Як клітинне дихання та фотосинтез майже протилежні процесам?

Клітинне дихання і фотосинтез - це, по суті, протилежні процеси. Фотосинтез - це процес, за допомогою якого організми утворюють високоенергетичні сполуки - зокрема, цукор глюкозу - за допомогою хімічного «відновлення» вуглекислого газу (CO₂). Клітинне дихання, навпаки, передбачає розщеплення глюкози та інших сполук шляхом хімічного «окислення». Фотосинтез споживає CO₂ і виробляє кисень. Клітинне дихання споживає кисень і виробляє СО₂.

Під час фотосинтезу енергія світла перетворюється на хімічну енергію зв’язків між атомами, які живлять процеси в клітинах. Фотосинтез виник в організмах 3,5 мільярда років тому, розвинув складні біохімічні та біофізичні механізми, і сьогодні відбувається в рослинах та одноклітинних організмах. Саме завдяки фотосинтезу в земній атмосфері та морях міститься кисень.

При фотосинтезі CO₂ а сонячне світло використовується для отримання глюкози (цукру) та молекулярного кисню (О₂). Ця реакція відбувається у кілька етапів у два етапи: світлу фазу та темну фазу.

У світловій фазі енергія світла реагує на реакції, які розщеплюють воду, виділяючи кисень. У процесі утворюються високоенергетичні молекули АТФ і НАДФН. Хімічні зв’язки цих сполук зберігають енергію. Кисень є побічним продуктом, і ця фаза фотосинтезу є протилежністю окислювального фосфорилювання процесу клітинного дихання, про який йдеться нижче, при якому споживається кисень.

Темна фаза фотосинтезу також відома як Цикл Кальвіна. У цій фазі, в якій використовуються продукти світлової фази, CO₂ використовується для виробництва цукру, глюкози.

Клітинне дихання - це біохімічний розпад субстрату в результаті окислення, де електронами є переноситься із субстрату на "акцептор електронів", який може бути будь-яким із різноманітних сполук або киснем атоми. Якщо субстрат являє собою вуглець- і кисневмісну сполуку, таку як глюкоза, вуглекислий газ (CO₂) утворюється за рахунок гліколізу, розщеплення глюкози.

Гліколіз, який відбувається в цитоплазмі клітини, розщеплює глюкозу до пірувату, більш «окисленої» сполуки. Якщо присутня достатня кількість кисню, піруват переходить у спеціалізовані органели, які називаються мітохондріями. Там він розщеплюється на ацетат і СО₂. CO₂ звільняється. Ацетат потрапляє в реакційну систему, відому як цикл Кребса.

У циклі Кребса ацетат розщеплюється далі, так що його залишки атомів вуглецю виділяються у вигляді СО₂. Це протилежне одному аспекту фотосинтезу, зв’язуванню вуглецю з CO₂ разом, щоб зробити цукор. На додаток до CO₂, Цикл Кребса та гліколіз використовують енергію хімічних зв’язків субстратів (таких як глюкоза) для утворення високоенергетичних сполук, таких як АТФ та ГТФ, які використовуються клітинними системами. Також виробляються високоенергетичні відновлені сполуки: NADH і FADH2. Ці сполуки є засобом, за допомогою якого електрони, що утримують енергію, отриману спочатку глюкоза або інша харчова сполука переносяться в наступний процес, який називається транспортом електронів ланцюжок.

В електронно-транспортному ланцюзі, який у клітинах тварин розташований переважно на внутрішніх мембранах мітохондрій, відновлені продукти, такі як NADH і FADH2 використовуються для створення протонного градієнта - дисбалансу в концентрації неспарених атомів водню з одного боку мембрана проти інші. У свою чергу, градієнт протонів сприяє виробленню більшої кількості АТФ у процесі, який називається окислювальним фосфорилюванням.

В цілому, фотосинтез включає енергетичне заряджання електронів світловою енергією для зменшення (додавання електронів) CO2 для утворення більшої сполуки (глюкози), що виробляє кисень як побічний продукт. Клітинне дихання, навпаки, передбачає відбирання електронів від субстрату (наприклад, глюкози), який скажімо, окислення, і в процесі підкладка руйнується так, що його атоми вуглецю виділяються як CO2, тоді як кисень споживаний. Таким чином, фотосинтез і клітинне дихання є майже протилежними біохімічними процесами.