AUTOEVALUACIÓN - Capítulo 8. Cómo hacen ATP las células: Glucólisis y respiración

Cuestionario:

Distinga entre los siguientes conceptos: oxidación de la glucosa / glucólisis / respiración / fermentación/ vías aeróbicas / vías anaeróbicas; FAD / FADH; ciclo de Krebs / transporte de electrones.
Describa el proceso de la fermentación. ¿Qué condiciones son esenciales para que ocurra? Con algunas cepas de levadura, la fermentación se detiene antes de que se agote el azúcar, habitualmente a una concentración de alcohol superior al 12%. Proponga una explicación para este fenómeno.
Si los organismos aeróbicos (que utilizan oxígeno) son tanto o más eficientes que los anaerobios para convertir energía, ¿por qué hay anaerobios en este planeta?, ¿por qué no se han extinguido hace largo tiempo?
Dibuje la estructura de una mitocondria. Describa dónde tienen lugar las distintas etapas de la degradación de la glucosa con relación a la estructura mitocondrial. ¿Qué moléculas e iones cruzan las membranas mitocondriales durante estos procesos?
Cada molécula de FADH₂ producida en el ciclo de Krebs da como resultado la formación de solamente dos moléculas de ATP, cuando sus electrones descienden por la cadena de transporte de electrones. Durante mucho tiempo se pensó que, a causa de que estos electrones entran en la cadena a nivel de la coenzima Q y no del FMN, "omitían" uno de los sitios de la fosforilación. ¿Qué explicación más exacta hay?
El cianuro puede combinarse con el citocromo a y a3 y desactivarlos. Sin embargo, en nuestro cuerpo el cianuro tiende a reaccionar primero con la hemoglobina y a imposibilitar la unión del oxígeno con la hemoglobina. De cualquier manera, el envenenamiento por cianuro tiene el mismo efecto: inhibe la síntesis de ATP. Explique cómo ocurre esto.
Cuando la porción F1 del complejo ATP sintetasa se elimina de la membrana mitocondrial y se estudia en solución, funciona como una ATPasa. ¿Por qué no funciona como una ATP sintetasa?
Ciertas sustancias químicas funcionan como agentes "desacoplantes" cuando se las añade a mitocondrias que están realizando el proceso de respiración, aunque continúa el pasaje descendente de electrones a lo largo de la cadena hasta el oxígeno, no se forma ATP. Se sabe que uno de esos agentes, el antibiótico valinomicina, transporta iones K⁺ a través de la membrana interna hacia la matriz. Otro, el 2,4-dinitrofenol, transporta iones H⁺ a través de la membrana. ¿De qué manera evitan estas sustancias la formación de ATP? ¿Cuál se esperaría que tuviese el mayor efecto sobre la formación de ATP? ¿Por qué?
En las células del tejido especializado conocido como grasa parda, la membrana interna de la mitocondria es permeable a los iones H⁺. Estas células contienen grandes depósitos de moléculas grasas, que se degradan gradualmente y cuyos grupos acetilo resultantes pasan al ciclo de Krebs. Los electrones capturados por el NADH y FADH₂, a su vez, alimentan a la cadena de transporte de electrones y son finalmente aceptados por el oxígeno; sin embargo, no se sintetiza ATP. ¿Por qué no? El tejido adiposo pardo existe en algunos animales que hibernan y en los cachorros de mamíferos que nacen sin pelo, incluyendo nuestros niños. ¿Qué función cumpliría el tejido adiposo pardo?
a) Como hemos visto, una célula puede obtener un máximo de 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que se oxida por completo. Explique la producción de cada molécula de ATP. b) En la glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones se forman en realidad 40 moléculas de ATP. ¿Por qué el rendimiento neto de la célula es sólo de 38 moléculas? c) ¿Qué otros factores pueden reducir el rendimiento de ATP?
Describa de qué manera los procesos de la célula están adaptados al uso eficiente de una variedad de alimentos, y a la producción eficiente de la diversidad de materiales que la célula necesita elaborar para su propio uso.
En términos de la economía celular, ¿qué le suministran los procesos anabólicos a la célula? ¿Qué le suministran los procesos catabólicos? ¿De qué manera dependen unos de otros?

