Ejercicio resuelto de Respiración celular · Biología · 2022

3. Sarra Arbabaoui es una investigadora tunecina especializada en recuperar suelos contaminados por metales como el arsénico. Utiliza una planta que descontamina el suelo, Hibiscus cannabinus y además, da fibras textiles.
a. Sabiendo que el arsénico inhibe la oxidación del piruvato, explica el efecto del arsénico sobre la célula. (Calificación máxima 0,5 puntos)
b. ¿A qué proceso catabólico afecta el arsénico y en qué orgánulo celular tiene lugar? Escribe su reacción global. (Calificación máxima 0,5 puntos)
c. ¿Qué teoría relaciona al orgánulo implicado en la oxidación del piruvato con las bacterias? Indica 2 pruebas sobre las que se basa. {Calificación máxima 0,5 puntos}
d. Explica la relación entre los procesos catabólicos y anabólicos.(Calificación máxima 0,5 puntos)

$\mathbf{\text{a.}}\mathbf{\text{Sabiendo}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{ars}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{nico}}\mathbf{\text{inhibe}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{oxidaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{piruvato,}}\mathbf{\text{explica}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{efecto}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{ars}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{nico}}\mathbf{\text{sobre}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{lula.}}\mathbf{\text{(Calificaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{xima}}\mathbf{\text{0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

La oxidación del piruvato es la descarboxilación oxidativa que lo convierte en acetil-CoA, y es la $\mathbf{\text{puerta}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{entrada}}$ del metabolismo aerobio: sin ella, el carbono procedente de la glucólisis no puede llegar al ciclo de Krebs.

Bloquearla tiene un efecto en cadena. Se detiene el ciclo de Krebs, con lo que no se producen NADH ni $\mathrm{F}\mathrm{A}\mathrm{D}{\mathrm{H}}_2$; sin coenzimas reducidos no funciona la cadena respiratoria, no se genera el gradiente de protones y la ATP-sintasa se para. La célula pierde de golpe alrededor del 90 por ciento de su producción de ATP y queda reducida a los 2 ATP netos de la glucólisis, que además solo puede seguir funcionando si fermenta el piruvato acumulado a lactato para regenerar el $\mathrm{N}\mathrm{A}{\mathrm{D}}^{+}$.

El resultado es una $\mathbf{\text{crisis}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{tica}}$ con acumulación de piruvato y de lactato, acidosis y, en los tejidos de mayor demanda —sistema nervioso, corazón—, muerte celular. Es, en efecto, el mecanismo por el que el arsénico es tóxico: se une a los grupos tiol del ácido lipoico del complejo de la piruvato-deshidrogenasa.

$\mathbf{\text{b.}}\mathbf{\text{¿A}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{proceso}}\mathbf{\text{catab}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{lico}}\mathbf{\text{afecta}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{ars}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{nico}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{org}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nulo}}\mathbf{\text{celular}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{lugar?}}\mathbf{\text{Escribe}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{global.}}\mathbf{\text{(Calificaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{xima}}\mathbf{\text{0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Afecta a la $\mathbf{\text{respiraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{celular}}\mathbf{\text{aerobia}}$, y en concreto al paso de descarboxilación oxidativa del piruvato que la inicia y, en consecuencia, al ciclo de Krebs y a la fosforilación oxidativa que le siguen. Todo ello tiene lugar en la $\mathbf{\text{mitocondria}}$: la descarboxilación y el ciclo de Krebs en la matriz, y la cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna.

La reacción del paso concreto que se inhibe es

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\text{–}\mathrm{C}\mathrm{O}\text{–}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{A}\text{–}\mathrm{S}\mathrm{H}+\mathrm{N}\mathrm{A}{\mathrm{D}}^{+}⟶\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{l}\text{–}\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{A}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+\mathrm{N}\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{H}+{\mathrm{H}}^{+}$

y la reacción global de la respiración celular, que queda bloqueada, es

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2⟶6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\text{energ}\acute{\text{ı}}\text{a (unos 30 ATP)}$

$\mathbf{\text{c.}}\mathbf{\text{¿Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{teor}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{relaciona}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{org}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nulo}}\mathbf{\text{implicado}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{oxidaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{piruvato}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{bacterias?}}\mathbf{\text{Indica}}\mathbf{\text{2}}\mathbf{\text{pruebas}}\mathbf{\text{sobre}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{basa.}}\mathbf{\text{(Calificaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{xima}}\mathbf{\text{0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Es la $\mathbf{\text{teor}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{endosimbi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{tica}}$, formulada por Lynn Margulis: las mitocondrias proceden de bacterias aerobias de vida libre que fueron englobadas por una célula ancestral anaerobia y, en lugar de ser digeridas, quedaron viviendo en su interior en simbiosis; la bacteria le aportaba la respiración aerobia y recibía protección y nutrientes. Lo mismo valdría para los cloroplastos, a partir de cianobacterias.

Dos pruebas:

$\mathbf{\text{i)}}$ La mitocondria tiene $\mathbf{\text{ADN}}\mathbf{\text{propio}}$, bicatenario, circular y desnudo, y $\mathbf{\text{ribosomas}}\mathbf{\text{70}}\mathbf{\text{S}}$, los dos exactamente del tipo bacteriano y distintos de los de la célula eucariota, que tiene ADN lineal con histonas y ribosomas 80 S.

$\mathbf{\text{ii)}}$ Se $\mathbf{\text{divide}}\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{bipartici}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}$, de forma independiente de la división celular, y no puede formarse de nuevo: solo aparece a partir de otra mitocondria preexistente, igual que una bacteria.

Podrían citarse también su doble membrana —la interna de composición bacteriana, con cardiolipina y sin colesterol— y su sensibilidad a los antibióticos que actúan sobre los ribosomas 70 S.

$\mathbf{\text{d.}}\mathbf{\text{Explica}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{relaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{entre}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{procesos}}\mathbf{\text{catab}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{licos}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{anab}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{licos.}}\mathbf{\text{(Calificaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{xima}}\mathbf{\text{0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Son las dos mitades complementarias del metabolismo y están acopladas: no pueden existir la una sin la otra.

El $\mathbf{\text{catabolismo}}$ degrada moléculas complejas en otras sencillas mediante oxidaciones; es exergónico y $\mathbf{\text{libera}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}$, que conserva en forma de ATP, y poder reductor, en forma de NADH y $\mathrm{F}\mathrm{A}\mathrm{D}{\mathrm{H}}_2$. El $\mathbf{\text{anabolismo}}$ construye moléculas complejas a partir de sencillas mediante reducciones; es endergónico y $\mathbf{\text{consume}}$ justamente ese ATP y ese poder reductor.

El acoplamiento se produce por dos vías. Una energética, a través del ciclo ATP-ADP: el catabolismo fosforila el ADP y el anabolismo hidroliza el ATP, de modo que la misma moneda circula continuamente. Otra material: los intermediarios del catabolismo —acetil-CoA, piruvato, los ácidos del ciclo de Krebs— son a la vez los precursores de las rutas de síntesis, lo que hace del metabolismo una red y no dos vías separadas. Por eso se dice que el catabolismo es convergente y el anabolismo divergente, y que las rutas de ida y de vuelta nunca son idénticas, para poder regularse por separado.