!"
Resolución de los ejercicios del TP N
o
8
Antes de comenzar…esta guía tiene varias cuestiones discutibles y mucho para razonar, por lo que
pueden haber distintas respuestas (fundamentalmente en el ejercicio 6 y algunos ítems del
adicional). Lo vamos a ir discutiendo en las clases de Zoom de los jueves pero, para algunos casos
puntuales, quedará charlarlos en las consultas de la Facultad y así corroborar que lo que hemos
resuelto responde a lo que ellos pretenden!
1) Observe el siguiente esquema del metabolismo intermedio:
a) Complete el esquema con los siguiente términos y referencias: glucosa, aminoácidos, ácidos
grasos, glucólisis, piruvato, acetilCoA, matriz mitocondrial, espacio intermembrana, citoplasma,
ciclo de Krebs, transportadores de electrones, cadena respiratoria, fosforilación oxidativa,
membrana mitocondrial interna, membrana mitocondrial externa.
b) Agregue al esquema los siguientes transportes a través de la membrana mitocondrial interna
i- O
2
, ii-ATP/ADP, iii- Piruvato, iv- Fosfato inorgánico (Pi) v- CO
2
.
Explique de qué tipo de transporte se trata en cada caso y de dónde se obtiene la energía para
impulsarlos en caso de ser necesario.
1) Simporte H
+
/piruvato (impulsado por gradiente de pH). Activo secundario.
2) Simporte H
+
/Pi (impulsado por gradiente de pH). Activo secundario.
3) Intercambiador (ADP)
-3
/(ATP)
-4
: la entrada de (ADP)
-3
y la salida de (ATP)
-4
de la mitocondria
(antiporte) es impulsada por el gradiente de voltaje.
4) Difusión simple de O
2
: ingresa por transporte pasivo (molécula no polar), a favor del gradiente.
5) Difusión simple de CO
2
: sale por transporte pasivo (molécula no polar), a favor del gradiente.
2) a) Escriba las ecuaciones generales que describen a cada uno de los siguientes procesos:
i- glucólisis (partiendo de glucosa)
!"
glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD
+
→ 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H
+
ii- descarboxilación oxidativa del piruvato
piruvato + CoA + NAD
+
→ acetil CoA + CO
2
+ NADH + H
+
iii- Ciclo de Krebs
acetil CoA + 3 NAD
+
+ FAD + GDP + Pi → CoA + 2 CO
2
+ 3 NADH + 3 H
+
+ FADH
2
+ GTP
iv- cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa.
NADH + H
+
+ ½ O
2
+ 2,5 ADP + 2,5 Pi → NAD
+
+ H
2
O + 2,5 ATP
FADH
2
+ ½ O
2
+ 1,5 ADP + 1,5 Pi → FAD + H
2
O + 1,5 ATP
b) ¿Por qué si la oxidación desde un compuesto A hasta otro B libera la misma cantidad de energía
independientemente del número de pasos intermedios entre ambos estados, la célula degrada sus
combustibles a través de una serie tan compleja de reacciones enzimáticas (recordar el alto costo
de la síntesis proteica) y no en un solo paso? La glucosa se oxida en las células mediante una larga
serie de reacciones redox estrechamente controladas. En vez de descomponerse como calor, en
las células, el cambio de energía libre que tiene lugar durante la oxidación de la glucosa se utiliza
para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.
3) Se midió la cantidad de ácido láctico que producen dos cultivos celulares que utilizan glucosa
como única fuente de carbono y energía, observándose que en la célula A la producción es de
100:1 con respecto a la célula B. ¿Cómo puede interpretar esta diferencia si encuentra que ambas
células consumen idéntica cantidad de glucosa por minuto? ¿Cómo será la producción de energía
y el consumo de oxígeno de la célula A con respecto a la B?
La célula A está realizando fermentación láctica, por eso la elevada cantidad que se midió de ácido
láctico. Consume la misma cantidad de glucosa que la célula B, pero produce menos ATP porque la
fermentación rinde 15 veces menos que la respiración aeróbica (2 moles de ATP por mol de
glucosa). No consume O
2
porque la fermentación es un proceso anaeróbico.
La célula B está realizando respiración aeróbica, por lo tanto casi no hay ácido láctico y, si bien
consume la misma cantidad de glucosa, produce 15 veces más ATP que la célula A (30-32 moles de
ATP por mol de glucosa). La célula B está consumiendo O
2
.
