w bioquimica las bases moleculares de la vida trudy mckee 5ª ed

1. La quinta edicin de Bioqumica. Las bases moleculares de la vidaBioqumica. Las bases moleculares de la vida brinda al estudiante la cobertura correcta de la informacin que requiere sobre los principios esenciales de esta materia. Lo nuevo en esta edicin: Mayor relevancia: nuevas caractersticas en los ensayos sobre Bioqumica en perspectiva que muestran al alumno cmo se aplicarn los principios bioqumicos en su futura carrera cientfica. Problemas y soluciones: aproximadamente 10% de los problemas presentados al final de cada captulo son completamente nuevos. Mecanismos de reaccin: se aadi un mayor nmero de mecanismos catalticos para proporcionar al lector una mejor comprensin de las formas por medio de las cuales ocurren las reacciones bioqumicas. Con ello se ha mejorado el equilibrio entre qumica y biologa dentro del texto. Nuevas ilustraciones: fueron elaboradas 60 figuras nuevas, en tanto que muchas ms de la edicin anterior fueron actualizadas y mejoradas, a fin de facilitar la comprensin visual de los procesos bioqumicos. Visite: www.mhhe.com/medicina/mckee_bioquimica5eVisite: www.mhhe.com/medicina/mckee_bioquimica5e basesbasesLasLas de lade lavidavida molecularesleculares 978-607-15-1127-0 5 a edicin edicin moleculares leculares Las Lasbases bases dela delavida vida Trudy McKee Trudy McKee James R. McKee James R. McKee McKeeMcKeeMcKeeMcKee5 a edicinedicin Lasbasesmolecularesdelavida

2. I Trudy McKee James R. McKee Traduccin: Martha Elena Araiza Martnez Anah Hurtado Chong Q U I N T A E D I C I N MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SAO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SIDNEY SINGAPUR ST. LOUIS TORONTO basesbasesLasLas de lade lavidavida molecularesleculares 00 FM_McKee_5R.indd i00 FM_McKee_5R.indd i 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

3. Director editorial: Javier de Len Fraga Editora de desarrollo: Norma Leticia Garca Carbajal Supervisor de produccin: Jos Luis Gonzlez Huerta BIOQUMICA. LAS BASES MOLECULARES DE LA VIDA Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2014, 2008, 2004, respecto a la tercera edicin en espaol por, McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C. V. Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C. P. 01376, Mxico, D. F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736 ISBN: 978-607-15-1127-0 Translated from the fth English edition of: Biochemistry: The molecular basis of life Copyright 2013, 2009 by Oxford University Press Copyright 2003, 1999, 1996 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All Rights Reserved ISBN: 978-0-19-992046-4 GRG 12/13 1234567890 2356789014 Impreso en China Printed in China NOTA La medicina es una ciencia en constante desarrollo.Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirn cambios de la teraputica. El (los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosificacin medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicacin. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya participado en la preparacin de la obra garantizan que la informacin contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha informacin se obtengan. Convendra recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habr que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la informacin de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su administracin. Esto es de particular importancia con respecto a frmacos nuevos o de uso no frecuente. Tambin deber consultarse a los laboratorios para recabar informacin sobre los valores normales. 00 FM_McKee_5R.indd ii00 FM_McKee_5R.indd ii 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

4. Este libro est dedicado a la memoria de nuestro colega y amigo Joseph L. Rabinowitz, PhD Profesor Emrito de Bioqumica University of Pennsylvania El trabajo revolucionario sobre la sntesis del colesterol hizo posible el desarrollo de los frmacos reductores de colesterol conocidos como estatinas. Joseph tambin hizo contribuciones importantes en la investigacin del metabolismo esteroideo y de la hormona tiroidea. Estaremos siempre agradecidos a Joseph por su aliento entusiasta a nuestro trabajo. 00 FM_McKee_5R.indd iii00 FM_McKee_5R.indd iii 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

5. COMIT ASESOR PARA LA REVISIN CIENTFICA DE LA EDICIN EN ESPAOL M. en C. Graciela Quintero Flores Profesora de las ctedras de Bioqumica Mdica y Qumica Biolgica Profesora Emrita de la Divisin de Ciencias de la Salud Universidad de Monterrey Captulos 12 y 18 Dr. scar Flores Herrera Dr. en Investigacin biomdica bsica Profesor Titular A, TC Sistema Nacional de Investigadores Nivel I Profesor de Bioqumica y Biologa Molecular de la carrera de Medicina, UNAM Captulo 6 Carlos Alberto Arango Mambuscay B.Sc. Qumica, Universidad del Valle, Cali-Colombia, Ph.D. Qumica, Cornell University, Ithaca, NY-USA Profesor del Departamento de Ciencias Qumicas Universidad Icesi, Cali-Colombia Captulo 4 M en C. Pedro Miguel Hernndez Acosta MsC. en Qumica Docente de la ctedra de Bioqumica Grupo de Investigacin en Ciencias Bsicas y Clnicas Departamento de Ciencias Bsicas de la Salud, Carrera de Medicina, Facultad de Ciencias de la Salud Pontificia Universidad Javeriana, Cali Captulo 8 M. en C. Lizette Susana Hernndez Crdenas Profesora/Coordinadora del Departamento de Ciencias Bsicas Escuela de Medicina y Ciencias de la Salud Tec Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) Captulo 11 Dr. Federico Martnez Montes Mdico Cirujano por la Facultad de Medicina Doctor en Ciencias Biomdicas, Universidad Nacional Autnoma de Mxico Profesor Titular de la ctedra de Bioqumica y Biologa Molecular desde hace ms de 30 aos Sistema Nacional de Investigadores y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias Captulo 10 Lic. Sofa Olvera Snchez Biloga Experimental por la Universidad Autnoma Metro- politana Tcnica Acadmica Asociada en la Universidad Nacional Autnoma de Mxico Profesora de las ctedras de Bioqumica y Biologa Molecular Captulo 10 Dra. Isabel Lara Ayala Universidad de Lleida Dr. Luis Gmez Fernndez Universidad Politcnica de Madrid Captulo 2 Dr. Jos Luis Paternan Suberviola Universitat Rovira i Virgili Captulo 3 Dr. Juan Carlos Fras Martnez Universidad CEU-Cardenal Herrera Dra. Ma. Teresa Albelda Gimeno Universidad CEU-Cardenal Herrera Captulo 5 Dr. Miguel Cerezo Garca Universidad Jaume I Captulo 7 Dra. Diana Valverde Prez Universidad de Vigo Captulo 17 Dra. Carmen Mateo Mateos Universidad Catlica de vila 00 FM_McKee_5R.indd iv00 FM_McKee_5R.indd iv 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

6. Prefacio xi Acerca de los autores xv 1Introduccin a la bioqumica 1 1.1 QU ES LA VIDA? 2 1.2 BIOMOLCULAS 4 Grupos funcionales de las biomolculas orgnicas 5 Clases principales de biomolculas pequeas 5 1.3 ES LA CLULA VIVA UNA FBRICA DE PRODUCTOS QUMICOS? 12 Reacciones bioqumicas 13 Energa 16 Generalidades del metabolismo 17 Orden biolgico 18 1.4 BIOLOGA DE SISTEMAS 19 Emergencia 20 Robustez 20 Modularidad 21 MTODOS BIOQUMICOS Introduccin 22 Resumen del captulo 22 Lecturas recomendadas 23 Palabras clave 23 Preguntas de revisin 24 Preguntas de anlisis 25 2Las clulas vivas 27 2.1 TEMAS BSICOS 29 Agua 29 Membranas biolgicas 29 Autoensamblaje 30 Mquinas moleculares 31 Hacinamiento macromolecular 31 Transduccin de seales 32 2.2 ESTRUCTURA DE LAS CLULAS PROCARIOTAS 32 Pared celular 33 Membrana plasmtica 34 Citoplasma 35 Pili y flagelos 36 2.3 ESTRUCTURA DE LAS CLULAS EUCARIOTAS 36 Membrana plasmtica 37 Retculo endoplsmico 38 Aparato de Golgi 41 Ncleo 42 Organelos vesiculares 44 Mitocondrias 48 Peroxisomas 50 Plstidos 50 Citoesqueleto 51 Ribosomas 56 MTODOS BIOQUMICOS Tecnologa celular 57 Resumen del captulo 59 Lecturas recomendadas 60 Palabras clave 60 Preguntas de revisin 60 Preguntas de anlisis 61 3El agua: la matriz de la vida 62 3.1 ESTRUCTURA MOLECULAR DEL AGUA 63 3.2 ENLACES NO COVALENTES 64 Interacciones inicas 65 Enlaces de hidrgeno 65 Fuerzas de van der Waals 66 3.3 Propiedades trmicas del agua 67 3.4 Propiedades disolventes del agua 69 Molculas hidrfilas, estructuracin del agua celular y transiciones sol-gel 69 Molculas hidrfobas y efecto hidrofbico 71 Molculas anfipticas 72 Presin osmtica 73 3.5 IONIZACIN DEL AGUA 77 cidos, bases y pH 77 Amortiguadores 79 Amortiguadores fisiolgicos 85 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA Regulacin de volumen celular y metabolismo 87 Resumen del captulo 88 Lecturas recomendadas 89 Palabras clave 89 Preguntas de revisin 89 Preguntas de anlisis 90 4Energa 91 4.1 Termodinmica 93 Primera ley de la termodinmica 94 Segunda ley de la termodinmica 96 v Contenido 00 FM_McKee_5R.indd v00 FM_McKee_5R.indd v 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

7. vi Contenido 4.2 Energa libre 98 Variaciones de la energa libre estndar 98 Reacciones acopladas 100 Nueva perspectiva del efecto hidrfobo 102 4.3 Funcin del ATP 102 Resumen del captulo 106 Lecturas recomendadas 106 Palabras clave 106 Preguntas de revisin 107 Preguntas de anlisis 108 5Aminocidos, pptidos y protenas 109 5.1 Aminocidos 111 Clases de aminocidos 113 Aminocidos con actividad biolgica 114 Aminocidos modificados en las protenas 115 Estereoismeros de los aminocidos 115 Titulacin de los aminocidos 116 Reacciones de los aminocidos 121 5.2 Pptidos 123 5.3 Protenas 126 Estructura de las protenas 127 El problema del plegamiento 142 Protenas fibrosas 145 Protenas globulares 148 5.4 Mquinas moleculares 153 Protenas motoras 154 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA Seda de araa y biomimtica 155 MTODOS BIOQUMICOS Tecnologa de protenas 158 Resumen del captulo 163 Lecturas recomendadas 163 Palabras clave 163 Preguntas de revisin 164 Preguntas de anlisis 165 6Enzimas 166 6.1 Propiedades de las enzimas 167 6.2 Clasificacin de las enzimas 171 6.3 Cintica enzimtica 174 Cintica de Michaelis-Menten 176 Grficas de Lineweaver-Burk 178 Reacciones de sustratos mltiples 179 Inhibicin enzimtica 180 Cintica enzimtica, metabolismo y hacinamiento macromolecular 186 6.4 Catlisis 187 Reacciones orgnicas y estado de transicin 187 Mecanismos catalticos 188 Funcin de los aminocidos en la catlisis enzimtica 191 Funciones de los cofactores en la catlisis enzimtica 192 Efectos de la temperatura y el pH en reacciones catalizadas por enzimas 194 Mecanismos detallados de la catlisis enzimtica 196 6.5 Regulacin enzimtica 197 Control gentico 199 Modificacin covalente 199 Regulacin alostrica 200 Compartimentacin 202 Resumen del captulo 204 Lecturas recomendadas 204 Palabras clave 205 Preguntas de revisin 205 Preguntas de anlisis 206 7Carbohidratos 208 7.1 Monosacridos 209 Estereoismeros de los monosacridos 210 Estructura cclica de los monosacridos 210 Reacciones de los monosacridos 213 Monosacridos importantes 219 Derivados de monosacridos 221 7.2 Disacridos 222 7.3 Polisacridos 223 Homoglucanos 223 Heteroglucanos 227 7.4 Glucoconjugados 229 Proteoglucanos 229 Glucoprotenas 230 7.5 Cdigo de los azcares 231 Lectinas: traductoras del cdigo de los azcares 233 Glucidoma 234 MTODOS BIOQUMICOS Glucmica 235 Resumen del captulo 236 Lecturas recomendadas 236 Palabras clave 237 Preguntas de revisin 237 Preguntas de anlisis 238 8Metabolismo de los carbohidratos 239 8.1 Gluclisis 240 Reacciones de la va glucoltica 243 Destinos del piruvato 249 Produccin de energa a travs de la gluclisis 251 Regulacin de la gluclisis 252 00 FM_McKee_5R.indd vi00 FM_McKee_5R.indd vi 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

