1. Definición y diferenciación de conceptos metabólicos

Defina y diferencie los siguientes pares de conceptos: autótrofo/heterótrofo, quimiosintético/fotosintético, aerobio/anaerobio.

• Autótrofo: Organismos que tienen la capacidad de elaborar su propio alimento a partir de sustancias inorgánicas, tales como los elementos no vivos del planeta.
• Heterótrofo: Seres vivos que requieren de otros para alimentarse; es decir, no son capaces de producir su alimento dentro de su organismo, sino que deben consumir elementos de la naturaleza ya constituidos como alimentos, sintetizados por otros organismos.

Los autótrofos sí producen su propio alimento y son los productores, mientras que los heterótrofos son los consumidores. Los autótrofos son los que llevan a cabo reacciones anabólicas; en cambio, los heterótrofos realizan reacciones catabólicas. Los autótrofos requieren energía lumínica o química, y los heterótrofos requieren energía química.

• Los organismos quimiosintéticos son, por ejemplo, las bacterias quimiosintéticas; es decir, son los seres que elaboran su propio alimento a partir de la energía de las sustancias que contienen hierro, hidrógeno, azufre y oxígeno.
• Los organismos fotosintéticos son aquellos que capturan la energía solar y pueden usarla en la producción de compuestos orgánicos. Por medio de este proceso, son capaces de elaborar su propio alimento partiendo de algo tan simple como la luz solar.

En resumen, los organismos fotosintéticos obtienen la energía de la luz solar, mientras que los quimiosintéticos la obtienen de las reacciones químicas.

• Los organismos aerobios son aquellos que pueden vivir o desarrollarse en presencia de oxígeno diatómico (O₂).
• Los organismos anaerobios son los que no utilizan oxígeno en su metabolismo; más exactamente, el aceptor final de electrones es otra sustancia diferente del oxígeno.

La respiración anaerobia produce 2 moléculas de ATP, mientras que la aerobia produce 36 moléculas de ATP. En la respiración anaerobia, los hidrógenos pasan al piruvato para formar el ácido láctico. En la respiración aerobia, los hidrógenos pasan a la cadena de transporte de electrones para formar ATP.

2. Análisis del esquema metabólico

En relación con el esquema adjunto, conteste las siguientes cuestiones:

a) ¿Cómo se denomina el conjunto de procesos que representa el esquema? Nómbralos y describe brevemente en qué consiste cada uno de ellos.

El conjunto de procesos que representa el esquema es el metabolismo.

• A: Catabolismo. Conjunto de reacciones de degradación de moléculas complejas a sencillas con desprendimiento de energía.
• B: Anabolismo. Reacciones de síntesis de moléculas sencillas a complejas con consumo de energía. Consiste en la construcción de biomoléculas a través de complejos químicos.

b) Explique en qué consiste la glucólisis indicando los sustratos iniciales y los productos finales. Comente la función del ATP.

Mediante la respiración celular, el ácido pirúvico formado en la glucólisis se oxida completamente a CO₂ y agua en presencia de oxígeno. Se desarrolla en dos etapas sucesivas: el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, asociada a la fosforilación oxidativa. Los compuestos iniciales son Acetil-CoA y los productos finales son 24 ATP. El destino del ATP es la obtención de energía para la célula.

3. La importancia del ATP en la célula

El ATP es fundamental para las células, ¿por qué? ¿En qué orgánulos celulares se produce la fosforilación oxidativa? ¿En qué proceso metabólico se integra? Explique las características básicas del mismo.

El ATP es fundamental para las células porque es una forma de energía utilizable para fabricar sus componentes celulares y realizar sus funciones vitales. La fosforilación oxidativa se produce en la membrana mitocondrial interna y se integra en el catabolismo. Las características comunes de este proceso son la síntesis de ATP a favor de un gradiente electroquímico.

4. Las fermentaciones y sus tipos

Explique qué son las fermentaciones y exponga un tipo concreto de fermentación.

La fermentación es una ruta metabólica que ocurre en el citosol, mediante la cual las células obtienen energía en condiciones anaerobias (el aceptor final de electrones es un compuesto orgánico y no el O₂), por oxidación parcial de compuestos orgánicos (principalmente glúcidos).

Un tipo de fermentación sería la fermentación láctica, donde el piruvato se reduce hasta ácido láctico al aceptar los electrones del NADH producido en la glucólisis. Esta es una reacción catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa.

5. Etapas del catabolismo de los glúcidos

Indique cuáles son las etapas del catabolismo de los glúcidos en una célula eucariota. ¿En qué parte de la célula se produce el piruvato? ¿Cuál es el destino del piruvato y qué transformación sufre en condiciones anaerobias? ¿Y en condiciones aerobias? Responda razonadamente.

