Fotosíntesis y respiración celular

Introducción

Todos los seres vivos necesitan energía, y casi toda la energía de la vida procede del Sol. Las plantas, las algas y algunas bacterias transforman la energía de la luz en energía química (fotosíntesis); y casi todos los seres vivos, plantas incluidas, obtienen la energía de las moléculas orgánicas mediante la respiración celular. La energía utilizable se guarda en una molécula, el ATP.

Aprenderás las fases de ambos procesos, dónde ocurren y cómo se resuelven los problemas de estequiometría y de balance de ATP, con cuatro ejercicios resueltos. Los orgánulos implicados están descritos en La célula: estructura y tipos.

1. El ATP: la moneda de energía

El ATP (adenosín trifosfato) almacena energía en sus enlaces entre fosfatos. Al romperse el último fosfato se forma ADP y se libera energía, unos 30,5 kJ por mol, que la célula usa para moverse, sintetizar moléculas o hacer transporte activo. Después, el ADP se vuelve a convertir en ATP.

$\text{ATP} \rightleftharpoons \text{ADP} + \text{P}_i + \text{energía}$

2. Fotosíntesis

Es el proceso por el que se transforma la energía luminosa en energía química, almacenada en moléculas orgánicas, a partir de moléculas inorgánicas. Ocurre en los cloroplastos. La ecuación global es:

$6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{luz}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$

• Fase luminosa (en los tilacoides): la clorofila capta la luz; se rompe el agua (fotólisis) y se libera O₂; se forman ATP y NADPH.
• Fase oscura o ciclo de Calvin (en el estroma): se fija el CO₂ y, con el ATP y el NADPH, se sintetiza glucosa.

3. Respiración celular

Es el conjunto de reacciones que oxidan moléculas orgánicas, como la glucosa, para obtener ATP. La ecuación global es la inversa de la fotosíntesis:

$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2 \longrightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} + \text{energía (ATP)}$

Fotosíntesis y respiración son procesos complementarios: los productos de uno son los reactivos del otro.

El rendimiento total es de unos 30–32 ATP por glucosa (algunos libros dan 36–38). Si no hay oxígeno, la célula solo hace glucólisis y recurre a la fermentación, que regenera el NAD⁺ pero solo da 2 ATP:

• Fermentación alcohólica (levaduras): glucosa → 2 etanol + 2 CO₂ + 2 ATP. Se usa para el pan, el vino y la cerveza.
• Fermentación láctica (bacterias lácticas y músculo): glucosa → 2 lactato + 2 ATP. Se usa para el yogur; en el músculo, es el origen de las agujetas.

4. Problemas resueltos

Problema 1: estequiometría de la fotosíntesis

¿Cuántos gramos de glucosa y de oxígeno se forman a partir de 264 g de CO₂ y agua suficiente? ($M_{\text{CO}_2} = 44$ g/mol; $M_{\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6} = 180$ g/mol; $M_{\text{O}_2} = 32$ g/mol)

$n_{\text{CO}_2} = \frac{264}{44} = 6\ \text{mol} \quad\Rightarrow\quad n_{\text{glucosa}} = \frac{6}{6} = 1\ \text{mol} \quad\Rightarrow\quad m = 180\ \text{g}$

$n_{\text{O}_2} = 6\ \text{mol} \quad\Rightarrow\quad m = 6 \cdot 32 = 192\ \text{g}$

Comprobación con la ley de conservación de la masa: se consumen 264 g de CO₂ y $6 \cdot 18 = 108$ g de agua, 372 g en total; se forman $180 + 192 = 372$ g.

Problema 2: respiración de 90 g de glucosa

Una célula oxida 90 g de glucosa. Calcula los gramos de O₂ consumido, de CO₂ producido y los moles de ATP formados (30 ATP por glucosa). ¿Qué fracción de la energía de la glucosa se almacena en el ATP? (Energía de la oxidación completa de la glucosa: 2870 kJ/mol; energía del ATP: 30,5 kJ/mol.)

