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BIOQUÍMICA
GRUPOS A y B
2º CUATRIMESTRE
CURSO 2003-04
EJERCICIOS NUMÉRICOS Y PROBLEMAS
DE BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO
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1) En una muestra de eritrocitos humanos se han determinado
concentraciones de ATP = 2,25 mM, ADP = 0,25 mM y Pi = 1,65 mM.
Sabiendo que el G'º(pH 7) de la hidrólisis de ATP es de -30,5 kJ/mol y R
= 8,315 J/mol.ºK,
a) Calcular el G' de la hidrólisis de ATP.
b) Calcular el G' de la síntesis de ATP.
Sol.: a) -51,8 kJ/mol, b) +51,8 kJ/mol.
2) Las concentraciones de ATP, ADP y Pi difieren según el tipo de célula.
Consecuentemente, el cambio de energía libre de la hidrólisis de ATP será
tambien diferente. Para ilustrarlo, realizar el problema nº 11 del Cap. 14
del Stryer.
Sol.: a) - 45 kJ/mol, b)-47,8 kJ/mol, y c) –48,4 kJ/mol
3) Calcular las G´º de las siguientes reacciones metabólicas a partir de sus
respectivas constantes de equilibrio:
a) Glutamato + Oxaloacetato ====== Aspartato + Fumarato
Keq = 6,8
b) Dihidroxiacetona fosfato ======= Gliceraldehido 3-fosfato
Keq = 0,0475
c) Fructosa 6-fosfato + ATP ====== Fructosa 1,6-bisfosfato + ADP
Keq = 254
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Sol.: a) -4,75 kJ/mol, b) +7,6 kJ/mol; y c) -13,7 kJ/mol
4) En los casos b y c del ejercicio anterior, ¿hacia donde transcurriría la
reacción en el tubo de ensayo? ¿Transcurre en esa misma dirección en la
célula? ¿Qué debe ocurrir para que la reacción b se de en el sentido
adecuado para la glucolisis?
5) Resolver los problemas 1 y 2 del Cap. 14 de Stryer.
Sol.: en pag. C-10 de Apéndices al final del libro.
6) En los eritrocitos humanos la concentración de ATP en condiciones
fisiológicas es 2,25 mM, la de ADP es 0,25 mM, la de piruvato es 0,051
mM y la de fosfoenol piruvato de 0,023 mM. Calcular la G´ de la
reacción catalizada por la piruvato quinasa:
PEP + ADP ---------- Piruvato + ATP
G´º = -31,4 kJ/mol
Sol.: -24 kJ/mol
7) Resolver los problemas 10 y 12 del Cap. 14 de Stryer.
Sol. y discusión en pags. C-10 y C-11 de Apéndices al final del libro.
8) La fosfofructoquinasa, principal enzima regulador de la glucolisis,
cataliza la reacción:
Fructosa 6-fosfato +ATP --------------- Fructosa 1,6-bisfosfato + ADP
El enzima muestra inhibición por ATP a concentraciones en el rango de
M (véase p. ej. Stryer p. 445)¿Qué consecuencias fisiológicas tiene este
hecho? ¿Cómo puede explicar que el enzima se inhiba por uno de sus
sustratos?
9) En 1906, Harden y Young realizaron una serie de estudios clásicos sobre
la fermentación alcohólica en extractos de levadura de cerveza.
Observaron que:
a) El fosfato inorgánico era esencial para la fermentación. Cuando se
agotaba el suministro de fosfato cesaba la fermentación antes de que se
utilizase toda la glucosa.
b) Durante la fermentación en esas condiciones de deficiencia en fosfato se
acumulaba etanol, CO2 y una hexosa bisfosforilada.
c) Cuando se sustituía el fosfato por el arsenato, un análogo estructural que
puede ser utilizado por algunos enzimas que requieren fosfato, no se
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acumulaba la hexosa bisfosfato y la fermentación transcurria hasta que
toda la glucosa se convertía en etanol y CO2.
En base a sus conocimientos explique
- ¿Por qué es esencial el fosfato para la fermentación alcohólica?
