Ejercicios: La respiración celular

Escribe la ecuación global de la respiración aeróbica de la glucosa e indica qué sustancia se oxida y cuál se reduce en el proceso.

¿En qué lugar de la célula ocurre la glucólisis y qué productos netos se obtienen a partir de una molécula de glucosa en esta etapa?

Nombra las cuatro etapas de la respiración aeróbica e indica en qué parte de la célula eucariota se localiza cada una de ellas.

¿Qué es el piruvato y cuáles son sus dos destinos principales tras la glucólisis según haya o no oxígeno disponible? Indica qué tipo de vía metabólica sigue en cada caso.

Indica qué molécula actúa como aceptora final de los electrones en la cadena de transporte de electrones y qué sustancia se forma cuando esa molécula se reduce.

¿Qué es el ciclo de Krebs? Indica qué molécula de dos carbonos entra en él procedente de la oxidación del piruvato y qué gas se desprende en sus reacciones.

Define fermentación y nombra los dos tipos principales con sus productos finales, indicando un organismo o tejido que realice cada uno.

Dibuja o describe una mitocondria señalando su membrana externa, su membrana interna con las crestas y la matriz, e indica en qué zonas ocurren el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

En el esquema de la respiración aeróbica, indica qué etapa corresponde a cada una de las cajas numeradas (1, 2 y 3), nombra las moléculas señaladas con A y B, y señala en qué parte de la célula ocurre cada etapa.

Explica qué papel desempeñan el $\text{NAD}^+$ y el FAD en la respiración celular y qué les ocurre a sus formas reducidas (NADH y $\text{FADH}_2$) en la cadena de transporte de electrones.

En la fermentación láctica el piruvato se transforma en lactato. Explica por qué este proceso permite regenerar $\text{NAD}^+$ y en qué situaciones lo utiliza la musculatura humana.

Por cada molécula de glucosa, la glucólisis tiene un balance neto de $2\ \text{ATP}$ y $2$ NADH. Explica por qué se habla de balance «neto», detallando cuántos ATP se consumen en la primera fase y cuántos se producen en la segunda.

En el ciclo de Krebs, el acetil-CoA se une al oxalacetato y, tras una serie de reacciones, el oxalacetato se regenera. Explica por qué se denomina «ciclo» a esta ruta y detalla qué productos energéticos y qué producto de desecho se generan por cada vuelta.

La ATP sintasa funciona como un motor molecular rotatorio. Explica qué la hace girar, qué reacción cataliza y en qué membrana se localiza en la mitocondria.

Las levaduras y nuestras células musculares pueden respirar o fermentar según el oxígeno disponible. Explica cómo «decide» la célula entre una vía y otra (efecto Pasteur) y qué ventaja obtiene cuando, al haber oxígeno, reduce el consumo de glucosa manteniendo el mismo aporte de ATP.

Las mitocondrias poseen su propio ADN, sus propios ribosomas y se dividen por bipartición. Explica qué origen evolutivo sugieren estos datos (teoría endosimbiótica) y por qué estos organelos son el lugar adecuado para albergar la respiración celular.

Para comprobar experimentalmente la hipótesis quimiosmótica, se aíslan mitocondrias intactas y se suspenden en un medio a pH 8,0 sin ADP ni sustratos oxidables. Tras permitir que la matriz alcance ese pH, se transfieren bruscamente a un medio a pH 4,0 que contiene ADP y $\text{P}_i$, en ausencia total de oxígeno y de dadores de electrones. a) Predice justificadamente si se sintetizará ATP en estas condiciones artificiales y describe el mecanismo biofísico a través del cual la ATP sintasa aprovecha dicha situación. b) ¿Qué ocurriría con la síntesis de ATP si previamente se hubiera tratado la membrana mitocondrial interna con una sustancia ionófora que permite el libre paso de protones? Justifica tu respuesta. c) Razona por qué, en condiciones fisiológicas normales, el agotamiento del oxígeno detiene la fosforilación oxidativa.

En un biorreactor industrial con levaduras (Saccharomyces cerevisiae) alimentadas con glucosa, se monitorea el consumo de sustrato y los metabolitos formados. En una primera fase anaeróbica, las levaduras consumen glucosa a gran velocidad produciendo etanol y $\text{CO}_2$. Al inyectar oxígeno de forma continua (segunda fase), se observa que la velocidad de consumo de glucosa se reduce a una cuarta parte (efecto Pasteur) y cesa por completo la producción de etanol. a) Interpreta y justifica a nivel bioenergético por qué las levaduras consumen mucha más glucosa por unidad de tiempo en anaerobiosis que en aerobiosis para mantener la misma tasa de división celular. b) Si en lugar de levaduras se sometiera a esas mismas dos condiciones un cultivo de células musculares esqueléticas, predice qué metabolito orgánico se acumularía en la primera fase y razona si se desprendería $\text{CO}_2$. c) Justifica la necesidad metabólica común que obliga tanto a la levadura como a la célula muscular a reducir el piruvato durante la fermentación.

