Exercicis: El catabolisme de lípids i proteïnes

Explica què és la β-oxidació, en quin lloc de la cèl·lula té lloc i quin producte lliura al cicle de Krebs. Indica a més quines molècules carregades d'electrons es generen durant el procés.

Les proteïnes de la dieta no s'emmagatzemen a l'organisme. Explica què passa amb els aminoàcids que sobren: quin grup se'ls retira, com s'elimina el nitrogen sobrant i quina destinació té la resta de la molècula.

Ordena els tres tipus de biomolècules energètiques (glúcids, lípids i proteïnes) segons l'energia que aporten per gram i explica per què l'organisme utilitza preferentment els glúcids i recorre a les proteïnes només en situacions extremes.

Abans d'oxidar-se, els àcids grassos s'han d'activar unint-se al coenzim A. Explica què és el coenzim A i quin paper general fa com a transportador de grups acil en el metabolisme.

La urea es forma al fetge a partir de l'amoni. Explica per què l'organisme inverteix energia a convertir l'amoni, molt tòxic, en urea, i indica com s'elimina aquesta del cos.

On s'emmagatzemen els greixos de reserva a l'organisme? Explica què passa al teixit adipós quan el cos necessita energia (lipòlisi) i quines molècules s'alliberen aleshores a la sang.

Els aminoàcids de les proteïnes ingerides poden seguir tres destinacions: fabricar noves proteïnes, transformar-se en altres molècules nitrogenades o degradar-se per obtenir energia. Explica-les breument i indica quina és la prioritària quan la dieta és equilibrada.

En la β-oxidació, els àcids grassos es van escurçant de dos en dos àtoms de carboni. Explica per què rep aquest nom (sobre quin carboni de la cadena es produeix l'oxidació) i quin fragment s'allibera en cada ronda del procés.

Raona per què 1 g de greix rendeix més ATP que 1 g de glucosa, fent referència al grau de reducció dels carbonis de la cadena hidrocarbonada dels àcids grassos i a la quantitat d'electrons que poden lliurar a la cadena respiratòria.

Descriu la desaminació dels aminoàcids i explica la destinació de les dues parts resultants: el grup amino (i la seva conversió en urea) i l'esquelet carbonat (que pot incorporar-se a les rutes catabòliques com a piruvat, acetil-CoA o intermediaris del cicle de Krebs).

Durant un dejuni prolongat o una dieta molt rica en greixos augmenten els cossos cetònics a la sang. Explica què són els cossos cetònics i raona per què apareixen quan el cicle de Krebs no pot assimilar tot l'acetil-CoA procedent de la β-oxidació.

El glicerol procedent dels triglicèrids pot entrar a la glucòlisi convertit en un intermediari de tres carbonis. Explica per què aquesta part dels greixos sí que pot transformar-se en glucosa, mentre que els àcids grassos de cadena parella, en els animals, no poden (l'acetil-CoA no és gluconeogènic).

Una dieta molt rica en proteïnes sotmet el fetge i el ronyó a un treball extra. Explica, en termes del metabolisme del nitrogen (desaminació, cicle de la urea i excreció), per què aquest tipus de dietes pot resultar problemàtic en persones amb malaltia hepàtica o renal.

En la diabetis no controlada augmenta la producció de cossos cetònics encara que hi hagi molta glucosa a la sang. Explica aquesta paradoxa aparent (sense insulina, la glucosa gairebé no entra a les cèl·lules musculars i adiposes) i raona per què l'acumulació de cossos cetònics pot provocar una cetoacidosi.

Un àcid gras saturat de $18$ àtoms de carboni es degrada completament per β-oxidació. Calcula quantes rondes de β-oxidació són necessàries i quantes molècules d'acetil-CoA s'obtenen, raonant el càlcul.

Els aminoàcids es classifiquen en glucogènics (la seva degradació produeix piruvat o intermediaris del cicle de Krebs) i cetogènics (produeixen acetil-CoA o acetoacetil-CoA). Explica què significa aquesta classificació i per què durant el dejuni els aminoàcids glucogènics poden servir per fabricar glucosa.

L'esquema resumeix com convergeixen les rutes catabòliques de glúcids, lípids i proteïnes en el catabolisme cel·lular aeròbic:

1. a) Identifica els processos catabòlics assenyalats amb ?1 i ?2. Si un fàrmac inhibeix selectivament la llançadora de carnitina mitocondrial, dedueix quina ruta (?1, ?2 o glucòlisi) es veurà bloquejada i quins substrats haurà de prioritzar la cèl·lula per mantenir els nivells d'acetil-CoA.
2. b) En un dejuni prolongat, gran part de l'oxalacetat del cicle de Krebs es desvia cap a la gluconeogènesi hepàtica mentre la ruta ?1 es troba hiperactivada. Justifica quin destí alternatiu seguirà l'acetil-CoA acumulat en no poder condensar-se en el cicle de Krebs.
3. c) Si s'afegeix rotenona (un inhibidor que bloqueja el pas d'electrons des del NADH al complex I de la cadena respiratòria), prediu com variarà el quocient intramitocondrial $[\text{NADH}]/[\text{NAD}^+]$ i quina conseqüència directa tindrà sobre la velocitat del cicle de Krebs.