-¿Cual es la hexosa bisfosfato que se acumula? ¿Por qué?
-¿Por qué al sustituir fosfato por arsenato esa hexosa ya no se acumula y
prosigue la fermentación?
Sol.: Véase el balance de la fermentación alcohólica. Fru 1,6-bisfosfato.
La Gliceraldehido 3P DH no puede funcionar. La G3PDH puede usar
arsenato como sustrato alternativo.
10) El arsénico es uno de los venenos de efecto lento que utilizan los asesinos
en novelas y películas policíacas. El tóxico en realidad es el arsenato. En
vista de los datos y los razonamientos del problema anterior, y teniendo en
cuenta que los acil-arsenatos son mucho menos estables que los acilfosfatos (se descomponen rápidamente por hidrólisis),
a) Predecir el efecto del suministro de arsenato sobre la gliceraldehído 3fosfato deshidrogenasa.
b) Razonar por qué el arsenato es un veneno.
11) Resolver los siguientes problemas del Lehninger Cap 14, pags. 524-526:
a) Nº 3
b) Nº 4
c) Nº 6
d) Nº 12
e) Nº 13
f) Nº 14
Soluciones al final del libro (Apéndice B Soluciones abreviadas a los
problemas) en la págs. AP10 y AP11
12) Calcular el rendimiento energético de la fermentación de sacarosa a
etanol.
Sol: 4 ATP
13) Calcular el rendimiento energético de la fermentación de lactosa a
lactato.
Sol: 4 ATP
14) Realizar los siguientes ejercicios del Cap 15 de Lehninger, pag. 563-566.:
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Nº 1
Nº 2
Nº 9
Nº 17
Nº 22
Soluciones al final del libro en las págs. AP11 y 12
15) Los valores de E´º para los pares redox NAD+/NADH y piruvato/lactato
son -0,32 V y -0,19 V respectivamente.
a)¿Cual de los dos tiene mayor carácter reductor?
b) ¿Conoces alguna reacción metabólica en donde participen ambos pares?
c) Sabiendo que F = 96,48 kJ/V.mol ¿Cual sería el G´º de esta reacción?
¿Y la Keq?
d) ¿Hacia dónde transcurriría esta reacción en condiciones estándar?
¿Puede transcurrir en sentido contrario? ¿Lo hace en algún caso?
Sol.: a) NAD+/NADH, b) la catalizada por la lactato deshidrogenasa, c)
G´º = -25 kJ/mol, Keq = 2,58 x 104, d) En condiciones estándar, hacia la
formación de lactato. Puede transcurrir en sentido contrario dependiendo
de las concentraciones relativas de sustratos y productos. Si, explicar.
16) La fructosa 2,6-bisfosfato activa alostéricamente a la fosfofructoquinasa e
inhibe alostéricamente a la fructosa 1,6-bisfosfatasa en hepatocitos. ¿Qué
consecuencias cabría esperar de una anomalía genética por la cual la
fructosa 1,6-bisfosfatasa fuese menos sensible a la inhibición por Fru
2,6BP?
17) Proponer respuestas a los problemas 1 al 14 del cap. 21 de Stryer.
Después de formuladas, consultar la discusión en las Páginas C-16 y C-17
18) Interpretar los datos de los problemas 16 y 17 del cap. 21 de Stryer.
Sol.: pág. C-17
19) El G´º de la reacción catalizada por la malato deshidrogenasa en el ciclo
de Krebs es de +30 kJ/mol. Sabiendo que el E´º del par redox
NAD+/NADH es de -0,32 V,
a) ¿cual es el E´º del par oxaloacetato/malato?
b) ¿cual es la Keq? ¿qué nos indica este parámetro?
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c) Sabiendo que la concentración de malato medida en mitocondrias de
hígado de rata es de unos 0,20 mM cuando [NAD+/NADH] = 10, calcular
la concentración de OAA a pH 7 en estas mitocondrias.
d) A la vista del conjunto de datos calculados en esta situación, ¿cómo cree
que puede darse la reacción en el sentido en que ocurre de hecho en el
ciclo de Krebs?