8. Contenido vii 8.2 Gluconeognesis 255 Reacciones de la gluconeognesis 255 Sustratos de la gluconeognesis 259 Regulacin de la gluconeognesis 260 8.3 Va de las pentosas fosfato 262 8.4 Metabolismo de otros azcares importantes 266 Metabolismo de la fructosa 266 8.5 Metabolismo del glucgeno 268 Glucognesis 268 Glucogenlisis 271 Regulacin del metabolismo del glucgeno 272 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA El diseo turbo puede ser peligroso 257 Resumen del captulo 276 Lecturas recomendadas 276 Palabras clave 276 Preguntas de revisin 277 Preguntas de anlisis 277 9Metabolismo aerobio I: ciclo del cido ctrico 278 9.1 Reacciones de oxidacin-reduccin 280 Coenzimas redox 283 Metabolismo aerbico 287 9.2 Ciclo del cido ctrico 287 Conversin del piruvato en acetil-CoA 289 Reacciones del ciclo del cido ctrico 292 Destino de los tomos de carbono en el ciclo del cido ctrico 296 Ciclo del cido ctrico anfiblico 296 Regulacin del ciclo del cido ctrico 298 El ciclo del cido ctrico y la enfermedad humana 301 Ciclo del glioxilato 302 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA Historia evolutiva del ciclo del cido ctrico 304 Resumen del captulo 305 Lecturas recomendadas 306 Palabras clave 306 Preguntas de revisin 306 Preguntas de anlisis 307 Metabolismo aerobio II: transporte de electrones y fosforilacin oxidativa 308 10.1 Transporte de electrones 309 Transporte de electrones y sus componentes 309 Transporte de electrones: los modelos del estado fluido y el estado slido 316 Inhibidores del transporte electrnico 316 10.2 Fosforilacin oxidativa 317 Teora quimioosmtica 317 Sntesis de ATP 320 Control de la fosforilacin oxidativa 321 Oxidacin total de la glucosa 322 Transporte electrnico desacoplado 326 10.3 OXGENO, FUNCIONAMIENTO CELULAR Y ESTRS OXIDATIVO 326 Especies reactivas de oxgeno 327 Sistemas enzimticos antioxidantes 332 Molculas antioxidantes 334 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA Infarto al miocardio: isquemia y reperfusin 337 Resumen del captulo 338 Lecturas recomendadas 338 Palabras clave 338 Preguntas de revisin 339 Preguntas de anlisis 339 Lpidos y membranas 340 11.1 Clases de lpidos 341 cidos grasos 341 Eicosanoides 344 Triacilgliceroles 347 steres de ceras 348 Fosfolpidos 348 Fosfolipasas 352 Esfingolpidos 352 Enfermedades del almacenamiento de esfingolpidos 354 Isoprenoides 355 Lipoprotenas 359 11.2 Membranas 362 Estructura de la membrana 362 Funcin de la membrana 368 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA Botulismo y fusin de membrana 375 Resumen del captulo 376 Lecturas recomendadas 377 Palabras clave 377 Preguntas de revisin 378 Preguntas de anlisis 379 Metabolismo de los lpidos 380 12.1 cidos grasos, triacilgliceroles y rutas de las lipoprotenas 381 12.2 Gliceroneognesis y el ciclo del triacilglicerol 383 Degradacin de los cidos grasos 387 Oxidacin completa de un cido graso 391 Oxidacin de los cidos grasos: dobles enlaces y cadenas impares 393 10 11 12 00 FM_McKee_5R.indd vii00 FM_McKee_5R.indd vii 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

9. viii Contenido Biosntesis de los cidos grasos 396 Regulacin del metabolismo de los cidos grasos en los mamferos 404 Metabolismo de las lipoprotenas: la va endgena 408 12.3 Metabolismo de los lpidos de la membrana 408 Metabolismo de los fosfolpidos 408 Metabolismo de los esfingolpidos 411 12.4 Metabolismo de los isoprenoides 411 Metabolismo del colesterol 411 La va biosinttica del colesterol y el tratamiento farmacolgico 422 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA Aterosclerosis 409 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA Biotransformacin 423 Resumen del captulo 425 Lecturas recomendadas 425 Palabras clave 426 Preguntas de revisin 426 Preguntas de anlisis 427 Fotosntesis 428 13.1 Clorofila y cloroplastos 429 13.2 Luz 436 13.3 Reacciones a la luz 439 Fotosistema II y oxidacin del agua 441 Fotosistema I y sntesis de NADPH 443 Fotofosforilacin 445 13.4 Las reacciones dependientes de la luz 446 El ciclo de Calvin 446 Fotorrespiracin 450 Alternativas al metabolismo C3 451 13.5 Regulacin de la fotosntesis 453 Control lumnico de la fotosntesis 454 Control de la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa 455 Resumen del captulo 457 Lecturas recomendadas 457 Palabras clave 457 Preguntas de revisin 458 Preguntas de anlisis 458 Metabolismo del nitrgeno I: sntesis 460 14.1 Fijacin del nitrgeno 461 Reaccin de fijacin de nitrgeno 462 Asimilacin de nitrgeno 464 14.2 Biosntesis de los aminocidos 465 Generalidades del metabolismo de los aminocidos 465 Reacciones de los grupos amino 466 Sntesis de los aminocidos 470 14.3 Reacciones biosintticas que involucran aminocidos 477 Metabolismo de un carbono 477 Glutatin 483 Neurotransmisores 484 Nucletidos 487 Hem 496 Resumen del captulo 497 Lecturas recomendadas 497 Palabras clave 497 Preguntas de revisin 498 Preguntas de anlisis 499 Metabolismo del nitrgeno II: degradacin 500 15.1 Recambio protenico 501 Sistema proteasmico de ubicuitina 502 Sistema de autofagia lisosmica 504 15.2 Catabolismo de los aminocidos 505 Desaminacin 505 Sntesis de urea 506 Control del ciclo de la urea 509 Catabolismo de los esqueletos carbonados de los aminocidos 510 15.3 Degradacin de neurotransmisores 519 15.4 Degradacin de los nucletidos 519 Catabolismo de las purinas 520 Catabolismo de las pirimidinas 522 Resumen del captulo 524 Lecturas recomendadas 524 Palabras clave 524 Preguntas de revisin 525 Preguntas de anlisis 525 Integracin del metabolismo 527 16.1 Visin general del metabolismo 528 16.2 Hormonas y comunicacin intercelular 530 Hormonas peptdicas 530 Factores de crecimiento 538 Mecanismos de las hormonas esteroideas y de las tiroideas 539 16.3 Metabolismo en el cuerpo de los mamferos: divisin del trabajo 539 Tubo digestivo 541 Hgado 541 Msculos 542 Tejido adiposo 542 Cerebro 542 Riones 543 13 14 15 16 00 FM_McKee_5R.indd viii00 FM_McKee_5R.indd viii 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

10. Contenido ix C N 16.4 Ciclo alimentacin-ayuno 543 Fase de alimentacin 543 Fase de ayuno 547 Comportamiento alimentario 547 Resumen del captulo 550 Lecturas recomendadas 551 Palabras clave 551 Preguntas de revisin 551 Preguntas de anlisis 552 cidos nucleicos 553 17.1 DNA 557 Estructura del DNA: naturaleza de las mutaciones 560 Estructura del DNA: el material gentico 564 Estructura del DNA: variaciones sobre un tema 566 Superenrollamiento del DNA 569 Cromosomas y cromatina 570 Estructura del genoma 575 17.2 RNA 579 RNA de transferencia 579 RNA ribosmico 582 RNA mensajero 583 RNA no codificador 583 17.3 VIRUS 584 Bacterifago T4 585 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA Investigaciones forenses 580 Lecturas recomendadas 587 Palabras clave 588 Preguntas de revisin 588 Preguntas de anlisis 589 Informacin gentica 590 18.1 Informacin gentica: replicacin, reparacin y recombinacin 593 Replicacin del DNA 593 Reparacin del DNA 602 Reparaciones directas 604 Recombinacin del DNA 607 18.2 Transcripcin 623 Transcripcin en procariotas 623 RNAP y el proceso de transcripcin procariota 624 Transcripcin en eucariotas 627 18.3 Expresin gnica 633 Expresin gnica en procariotas 635 Expresin gnica en eucariotas 637 MTODOS BIOQUMICOS Genmica 616 Resumen del captulo 645 Lecturas recomendadas 645 Palabras clave 645 Preguntas de revisin 646 Preguntas de anlisis 647 Sntesis de protenas 649 19.1 El cdigo gentico 651 Tendencia en el uso de codones 652 Interacciones codn-anticodn 653 Reaccin de la aminoacil tRNA sintetasa 654 19.2 Sntesis de protenas 656 Sntesis de protenas en procariotas 659 Sntesis de protenas en eucariotas 665 BIOQUMICA EN PERSPECTIVA Reasignacin de los codones dependiente del contexto 671 MTODOS BIOQUMICOS Protemica 682 Resumen del captulo 683 Lecturas recomendadas 683 Palabras clave 683 Preguntas de revisin 684 Preguntas de anlisis 685 Apndice: Soluciones A-1 Glosario G-1 Crditos C-1 ndice alfabtico I-1 17 18 19 00 FM_McKee_5R.indd ix00 FM_McKee_5R.indd ix 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

11. 00 FM_McKee_5R.indd x00 FM_McKee_5R.indd x 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

