Respuestas a las preguntas cortas

Tema 1: Aminoácidos, péptidos y proteínas
Tema 2: Enzimología
Tema 3: Cinética enzimática y regulación
Tema 4: Bioenergética
Tema 5: Cadena respiratoria

Tema 6: Ciclo de Krebs

Temas 7-9: Metabolismo de glúcidos

Temas 10-12: Metabolismo de lípidos

Temas 13-15: Metabolismo proteico y nitrogenado

Temas 15-18: Ácidos nucleicos y síntesis de proteínas

Tema 1: aminoácidos, péptidos y proteínas

1.01-
a) Acido ortofosfórico: H3PO4

b) Ecuación de Henderson-Hasselbach: pH = pKa + log[sal]/[ácido]
En este caso, el pKa relevante es 7.2. Así pues:

pH = 7.2 + log 1 = 7.2

1.02- Escribe las ecuaciones de la disociación iónica de la alanina, el glutamato, la histidina, la lisina y la fenilalanina.

1.03- La proximidad del grupo -COO- provoca una aumento del pK del grupo -NH3+, ya que la carga negativa ayuda a retener el protón.

1.04-

1.05- Es un enlace coplanar y rígido, con características de enlace sencillo y enlace doble.

1.06- La secuencia ordenada en que se hallan dispuestos sus aminoácidos constituyentes.

1.07- La pérdida de los niveles superiores de estructura (secundaria, terciaria y cuaternaria) así como de la función biológica, pero no de la estructura primaria (aunque sí se pierden los puentes disulfuro).

1.08- Aquéllos que tengan cadenas laterales cargadas al pH al cual se esté determinando la carga de la proteína. A pH fisiológico, son el glutamato, el aspartato, la lisina, la arginina y la histidina.

1.09- Primaria: secuencia de aminoácidos.
Secundaria: plegamiento en estructuras geométricamente repetitivas.
Terciaria: disposición espacial de la estructura secundaria.
Cuaternaria: disposición espacial de las subunidades en proteínas oligoméricas.

1.10- Las principales son la hélice alfa y la lámina beta. Permiten estabilizar la estructura de la proteína mediante la formación de puentes de hidrógeno y facilitar el plegamiento terciario ordenado para ocultar los grupos hidrofóbicos al medio acuoso.

1.11- Aspartato: El carboxilo ionizable puede participar en enlaces iónicos y de hidrógeno. Las interacciones hidrofóbicas y de van der Waals son mínimas.

Leucina: No participa en enlaces iónicos o de hidrógeno, pero sí en las interacciones de van der Waals e hidrofóbicas.

Tirosina: El hidroxilo fenólico tiene un pK muy alto, por lo que normalmente no participa en interacciones iónicas, pero sí puede participar en los puentes de hidrógeno. El anillo fenólico puede establecer interacciones hidrofóbicas y, por su gran tamaño, interacciones de van der Waals.

Histidina: El grupo imidazol es un buen dador y aceptor de enlaces de hidrógeno y, si está protonado, puede participar en enlaces iónicos. Puede participar en interacciones de van der Waals, pero no tanto en las hidrofóbicas.

1.12- Dado que es un iminoácido, la prolina tiene un nitrógeno secundario, con sólo un protón. Cuando forma un enlace peptídico, este nitrógeno pierde su protón y no puede establecer el puente de hidrógeno necesario en la hélice alfa, además de poseer un ángulo fijo y alejado de los valores de la hélice alfa. Pero, por otra parte, la prolina ayuda a estabilizar la configuración cis del enlace peptídico, necesario para la estructura de la lámina beta.

1.13- La proteína parece ser un tetrámero de cuatro subunidades de 60 kD. Cada una de las subunidades es, a su vez, un heterodímero formado por una subunidad de 34 kD y otra de 26 kD, unidas, al menos, por un puente disulfuro.

Tema 2: Enzimología

2.01- elevado poder catalítico.
- gran especificidad de acción.
- funcionan en condiciones próximas a las fisiológicas.
- sintetizadas por el organismo.
- actúan a concentraciones bajas.
- casi todas son proteínas globulares.
- salvo excepciones, activan a sus substratos para que se conviertan en productos.

2.02- Clase 1: oxidorreductasas, intervienen en reacciones de transferencia de electrones.
Clase 2: transferasas, intervienen en reacciones de transferencia de grupos funcionales de una molécula dadora a otra aceptora.
Clase 3: hidrolasas, intervienen en reacciones de rotura hidrolítica de enlaces químicos.
Clase 4: liasas, intervienen en reacciones de rotura de enlaces, sin oxidación, hidrólisis o aporte de energía.
Clase 5: isomerasas, intervienen en reacciones de cambios de estructura dentro de una molécula.
Clase 6: ligasas, intervienen en reacciones de condensación de dos moléculas con hidrólisis de ATP, GTP, etc.

2.03- Se denomina centro activo de la enzima el lugar donde tiene lugar la catálisis. Generalmente está formado por el centro de unión al substrato y el centro catalítico.

2.04- Como proteínas que son pueden verse afectadas por el pH, la temperatura y la fuerza iónica, pero además también por la concentración de enzima, la de substrato y la presencia de cofactores.

2.05- La proximidad y orientación del substrato con el centro activo. El acoplamiento inducido, las tensiones y distorsiones que puedan sufrir el substrato y la enzima. Creación de microambientes en el centro activo.

2.06- Contribuir al correcto alineamiento del substrato con el centro activo de la enzima. Ofrecer un sitio adicional de enlace. Participar directamente en el mecanismo químico de la catálisis.

2.07- No son proteicos. Normalmente son moléculas orgánicas de pM bajo. Generalmente termoestables. Aparece en la estequiometría de la reacción. No son responsables de la especificidad enzimática (se pueden unir a distintas apoenzimas). Tienen estructuras muy diferentes a los substratos. Son sistemas orgánicos con alta movilidad electrónica.

2.08- Se llaman así los coenzimas que intervienen en la transferencia de electrones. Entre ellos están los coenzimas piridínicos (NAD+/NADP+) y los coenzimas flavínicos (FMN/FAD/FDN).

Tema 3: Cinética enzimática y regulación

3.01-

3.02-

3.03-

1/[S] | (1) 1/v | (2) 1/v | (3) 1/v
1 | 0.083 | 0.233 | 0.182
0.5 | 0.05 | 0.125 | 0.111
0.25 | 0.034 | 0.071 | 0.077
0.125 | 0.029 | 0.048 | 0.063
0.083 | 0.025 | 0.038 | 0.056

a) Calculando las rectas de regresión lineal:

(1) Vmax = 51.0 umol/s; KM = 3.2 mM

(2) Vmax ap = 50.6 umol/s; KM ap = 10.8 mM

b) INHIBICIÓN COMPETITIVA --- Ki = 2.1 mM

(3) Vmax ap = 22.6 umol/s; KM ap = 3.1 mM

INHIBICIÓN NO COMPETITIVA --- Ki = 4.0 mM

3.04- Por modificaciones covalentes (p.ej., fosforilación/desfosforilación) y por modificaciones no covalentes de tipo alostérico.

3.05- Para una enzima no alostérica, la relación v/S da una representación hiperbólica (de tipo "michaeliano"), mientras que para una enzima alostérica, la relación es sigmoidal, debido a la presencia de efectos homotrópicos (cooperatividad positiva del sustrato).

3.06- Fundamentalmente, son dos: 1.- los efectos homotrópicos hacen que la enzima sea más sensible a pequeñas alteraciones en la concentración de sustrato; y 2.- los efectos heterotrópicos permiten que la actividad dla enzima sea modificada por moléculas que no participan directamente en la reacción catalizada (efectores alostéricos).

3.07- 1.- Regulación de la velocidad de síntesis dla enzima: regulación de la transcripción (por ejemplo, mediante factores de transcripción inducibles), de las modificaciones post-transcripcionales, de la traducción o de las modificaciones post-traduccionales (como en el caso de los zimógenos).
2.- Regulación de la velocidad de degradación dla enzima.
3.- Regulación de la actividad por modificaciones covalentes (por ejemplo, por fosforilación/desfosforilación).
4.- Regulación de la actividad por modificaciones no covalentes (como en las enzimas alostéricos).
5.- Regulación por compartimentación (ya sea de sustratos, de coenzimas o de los propios enzimas).
6.- Regulación mediante mecanismos específicos (como la existencia de isoenzimas, la formación de complejos multienzimáticos o la existencia de proteínas moduladoras).

3.08- Más rápido: modificación covalente; más lento: síntesis de nuevo enzima.

Modificación covalente: situaciones de respuesta muy rápida. Por ejemplo, movilización del glucógeno muscular en respuesta al ejercicio.

Modificación alostérica: cambios rápidos en la situación metabólica de una célula. Por ejemplo, transición de un estado glucolítico a otro gluconeogénico en una célula hepática.

Control de la concentración de enzima: adaptación lenta a situaciones previsiblemente prolongadas. Por ejemplo, adaptaciones metabólicas a lo largo del desarrollo fetal.

