Costruirlo e rompere: fotosintesi vs. respirazione cellulare

La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi biochimici essenziali per la maggior parte della vita sulla Terra. Entrambi questi processi coinvolgono più passaggi complessi e molte delle stesse molecole ossigeno (O 2 ), anidride carbonica (CO 2 ), acqua (H 2 O), glucosio (C 6 H 12 O 6 ) e adenosina trifosfato (ATP).

Oggi, ripercorriamo brevemente le fasi principali della fotosintesi e della respirazione cellulare. Esploreremo bene le loro somiglianze e differenze e discuteremo anche di come interagiscono tra loro per creare un ciclo energetico negli organismi viventi.

Cos'è la fotosintesi?

La maggior parte delle piante sono autotrofi, il che significa che producono il proprio cibo. La fotosintesi è il processo che queste piante usano per sintetizzare le molecole di zucchero dalla luce solare, dall'acqua e dall'anidride carbonica. Durante la fotosintesi, le piante rilasciano ossigeno come prodotto di scarto.

Ecco la formula chimica di base per la fotosintesi:

6CO 2 + 6H 2 O + Luce solare C 6 H 12 O 6 + 6O 2

La fotosintesi ha due serie principali di reazioni, che possono (ma non devono) aver luogo simultaneamente: reazioni dipendenti dalla luce e reazioni indipendenti dalla luce.

Scopri come i modelli 3D in Visible Biology possono aiutare gli studenti a comprendere le basi della fotosintesi:

1. Reazioni dipendenti dalla luce

Le reazioni dipendenti dalla luce costituiscono i primi passaggi della fotosintesi. Queste reazioni si verificano nelle membrane tilacoidi dei cloroplasti all'interno delle cellule vegetali. L'obiettivo di questa serie di reazioni è convertire i fotoni, o energia luminosa (dal sole), in energia chimica. Durante le reazioni dipendenti dalla luce, la pianta assorbe la luce solare, scompone le molecole d'acqua, assembla le molecole che immagazzinano energia ATP e NADPH (la forma ridotta di nicotinamide adenin dinucleotide fosfato, o NADP+) e rilascia ossigeno come prodotto di scarto.

Fotosintesi: reazioni dipendenti dalla luce

Obiettivo

Converti l'energia luminosa in energia chimica

Posizione

Cloroplasti – membrane tilacoidi

Ingresso

Luce solare, H 2 O, NADP+, ADP

Produzione

NADPH, ATP, O 2 (prodotto di scarto)

Le reazioni della fotosintesi dipendenti dalla luce sono più o meno così. La luce solare colpisce una molecola di clorofilla in una delle membrane tilacoidi, eccitando un elettrone, che lascia la molecola di clorofilla. Le proteine ​​trasportatrici spostano questo elettrone lungo la membrana tilacoide.

La clorofilla è una molecola pigmenta che cattura la luce che assorbe la luce dal sole. La clorofilla può essere trovata in strutture chiamate membrane tilacoidi, che si trovano all'interno di cloroplasti di cellule vegetali. Vedi quelle piccole pile all'interno del cloroplasto? Quelli sono pile di tilacoidi, chiamati grana (sing. granum).

Le membrane tilacoidi si trovano all'interno dei cloroplasti delle cellule vegetali. Immagine da Biologia Visibile.

La molecola di clorofilla, in particolare la clorofilla a, in questo caso fa parte di un complesso chiamato fotosistema II. Quando l'energia della luce solare eccita un elettrone nella clorofilla abbastanza da lasciarlo e passare a un'altra molecola, quella partenza lascia un vuoto di energia sulla sua scia. Questo vuoto è abbastanza potente che il fotosistema II divide una molecola d'acqua per ripristinare l'elettrone. Gli esseri umani non possono dividere l'acqua in un laboratorio allo stesso modo delle piante, quindi le reazioni della fotosintesi dipendenti dalla luce sono davvero straordinarie e uniche!

Fotosistema II (evidenziato in blu), molecole d'acqua scomposte ed elettroni che si spostano lungo il fotosistema I. Immagine da Biologia visibile.

Le piante ottengono l'acqua principalmente dal terreno. Nelle piante vascolari, il tessuto chiamato xilema porta l'acqua dalle radici alle foglie (il sito principale della fotosintesi).

I tessuti vascolari si trovano al centro delle radici dicotiledoni. Immagine da Biologia Visibile.

Le molecole d'acqua sono composte da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Dopo che una molecola d'acqua è stata scomposta, i suoi ioni idrogeno vengono utilizzati per creare ATP. Questi ioni idrogeno aiutano un enzima chiamato ATP sintasi ad aggiungere un altro gruppo fosfato all'ADP (adenosina difosfato).

