Como os processos de respiração e fotossíntese celulares são quase opostos?

A respiração celular e a fotossíntese são processos essencialmente opostos. A fotossíntese é o processo pelo qual os organismos produzem compostos de alta energia - o açúcar glicose em particular - por meio da "redução" química do dióxido de carbono (CO₂). A respiração celular, por outro lado, envolve a quebra da glicose e de outros compostos por meio da "oxidação" química. A fotossíntese consome CO₂ e produz oxigênio. A respiração celular consome oxigênio e produz CO₂.

Na fotossíntese, a energia da luz é convertida em energia química de ligações entre átomos que energizam os processos dentro das células. A fotossíntese surgiu em organismos há 3,5 bilhões de anos, desenvolveu mecanismos bioquímicos e biofísicos complexos e hoje ocorre em plantas e organismos unicelulares. É por causa da fotossíntese que a atmosfera e os mares da Terra contêm oxigênio.

Na fotossíntese, CO₂ e a luz solar é usada para produzir glicose (açúcar) e oxigênio molecular (O₂). Esta reação ocorre em várias etapas em duas fases: a fase clara e a fase escura.

Na fase de luz, a energia da luz alimenta reações que dividem a água para liberar oxigênio. No processo, moléculas de alta energia, ATP e NADPH, são formadas. As ligações químicas nesses compostos armazenam a energia. O oxigênio é um subproduto, e essa fase da fotossíntese é o oposto da fosporilação oxidativa do processo de respiração celular, discutido a seguir, em que o oxigênio é consumido.

A fase escura da fotossíntese também é conhecida como Ciclo de Calvin. Nesta fase, que utiliza os produtos da fase leve, o CO₂ é usado para fazer o açúcar, a glicose.

A respiração celular é a degradação bioquímica de um substrato por meio da oxidação, em que os elétrons são transferido do substrato para um "aceitador de elétrons", que pode ser qualquer um de uma variedade de compostos, ou oxigênio átomos. Se o substrato for um composto contendo carbono e oxigênio, como glicose, dióxido de carbono (CO₂) é produzida através da glicólise, a quebra da glicose.

A glicólise, que ocorre no citoplasma de uma célula, decompõe a glicose em piruvato, um composto mais "oxidado". Se houver oxigênio suficiente, o piruvato se move para organelas especializadas chamadas mitocôndrias. Lá, ele é dividido em acetato e CO₂. O CO₂ é libertado. O acetato entra em um sistema de reação conhecido como Ciclo de Krebs.

No ciclo de Krebs, o acetato é decomposto ainda mais, de modo que seus átomos de carbono restantes são liberados como CO₂. Isso é o oposto de um aspecto da fotossíntese, a ligação de carbonos de CO₂ juntos para fazer açúcar. Além de CO₂, o ciclo de Krebs e a glicólise usam energia das ligações químicas dos substratos (como a glicose) para formar compostos de alta energia, como ATP e GTP, que são usados ​​pelos sistemas celulares. Também são produzidos compostos reduzidos de alta energia: NADH e FADH2. Esses compostos são os meios pelos quais os elétrons, que mantêm a energia derivada inicialmente de glicose ou outro composto alimentar, são transferidos para o próximo processo, chamado de transporte de elétrons cadeia.

Na cadeia de transporte de elétrons, que nas células animais está localizada principalmente nas membranas internas das mitocôndrias, produtos reduzidos como NADH e FADH2 são usados ​​para criar um gradiente de prótons - um desequilíbrio na concentração de átomos de hidrogênio desemparelhados em um lado do membrana vs. o outro. O gradiente de prótons, por sua vez, impulsiona a produção de mais ATP, em um processo denominado fosforilação oxidativa.

No geral, a fotossíntese envolve a energização dos elétrons pela energia da luz para reduzir (adicionar elétrons ao) CO2 para construir um composto maior (glicose), produzindo oxigênio como subproduto. A respiração celular, por outro lado, envolve tirar elétrons de um substrato (glicose, por exemplo), que é para digamos, oxidação, e no processo o substrato é degradado de modo que seus átomos de carbono são liberados como CO2, enquanto o oxigênio é consumido. Assim, a fotossíntese e a respiração celular são processos bioquímicos quase opostos.