Las similitudes y diferencias entre la fotosíntesis y la respiración.
El descubrimiento de la fotosíntesis
El antiguo filósofo griego Aristóteles creía que todos los materiales necesarios para el crecimiento de las plantas procedían del suelo.
El holandés Van Ermont realizó un experimento de pesaje con sauces en macetas y concluyó que el peso de la planta proviene principalmente del agua y no del suelo. No se dio cuenta de que las sustancias del aire participaban en la formación de materia orgánica.
En 1771, Priestley en Inglaterra descubrió que las plantas podían restaurar el aire "mal" causado por la quema de velas.
En 1773, Innhaus en los Países Bajos demostró que sólo las partes verdes de las plantas pueden mejorar el aire cuando se exponen a la luz.
De 65438 a 0804, Saussure en Suiza confirmó además que el dióxido de carbono y el agua son las materias primas para el crecimiento de las plantas a través de investigaciones cuantitativas.
En 1845, Meyer de Alemania descubrió que las plantas convierten la energía solar en energía química.
En 1864, el alemán Sachs descubrió que la fotosíntesis produce almidón.
En 1880, el estadounidense Engelmann descubrió que los cloroplastos son el lugar de la fotosíntesis.
En 1897, se llamó por primera vez en los libros de texto fotosíntesis.
Principios
A diferencia de los animales, las plantas no tienen un sistema digestivo y deben depender de otras formas de absorber nutrientes. Son los llamados autótrofos. Las plantas verdes, en los días soleados, utilizan la energía de la luz solar para realizar la fotosíntesis y obtener los nutrientes necesarios para su crecimiento y desarrollo.
Los actores clave en este proceso son los cloroplastos internos. Bajo la influencia de la luz solar, los cloroplastos convierten el dióxido de carbono que entra a las hojas a través de los estomas y el agua absorbida por las raíces en glucosa, y al mismo tiempo liberan oxígeno;
12H2O+6 CO2+luz→ C6H12O6 (glucosa)+6O2 ↑+ 6H2O
Nota:
El agua en ambos lados del signo igual en la fórmula anterior no se puede cancelar, aunque la fórmula es muy especial en química. La razón es que el agua de la izquierda es absorbida por las plantas y utilizada para crear oxígeno y proporcionar electrones e iones de hidrógeno. Los átomos de oxígeno de la molécula de agua de la derecha provienen del dióxido de carbono. Para expresar más claramente el proceso inicial de este producto de materia prima, la gente está más acostumbrada a escribir moléculas de agua en los lados izquierdo y derecho del signo igual, o a poner un asterisco en la esquina superior derecha de la molécula de agua.
Reacción luminosa y reacción oscura
La fotosíntesis se puede dividir en dos pasos: reacción luminosa y reacción oscura.
Fotorreacción
Fondo: membrana de cloroplasto
Factores que influyen: intensidad de la luz, suministro de agua
Dos picos de absorción de la fotosíntesis de las plantas
El proceso de pico de absorción de la clorofila a y la clorofila b: dos conjuntos de sistemas fotosintéticos en la membrana del cloroplasto: el sistema fotosintético I y el sistema fotosintético II. (El sistema fotosintético I es más primitivo que el sistema fotosintético II, pero la transferencia de electrones comienza primero). Bajo la luz, se absorben fotones con longitudes de onda de 680 nm y 700 nm respectivamente y, como energía, los electrones obtenidos de la trayectoria de la luz de fotólisis de las moléculas de agua continúan transfiriéndose. , en última instancia, a la coenzima NADP. Debido a la diferencia de concentración, los iones de hidrógeno obtenidos por fotólisis del agua se mueven hacia afuera desde el tilacoide a la matriz a través del complejo proteico en la membrana del tilacoide. La energía potencial entre los dos disminuye y se utiliza para sintetizar ATP de reacción oscura. En este momento, los iones de hidrógeno con energía potencial reducida son eliminados por el portador de hidrógeno NADP. Una molécula de NADP puede transportar dos iones de hidrógeno. Este ion NADPH+H actúa como agente reductor en la reacción oscura.