12. B ienvenido a la quinta edicin de Bioqumica. Las bases moleculares de la vida. Aunque este libro se actualiz y revis para incluir la investigacin ms reciente en bioqumica, nuestra misin original permanece sin cambios. An creemos que la base de una educacin en ciencias biolgicas es la comprensin coherente de los principios bsicos de la bioqumica. Una vez que se dominan los conceptos bioqumicos, los estudiantes estn preparados para enfrentar las complejidades del campo cientfico de su eleccin. Con esa finalidad, buscamos presentar una cobertura integral de los sistemas, estructuras y reacciones bioqumicos, pero en el contexto del organismo. Por tanto, hemos intentado mantener un balance nico entre qumica, biologa y sus aplicaciones a la medicina y la salud humana. ORGANIZACIN Y ABORDAJE BALANCE DE LOS PRINCIPIOS QUMICOS Y BIOLGICOS. Como en las ediciones previas, la quinta edicin est diseada para los estudiantes de ciencias biolgicas y para las licenciaturas en qumica. Se presenta una cobertura minuciosa de los principios, estructuras y reacciones bioqumicos, pero en el contexto biolgico que enfatiza su relevancia. UNA REVISIN DE LOS PRINCIPIOS BSICOS. Se hicieron pocas suposiciones sobre los antecedentes de un estudiante de qumica y biologa. Para asegurar que todos los estudiantes tengan la preparacin suficiente para alcanzar una comprensin significativa de la bioqumica, los primeros cuatro captulos revisan los principios de temas como los grupos funcionales orgnicos, enlaces no covalentes, termodinmica y estructura celular. Los captulos mencionados se simplificaron en esta quinta edicin, lo que los hace ms fciles de tratar en clase o de asignar para el estudio independiente. Se introdujeron varios temas en estos captulos iniciales que luego se continan en todo el libro. Los ejemplos incluyen los cambios en el volumen celular inducidos por procesos metablicos que alteran el balance inico a ambos lados de las membranas; el ensamble automtico de biopolmeros como las protenas en estructuras supermo- leculares; y la naturaleza y funcin de las mquinas moleculares. Otros conceptos importantes que se subrayan incluyen la relacin entre la estructura biomolecular y la funcin, as como la naturaleza dinmica, incesante y autorregulada de los procesos de la vida. Tambin se presentan las generalidades de las principales tcnicas fsicas y qumicas que emplean los bioqumicos para explorar la vida en el plano molecular. RELEVANCIA EN LA VIDA DIARIA. Como los estudiantes que toman cursos de un semestre de bioqumica provienen de diversos campos y tienen objetivos diferentes en su carrera, esta quinta edicin demuestra de manera consistente las fascinantes conexiones entre los principios bioqumicos y los campos de la medicina, nutricin, agricultura, bioingeniera y ciencia forense. Las caractersticas como los ensayos Bioqumica en perspectiva, y las docenas de ejemplos integrados dentro del texto ayudan a los estudiantes a ver la relevancia de la bioqumica en sus campos de estudio elegidos. PROGRAMA SUPERIOR PARA SOLUCIN DE PROBLEMAS. El pensamiento analtico es un elemento central de cualquier empresa cientfica y el dominio de los principios bioqumicos requiere el manejo consistente y sostenido de una amplia variedad de problemas. La quinta edicin tambin presenta a los estudiantes un sistema completo para la solucin de problemas que incluye los Problemas desarro- llados efectivos de cada captulo, ilustrativos de cmo se resuelven los problemas cuantitativos, y docenas de Preguntas intercaladas en los captulos que brindan a los estudiantes la oportunidad de poner en accin su conocimiento en el momento Prefacio xi 00 FM_McKee_5R.indd xi00 FM_McKee_5R.indd xi 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

13. xii Prefacio en que se introducen nuevos conceptos y temas de gran inters. Las Preguntas de revisin y Preguntas de anlisis integradas al final de cada captulo, que ya en s eran extensas en la edicin previa, se aumentaron en diez por ciento para cada captulo. ILUSTRACIONES SENCILLAS Y CLARAS. Los conceptos bioqumicos a menudo requieren un alto grado de visualizacin, por lo que se desarroll un programa grfico que ilustra los procesos complejos. Las pginas de la quinta edicin contienen ms de 700 figuras a color, muchas de las cuales se intensificaron para hacer una presentacin ms vvida en tres dimensiones, en una escala y colores consistentes con las estructuras qumicas. ACTUALIDAD. La quinta edicin se actualiz y presenta los avances recientes en este campo, al tiempo que se mantiene enfocada en los principios generales que son el tema principal del curso de bioqumica de primer grado. De nuevo, estos cambios reflejan el objetivo de una cobertura equilibrada y minuciosa de la qumica en un contexto biolgico. En la siguiente seccin se presenta una lista detallada del material actualizado. LO NUEVO EN ESTA EDICIN Como resultado del ritmo acelerado en el descubrimiento de las ciencias biolgicas y de nuestro compromiso para presentar a los estudiantes el sistema de aprendizaje de mayor calidad disponible en cualquier libro de bioqumica, se hicieron las siguientes revisiones en la quinta edicin. Mayor relevancia. Se agregaron cinco nuevos ensayos Bioqumica en perspectiva para captar el inters del estudiante. Los temas lo introducen a diversos temas bioqumicos de gran utilidad. Programa ampliado de solucin de problemas. La cuarta edicin ya inclua un conjunto extenso de preguntas al final del captulo. Esa cifra se aument casi en 10 por ciento para la quinta edicin. Los grupos ampliados de problemas incluyen elementos de distinta dificultad, desde problemas prcticos bsicos hasta ejercicios de integracin ms difciles. Ilustraciones nuevas. Con ms de 60 figuras nuevas, la quinta edicin incorpora de nuevo un programa grfico superior y ampliado diseado para ayudar a los estudiantes a desarrollar una nocin visual slida de los procesos bioqumicos. Muchas figuras se intensificaron para lograr una presentacin vvida, clara y consistente en color y tres dimensiones. Temas importantes. La edicin previa introdujo dos temas nuevos que se con- servaron: hacinamiento macromolecular y biologa de sistemas. El hacinamiento macromolecular, el agregado denso de grandes cantidades de protenas y otras molculas en las clulas, tiene un efecto profundo en una gran variedad de procesos vivos. Este concepto proporciona a los estudiantes una visin ms realista de la estructura y funcin celulares. El campo relativamente nuevo de la biologa de sistemas es un abordaje de los procesos bioqumicos basado en principios de la ingeniera. Se desarroll como respuesta a las enormes cantidades abrumadoras de informacin disponible para los cientficos en biologa, la biologa de sistemas es la investigacin asistida por computadora de las complejas interacciones entre las biomolculas. Nuestra accesible introduccin a los principios biolgicos de sistemas proporciona a los estudiantes informacin nueva sobre por qu los procesos biomoleculares son tan complejos. Adems, el texto incluye nuevo contenido en reas de la protemica, epigentica, enfermedades por plegamiento de protenas y ms. Mayor atencin a los mecanismos de reaccin. Los mecanismos catalticos ayudan a los estudiantes a comprender mejor los medios por los que ocurren las reac- 00 FM_McKee_5R.indd xii00 FM_McKee_5R.indd xii 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

14. Prefacio xiii ciones qumicas. Los ejemplos de los temas nuevos incluyen los mecanismos de rubisco e hidroxilacin del residuo de prolina. Se conserv una descripcin de los papeles de las cadenas laterales de aminocidos en los mecanismos catalticos de enzimas, y los mecanismos de las polimerasas de cido nucleico y la formacin de enlaces peptdicos catalizada por el ribosoma. Tambin en este caso se busc intensificar el balance nico del texto entre la qumica y la biologa. Se encuentra disponibles en Internet (en ingls), un conjunto de recursos adicionales para acompaar la quinta edicin, diseados para ayudar a los estudiantes a dominar el tema y a los instructores a alcanzar estos objetivos. RECONOCIMIENTOS Expresamos nuestro aprecio por el esfuerzo de las personas dedicadas que aportaron contenido detallado y revisiones exactas del texto, as como materiales complemen- tarios para la quinta edicin: Werner G. Bergen Auburn University Ruth E. Birch Saint Louis University David W. Brown Florida Gulf Coast University Edward J. Carroll, Jr. California State University, Northridge Jiann-Shin Chen Virginia Tech Randolph A. Coleman The College of William and Mary Kim K. Colvert Ferris State University Sulekha Coticone Florida Gulf Coast University Bhaksar Datta Missouri State University Anjuli Datta Pennsylvania State University Siegfried Detke University of North Dakota Paula L. Fischhaber California State University, Northridge Thomas Frielle Shippensberg University Matthew Gage Northern Arizona University Paul J. Gasser Marquette University Eric R. Gauthier Laurentian College Frederick S. Gimble Purdue University Mark Gomelsky University of Wyoming George R. Green Mercer University James Hawker Florida State University Kristin Hendrickson Arizona State University Tamara Hendrickson Wayne State University Andrew J. Howard Illinois Institute of Technology Christine A. Hrycyna Purdue University Vijaya L. Korlipara Saint Johns University C. Martin Lawrence Montana State University Rich Lomneth University of Nebraska at Omaha Madhavan Soundararajan University of Nebraska at Lincoln Carrie May University of New Hampshire Dougals D. McAbee California State University, Long Beach Alexander Melkozernov Arizona State University David Moffet Loyola Marymount University Rakesh Mogul California State Polytechnic Univer- sity, Pomona Jamil Momand California State University, Los Angeles George Nemecz Campbell University Jerry L. Phillips University of Colorado at Colorado Springs Ramin Radfar Wofford College Rachel Roberts Texas State UniversitySan Marcos Gordon S. Rule Carnegie Mellon University Ben Sandler Oklahoma State University Michael G. Sehorn Clemson University Steve Seibold Michigan State University Andrew Shiemke West Virginia University Kevin R. Siebenlist Marquette University Deana J. Small University of New England Maxim Sokolov West Virginia University Salvatore A. Sparace Clemson University Ralph A. Stephani Saint Johns University Anthony P. Toste Missouri State University Sandra L. Turchi-Dooley Millersville University Harry van Keulen Cleveland State University Ales Vancura Saint Johns University Athena Webster California State University, East Bay Lisa Wen Western Illinois University Kenneth O. Willeford Mississippi State University Wu Xu University of Louisiana at Lafayette Laura S. Zapanta University of Pittsburgh Tambin deseamos agradecer a quienes revisaron las pri- meras cuatro ediciones de este libro: Gul Afshan Milwaukee School of Engineering Kevin Ahern Oregon State University Mark Annstron Blackburn College Donald R. Babin Creighton University Stephanie Baker Erksine College Bruce Banks University of North Carolina Thurston Banks Tennessee Technological University Ronald Bartzatt University of Nebraska, Omaha Deborah Bebout The College of William and Mary Werner Bergen Auburn University Steven Berry University of Minnesota, Duluth Allan Bieber Arizona State University 00 FM_McKee_5R.indd xiii00 FM_McKee_5R.indd xiii 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

