Fotosíntesis y respiración a nivel celular

Fotosíntesis y respiración a nivel celular

Los primeros organismos prebióticos obtenían  su energía de moléculas orgánicas a través del proceso de fermentación provocando una acumulación de dióxido de carbono (CO₂) en la primitiva atmósfera. Con el tiempo, la evolución trajo, probablemente, los nuevos organismos fotosintéticos que utilizaron  el dióxido de carbono como fuente de carbono (C), liberando el oxígeno (O) que formaría sucesivamente la capa de ozono (O₃). Con la fotosíntesis el medio ambiente se enriqueció con nuevas moléculas orgánicas de oxígeno y agua que dieron lugar al desarrollo del proceso aeróbico que es la respiración.

Fotosíntesis y respiración son los dos procesos que permiten la vida sobre la Tierra.

Fotosíntesis y respiración celular (diferencias)

 

Fotosíntesis

La fotosíntesis es la transformación de energía lumínica en energía química, proceso mediante el cual se sintetizan compuestos orgánicos partiendo de compuestos inorgánicos, utilizando la luz como fuente de energía y produciendo oxígeno (O) como desecho. Esta función metabólica se lleva a cabo en las plantas pero también en las algas verdiazules y en las bacterias que poseen los pigmentos fotosintéticos localizados en los cloroplastos.

El cloroplasto es un orgánulo celular, normalmente de forma discoidal; tiene dos membranas e internamente un fluido llamado estroma que contiene gránulos de almidón, ADN circular, ribosomas y los tilacoides, unas membranas que a veces se presentan como discos apilados llamados grana. En la membrana de los tilacoides se encuentran los pigmentos fotosintéticos responsables de la fase lumínica de la fotosíntesis mientras que en el estroma ocurre la fase oscura que en la actualidad es llamada el ciclo Calvin-Benson.

Los pigmentos fotosintéticos son los compuestos que absorben la luz, aquellos que intervienen en la fotosíntesis son verdes porque están constituidos por la clorofila: transforman la energía lumínica  en energía química (ATP– adenosín trifosfato). Hay diferentes tipos de clorofila:

• clorofila a: se encuentra en las plantas superiores, en los tilacoides de los cloroplastos formando el fotosistema I;
• clorofila b: se encuentra en las plantas superiores, en los tilacoides de los cloroplastos formando el fotosistema II, la clorofila a se diferencia de la clorofila b por su estructura molecular y por su forma de absorber la energía solar;
• clorofila c: se encuentra en las algas;
• clorofila d: se encuentra en las algas;
• bacterioclorofila: se encuentra en las bacterias.

Hay también pigmentos accesorios que no participan directamente en la fotosíntesis, pero son capaces de captar  la luz solar y pasarla a la clorofila como el beta-caroteno de color rojo o naranja y las xantofilas de color amarillo (carotenoides).

La fotosíntesis se divide en dos fases: fase lumínica y ciclo de Calvin-Benson.

La fase lumínica a su vez, se divide en dos etapas que son la fotofosforilación y la fotólisis del agua.

La fotofosforilación es una fase cíclica: comienza cuando la energía lumínica es absorbida por la clorofila a. Los electrones de la molécula de clorofila a, al ser alcanzados por un fotón aumentan su nivel energético entonces en el fotosistema II se desprende un electrón que viaja a través de una serie  de proteínas, cuya función es la del transporte electrónico, luego baja a fotosistema I, liberando energía para producir ATP: el ciclo se completa cuando el electrón regresa a la molécula de clorofila y durante esta fase se forman 2 ATP por cada electrón transferido.

La fotólisis del agua es una fase no cíclica: en esta fase se origina el hidrógeno (H) necesario para la elaboración fotosintética de los alimentos. Cuando la molécula de clorofila b absorbe la luz, pasa a un estado de alta energía, libera electrones que no volverán a la molécula de clorofila b, por eso esta fase se define como  no es cíclica. La reacción que sigue es que la clorofila actúa sobre la molécula de agua (H₂O) y la rompe separándola en sus dos elementos:

• una molécula de oxígeno, que se desprende y sale al exterior por los estomas ya que este gas no es útil en el cloroplasto y
• dos moléculas de hidrógeno, que son retenidas por los aceptores o compuestos orgánicos encargados de transportar los elementos químicos de unas reacciones a otras.

La fotofosforilación y la fotólisis del agua ocurren simultáneamente y de forma continua, aun cuando pueden ser independientes: en el curso de las reacciones la energía luminosa se convierte en energía eléctrica y esta a su vez en energía química que se almacena en los enlaces NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato – un coenzima) y APT.