Significado: 1: Fotolizar el agua para producir oxígeno. 2. Convertir la energía luminosa en energía química para generar ATP, que proporciona energía para reacciones oscuras. 3. Los iones NADPH+H se sintetizan a partir de iones de hidrógeno, producto de la fotólisis del agua, y proporcionan agentes reductores para la reacción oscura.
Reacción de fijación de carbono/reacción independiente de la luz/reacción de asimilación de carbono
Esencialmente es una serie de reacciones enzimáticas.
Medio ambiente: matriz de cloroplasto
Factores que influyen: temperatura, concentración de dióxido de carbono
Proceso: diferentes plantas tienen diferentes procesos de reacción oscura y las estructuras anatómicas de las hojas son también diferente. Este es el resultado de la adaptación de las plantas a su entorno. Las reacciones oscuras se pueden dividir en tres tipos: C3, C4 y CAM. Estos tres tipos se dividen según el proceso de fijación del dióxido de carbono.
Ciclo de Calvin
El ciclo de Calvin forma parte de la reacción oscura de la fotosíntesis. El sitio de reacción es la matriz del cloroplasto. Este ciclo se puede dividir en tres etapas: carboxilación, reducción y regeneración de rubp. La mayoría de las plantas toman una molécula de dióxido de carbono y la integran en el segundo átomo de carbono de la molécula de pentasacárido 1,5-RuBP (RUBP) a través de una enzima llamada RuBP carboxilasa. Este proceso se llama fijación de dióxido de carbono. La importancia de esta reacción es activar moléculas de dióxido de carbono originalmente inactivas para su posterior reducción. Pero este compuesto de seis carbonos es extremadamente inestable e inmediatamente se descompondrá en dos moléculas del compuesto de tres carbonos 3-fosfoglicerato. Este último es reducido por el NADPH+H producido en la reacción luminosa, que requiere el consumo de ATP. El producto es triosa 3-fosfato. Posteriormente, tras una serie de reacciones bioquímicas complejas, un átomo de carbono se utiliza para sintetizar glucosa y salir del ciclo. Los cinco átomos de carbono restantes sufren una serie de cambios, generando finalmente un 1,5-rubp, y el ciclo comienza de nuevo. Realiza un ciclo seis veces para producir una molécula de glucosa.
Fábrica C3
Después de la Segunda Guerra Mundial, Marvin Calvin de la Universidad de California, Beckley, y sus colegas estudiaron un alga llamada chlorella para determinar cómo las plantas fijan el dióxido de carbono durante la fotosíntesis. En ese momento, la tecnología de rastreo C14 y la tecnología de cromatografía en papel bidireccional habían madurado, y Calvin utilizó estas dos tecnologías en sus experimentos.
Pusieron las algas cultivadas en un recipiente sellado lleno de CO2 sin etiquetar y luego inyectaron CO2 etiquetado con C14 en el recipiente. Después de un breve período de cultivo, sumergieron las algas en etanol caliente para matar las células y desnaturalizar las enzimas de las células. Luego extrajeron las moléculas de la solución. Luego, los extractos se separaron mediante cromatografía en papel bidimensional y las manchas radiactivas se analizaron mediante autorradiografía y se compararon con una composición química conocida.
Calvin descubrió en el experimento que el CO2 marcado con C14 se puede convertir rápidamente en materia orgánica. En cuestión de segundos, aparecieron manchas radiactivas en el papel de cromatografía. Entre otras sustancias químicas, el componente químico de las manchas es el 3-fosfoglicerato (PGA), un producto intermedio de la glucólisis. El producto de esta primera extracción es una molécula de tres carbonos, por lo que esta vía de fijación de CO2 se denomina vía C3, y las plantas que fijan CO2 a través de esta vía se denominan plantas C3. Investigaciones posteriores también encontraron que la fijación de CO2 en la vía C3 es un proceso cíclico, que se denomina ciclo C3. Este ciclo también se llama ciclo de Calvin.