Sol.: a) -0.16 V, b) 5,6 x 10-6, que el equilibrio está desplazado hacia la
formación de sustratos y no de productos, como indicaba tambien el G’º,
c) 1,12 x 10-8 M, d) porque está metabólicamente acoplada a la reacción
catalizada por la citrato sintasa. Explicar.
20) Describir brevemente la justificación biológica de cada uno de los
siguientes efectos alostéricos:
a) Activación de la piruvato carboxilasa por Acetil CoA.
b) Activación de la piruvato deshidrogenasa quinasa por NADH.
c) Inhibición de la isocitrato deshidrogenasa por NADH.
d) Activación de la isocitrato deshidrogenasa por ADP.
e) Inhibición de la -cetoglutarato deshidrogenasa por succinil-CoA.
f) Activación del complejo piruvato deshidrogenasa por AMP.
Sol.: Mathews, p. 1220.
21) Resolver los problemas nº 11 al 22 del Cap. 16 de Lehninger (Pags. 596597).
Sol.: ver AP 12 y 13.
22) La concentración interna de Na+ en una célula de vertebrado es de 12
mM. La célula está rodeada de plasma sanguíneo que contiene 145 mM
Na+. Si el potencial de membrana es de -0,07 V (interior negativo respecto
al exterior), ¿cual es el G' para el transporte de Na+ hacia fuera de la
célula a 37ºC?
Sol.: +13,2 kJ/mol
23) La bomba de Na+/K+ es un sistema de transporte activo primario que
acopla la hidrólisis del ATP a la salida de Na + y la entrada de K+ a las
células animales, de acuerdo con la siguiente reacción:
ATP + 3 Na+(int) + 2 K+(ext) --------- ADP + Pi + 3 Na+(ext) + 2 K+(int)
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Sabiendo que las concentraciones intracelulares de Na + y K+ son
respectivamente 12 y 140 mM, las externas son 145 y 4 mM, el potencial
de la membrana plasmática es de -0,07 V (negativo hacia dentro), y la
hidrólisis de ATP en las condiciones celulares tiene un G' de -52 kJ/mol,
calcular el G' de la reacción indicada a 37ºC.
Sol.: -7,5 kJ/mol ATP
24) Se determinó experimentalmente que un sistema de transporte de glucosa
acoplado a un cotransporte paralelo de Na + podía acumular glucosa en la
célula a concentraciones 50 veces superiores a las del medio externo,
mientras que las de Na+ internas eran sólo 2 veces inferiores a la externa.
El potencial de la membrana plasmática de la célula era de -0,07 V
(negativo hacia dentro). ¿Cómo se pueden interpretar estos resultados?
Proponga un modelo para el funcionamiento de este sistema de transporte.
Sol.: El transportador funciona con una estequiometría de 2
Na+/Glucosa.
25) Se conoce que la ouabaina inhibe específicamente la actividad de la
ATPasa Na+/K+ de tejidos animales, pero no se ha descrito que inhiba
ningún otro enzima. Cuando se añade ouabaina a cortes de tejido renal
incubados con glucosa se observa que el consumo de oxígeno se inhibe un
60%. ¿Qué información podemos extraer de estos resultados?
Sol: Aproximadamente un 60% del ATP producido en la degradación
respiratoria de la glucosa se utiliza para la extrusión de Na + en el tejido
renal.
26) En la cadena respiratoria mitocondrial se produce la transferencia de e
desde el NADH al O2 a través de una serie de transportadores. Sabiendo
que los potenciales redox de estos pares son:
NAD+/NADH
E'º= -0,32 V
O2/H2O
E'º= +0,82 V
a) Calcular el G'º del proceso redox global.
b) Si el proceso estuviera acoplado a la síntesis de ATP ¿Cuantos ATP/2e
podrían generarse en condiciones estándar sabiendo que G'ºP = +30,5
kJ/mol?
