SEMINARIO 9 - Universidad Nacional de La Plata

Facultad de Ciencias Exactas, Universidad Nacional de La Plata
Bioquímica II 2007
Integración Metabólica
Contenido
Principales fuentes de energía para los distintos órganos (cerebro, músculo, hígado, tejido adiposo, eritrocitos), división del
trabajo, interrelaciones metabólicas y transporte de metabolitos interórgano. Homeostasis: regulación hormonal del
metabolismo energético : insulina, glucagón, adrenalina, leptina. . Respuestas a stress metabólico : ayuno, diabetes, obesidad,
ejercicio. Restricción calórica.
Bibliografía
Devlin: Textbook of Biochemistry With Clinical Correlations, 6th Edition
http://bcs.wiley.com/he-bcs/Books?action=index&bcsId=3195&itemId=0471678082
Stryer (2002) Biochemistry, 5th ed. (capítulo 30) http://bcs.whfreeman.com/biochem5/
Voet, Voet: :Biochemistry, 3rd Edition http://bcs.wiley.com/he-bcs/Books?action=index&bcsId=1684&itemId=047119350X
Mathews, van Holde, and Ahern (1998) Biochemistry (capitulo 23) http://www.aw-bc.com/mathews/
Boyer: Concepts in Biochemistry, 3rd Edition,
http://bcs.wiley.com/he-bcs/Books?action=chapter&bcsId=2852&itemId=0471661791&chapterId=20290
King The Medical Biochemistry Page. http://web.indstate.edu/thcme/mwking/home.html
Lehninger, Principles of Biochemistry, 4th Ed , http://bcs.whfreeman.com/lehninger/
Preguntas generales
1 - El glicerol-3-P es un intermediario clave en la biosíntesis de triglicéridos. Los adipocitos, que están especializados en la
síntesis y degradación de los triglicéridos, no pueden utilizar directamente el glicerol porque carecen de la glicerol quinasa.
¿Cómo puede el tejido adiposo obtener el glicerol-3-P necesario para la síntesis de los triglicéridos?. Explique.
2 - Durante una situación de estrés
la liberación de epinefrina promueve la degradación de glucógeno de hígado, corazón y
músculo esquelético. El producto final de la degradación de glucógeno en hígado es la glucosa. En contraste, el producto final
en músculo esquelético es el piruvato.
a) Por qué se observan diferentes productos finales de la degradación de glucógeno en los dos tejidos?
b) Cuál es la ventaja para el organismo en una situación de estrés al tener estas dos rutas específicas de degradación de
glucógeno?
3 - Ciertos tumores malignos del páncreas causan excesiva producción de insulina por las células . Los individuos afectados
presentan agitación y temblores, debilidad y fatiga, sudoración y hambre. Si esta condición se prolonga se originan daños
cerebrales.
a) ¿Cuál es el efecto del hiperinsulinismo en el metabolismo de hidratos de carbono, aminoácidos y lípidos del hígado?
b) ¿Cuáles son las causas de los síntomas observados? Sugiera por qué, si se prolonga esta situación, lleva a un daño
cerebral.
.
4- Prediga la consecuencia más importante de cada una de las siguientes deficiencias enzimáticas:
(a) Hexoquinasa en tejido adiposo.
(b) Glucosa-6-fosfatasa en hígado.
(c) Carnitina acil transferasa I en músculo esquelético.
(d) Glucoquinasa en hígado.
(e) Tiolasa en cerebro..
( f) La quinasa de hígado que sintetiza la fructosa-2,6-bifosfato.
5 - El fluido cerebroespinal tiene un bajo contenido de albúmina y otras proteínas comparado con el plasma.
1
(a) ¿Qué efecto tiene esto sobre la concentración de ácidos grasos en el medio extracelular del cerebro?
(b) Proponga una razón plausible para la selección por el cerebro de la glucosa en vez de los ácidos grasos como combustible
principal.
