Bioquímica · Prácticas Húmedas · Unidad 2 (Metabolismo)

Práctica 11 — Balance energético: rendimiento de ATP

Laboratorio virtual: arma el balance de ATP de la glucosa y del palmitato etapa por etapa, explora la cadena respiratoria con inhibidores y desacoplantes, y compara el rendimiento de los combustibles metabólicos.

Duración105 min
Facultad de Medicina · UNAMDepartamento de Bioquímica

Balance energético: rendimiento de ATP

La oxidación completa de un combustible rinde ATP directo (por fosforilación a nivel de sustrato) y coenzimas reducidas (NADH y FADH₂) que la fosforilación oxidativa convierte en más ATP. Selecciona un combustible y arma su balance etapa por etapa.

🧮 Rendimientos parciales

⚡ Rendimiento total de ATP

32
ATP netos por molécula oxidada por completo
ATP/GTP directo (nivel de sustrato)4
NADH producido10 × 2.5 = 25
FADH₂ producido2 × 1.5 = 3
ATP consumido (activación)0

📋 De coenzima reducida a ATP

🔟
Los factores 2.5 y 1.5
Cada NADH que entra por el complejo I rinde ≈ 2.5 ATP; cada FADH₂, que entra por el complejo II, rinde ≈ 1.5 ATP. Son los valores consensuados hoy (P/O de 2.5 y 1.5). Los textos antiguos usaban 3 y 2, lo que daba 36–38 ATP por glucosa.
🚌
Lanzaderas: 30 o 32
El NADH citosólico de la glucólisis debe entrar a la mitocondria por una lanzadera. Con la de malato-aspartato (hígado, corazón) se conserva como NADH → 32 ATP. Con la de glicerol-3-fosfato (músculo, cerebro) se convierte en FADH₂ → 30 ATP.
🔥
Rendimiento del palmitato
El ácido palmítico (C16) rinde ~106 ATP: por eso las grasas son la reserva energética más densa. Cada vuelta de β-oxidación da 1 FADH₂, 1 NADH y 1 acetil-CoA; su activación cuesta 2 ATP (se rompen 2 enlaces del ATP).

Cadena respiratoria y desacoplantes

Los electrones del NADH y del FADH₂ recorren los complejos I–IV, que bombean protones y crean el gradiente que la ATP sintasa usa para producir ATP. Activa un inhibidor o un desacoplante y observa dónde se bloquea el flujo y qué ocurre con el consumo de O₂ y la síntesis de ATP.

🔗 Flujo de electrones y bombeo de protones

Cadena funcional

Los electrones fluyen del NADH/FADH₂ al O₂; los complejos I, III y IV bombean protones y la ATP sintasa produce ATP.

📊 Efecto sobre O₂ y ATP

Flujo de electronesNormal
Consumo de O₂Normal
Gradiente de protonesNormal
Síntesis de ATPNormal
Inhibidores vs. desacoplantes
Un inhibidor bloquea un complejo: se detienen a la vez el flujo de electrones, el consumo de O₂ y la síntesis de ATP. Un desacoplante (DNP, termogenina) deja pasar protones sin pasar por la ATP sintasa: el consumo de O₂ se dispara, pero la energía se libera como calor y la síntesis de ATP cae.

💊 Relevancia clínica y fisiológica

☠️
Cianuro y monóxido de carbono
Ambos inhiben el complejo IV (citocromo c oxidasa). El flujo de electrones se detiene por completo, cesa el consumo de O₂ y colapsa la síntesis de ATP: es una hipoxia histotóxica — hay O₂ en la sangre pero la célula no puede usarlo.
🌡️
Termogenina (UCP1)
En el tejido adiposo pardo, la termogenina desacopla de forma fisiológica la cadena para generar calor en el recién nacido y en la hibernación. Es un desacoplamiento útil y regulado, a diferencia de la intoxicación por DNP.
⚠️
2,4-dinitrofenol (DNP)
Usado en los años 30 para adelgazar: al desacoplar, el cuerpo quema combustible sin producir ATP y disipa la energía como calor. Provocó hipertermia mortal y fue prohibido. Ilustra por qué el acoplamiento es vital.

Comparación de combustibles metabólicos

No todos los combustibles rinden lo mismo por gramo ni por carbono. Compara el ATP total, el rendimiento por gramo y la densidad energética de la glucosa, los ácidos grasos y los aminoácidos, y entiende por qué el cuerpo elige cada uno según la situación.