Sol: a) -220 kJ/mol NADH, b) Un máximo de 7 ATP/2e.
27) Se ha determinado que el pH de la matriz mitocondrial de una levadura
respirando activamente es de 7,5 y el del espacio intermembranal es de 6,5.
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El potencial de la membrana interna mitocondrial es de 0,15 V (negativo
hacia la matriz).
a) Calcular el H+ a través de dicha membrana.
b) Dadas las concentraciones de ATP, ADP y Pi determinadas en esas
mitocondrias, se ha calculado que el G' para la síntesis de ATP es de +50
kJ/mol. ¿Podrá acoplarse el H+ a la síntesis de ATP?
Sol: a) -20,4 kJ/mol hacia dentro. b) Sí, siempre que la estequiometria del
acoplamiento sea al menos de 3H+/ATP.
28) Durante el funcionamiento del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la
succinato deshidrogenasa dona electrones a la cadena respiratoria
mitocondrial. Sabiendo los valores de los potenciales redox de los pares:
Succinato/fumarato
E'º= +0,03 V
UQ/UQH2
E'º= +0,04 V
O2/H2O
E'º= +0,82 V
a) Calcular el G'º de la reacción catalizada por el complejo SDH.
b) Calcular el G'º del proceso redox global.
b) Si el proceso global estuviera acoplado a la síntesis de ATP ¿Cuantos
ATP/2e podrían generarse en condiciones estándar sabiendo que G'ºP =
+30,5 kJ/mol?
Sol: a) -1,9 kJ/mol succinato; b) -150 kJ/mol succinato, b) Un máximo de
4 ATP/2e.
29) La citocromo oxidasa cataliza la transferencia de electrones del
citocromo c al oxígeno y la translocación de protones desde la matriz
mitocondrial al espacio intermembrana. Sabiendo los valores de los
potenciales redox de los pares
Cit c ox/red
E'º= +0,25 V
O2/H2O
E'º= +0,82 V
a) Calcular el G'º de la reacción redox.
b) Si el valor del H+ a través de la membrana interna mitocondrial es de
20 kJ/mol y la estequiometria de la translocación de protones por el
complejo es de 2H+/2e ¿Cual sería el G'º del proceso completo catalizado
por la citocromo oxidasa?
Sol.: a) -110 kJ/mol H2O; b) -70 kJ/mol H2O.
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30) Calcular el rendimiento en ATP de la oxidación total hasta CO 2 por un
homogenado celular de cada uno de los siguientes sustratos, asumiendo
que la glucolisis, el ciclo del ácido cítrico, la lanzadera malato/aspartato y
la fosforilación oxidativa son completamente activos:
a) piruvato
b) lactato
c) fructosa 1,6-bisfosfato
d) fosfoenol piruvato
e) galactosa
f) dihidroxiacetona fosfato
Sol.: a) 12,5; b) 15; c) 34; d) 13,5; e) 32; f) 17.
31) Resolver los problemas 3 al 15 del cap. 18 de Stryer.
Sol.: pag. C-14.
32) Resolver los problemas nº 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 12 del Cap 19 de Lehninger.
Sol.: pag. AP 15 y 16.
33) Interpretar y discutir los datos experimentales de los problemas 16 y 17
del cap. 18 de Stryer.
Sol.: pag. C-14 y 15
34) La lanzadera malato-aspartato de la membrana interna mitocondrial se
inhibe con n-butilmalonato. Si se añade este compuesto a una suspensión
de células renales utilizando glucosa como combustible en condiciones
aerobias, predecir el efecto de este inhibidor sobre:
a) la glucolisis
b) el consumo de O2
c) formación de lactato
c) la sintesis de ATP
Sol.: AP 15 de Lehninger, problema nº 10.
kJ/mol y en V, sabiendo que h=6,626.10
6,022.1023 mol-1 y F= 96,48 kJ/mol.V.
