Fotosíntesis y Respiración Celular: El Flujo de Energía desde el Sol hasta el ATP

Introducción: Flujo de Energía en los Seres Vivos

Mediante la fotosíntesis se capta la energía del sol y, junto con el aporte de moléculas inorgánicas, se almacena como glucosa. La reserva de energía generada en el proceso fotosintético es utilizada después en todas las actividades y funciones orgánicas de los mismos autótrofos, por ejemplo, en las plantas para fabricar nuevos tejidos (hojas, frutos, flores, semillas) o sintetizar enzimas, fitohormonas y compuestos de defensa, como las toxinas. Asimismo, esta energía es utilizada por los heterótrofos, a través de la alimentación a lo largo de las redes y tramas tróficas, para realizar todas sus funciones vitales.

Metabolismo de la Glucosa: Liberación de Energía

Para utilizar esta reserva de energía, las células descomponen la glucosa, liberan la energía contenida en esta molécula y la utilizan para producir ATP (Adenosín Trifosfato). La descomposición completa de la glucosa, proceso conocido también como metabolismo de la glucosa, produce mucho ATP y libera como residuos finales CO₂ (dióxido de carbono) y H₂O (agua), los mismos reactivos originales de la fotosíntesis.

Gran parte de la energía contenida en la glucosa es transformada a energía calórica durante el metabolismo, la que es liberada a la atmósfera. Una fracción menor de la energía de la glucosa es utilizada como energía química para la fabricación de nuevas estructuras y para el funcionamiento de los organismos.

Respiración Celular: Proceso Eucarionte

El metabolismo que posibilita la descomposición completa de la glucosa en células eucariontas se conoce como respiración celular, que se realiza en el citoplasma y en las mitocondrias. Este proceso comprende tres etapas principales:

• Glucólisis
• Ciclo de Krebs
• Cadena transportadora de electrones (y Fosforilación Oxidativa)

1. Glucólisis

Se realiza en el citoplasma de la célula y es un proceso anaeróbico, es decir, que no requiere la presencia de oxígeno. En esta etapa, la molécula de glucosa (de 6 carbonos) es dividida en 2 moléculas de ácido pirúvico (de 3 carbonos cada una). Esta división libera energía suficiente para sintetizar 4 ATP y 2 NADH (molécula portadora de electrones). Sin embargo, la producción neta es de 2 ATP, porque la glucólisis requiere 2 ATP para iniciarse.

Destinos del Ácido Pirúvico

El ácido pirúvico producto de la glucólisis puede seguir dos rutas metabólicas diferentes:

• En ausencia de oxígeno (ambiente anaeróbico): Se produce la fermentación del ácido pirúvico. Este puede transformarse en:
  • Lactato (fermentación láctica): Ocurre habitualmente en las células musculares durante esfuerzo físico intenso con poco oxígeno disponible.
  • Etanol (fermentación etílica): Ocurre, por ejemplo, cuando las levaduras transforman el jugo de uva en vino.
• En presencia de oxígeno (ambiente aeróbico): El ácido pirúvico ingresa a las mitocondrias y se desarrolla la respiración celular (las siguientes etapas).

2. Ciclo de Krebs (o Ciclo del Ácido Cítrico)

Este proceso se realiza en la matriz mitocondrial y requiere la presencia de oxígeno (es aeróbico). Se inicia cuando el ácido pirúvico generado en la glucólisis entra en la mitocondria y es transformado en acetil coenzima A (acetil-CoA), liberando una molécula de CO₂.

Luego, el acetil-CoA entra al ciclo de Krebs y experimenta una serie de reacciones que dan origen a 2 moléculas de CO₂ por cada acetil-CoA. Como consecuencia de estas reacciones, por cada acetil-CoA se obtienen:

• 3 moléculas de NADH
• 1 molécula de FADH₂ (otra molécula portadora de electrones)
• 1 molécula de ATP

Dado que en la glucólisis se producen dos moléculas de ácido pirúvico por cada molécula de glucosa, se forman dos moléculas de acetil-CoA. Por lo tanto, los productos del ciclo de Krebs por cada glucosa inicial se multiplican por dos, generándose un total de 6 NADH, 2 FADH₂ y 2 ATP en esta etapa.

3. Cadena Transportadora de Electrones y Fosforilación Oxidativa

Terminado el ciclo de Krebs, se da inicio a la cadena transportadora de electrones. Esta está formada por un grupo de complejos proteicos (enzimas) ubicados en la membrana interna de la mitocondria, que aceptan y transfieren electrones.

En esta cadena, tanto el NADH como el FADH₂ (generados en las etapas anteriores) ceden sus electrones de alta energía. La energía liberada durante la transferencia de electrones es utilizada para bombear protones (H⁺) desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranoso, creando un gradiente electroquímico.

Finalmente, los electrones se unen al oxígeno (el aceptor final de electrones), formando moléculas de agua (H₂O).

El gradiente de protones (H⁺) acumulado en el espacio intermembranoso fluye de regreso a la matriz a través de una enzima llamada ATP sintasa. Este flujo, conocido como fosforilación oxidativa, impulsa la síntesis de la mayor parte del ATP celular. Aproximadamente:

• Por cada NADH se forman unas 3 moléculas de ATP (aunque estimaciones más recientes sugieren ~2.5 ATP).
• Por cada FADH₂ se sintetizan unas 2 moléculas de ATP (estimaciones más recientes sugieren ~1.5 ATP).

Balance Energético Total

Haciendo un balance total de las reacciones ocurridas en la glucólisis y la respiración celular (ciclo de Krebs y cadena transportadora de electrones), se puede estimar que se producen aproximadamente 38 ATP como balance neto teórico máximo por cada molécula de glucosa degradada íntegramente en condiciones aeróbicas óptimas (aunque el rendimiento real suele ser algo menor, entre 30-32 ATP).