3.09- La compartimentación de vías metabólicas permite recluir sustratos, enzimas y cofactores en orgánulos específicos, en los que las condiciones fisicoquímicas pueden diferir de las de otras partes de la célula (p.ej., el pH de los lisosomas es mucho más ácido que el del resto de la célula). También permite regular independientemente las concentraciones de unos y otros en compartimentos diferentes (p.ej., el NADH citosólico va a depender, sobre todo, de la actividad glucolítica de la célula, mientras que el mitocondrial dependerá, fundamentalmente, de la -oxidación y del ciclo de los ácidos tricarboxílicos) y seleccionar el destino de una molécula según el compartimento en que se encuentre (p.ej., el acetilCoA en la mitocondria suele dirigirse al ciclo de los ácidos tricarboxílicos y, en el citosol, hacia la lipogénesis).

3.10- El transporte de compuestos o iones a través de una membrana en la misma dirección y creando un gradiente de carga

3.11- El transporte de compuestos o iones a través de una membrana en direcciones contrarias pero transportando la misma cantidad de carga.

3.12- Es simporte, ya que transporta Na+ y K+ en la misma dirección, y electrogénico ya que crea una diferencia de carga.

3.13- Es simporte (transporta glucosa y Na+) pero es activo secundario ya que la energia la aporta el gradiente de Na+ creado por un transporte activo primario

3.14- NO, ya que la energía puede aportarla el flujo de electrones en una cadena de transporte de electrones o también la luz solar.

3.15- Sí

3.16- Sí

Tema 4: Bioenergética

4.01- [fructosa]eq = [Pi]eq = 0.2 - 6.52·10-5 = 0.1999 M

K'eq = [fructosa]eq·[Pi]eq/[fructosa-1-P]eq = 0.1999·0.1999/6.52·10-5 = 613 M

DG O' = -RTlnK'eq = - 8.28·10-3·298·ln613 = 15.8 kJ/mol

4.02- DG' = DG O' + RTln[Prod]/[React] = -42.3 + 8.28·10-3·298·ln(2·10-3)·(2·10-3)/3·10-3

D G' = -58.6 kJ/mol

4.03- DG' = DG O' + RTln[P]/[R]

DG' = -30.5 + 8.28·10-3·298·ln(1·1·10-7.5/1) = 12.1 kJ/mol

4.04- a) RAMeq(A--->C) = RAMeq(A--->B)·RAMeq(B--->C) = 0.01·1000 = 10

b) DG' = DG O' + RTln[P]/[R]; DG O' = -RTlnK'eq

(A--->B) 0 = DG O' + 8.28·10-3·310·ln0.01; DG O' = 11.8 kJ/mol; K'eq = 8.4·10-3

(B--->C) 0 = DG O' + 8.28·10-3·310·ln1000; DG O' = -17.7 kJ/mol; K'eq = 1304

(A--->C) 0 = DG O' + 8.28·10-3·310·ln10; DG O' = -5.9 kJ/mol; K'eq = 10.9

4.05- DG O' = -30.5 kJ/mol

DG' = DG O' + RTln[P]/[R] = -30.5 + 8.28·10-3·310·ln(1.3·10-3)·(4.8·10-3)/(3.4·10-3)

DG' = -46.7 kJ/mol

4.06- La hexoquinasa cataliza la fosforilación de la glucosa a partir del ATP, dando glucosa-6-P y ADP. Sabiendo que los valores de DG O' de la hidrólisis del ATP y de la glucosa-6-P son, respectivamente, -30.5 y -13.9 kJ/mol, calcular el valor de DG O' y la constante de equilibrio de la reacción catalizada por la hexoquinasa.

DG O'(HQ) = -30.5 + 13.9 = -16.6 kJ/mol

Keq' = 835

4.07- Vías catabólicas: degradación de moléculas relativamente complejas a otras progresivamente más sencillas, a menudo, mediante procesos de oxidación de las moléculas de partida. Van acompañadas de obtención de energía químicamente útil para la célula (normalmente, ATP).

Vías anabólicas: síntesis de moléculas progresivamente más complejas a partir de otras estructuralmente más sencillas. Requieren aporte energético, que suele ser en forma de ATP.

4.08- La organización del metabolismo en rutas de reacciones secuenciales tiene, fundamentalmente, tres grandes ventajas:
1.- mejor aprovechamiento de la energía, al no desprenderse o requerirse toda simultáneamente, sino en lugares y momentos diferentes;
2.- existencia de intermediarios metabólicos que permiten la interacción entre procesos
diferentes;
y 3.- mayores oportunidades de regulación del metabolismo.

4.09- Las vías de síntesis y degradación no pueden ser la simple reversión una de la otra por razones termodinámicas: si uno de los procesos es termodinámicamente favorable (DG' negativo), forzosamente el otro será desfavorable (DG' positivo), por lo que este segundo debe ser algo diferente del primero. Normalmente, la vía más compleja es la de biosíntesis ya que requiere un aporte de energía y debe estar muy bien regulada.

4.10-ATP: molécula de intercambio de energía. Recibe la energía desprendida en los procesos exergónicos (DG' negativo) y la cede a los procesos endergónicos (DG' positivo).

NAD+: coenzima rédox, recibe los electrones desprendidos en las reacciones de oxidación de los combustibles biológicos y los suele ceder a la cadena mitocondrial de transporte de electrones, de donde llegarán al O2, proceso éste acoplado a la síntesis de ATP.

NADPH: coenzima rédox, típicamente citosólico (y de los cloroplastos), con un papel semejante al del NADH, pero cuyos electrones suelen ser cedidos directamente a alguna reacción de biosíntesis (por ejemplo, la lipogénesis en el citosol o el ciclo de Calvin en los cloroplastos).

4.11- PF = [ATP]/[ADP]·[Pi] (M-1)= 10/1·10-3 = 100 M-1

DG' = DG O' + RTln[P]/[R] = -30.5 + 8.28·10-3·310·ln(1·10-3)/10 = -54.1 kJ/mol

4.12- PEP + ADP ---> piruvato + ATP con un valor de DG O' de -31.7 kJ/mol.

a) DG O' = -RTlnK'eq; K'eq = 379771

b) DG' = DG O' + RTln[P]/[R]
0 = -31.7 + 8.28·10-3·298·ln[pyr]/[PEP]; [ATP]=[ADP]=1M (cond.estándar)
[pyr]/[PEP] en equilibrio = 285958 [pyr]/[PEP] > 285958

c) DG O' = -RTlnKeq; K'eq = 0.723

d) DG' = DG O' + RTln[P]/[R]
0 = 0.8 + 8.28·10-3·310·ln [PEP][ADP][GDP][Pi]/[pyr][ATP][GTP]

[PEP]/[pyr] = 732

e) Obviamente, no. En condiciones fisiológicas, el deltaG del ciclo es próximo a 0, por lo que se halla prácticamente en equilibrio. Este equilibrio se desplazará en un sentido u otro al variar las condiciones de la célula. Por ejemplo, un aumento en la concentración celular de glucosa-6-P provocará un aumento en la de PEP, con lo que el ciclo PEP/pyr se desplazará en sentido glucolítico. Por contra, un aumento en la concentración de precursores gluconeogénicos (como el lactato o la alanina) causará un aumento en la concentración de piruvato, lo que desplazará el equilibrio en sentido gluconeogénico.

4.13- CE = [ATP]+½[ADP]/[ATP]+[ADP]+[AMP] = 0.945
PF = [ATP]/[ADP]·[Pi] = 1111.1 M-1

4.14- 10000 kJ · 50% eficiencia = 5000 kJ disponibles para ATP
5000 kJ / 55 kJ/mol = 90.9 moles de ATP
90.9 mol · 551 g/mol = 50.1 kg de ATP

4.15- Porque DG O' no tiene por qué coincidir con DG'real. DG O' se define en condiciones estándar corregidas (25C, 1atm, pH=7.0, 1M de todos los componentes) y, en la célula viva, aún suponiendo una presión de 1atm, la temperatura no suele ser de 25ºC y las concentraciones no son nunca de 1M, por lo que el valor de DG'real puede ser muy diferente del de DG O'.

4.16- Los enlaces de fosfodiéster del Pi y del P en el ATP y el ADP tienen una elevada energía libre de hidrólisis porque dos de los productos formados (el ortofosfato y el ADP o el AMP, respectivamente) están cargados negativamente, lo que dificulta la reacción inversa y, por tanto, desplaza el equilibrio en el sentido de hidrólisis (DG O' muy negativo). Sin embargo, en la hidrólisis del AMP a adenosina y ortofosfato, la adenosina producida no tiene carga eléctrica, por lo que los productos no se repelen y la reacción inversa no está tan desfavorecida (DG O' no tan negativo).

4.17- a) Fundamentalmente, se trata de las interacciones electrostáticas (de atracción o repulsión), los puentes de hidrógeno, las fuerzas de van der Waals y las interacciones hidrofóbicas.
b) Su importancia radica en el hecho de que, en la estructura de macromoléculas o entre macromoléculas y sus ligandos, la energía de todos estos enlaces débiles es sumatoria, por lo que acaban contribuyendo de forma notoria a la estabilización global de la molécula o de la interacción entre moléculas.
c) Los catalizadores sólo se necesitan en aquellos procesos que, en ausencia de un catalizador, no pueden transcurrir a una velocidad compatible con el sostenimiento de la vida. Este tipo de enlaces débiles se forman de forma espontánea y a gran velocidad en cuanto los grupos participantes se encuentran a la distancia adecuada, por lo que no necesitan un catalizador.

