Ejercicio resuelto de Metabolismo celular · Biología · 2025

Se calcula que aproximadamente el 75 % de la población mundial es intolerante a la lactosa, el azúcar más abundante de la leche. Esta intolerancia es debida a la pérdida de la capacidad de producir la enzima lactasa, cuya función es hidrolizar el disacárido lactosa en glucosa y galactosa.

En el esquema siguiente se representan las vías metabólicas que permiten obtener energía a partir de los diferentes componentes de la leche.



a) Indique el nombre de las vías metabólicas del esquema anterior, señaladas con los números 1, 2, 3, 4 y 5. [0,5 puntos]
b) Indique el nombre del compartimento celular o subcelular donde se producen las vías metabólicas del esquema anterior, señaladas con los números 1, 2, 3, 4 y 5, especificando la parte dentro del orgánulo si procede. [0,5 puntos]
c) Prácticamente todos los recién nacidos producen la enzima lactasa y por eso se pueden alimentar de leche materna. Sin embargo, entre los dos y los cuatro años aproximadamente, en algunos niños el gen de la lactasa deja de expresarse y ya no pueden hidrolizar la lactosa. Es una especie de señal biológica de que la lactancia ha llegado a su final. En cambio, en otras personas este gen se mantiene activo toda la vida. En un artículo de la revista Investigación y Ciencia se puede leer que hace miles de años algunas poblaciones humanas empezaron a domesticar animales y descubrieron que la leche era un alimento muy nutritivo; muchas personas no la podían digerir bien y cuando la tomaban tenían dolor de barriga, flatulencias, vómitos o diarrea, mientras que otras eran capaces de digerirla porque tenían una mutación que hacía que no se desactivase el gen de la lactasa y que se siguiera expresando después de la infancia. Las poblaciones donde hay más personas que pueden digerir la lactosa durante toda la vida, entre el 80 % y el 95 % del total, se encuentran en el norte de Europa: hace miles de años, cuando sus antepasados llegaron allí, no pudieron cultivar aquellas tierras porque el clima era demasiado frío, y la única alternativa era sobrevivir con la comida que les daban sus animales: carne, leche y huevos. El artículo también dice que, en otras zonas del mundo, el porcentaje de tolerantes a la lactosa es más bajo y que originariamente todos los humanos eran intolerantes a la lactosa al abandonar la lactancia. Justifique en términos evolutivos por qué la mayoría de los individuos adultos de las poblaciones del norte de Europa son tolerantes a la lactosa. [0,5 puntos]
d) En el colon de las personas intolerantes a la lactosa, las bacterias la utilizan como sustrato de la fermentación. Por eso, si estas personas consumen leche con lactosa, tienen gases, hinchazón abdominal, vómitos o diarrea. Se ha visto que en el tubo digestivo de estas personas hay poblaciones abundantes de lactobacilos, que son bacterias grampositivas. ¿Qué coloración adquiere una bacteria grampositiva como el Lactobacillus con la tinción de Gram? ¿Por qué adquiere esta coloración? [0,5 puntos]
e) Para que las personas intolerantes a la lactosa puedan consumir leche, se hace un tratamiento previo con la enzima lactasa, la cual se obtiene industrialmente de forma recombinante a partir de la clonación y la expresión del gen de la lactasa en bacterias. La figura siguiente ilustra un plásmido estándar utilizado en el proceso de clonación del gen de la lactasa, el cual se introduce en bacterias para que fabriquen la lactasa.



¿Por qué el plásmido contiene su propio origen de replicación? ¿Qué utilidad tiene el gen de resistencia a los antibióticos? ¿Qué dos tipos de enzimas hay que utilizar para insertar el gen de la lactasa en el sitio de clonación del plásmido? [0,5 puntos]

$\textbf{a) Indique el nombre de las vías metabólicas del esquema anterior, señaladas con los números 1, 2, 3, 4 y 5. (0,5 puntos)}$

Número	Vía metabólica 1	Glucólisis (de glucosa a piruvato) 2	Fermentación láctica (de piruvato a lactato) 3	Beta-oxidación de los ácidos grasos (hélice de Lynen) 4	Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico) 5	Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa

El esquema deja ver la lógica del catabolismo: las tres columnas parten de biomoléculas distintas —glúcidos, lípidos y proteínas—, pero todas confluyen en el acetil-CoA y de ahí en el ciclo de Krebs. La única salida lateral es la número 2, la fermentación, que solo se toma cuando falta el oxígeno.