📊 ATP por combustible

Valores para la oxidación completa a CO₂ y H₂O, con lanzadera malato-aspartato para la glucosa y P/O de 2.5 (NADH) y 1.5 (FADH₂).

⚖️ Rendimiento por gramo

Por qué la grasa es la reserva
Los ácidos grasos rinden ~9 kcal/g frente a ~4 kcal/g de carbohidratos y proteínas. Además el glucógeno se almacena hidratado (arrastra ~3 g de agua por gramo), mientras que la grasa es anhidra. Por eso el tejido adiposo es un depósito energético mucho más compacto que el glucógeno.

📋 Qué combustible usa cada tejido

🧠
Cerebro
Depende de la glucosa (no oxida ácidos grasos de cadena larga). En ayuno prolongado se adapta a usar cuerpos cetónicos, lo que ahorra glucosa y limita la degradación de proteína muscular.
❤️
Corazón
Prefiere los ácidos grasos (60–70 % de su energía) por su alto rendimiento, aunque también usa lactato y cuerpos cetónicos. Es un tejido casi exclusivamente aeróbico.
💪
Músculo
En reposo usa ácidos grasos; en ejercicio intenso recurre a la glucólisis anaeróbica (2 ATP netos y lactato) por su rapidez. El eritrocito, sin mitocondrias, depende solo de esta vía.

Banco de problemas

Diez ejercicios de rendimiento de ATP de la glucosa y el palmitato, lanzaderas, β-oxidación y glucólisis anaeróbica. Ingresa tu resultado, verifica y consulta el procedimiento si lo necesitas.

Bibliografía científica

Fuentes que sustentan esta práctica: balance energético de las vías catabólicas, rendimiento de ATP de la glucosa y los ácidos grasos, cadena de transporte de electrones, fosforilación oxidativa y desacoplantes. Los enlaces dirigen al DOI o a PubMed.

📘 Metabolismo energético: libros de texto

  • Nelson DL, Cox MM. Lehninger. Principios de bioquímica. 8.ª ed. Barcelona: Ediciones Omega; 2021. (Glucólisis, ciclo del ácido cítrico, oxidación de ácidos grasos y fosforilación oxidativa.)
  • Rodwell VW, Bender DA, Botham KM, Kennelly PJ, Weil PA. Harper. Bioquímica ilustrada. 31.ª ed. México: McGraw-Hill; 2018. (Bioenergética y fosforilación oxidativa.)
  • Berg JM, Tymoczko JL, Gatto GJ, Stryer L. Bioquímica. 9.ª ed. Barcelona: Reverté; 2023.
  • Martínez F, Pardo JP, Riveros H. Bioquímica de Laguna y Piña. 8.ª ed. México: Editorial Manual Moderno; 2018.

🔋 Fosforilación oxidativa y estequiometría del ATP

  • Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature. 1961;191:144–148. DOIteoría quimiosmótica
  • Hinkle PC. P/O ratios of mitochondrial oxidative phosphorylation. Biochim Biophys Acta. 2005;1706(1-2):1–11. DOIP/O 2.5 y 1.5
  • Boyer PD. The ATP synthase — a splendid molecular machine. Annu Rev Biochem. 1997;66:717–749. DOINobel 1997

🌡️ Cadena respiratoria y desacoplamiento

  • Nicholls DG. Mitochondrial proton leaks and uncoupling proteins. Biochim Biophys Acta Bioenerg. 2021;1862(7):148428. DOI
  • Cannon B, Nedergaard J. Brown adipose tissue: function and physiological significance. Physiol Rev. 2004;84(1):277–359. DOItermogenina/UCP1
  • Grundlingh J, Dargan PI, El-Zanfaly M, Wood DM. 2,4-Dinitrophenol (DNP): a weight loss agent with significant acute toxicity and risk of death. J Med Toxicol. 2011;7(3):205–212. DOIDNP

Nota docente: el simulador emplea los rendimientos consensuados actuales (2.5 ATP por NADH y 1.5 por FADH₂, según los cocientes P/O de Hinkle, 2005), que dan 30–32 ATP por glucosa y ~106 por palmitato. Los textos previos a la revisión de los P/O usaban 3 y 2 (36–38 ATP por glucosa); ambos criterios son aceptables siempre que se indiquen los factores usados. La síntesis de ATP se explica por la teoría quimiosmótica de Mitchell (1961) y el mecanismo rotatorio de la ATP sintasa de Boyer (1997).