1. Robert K.MURRAYDavid A.BENDERKathleen M.BOTHAMPeter J.KENNELLYVictor W.RODWELLP. AnthonyWEILHARPERBioqumicailustradaLANGE

2. H arpe r, B io q u m ica ilu stra d a m antiene su esenciaLo nuevo en esta edicincom o un te xto com p leto, conciso y actualizado, queesclarece y explica el vnculo entre la Bioqum ica y las Presentacin a to d o color, lo cual incluye msbases m oleculares de la salud y la en ferm edad.d e 600 ilustraciones.En esta 28 a edicin el lector encontrar cam biossignificativos incluyendo una conversin a to do C a d a captulo inicia con un anlisis tituladocolor de las im genes p resentad as , as com o una "Im p o rta n cia b io m d ica " y concluye conotro a p a rtad o que resum e los puntos msrevisin y actualizacin de cada uno de los captulos,to do lo cual refleja los avances ms recientes en el significativos que d e b e n te n erse en m ente.conocim iento y la tecnolog a disponibles. D e ese Dos captulos nuevos: R adicales libresm odo se convierte en una obra vigente y tam biny nutrientes antioxidantes e H istorias de casorelevante d esd e el punto de vista clnico.bioqum icas; este ltim o contiene una am pliapresentacin d e 16 pad ecim ientos clnicos.A travs del contenido el lector notar el justo y Incluye dos apndices; el prim ero listapreciso equilibrio entre o b ten er los d etallesresultados clnicos de lab oratorio bsicosim portantes sobre los tem as tratad o s y, a la vez, y el seg undo est con form ad o por im portantesm antener el texto con la b revedad indispensablesitios en la red sobre Bioqum ica y revistaspara ser legible y puntual. Todo ello hace de H arper,en lnea.B io q u m ica ilustrad a , 28a edicin, un ttulofundam ental y la m ejor referencia para el aprendizaje S e abordan asp ectos nuevos o actualizadoso consulta de los asp ecto s bioqum icos aplicadossobre tem as cruciales en este cam po, com oal rea clnica. el P ro y ecto del G e n o m a H um ano y laBioinform tica.Visite: www.mhhe.com/medicina/murray_bi28eThe McGraw-Hill CompaniesgHill Educacin 3. CaractersticasPresentacin a todo color queincluye m s de 600clave en esta ilustracionesnueva edicin! C7, U i .. ----- m ------ m Influencia del Proyecto del G enom a H um ano en varioscam pos biom dicos Revisin de la utilizacin de enzim as en el diagnsticom dico M aterial nuevo sobre los descubrim ientos de frm acos conayuda de com putadoras Recopilacin de algunas enferm edades conform acionales Inform acin nueva sobre productos term inales de glucola-cin avanzada y su im portancia en la diabetes mellitus D atos recientes sobre la u n i n del virus de la influenza a lasclulas hum anas Retos im portantes que enfrenta la m edicina actualLas actualizaciones bioqumicasincluyen: Anlisis extendido sobre la espectrom etra de masas, unm todo analtico clave en la bioqum ica contem pornea Figuras nuevas que revelan varios aspectos de la estructuraprotenica A m plio anlisis sobre sitios activos de enzim as y estadostransicionales Inform acin nueva acerca de m todos de valoracinenzim ticos C obertura m s am plia en lo referente a diferentes aspectosde la cintica de las enzim as Inform acin nueva sobre m icro RNA y RNA silenciadores M aterial reciente acerca de los m ecanism os de transcripcineucaritica, incluyendo la biognesis de m icro-R N A y lafuncin de los nucleosom as D escripcin de las actividades de los m icro RNA M aterial nuevo relacionado con la siguiente generacin deplataform as de secuencia (NGS) Inform acin reciente referente a la tecnologa de in m u n o -precipitacin de crom atina (C H IP) y sus aplicaciones Avances acerca de la localizacin subcelular de enzim asclave de sealizacin (cinasas, fosfatasas) N ueva inform acin sobre cm o afectan las horm on as latranscripcin gentica 4. ContenidoPrefacio ix 1. Bioqumica y medicinaR o b e rt K. M urray, M D , P h D1 2. Agua y pHP eter J. Kennelly, P hDSECCINy V ctor W. R odw ell, P h D6BIOENERGTICA Y EL METABOLISMODE CARBOHIDRATOS Y LPIDOS 92SECCIN11. Bioenergtica: la funcin del ATPESTRUCTURAS Y FUNCIONES K athleen A i B oth am , PhD , DScDE PROTENAS Y ENZIMAS 14 y P eter A . M ayes, PhD , D Sc9212. Oxidacin biolgica 3. Aminocidos y pptidosK athleen M . B otham , PhD, DScP eter J. Kennelly, P hDy P eter A . M ayes, PhD , D Sc98y V ctor W. R odw ell, P h D14 4. Protenas: determinacin de la estructura 13. Cadena respiratoria y fosforilacin oxidativaprimariaK athleen M . B otham , PhD, D ScP eter J. Kennelly, P h D y P eter A . M ayes, PhD , D Sc103y V ctor W. R odw ell, P h D2114. Carbohidratos importantes desde el punto de 5. Protenas: rdenes de estructura superiores vista fisiolgicoP eter J. Kennelly, P h D D a v id A . Bender, P h D 113y V ctor W. R odw ell, P h D3115. Lpidos de importancia fisiolgica 6. Protenas: mioglobina y hemoglobina K athleen M . B otham , PhD , D ScP eter J. Kennelly, P h D y P eter A . M ayes, PhD , D Sc121y V ctor W. R odw ell, P h D4316. Perspectiva general del metabolismo y el 7. Enzimas: mecanismo de accinsuministro de combustibles metablicosP eter J. Kennelly, P h D D a v id A . Bender, P h D 131y V ctor W. R odw ell, P h D5117. El ciclo del cido ctrico: el catabolismo 8. Enzimas: cinticade la acetil-CoAP eter f. Kennelly, P h DD a v id A . Bender, P h D 143y V ctor W. R odw ell, P h D6218. Gluclisis y la oxidacin de piruvato 9. Enzimas: regulacin de actividadesD a v id A . Bender, P h D 149P eter J. Kennelly, P h Dy V ctor W. R odw ell, P h D75 19. Metabolismo del glucgeno10. Bioinformtica y biologa computacional D a v id A . Bender, P h D 157P eter J. Kennelly, P h Dy V ctor W. R odw ell, P h D84 5. v iiiCONTENIDO20. Gluconeognesis y el control de la glucosa s e c c i n|/en la sangreD a v id A. Bender, P h D 165ESTRUCTURA, FUNCIN Y21. La va de pen tosa fosfato y otras vasREPLICACIN DE MACROMOLCULASdel metabolismo de hexosas INFORMACIONALES 285D a v id A . Bender, P h D1 74 32. Nucletidos22. Oxidacin de cidos grasos: cetognesisV ictor W. R odw ell, P h D 285K athleen M . B otham , PhD , D Scy P eter A . M ayes, PhD , D Sc184 33. Metabolismo de nucletidos, purina y pirimidina V ictor W. R odw ell, P h D 29223. Biosntesis de cidos grasos y eicosanoidesK athleen M . B otham , PhD , DSc34. Estructura y funcin del cido nucleicoy P eter A . M ayes, PhD , D Sc193 P. A n th o n y Weil, P h D 30224. Metabolismo de acilgliceroles y esfingolpidos 35. Organizacin, replicacin y reparacin de DNAK athleen M . B otham , PhD , D Sc P. A n th o n y Weil, P h D 312y P eter A. M ayes, PhD , D Sc 205 