El rendimiento energético de la respiración

¿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?

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.

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

El NADH producido en la glucólisis debe introducir sus electrones en la mitocondria mediante sistemas lanzadera: el del malato-aspartato rinde unos $2,5\ \text{ATP}$ por NADH y el del glicerol-fosfato unos $1,5\ \text{ATP}$. Explica por qué el rendimiento total de la respiración de una glucosa varía entre unos $30$ y $32\ \text{ATP}$ según el tejido, calculando ambos valores a partir del resto de coenzimas (que rinden $23\ \text{ATP}$) y de los $4\ \text{ATP}$ obtenidos por fosforilación a nivel de sustrato.

¿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.

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

¿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.

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.

El gráfico compara las moléculas de ATP que se obtienen por cada molécula de glucosa según la vía metabólica utilizada. Un cultivo de levaduras sin oxígeno degrada $100\ \text{mol}$ de glucosa por fermentación alcohólica. Calcula, a partir del gráfico, cuántos moles de ATP obtiene, cuántos obtendría si respirara esa misma glucosa de forma aeróbica y cuántas veces es más rentable la vía aeróbica.

En la fermentación alcohólica se obtienen $2\ \text{mol}$ de ATP por mol de glucosa. Calcula cuántos moles de glucosa harían falta fermentar para igualar el ATP que se obtiene al respirar un solo mol de glucosa, y razona qué problema supone esto para un microorganismo anaerobio en un medio pobre en azúcar.

En un quimiostato de laboratorio se cultiva una comunidad microbiana mixta compuesta por dos especies con idéntica afinidad por la glucosa: una levadura con respiración aerobia facultativa y una bacteria fermentadora estricta (anaerobia obligada).

1. a) Si el biorreactor, mantenido inicialmente sin oxígeno, comienza a ser oxigenado continuamente manteniendo constante el aporte de glucosa, predice la evolución de la biomasa de ambas poblaciones y la variación en el consumo específico de glucosa por célula (efecto Pasteur). Justifica tu predicción relacionando la eficiencia energética de ambas vías catabólicas con la síntesis de macromoléculas.
2. b) Un estudiante argumenta que, al ser la respiración aeróbica termodinámicamente más eficiente, la fermentación es una ruta biológica primitiva destinada a desaparecer por selección natural. Rebate esta afirmación proponiendo dos situaciones fisiológicas o nichos ecológicos actuales donde la fermentación constituya la estrategia metabólica óptima o insustituible, justificando el porqué en cada caso.

¿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.

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.

Durante una carrera de velocidad máxima de $100\ \text{m}$, las fibras musculares de contracción rápida demandan ATP a una tasa aproximada de $3{,}5\ \text{mmol}/(\text{kg}\cdot\text{s})$. En esas mismas fibras, la fosforilación oxidativa mitocondrial tiene una velocidad máxima de producción de apenas $0{,}4\ \text{mmol}/(\text{kg}\cdot\text{s})$, mientras que la fermentación homoláctica puede generar hasta $4{,}0\ \text{mmol}/(\text{kg}\cdot\text{s})$.

1. a) A partir de estos datos cinéticos, justifica por qué a la célula muscular le resulta energéticamente rentable activar de forma masiva la fermentación láctica pese a que su rendimiento estequiométrico por mol de glucosa es unas 16-18 veces menor que el de la respiración aeróbica.
2. b) Predice qué consecuencias metabólicas e intracelulares inmediatas (en relación con el pH, la disponibilidad de sustrato y la actividad de enzimas como la fosfofructocinasa-1) se producirían si se intentara sostener ese ritmo fermentativo durante varios minutos, justificando por qué aparece la fatiga muscular.

El balance teórico clásico de la respiración celular predice la síntesis de $36$ a $38\ \text{ATP}$ por molécula de glucosa, pero las medidas in vivo en mitocondrias de mamíferos demuestran que el rendimiento real rara vez supera los $30$-$32\ \text{ATP}$.

1. a) Justifica a nivel molecular y termodinámico dos causas fisiológicas que expliquen este desfase, haciendo referencia a la utilización y disipación del gradiente electroquímico de protones entre el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial.
2. b) El tejido adiposo pardo de los mamíferos hibernantes y los recién nacidos expresa en su membrana mitocondrial interna la proteína desacoplante termogenina (UCP-1). Aplica la hipótesis quimiosmótica de Mitchell para explicar cómo la UCP-1 altera la relación $\text{ATP/O}_2$ consumido y deduce qué ventaja adaptativa proporciona frente al estrés térmico por frío.

Un laboratorio de ecofisiología compara el gasto metabólico de un mamífero homeotermo (un ratón de $25\ \text{g}$) y de un reptil poiquilotermo (un lagarto de $25\ \text{g}$) midiendo el consumo de $\text{O}_2$ (en $\text{mL}\ \text{O}_2\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{h}^{-1}$) a distintas temperaturas ambientales.

