Respiración Celular y Fotosíntesis: Metabolismo Energético Explicado

Introducción al Metabolismo Celular

El estudio de los procesos energéticos en la biología celular es fundamental para comprender cómo los organismos transforman y utilizan la energía. A continuación, se detallan los mecanismos clave de la respiración celular y la fotosíntesis.

Respcelu: Respiración Celular

La respiración celular es el proceso por el cual las células eliminan energía en forma de ATP a partir de carbohidratos. Requiere oxígeno, emite dióxido de carbono ($CO_2$) y agua ($H_2O$).

• Características: Es un proceso exotérmico (libera calor) y de oxidorreducción (oxiredox). La formación de ATP en sí misma es un proceso endotérmico.
• Ecuación general: Glucosa + $O_2$ $ ightarrow$ $H_2O$ + $CO_2$ + ATP.

Coenzimas Clave

• NAD y FAD: Coenzimas cíclicas y de óxido-reducción.
• NAD: Coenzima redox.
• FAD: En lugar del NAD, acepta 2 electrones y 2 protones de hidrógeno ($2e^-$ y $2H^+$) para convertirse en $FADH_2$.

Etapas de la Respiración Celular

1. Glucólisis

Ocurre en el citoplasma, no requiere oxígeno (anaeróbica). Produce 2 ATP y 2 NADH, generando G3P.

2. Reacción Preparatoria (Descarboxilación oxidativa)

El piruvato se transforma en grupo acetil de 2 carbonos, se une a una Coenzima A (CoA) y emite $CO_2$. Produce 2 NADH.

3. Ciclo de Krebs

El grupo acetil se une a un compuesto de 4 carbonos (oxaloacético) para formar:

• Ácido cítrico (6C) $ ightarrow$ libera NADH y $CO_2$.
• Cetoglutarato (5C) $ ightarrow$ libera NADH, $CO_2$ y ATP.
• Succínico (4C) $ ightarrow$ libera $FADH_2$.
• Fumárico (4C) $ ightarrow$ libera NADH.
• Regeneración del oxaloacético.

Balance total por glucosa: 4 $CO_2$, 6 NADH, 2 $FADH_2$, 2 ATP.

4. Cadena de Transporte de Electrones

Se realiza en las crestas mitocondriales. Los electrones viajan por canales seguidos por los iones de hidrógeno ($H^+$). El NAD cubre 3 canales y el FAD inicia desde el segundo. Los electrones sobrantes son captados para unirse con el hidrógeno y formar $H_2O$.

• 1 NADH = 3 ATP
• 1 FAD = 2 ATP
• Total: 34 ATP

Fermentación

Proceso anaeróbico donde el ácido pirúvico es reducido por el NADH.

• Alcohólica: Sin oxígeno, da alcohol etílico y $CO_2$ (produce 2 ATP).
• Láctica: El NAD se reduce a ácido pirúvico o láctico, dando ácido láctico (produce 2 ATP).

Fotosíntesis

Transforma la energía solar en energía química al formar carbohidratos. Los organismos fotosintéticos son autótrofos porque fabrican su propio alimento, mientras que los heterótrofos lo consumen.

• Absorción de nutrientes: El agua es absorbida por la raíz, va al tallo y a la hoja. El $CO_2$ entra a la hoja a través de los estomas.
• Cloroplastos: Organelos donde se lleva a cabo la fotosíntesis. Poseen una membrana de doble capa, estroma y tilacoides que se agrupan formando granos. La clorofila forma parte de la membrana tilacoidal y absorbe la energía solar.

Pigmentos Fotosintéticos

Absorben la luz en los cloroplastos.

• Clorofila a y b: Funciona como antena, absorbe luz violeta, azul y roja.

Reacciones de la Fotosíntesis

1. Fase Luminosa

La clorofila absorbe la energía solar y excita electrones que se mueven a la cadena de transporte de electrones. Se fija la energía y se utiliza para producir ATP. Los electrones excitados también son captados por el NADP, transformándose en NADPH. Energía solar $ ightarrow$ Energía química (ATP, NADPH).

2. Ciclo de Calvin (Fase Oscura)

En el estroma se absorbe $CO_2$ y se reduce a carbohidratos. El ATP y el NADPH de la fase luminosa impulsan esta reducción. Tras la formación del carbohidrato, el $ADP+P$ y el $NADP^+$ regresan a la fase luminosa para repetir el ciclo. Energía química $ ightarrow$ Energía química (carbohidratos). El $CO_2$ entra a la planta y es convertido en carbohidrato.

Componentes de la Fase Luminosa

• Vía no cíclica de electrones: Produce NADPH. El flujo de electrones va desde el agua hasta el $NADP^+$, utilizando fotosistemas (pigmentos como clorofila a, b y carotenoides) y moléculas receptoras de electrones en la membrana tilacoidal.
• Vía cíclica de electrones: Produce ATP.

Detalle del Ciclo de Calvin

El $CO_2$ se une a la RuBP (5C) formando un compuesto de 6C que se divide en dos moléculas de 3C (C3). La enzima rubisco acelera esta reacción.

1. Fijación del $CO_2$.
2. Reducción de $CO_2$ (utiliza 6 ATP y 6 NADPH).
3. Regeneración de RuBP (utiliza 3 ATP).