(c) Cómo complementa la preferencia de combustible del músculo a la del cerebro?
6 - La ingestión de grandes cantidades de glucosa antes de una maratón puede parecer una buena manera de aumentar el
combustible almacenado. Sin embargo, los atletas experimentados no ingieren glucosa antes de una carrera. ¿Cuál es la razón
bioquímica por esta supresión de un combustible potencial? (Considere el efecto de la glucosa en el nivel de insulina)
7 - Cuáles de las siguientes afirmaciones acerca del metabolismo del tejido adiposo son correctas?
(a) Tiene una activa vía de las pentosas.
(b) Contiene una lipasa hormona-sensible que hidroliza los triglicéridos.
(c) Utiliza a los cuerpos cetónicos como combustible preferencial.
(d) Libera ácidos grasos a la sangre en forma de triglicéridos que están empaquetados en VLDL.
(e) Es la fuente más abundante de combustible almacenado.
8-
De las afirmaciones identificadas con números seleccione la que mejor describe el metabolismo de cada uno de los
órganos, tejidos o células identificados con letras.
(1) Libera glicerol y ácidos grasos a la sangre durante períodos de ayuno.
(2) En un estado nutricional normal utiliza glucosa como único combustible.
(3) Sintetiza cuerpos cetónicos cuando el aporte de acetil CoA es alto.
(4) Puede liberar lactato en la sangre.
(5) Utiliza -cetoácidos provenientes de la degradación de aminoácidos como un combustible importante.
(6) Puede almacenar glucógeno pero no puede liberar glucosa a la sangre.
(7) Puede sintetizar ácidos grasos, triglicéridos y VLDL cuando los combustibles son abundantes.
(a) Cerebro.
(b) Múculo.
(c) Tejido adiposo.
(d) Hígado.
(e) Glóbulo rojo
9 - En cuál de las siguientes formas cambia la utilización de combustible al pasar de un estado de alimentación buena a un
estado luego de tres días de ayuno?
(a) El cerebro consume más glucosa.
(b) Los triglicéridos del tejido adiposo son degradados para proveer ácidos grasos a la mayoría de los tejidos.
(c) El cerebro comienza a utilizar cuerpos cetónicos como combustible.
(d) Las proteínas son degradadas para proveer precursores de glucosa de tres carbonos.
(e) Se almacena glucógeno como combustible de reserva.
.
10- La adaptación metabólica al ayuno prolongado incluye cuales de los siguientes cambios relativos después de 3 dias de
ayuno?
a) la velocidad de lipólisis en el tejido adiposo aumenta.
b) la glucosa incorporada por el hígado decrece.
c) los cuerpos cetónicos por el hígado decrece.
d) la utilización de la glucosa por el cerebro decrece y aumenta la utilización de los cuerpos cetónicos.
e) la velocidad de degradación de las proteínas del músculo decrece.
11- Liste los siguientes pasos metabólicos de acuerdo a la velocidad de producción de ATP durante el ejercicio intenso.
a) el glucógeno del músculo hasta CO2
b) el glucógeno del hígado hasta CO2
c) el glucógeno del músculo hasta lactato
d) los ácidos grasos del tejido adiposo hasta CO2
e) la creatinina fosfato del músculo.
2
12.- . Indique el compuesto con el menor número de carbonos posible
que puede asegurar la reproducción de un cultivo de
a) bacterias, b) hepatocitos, c) semillas, d) células vegetales en la oscuridad y d) Células vegetales en presencia de luz.
Suponga que todos los cultivos poseen una fuente de nitrógeno adecuada y sales minerales. Justifique su respuesta
escribiendo la fórmula del compuesto y en forma esquemática las rutas metabólicas involucradas en la producción de los
intermediarios necesarios para el crecimiento.
13-. Calcule cuantos moles de glucosa es necesario oxidar parcial y completamente para sintetizar un mol de ácido mirístico
(14:0). Todos los cofactores necesarios para la síntesis del ácido graso deben provenir de la glucosa. Haga las suposiciones
que crea necesario e indíquelas claramente.