El cianuro bloquea el último complejo de la cadena respiratoria (la citocromo c oxidasa). Predice qué ocurrirá con el consumo de oxígeno, con la síntesis de ATP y con el destino del piruvato en una célula intoxicada, y razona por qué el cianuro es letal aunque haya glucosa disponible.

El 2,4-dinitrofenol (DNP) es un desacoplante: hace permeable la membrana mitocondrial interna a los protones sin que se produzca ATP. Predice, razonándolo, qué ocurrirá con el consumo de oxígeno, con la síntesis de ATP y con la temperatura corporal de quien lo ingiere, y explica por qué llegó a utilizarse como adelgazante con consecuencias mortales.

El monóxido de carbono se une a la hemoglobina con más afinidad que el oxígeno. a) Explica qué efecto tiene sobre el transporte de $\text{O}_2$ hacia los tejidos. b) Razona qué etapas de la respiración celular se verán afectadas y por qué las células pasan a fermentar aunque dispongan de glucosa. c) Compara el mecanismo de toxicidad del monóxido de carbono con el del cianuro.

Se realizan ensayos con mitocondrias aisladas a las que se aportan distintos sustratos respiratorios: al suministrar malato (que genera NADH intramitocondrial), se registra consumo de $\text{O}_2$ y una relación de síntesis de unos $2,5\ \text{ATP}$ por par de electrones; al añadir rotenona (inhibidor del Complejo I), el consumo de $\text{O}_2$ cesa, pero se restablece al suministrar succinato (que reduce el FAD a $\text{FADH}_2$), rindiendo solo unos $1,5\ \text{ATP}$ por par de electrones. a) Justifica a nivel molecular y quimiosmótico la causa biofísica de esta diferencia de rendimiento energético entre ambos sustratos. b) Deduce razonadamente qué ocurriría con el consumo de $\text{O}_2$ y con la síntesis de ATP a partir de succinato si se añade un inhibidor específico del Complejo IV (citocromo c oxidasa). c) En el músculo esquelético, los electrones del NADH glucolítico entran a la cadena respiratoria mediante la lanzadera del glicerol-3-fosfato, mientras que en el miocardio lo hacen a través de la lanzadera de malato-aspartato. Calcula la diferencia en el balance neto total de ATP por mol de glucosa completamente oxidada entre ambos tejidos y justifica la causa metabólica de dicha discrepancia.

Se analizan biopsias musculares de un velocista durante una carrera de esfuerzo máximo. En los primeros $2$ a $3$ segundos de carrera, la concentración celular de ATP se mantiene casi invariable ($[\text{ATP}] \approx 5\ \text{mmol/kg}$), mientras que la fosfocreatina desciende drásticamente de $25$ a $8\ \text{mmol/kg}$. A partir del cuarto segundo, el lactato aumenta rápidamente de $1,5$ a $12\ \text{mmol/kg}$ y la potencia mecánica comienza a disminuir.

1. a) Justifica bioquímicamente por qué la concentración de ATP permanece prácticamente constante al inicio a pesar de que la hidrólisis por las miosina-ATPasas es masiva.
2. b) Predice qué ocurriría con los niveles de ATP, con la acumulación de lactato y con el rendimiento en los primeros $3$ segundos si se administrara a las fibras musculares un inhibidor selectivo de la creatina cinasa.
3. c) Compara la velocidad de resíntesis de ATP y la capacidad total de producción energética del sistema fosfocreatina frente a la respiración mitocondrial, justificando por qué un atleta no puede mantener su velocidad máxima a lo largo de una prueba de $400\text{ metros}$.

En un debate de clase sobre el origen celular, un estudiante afirma: «Las enzimas de la glucólisis y las de la cadena de transporte electrónico mitocondrial debieron evolucionar a la vez en las primeras células vivas para evitar que se agotara el $\text{NAD}^+$ citosólico».

1. a) Rebate la afirmación del estudiante aportando dos argumentos geoquímicos sobre las condiciones de la atmósfera de la Tierra primitiva y un argumento evolutivo fundamentado en la teoría endosimbiótica.
2. b) Si los primeros organismos no disponían de oxígeno ni de sistemas de transporte electrónico dependientes de membranas complejas, justifica bioquímicamente la necesidad ineludible de acoplar la glucólisis a reacciones de fermentación para la continuidad de la vida celular.
3. c) Predice qué le ocurriría a una bacteria anaerobia estricta, cuya única vía de regeneración del $\text{NAD}^+$ es la fermentación láctica, si una mutación inactivara su lactato deshidrogenasa en un medio donde la glucosa es su única fuente de carbono y energía.