En las plantas C3, como el arroz y el trigo, el dióxido de carbono pasa por los estomas, es decir, las hojas, y entra directamente en el mesófilo para sufrir el ciclo de Calvin. Sin embargo, las células de la vaina del haz de las plantas C3 son muy pequeñas y contienen pocos o ningún cloroplasto, por lo que el ciclo de Calvin no ocurre aquí.
Fábrica de C4
En la década de 1960, los científicos australianos Hatch y Slack descubrieron que las plantas verdes tropicales, como el maíz y la caña de azúcar, tienen el mismo ciclo de Calvin que otras plantas verdes que pasan por primera vez a través de una planta verde. arreglado de una manera especial. Esta ruta también se conoce como ruta floja de escotilla.
Las plantas C4 son principalmente plantas que viven en zonas áridas y tropicales. En este entorno, si las plantas abren sus estomas durante mucho tiempo para absorber dióxido de carbono, provocarán una rápida pérdida de agua por transpiración. Por lo tanto, las plantas sólo pueden abrir sus estomas durante un corto período de tiempo y la ingesta de dióxido de carbono seguramente será menor. Las plantas deben utilizar esta pequeña cantidad de dióxido de carbono para la fotosíntesis y así sintetizar las sustancias que necesitan para su propio crecimiento.
Los haces vasculares de las plantas C4 están rodeados por vainas de haces vasculares, que están compuestos por cloroplastos, pero no hay grana ni anomalías del desarrollo. Aquí lo principal es el ciclo de Calvin.
Sus células del mesófilo contienen una enzima única, la fosfoenolpiruvato carbono oxidasa, que permite asimilar el dióxido de carbono por un compuesto de tres carbonos, el fosfoenolpiruvato, formando un compuesto de cuatro carbonos, oxalacetato, de donde proviene el nombre. de este tipo de reacción oscura proviene. Después de que este oxaloacetato se convierte en ácido málico, ingresa a la vaina del haz vascular, que se descompone para liberar dióxido de carbono y una molécula de piruvato. Después de que el dióxido de carbono ingresa al ciclo de Calvin, pasa por el proceso C3.
El piruvato volverá a sintetizar fosfoenolpiruvato, consumiendo ATP.
La ventaja de este tipo es que la eficiencia de fijación de dióxido de carbono es mucho mayor que la del C3, lo que resulta beneficioso para el crecimiento de las plantas en ambientes áridos. El almidón obtenido por la fotosíntesis de las plantas C3 se almacenará en las células del mesófilo porque este es el sitio del ciclo de Calvin y las células de la vaina del haz no contienen cloroplastos. El almidón en las plantas C4 se almacena en haces de células de la vaina, donde ocurre el ciclo de Calvin de las plantas C4.
Metabolismo del ácido crasuláceo Plantas
Metabolismo del ácido crasuláceo (CAM): Si las plantas C4 escalonan espacialmente la fijación del dióxido de carbono y el ciclo de Calvin, entonces el ciclo del ácido crasulánico también está escalonado a tiempo. Las plantas que utilizan este método son aquellas con hojas hinchadas y carnosas, como la piña. Estas plantas abren sus estomas por la noche para absorber dióxido de carbono y también fijarlo mediante la vía de incubación-relajación. Los poros se cierran por la mañana para evitar una pérdida excesiva de humedad. Al mismo tiempo, las células del mesófilo inician el ciclo Kelvin. Estas plantas también son muy eficientes para fijar dióxido de carbono.
Fotosíntesis de algas y bacterias
Las algas eucariotas, como las algas rojas, las algas verdes y las algas pardas, tienen cloroplastos como las plantas y también pueden producir oxígeno para la fotosíntesis. La clorofila absorbe la luz y muchas algas tienen otros pigmentos diferentes en sus cloroplastos que les dan diferentes colores.
