Exercicis: La respiració cel·lular

Escriu l'equació global de la respiració aeròbica de la glucosa i indica quina substància s'oxida i quina es redueix en el procés.

En quin lloc de la cèl·lula té lloc la glucòlisi i quins productes nets s'obtenen a partir d'una molècula de glucosa en aquesta etapa?

Anomena les quatre etapes de la respiració aeròbica i indica en quina part de la cèl·lula eucariota es localitza cadascuna.

Què és el piruvat i quines són les seves dues destinacions principals després de la glucòlisi segons si hi ha oxigen disponible o no? Indica quin tipus de via metabòlica segueix en cada cas.

Indica quina molècula actua com a acceptora final dels electrons en la cadena de transport d'electrons i quina substància es forma quan aquesta molècula es redueix.

Què és el cicle de Krebs? Indica quina molècula de dos carbonis hi entra procedent de l'oxidació del piruvat i quin gas es desprèn en les seves reaccions.

Defineix fermentació i anomena els dos tipus principals amb els seus productes finals, indicant un organisme o teixit que en realitzi cadascun.

Dibuixa o descriu un mitocondri assenyalant la seva membrana externa, la seva membrana interna amb les crestes i la matriu, i indica en quines zones tenen lloc el cicle de Krebs i la cadena respiratòria.

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

En l'esquema de la respiració aeròbica, indica quina etapa correspon a cadascuna de les caixes numerades (1, 2 i 3), anomena les molècules assenyalades amb A i B, i assenyala en quina part de la cèl·lula té lloc cada etapa.

Explica quin paper tenen el $\text{NAD}^+$ i el FAD en la respiració cel·lular i què els passa a les seves formes reduïdes (NADH i $\text{FADH}_2$) en la cadena de transport d'electrons.

En la fermentació làctica el piruvat es transforma en lactat. Explica per què aquest procés permet regenerar $\text{NAD}^+$ i en quines situacions l'utilitza la musculatura humana.

Per cada molècula de glucosa, la glucòlisi té un balanç net de $2\ \text{ATP}$ i $2$ NADH. Explica per què es parla de balanç «net», detallant quants ATP es consumeixen en la primera fase i quants se'n produeixen en la segona.

En el cicle de Krebs, l'acetil-CoA s'uneix a l'oxalacetat i, després d'una sèrie de reaccions, l'oxalacetat es regenera. Explica per què s'anomena «cicle» a aquesta ruta i detalla quins productes energètics i quin producte de rebuig es generen per cada volta.

L'ATP-sintasa funciona com un motor molecular rotatori. Explica què la fa girar, quina reacció catalitza i en quina membrana es localitza al mitocondri.

Els llevats i les nostres cèl·lules musculars poden respirar o fermentar segons l'oxigen disponible. Explica com «decideix» la cèl·lula entre una via i una altra (efecte Pasteur) i quin avantatge obté quan, en haver-hi oxigen, redueix el consum de glucosa mantenint la mateixa aportació d'ATP.

Els mitocondris tenen el seu propi ADN, els seus propis ribosomes i es divideixen per bipartició. Explica quin origen evolutiu suggereixen aquestes dades (teoria endosimbiòtica) i per què aquests orgànuls són el lloc adequat per allotjar la respiració cel·lular.

Per comprovar experimentalment la hipòtesi quimiosmòtica, s'aïllen mitocondris intactes i se suspenen en un medi a pH 8,0 sense ADP ni substrats oxidables. Després de permetre que la matriu arribi a aquest pH, es transfereixen bruscament a un medi a pH 4,0 que conté ADP i $\text{P}_i$, en absència total d'oxigen i de dadors d'electrons. a) Prediu justificadament si se sintetitzarà ATP en aquestes condicions artificials i descriu el mecanisme biofísic a través del qual l'ATP sintasa aprofita aquesta situació. b) Què passaria amb la síntesi d'ATP si prèviament s'hagués tractat la membrana mitocondrial interna amb una substància ionòfora que permet el lliure pas de protons? Justifica la teva resposta. c) Raona per què, en condicions fisiològiques normals, l'esgotament de l'oxigen atura la fosforilació oxidativa.

En un bioreactor industrial amb llevats (Saccharomyces cerevisiae) alimentats amb glucosa, es monitora el consum de substrat i els metabòlits formats. En una primera fase anaeròbica, els llevats consumeixen glucosa a gran velocitat produint etanol i $\text{CO}_2$. En injectar oxigen de manera contínua (segona fase), s'observa que la velocitat de consum de glucosa es redueix a una quarta part (efecte Pasteur) i cessa completament la producció d'etanol. a) Interpreta i justifica a escala bioenergètica per què els llevats consumeixen molta més glucosa per unitat de temps en anaerobiosi que en aerobiosi per mantenir la mateixa taxa de divisió cel·lular. b) Si en lloc de llevats se sotmetés a aquestes mateixes dues condicions un cultiu de cèl·lules musculars esquelètiques, prediu quin metabòlit orgànic s'acumularia en la primera fase i raona si es desprendria $\text{CO}_2$. c) Justifica la necessitat metabòlica comuna que obliga tant el llevat com la cèl·lula muscular a reduir el piruvat durant la fermentació.

