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Secundaria 5° · Biología–Geografía
El metabolismo · El metabolismo celular

El rendimiento energético de la respiración

En un partido de The Strongest contra Bolívar en el estadio Hernando Siles, a más de 3.600 m s. n. m., los jugadores terminan agotados y con mucho calor. ¿Cuánto ATP obtiene una célula de una sola glucosa, por qué la fermentación rinde tanto menos y a dónde se va la energía que no se convierte en ATP?

El balance de la respiración aeróbica

Ya estudiaste la glucólisis, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa (cadena respiratoria). Ahora sumamos lo que produce cada etapa por cada molécula de glucosa en una célula eucariota.

Etapa ATP directo neto NADH FADH₂
Glucólisis (citosol) 2 2 0
Oxidación de 2 piruvatos a acetil-CoA (matriz) 0 2 0
Dos vueltas del ciclo de Krebs (matriz) 2 6 2

Los NADH y FADH₂ ceden sus electrones a la cadena de transporte; el flujo de protones que se genera mueve la ATP sintasa y produce la mayor parte del ATP. Por eso la cifra final depende de cuántos ATP se cuentan por cada NADH y cada FADH₂.

Barras con el ATP obtenido por etapa de la respiración aeróbica: 2 de la glucólisis y el resto de las etapas mitocondriales, hasta unos 36 en el modelo clásico ATP por glucosa (modelo clásico, total 36) 2 34 Glucólisis Etapas mitocondriales (Krebs y cadena respiratoria) Citosol: 2 ATP · Mitocondria: 34 ATP
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¿Cuántas moléculas de ATP netas se obtienen en la glucólisis por cada glucosa y cuántas en total (cifra teórica clásica) al respirarla completamente de forma aeróbica?

¿Cuántas moléculas de ATP netas se obtienen en la glucólisis por cada glucosa y cuántas en total (cifra teórica clásica) al respirarla completamente de forma aeróbica?

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Indica cuántas moléculas de ATP se obtienen, según los valores actuales aceptados, por cada NADH y por cada $\text{FADH}2$ que entregan sus electrones a la cadena…

Indica cuántas moléculas de ATP se obtienen, según los valores actuales aceptados, por cada NADH y por cada $\text{FADH}_2$ que entregan sus electrones a la cadena respiratoria.

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En la respiración aeróbica se obtienen unos $36$-$38\ \text{ATP}$ por glucosa, de los que solo $2$ proceden de la glucólisis. Calcula qué porcentaje del rendimiento…

En la respiración aeróbica se obtienen unos $36$-$38\ \text{ATP}$ por glucosa, de los que solo $2$ proceden de la glucólisis. Calcula qué porcentaje del rendimiento total aportan las etapas mitocondriales (tomando $36\ \text{ATP}$ como total) y comenta el resultado.

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Respiración frente a fermentación

Tanto la respiración como la fermentación empiezan con la glucólisis: una glucosa se convierte en dos piruvatos y se ganan 2 ATP netos. La diferencia está en lo que pasa después con el piruvato.

  • Con oxígeno (respiración aeróbica): el piruvato entra a la mitocondria y se oxida por completo hasta $\mathrm{CO_2}$ y $\mathrm{H_2O}$. Rinde unos 30-38 ATP en total.

  • Sin oxígeno (fermentación): el piruvato se transforma en lactato (fermentación láctica, como en el músculo o el yogur) o en etanol y $\mathrm{CO_2}$ (fermentación alcohólica, como en la chicha, el pan marraqueta o la cerveza). Rinde solo 2 ATP.

Esquema comparativo: la glucosa pasa por la glucólisis con 2 ATP; con oxígeno el piruvato se oxida en la mitocondria, y sin oxígeno se fermenta a lactato o etanol regenerando NAD⁺ Glucosa +2 ATP Piruvato con O₂ Mitocondria: CO₂ + H₂O ≈ 30–38 ATP en total sin O₂ Lactato o etanol + CO₂ 2 ATP en total La fermentación regenera NAD⁺ para que siga la glucólisis

La fermentación rinde poco porque el piruvato no se oxida por completo: el lactato o el etanol aún guardan mucha energía química. Su verdadera función es regenerar el $\mathrm{NAD^+}$ que la glucólisis necesita para continuar. Esa conversión no produce ATP.

Esta gráfica de barras compara el ATP por glucosa según la vía (modelo clásico para la respiración):

Gráfico de barras del ATP por glucosa según la vía: respiración aeróbica 36, fermentación láctica 2 y fermentación alcohólica 2 ATP por molécula de glucosa Respiración aeróbica 36 Fermentación láctica 2 Fermentación alcohólica 2

Orden de rendimiento por glucosa: respiración aeróbica (30-38) $\gg$ fermentación láctica (2) = fermentación alcohólica (2).

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¿Por qué la fermentación es mucho menos rentable energéticamente que la respiración aeróbica, aunque ambas comiencen con la glucólisis? Explica qué le ocurre al piruvato…

¿Por qué la fermentación es mucho menos rentable energéticamente que la respiración aeróbica, aunque ambas comiencen con la glucólisis? Explica qué le ocurre al piruvato en cada caso.

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Ordena de mayor a menor rendimiento energético por molécula de glucosa: la respiración aeróbica, la fermentación láctica y la fermentación alcohólica. Justifica el orden.