14. Explique las diferencias entre la diabetes tipo I y la diabetes tipo II.
15. Discuta brevemente los efectos beneficiosos de la restricción calórica en humanos
.
Problemas
Clase 1
1.-Las aves migratorias realizan largos desplazamientos estacionales buscando un hábitat adecuado de acuerdo a las
condiciones climáticas. Se
supone que estas aves
mantienen un metabolismo
energético orientado a la
movilización de reservas
lipídicas. Esto resultaría crítico
durante los trayectos de vuelo
migratorio que pueden consistir
en varias jornadas de vuelo sin
consumo de alimentos. A fin de
estudiar la adecuación
metabólica de aves migratorias,
se realizaron los siguientes
estudios sobre la golondrina
finlandesa (Limossa laponnica).
Figura 1: niveles plasmáticos de
ácidos grasos (a), glicerol (b),
triglicéridos (c), ácido úrico (d),
glucosa (e) y b-hidroxibutirato (f)
dosados en animales a la llegada
(primer columna), 15 días post-arribo
(columna media) y 30 días post-arribo
(tercer columna ). Todos los grupos
de resultados corresponden a la
media y el desvío standard de al
menos 7 ejemplares
Esta especie realiza migraciones
desde Africa occidental, donde pasa el invierno boreal, hasta la región del Mar Báltico, al norte de Europa en donde habita
durante el verano. La migración implica un desplazamiento de unos 5000 km y lo realiza en 48-72 horas de vuelo
ininterrumpido. La llegada al nuevo hábitat implica un periodo de reaprovisionamiento (refuelling) para recuperarse del esfuerzo
migratorio que dura aproximadamente 30 días, tiempo durante el cual recupera peso en base a una dieta rica en semillas y
larvas de insecto, adecuando su organismo para la etapa reproductiva.
3
El estudio consistió en capturar ejemplares de Limossa laponnica al arribo a una estación experimental en las costas del Golfo
de Botnia, en Escandinavia. Se obtuvo una muestra de sangre de los distintos ejemplares que fueron marcados y liberados a su
habitat natural. Los mismos ejemplares fueron capturados 15 días después y 30 días después, repitiendo la operación. En el
suero se midieron distintos metabolitos a fin de realizar un perfil metabólico de los animales. Los resultados se grafican en la
Figura 1.
a) Explique las variaciones encontradas en los niveles de ácidos grasos y triglicéridos. Cuales serían los orígenes de estos
compuestos en los distintos lotes analizados.
b) Que información puede obtener de los resultados del dosaje de glicerol y a-cetobutirato?
c) Los valores encontrados justifican la hipótesis respecto a que el metabolismo energético durante el vuelo migratorio está
dominado por la obtención de energía a partir de lípidos? Cuales son las ventajas que presenta este mecanismo? Justifique su
respuesta.
d) Cuales son los mecanismos que mantienen constante el nivel de glucosa en las distintas muestras analizadas? Cuales son
las hormonas dominantes en las distintas situaciones analizadas? Cuales son los efectos de dichas hormonas y los
mecanismos de transducción de señales utilizados en cada caso?
e) Considera que durante la migración hay catabolismo proteico? Cómo explica los valores de ácido úrico encontrados?
2.-- El sitio del metabolismo de etanol en humanos es el hígado. El etanol primero se oxida a acetaldehído, y luego a acetato.
Tenga en cuenta que el NAD+ sirve como aceptor de electrones, y así la relación de NADH a NAD+ aumenta cuando el etanol
se oxida. La formación de acetil CoA a partir de acetato permite a los átomos del etanol ser oxidados a dióxido de carbono en
el ciclo de Krebs.