15. xiv Prefacio Brenda Braaten Framingham State College John Brewer University of Georgia Martin Brock Eastern Kentucky University Alice Cheung University of Massachusetts, Amherst Oscar P. Chilson Washington University Sean Coleman University of the Ozarks Elizabeth Critser Columbia College Michael Cusanovich University of Arizona Bansidhar Datta Kent State University Danny J. Davis University of Arkansas Patricia DePra Carlow University William Deutschman State University of New York, Plattsburgh Robert P. Dixon Southern Illinois University Edwardsville Patricia Draves University of Central Arkansas Lawrence K. Duffy University of Alaska, Fairbanks Charles Englund Bethany College Nick Flynn Angelo State University Clarence Fouche Virginia Intermont College Gregory Grove Pennsylvania State University Terry Helser State University of New York, Oneonta Pui Shing Ho Oregon State University Charles Hosler University of Wisconsin Holly Huffman Arizona State University Larry L. Jackson Montana State University John R. Jefferson Luther College Craig R. Johnson Carlow University Gail Jones Texas Christian University Ivan Kaiser University of Wyoming Michael Kalafatis Cleveland State University Peter Kennelly Virginia Tech University Barry Kitto University of Texas, Austin Paul Kline Middle Tennessee State University James Knopp North Carolina State University Hugh Lawford University of Toronto Carol Leslie Union University Duane LeTourneau University of Idaho Robley J. Light Florida State University Maria O. Longas Purdue University, Calumet Cran Lucas Louisiana State University Shreveport Jerome Maas Oakton Community College Arnulfo Mar University of Texas Brownsville Larry D. Martin Morningside College Martha McBride Norwich University Gary Means Ohio State University Joyce Miller University of Wisconsin Platteville Robin Miskimins University of South Dakota Rakesh Mogul California Polytechnic State University Joyce Mohberg Governors State University Bruce Morimoto Purdue University Alan Myers Iowa State University Harvey Nikkei Grand Valley State University Treva Palmer Jersey City State College Ann Paterson Williams Baptist College Scott Pattison Ball State University Allen T. Phillips Pennsylvania State University Jennifer Powers Kennesaw State University Gordon Rule Carnegie Mellon University Tom Rutledge Ursinus College Richard Saylor Shelton State Community College Edward Senkbeil Salisbury State University Ralph Shaw Southeastern Louisiana University Andrew Shiemke West Virginia University Aaron Sholders Colorado State University Ram P. Singhal Wichita State University Salvatore Sparace Clemson University David Speckhard Loras College Narasimha Sreerama Colorado State University Ralph Stephani St. Johns University Dan M. Sullivan University of Nebraska, Omaha William Sweeney Hunter College Christine Tachibana Pennsylvania State University John M. Tomich Kansas State University Anthony Toste Southwest Missouri State University Toni Trumbo-Bell Bloomsburg University of Pennsylvania Craig Tuerk Morehead State University Shashi Unnithan Front Range Community College Harry van Keulan Cleveland State University William Voige James Madison University Alexandre G. Volkov Oakwood College Justine Walhout Rockford College Linette M. Watkins Southwest Texas State Univer- sity Lisa Wen Western Illinois University Alfred Winer University of Kentucky Beulah Woodfin University of New Mexico Kenneth Wunch Tulane University Les Wynston California State University, Long Beach Deseamos tambin expresar nuestro aprecio a Jason Noe, editor en jefe; John Haber, editor de desarrollo; Katie Naughton, asistente editorial; Jason Kramer, administrador de mercadotecnia; Adam Glazer, director de mercadotecnia; Patrick Lynch, director editorial, y John Challice, vicepre- sidente y editor. Reconocemos agradecidos los excelentes esfuerzos del equipo de produccin de la Oxford University Press. Agradecemos en particular los esfuerzos de Angela Riley y Barbara Mathieu, editoras de produccin en jefe; Steven Cestaro, director de produccin; Lisa Grzan, lder del equipo de produccin, y Paula Schlosser, directora artsti- ca. Un agradecimiento muy especial a Ann Randolph, cuya constante diligencia en este proyecto asegur la exactitud del texto. Extendemos nuestro profundo aprecio a las personas que nos alentaron e hicieron posible este proyecto: Ira y Jean Cantor, y Josephine Rabinowitz. Por ltimo, agradecemos a nuestro hijo James Adrian McKee por su paciencia y aliento. Trudy McKee James R. McKee 00 FM_McKee_5R.indd xiv00 FM_McKee_5R.indd xiv 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

16. SOBRE LOS AUTORES Trudy McKee es bioqumica, ha impartido la materia en la Thomas Jefferson University, Rosemont College, Immaculata College y la University of the Sciences. James R. McKee es Profesor Asociado de Qumica en la University of Sciences. 00 FM_McKee_5R.indd xv00 FM_McKee_5R.indd xv 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

17. 00 FM_McKee_5R.indd xvi00 FM_McKee_5R.indd xvi 09/12/13 17:5009/12/13 17:50

18. 1 1CAPTULO Introduccin a la bioqumica La clula viva Los organismos vivos estn formados por una o ms clulas. La capacidad que tienen las clulas para obtener energa, crecer y reproducirse depende de estructuras complejas. ESQUEMA 1.1 QU ES LA VIDA? 1.2 BIOMOLCULAS Grupos funcionales de las biomolculas orgnicas Clases principales de biomolculas pequeas 1.3 ES LA CLULA VIVA UNA FBRICA DE PRODUCTOS QUMICOS? Reacciones bioqumicas Energa Generalidades del metabolismo Orden biolgico 1.4 BIOLOGA DE SISTEMAS Emergencia Robustez Modularidad MTODOS BIOQUMICOS Introduccin 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 101 Chapter 01_McKee_5R.indd 1 04/12/13 13:5204/12/13 13:52

19. 2 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica Sinopsis CUNTO HAN AVANZADO LAS CIENCIAS BIOLGICAS! EN POCO MS DE UN SIGLO NUESTRO CONOCIMIENTO DE LOS PROCESOS VITALES SE HA TRANSFORMADO DE forma radical. Desde sus modestos inicios a finales del siglo xix, la bioqumica ha de- sarrollado herramientas intelectuales y experimentales cada vez ms elaboradas para la investigacin de los procesos vitales. Actualmente, en los primeros aos del siglo xxi, nos hallamos inmersos en una revolucin biotecnolgica que nadie imaginaba. Ciencias biolgicas tan diversas como la medicina, la agricultura y la ciencia forense han generado cantidades inmensas de informacin. Entender y apreciar la importancia de este fenmeno requiere un conocimiento exhaustivo de los principios bioqumicos subyacentes. En este captulo se presenta una sinopsis de tales principios. Los captulos posteriores se centran en la estructura y las funciones de las biomolculas ms importantes y los principales procesos bioqumicos que sustentan la vida. E ste libro est diseado para proporcionar una introduccin a los principios bsicos de la bioqumica. El captulo inicial presenta las generalidades de los principales componentes de los organismos vivos y los procesos biolgicos. Despus de una breve descripcin de la naturaleza del estado vital, se presenta una introduccin a las estructuras y funciones de las principales biomolculas. Esta informacin va seguida por una revisin general de los procesos bioqumicos ms importantes. El captulo concluye con una breve revisin de los conceptos de la bioqumica experimental moderna y una introduccin a la biologa de sistemas, una estrategia de investigacin que estudia a los seres vivos como sistemas integrados y no como conjuntos de componentes aislados y reacciones qumicas. 1.1 QU ES LA VIDA? Qu es la vida? A pesar del trabajo de los bilogos durante varios siglos, an no hay una respuesta definitiva a esta pregunta, engaosamente sencilla. Gran parte de la dificultad para delinear la naturaleza precisa de los seres vivos recae en la abruma- dora diversidad del mundo biolgico y el solapamiento aparente entre algunas propiedades de la materia viva y la inanimada. Como consecuencia, se ha considerado a la vida una propiedad intangible que desafa cualquier explicacin, lo que ha llevado a describirla en trminos operativos, como movimiento, reproduccin, adaptacin y reactividad a estmulos externos. Gracias a los mtodos experimentales de la bioqumica, la investigacin biolgica actual ha establecido que todos los organismos se rigen por las mismas leyes qumicas y fsicas que el resto del universo. 1. La vida es compleja y dinmica. Todos los organismos se encuentran constituidos por el mismo conjunto de elementos qumicos, principalmente carbono, nitrgeno, oxgeno, hidrgeno, azufre y fsforo. Las biomolculas, es decir, las molculas sintetizadas por los seres vivos, son orgnicas (basadas en el carbono). Los procesos vitales, como el crecimiento y el desarrollo, utilizan miles de reacciones qumicas en las que molculas muy diversas vibran y giran, interaccionan, colisionan y se reorganizan en molculas nuevas. 2. La vida es organizada y se sustenta a s misma. Los seres vivos son sistemas organizados jerrquicamente, es decir, constan de niveles de organizacin que van desde lo ms pequeo (tomos) a lo ms grande (organismos) (fig. 1.1). En los sistemas biolgicos, las capacidades funcionales dentro de cada nivel de organizacin provienen de las propiedades estructurales y qumicas del nivel sub- 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 201 Chapter 01_McKee_5R.indd 2 04/12/13 13:5204/12/13 13:52

20. 1.1 Qu es la vida? 3 yacente. Las biomolculas estn formadas por tomos, que a su vez constan de partculas subatmicas. Algunas biomolculas se unen para formar polmeros, denominados macromolculas. Algunos ejemplos son los cidos nucleicos, las protenas y los polisacridos, que estn constituidos respectivamente por nucletidos, aminocidos y azcares. Las clulas estn compuestas por diversas biomolculas y macromolculas, dispuestas en estructuras supramoleculares ms complejas. En el plano molecular, existen cientos de reacciones bioqumicas que en conjunto mantienen la vida. Estas reacciones estn catalizadas por enzimas y se organizan en rutas. (Una ruta bioqumica consta de una serie de reacciones en las que una molcula especfica se convierte en un producto final.) Se denomina FIGURA 1.1 Organizacin jerrquica de un organismo multicelular: el ser humano Los organismos multicelulares tienen varios niveles de organizacin: sistemas orgnicos, rganos, tejidos, clulas, orgnulos, molculas y tomos. Se muestran el sistema digestivo y uno de sus rganos componentes (el hgado). El hgado es un rgano multifuncional que posee varias funciones digestivas. Por ejemplo, produce bilis, que facilita la digestin de las grasas y procesa y distribuye las molculas de alimento absorbidas en el intestino delgado a otras partes del cuerpo. El DNA, una molcula que se encuentra en las clulas, contiene la informacin gentica que controla el funcionamiento celular. Organismo (humano) Sistema orgnico (digestivo) rgano (hgado) Tejido (sinusoide heptico) Clula (hepatocito) Orgnulo (ncleo) Molcula (DNA) tomo (carbono) 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 301 Chapter 01_McKee_5R.indd 3 04/12/13 13:5204/12/13 13:52

