تفاوت فتوسنتز و تنفس سلولی چیست

تفاوت اصلی – فتوسنتز و تنفس سلولی

فتوسنتز (Photosynthesis) و تنفس سلولی (cellular respiration) دو فرآیند متابولیکی اساسی هستند که در تبدیل انرژی اکوسیستم‌ها اتفاق می‌افتد. در طول فتوسنتز، دی اکسید کربن و آب در سنتز ترکیبات آلی با کمک نور خورشید استفاده می‌شود. این ترکیبات آلی می‌توانند توسط سلول‌ها به عنوان غذا استفاده شوند. در طول تنفس سلولی، انرژی به شکل ATP با تجزیه مواد غذایی تولید می‌شود. تفاوت اصلی بین فتوسنتز و تنفس سلولی این است که فتوسنتز یک فرآیند آنابولیک (anabolic process) است که در آن سنتز ترکیبات آلی اتفاق می‌افتد و انرژی ذخیره می‌شود. در حالی که تنفس سلولی یک فرآیند کاتابولیک (catabolic process) است. فرآیندی که در آن از ترکیبات آلی ذخیره شده برای تولید انرژی استفاده می‌شود.

فتوسنتز چیست

فتوسنتز تولید گلوکز از دی اکسید کربن و آب با به دست آوردن انرژی از نور خورشید است. گاز اکسیژن محصول جانبی فتوسنتز است. رنگدانه‌هایی مانند کلروفیل (chlorophyll)، کاروتنوئیدها (carotenoids) و فیکوبیلین‌ها (phycobilins) برای به دام انداختن انرژی نور استفاده می‌شوند. بنابراین، در طول فتوسنتز، انرژی نور به انرژی شیمیایی بالقوه تبدیل می‌شود. پس از آن، گلوکز انرژی متابولیک را برای تمام فرآیندهای سلولی در سلول فراهم می‌کند.

انواع فتوسنتز

فتوسنتز اکسیژنی (Oxygenic photosynthesis) و فتوسنتز بدون اکسیژن (anoxygenic photosynthesis) دو نوع فتوسنتز موجود در زمین هستند. گیاهان (Plants)، جلبک‌ها (algae) و سیانوباکتری‌ها (cyanobacteria) فتوسنتز اکسیژنی را انجام می‌دهند در حالی که باکتری‌های گوگرد بنفش (purple sulfur bacteria) و باکتری‌های گوگرد سبز (green sulfur bacteria) فتوسنتز بدون اکسیژن را انجام می‌دهند. دهنده الکترون (electron donor) در فتوسنتز اکسیژنی آب است در حالی که دهنده الکترون در فتوسنتز بدون اکسیژن یک نوع مانند سولفید هیدروژن است تا آب. بنابراین، در فتوسنتز بدون اکسیژن، گاز اکسیژن به عنوان یک محصول جانبی آزاد نمی‌شود. واکنش‌های شیمیایی فتوسنتز اکسیژنی و بدون اکسیژن در زیر نشان داده شده است.

در گیاهان، فتوسنتز در پلاستیدهای تخصصی به نام کلروپلاست که در سیتوپلاسم سلول‌های فتوسنتزی یافت می‌شود، انجام می‌شود. فتوسنتز در غشای تیلاکوئید و نواحی استرومای کلروپلاست‌ها اتفاق می‌افتد. اولین مرحله فتوسنتز واکنش نور (light reaction) است. در غشای تیلاکوئید گرانا، فتوسنترهایی یافت می‌شوند که رنگدانه‌های فتوسنتزی را در آنها سازماندهی می‌کنند. نور توسط فتوسیستم I و II که دو کمپلکس پروتئینی موجود در غشای تیلاکوئید هستند جذب می‌شود و نور جذب شده به فوتوسنتزها منتقل می‌شود. الکترون‌های با انرژی بالا به سومین کمپلکس پروتئینی سیتوکروم bf منتقل می‌شوند.الکترون‌های پرانرژی موجود در PSI به یک سری از حامل‌های فرودوکسین منتقل می‌شوند و در نهایت این الکترون‌ها توسط آنزیم NADPH ردوکتاز به ⁺NADP منتقل می‌شوند و NADP را تشکیل می‌دهند. در طی واکنش نور، گاز اکسیژن با تقسیم آب در حالی که NADP و ATP تولید می‌شود، تولید می‌شود.

مرحله دوم فتوسنتز واکنش تاریک (dark reaction) است که در آن NADPH و ATP تولید شده در واکنش نور به عنوان منابع انرژی برای سنتز گلوکز استفاده می‌شود. واکنش تاریکی در استروما رخ می‌دهد. واکنش تاریک چرخه کالوین (Calvin cycle) نیز نامیده می‌شود. به غیر از گلوکز، ۱۸ ATP و ۱۲ NADPH در چرخه کالوین تولید می‌شود. ۱۸ ATP توسط خود چرخه کالوین استفاده می‌شود. ۱۲ NADPH حاوی ۲۴ الکترون است که به زنجیره انتقال الکترون منتقل (electron transport chain) می‌شوند که مرحله سوم فتوسنتز است. آنزیم سنتاز ATP روی غشای تیلاکوئید ۲۴ الکترون را به ۱۲ مولکول آب منتقل می‌کند و ۶ مولکول اکسیژن تولید می‌کند. این فرآیند انتقال الکترون فسفوریلاسیون (photophosphorylation) نامیده می‌شود. فرآیند فتوسنتز در شکل ۲ نشان داده شده است.