Ciclo de Calvin-Benson

Ciclo de Calvin-Benson

No depende de la luz pero ocurre en el día porque depende de los productos de la fase lumínica y ha lugar en el estroma de los cloroplastos, sus productos serán azucares como la glucosa y la fructosa que se utilizaran para la síntesis de carbohidratos como almidón, celulosa, sacarosa y otros.

Durante la fase el C₂O del aire es fijado por una molécula preexistente en la planta, RuBisCo (ribulosa bifosfato carboxilasa oxigenasa) que es un azúcar de cinco carbonos unidos a dos grupos fosfatos, así se forma un azúcar de seis carbonos que se rompe dando lugar a la formación  de dos moléculas de tres carbonos cada una. De estas algunas se transformaran en glucosa utilizando  NADPH₂ y la energía del  ATP, mientras que las otras se transformaran en nuevas moléculas de cinco carbonos listas para empezar de nuevo el ciclo.

FÓRMULA GENERAL DE LA Fotosíntesis

6 CO₂ + 6 H₂O  ―――> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂    

Respiración celular

Tiene la finalidad de liberar la energía química contenida en la glucosa para que sea utilizada en el organismo y se lleva a cabo en la matriz mitocondrial. Los tipos básicos de respiración celular son la respiración aeróbica y la anaeróbica, siendo la segunda característica de los organismos unicelulares. En los dos tipos de respiración el compuesto a degradar es la glucosa; ambas empiezan con las mismas reacciones químicas en la vía de la glucolisis, después de esta se diferencian.

Vía de la glucólisis: la glucosa es degradada para formar dos moléculas de tres carbonos, el ácido pirúvico.

Respiración anaeróbica

Los tipos son:

Fermentación alcohólica: el ácido pirúvico se separa en una molécula de alcohol etílico y otra de CO₂ produciendo dos ATP (característica en las levaduras).

FÓRMULA GENERAL DE LA Fermentación alcohólica

C₆H₁₂O₆  ―――> CO₂ + CH₃CH₂OH + 2 ATP

(una molécula de glucosa se transforma en una de dióxido de carbono y una de alcohol etílico generando dos ATP)

Glicólisis homoláctica: el ácido pirúvico se transforma en ácido láctico formando aquí también dos ATP (característica en las bacterias).

FÓRMULA GENERAL DE LA Glicólisis homoláctica

C₆H₁₂O₆  ―――> 2 CH₃CHOHCOOH + 2 ATP

(una molécula de glucosa se transforma en dos de ácido láctico generando dos ATP)

Respiración aeróbica

Comienza con la degradación de la molécula de glucosa con la glucólisis, ya vista y sigue con el ciclo de Krebs y el transporte electrónico. Se pueden diferenciar dos rutas, la ruta del carbono que comprende glucólisis y ciclo de Krebs donde se liberan átomos de carbono en forma de CO₂ y la ruta del hidrógeno que comprende el transporte electrónico donde los átomos de hidrógeno son transferidos hasta el oxígeno formando agua.

Después de la glucólisis, el ácido pirúvico es transformado en acetil ~CoA (un compuesto con tres carbonos)

Ciclo de Krebs: el acetil ~CoA se une a un compuesto de cuatro carbonos (ácido oxalacético) y se transforma en un compuesto de seis carbonos (ácido cítrico) que libera un dióxido de carbono y dos hidrógenos que son guardados. La molécula de cinco carbonos que resulta (ácido α cetoglutárico) libera nuevamente un dióxido de carbono y dos hidrógenos, transformándose en el compuesto de cuatro carbonos (ácido oxalacético) del comienzo del ciclo: como resultado se liberan dos dióxidos de carbono por cada ácido pirúvico.

Ciclo de Krebs

Transporte electrónico: los hidrógenos producidos en el ciclo de Krebs recorren una serie de proteínas que producen ATP cuando los hidrógenos pasan por ellas. Para desechar los hidrógenos ya utilizados la célula utiliza oxígeno para formar agua.

FÓRMULA GENERAL DE LA Respiración aeróbica

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂  ―――> 6 CO₂+ 6 H₂O + 36 ATP

Bibliografía:

«Ciencias biológicas»  Lic.Yaditzha Irausquín Lee; Lic. en Educación – Mención Ciencias Biológicas, Universidad Católica Andrés Bello; Editorial Actualidad Escolar 2000

«Ciencias biológicas. De las moléculas al hombre»  adaptación por Carmelina Reggio Moreno – Instituto Pedagógico Caracas, Venezuela de la versión azul de «Biological Science Molecules to Man» CIA. Editorial Continental, S.A. de C.V., México