36. Sntesis, procesamiento y modificacin del RNA25. Transporte y almacenamiento de lpidos P. A n th o n y Weil, P h D 335K athleen M . B otham , PhD , D Sc 37. Sntesis de protenas y el cdigo genticoy P eter A . M ayes, PhD , D Sc212 P. A n th o n y Weil, P h D 35326. Sntesis, transporte y excrecin de colesterol 38. Regulacin de la expresin gnicaK athleen M . B otham , PhD , D Sc P. A n th o n y Weil, P h D 369y P eter A . M ayes, PhD , D Sc 2 2 4 39. Gentica molecular, DNA recombinante y tecnologa genmica P. A n th o n y Weil, P h D 388s e c c i n H IMETABOLISMO DE PROTENASY AMINOCIDOS 234s e c c i n /27. Biosntesis de los aminocidos no esenciales BIOQUMICA DE LAdesde el punto de vista nutricionalCOMUNICACIN EXTRACELULARV ictor W. R odw ell, P h D234 EINTRACELULAR 40628. Catabolismo de protenas y de nitrgeno 40. Membranas: estructura y funcinde aminocidos R o b e rt K. M u rray, M D , P hDV ictor W. R odw ell, P h D239 y D a ry l K. Granner, M D 40629. Catabolismo de los esqueletos de carbono 41. La diversidad del sistema endocrinode aminocidos P. A n th o n y Weil, P h D 425V ictor W. R odw ell, P hD 248 42. Accin hormonal y transduccin de seal30. Conversin de aminocidos en productos P. A n th o n y Weil, P h D 444especializadosV ictor W. R odw ell, P h D26231. Porfirinas y pigmentos biliaresR o b ert K. M urray, M D , P h D271 6. CONTENIDOSECCIN50.Protenas plasmticas e inmunoglobulinasR o b e rt K. M urray, M D , P h D 566TEMAS ESPECIALES 459 51.Hemostasia y trombosisP eter L. Gross, M D , R o b e rt K. M urray, M D , P hD43. Nutricin, digestin y absorcin y M a rg a ret L. R and, P h D 583D a v id A . Bender, P h D 45944. Micronutrientes: vitaminas y minerales 52.Eritrocitos y leucocitosR o b e rt K. M urray, M D , P h D 593D a v id A . Bender, P h D 467 53. Metabolismo de xenobiticos45. Radicales libres y nutrientes antioxidantesR o b e rt K. M urray, M D , P h D 609D a v id A . Bender, P h D 482 54. Historias de caso bioqumicas46. Trfico y distribucin intracelulares de protenasR o b ert K. M urray, M D , P h DR o b e rt K. M urray, M D , P h D487 y P eter L. Gross, M D 61647. GlucoprotenasR o b e rt K. M urray, M D , P h D506A p n d ice I64748. La matriz extracelular A p n d ice II 648R o b e rt K. M urray, M D , P h D n d ic e alfabtico651y Frederick W. Keeley, P h D 52749. Msculo y el citoesqueletoR o b ert K. M urray, M D , P h D 545 7. PrefacioLos autores y la editorial se com placen en presentar la vigsimoconcisa y de fcil acceso, los autores hem os in corporado nuevo ctava edicin de Harper, Bioqumica ilustrada. Esta edicin pre-m aterial im p o rtan te en esta edicin. Se han aadido m uchos -enta p o r vez prim era m ltiples im genes a color, m uchas de ellas cuadros y figuras nuevos. C ada captulo h a sido revisado, actu aneditas, m ism as que recalcan de m anera vivida la com plejidad lizado y en varios casos reescrito, en gran p arte a fin de in co rp o em pre creciente del conocim iento sobre bioqum ica. La foto rar los avances m s recientes tan to en conocim iento com o engrafa de la portada de protena fluorescente verde (GFP), la cual tecnologa, lo cual es de sum a im portancia p ara el en ten d im ien reconoce el otorgam iento del prem io Nobel 2008 en qum ica a to y el ejercicio de la m edicina. M artin Chalfie, Roger Y. Tsien y O sam u Shim om ura, refleja el H ay dos captulos nuevos. El captulo 45, titulado Radicales incapi de este libro en los nuevos avances. Junto con sus deriva-libres y nutrientes antioxidantes, describe las fuentes de radica io s, la GFP cum ple con una funcin que crece de m anera cons- les libres, sus efectos perjudiciales sobre el DNA, las protenas ym t e en lo referente al rastreo del m ovim iento de protenas enlos lpidos, as com o sus diversas participaciones en la p ro d u cclulas y tejidos intactos, adem s de que tiene m ltiples aplicacio cin de enferm edades com o cncer y ateroesclerosis. Tam bin se nes en los cam pos de biologa celular, bioqum ica y m edicina.abo rd a la funcin de los antioxidantes en la neutralizacin de susEn esta edicin dam os un triste hasta luego a quien d u ran - efectos perjudiciales.te m ucho tiem po fue autor y editor, D aryl G ranner. En 1983, en El captulo 54, H istorias de caso bioqum icas, proporcionarreparacin para la vigsim a edicin, se solicit a D aryl que esextensas presentaciones de 16 estados fisiopatolgicos: deficienciacribiera nuevos captulos acerca del sistem a endocrino y el m ede adenosina desam inasa, enferm edad de Alzheimer, clera, cncanism o m olecular de horm onas, lo cual hizo con gran xito. Encer colorrectal, fibrosis qustica, cetoacidosis diabtica, distrofiaa vigsimo prim era edicin asum i la responsabilidad de los ca-m uscular de D uchenne, intoxicacin p o r etanol, gota, hem ocro-r .tulos sobre m em branas, sntesis de protena y biologa molecu- m atosis hereditaria, hipotiroidism o, kwasniorfcor (y m ainufricn r, adem s de que escribi u n nuevo captulo m uy inform ativoprotenico-energtica), infarto de m iocardio, obesidad, osteopo- ?bre el entonces nuevo cam po de la tecnologa del DNA recom - rosis y xeroderm a pigmentoso.: fiante. En el transcurso de los 25 aos siguientes, hasta la vig- Las nuevas caractersticas im portantes de inters m dicos m o sptim a edicin, D aryl revis de m anera continua sus capicom prenden:llo s a fin de proporcionar descripciones concisas e instructivassobre estos cam pos com plejos y en rpido cambio. Los colegas Influencia del H um an Genome Project sobre diversosiitoriales de D aryl expresam os gratitud p o r sus m uchas contri-cam pos biom dicos.: aciones inestim ables com o autor, editor y amigo, y le deseam os Se reescribi el uso de enzim as en el diagnstico mdico.: J o lo m ejor en los futuros proyectos que em prenda. N uevo m aterial sobre descubrim iento de frm acosD avid Bender, K athleen Botham , Peter Kennelly y A nthony auxiliado con com putadora. eil, antes coautores, ahora son autores com pletos. Rob M urray C om pilacin de algunas enferm edades conform acionales.izradece las im portantes contribuciones de Peter Gross, FredKeeley y M argaret Rand a captulos especficos, y agradece a N uevo m aterial respecto a pro d u cto s term inales de3 einhart Reithm eier, A lan V olchuk y D avid B. W illiam s p o r re-glucacin avanzada y su im p o rtan cia en la diabetes_iar los captulos 40 y 46, adem s de realizar inestim ables suge- mellitus.rencias sobre los m ism os. Tam bin expresa gratitud a Kasra . N uevo m aterial acerca de la