$\textbf{b) Indique el nombre del compartimento celular o subcelular donde se producen las vías metabólicas señaladas con los números 1, 2, 3, 4 y 5, especificando la parte dentro del orgánulo si procede. (0,5 puntos)}$

Número	Localización 1	Citosol o hialoplasma 2	Citosol o hialoplasma 3	Matriz mitocondrial 4	Matriz mitocondrial 5	Membrana interna de la mitocondria (crestas mitocondriales)

Las dos primeras vías no necesitan orgánulos y por eso ocurren en el citosol; las otras tres son mitocondriales, y solo la última está anclada a una membrana, porque necesita el gradiente de protones que se establece entre el espacio intermembranoso y la matriz.

$\textbf{c) Justifique en términos evolutivos por qué la mayoría de los individuos adultos de las poblaciones del norte de Europa son tolerantes a la lactosa. (0,5 puntos)}$

Originariamente todos los humanos dejaban de expresar el gen de la lactasa al terminar la lactancia, y la tolerancia en la edad adulta apareció como una mutación al azar en unos pocos individuos. La mutación no surgió porque hiciera falta: ya estaba ahí, formando parte de la variabilidad de la población.

Lo que cambió fue el ambiente. En el norte de Europa el clima impedía la agricultura y la leche de los animales domesticados era una de las pocas fuentes de alimento disponibles. En ese contexto, los adultos que podían digerirla aprovechaban un alimento muy nutritivo sin sufrir diarreas ni vómitos, mientras que los intolerantes desperdiciaban ese recurso y además perdían agua y nutrientes.

Esa diferencia se traduce en una mayor supervivencia y una mayor descendencia de los portadores del alelo de la persistencia de la lactasa. Generación tras generación, la selección natural fue aumentando su frecuencia hasta el 80-95 % actual, mientras que en regiones donde la agricultura era viable y la ganadería lechera menos importante la presión selectiva fue mucho menor y el porcentaje se quedó bajo.

Es uno de los ejemplos mejor documentados de coevolución entre genes y cultura: una práctica cultural, la ganadería, modificó la presión selectiva sobre un gen humano.

$\textbf{d) ¿Qué coloración adquiere una bacteria grampositiva como el Lactobacillus con la tinción de Gram? ¿Por qué adquiere esta coloración? (0,5 puntos)}$

Una bacteria grampositiva como Lactobacillus adquiere una coloración violeta o morada.

La razón está en su pared celular. Las grampositivas tienen una capa de peptidoglicano muy gruesa y muy entrecruzada, y carecen de la membrana externa lipídica de las gramnegativas. Durante la tinción, el cristal violeta entra en la célula y el lugol lo fija formando un complejo grande e insoluble.

Cuando se aplica el alcohol-acetona, ese disolvente deshidrata la malla de peptidoglicano y cierra todavía más sus poros, de modo que el complejo queda atrapado dentro y la célula no se decolora. La safranina que se añade después es un colorante de contraste mucho más pálido y no llega a apreciarse sobre el violeta.

En una gramnegativa ocurre lo contrario: el alcohol disuelve los lípidos de la membrana externa y la fina capa de peptidoglicano deja escapar el complejo, así que la célula se decolora y acaba tiñéndose de rojo con la safranina.

$\textbf{e) ¿Por qué el plásmido contiene su propio origen de replicación? ¿Qué utilidad tiene el gen de resistencia a los antibióticos? ¿Qué dos tipos de enzimas hay que utilizar para insertar el gen de la lactasa en el sitio de clonación del plásmido? (0,5 puntos)}$

El plásmido lleva su propio origen de replicación porque es una molécula de DNA independiente del cromosoma bacteriano y necesita replicarse por su cuenta. Sin ese origen, la maquinaria de la bacteria no sabría dónde empezar a copiarlo, el plásmido no se multiplicaría y se iría perdiendo en las sucesivas divisiones, de modo que la mayoría de las células hijas ya no llevarían el gen de la lactasa.

El gen de resistencia a los antibióticos es un marcador de selección. Al introducir los plásmidos en las bacterias, solo una pequeña fracción los incorpora. Si después se cultivan todas en un medio con el antibiótico correspondiente, mueren las que no llevan el plásmido y sobreviven únicamente las transformadas: así se seleccionan sin necesidad de comprobarlas una a una.

Para insertar el gen hacen falta dos tipos de enzimas:

Enzima	Función Endonucleasas de restricción	Cortan el DNA por secuencias concretas, abriendo el plásmido en el sitio de clonación y recortando el gen de la lactasa con los mismos extremos cohesivos DNA ligasa	Sella los enlaces fosfodiéster y une covalentemente el gen al plásmido, cerrando el DNA recombinante