Las bacterias fotosintéticas no tienen cloroplastos, sino que la llevan a cabo directamente las propias células. Las cianobacterias (o "cianobacterias"), que son procariotas, también contienen clorofila que, al igual que los cloroplastos, produce oxígeno y fotosíntesis. De hecho, generalmente se cree que los cloroplastos evolucionaron a partir de cianobacterias. Otras bacterias fotosintéticas tienen una variedad de pigmentos llamados bacterioclorofilas o bacteriocinas, pero no oxidan el agua para producir oxígeno, utilizando otras sustancias (como el sulfuro de hidrógeno, el azufre o el hidrógeno) como donadores de electrones. Las bacterias fotosintéticas anoxigénicas incluyen bacterias púrpuras de azufre, bacterias púrpuras sin azufre, bacterias verdes de azufre, bacterias verdes sin azufre y bacterias solares.
Importancia de la investigación
El estudio de la fotosíntesis juega un papel rector fundamental en la producción agrícola, la protección del medio ambiente y otros campos. Comprender los factores que influyen en las reacciones de luz y oscuridad puede generar ventajas y evitar desventajas, como la construcción de invernaderos para acelerar la circulación del aire y así aumentar el rendimiento de los cultivos. Se entiende que la rubp carboxilasa tiene una naturaleza dual, es decir, cataliza la fotosíntesis y promueve la fotorrespiración. Intentan modificarlo para reducir estos últimos, evitar consumir materia orgánica y energía y aumentar el rendimiento de los cultivos.
Cuando comprendamos la relación entre la fotosíntesis y la respiración de las plantas, las personas podrán decorar mejor las plantas de su hogar. Por ejemplo, no coloque plantas adentro por la noche para evitar la respiración de las plantas, lo que reducirá la concentración de oxígeno en el interior.
Diseño La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas verdes sintetizan materia orgánica (almidón, etc.). ) se descompone en dióxido de carbono y agua bajo la luz, liberando oxígeno al mismo tiempo. Este experimento les permite a los estudiantes saber: (1) las hojas verdes pueden producir almidón; (2) las hojas verdes deben exponerse a la luz para producir almidón;
Equipo: Maceta de geranio, vaso de precipitados, matraz Erlenmeyer, lámpara de alcohol, trípode, red de amianto, algodón absorbente, pinzas, plato de porcelana blanca, alcohol, yodo, papel negro grueso y sujetapapeles.
Pasos
1. Dejar el geranio en la oscuridad durante uno o dos días para consumir la mayor cantidad de almidón posible.
2. Al tercer día, saca el geranio en un lugar oscuro, selecciona algunas hojas verdes más grandes y cubre el anverso y el reverso de las hojas con papel negro. El área del papel negro es aproximadamente la mitad del área de la hoja. El papel negro en la parte delantera y trasera debe tener la misma forma, estar alineado y sujetarlo con un clip (como se muestra en la imagen). Después de sujetar, coloque el geranio al sol durante 4 a 6 horas.
3. Durante la clase, toma una hoja con tratamiento de sombreado y otra hoja sin tratamiento de sombreado (para diferenciarlas fácilmente, una tiene pecíolo y la otra no tiene pecíolo) y ponlas en agua hirviendo durante 3. minutos para destruirlas.
4. Poner las hojas cocidas en una botella Erlenmeyer llena de alcohol (la cantidad de alcohol no debe exceder la mitad del volumen de la botella) y tapar bien la boca de la botella con un algodón. Coloque el matraz Erlenmeyer en un vaso de precipitados lleno de agua hirviendo y caliente el alcohol (como se muestra en la imagen) para disolver la clorofila en el alcohol. Cuando las hojas verdes en el matraz Erlenmeyer se hayan descolorido y se hayan vuelto amarillas y blancas, retire la lámpara de alcohol y saque las hojas. Enjuaga las hojas con agua y colócalas en un plato de porcelana blanca.
5. Coloque las hojas en posición horizontal y gotee uniformemente sobre las dos hojas con una dilución de yodo 1:10. Después de un período de tiempo, se puede observar que todas las hojas expuestas al sol se vuelven azules; después del tratamiento de sombreado, las partes sombreadas de las hojas no se volverán azules, solo las partes circundantes iluminadas por la luz se volverán azules.
Esto muestra que las hojas verdes pueden producir almidón y las hojas verdes solo pueden producir almidón cuando se exponen a la luz.