fijacin del virus de la gripe aH ighighat y M oham m ad R assouli-R ashti p o r leer y p ro p o n er las clulas del ser hum ano.eioras para el captulo 54. A lgunos desafos im p o rtan tes que encara la m edicina. Los tem as que siguen, m ism os que h an sido aadidos a d iCambios en la vigsimo octava edicinversos captulos, son de inters bioqum ico bsico: I c r.gruente con el objetivo de proporcionar a los estudiantes un M ayor co b ertu ra sobre la espectrom etra de m asa, un..b :o que describa e ilustre la bioqum ica de una m anera integral, m to d o analtico clave en bioqum ica contem pornea. xi 8. x ii PREFACIO N uevas figuras que revelan diversos aspectos de la estru ccin y reparacin del DNA, sntesis y m odificacin del RNA,tu ra de protenas. sntesis de protena, los principios de la tecnologa de DNA re-M ayor cobertura sobre sitios activos de enzim as y estadoscom binante y genm ica, adem s del nuevo enten d im ien to sobre de transicin. cm o est regulada la expresin de gen.En la Seccin V se abo rd a la com unicacin extracelular eN ueva inform acin en cuanto a m todos de valorarintracelular. Los tem as incluyen estru ctu ra y fu ncin de m em enzimas.brana, las bases m oleculares de las acciones de ho rm o n as y elC obertura expandida de aspectos de la cintica de enzim as. cam po clave de la transduccin de seal.N ueva inform acin sobre m icro-R N A y RNA silenciadores.La Seccin VI trata 12 tem as especiales: nutricin, digesN ueva inform acin acerca de m ecanism os de transcripcinti n y absorcin; vitam inas y m inerales; radicales libres y a n eucariticos, incluso la biognesis del m RNA y la funcin tioxidantes; trfico intracelular y clasificacin de protenas; glu- de los nucleosom as. coprotenas; la m atriz extracelular; m sculo y citoesqueleto;protenas plasm ticas e inm unoglobulinas; hem ostasia y tro m D escripcin de actividades de miRNA.bosis; eritrocitos y leucocitos; el m etabolism o de xenobiticos; N uevo m aterial respecto a plataform as de Next Generation as com o 16 historias de caso orientadas hacia la bioqum ica. ElSequencing (NGS). ltim o captulo concluye con u n breve eplogo que indica algu N uevo m aterial en cuanto a la tecnologa de Chromatin nos desafos im portantes para la m edicina, en cuya solucin laImmunoprecipitation (C H IP) y sus usos.bioqum ica y disciplinas relacionadas ten d rn funciones clave.N ueva inform acin sobre la localizacin subcelular deEl A pndice I contiene un a lista de im portantes resultados enzim as em isoras de seal clave (cinasas, fosfatasas). de laboratorio para los casos com entados en el captulo 54.El A pndice II incluye un a lista de sitios Web tiles, asN ueva inform acin acerca de cm o las h orm o n as afectancom o u n a gua de revistas de bioqum ica o revistas con conside la transcripcin de gen.rable contenido bioqum ico.Cada captulo em pieza con un resum en de la im portancia bio-m dica de su contenido y concluye con u n resum en en el que serevisan los principales tem as cubiertos. AgradecimientosLos autores agradecen a M ichael Weitz p o r su vital participacinen la planeacin y la actualizacin de esta edicin; h a sido unOrganizacin del libroplacer trabajar con l. Tam bin agradecem os m ucho a Kim Da-Despus de dos captulos introductorios (B ioqum ica y m edici vis p o r su profesional supervisin de la edicin del libro, Sherrina y Agua y p H ), el libro se divide en seis secciones p rin cip a Souffrance p o r supervisar su produccin, Elise Langdon p o r sules. Todas las secciones y captulos recalcan la im portancia m d i diseo, y M argaret W ebster-Shapiro p o r su trabajo en la ilustraca de la bioqum ica. cin de la p ortada. V aloram os con gratitud el trabajo de los artisLa Seccin I aborda las estructuras y funciones de protenastas, tipgrafos y otros colaboradores a quienes desconocem osy enzim as. D ado que casi todas las reacciones en las clulas sonpero que p articiparon en la produccin de la vigsim o octavacatalizadas p o r enzim as, es vital entender las propiedades de lasedicin de Harper. Bioqumica ilustrada. En particular, un p ro enzim as antes de considerar otros temas. Esta seccin tam bin fundo agradecim iento a Joanne Jay de Newgen N o rth A m ericacontiene u n captulo sobre bioinform tica y biologa com pu-p o r su participacin fu n dam ental en la adm inistracin de todotacional, lo que refleja la im portancia creciente de estos tem as en el proyecto, as com o a Joseph Varghese de T hom son Digital porla bioqum ica, biologa y m edicina m odernas. su hbil supervisin de la gran cantidad de ilustraciones co m En la Seccin II se explica cm o diversas reacciones celula prendidas en esta edicin.res utilizan energa o la liberan, y se rastrean las vas m ediante las Las sugerencias de estudiantes y colegas de todo el m u n d ocuales los carbohidratos y lpidos son sintetizados y degradados. h an sido de en o rm e utilidad en la form ulacin de esta edicin.Aqu tam bin son descritas las m uchas funciones de estas dosEsperam os recibir aportaciones sim ilares en el futuro.clases de molculas.La Seccin III trata de los am inocidos, sus m uchos d estiR obert K. M urray, Toronto, O ntario, C anadnos m etablicos, ciertas caractersticas clave del catabolism o de D avid A. Bender, Londres, Reino U nidoprotenas, as com o la bioqum ica de las porfirinas y los p ig m en Kathleen M. Botham , Londres, Reino U nidotos biliares. Peter J. Kennelly, Blacksburg, Virginia, Estados U nidos La Seccin IV describe las estructuras y funciones de losV ictor W. Rodwell, W est Lafayette, Indiana, Estados U nidosnucletidos y los cidos nucleicos, incluye tem as com o replica- P. A n thony Weil, Nashville, Tennessee, Estados U nidos 9. CA P T U L OBioqumica y medicina 1Robert K. Murray, MD, PhDINTRODUCCINde la vida estn derrum bndose y la bioqum ica est llegando a ser,cada vez de manera ms frecuente, su lenguaje comn.La bioqum ica puede definirse como la ciencia de la base qumica dela vida (del griego bios, vida). La clula es la unidad estructuralde los sistemas vivos. De este modo, tambin es factible describir aUna relacin recproca entrela bioqumica como la ciencia de los constituyentes qumicos de las la bioqumica y la medicinaclulas vivas, y de las reacciones y los procesos que experimentan. Me ha estimulado avances mutuosdiante esta definicin, la bioqumica abarca grandes reas de la bioLas dos preocupaciones ms importantes para los investigadoresloga celular, la biologa molecular y la gentica molecular.en las ciencias de la salud y