El rendiment energètic

Quantes molècules d'ATP netes s'obtenen en la glucòlisi per cada glucosa i quantes en total (xifra teòrica clàssica) en respirar-la completament de manera aeròbica?

Indica quantes molècules d'ATP s'obtenen, segons els valors actuals acceptats, per cada NADH i per cada $\text{FADH}_2$ que lliuren els seus electrons a la cadena respiratòria.

En la respiració aeròbica s'obtenen uns $36$-$38\ \text{ATP}$ per glucosa, dels quals només $2$ provenen de la glucòlisi. Calcula quin percentatge del rendiment total aporten les etapes mitocondrials (prenent $36\ \text{ATP}$ com a total) i comenta el resultat.

Per què la fermentació és molt menys rentable energèticament que la respiració aeròbica, encara que ambdues comencin amb la glucòlisi? Explica què li passa al piruvat en cada cas.

Ordena de més a menys rendiment energètic per molècula de glucosa: la respiració aeròbica, la fermentació làctica i la fermentació alcohòlica. Justifica l'ordre.

Calcula quantes molècules de glucosa necessita degradar una cèl·lula per obtenir $180\ \text{ATP}$ per via aeròbica ($36\ \text{ATP/glucosa}$) i quantes per fermentació ($2\ \text{ATP/glucosa}$). Comenta quina implicació té aquesta diferència per als organismes anaerobis.

Què significa que una via metabòlica té un rendiment energètic del $40\ \%$? Explica què li passa a la resta de l'energia continguda en l'aliment.

La combustió de $1\ \text{g}$ de glucosa allibera unes $4\ \text{kcal}$ i la de $1\ \text{g}$ de greix unes $9\ \text{kcal}$. Explica a què es deu aquesta diferència i calcula quants grams de greix aporten la mateixa energia que $90\ \text{g}$ de glucosa.

En condicions estàndard bioquímiques ($\text{pH} = 7{,}0$, $25\ ^\circ\text{C}$), la combustió completa d'$1\ \text{mol}$ de glucosa rendeix $\Delta G^{\circ\prime} = -2870\ \text{kJ/mol}$ i la hidròlisi d'$1\ \text{mol}$ d'ATP rendeix $\Delta G^{\circ\prime} = -30{,}5\ \text{kJ/mol}$. Tanmateix, al citoplasma d'un hepatòcit viu, les concentracions reals d'ATP, ADP i $\text{P}_\text{i}$ fan que la fosforil·lació d'ADP requereixi al voltant de $+50{,}0\ \text{kJ/mol}$, i s'obtenen experimentalment uns $30\ \text{mol d'ATP}$ nets per mol de glucosa oxidada.

1. a) Calcula i compara el rendiment energètic percentual teòric en condicions estàndard (suposant $36\ \text{ATP/glucosa}$) enfront del rendiment termodinàmic real intracel·lular. Justifica el destí de la fracció d'energia lliure que no s'emmagatzema en els enllaços fosfat de l'ATP i la seva transcendència per als animals homeoterms.
2. b) El 2,4-dinitrofenol (DNP) és una molècula lipòfila capaç de transportar protons a través de la membrana mitocondrial interna dissipant el gradient electroquímic. Prediu raonadament com afectarà el tractament amb DNP al rendiment net d'ATP per glucosa, a la taxa de consum d'$\text{O}_2$ per la cèl·lula i a la temperatura corporal de l'organisme.

Durant una marató, un corredor realitza uns $10000\ \text{kJ}$ de treball útil. Si el seu organisme té un rendiment global del $25\ \%$, calcula quanta energia química dels aliments ha hagut de mobilitzar i raona per què el seu cos s'escalfa tant durant la cursa.

L'encèfal humà adult té una massa d'uns $1400\ \text{g}$ (al voltant del $2\ \%$ de la massa corporal), però consumeix en repòs el $20\ \%$ de l'oxigen i de la glucosa de tot l'organisme, degradant aproximadament $120\ \text{g}$ de glucosa al dia (massa molar $= 180\ \text{g/mol}$).

1. a) Justifica a nivell molecular i de transport de membrana quins processos fisiològics continus de les neurones expliquen una despesa basal d'ATP tan gran en repòs.
2. b) Calcula els mols d'ATP diaris produïts per l'encèfal assumint un rendiment net de $30\ \text{mol d'ATP}$ per mol de glucosa oxidada. Si la reserva total intracel·lular d'ATP en el teixit cerebral és de $2{,}5\ \mu\text{mol/g}$, calcula per a quants segons d'activitat arribaria aquesta reserva si s'aturés de manera instantània la fosforilació oxidativa.
3. c) A partir dels resultats de b), justifica per què una isquèmia cerebral provoca la pèrdua de consciència en menys de $10\ \text{segons}$ i explica per què l'encèfal no pot sostenir la seva viabilitat energètica mitjançant fermentació a partir de glucogen endogen, a diferència de les fibres musculars esquelètiques.

Un ocell migratori de $30\ \text{g}$ ha d'afrontar una travessia ininterrompuda que requereix una despesa energètica metabòlica equivalent a $2\ \text{mol}$ d'ATP.

Dades:

• Glucosa: $180\ \text{g/mol}$; rendiment = $36\ \text{mol}$ d'ATP per mol de glucosa. El glucogen s'emmagatzema hidratat juntament amb $2\ \text{g}$ d'aigua per cada gram de polisacàrid sec.

• Àcid palmític: $256\ \text{g/mol}$; rendiment = $106\ \text{mol}$ d'ATP per mol d'àcid gras. Els triacilglicerols s'emmagatzemen en forma anhidra.

1. a) Calcula la massa total de reserva (en grams) que hauria d'incorporar l'ocell al seu cos abans del viatge si emmagatzemés aquesta energia exclusivament en forma de greix enfront de si ho fes exclusivament com a glucogen hidratat.
2. b) A partir dels resultats obtinguts, interpreta la repercussió biomecànica sobre el vol i prediu què passaria amb la viabilitat de la migració en cas d'usar glucogen.
3. c) Justifica bioquímicament per què un gram sec d'àcid palmític rendeix més del doble d'ATP que un gram de glucosa, atenent al grau d'oxidació dels seus àtoms de carboni.