Nota
1. Cuando la concentración de yodo es demasiado alta, el color de las hojas es marrón oscuro en lugar de azul. En el caso del yodo que ha estado almacenado durante demasiado tiempo, la concentración de yodo aumenta a medida que el alcohol se evapora y se puede diluir con más agua.
2. El alcohol tiene un punto de ignición bajo y debe calentarse en un vaso sin agua. Nunca calentarlo directamente con una llama abierta para evitar el fuego.
La fotosíntesis se refiere al proceso en el que las plantas verdes utilizan la energía luminosa a través de los cloroplastos para convertir el dióxido de carbono y el agua en materia orgánica que almacena energía y libera oxígeno. Respiramos el oxígeno liberado durante la fotosíntesis todo el tiempo. Los alimentos que comemos cada día también provienen directa o indirectamente de materia orgánica producida por la fotosíntesis. Entonces, ¿cómo se descubrió la fotosíntesis?
Hasta el descubrimiento de la fotosíntesis a mediados del siglo XVIII, la gente creía que todos los nutrientes de las plantas se obtenían del suelo, pero no pensaban que las plantas pudieran obtener nada del aire. En 1771, el científico británico Priestley descubrió que no era fácil apagar una vela encendida en un recinto de cristal cerrado con plantas verdes. Cuando los ratones se colocan en un recinto de vidrio con plantas verdes, es menos probable que se asfixien. Por ello, señaló que las plantas renuevan el aire. Pero no sabía qué plantas compositivas se actualizaban en el aire, ni descubrió el papel clave que desempeñaba la luz en el proceso. Posteriormente, a través de experimentos de muchos científicos, se fueron descubriendo gradualmente los lugares, las condiciones, las materias primas y los productos de la fotosíntesis. En 1864, el científico alemán Sacks realizó un experimento: dejar hojas verdes en la oscuridad durante varias horas para consumir los nutrientes de las hojas. Luego deja la mitad de la hoja expuesta y la otra mitad cubierta. Después de un período de tiempo, las hojas se trataron con vapor de yodo y se descubrió que el color de la mitad sombreada de las hojas no cambiaba, mientras que la mitad expuesta era azul oscuro. Este experimento demostró con éxito que las hojas verdes producen almidón durante la fotosíntesis. En 1880, el científico alemán Engelmann realizó un experimento sobre la fotosíntesis de Spirogyra: se colocó un paquete temporal que contenía bacterias aeróbicas en un ambiente oscuro sin aire y luego se utilizó un haz de luz muy fino para iluminar Spirogyra. Mediante observación microscópica, se descubrió que las bacterias aeróbicas solo se concentraban cerca del lugar donde el haz iluminaba los cloroplastos. Si el embalaje temporal está completamente expuesto a la luz, las bacterias aeróbicas se concentrarán alrededor de todas las partes de los cloroplastos que reciben luz. Los experimentos de Engelmann demostraron que el oxígeno se libera de los cloroplastos, donde se produce la fotosíntesis en las plantas verdes.
El proceso de la fotosíntesis: 1. La reacción química en la primera etapa de la fotosíntesis requiere energía luminosa y se llama etapa de reacción luminosa. Las reacciones químicas en la etapa de fotorreacción se llevan a cabo en los tilacoides de los cloroplastos. Fase de reacción oscura Las reacciones químicas de la segunda fase de la fotosíntesis pueden realizarse sin energía luminosa. Esta etapa se llama etapa de reacción oscura. Las reacciones químicas en la etapa de reacción oscura tienen lugar en la matriz dentro del cloroplasto. La etapa de reacción a la luz y la etapa de reacción a la oscuridad son un todo, estrechamente relacionadas en el proceso de la fotosíntesis, y ambas son indispensables. Importancia de la fotosíntesis La fotosíntesis proporciona una fuente de materia y energía para la supervivencia de casi todos los seres vivos, incluidos los humanos. Por lo tanto, la fotosíntesis es de gran importancia para los humanos e incluso para todo el mundo biológico. Primero, crea materia orgánica. La cantidad de materia orgánica producida por las plantas verdes mediante la fotosíntesis es enorme. Se estima que las plantas verdes de la Tierra producen alrededor de 450 mil millones de toneladas de materia orgánica cada año, superando con creces la producción anual total de productos industriales de la Tierra. Por lo tanto, la gente compara las plantas verdes de la tierra con una enorme "fábrica verde". La supervivencia de las plantas verdes no se puede separar de la materia orgánica producida por la fotosíntesis. Los alimentos para humanos y animales también provienen directa o indirectamente de la materia orgánica producida mediante la fotosíntesis. En segundo lugar, convertir y almacenar la energía solar. Las plantas verdes convierten la energía solar en energía química mediante la fotosíntesis y la almacenan en la materia orgánica producida por la fotosíntesis. Casi todos los seres vivos de la Tierra utilizan esta energía directa o indirectamente como energía para las actividades vitales. En última instancia, la energía contenida en combustibles como el carbón, el petróleo y el gas natural fue almacenada por antiguas plantas verdes mediante la fotosíntesis.