en particular para los mdicos sontanto el entendim iento y el m antenim iento de la salud, como laEl objetivo de la bioqumica es describir comprensin y el tratam iento efectivo de las enfermedades. La bioqumica tiene enormes repercusiones sobre estas dos preocupay explicar, en trminos moleculares, todosciones fundamentales de la medicina. De hecho, la interrelacin delos procesos qumicos de las clulas vivasla bioqumica y la medicina es una amplia avenida que circula enEl principal objetivo de la bioqumica es el entendim iento completo, dos sentidos. Los estudios bioqumicos han esclarecido muchos asen el nivel molecular, de todos los procesos qumicos relacionadospectos de la salud y la enfermedad, a la inversa, el estudio de divercon las clulas vivas. Para lograr este objetivo, los bioqumicos han sos aspectos de la salud y la enfermedad ha abierto nuevas reas enbuscado aislar las numerosas molculas que se encuentran en las la bioqumica. En la figura 1-1 se m uestran algunos ejemplos de estaclulas, determ inar su estructura y analizar cmo funcionan. Se hanavenida de dos direcciones. Por ejemplo, el conocimiento de la esusado muchas tcnicas para estos propsitos; algunas de ellas se retructura y la funcin de las protenas fue necesario para dilucidar lasumen en el cuadro 1-1. diferencia bioqumica nica entre la hem oglobina norm al y la declulas falciformes. Por otra parte, el anlisis de la hemoglobinade clulas falciformes ha contribuido de m anera significativa al enEl conocimiento de la bioqumica es tendim iento de la estructura y la funcin tanto de la hemoglobinaesencial para todas las ciencias de la vida como de otras protenas normales. Cabra citar ejemplos anlogosLa bioqumica de los cidos nucleicos ocupa un lugar fundamentalde beneficio recproco entre la bioqum ica y la medicina para losjusto en el corazn de la gentica; a su vez, el uso de mtodos gen otros incisos pareados que m uestra la figura 1-1. Otro ejemplo es laticos ha sido crucial para dilucidar muchas reas de la bioqumica. investigacin pionera de Archibald Garrod, mdico que ejerci enLa fisiologa, el estudio de la funcin del cuerpo, se superpone conInglaterra a principios del siglo xx, quien estudi a pacientes conla bioqum ica casi por completo. En la inmunologa se empleandiversos trastornos hasta cierto punto raros (alcaptonuria, albinismuchas tcnicas bioqumicas y numerosos m todos inmunolgicosmo, cistinuria y pentosuria; los cuales se describen en captulos poshan encontrado amplio uso por bioqumicos. La farmacologa y la teriores), y estableci que estas enfermedades estaban determinadasfarmacia se fundam entan en un slido conocimiento de la bio por mecanismos genticos. Garrod design a estas enfermedadesqumica y la fisiologa, en particular, casi todos los frmacos son como errores innatos del metabolismo (metabolopatas); susmetabolizados mediante reacciones catalizadas por enzimas. Los veideas proporcionaron un im portante fundamento para el desarrollonenos actan sobre reacciones o procesos bioqumicos; ste es elde la gentica bioqumica humana. Los esfuerzos ms recientes portema de estudio de la toxicologa. Los mtodos bioqumicos cada entender la base de la enfermedad gentica conocida como hiperco-vez reciben un uso ms amplio en la investigacin relacionada con lesterolemia familiar, que origina aterosclerosis grave a una edadlos aspectos bsicos de la patologa (el estudio de la enfermedad), temprana, han llevado a alcanzar un progreso notorio del entendicomo la inflamacin, la lesin celular y el cncer. Muchos investiga m iento de los receptores celulares y de los mecanismos de captacindores en microbiologa, zoologa y botnica emplean mtodos del colesterol por las clulas. Los estudios de oncogenes en clulasbioqumicos de manera casi exclusiva. Estas relaciones no sorprencancerosas han dirigido la atencin hacia los mecanismos m olecuden, porque la vida, como se le conoce, depende de reacciones y prolares involucrados en el control del crecimiento celular normal. Tacesos bioqumicos. De hecho, las antiguas barreras entre las ciencias les ejemplos y muchos otros recalcan la manera en que el estudio de1 10. 2CAPTULO 1 Bioqumica y medicina la enfermedad llega a abrir reas de la funcin celular para investi LOS PROCESOS BIOQUMICOS gacin bioqumica bsica. NORMALES SON LA BASE DE LA SALUDLa relacin entre medicina y bioqum ica tiene inferencias im portantes para la primera. M ientras el tratam iento mdico est fun La Organizacin M undial de la Salud (OMS) define a la salud como dam entado con firmeza en el conocimiento de la bioqum ica y otras el estado de bienestar fsico, mental y social completo, y no tan slo ciencias bsicas, la prctica de la medicina tendr una base racio la ausencia de enfermedad. Desde un punto de vista estrictamente nal capaz de adaptarse para dar cabida al nuevo conocimiento. Estobioqumico, cabe considerar a la salud como aquella situacin en la contrasta con prcticas de salud no ortodoxas y con al menos algucual las muchas miles de reacciones intracelulares y extracelulares nas opciones de medicina alternativa que a menudo estn fundaque ocurren en el cuerpo estn procediendo a ndices acordes con la m entadas en poco ms que mitos e ilusiones y, por lo general, caresupervivencia mxima del organismo en el estado fisiolgico. Sin cen de base intelectual alguna. embargo, se trata de un punto de vista en extremo reduccionista, debe quedar de manifiesto que el cuidado de la salud de los pacien CUADRO 1-1 Principales mtodostes no slo requiere un amplio conocimiento de los principios bio y preparaciones usados en laboratorios de bioqumicalgicos, sino tambin de principios psicolgicos y sociales. Mtodos para separar biomolculas y purificarlas1 Fraccionamiento de sal (p. ej., precipitacin de protenas con sulfato de La investigacin bioqumica tieneamonio) repercusiones sobre la nutricin Cromatografa: en papel, de intercambio inico, de afinidad, de capa delgada, de gas-lquido, de lquido a alta presin, de filtracin en gely la medicina preventivaUn prerrequisito im portante para el m antenim iento de la salud Electroforesis: en papel, de alto voltaje, en agarosa, en acetato de celulosa, en gel de almidn, en gel de poliacrilamida, en gel de dodeciles la ingestin ptim a de diversas sustancias qum icas en la d iesulfato de sodio (SDS)-poliacrilamida ta, entre las cuales destacan vitam inas, algunos am inocidos, Ultracentrifugacinciertos cidos grasos, diversos m inerales y agua. D ado que granp arte del tem a de