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La fotosíntesis y la respiración celular están conectadas a través de una importante relación. Esta relación permite que la vida sobreviva tal como la conocemos. Los productos de un proceso son los reactivos del otro.
Las ecuaciónes son completamente lo opuesto:
Respiración Celular: C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Fotosíntesis: 6CO2 + 6H2O → C6 H12 O6 + 6O2
La respiración celular y la fotosíntesis son partes importantes del ciclo del carbono.
El ciclo del carbono es la vía a través de la cual se recicla el carbono en la biosfera. Mientras que la respiración celular libera dióxido de carbono al ambiente, la fotosíntesis extrae el dióxido de carbono de la atmósfera. El intercambio de dióxido de carbono y oxígeno durante la fotosíntesis y la respiración celular en todo el mundo ayuda a mantener el oxígeno atmosférico y el dióxido de carbono en niveles estables.
A continuación te explicamos más a detalle cada proceso.
La respiración celular y la fotosíntesis son reacciones opuestas directas. La energía del sol entra en una planta y se convierte en glucosa durante la fotosíntesis. Parte de la energía se utiliza para producir ATP en las mitocondrias durante la respiración celular, y parte se pierde en el ambiente como calor.
La fotosíntesis es el proceso bioquímico mediante el cual las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas convierten materia inorgánica (dióxido de carbono y agua) en materia orgánica (azúcares), aprovechando la energía proveniente de la luz solar.
Este es el principal mecanismo de nutrición de todos los organismos autótrofos que poseen clorofila, que es el pigmento esencial para el proceso fotosintético.
La fotosíntesis constituye uno de los mecanismos bioquímicos más importantes del planeta ya que implica la fabricación de nutrientes orgánicos que almacenan la energía lumínica proveniente del Sol en distintas moléculas útiles (carbohidratos). De hecho, el nombre de este proceso proviene de las voces griegas foto, “luz”, y synthesis, “composición”.
Después de la fotosíntesis, las moléculas orgánicas sintetizadas pueden ser empleadas como fuente de energía química para sostener procesos vitales, como la respiración celular y otras reacciones que forman parte del metabolismo de los seres vivos.
Para llevar a cabo la fotosíntesis, se requiere de la presencia de clorofila, un pigmento sensible a la luz solar, que les confiere a las plantas y las algas su coloración verde característica. Este pigmento se encuentra en los cloroplastos, organelas celulares de diverso tamaño que son propias de las células vegetales, especialmente las células foliares (de las hojas). Los cloroplastos contienen un conjunto de proteínas y enzimas que permiten el desarrollo de las complejas reacciones que forman parte del proceso fotosintético.
El proceso de fotosíntesis es fundamental para el ecosistema y para la vida tal y como los conocemos, dado que permite la creación y circulación de la materia orgánica y la fijación de materia inorgánica. Además, durante la fotosíntesis oxigénica se produce el oxígeno que necesita la mayor parte de los seres vivos para su respiración.
Se pueden distinguir dos tipos de fotosíntesis, en función de las sustancias utilizadas por el organismo para llevar a cabo la reacción:
Fotosíntesis oxigénica: Se caracteriza por la utilización de agua (H2O) para la reducción del dióxido de carbono (CO2) consumido. En este tipo de fotosíntesis, no solo se producen azúcares útiles para el organismo, sino que también se obtiene oxígeno (O2) como producto de la reacción. Las plantas, las algas y las cianobacterias llevan a cabo la fotosíntesis oxigénica.
Fotosíntesis anoxigénica: El organismo no utiliza agua para la reducción del dióxido de carbono (CO2), sino que aprovecha la luz solar para romper moléculas de sulfuro de hidrógeno (H2S) o hidrógeno gaseoso (H2). Este tipo de fotosíntesis no produce oxígeno (O2) y, en cambio, libera azufre como producto de la reacción. La fotosíntesis anoxigénica es llevada a cabo por las llamadas bacterias verdes y púrpuras del azufre, que contienen pigmentos fotosintéticos agrupados con el nombre de bacterioclorofilas, que son diferentes a la clorofila de las plantas.
A grandes rasgos, la fotosíntesis se caracteriza por lo siguiente:
Es un proceso bioquímico de aprovechamiento de la luz solar para la obtención de compuestos orgánicos, o sea, de síntesis de nutrientes a partir de elementos inorgánicos como el agua (H2O) y el dióxido de carbono (CO2).
