Ćelijsko disanje se odvija kroz tri faze: glikoliza, Krebsov ciklus i oksidaciona fosforalacija. Ćelijsko disanje je aerobno, a glukoza (C6H12O6) i kiseonik (O2) ulaze u reakciju, a kroz proces se stvaraju ugljen-dioksid (CO2), voda (H2O) i do 38 ATP.
Ćelijsko disanje i fotosinteza su kritični u kontinuiranom ciklusu energije za održavanje života kako ga definišemo. Oba imaju nekoliko faza u kojima dolazi do stvaranja energije i imaju različite odnose sa organelama koje se nalaze unutar eukariotske ćelije. Procesi su ključ u tome kako je život evoluirao i postao raznolik kakav poznajemo. Iako ćelijsko disanje i fotosinteza imaju različite procese, oni su međusobno zavisni, dok pokazuju komplementarne cikluse.
Ćelijsko disanje se samo po sebi odnosi na proces izvlačenja energije iz hrane i organskih molekula za upotrebu. Ovo se radi pomoću nekoliko reakcija koje zavise jedna od druge. Slično disanju, dok ljudi udišu kiseonik i izdišu ugljen-dioksid, proces ćelijskog disanja je razmena kiseonika koji pomaže u razgradnji goriva što je definisano kao aerobni proces. Ovaj proces se vrši tako što ćelije razmenjuju gasove sa okolinom kako bi stvorile adenozin trifosfat (obično se naziva ADT), koji ćelije na kraju koriste kao izvor energije. Ovaj proces se odvija kroz nekoliko reakcija i stoga je primer metaboličkog puta. U značajno pojednostavljenom izrazu, u ćelijskom disanju hemijska energija koja potiče od molekula goriva se pretvara u ADP. ADP se zatim spaja sa fosfatom, koji se zatim pretvara u ATP, energetsku valutu ćelija. Kada ćelije potroše ili troše ATP, on oslobađa još jedan fosfat, kada će se ponovo spojiti sa ADP-om, da bi obnovio ciklus. Ceo ovaj ciklus se može identifikovati sa tri glavne faze: glikolizom, ciklusom limunske kiseline i transportom elektrona.
Metabolički put koji se formira unutar citosola je definisan kao glikoliza. Tokom ovog stanja, jedan od molekula glukoze se deli na dva molekula piruvata, koji se javlja unutar citoplazmatske tečnosti. Da bi se to uradilo, molekul glukoze se lomi na pola da bi se stvorila dva molekula sa tri ugljenika koristeći ATP molekule. Novo podeljeni molekuli ugljenika zatim obezbeđuju elektrone NAD+ da formiraju NADH, i istovremeno stvaraju četiri dodatna ATP molekula.
Nakon toga, pirogrožđana kiselina će izgubiti molekul ugljenika, pretvarajući se u sirćetnu kiselinu i započinjući ciklus limunske kiseline, u kojem se glukoza dalje razlaže do CO2, nepotrebnog proizvoda, u suštini otpada. Nakon toga, enzimi koji se koriste u ovom procesu se rastvaraju unutar mitohondrija, u stvari reciklirajući se na molekularnom nivou. NADH se stvara kako gorivo oksidira. Nakon toga, CoA se stvara dok se svaki od preostalih molekula sirćetne kiseline veže za molekule nazvane „koenzim A“, a zatim se isporučuju u prvu reakciju ciklusa limunske kiseline. U ovom trenutku se CoA uklanja i zatim reciklira da bi se ponovo spojio na drugi molekul sirćetne kiseline.
Dok je u ovom ciklusu, sirćetna kiselina se kombinuje sa dodatnim molekulima ugljenika da bi postala limunska kiselina. Svaki put kada jedan od ovih molekula započne ciklus kao gorivo, dva dodatna molekula CO2 se „troše“. Ovaj proces se radi jednom za svaki molekul glukoze.
Treća faza u ovom procesu je transport elektrona. Tokom ove faze, elektroni dobijeni reakcijama završenim u prve dve faze putuju niz transportne lance do kiseonika. Unutar unutrašnje membrane mitohondrija nalaze se proteini i molekuli koji su suština ovog lanca. Ovaj transportni proces je mesto gde većina oslobođene energije stvara ATP. Mala količina ATP-a se takođe stvara tokom prve dve faze. ATP je ključ za ceo ovaj proces, jer se određene količine stvaraju u svakom koraku, a istovremeno se troše u svakom koraku. Ovo stvara samoodrživi ćelijski ciklus proizvodnje i korišćenja energije.
Fotosinteza je slična ćelijskom disanju, po tome što je proces dobijanja energije. Međutim, dok se ćelijsko disanje završava preko životinja (i nekih biljaka) pretvaranjem hrane i organskih molekula u energiju, fotosinteza je proces pretvaranja energije iz izvora svetlosti, naime sunca, u hemijsku energiju za biljke, alge i neke bakterije.
Fotosinteza je proces koji se odvija unutar organela zvanih hloroplasti. Ove organele su u stanju da apsorbuju svetlost i nalaze se unutar listova. Unutar lista nalaze se sitne pore definisane kao stoma, u koje ugljen-dioksid može da uđe, a kiseonik može da izađe, što je proces obrnut od onog u kome većina životinja diše. Kao i životinjama, procesu fotosinteze je potrebna voda, iako se voda, umesto da se proguta, apsorbuje kroz koren biljke i prenosi do listova.