Respuestas:

1.Distinga entre los siguientes conceptos: oxidación de la glucosa / glucólisis / respiración / fermentación/ vías aeróbicas / vías anaeróbicas; FAD / FADH; ciclo de Krebs / transporte de electrones.

La oxidación consiste en la pérdida de un electrón y la reducción es la ganancia de un electrón. Dado que en las reacciones de oxidorreducción espontáneas, los electrones van de niveles de energía mayores a niveles de energía menores, cuando una molécula se oxida, habitualmente libera energía. En la oxidación de la glucosa, los enlaces carbono-carbono (C-C), carbono-hidrógeno (C-H) y oxígeno-oxígeno (O-O) se cambian por enlaces carbono-oxígeno (C-O) e hidrógeno-oxígeno (H-O), a medida que los átomos de oxígeno atraen y acaparan electrones.

En los sistemas vivos, la oxidación de la glucosa se desarrolla en dos etapas principales. La primera se conoce como glucólisis, en la que la molécula de glucosa de 6 carbonos se escinde en dos moléculas de un compuesto de 3 carbonos, el ácido pirúvico. En este proceso se eliminan de la molécula de glucosa 4 átomos de hidrógeno (o sea, 4 electrones y 4 protones). Los electrones y dos de los protones son aceptados por moléculas de NAD⁺, mientras que los otros dos protones permanecen en solución como iones hidrógeno (H⁺). En la etapa que denominamos respiración, los átomos de hidrógeno restantes son eliminados de las moléculas de ácido pirúvico y los átomos de carbono se oxidan a dióxido de carbono. Los átomos de hidrógeno, en forma de electrones y protones, son aceptados inicialmente por el NAD⁺ y otro aceptor de electrones relacionado. Finalmente, todos los electrones y protones eliminados de los átomos de carbono de la molécula de glucosa original son transferidos al oxígeno, y forman agua. El ácido pirúvico formado en la glucólisis puede seguir una de varias vías. Una vía es aeróbica (con oxígeno) y las otras son anaeróbicas (sin oxígeno). En ausencia de oxígeno, el ácido pirúvico puede convertirse en etanol (alcohol etílico) o en uno de varios ácidos orgánicos diferentes, de los cuales el ácido láctico es el más común. El producto de reacción depende del tipo de célula. La formación de alcohol a partir de azúcar se llama fermentación. El ácido láctico se forma a partir del ácido pirúvico, por acción de una variedad de microorganismos y también por algunas células animales cuando el O₂ es escaso o está ausente.

FAD, la flavina adenina dinucleótido, es uno de los transportadores de electrones. La molécula se reduce cuando gana electrones y protones; se forma una molécula de FADH₂ a partir de FAD.

En condiciones aeróbicas, el ácido pirúvico producido en la glucólisis se convierte en CO₂ y acetil CoA. El grupo acetilo de dos carbonos entre en el ciclo de Krebs: se combina con un compuesto de cuatro carbonos (ácido oxaloacético) para producir un compuesto de seis carbonos (el ácido cítrico). En el curso de este ciclo se oxidan dos de los seis carbonos a CO₂ y se regenera el ácido oxaloacético, y se hace de esta serie literalmente un ciclo. Cada giro del ciclo consume un grupo acetilo y regenera una molécula de ácido oxaloacético que queda lista entonces para comenzar la secuencia nuevamente. Cuando los átomos de carbono de la molécula de glucosa se han oxidado ahora completamente, parte de la energía contenida en los enlaces de la molécula de glucosa se ha usado para producir ATP a partir de ADP. La mayor parte de la energía, sin embargo, permanece en los electrones de alto nivel energético que han sido extraídos de los enlaces C-C y C-H y transferidos a los transportadores de electrones NAD⁺ y FAD. En la etapa final de la respiración, estos electrones de un nivel de energía alto pasan gradualmente al oxígeno que tiene un nivel bajo de energía. La energía así liberada en el curso de este pasaje se usa finalmente para regenerar ATP a partir de ADP. Este pasaje escalonado es posible debido a la presencia de una serie de transportadores de electrones, cada uno de los cuales mantiene los electrones a un nivel ligeramente inferior al precedente. Estos transportadores constituyen lo que se conoce como la cadena de transporte de electrones.

