Ejercicios: El rendimiento energético

¿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?

¿Por qué la fermentación es mucho menos rentable energéticamente que la respiración aeróbica, aunque ambas comiencen con la glucólisis? Explicá qué le ocurre al piruvato en cada caso.

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

¿Qué significa que una vía metabólica tiene un rendimiento energético del $40\ \%$? Explicá qué le ocurre al resto de la energía contenida en el alimento.

Indicá 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.

La energía de los alimentos se suele expresar en kilocalorías. Explicá qué es una kilocaloría y qué relación tiene con la energía que la célula almacena finalmente en forma de ATP.

¿Por qué los organismos que respiran aeróbicamente pueden mantener cuerpos más grandes y activos que los que solo fermentan? Relacioná tu respuesta con el rendimiento energético de cada vía.

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

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

Calculá cuántas moléculas de glucosa necesita degradar una célula para obtener $180\ \text{ATP}$ por vía aeróbica ($36\ \text{ATP/glucosa}$) y cuántas por fermentación ($2\ \text{ATP/glucosa}$). Comentá 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. Calculá, 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.

Una persona ingiere en una comida $100\ \text{g}$ de glucosa (masa molar $180\ \text{g/mol}$, es decir, unos $0.56\ \text{mol}$). Calculá 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, $507\ \text{g/mol}$). Comentá la cifra obtenida.

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

La combustión de $1\ \text{g}$ de glucosa libera unas $4\ \text{kcal}$ y la de $1\ \text{g}$ de grasa unas $9\ \text{kcal}$. Explicá a qué se debe esa diferencia y calculá cuántos gramos de grasa aportan la misma energía que $90\ \text{g}$ de glucosa.

Durante un maratón, un corredor realiza unos $10000\ \text{kJ}$ de trabajo útil. Si su organismo tiene un rendimiento global del $25\ \%$, calculá cuánta energía química de los alimentos ha tenido que movilizar y razoná por qué su cuerpo se calienta tanto durante la carrera.

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, predecí la evolución de la biomasa de ambas poblaciones y la variación en el consumo específico de glucosa por célula (efecto Pasteur). Justificá 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. Rebatí 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.

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) Justificá 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) Calculá 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 $2.5\ \mu\text{mol/g}$, calculá 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), justificá por qué una isquemia cerebral provoca la pérdida de conciencia en menos de $10\ \text{segundos}$ y explicá 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) Calculá 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, interpretá la repercusión biomecánica sobre el vuelo y predecí qué sucedería con la viabilidad de la migración en caso de usar glucógeno.
3. c) Justificá 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.

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 $\text{mL}\ \text{O}_2\times\text{g}^{-1}\times\text{h}^{-1}$) a distintas temperaturas ambientales.

1. a) Predecí cómo variará el consumo de $\text{O}_2$ en cada animal cuando la temperatura ambiente desciende bruscamente de $22\ \text{°C}$ a $6\ \text{°C}$. Justificá 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 perece en cuestión de 24 a 48 horas si se agotan sus reservas. Justificá 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. Explicá cómo altera esta proteína la fosforilación oxidativa para disipar energía en forma de calor sin síntesis de ATP.

Reto del tema. Diseñá una auditoría bioenergética que conecte el flujo solar ambiental con tu propio gasto metabólico diario.

1. Toma de datos: Revisá la etiqueta nutricional de un alimento cotidiano rico en glúcidos y lípidos. Después, consultá en el portal del MARN (Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales) la radiación solar global media ($15.4\text{ MJ/m}^2$, por ejemplo) registrada en tu departamento esta semana.

2. Origen autótrofo: Describí cómo la fotosíntesis oxigénica fijó ese carbono en los ingredientes vegetales y contrastala con el aprovechamiento de energía inorgánica en la quimiosíntesis bacteriana del suelo agrícola.

3. Catabolismo y rendimiento: Modelá la degradación celular de una ración: calculá y compará el rendimiento energético neto de la glucosa en la respiración celular (unos $30.5\text{ ATP}$) frente a la $\beta$-oxidación de los ácidos grasos y el catabolismo de los aminoácidos procedentes de las proteínas (desaminación y oxidación de sus esqueletos carbonados), justificando las diferencias moleculares de ATP obtenido.

4. Anabolismo heterótrofo: Elaborá una propuesta razonada que explique qué rutas de anabolismo heterótrofo (glucogenogénesis o lipogénesis) activará tu organismo si consumís ese alimento en reposo frente a si realizás ejercicio intenso.

Presentá los resultados en un informe breve con esquemas de balance bioenergético.

Se valorará:

• Precisión en el cálculo comparativo del rendimiento energético en ATP entre sustratos.

• Integración rigurosa de los procesos de fijación autótrofa (fotosíntesis frente a quimiosíntesis).

• Coherencia metabólica al interconectar rutas catabólicas y anabolismo heterótrofo según el contexto celular.