пори на своїх листках, які називаються продихами, і перетворюють її в органели, які називаються хлоропластами, розташованими в рослинних клітинах на листках та зелених стеблах. Органели - це спеціалізовані частини клітини, які функціонують як орган. Енергія використовується в цьому процесі для перетворення вуглекислого газу та води у вуглеводи, такі як глюкоза та молекулярний кисень.

Фотосинтез - це двокомпонентний метаболічний процес. Дві частини біохімічного шляху фотосинтезу - це реакція закріплення енергії та реакція закріплення вуглецю. Перший продукує молекули аденозинтрифосфату (АТФ) та нікотинаміду аденіндінуклеотиду фосфату водню (NADPH). Обидві молекули містять енергію і використовуються в реакції фіксації вуглецю для утворення глюкози.

В енергофіксуючій реакції фотосинтезу електрони проходять через коферменти та молекули, де вони виділяють свою енергію. Більша частина електронів проходить по ланцюгу, але частина цієї енергії використовується для переміщення протонів у формі водню через тилакоїдну мембрану всередині хлоропласту. Потім затримана енергія використовується для синтезу АТФ і НАДФН.

Під час реакції фіксації вуглецю енергія АТФ і НАДФН, що виробляється в реакції фіксації енергії, використовується для перетворення вуглеводів у глюкозу та інші цукри та органічні речовини. Це відбувається через цикл Кальвіна, названий на честь дослідника Мелвіна Кальвіна. У циклі використовується вуглекислий газ, отриманий з атмосфери. Водень з НАДФН, вуглець із вуглекислого газу та кисень із води об’єднуються, утворюючи молекули глюкози, позначені як С₆H₁₂О₆.

Організми використовують клітинне дихання для перетворення вуглеводів в енергію, і цей процес відбувається в цитоплазмі клітини. Енергія, що виділяється з вуглеводів, зберігається в молекулах АТФ. Ці молекули утворюються з використанням енергії, отриманої з вуглеводів, для поєднання молекул аденозиндифосфату (АДФ) та фосфатних іонів. Потім клітини використовують цю накопичену енергію для різних енергозалежних процесів.

Під час клітинного дихання також виробляються вода та вуглекислий газ. Процес, який дає ці три продукти, складається з чотирьох частин: глікольозу, циклу Кребса, електронно-транспортної системи та хеміосмосу.

Під час глікольозу глюкоза розщеплюється на дві молекули піровиноградної кислоти. Під час цього процесу утворюються дві молекули АТФ. Дві молекули нікотинаміду аденіндинуклеотиду (NADH), які будуть використовуватися в електронотранспортній системі, також отримують під час глікольозу.

У циклі Кребса для утворення НАДН використовуються дві молекули піровиноградної кислоти, що утворюються під час глікольозу. Це відбувається при додаванні водню до НАД. Під час циклу Кребса також виробляються дві молекули АТФ.

Атоми вуглецю, що виділяються в процесі, поєднуються з киснем, утворюючи вуглекислий газ. Після завершення циклу виділяється шість молекул вуглекислого газу. Ці шість молекул відповідають шести атомам вуглецю в глюкозі, які спочатку використовувались при глікольозі.

Цитохроми (клітинні пігменти) та коферменти в мітохондріях утворюють електронно-транспортну систему.

Електрони, взяті з НАД, транспортуються через цей носій і переносять молекули. У певні моменти системи протони у вигляді атомів водню з NADH транспортуються через мембрану і вивільняються у зовнішню область мітохондрій. Кисень - останній акцептор електронів у ланцюзі. Отримавши електрон, кисень зв’язується з виділеним воднем, утворюючи воду.