Ejercicio resuelto de Respiración celular · Biología · 2024

Describa, mediante un dibujo o esquema detallados, el mecanismo que tienen las células eucarióticas para obtener ATP en presencia de oxígeno. El dibujo debe incluir la localización del proceso en el orgánulo involucrado. [1,25 puntos]

$\mathbf{\text{Describa,}}\mathbf{\text{mediante}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{dibujo}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{esquema}}\mathbf{\text{detallados,}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{mecanismo}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{tienen}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{lulas}}\mathbf{\text{eucari}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{ticas}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{obtener}}\mathbf{\text{ATP}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{presencia}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ox}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{geno.}}\mathbf{\text{El}}\mathbf{\text{dibujo}}\mathbf{\text{debe}}\mathbf{\text{incluir}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{localizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{proceso}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{org}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nulo}}\mathbf{\text{involucrado.}}\mathbf{\text{[1,25}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El mecanismo es la CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO acoplada a la FOSFORILACIÓN OXIDATIVA, y su localización es la MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA, sobre todo en los repliegues que forman las crestas.



El punto de partida son las coenzimas reducidas, NADH y ${\text{FADH}}_2$, que la matriz mitocondrial ha generado en el ciclo de Krebs, en la beta-oxidación de los ácidos grasos y en la descarboxilación oxidativa del piruvato. Esas coenzimas llevan electrones de alta energía y los ceden a la cadena.

La cadena consta de cuatro complejos anclados en la membrana interna. El NADH entrega sus electrones al complejo I y el ${\text{FADH}}_2$ al complejo II; de ahí pasan a la ubiquinona o coenzima Q, móvil dentro de la bicapa, luego al complejo III, después al citocromo c, que se desplaza por el espacio intermembranoso, y por último al complejo IV. En cada salto los electrones caen a un nivel energético menor, porque cada transportador es más electronegativo que el anterior, y esa energía liberada la aprovechan los complejos I, III y IV para BOMBEAR PROTONES desde la matriz al espacio intermembranoso. El complejo II no bombea, y por eso el ${\text{FADH}}_2$ rinde menos ATP que el NADH.

El aceptor final de los electrones es el OXÍGENO, que en el complejo IV se reduce a agua:

$\frac{1}{2}{\text{O}}_2+2{\text{H}}^{+}+2e^{-}⟶{\text{H}}_2\text{O}$

Ese es el papel del oxígeno y la razón de que sin él todo se detenga: si nadie retira los electrones del extremo de la cadena, los transportadores se quedan reducidos, no pueden aceptar más, el bombeo cesa y con él la síntesis de ATP; y como el NADH ya no se reoxida, el ciclo de Krebs también se para.

El bombeo deja el espacio intermembranoso mucho más rico en protones que la matriz, es decir, establece un GRADIENTE ELECTROQUÍMICO o fuerza protón-motriz, con una diferencia de pH y de carga a través de la membrana. Como la membrana interna es prácticamente impermeable a los protones, la única vía de retorno es el canal de la ATP SINTASA, y al atravesarlo en favor de su gradiente el flujo hace girar la parte rotatoria del complejo, que fosforila el ADP:

$\text{ADP}+{\text{P}}_i⟶\text{ATP}+{\text{H}}_2\text{O}$

Este acoplamiento entre un gradiente de protones y la síntesis de ATP es la HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA de Mitchell, y explica por qué el proceso exige una membrana cerrada e impermeable: en una mitocondria dañada, o en presencia de un desacoplante como el dinitrofenol, los electrones siguen circulando y el oxígeno se sigue consumiendo, pero la energía se disipa como calor y no se obtiene ATP.

El rendimiento es de unos 2,5 ATP por NADH y 1,5 por ${\text{FADH}}_2$, lo que sitúa el total de la oxidación completa de una glucosa en torno a 30 o 32 ATP; de ellos, unos 26 se deben a esta fosforilación oxidativa y solo 4 a las fosforilaciones a nivel de sustrato de la glucólisis y del ciclo de Krebs.