O ciclo de fotossíntese e respiração celular é usado para produzir energia utilizável para plantas e outros organismos. Esses processos ocorrem em um nível molecular dentro das células dos organismos. Nessa escala, as moléculas que contêm energia são submetidas a processos metabólicos que geram energia que pode ser usada imediatamente. Uma dessas fontes de energia é produzida na fotossíntese; outro é armazenado como uma bateria, como na respiração celular.
Metabolismo da fotossíntese
As plantas recebem energia luminosa por meio de pequenos poros em suas folhas chamados estômatos e a convertem em organelas chamadas cloroplastos, localizadas nas células vegetais nas folhas e nos caules verdes. Organelas são partes especializadas de uma célula que funcionam de forma semelhante a um órgão. A energia é usada neste processo para converter dióxido de carbono e água em carboidratos, como glicose e oxigênio molecular.
A fotossíntese é um processo metabólico de duas partes. As duas partes da via bioquímica da fotossíntese são a reação de fixação de energia e a reação de fixação de carbono. O primeiro produz moléculas de adenosina trifosfato (ATP) e nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato hidrogênio (NADPH). Ambas as moléculas contêm energia e são usadas na reação de fixação de carbono para formar glicose.
Reação de fixação de energia
Na reação de fixação de energia da fotossíntese, os elétrons são passados por coenzimas e moléculas, onde liberam sua energia. A maioria dos elétrons é passada ao longo da cadeia, mas parte dessa energia é usada para mover prótons na forma de hidrogênio através da membrana tilacóide dentro do cloroplasto. A energia retida é então usada para sintetizar ATP e NADPH.
Reação de fixação de carbono
Durante a reação de fixação de carbono, a energia no ATP e NADPH produzida na reação de fixação de energia é usada para converter carboidratos em glicose e outros açúcares e substâncias orgânicas. Isso ocorre por meio do ciclo de Calvin, em homenagem ao pesquisador Melvin Calvin. O ciclo usa dióxido de carbono adquirido da atmosfera. O hidrogênio do NADPH, o carbono do dióxido de carbono e o oxigênio da água se combinam para formar as moléculas de glicose indicadas como C6H12O6.
Respiração celular
Os organismos usam a respiração celular para converter carboidratos em energia, e este processo ocorre no citoplasma da célula. A energia liberada pelos carboidratos é armazenada nas moléculas de ATP. Essas moléculas são formadas a partir da energia obtida dos carboidratos para combinar moléculas de difosfato de adenosina (ADP) e íons fosfato. As células então usam essa energia armazenada para vários processos dependentes de energia.
Também são produzidos durante a respiração celular a água e o dióxido de carbono. O processo que dá origem a esses três produtos é composto por quatro partes: glicolose, ciclo de Krebs, sistema de transporte de elétrons e quimiosmose.
Glicolose: Quebrando a glicose
Durante a glicolose, a glicose é quebrada em duas moléculas de ácido pirúvico. Duas moléculas de ATP são produzidas durante este processo. Duas moléculas de nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH) que serão utilizadas no sistema de transporte de elétrons também são produzidas durante a glicolose.
O Ciclo de Krebs
No ciclo de Krebs, duas moléculas de ácido pirúvico produzidas durante a glicolose são usadas para formar o NADH. Isso ocorre quando o hidrogênio é adicionado ao NAD. Também são produzidas durante o ciclo de Krebs duas moléculas de ATP.
Os átomos de carbono liberados no processo combinam-se com o oxigênio para formar dióxido de carbono. Seis moléculas de dióxido de carbono são liberadas quando o ciclo se completa. Essas seis moléculas correspondem aos seis átomos de carbono da glicose que foram inicialmente usados na glicolose.
Sistema de transporte de elétrons
Citocromos (pigmentos celulares) e coenzimas na mitocôndria formam o sistema de transporte de elétrons.
Os elétrons retirados do NAD são transportados por meio dessas moléculas transportadoras e de transferência. Em certos pontos durante o sistema, os prótons na forma de átomos de hidrogênio do NADH são transportados através de uma membrana e liberados na área externa da mitocôndria. O oxigênio é o último aceptor de elétrons da cadeia. Quando recebe um elétron, o oxigênio se liga ao hidrogênio liberado para formar água.