Ejercicios: Metabolismo, anabolismo y catabolismo

Define metabolismo y explica la diferencia entre anabolismo y catabolismo, poniendo un ejemplo de proceso de cada tipo.

¿Qué es el ATP y por qué se le conoce como la «moneda energética» de la célula? Indica qué ocurre cuando se hidroliza a ADP.

Clasifica los siguientes procesos en anabólicos o catabólicos y justifica brevemente tu elección: la síntesis de proteínas, la respiración celular, la fotosíntesis y la digestión de los alimentos.

Observa el esquema del intercambio de materia y energía en el metabolismo. Indica qué proceso (anabolismo o catabolismo) representan A y B, qué molécula se señala con ? y explica, con un ejemplo, cómo la energía liberada por un proceso alimenta al otro.

Las transformaciones metabólicas ocurren en rutas formadas por muchas reacciones encadenadas, cada una catalizada por una enzima. Explica qué es una ruta metabólica y qué ventajas ofrece dividir una transformación en numerosos pasos.

Distingue entre organismos autótrofos y heterótrofos desde el punto de vista metabólico (fuente de carbono y de energía) y pon un ejemplo de cada tipo.

Considera las siguientes dos reacciones metabólicas independientes en condiciones fisiológicas:

1. $\text{Glucosa} + \text{P}_\text{i} \rightarrow \text{Glucosa-6-fosfato} + \text{H}_2\text{O} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = +13.8\text{ kJ/mol})$

2. $\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_\text{i} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = -30.5\text{ kJ/mol})$

1. a) Justifica a nivel molecular por qué la hidrólisis del ATP presenta un $\Delta G^{\circ\prime}$ tan fuertemente exergónico (haz referencia a la repulsión de cargas electrostáticas y a la estabilización por resonancia de los productos formados).
2. b) Escribe la ecuación de la reacción neta acoplada catalizada por la enzima hexoquinasa, calcula su $\Delta G^{\circ\prime}$ global y razona cómo este mecanismo de acoplamiento energético hace posible la realización de procesos celulares que, de forma aislada, serían termodinámicamente inviables.

En una investigación sobre metabolismo muscular se analiza una línea celular con una mutación que vuelve a la enzima glucógeno sintasa constitutivamente activa e insensible a la inhibición por fosforilación, de modo que permanece al 100 % de actividad incluso ante descargas intensas de adrenalina.

1. a) Durante una contracción muscular vigorosa desencadenada por adrenalina, la glucógeno fosforilasa se activa por fosforilación en cascada. Predice razonadamente la consecuencia metabólica inmediata de que ambas enzimas (sintasa y fosforilasa) actúen simultáneamente a máxima velocidad y justifica por qué este fenómeno (ciclo fútil) resulta energéticamente perjudicial para la célula.
2. b) Explica cómo la regulación recíproca coordinada (mediante modificación covalente reversible y moduladores alostéricos como el AMP y el ATP) evita que este conflicto ocurra en las fibras musculares normales durante el reposo y el ejercicio.

Un alumno plantea una aparente paradoja: «El segundo principio de la termodinámica dicta que los procesos espontáneos cursan con un $\Delta G < 0$. Puesto que el anabolismo construye moléculas complejas a través de reacciones fuertemente endergónicas ($\Delta G > 0$), ¿no vulnera la biosíntesis de macromoléculas las leyes de la física?»

1. a) Rebate la objeción del alumno justificando, mediante el principio del acoplamiento energético y la función intermediaria del sistema ATP/ADP, cómo la célula logra que una vía anabólica global sea termodinámicamente favorable.
2. b) Si se añade a una suspensión de hepatocitos un compuesto desacoplador de la fosforilación oxidativa (como el DNP) que disipa el gradiente electroquímico mitocondrial de protones, predice razonadamente qué ocurrirá con la tasa de catabolismo de la glucosa, con la síntesis de biomoléculas (anabolismo) y con la temperatura del medio.