En personas con problemas de malnutrición crónica y en personas sanas que han salteado una o dos comidas, la ingesta de
moderadas cantidades de etanol desarolla hipoglucemia. Se observa una reducción en la síntesis de glucosa hepática y un
incremento en los cocientes lactato/ piruvato, glicerol fosfato /dihidroxiacetona fosfato, glutamato/alfa-ceto glutarato, y de D-3
hidroxibutirato/ acetoacetato. En una persona bien alimentada, cuyo hígado contiene cantidades normales de glucógeno, la
infusión de etanol tiene menor probabilidad de inducir hipoglucemia. La velocidad de producción hepática de glucosa es
relativamente normal. Sin embargo, se observa el incremento del cociente intracelular de los pares de compuestos nombrados
anteriormente.
a) ¿Como es que la elevada relación de NADH a NAD+ en respuesta a la infusión de etanol, conduce a un incremento en los
cocientes de los pares de compuestos nombrados anteriormente?
b) Brevemente describa como un incremento en los cocientes de cualquiera de los pares de compuestos puede disminuir la
síntesis de glucosa en el hígado de personas con malnutrición.
c)¿Por qué es menos probable que la infusión de etanol pueda disminuir la síntesis de glucosa hepática cuando el hígado
tiene cantidades normales de glucógeno?.
3. En un laboratorio de Biotecnología se lograron
introducir los genes correspondientes a las enzimas del ciclo del glioxilato en
el genoma de células embrionarias de rata, de manera tal que dichos genes se expresen sólo en el hígado de los animales
adultos.
Explique si esta alteración genética influirá o no en el metabolismo normal de los siguientes procesos.
a) Ejercicio intenso
b) Ayuno
c) Pérdida de peso
Si la respuesta es afirmativa explíquela en detalle , pero sin usar ninguna fórmula. Indique solamente los nombres de los
metabolitos, enzimas, regulación y hormonas involucradas .
4. Con el fin de analizar los cambios metabólicos que ocurren a distintos períodos luego de la ingesta de alimentos se analizó
la concentración de metabolitos en sangre de un individuo normal en un periodo comprendido entre 0-14 días luego de la
ingesta de alimentos. Los resultados obtenidos se muestran en la figura.
4
Glucosa
8
Ac grasos
5
7
Cuerpos cetónicos
6
4
5
3
4
3
2
2
1
Cuerpos cetonicos mM
6
Glucosa o Ac grasos mM
a) Explique las modificaciones de la
concentración de glucosa. Indique los
metabolitos que la originan y cómo son las
concentraciones de las hormonas
involucradas.
b) Explique las modificaciones de la
concentración de ácidos grasos e indique el
origen de los mismos.
c) Explique las modificaciones de la
concentración de cuerpos cetónicos e
indique su origen.
1
0
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
dias de ayuno
Clase 2.
1. Sobre la base de las siguientes figuras discuta el origen del pool de aminoácidos en sangre y el transporte interórgano de
los mismos.
.
5
2..Se estudio el
efecto del glucagón
Oleato-->CO2
Glucosa liberada
y carnitina en el
control
metabolismo
de
carnitina
ácidos grasos en el
glucagon
glucagon+carnitina
hígado. Para ello
se
aislaron
glucagon
glucagon+carnitina
hepatocitos
de
Figura 1
ratón bajo dieta
Oleato-->cuerpos
carnitina
normal
y
se
cetónicos
incubaron en un
glucagon+carnitina
control
medio conteniendo
14C
oleato
Lactato liberado
(uniformemente
glucagon
control
marcado) unido a
carnitina
albúmina medio de
carnitina
cultivo
estándar
para hepatocitos.