1. a) Predice cómo variará el consumo de $\text{O}_2$ en cada animal cuando la temperatura ambiente desciende bruscamente de $22\ \text{°C}$ a $6\ \text{°C}$. Justifica la respuesta relacionando la respiración celular con el mantenimiento de la temperatura corporal en homeotermos.
2. b) En una situación de escasez extrema de alimento durante varias semanas, el lagarto sobrevive manteniéndose inactivo, mientras que el ratón muere en cuestión de 24 a 48 horas si se agotan sus reservas. Justifica este hecho a partir de la tasa metabólica basal y el destino del ATP en ambos animales.
3. c) En ambientes fríos, los mamíferos activan la termogénesis en el tejido adiposo pardo mediante la proteína desacopladora termogenina (UCP-1) de la membrana mitocondrial interna. Explica cómo altera esta proteína la fosforilación oxidativa para disipar energía en forma de calor sin síntesis de ATP.

En condiciones estándar bioquímicas ($\text{pH} = 7{,}0$, $25\ ^\circ\text{C}$), la combustión completa de $1\ \text{mol}$ de glucosa rinde $\Delta G^{\circ\prime} = -2870\ \text{kJ/mol}$ y la hidrólisis de $1\ \text{mol}$ de ATP rinde $\Delta G^{\circ\prime} = -30{,}5\ \text{kJ/mol}$. Sin embargo, en el citoplasma de un hepatocito vivo, las concentraciones reales de ATP, ADP y $\text{P}_\text{i}$ hacen que la fosforilación de ADP requiera en torno a $+50{,}0\ \text{kJ/mol}$, obteniéndose experimentalmente unos $30\ \text{mol de ATP}$ netos por mol de glucosa oxidada.

1. a) Calcula y compara el rendimiento energético porcentual teórico en condiciones estándar (suponiendo $36\ \text{ATP/glucosa}$) frente al rendimiento termodinámico real intracelular. Justifica el destino de la fracción de energía libre que no se almacena en los enlaces fosfato del ATP y su trascendencia para los animales homeotermos.
2. b) El 2,4-dinitrofenol (DNP) es una molécula lipófila capaz de transportar protones a través de la membrana mitocondrial interna disipando el gradiente electroquímico. Predice razonadamente cómo afectará el tratamiento con DNP al rendimiento neto de ATP por glucosa, a la tasa de consumo de $\text{O}_2$ por la célula y a la temperatura corporal del organismo.

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.

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

Una persona ingiere en una comida $100\ \text{g}$ de glucosa (masa molar $180\ \text{g/mol}$, es decir, unos $0,56\ \text{mol}$). Calcula cuántos moles de ATP puede obtener su organismo por vía aeróbica ($36\ \text{ATP}$ por glucosa) y a cuántos gramos de ATP equivalen (masa molar del ATP, $507\ \text{g/mol}$). Comenta la cifra obtenida.

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.

El encéfalo humano adulto tiene una masa de unos $1400\ \text{g}$ (en torno al $2\ \%$ de la masa corporal), pero consume en reposo el $20\ \%$ del oxígeno y de la glucosa de todo el organismo, degradando aproximadamente $120\ \text{g}$ de glucosa al día (masa molar $= 180\ \text{g/mol}$).

1. a) Justifica a nivel molecular y de transporte de membrana qué procesos fisiológicos continuos de las neuronas explican semejante gasto basal de ATP en reposo.
2. b) Calcula los moles de ATP diarios producidos por el encéfalo asumiendo un rendimiento neto de $30\ \text{mol de ATP}$ por mol de glucosa oxidada. Si la reserva total intracelular de ATP en el tejido cerebral es de $2{,}5\ \mu\text{mol/g}$, calcula para cuántos segundos de actividad alcanzaría esa reserva si se detuviera de forma instantánea la fosforilación oxidativa.
3. c) A partir de los resultados de b), justifica por qué una isquemia cerebral provoca la pérdida de conciencia en menos de $10\ \text{segundos}$ y explica por qué el encéfalo no puede sostener su viabilidad energética mediante fermentación a partir de glucógeno endógeno, a diferencia de las fibras musculares esqueléticas.

Un ave migratoria de $30\ \text{g}$ debe afrontar una travesía ininterrumpida que requiere un gasto energético metabólico equivalente a $2\ \text{mol}$ de ATP.

Datos:

• Glucosa: $180\ \text{g/mol}$; rendimiento = $36\ \text{mol}$ de ATP por mol de glucosa. El glucógeno se almacena hidratado junto a $2\ \text{g}$ de agua por cada gramo de polisacárido seco.

• Ácido palmítico: $256\ \text{g/mol}$; rendimiento = $106\ \text{mol}$ de ATP por mol de ácido graso. Los triacilgliceroles se almacenan en forma anhidra.

1. a) Calcula la masa total de reserva (en gramos) que debería incorporar el ave a su cuerpo antes del viaje si almacenara dicha energía exclusivamente en forma de grasa frente a si lo hiciera exclusivamente como glucógeno hidratado.
2. b) A partir de los resultados obtenidos, interpreta la repercusión biomecánica sobre el vuelo y predice qué sucedería con la viabilidad de la migración en caso de usar glucógeno.
3. c) Justifica bioquímicamente por qué un gramo seco de ácido palmítico rinde más del doble de ATP que un gramo de glucosa, atendiendo al grado de oxidación de sus átomos de carbono.