Biología universitaria — primer año · Bachelor Year 1

15Respiración celular y fermentación

Un matraz de levadura en una disolución de azúcar sin aire burbujea dióxido de carbono y convierte el azúcar en alcohol; si se deja entrar aire, el burbujeo se frena, el alcohol cesa y la levadura crece diez veces más deprisa con el mismo azúcar. Pasteur lo vio en 1861 y no pudo explicarlo; la explicación costó un siglo y recorre este capítulo entero. El oxígeno permite a una célula extraer de la glucosa quince veces la energía que puede obtener sin él, y lo hace pasando los electrones del azúcar por una cadena de transportadores hasta el oxígeno, bombeando protones a través de una membrana mientras caen y dejando después que los protones vuelvan por una turbina que fabrica ATP. Este capítulo describe la glucólisis, el ciclo de Krebs, la cadena respiratoria y su acoplamiento quimiosmótico, las fermentaciones que prescinden del oxígeno, y la combustión de grasas y proteínas por esa misma maquinaria.

15.1 La oxidación de la glucosa

Proposición 15.1 (La reacción global y sus etapas)

La oxidación completa de la glucosa,

\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}, \qquad \Delta G^{\circ\prime} = -2870\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol},

se lleva a cabo en tres etapas que nunca dejan que los electrones se encuentren directamente con el oxígeno. La glucólisis, en el citosol, escinde la glucosa en dos piruvatos y rinde 2 ATP y 2 NADH. La oxidación del piruvato y el ciclo de Krebs, en la matriz mitocondrial, oxidan el piruvato a $\mathrm{CO_2}$ y cargan los electrones en 8 NADH y 2 $\mathrm{FADH_2}$ , y fabrican 2 GTP. La fosforilación oxidativa, en la membrana mitocondrial interna, pasa esos electrones al oxígeno por una cadena de transportadores que bombea protones, y el gradiente de protones impulsa la síntesis de unos 26 ATP. En total, unos 30 ATP por glucosa: aproximadamente la mitad de la energía libre de combustión capturada, y el resto liberado como calor.

Definición 15.2 (Transportadores de electrones)

El $\mathrm{NAD^+}$ (nicotinamida adenina dinucleótido) acepta dos electrones y un protón de un sustrato y se convierte en NADH; el FAD acepta dos electrones y dos protones y se convierte en $\mathrm{FADH_2}$ . Ambos son coenzimas de deshidrogenasas y ambos se reciclan: los reduce el catabolismo y los vuelve a oxidar la cadena respiratoria. Una célula contiene solo micromoles de ellos, que se renuevan miles de veces por hora. Sus potenciales redox, $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ para $\mathrm{NAD^+}/\mathrm{NADH}$ , los sitúan muy por debajo del oxígeno ( $+0.82\,\mathrm{V}$ ): cada par de electrones que el NADH cede al oxígeno libera $\Delta G^{\circ\prime} = -2F\Delta E = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , suficiente para más de cuatro ATP.

Las tres etapas de la respiración. La glucólisis y el ciclo de Krebs arrancan los electrones de la glucosa y los cargan en NADH y FADH_2; la fosforilación oxidativa los cobra. — Las tres etapas de la respiración. La glucólisis y el ciclo de Krebs arrancan los electrones de la glucosa y los cargan en NADH y $\mathrm{FADH_2}$ ; la fosforilación oxidativa los cobra.

15.2 La glucólisis

Definición 15.3 (Glucólisis)

La glucólisis es una secuencia de diez reacciones enzimáticas del citosol que convierte una glucosa (C6) en dos piruvatos (C3). En la fase de inversión se gastan dos ATP para fosforilar el azúcar (hexoquinasa y después fosfofructoquinasa, PFK) y el difosfato de seis carbonos se escinde en dos fosfatos de tres carbonos. En la fase de beneficio cada triosa se oxida con $\mathrm{NAD^+}$ (la única oxidación de la glucólisis) y sus fosfatos se transfieren al ADP por fosforilación a nivel de sustrato: un fosfato cedido directamente desde un intermediario rico en energía al ADP, sin membrana ni oxígeno. El balance:

\text{glucosa} + 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2\,\text{piruvato} + 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O} .

No necesita oxígeno; es la vía más antigua y más universal del metabolismo.

La glucólisis en esquema. Se gastan dos ATP para construir un difosfato de seis carbonos, que se escinde en dos triosas; su oxidación y dos fosforilaciones a nivel de sustrato devuelven en total cuatro ATP y dos NADH. La fosfofructoquinasa es la válvula de control de la vía.