En tercer lugar, mantener relativamente estables los niveles de oxígeno y dióxido de carbono en la atmósfera. Se estima que todos los seres vivos del mundo consumen una media de 10.000 t/s (toneladas/segundo) de oxígeno a través de la respiración y la quema de diversos combustibles. A este ritmo de consumo de oxígeno, la atmósfera se quedará sin oxígeno en unos dos mil años. Sin embargo, esto no sucedió. Esto se debe a que las plantas verdes están ampliamente distribuidas en la tierra y absorben continuamente dióxido de carbono y liberan oxígeno a través de la fotosíntesis, manteniendo relativamente estable el contenido de oxígeno y dióxido de carbono en la atmósfera.
Cuarto, juega un papel importante en la evolución biológica. Antes de que aparecieran las plantas verdes, no había oxígeno en la atmósfera terrestre. Fue hace sólo 2 mil millones a 3 mil millones de años que las plantas verdes aparecieron en la tierra y gradualmente se volvieron dominantes. La atmósfera terrestre contuvo gradualmente oxígeno, lo que permitió que otros organismos en la tierra tuvieran respiración aeróbica y se desarrollaran. Porque parte del oxígeno de la atmósfera se convierte en ozono (O3). La capa de ozono formada por el ozono en la atmósfera superior puede filtrar eficazmente los rayos ultravioleta de la radiación solar que son altamente dañinos para los organismos, permitiendo que los organismos acuáticos vivan gradualmente en la tierra. Después de un largo proceso de evolución biológica, finalmente aparecieron diversos animales y plantas ampliamente distribuidos en la naturaleza.
El cultivo de plantas y el uso racional de la energía luminosa son las fuerzas impulsoras de la fotosíntesis de las plantas verdes. En el cultivo de plantas, el uso racional de la energía luminosa puede permitir que las plantas verdes realicen plenamente la fotosíntesis. El uso racional de la energía luminosa incluye principalmente dos aspectos: prolongar el tiempo de la fotosíntesis y aumentar el área de la fotosíntesis.
Prolongar el tiempo de fotosíntesis y extender el tiempo de fotosíntesis de las plantas verdes por unidad de superficie de tierra durante todo el año son medidas importantes para el uso racional de la energía luminosa. Por ejemplo, cultivar y cosechar trigo una vez al año en la misma tierra, en lugar de cosechar trigo una vez al año y luego plantar y cosechar maíz nuevamente, puede aumentar los rendimientos por unidad de superficie.
Aumentar el área fotosintética y una plantación razonablemente densa son medidas importantes para aumentar el área fotosintética. Una plantación densa razonable significa plantar una densidad adecuada de plantas en una unidad de superficie de tierra en función de la fertilidad del suelo.
Las actividades vitales de los seres vivos requieren del consumo de energía, la cual proviene de la descomposición oxidativa de la materia orgánica como azúcares, lípidos y proteínas. El proceso general en el que los organismos llevan a cabo una serie de descomposiciones oxidativas dentro de las células, generando finalmente dióxido de carbono u otros productos, y liberando energía se llama respiración (también conocida como oxidación biológica).