4.18- Hay que recordar que la Termodinámica únicamente nos indica la dirección en que transcurrirá un proceso (es decir, cuál es el sentido favorecido), pero no nos dice a qué velocidad tendrá lugar, ni siquiera si el proceso es posible. Es posible que un proceso termodinámicamente muy favorecido (como la oxidación de la glucosa) se enfrente a una barrera cinética (una elevada energía libre de activación), por lo que la velocidad real del proceso puede ser extraordinariamente lenta.

Tema 5: Cadena respiratoria

5.01- FAD+2H++2e- ----> FADH2 ; E O ' = -0.219V
½O2+2H++2e- ----> H2O ; E O ' = +0.816V
FADH2 ----> FAD+2H++2e- ; E O ' = +0.219V (Hay que invertir esta reacción)

así: ½O2+FADH2 ----> H2O+FAD ; D E O ' = 1.035V
DG O' = -nFD E O '= -2·96.49·1.035= -199.7 kJ/mol (F=cte Faraday=96.49 kJ/mol·V)

5.02- Son los dos elementos móviles de la cadena de transporte de electrones, encargados de transportar los electrones de los complejos I y II hasta el complejo III (la ubiquinona) y del complejo III al IV (el citocromo c). Eso lo consiguen gracias a su naturaleza total (ubiquinona) o parcialmente hidrofóbica (citocromo c), lo que les permite desplazarse por el interior (ubiquinona) o por la superficie (citocromo c) de la membrana mitocondrial interna.

5.03- La de enviarlos hacia el aceptor final, el oxígeno. La energía liberada en este proceso es utilizada para la translocación de protones en contra de gradiente desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana. Posteriormente, estos protones serán utilizados en la síntesis de ATP.

5.04- Al comparar dos pares rédox, aquél con menor potencial rédox será el dador de electrones y el de potencial rédox mayor, el aceptor. En este caso, 0.219«0.254, por lo que el FADH2 será el dador y el citocromo c, el aceptor.

FAD + 2H+ + 2 e- ----> FADH2 E O ' = -0.219V
citocromo c (Fe3+) + e- ----> citocromo c (Fe2+) E O '=+0.254V

FADH2 ----> FAD + 2H+ + 2 e- E O '=+0.219V (invertir)

FADH2 + 2 citocromo c (Fe3+) ----> FAD + 2H+ + 2 citocromo c (Fe2+)

D E O '=+0.473V; DG O' = -nFD E O '= -2·96.49·0.473= -91.3 kJ/mol

5.05- 1,3-bisP-glicerato + 2H+ + 2e- ----> gliceraldehido-3-P + Pi E O '=-0.290 V

NAD+ + 2H+ + 2e- ----> NADH + H+ E O '=-0.320 V

gliceraldehído-3-P + Pi ----> 1,3-bisP-glicerato + 2H+ + 2e- E O '=+0.290 V

así: gliceraldehido-3-P + Pi + NAD+ ----> 1,3-bisP-glicerato + NADH + H+
D E O ' = -0.030 V; DG O' = -nFD E O '= -2·96.49·(-0.03) = +5.8 kJ/mol

5.06- Desde luego, adelgazar, adelgazará, pero quizá demasiado. El razonamiento de ese bioquímico de dudosa reputación es inapelable: Sí, tiene razón, los desacopladores disipan el gradiente de protones, por lo que la energía metabólica, en vez de acumularse en el organismo en forma de ATP (o de otras reservas, como los triacilgliceroles de los "michelines"), se disipará en forma de calor. El problema es que estos agentes son inespecíficos y provocarán el mismo efecto en todos los tejidos, de modo que los músculos no funcionarán, el diafragma no podrá bombear los pulmones, el corazón no podrá latir y el cerebro no podrá funcionar, lo que llevará a un adelgazamiento extremo ("cadavérico", diría yo) del individuo. Lo siento mucho, pero hoy por hoy la única receta para adelgazar es la de ingerir menos calorías de las que se gastan.

5.07- Lo que distingue a esta reacción es su menor rendimiento energético en la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa, ya que por cada NADH se pueden obtener unos 2.5-3 ATP, mientras que por cada FADH2 sólo se obtienen 1.5-2 ATP. Sin embargo, el NAD+ o el FAD libre tienen unos potenciales rédox demasiado negativos y la reacción de la succinato deshidrogenasa no libera suficiente energía para provocar su reducción, así que nos hemos de conformar con la reducción del FAD unido, aunque rinda menos ATP.

5.08- Posibilidad 1

E' = D E O ' + (RT/nF)ln[ox]/[red]
E'NAD+ = -0.32 + (8.28·10-3·310/2·96.49)ln20 = 0.28V
E'NADP+ = -0.32 + (8.28·10-3·310/2·96.49)ln0.1 = -0.35V
DG' = -nFDE'= -2·96.49·(-0.28 - (-0.35) = -13.5 kJ/mol
DG'/DG'ATP = 13.5/50 = 0.27 equivalentes (considerando un DGATP de 50kJ/mol= 12 kcal/mol, en cond. reales, ya que dice "in vivo" x 4.184 kJ/mol)

Posibilidad 2
E O'NAD+ = E O 'NADP+ ---> D E O ' = 0 ----> DG' = 0
DG' = DG O' + RTln[P]/[R] = 0 + 8.28·10-3·310·ln0.1/20 = -13.5 kJ/mol
DG'/DG'ATP = 13.5/50 = 0.27 equivalentes

Tema 6: Ciclo de Krebs

6.01- Lo que distingue a esta reacción es su menor rendimiento energético en la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa, ya que por cada NADH se pueden obtener unos 2.5-3 ATP, mientras que por cada FADH2 sólo se obtienen 1.5-2 ATP. Sin embargo, el NAD+ o el FAD libre tienen unos potenciales rédox demasiado negativos y la reacción de la succinato deshidrogenasa no libera suficiente energía para provocar su reducción, así que nos hemos de conformar con la reducción del FAD unido, aunque rinda menos ATP.

6.02- La beta-oxidación de los ácidos grasos.

6.03- Mediante reacciones anapleróticas, reacciones entre cuyos productos aparece algún intermediario del ciclo (como oxalacetato, -cetoglutarato, succinilCoA, fumarato o malato, principalmente).

6.04- Pirofosfato de tiamina: descarboxilación del piruvato y soporte para el resto hidroxietilo.
Lipoato: transferencia del hidroxietilo al coenzima A en forma de acetilo y de los electrones restantes hacia el NAD+.
Coenzima A: portador de un grupo acetilo activado (porque el acetilo se une al CoA mediante un tioéster de alta energía).
FAD: intermediario en la transferencia de electrones hacia el NAD+.
NAD+: aceptor final de los electrones procedentes del piruvato.

6.05-Como el succinato es una molécula simétrica, la mitad de las moléculas de fumarato producidas presentarán el carbono radiactivo en posición 2 y la mitad en posición tres, y esta repartición al 50% llegará hasta el oxalacetato.

- a) Aceleración de las deshidrogenasas del ciclo y, por tanto, aumento en la velocidad global del mismo.

- b) Como el ATP es inhibidor de la citrato sintasa, un descenso en su concentración acelerará el ciclo.

- c) También se provocará una aceleración, al aumentar la velocidad de la isocitrato deshidrogenasa (aunque dependerá de la concentración de NADH).

Temas 7-9: Metabolismo de los glúcidos

7-9.01- Se trata de un transporte activo secundario, en el cual el propio transportador no consume energía, pero obliga a que otro sistema celular que sí la consume se ponga en funcionamiento. El caso más claro es el del transporte intestinal de glucosa y muchos aminoácidos. La glucosa y los aminoácidos entran en el enterocito (la célula absortiva intestinal) en contra de gradiente de concentración mediante un cotransporte con iones sodio, que entran a favor de gradiente de concentración y carga, aprovechándose de la fuerza motriz de este gradiente. Sin embargo, para que este sistema pueda funcionar indefinidamente, la célula debe expulsar de nuevo el sodio que está entrando y para eso requiere la actividad de la Na+,K+-ATPasa, que extrae sodio e introduce potasio en la célula pero con gasto de ATP (ya que los dos iones viajan en contra de gradiente). La gran ventaja de este sistema es que el flujo de glucosa y aminoácidos, al gastar energía (aunque no sea de forma directa), se hace prácticamente irreversible y termodinámicamente muy favorable, con lo que se asegura la entrada de estas moléculas incluso cuando su concentración en la luz intestinal sea muy baja y se minimiza su posible salida del intestino.

7-9.02- Ambas catalizan la fosforilación de glucosa a glucosa-6-fosfato, mediante el consumo de una molécula de ATP. Lo que diferencia ambas isoformas son sus constantes cinéticas: la hexoquinasa tiene una KM más baja mientras que la glucoquinasa (o hexoquinasa IV) tiene una vmax muy alta. De esta manera, el cerebro y demás tejidos extrahepáticos pueden obtener glucosa incluso cuando la concentración circulante sea muy baja; sin embargo, cuando la concentración en la sangre sea muy alta, la entrada de glucosa en estos tejidos estará ya saturada y la glucosa entrará a la velocidad habitual. El hígado, por contra, no puede captar glucosa en cantidades significativas cuando la concentración circulante sea muy baja, pero dada su elevada KM, sí puede captar grandes cantidades cuando la concentración en sangre sea muy elevada, con lo que podrá almacenarla en forma de glucógeno o reconvertirla en triacilgliceroles.

