Ejercicios: La respiración celular

Escriba la ecuación global de la respiración aeróbica de la glucosa e indique 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?

Nombre las cuatro etapas de la respiración aeróbica e indique 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? Indique qué tipo de vía metabólica sigue en cada caso.

Indique 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? Indique qué molécula de dos carbonos entra en él procedente de la oxidación del piruvato y qué gas se desprende en sus reacciones.

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

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

Puede hacerlo en papel y enviar una foto con su respuesta.

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

Explique 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. Explique 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. Explique 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. Explique por qué se denomina «ciclo» a esta ruta y detalle qué productos energéticos y qué producto de desecho se generan por cada vuelta.

La ATP sintasa funciona como un motor molecular rotatorio. Explique 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. Explique 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. Explique qué origen evolutivo sugieren estos datos (teoría endosimbiótica) y por qué estos orgánulos 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) Interprete y justifique 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, prediga qué metabolito orgánico se acumularía en la primera fase y razone si se desprendería $\text{CO}_2$. c) Justifique 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). Prediga qué ocurrirá con el consumo de oxígeno, con la síntesis de ATP y con el destino del piruvato en una célula intoxicada, y razone 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. Prediga, razonándolo, qué ocurrirá con el consumo de oxígeno, con la síntesis de ATP y con la temperatura corporal de quien lo ingiere, y explique 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) Explique qué efecto tiene sobre el transporte de $\text{O}_2$ hacia los tejidos. b) Razone qué etapas de la respiración celular se verán afectadas y por qué las células pasan a fermentar aunque dispongan de glucosa. c) Compare el mecanismo de toxicidad del monóxido de carbono con el del cianuro.

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) Rebata 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, justifique bioquímicamente la necesidad ineludible de acoplar la glucólisis a reacciones de fermentación para la continuidad de la vida celular.
3. c) Prediga 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.