Exercicis: L'anabolisme heteròtrof

Defineix anabolisme heteròtrof i posa dos exemples concrets de processos anabòlics d'una cèl·lula humana (síntesi de proteïnes, d'àcids grassos o de glucogen), indicant què consumeixen aquests processos (ATP, NADPH i precursors).

Per fabricar les seves proteïnes, una cèl·lula necessita aminoàcids, energia i informació. Explica d'on obté una cèl·lula humana cadascuna d'aquestes tres coses.

Explica què és el glucogen, en quins òrgans es sintetitza principalment i a partir de quin precursor es forma, indicant si el procés consumeix o allibera energia.

Què és la gluconeogènesi i en quin òrgan té lloc principalment? Posa dos exemples de precursors que no siguin glúcids a partir dels quals l'organisme pot fabricar glucosa.

La síntesi de proteïnes és un dels processos que més energia consumeixen a la cèl·lula. Indica en quins passos de la síntesi es gasta energia (activació dels aminoàcids, traducció) i explica per què una cèl·lula que fabrica moltes proteïnes necessita respirar intensivament.

Durant la digestió, els nutrients es descomponen en molècules petites i l'anabolisme fa el contrari. Posa dos exemples de polímers que fabrica l'organisme humà a partir de monòmers procedents de la dieta i indica quin és el monòmer de cadascun.

Les proteïnes musculars es degraden i es tornen a sintetitzar constantment encara que el múscul no creixi. Explica en què consisteix aquest recanvi proteic (turnover) i quina implicació té per a la despesa energètica en repòs.

Quin paper fa el fetge en l'anabolisme? Anomena dos processos de síntesi que realitzi (glucogen, proteïnes del plasma, colesterol, àcids grassos) i explica'n breument un.

La transaminació permet a les cèl·lules fabricar aminoàcids no essencials. Explica en què consisteix aquesta reacció i com els intermediaris del cicle de Krebs (com l'α-cetoglutarat o l'oxalacetat) serveixen de punt de partida per sintetitzar aminoàcids.

Raona per què els aminoàcids essencials s'han d'aportar obligatòriament amb la dieta mentre que els no essencials no, i explica quin problema metabòlic apareix quan una dieta és pobra en proteïnes completes.

Quan sobra glucosa, la cèl·lula sintetitza àcids grassos al citosol a partir d'acetil-CoA. Explica d'on procedeix aquest acetil-CoA, com arriba al citosol i quin paper fa el NADPH en aquesta síntesi.

La gluconeogènesi utilitza gairebé tots els enzims de la glucòlisi en sentit invers, però esquiva tres passos irreversibles amb reaccions diferents. Explica per què la cèl·lula evita que la glucòlisi i la gluconeogènesi funcionin alhora (cicles fútils) i com es coordinen ambdues rutes mitjançant les hormones insulina i glucagó.

Després d'un àpat ric en glúcids augmenta la secreció d'insulina. Explica quins processos anabòlics activa la insulina al fetge, al múscul i al teixit adipós, i què passa amb aquests mateixos processos durant el període entre àpats.

El colesterol es sintetitza a l'organisme a partir d'acetil-CoA, encara que també s'obté de la dieta. Explica per què l'organisme regula la seva pròpia síntesi de colesterol segons l'aportació dietètica i posa dos exemples de molècules essencials que es fabriquen a partir d'ell.

Una persona perd $5\ \text{kg}$ de greix corporal després de mesos de dieta i exercici. Raona què ha passat metabòlicament amb aquest teixit adipós (lipòlisi i oxidació dels àcids grassos) i explica per què la major part del carboni perdut abandona el cos en forma de $\text{CO}_2$ expirat.

El múscul emmagatzema glucogen però no pot alliberar glucosa a la sang, perquè no té l'enzim glucosa-6-fosfatasa. Explica per a què utilitza aleshores el seu glucogen, per què el fetge sí que pot abocar glucosa a la sang i quin avantatge té aquesta divisió del treball per al conjunt de l'organisme.

En un cultiu d'hepatòcits sotmesos a una dieta hipercalòrica rica en glúcids, s'observa una síntesi citosòlica intensa d'àcids grassos i, de manera coordinada, la síntesi d'aminoàcids no essencials. L'esquema mostra el cicle de Krebs funcionant com a eix metabòlic central.