7-9.03- La diferencia fundamental entre la glucolisis aerobia y la anaerobia radica en su eficiencia energética: a partir de una molécula de glucosa se obtienen 2 equivalentes de ATP en condiciones anaerobias y más de 30 en condiciones aerobias. Sin embargo, para que funcione esta segunda, es imprescindible asegurar un buen suministro de oxígeno. Durante el ejercicio aerobio (normalmente, ligero aunque se pueda mantener durante mucho tiempo), el aporte de oxígeno al músculo no representa ningún problema, por lo que predomina la glucólisis aerobia, pero durante un ejercicio muy intenso, este aporte puede no ser suficiente, por lo que el metabolismo se hace anaerobio (y, dada su baja eficiencia, debe ser forzosamente muy breve, de unos cuantos segundos nada más, en función del contenido de glucógeno del músculo).

7-9.04- Básicamente, son dos, relacionadas con los productos que se pueden obtener en esta vía: NADPH, con finalidades biosintéticas (fundamentalmente, lipogénesis), y pentosas-P, necesarias para la síntesis de nucleótidos y diversos mono- y oligosacáridos (como los que se utilizan en la glucosilación de proteínas).

7-9.05-
- a) las catalizadas por los enzimas fosfoglucoisomerasa (deltaGº'=1.67kJ/mol), fructosa bisfosfato aldolasa (deltaGº'=23.9kJ/mol), triosa fosfato isomerasa (deltaGº'=7.56kJ/mol), gliceraldehido-3-P deshidrogenasa (deltaGº'=6.30kJ/mol), fosfoglicerato mutasa (deltaGº'=4.4kJ/mol) y enolasa (deltaGº'=1.8kJ/mol).

b) las catalizadas por las enzimas hexoquinasa (deltaGº' = -16.7kJ/mol), fosfofructoquinasa (deltaGº' = -14.2kJ/mol), fosfoglicerato quinasa (deltaGº' = -18.9kJ/mol) y piruvato quinasa (deltaGº' = -31.7kJ/mol).

c) las catalizadas por las enzimas hexoquinasa y fosfofructoquinasa .

d) las catalizadas por las enzimas fosfoglicerato quinasa y piruvato quinasa.

e) alejadas del equilibrio están las reacciones catalizadas por los enzimas hexoquinasa (deltaG aprox. -33.9kJ/mol), fosfofructoquinasa (deltaG aprox.-18.8kJ/mol) y piruvato quinasa (deltaG aprox -23.0kJ/mol).

7-9.06- En condiciones celulares, la concentración de piruvato nunca llega a ser lo suficientemente elevada como para revertir esta reacción, que es prácticamente irreversible. La solución consiste en una pequeña vía que, mediante el gasto de dos equivalentes de ATP, nos permite obtener el fosfoenolpiruvato a partir del oxalacetato, procedente de la carboxilación del piruvato. Aquí hay un esquema de la vía, las reacciones completas las tenéis en los libros de texto o en los apuntes de clase.

7-9.07- Es un ciclo que se establece entre ciertos tejidos extrahepáticos (fundamentalmente, el músculo esquelético durante el ejercicio y los tejidos anaerobios estrictos) y el hígado. Los primeros realizan la glucolisis anaerobia y la fermentación homoláctica, lo que les permite obtener ATP en condiciones anaerobias y regenerar el NAD+ para proseguir realizando la glucolisis anaerobia, exportando lactato a la sangre. Este lactato llega al hígado, donde pude ser utilizado como sustrato gluconeogénico y la glucosa así fabricada puede salir a la sangre y volver a los tejidos que la necesitan.

7-9.08- a) inhibición de la gluconeogénesis.

b) lo mismo que en a).

c) activación de la gluconeogénesis.

d) esto es una señal glucolítica, así que se estimularía esta vía (por activación de la piruvato quinasa).

e) inhibición de la gluconeogénesis.

f) lo mismo que en e).

g) apenas tendría efecto, ya que la fructosa-6-P no es un potente regulador ni de la glucolisis ni de la gluconeogénesis.

7-9.09- Existen varias razones. Una es que las células (excepto las del epitelio intestinal y el renal (ver la pregunta 9.1.), no pueden concentrar glucosa en su interior ya que sólo poseen transportadores de glucosa de difusión facilitada (equilibrativos), que no les permiten concentrar glucosa en contra de gradiente. También hay que tener en cuenta la integridad osmótica de la célula y la presión osmótica depende del número de moléculas que la ejercen, no de su tamaño; un millón de moléculas de glucosa ejercen mucha más presión osmótica que una molécula de glucógeno formada por un millón de restos glucosilo. Otra razón es que la glucosa está sometida a muchas presiones metabólicas, ya que tiene multitud de destinos posibles, por lo que si se almacenase glucosa, la célula la iría gastando y, cuando se necesitase auténticamente, su concentración podría ser demasiado baja. Además, aunque su síntesis sea más cara, un resto glucosídico del glucógeno produce tres moléculas de ATP en la glucolisis, en vez de las dos que se obtienen de una glucosa, ya que la degradación del glucógeno libera glucosa-1-P, con lo que nos ahorramos una etapa de fosforilación. En sentido estricto, no es cierto que nos la ahorremos, porque la hemos pagado antes (de hecho, incorporar un glucosilo al glucógeno cuesta no uno, sino el equivalente a dos ATP); la ventaja estriba en que, cuando se necesita la energía almacenada en el glucógeno (por ejemplo, durante el ejercicio muscular), éste es más rentable que la glucosa libre.

7-9.10- La incorporación de la glucosa-1-P al glucógeno no se hace directamente, sino mediante un intermediario cuya síntesis requiere el aporte energético de un equivalente de ATP (aunque no se haga en forma de ATP, sino de UTP), la UDP-glucosa. Sin embargo, la degradación del glucógeno a glucosa-1-P sí se hace de forma directa, sin recuperar el UTP invertido en la síntesis. De esta manera, ambas vías, síntesis y degradación, son termodinámicamente favorables

7-9.11- Exclusivamente las células parenquimales del hígado (los hepatocitos), que son las únicas que, en condiciones normales, expresan el enzima glucosa-6-fosfatasa, imprescindible para desfosforilar la glucosa-6-P y liberar glucosa a la sangre.

7-9.12- En el primer caso, 2 y, en el segundo, 3.

7-9.13- El sustrato de la reacción, la UDP-glucosa, tiene una energía libre de hidrólisis muy elevada, debido a la energía invertida para fabricarlo (el equivalente a dos ATP). Incluso descontando la energía libre necesaria para fabricar el enlace glucosídico (deltaGº'=84 kJ/mol), sigue desprendiéndose suficiente energía libre para que la reacción sea espontánea.

7-9.14-
a) activación de la síntesis de glucógeno.

b) lo mismo que en a)

c) activación de la gluconeogénesis.

d) activación de la glucogenolisis

Temas 10-12: Metabolismo de los lípidos

10-12.01- Por un lado al ser hidrófobos se almacenan sin acumular agua (al contrario de lo que sucede con el glucógeno), con lo que una determinada cantidad de triacilgliceroles ocupa menos volumen y retiene menos peso de agua que un peso equivalente de glucógeno. Pero la razón principal estriba en su mayor eficiencia energética: los ácidos grasos son moléculas con un estado más reducido que la glucosa y demás azúcares, más oxidados, por lo que contienen más electrones potencialmente extraibles. Aproximadamente, 1g de triacilgliceroles aporta unos 38 kJ, mientras que 1g de glucosa supone unos 17 kJ. Sin embargo, las reservas de glucógeno son imprescindibles, ya que los ácidos grasos, en los animales, no pueden servir para fabricar glucosa de forma neta y sólo pueden aportar energía en condiciones aerobias, mientras que la glucosa puede dar ATP también en condiciones anaerobias.

10-12.02- La glucosa sí puede ser convertida en grasa de manera neta; basta con convertirla en piruvato y éste, en acetilCoA, que puede ser incorporado a los ácidos grasos mediante la lipogénesis. Sin embargo, la vía contraria no puede suceder en animales, ya que el catabolismo de los ácidos grasos produce directamente acetilCoA, que no puede ser utilizado de forma neta para dar glucosa, debido a dos razones: si el acetilCoA entra en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, antes de llegar a oxalacetato (el precursor gluconeogénico) debe sufrir dos descarboxilaciones, por lo que se pierden los dos átomos de carbono que aportaba el grupo acetilo; y, además, la reacción catalizada por la piruvato deshidrogenasa (que permitiría obtener piruvato a partir de acetilCoA) es irreversible en condiciones celulares.

