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 cient-
fica. Problemas y soluciones: aproximadamente 10% de los proble-
mas presentados al final de cada captulo son completamente nuevos.
Mecanismos de reaccin: se aadi un mayor nmero de meca- nismos
catalticos para proporcionar al lector una mejor com- prensin de
las formas por medio de las cuales ocurren las reac- ciones
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 proce- sos 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
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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
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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 edicio- nes previas, la quinta edicin est
diseada para los estudiantes de ciencias biolgi- cas 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, termodinmi- ca 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 sis- tema 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 presen- tacin
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 perspecti- va 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 estu- diantes 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 pro- cesos
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 siste- mas 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 ayu- dan a los estudiantes a
comprender mejor los medios por los que ocurren las reac- 00
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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
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17. 00 FM_McKee_5R.indd xvi00 FM_McKee_5R.indd xvi 09/12/13
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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 importan- cia de este fenmeno
requiere un conocimiento exhaustivo de los principios bioqu- micos
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 bsi- cos de la
bioqumica. El captulo inicial presenta las generalidades de los
princi- pales componentes de los organismos vivos y los procesos
biolgicos. Despus de una breve descripcin de la naturaleza del
estado vital, se presenta una introduc- cin 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 ex- perimental 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 pro- piedades 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 bioqu- mica, 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 consti-
tuidos 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 reac- ciones
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 or- ganizacin 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 nucle- tidos, aminocidos y azcares. Las clulas estn compuestas
por diversas bio- molculas 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: siste- mas 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 clu- las, 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 informa- cin. Los seres
vivos son sistemas que procesan informacin, porque el mante-
nimiento de su integridad estructural y sus procesos metablicos
requiere inter- acciones 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 sin- tetizan 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 funcio- namiento 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 or- gnicas. 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, orga-
nizada 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
hidroxi- lo (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
ejem- plo, 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 fun- cional 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 relativa- mente
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 clu- las 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, mo- nosacridos 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, res- pectivamente, 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
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24. 1.2 Biomolculas 7 Existen 20 aminocidos estndar en las
protenas. Algunos de ellos tienen fun- ciones 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 resi-
duos 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 pol- meros 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 prote- nas transportadoras, las protenas
estructurales y las enzimas (protenas catalticas). Los aminocidos
individuales forman pptidos (fig. 1.6) y polipptidos al unir- se
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 con- junto? 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
cla- se 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 orgni- cas ms abundantes de la
naturaleza. Los carbohidratos van desde los azcares sen- cillos o
monosacridos, como la glucosa y la fructosa, hasta los
polisacridos, po- lmeros 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 nu- cletidos, 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 to- mos 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 carboxi- lo 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 anima- les 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
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27. 10 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica NUCLETIDOS Y CIDOS
NUCLEICOS Cada nucletido contiene tres componen- tes: 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
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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 in- formacin 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 for- macin 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 secuen- cias
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 fos- fodister. 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 mo- lculas 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 in- formacin
codificada en un gen. El proceso se inicia con la transcripcin, el
mecanis- mo 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
res- puesta. 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 infor- macin. 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
propie- dades 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 mol- culas 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, carbohi- dratos, 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 biol- gicas 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 metabolis- mo permiten
simplificar en gran medida esta percepcin: 1. Aunque el nmero de
reacciones es muy grande, la variedad de stas es relativa- mente
pequea. 2. Las reacciones bioqumicas tienen mecanismos sencillos
propios de las reaccio- nes 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 en-
cuentran 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 nega- tiva) 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),
deno- minado 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 glu- cosa 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 anh- drido 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
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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 glu- cosa es el
nuclefilo. El tomo de fs- foro (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 im- pulsar 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
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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 molcu- las 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
bio- qumicas ms comunes es la conversin recproca entre aldosas y
cetosas (fig. 1.18). REACCIONES DE OXIDACIN-REDUCCIN Las reacciones
de oxidacin-reduc- cin (tambin denominadas reacciones redox)
ocurren cuando hay una transferencia de electrones desde un donador
(denominado agente reductor) a un aceptor (deno- minado 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 elec- trones.
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 oxida- cin. 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 al- gunas 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
meca- nismos 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 mem-
brana. Mediante un proceso regulado, se libera energa y se
transfieren electrones entre las molculas transportadoras. Algunas
de estas reacciones redox disipan sufi- ciente 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 bio- qumicos son la sustitucin
nucleofli- ca, la eliminacin, la adicin, la isome- rizacin 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 ali- mento 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 pro- cesos 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 polisac- ridos 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 catab- licos. 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 redu- cido, una fuente de poder reductor)
para generar estructuras y funciones complejas. VAS DE
TRANSFERENCIA DE ENERGA Estas rutas capturan energa y la convier-
ten 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 capaci- dad para mover la materia,
normalmen- te 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 fun- cional 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) trans- porte 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 requie-
ren 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 cata- blicas 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 biosnte-
sis 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
enzi- mas en un ser vivo. Existen tres clases de rutas bioqumi-
cas: 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 or- ganismos 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 de- secho. Por ejemplo, las clulas animales transforman en ltima
instancia nutrien- tes 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