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光合成と細胞呼吸のサイクルは、植物や他の生物に使用可能なエネルギーを生成するために使用されます。これらのプロセスは、生物の細胞内で分子レベルで発生します。このスケールでは、エネルギーを含む分子は、すぐに使用できるエネルギーを生成する代謝プロセスにかけられます。そのようなエネルギー源の1つは、光合成で生成されます。もう1つは、細胞呼吸のようにバッテリーのように保管されます。
光合成代謝
植物は、気孔と呼ばれる葉の小さな孔から光エネルギーを受け取り、葉と緑の茎の植物細胞にある葉緑体と呼ばれる細胞小器官に変換します。オルガネラは、臓器のように機能する細胞の特殊な部分です。このプロセスでエネルギーを使用して、二酸化炭素と水をグルコースや分子状酸素などの炭水化物に変換します。
光合成は2つの部分から成る代謝プロセスです。光合成の生化学経路の2つの部分は、エネルギー固定反応と炭素固定反応です。最初の製品は、アデノシン三リン酸（ATP）およびニコチンアミドアデニンジヌクレオリン酸水素（NADPH）分子を生成します。両方の分子にはエネルギーが含まれており、グルコースを形成するための炭素固定反応に使用されます。
エネルギー固定反応
光合成のエネルギー固定反応では、電子は補酵素と分子を通過してエネルギーを放出します。ほとんどの電子は鎖に沿って渡されますが、このエネルギーの一部は、葉緑体内部のチラコイド膜を横切る水素の形でプロトンを移動させるために使用されます。保持されたエネルギーは、ATPとNADPHの合成に使用されます。
炭素固定反応
炭素固定反応の間、エネルギー固定反応で生成されたATPおよびNADPHのエネルギーは、炭水化物をグルコースや他の糖や有機物質に変換するために使用されます。これは、研究者メルビン・カルビンにちなんで名付けられたカルバンサイクルを通じて起こります。サイクルは、大気から取得した二酸化炭素を使用します。 NADPHからの水素、二酸化炭素からの炭素、および水からの酸素が結合して、Cとして示されるグルコース分子を形成します6H12O6.
細胞呼吸
生物は細胞呼吸を使用して炭水化物をエネルギーに変換し、このプロセスは細胞の細胞質で発生します。炭水化物から放出されたエネルギーは、ATP分子に保存されます。これらの分子は、炭水化物から得られたエネルギーを使用して形成され、アデノシン二リン酸（ADP）分子とリン酸イオンを結合します。その後、細胞はこの蓄積エネルギーをさまざまなエネルギー依存プロセスに使用します。
また、細胞呼吸中に生成されるのは、水と二酸化炭素です。これらの3つの製品を生成するプロセスは、グリコーシス、クレブス回路、電子伝達システム、および化学浸透の4つの部分で構成されています。
グリコーシス：グルコースの分解
グリコーシスの間、グルコースは2つのピルビン酸分子に分解されます。このプロセス中に2つのATP分子が生成されます。電子伝達系で使用される2つのニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）分子も、グリコーシス中に生成されます。
クレブスサイクル
クレブス回路では、グリコーシス中に生成されるピルビン酸の2つの分子がNADHの形成に使用されます。これは、水素がNADに追加されるときに発生します。また、クレブスサイクル中に2つのATP分子が生成されます。
プロセスで放出された炭素原子は酸素と結合して二酸化炭素を形成します。サイクルが完了すると、6つの二酸化炭素分子が放出されます。これらの6つの分子は、グリコーシスで最初に使用されたグルコースの6つの炭素原子に対応します。
電子輸送システム
ミトコンドリア内のシトクロム（細胞色素）と補酵素は、電子輸送システムを形成します。
NADから取り出された電子は、これらのキャリアおよび伝達分子を介して輸送されます。システム内の特定の時点で、NADHからの水素原子の形のプロトンが膜を通過して輸送され、ミトコンドリアの外側領域に放出されます。酸素は、鎖の最後の電子受容体です。電子を受け取ると、酸素は放出された水素と結合して水を形成します。