10-12.03- Mediante la actividad lipoproteína lipasa (LPL). Esta enzima es fabricada por los tejidos extrahepáticos y anclada en las paredes de los capilares de estos tejidos, donde puede interactuar con sus sustratos. Estos sustratos son aquellas lipoproteínas circulantes que contengan la apoproteína C-II (cofactor imprescindible de la LPL), como los quilomicrones y las VLDL. La LPL es una triacilglicerol -esterasa, es decir, provoca la hidrólisis de los ácidos grasos situados en posición a y a' del triacilglicerol. Los ácidos grasos liberados son absorbidos por el tejido subyacente.

10-12.04- Son lipoproteínas fabricadas por el hígado, para exportar los triacilgliceroles, los fosfolípidos y el colesterol fabricados o almacenados en el hígado hacia los tejidos extrahepáticos. A medida que la LPL (ver pregunta 10.3.) va reduciendo el contenido de triacilgliceroles, las partículas relativamente enriquecidas en fosfolípidos y colesterol (las LDL) son capturadas por las células mediante receptores específicos, aprovisionándose así las células de estas moléculas.

10-12.05- Es la vía de eliminación del colesterol, desde los tejidos extrahepáticos hacia el hígado. El hígado fabrica un segundo tipo de lipoproteínas (además de las VLDL), las HDL, que abandonan el hígado prácticamente desprovistas de colesterol (los llamados discoides). A medida que circulan por la sangre y el fluido intersticial, se van cargando con el colesterol presente en las membranas plasmáticas de las células y la actividad LCAT (Lecitina:Colesterol AcilTransferasa) del plasma lo va esterificando. Una parte de estas HDL maduras regresan al hígado, donde se procede a la eliminación del colesterol, pero la apoproteína D de las HDL (también llamada Proteína Transferidora de Ésteres de Colesterol) puede ceder parte de estos ésteres de colesterol a las demás lipoproteínas circulantes (quilomicrones, VLDL y LDL), con lo que una parte del colesterol extraído de los tejidos vuelve a ellos por medio de esta especie de cortocircuito (aunque parte de las LDL también pueden ser captadas por el hígado, colaborando de esta forma a la eliminación del colesterol.

10-12.06- Su conversión en ácidos biliares, que tiene lugar exclusivamente en el hígado, y la eliminación de estos por la bilis hacia la luz del intestino, donde se perderán por las heces (aunque una parte será reabsorbida por el intestino y devuelta al hígado, para volver a ser excretados en la bilis).

10-12.07- A partir de los quilomicrones, que contienen los triacilgliceroles de la dieta. La actividad LPL libera los ácidos grasos de estos triacilgliceroles, que son captados por los tejidos.
De igual manera que en el caso anterior, los ácidos grasos también pueden proceder de las VLDL, pero, en este caso, los triacilgliceroles son de síntesis endógena.
Por último, los ácidos grasos pueden proceder de las reservas del tejido adiposo pero, en este caso, no viajan en forma de triacilgliceroles, sino libres (aunque asociados a moléculas de albúmina) y pasan a los tejidos a favor de gradiente de concentración.

10-12.08- Dado que los ácidos grasos sólo sirven como fuente de energía en condiciones aerobias, las células anaerobias como los eritrocitos, las células de la médula renal o las células musculares durante el ejercicio anaerobio no pueden utilizarlos. Tampoco los utilizan las neuronas, ya que la barrera hematoencefálica les impide la libre circulación hasta las neuronas (a pesar de que éstas sí son aerobias y podrían utilizarlos). La barrera hematoencefálica es un sistema de protección de las neuronas, que no tienen acceso directo a los nutrientes de la sangre. Los capilares sanguíneos del cerebro están formados por unas células endoteliales particulares, muy densamente apretadas entre sí, que no dejan pasar moléculas por paracitosis (es decir, entre células) Además, las neuronas se alimentan de aquellas moléculas que les son cedidas por las células gliales encargadas de su mantenimiento (mayoritariamente, los astrocitos) y entre las que no se cuentan los ácidos grasos.

10-12.09-
a) La activación del ácido graso a acilCoA, mediante la acilCoA ligasa, que consume dos equivalentes de ATP.
b) En la cara citosólica del retículo endoplásmico, donde se ubica este enzima.
c) Mayoritariamente, en la mitocondria (-oxidación mitocondrial), aunque existe una -oxidación peroxisomal y una -oxidación en el retículo endoplásmico.
d) Dado que los acilCoA citosólicos no pueden atravesar la membrana mitocondrial interna, se necesita un sistema de lanzadera, que utiliza una molécula, la carnitina, que sí puede entrar en la mitocondria

10-12.10- 106 moléculas de ATP (asumiendo unas relaciones P/O de 2.5 y 1.5 para el NADH y del FADH2, respectivamente).

10-12.11- El tejido adiposo produce glicerol como consecuencia de una activación de la lipolisis y ésta se produce en situaciones de necesidad energética, por lo que normalmente también se habrá producido una activación de la gluconeogénesis en el hígado. Como el tejido adiposo no puede reutilizar el glicerol producido, éste puede ser liberado a la circulación, por donde viaja hasta llegar al hígado y allí puede ser utilizado como sustrato gluconeogénico. La contrapartida es que el tejido adiposo necesita glucosa para fabricar glicerol-3-P (a partir de la dihidroxiacetona-P formada en la glucolisis) y poder esterificar así los ácidos grasos que fabrica o que recibe.

10-12.12- PM(tripalmitina) = 811.1 g/mol; PM(palmitato) = 256.6 g/mol

1 tripalmitina + 3H2O -----> 3 palmitato + 1 glicerol

1 palmitato + 23 O2 + 106 ADP + 106 Pi 16 CO2 + 128 H2O + 106 ATP

10-12.13- Primero, hay que activar el ácido graso a acilCoA (con gasto de 2 ATP). 7 vueltas de -oxidación producirán 7 acetilCoA y un propionilCoA, pero hay que tener en cuenta que, en una de las vueltas, entrará una insaturación en posición impar, por lo que en esa vuelta no se obtendrá el FADH2 de la primera reacción.

Los acetilCoA entrarán directamente al ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. El propionilCoA debe ser convertido en succinilCoA, que entra en el ciclo pero por una vía anaplerótica, por lo que debe salir como oxalacetato, que es convertido en fosfoenolpiruvato y éste, en piruvato, que sí puede entrar por la entrada oxidativa en forma de acetilCoA. Todos estos pasos aparecen resumidos en las reacciones que se presentan a continuación. Para la conversión del NADH y el FADH2 en ATP, tendremos en cuenta unas relaciones P/O de 2.5 y 1.5, respectivamente. El balance global es de 106 ATP.

cis-11-heptadecenoico + 2ATP ----> cis-11-heptadecenilCoA
cis-11-heptadecenilCoA ----> 7 acetilCoA + 1propionilCoA + 7NADH + 7 FADH2
1 insaturación impar ----> -1 FADH2
7 acetilCoA ----> 21 NADH + 7 GTP + 7 FADH2
1 propionilCoA + 1ATP ----> succinilCoA ----> oxalacetato
1 oxalacetato + 1 GTP ----> PEP
1 PEP ----> 1 piruvato + 1 ATP
1 piruvato ----> 4 NADH + 1 FADH2 + 1 GTP
25 NADH ----> 80 ATP
14 FADH2 ----> 21 ATP
asi: cis-11-heptadecenoico ----> 106 ATP
10-12.14
- 3,7,11,15-tetrametil-C16:0
- a-oxidación
- 2,6,10,14-tetrametil-C15:0
- b-oxidación ----> propionilCoA
- 4,8,12-trimetil-C13:0
- b-oxidación ----> acetilCoA
- 2,6,10-trimetil-C11:0
- b-oxidación ---->propionilCoA
- 4,8-dimetil-C9:0
- b-oxidación ----> acetilCoA
- 2,6-dimetil-C7:0
- b- oxidación ----> propionilCoA
- 4-metil-C5:0
- b-oxidación ----> propionilCoA
- acetilCoA

10-12.15- La clave está en la palabra "neta": los carbonos del acetilCoA no se incorporan de forma neta a la glucosa, pero sí pueden acabar en forma de glucosa (aunque eso no suponga una ganancia neta de carbonos). La explicación la tenemos en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos: para convertir el acetilCoA en oxalacetato (el auténtico precursor gluconeogénico), es imprescindible atravesar por dos descarboxilaciones, por lo que no hay una incorporación neta de carbonos del acetato a la glucosa (entran dos y salen dos, ganancia neta = 0). Sin embargo, los dos carbonos perdidos en las descarboxilaciones del isocitrato y del -cetoglutarato no se corresponden exactamente con los dos procedentes del acetilCoA, sino que son dos de los carbonos que ya estaban presentes en el oxalacetato de partida que se une al grupo acetilo. Por esa razón, si el acetilCoA contenía átomos de 14C, éstos pueden acabar en las moléculas de glucosa que se formen a partir del oxalacetato fabricado con este 14C-acetilCoA, aunque no represente una incorporación neta de carbonos del acetato a la glucosa.