Se
analizaron
control
glucagon
distintas
condiciones:
glucagon+carnitina
control
(sin
agregado
de
agentes bioactivos
Figura 1: Efecto del glucagón y carnitina en el metabolismo de hepatocitos: los hepatocitos
adicionales), con
fueron incubados con 0.4mM [14C] oleato unido albúmina determinándose por un lado la
adición
de
transformación de [14C] oleato en CO2 y cuerpos cetónicos marcados y por otro la liberación de
glucagón
con
glucosa (método de antrona) y lactato (con lactato deshidrogenasa) al medio.
adición de carnitina
o con adición de glucagón + carnitina en cantidades similares a los casos anteriores. A distintos tiempos (0-60 minutos) se
analizó la cantidad de CO2, cuerpos cetónicos, glucosa y lactato liberados al medio empleando distintas metodologías
analíticas, obteniéndose los resultados mostrados en la figura I.
Independientemente de estas determinaciones cuantitivas se
analizó la presencia de marca radioactiva en todos estos
compuestos.
a) Explique con ecuaciones la aparición de la marca en:
a-i) CO2
a-ii) cuerpos cetónicos
a-iii) glucosa
Indique en que compartimiento celular ocurre cada reacción
b)Hay una transformación neta de oleato en glucosa en el
hepatocito? Justifique su respuesta y relaciónela con el inciso a)
iii)
c) Analice el efecto del glucagón en la producción de los
compuestos mencionados anteriormente e indique que enzimas/procesos serían afectados.
d) Analice el efecto de la carnitina en la producción de los compuestos mencionados anteriormente e indique que
enzimas/procesos serían afectados.
e)Con el fin de entender el mecanismo por el cual el glucagón ejerce su efecto se analizó la concentración intracelular de
malonil-CoA y la velocidad de oxidación de acidos grasos en forma simultanea en cultivos de hepatocitos control y en cultivos
tratados con glucagon o con insulina o la combinación de ambas hormonas. Los resultados se muestran en la Figura 2.
ei) Escriba la ecuación de formación del Malonil-CoA
eii) Explique los efectos del malonil-CoA en la oxidación de ácidos grasos.
6
eiii) En base a los resultados de la figura 2 indique, justificando su respuesta, si considera que el glucagón ejerce su efecto en
la oxidación de ácidos grasos a través de la formación de malonil-Co A .
3. Para estudiar la influencia del ejercicio en el catabolismo de las purinas se inyectaron en forma intraperitoneal ratas con 14Cglicina y 15N-adenina y fueron sometidas a ejercicio intenso 12 horas después del tratamiento. Mediante espectrometría de
masa se determinó el contenido plasmático y urinario de distintos metabolitos derivados de las purinas. Los resultados
obtenidos se muestran en las Figuras 1 y 2.
Figura 1: Determinación plasmática de
contenido de adenosina □, inosina █,
hipoxantina □ y ácio úrico░.
Los símbolos * y ** indican la presencia de
diferencias significativas con el estado previo al
ejercicio.
A
B
Figura 2: Excreción de ácido úrico marcado
durante las 12 horas post-ejercicio. Barras
claras: grupo control, Barras grises: grupo
ejercicio. La estrella indica diferencias
significativas con el control
A- Excreción de ácido úrico marcado
con 15N
B- Excreción de ácido úrico marcado
con 14C
Preguntas:
a) En la biosíntesis de novo de las purinas, qué metabolitos contribuyen a los distintos átomos del heterociclo de las purinas?
En qué etapa ocurre la unión de la ribosa con el N heterocíclico? Estas vías originan en forma directa purinas libres?
b) Indique la ruta de degradación de las purinas (solamente escriba las fórmulas de los nucleótidos iniciales y el producto de
excreción final, el resto de los intermediarios puede indicar solamente el nombre del metabolito).
c) Existe alguna vía de reciclado de purinas? Cuál es la utilidad fisiológica de la misma?
d) i) De acuerdo a los resultados experimentales, cuál es la influencia del ejercicio intenso sobre el catabolismo de las purinas?
ii)Por qué cree que se emplearon dos compuestos con marcas diferentes en el experimento?
iii) Qué vías metabólicas siguió cada compuesto hasta la aparición de productos de excreción marcados?
iv En qué átomo se encontrará la marca del 14C en el ácido úrico?