Stoma je možda najkritičniji deo ovog procesa, jer ovde ulazi CO2 i može da se skladišti, a gde voda i O2 izlaze. Skoro obrnuto od onoga što pokazuje ćelijsko disanje; fotosinteza kombinuje molekule ugljen-dioksida i vodu dobijenu iz njegovih korena, i hvata svetlosnu energiju da započne hemijski proces u kome stvara energiju i njene nusproizvode. Njegovi „otpadni“ nusproizvodi uključuju glukozu i gas kiseonika koji izlazi iz listova. Ovi „otpadi“ su ono što je ćelijskom disanju potrebno da bi funkcionisalo, čime se gotovo savršeno završava životni ciklus.
Tokom fotosinteze, svetlosna energija se hemijski menja u vezu sa molekulima ugljenih hidrata koji se zatim pretvaraju u molekule ATP-a, a energija unutar molekula ATP-a može se zatim potrošiti kako bi se omogućilo da se proces neprekidno i istovremeno ponavlja unutar ćelija. Ceo ovaj proces se odvija u dve faze, svetlosne reakcije i Kalvinov ciklus.
U prvom koraku, fazi svetlosnih reakcija, sunčeva energija se apsorbuje u membranama hlorofila i hemijski se pretvara u ATP, a elektron nosi NADPH. Voda se deli nakon što se elektroni uklone iz NADP+ koji stvara NADPH, a kiseonik se „rasipa“ u gasovitom obliku.
Nakon što se ovo završi, počinje Kalvinov ciklus. Tokom faze Kalvinovog ciklusa, rezultati svetlosnih reakcija daju ćelijama energiju za stvaranje goriva ili šećera iz ugljen-dioksida. Koristeći ATP, on je u stanju da sintetiše šećer i odgovorne enzime koji se apsorbuju unutar stome unutar hloroplasta. Svaki put kada se ovaj ciklus završi, proizvodi se šećer, kao i NADP+, i nešto ADP sa dodatnom fosfatnom grupom, oni se zauzvrat kombinuju sa H2O i započinju fazu svetlosnih reakcija, pokrećući ciklus iznova.
I ćelijsko disanje i fotosinteza se oslanjaju na ključne organele unutar eukariotske ćelije kako bi izvršili ove zadatke. Postoje neke razlike u načinu na koji živa bića, biljke i gljive dobijaju energiju i na taj način koriste određene organele koji se nalaze unutar eukariotske ćelije. Na primer, iako piruvati ulaze u mitohondrije da bi započeli proces ćelijskog disanja za dobijanje energije, lako se može primetiti da biljke nemaju potrebu da poseduju takvu organelu, jer se njihova konverzija iz svetlosti u energiju vrši fotosintezom sa hlorofilom. Iako većina živih bića nije u stanju da prođe kroz hemijski proces fotosinteze, biljke pokazuju oba procesa u isto vreme.
Postoji nekoliko važnih tačaka kojima se ovi procesi bave kako bi se održala ravnoteža života unutar našeg ekosistema. Procesi fotosinteze i ćelijskog disanja su izuzetno međusobno povezani jer obe obezbeđuju energiju koju koriste biljke i recikliraju jedni druge "otpad" za upotrebu.
Uz ogroman primer pojednostavljenja, ljudi udišu kiseonik da bi održali svoje ćelije u životu, a putem ćelijskog disanja izdišu ono što je „potrošeni“ ugljen-dioksid. Biljke, s druge strane, apsorbuju ugljen-dioksid, i kroz proces fotosinteze pretvarajući svetlost u energiju hemijski i tokom procesa ćelijskog disanja, „otpadne“ kiseonik koji se zatim recikliraju od strane drugih biljaka i ljudi da bi proces započeli iznova. Ova komplementarna reakcija je ono što globalno pomaže u održavanju života na mnogo različitih nivoa.
Međutim, kao što smo saznali kroz napore koje je doprineo Darvin, ćelije će se razvijati na osnovu potreba životne sredine da bi preživele. Većina biljaka je u stanju da se bavi procesom fotosinteze i crpi CO2 direktno iz vazduha, međutim, u nekim ekstremno toplim i suvim klimama, ili čak u hladnim klimama, različite metode povećavaju šansu biljkama za preživljavanje i omogućavaju im sposobnost da nastavi da proizvodi kiseonik za postojanje života.
Pre nego što Kalvinov ciklus može da počne, neke biljke, tako kategorisane po svom procesu, imaju različite metode suočavanja sa ugljenikom. C4 biljke drže svoje stomate zatvorene u zavisnosti od vremenskih uslova i imaju dodatne enzime koji pomažu da se ugljenik neprestano inkorporira u svoje procese. CAM biljke koje su već izuzetno navikle na sušenje područja dozvoljavaju svojim stomama da se otvore samo u određeno doba dana, obično noću da apsorbuju CO2, i sposobne su da obrađuju Kalvinov ciklus tokom ostatka vremena kada su stomati zatvoreni. Oba ova primera pokazuju kako su se biljke u potpunosti prilagodile okruženju koje bi inače remetilo hemijske reakcije kroz koje biljke prolaze da bi stvorile energiju i kiseonik. Prirodna selekcija je obezbedila da oni i dalje mogu da prave hranu i da obezbede dobrobit hrane i vazduha drugim živim bićima.
I ćelijsko disanje i fotosinteza imaju slične ciljeve i cikluse sa različitim hemijskim rezultatima. Dopunjujući jedni druge, omogućavaju životnim oblicima zasnovanim na ugljeniku neophodnu energiju potrebnu za funkcionisanje, a sa „otpadom“ proizvedenim iz oba procesa, omogućavaju efekat staklene bašte u kojem jedan može imati koristi od drugog kontinuirano.
Comments