Ejercicio resuelto de Respiración celular · Biología · 2024

Pregunta 7. Las gráficas A y B representan las concentraciones de CO${}_2$ (A) y de glucosa (B) a lo largo del tiempo en un tubo herméticamente cerrado donde se tienen células musculares en un medio de cultivo artificial.\na. ¿Cómo se puede explicar el cambio que se observa a los 30 minutos en las gráficas A y B? (Calificación 0.5 puntos)\nb. ¿Qué compuesto se empezará a acumular en el medio a partir del minuto 30? (Calificación 0.5 puntos)\nc. ¿En qué compartimento u orgánulo celular se produce la mayor parte de energía durante los primeros 30 minutos? ¿Y durante los últimos 30 minutos? (Calificación 0.5 puntos)\nd. ¿Qué les ocurre a las células musculares a partir del minuto 60? (Calificación 0.5 puntos)\n

$\mathbf{\text{a.}}\mathbf{\text{¿C}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{puede}}\mathbf{\text{explicar}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{cambio}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{observa}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{30}}\mathbf{\text{minutos}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{gr}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ficas}}\mathbf{\text{A}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{B?}}\mathbf{\text{(Calificaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{0.5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Las gráficas muestran que el dióxido de carbono crece de forma sostenida hasta el minuto 30 y a partir de ahí se estanca, mientras que la glucosa desciende despacio hasta ese mismo instante y desde él cae en picado hasta agotarse. El cambio se explica porque a los 30 minutos $\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{ha}}\mathbf{\text{agotado}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{ox}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{geno}}$ del tubo, que está herméticamente cerrado y no puede reponerlo.

Hasta ese momento las células musculares hacían $\mathbf{\text{respiraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{celular}}\mathbf{\text{aerobia}}$: oxidaban la glucosa por completo hasta $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ y agua, y por eso el dióxido de carbono aumentaba. Sin oxígeno, la cadena respiratoria se detiene y con ella el ciclo de Krebs, de modo que las células pasan a la $\mathbf{\text{fermentaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{l}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ctica}}$: siguen haciendo glucólisis en el citosol y reducen el piruvato a lactato. La fermentación láctica no desprende $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ —a diferencia de la alcohólica—, y de ahí la meseta de la gráfica A.

$\mathbf{\text{b.}}\mathbf{\text{¿Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{compuesto}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{empezar}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{acumular}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{medio}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{partir}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{minuto}}\mathbf{\text{30?}}\mathbf{\text{(Calificaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{0.5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El $\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{l}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ctico}}$ o lactato, que es el producto final de la fermentación láctica:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\text{–}\mathrm{C}\mathrm{O}\text{–}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{N}\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{H}+{\mathrm{H}}^{+}⟶\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\text{–}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{H}\text{–}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{N}\mathrm{A}{\mathrm{D}}^{+}$

Se acumula porque, al no haber oxígeno que reoxide el NADH en la cadena respiratoria, la célula tiene que hacerlo de otro modo para recuperar el $\mathrm{N}\mathrm{A}{\mathrm{D}}^{+}$ que la glucólisis necesita, y el único aceptor disponible es el propio piruvato. Su acumulación acidifica el medio de cultivo.

$\mathbf{\text{c.}}\mathbf{\text{¿En}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{compartimento}}\mathbf{\text{u}}\mathbf{\text{org}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nulo}}\mathbf{\text{celular}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{produce}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mayor}}\mathbf{\text{parte}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{durante}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{primeros}}\mathbf{\text{30}}\mathbf{\text{minutos?}}\mathbf{\text{¿Y}}\mathbf{\text{durante}}\mathbf{\text{los}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{ltimos}}\mathbf{\text{30}}\mathbf{\text{minutos?}}\mathbf{\text{(Calificaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{0.5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Durante los primeros 30 minutos, en la $\mathbf{\text{mitocondria}}$: aunque la glucólisis ocurre en el citosol, aporta solo 2 ATP netos, mientras que el ciclo de Krebs y sobre todo la fosforilación oxidativa de la membrana mitocondrial interna producen los otros treinta, es decir, más del noventa por ciento del total.

Durante los últimos 30 minutos, en el $\mathbf{\text{citosol}}$, ya que la única vía disponible es la glucólisis, que transcurre íntegramente en el hialoplasma. La mitocondria queda inactiva por falta de oxígeno.

Ese cambio de compartimento explica además la forma de la gráfica B: como el rendimiento cae de unos 32 ATP por glucosa a solo 2, la célula necesita consumir dieciséis veces más glucosa para obtener la misma energía, y por eso la curva de glucosa se desploma a partir del minuto 30.

$\mathbf{\text{d.}}\mathbf{\text{¿Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{les}}\mathbf{\text{ocurre}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{lulas}}\mathbf{\text{musculares}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{partir}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{minuto}}\mathbf{\text{60?}}\mathbf{\text{(Calificaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{0.5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

En el minuto 60 la glucosa del medio se ha $\mathbf{\text{agotado}}$, y con ella la última fuente de energía disponible: sin oxígeno y sin glucosa las células no pueden obtener ATP ni siquiera por fermentación.

La consecuencia es que se detienen todos los procesos que dependen del ATP: las bombas de la membrana dejan de funcionar y se pierden los gradientes iónicos, entra agua, la célula se hincha y acaba $\mathbf{\text{muriendo}}$. A ello se suma la acidificación del medio por el ácido láctico acumulado, que desnaturaliza proteínas y agrava el daño. Cabe añadir que las células podrían prolongar algo su vida degradando otros sustratos propios —glucógeno de reserva, lípidos o proteínas—, pero los lípidos solo se aprovechan por vía aerobia, de modo que sin oxígeno tampoco esa salida existe.