L'àcid palmític ($\text{C}_{16}\text{H}_{32}\text{O}_2$) rendeix uns $106\ \text{ATP}$ després de la seva oxidació completa amb un consum de $23\ \text{mols de }\text{O}_2$. Per la seva banda, la glucosa ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$) genera uns $36\ \text{ATP}$ consumint $6\ \text{mols de }\text{O}_2$.

1. a) Calcula el rendiment energètic per àtom de carboni ($\text{ATP}/\text{C}$) de tots dos substrats i justifica bioquímicament la causa d'aquesta diferència analitzant l'estat d'oxidació mitjà del carboni en glúcids i lípids.
2. b) El glucogen s'emmagatzema hidratat (reté aproximadament $2\ \text{g}$ d'aigua per cada gram de glucogen sec), mentre que els triglicèrids s'acumulen en forma anhidra. Sabent que $1\ \text{g}$ de greix pur aporta unes $9\ \text{kcal}$ i $1\ \text{g}$ de glucogen sec aporta $4\ \text{kcal}$, calcula el pes total que hauria d'acumular un ocell migratori per disposar d'una reserva de $18.000\ \text{kcal}$ si l'emmagatzemés en forma de triglicèrids enfront de glucogen hidratat, i dedueix l'avantatge adaptatiu que això representa.
3. c) Durant un esforç muscular intens en el qual l'aportació de $\text{O}_2$ resulta limitant, calcula quin substrat rendeix més molècules d'ATP per cada mol de $\text{O}_2$ consumit ($\text{ATP}/\text{O}_2$) i prediu quin prioritzarà el múscul en aquesta situació.

S'analitzen els paràmetres sanguinis i urinaris d'un voluntari durant una vaga de fam de quatre setmanes. En les primeres $24$ hores, el glucogen hepàtic s'esgota totalment; tanmateix, la glucèmia es manté estable al voltant de $60\text{ mg/dL}$. Els nivells plasmàtics d'acetoacetat i $\beta$-hidroxibutirat augmenten més de $25$ vegades a partir del quart dia, mentre que l'eliminació d'urea urinària presenta un pic inicial en els dies 2-3 per després descendir a valors mínims estables.

1. a) Justifica d'on procedeix la glucosa plasmàtica a partir del segon dia si el glucogen ja no està disponible, i explica per què la degradació neta de proteïnes musculars (reflectida en la urea) disminueix de manera tan acusada després de la primera setmana.
2. b) Raona per què l'encèfal no pot oxidar directament els àcids grassos procedents del teixit adipós i com la síntesi de cossos cetònics actua com un mecanisme protector de la massa muscular esquelètica.
3. c) Si a aquest individu se li administrés per error una dosi elevada d'insulina en el dia 15 de dejuni, prediu i justifica què passaria amb la lipòlisi en els adipòcits, amb la producció de cossos cetònics i amb l'aportació energètica al cervell.

A les $48$ hores de néixer, un nounat alletat amb llet materna presenta letargia progressiva, vòmits i alcalosi respiratòria. L'anàlisi de sang revela hiperamonièmia severa ($[\text{NH}_4^+] > 450\ \mu\text{mol/L}$), una marcada elevació de glutamina i alanina, i concentracions indetectables de citrul·lina i urea.

1. a) Sabent que els dos primers enzims del cicle són mitocondrials (carbamoil-fosfat sintetasa I i ornitina transcarbamilasa, responsable de formar citrul·lina) i els restants són citosòlics, dedueix raonadament en quin orgànul i en quin tram del cicle es troba el defecte enzimàtic.
2. b) Justifica a escala molecular per què l'acumulació d'amoni resulta especialment tòxica per a les neurones: relaciona l'excés de $\text{NH}_4^+$ amb el desplaçament de l'equilibri de la glutamat deshidrogenasa, l'esgotament d'$\alpha$-cetoglutarat i l'aturada en la producció mitocondrial d'ATP.
3. c) Dissenya una intervenció terapèutica que combini el control de la ingesta de macronutrients amb l'administració de fenilbutirat de sodi (fàrmac que es conjuga amb la glutamina formant un derivat que s'excreta directament per l'orina), justificant com cada mesura redueix la toxicitat del nitrogen.