v) De acuerdo a los resultados de la Figura 2, cuales serían los procesos del metabolismo de las purinas incrementados luego
de un ejercicio intenso?
e) Que otros metabolitos
4.- El cociente respiratorio, CR,
es una medida de la relación entre los moles de CO2 producidos y los moles de O2
consumidos (CR= moles CO2/moles O2) por un organismo vivo en un dado lapso de tiempo. El valor de este cociente es 1
cuando los sustratos que se combustionan son exclusivamente hidratos de carbono y 0,7 cuando la fuente de energía la
constituyen únicamente los lípidos. Basándose en sus conocimientos sobre metabolismo justifique los mencionados valores
de CR (1 y 0,7) NO escriba fórmulas pero si las ecuaciones balanceadas que crea necesario.
7
b) En la mayoría de las situaciones metabólicas se oxidan proporciones variables de ambos sustratos, obteniéndose valores
de CR comprendidos entre 0,7 y 1. Así, un CR igual a 0,85 indica que el sustrato que se está oxidando es una mezcla de
50% de hidratos de carbono y 50 % de lípidos. En un experimento controlado se midió el CR de una persona mientras
corría sobre una cinta durante 2 hs. Sabiendo que se obtuvo un CR igual a 0,78 y que en esta actividad se consumieron
1400 Kcal, calcule los moles de tripalmitina consumidos. Considere que la hidrólisis de una molécula de ATP produce 7,3
Kcal y desprecie la contribución del glicerol.
c) Si al finalizar el experimento del inciso anterior la persona ingiriera cantidades de glucosa muy superiores al gasto
energético realizado, indique que procesos metabólicos ocurrirían. En su respuesta deben constar las fórmulas
correspondientes y los nombres de las enzimas involucradas pero no debe explicar ningún mecanismo de acción enzimática.
d) Al finalizar el experimento del inciso anterior la persona ingirió 500 g de glucosa. Si el contenido total de de glucógeno de
este individuo, determinado por NMR, antes de iniciar el experimento era igual a 1,5 moles de glucosa, calcule si este
individuo sintetizará ácidos grasos a partir de la ingesta de glucosa. Si su respuesta es afirmativa calcule los moles de ácido
palmítico que se formarán.
5. Los datos que se muestran a continuación analizan el consumo de distintos combustibles durante el ciclismo de intensidad
variable. .
Siete personas se sometieron a una dieta balanceada durante una semana y posterior ayuno de 8 hs antes de iniciar el
experimento. Este consistió en 60 minutos de reposo seguidos de tres períodos sucesivos de 30 minutos durante los cuales los
individuos pedaleaban en una bicicleta fija al 40, 55 y 75% de su potencia máxima respectivamente, tal como lo muestra el
siguiente esquema. Durante todo el ensayo se midieron los volúmenes de O 2 consumido y CO2 producido con el objeto de
determinar el cociente respiratorio (moles de CO2/moles de O2).
Intensidad del Ciclismo ( % de la potencia máxima)
Reposo
0
30
40
60
55
90
75
120
150 tiempo (min)
Medida de volúmenes de O2 consumido y CO2 producido
a) Explique porqué la medida del cociente respiratorio permite determinar la contribución relativa de los carbohidratos y
los lípidos durante el ejercicio. Incluya ecuaciones pero no fórmulas en su ecuación.
b) La figura 1 muestra la contribución energética de los distintos metabolitos para las distintas intensidades estudiadas.
i) Indique si estos datos coinciden con lo que Ud
estudió respecto de la utilización de
combustibles por el músculo en reposo y en
ejercicio. Sino es así, explique las diferencias
observadas.
ii) Basándose en sus conocimientos de integración
metabólica explique porque existe una relación
inversamente proporcional entre la velocidad de
oxidación de la glucosa y de ácidos grasos al
aumentar la intensidad del ejercicio. En su
respuesta incluya los nombres de las enzimas
pero no escriba fórmulas.
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