Proposición 15.4 (Control en la fosfofructoquinasa)

La PFK, primer paso irreversible comprometido con la glucólisis, es una enzima alostérica (Capítulo 13) inhibida por el ATP y por el citrato — las señales de que la energía y el combustible del ciclo de Krebs abundan — y activada por el AMP y el ADP, las señales de que no. Con el ATP alto, el flujo por la glucólisis cae en segundos; cuando la célula gasta ATP, el AMP sube bruscamente (por la adenilato quinasa, $2\,\mathrm{ADP} \rightleftharpoons \mathrm{ATP} + \mathrm{AMP}$ ) y la PFK se abre. La carga energética de la célula regula la vía que la llena.

15.3 Oxidación del piruvato y ciclo de Krebs

Definición 15.5 (Piruvato deshidrogenasa, acetil-CoA)

El piruvato entra en la mitocondria y el complejo de la piruvato deshidrogenasa lo oxida a acetil-CoA — un grupo acetilo de dos carbonos transportado por la coenzima A (Capítulo 11) en un enlace tioéster rico en energía —, con liberación de un $\mathrm{CO_2}$ y un NADH. El acetil-CoA es la entrada común de todos los combustibles al ciclo: los glúcidos por el piruvato, las grasas por la $\beta$ -oxidación y muchos aminoácidos directamente.

Definición 15.6 (El ciclo de Krebs)

El ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico), en la matriz mitocondrial, condensa el acetil-CoA (C2) con el oxalacetato (C4) para dar citrato (C6) y, en ocho pasos, oxida los dos carbonos a $\mathrm{CO_2}$ mientras regenera el oxalacetato. Por grupo acetilo: 3 NADH, 1 $\mathrm{FADH_2}$ , 1 GTP (por fosforilación a nivel de sustrato) y 2 $\mathrm{CO_2}$ . Por glucosa (dos acetilos): 6 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP y 4 $\mathrm{CO_2}$ , que con los 2 $\mathrm{CO_2}$ de la piruvato deshidrogenasa dan los seis de la ecuación global. En el ciclo mismo no se consume oxígeno; funciona solo mientras la cadena respiratoria vuelve a oxidar su NADH. Es además anfibólico: sus intermediarios se extraen para la biosíntesis (Capítulo 16) y se reponen a partir de aminoácidos y de piruvato.

El ciclo de Krebs. Un grupo acetilo entra condensándose con el oxalacetato; dos carbonos salen como CO_2 en las dos descarboxilaciones; las cuatro oxidaciones cargan tres NADH y un FADH_2; y el oxalacetato se regenera para la vuelta siguiente. — El ciclo de Krebs. Un grupo acetilo entra condensándose con el oxalacetato; dos carbonos salen como $\mathrm{CO_2}$ en las dos descarboxilaciones; las cuatro oxidaciones cargan tres NADH y un $\mathrm{FADH_2}$ ; y el oxalacetato se regenera para la vuelta siguiente.

Ejemplo 15.7 (Seguir los carbonos)

Dese a una célula glucosa marcada con $\mathrm{^{14}C}$ en el carbono 1: la marca aparece en el carbono metilo del piruvato, después en el del acetil-CoA, entra en el citrato y sale como $\mathrm{CO_2}$ solo en la segunda o la tercera vuelta del ciclo, pues los dos carbonos liberados en una vuelta dada pertenecen al oxalacetato de la anterior. Krebs (1937) dedujo el ciclo de la observación de que cantidades catalíticas de cualquiera de sus ácidos estimulaban la oxidación de mucho más piruvato del que ellos mismos podían justificar: se estaban regenerando.

Hans Krebs (1900–1981), que dedujo el ciclo en 1937 a partir de las velocidades con que el músculo de paloma triturado oxidaba sus ácidos. Fotografía: Fundación Nobel, dominio público.

15.4 La fosforilación oxidativa

Definición 15.8 (La cadena respiratoria)

La cadena respiratoria son cuatro complejos proteicos de la membrana mitocondrial interna y dos transportadores móviles. El NADH cede sus electrones al complejo I, el $\mathrm{FADH_2}$ (a través de la succinato deshidrogenasa, el complejo II) cede los suyos; ambos reducen la ubiquinona (Q), una quinona liposoluble que difunde por la membrana; Q los pasa al complejo III, que los entrega al citocromo $c$ , una proteína pequeña de la cara externa; y el complejo IV (la citocromo oxidasa) los entrega, de cuatro en cuatro, al $\mathrm{O_2}$ , con lo que forma agua. En cada uno de los complejos I, III y IV los electrones caen de potencial y la energía bombea protones desde la matriz al espacio intermembranoso: unos 4, 4 y 2 por par de electrones, diez por NADH y seis por $\mathrm{FADH_2}$ (que entra por debajo del complejo I).

