Ejercicios: El anabolismo heterótrofo

Define anabolismo heterótrofo y pon dos ejemplos concretos de procesos anabólicos de una célula humana (síntesis de proteínas, de ácidos grasos o de glucógeno), indicando qué consumen esos procesos (ATP, NADPH y precursores).

Para fabricar sus proteínas, una célula necesita aminoácidos, energía e información. Explica de dónde obtiene una célula humana cada una de esas tres cosas.

Explica qué es el glucógeno, en qué órganos se sintetiza principalmente y a partir de qué precursor se forma, indicando si el proceso consume o libera energía.

¿Qué es la gluconeogénesis y en qué órgano ocurre principalmente? Pon dos ejemplos de precursores que no sean carbohidratos a partir de los cuales el organismo puede fabricar glucosa.

La síntesis de proteínas es uno de los procesos que más energía consumen en la célula. Indica en qué pasos de la síntesis se gasta energía (activación de los aminoácidos, traducción) y explica por qué una célula que fabrica muchas proteínas necesita respirar intensamente.

Durante la digestión, los nutrientes se descomponen en moléculas pequeñas y el anabolismo hace lo contrario. Pon dos ejemplos de polímeros que fabrica el organismo humano a partir de monómeros procedentes de la dieta e indica cuál es el monómero de cada uno.

Las proteínas musculares se degradan y se vuelven a sintetizar constantemente aunque el músculo no crezca. Explica en qué consiste este recambio proteico (turnover) y qué implicación tiene para el gasto energético en reposo.

¿Qué papel desempeña el hígado en el anabolismo? Nombra dos procesos de síntesis que realice (glucógeno, proteínas del plasma, colesterol, ácidos grasos) y explica brevemente uno de ellos.

La transaminación permite a las células fabricar aminoácidos no esenciales. Explica en qué consiste esta reacción y cómo los intermediarios del ciclo de Krebs (como el α-cetoglutarato o el oxalacetato) sirven de punto de partida para sintetizar aminoácidos.

Razona por qué los aminoácidos esenciales deben aportarse obligatoriamente con la dieta mientras que los no esenciales no, y explica qué problema metabólico aparece cuando una dieta es pobre en proteínas completas.

Cuando sobra glucosa, la célula sintetiza ácidos grasos en el citosol a partir de acetil-CoA. Explica de dónde procede ese acetil-CoA, cómo llega al citosol y qué papel desempeña el NADPH en esta síntesis.

La gluconeogénesis utiliza casi todas las enzimas de la glucólisis en sentido inverso, pero rodea tres pasos irreversibles con reacciones distintas. Explica por qué la célula evita que la glucólisis y la gluconeogénesis funcionen a la vez (ciclos fútiles) y cómo se coordinan ambas rutas mediante las hormonas insulina y glucagón.

Tras una comida rica en carbohidratos aumenta la secreción de insulina. Explica qué procesos anabólicos activa la insulina en el hígado, en el músculo y en el tejido adiposo, y qué ocurre con esos mismos procesos durante el período entre comidas.

El colesterol se sintetiza en el organismo a partir de acetil-CoA, aunque también se obtiene de la dieta. Explica por qué el organismo regula su propia síntesis de colesterol según el aporte dietético y pon dos ejemplos de moléculas esenciales que se fabrican a partir de él.

Una persona pierde $5\ \text{kg}$ de grasa corporal tras meses de dieta y ejercicio. Razona qué ocurrió metabólicamente con ese tejido adiposo (lipólisis y oxidación de los ácidos grasos) y explica por qué la mayor parte del carbono perdido abandona el cuerpo en forma de $\text{CO}_2$ espirado.

El músculo almacena glucógeno pero no puede liberar glucosa a la sangre, porque carece de la enzima glucosa-6-fosfatasa. Explica para qué utiliza entonces su glucógeno, por qué el hígado sí puede verter glucosa a la sangre y qué ventaja tiene esta división del trabajo para el conjunto del organismo.

En un cultivo de hepatocitos sometidos a una dieta hipercalórica rica en glúcidos, se observa una intensa síntesis citosólica de ácidos grasos y, de forma coordinada, la síntesis de aminoácidos no esenciales. El esquema muestra el ciclo de Krebs funcionando como eje metabólico central.