estudio tanto de la bioqum ica com o de la n u Mtodos para determinar estructuras de las biomolculastricin com prende diversos aspectos de estas sustancias q u m icas, hay una estrecha relacin entre am bas ciencias. Ms an, se Anlisis elementalest haciendo hincapi en los intentos sistem ticos p o r m antener Espectroscopia con luz ultravioleta (UV), visible, infrarroja y con resonancia la salud y prevenir la enferm edad, esto es, en m edicina prevenmagntica nuclear (NMR)tiva, as que se observa un nfasis en los m todos nutricionales Uso de hidrlisis en cido o alcal para degradar la biomolcula en estudiopara por ejemplo tratar la prevencin de aterosclerosis y cn hacia sus constituyentes bsicos cer. El entendim iento de la nutricin depende en gran m edida Uso de un conjunto de enzimas de especificidad conocida para degradardel conocim iento sobre bioqum ica. la biomolcula en estudio (p. ej., proteasas, nucleasas, glucosidasas) Espectrometra de masa Mtodos de secuenciacin especficos (p. ej., para protenas y cidos nuCasi todas las enfermedades (quiz todas) cleicos) tienen una base bioqumica Cristalografa con rayos XLos autores creen que casi todas las enfermedades, si no es que to Preparaciones para estudiar procesos bioqumicos das, son manifestaciones de anormalidades de molculas, reacciones qumicas o procesos bioqumicos. En el cuadro 1-2 se listan los Animal entero (incluye animales transgnicos y animales con genes principales factores que generan enfermedades en animales y se noqueados) res humanos; todos afectan una o ms reacciones qumicas o m o rgano aislado perfundido lculas cruciales en el cuerpo. Este libro presenta muchos ejemplos de las bases bioqumicas de las enfermedades; en casi todas ellas Corte de tejido los estudios bioqumicos contribuyen tanto al diagnstico como al Clulas enteras tratamiento. El cuadro 1-3 resume algunos usos importantes de in Homogeneizado vestigaciones bioqumicas y pruebas de laboratorio en relacin con enfermedades. El captulo 54 de este libro provee an ms ayu Organelos celulares aislados da para ilustrar la relacin entre bioqumica y enfermedad al co Subfraccionamiento de organelosm entar con cierto detalle los aspectos bioqumicos de 16 casos m Metabolitos y enzimas purificadosdicos diferentes.Al final del captulo 54 se esbozan de m anera muy sucinta alguGenes aislados (incluso reaccin en cadena de polimerasa y mutagnesisnos de los principales desafos que la medicina y las ciencias de ladirigida hacia sitio)salud relacionadas encaran. Al abordar estos desafos, los estudiosCasi todos estos mtodos son dneos para analizar los componentes presentesen homogeneizados de clulas y en otras preparaciones bioqumicas. El uso secuencialbioqumicos ya estn entrelazados, y seguirn estndolo, con estude varias tcnicas por lo general permitir la purificacin de casi todas las biomolculas. dios en varias otras disciplinas, como gentica, inmunologa, n u triEl lector encontrar detalles en libros sobre mtodos de investigacin bioqumica.cin, patologa y farmacologa. 11. CAPTULO 1 Bioqumica y medicina3Bioqumicatlc dos nuc elcos ProtesnasLp dosCarbof Idratos,ki i1! i yr ir Enferrr edades Depranocitosis Ateros clerosisDiabetes gene ticas mel itusrMedicinaFIG U R A 1-1 Ejemplos de la avenida en dos direcciones que conecta la bioqumica y lamedicina. El conocimiento de las molculas bioqumicas mostradas en la parte superior deldiagrama ha esclarecido el entendimiento de las enfermedades mostradas en la mitad inferiory, a la inversa, los anlisis de las enfermedades que se muestran abajo han aclarado muchasreas de la bioqumica. Note que la drepanocitosis es una enfermedad gentica, y que tantola aterosclerosis como la diabetes mellitus tienen componentes genticos.Repercusiones del Human Genome Project tructura y funcin (p. ej mediante experimentos de secuenciacin y de gen noqueado). Muchos genes antes desconocidos han sido(HGP, Proyecto del Genoma Humano) sobre revelados; sus productos ya se han establecido o estn bajo estudio.la bioqumica, biologa y medicina Se han aclarado nuevos aspectos de la evolucin del ser humano yA finales del decenio de 1990, el HGP logr notorios progresos en la se han refinado los procedimientos para rastrear genes vinculadossecuenciacin del genoma humano. Esto culmin en julio de 2000,con enfermedad. En diversas secciones de este libro hay referenciascuando lderes de los dos grupos com prendidos en este esfuerzo (elal genoma humano.International Human Genome Sequencing Consortium y Celera Ge En la figura 1-2 se muestran reas de gran inters actual que senomics, compaa privada) anunciaron que se haba secuenciadohan desarrollado de m anera directa como resultado del progresoms de 90% del genoma. A principios de 2001 se publicaron versiologrado en el HGP o cuyo avance se ha visto estimulado por el m isnes borrador de la secuencia. Salvo algunos vacos, la secuencia demo. Como resultado del HGP, han surgido muchos de los llamadostodo el genoma hum ano se complet en 2003, 50 aos despus de ladescripcin de la naturaleza de doble hlice del cido desoxirribo-CU ADRO 1 -3 Algunos usos de investigacionesnucleico (DNA) por Watson y Crick. bioqumicas y pruebas de laboratorio en relacin Son enormes las inferencias del HGP para la bioqumica, todacon enfermedadesla biologa, as como para la medicina y las ciencias de la saludUsoEjemplorelacionadas, y aqu slo se mencionan algunos puntos. Ahora esposible aislar cualquier gen y, por lo general, determinar su es-1. Revelar las causas Demostracin de la naturaleza de losy los mecanismos defectos genticos en la fibrosisfundamentales de qustica.enfermedades CU ADRO 1 -2 Las principales causas 2. Suaerir tratamientos Una dieta con bajo contenido dede enfermedades1 racionales defenilalanina para el tratamiento enfermedades con de fenilcetonuria.. Agentes fsicos: traumatismo mecnico, temperatura extrema, cambios base en el inciso 1repentinos de la presin atmosfrica, radiacin, descarga elctrica. 3. Ayudar en el diagnstico Uso de las concentraciones plasmticas2. Agentes qumicos, incluso frmacos: ciertos compuestos txicos, fr de enfermedadesde trcponina I o T en el diagnstico de macos teraputicos, etctera.especficasinfarto de miocardio.3. Agentes biolgicos: virus, bacterias, hongos, formas superiores de pa4. Actuar como pruebasUso de medicin de la tiroxina o de la rsitos. de deteccin para el hormona estimulante de la tiroidesdiagnstico temprano de(TSH) en la sangre en el diagnstico4. Falta de oxgeno: prdida del aporte sanguneo, disminucin de laciertas enfermedades neonatal de hipotlroidismo capacidad transportadora de oxgeno de la sangre, envenenamiento congnito. de las enzimas oxidativas. 