L'atomo di ossigeno di ciascuna molecola d'acqua disassemblata si unisce a un'altra per formare O 2 (gas ossigeno), che viene rilasciato come prodotto di scarto attraverso aperture nelle foglie chiamate stomi.

Gli stomi possono essere trovati sulla superficie superiore e inferiore delle foglie di monocotiledone. Immagine da Biologia Visibile.

L'elettrone che si è mosso lungo la membrana tilacoide alla fine arriva a un altro complesso proteico contenente clorofilla chiamato fotosistema I. A questo punto, unisce le forze con un altro elettrone eccitato. Un enzima chiamato NADP+ utilizza questi elettroni e uno ione idrogeno di passaggio per costruire la molecola che trasporta energia NADPH.

Il fotosistema I è evidenziato in blu. L'ossigeno dalle molecole d'acqua scomposte viene rilasciato come O 2 . Con l'aiuto degli ioni idrogeno e degli elettroni, l'ADP verrà convertito in ADP e verrà costruito NADPH. Immagine da Biologia Visibile.

Una volta completate le reazioni dipendenti dalla luce, l'energia della luce solare è stata convertita con successo in energia chimica, che sarà utilizzata nella prossima serie di fasi della fotosintesi, le reazioni indipendenti dalla luce per assemblare molecole di zucchero.

2. Reazioni indipendenti dalla luce (ovvero il ciclo di Calvin)

La fase successiva della fotosintesi è una serie di reazioni che non richiedono l'energia luminosa del sole (fotoni). Pertanto, sono ampiamente indicate come reazioni indipendenti dalla luce o ciclo di Calvin. (Il vecchio termine reazioni oscure può essere fuorviante, poiché le reazioni indipendenti dalla luce non devono aver luogo in assenza di luce, o di notte semplicemente non sono alimentate dalla luce come le reazioni dipendenti dalla luce.)

Fotosintesi: reazioni indipendenti dalla luce

Obiettivo

Usa l'energia chimica immagazzinata per fissare la CO 2 e creare un prodotto che può essere convertito in glucosio

Posizione

Cloroplasti – stroma

Ingresso

CO 2 , NADPH, ATP

Produzione

NADP+, ADP, G3P (due G3P possono essere trasformati in C 6 H 12 O 6 )

L'obiettivo delle reazioni indipendenti dalla luce è fissare il carbonio dall'anidride carbonica in una forma che può essere utilizzata per costruire carboidrati (zuccheri), come il glucosio.

Un enzima chiamato RuBisCo combina una molecola di anidride carbonica con una molecola chiamata ribulosio bifosfato (RuBP), che contiene cinque atomi di carbonio. Il risultato è un intermedio a 6 atomi di carbonio (RuBP carbossilato), che viene scomposto in due molecole di 3 atomi di carbonio (3-fosfoglicerato).

Con l'aiuto di ATP e NADPH, ogni molecola di 3-fosfoglicerato ottiene un atomo di idrogeno, che diventa gliceraldeide-3-fosfato o G3P.

Due molecole di G3P vengono utilizzate per formare una molecola di glucosio (che, se ricordi, ha sei atomi di carbonio). Tipicamente, un'istanza del ciclo di Calvin utilizza sei molecole di anidride carbonica contemporaneamente, il che significa che vengono prodotte dodici molecole G3P. Due di questi vengono utilizzati per produrre una molecola di glucosio e il resto viene riciclato in RuBP, in modo che il ciclo possa continuare.

Cos'è la respirazione cellulare?

Gli esseri umani, come gli altri animali, sono eterotrofi. Non possiamo produrre il nostro cibo tramite la fotosintesi, quindi dobbiamo mangiare altri organismi per ottenere glucosio, che alimenta il processo di respirazione cellulare nei nostri corpi. La respirazione cellulare è il processo che scompone il glucosio e produce ATP (una forma di energia immagazzinata che le cellule utilizzano per svolgere i processi essenziali).

Ecco la formula chimica di base per la respirazione cellulare:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + (circa) 38 ATP

Negli organismi che svolgono la respirazione cellulare aerobica, cioè la respirazione cellulare che utilizza l'ossigeno, ci sono quattro passaggi principali coinvolti nella scomposizione del glucosio per produrre ATP: glicolisi, ossidazione del piruvato, ciclo dell'acido citrico (ciclo di Krebs) e fosforilazione ossidativa. Abbiamo un post sul blog più dettagliato dedicato alla respirazione cellulare, ma nelle sezioni seguenti esamineremo rapidamente ogni fase della respirazione cellulare aerobica.