1. a) Deduce razonadamente la identidad del intermediario ?1 que abandona la mitocondria y explica qué problema de permeabilidad de membrana resuelve su salida para hacer posible la síntesis de ácidos grasos en el citosol.
2. b) Identifica los intermediarios ?2 y ?3 precursores del glutamato y el aspartato (u oxalacetato para gluconeogénesis) y justifica por qué la extracción continua de estas moléculas detendría la oxidación del acetil-CoA si no intervinieran las «reacciones anapleróticas».
3. c) A partir de lo anterior, justifica por qué calificar el ciclo de Krebs como una vía meramente catabólica es un error biológico.

Un recién nacido con una enfermedad metabólica congénita presenta hipoglucemia en ayunas, acidosis láctica grave y una concentración elevada de alanina plasmática. Las pruebas enzimáticas demuestran un déficit total de piruvato carboxilasa mitocondrial, mientras que el complejo piruvato deshidrogenasa presenta una actividad normal.

1. a) Escribe la reacción catalizada por la piruvato carboxilasa y explica por qué se clasifica como reacción anaplerótica.
2. b) Justifica por qué la carencia de esta enzima bloquea tanto la gluconeogénesis a partir de piruvato como la capacidad de las mitocondrias para oxidar acetil-CoA procedente de la $\beta$-oxidación de los ácidos grasos.
3. c) Predice qué le sucederá a la concentración celular de acetil-CoA y explica la causa bioquímica por la que este paciente acumula cantidades patológicas de ácido láctico en sangre.

Un adolescente de 15 años en pleno estirón y un adulto sedentario de 35 años presentan exactamente la misma masa corporal ($62\ \text{kg}$). Sin embargo, los análisis fisiológicos muestran que el adolescente tiene un balance de nitrógeno neto marcadamente positivo (+3,8 g de N/día) frente al balance cero del adulto, y sus necesidades energéticas diarias recomendadas son unas $600\ \text{kcal}$ superiores a las del adulto.

1. a) Interpreta el balance de nitrógeno de ambos individuos y deduce qué familias de biomoléculas se están sintetizando y acumulando de manera neta en el adolescente.
2. b) Justifica en términos termodinámicos (entalpía y entropía) por qué la polimerización de monómeros para formar masa muscular y membranas celulares requiere un aporte continuo de energía metabólica, explicando cómo interviene el acoplamiento con la hidrólisis de ATP.
3. c) Si el adolescente mantuviera una ingesta calórica restringida idéntica a la del adulto, predice razonadamente el impacto sobre su crecimiento óseo y muscular, justificando el origen metabólico de los precursores carbonados y del poder reductor necesarios para el anabolismo.

Durante una prueba de atletismo de $400\ \text{m}$ planos, las fibras musculares esqueléticas funcionan en condiciones de anaerobiosis casi total. Al cruzar la meta, el atleta se detiene, pero su consumo de oxígeno permanece muy elevado respecto al reposo durante más de 20 minutos (fenómeno de «deuda de oxígeno» o EPOC).

1. a) Justifica por qué las células musculares necesitan transformar el piruvato en lactato en lugar de detener la glucólisis, especificando qué coenzima limitante se recicla en esta reacción.
2. b) El lactato se vierte a la sangre y participa en el ciclo de Cori. Calcula el balance neto de ATP para el organismo por cada molécula de glucosa que se fermenta en el músculo y se resintetiza en el hígado, y justifica por qué este ciclo representa un costo energético neto para el organismo.
3. c) Relaciona el balance neto obtenido en el apartado b con el elevado consumo de oxígeno hepático tras la carrera: ¿qué proceso mitocondrial hepático consume ese $\text{O}_2$ extra y para qué fin metabólico?

En un estudio sobre el ayuno prolongado, se monitorizan los parámetros metabólicos de un voluntario durante 25 días. Se observan las siguientes fases:

1. La glucemia desciende levemente durante las primeras 36 horas y después se mantiene estable en torno a $3,8\ \text{mmol/L}$.

2. La excreción urinaria de nitrógeno (urea) alcanza un máximo hacia el día 3 (unos $13\ \text{g/día}$), pero desciende a un tercio hacia el día 10 ($4\ \text{g/día}$) y se estabiliza.

3. La concentración plasmática de acetoacetato y $\beta$-hidroxibutirato se multiplica por más de 25 a lo largo de las dos primeras semanas.