El cianur bloqueja l'últim complex de la cadena respiratòria (la citocrom c oxidasa). Prediu què passarà amb el consum d'oxigen, amb la síntesi d'ATP i amb la destinació del piruvat en una cèl·lula intoxicada, i raona per què el cianur és letal encara que hi hagi glucosa disponible.

El 2,4-dinitrofenol (DNP) és un desacoblador: fa permeable la membrana mitocondrial interna als protons sense que es produeixi ATP. Prediu, raonant-ho, què passarà amb el consum d'oxigen, amb la síntesi d'ATP i amb la temperatura corporal de qui l'ingereix, i explica per què es va arribar a utilitzar com a aprimador amb conseqüències mortals.

El monòxid de carboni s'uneix a l'hemoglobina amb més afinitat que l'oxigen. a) Explica quin efecte té sobre el transport de $\text{O}_2$ cap als teixits. b) Raona quines etapes de la respiració cel·lular es veuran afectades i per què les cèl·lules passen a fermentar encara que disposin de glucosa. c) Compara el mecanisme de toxicitat del monòxid de carboni amb el del cianur.

Es realitzen assajos amb mitocondris aïllats als quals s'aporten diferents substrats respiratoris: en subministrar malat (que genera NADH intramitocondrial), es registra consum de $\text{O}_2$ i una relació de síntesi d'uns $2,5\ \text{ATP}$ per parell d'electrons; en afegir rotenona (inhibidor del Complex I), el consum de $\text{O}_2$ cessa, però es restableix en subministrar succinat (que redueix el FAD a $\text{FADH}_2$), rendint només uns $1,5\ \text{ATP}$ per parell d'electrons. a) Justifica a escala molecular i quimiosmòtica la causa biofísica d'aquesta diferència de rendiment energètic entre ambdós substrats. b) Dedueix raonadament què passaria amb el consum de $\text{O}_2$ i amb la síntesi d'ATP a partir de succinat si s'afegeix un inhibidor específic del Complex IV (citocrom c oxidasa). c) Al múscul esquelètic, els electrons del NADH glucolític entren a la cadena respiratòria mitjançant la llançadora del glicerol-3-fosfat, mentre que al miocardi ho fan a través de la llançadora de malat-aspartat. Calcula la diferència en el balanç net total d'ATP per mol de glucosa completament oxidada entre ambdós teixits i justifica la causa metabòlica d'aquesta discrepància.

S'analitzen biòpsies musculars d'un velocista durant una cursa d'esforç màxim. En els primers $2$ a $3$ segons de cursa, la concentració cel·lular d'ATP es manté gairebé invariable ($[\text{ATP}] \approx 5\ \text{mmol/kg}$), mentre que la fosfocreatina descendeix dràsticament de $25$ a $8\ \text{mmol/kg}$. A partir del quart segon, el lactat augmenta ràpidament d'$1,5$ a $12\ \text{mmol/kg}$ i la potència mecànica comença a disminuir.

1. a) Justifica bioquímicament per què la concentració d'ATP roman pràcticament constant a l'inici malgrat que la hidròlisi per les miosina-ATPases és massiva.
2. b) Prediu què passaria amb els nivells d'ATP, amb l'acumulació de lactat i amb el rendiment en els primers $3$ segons si s'administrés a les fibres musculars un inhibidor selectiu de la creatina-cinasa.
3. c) Compara la velocitat de resíntesi d'ATP i la capacitat total de producció energètica del sistema fosfocreatina enfront de la respiració mitocondrial, justificant per què un atleta no pot mantenir la seva velocitat punta al llarg d'una prova de $400\text{ metres}$.

En un debat de classe sobre l'origen cel·lular, un estudiant afirma: «Els enzims de la glucòlisi i els de la cadena de transport electrònic mitocondrial van haver d'evolucionar alhora en les primeres cèl·lules vives per evitar que s'esgotés el $\text{NAD}^+$ citosòlic».

1. a) Rebat l'afirmació de l'estudiant aportant dos arguments geoquímics sobre les condicions de l'atmosfera de la Terra primitiva i un argument evolutiu fonamentat en la teoria endosimbiòtica.
2. b) Si els primers organismes no disposaven d'oxigen ni de sistemes de transport electrònic dependents de membranes complexes, justifica bioquímicament la necessitat ineludible d'acoblar la glucòlisi a reaccions de fermentació per a la continuïtat de la vida cel·lular.
3. c) Prediu què li passaria a un bacteri anaerobi estricte, la única via de regeneració del $\text{NAD}^+$ del qual és la fermentació làctica, si una mutació inactivés la seva lactat-deshidrogenasa en un medi on la glucosa és la seva única font de carboni i energia.