1. a) Dedueix raonadament la identitat de l'intermediari ?1 que abandona el mitocondri i explica quin problema de permeabilitat de membrana resol la seva sortida per fer possible la síntesi d'àcids grassos al citosol.
2. b) Identifica els intermediaris ?2 i ?3 precursors del glutamat i l'aspartat (o oxalacetat per a la gluconeogènesi) i justifica per què l'extracció contínua d'aquestes molècules aturaria l'oxidació de l'acetil-CoA si no intervinguessin les «reaccions anapleròtiques».
3. c) A partir del que s'ha exposat anteriorment, justifica per què qualificar el cicle de Krebs com una via merament catabòlica és un error biològic.

Un nounat amb una malaltia metabòlica congènita presenta hipoglucèmia en dejú, acidosi làctica greu i una concentració elevada d'alanina plasmàtica. Les proves enzimàtiques demostren un dèficit total de piruvat carboxilasa mitocondrial, mentre que el complex piruvat deshidrogenasa presenta una activitat normal.

1. a) Escriu la reacció catalitzada per la piruvat carboxilasa i explica per què es classifica com a reacció anapleròtica.
2. b) Justifica per què la carència d'aquest enzim bloqueja tant la gluconeogènesi a partir de piruvat com la capacitat dels mitocondris per oxidar acetil-CoA procedent de la $\beta$-oxidació dels àcids grassos.
3. c) Prediu què li passarà a la concentració cel·lular d'acetil-CoA i explica la causa bioquímica per la qual aquest pacient acumula quantitats patològiques d'àcid làctic a la sang.

Un adolescent de 15 anys en plena estirada i un adult sedentari de 35 anys presenten exactament la mateixa massa corporal ($62\ \text{kg}$). Tanmateix, les anàlisis fisiològiques mostren que l'adolescent té un balanç de nitrogen net marcadament positiu (+3,8 g de N/dia) enfront del balanç zero de l'adult, i les seves necessitats energètiques diàries recomanades són unes $600\ \text{kcal}$ superiors a les de l'adult.

1. a) Interpreta el balanç de nitrogen de tots dos individus i dedueix quines famílies de biomolècules s'estan sintetitzant i acumulant de manera neta en l'adolescent.
2. b) Justifica en termes termodinàmics (entalpia i entropia) per què la polimerització de monòmers per formar massa muscular i membranes cel·lulars requereix una aportació contínua d'energia metabòlica, explicant com intervé l'acoblament amb la hidròlisi d'ATP.
3. c) Si l'adolescent mantingués una ingesta calòrica restringida idèntica a la de l'adult, prediu raonadament l'impacte sobre el seu creixement ossi i muscular, justificant l'origen metabòlic dels precursors carbonats i del poder reductor necessaris per a l'anabolisme.

Durant una prova d'atletisme de $400\ \text{m}$ llisos, les fibres musculars esquelètiques funcionen en condicions d'anaerobiosi gairebé total. En creuar la meta, l'atleta s'atura, però el seu consum d'oxigen roman molt elevat respecte al repòs durant més de 20 minuts (fenomen de «deute d'oxigen» o EPOC).

1. a) Justifica per què les cèl·lules musculars necessiten transformar el piruvat en lactat en lloc d'aturar la glucòlisi, especificant quin coenzim limitant es recicla en aquesta reacció.
2. b) El lactat s'aboca a la sang i participa en el cicle de Cori. Calcula el balanç net d'ATP per a l'organisme per cada molècula de glucosa que es fermenta al múscul i es resintetitza al fetge, i justifica per què aquest cicle representa un cost energètic net per a l'organisme.
3. c) Relaciona el balanç net obtingut a l'apartat b amb l'elevat consum d'oxigen hepàtic després de la cursa: quin procés mitocondrial hepàtic consumeix aquest $\text{O}_2$ extra i per a quina finalitat metabòlica?

En un estudi sobre el dejuni prolongat, es monitoritzen els paràmetres metabòlics d'un individu voluntari durant 25 dies. S'observen les fases següents:

1. La glucèmia descendeix lleugerament durant les primeres 36 hores i després es manté estable al voltant de $3,8\ \text{mmol/L}$.

2. L'excreció urinària de nitrogen (urea) arriba a un màxim cap al dia 3 (uns $13\ \text{g/dia}$), però descendeix a un terç cap al dia 10 ($4\ \text{g/dia}$) i s'estabilitza.

3. La concentració plasmàtica d'acetoacetat i $\beta$-hidroxibutirat es multiplica per més de 25 al llarg de les dues primeres setmanes.