En un test d'esforç esportiu es registra el quocient d'intercanvi respiratori ($\text{RER} = \text{V}_{\text{CO}_2} / \text{V}_{\text{O}_2}$). A una intensitat moderada ($50\,\%\ \text{VO}_{2\text{màx}}$), el $\text{RER}$ se situa en $0,71$; a intensitat elevada ($85\,\%\ \text{VO}_{2\text{màx}}$), puja a $0,98$. En el quilòmetre 32 d'una marató, un corredor esgota completament les seves reserves de glucogen muscular i hepàtic (el fenomen conegut com «el mur») i la seva velocitat cau abruptament.

1. a) Interpreta els valors de $\text{RER}$ explicant quin combustible predomina en cada cas i justifica bioquímicament per què l'oxidació completa d'un àcid gras genera un quocient proper a $0,70$ mentre que la de la glucosa és igual a $1,00$.
2. b) Si els àcids grassos aporten més del doble d'energia per gram que els glúcids, raona per què l'atleta es veu forçat a reduir notablement el seu ritme de cursa quan depèn exclusivament d'ells (compara el consum de $\text{O}_2$ per ATP generat i la taxa màxima de flux enzimàtic de la $\beta$-oxidació enfront de la glucòlisi).
3. c) Perquè l'acetil-CoA procedent de la $\beta$-oxidació ingressi en el cicle de Krebs es requereix oxalacetat, la reserva del qual es reposa (anaplerosi) en gran part a partir de piruvat glucolític mitjançant la piruvat carboxilasa. Justifica què li passa al cicle de Krebs (i a l'oxidació de greixos) quan la disponibilitat de piruvat cau dràsticament (paper anapleròtic).

La taula següent compara les tres estratègies principals d'excreció del nitrogen amínic en vertebrats:

1. a) Identifica raonadament quina molècula (amoni, urea o àcid úric) correspon a cada estratègia i relaciona el cost d'ATP invertit amb la disponibilitat d'aigua de l'hàbitat dels animals que les utilitzen.
2. b) La granota comuna (Pelophylax perezi) empra l'estratègia A durant la seva fase larvària aquàtica (capgròs), però passa a emprar l'estratègia B després de la metamorfosi a adult terrestre. Justifica els canvis enzimàtics que s'han d'induir en el seu fetge durant aquest procés i el balanç osmòtic i energètic que explica aquesta transició.
3. c) Prediu i justifica quines conseqüències tindria sobre la viabilitat i el desenvolupament embrionari d'un ocell una mutació que inactivés la síntesi d'àcid úric provocant que l'embrió excretés únicament urea dins de l'ou amb closca.

Un company de classe afirma en un debat: «Els mamífers no podem sintetitzar glucosa a partir dels greixos sota cap circumstància, perquè en el cicle de Krebs entren 2 carbonis com a acetil-CoA i es desprenen 2 carbonis com a $\text{CO}_2$, la qual cosa impedeix un guany net d'oxalacetat per a la gluconeogènesi».

1. a) Explica per què el raonament del teu company és correcte per als àcids grassos de cadena parella, demostrant amb el balanç de carbonis del cicle de Krebs per què la degradació d'acetil-CoA no permet la síntesi neta de glucosa en mamífers.
2. b) Rebat la seva conclusió general: demostra què passa en oxidar àcids grassos de nombre imparell de carbonis, detallant quina molècula rendeix la seva última tiòlisi, com entra en el cicle de Krebs i per què aquesta sí que permet un guany net d'esquelets carbonats per a la gluconeogènesi.
3. c) Prediu raonadament què li passaria a la glucèmia d'un animal en dejuni prolongat si se li administra per via intravenosa propionat en comparació amb si se li administra acetat.

Durant els mesos d'hibernació, l'ós negre (Ursus americanus) no menja, no beu ni orina, i malgrat això manté la seva temperatura corporal i a penes perd un $5\,\%$ de la seva massa muscular. Les anàlisis fisiològiques aporten les dades següents:

1. El seu quocient respiratori ($\text{QR} = \text{volum de CO}_2\text{ produït} / \text{volum d'O}_2\text{ consumit}$) descendeix d'$1,0$ abans d'hibernar a $0,71$ durant la letargia.

2. La seva osmolaritat plasmàtica i volèmia es mantenen constants sense ingerir líquids.

3. Els nivells d'urea en sang no augmenten.

A partir d'aquestes dades:

1. a) Interpreta el valor de $\text{QR} = 0,71$: identifica quin combustible metabòlic està utilitzant gairebé en exclusiva i justifica per què aquest combustible proporciona un quocient respiratori clarament inferior a $1,0$.
2. b) Explica l'origen de l'aigua metabòlica que evita la deshidratació de l'animal, indicant en quin orgànul, complex enzimàtic i reacció concreta de la respiració cel·lular es genera.
3. c) Justifica per què l'ús preferent d'aquest combustible prevé l'atròfia muscular per gluconeogènesi i explica quina ruta segueix el nitrogen del catabolisme d'aminoàcids perquè l'animal no s'intoxiqui per amoni sense emetre orina.