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Diferenciado M2 · Ciencias de la Salud
El metabolismo · El metabolismo celular

El anabolismo heterótrofo

Joaquín juega fútbol los sábados en la cancha de su barrio en Concepción y almuerza cazuela con papas y un plato de arroz, pero sus músculos no guardan papa ni proteína de vacuno: fabrican miosina humana y glucógeno propios. ¿Cómo transforma una célula las moléculas de otros organismos en las suyas, y cuánto le cuesta?

Construir con lo que llega de la dieta

Una célula heterótrofa no fabrica materia orgánica a partir de inorgánica (como hace una planta con la fotosíntesis). Toma los nutrientes de la dieta, los desarma en piezas pequeñas y con ellas arma sus propias biomoléculas. Armar cuesta energía: eso es el anabolismo.

Una célula muscular toma nutrientes de la dieta (aminoácidos, glucosa y ácidos grasos) y, gastando ATP y NADPH, construye sus propias proteínas, ácidos grasos y glucógeno. célula muscular nutrientes + ATP, NADPH proteínas ácidos grasos glucógeno

Piensa en construir una casa: los ladrillos son los aminoácidos, la mano de obra es el ATP y el plano es el ADN. Sin plano, los ladrillos y los trabajadores no sirven.

En general, el organismo arma polímeros a partir de monómeros de la dieta: las proteínas (de los aminoácidos), el glucógeno (de la glucosa) y los ácidos nucleicos (de los nucleótidos).

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Define anabolismo heterótrofo y pon dos ejemplos concretos de procesos anabólicos de una célula humana (síntesis de proteínas, de ácidos grasos o de glucógeno),…

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).

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

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

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La gluconeogénesis: fabricar glucosa

Entre comidas, o en un ayuno largo, el cerebro sigue necesitando glucosa. El hígado la fabrica a partir de moléculas que no son carbohidratos.

Esquema de la glucólisis y la gluconeogénesis: la glucosa se degrada a piruvato o lactato (glucólisis), y la gluconeogénesis la fabrica de nuevo a partir de piruvato o lactato y de glicerol o aminoácidos. glucosa piruvato / lactato glicerol / aminoácidos glucólisis gluconeogénesis

Esto se relaciona con la diabetes. En la diabetes tipo 1, el sistema inmune destruye las células del páncreas que producen insulina (origen autoinmune): hay un déficit casi total de insulina, así que la glucosa no entra bien a las células, el hígado sigue fabricando glucosa y la glicemia sube; estas personas necesitan insulina inyectada. En la diabetes tipo 2, la insulina existe pero las células responden mal a ella: el hígado sigue fabricando glucosa aunque la glicemia ya esté alta. El sedentarismo, la dieta rica en azúcares y el sobrepeso favorecen la diabetes tipo 2, pero no la tipo 1.

Ayuno y adaptación metabólica

En las primeras horas de ayuno, el hígado sostiene la glicemia con su glucógeno y luego con gluconeogénesis (el glucagón sube y la insulina baja). Si el ayuno se prolonga, el glucógeno se agota y el cerebro no puede usar ácidos grasos. Entonces el hígado convierte parte de los ácidos grasos en cuerpos cetónicos (acetoacetato y β-hidroxibutirato), que el cerebro usa como combustible. Así se reduce la necesidad de glucosa y se ahorra proteína muscular: baja la excreción de urea.

Cuando no hay oxígeno: lactato y ciclo de Cori

En un esfuerzo muy intenso, como una carrera de 400 m, el músculo trabaja casi sin oxígeno. La glucólisis necesita NAD⁺ para seguir funcionando: la célula transforma el piruvato en lactato y así regenera el NAD⁺ que se gastó. El lactato pasa a la sangre, llega al hígado y allí la gluconeogénesis lo convierte en glucosa, que vuelve al músculo: es el ciclo de Cori. Este reciclaje cuesta ATP al hígado, que se obtiene oxidando nutrientes; por eso el consumo de oxígeno sigue alto después de la carrera.