5. Ayudar a vigilar elUso de la enzima plasmtica alanina5. Trastornos genticos: congnitos, moleculares.progreso (esto es, aminotransferasa (ALT) en la6. Reacciones inmunitarias: anafilaxla, enfermedad autoinmunitaria. recuperacin,vigilancia del progreso de hepatitisempeoramiento, remisininfecciosa.7. Desequilibrios nutricionales: deficiencias, excesos. o recada) de ciertasenfermedades8. Desequilibrios endocrinos: deficiencias o excesos hormonales. Uso de la medicin del antgenoNota: todas las causas listadas actan al Influir sobre los diversos mecanismos 6. Ayudar en la evaluacincarcinoembrionario (CEA) en labioqumicos en la clula o en el cuerpo.de la respuesta de sangre en ciertos pacientes que han(Adaptado, con autorizacin, de Robblns SL, Cotram RS, Kumar V: The Pathologic Basis recibido tratamiento para cncer deenfermedades a la terapiaofDisease, 3a. ed. Saunders, 1984. Copyright 1984 Elsevier Inc. con autorizacin de colon.Elsevier.) 12. 4 CAPTULO 1Bioqumica y medicina Transcriptmica ProtemicaGlucmica Lipidmica MetabolmicaNutrigenmicaFarmacogenmicaBioinformtica HGP-(genm ica)Bioingeniera BiotecnologaBiofsicaBioticaBiologa de clulasTerapia gnicamadreDiagnstico molecular Biologa de sistemasBiologa sintticaFIGURA 1-2El Human Genome Project (HGP) ha influido sobre muchas disciplinas y reas de investigacin.campos de -mica, que com prenden estudios integrales de las es bioqumicas, la bioqumica se ha convertido en el lenguaje bsico detructuras y funciones de las molculas que cada uno estudia. El glo todas las ciencias biolgicas.sario de este captulo proporciona las definiciones de los campos La bioqumica se encarga del estudio de toda la gama de formas delistados a continuacin. Los productos de genes (molculas de cidovida, desde virus y bacterias que pudieran considerarse simples hastaribonucleico [RNA] y protenas) estn bajo estudio con el uso de las seres humanos complejos.tcnicas de transcriptmica y protemica. Un notorio ejemplo La bioqumica y la medicina estn ntimamente relacionadas. Lade la rapidez del progreso en transcriptm ica es la explosin desalud depende de un equilibrio armonioso de reacciones bioqumicas que estn ocurriendo en el cuerpo, en tanto que la enfermedad reflejaconocimiento relacionado con molculas de RNA pequeas como anormalidades en biomolculas, reacciones bioqumicas o procesosreguladoras de la actividad de genes. Otros campos de -mica com bioqumicos.prenden glucmica, lipidmica, metabolmica, nutrigenmica y Los avances en el conocimiento de la bioqumica han esclarecidofarmacogenmica. Para m antenerse al da con la cantidad de infor muchas reas de la medicina. A la inversa, el estudio de lasmacin que se est generando, la bioinformtica ha recibido mucha enfermedades a menudo ha revelado aspectos previamente noatencin. Otros campos relacionados a los cuales se ha transm itidosospechados de la bioqumica. Los mtodos bioqumicos suelen serel m petu del HGP son biotecnologa, bioingeniera, biofsica y fundamentales para esclarecer las causas de enfermedades y disearbiotica. La biologa de clulas madre ocupa un lugar prepondeterapias apropiadas.rante en gran parte de la investigacin actual. La promesa que la El uso juicioso de diversas pruebas bioqumicas de laboratorio es unterapia gnica lleva implcita an no se cumple, pero parece procomponente integral del diagnstico y de la vigilancia del tratamiento.bable que eso ocurrir tarde o temprano. Se han creado muchas Un conocimiento slido de la bioqumica y de otras disciplinaspruebas diagnsticas moleculares nuevas en reas como pruebas ybsicas conexas es esencial para la prctica racional de la medicina ydiagnstico genticos, microbiolgicos e inmunolgicos. La biolode ciencias de la salud relacionadas.ga de sistemas tambin est en ciernes. La biologa sinttica quiz Los resultados del HGP y de investigacin en reas afines tendrnes la ms interesante de todas, cuenta con el potencial de crear orga una profunda influencia sobre el futuro de la biologa, la medicina ynismos vivos (p. ej., en un inicio bacterias pequeas) a partir de otras ciencias de la salud.material gentico in vitro, el cual quiz podra ser diseado parallevar a cabo tareas especficas (p. ej limpiar derrames de petrleo).Como en el caso de las clulas madre, esta rea atraer mucha atencin por parte de expertos en biotica y otros. Ms adelante en esteREFERENCIASlibro se hace referencia a muchos de los temas anteriores.Burtis CA, Ashwood ER, Bruns DE: Tietz Textbook of Clinical ChemistryTodo lo anterior ha hecho que la poca actual sea muy inteand Molecular Diagnostics, 4th ed. Elsevier Inc, 2006.resante para estudiar o participar de m anera directa en biologa y Encyclopedia of Life Sciences. John Wiley, 2001. (Contiene unos 3 000medicina. Los resultados de la investigacin en las diversas reas artculos sobre diversos aspectos de las ciencias de la vida. Estantes mencionadas tendrn grandes repercusiones en el futuro de la disponible en lnea en www.els.net mediante una suscripcin enbiologa, la medicina y las ciencias de la salud.bibliotecas.)Fruton JS: Proteins, Enzymes, Genes: The Interplay o f Chemistry and Biology. Yale University Press, 1999. (Provee el contexto histrico de gran parte de la investigacin actual sobre bioqumica.)RESUMEN Garrod AE: Inborn errors of metabolism. (Croonian Lectures.) Lancet* La bioqumica es la ciencia que se encarga del estudio de las diversas 1908;2:1,73,142,214.molculas que se encuentran en clulas y organismos vivos, as como Guttmacher AE, Collins FS: Genomic medicineA primer. N Engl J Medsus reacciones qumicas. Dado que la vida depende de reacciones2002:347:1512. (Fue el primero de una serie de 11 artculos publicados 13. CAPTULO 1Bioqumica y medicina 5 mensualmente en el New England Journal of Medicine, describiendopropiedades biolgicas de las clulas madre y sus usos en diversas diversos aspectos de la medicina genmica.) enfermedades.Guttmacher AE, Collins FS: Realizing the promise of genomics in Biologa de sistemas: campo de la ciencia en el cual se estudian sistemas biomedical research. JAMA 2005;294(11):1399.biolgicos completos como enteros integrados (en contraposicin conKornberg A: Basic research: The lifeline of medicine. FASEB 1 1992;6:3143. el mtodo reduccionista de, por ejemplo, la bioqumica clsica).Kornberg A: Centenary of the birth of modern biochemistry.Biologa sinttica: campo que combina tcnicas biomoleculares con FASEB J 1997:11:1209. mtodos de ingeniera para construir nuevas funciones y sistemasManolio TA, Collins FS: Genes, environment, health, and disease: Facingbiolgicos. up to complexity. Hum Hered 2007;63:63.Biotecnologa: campo en el cual se combinan mtodos bioqumicos, deMcKusick VA: Mendelian Inheritance in Man. Catalogs o f Human Genesingeniera y otros, para crear productos biolgicos para uso en and Genetic Disorders, 12th ed. Johns Hopkins University Press, 1998. medicina y en la industria.