2. Describa el proceso de la fermentación. ¿Qué condiciones son esenciales para que ocurra? Con algunas cepas de levadura, la fermentación se detiene antes de que se agote el azúcar, habitualmente a una concentración de alcohol superior al 12%. Proponga una explicación para este fenómeno.

En la fermentación, los microorganismos como las levaduras forman etanol y CO₂ a partir del ácido pirúvico producido en la glucólisis. Para que la fermentación ocurra, debe haber microorganismos vivos, un adecuado suplemento de azúcar y, según el caso, no debe haber oxígeno. La fermentación algunas veces se detiene antes que el azúcar se acabe porque la concentración de alcohol comienza a ser lo suficientemente alta como para desnaturalizar las enzimas clave de los microorganismos.

3. Si los organismos aeróbicos (que utilizan oxígeno) son tanto o más eficientes que los anaerobios para convertir energía, ¿por qué hay anaerobios en este planeta?, ¿por qué no se han extinguido hace largo tiempo?

La condición anaeróbica permanece en la Tierra tanto en recipientes cerrados como en aguas carentes de oxígeno. Los organismos aeróbicos no pueden vivir en estas condiciones. De modo que, en esos ambientes, los organismos anaerobios no tienen competencia por parte de organismos más eficientes.

4.Dibuje la estructura de una mitocondria. Describa dónde tienen lugar las distintas etapas de la degradación de la glucosa con relación a la estructura mitocondrial. ¿Qué moléculas e iones cruzan las membranas mitocondriales durante estos procesos?

La glucólisis tiene lugar en el citoplasma de la célula, fuera de la mitocondria. El ciclo de Krebs tiene lugar dentro de la mitocondria. Algunas de sus enzimas están en solución en la matriz y otras están ensambladas en la membrana interna de la mitocondria. Las enzimas y los electrones transportados por la cadena de transporte de electrones están ensamblados en la membrana interna así como las enzimas y tranportadores involucrados en el acoplamiento quimiosmótico.

En el curso de estos procesos, el ácido pirúvico, el ADP, el oxígeno, los iones fosfato inorgánicos y los átomos de hidrógeno (protones y electrones) transportados por las moléculas de NADH formadas en la glucólisis atraviesan ambas membranas hacia adentro de la mitocondria. El CO₂, el ATP, y las moléculas de agua atraviesan las membranas hacia afuera de la mitocondria. En la síntesis quimiosmótica del ATP, que ocurre en conjunción con el transporte de electrones,

se bombean protones desde la matriz mitocondrial, a través de la membrana interna, al espacio intermembranal, o sea, al espacio entre las membranas externa e interna de la mitocondria. Desde el espacio intermembranal, parte de los protones pasa a través de la membrana externa al citoplasma. La membrana externa es libremente permeable a la mayoría de los iones y moléculas pequeñas.

Dado que la membrana interna es virtualmente impermeable a todas las partículas cargadas, otros iones positivos no pueden moverse al interior de la matriz para neutralizar la carga negativa creada cuando los protones son bombeados hacia afuera. El movimiento de iones negativos hacia afuera de la matriz, que también neutralizaría la diferencia de carga, se bloquea de manera similar. El resultado es energía disponible para impulsar cualquier proceso acoplado al flujo de protones a favor del gradiente electroquímico hacia la matriz.

En este punto entra en juego un gran complejo enzimático conocido como ATP sintetasa. A medida que los protones fluyen a favor del gradiente electroquímico desde el exterior a la matriz, la energía libre desprendida impulsa la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato.