La respiración biológica incluye la respiración aeróbica y la respiración anaeróbica.
La respiración aeróbica se refiere al proceso en el que las células, con la participación del oxígeno y mediante la catálisis de enzimas, oxidan y descomponen completamente la materia orgánica como los azúcares, produciendo dióxido de carbono y agua, y liberando una gran cantidad. de energía al mismo tiempo. La respiración aeróbica es la principal forma de respiración en animales y plantas superiores, por lo que la respiración generalmente se refiere a la respiración aeróbica. El lugar principal donde las células realizan la respiración aeróbica es la mitocondria. En general, la glucosa es la sustancia más utilizada en la respiración aeróbica.
Todo el proceso de la respiración aeróbica se puede dividir en tres etapas: En la primera etapa, una molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato, produciendo una pequeña cantidad de hidrógeno (representado por [H]) y liberando una pequeña cantidad de energía. Esta etapa se lleva a cabo en la matriz citoplasmática; en la segunda etapa, el piruvato se descompone en dióxido de carbono e hidrógeno mediante una serie de reacciones y se libera una pequeña cantidad de energía. Esta etapa se lleva a cabo en las mitocondrias; en la tercera etapa, el hidrógeno producido en las dos primeras etapas sufre una serie de reacciones y se combina con el oxígeno para formar agua, liberando al mismo tiempo una gran cantidad de energía. Esta etapa también tiene lugar en las mitocondrias. Cada reacción química en las tres etapas anteriores está catalizada por una enzima diferente. En un cuerpo vivo, después de que 1 mol de glucosa se oxida y descompone completamente, se liberan 2870 kJ de energía * * *, de los cuales aproximadamente 1161 kJ de energía se almacenan en ATP y el resto de la energía se pierde en forma de energía térmica. .
La principal forma de respiración biológica es la respiración aeróbica. Entonces, ¿pueden los organismos respirar sin oxígeno? Los científicos han descubierto mediante investigaciones que las células de los organismos vivos pueden realizar otro tipo de respiración, la respiración anaeróbica, en condiciones anaeróbicas.
La respiración anaeróbica generalmente se refiere al proceso en el que las células descomponen la materia orgánica, como la glucosa, en productos de oxidación incompleta en condiciones anaeróbicas, y liberan una pequeña cantidad de energía mediante la catálisis de enzimas. Para las plantas superiores, los animales superiores y los humanos, este proceso se llama respiración anaeróbica. Si se utiliza para microorganismos (como bacterias del ácido láctico y levaduras), habitualmente se denomina fermentación. El lugar donde las células realizan la respiración anaeróbica es la matriz citoplasmática. ¿Por qué las manzanas huelen a vino después de estar almacenadas durante mucho tiempo? Las plantas superiores pueden respirar anaeróbicamente durante un corto período de tiempo en condiciones de inundación, descomponer la glucosa en alcohol y dióxido de carbono y liberar una pequeña cantidad de energía para adaptarse a condiciones ambientales anóxicas. Cuando los animales superiores y los humanos realizan ejercicios extenuantes, aunque los movimientos respiratorios y la circulación sanguínea mejoran considerablemente, todavía no pueden satisfacer la demanda de oxígeno de los músculos esqueléticos. En este momento, los músculos esqueléticos sufrirán respiración anaeróbica. El ácido láctico se produce por respiración anaeróbica en animales superiores y humanos. Además, algunos órganos de las plantas superiores también pueden producir ácido láctico durante la respiración anaeróbica, como los tubérculos de patata y de remolacha azucarera. Todo el proceso de la respiración anaeróbica se puede dividir en dos etapas: la primera etapa es exactamente igual a la primera etapa de la respiración aeróbica; la segunda etapa, el piruvato se descompone en etanol y dióxido de carbono o ácido láctico bajo la catálisis de diferentes enzimas.