[Abreviado como MIM]Diagnstico molecular: uso de mtodos moleculares (p. ej., sondas deOnline Mendelian Inheritance in Man (OMIM): Center for Medical DNA) para ayudar en el diagnstico de diversas enfermedades Genetics, Johns Hopkins University and National Center forbioqumicas, genticas, inmunitarias, microbianas y otros Biotechnology Information, National Library of Medicine, 1997. http://padecimientos mdicos. www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/ (Los nmeros asignados a las entradas Farmacogenmica: uso de informacin y tecnologas genmicas para en el OMIM sern citados en algunos captulos de este libro. Mediante optimizar el descubrimiento y desarrollo de blancos teraputicos y de consultar esta amplia presentacin de enfermedades y otras entradas frmacos (vase captulo 54). relacionadas sobre protenas especficas, enzimas y dems, el lector Genmica: el genoma es el grupo completo de genes de un organismo incrementar en gran medida su conocimiento y comprensin de(p. ej., el genoma humano), y genmica es el estudio a fondo de las varios temas vinculados con este texto y que son considerados aqu. estructuras y funciones de genomas (vase captulo 10 y otros). La versin en lnea es actualizada casi a diario.) Glucmica: el glucoma es la totalidad de carbohidratos simples yOxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology, rev. ed.complejos en un organismo. La glucmica es el estudio sistemtico de Oxford University Press, 2000.las estructuras y funciones de glucomas (p. ej., el glucoma humano;Scriver CR et al (editors): The Metabolic and Molecular Bases o f Inheritedvase captulo 47). Disease, 8th ed. McGraw-Hill, 2001. (Este texto est ahora disponibleLipidmica: el lipidoma es la totalidad de lpidos que se encuentran en un en lnea y actualizado como The Online Metabolic & Molecular Basesorganismo. La lipidmica es el estudio a fondo de las estructuras y of Inherited Disease en www.ommbid.com. Se requiere una suscripcin,funciones de todos los miembros del lipidoma, as como de sus pero el acceso est disponible en bibliotecas de universidades yinteracciones, tanto en salud como en enfermedad. hospitales, entre otras opciones.) Metabolmica: el metaboloma es la totalidad de metabolitos (molculasScherer S: A Short Guide to the Human Genome. CSHL Press, 2008.pequeas comprendidas en el metabolismo) que se encuentran en un organismo. La metabolmica es el estudio a fondo de sus estructuras, funciones y cambios en diversos estados metablicos.Nutrigenmica: estudio sistemtico de los efectos de los nutrientes sobreGLOSARIO la expresin gentica y de los efectos de variaciones genticas sobre elBiotica: rea de la tica que se encarga de la aplicacin de principios manejo de nutrientes. morales y ticos a la biologa y medicina. Protemica: el proteoma es la totalidad de protenas de un organismo. LaBiofsica: aplicacin de fsica y sus tcnicas a la biologa y medicina. protemica es el estudio sistemtico de las estructuras y funciones deBioinformtica: disciplina que se encarga de reunir, almacenar y analizarproteomas, incluso variaciones en la salud y la enfermedad (vase datos biolgicos, en especial secuencias de DNA y protena (vase captulo 4). captulo 10).Terapia gnica: se aplica al uso de genes sometidos a procesos de ingenieraBioingeniera: aplicacin de ingeniera a biologa y medicina. gentica para tratar diversas enfermedades (vase captulo 39).Biologa de clulas madre: una clula madre es una clula indiferenciadaTranscriptmica: el transcriptoma es el grupo completo de transcriptos que tiene el potencial de renovarse por s misma y de diferenciarse de RNA producidos por el genoma a un periodo fijo en el tiempo. La hacia cualquiera de las clulas adultas que se encuentran en el transcriptmica es el estudio integral de la expresin gnica a nivel del organismo. La biologa de clulas madre se encarga del estudio de las RNA (vase captulo 36 y otros). 14. C A P T U L OAgua y pHPeter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhDIMPORTANCIA BIOMDICAque los deja con una carga positiva parcial, mientras que sus dos pares de electrones no com partidos constituyen una regin de cargaEl agua es el com ponente qumico predom inante de los organismosnegativa local.vivos. Sus singulares propiedades fsicas, que incluyen la capacidad El agua, un fuerte dipolo, tiene una constante dielctrica alta.para disolver una amplia gama de molculas orgnicas e inorgni Como se describe de manera cuantitativa mediante la ley decas, se derivan de su estructura bipolar y de su excepcional capaci Coulomb, la fuerza de la interaccin F entre partculas que tienendad para formar enlaces de hidrgeno. La m anera en que el aguacarga opuesta es inversamente proporcional a la constante dielctriinteracta con una biomolcula disuelta influye sobre la estructuraca del medio circundante. La constante dielctrica para un vaco esde cada una. El agua, un excelente nuclefilo, es un reactivo o un la unidad; para el hexano es 1.9; para el etanol, 24.3, y para el agua,producto en muchas reacciones metablicas. El agua tiene una pro78.5. Por ende, el agua disminuye mucho la fuerza de atraccin en pensin leve a disociarse hacia iones hidroxilo y protones. La acideztre especies cargadas y polares en comparacin con ambientes libresde soluciones acuosas por lo general se reporta usando la escala dede agua que tienen constantes dielctricas ms bajas. Su fuerte dipopH logartmica. El bicarbonato y otros amortiguadores en circunslo y constante dielctrica alta perm iten al agua disolver grandes cantancias normales m antienen el pH del lquido extracelular entre tidades de compuestos cargados, como las sales.7.35 y 7.45. Las alteraciones sospechadas del equilibrio acidobsicose verifican al m edir el pH de la sangre arterial y el contenido deC 0 2 de la sangre venosa. Algunas causas de acidosis (pH sanguneoLas molculas de agua forman< 7.35) son cetosis diabtica y acidosis