Los procesos metabólicos que
permiten a la célula la obtención de energía los podemos ver en dos grandes vías:
La respiración celular y la fotosíntesis.
Durante la respiración celular, una molécula de glucosa se degrada poco a poco
en dióxido de carbono y agua. A lo largo del camino, se produce directamente un
poco de ATP en las reacciones que transforman a la glucosa. No obstante, más
tarde se produce mucho más ATP en un proceso llamado fosforilación oxidativa.
La fosforilación oxidativa es impulsada por el movimiento de electrones a
través de la cadena de transporte de electrones, una serie de proteínas
embebidas en la membrana interna
de la mitocondria.
Estos electrones provienen originalmente de la glucosa y se trasladan a
la cadena de transporte de electrones con ayuda de los acarreadores de
electrones NAD+ y FAD que se convierten en NADH y FADH₂ cuando adquieren esos electrones.
Para ver cómo una molécula de glucosa se convierte en dióxido de carbono
y cómo se recolecta su energía en forma de ATP y NADH y FADH₂ en una de las células de tu cuerpo, vamos a ver paso a paso las
cuatro etapas de la respiración celular.
1. Glucólisis. En
la glucólisis, la glucosa —un azúcar de seis carbonos— se somete a una serie de
transformaciones químicas. Al final, se convierte en dos moléculas de piruvato,
una molécula orgánica de tres carbonos. En estas reacciones se genera ATP y NAD+ se convierte en NADH.
2. Oxidación del piruvato. Cada
piruvato de la glucólisis viaja a la matriz mitocondrial, que es el
compartimento más interno de la mitocondria. Ahí, el piruvato se convierte en
una molécula de dos carbonos unida a coenzima A, conocida como acetil-CoA. En este
proceso se libera dióxido de carbono y se obtiene NADH.
3. Ciclo del ácido cítrico. El
acetil-CoA obtenido en el paso anterior se combina con una molécula de cuatro
carbonos y atraviesa un ciclo de reacciones para finalmente regenerar la
molécula inicial de cuatro carbonos. En el proceso se genera ATP, NADH Y FADH₂ y se libera dióxido de carbono.
4. Fosforilación oxidativa. El NADH
y el FADH₂ producidos en pasos anteriores
depositan sus electrones en la cadena de transporte de electrones y regresan a
sus formas "vacías" (NAD+ y FAD). El movimiento de los electrones por
la cadena libera energía que se utiliza para bombear protones fuera de la
matriz y formar un gradiente. Los protones fluyen de regreso hacia la matriz, a
través de una enzima llamada ATP sintasa, para generar ATP. Al final de la
cadena de transporte de electrones, el oxígeno recibe los electrones y recoge
protones del medio para formar agua.
La glucólisis puede ocurrir en ausencia de oxígeno en un proceso
llamado fermentación. Las
otras tres etapas de la respiración celular —la oxidación del piruvato, el
ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa— necesitan de la presencia
de oxígeno para suceder. Solo la fosforilación oxidativa usa oxígeno
directamente, pero las otras dos etapas no pueden proceder sin la fosforilación
oxidativa.
En tanto que La fotosíntesis en las hojas de las plantas implica muchos
pasos, pero puede dividirse en dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin.
·
Las reacciones dependientes de la luz se
producen en la membrana de los tilacoides y necesitan un suministro continuo de
energía luminosa. La clorofila absorbe esta energía luminosa, que se convierte
en energía química mediante la formación de dos compuestos: ATP una molécula de almacenamiento de energía y NADPH, un
portador de electrones reducido. En este proceso, las moléculas de agua también
se convierten en oxígeno
·
El ciclo de Calvin, también
llamado reacciones independientes de la luz, se lleva a cabo en
el estroma y no necesita luz directamente. El ciclo de Calvin utiliza el ATP y NADPH de las reacciones dependientes de la luz
para fijar el dióxido de carbono y producir azúcares de tres carbonos —moléculas
de gliceraldehído-3-fosfato, o G3P— que se unen para formar la glucosa.
En general, las reacciones dependientes de la
luz capturan energía luminosa y la almacenan de forma temporal en las formas
químicas de se descompone para liberar energía, y el NADPH dona
sus electrones para convertir las moléculas de dióxido de carbono en azúcares.
Al final, la energía que empezó como luz acaba atrapada en los enlaces de los
azúcares.
Fotosíntesis vs. respiración celular
A nivel de reacciones generales, la fotosíntesis y la respiración
celular son procesos casi opuestos, aunque solo difieren en la forma de la
energía absorbida o liberada.
A nivel de pasos individuales, la fotosíntesis no solo es respiración
celular al revés. Por el contrario, como veremos en esta sección, la
fotosíntesis tiene lugar en su propia serie única de pasos. Sin embargo, hay
algunas similitudes notables entre fotosíntesis y respiración celular.
Por ejemplo, la fotosíntesis y respiración celular implican una serie de
reacciones redox (que implican la
transferencia de electrones). En la respiración celular, los electrones fluyen
de la glucosa al oxígeno, se forma agua y se libera energía. En la
fotosíntesis, van en la dirección opuesta, comienzan en el agua y acaban en la
glucosa, un proceso que requiere energía e impulsado por la luz. Tal como la
respiración celular, la fotosíntesis también utiliza una cadena de transporte
de electrones para formar un gradiente de concentración de H+, que promueve la síntesis de ATP por
quimiosmosis.