La membrana mitocondrial interna. Los electrones (naranja) caen desde el NADH o el FADH_2 por los complejos hasta el oxígeno; los complejos I, III y IV bombean protones hacia fuera (verde); la ATP sintasa los deja volver y fabrica ATP. — La membrana mitocondrial interna. Los electrones (naranja) caen desde el NADH o el $\mathrm{FADH_2}$ por los complejos hasta el oxígeno; los complejos I, III y IV bombean protones hacia fuera (verde); la ATP sintasa los deja volver y fabrica ATP.

Teorema 15.9 (Acoplamiento quimiosmótico)

El gradiente de protones construido por la cadena — unos $0.16\,\mathrm{V}$ de potencial de membrana (matriz negativa) más una unidad de pH, una fuerza protón-motriz de unos $0.22\,\mathrm{V}$ , o $21\,\mathrm{kJ}$ por mol de protones — es el único vínculo entre el transporte de electrones y la síntesis de ATP. La ATP sintasa, un motor rotatorio de la membrana interna, deja pasar unos $3\,\mathrm{H}^{+}$ por cada ATP fabricado, y se gasta uno más en importar el fosfato y exportar el ATP: 4 por ATP. De ahí la relación P/O: $10/4 = 2.5$ ATP por NADH y $6/4 = 1.5$ por $\mathrm{FADH_2}$ .

Evidencia. Las mitocondrias solo fabrican ATP cuando su membrana interna está intacta y cerrada; los fragmentos que transportan electrones pero no pueden mantener un gradiente no fabrican ninguno. Los desacoplantes, como el dinitrofenol, que llevan protones a través de la membrana, suprimen la síntesis de ATP mientras el consumo de oxígeno continúa e incluso se acelera, y la energía se va como calor — la grasa parda lo hace a propósito con su propia proteína desacoplante (Capítulo 2), y el dinitrofenol llegó a venderse como adelgazante y mataba por hipertermia. Los inhibidores de la cadena (el cianuro sobre el complejo IV) detienen ambas cosas; los inhibidores de la sintasa (la oligomicina) detienen la síntesis de ATP y, como el gradiente no puede descargarse, detienen también la respiración, que un desacoplante restablece. Un gradiente de pH artificial impuesto a mitocondrias en la oscuridad impulsa la síntesis de ATP, igual que en los cloroplastos (Capítulo 14). ∎

Una mitocondria abierta. Los pliegues de la membrana interna multiplican el área disponible para la cadena y la sintasa; la matriz que encierran aloja el ciclo de Krebs.

Método 15.10 (El balance de ATP de una glucosa)

Glucólisis: $+2$ ATP (netos), $+2$ NADH en el citosol.
Piruvato deshidrogenasa: $+2$ NADH. Ciclo de Krebs: $+6$ NADH, $+2$ $\mathrm{FADH_2}$ , $+2$ GTP ( $=$ ATP).
Fosforilación oxidativa: $2.5$ ATP por cada NADH mitocondrial (8: 20 ATP) y $1.5$ por $\mathrm{FADH_2}$ (2: 3 ATP).
El NADH citosólico no puede atravesar la membrana interna; sus electrones entran por una lanzadera que los entrega al $\mathrm{FAD}$ (1,5 cada uno, en músculo y encéfalo) o al $\mathrm{NAD^+}$ (2,5 cada uno, en hígado y corazón): 3 o 5 ATP.
Total: $2 + 2 + 20 + 3 + 3 = 30$ , o $32$ con la mejor lanzadera. Rendimiento: $30\times 50/2870 \approx 52\,\%$ en condiciones celulares.

15.5 La fermentación

Definición 15.11 (Fermentación)

Sin oxígeno la cadena respiratoria se detiene, el NADH no puede volver a oxidarse y la glucólisis se pararía en segundos por falta de $\mathrm{NAD^+}$ . La fermentación lo regenera usando el propio piruvato como aceptor de electrones: en la fermentación láctica (músculo, glóbulos rojos, bacterias lácticas) el piruvato se reduce a lactato; en la fermentación alcohólica (levaduras, algunas plantas) se descarboxila a acetaldehído, que se reduce a etanol y libera $\mathrm{CO_2}$ . El rendimiento es el de la propia glucólisis: 2 ATP por glucosa, la quinceava parte del de la respiración; el carbono apenas se oxida y los productos conservan casi toda la energía del combustible. La respiración anaerobia — una cadena de transporte de electrones que termina en nitrato, sulfato o carbonato en vez de en oxígeno, en muchas bacterias — es otra cosa, y se trata en el volumen del segundo año.