21. 4 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica metabolismo a la suma total de todas las reacciones que ocurren en un ser vivo. La capacidad de los seres vivos para regular los procesos metablicos, a pesar de la variabilidad de sus ambientes interno y externo, se denomina homeostasis. En los organismos multicelulares existen otros niveles de organizacin que incluyen tejidos, rganos y sistemas orgnicos. 3. La vida es celular. Las clulas, las unidades bsicas de los seres vivos, se di- ferencian mucho en su estructura y funcin, si bien todas estn rodeadas por una membrana que controla el intercambio de numerosas sustancias qumicas con el entorno. La membrana tambin participa en la respuesta de la clula al ambiente extracelular. Si se separan los componentes de una clula, se detiene el funcionamiento vital. Las clulas slo pueden originarse mediante la divisin de clulas existentes. 4. La vida se fundamenta en la informacin. La organizacin requiere informacin. Los seres vivos son sistemas que procesan informacin, porque el mantenimiento de su integridad estructural y sus procesos metablicos requiere interacciones entre un conjunto enorme de molculas dentro de las clulas y entre ellas. La informacin biolgica se expresa en forma de mensajes codificados, incluidos en la estructura tridimensional caracterstica de las biomolculas. La informacin gentica, que se almacena en las secuencias lineales de nucletidos del cido desoxirribonucleico (DNA) denominadas genes, especifica a su vez la secuencia lineal de aminocidos de las protenas y de qu forma y cundo se sintetizan esas protenas. Las protenas realizan su funcin al interactuar con otras molculas. La estructura tridimensional nica de cada protena le permite unirse e interactuar con una molcula especfica que tiene una estructura complemen- taria. La informacin se transfiere durante el proceso de unin. Por ejemplo, la unin de la insulina, una protena sintetizada en el pncreas de los vertebrados, a receptores especficos de insulina en la superficie de determinadas clulas, es una seal que desencadena la captacin de la molcula nutriente glucosa. 5. La vida se adapta y evoluciona. Todas las formas de vida en la Tierra tienen un origen comn y las nuevas formas surgen a partir de otras precedentes. Cada vez que se reproduce un individuo de una poblacin, las modificaciones del DNA causadas por el estrs ambiental y los errores del proceso de replicacin pueden dar lugar a mutaciones o cambios en la secuencia. La mayora de las mutaciones son silenciosas; es decir, las repara la clula o no tienen efectos sobre el funcionamiento del organismo. Sin embargo, algunas son nocivas y limitan el xito reproductor de los descendientes. En ocasiones poco frecuentes, las mutaciones pueden contribuir a aumentar la capacidad del organismo para sobrevivir, adap- tarse a circunstancias nuevas y reproducirse. La principal fuerza impulsora de este proceso es la capacidad de explotar fuentes de energa. Los individuos cuyas caractersticas les permiten explotar mejor una determinada fuente energtica en su hbitat, tendrn una ventaja competitiva cuando los recursos sean limitados. A lo largo de muchas generaciones, la interdependencia de los cambios ambien- tales y la variacin gentica origina la acumulacin de caractersticas favorables y, finalmente, formas de vida cada vez ms divergentes. 1.2 BIOMOLCULAS Los seres vivos estn formados por miles de molculas diferentes, inorgnicas y orgnicas. El agua, una molcula inorgnica, supone entre el 50 y el 95% del peso de una clula, y iones como el sodio (Na+ ), potasio (K+ ), magnesio (Mg2+ ) y calcio (Ca2+ ) pueden representar otro 1%. Casi todas las dems clases de molculas de los seres vivos son orgnicas. Las molculas orgnicas estn formadas principalmente por seis elementos: carbono, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno, fsforo y azufre, y contienen cantidades mnimas (traza) de determinados elementos metlicos y no metlicos. Los tomos de los elementos ms comunes en los seres vivos pueden formar con facilidad enlaces covalentes estables, el tipo de enlace que permite la construccin de molculas tan importantes como las protenas. CONCEPTOS CLAVE Todos los organismos vivos obedecen a las mismas leyes fsicas y qumicas. La vida es compleja, dinmica, organizada y automantenible. La vida es celular y se basa en la informacin. La vida se adapta y evoluciona. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 401 Chapter 01_McKee_5R.indd 4 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

22. 1.2 Biomolculas 5 La gran diversidad y complejidad estructural de las molculas orgnicas se debe a la capacidad de los tomos de carbono para formar cuatro enlaces covalentes simples, bien entre tomos de carbono o bien con otros elementos. Las molculas orgnicas que contienen muchos tomos de carbono son capaces de adquirir formas complica- das, como estructuras lineales alargadas o cadenas ramificadas y anillos. Grupos funcionales de las biomolculas orgnicas Se puede considerar que la mayora de las biomolculas deriva de la clase ms sim- ple de molculas orgnicas, los hidrocarburos. stos (fig. 1.2) son molculas que contienen carbono e hidrgeno y son hidrfobas, es decir, insolubles en agua. To- das las dems molculas orgnicas se forman mediante la unin de otros tomos o grupos de tomos al esqueleto hidrocarbonado. Las propiedades qumicas de las molculas as construidas vienen determinadas por ciertos conjuntos especficos de tomos, denominados grupos funcionales (cuadro 1.1). Por ejemplo, los alcoholes se producen cuando los tomos de hidrgeno son reemplazados por grupos hidroxilo (OH). As, el metano (CH4), un componente del gas natural, puede convertirse en metanol (CH3OH), un lquido txico que se utiliza como disolvente en muchos procesos industriales. La mayora de las biomolculas contiene ms de un grupo funcional. Por ejemplo, muchos azcares tienen numerosos grupos hidroxilo y un grupo aldehdo. Los aminocidos, que son los elementos fundamentales de las protenas, tienen un grupo amino y un grupo carboxilo. Las distintas propiedades qumicas de cada grupo funcional contribuyen al comportamiento de las molculas que lo contienen. Clases principales de biomolculas pequeas Muchos de los compuestos orgnicos que se encuentran en las clulas son relativamente pequeos, con pesos moleculares inferiores a 1 000 daltons (Da). (Un dalton, o unidad de masa atmica, equivale a 1/12 de la masa de un tomo de 12 C.) Las clulas contienen cuatro familias de molculas pequeas: aminocidos, monosacridos, cidos grasos y nucletidos (cuadro 1.2). Los miembros de cada grupo desempean Metano HC H H H CC H H H H H H Etano C C H H C H H CC H H H H H C H H H H H Hexano CH2 CH2 CH2 CH2 H2 C H2 C Ciclohexano FIGURA 1.2 Frmulas estructurales de cuantiosos hidrocarburos CUADRO 1.1 Grupos funcionales importantes de las biomolculas Nombre de la familia Estructura del grupo Nombre del grupo Significado Alcohol Hidroxilo Polar (y por lo tanto hidrosoluble), forma enlaces de hidrgeno Aldehdo Carbonilo Polar, se encuentra en algunos azcares Cetona Carbonilo Polar, se encuentra en algunos azcares cido Carboxilo Dbilmente cido, porta una carga negativa cuando dona un protn Amina Amino Dbilmente bsico, porta una carga positiva cuando acepta un protn Amida Amido Polar, pero no tiene carga Tiol Tiol Fcilmente oxidable; puede formar enlaces SS (disulfuro) ster ster Se encuentra en determinadas molculas lipdicas Alqueno Doble enlace Componente estructural importante de muchas biomolculas; p. ej., se encuentra en molculas lipdicas NH2CR O C O HR OR R NH2R OHCR C RR C SHR R CHRRCH OH O O O 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 501 Chapter 01_McKee_5R.indd 5 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

23. 6 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica varias funciones. En primer lugar, se utilizan en la sntesis de molculas ms grandes, muchas de las cuales son polmeros. Por ejemplo, las protenas, los polisacridos y los cidos nucleicos son polmeros formados, respectivamente, por aminocidos, monosacridos y nucletidos. Los cidos grasos forman parte de varias clases de lpidos (molculas insolubles en agua). En segundo lugar, algunas molculas tienen funciones biolgicas especiales. Por ejemplo, el nucletido trifosfato de adenosina (ATP) opera como reserva celular de energa qumica. Por ltimo, muchas molculas orgnicas pequeas participan en rutas bioqumicas complejas. A continuacin se describen ejemplos de cada clase. AMINOCIDOS Y PROTENAS Hay cientos de aminocidos naturales, cada uno de los cuales contiene un grupo amino y un grupo carboxilo. Los aminocidos se clasi- fican como , o , de acuerdo con la posicin del grupo amino respecto al grupo carboxilo. En los aminocidos , la clase ms frecuente, el grupo amino est unido al tomo de carbono (carbono ) adyacente al grupo carboxilo (fig. 1.3). En los aminocidos y , el grupo amino est unido a los carbonos segundo y tercero, respectivamente, a partir del grupo carboxilo. Otro grupo qumico, denominado cadena lateral o grupo R, se une tambin al carbono . Una vez incorporados a las protenas, las propiedades qumicas de cada aminocido vienen determinadas en gran medida por las propiedades de su cadena lateral. Por ejemplo, algunas cadenas laterales son hidrfobas (p. ej., baja solubilidad en el agua), mientras que otras son hidrfilas (p. ej., se disuelven con facilidad en agua). La figura 1.4 presenta varios ejemplos de aminocidos . CUADRO 1.2 Clases principales de biomolculas Molcula pequea Polmero Funciones generales Aminocidos Protenas Catlisis y elementos estructurales Azcares Carbohidratos Fuentes energticas y elementos estructurales cidos grasos N.A. Fuentes energticas y elementos estructurales de las molculas lipdicas complejas Nucletidos DNA Informacin gentica RNA Sntesis de protenas C O R CHH3 + N OH FIGURA 1.3 Frmula general para aminocidos- En 19 de los 20 aminocidos estndar, el carbono se une con un tomo de hidrgeno, un grupo carboxilo, un grupo amino y un grupo R. OHCCH O C CH3 HCH3 OHCCH O (CH2)4 NH2 OHCCH O CH2 OH OHCCH O (CH2 )2 C O NH2 Glutamina Glicina OHCCH O H OHCCH O CH2 LisinaValina SerinaFenilalanina H3 + N H3 + N H3 + N H3 + N H3 + N H3 + N FIGURA 1.4 Frmulas estructurales de numerosos aminocidos Un grupo R (destacado en amarillo) en la estructura de un aminocido puede ser un tomo de hidrgeno (p. ej., en la glicina), un grupo hidrocarbonado (p. ej., el grupo isopropilo en la valina) o un derivado del anterior (p. ej., el grupo hidroximetilo en la serina). 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 601 Chapter 01_McKee_5R.indd 6 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

24. 1.2 Biomolculas 7 Existen 20 aminocidos estndar en las protenas. Algunos de ellos tienen funciones nicas en los seres vivos. Por ejemplo, la glicina y el cido glutmico actan en los animales como neurotransmisores, molculas sealizadoras liberadas por las clulas nerviosas. Las protenas contienen tambin aminocidos no estndar, que son versiones modificadas de los aminocidos convencionales. La estructura y la funcin de las protenas se alteran con frecuencia por la modificacin de determinados residuos aminoacdicos mediante fosforilacin, hidroxilacin u otros cambios qumicos. (El trmino residuo se refiere a una biomolcula pequea que se incorpora a una macromolcula, p. ej., los residuos de aminocidos en una protena.) En el caso del colgeno, la protena mayoritaria del tejido conjuntivo, un porcentaje elevado de los residuos de prolina est hidroxilado. Muchos de los aminocidos naturales no son aminocidos . Entre los ejemplos ms notables se encuentran la -alanina, precursor de la vitamina cido pantotnico, y el cido -aminobutrico (GABA), un neurotransmisor que se encuentra en el cerebro (fig. 1.5). Las molculas de aminocido se utilizan principalmente para la sntesis de polmeros largos y complejos denominados polipptidos. Las molculas cortas, con una longitud inferior a 50 aminocidos, se denominan pptidos u oligopptidos. Las protenas estn formadas por uno o ms polipptidos. stos desempean una gran variedad de funciones en los seres vivos. Entre los ejemplos se encuentran las protenas transportadoras, las protenas estructurales y las enzimas (protenas catalticas). Los aminocidos individuales forman pptidos (fig. 1.6) y polipptidos al unirse mediante enlaces peptdicos. Estos enlaces amida resultan de una sustitucin nucleoflica en que el nitrgeno del grupo amino de un aminocido ataca al grupo carboxilo de otro a travs de su carbono carbonlico. La estructura tridimensional final de los polipptidos, y por lo tanto su funcin biolgica, se debe en gran medida a las interacciones entre los grupos R (fig. 1.7). PROBLEMA 1.1 Los seres vivos generan una enorme cantidad de biopolmeros distintos al en- samblar monmeros segn secuencias especficas. Un conjunto de tripptidos, formado cada uno por tres residuos de aminocidos, contiene slo dos tipos distintos de aminocidos: A y B. Cuntos tripptidos son posibles en este conjunto? Solucin El nmero de tripptidos posibles se obtiene con la frmula Xn , donde X es el nmero de aminocidos constituyentes, y n es la longitud del pptido. Si se sustituyen los valores en la frmula, se obtiene 23 = 8. Los ocho tripptidos son los siguientes: AAA, AAB, ABA, BAA, ABB, BAB, BBA Y BBB. CH2 CC OH CC O H N H H CC O H N H CC O H N H H2 C OH OHCC O CH2 N CH2 S CH3 H H H H3 + N FIGURA 1.6 Estructura de la met-encefalina, un pentapptido La met-encefalina pertenece a una clase de molculas que poseen actividad de tipo opicea. La met-encefalina se encuentra en el cerebro e inhibe la percepcin del dolor. (Los enlaces peptdicos estn sombreados en color azul. Los grupos R estn destacados en color amarillo.) C OH O CH2 CH2 GABA -Alanina C OH O CH2 CH2 CH2 H3 + N H3 + N FIGURA 1.5 Ejemplos seleccionados de aminocidos naturales que no son -aminocidos: -alanina y cido -aminobutrico (GABA) 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 701 Chapter 01_McKee_5R.indd 7 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