Energía: nada es gratis

Las síntesis del organismo no son 100 % eficientes: parte de la energía de cada reacción se libera como calor (segunda ley de la termodinámica). Por eso, para entregar a la leche 500 kcal en nutrientes, una madre lactante debe ingerir más de esa cantidad, ya que las rutas de síntesis y la respiración celular pierden energía como calor.

Síntesis de glucógeno y de ácidos grasos

Después de unas Fiestas Patrias con muchas sopaipillas y bebida sobra glucosa. La célula no la deja circular sin más: la guarda de dos maneras.

Una molécula de glucosa sobrante sigue dos caminos: se almacena como glucógeno, un gránulo ramificado de unidades de glucosa, o se convierte en acetil-CoA y luego en una cadena larga de ácido graso con ayuda de NADPH. O glucosa sobrante glucógeno hígado y músculo acetil-CoA (citosol) + NADPH O OH ácidos grasos

Glucógeno

El glucógeno es un polisacárido (carbohidrato) ramificado hecho de miles de unidades de glucosa. Se sintetiza sobre todo en el hígado y en el músculo, a partir de glucosa. Es un proceso anabólico: consume energía, porque la glucosa se activa con UTP (formando UDP-glucosa) antes de unirse a la cadena, y ese UTP se regenera a costa de ATP. Se activa con la insulina, tras comer.

Ácidos grasos

Si aun así sobra energía, la célula convierte el exceso en grasa. La síntesis ocurre en el citosol y sigue estos pasos:

  1. La glucosa se degrada por la glucólisis hasta piruvato, que entra a la mitocondria y forma acetil-CoA.

  2. El acetil-CoA no puede cruzar la membrana mitocondrial interna. Se combina con oxalacetato y forma citrato, que sí sale al citosol.

  3. En el citosol, el citrato se rompe y regenera acetil-CoA.

  4. Con ese acetil-CoA se alarga la cadena de dos en dos carbonos. Cada alargamiento gasta ATP y necesita NADPH como poder reductor: aporta los electrones y el hidrógeno que vuelven más «reducida» la cadena (de carbonos con mucho hidrógeno).

El hígado y el músculo: división del trabajo

El hígado es el gran centro de síntesis: fabrica glucógeno, proteínas del plasma y colesterol.

El colesterol se fabrica a partir de acetil-CoA y también llega con la dieta. Cuando la dieta aporta más colesterol, el hígado frena su propia síntesis; si aporta poco, la aumenta. Es una regulación por retroalimentación negativa que mantiene estable el colesterol de la sangre. Del colesterol se fabrican moléculas esenciales: las hormonas esteroideas (como el cortisol y las hormonas sexuales) y las sales biliares; además forma parte de las membranas celulares. Tras comer, la insulina activa la síntesis de glucógeno en hígado y músculo y de grasa en el tejido adiposo; entre comidas, el glucagón invierte esos procesos en el hígado.

El hígado tiene la enzima glucosa-6-fosfatasa y puede verter glucosa a la sangre. El músculo no la tiene: su glucógeno queda como combustible propio para contraerse. Así el hígado mantiene la glicemia de todo el cuerpo y cada músculo cuida su propia reserva.

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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.

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.

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

¿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.

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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…

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.

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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,…

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.

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Síntesis de aminoácidos y proteínas

El cuerpo humano usa 20 aminoácidos. Algunos los fabrica; otros no.

Transaminación

Un aminoácido es un esqueleto de carbono con un grupo amino. El ciclo de Krebs produce esqueletos de carbono: el α-cetoglutarato y el oxalacetato son cetoácidos. En la transaminación, un grupo amino pasa de un aminoácido a un cetoácido: el cetoácido se vuelve aminoácido y el aminoácido original se vuelve cetoácido.

  • α-cetoglutarato + grupo amino → glutamato

  • oxalacetato + grupo amino → aspartato

  • piruvato + grupo amino → alanina

Así se fabrican los aminoácidos no esenciales: la célula tiene el esqueleto de carbono y puede conseguir el grupo amino de otro aminoácido.