A la izquierda: levadura de panadería, gemando. A la derecha: lo que su fermentación le hace a la masa: el CO_2 del equivalente a dos ATP de glucólisis por glucosa, atrapado en el gluten. El etanol se evapora al hornear. — A la izquierda: levadura de panadería, gemando. A la derecha: lo que su fermentación le hace a la masa: el $\mathrm{CO_2}$ del equivalente a dos ATP de glucólisis por glucosa, atrapado en el gluten. El etanol se evapora al hornear.

Proposición 15.12 (El efecto Pasteur)

Una célula capaz de respirar consume glucosa mucho más deprisa cuando se le priva de oxígeno que cuando se le suministra, y crece mucho menos con ella.

Evidencia. Pasteur (1861) encontró que la levadura de una cuba aireada consumía azúcar despacio y se multiplicaba, mientras que en una cuba cerrada lo consumía diez veces más deprisa, se multiplicaba poco y fabricaba alcohol. La explicación es el rendimiento en ATP: para obtener el mismo ATP a 2 por glucosa que a 30, la célula debe hacer funcionar la glucólisis quince veces más deprisa, y la PFK, liberada de la inhibición por ATP y citrato que mantiene la respiración, se lo permite. Un músculo que esprinta muestra el mismo efecto en cuestión de segundos: su glucógeno cae veinte veces más deprisa que en reposo y el lactato sube. ∎

Definición 15.13 (Cociente respiratorio)

El cociente respiratorio CR es la razón entre el $\mathrm{CO_2}$ producido y el $\mathrm{O_2}$ consumido, en moles. Los glúcidos dan 1,0 (seis de cada uno por glucosa); las grasas, unos 0,7 (palmitato: $\mathrm{C_{16}H_{32}O_2} + 23\,\mathrm{O_2} \to 16\,\mathrm{CO_2} + 16\,\mathrm{H_2O}$ , $16/23 = 0.70$ ), porque sus carbonos están más reducidos y necesitan más oxígeno por $\mathrm{CO_2}$ ; las proteínas, unos 0,8. Un cultivo que fermenta libera $\mathrm{CO_2}$ sin tomar oxígeno: su CR es infinito, y un CR superior a 1 en un cultivo mixto mide la proporción de fermentación. Medido en un animal entero por análisis de gases, el CR indica qué combustible está quemando.

Ejemplo 15.14 (Leer un cociente respiratorio)

Un ser humano en reposo tras una comida rica en glúcidos: CR 0,95, quema glucosa. La misma persona tras una noche de ayuno: 0,75, grasa. Un maratoniano en el kilómetro treinta, con el glucógeno agotado: 0,72. Un matraz de levadura con glucosa y un poco de aire: CR 4; tres cuartas partes de su glucosa se están fermentando.

15.6 Otros combustibles y la regulación del conjunto

Proposición 15.15 (Las grasas y las proteínas entran en la misma maquinaria)

Los ácidos grasos se activan a acil-CoA y, en la matriz mitocondrial, se acortan de dos en dos carbonos por la $\beta$ -oxidación, y cada vuelta rinde un acetil-CoA, un NADH y un $\mathrm{FADH_2}$ : el palmitato (C16) da 8 acetil-CoA, 7 NADH y 7 $\mathrm{FADH_2}$ , unos 106 ATP, o $6.6\,$ ATP por carbono frente a los 5 de la glucosa. Los aminoácidos pierden su nitrógeno como amoniaco (convertido en urea en el hígado) y sus esqueletos carbonados entran como piruvato, acetil-CoA o intermediarios del ciclo de Krebs. Todos los combustibles convergen en el acetil-CoA y en la cadena; la célula elige entre ellos según las hormonas y según el estado de su ATP, como describe el Capítulo 16.

Ejemplo 15.16 (Un gramo de cada)

Un gramo de glucosa ( $5.6\,\mathrm{mmol}$ ) rinde unos $170\,\mathrm{mmol}$ de ATP; un gramo de palmitato ( $3.9\,\mathrm{mmol}$ ), unos $410\,\mathrm{mmol}$ : los $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ frente a los $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ del Capítulo 9, convertidos en moneda. La grasa cuesta más oxígeno por ATP, y por eso el músculo de un velocista, limitado por el oxígeno, quema glucógeno, y un ave migradora, con oxígeno de sobra y limitada por la masa, quema grasa.

15.7 Ejercicios

Ejercicio 15.1 ★

Nómbrense las tres etapas de la respiración, su localización y lo que produce cada una.

Solución

Solución de Ejercicio 15.1.

Glucólisis, citosol: 2 piruvatos, 2 ATP, 2 NADH. Oxidación del piruvato y ciclo de Krebs, matriz mitocondrial: 6 $\mathrm{CO_2}$ , 8 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP. Fosforilación oxidativa, membrana interna: agua a partir del oxígeno, unos 26 ATP.

