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? 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.

¿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.

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.

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.

¿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.

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.

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

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.

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.

En la fermentación alcohólica se obtienen $2\ \text{mol}$ de ATP por mol de glucosa. Calcula cuántos moles de glucosa haría 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.

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.

Durante una maratón, un corredor consume unos $10000\ \text{kJ}$ de trabajo y calor útiles. 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.

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 $28\ \text{ATP}$) y de los $4\ \text{ATP}$ obtenidos por fosforilación a nivel de sustrato.

Durante un esfuerzo intenso, las fibras musculares pasan a fermentar aunque dispongan de algo de oxígeno. Razona por qué les puede compensar utilizar una vía que rinde unas $18$ veces menos ATP por glucosa, haciendo referencia a la velocidad de producción de ATP de cada vía.

La combustión completa de $1\ \text{mol}$ de glucosa libera unos $2870\ \text{kJ}$, y la hidrólisis de $1\ \text{mol}$ de ATP aprovecha unos $30,5\ \text{kJ}$. Calcula el rendimiento energético (en %) de la respiración aeróbica suponiendo que se obtienen $36\ \text{mol}$ de ATP por mol de glucosa, y compáralo con el de un motor de combustión (en torno al $25\ \%$).

El rendimiento real de la respiración en la célula (en torno a $30\ \text{ATP}$ por glucosa) es menor que el teórico ($36$-$38\ \text{ATP}$). Explica dos factores que reducen el rendimiento real (costes de transporte al interior mitocondrial, fugas de protones a través de la membrana) y describe qué alternativa fisiológica aprovecha esas fugas para producir calor.

Las bacterias anaerobias que fermentan prosperan en medios sin oxígeno, pero son desplazadas por los aerobios cuando el medio se oxigena. Razona por qué los aerobios ganan la competencia por el mismo alimento en presencia de oxígeno (ten en cuenta que su vía rinde unas $18$ veces más ATP por glucosa) y explica por qué, a pesar de ello, la fermentación no ha desaparecido de la biosfera.

Un cultivo celular recibe glucosa marcada radiactivamente solo en su carbono 1. Propón, razonándolo, en qué moléculas irá apareciendo la marca a medida que la glucosa se respira por completo (piruvato, acetil-CoA, $\text{CO}_2$) y explica cómo este tipo de experimentos con trazadores permitió descifrar las rutas metabólicas.

El cerebro humano supone solo el $2\ \%$ de la masa corporal pero consume en reposo cerca del $20\ \%$ del ATP total. a) Razona qué procesos neuronales (bombas de iones, potenciales eléctricos, reciclado de neurotransmisores) justifican ese gasto. b) Sabiendo que el cerebro consume unos $120\ \text{g}$ de glucosa al día, calcula cuántos moles de glucosa son y cuántos moles de ATP rinden por vía aeróbica. c) Explica por qué una interrupción breve del riego sanguíneo cerebral produce pérdida de conciencia en pocos segundos.

Compara el ATP obtenido por gramo de combustible en la respiración de la glucosa ($36\ \text{ATP}$ por $180\ \text{g}$) con el del ácido palmítico ($106\ \text{ATP}$ por $256\ \text{g}$). a) Calcula el rendimiento por gramo en cada caso. b) Explica por qué la grasa es mejor reserva energética que el glucógeno, teniendo en cuenta además que el glucógeno se almacena hidratado, con dos o tres veces su peso en agua. c) Razona por qué las aves migratorias acumulan grasa antes de emprender la migración.

Los animales homeotermos gastan gran parte de su ATP en mantener constante la temperatura corporal, mientras que los poiquilotermos no. Discute las ventajas e inconvenientes energéticos de cada estrategia y razona por qué un reptil puede sobrevivir con una fracción del alimento que necesita un mamífero del mismo peso.