5.Cada molécula de FADH₂ producida en el ciclo de Krebs da como resultado la formación de solamente dos moléculas de ATP, cuando sus electrones descienden por la cadena de transporte de electrones. Durante mucho tiempo se pensó que, a causa de que estos electrones entran en la cadena a nivel de la coenzima Q y no del FMN, "omitían" uno de los sitios de la fosforilación. ¿Qué explicación más exacta hay?

Los electrones contenidos en la molécula de FADH₂ están a un nivel de energía más bajo que los contenidos en la molécula de NADH. Como resultado, entran en la cadena de transporte de electrones en un punto más bajo que los electrones de NADH y liberan menos energía en el pasaje a través de la cadena de transporte de electrones. La energía que ellos liberan es suficiente para la formación de solo dos moléculas de ATP.

6. El cianuro puede combinarse con el citocromo a y a3 y desactivarlos. Sin embargo, en nuestro cuerpo el cianuro tiende a reaccionar primero con la hemoglobina y a imposibilitar la unión del oxígeno con la hemoglobina. De cualquier manera, el envenenamiento por cianuro tiene el mismo efecto: inhibe la síntesis de ATP. Explique cómo ocurre esto.

Cuando el cianuro se combina con la hemoglobina, impide el transporte de oxígeno al cuerpo de la célula y, por lo tanto, a la mitocondria. El oxígeno no está disponible para aceptar los electrones que pasan cuesta abajo por la cadena de transporte de electrones desde el NADH y FADH₂, no se produce el gradiente de protones ni el acoplamiento quimiosmótico, por lo que la síntesis de ATP no ocurre.

7.Cuando la porción F1 del complejo ATP sintetasa se elimina de la membrana mitocondrial y se estudia en solución, funciona como una ATPasa. ¿Por qué no funciona como una ATP sintetasa?

Cuando la porción F1 del complejo ATP sintetasa es removido de la mitocondria y estudiado en solución, es separado del gradiente de electrones que impulsa la síntesis de ATP. No hay energía disponible para impulsar el proceso endergónico y la única reacción que la enzima puede catalizar es la hidrólisis exergónica del ATP.

8. Ciertas sustancias químicas funcionan como agentes "desacoplantes" cuando se las añade a mitocondrias que están realizando el proceso de respiración, aunque continúa el pasaje descendente de electrones a lo largo de la cadena hasta el oxígeno, no se forma ATP. Se sabe que uno de esos agentes, el antibiótico valinomicina, transporta iones K⁺ a través de la membrana interna hacia la matriz. Otro, el 2,4-dinitrofenol, transporta iones H⁺ a través de la membrana. ¿De qué manera evitan estas sustancias la formación de ATP? ¿Cuál se esperaría que tuviese el mayor efecto sobre la formación de ATP? ¿Por qué?

Estas sustancias destruyen el gradiente electroquímico comúnmente presente a través de la membrana interna de la mitocondria y, por lo tanto, no hay energía disponible para impulsar la síntesis de ATP. El 2,4-dinitrofenol tendría el mayor efecto porque revierte tanto la concentración del gradiente de hidrógeno como el gradiente de voltaje que se produce a través de la membrana.

9.En las células del tejido especializado conocido como grasa parda, la membrana interna de la mitocondria es permeable a los iones H⁺. Estas células contienen grandes depósitos de moléculas grasas, que se degradan gradualmente y cuyos grupos acetilo resultantes pasan al ciclo de Krebs. Los electrones capturados por el NADH y FADH₂, a su vez, alimentan a la cadena de transporte de electrones y son finalmente aceptados por el oxígeno; sin embargo, no se sintetiza ATP. ¿Por qué no? El tejido adiposo pardo existe en algunos animales que hibernan y en los cachorros de mamíferos que nacen sin pelo, incluyendo nuestros niños. ¿Qué función cumpliría el tejido adiposo pardo?

No hay síntesis de ATP porque la permeabilidad de la membrana interna de las mitocondrias a los iones hidrógeno impide el establecimiento de un gradiente electroquímico. En estas células existe una proteína desacoplante que abre una vía de flujo de iones hidrógeno desde el citoplasma a la matriz mitocondrial. Este sistema genera calor “cortocircuitando” la producción de energía. Esta vía de disipación del gradiente de protones se activa con los ácidos grasos liberados de los triglicéridos en respuesta a determinadas señales hormonales. El calor generado permite a los pequeños mamíferos recién nacidos, que tienen poco pelo, mantener la temperatura de su cuerpo. También permite a los animales que se despiertan de la hibernación retomar su temperatura corporal normal.