Ejercicio 15.2 ★

Escríbase el balance de la glucólisis y explíquese qué es la “fosforilación a nivel de sustrato”.

Solución

Solución de Ejercicio 15.2.

Glucosa $+ 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2$ piruvatos $+ 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O}$ . Fosforilación a nivel de sustrato: una enzima transfiere un fosfato directamente desde un intermediario rico en energía (1,3-bisfosfoglicerato, fosfoenolpiruvato) al ADP, sin gradiente de membrana ni oxígeno.

Ejercicio 15.3 ★

A partir de la figura del ciclo de Krebs, enumérense por orden los productos liberados en una vuelta, y dígase de dónde proceden los dos $\mathrm{CO_2}$ .

Solución

Solución de Ejercicio 15.3.

NADH y $\mathrm{CO_2}$ (isocitrato a $\alpha$ -cetoglutarato), NADH y $\mathrm{CO_2}$ ( $\alpha$ -cetoglutarato a succinil-CoA), GTP (succinil-CoA a succinato), $\mathrm{FADH_2}$ (succinato a fumarato), NADH (malato a oxalacetato). Los dos $\mathrm{CO_2}$ proceden de las dos descarboxilaciones de los ácidos de seis y cinco carbonos.

Ejercicio 15.4 ★

¿Qué consigue la fermentación para una célula sin oxígeno, y qué no consigue?

Solución

Solución de Ejercicio 15.4.

Regenera el $\mathrm{NAD^+}$ para que la glucólisis pueda continuar y rendir sus 2 ATP por glucosa. No oxida el carbono, ni extrae la energía restante (el producto la conserva casi entera), ni fabrica más de la quinceava parte del ATP de la respiración.

Ejercicio 15.5 ★★

Calcúlese $\Delta G^{\circ\prime}$ para la transferencia de dos electrones desde el NADH ( $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ ) al oxígeno ( $+0.82\,\mathrm{V}$ ), y a la ubiquinona ( $+0.05\,\mathrm{V}$ ). ¿Cuántos ATP podría pagar cada paso en principio?

Solución

Solución de Ejercicio 15.5.

Al oxígeno: $-2\times 96\,500\times 1.14 = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , cuatro ATP a $50\,\mathrm{kJ}$ . A la ubiquinona: $-2\times 96\,500\times 0.37 = -71\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , un ATP.

Ejercicio 15.6 ★★

Establézcase el balance de ATP de una glucosa en una célula muscular (lanzadera del glicerol fosfato) y en una célula hepática (lanzadera del malato), con relaciones P/O de 2,5 y 1,5.

Solución

Solución de Ejercicio 15.6.

Músculo: $2 + 2$ (GTP) $+ 8\times 2.5$ (NADH mitocondrial) $+ 2\times 1.5$ ( $\mathrm{FADH_2}$ ) $+ 2\times 1.5$ (NADH citosólico vía FAD) $= 30$ . Hígado: el NADH citosólico da $2\times 2.5$ : 32.

Ejercicio 15.7 ★★

Un cultivo consume $1.0\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{O_2}$ y libera $2.2\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ por hora con glucosa. Calcúlense el CR y las fracciones de glucosa respirada y fermentada.

Solución

Solución de Ejercicio 15.7.

CR $= 2.2$ . Glucosa respirada $x$ : $6x = 1.0$ , $x = 0.167\,\mathrm{mmol}$ ; $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 2.2$ , $2y = 1.2$ , $y = 0.6\,\mathrm{mmol}$ . Se fermenta $0.6/0.767 = 78\,\%$ de la glucosa y se respira el $22\,\%$ .

Ejercicio 15.8 ★★

Explíquese qué les ocurre al consumo de oxígeno, a la síntesis de ATP y a la producción de calor cuando se añade dinitrofenol a mitocondrias que respiran, y por qué el fármaco era letal.

Solución

Solución de Ejercicio 15.8.

El consumo de oxígeno sube (la cadena, liberada de la contrapresión del gradiente, funciona a toda velocidad), la síntesis de ATP se detiene (no hay gradiente que impulse la sintasa) y toda la energía de los electrones aparece como calor. Los pacientes quemaban su grasa deprisa y morían de una temperatura corporal que nada podía bajar.

Ejercicio 15.9 ★★

El cianuro bloquea el complejo IV. Predíganse su efecto sobre la cadena respiratoria, sobre el ciclo de Krebs y sobre la glucólisis de una célula, y explíquese por qué se acumula lactato en la sangre de los envenenados.

Solución

Solución de Ejercicio 15.9.