1. a) Justifica el pic d'excreció d'urea del dia 3: quines macromolècules s'estan degradant preferentment, en quin teixit té lloc i quina via metabòlica hepàtica alimenta aquest catabolisme.
2. b) Interpreta la dràstica reducció en l'excreció d'urea a partir del dia 10: relaciona aquest fet amb l'augment de cossos cetònics i explica quin canvi metabòlic a l'encèfal permet preservar la massa muscular de l'organisme.
3. c) Un estudiant proposa que, per no perdre múscul, el fetge podria convertir directament els àcids grassos procedents del teixit adipós en glucosa mitjançant gluconeogènesi. Refuta raonadament la seva proposta basant-te en l'estequiometria de la descarboxilació en el cicle de Krebs.

Una mare lactant segrega diàriament uns $750\ \text{mL}$ de llet materna, la qual cosa suposa cedir al seu lactant aproximadament $500\ \text{kcal/dia}$ en forma de nutrients químics: glúcids (lactosa: $7,0\,\%$), lípids (triglicèrids: $4,0\,\%$) i proteïnes (caseïna i lactoalbúmina: $1,0\,\%$). Tanmateix, els comitès de nutrició estimen que la seva despesa calòrica basal i funcional s'incrementa en unes $650\ \text{kcal/dia}$.

1. a) Aplica les lleis de la termodinàmica al metabolisme cel·lular per justificar per què l'energia que ha d'ingerir la mare ($650\ \text{kcal}$) és notablement superior a l'energia química continguda en la llet que expulsa ($500\ \text{kcal}$).
2. b) Analitza a escala bioquímica el cost energètic necessari per acoblar els components de la llet: indica quins nucleòsids trifosfat o equivalents de reducció es consumeixen específicament en l'activació de monosacàrids per formar l'enllaç O-glucosídic de la lactosa i en la condensació d'aminoàcids per formar enllaços peptídics.
3. c) Si la mare segueix una dieta amb un dèficit calòric i de glúcids sever, prediu quins teixits corporals mobilitzaran reserves per sostenir la lactogènesi i justifica quines rutes catabòliques s'activaran de manera prioritària en aquests teixits.

En un assaig agronòmic s'analitza la simbiosi entre Rhizobium i plantes de soja (Glycine max). S'estudien tres condicions: el Lot A creix en un sòl pobre en nitrogen; al Lot B se li aporta fertilitzant nitrogenat inorgànic continu; i el Lot C és una línia de soja mutant que no té el gen funcional de la leghemoglobina, inoculada amb una soca normal de Rhizobium.

1. a) En el Lot A, els bacteroides consumeixen fins a un 20 % dels glúcids produïts per la planta per sostenir l'activitat de la nitrogenasa. Justifica a escala molecular per què la reducció de $\text{N}_2$ a $\text{NH}_4^+$ exigeix una despesa tan elevada d'ATP i poder reductor (tingues en compte el tipus d'enllaç del dinitrogen) i quin benefici metabòlic net obté la planta a canvi de cedir aquests glúcids.
2. b) En el Lot B, la planta redueix dràsticament la formació de nòduls i reprimeix l'activitat de la nitrogenasa bacteriana. Justifica la lògica bioenergètica d'aquesta resposta adaptativa.
3. c) En el Lot C, la fixació biològica de nitrogen cau a zero malgrat que l'enzim nitrogenasa està estructuralment intacte. Explica a què es deu aquesta fallada i prediu raonadament quines macromolècules essencials veuran interrompuda la seva síntesi a la planta.

Un individu sa se sotmet a una prova clínica de dejuni controlat durant 48 hores després d'haver consumit una dieta equilibrada. Es monitoritzen periòdicament a la seva sang els nivells de glucosa, àcids grassos lliures, cossos cetònics, insulina i glucagó.

1. a) Durant les primeres 12 hores, la glucèmia es manté pràcticament constant sense aportació d'aliments. Justifica quina ruta hepàtica és la principal responsable de sostenir la glucèmia en aquesta primera fase i com regula el quocient glucagó/insulina l'activació d'aquesta ruta enfront de la seva ruta antagònica.
2. b) A les 36 hores de dejuni, el glucogen hepàtic s'ha esgotat del tot; així i tot, la glucèmia no cau a zero i la concentració de cossos cetònics a la sang augmenta de forma molt acusada. Explica quins substrats no glucídics utilitza el fetge per sintetitzar glucosa de novo i per què la degradació massiva d'àcids grassos als hepatòcits deriva necessàriament cap a la cetogènesi en aquesta etapa.
3. c) Si aquest individu presentés una mutació inactivadora a la carnitina palmitoiltransferasa I (CPT-I) hepàtica, prediu raonadament què passaria amb els seus nivells de glucosa plasmàtica i de cossos cetònics després de 24 hores de dejuni.