Metabolismo: respiración y fermentación
Agustina corre un sprint de 100 metros en la clase de Educación Física. A los pocos segundos le arden las piernas y le cuesta respirar. Santino, en su casa, amasa pan con levadura y ve cómo la masa crece sola. Parecen escenas sin relación, pero en las dos hay células que sacan energía de la glucosa, cada una a su manera. ¿Por qué a Agustina le arden las piernas? ¿Por qué crece la masa de Santino? Lo vas a poder explicar al final de esta página.
Anabolismo, catabolismo y ATP
El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en una célula. Se divide en dos grandes grupos:
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Catabolismo: reacciones que degradan moléculas grandes en otras más chicas. En general liberan energía. Ejemplo: la degradación de la glucosa a $CO_2$ y $H_2O$.
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Anabolismo: reacciones que construyen moléculas grandes a partir de otras más chicas. En general consumen energía. Ejemplo: la síntesis de proteínas musculares a partir de aminoácidos.
Las dos cosas se conectan a través de una molécula, el ATP (adenosín trifosfato). El catabolismo libera energía y la célula la guarda en el ATP. El anabolismo usa esa energía guardada.
El ATP funciona como una «moneda» de energía. Tiene enlaces fosfato de alta energía. Al romperse el último fosfato se forma ADP y se libera la energía que la célula aprovecha:
$$ATP \longrightarrow ADP + P_i + \text{energía}$$Con la energía que libera el catabolismo, la célula vuelve a unir el fosfato al ADP y regenera el ATP. Así el ATP se gasta y se rehace todo el tiempo.
Diferenciá anabolismo de catabolismo. Para cada uno, indicá si consume o libera energía y dá un ejemplo de proceso. Luego clasificá la digestión de la glucosa para…
Diferenciá anabolismo de catabolismo. Para cada uno, indicá si consume o libera energía y dá un ejemplo de proceso. Luego clasificá la digestión de la glucosa para obtener ATP y la síntesis de proteínas musculares como anabólicas o catabólicas.
Respiración celular aeróbica
La respiración celular aeróbica es el camino principal para obtener ATP a partir de la glucosa. Es «aeróbica» porque necesita oxígeno. No hace falta que conozcas las reacciones una por una, sí las etapas y dónde ocurren.
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Glucólisis. En el citoplasma, la glucosa (6 carbonos) se parte en dos moléculas de piruvato (3 carbonos). No usa oxígeno.
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Ciclo de Krebs. El piruvato entra a la mitocondria, pierde un carbono como $CO_2$ y sigue por el ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial. Se libera más $CO_2$ y se cargan transportadores de electrones (NADH y FADH₂).
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Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa. En la membrana interna de la mitocondria, los transportadores entregan sus electrones a una cadena de proteínas. Al final, los electrones los recibe el oxígeno, que es el aceptor final de electrones, y se forma agua. La energía liberada en el camino se usa para fabricar casi todo el ATP.
Balance de ATP por etapa
Cada etapa aporta una parte del ATP. Los valores son aproximados, porque el rendimiento real depende de cómo se transportan los electrones dentro de la célula.
| Etapa | Qué se forma por glucosa | ATP aproximado |
|---|---|---|
| Glucólisis | 2 ATP netos y 2 NADH | 2 (directos) |
| Piruvato → Krebs (puente) | 2 NADH | 0 (directos) |
| Ciclo de Krebs | 2 ATP, 6 NADH y 2 FADH₂ | 2 (directos) |
| Cadena respiratoria | usa los NADH y FADH₂ | unos 26 a 28 |
| Total | ≈ 30 a 32 |
La ecuación global resume todo el proceso:
$$C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \longrightarrow 6\,CO_2 + 6\,H_2O + \text{energía (ATP)}$$Es la combustión de la glucosa, pero hecha en pasos chicos y controlados. Así la energía no se pierde toda como calor y una parte importante queda guardada en ATP. Además, es una reacción redox: la glucosa se oxida y el oxígeno se reduce.
Ordená las siguientes etapas de la respiración celular aeróbica de la glucosa según ocurren y, para cada una, indicá en qué parte de la célula se desarrolla: cadena…
Ordená las siguientes etapas de la respiración celular aeróbica de la glucosa según ocurren y, para cada una, indicá en qué parte de la célula se desarrolla: cadena respiratoria, glucólisis, ciclo de Krebs.
Glucólisis: el balance
La glucólisis tiene dos fases:
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Fase de inversión: la célula gasta 2 ATP para activar la glucosa.
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Fase de beneficio: se forman 4 ATP, 2 NADH y 2 piruvato.
| Por cada glucosa | |
|---|---|
| ATP consumidos | 2 |
| ATP producidos | 4 |
| ATP neto | 2 |
| NADH formados | 2 |
| Piruvato formado | 2 |
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Completá el balance de la glucólisis de una molécula de glucosa: indicá cuántas moléculas de piruvato se forman, cuántas de ATP se consumen y se producen en total (y por…
Completá el balance de la glucólisis de una molécula de glucosa: indicá cuántas moléculas de piruvato se forman, cuántas de ATP se consumen y se producen en total (y por lo tanto el rendimiento neto), y cuántas de NADH se generan. Explicá en qué etapa de la glucólisis se invierte ATP y en cuál se genera.
Fermentación: sin oxígeno
Cuando falta oxígeno, la cadena respiratoria no funciona. La célula igual puede obtener algo de ATP con la glucólisis, pero tiene que resolver un problema: el NADH que se forma debe volver a su forma sin cargar (NAD⁺), porque si no la glucólisis se detiene. La fermentación resuelve eso: el piruvato (o un derivado) recibe los electrones del NADH. La fermentación no produce ATP extra. Su función es regenerar el NAD⁺ para que la glucólisis siga.