La cadena se atasca: todos los transportadores quedan reducidos, no se bombean protones y no se fabrica ATP. El NADH no se vuelve a oxidar, de modo que el ciclo de Krebs y la piruvato deshidrogenasa se detienen por falta de $\mathrm{NAD^+}$ . La glucólisis, liberada de la inhibición por ATP, funciona deprisa y debe regenerar su $\mathrm{NAD^+}$ reduciendo el piruvato a lactato, que inunda la sangre.

Ejercicio 15.10 ★★★

Calcúlense el rendimiento en ATP del palmitato (8 acetil-CoA, 7 NADH, 7 $\mathrm{FADH_2}$ , menos 2 ATP de la activación) y su rendimiento por carbono; calcúlese el oxígeno consumido por ATP para el palmitato y para la glucosa. ¿Qué combustible debería preferir una foca que bucea, y cuál un colibrí?

Solución

Solución de Ejercicio 15.10.

$8\times 10 + 7\times 2.5 + 7\times 1.5 - 2 = 80 + 17.5 + 10.5 - 2 = 106$ ATP; $106/16 = 6.6$ por carbono. Oxígeno: el palmitato, 23 $\mathrm{O_2}$ para 106 ATP, $0.22\,\mathrm{O}_{2}$ por ATP; la glucosa, 6 para 30, $0.20\,\mathrm{O}_{2}$ por ATP. Por unidad de oxígeno la glucosa es un $10\,\%$ mejor: la foca, limitada por el oxígeno bajo el agua, prefiere los glúcidos; por unidad de masa la grasa es el doble de buena: el colibrí, limitado por la masa en vuelo, migra con grasa.

Ejercicio 15.11 ★★★

Una fibra muscular contiene $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de ATP y consume $3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ por segundo en un esprint. ¿Cuánto duraría su ATP por sí solo? Su fosfocreatina ( $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ) regenera ATP uno a uno; su glucógeno, mediante fermentación, da 3 ATP por unidad de glucosa hasta un máximo de $2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de unidades de glucosa por segundo. Calcúlese el tiempo que cada reserva puede sostener el esprint, y explíquese por qué una carrera de 100 m se corre casi por completo sin oxígeno.

Solución

Solución de Ejercicio 15.11.

Solo el ATP: $5/3 < 2\,\mathrm{s}$ . Fosfocreatina: $25/3 = 8\,\mathrm{s}$ . Fermentación: $2\times 3 = 6\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de ATP por segundo, suficiente para la demanda, mientras duren el glucógeno y la tolerancia al lactato (decenas de segundos). El aporte de oxígeno tarda un minuto o más en subir y suministra como mucho $1\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de ATP por segundo en una fibra: una carrera de diez segundos termina antes de que la respiración haya empezado a ayudar, y la pagan la fosfocreatina y la fermentación.

Ejercicio 15.12 ★★★

“La mitocondria es una batería que los electrones cargan y que se descarga a través de una turbina.” Discútase en un párrafo: qué almacena el gradiente, qué hace la sintasa, y dónde la analogía es exacta y dónde es vaga.

Solución

Solución de Ejercicio 15.12.

El gradiente almacena energía como una diferencia de concentración de protones y de potencial eléctrico a través de una membrana aislante — exactamente un condensador cargado más una pila de concentración —; la cadena es el cargador, impulsado por la caída de los electrones; y la sintasa es un motor que hace girar la corriente de protones, exactamente una turbina, que acopla el flujo a una rotación mecánica que fabrica ATP. La analogía es vaga en que la “batería” contiene solo milisegundos del consumo de la célula y debe cargarse sin cesar, en que los demás transportadores de esa misma membrana también recurren a ella, y en que la turbina puede girar al revés e hidrolizar ATP para bombear protones cuando la cadena falla.

15.8 Problema: levadura con aire y sin aire

Problema 15.1

Problema de fin de semana — las cubas de Pasteur revisitadas: ATP contado, glucosa consumida, biomasa crecida y gases medidos, hasta llegar al cociente de rendimientos en ATP y a la relación P/O

Se cultiva levadura con glucosa en dos matraces idénticos, uno aireado y otro cerrado. Úsense relaciones P/O de 2,5 (NADH) y 1,5 ( $\mathrm{FADH_2}$ ), la lanzadera de $\mathrm{FADH_2}$ para el NADH citosólico, un rendimiento de crecimiento de $10.5\,\mathrm{g}$ de biomasa seca por mol de ATP y glucosa a $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Parte I — ATP contado.

