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 intermedios 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 intermedios 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.

El ácido palmítico ($\text{C}_{16}\text{H}_{32}\text{O}_2$) rinde unos $106\ \text{ATP}$ tras su oxidación completa con un consumo de $23\ \text{moles de }\text{O}_2$. Por su parte, la glucosa ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$) genera unos $36\ \text{ATP}$ consumiendo $6\ \text{moles de }\text{O}_2$.

1. a) Calcula el rendimiento energético por átomo de carbono ($\text{ATP}/\text{C}$) de ambos sustratos y justifica bioquímicamente la causa de esta diferencia analizando el estado de oxidación medio del carbono en glúcidos y lípidos.
2. b) El glucógeno se almacena hidratado (retiene aproximadamente $2\ \text{g}$ de agua por cada gramo de glucógeno seco), mientras que los triglicéridos se acumulan en forma anhidra. Sabiendo que $1\ \text{g}$ de grasa pura aporta unas $9\ \text{kcal}$ y $1\ \text{g}$ de glucógeno seco aporta $4\ \text{kcal}$, calcula el peso total que debería acumular un ave migratoria para disponer de una reserva de $18,000\ \text{kcal}$ si la almacenara en forma de triglicéridos frente a glucógeno hidratado, y deduce la ventaja adaptativa que esto representa.
3. c) Durante un esfuerzo muscular intenso en el que el aporte de $\text{O}_2$ resulta limitante, calcula qué sustrato rinde más moléculas de ATP por cada mol de $\text{O}_2$ consumido ($\text{ATP}/\text{O}_2$) y predice cuál priorizará el músculo en esa situación.

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.

En un test de esfuerzo deportivo se registra el cociente de intercambio respiratorio ($\text{RER} = \text{V}_{\text{CO}_2} / \text{V}_{\text{O}_2}$). A una intensidad moderada ($50\,\%\ \text{VO}_{2\text{máx}}$), el $\text{RER}$ se sitúa en $0.71$; a intensidad elevada ($85\,\%\ \text{VO}_{2\text{máx}}$), sube a $0.98$. En el kilómetro 32 de una maratón, un corredor agota por completo sus reservas de glucógeno muscular y hepático (el fenómeno conocido como «el muro») y su velocidad cae abruptamente.

1. a) Interpreta los valores de $\text{RER}$ explicando qué combustible predomina en cada caso y justifica bioquímicamente por qué la oxidación completa de un ácido graso genera un cociente cercano a $0.70$ mientras que la de la glucosa es igual a $1.00$.
2. b) Si los ácidos grasos aportan más del doble de energía por gramo que los glúcidos, razona por qué el atleta se ve forzado a reducir notablemente su ritmo de carrera cuando depende exclusivamente de ellos (compara el consumo de $\text{O}_2$ por ATP generado y la tasa máxima de flujo enzimático de la $\beta$-oxidación frente a la glucólisis).
3. c) Para que el acetil-CoA procedente de la $\beta$-oxidación ingrese en el ciclo de Krebs se requiere oxalacetato, cuya reserva se repone (anaplerosis) en gran parte a partir de piruvato glucolítico mediante la piruvato carboxilasa. Justifica qué le ocurre al ciclo de Krebs (y a la oxidación de grasas) cuando la disponibilidad de piruvato cae drásticamente (papel anaplerótico).

Durante los meses de hibernación, el oso negro (Ursus americanus) no come, no bebe ni orina, y a pesar de ello mantiene su temperatura corporal y apenas pierde un $5\,\%$ de su masa muscular. Los análisis fisiológicos arrojan los siguientes datos:

1. Su cociente respiratorio ($\text{CR} = \text{volumen de CO}_2\text{ producido} / \text{volumen de O}_2\text{ consumido}$) desciende de $1.0$ antes de hibernar a $0.71$ durante el letargo.

2. Su osmolaridad plasmática y volemia se mantienen constantes sin ingerir líquidos.

3. Los niveles de urea en sangre no aumentan.

A partir de estos datos:

1. a) Interpreta el valor de $\text{CR} = 0.71$: identifica qué combustible metabólico está utilizando casi en exclusiva y justifica por qué este combustible arroja un cociente respiratorio claramente inferior a $1.0$.
2. b) Explica el origen del agua metabólica que evita la deshidratación del animal, indicando en qué orgánulo, complejo enzimático y reacción concreta de la respiración celular se genera.
3. c) Justifica por qué el uso preferente de este combustible previene la atrofia muscular por gluconeogénesis y explica qué ruta sigue el nitrógeno del catabolismo de aminoácidos para que el animal no se intoxique por amonio sin emitir orina.