Ordena de mayor a menor rendimiento energético por molécula de glucosa: la respiración aeróbica, la fermentación láctica y la fermentación alcohólica. Justifica el orden.

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¿Por qué los organismos que respiran aeróbicamente pueden mantener cuerpos más grandes y activos que los que solo fermentan? Relaciona tu respuesta con el rendimiento…

¿Por qué los organismos que respiran aeróbicamente pueden mantener cuerpos más grandes y activos que los que solo fermentan? Relaciona tu respuesta con el rendimiento energético de cada vía.

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Calcula cuántas moléculas de glucosa necesita degradar una célula para obtener $180\ \text{ATP}$ por vía aeróbica ($36\ \text{ATP/glucosa}$) y cuántas por fermentación…

Calcula cuántas moléculas de glucosa necesita degradar una célula para obtener $180\ \text{ATP}$ por vía aeróbica ($36\ \text{ATP/glucosa}$) y cuántas por fermentación ($2\ \text{ATP/glucosa}$). Comenta qué implicación tiene esta diferencia para los organismos anaerobios.

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El rendimiento real y sus pérdidas

Cuando corres, sudas y tu cuerpo se calienta: parte de la energía de la glucosa no se convierte en ATP, sino en calor.

Barra que muestra el reparto ilustrativo de la energía del combustible entre ATP útil y calor disipado reparto ilustrativo, no proporción fija ATP útil (~40 %) calor (~60 %) parte del calor viene de fugas de H⁺ en la membrana mitocondrial

Hay dos razones principales por las que el rendimiento real (unos 30 ATP por glucosa) es menor que el teórico (36-38):

  1. Costos de transporte. Mover piruvato, fosfato y los electrones del NADH del citosol al interior de la mitocondria gasta parte del gradiente de protones.

  2. Fugas de protones. La membrana interna deja pasar algunos $\mathrm{H^+}$ sin que atraviesen la ATP sintasa; esa energía se libera como calor.

De la energía útil a la energía de los alimentos

Si conoces el rendimiento, puedes pasar de la energía útil a la energía total que se movilizó, y al revés. Basta con la relación: rendimiento = energía útil ÷ energía total.

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¿Qué significa que una vía metabólica tiene un rendimiento energético del $40\ \%$? Explica qué le ocurre al resto de la energía contenida en el alimento.

¿Qué significa que una vía metabólica tiene un rendimiento energético del $40\ \%$? Explica qué le ocurre al resto de la energía contenida en el alimento.

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Durante una maratón, un corredor realiza unos $10000\ \text{kJ}$ de trabajo útil. Si su organismo tiene un rendimiento global del $25\ \%$, calcula cuánta energía…

Durante una maratón, un corredor realiza unos $10000\ \text{kJ}$ de trabajo útil. Si su organismo tiene un rendimiento global del $25\ \%$, calcula cuánta energía química de los alimentos ha tenido que movilizar y razona por qué su cuerpo se calienta tanto durante la carrera.

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Energía por gramo de combustible

La energía de los alimentos se mide en kilocalorías (kcal). Una kilocaloría es la energía necesaria para calentar 1 kg de agua en 1 °C, y equivale a unos 4,18 kJ. Esa energía química se libera al oxidar el alimento y solo una parte queda guardada en el ATP; el resto sale como calor.

Un carbohidrato como la glucosa aporta unas 4 kcal/g y una grasa unas 9 kcal/g.

Barras que comparan la energía por gramo de glucosa (4 kcal) y de grasa (9 kcal) kcal/g 4 glucosa 9 grasa

¿Por qué? Los ácidos grasos tienen carbonos muy reducidos (muchos enlaces C–H y poco oxígeno), así que ceden más electrones a la cadena respiratoria por gramo. Además, el glucógeno se guarda con mucha agua, mientras que la grasa se almacena casi pura. Por eso las reservas a largo plazo, como la grasa que acumulan las aves migratorias antes de viajar, son lípidos.

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La energía de los alimentos se suele expresar en kilocalorías. Explica qué es una kilocaloría y qué relación tiene con la energía que la célula almacena finalmente en…

La energía de los alimentos se suele expresar en kilocalorías. Explica qué es una kilocaloría y qué relación tiene con la energía que la célula almacena finalmente en forma de ATP.

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La combustión de $1\ \text{g}$ de glucosa libera unas $4\ \text{kcal}$ y la de $1\ \text{g}$ de grasa unas $9\ \text{kcal}$. Explica a qué se debe esa diferencia y…

La combustión de $1\ \text{g}$ de glucosa libera unas $4\ \text{kcal}$ y la de $1\ \text{g}$ de grasa unas $9\ \text{kcal}$. Explica a qué se debe esa diferencia y calcula cuántos gramos de grasa aportan la misma energía que $90\ \text{g}$ de glucosa.

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El cuerpo humano gasta energía incluso en reposo absoluto (metabolismo basal). Nombra dos procesos que consumen ATP aunque estemos echados y quietos, y explica por qué…

El cuerpo humano gasta energía incluso en reposo absoluto (metabolismo basal). Nombra dos procesos que consumen ATP aunque estemos echados y quietos, y explica por qué son imprescindibles para seguir vivos.

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Vuelve al principio: un futbolista en La Paz obtiene unos 30-38 ATP por glucosa respirando, solo 2 si fermenta, y casi la mitad de la energía se disipa como calor, por eso termina con tanto calor.

Resumen

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