Puede ser realizada por diversos organismos autótrofos, siempre y cuando tengan pigmentos fotosintéticos (el más importante es la clorofila). Es el proceso de nutrición de las plantas (tanto terrestres como acuáticas), las algas, el fitoplancton, las bacterias fotosintéticas. Algunos pocos animales son capaces de realizar fotosíntesis, entre ellos la babosa marina Elysia chlorotica y la salamandra moteada Ambystoma maculatum (esta última lo hace gracias a la simbiosis con un alga).
En las plantas y las algas, la fotosíntesis se lleva a cabo en organelas especializadas llamadas cloroplastos, en los que se encuentra la clorofila. Las bacterias fotosintéticas también poseen clorofila (u otros pigmentos análogos), pero no tienen cloroplastos.
Existen dos tipos de fotosíntesis, según la sustancia utilizada para fijar el carbono proveniente del dióxido de carbono (CO2). La fotosíntesis oxigénica utiliza agua (H2O) y produce oxígeno (O2), que es liberado al medio circundante. La fotosíntesis anoxigénica utiliza sulfuro de hidrógeno (H2S) o hidrógeno gaseoso (H2), y no produce oxígeno sino que libera azufre.
Desde la Antigua Grecia ya se postulaba la relación existente entre la luz solar y las plantas. Sin embargo, los avances en el estudio y la comprensión de la fotosíntesis comenzaron a cobrar importancia gracias a los aportes de un conjunto sucesivo de científicos del siglo XVIII, XIX y XX. Por ejemplo, el primero en demostrar la generación de oxígeno en los vegetales fue el clérigo inglés Joseph Priestley (1732-1804) y el primero en formular la ecuación básica de la fotosíntesis fue el botánico alemán Ferdinand Sachs (1832-1897). Más adelante, el bioquímico norteamericano Melvin Calvin (1911-1997), realizó otro enorme aporte, esclareciendo el ciclo de Calvin (una de las fases de la fotosíntesis), lo que le valió el Premio Nobel de Química en 1961.
En las plantas y algas, la fotosíntesis se lleva a cabo en organelas llamadas cloroplastos.
La ecuación general de la fotosíntesis oxigénica es: 6CO2 + 6H2O → C6 H12 O6 + 6O2
Para entender mejor la formula la podemos desglosar en las 4 partes que la incluyen, las cuales son CO2, H2O, C6 H12 O6, y O2.
CO2:: La fotosíntesis contiene 6 moleculas de dióxido de carbono, mejor conocido como CO2, este es un gas que se encuentra en la atmosfera, y es una molécula inorganica.
H2O: La fotosíntesis contiene 6 moleculas de agua, también conocida como H2O, cuya sustancia contiene 2 moleculas de hidrógeno y 1 de oxígeno, y es una molécula inorganica.
C6H12O6: La fotosíntesis contiene glucosa, un monosacárido que contiene 6 moleculas de carbono, 12 moleculas de hidrógeno y 6 moleculas de oxígeno. La glucosa es una molécula organica.
O2: La fotosíntesis contiene 2 moleculas de oxígeno. Este es una molécula orgánica.
Es decir para que un proceso de fotosíntesis se pueda llevar a cabo necesita dióxido de carbono, agua, glucosa, y oxígeno.
La fotosíntesis como proceso químico ocurre en dos etapas diferenciadas: la etapa luminosa y la etapa oscura, llamadas así porque solo en la primera interviene directamente la presencia de luz solar (lo cual no significa que la segunda ocurra necesariamente en la oscuridad).
Etapa luminosa: Durante esta fase se dan las reacciones dependientes de la luz en el interior de la planta, es decir, la planta capta la energía solar por medio de la clorofila y la utiliza para producir ATP y NADPH.
Todo empieza cuando la molécula de clorofila entra en contacto con la radiación solar y los electrones de sus capas exteriores son excitados, lo que genera una cadena de transporte de electrones (semejante a la electricidad), que es aprovechada para la síntesis de ATP (adenosín trifosfato) y NADPH (nicotín adenín dinucleótido fosfato).
La ruptura de una molécula de agua en un proceso llamado “fotólisis” permite que una molécula de clorofila recupere el electrón que perdió al ser excitada (se requiere la excitación de varias moléculas de clorofila para llevar a cabo la fase luminosa).