1. Glicolisi

La prima fase della respirazione cellulare, la glicolisi, è la scomposizione iniziale del glucosio nella molecola di piruvatoone di glucosio che produce due molecole di piruvato. Di per sé, la glicolisi non genera molto ATP. In effetti, sono necessarie due molecole di ATP per iniziare la glicolisi in primo luogo. Ciò che è veramente importante della glicolisi nella respirazione aerobica è che fornisce il materiale necessario per la fase successiva della respirazione cellulare: il ciclo dell'acido citrico, noto anche come ciclo di Krebs.

Respirazione cellulare: glicolisi

Obiettivo

Scomporre il glucosio in acido piruvico (piruvato)

Posizione

Citoplasma della cellula

Ingresso

C 6 H 12 O 6 , ATP

Produzione

ATP, Piruvato (C 3 H 4 O 3 ), NADH

I risultati della glicolisi: 4 ATP, 2 molecole di piruvato e 2 NADH. Immagine da Biologia Visibile.

Nota: poiché la glicolisi non richiede ossigeno, fa anche parte della respirazione cellulare anaerobica. Puoi leggere di più sul metabolismo in assenza di ossigeno in questo capitolo di OpenStax Biology (2e).

La glicolisi avviene nel citoplasma delle cellule animali e vegetali, mentre le fasi successive della respirazione cellulare avvengono nei mitocondri.

Il citoplasma contiene il citosol, la sostanza gelatinosa che riempie l'interno della cellula. Immagine da Biologia Visibile.

2. Ossidazione del piruvato

Prima che il ciclo dell'acido citrico possa iniziare sul serio, le molecole di piruvato prodotte durante la glicolisi perdono i loro gruppi carbossilici e si combinano con il coenzima A per formare acetil-CoA. Le molecole di carbonio che vengono rimosse durante questo processo vengono rilasciate come anidride carbonica.

3. Ciclo dell'acido citrico (ciclo di Krebs)

Il ciclo dell'acido citrico avviene due volte per molecola di glucosio che è stata scomposta nel giro precedente del ciclo dell'acido citrico si verifica per ciascuna molecola di acetil-CoA.

Durante ciascuno di questi due giri, la molecola di acetil-CoA subisce una serie di reazioni chimiche. L'energia di queste reazioni (sotto forma di elettroni) viene catturata nelle molecole portatrici di energia NADH e FADH 2 . Vengono prodotte anche altre due molecole di anidride carbonica e un'altra molecola di ATP.

Respirazione cellulare: ciclo dell'acido citrico

Obiettivo

Cattura energia dalle reazioni chimiche, produci un po' di ATP

Posizione

Mitocondri – matrice

Ingresso

2 Acetil-CoA

Produzione

ATP, NADH e FADH 2 (trasportatori energetici), CO 2 (prodotto di scarto)

I risultati del ciclo dell'acido citrico: 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH 2 e 4 CO 2 (prodotto di scarto). Immagine da Biologia Visibile.

4. Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa, che comprende la catena di trasporto degli elettroni e la chemiosmosi, è la parte della respirazione cellulare aerobica che produce la maggior parte dell'ATP. La catena di trasporto degli elettroni utilizza elettroni ad alta energia provenienti da FADH 2 e NADH per pompare ioni idrogeno (H+) attraverso la membrana interna del mitocondrio, nel compartimento esterno.

Mitocondri. L'etichetta della membrana in questa immagine si riferisce alla membrana esterna. La membrana interna è la struttura gialla che circonda la matrice. Scopri altri modelli AR sul sito di apprendimento della biologia.

Come risultato della catena di trasporto degli elettroni, ci sono più ioni carichi positivamente su un lato della membrana rispetto all'altro. Mentre questi ioni viaggiano indietro attraverso la membrana per ripristinare l'equilibrio, passano attraverso (e alimentano) un enzima chiamato ATP sintasi, che trasforma le molecole di ADP in ATP aggiungendo un terzo gruppo fosfato.

Respirazione cellulare: fosforilazione ossidativa

Obiettivo

Utilizzare l'energia immagazzinata dal ciclo dell'acido citrico per alimentare l'ATP sintasi e generare ATP

Posizione

Mitocondri – membrana interna

Ingresso

Elettroni

L'ossigeno è l'accettore finale per gli elettroni esauriti

Produzione

Un sacco di ATP, H 2 O (prodotto di scarto)

I risultati della fosforilazione ossidativa. Tanto ATP, e anche un po' d'acqua (prodotto di scarto)! Immagine da Biologia Visibile.

Come sono collegate la fotosintesi e la respirazione cellulare?

Quando penso alle connessioni tra fotosintesi e respirazione cellulare, non posso fare a meno di iniziare a cantare nella mia testa Circle of Life di The Lion King. Come mai? Perché i prodotti della fotosintesi sono necessari per la respirazione cellulare e i prodotti della respirazione cellulare possono essere utilizzati per alimentare la fotosintesi.

