El ciclo de fotosíntesis y respiración celular se utiliza para producir energía utilizable para plantas y otros organismos. Estos procesos ocurren a nivel molecular dentro de las células de los organismos. En esta escala, las moléculas que contienen energía se someten a procesos metabólicos que producen energía que se puede utilizar de inmediato. Una de esas fuentes de energía se produce en la fotosíntesis; otro se almacena como una batería como en la respiración celular.
Metabolismo de la fotosíntesis
Las plantas reciben energía lumínica a través de pequeños poros en sus hojas llamados estomas y la convierten en orgánulos llamados cloroplastos, ubicados en las células vegetales de las hojas y tallos verdes. Los orgánulos son partes especializadas de una célula que funcionan como un órgano. La energía se utiliza en este proceso para convertir el dióxido de carbono y el agua en carbohidratos como glucosa y oxígeno molecular.
La fotosíntesis es un proceso metabólico de dos partes. Las dos partes de la vía bioquímica de la fotosíntesis son la reacción de fijación de energía y la reacción de fijación de carbono. El primero produce moléculas de adenosina trifosfato (ATP) y nicotinamida adenina dinucleaotido fosfato hidrógeno (NADPH). Ambas moléculas contienen energía y se utilizan en la reacción de fijación de carbono para formar glucosa.
Reacción de fijación de energía
En la reacción de fijación de energía de la fotosíntesis, los electrones pasan a través de coenzimas y moléculas donde liberan su energía. La mayoría de los electrones pasan a lo largo de la cadena, pero parte de esta energía se usa para mover protones en forma de hidrógeno a través de la membrana tilacoide dentro del cloroplasto. La energía retenida se usa luego para sintetizar ATP y NADPH.
Reacción de fijación de carbono
Durante la reacción de fijación de carbono, la energía del ATP y NADPH producida en la reacción de fijación de energía se utiliza para convertir los carbohidratos en glucosa y otros azúcares y sustancias orgánicas. Esto ocurre a través del ciclo de Calvin, llamado así por el investigador Melvin Calvin. El ciclo utiliza dióxido de carbono adquirido de la atmósfera. El hidrógeno del NADPH, el carbono del dióxido de carbono y el oxígeno del agua se combinan para formar las moléculas de glucosa indicadas como C6H12O6.
Respiración celular
Los organismos utilizan la respiración celular para convertir los carbohidratos en energía y este proceso ocurre en el citoplasma de la célula. La energía liberada de los carbohidratos se almacena en moléculas de ATP. Estas moléculas se forman utilizando la energía obtenida de los carbohidratos para combinar moléculas de difosfato de adenosina (ADP) e iones de fosfato. Luego, las células utilizan esta energía almacenada para varios procesos que dependen de la energía.
También se producen durante la respiración celular agua y dióxido de carbono. El proceso que produce estos tres productos se compone de cuatro partes: glucolosis, ciclo de Krebs, sistema de transporte de electrones y quimiosmosis.
Glucolosis: descomposición de la glucosa
Durante la glucolosis, la glucosa se descompone en dos moléculas de ácido pirúvico. Durante este proceso se producen dos moléculas de ATP. Durante la glucolosis también se producen dos moléculas de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH) que se utilizarán en el sistema de transporte de electrones.
El ciclo de Krebs
En el ciclo de Krebs, se utilizan dos moléculas de ácido pirúvico producidas durante la glucolosis para formar NADH. Esto ocurre cuando se agrega hidrógeno a NAD. También se producen durante el ciclo de Krebs dos moléculas de ATP.
Los átomos de carbono liberados en el proceso se combinan con el oxígeno para formar dióxido de carbono. Se liberan seis moléculas de dióxido de carbono cuando se completa el ciclo. Estas seis moléculas corresponden a los seis átomos de carbono de la glucosa que se utilizaron inicialmente en la glucolosis.
Sistema de transporte de electrones
Los citocromos (pigmentos celulares) y las coenzimas en las mitocondrias forman el sistema de transporte de electrones.
Los electrones extraídos del NAD se transportan a través de estas moléculas transportadoras y de transferencia. En ciertos puntos del sistema, los protones en forma de átomos de hidrógeno de NADH se transportan a través de una membrana y se liberan al área exterior de las mitocondrias. El oxígeno es el último aceptor de electrones de la cadena. Cuando recibe un electrón, el oxígeno se une al hidrógeno liberado para formar agua.