Como resultado de la fotólisis de dos moléculas de agua, se produce una molécula de oxígeno que es liberada a la atmósfera como subproducto de esta fase de la fotosíntesis.
Etapa oscura: Durante esta fase, que tiene lugar en la matriz o estroma de los cloroplastos, la planta utiliza dióxido de carbono y aprovecha las moléculas generadas durante la etapa previa (energía química) para sintetizar sustancias orgánicas a través de un circuito de reacciones químicas muy complejas conocido como el Ciclo de Calvin-Benson.
Durante este ciclo, y mediante la intervención de diferentes enzimas, el ATP y el NADPH previamente formados, se sintetiza glucosa a partir del dióxido de carbono que la planta toma de la atmósfera. La incorporación del dióxido de carbono en compuestos orgánicos se conoce como fijación del carbono.
La fotosíntesis es un proceso vital y central en la biosfera debido a múltiples razones. La primera y más evidente es que produce oxígeno (O2), un gas indispensable para la respiración tanto en el agua como en el aire. Sin plantas, la mayoría de los seres vivos no podrían sobrevivir.
Por otro lado, al absorberlo del medio circundante, las plantas fijan el dióxido de carbono (CO2) convirtiéndolo en materia orgánica. Este gas, que exhalamos al respirar, es potencialmente tóxico si no se mantiene dentro de ciertos límites.
Debido a que las plantas utilizan el dióxido de carbono para fabricar su propio alimento, la disminución de la vida vegetal en el planeta incide en el aumento de este gas en la atmósfera, donde funciona como un agente del calentamiento global.
Por ejemplo, el CO2 actúa como un gas de efecto invernadero, impidiendo que el exceso de calor que llega a la Tierra se irradie hacia afuera de la atmósfera. Se estima que cada año los organismos fotosintéticos fijan como sustancias orgánicas alrededor de 100.000 millones de toneladas de carbono.
La respiración celular es el proceso por el cual la célula obtiene energía a partir de azúcares u otras moléculas orgánicas, al reaccionar los carbonos e hidrógenos en presencia de oxígeno.
El resultado de la respiración celular es dióxido de carbono, agua y adenosintrifosfato ATP. El dióxido de carbono se elimina de la célula, y el ATP es la molécula que la célula utiliza como energía química para realizar sus funciones.
La respiración celular consiste en varias reacciones químicas que tienen lugar en el citoplasma y en la mitocondria. Las reacciones químicas son llevadas a cabo por enzimas, proteínas especializadas en cada reacción.
La respiración celular consta de una serie de reacciones que se pueden agrupar en tres etapas.
1. Gluicólisis: Es la primera etapa de la respiración. Se produce en el citoplasma de la mayoría de las células. Consiste en la conversión de una molécula de glucosa, con seis carbonos, en dos moléculas de piruvato, cada una con tres carbonos.
La glucólisis consta de diez reacciones, cada una catalizada por una enzima, en la que se consumen dos moléculas de ATP y se producen cuatro ATP. Además, se generan dos moléculas transportadoras de hidrógenos, la nicotinamida adenina dinucleótido (NADH), que serán usadas en la última etapa.
2. Ciclo del ácido cítrio: Es la segunda etapa de la respiración celular que se lleva a cabo en la mitocondria de las células eucariotas. También se conoce como el ciclo de los ácidos tricarboxílicos o El ciclo de Krebs.
En esta se produce dióxido de carbono CO2 que se elimina y moléculas portadoras de electrones NADH y flavin adenín dinucleótido FADH2 que pasan a la siguiente etapa.
El ciclo consta de 8 pasos, donde el oxalacetato (una molécula de 4 carbonos), se combina con el acetil (2 carbonos) del acetil-Coenzima A (acetil-CoA) para formar el cítrato (6 carbonos).
A partir del citrato se van liberando dióxido de carbono (1 carbono) hasta formar de nuevo un oxalacetato y comenzar el ciclo, como se muestra a continuación:
Si quieres conocer más sobre el ciclo de krebs, te recomendamos visitar el siguiente link: https://www.significados.com/ciclo-de-krebs/
3. Fosforilación oxidativa: Es la etapa final de la respiración celular donde participa directamente el oxígeno. Los transportadores de electrones, como el NADH y el flavin adenín dinucleótido FADH2, depositan los electrones en una secuencia de proteínas enclavadas en la membrana interna de la mitocondria.