Las etapas del metabolismo de glúcidos son: degradación de polisacáridos, glucólisis, y según la disponibilidad de oxígeno, la vía de la respiración celular o la vía de las fermentaciones.

• El piruvato se produce en el citosol.
• En condiciones anaerobias, el destino del piruvato es el citosol, siguiendo la vía de las fermentaciones (alcohólica o láctica).
• En condiciones aerobias, el destino del piruvato es la mitocondria, donde sufre una transformación en Acetil-CoA para entrar en el ciclo de Krebs.

6. Riesgos químicos en la fermentación del mosto

¿Por qué es peligroso entrar en una bodega poco ventilada cuando se está produciendo la fermentación del mosto? Razone la respuesta.

La fermentación alcohólica produce, a partir de la glucosa, etanol y CO₂. El dióxido de carbono resulta letal para el ser humano en altas concentraciones; no es posible detectarlo por el olor ni posee un color especial. En una atmósfera enriquecida con este gas es imposible respirar y una vela encendida (que consume oxígeno) se apagaría. Si se entra en una bodega con una vela encendida y esta se apaga, se debe salir inmediatamente por el peligro de morir asfixiado.

7. Balance energético: Glucosa y Oxígeno

En un recipiente cerrado herméticamente se están cultivando levaduras utilizando glucosa como fuente de energía. Se observa que cuando se agota el oxígeno aumenta el consumo de glucosa y comienza a producirse etanol. ¿Por qué aumenta el consumo de glucosa al agotarse el oxígeno? ¿Qué vía metabólica estaba funcionando antes y después del consumo total del oxígeno? Razone las respuestas.

El consumo de glucosa aumenta al agotarse el oxígeno porque la fermentación es menos rentable energéticamente que la respiración (produce mucho menos ATP por molécula de glucosa). La vía metabólica que funcionaba antes del agotamiento del oxígeno es la respiración celular, y después, la fermentación alcohólica.

8. Rutas metabólicas y rentabilidad energética

En relación con la imagen adjunta responda las siguientes cuestiones:

a) ¿Qué vía metabólica comprende el conjunto de reacciones que transforman la glucosa en ácido pirúvico? ¿Y las que transforman el ácido pirúvico en etanol? Indique el nombre de la molécula señalada con el número 1 y el de la vía metabólica señalada con el número 2.

• La vía que transforma la glucosa en ácido pirúvico es la glucólisis.
• Las que transforman el ácido pirúvico en etanol son las fermentaciones alcohólicas.
• La molécula 1 es el Acetil-CoA y la vía metabólica 2 es el ciclo de Krebs.

b) Explique razonadamente cuál de los tres destinos del ácido pirúvico será más rentable para la célula desde el punto de vista de la obtención de energía. Indique el destino del CO₂, FADH₂ y NADH.

El destino más rentable es la respiración celular, ya que en ella el piruvato se oxida completamente, permitiendo una mayor obtención de energía (ATP). El destino del CO₂ es la salida de la célula por difusión, mientras que el FADH₂ y el NADH se dirigen a la cadena de transporte electrónico.

9. El proceso de la fotosíntesis

En relación con la imagen adjunta responda a las siguientes cuestiones:

a) ¿Qué proceso biológico se representa en la figura? ¿Cuál es su finalidad? ¿Qué tipo de células lo llevan a cabo?

El proceso representado es la fotosíntesis. Su finalidad es convertir la energía luminosa en energía química (materia orgánica). Lo llevan a cabo las células vegetales y algunas bacterias (cianobacterias).

b) Indique qué corresponde a cada número:

1. Fotón de luz
2. Fotón
3. NADP+
4. NADPH
5. H₂O
6. O₂
7. ADP
8. ATP

10. Intoxicación etílica y síntesis de ATP

Se ha podido comprobar que la intoxicación experimental con alcohol etílico puede causar la degradación de la mitocondria comenzando por su membrana interna. Exponga razonadamente por qué en esta situación no se produce síntesis de ATP.

En esta situación no se produce síntesis de ATP porque los procesos de transporte electrónico y la fosforilación oxidativa tienen lugar específicamente en la membrana mitocondrial interna. Si esta estructura se degrada, se pierde el gradiente de protones y la funcionalidad de la ATP sintasa.

Nota adicional sobre nutrición: Los autótrofos son los organismos productores que elaboran su propio alimento, mientras que los heterótrofos no. Los autótrofos tienen células con cloroplastos porque realizan la fotosíntesis; en cambio, en los heterótrofos, ninguna de sus células posee cloroplastos porque no realizan dicho proceso.