Mettendo fianco a fianco le formule chimiche per questi processi lo dimostra abbastanza chiaramente:

Fotosintesi: 6CO 2 + 6H 2 O + Luce solare C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Respirazione cellulare: C 6 H 12 O 2 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + (circa) 38* ATP

*Il numero di molecole di ATP prodotte può variare. 38 ATP è la resa massima teorica per il metabolismo di una molecola di glucosio.

Il cibo che le piante producono (glucosio) e il prodotto di scarto della produzione di quel cibo (O 2 ) forniscono agli animali come noi i materiali di cui abbiamo bisogno per svolgere la respirazione cellulare aerobica. Respiriamo l'ossigeno dell'aria e mangiamo piante o altri animali. In ogni caso, le piante e il loro delizioso glucosio sono alla base della nostra rete alimentare. In cambio, gli esseri umani e altri organismi che effettuano la respirazione aerobica reinseriscono nell'atmosfera i prodotti di scarto di questo processo (principalmente CO 2 ).

Le piante svolgono sia la fotosintesi che la respirazione cellulare. Producono il proprio cibo e poi scompongono quelle molecole di glucosio in seguito, generando ATP per alimentare i loro processi cellulari.

Fatto divertente! La fotosintesi da parte di microrganismi chiamati cianobatteri è ciò che mette l'ossigeno nell'atmosfera terrestre in primo luogo. Questi organismi hanno prodotto ossigeno per la prima volta tra 2,7 e 2,8 miliardi di anni fa e l'ossigeno è diventato una parte significativa dell'atmosfera circa 2,45 miliardi di anni fa. Questo ha aperto la strada agli animali che respirano ossigeno come noi per evolversi in seguito.

Prima di andare, ecco un pratico grafico che confronta la fotosintesi e la respirazione cellulare aerobica. Buon studio!

Fotosintesi

Respirazione cellulare (aerobica)

Equazione chimica

6CO 2 + 6H 2 OC 6 H 12 O 6 + 6O 2

C 6 H 12 O 2 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + (circa) 38 ATP

Ingresso

Anidride carbonica, acqua, luce solare

Glucosio, Ossigeno

Passi

1. Reazioni dipendenti dalla luce
2. Reazioni indipendenti dalla luce (ciclo di Calvin)
1. Glicolisi
2. Ossidazione del piruvato
3. Ciclo dell'acido citrico
4. Fosforilazione ossidativa

Produzione

Glucosio, ossigeno

ATP, anidride carbonica, acqua

Organello associato

Cloroplasti

Mitocondri

Funzione per l'organismo

Usa luce, acqua e anidride carbonica per creare cibo per l'organismo sotto forma di zucchero (glucosio)

Usa il glucosio per creare una forma di energia che l'organismo può utilizzare nei processi cellulari (ATP)


Fonti aggiuntive:

  • Le sorelle Ameba: la fotosintesi e le frittelle di pigmenti minuscoli
  • Biologia del corso accelerato: fotosintesi
  • Khan Academy: revisione della respirazione cellulare
  • OpenStax Biology 2e: metabolismo senza ossigeno
  • Principi di biologia: una panoramica della respirazione cellulare
  • TEDed: la fabbrica più piccola della natura

In che modo la fotosintesi e la respirazione cellulare sono simili e diverse

Mentre la fotosintesi richiede anidride carbonica e rilascia ossigeno, la respirazione cellulare richiede ossigeno e rilascia anidride carbonica. È l'ossigeno rilasciato che viene utilizzato da noi e dalla maggior parte degli altri organismi per la respirazione cellulare.

Cosa hanno in comune la respirazione cellulare e la fotosintesi

La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi biochimici essenziali per la maggior parte della vita sulla Terra. Entrambi questi processi coinvolgono più passaggi complessi e molte delle stesse molecole: ossigeno (O 2 ), anidride carbonica (CO 2 ), acqua (H 2 O ), glucosio (C 6 H 12 O 6 ) e adenosina trifosfato (ATP ).

Qual è la differenza tra fotosintesi e respirazione

Definizioni: La fotosintesi è il processo di produzione di glucosio in presenza di anidride carbonica e acqua. La respirazione è il processo di produzione di anidride carbonica e acqua dovuto alla scomposizione dei carboidrati.

Quali sono le 3 differenze tra fotosintesi e respirazione

La fotosintesi consiste in due fasi di reazione alla luce e reazione al buio. La respirazione consiste in due fasi, sono l'inalazione e l'espirazione. La fotosintesi avviene durante il giorno solo perché dipende dalla luce. La respirazione è un processo continuo e senza respirazione nessun organismo può sopravvivere.

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