Los electrones pasan a moléculas de oxígeno O2 y se combina con hidrógeno H+ para producir agua H2O. Concomitantemente, se le adiciona un grupo fosfato al adenosin-di-fosfato ADP para formar el adenosin-tri-fosfato ATP. A esto se le llama fosforilación.
La oxidación completa de una molécula de glucosa produce de 36 a 38 moléculas de ATP.
Los procesos de la respiración celular dependen de la participación del oxígeno.
Respiración aeróbica: En la respiración aeróbica, el piruvato, que fue producido en la glicólisis a partir de azúcares en el citosol, es transportado a la mitocondria en las células eucariotas. Aquí, el piruvato es transformado en dióxido de carbono, que se elimina, y en acetil-CoA, que entra en el ciclo de Krebs.
En la respiracion aeróbica el aceptor final de electrones le cumple al oxigeno.
El oxígeno al aceptar electrones, se reduce la molécula de agua, que se obtiene como producto de desecho del metabolismo.
Todos los seres vivos que precisan el oxigeno del aire para vivir son aeróbicos.
La mayoría de celulas eucariotas y algunas procariotas realizan respiración aeróbica.
Respiración anaeróbica: Es la respiración celular en ausencia de oxígeno. La respiración anaerobia empieza con la transformación de la glucosa a través de la glicólisis, al igual que la respiración aeróbica. Sin embargo, el piruvato pasa a ser transformado en otros compuestos por medio de fermantación.
El piruvato puede transformarse en lactato en las células musculares o en etanol y dióxido de carbono en la fermentación alcohólica.
La respiración anaeróbica produce mucha menos energía que la respiración en presencia de oxígeno.
Aparecen otros compuestos, generalmente sales como nitratos, nitritos o sulfatos.
Los seres vivos más primitivos suelen realizar respiración celular anaeróbica.
Las sales se reducen a un gas que liberan a la atmosfera como producto de deseño del metabolismo.
Las células que realizan este tipo de respiración son solo procariotas, suelen habitar ambientes extremos, con escasez o ausensia de oxígeno.
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Te recomendamos visitar el siguiente material para mayor conocimiento o entendimiento sobre el tema:
1. Fotosíntesis: Khan Academy 2. Pasos de la respiración celular: Khan Academy6. La respiración aerobica necesita oxigeno para llevarse a cabo, mientras que la anaerobia es la respiración en la ausensia del mismo.
7. En organelas especializadas llamadas cloroplastos, en los que se encuentra la clorofila
8. Se produce en el citoplasma
9. El oxalacetato, se combina con el acetil del acetil-Coenzima A para formar el cítrato. A partir del citrato se van liberando dióxido de carbono hasta formar de nuevo un oxalacetato y comenzar el ciclo.
10. Es aprovechada para romper moléculas de sulfuro de hidrógeno (H2S) o hidrógeno gaseoso (H2)
Referencias:
1. Libretexts. (2022, 1 noviembre). 2.8: Respiración celular y fotosíntesis. LibreTexts Español. https://espanol.libretexts.org/Educacion_Basica/Ciencias_de_la_vida_para_la_secundaria_(CK-12)/02%3A_Biolog%C3%ADa_Celular/2.08%3A_Respiraci%C3%B3n_celular_y_fotos%C3%ADntesis
2. Equipo editorial, Etecé. (2024a, agosto 3). Fotosíntesis - Concepto, fases, características y ecuación. Concepto. https://concepto.de/fotosintesis/
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8. EcologíaVerde. (2023, 3 febrero). Qué es la FOTOSÍNTESIS 🌱☀️ (Definición, FASES y su IMPORTANCIA) [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=dEbcFntiuGc
9. De Volada. (2024, 17 mayo). 🌱 FOTOSÍNTESIS | Fase luminosa y fase oscura | EXAMEN UNAM | Importancia de la fotosíntesis [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=PjR95is3d70
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11. ARRIBA LA CIENCIA. (2025, 26 enero). 🏅 Respiración celular: CICLO DE KREBS, GLUCOLISIS Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA fácil paso a paso [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=sM5ujbvjT2Q