Enumérense el ATP, el GTP, el NADH y el $\mathrm{FADH_2}$ producidos a partir de una glucosa por la glucólisis, la piruvato deshidrogenasa y el ciclo de Krebs.
Calcúlense los protones bombeados por la cadena por glucosa (10 por cada NADH mitocondrial, 6 por $\mathrm{FADH_2}$ ; el NADH citosólico entra como $\mathrm{FADH_2}$ ).
Calcúlense el ATP fabricado por la sintasa a $4\,\mathrm{H}^{+}$ por ATP y el ATP total por glucosa con aire.
Calcúlese el ATP por glucosa sin aire.
Calcúlese el cociente entre los dos rendimientos.
Calcúlese la energía libre capturada con aire ( $\Delta G_{\text{ATP}} = -50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ) como fracción de los $2870\,\mathrm{kJ}$ , y sin aire como fracción de esos $2870\,\mathrm{kJ}$ y de la energía realmente liberada por la fermentación (glucosa a dos etanoles y dos $\mathrm{CO_2}$ : $-235\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ).

Parte II — Glucosa consumida, biomasa crecida. El matraz cerrado debe fabricar ATP a la misma velocidad que el aireado para mantener sus células: $30\,\mathrm{mmol}$ de ATP por hora.

Calcúlese la glucosa consumida por hora en cada matraz.
Calcúlense el etanol y el $\mathrm{CO_2}$ producidos por hora en el matraz cerrado, y el $\mathrm{CO_2}$ y el $\mathrm{O_2}$ intercambiados en el aireado.
Calcúlese la biomasa que el matraz cerrado puede construir por mol de glucosa y por gramo de glucosa.
El matraz aireado construye $0.5\,\mathrm{g}$ de biomasa por gramo de glucosa. Calcúlese el ATP que eso representaría a $10.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , y compárese con los 30 ATP disponibles. ¿Qué limita el rendimiento aerobio?
Explíquese el efecto Pasteur a partir de las preguntas 7 y 9, y nómbrese la enzima cuya regulación lo lleva a cabo.

Parte III — Gases medidos. Un tercer matraz, mal aireado, libera $44\,\mathrm{mg}$ de $\mathrm{CO_2}$ y consume $20\,\mathrm{mg}$ de $\mathrm{O_2}$ por hora.

Conviértanse ambos a milimoles y calcúlese el CR.
Sea $x$ la glucosa respirada e $y$ la glucosa fermentada por hora. Escríbanse los balances de $\mathrm{O_2}$ y de $\mathrm{CO_2}$ y despéjense $x$ e $y$ .
¿Qué fracción de la glucosa se fermenta? ¿Qué fracción del ATP procede de la fermentación?
Ese mismo matraz con palmitato en vez de glucosa (en aerobiosis): calcúlese el CR.
Un estudiante mide un CR de 0,7 en un animal en reposo tras una noche de ayuno y de 1,0 tras una comida. Interprétese.

Parte IV — La turbina.

Calcúlese la energía libre de un mol de protones que atraviesan una fuerza protón-motriz de $0.22\,\mathrm{V}$ .
Calcúlense la energía de $4\,\mathrm{H}^{+}$ y el rendimiento de la sintasa a $50\,\mathrm{kJ}$ por ATP.
Calcúlense la energía libre liberada por dos electrones que caen del NADH al $\mathrm{O_2}$ ( $1.14\,\mathrm{V}$ ), la energía almacenada en los diez protones bombeados y el rendimiento de la cadena.
Combínense los dos rendimientos y compárese con 2,5 ATP $\times$ $50\,\mathrm{kJ}$ sobre $220\,\mathrm{kJ}$ .
Se añade un desacoplante al matraz aireado. Predíganse los cambios en el consumo de oxígeno, el rendimiento en ATP, el consumo de glucosa, la producción de calor y el crecimiento.
Se añade en su lugar oligomicina, que bloquea la sintasa. Predíganse los cambios, y qué ocurre si después se añade encima un desacoplante.
Una levadura mutante carece del complejo I; su NADH entra en la cadena por una enzima alternativa que no bombea protones. Calcúlense su relación P/O para el NADH y su ATP por glucosa.
Explíquese por qué la célula mantiene la reserva de NADH mitocondrial casi totalmente reducida cuando falta el oxígeno, y qué le hace eso al ciclo de Krebs.
Enúnciese el resultado: el ATP por glucosa con aire y sin aire, su cociente, y las relaciones P/O del NADH y del $\mathrm{FADH_2}$ .

Solución

Solución de Problema 15.1.

