Ejercicios: El catabolismo de lípidos y proteínas

Explica qué es la β-oxidación, en qué lugar de la célula ocurre y qué producto entrega al ciclo de Krebs. Indica además qué moléculas cargadas de electrones se generan durante el proceso.

Las proteínas de la dieta no se almacenan en el organismo. Explica qué ocurre con los aminoácidos que sobran: qué grupo se les retira, cómo se elimina el nitrógeno sobrante y qué destino tiene el resto de la molécula.

Ordena los tres tipos de biomoléculas energéticas (glúcidos, lípidos y proteínas) según la energía que aportan por gramo y explica por qué el organismo utiliza preferentemente los glúcidos y recurre a las proteínas solo en situaciones extremas.

Antes de oxidarse, los ácidos grasos deben activarse uniéndose a la coenzima A. Explica qué es la coenzima A y qué papel general desempeña como transportadora de grupos acilo en el metabolismo.

La urea se forma en el hígado a partir del amonio. Explica por qué el organismo invierte energía en convertir el amonio, muy tóxico, en urea, e indica cómo se elimina esta del cuerpo.

¿Dónde se almacenan las grasas de reserva en el organismo? Explica qué ocurre en el tejido adiposo cuando el cuerpo necesita energía (lipólisis) y qué moléculas se liberan entonces a la sangre.

Los aminoácidos de las proteínas ingeridas pueden seguir tres destinos: fabricar nuevas proteínas, transformarse en otras moléculas nitrogenadas o degradarse para obtener energía. Explícalos brevemente e indica cuál es el prioritario cuando la dieta es equilibrada.

En la β-oxidación, los ácidos grasos se van acortando de dos en dos átomos de carbono. Explica por qué recibe ese nombre (sobre qué carbono de la cadena se produce la oxidación) y qué fragmento se libera en cada ronda del proceso.

Razona por qué 1 g de grasa rinde más ATP que 1 g de glucosa, haciendo referencia al grado de reducción de los carbonos de la cadena hidrocarbonada de los ácidos grasos y a la cantidad de electrones que pueden entregar a la cadena respiratoria.

Describe la desaminación de los aminoácidos y explica el destino de las dos partes resultantes: el grupo amino (y su conversión en urea) y el esqueleto carbonado (que puede incorporarse a las rutas catabólicas como piruvato, acetil-CoA o intermediarios del ciclo de Krebs).

Durante un ayuno prolongado o una dieta muy rica en grasas aumentan los cuerpos cetónicos en la sangre. Explica qué son los cuerpos cetónicos y razona por qué aparecen cuando el ciclo de Krebs no puede asimilar todo el acetil-CoA procedente de la β-oxidación.

El glicerol procedente de los triglicéridos puede entrar en la glucólisis convertido en un intermedio de tres carbonos. Explica por qué esa parte de las grasas sí puede transformarse en glucosa, mientras que los ácidos grasos de cadena par, en los animales, no pueden (el acetil-CoA no es gluconeogénico).

Una dieta muy rica en proteínas somete al hígado y al riñón a un trabajo extra. Explica, en términos del metabolismo del nitrógeno (desaminación, ciclo de la urea y excreción), por qué este tipo de dietas puede resultar problemático en personas con enfermedad hepática o renal.

En la diabetes no controlada aumenta la producción de cuerpos cetónicos aunque haya mucha glucosa en la sangre. Explica esta aparente paradoja (sin insulina, la glucosa apenas entra en las células musculares y adiposas) y razona por qué la acumulación de cuerpos cetónicos puede provocar una cetoacidosis.

Un ácido graso saturado de $18$ átomos de carbono se degrada por completo por β-oxidación. Calcula cuántas rondas de β-oxidación son necesarias y cuántas moléculas de acetil-CoA se obtienen, razonando el cálculo.

Los aminoácidos se clasifican en glucogénicos (su degradación produce piruvato o intermediarios del ciclo de Krebs) y cetogénicos (producen acetil-CoA o acetoacetil-CoA). Explica qué significa esta clasificación y por qué durante el ayuno los aminoácidos glucogénicos pueden servir para fabricar glucosa.

El esquema resume cómo convergen las rutas catabólicas de glúcidos, lípidos y proteínas en el catabolismo celular aeróbico:

1. a) Identifica los procesos catabólicos señalados con ?1 y ?2. Si un fármaco inhibe selectivamente la lanzadera de carnitina mitocondrial, deduce qué ruta (?1, ?2 o glucólisis) se verá bloqueada y qué sustratos deberá priorizar la célula para mantener los niveles de acetil-CoA.
2. b) En un ayuno prolongado, gran parte del oxalacetato del ciclo de Krebs se desvía a la gluconeogénesis hepática mientras la ruta ?1 se encuentra hiperactivada. Justifica qué destino alternativo seguirá el acetil-CoA acumulado al no poder condensarse en el ciclo de Krebs.
3. c) Si se añade rotenona (un inhibidor que bloquea el paso de electrones desde el NADH al complejo I de la cadena respiratoria), predice cómo variará el cociente intramitocondrial $[\text{NADH}]/[\text{NAD}^+]$ y qué consecuencia directa tendrá sobre la velocidad del ciclo de Krebs.