25. 8 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica AZCARES Y CARBOHIDRATOS Los azcares, los carbohidratos ms pequeos, contienen grupos funcionales alcohol y carbonilo. Se describen normalmente segn el nmero de carbonos y el tipo de grupo carbonilo que contienen. Los azcares que poseen un grupo aldehdo se denominan aldosas y aquellos que poseen un grupo cetona se denominan cetosas. Por ejemplo, el azcar de seis carbonos denominado glucosa (una fuente de energa importante para la mayora de seres vivos) es una aldohexosa; la fructosa (azcar de las frutas) es una cetohexosa (fig. 1.8). Los azcares son las unidades bsicas de los carbohidratos, las molculas orgnicas ms abundantes de la naturaleza. Los carbohidratos van desde los azcares sencillos o monosacridos, como la glucosa y la fructosa, hasta los polisacridos, polmeros que contienen miles de unidades azcar. Entre estos ltimos se encuentran el almidn y la celulosa de las plantas y el glucgeno de los animales. Los carbohidratos desempean funciones muy diversas en los seres vivos. Determinados azcares alma- cenan cantidades importantes de energa. La glucosa es la principal fuente de energa de tipo carbohidrato en animales y plantas. Muchas plantas utilizan la sacarosa para transportar eficazmente energa a travs de sus tejidos. Otros carbohidratos actan como materiales estructurales. La celulosa es el principal componente estructural de la madera y ciertas fibras vegetales. La quitina, otro tipo de polisacrido, se encuentra en el exoesqueleto de los insectos y los crustceos. Algunas biomolculas incluyen carbohidratos entre sus componentes. Los nucletidos, las subunidades estructurales de los cidos nucleicos, contienen ribosa o desoxirribosa. Determinadas protenas contienen tambin carbohidratos. Las glu- Plegada Desplegada FIGURA 1.7 Estructura polipeptdica Al adquirir un polipptido su estructura tridimensional caracterstica, al menos el 50% de los grupos R ms hidrfobos (esferas amarillas) quedan escondidos en el interior, alejados del agua. Los grupos hidrfilos se encuentran generalmente en la superficie. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 801 Chapter 01_McKee_5R.indd 8 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

26. 1.2 Biomolculas 9 coprotenas y glucolpidos se encuentran en la superficie externa de las membranas celulares de los organismos multicelulares, donde desempean funciones cruciales en las interacciones entre clulas. CIDOS GRASOS Los cidos grasos son cidos monocarboxlicos que en general contienen un nmero par de tomos de carbono. Los cidos grasos estn representados por la frmula qumica RCOOH, en la que R es un grupo alquilo que contiene tomos de carbono e hidrgeno. Existen dos tipos de cidos grasos: los cidos grasos sa- turados, que no contienen enlaces dobles carbono-carbono, y aquellos cidos grasos insaturados, que poseen uno o varios enlaces de este tipo (fig. 1.9). En condiciones fisiolgicas el grupo carboxilo de los cidos grasos se encuentra en el estado ionizado, RCOO . Por ejemplo, el cido graso saturado de 16 carbonos, denominado cido palmtico, se encuentra como palmitato, CH3(CH2)14COO . Aunque el grupo carboxilo cargado tiene afinidad por el agua, las largas cadenas hidrocarbonadas apolares convierten a la mayora de cidos grasos en insolubles en agua. Los cidos grasos se encuentran raramente como molculas independientes (li- bres) en los seres vivos. La mayor parte se encuentra integrada en la estructura de varias clases de molculas lipdicas (fig. 1.10). Los lpidos son un grupo heterogneo de sustancias miscibles en disolventes orgnicos, como el cloroformo o la acetona, e insolubles en agua. Por ejemplo, los triacilgliceroles (grasas y aceites) son steres que contienen glicerol (un alcohol de tres carbonos con tres grupos hidroxilo) y tres cidos grasos. Determinadas molculas de lpidos semejantes a los triacilgliceroles, que se denominan fosfoglicridos, contienen dos cidos grasos. En estas molculas el tercer grupo hidroxilo del glicerol est esterificado con un grupo fosfato, el cual a su vez se une a pequeos compuestos polares como la colina. Los fosfoglicridos son componentes estructurales muy importantes de las membranas celulares. FIGURA 1.8 Ejemplos de algunos monosacridos con importancia biolgica La glucosa y la fructosa son fuentes importantes de energa en los animales y en las plantas. La ribosa y la desoxirribosa son componentes de los cidos nucleicos. Estos monosacridos se encuentran en la naturaleza en forma de estructuras anulares. OC C H H H OH CHO H C OH H C OH H C OH C C H O CHO H C OH H C OH H C OH H OH H CH OH C OH H C OH H C OH OC H H CH2 C OH H C OH H C OH OC H H H H H Glucosa (una aldohexosa) Fructosa (una cetohexosa) Ribosa (una aldopentosa) 2-Desoxirribosa (una aldopentosa) H FIGURA 1.9 Estructura de los cidos grasos (a) cido graso saturado. (b) cido graso insaturado. (b) CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C OH O cido palmtico (saturado) (a) cido oleico (insaturado) CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C OH O C H C H 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 901 Chapter 01_McKee_5R.indd 9 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

27. 10 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica NUCLETIDOS Y CIDOS NUCLEICOS Cada nucletido contiene tres componentes: un azcar de cinco carbonos (ribosa o desoxirribosa), una base nitrogenada y uno o varios grupos fosfato (fig. 1.11). Las bases de los nucletidos son anillos aromticos heterocclicos con varios sustituyentes. Hay dos clases de bases: las purinas bicclicas y las pirimidinas monocclicas (fig. 1.12). Los nucletidos participan en una gran variedad de reacciones de biosntesis y de obtencin de energa. Por ejemplo, una proporcin sustancial de la energa que se obtiene de las molculas de los alimentos se utiliza para formar los enlaces fosfato + Triacilglicerol 1 OC O N CH3 RC CH O CH2 O R2 OCH2 3RC O O Fosfatidilcolina 1 OC O RC CH O CH2 OCH2 OP O O CH2 CH2 CH CH3 3 (a) (b) R2 FIGURA 1.10 Molculas lipdicas que contienen cidos grasos (a) Triacilglicerol. (b) Fosfatidilcolina, una clase de fosfoglicrido. FIGURA 1.11 Estructura de los nucletidos Cada nucletido contiene una base nitrogenada (en este caso, adenina), un azcar pentosa (ribosa) y uno o varios fosfatos. Este nucletido es el trifosfato de adenosina. N N N N NH2 HO HO CH2 O OPO O O PO O O PO O O H H H Ribosa Adenina H FIGURA 1.12 Bases nitrogenadas (a) Purinas. (b) Pirimidinas. Adenina (A) H N H N NN N H H H Guanina (G) H O N NN N H H N H H Timina (T) Citosina (C) O N NH H O HH Uracilo (U) O N NH H O HH3 C O N NH H H H N H (a) (b) 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 1001 Chapter 01_McKee_5R.indd 10 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

28. 1.2 Biomolculas 11 de alta energa del trifosfato de adenosina (ATP). Esta energa se libera cuando se hidrolizan los enlaces fosfoanhdrido. Los nucletidos tambin tienen una funcin importante como subunidades estructurales de los cidos nucleicos. En una molcula de cido nucleico, un gran nmero de nucletidos (desde centenares hasta millones) se une mediante enlaces fosfodister para formar largas cadenas de polinucletidos. Hay dos clases de cidos nucleicos: el DNA y el RNA. DNA. El DNA (cido desoxirribonucleico) es el sitio de almacenamiento de la informacin gentica. Su estructura consta de dos cadenas polinucleotdicas antipara- lelas que se arrollan entre s para formar una doble hlice dextrgira (fig. 1.13). Adems de la desoxirribosa y el fosfato, el DNA contiene cuatro clases de bases nitrogenadas: las purinas adenina y guanina y las pirimidinas timina y citosina. La doble hlice se forma por la unin de dos bases complementarias mediante la formacin de enlaces de hidrgeno. Un enlace de hidrgeno es una fuerza de atraccin entre el hidrgeno polarizado de un grupo molecular y tomos electronegativos de oxgeno o nitrgeno presentes en grupos moleculares prximos. Todo el conjunto de secuencias de bases del DNA de un organismo constituye su genoma. El DNA consiste en secuencias codificantes y no codificantes. Las secuencias codificantes, llamadas genes, especifican la estructura de los productos gnicos funcionales, como los polipptidos y las molculas de RNA. Algunas secuencias no codificantes tienen funciones reguladoras (p. ej., controlan la sntesis de ciertas protenas), pero an se desconocen las funciones de otras. CH O O O O O P O O OCH2 O O O O P O O O CH2 T A C N G A 5 5 3 3 5 3 5 3 O O O P N N N N N H H H N N O H O O O O P H H H H H H H H H N N N N N N N O Azcar Azcar 2 H H H CH2 CH3 H H Azcar A T A T T A T A C G C G G C G C G C C G T A Azcar (a) (b) FIGURA 1.13 DNA (a) Vista esquemtica del DNA. Los esqueletos de azcar-fosfato de la doble hlice estn representados por cintas coloreadas. Las bases unidas al azcar desoxirribosa estn en el interior de la hlice. (b) Vista ampliada de dos pares de bases. Obsrvese que las dos cadenas de DNA van en direcciones opuestas definidas por los grupos 5 y 3 de la desoxirribosa. Las bases en las cadenas opuestas se aparean mediante enlaces de hidrgeno. La citosina siempre se aparea con la guanina y la timina siempre se aparea con la adenina. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 1101 Chapter 01_McKee_5R.indd 11 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