Los esenciales no se pueden fabricar en cantidad suficiente, porque el cuerpo humano no tiene las enzimas para armar su esqueleto de carbono. Deben llegar con la dieta.

Arriba, un esqueleto carbonado (piruvato) recibe un grupo amino y se convierte en aminoácido (alanina). Abajo, un ribosoma lee el ARNm, los ARNt cargados con aminoácidos (con gasto de ATP) aportan los aminoácidos y se forma la cadena de la proteína. O O O⁻ esqueleto carbonado piruvato + NH₂ grupo amino NH₂ O O⁻ aminoácido alanina aminoácidos ATP ARNt ARNm proteína ribosoma avance: gasta energía

Armar la proteína

Para fabricar una proteína no basta con tener aminoácidos. Primero se cargan en los ARNt (esto gasta ATP). Después el ribosoma los une siguiendo el orden que marca el ARNm (la información del ADN); cada avance del ribosoma también gasta energía.

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Razona por qué los aminoácidos esenciales deben aportarse obligatoriamente con la dieta mientras que los no esenciales no, y explica qué problema metabólico aparece…

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.

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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…

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.

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El ciclo de Krebs como vía anfibólica

Hasta aquí parecía que el ciclo de Krebs solo servía para quemar acetil-CoA y sacar energía. Pero también es el almacén de piezas del que salen los esqueletos de carbono para construir.

Ciclo de Krebs como vía anfibólica: de él salen intermedios hacia aminoácidos, ácidos grasos y glucosa, y las reacciones anapleróticas los reponen. ciclo de Krebs aminoácidos ácidos grasos glucosa reacciones anapleróticas reponen los intermedios

Dos ejemplos concretos:

  • El citrato sale de la mitocondria hacia el citosol y allí libera el acetil-CoA para fabricar ácidos grasos.

  • El α-cetoglutarato y el oxalacetato sirven de esqueleto para glutamato y aspartato.

Crecer cuesta energía

Construir biomasa no sale gratis: cada enlace nuevo gasta ATP, y muchas síntesis usan además NADPH. Por eso un adolescente que crece necesita más energía que un adulto del mismo peso y actividad. Incluso sin crecer, las proteínas del músculo se degradan y se rehacen todo el tiempo (recambio proteico o turnover): ese ciclo gasta ATP también en reposo y es parte del gasto energético basal.

  • Proteínas: cada enlace entre aminoácidos gasta varios ATP (carga del ARNt y avance del ribosoma).

  • Membranas: los ácidos grasos y otros lípidos se sintetizan con ATP y NADPH, y cada célula nueva necesita membrana nueva.

  • ADN: cada célula nueva necesita copiar su ADN, lo que requiere nucleótidos y ATP.

Y los precursores y el ATP vienen siempre del catabolismo: de la glucosa y las grasas de la dieta, que se oxidan en la respiración celular. Más anabolismo exige más catabolismo. Por eso una célula que fabrica muchas proteínas respira intensamente: necesita mucho ATP.

El camino inverso también ocurre: cuando se adelgaza, los triglicéridos del tejido adiposo se hidrolizan (lipólisis) y los ácidos grasos se oxidan en la respiración celular. Casi todo el carbono de esa grasa sale como CO₂ espirado y el hidrógeno como agua.

Balance de nitrógeno

Las proteínas son la principal fuente de nitrógeno del cuerpo. Por eso se compara el nitrógeno que entra con la dieta (aminoácidos de las proteínas) con el que sale, sobre todo como urea en la orina. Esa diferencia es el balance de nitrógeno.

En un adolescente en pleno estirón el balance es positivo porque fabrica proteínas nuevas, y también membranas, ADN y otras biomoléculas. Esas síntesis gastan ATP y NADPH, por eso necesita más energía que un adulto con balance cero y el mismo peso.

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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…

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.
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Vuelve al principio: las células de Joaquín desarman la proteína de la cazuela y el almidón de las papas hasta piezas pequeñas, y con ATP, NADPH y la información de su ADN arman miosina y glucógeno propios.

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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…

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.

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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…

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.

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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…

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.

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Resumen

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