10-12.16- Hay que tener en cuenta dos factores: por un lado, 1 g de grasa almacena más energía que 1 g de glucógeno (que está más oxidado), por lo que la misma energía requeriría mayor peso de glucógeno que de grasa. 1 g de grasa proporciona unos 38 kJ, mientras que 1 g de glucógeno aporta unos 17 kJ. Pero, además, la grasa se almacena sin acumular agua, pero el glucógeno, que es hidrosoluble, requiere una importante cantidad de agua para permanecer en disolución en la célula. Aproximadamente, se requieren unos 2 g de agua por gramo de glucógeno. Con todo esto, podemos concluir que:

2500 g de grasa · 38 kJ/g = 95000 kJ
95000 kJ / 17 kJ/g = 5588 g de glucógeno

Es decir, para equiparar la energía de 2.5 kg de grasa se necesitan 5.588 kg de glucógeno, a lo que hay que añadir el agua retenida por este glucógeno:

5.588 · 2 = 11.176 kg de agua
Peso total: 5.588 + 11.176 = 16.8 kg

Es decir una persona con 2.5 kg de sobrepeso en forma de grasa tendría un sobrepeso de 16.8 kg en forma de glucógeno.

10-12.17-
a) ácido mirístico
CH3(CH2)12COO + 20 O2 + 92 ADP + 92 Pi ----> 14 CO2 + 111 H2O + 92 ATP

b) ácido esteárico
CH3(CH2)16COO + 26 O2 + 120 ADP + 120 Pi ----> 18 CO2 + 145 H2O + 120 ATP

c) ácido alfa-linolénico
C17H29COO + 24.5 O2 + 114.5 ADP + 114.5 Pi ----> 18 CO2 +138.5 H2O+114.5 ATP

d) ácido araquidónico
C19H31COO + 27 O2 + 126 ADP + 126 Pi ----> 20 CO2 + 150 H2O + 126 ATP

10-12.18- Un descenso en la velocidad de beta-oxidación, más acusado cuanto mayor sea la deficiencia, ya que podría llegar a verse afectado el transporte de los acilCoA al interior de la mitocondria. No obstante, en condiciones normales, la carnitina no es limitante, por lo que una ligera deficiencia (o un aumento, como practican ciertos deportistas) no debería tener prácticamente ningún efecto sobre la -oxidación de los ácidos grasos.

10-12.19- La condensación de una nueva unidad de dos carbonos al ácido graso que está siendo fabricado requiere un aporte de energía, en forma de ATP. Sin embargo, dado que la reacción de síntesis es muy compleja, la evolución ha seleccionado un mecanismo que podríamos llamar "de pago anticipado". Primero, se carboxila el grupo acetilo a malonilo, con gasto de ATP, y más tarde, al incorporar este malonilo, se provoca su descarboxilación, liberando la suficiente energía libre para proceder a la condensación de las dos moléculas.

10-12.20- Los electrones almacenados por el par NAD+/NADH suelen ser cedidos a la cadena de transporte de electrones y su energía es utilizada para la síntesis de ATP; por esta razón, su metabolismo es, principal aunque no exclusivamente, mitocondrial. Sin embargo, los electrones del NADPH suelen ser cedidos directamente a algún sustrato de una vía biosintética, que suelen contener alguna etapa de reducción electrónica (como en la lipogénesis), por lo que el metabolismo del NADP+/NADPH es mayoritariamente citosólico. De esta manera, al tener funciones diferentes y estar relativamente compartimentados, resulta más fácil regular la concentración de cada uno de ellos independientemente del otro.

10-12.21- Fundamentalmente, en el hígado y en los tejidos adiposos blanco y marrón. En el caso de los mamíferos, también hay una gran síntesis de ácidos grasos en la glándula mamaria durante la lactancia. De menor importancia cuantitativa (aunque no cualitativa), las neuronas también deben fabricarse todos los ácidos grasos que necesitan, ya que no los pueden obtener de la circulación (ver la pregunta 10.8.).

10-12.22- Básicamente, existen dos fuentes de NADPH: la vía de las pentosas fosfato y la conversión del malato en piruvato, reacción catalizada por el enzima málico.

10-12.23- El piruvato pierde su C1 al descarboxilarse para convertirse en acetilCoA. Este C1 del piruvato procede de los C3 y C4 de la glucosa, de modo que estos carbonos nunca aparecerán en los ácidos grasos, pero los otros cuatro, sí.

10-12.24- La aparente paradoja estriba en el hecho de que la insaturación del estearilCoA es una oxidación y, sin embargo, consume una molécula de NADH, como si se tratase de una reducción. La explicación se halla en la participación del oxígeno: la introducción de un doble enlace en una molécula de un ácido graso es extraordinariamente poco favorable, por lo que los coenzimas rédox habituales (NAD+, FAD) no son lo suficientemente fuertes para llevar a cabo esta reacción y se necesita un agente oxidante mucho más potente, como el O2. Sin embargo, la reducción del O2 requiere cuatro electrones, dos procedentes del sustrato (en este caso, el estearilCoA), y dos procedentes de la molécula de NADH.

10-12.25- Primero, hay que tener en cuenta que el acetilCoA se fabrica en la mitocondria y que la síntesis de ácidos grasos tiene lugar en el citosol, por lo que hay que extraer el acetilCoA de la mitocondria. Para ello, utilizamos el citrato como intermediario, pero, una vez el citrato está en el citosol, la recuperación del acetilCoA nos cuesta un ATP (en la reacción catalizada por la ATP:citrato liasa).

Así pues, si necesitamos 8 moléculas de acetilCoA, debemos empezar sumando 8 ATP por su transporte hasta el citosol. A continuación, 7 de estas 8 moléculas de acetilCoA deben ser carboxiladas a malonilCoA, con gasto de 1 ATP en cada reacción (total, 7 ATP). Por último, cada una de las 7 vueltas de la síntesis del palmítico consume 2 NADPH, es decir, el equivalente a 7 ATP (es decir, 49 ATP en total). La suma total es de 8 + 7 + 49 = 64 equivalentes ATP.

Temas 13-15: Metabolismo proteico y nitrogenado

13-15.01- Sólo se fabrican en forma de zimógenos las proteasas digestivas. La amilasa pancreática, al igual que las diferentes lipasas, no necesita ser fabricada como zimógeno porque no resulta peligrosa para la célula pancreática que la sintetiza; sin embargo, las proteasas, en caso de ser fabricadas en forma activa, podrían digerir las proteínas de la célula, comprometiendo la supervivencia de ésta.

Los zimógenos son activados mediante la eliminación de algunos aminoácidos de su estructura primaria. El tripsinógeno es activado por un enzima intestinal, la enteropeptidasa, y la tripsina producida así se encarga de activar los demás zimógenos pancreáticos. En el estómago, el pepsinógeno es activado a pepsina por el propio pH ácido del lumen gástrico.

13-15.02- Sí, todas aquellas proteínas que pueden ser más o menos prescindibles hasta cierto punto y en determinadas circunstancias. El caso más claro es el de las proteínas contráctiles del músculo esquelético que, durante el ayuno, pueden ser degradadas (aproximadamente, hasta quedar reducidas al 50%) y liberan sus aminoácidos para mantener la gluconeogénesis en el hígado.

13-15.03- La alanina, como la mayoría de los aminoácidos, es desaminada de forma indirecta, en dos etapas. Primero, el nitrógeno es cedido al glutamato en una reacción de transaminación; posteriormente, el glutamato es desaminado mediante el enzima glutamato deshidrogenasa, que libera el nitrógeno en forma de amoníaco.

13-15.04- Los aminoácidos gluconeogénicos son aquellos que, en su vía catabólica, acaban dando algún sustrato gluconeogénico, como el piruvato, el -cetoglutarato, el fumarato o el oxalacetato; estas moléculas pueden, por tanto, ser utilizadas tanto para la síntesis de glucosa como para la síntesis de ácidos grasos y cuerpos cetónicos. Sin embargo, algunos aminoácidos acaban dando exclusivamente acetilCoA, que no es sustrato gluconeogénico, sino que sólo puede ser utilizado para la síntesis de ácidos grasos o cuerpos cetónicos; de ahí que estos aminoácidos, la leucina y la lisina, reciban el nombre de aminoácidos cetogénicos, para indicar su incapacidad de actuar como sustratos gluconeogénicos.

13-15.05- Porque, en ambos casos, una parte muy importante de los aminoácidos se dedica no a la síntesis de proteínas, sino a servir de sustratos energéticos o como precursores biosintéticos (por ejemplo, de glucosa o ácidos grasos), pero, para eso, es necesario eliminar el nitrógeno amínico que contienen, por lo que se debe aumentar la actividad del ciclo de la urea.

13-15.06- El nitrógeno amínico es concentrado, mediante las transaminasas adecuadas, en forma de alanina, que es enviada al hígado, donde se transamina de nuevo para generar glutamato, que suministra las dos fuentes de nitrógeno del ciclo de la urea (amoníaco y aspartato). El amoníaco, por su parte, es incorporado al glutamato mediante el enzima glutamina sintetasa; la glutamina originada de esta manera también llega al hígado, donde el enzima glutaminasa libera el amoníaco y regenera el glutamato.

13-15.07- 4 equivalentes de ATP, dos en la síntesis del carbamil-P y dos en la incorporación del aspartato (rotura pirofosfatolítica de un ATP).

13-15.08- Porque la orina debe ser isotónica para no dañar al riñón, de modo que cuanto mayor sea la producción de urea (como en estas personas), mayor será la cantidad de agua eliminada por los riñones, para mantener constante la presión osmótica.