1. Glucólisis: 2 ATP, 2 NADH (citosólicos). Piruvato deshidrogenasa: 2 NADH. Krebs: 6 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP. 2. NADH mitocondrial, $8\times 10 = 80$ ; $\mathrm{FADH_2}$ , $2\times 6 = 12$ ; NADH citosólico como $\mathrm{FADH_2}$ , $2\times 6 = 12$ : 104 protones. 3. $104/4 = 26$ ATP; total, $26 + 2 + 2 = 30$ . 4. 2 ATP. 5. 15. 6. Con aire, $30\times 50 = 1500\,\mathrm{kJ}$ : el $52\,\%$ de 2870. Sin aire: $100\,\mathrm{kJ}$ , el $3.5\,\%$ de 2870, pero el $43\,\%$ de los 235 liberados; la fermentación es eficaz capturando lo que libera, solo que libera poco. 7. Aireado, $30/30 = 1\,\mathrm{mmol}$ de glucosa por hora; cerrado, $30/2 = 15\,\mathrm{mmol}$ . 8. Cerrado: $30\,\mathrm{mmol}$ de etanol y $30\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ por hora. Aireado: $6\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ liberados y $6\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{O_2}$ consumidos. 9. $2\times 10.5 = 21\,\mathrm{g}$ por mol, $0.12\,\mathrm{g}$ por gramo de glucosa. 10. $0.5\times 180 = 90\,\mathrm{g}$ por mol, es decir, $90/10.5 = 8.6$ ATP de equivalente frente a los 30 disponibles: el ATP sobra; el rendimiento lo limita el carbono (la mitad de la glucosa se oxida a $\mathrm{CO_2}$ para fabricar el ATP, y la biomasa necesita esqueletos carbonados y poder reductor), y el ATP sobrante se gasta en mantenimiento. 11. Para obtener el mismo ATP, el cultivo cerrado consume quince veces más glucosa (pregunta 7) y crece una quinta parte por gramo (pregunta 9): consumo rápido de azúcar, poco crecimiento y alcohol; la observación de Pasteur. La fosfofructoquinasa, inhibida por el ATP y el citrato con aireación, queda liberada cuando cesa la respiración. 12. $\mathrm{CO_2}$ , $44/44 = 1.0\,\mathrm{mmol}$ ; $\mathrm{O_2}$ , $20/32 = 0.625\,\mathrm{mmol}$ : CR $= 1.6$ . 13. $\mathrm{O_2}$ : $6x = 0.625$ , $x = 0.104\,\mathrm{mmol}$ . $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 1.0$ , $2y = 0.375$ , $y = 0.1875\,\mathrm{mmol}$ . 14. Se fermenta $0.1875/0.292 = 64\,\%$ de la glucosa. El ATP de la fermentación es $2y = 0.375$ frente a $30x = 3.12$ de la respiración: el $11\,\%$ . 15. $16/23 = 0.70$ . 16. En ayunas, el animal quema grasa (CR 0,7); alimentado, quema los glúcidos de la comida (1,0). 17. $96\,500\times 0.22 = 21.2\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ . 18. $4\times 21.2 = 85\,\mathrm{kJ}$ por cada ATP de $50\,\mathrm{kJ}$ : un $59\,\%$ . 19. $2\times 96\,500\times 1.14 = 220\,\mathrm{kJ}$ ; diez protones almacenan $10\times 21.2 = 212\,\mathrm{kJ}$ : un $96\,\%$ ; la cadena desperdicia poco, y las pérdidas están en la sintasa y en los transportadores. 20. $0.96\times 0.59 = 0.57$ ; $2.5\times 50/220 = 0.57$ : la misma cifra por los dos caminos. 21. El consumo de oxígeno sube, el rendimiento en ATP cae hacia el de la fermentación (2 por glucosa de la glucólisis, y como la PFK queda liberada, el consumo de glucosa sube), la producción de calor sube y el crecimiento se desploma. 22. La síntesis de ATP se detiene; el gradiente no puede descargarse, la cadena se atasca contra él, el consumo de oxígeno cesa y la célula fermenta lo que puede. Añadir después un desacoplante deja que los protones vuelvan a entrar: la cadena y el consumo de oxígeno se reanudan, todavía sin ATP. 23. El NADH solo bombea por los complejos III y IV: $6/4 = 1.5$ ; por glucosa, $8\times 1.5 + 2\times 1.5 + 2\times 1.5 + 4 = 22$ ATP. 24. Sin oxígeno la cadena no puede aceptar electrones, así que el NADH no se vuelve a oxidar y la reserva permanece reducida; las tres deshidrogenasas dependientes de NAD del ciclo se quedan sin $\mathrm{NAD^+}$ y el ciclo se detiene, que es por lo que la fermentación debe regenerar $\mathrm{NAD^+}$ en el citosol para que la glucólisis siga. 25. 30 ATP con aire y 2 sin él: un cociente de 15; P/O de 2,5 para el NADH (10 protones sobre 4 por ATP) y de 1,5 para el $\mathrm{FADH_2}$ (6 sobre 4).

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