Tema 2 · Metabolismo

Glucólisis, ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fotosíntesis. Bloque clave de PEvAU Andalucía con problemas cuantitativos de balance de ATP.

1. Anabolismo y catabolismo

Metabolismo Conjunto de reacciones químicas catalizadas por enzimas. Se divide en:
  • Catabolismo: rutas degradativas (oxidativas). Liberan energía (ATP) y poder reductor (NADH, FADH₂).
  • Anabolismo: rutas constructivas. Consumen ATP y poder reductor para sintetizar moléculas complejas.
ATP Adenina + ribosa + 3 fosfatos. Los enlaces β–γ y α–β liberan ≈ 30 kJ/mol al hidrolizarse: \[ \mathrm{ATP + H_2O \rightleftharpoons ADP + P_i + \Delta G\,(-30\,\text{kJ/mol})} \]
Coenzimas redox
  • \(\mathrm{NAD^+/NADH}\) y \(\mathrm{NADP^+/NADPH}\) (poder reductor, fotosíntesis y catabolismo).
  • \(\mathrm{FAD/FADH_2}\) (sólo cadena respiratoria, menor rendimiento).

2. Glucólisis

Ruta de Embden-Meyerhof Ocurre en el citoplasma, en condiciones aerobias o anaerobias. Una molécula de glucosa (6C) se rompe en dos de piruvato (3C). \[ \mathrm{Glucosa + 2\,NAD^+ + 2\,ADP + 2\,P_i \to 2\,Piruvato + 2\,NADH + 2\,ATP + 2\,H_2O} \]
Fases
  • Fase de inversión: se consumen 2 ATP (hexoquinasa, fosfofructoquinasa).
  • Fase de obtención: se obtienen 4 ATP y 2 NADH.
  • Balance neto: +2 ATP, +2 NADH, 2 piruvato.

3. Ciclo de Krebs (ácido cítrico)

Localización Matriz mitocondrial. Antes, el piruvato se descarboxila a acetil-CoA (1 NADH + 1 CO₂ por piruvato; 2 por glucosa).
Balance por giro Por cada acetil-CoA (2C) que entra al ciclo se obtienen:
  • 3 NADH
  • 1 FADH₂
  • 1 GTP (≈ 1 ATP)
  • 2 CO₂
Por glucosa (2 acetil-CoA): 6 NADH, 2 FADH₂, 2 GTP, 4 CO₂.

4. Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa

Localización Membrana interna mitocondrial. Los electrones del NADH y FADH₂ pasan por los complejos I-IV y reducen O₂ a H₂O.
Rendimiento (consenso bachillerato)
  • 1 NADH → 2,5 ATP (≈ 3 ATP en versión clásica).
  • 1 FADH₂ → 1,5 ATP (≈ 2 ATP).
Balance total por glucosa (aerobio): 30-32 ATP (versión moderna) o 36-38 ATP (versión clásica).
Mecanismo La cadena bombea H⁺ al espacio intermembrana. El flujo inverso a través de la ATP sintasa (complejo V) sintetiza ATP (modelo quimiosmótico de Mitchell).

5. Fermentaciones

Concepto En ausencia de O₂, el piruvato no entra en Krebs. Se reduce para regenerar NAD⁺ y permitir que la glucólisis siga funcionando.
Tipos
  • Láctica: piruvato → lactato (músculo, lactobacilos).
  • Alcohólica: piruvato → etanol + CO₂ (Saccharomyces cerevisiae).
Rendimiento: sólo 2 ATP por glucosa (los de la glucólisis).

6. Fotosíntesis

Ecuación global \[ \mathrm{6\,CO_2 + 6\,H_2O + \text{luz} \to C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2} \] Convierte energía luminosa en energía química. Ocurre en cloroplastos (vegetales y algas).
Fase luminosa Tilacoides. Fotosistemas II y I.
  • PSII rompe H₂O (fotólisis) → O₂.
  • Cadena de transporte de e⁻ bombea H⁺ al lumen → ATP por la ATP sintasa.
  • PSI reduce \(\mathrm{NADP^+}\) a NADPH.
Fase oscura (ciclo de Calvin) Estroma. La enzima RuBisCO fija el CO₂ a la ribulosa-1,5-bisfosfato. Se necesitan 3 CO₂ y 9 ATP + 6 NADPH para producir 1 gliceraldehído-3-fosfato.
Factores limitantes (PEvAU) Luz, CO₂ y T. Cuando uno escasea, la tasa fotosintética se satura. La fotorrespiración (a altas T y baja CO₂) reduce el rendimiento.

7. Errores frecuentes

1. Pensar que la glucólisis ocurre en la mitocondria. Es en el citoplasma.
2. Confundir respiración celular con respiración pulmonar.
3. Atribuir la fotosíntesis sólo a las plantas. También cianobacterias y algas.
4. Decir que la fase oscura "no necesita luz". La necesita indirectamente (ATP y NADPH de la luminosa).
5. Olvidar que la fermentación tiene un rendimiento MUCHO menor (2 ATP vs 30-32).