Se analizan los parámetros sanguíneos y urinarios de un voluntario durante una huelga de hambre de cuatro semanas. En las primeras $24$ horas, el glucógeno hepático se agota totalmente; sin embargo, la glucemia se mantiene estable en torno a $60\text{ mg/dL}$. Los niveles plasmáticos de acetoacetato y $\beta$-hidroxibutirato aumentan más de $25$ veces a partir del cuarto día, mientras que la eliminación de urea urinaria presenta un pico inicial en los días 2-3 para luego descender a valores mínimos estables.

1. a) Justifica de dónde procede la glucosa plasmática a partir del segundo día si el glucógeno ya no está disponible, y explica por qué la degradación neta de proteínas musculares (reflejada en la urea) disminuye de forma tan acusada tras la primera semana.
2. b) Razona por qué el encéfalo no puede oxidar directamente los ácidos grasos procedentes del tejido adiposo y cómo la síntesis de cuerpos cetónicos actúa como un mecanismo protector de la masa muscular esquelética.
3. c) Si a este individuo se le administrara por error una dosis elevada de insulina en el día 15 de ayuno, predice y justifica qué ocurriría con la lipólisis en los adipocitos, con la producción de cuerpos cetónicos y con el aporte energético al cerebro.

A las $48$ horas de nacer, un recién nacido amamantado con leche materna presenta letargia progresiva, vómitos y alcalosis respiratoria. El análisis de sangre revela hiperamonemia severa ($[\text{NH}_4^+] > 450\ \mu\text{mol/L}$), una marcada elevación de glutamina y alanina, y concentraciones indetectables de citrulina y urea.

1. a) Sabiendo que las dos primeras enzimas del ciclo son mitocondriales (carbamoil-fosfato sintetasa I y ornitina transcarbamilasa, responsable de formar citrulina) y las restantes son citosólicas, deduce razonadamente en qué orgánulo y en qué tramo del ciclo se encuentra el defecto enzimático.
2. b) Justifica a nivel molecular por qué la acumulación de amonio resulta especialmente tóxica para las neuronas: relaciona el exceso de $\text{NH}_4^+$ con el desplazamiento del equilibrio de la glutamato deshidrogenasa, el agotamiento de $\alpha$-cetoglutarato y la parada en la producción mitocondrial de ATP.
3. c) Diseña una intervención terapéutica que combine el control de la ingesta de macronutrientes con la administración de fenilbutirato de sodio (fármaco que se conjuga con la glutamina formando un derivado que se excreta directamente por la orina), justificando cómo cada medida reduce la toxicidad del nitrógeno.

La siguiente tabla compara las tres estrategias principales de excreción del nitrógeno amínico en vertebrados:

1. a) Identifica razonadamente qué molécula (amonio, urea o ácido úrico) corresponde a cada estrategia y relaciona el costo de ATP invertido con la disponibilidad de agua del hábitat de los animales que las utilizan.
2. b) La rana común (Pelophylax perezi) emplea la estrategia A durante su fase larvaria acuática (renacuajo), pero pasa a emplear la estrategia B tras la metamorfosis a adulto terrestre. Justifica los cambios enzimáticos que deben inducirse en su hígado durante este proceso y el balance osmótico y energético que explica esta transición.
3. c) Predice y justifica qué consecuencias tendría sobre la viabilidad y el desarrollo embrionario de un ave una mutación que inactivase la síntesis de ácido úrico provocando que el embrión excretase únicamente urea dentro del huevo con cáscara.

Un compañero de curso afirma en un debate: «Los mamíferos no podemos sintetizar glucosa a partir de las grasas bajo ninguna circunstancia, porque en el ciclo de Krebs entran 2 carbonos como acetil-CoA y se desprenden 2 carbonos como $\text{CO}_2$, lo que impide una ganancia neta de oxalacetato para la gluconeogénesis».

1. a) Explica por qué el razonamiento de tu compañero es correcto para los ácidos grasos de cadena par, demostrando con el balance de carbonos del ciclo de Krebs por qué la degradación de acetil-CoA no permite la síntesis neta de glucosa en mamíferos.
2. b) Rebate su conclusión general: demuestra qué ocurre al oxidar ácidos grasos de número impar de carbonos, detallando qué molécula rinde su última tiolisis, cómo entra en el ciclo de Krebs y por qué esta sí permite una ganancia neta de esqueletos carbonados para la gluconeogénesis.
3. c) Predice razonadamente qué le ocurriría a la glucemia de un animal en ayuno prolongado si se le administra por vía intravenosa propionato frente a si se le administra acetato.