4) Señale la premisa correcta y justifique su respuesta.
i- La glucólisis es un proceso:
A) Que tiene lugar en el citosol
B) A través del cual se oxida glucosa en ausencia de oxígeno
C) En el cual se generan 4 moléculas de ATP/molécula de glucosa
D) A y B son correctas
E) TODAS son correctas
ii- La fermentación alcohólica:
A) Se realiza a nivel de matriz mitocondrial
B) Es un proceso mediante el cual a partir de una molécula de piruvato se generan 1 etanol y 1 CO
2
y se sintetiza una molécula de ATP por fosforilación a nivel de sustrato
C) Es un proceso que permite regenerar NAD
+
en condiciones anaeróbicas.
D) B y C son correctas
E) NINGUNA es correcta
iii- En la matriz mitocondrial se encuentran enzimas
A) Del ciclo de Krebs
B) Que permiten la transcripción y traducción del ADN mitocondrial
!"
C) De la β-oxidación
D) De la descarboxilación oxidativa del piruvato
E) TODAS son correctas
iv- En el ciclo de Krebs
A) Se produce la oxidación completa del grupo acetilo del acetil-CoA
B) La mayor parte de la energía liberada se almacena bajo la forma de ATP
C) Se consume oxígeno
D) A y B son correctas
E) A y C son correctas
v- La ATP sintetasa
A) Cataliza la síntesis de ATP utilizando la energía de la disipación del gradiente de protones
existente a través de la membrana mitocondrial externa.
B) Puede bombear protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana
utilizando la energía de la hidrólisis de ATP
C) Es un enzima que se puede encontrar en la membrana plasmática bacteriana
D) A y C son correctas
E) B y C son correctas
vi- Como resultado del flujo de electrones a través de la cadena transportadora de electrones
A) Se genera un gradiente de [H
+
] a través de la membrana interna mitocondrial
B) El pH de la matriz mitocondrial es mayor que el del citosol
C) La matriz tiene carga negativa con respecto al citosol
D) Se genera la fuerza protón-motriz
E) TODAS son correctas
vii- Un ritmo respiratorio mitocondrial bajo, de tan solo 5 a 10% de la velocidad máxima es debido
a que:
A) La concentración de ADP en el medio es baja y la de ATP elevada.
B) La concentración de ADP y ATP en el medio son ambas elevadas.
C) La concentración de ADP y de ATP en el medio es constante.
D) A y C son correctas
E) B y C son correctas
5) Estudia el caso de un paciente pediátrico de 15 meses que se presenta con un cuadro
progresivo que comenzó con debilidad y dificultad para alimentarse y que actualmente presenta
convulsiones, ataxia, rigidez, retardo en el desarrollo intelectual y su movilidad y fuerza están
disminuidas. Gracias a criterios clínicos, de imágenes, histopatológicos y de laboratorio llega a la
conclusión de que se trata de una patología debida a la alteración de una proteína mitocondrial
involucrada en la cadena transportadora de electrones.
a) Para la realización de estudios posteriores debieron aislarse mitocondrias del paciente ¿Qué
procedimientos utilizaría con este fin? Centrifugación diferencial, una técnica que permite separar
las distintas organelas de una célula (esto quedó del año 2018, cuando estos temas se veían, no se
preocupen!).
b) ¿En qué parte de la cadena respiratoria cree Ud. que se encuentra el defecto, teniendo en
cuenta los resultados que obtuvo al comparar los siguientes parámetros obtenidos en
mitocondrias aisladas del paciente y de 2 individuos control a los que llamaremos “ind. sano a” e
“ind. sano b”? Justifique su respuesta.
!"
Se encuentra afectado el complejo I (llamado NADH deshidrogenasa), que es el complejo al que
cede electrones y H
+
el NADH, por eso la tasa de oxidación de NADH se ve muy reducida en el
paciente, mientras que la tasa de oxidación del FADH
2
no se ve disminuída (el FADH
2
saltea el
complejo I). En consumo de O
2
se ve reducido en la persona enferma porque están llegando
menos electrones al complejo III y, en consecuencia, al O
2
(último aceptor).
c) ¿Qué órganos se verán más afectados por la presencia de dicha proteína anómala?¿Por qué?
Hígado, músculos esqueléticos, cardíaco (órganos en los que hay células con muchas mitocondrias
por los altos requerimientos de ATP).