1. a) Justifica el pico de excreción de urea del día 3: qué macromoléculas se están degradando preferentemente, en qué tejido ocurre y qué vía metabólica hepática alimenta este catabolismo.
2. b) Interpreta la drástica reducción en la excreción de urea a partir del día 10: relaciona este hecho con el aumento de cuerpos cetónicos y explica qué cambio metabólico en el encéfalo permite preservar la masa muscular del organismo.
3. c) Un estudiante propone que, para no perder músculo, el hígado podría convertir directamente los ácidos grasos procedentes del tejido adiposo en glucosa mediante gluconeogénesis. Refuta razonadamente su propuesta basándote en la estequiometría de la descarboxilación en el ciclo de Krebs.

Una madre lactante segrega diariamente unos $750\ \text{mL}$ de leche materna, lo que supone ceder a su lactante aproximadamente $500\ \text{kcal/día}$ en forma de nutrientes químicos: glúcidos (lactosa: $7,0\,\%$), lípidos (triglicéridos: $4,0\,\%$) y proteínas (caseína y lactoalbúmina: $1,0\,\%$). Sin embargo, los comités de nutrición estiman que su gasto calórico basal y funcional se incrementa en unas $650\ \text{kcal/día}$.

1. a) Aplica las leyes de la termodinámica al metabolismo celular para justificar por qué la energía que debe ingerir la madre ($650\ \text{kcal}$) es notablemente mayor que la energía química contenida en la leche que expulsa ($500\ \text{kcal}$).
2. b) Analiza a nivel bioquímico el costo energético necesario para ensamblar los componentes de la leche: indica qué nucleósidos trifosfato o equivalentes de reducción se consumen específicamente en la activación de monosacáridos para formar el enlace O-glucosídico de la lactosa y en la condensación de aminoácidos para formar enlaces peptídicos.
3. c) Si la madre sigue una dieta con un severo déficit calórico y de glúcidos, predice qué tejidos corporales movilizarán reservas para sostener la lactogénesis y justifica qué rutas catabólicas se activarán de forma prioritaria en ellos.

En un ensayo agronómico se analiza la simbiosis entre Rhizobium y plantas de soya (Glycine max). Se estudian tres condiciones: el Lote A crece en suelo pobre en nitrógeno; al Lote B se le aporta fertilizante nitrogenado inorgánico continuo; y el Lote C es una línea de soya mutante que carece del gen funcional de la leghemoglobina, inoculada con una cepa normal de Rhizobium.

1. a) En el Lote A, los bacteroides consumen hasta un 20 % de los carbohidratos producidos por la planta para sostener la actividad de la nitrogenasa. Justifica a nivel molecular por qué la reducción de $\text{N}_2$ a $\text{NH}_4^+$ exige un gasto tan elevado de ATP y poder reductor (considera el tipo de enlace del dinitrógeno) y qué beneficio metabólico neto obtiene la planta a cambio de ceder esos carbohidratos.
2. b) En el Lote B, la planta reduce drásticamente la formación de nódulos y reprime la actividad de la nitrogenasa bacteriana. Justifica la lógica bioenergética de esta respuesta adaptativa.
3. c) En el Lote C, la fijación biológica de nitrógeno cae a cero a pesar de que la enzima nitrogenasa está estructuralmente intacta. Explica a qué se debe este fallo y predice razonadamente qué macromoléculas esenciales verán interrumpida su síntesis en la planta.

Un individuo sano se somete a una prueba clínica de ayuno controlado durante 48 horas tras haber consumido una dieta equilibrada. Se monitorizan periódicamente en su sangre los niveles de glucosa, ácidos grasos libres, cuerpos cetónicos, insulina y glucagón.

1. a) Durante las primeras 12 horas, la glucemia se mantiene prácticamente constante sin aporte de alimentos. Justifica qué ruta hepática es la principal responsable de sostener la glucemia en esta primera fase y cómo regula el cociente glucagón/insulina la activación de dicha ruta frente a su ruta antagónica.
2. b) A las 36 horas de ayuno, el glucógeno hepático se ha agotado por completo; no obstante, la glucemia no cae a cero y la concentración de cuerpos cetónicos en sangre aumenta de forma muy acusada. Explica qué sustratos no glucídicos utiliza el hígado para sintetizar glucosa de novo y por qué la degradación masiva de ácidos grasos en los hepatocitos deriva necesariamente hacia la cetogénesis en esta etapa.
3. c) Si este individuo presentase una mutación inactivadora en la carnitina palmitoiltransferasa I (CPT-I) hepática, predice razonadamente qué ocurriría con sus niveles de glucosa plasmática y de cuerpos cetónicos tras 24 horas de ayuno.