تنفس سلولی چیست؟

تنفس سلولی فرآیندی است که انرژی بیوشیمیایی را در ATP به انرژی تبدیل می‌کند و دی اکسید کربن و آب را به عنوان مواد زائد حذف می‌کند. در تمام موجودات زنده روی زمین وجود دارد. غذاهای ذخیره شده مانند کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها در موجودات زنده به شکل گلوکز توسط تنفس سلولی استفاده می‌شوند.

انواع تنفس سلولی

تنفس هوازی و تنفس بی هوازی دو نوع تنفسی هستند که روی زمین یافت می‌شوند. در تنفس هوازی (aerobic respiration)، عامل اکسید کننده یا گیرنده الکترون نهایی، اکسیژن مولکولی است. یک مولکول گلوکز حاوی انرژی کافی برای تولید ۳۰ ATP توسط فسفوریلاسیون اکسیداتیو است. در طی تنفس بی هوازی (anaerobic respiration)، گیرنده نهایی الکترون یا سولفاتهای معدنی یا نیتراتها هستند. تنفس بی هوازی در دریچه‌های هیدروترمال در اعماق دریا اتفاق می‌افتد. تخمیر (Fermentation) همچنین نوعی تنفس بی هوازی است که زمانی رخ می‌دهد که پیرووات بدون اکسیژن در سیتوپلاسم متابولیزه شود. تخمیر اسید لاکتیک در سلول‌های ماهیچه ای و تخمیر اتانول در مخمر دو نوع تخمیر موجود در موجودات هستند. تنها دو ATP در هر مولکول گلوکز در تخمیر تولید می‌شود. واکنش شیمیایی تنفس سلولی در زیر نشان داده شده است. 

در یوکاریوت‌ها، تنفس سلولی در اندامک‌های تخصصی به نام میتوکندری اتفاق می‌افتد. در پروکاریوت‌ها، در خود سیتوپلاسم رخ می‌دهد. تنفس سلولی در ماتریکس، غشای داخلی میتوکندری و سیتوپلاسم نیز رخ می‌دهد. اولین مرحله تنفس سلولی، گلیکولیز (glycolysis) است. در طی گلیکولیز، گلوکز (C6) به دو مولکول پیروات (C3) در سیتوپلاسم تجزیه می‌شود. سپس دو مولکول پیروات به میتوکندری وارد می‌شوند. در حضور اکسیژن، پیروات با اگزالواستات (C4) به منظور تشکیل سیترات (C6) ترکیب می‌شود و استیل-CoA را در طول چرخه اسید سیتریک حذف می‌شود. چرخه اسید سیتریک (citric acid cycle) مرحله دوم تنفس سلولی است که به آن چرخه کربس (Krebs cycle) نیز می‌گویند. در طول چرخه کربس، دی اکسید کربن به عنوان ماده زائد حذف می‌شود، در حالی که NAD را به NADH کاهش می‌دهد. به ازای هر مولکول گلوکز 6NADH، 2FADH_۲ و 2ATPs توسط چرخه کربس تولید می‌شوند. فسفوریلاسیون اکسیداتیو (Oxidative phosphorylation)، که مرحله سوم تنفس سلولی است، در کریستای میتوکندری توسط آنزیم ATP سنتاز رخ می‌دهد و 30ATPs تولید می‌کند. فرآیند تنفس سلولی در شکل ۴ نشان داده شده است.

تفاوت بین فتوسنتز و تنفس سلولی

حضور

فتوسنتز: فتوسنتز فقط در سلول‌های کلروفیلوس یافت می‌شود.

تنفس سلولی: تنفس سلولی در تمام سلول‌های روی زمین یافت می‌شود.

تعریف

فتوسنتز: فتوسنتز تولید گلوکز از دی اکسید کربن و آب با به دست آوردن انرژی از نور خورشید است.

تنفس سلولی: تنفس سلولی فرآیندی است که انرژی بیوشیمیایی را در ATP به انرژی تبدیل می‌کند و دی اکسید کربن و آب را به عنوان مواد زائد حذف می‌کند.

اندامک‌ها

فتوسنتز: فتوسنتز در غشای تیلاکوئید و استرومای کلروپلاست در گیاهان اتفاق می‌افتد.

تنفس سلولی: تنفس سلولی در ماتریکس و غشای داخلی میتوکندری و سیتوپلاسم در یوکاریوت‌ها اتفاق می‌افتد.