10.a) Como hemos visto, una célula puede obtener un máximo de 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que se oxida por completo. Explique la producción de cada molécula de ATP. b) En la glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones se forman en realidad 40 moléculas de ATP. ¿Por qué el rendimiento neto de la célula es sólo de 38 moléculas? c) ¿Qué otros factores pueden reducir el rendimiento de ATP?

a. Producción de ATP. Directamente de la glucólisis: 2 ATP; del NADH producido en glucólisis: 6 ATP; del NADH producido en la conversión de ácido pirúvico a acetilCoA: 6 ATP; directamente del ciclo de Krebs: 2 ATP; del NADH producido en el ciclo de Krebs: 18 ATP; del FADH₂ producido en el ciclo de Krebs: 4 ATP

b. El rendimiento neto es de sólo 38 ATP por molécula de glucosa porque dos moléculas de ATP son usadas en el proceso: la energía contenida en una molécula de ATP es utilizada en el paso 1 y otra en el paso 3 de la glucólisis.

c. El rendimiento de ATP puede ser reducido por las células que usan la energía almacenada en el gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial para propósitos diferentes a la síntesis de ATP. LA gran proporción de la energía almacenada usada para otros procesos baja el rendimiento de ATP. En algunas células, como en las del cerebro o las del músculo esquelético, el costo energético de transportar electrones desde el NADH formado en la glucólisis, a través de la membrana interna de la mitocondria, baja la producción neta de los 2 NADH formados en glucólisis a 4 ATP. Esos electrones están a un nivel más bajo de energía y entran en la cadena de transporte de electrones a nivel de la coenzima Q. Su pasaje por la cadena de transporte de electrones rinde 2 ATP por cada NADH. Así, la producción máxima total en estas células es 36 ATP.

11.Describa de qué manera los procesos de la célula están adaptados al uso eficiente de una variedad de alimentos, y a la producción eficiente de la diversidad de materiales que la célula necesita elaborar para su propio uso.

La célula puede usar una variedad de alimentos porque todos pueden ser degradados a moléculas que pueden ser metabolizadas en la glucólisis y/o la respiración. Los polisacáridos son degradados a monosacáridos y luego fosforilados a glucosa 6 fosfato. En esa forma entran en la glucólisis en el paso 2. Las grasas pueden ser degradadas en glicerol y ácidos grasos que pueden ser convertidos en acetil CoA que entra en el ciclo de Krebs. Las proteínas son degradadas en aminoácidos. El esqueleto carbonado puede ser convertido en el grupo acetilo o en algún intermediario del ciclo de Krebs. Todas estas moléculas –monosacáridos, ácidos grasos y aminoácidos– así como otras moléculas más pequeñas pueden ser usadas como precursores de la síntesis de moléculas que el organismo necesita. Aunque los pasos metabólicos no son idénticos a los catabólicos, la célula puede construir las moléculas que necesita comenzando desde cualquier componente de la glucólisis o del ciclo de Krebs. Esto es altamente eficiente ya que la célula puede utilizar cualquier molécula que tenga para proveerse de lo que necesita.

12.En términos de la economía celular, ¿qué le suministran los procesos anabólicos a la célula? ¿Qué le suministran los procesos catabólicos? ¿De qué manera dependen unos de otros?

Los procesos anabólicos proveen material estructural, enzimas y moléculas que almacenan energía. Los procesos catabólicos proveen energía y pequeñas moléculas que pueden ser usadas para la construcción de moléculas mayores en los proceso anabólicos. Sin el catabolismo, la célula no tendría energía y materiales de construcción; sin el anabolismo, la célula no tendría material estructural y enzimas que se necesitan en los procesos catabólicos.

Ejercicio Anterior

Ejercicio Siguiente