Cada reacción química en las dos etapas anteriores está catalizada por una enzima diferente. Durante la respiración anaeróbica, la energía liberada por la descomposición oxidativa de la glucosa es mucho menor que la energía liberada por la respiración aeróbica. Por ejemplo, después de descomponer 1 mol de glucosa en ácido láctico, * * * se liberan 196,65 kJ de energía, de los cuales 61,08 kJ se almacenan en ATP y el resto se pierde en forma de energía térmica.
Respiración anaeróbica y respiración aeróbica:
En la antigüedad, no había oxígeno en la atmósfera terrestre. Los microorganismos en ese momento estaban adaptados para sobrevivir en condiciones anaeróbicas, por lo que estos microorganismos (microorganismos anaeróbicos obligados) carecían de enzimas oxidativas en sus cuerpos y todavía solo podían sobrevivir en condiciones anaeróbicas. Con la aparición de plantas verdes en la tierra, apareció oxígeno en la atmósfera y aparecieron en el cuerpo microorganismos aeróbicos con sistemas de enzimas respiratorias aeróbicas. Se puede observar que la respiración aeróbica se desarrolla sobre la base de la respiración anaeróbica. Aunque la principal forma de respiración en los organismos vivos hoy en día es la respiración aeróbica, todavía conservan la capacidad de respirar anaeróbicamente. Del análisis anterior, podemos ver que existe una clara diferencia entre la respiración anaeróbica y la respiración aeróbica.
Aunque los procesos de la respiración anaeróbica y la respiración aeróbica son obviamente diferentes, no son completamente diferentes. De la glucosa al piruvato, esta etapa es exactamente la misma, excepto que a partir del piruvato, se forman diferentes productos a lo largo de diferentes caminos: en condiciones aeróbicas, el piruvato se oxida completamente y se descompone en dióxido de carbono y agua, y todo el proceso libera más energía. liberado en condiciones anaeróbicas, el piruvato se descompone en alcohol y dióxido de carbono, o se convierte en ácido láctico, y todo el proceso libera menos energía.
La importancia de la respiración:
Para los organismos vivos, la respiración tiene un significado fisiológico muy importante, que se refleja principalmente en los dos aspectos siguientes: Primero, la respiración puede proporcionar vida a los organismos vivos. La actividad proporciona energía. Parte de la energía liberada por la respiración se convierte en energía térmica y se disipa, y la otra parte se almacena en ATP. Cuando el ATP se descompone bajo la acción de enzimas, la energía almacenada se libera para diversas actividades vitales de los organismos, como la división celular, el crecimiento de las plantas, la absorción de elementos minerales, la contracción muscular, la transmisión de impulsos nerviosos, etc. En segundo lugar, el proceso respiratorio puede proporcionar materia prima para la síntesis de otros compuestos en el cuerpo. Algunos productos intermedios producidos durante la respiración pueden usarse como materia prima para la síntesis de algunos compuestos importantes en el cuerpo. Por ejemplo, el piruvato, un producto intermedio de la descomposición de la glucosa, es la materia prima para la síntesis de aminoácidos.
Ingeniería de fermentación:
La ingeniería de fermentación se refiere al uso de ciertas funciones de los organismos (principalmente microorganismos), el uso de tecnología de ingeniería para producir productos biológicos útiles para los humanos o el uso directo. de microorganismos para controlar determinadas tecnologías de algunos procesos de producción industrial. Como todos sabemos, la cerveza, el vino de frutas y el alcohol industrial se producen mediante fermentación de levaduras, el queso y el yogur se producen mediante fermentación de bacterias del ácido láctico y la penicilina se produce a gran escala mediante hongos. Con el avance de la ciencia y la tecnología, la tecnología de fermentación también se ha desarrollado enormemente y ha entrado en la etapa de la ingeniería de fermentación moderna que puede controlar y transformar artificialmente microorganismos para que puedan producir productos para los humanos. Como parte importante de la biotecnología moderna, la ingeniería de fermentación moderna tiene amplias perspectivas de aplicación. Por ejemplo, la tecnología de ADN recombinante se utiliza para transformar intencionadamente la cepa original para aumentar su rendimiento; la fermentación microbiana se utiliza para producir fármacos, como la insulina humana, el interferón y las auxinas.