Problemas resueltos paso a paso

PEvAU — Balance energético de la respiración aerobia 2020OrdinariaMedio

Una célula muscular metaboliza 5 moles de glucosa por completo en condiciones aerobias. Suponiendo rendimiento clásico (1 NADH = 3 ATP, 1 FADH₂ = 2 ATP, GTP = ATP): a) ¿Cuántos ATP se obtienen por molécula de glucosa? b) ¿Y por los 5 moles?
1
Suma: glucólisis (2 ATP + 2 NADH·3); piruvato→acetil-CoA (2 NADH·3); Krebs (6 NADH·3 + 2 FADH₂·2 + 2 GTP).
2
5 mol · ATP/glucosa.
Ver solución completa
Glucólisis: 2 ATP + 2 NADH × 3 = 2 + 6 = 8 ATP.
Piruvato → Acetil-CoA: 2 NADH × 3 = 6 ATP.
Krebs (×2): 6 NADH × 3 + 2 FADH₂ × 2 + 2 GTP = 18 + 4 + 2 = 24 ATP.
Total: 8 + 6 + 24 = 38 ATP / glucosa.
Para 5 mol: 5 · 38 = 190 mol ATP.

Fermentación alcohólica — cálculo de CO₂ 2021OrdinariaAlta

En una fermentación se consumen 180 g de glucosa (M = 180 g/mol). Calcula: a) Moles de glucosa. b) Moles y volumen de CO₂ liberado a 25 °C y 1 atm (R = 0,082 atm·L/(mol·K)).
1
n = m/M.
2
Por cada glucosa se liberan 2 CO₂ en la fermentación alcohólica.
3
V = nRT/P (gases ideales, T en K).
Ver solución completa
n_glu = 180/180 = 1,0 mol. CO₂ formado = 2·1,0 = 2,0 mol.
V = nRT/P = 2,0 · 0,082 · 298 / 1 = 48,87 L.

3. Glucólisis · ATP neto

La glucólisis genera 4 ATP brutos y consume 2. ATP neto por glucosa.
1
Neto.

4. Krebs · ATP por acetil-CoA

Cada acetil-CoA da 1 GTP/ATP, 3 NADH y 1 FADH₂. Total GTP+NADH+FADH₂.
1
Suma.

5. Cadena respiratoria · ATP/NADH

Cada NADH genera ~2,5 ATP. ¿Cuántos ATP por 10 NADH?
1
Producto.

6. Balance ATP por glucosa (clásico)

Rendimiento clásico aerobio total: 38 ATP. Si la lanzadera malato-aspartato cuesta 2 ATP, balance.
1
38-2.

7. Fermentación láctica · ATP

ATP por glucosa en fermentación.
1
Valor.

8. Volumen CO₂ en fermentación alcohólica

Una glucosa libera 2 CO₂. En condiciones normales (22,4 L/mol), 0,5 mol glucosa libera:
1
Mol CO₂ = 2·0,5.
2
Volumen en L.

9. Fotosíntesis · estequiometría

Por mol de glucosa fotosintetizado: ¿cuántos mol O₂ se liberan?
1
Mol O₂.

10. Michaelis-Menten · v

Una enzima con Km = 2 mM y Vmax = 10 µmol/(s·mg). Halla v a [S] = 4 mM.
1
\(v = V_{max}[S]/(K_m+[S])\) en µmol/(s·mg).

11. Constante de Hill cooperativa

Hemoglobina con cooperatividad n=2,8. Si [O₂] = K, la saturación: \(\theta = [S]^n/(K^n+[S]^n)\) =
1
Valor (cuando S=K).

12. Energía libre de hidrólisis ATP

ATP → ADP + Pi: \(\Delta G\approx -30{,}5\) kJ/mol. Para hidrolizar 10⁻³ mol: kJ liberados.
1
Valor.

13. Cociente respiratorio (RQ)

RQ = CO₂/O₂. Para glucosa C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂. RQ.
1
Valor.

14. Eficiencia respiración aerobia

Energía total glucosa = 2820 kJ/mol. 30 ATP × 30,5 kJ/mol/ATP. Eficiencia % aprox.
1
Energía recuperada en kJ.
2
Eficiencia % aprox.

15. Cantidad de ATP en una célula

Si una célula muscular contiene 5·10⁹ moléculas de ATP, ¿cuántos mol? \(N_A=6{,}022\cdot10^{23}\).
1
Mol.

Test de autoevaluación

1. La glucólisis ocurre en:

2. ¿Cuántos ATP se obtienen netos en la glucólisis?

3. La fase luminosa de la fotosíntesis ocurre en:

4. La fermentación tiene un rendimiento de:

5. La enzima clave que fija el CO₂ en la fase oscura es:

Simuladores

Calculadora de balance de ATP

Tasa fotosintética vs intensidad de luz

Banco de exámenes (Biología)

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Generador aleatorio