تاریکی / نور

فتوسنتز: فتوسنتز فقط در نور اتفاق می‌افتد.

تنفس سلولی: تنفس سلولی هم در نور و هم در تاریکی انجام می‌شود.

مراحل

فتوسنتز: واکنش نور، واکنش تاریکی و فوتولیز سه مرحله در فتوسنتز هستند.

تنفس سلولی: گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک و زنجیره انتقال الکترون سه مرحله در تنفس سلولی هستند.

اکسیژن / دی اکسید کربن / آب

فتوسنتز: دی اکسید کربن و آب مورد استفاده قرار می‌گیرند و در طول فتوسنتز اکسیژن آزاد می‌شود.

تنفس سلولی: در طول تنفس سلولی از اکسیژن استفاده می‌شود و دی اکسید کربن و آب آزاد می‌شود.

متابولیسم

فتوسنتز: فتوسنتز یک فرآیند آنابولیک است که ترکیبات آلی پیچیده را سنتز می‌کند.

تنفس سلولی: تنفس سلولی یک فرآیند کاتابولیک است که ترکیبات آلی را تجزیه می‌کند.

کربوهیدرات‌ها

فتوسنتز: کربوهیدرات‌ها در طول فتوسنتز سنتز می‌شوند.

تنفس سلولی: کربوهیدرات‌ها در طول تنفس سلولی استفاده می‌شوند.

انرژی

فتوسنتز: انرژی در طول فتوسنتز ذخیره می‌شود. از این رو فتوسنتز یک فرآیند گرماگیر است.

تنفس سلولی: انرژی در طی تنفس سلولی آزاد می‌شود. از این رو، تنفس سلولی یک فرآیند گرمازا است.

شکل انرژی

فتوسنتز: انرژی شیمیایی در پیوندهای تشکیل ترکیبات آلی ذخیره می‌شود.

تنفس سلولی: انرژی به شکل ATP آزاد می‌شود که می‌تواند توسط سایر فرآیندهای سلولی مورد استفاده قرار گیرد.

وزن خشک

فتوسنتز: وزن خشک گیاه در طول فتوسنتز افزایش می‌یابد.

تنفس سلولی: وزن خشک ارگانیسم در طی تنفس سلولی کاهش می‌یابد.

نوع فسفوریلاسیون

فتوسنتز: فتوفسفوریلاسیون در طول فتوسنتز اتفاق می‌افتد.

تنفس سلولی: فسفوریلاسیون اکسیداتیو در طی تنفس سلولی اتفاق می‌افتد.

تبدیل انرژی

فتوسنتز: در طول فتوسنتز، انرژی نور به انرژی پتانسیل تبدیل می‌شود.

تنفس سلولی: در طی تنفس سلولی، انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

گیرنده الکترون نهایی

فتوسنتز: گیرنده نهایی الکترون آب است.

تنفس سلولی: گیرنده نهایی الکترون، اکسیژن مولکولی است.

رنگدانه‌ها

فتوسنتز: کلروفیل نوع اصلی رنگدانه است که در فتوسنتز نقش دارد.

تنفس سلولی:  رنگدانه‌ها در تنفس سلولی دخالت ندارند.

کوآنزیم‌ها

فتوسنتز: NADP کوآنزیمی‌است که در فتوسنتز استفاده می‌شود.

تنفس سلولی: NAD و FAD کوآنزیم‌هایی هستند که در تنفس سلولی استفاده می‌شوند.

نتیجه

فتوسنتز و تنفس سلولی دو فرآیند متابولیکی اصلی هستند که در موجودات زنده اتفاق می‌افتند و تمام فرآیندهای سلولی بدن را هدایت می‌کنند. فتوسنتز فقط در موجودات کلروفیل رخ می‌دهد. بیشترین سهم را در تولید غذا برای همه گونه‌های زنده روی زمین دارد. از این رو، موجودات فتوسنتزی به عنوان تولیدکنندگان اولیه در زنجیره‌های غذایی یافت می‌شوند. در طول فتوسنتز، گلوکز از دی اکسید کربن و آب با استفاده از انرژی نور خورشید تولید می‌شود. موجودات فتوسنتزی حاوی رنگدانه‌های خاصی مانند کلروفیل و کاروتنوئیدها هستند تا نور را به دام بیندازند. در مقابل، تنفس سلولی در تمام اشکال زنده روی زمین اتفاق می‌افتد. در طی تنفس، غذا اکسید می‌شود تا انرژی بالقوه ذخیره شده به شکل ATP بدست آید. ATP تقریباً تمام فرآیندهای سلولی در سلول را تامین می‌کند. دی اکسید کربن و آب در طی تنفس سلولی به عنوان زباله تولید می‌شود. گاز اکسیژن در طول فتوسنتز آزاد می‌شود که می‌تواند در تنفس سلولی استفاده شود. بنابراین، تفاوت اصلی بین فتوسنتز و تنفس سلولی، سهم آنها در متابولیسم سلول است.