Indique cómo serán los niveles de las siguientes sustancias (aumentados – normales –
disminuidos) en las células afectadas por la enfermedad:
i- Ácido láctico: aumentados
ii- NADH: aumentados (no se está reoxidando)
iii- Ubiquinona reducida (ubisemiquinona y ubiquinol): disminuídos (no hay electrones
provenientes del NADH)
iv- FADH
2
:
normales
¿Podría utilizar alguno de los anteriores como marcador sérico de la enfermedad? ¿Cuál? ¿Por
qué? El ácido láctico (circula en sangre).
d) Se observó que en la familia de este niño existían casos de la enfermedad en parientes de la
línea materna. ¿Qué podría decir acerca de la localización del gen que codifica a la proteína en
cuestión teniendo en cuenta que durante la fecundación prácticamente la totalidad del citoplasma
del cigoto es aportado por el oocito. ¿Cuál es el riesgo hipotético de que el niño pueda transmitir
la enfermedad a su progenie? El gen se encuentra en el ADN mitocondrial. Las mitocondrias de
heredan de la madre (del oocito u óvulo), ya que el espermatozoide al fecundar, la porción que
contiene las mitocondrias no ingresan al oocito. Los varones no transmiten la enfermedad, la
transmiten las mujeres por medio de las mitocondrias presentes en sus óvulos.
LECTURA COMPLEMENTARIA: Las enfermedades denominadas mitocondriales suelen presentarse tanto en etapa
pediátrica como adulta, siendo progresivas y multisistémicas. El mayor daño es ocasionado a las células de órganos
con una alta demanda energética tales como el cerebro, corazón, hígado, músculo esqueleto, riñón así como
alteraciones en los sistemas endócrino y respiratorio.
Dependiendo de qué células resulten afectadas, los síntomas pueden incluir pérdida de control motor, debilidad
muscular y dolor; desórdenes gastrointestinales y dificultades para deglutir; crecimiento deficiente, enfermedades
cardiacas, del hígado, diabetes, complicaciones respiratorias, convulsiones, problemas visuales y auditivos, acidosis
láctica, retrasos en el desarrollo y susceptibilidad a contraer infecciones.
6) En el siguiente cuadro se presentan algunos agentes que interfieren con la fosforilación
oxidativa:
!"
a) Para cada tipo de agente describa detalladamente la secuencia de eventos que conducen
finalmente a la inhibición de la fosforilación oxidativa. Mirar el cuadro atentamente y pensar lo
que está pasando en cada caso…
Van algunos ejemplos:
La valinomicina es un antibiótico que disipa el potencial de membrana, que es fundamenteal para
la fuerza protón motriz. Actúa como un ionóforo (desacoplante), permitiendo que el K
+
vuelva a la
matriz por la MMI y disipando la fuerza protón motriz (ingresan cargas +). Los H
+
no vuelven por la
ATP sintasa y no se forma ATP.
La oligomicina (inhibidor) bloquea el paso de H
+
a través de la ATP sintasa, por que lo que no habrá
síntesis de ATP. Se acumula un elevado gradiente de protones, lo que inhibe el flujo de electrones
en la cadena.
El atractilósido, un producto vegetal, inhibe el intercambiador ATP/ADP de la MMI, sin ADP que se
pueda fosforilar, no se forma ATP.
b) Teniendo en cuenta sus mecanismos de acción, complete el siguiente cuadro indicando el
efecto que tendrá la adición de los compuestos indicados sobre los parámetros celulares
presentados en la primera columna.
Cianuro 2,4-DNP
Síntesis lípidos Disminuye Disminuye
Absorción de aminoácidos en células del
epitelio intestinal
Disminuye Disminuye
Consumo de O
2
Disminuye Aumenta
Producción de CO
2
Disminuye Aumenta
Concentración H
+
en matriz Aumenta Aumenta
Concentración H
+
en espacio intermembrana
Disminuye Disminuye
Gradiente de concentración de H
+
Disminuye Disminuye
Producción de NADH + H
+
Disminuye Aumenta
Degradación de acetil-CoA en ciclo de Krebs Disminuye Aumenta
(*) indique su efecto sobre los parámetros celulares en términos de: aumenta – disminuye – no
cambia)
c) Considerando lo respondido en el ítem anterior respecto a los efectos de los compuestos
indicados en el cuadro sobre el gradiente de concentración de H
+
, ¿cree usted que habrá síntesis
de ATP si se aumenta experimentalmente (in vitro) la concentración de H
+
en el espacio
intermembrana ? Si se trata de un inhibidor, habría un aumento en la síntesis de ATP al aumentar
la fuerza protón motriz, ya que se incrementaría la actividad de la ATP sintasa. En el caso de un
!"
desacoplante, como los H
+
están volviendo a la matriz a través de poros que se generan en la MMI,
no se incrementaría la síntesis de ATP.
d) Realice un esquema para comprender cómo se modifica el estado redox si se produjera la
inhibición de la cadena respiratoria a nivel de cada uno de los complejos. ¿Qué ocurrirá con el
estado redox en presencia de un desacoplante? Justifique en cada caso su respuesta.