Temas 16-18: Ácidos nucleicos y Síntesis de proteínas

16-18.01- El sobreenrollamiento del DNA. A medida que se separan las hebras por un extremo (es decir, se rebaja su tensión de torsión), esa misma tensión se acumula en el extremo contrario de la doble hélice, provocando un sobreenrollamiento, que hay que relajar para que pueda proseguir la replicación. De esta relajación se encargan las diferentes topoisomerasas que participan en la replicación.

16-18.02- Los cuatro desoxirribonucleótidos trifosfato, que sufren una rotura pirofosfatolítica al incorporarse a la cadena.

16-18.03- Por una parte, la actividad polimerasa 5'3' es capaz de incorporar con elevada fidelidad el nucleótido trifosfato que se corresponde con la base presente en la hebra molde. Pero, además, el enzima también posee una actividad exonucleasa 3'5', que le permite eliminar el último nucleótido incorporado si no es capaz de establecer los puentes de hidrógeno correctos con la hebra molde.

16-18.04- La actividad 5'-exonucleasa elimina segmentos mal apareados de DNA por delante de la actividad polimerasa 5'3', que de esta manera puede ir rellenando estos huecos; también es utilizada para eliminar los cebadores de RNA de los fragmentos de Okazaki durante la replicación del DNA. La actividad 3'-exonucleasa actúa como actividad correctora de la polimerasa (ver pregunta 13.3). Una cepa de E.coli sin actividad 3'-exonucleasa presentaría una tasa de mutaciones más elevada de lo normal, ya que la pol I no tendría capacidad correctora; sin embargo, sería más grave perder la actividad 3'-exonucleasa de la DNA pol III, que es la encargada de replicar el DNA (y, por tanto, la tasa de mutaciones sería mucho mayor).

16-18.05- Hay que tener en cuenta que, en cada burbuja de replicación hay dos horquillas y, por tanto, dos moléculas de DNA pol III actuando en sentidos opuestos hasta que se encuentren en el otro extremo del cromosoma (E.coli sólo tiene un cromosoma, circular). Es decir, cada molécula de DNA pol III tiene que replicar medio genoma (2.36·106 pb), para lo que necesita 3147 s (52.5 minutos ó 0.87 horas).

Si E.coli se divide cada 20 minutos, debe replicar su genoma, como mínimo, cada 20 minutos:

4.72·106 pb/20 min = 2.36·105 pb/min = 3933 pb/s

Teniendo en cuenta que la DNA pol III avanza a 750 bp/s en cada horquilla:

3933/750 = 5.24 horquillas de replicación simultáneas

Dado que sólo puede haber números enteros pares de horquillas de replicación, tiene que haber, como mínimo, 6 horquillas, es decir, 3 burbujas de replicación). Por lo tanto, se requieren simultáneamente 6 moléculas de DNA pol III por célula, por lo que las 10 moléculas presentes en cada célula de E.coli parecen suficientes para mantener esta tasa de crecimiento sin resultar limitantes.

16-18.06- Los fragmentos de Okazaki tienen unos 1000-2000 nucleótidos. Como la replicación del DNA de E.coli debe generar suficientes fragmentos de Okazaki para replicar completamente una hebra de 4.72·106 pb, se deben fabricar unos 2300-4700 fragmentos. (En humanos, con un genoma de unos 6·109 pb, se requieren de 3 a 6 millones de fragmentos de Okazaki independientes).

16-18.07- Los sistemas de eliminación de bases desapareadas están diseñados para corregir los desapareamientos de bases que pueda haber después de replicar el DNA y, para ello, reconocen el patrón de metilación de la hebra paterna (que tiene más probabilidades de ser la correcta) y eliminan las bases desapareadas de la otra hebra. Pero, en los casos de recombinación homóloga, ambas hebras tienen el patrón de metilación correcto, por lo que los sistemas de reparación no pueden actuar.

16-18.08- En los nucleótidos utilizados como sustratos (ribonucleótidos en vez de desoxirribonucleótidos, UTP en vez de dTTP), en que la RNA pol puede iniciar la síntesis de una cadena sin necesidad de un cebador y en que la síntesis de RNA no tiene nunca un mecanismo de corrección de lectura.

16-18.09- La RNA pol se une de manera relativamente inespecífica y débil al DNA. Cuando se le une el factor, el complejo queda firmemente unido al DNA y las cajas de Pribnow y 35 sitúan al complejo en la posición precisa para iniciar la transcripción en el nucleótido correcto. Una vez la RNA pol ha fabricado los primeros enlaces fosfato de la nueva cadena de RNA, el factor se libera y la polimerasa prosigue por sí sola la transcripción del gen.

16-18.10- Uno es la formación de una región G-C de complementariedad interna, que, al formar una estructura en horquilla, provoca el desprendimiento del RNA del DNA molde; una secuencia rica en U a continuación de la región G-C ayuda a debilitar la unión al DNA (porque las uniones U-A son más débiles, sólo tienen dos puentes de hidrógeno). El segundo mecanismo consiste en la participación de una proteína, el factor, que tiene actividad helicasa y separa el RNA del DNA molde.

16-18.11- No está muy claro cuál es la justificación de la existencia de los intrones. La presencia de intrones en los genes ofrece más posibilidades de evolución a los mismos, por un mecanismo conocido como redistribución de exones (o exon shuffling), que consiste en el intercambio de exones por recombinación entre genes diferentes. Además, la necesidad de un splicing ha permitido la evolución de los mecanismos de splicing alternativo, por el cual un mismo tránscrito primario puede sufrir diferentes vías de edición, por lo que un mismo gen puede dar lugar a proteínas con secuencias parcialmente diferentes.

16-18.12- mRNA: 5'-U A G U G A C A G U U G C G A U-3'

DNA: 3'-A T C A C T G T C A A C G C T A-5' (molde)

La secuencia del DNA molde en el sentido 5'3' será:

5'-A T C G C A A C T G T C A C T A-3'

16-18.13- 5'-AGAUCCGUAUGGCGAUCUCGACGAAGACUCCUAGGGAAUCC...-3' mRNA

3'-TCTAGGCATACCGCTAGAGCTGCTTCTGAGGATCCCTTAGG...-5' DNA

con sentido (molde)

Teniendo en cuenta que el primer codón AUG del mRNA es el que aparece subrayado, la secuencia de aminoácidos traducidos sería la siguiente:

NH3+ - Met - Ala - Ile - Ser - Thr - Lys - Thr - Pro - Arg - Glu - Ser - ... -COO

16-18.14-
Que la RNA pol tenga dos centros separados quiere decir que el NTP que dará inicio a la nueva cadena de RNA no se une al mismo sitio que los NTPs que vendrán a continuación. El hecho de que este centro de iniciación tenga una KM mayor que el de elongación permite asegurar que la transcripción de un gen no comenzará mientras la concentración celular de NTPs no alcance un valor mínimo que permita asegurar su completa realización.

16-18.15
a)- En eucariotas, existen tres RNA pol nucleares encargadas de la transcripción de diferentes genes: la RNA pol I, que transcribe los RNA ribosómicos; la RNA pol II, encargada de transcribir los mRNA; y la RNA pol III, que transcribe los RNA de pequeño tamaño, como el rRNA 5S, los tRNA y los RNA de las snRNP. Cada uno de estos tipos de genes son reconocidos por las diferentes RNA pol porque presentan diferentes elementos de reconocimiento (secuencias consenso) en sus regiones promotoras.

b)- La organización de las RNA pol eucariotas es más compleja que la de las procariotas, ya que contienen más subunidades. Además, el complejo de reconocimiento del promotor de un gen es también más complejo, involucrando a unas proteínas conocidas como factores de transcripción basales (Tfs) y, muy a menudo, otras llamadas factores de transcripción inducibles (que son específicos de determinados genes y se unen a unas secuencias a veces muy alejadas del promotor, conocidas como enhancer o potenciadoras).

c)- La terminación de la transcripción en eucariotas tiende a ser relativamente imprecisa. Suele tener lugar a continuación de unas secuencias consenso AAUAAA, aunque a una distancia relativamente variable de esta secuencia.

d)- Los RNA transcritos en eucariotas sufren prácticamente siempre un proceso de maduración post-transcripcional que puede suponer cambios en su secuencia lineal de nucleótidos.

16-18.16- En el primer caso, las proteínas de unión al DNA reconocen una secuencia de bases mediante el patrón de grupos dadores y aceptores de puentes de hidrógeno que presentan estas bases, para lo cual éstas deben quedar alineadas sobre el surco mayor de la doble hélice, para permitir el acceso de las proteínas.

En el segundo caso, las proteínas reconocen variaciones conformacionales en la superficie casi cilíndrica de la doble hélice, variaciones inducidas por la información estructural única conferida por la secuencia de bases de esa región.

16-18.17- Por convención, las secuencias de RNA se deben expresar siempre con el extremo 5' a la izquierda. Sin embargo, puesto que el reconocimiento entre el mRNA y el tRNA es antiparalelo, si la molécula de mRNA se representa según la convención (5' a la izquierda), la molécula de tRNA se ha de representar al revés (3' a la izquierda).