29. 12 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica RNA. El cido ribonucleico es un polinucletido que se diferencia del DNA en que contiene el azcar ribosa en lugar de desoxirribosa, y la base uracilo en lugar de timina. En el RNA, como en el DNA, los nucletidos estn unidos por enlaces fosfodister. A diferencia de la doble hlice del DNA, el RNA es de cadena sencilla en general. Las molculas de RNA se pliegan en estructuras tridimensionales complejas creadas por regiones de unin de bases complementarias. Cuando la doble cadena del DNA se desenrolla, una de las cadenas puede servir como plantilla. Las molculas de RNA se sintetizan mediante el proceso de transcripcin. La unin de pares de bases complementarias especifica la secuencia de bases nucleotdicas de la molcula de RNA. Existen tres tipos principales de RNA: el RNA mensajero (mRNA), el RNA ribosmico (rRNA) y el RNA de transferencia (tRNA). Cada secuencia o molcula individual de mRNA posee la informacin que codifica directamente la secuencia de aminocidos de un polipptido especfico. Los ribosomas, que son estructuras supramoleculares grandes y complejas formadas por rRNA y protenas, convierten la secuencia de bases del mRNA en la secuencia de aminocidos de un polipptido. Las molculas de RNA de transferencia actan como adaptadores durante la sntesis de protenas. En los ltimos aos se han descubierto numerosas molculas de RNA que no intervienen directamente en la sntesis de protenas. Estas molculas de RNA no codi- ficadoras (ncRNA) participan en una gran variedad de procesos celulares. Entre otros ejemplos se incluyen el RNA interferente pequeo (siRNA), microRNA (miRNA), RNA nuclear pequeo (snRNA) y RNA nucleolar pequeo (snoRNA). Los RNA interferentes pequeos son componentes esenciales del proceso de interferencia del RNA, un mecanismo de defensa antiviral. Los microRNA sincronizan la sntesis de mRNA, y los RNA nucleares pequeos facilitan el proceso mediante el cual las molculas precursoras de mRNA se transforman en funcionales. Los RNA nucleolares pequeos ayudan a la maduracin del rRNA durante la formacin de los ribosomas. Expresin gnica. La expresin gnica controla cando y cmo se accede a la informacin codificada en un gen. El proceso se inicia con la transcripcin, el mecanismo por el que la secuencia de bases de un determinado segmento de DNA se utiliza como molde para sintetizar un producto gnico. Los factores de transcripcin son un tipo de protenas que regula la expresin de los genes codificadores de protenas, para lo cual se unen a secuencias especficas de DNA llamadas elementos de respuesta. Los factores de transcripcin se sintetizan, se regulan o ambos como respuesta a un mecanismo de flujo de informacin iniciado por una molcula de sealizacin (p. ej., insulina, una protena que regula varios procesos metablicos) o un factor abitico, como la luz. 1.3 ES LA CLULA VIVA UNA FBRICA DE PRODUCTOS QUMICOS? Incluso las clulas ms simples tienen una capacidad bioqumica tan notable que a menudo se han considerado como fbricas de productos qumicos. Igual que nuestras fbricas, los organismos adquieren de su entorno materias primas, energa e informacin. Manufacturan componentes y devuelven al entorno productos de desecho y calor. Para que esta analoga fuera completa, sin embargo, las fbricas no slo ten- dran que manufacturar y reparar todos sus componentes estructurales y funcionales, sino tambin construir todas las mquinas que los generan y clonarse a s mismas, es decir, producir nuevas fbricas. Se ha creado el trmino autopoyesis para describir estas propiedades tan notables de los seres vivos. Cada organismo se considera as un sistema autopoytico, es decir, una entidad autnoma, autoorganizada y autosus- tentable. La vida surge de una red autorregulada de miles de reacciones bioqumicas. El flujo constante de energa y nutrientes a travs de los organismos y las propiedades funcionales de miles de biomolculas catalticas (biocatalizadores) llamados enzimas hacen posible el metabolismo. Las funciones primarias de este proceso son: (1) la adquisicin y utilizacin de energa, (2) la sntesis de molculas necesarias para CONCEPTOS CLAVE La mayora de las molculas de los seres vivos son orgnicas. Las propiedades qumicas de las molculas orgnicas estn determinadas por las disposiciones especficas de los tomos, que se denominan grupos funcionales. Las clulas contienen cuatro familias de molculas pequeas: aminocidos, azcares, cidos grasos y nucletidos. Las protenas, los polisacridos y los cidos nucleicos son biopolmeros formados por aminocidos, azcares y nucletidos, respectivamente. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 1201 Chapter 01_McKee_5R.indd 12 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

30. 1.3 Es la clula viva una fbrica de productos qumicos? 13 mantener la estructura y el funcionamiento de las clulas (p. ej., protenas, carbohidratos, lpidos y cidos nucleicos), (3) el crecimiento y desarrollo y (4) la eliminacin de los productos de desecho. Los procesos metablicos requieren cantidades signi- ficativas de energa til. Esta seccin comienza con una revisin de las principales clases de reacciones qumicas y las caractersticas esenciales de las estrategias biolgicas para obtener energa. Ms adelante se describen los procesos metablicos y los mecanismos que permiten a los seres vivos mantener sistemas ordenados. Reacciones bioqumicas A primera vista, las miles de reacciones que tienen lugar en las clulas, producen una impresin de gran complejidad. Sin embargo, algunas caractersticas del metabolismo permiten simplificar en gran medida esta percepcin: 1. Aunque el nmero de reacciones es muy grande, la variedad de stas es relativamente pequea. 2. Las reacciones bioqumicas tienen mecanismos sencillos propios de las reacciones orgnicas. 3. Son relativamente pocas las reacciones que tienen una importancia central en bioqumica (p. ej., aquellas que se utilizan para producir energa, as como sn- tetizar y degradar los principales componentes celulares). Entre las clases de reaccin ms comunes en los procesos bioqumicos se encuentran la sustitucin nucleoflica, la eliminacin, la adicin, la isomerizacin y la oxidacin-reduccin. REACCIONES DE SUSTITUCIN NUCLEOFLICA En las reacciones de sustitucin nucleoflica, como sugiere su nombre, se sustituye un tomo o grupo por otro: +A X+A BB X +OC O R R H2 OH2 O R ROH+OHC O En la reaccin general mostrada, la especie atacante (A) se denomina nuclefilo (amante del ncleo). Los nuclefilos son aniones (tomos o grupos con carga negativa) o especies neutras que poseen pares electrnicos no enlazantes. Los electrfilos (amantes de los electrones) son deficitarios en densidad electrnica y, por lo tanto, son atacados con facilidad por un nuclefilo. Al formarse un enlace nuevo entre A y B, se rompe el existente entre B y X. El nuclefilo que sale (en este caso X), denominado grupo saliente, lo hace con su par de electrones. Un ejemplo importante de sustitucin nucleoflica es la reaccin de la glucosa con el ATP (fig. 1.14). En esta reaccin, que es el primer paso en la utilizacin de la glucosa como fuente de energa, el oxgeno del grupo hidroxilo del carbono 6 de la glucosa es el nuclefilo y el tomo de fsforo es el electrfilo. El grupo saliente es el difosfato de adenosina. Las reacciones de hidrlisis son eventos de sustitucin nucleoflica en los que el oxgeno de una molcula de agua acta como nuclefilo. El electrfilo suele ser el carbono del grupo carbonilo de un ster, de una amida o de un anhdrido. (Un anhdrido es una molcula que contiene dos grupos carbonilo unidos por un tomo de oxgeno.) La digestin de muchos nutrientes implica reacciones de hidrlisis. Por ejemplo, las protenas se degradan en el estmago en una reaccin catalizada en condiciones cidas. Otro ejemplo importante es la rotura de enlaces fosfato del ATP (fig. 1.15). La energa que se obtiene de esta reaccin se utiliza para impulsar muchos procesos celulares. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 1301 Chapter 01_McKee_5R.indd 13 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

31. 14 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica H + Trifosfato de adenosinaGlucosa N N N N NH2 HO HO CH2 O OPO O O PO O O PO O O OH HO CH2 OH OH O HO + Difosfato de adenosinaGlucosa-6-fosfato OH HO CH2 OPO3 OH HO + HO CH2 O OPO O O PO O O 2 HO + O N N N N NH2 H H H H FIGURA 1.14 Ejemplo de sustitucin nucleoflica En la reaccin de la glucosa con el ATP, el oxgeno del hidroxilo de la glucosa es el nuclefilo. El tomo de fsforo (el electrfilo) es polarizado por el oxgeno enlazado, de forma que porta una carga positiva parcial. Al producir- se la reaccin, el par de electrones sin compartir del CH2OH del azcar ataca al fsforo, dando lugar a la expulsin del ADP, el grupo saliente. + HO CH2 O OPO O O PO O O Difosfato de adenosina HOP O O O Fosfato inorgnico + Energa + HO H + H H N N N N NH2 Trifosfato de adenosina N N N N NH2 HO CH2 O OPO O O PO O O PO O O HO H H O H HFIGURA 1.15 Reaccin de hidrlisis La hidrlisis del ATP se utiliza para impulsar una sorprendente diversidad de reacciones bioqumicas que requieren energa. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 1401 Chapter 01_McKee_5R.indd 14 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

32. 1.3 Es la clula viva una fbrica de productos qumicos? 15 REACCIONES DE ELIMINACIN En las reacciones de eliminacin se forma un doble enlace cuando se eliminan tomos de una molcula. CC A H H H B H + A BCC HH H H ++ H H C A H HC B H HC BA H CH + Una reaccin frecuente que afecta a las molculas con grupos funcionales de alcohol es la eliminacin de agua (H2O). Un ejemplo destacado es la deshidratacin del 2-fosfoglicerato, un paso importante en el metabolismo de los carbohidratos (fig. 1.16). Otros productos de las reacciones de eliminacin son el amoniaco (NH3), las aminas (RNH2) y los alcoholes (ROH). REACCIONES DE ADICIN En las reacciones de adicin se combinan dos molculas para formar un solo producto. La hidratacin es una de las reacciones de adicin ms comunes. Cuando se aade agua a un alqueno se produce un alcohol. Un ejemplo bien estudiado es la hidratacin del intermediario metablico fumarato para formar malato (fig. 1.17). REACCIONES DE ISOMERIZACIN En las reacciones de isomerizacin los tomos o los grupos experimentan cambios intramoleculares. Una de las isomerizaciones bioqumicas ms comunes es la conversin recproca entre aldosas y cetosas (fig. 1.18). REACCIONES DE OXIDACIN-REDUCCIN Las reacciones de oxidacin-reduccin (tambin denominadas reacciones redox) ocurren cuando hay una transferencia de electrones desde un donador (denominado agente reductor) a un aceptor (denominado agente oxidante). Cuando los agentes reductores ceden electrones quedan oxidados. Al aceptar electrones, los agentes oxidantes quedan reducidos. Los dos procesos suceden forzosamente de forma simultnea. 2-Fosfoglicerato OC C H H H COO OH Fosfoenolpiruvato H OC CH COO H2 O O O O P O O O P FIGURA 1.16 Reaccin de eliminacin Cuando se deshidrata el 2-fosfoglicera- to se forma un doble enlace. + H2 O OC O HO H C OC O MalatoFumarato OCH O C C O C O H C H H FIGURA 1.17 Reaccin de adicin Cuando se aade agua a una molcula que contiene un doble enlace, como el fumarato, se produce un alcohol. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 1501 Chapter 01_McKee_5R.indd 15 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