Hay dos tipos principales:
Fermentación alcohólica (levaduras, como Saccharomyces cerevisiae):
$$C_6H_{12}O_6 \longrightarrow 2\,C_2H_5OH + 2\,CO_2$$Se forma etanol y $CO_2$. Se usa para el pan, el vino de Mendoza y la cerveza artesanal. En el pan, el $CO_2$ queda atrapado en la masa y la hace crecer. Durante el horneado, el etanol se evapora por el calor, por eso el pan no tiene alcohol.
Fermentación láctica (bacterias del yogur, células musculares):
$$C_6H_{12}O_6 \longrightarrow 2\,C_3H_6O_3$$El piruvato se convierte en ácido láctico. Se usa para el yogur y el queso. Nuestros músculos también la hacen cuando falta oxígeno, por ejemplo en un sprint.
En ambas, el rendimiento neto es el de la glucólisis: 2 ATP por glucosa.
Entonces, ¿por qué fermenta Agustina en el sprint? Porque la fermentación láctica es rápida y no depende del oxígeno. Cuando el esfuerzo es tan intenso que el oxígeno no llega a tiempo, es la forma de seguir obteniendo ATP. Se acumula ácido láctico y la célula se queda con menos rendimiento, pero con energía disponible al instante.
Escribí la ecuación global de la respiración celular de la glucosa con las fórmulas químicas de reactivos y productos, e indicá cuál es el aceptor final de electrones.…
Escribí la ecuación global de la respiración celular de la glucosa con las fórmulas químicas de reactivos y productos, e indicá cuál es el aceptor final de electrones. Luego nombrá un alimento o bebida cotidiana que se obtenga por fermentación y el microorganismo que la produce.
Santino hace masa de pan con levadura y observa que la masa aumenta de volumen. (a) Escribí la ecuación de la fermentación alcohólica de la glucosa. (b) Explicá por qué…
Santino hace masa de pan con levadura y observa que la masa aumenta de volumen. (a) Escribí la ecuación de la fermentación alcohólica de la glucosa. (b) Explicá por qué la masa crece y por qué el alcohol no queda en el pan horneado. (c) Indicá el rendimiento neto de ATP por molécula de glucosa en este proceso.
Durante un sprint intenso, las células musculares de Agustina reciben poco oxígeno y obtienen energía por fermentación láctica. (a) Escribí qué sustancia se produce a…
Durante un sprint intenso, las células musculares de Agustina reciben poco oxígeno y obtienen energía por fermentación láctica. (a) Escribí qué sustancia se produce a partir del piruvato. (b) Compará el rendimiento de ATP por glucosa con el de la respiración aeróbica, suponiendo que esta rinde unos 30 a 32 ATP. (c) Explicá por qué el organismo recurre a esta vía aunque rinda menos.
Comparar rendimientos
Reuniendo todo, esta tabla resume las dos vías para una glucosa:
| Respiración aeróbica | Fermentación | |
|---|---|---|
| ¿Necesita $O_2$? | Sí | No |
| Dónde ocurre | Citoplasma y mitocondria | Citoplasma |
| Destino del carbono | Se oxida del todo a $CO_2$ | Queda en moléculas con energía (etanol, ácido láctico) |
| ATP por glucosa | ≈ 30 a 32 | 2 |
La diferencia se explica por el destino del carbono. En la respiración, el carbono de la glucosa se oxida por completo y se libera casi toda la energía. En la fermentación, el etanol o el ácido láctico todavía guardan mucha energía química, que no se aprovecha.
Esto explica lo que pasa con las levaduras. Con oxígeno, respiran: sacan mucho ATP por glucosa y lo usan para crecer y multiplicarse, así que forman mucha biomasa. Sin oxígeno, fermentan: sacan poco ATP por glucosa, crecen menos y gastan mucha glucosa, que se convierte en etanol y $CO_2$.
Por eso, para producir cerveza (o vino) se busca el ambiente cerrado, sin oxígeno, que favorece el etanol. Para producir levadura de panadería se airea el cultivo, porque lo que interesa es la biomasa.
Una célula consume 5 moléculas de glucosa por segundo en condiciones aeróbicas, con un rendimiento de 30 ATP por glucosa. Luego el oxígeno se agota y pasa a fermentación…
Una célula consume 5 moléculas de glucosa por segundo en condiciones aeróbicas, con un rendimiento de 30 ATP por glucosa. Luego el oxígeno se agota y pasa a fermentación láctica con el mismo consumo de glucosa. (a) Calculá la producción de ATP por segundo en cada situación. (b) Calculá cuántas moléculas de glucosa por segundo necesitaría consumir en fermentación para igualar la producción aeróbica. (c) Analizá qué consecuencias tendría para la célula y para el consumo de las reservas de glucosa.
Un grupo de estudiantes compara dos cultivos de levadura con la misma cantidad inicial de glucosa: uno con aireación abundante y otro cerrado, sin oxígeno. Después de…
Un grupo de estudiantes compara dos cultivos de levadura con la misma cantidad inicial de glucosa: uno con aireación abundante y otro cerrado, sin oxígeno. Después de unas horas, el cultivo aireado tiene mucha más biomasa de levadura, y el cerrado produjo más alcohol y gas. Explicá este resultado relacionando las vías metabólicas (respiración y fermentación), el rendimiento de ATP por glucosa y el destino del carbono. Indicá qué cultivo elegirías para producir cerveza y cuál para producir levadura de panadería, y justificá.
Vuelta al principio: a Agustina le arden las piernas porque en el sprint el oxígeno no alcanza y sus músculos fermentan, acumulando ácido láctico. La masa de Santino crece porque la levadura fermenta y libera $CO_2$.