Para esto hay muchísimas opciones y se debe analizar cada caso en particular, conociendo la
teoría.
Al agregar un inhibidor, todo lo anterior al sitio donde inhibe dicha sustancia se llena de electrones
(está reducido) entonces se frena el transporte de electrones y todo lo que está después del
inhibidor está oxidado. Por ejemplo, con el inhibidor cianuro o el monóxido de carbono, todos los
complejos de la cadena quedan reducidos, porque esos inhibidote actúan sobre el complejo III
(citocromo oxidasa). Los complejos se llenaron de electrones y no pueden pasárselos unos a otros,
porque el complejo III no está cediéndolos al O
2
. En el caso de la rotenona, que actúa a nivel del
complejo I (NADH deshidrogenasa), impide que ceda los electrones a la ubiquinona, por lo el
complejo I está reducido y desde la ubiquinona en adelante todos están oxidados.
Con el agregado de un desacoplante, los estados redox no se modifican, sino que todo está
funcionando de forma acelerada para compensar el déficit en la síntesis de ATP (aumenta el flujo
de electrones en los complejos).
7) a) ¿Qué efecto tendrá la utilización de ouabaína sobre la respiración celular? ¿Por qué a este
proceso se le denomina inhibición indirecta? Porque inhibe la bomba Na
+
/K
+
, que exige un gran
consumo de ATP a la célula, entonces, la concentración de ADP es baja y la de ATP es alta
(disminuye el ritmo o la tasa respiratoria, de forma indirecta).
b) ¿De qué manera se altera el consumo de oxígeno en una célula donde la actividad de la bomba
Na
+
/K
+
se encuentra incrementada? Aumenta en consumo de O
2
, porque la relación ATP/ADP
disminuye (hay mucho ADP), lo que aumenta el rimo respiratorio.
c) Si se destruyeran todas las partículas elementales de las mitocondrias, ¿qué efecto podría tener
sobre dicha bomba? ¿Qué consecuencias traería aparejada dicha situación sobre el volumen
celular? Justifique. Se alterarían las concentraciones iónicas y eso modificaría las osmolaridades de
los compartimientos, por lo que la célula variaría su volumen.
8) Un laboratorio está estudiando la producción de una vacuna contra la bacteria AHK27. El cultivo
celular de dicha bacteria requiere el gaseado con una mezcla de O
2
/CO
2
95/5%* así como el
agregado de glucosa como nutriente.
a) Si con el agregado de 1 mol de glucosa por litro de medio de cultivo, éste sobrevive 12 días,
¿cuál será el consumo de ATP por litro de cultivo y por día?
Sabiendo que un mol de glucosa produce 30-32 moles de ATP mediante la glucólisis y la
respiración celular (metabolismo aeróbico-ver ecuación de oxidación total de la glucosa), podemos
deducir lo siguiente:
12 días ----------------------- 30-32 moles de ATP (que es lo que produce un mol de glucosa)
1 día ---------------------------X= 2,5-2,7 moles de ATP/día
*La pauta de que es aeróbica me la brinda el siguiente dato del enunciado: O
2
/CO
2
95/5%
b) Si Ud. reemplaza el O
2
por N
2
, ¿puede sacar alguna conclusión respecto a sí su bacteria es
aeróbica estricta o anaeróbica facultativa? ¿Cómo? Si sobrevive con N
2
es porque puede vivir sin
O
2
, realizando respiración anaeróbica (es anaeróbica facultativa). Podría ser también que esté
fermentando.
c) ¿Cuál será el rendimiento de ATP por mol de glucosa en cada caso? Con N
2
será menor a 30-32
moles de ATP (siempre la respiración aeróbica, que usa el O
2
como último aceptor de electrones,
tiene el mayor rendimiento energético).
!"
Atención!!! Si bien no lo menciona este problema, otra posibilidad que podemos pensar es cuánto
sobreviviría la bacteria si en vez de respirar, fermenta ese mol de glucosa (sabemos que la
fermentación de un mol de glucosa produce 2 ATP). Suelen tomar ejercicios de este tipo en el
examen!