16-18.18- Uno de los puntos de mayor control es la unión de los aminoácidos a sus respectivos tRNAs, reacción catalizada por las diferentes aminoacil:tRNA sintetasas, que deben ser muy específicas tanto del aminoácido como del tRNA sustratos. Otro punto donde se puede asegurar la fidelidad de la traducción es en cada una de las etapas de elongación. Durante la elongación, el factor EF-Tu (o su homólogo en eucariotas) es el encargado de llevar el aminoacil-tRNA hasta el ribosoma y, tras la hidrólisis del GTP que tiene unido, abandonar el ribosoma y permitir la síntesis del nuevo enlace peptídico; pero la hidrólisis del GTP no es inmediata y esta pausa permite la expulsión de aquellos tRNA que no estén bien apareados con el codón que debe ser traducido.

16-18.19- Las proteínas nacientes deben alcanzar el estado plegado que les dé su estructura nativa y la información necesaria para ese plegamiento está contenida en su estructura primaria. Sin embargo, las proteínas pueden estar expuestas a muchas influencias ambientales que las lleven a obtener un plegamiento improductivo; para evitarlo, los chaperones se unen a las proteínas nacientes, aportándoles un microambiente adecuado para que puedan alcanzar el plegamiento correcto.

16-18.20- De entrada, esta secuencia nos ofrece hasta seis pautas de lectura diferentes. Por una parte este fragmento de cDNA puede ser "leído" según tres pautas diferentes:

5'- CAA TAC GAA GCA ATC CCG CGA CTA GAC CTT AAC -3'

5'- C AAT ACG AAG CAA TCC CGC GAC TAG ACC TTA AC -3'

5'- CA ATA CGA AGC AAT CCC GCG ACT AGA CCT TAA C -3'

Dado que la secuencia corresponde a la región central del cDNA (que es una copia sintética del mRNA original), la pauta correcta debe codificar una secuencia de aminoácidos y las pautas 2 y 3 presentan codones de paro (subrayados), por lo que es poco probable que correspondan a la pauta de lectura auténtica. La única secuencia que contiene lo que se llama una pauta abierta de lectura (o, en inglés, open reading frame, orf) es la 1, cuya secuencia de aminoácidos correspondiente sería:

Gln-Tyr-Glu-Ala-Ile-Pro-Arg-Leu-Asp-Leu-Asn

Sin embargo, el cDNA es una molécula de doble hebra (al contrario que el mRNA original), por lo que esta secuencia podría corresponderse a la cadena complementaria al mRNA. Hay que tener en cuenta la secuencia de la hebra cDNA complementaria que, leída de 5' a 3', sería la siguiente:

...GTTAAGGTCTAGTCGCGGGATTGCTTCGTATTG...

Esta secuencia también puede tener tres pautas de lectura:

5'- GTT AAG GTC TAG TCG CGG GAT TGC TTC GTA TTG -3'

5'- G TTA AGG TCT AGT CGC GGG ATT GCT TCG TAT TG -3'

5'- GT TAA GGT CTA GTC GCG GGA TTG CTT CGT ATT G -3'

Por las mismas razones que antes, las pautas 1 y 3 contienen codones de paro, por lo que es poco probable que se correspondan con la orf auténtica estando en la región central del cDNA. Pero la pauta dos sí presenta una orf que, traducida a aminoácidos, daría la siguiente secuencia:

Leu-Arg-Ser-Ser-Arg-Gly-Ile-Ala-Ser-Tyr

Por lo tanto, no es posible alcanzar una conclusión precisa sobre la secuencia de aminoácidos codificada por este cDNA, ya que existen dos posibles orf, según en qué sentido interpretemos la cadena de cDNA (obsérvese que, si en lugar de tener la secuencia de cDNA tuviéramos la del mRNA correspondiente, no habría ambigüedad alguna, ya que, al ser monocatenario, sabríamos en qué sentido debemos buscar la orf y podríamos distinguir entre las dos posibles).

16-18.21- Un copolímero AG al azar daría una cantidad variable de los codones:

AAA AAG AGA GAA AGG GAG GGA GGG, que codifican para:

Lys Lys Arg Glu Arg Glu Gly Gly

Con una proporción A:G de 5:1, las abundancias relativas de cada codón serán:

3A: 5·5·5 = 125

2A+G: 5·5·1 = 25

A+2G: 5·1·1 = 5

3G: 1·1·1 = 1

Es decir:

AAA AAG AGA GAA AGG GAG GGA GGG,

125 25 25 25 5 5 5 1 = 216

Lys Lys Arg Glu Arg Glu Gly Gly

La frecuencia de cada aminoácido será:

Lys: 125+25/216 = 69.4%

Arg: 25+5/216 = 13.9%

Glu: 25+5/216 = 13.9%

Gly: 5+1/216 = 2.8%

16-18.22- La hipótesis del balanceo dice que una U en la primera posición del anticodón puede reconocer una A o una G en la tercera del codón; una G en la primera posición del anticodón puede reconocer una U o una C en la tercera del codón; y una I en la primera posición del anticodón puede reconocer una A, una C o una U en la tercera del codón. Así, los codones con una purina en tercera posición son casi siempre degenerados (excepto el de la metionina y el del triptófano) y los codones con una pirimidina son siempre degenerados. Además, la utilización de inosina (I) en el anticodón contribuye a degenerar más el código genético.

El balanceo acelera el proceso de la traducción ya que la interacción entre la tercera base del codón y la primera del anticodón es más débil de lo normal, por lo que el tRNA está unido de manera mucho más débil al mRNA y puede ser liberado con más facilidad.

16-18.23- Los codones sin sentido (los de paro) son tres: UAA, UAG y UGA. Los codones que pueden mutar a uno de estos tres mediante cambios en una sola base son:

AAA y AAG (Lys), GAA y GAG (Glu), UUA y UUG (Leu), UCA y UCG (Ser), UAU y UAC (Tyr), CGA y AGA (Arg), UGU y UGC (Cys), CAG (Gln), UGG (Trp), GGA (Gly) y CAA (Pro).

16-18.24- Los candidatos idóneos serán aquellos que sólo difieran en una base de los codones de paro y, entre éstos, aquellos que difieran en la tercera base (que es la menos exigente a la hora de ser reconocida por un anticodón:

UAU y UAC (Tyr) para los codones UAA y UAG y UGU (Cys), UGC (Cys) y UGG (Trp), para el codón UGA.

La respuesta más obvia es que los ribosomas eucariotas son mayores y más complejos (y, por tanto, más lentos) y la iniciación de la traducción requiere más factores proteicos que en procariotas.

16-18.25- Los metionil-tRNAMet destinados al codón AUG inicial o a un codón AUG intermedio son físicamente distintos en algunos aspectos estructurales y el primero está cargado con una formil-metionina, no con la metionina habitual. El ribosoma distingue entre ambos codones porque el codón AUG de inicio se halla siempre situado a unos 10 nucleótidos de distancia de la secuencia de Shine-Dalgarno y el tRNAMet de inicio es el único aminoacil-tRNA que se une al sitio P del ribosoma. Los demás codones AUG quedan siempre encarados al centro A, donde se une el tRNAMett de elongación, no el de inicio. En eucariotas, también hay dos tRNAMet diferentes, aunque ambos son portadores de una metionina sin modificar y los mRNA no tienen secuencias homólogas a las de Shine-Dalgarno; en este caso, parece que la subunidad menor del ribosoma se une al extremo 5' del mRNA y avanza hasta encontrar el primer trinucleótido AUG, sobre el que incorpora el tRNAMet de inicio. A partir de ahí, una vez establecida la pauta de lectura, cualquier otro codón AUG se unirá al tRNAMet de elongación.

16-18.26- Es una secuencia rica en purinas situada cerca del extremo 5' de todos los mRNA procariotas que se une a una región complementaria rica en pirimidinas situada cerca del extremo 3' del rRNA 16S de la subunidad menor del ribosoma. Este apareamiento de bases sitúa al codón de inicio justo frente al centro P de la subunidad mayor, dejando frente al centro A al segundo codón y estableciendo así la pauta de lectura del mRNA. Dado que la secuencia de Shine-Dalgarno es una secuencia consenso (es decir, admite una cierta variabilidad dentro de unos márgenes) pero la secuencia del rRNA 16S es constante, cada mRNA tendrá una afinidad diferente para su unión con el ribosoma, por lo que variará su eficiencia de traducción.

16-18.27- La síntesis de un polipéptido de N residuos supone una inversión de:

2N ATP requeridos para cargar los tRNA (lo cual requiere una rotura pirofosfatolítica)
1 GTP necesario para la iniciación
N-1 GTP requeridos para formar los N-1 enlaces peptídicos
N-1 GTP requeridos para los N-1 pasos de translocación
1 GTP requerido para la terminación
Total = 4N equivalentes de ATP.

En el caso de la rodanasa (296 residuos), esto supone un total de 1184 equivalentes de ATP, a los que hay que sumar los 130 equivalentes empleados en el plegamiento. La obtención de una molécula de rodanasa activa nos cuesta, pues, 1314 equivalentes de ATP (sin tener en cuenta todo lo que nos haya costado la transcripción del mRNA y su posterior edición, que puede suponer una cifra superior a los 2200 equivalentes más).