$n = \frac{90}{180} = 0{,}5\ \text{mol} \quad\Rightarrow\quad m_{\text{O}_2} = 0{,}5 \cdot 6 \cdot 32 = 96\ \text{g} \quad m_{\text{CO}_2} = 0{,}5 \cdot 6 \cdot 44 = 132\ \text{g}$

$n_{\text{ATP}} = 0{,}5 \cdot 30 = 15\ \text{mol} \quad\Rightarrow\quad E_{\text{ATP}} = 15 \cdot 30{,}5 \approx 457\ \text{kJ}$

$\text{rendimiento} = \frac{457}{0{,}5 \cdot 2870} = \frac{457}{1435} \approx 0{,}32 = 32\,\%$

Cerca de un 32 % de la energía queda en el ATP; el resto se disipa como calor, que ayuda a mantener la temperatura corporal.

Problema 3: fermentación alcohólica

Una levadura fermenta 100 g de glucosa. ¿Cuántos gramos de etanol ($M = 46$ g/mol) y de CO₂ se producen y cuántos moles de ATP se obtienen? Compáralo con la respiración.

$n = \frac{100}{180} = 0{,}555\ \text{mol} \quad\Rightarrow\quad m_{\text{etanol}} = 0{,}555 \cdot 2 \cdot 46 \approx 51{,}1\ \text{g} \quad m_{\text{CO}_2} = 0{,}555 \cdot 2 \cdot 44 \approx 48{,}9\ \text{g}$

$n_{\text{ATP}} = 0{,}555 \cdot 2 \approx 1{,}1\ \text{mol}$

Con la misma cantidad de glucosa, la respiración da unos 30 ATP por molécula y la fermentación solo 2: ¡15 veces menos! Por eso las levaduras fermentan tanta glucosa para vivir en ausencia de oxígeno.

Problema 4: el cociente respiratorio

El cociente respiratorio es $RQ = \text{CO}_2 \text{ producido} / \text{O}_2 \text{ consumido}$. Calcúlalo para la glucosa y para el ácido palmítico ($\text{C}_{16}\text{H}_{32}\text{O}_2 + 23\,\text{O}_2 \to 16\,\text{CO}_2 + 16\,\text{H}_2\text{O}$).

$RQ_{\text{glucosa}} = \frac{6}{6} = 1 \qquad RQ_{\text{palmítico}} = \frac{16}{23} \approx 0{,}70$

Si un organismo tiene un RQ próximo a 1 está usando sobre todo glúcidos; si está cerca de 0,7, está oxidando sobre todo grasas.

5. Comparación entre ambos procesos

6. Errores frecuentes

• ⚠️ Pensar que las plantas no respiran. Las plantas hacen respiración celular en sus mitocondrias todo el día; de día, la fotosíntesis supera a la respiración
• ⚠️ Decir que el O₂ de la fotosíntesis viene del CO₂. Procede de la ruptura (fotólisis) del agua
• ⚠️ Confundir fase luminosa y fase oscura. La luminosa necesita luz y produce ATP y NADPH; la oscura (Calvin) fija CO₂ y puede ocurrir también con luz
• ⚠️ Creer que la fermentación produce tanta energía como la respiración. Solo 2 ATP por glucosa, frente a unos 30
• ⚠️ Olvidar ajustar las ecuaciones antes de calcular. Los coeficientes (6, 6, 1, 6) determinan las relaciones molares

7. 📌 En 30 segundos

1. ATP: moneda de energía de la célula; ATP ⇄ ADP + Pi.
2. Fotosíntesis (cloroplasto): $6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} + \text{luz} \to \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$.
3. Respiración (mitocondria): glucosa + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + ≈ 30 ATP.
4. Sin oxígeno: fermentación (2 ATP por glucosa), alcohólica o láctica.
5. En los problemas, ajusta la ecuación y trabaja en moles: coeficiente = proporción molar.

Para seguir estudiando

• ¿Cómo actúa un enzima?
• La célula: estructura y tipos
• ¿Qué sabemos de las biomoléculas?