Entonces:
2,5-2,7 moles de ATP---------------1 día
2 moles de ATP----------------------X= 0,75-0,8 días
1 día---------------------24 hs
0,75-0,8 días-----------X= 18-19 hs
O directamente, hacerlo en una regla de tres simple:
2,5-2,7 moles de ATP---------------24 horas
2 moles de ATP----------------------X= 18-19 horas
Si fermenta ese mol de glucosa, en lugar de vivir 12 días (lo que vive haciendo respiración
aeróbica), esa bacteria viviría 18-19 hs aproximadamente.
9) Ud. es un estudiante de medicina amante del deporte y como además es
un ferviente seguidor de su equipo de fútbol, siempre comienza a leer el
periódico por la sección deportiva. Para su sorpresa encuentra la siguiente
nota periodística que combina sus dos pasiones el deporte y la medicina:
En la nota periodística destacan además que el dinitrofenol es una
sustancia muy consumida por los fisicoculturistas debido a que quema las
grasas muy rápidamente sin necesidad de hacer dietas. Aunque presenta
las siguientes acciones secundarias: Aumento del apetito, excesiva
transpiración, deshidratación, incremento del ritmo respiratorio y
metabólico, puede causar la muerte por incremento de la temperatura
corporal. Apelando a sus conocimientos como estudiante de medicina, explique el fundamento
biológico para el uso de esta droga tan peligrosa y cuyo uso está terminantemente prohibido.
¿Cómo se explican todos los efectos mencionados en la nota?
En consumo de 2,4-dinitrofenol, que actúa como “quemador de grasas” produce la aceleración del
metabolismo. El 2,4-DNP es un desacoplante (desacopla la cadena transportadora de electrones
de la fosforilación oxidativa, haciendo que los H
+
puedan volver por poros en la MMI y no sólo por
la ATP sintasa y aumentando el flujo de electrones). Esto provoca que, cuando escasea la glucosa,
los AG se oxiden a acetil CoA e ingresen al ciclo de Krebs en la mitocondria (por eso se llama
quemador de grasas), acelerando todos los procesos metabólicos y causando una gran exigencia a
nivel corporal, lo que puede desencadenar la muerte, generalmente debida a una hipertermia
descontrolada.
Ejercicios adicionales (como hay solamente uno lo incorporé acá!)
1) Para cada afirmación coloque una “V” si resulta verdadera o una “F” si es falsa. En este último
caso, transfórmelas en verdaderas.
a. Los organismos heterótrofos obtienen su energía del catabolismo de compuestos orgánicos
mientras que los autótrofos fotosintéticos lo hacen de la luz solar ya que no realizan respiración
celular. Falsa, muchos autótrofos, como los vegetales, realizan la respiración celular. La
fotosíntesis permite elaborar sus propias moléculas orgánicas (anabolismo) y la respiración, en
degradar esas moléculas para obtener ATP (catabolismo)
!"
b. El gradiente de pH a través de la membrana mitocondrial interna es suficiente para impulsar la
síntesis de ATP. Falso, se necesita ADP y Pi (sustratos de la ATP sintasa)
c. Si se marcara radiactivamente con
14
C las moléculas de NADH extramitocondriales de una célula
eucariota al cabo de un tiempo aparecerá radiactividad en la matriz mitocondrial. Falso, no hay un
transportador de NADH en la membrana mitocondrial, sino que esos H
+
y electrones del NADH
citosólico ingresan por mecanismos de lanzadera.
d. La importación de sustancias como Pi y ADP a la matriz consume parte de la fuerza protón
motriz. Verdadero.
e. El bombeo de H
+
en el espacio intermembrana no afecta a las enzimas citosólicas. Verdadero
(pero queda para consulta en la facu, no se a qué apunta!!!)
f. El NAD
+
es el aceptor final de los electrones en la cadena respiratoria. Falso, es el O
2
g. El O
2
es el compuesto con más afinidad por los electrones en la cadena respiratoria. Verdadero
h. La cinética de ingreso de ADP y Pi a la matriz mitocondrial es lineal. Falso, es una hipérbola
(depende de transportadores).
i. Toda la energía almacenada en forma de gradiente electroquímico de protones se emplea para
la síntesis de ATP. Falso, parte se emplea para que ingrese el ADP, el Pi y el piruvato.
j. Sabiendo que el ΔG
o
de la hidrólisis de ATP es negativo podemos afirmar que esta reacción en la
célula es espontánea. Falso, porque la célula no está en condiciones estándar (tendría que decir
ΔG)
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