33. 16 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica No siempre es fcil determinar si las biomolculas han ganado o perdido electrones. Sin embargo, pueden utilizarse dos reglas sencillas para averiguar si una molcula se ha oxidado o reducido: 1. Se produce una oxidacin cuando un tomo de carbono gana oxgeno o pierde hidrgeno: Alcohol etlico OHCH3 CH2 cido actico O OHCH3 C 2. Se produce una reduccin cuando un tomo de carbono pierde oxgeno o gana hidrgeno: En las reacciones redox biolgicas, los electrones se transfieren a aceptores como el nucletido NAD+ /NADH (dinucletido de nicotinamida y adenina en forma oxidada/ reducida). Energa La energa se define como la capacidad para realizar un trabajo, es decir, mover materia. A diferencia de nuestras mquinas, que transforman y utilizan la energa en condiciones inhspitas en cuanto a temperatura, presin y corriente elctrica, las frgiles mquinas moleculares de los seres vivos deben operar en condiciones mucho ms sutiles. Las clulas generan la mayora de su energa mediante reacciones redox en las que se transfieren electrones desde una molcula oxidable hasta una molcula con dficit electrnico. En estas reacciones, los electrones se eliminan o aaden con frecuencia en forma de tomos de hidrgeno (H) o iones hidruro (H: ). Cuanto ms reducida est una molcula (es decir, cuantos ms tomos de hidrgeno posee), ms energa contiene. Por ejemplo, los cidos grasos contienen en proporcin ms tomos de hidrgeno que los azcares y por tanto producen ms energa durante su oxidacin. Cuando se oxidan los cidos grasos y los azcares, sus tomos de hidrgeno se incorporan a las coenzimas redox FAD (dinucletido de flavina y adenina) o NAD+ , respectivamente. (Las coenzimas son molculas pequeas que operan junto con algunas enzimas y sirven como transportadores de grupos moleculares pequeos o, en este caso, electrones.) Los productos reducidos de este proceso (FADH2 o NADH, respectivamente) transfieren posteriormente sus electrones a otro aceptor. Siempre que se transfiere un electrn se libera energa. Las clulas poseen mecanismos complejos para explotar este fenmeno, de tal forma que parte de la energa liberada pueda ser aprovechada para las necesidades celulares. La caracterstica ms destacada de la obtencin de energa en la mayora de las clulas es la de un flujo electrnico a travs de molculas transportadoras conectadas e inmersas en una membrana. Mediante un proceso regulado, se libera energa y se transfieren electrones entre las molculas transportadoras. Algunas de estas reacciones redox disipan suficiente energa para promover la sntesis de ATP, la molcula que suministra energa de forma directa para mantener organizadas las funciones y estructuras celulares. FIGURA 1.18 Reaccin de isomerizacin Una clase de reaccin bioqumica que se observa con frecuencia es la inter- conversin reversible de los ismeros de aldosa y cetosa. Aldosa CC O R H H H O Cetosa CC O R H H H O Alcohol etlico OHCH3 CH2 cido actico O OHCH3 C CONCEPTO CLAVE Las clases de reacciones ms comunes que se encuentran en los procesos bioqumicos son la sustitucin nucleoflica, la eliminacin, la adicin, la isomerizacin y la oxidacin-reduccin. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 1601 Chapter 01_McKee_5R.indd 16 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

34. 1.3 Es la clula viva una fbrica de productos qumicos? 17 A pesar de sus numerosas semejanzas, los distintos grupos de seres vivos difieren en sus estrategias para adquirir energa del entorno. Los auttrofos transforman la energa del sol (fotosntesis) o de algunos compuestos qumicos (quimiosntesis) para crear enlaces qumicos; se les denomina, respectivamente, fotoauttrofos y quimioauttrofos. Los hetertrofos obtienen energa degradando molculas de alimento previamente formadas por otros organismos. Los quimiohetertrofos utilizan las molculas de los alimentos como nica fuente de energa. Algunos organismos procariotas y un pequeo nmero de vegetales (p. ej., Sarracenia alata, que captura y digiere insectos) son fotohetertrofos, es decir, utilizan como fuentes de energa tanto la luz solar como biomolculas orgnicas. La fuente principal de energa para la mayora de seres vivos es el sol. Organismos fotosintticos como plantas, determinadas procariotas y las algas, captan directamente energa lumnica y la utilizan para fijar dixido de carbono (CO2) en azcares y otras biomolculas. Las especies quimioauttrofas obtienen la energa necesaria para la fijacin de CO2 oxidando sustancias inorgnicas como sulfuro de hidrgeno (H2S), nitrito (NO2 ) o hidrgeno gaseoso (H2). La biomasa producida en ambos tipos de procesos es consumida a su vez por hetertrofos que la usan como fuente de energa y de precursores estructurales. En cada paso, al reordenarse los enlaces moleculares, parte de la energa se captura y utiliza para sustentar las complejas estructuras y actividades del organismo. En ltima instancia toda la energa se desorganiza y se libera al entorno en forma de calor. Las rutas metablicas que permiten a los seres vivos obtener y uti- lizar energa se describen brevemente en la siguiente seccin. Despus se revisan los mecanismos fundamentales mediante los cuales se mantiene el orden celular. Generalidades del metabolismo Son todas las reacciones catalizadas por enzimas de un ser vivo. Muchas de estas reacciones estn organizadas en vas metablicas (fig. 1.19), en las que una molcula inicial se va transformando de forma gradual en un producto que la clula utiliza para un fin especfico. Por ejemplo, la gluclisis, la ruta generadora de energa que degrada al azcar glucosa, est constituida por 10 reacciones qumicas. Todos los procesos metablicos de un organismo determinado conforman un vasto patrn reticular de reacciones bioqumicas interconectadas, reguladas de tal manera que se conserven los recursos y se optimice la energa. Existen tres clases de rutas bioqumicas: las metablicas, las de transferencia de energa y las de transduccin de seales. VAS METABLICAS Existen dos tipos de vas metablicas: las anablicas y las catablicas. En las vas anablicas o biosintticas, se producen molculas complejas a partir de precursores ms pequeos. Las unidades estructurales bsicas (p. ej., los aminocidos, los azcares y los cidos grasos), producidas por el organismo o ad- quiridas de los alimentos, se integran en molculas ms grandes y complejas. Dado que la biosntesis aumenta el orden y la complejidad, las vas anablicas requieren un aporte de energa. Entre los procesos anablicos se incluyen la sntesis de polisacridos y de protenas, a partir de azcares y aminocidos, repectivamente. En las vas catablicas molculas grandes y complejas se degradan a productos ms pequeos y sencillos. Algunas rutas catablicas liberan energa til. Una fraccin de esta energa se captura y se utiliza para llevar a cabo reacciones anablicas. En la figura 1.20 se explica la relacin entre los procesos anablicos y catablicos. Al degradarse las molculas de los nutrientes, la energa y el poder reductor (los electrones de alta energa) se conservan en las molculas de ATP y de NADH, respectivamente. Los procesos de biosntesis utilizan metabolitos del catabolismo, as como ATP y NADPH (fosfato de dinucletido de nicotinamida y adenina reducido, una fuente de poder reductor) para generar estructuras y funciones complejas. VAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGA Estas rutas capturan energa y la convierten en utilizable por los organismos para llevar a cabo procesos biomoleculares. Un ejemplo lo constituye la absorcin de energa lumnica por las molculas de clorofila y las reacciones redox subsiguientes, que liberan la energa qumica necesaria para sintetizar una molcula de azcar. A B E1 E2 E3 C D FIGURA 1.19 Una ruta bioqumica En esta ruta bioqumica la biomolcula A se convierte en la biomolcula D mediante tres reacciones consecutivas. Cada reaccin est catalizada por una enzima especfica (E). CONCEPTO CLAVE En los seres vivos la energa, la capacidad para mover la materia, normalmente se genera mediante reacciones redox. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 1701 Chapter 01_McKee_5R.indd 17 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

35. 18 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica TRANSDUCCIN DE SEALES Las vas de transduccin de seales permiten a las clulas recibir informacin de su entorno y responder a ella. El mecanismo de transduccin de seales consta de tres fases: recepcin, transduccin y respuesta. En la fase inicial o de recepcin, una molcula sealizadora como una hormona o un nutriente se une a una protena receptora. Esta unin inicia la fase de transduccin, una cascada de reacciones intracelulares que desencadena la respuesta celular a la seal original. Por ejemplo, la glucosa se une a su receptor en las clulas pancreticas secretoras de insulina, con lo cual sta se libera en el torrente sanguneo. En general las respuestas se traducen en un aumento o disminucin de la actividad de enzimas ya existentes o en la sntesis de nuevas molculas enzimticas. Orden biolgico La unidad coherente que se observa en todos los seres vivos implica la integracin funcional de millones de molculas. En otras palabras, la vida muestra una complejidad muy organizada. A pesar de la gran disparidad de procesos vitales que contribuyen a generar y mantener el orden biolgico, la mayora de stos puede clasificarse dentro de una de las siguientes categoras: (1) sntesis y degradacin de biomolculas, (2) transporte de iones y molculas a travs de membranas celulares, (3) produccin de fuerza y movimiento y (4) eliminacin de desechos metablicos y de otras sustancias txicas. SNTESIS DE BIOMOLCULAS Los componentes celulares se sintetizan a travs un intrincado conjunto de reacciones qumicas, muchas de las cuales requieren energa; sta es aportada de manera directa o indirecta por molculas de ATP. Las molculas que se forman en las reacciones de biosntesis realizan numerosas funciones. Pueden ensamblarse en estructuras supramoleculares (p. ej., las protenas y los lpidos que constituyen las membranas), funcionar como portadoras de informacin (p. ej., el DNA y el RNA), o catalizar reacciones qumicas (p. ej., las enzimas). TRANSPORTE A TRAVS DE MEMBRANAS Las membranas celulares regulan el paso de iones y molculas de un compartimento a otro. Por ejemplo, la membrana plasmtica (la membrana externa de las clulas) es una barrera selectiva. Es respon- sable del transporte de determinadas sustancias, como los nutrientes que proceden de un entorno relativamente desorganizado al interior celular, ms ordenado. Del mismo modo, hay un transporte bidireccional de iones y molculas en los organelos. Por ejemplo, los cidos grasos se transportan al interior de un organelo denominado mitocondria para que puedan degradarse y generar energa. MOVIMIENTO CELULAR Una de las caractersticas ms destacadas de los seres vivos es el movimiento organizado. Las actividades complejas y coordinadas que se requieren para mantener la vida necesitan de la movilidad de los componentes celulares. Algunos ejemplos en eucariotas son la divisin celular y el movimiento organular. FIGURA 1.20 Anabolismo y catabolismo En los organismos que utilizan oxgeno para generar energa, las vas catablicas transforman los nutrientes en molculas pequeas, que sirven como materiales de partida. La energa (ATP) y el poder reductor (NADPH) que impulsan las reacciones de biosntesis se generan durante los procesos catablicos al convertirse determinadas molculas nutrientes en productos de desecho, como dixido de carbono y agua. Productos de desecho Nutrientes Sustratos de biosntesis Mantenimiento y crecimiento NADPH ADP NADP + ATP H2 O CO2 NH3 Catab olismo (biosnt esis) Anaboli smo CONCEPTOS CLAVE El metabolismo es la suma de todas las reacciones catalizadas por enzimas en un ser vivo. Existen tres clases de rutas bioqumicas: metablicas (anablica y catab- lica), de transferencia de energa y de transduccin de seales. 01 Chapter 01_McKee_5R.indd 1801 Chapter 01_McKee_5R.indd 18 04/12/13 13:5304/12/13 13:53

36. 1.4 Biologa de sistemas 19 Ambos procesos dependen en gran medida de la estructura y el funcionamiento di- nmico de una red compleja de filamentos protenicos conocida como citoesqueleto. Las formas de movimiento celular influyen sobremanera en la capacidad de los organismos para crecer, reproducirse y competir por unos recursos limitados. Como ejemplo, considrese el movimiento de los protistas en su bsqueda de alimento en una charca, o la migracin de los leucocitos humanos en su persecucin de clulas extraas durante una infeccin. Otros ejemplos ms sutiles son el movimiento de enzimas especficas a lo largo de una molcula de DNA durante la replicacin cromo- smica que precede a la divisin celular o la secrecin de insulina por determinadas clulas pancreticas. ELIMINACIN DE RESIDUOS Todas las clulas vivas producen compuestos de desecho. Por ejemplo, las clulas animales transforman en ltima instancia nutrientes como azcares y aminocidos en CO2, H2O y NH3. Estas molculas pueden ser txicas si no se eliminan adecuadamente. Dicha eliminacin es sencilla en algunos casos.As, el CO2 difunde en los animales al espacio extracelular y desde all, tras una conversin breve y reversible a bicarbonato por los eritrocitos, se exhala rpidamente a travs del sistema respiratorio. El exceso de H2O se excreta a travs de los riones. Otras molculas son tan txi