¿Violación de la ley de conservación de la energía entre la fotosíntesis y la respiración?

Las falacias en el argumento

La pregunta contiene dos falacias principales (algunos dirían juegos de manos) en la comparación energética de la síntesis de glucosa a partir de CO ₂ en el ciclo de Calvin y la oxidación de glucosa a través de la glucólisis, el ciclo del ácido tricarboxílico y la cadena de transporte de electrones:

1. Las descripciones de las dos reacciones están incompletas: se ignoran los cosustratos importantes.
2. La formulación de la pregunta parece asumir que la energía de una serie de reacciones bioquímicas se refleja únicamente en la interconversión de ATP y ADP, en lugar de los cambios de energía libre que ocurren en todas las reacciones asociadas.

Explicación detallada

Para hacer una comparación válida de la termodinámica de la oxidación de glucosa a CO ₂ con su síntesis a partir de CO ₂ , debemos considerar la única reacción reversible: (El '6H' puede parecer bastante extraño, pero se tiene en cuenta en la reducción de cofactores, etc. .. No podemos incluir el oxígeno en la ecuación porque no está involucrado químicamente en la síntesis de la glucosa. Por lo tanto, para este tratamiento no se incluye la cadena de transporte de electrones, aunque se analiza más adelante).

La reacción de izquierda a derecha está asociada con una cierta disminución de la energía libre de Gibbs (ΔG) y la de derecha a izquierda con un aumento correspondiente del mismo valor. En un contexto no biológico, esto podría involucrar la evolución y el uso de la energía térmica, pero en la célula involucra la energía química de los enlaces entre los átomos. Por lo tanto, tenemos que considerar todas las reacciones químicas a las que se acopla la reacción anterior, es decir, que reciben o transfieren energía libre. Las reacciones adicionales y los cambios de energía libre que implican se pueden encontrar en los capítulos sobre glucólisis , el ciclo del ácido tricarboxílico y el ciclo de Calvin en Berg et al. y son (omitiendo agua, iones de hidrógeno y fosfato inorgánico):De lo cual se desprende que el aporte de energía química requerida para la síntesis es mayor que la obtenida, contrario a lo que se afirma en la pregunta

¿Qué pasa con la ATP?

Sí, la célula oxida NADH y FADH ₂ y usa el cambio de energía libre para construir un gradiente electroquímico, cuya disipación genera ATP ( 30 moléculas por molécula de glucosa es la estimación actual). Sin embargo, ese es un proceso separado, sin contrapartida en el Ciclo de Calvin, donde el NADPH se genera a partir de la reducción fotosintética y no del ATP. Sin embargo, si realiza una 'conversión de moneda' ingenua a razón de 3ATP por NAD(P)H y 2ATP por FADH ₂ , el balance es: entrada para síntesis 54 ATP, salida de oxidación 38 ATP, es decir, el mismo resultado general que arriba.

Popularizar la ciencia no es fácil, y se puede disculpar a aquellos que hacen el esfuerzo por equiparar la energía con el ATP (a menudo como destellos de imágenes prediseñadas). Sin embargo, si desea estudiar el metabolismo, debe pensar científicamente sobre la termodinámica química y la energía libre. El hecho de que la hidrólisis de ATP a ADP vaya acompañada de una disminución de la energía libre de Gibbs no es particularmente notable desde el punto de vista químico en el contexto de los cambios de energía libre de otras conversiones químicas en la célula (incluidas las óxido-reducciones de NAD(P)). Lo notable es que la célula ha desarrollado enzimas que catalizan reacciones en las que el cambio de energía libre de esta conversión no se pierde como calor, sino que puede usarse para compensar el +ve ΔG de una reacción a la que está acoplado. Las reacciones que involucran NAD(P)H hacen lo mismo, pero se limitan a reducciones,

Por qué la respuesta aceptada a esta pregunta es una pista falsa

La respuesta aceptada aborda una pregunta diferente a la planteada. Cita un cálculo de la energía fotónica necesaria para convertir el dióxido de carbono en glucosa. Esto es irrelevante para la termodinámica del Ciclo de Calvin, que puede ocurrir en la oscuridad. Solo es relevante para la eficiencia del uso de la energía fotónica en la fosforilación del ADP y la reducción del NADP ⁺ (por cierto, en un sistema abierto), una reacción distinta. La termodinámica de las reacciones a las que se refiere la pregunta —procesos de interconversión glucosa/dióxido de carbono— no implica la generación de sus cosustratos.

Antecedentes : La ley de conservación de la energía establece que la energía en un sistema cerrado permanece constante. Entonces, la cantidad de energía en una molécula permanece igual cuando se aniquila (también considere la ley de equivalencia de masa de energía).

Antes de responder a esto, me gustaría señalar que en la formación de glucosa no solo se utiliza la energía del ATP para fijar el carbono, sino que también se utiliza la energía de la luz , que se trata de:

Se necesitan ocho (o quizás 10 o más) fotones para utilizar una molécula de CO2. La energía libre de Gibbs para convertir un mol de CO2 en glucosa es de 114 kcal, mientras que ocho moles de fotones de 600 nm de longitud de onda contienen 381 kcal, lo que da una eficiencia nominal del 30 %.$^{(1)}$

Entonces, ¿cómo se utiliza la energía de la luz en el ciclo de Calvin?

Esta energía luminosa se utiliza para la formación de NADPH que se utiliza en el ciclo de Calvin. Por lo tanto, no solo se requiere ATP sino también NADPH para generar energía. Entonces, después de considerar los hechos anteriores, se puede argumentar cuantitativamente que la ley de conservación de la energía no se viola en el caso de la oxidación de la glucosa por parte de las mitocondrias.