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.

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 orgánulos son el lugar adecuado para albergar la respiración celular.

La cadena de transporte de electrones bombea protones desde la matriz al espacio intermembrana de la mitocondria. Explica cómo se aprovecha ese gradiente de protones para sintetizar ATP (fosforilación oxidativa) y qué enzima lo lleva a cabo.

Compara la fermentación alcohólica y la fermentación láctica: organismos que las realizan, productos que generan y rendimiento energético. Pon una aplicación biotecnológica o industrial de cada una.

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.

Una molécula de NADH cede sus electrones al primer complejo de la cadena respiratoria y rinde unos $2,5\ \text{ATP}$, mientras que el $\text{FADH}_2$ los cede al segundo complejo y rinde unos $1,5\ \text{ATP}$. a) Explica a qué se debe esta diferencia. b) Calcula cuántos ATP se obtienen teóricamente de los $10$ NADH y los $2\ \text{FADH}_2$ que se forman al oxidar por completo una glucosa. c) Razona por qué el NADH producido en el citosol durante la glucólisis rinde a veces menos.

En el músculo esquelético en reposo se acumula creatina fosfato, que durante el esfuerzo transfiere su grupo fosfato al ADP para regenerar ATP. Explica qué función cumple este sistema, en qué se diferencia de la glucólisis y de la respiración en cuanto a velocidad y duración del aporte energético, y por qué es decisivo en esfuerzos muy breves e intensos como un sprint de $100$ metros.

La glucólisis es una vía casi universal, presente en todos los seres vivos, incluidos los anaerobios estrictos. Razona qué sugiere este hecho sobre su antigüedad evolutiva y sobre las condiciones de la atmósfera de la Tierra primitiva, y explica por qué se considera que las etapas mitocondriales de la respiración aparecieron evolutivamente después.