Sol.: 171 kJ/mol , 1,77 V
-34
J.s, c=3.10
8
0 nm en
m.s-1, N=
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36) El potencial medio del pigmento transductor del Fotosistema 2, P 680/P680+
es de + 1 V. Dados los valores de las constantes en el ejercicio anterior,
¿cuál será el potencial medio del par excitado P680*/P680+ ?
Sol.: - 0,82 V
37) En el complejo Fotosistema 1 se lleva a cabo la siguiente reacción global:
Plastocianina red + Ferredoxina ox + h --------------- PC ox + Fd red
Sabiendo los potenciales redox medios de los pares implicados:
PC ox/PC red
E´m = + 0,37 V
Fd ox/ Fd red
E´m = - 0,45 V
Calcular el cambio de energía libre estándar del proceso.
Sol.: -91,9 kJ/mol
38) Calcular el G´o del flujo no-cíclico de electrones desde el agua al
NADP+ en kJ/mol de NADPH, en un sistema experimental en presencia de
un desacoplante, sabiendo que los potenciales medios de estos pares son:
O2 /H2O
NADP+ /NADPH
Sol.: -470,17 kJ/mol NADPH
E´m = + 0,82 V
E´m = - 0,34 V
39) Se ha determinado que el pH del estroma de cloroplastos aislados de hoja
de espinaca en condiciones de iluminación y fijación activa de CO2 es de 8,
mientras que el del lumen tilacoidal es de 5. El potencial de la membrana
tilacoidal es de –0,02 V (negativo hacia el estroma). Calcular:
a) el valor del H+ a través de dicha membrana.
b) la estequiometría mínima de acoplamiento para la síntesis de ATP,
sabiendo que el G´del proceso es de 48,5 kJ/mol.
Sol.: a) 19 kJ/mol, b) 3H+/ATP
40) Se ha determinado que el G´o del flujo no-cíclico de electrones desde el
agua al NADP+ sin tener en cuenta la translocación acoplada de protones
es de -470,17 kJ/mol de NADPH. Dadas las condiciones del problema
anterior,
a) ¿Cuántos protones podrían translocarse como máximo en el proceso?
b) ¿Cuántos se translocan en realidad?
c) ¿Cuál sería el G´ del proceso si la relación NADP+/NADPH = 1?
Sol.: a) 24 H+/ 2e, b) 6H+/2e, c) – 356,17 kJ/mol NADPH
10
41) Si la relación NADPH/NADP+ en el estroma del cloroplasto es muy
elevada,
a) ¿Se podrá producir O2? ¿Por qué?
b) ¿Habrá fotofosforilación? ¿Por qué?
c) ¿Qué ocurrirá en esas condiciones si se suministra DCMU?
d) ¿Y si se suministra Antimicina A?
42) Resolver los problemas 1 a 3 del cap. 22 de Stryer.
Sol.: pag. C-17 y 18
43) Proponer soluciones para los problemas 12 y 13 del cap. 22 de Stryer.
Sol. y discusión en pag. C-18
44) Realizar un esquema de una ruta de conversión de aspartato en glucosa,
indicando enzimas y coenzimas, y realizando el balance energético.
Sol.: 2 aspartato + 2 -cetoglutarato + 2 GTP + 2 ATP + 4 H2O +
2 NADH ------- Glucosa + 2 CO2 + 2 GDP + 2 ADP + 4 Pi + 2 NAD+
45) Proponer soluciones para los datos clínicos del problema 18 del cap. 23
de Stryer.
Sol.: pag. C-20
46) Proponer soluciones a los problemas 6 y 16 del cap. 24 de Stryer.
Sol.. pág. C-20 y 21
47) Proponer soluciones para el caso clínico del problema 5 del cap. 24 de
Stryer.
Sol.: pag. C-20
48) Proponer soluciones para los casos clínicos de los problemas 17 y 18 del
cap. 25 de Stryer.
Sol.: pag. C-21
49) Proponer soluciones para los datos clínicos de los problemas 7 y 10 del
cap. 26 de Stryer.
Sol.: pag. C-22
50) Discutir los datos experimentales del problema 15 del cap. 26 de Stryer.
Sol.: pag. C-22