lctica. La alcalosis (pH > enlaces de hidrgeno7.45) puede presentarse despus de vmitos de contenido gstrico Un ncleo de hidrgeno parcialmente desprotegido, unido de m acido. La regulacin del equilibrio del agua depende de mecanismos nera covalente a un tomo de oxgeno o de nitrgeno que extraehipotalmicos que controlan la sed, de la horm ona antidiurtica electrones, puede interactuar con un par de electrones no com par(ADH), de la retencin o excrecin de agua por los riones, y de la tidos sobre otro tomo de oxgeno o nitrgeno para form ar un enlaprdida por evaporacin. La diabetes inspida nefrognica, que ce de hidrgeno. Dado que las molculas de agua tienen estas doscomprende la incapacidad para concentrar orina o para hacer ajuscaractersticas, la formacin de enlaces de hidrgeno favorece la au-tes a cambios sutiles de la osmolaridad del lquido extracelular, se toasociacin de molculas de agua hacia disposiciones ordenadasproduce por falta de capacidad de respuesta de los osmorreceptores (fig. 2-2). La formacin de enlaces de hidrgeno ejerce una profunde los tbulos renales a la ADH. da influencia sobre las propiedades fsicas del agua, lo que explica su viscosidad, tensin superficial y punto de ebullicin excepcional m ente altos. En promedio, cada molcula en agua lquida se asociaEL AGUA ES UN SOLVENTE por medio de enlaces de hidrgeno con otras 3.5. Estos enlacesBIOLGICO IDEALson hasta cierto punto dbiles y transitorios, con una vida media de un microsegundo o menos. La ruptura de un enlace de hidrgenoLas molculas de agua forman dipolos en agua lquida slo requiere alrededor de 4.5 kcal/mol, menos deUna molcula de agua es un tetraedro irregular, un tanto asimtrico, 5% de la energa necesaria para rom per un enlace O H covalente.con oxgeno en su centro (fig. 2-1). Los dos hidrgenos y los electro La formacin de enlaces de hidrgeno perm ite al agua disolvernes no com partidos de los dos orbitales sp:,-hibridados restantes muchas biomolculas orgnicas que contienen grupos funcionalesocupan los ngulos del tetraedro. El ngulo de 105 grados entre losque pueden participar en la formacin de enlaces de hidrgeno. Loshidrgenos difiere un poco del ngulo tetradrico ideal, de 109.5tomos de oxgeno de aldehidos, cetonas y amidas, por ejemplo,grados. El amoniaco tambin es tetradrico, con un ngulo de 107 proporcionan pares de electrones solitarios que tienen la capacidadgrados entre sus hidrgenos. El agua es un dipolo, una molculade servir como aceptores de hidrgeno. Los alcoholes y las aminascon carga elctrica distribuida de manera asimtrica en toda su espueden servir como aceptores de hidrgeno y como donadorestructura. El tomo de oxgeno fuertem ente electronegativo empujade tomos de hidrgeno desprotegidos para formacin de enlaces delos electrones en direccin contraria a los ncleos de hidrgeno, lo hidrgeno (fig. 2-3).6 15. CAPTULO 2Agua y pH7 CUADRO 2-1 Energas de enlace para tomos de importancia biolgicaTipo deEnerga Tipo deEnergaenlace(kcal/mol) enlace(kcal/mol) 0 0 340=0 96 H ss51CH 99FIGURA 2-1 La molcula de agua tiene geometra tetradrica.CN70C= S 108 SH810 H 110iH HHCC82c= c 147 V /0? 1C084C=N147H | ? ,H - < / H H- H Las biomolculas se pliegan paraFIGURA 2-2 Izquierda: asociacin de dos molculas de agua colocar a grupos polares y cargadosdipolares mediante un enlace de hidrgeno (lnea punteada).Derecha: agrupacin de cuatro molculas de agua con enlaces de sobre sus superficieshidrgeno. Note que el agua puede servir de manera simultnea como Casi todas las biomolculas son anpticas; esto es, poseen regiodonador y como aceptor de hidrgeno. nes con alto contenido de grupos funcionales cargados o polares, as como regiones con carcter hidrofbico. Las protenas tienden a plegarse con los grupos R de aminocidos con cadenas laterales hi- CH 3 C H , O H O drofbicas en el interior. Los aminocidos con cadenas laterales deHaminocidos cargadas o polares (p. ej., arginina, glutamato, serina) por lo general estn presentes sobre la superficie en contacto conHagua. Un modelo similar prevalece en una bicapa de fosfolpidos, 1 donde los grupos con cabeza cargada de fosfatidil serina o fosfatidil CH3 CH2 O - " " x c h 2 c h 3 etanolamina tienen contacto con agua, mientras que sus cadenas laterales de cido graso (acilo) hidrofbicas se agrupan juntas y ex cluyen el agua. Este modelo maximiza las oportunidades para la for R R" /macin de interacciones de carga-dipolo, dipolo-dipolo, y formacin C = 0 --H N/ de enlaces de hidrgeno, favorables desde el punto de vista energ R1R1" tico entre grupos polares sobre la biomolcula y el agua. TambinFIGURA 2-3 Los grupos polares adicionales participan en la minimiza contactos desfavorables desde el punto de vista energticoformacin de enlaces de hidrgeno. Se muestran los enlaces deentre el agua y grupos hidrofbicos.hidrgeno formados entre alcohol y agua, entre dos molculas deetanol, y entre el oxgeno del carbonilo peptdico y el hidrgenodel nitrgeno peptdico de un aminocido adyacente.Interacciones hidrofbicas El trm ino interaccin hidrofbica (o hidrfoba) alude a la ten dencia de compuestos no polares a autoasociarse en un ambienteLA INTERACCIN CON AGUAacuoso. Tal autoasociacin no est impulsada por atraccin m utua ni por lo que a veces es denom inado de m anera incorrecta comoINFLUYE SOBRE LA ESTRUCTURA enlaces hidrofbicos. La autoasociacin minimiza interaccionesDE LAS BIOMOLCULASdesfavorables desde el punto de vista energtico entre grupos no p o lares y agua.Los enlaces covalentes y no covalentes Dado que los hidrgenos de grupos no polares como los gruestabilizan molculas biolgicas pos metileno de hidrocarburos no forman enlaces de hidrgeno,El enlace covalente es la mayor fuerza que m antiene juntas a las m o afectan la estructura del agua que los rodea. Las molculas de agualculas (cuadro 2-1). Las fuerzas no covalentes, aunque son de menor adyacentes a un grupo hidrofbico tienen restriccin en cuanto almagnitud, hacen contribuciones importantes a la estructura, estanm ero de orientaciones (grados de libertad) que les perm iten parbilidad y competencia funcional de macromolculas en las clulas ticipar en el nm ero mximo de enlaces de hidrgeno favorablesvivas. Estas fuerzas, que pueden ser de atraccin o de repulsin,desde el punto de vista energtico. La formacin mxima de m lcom prenden interacciones tanto dentro de la biomolcula como entiples enlaces de hidrgeno slo puede mantenerse al aum entar eltre la misma y el agua, que es el principal com ponente del ambiente orden de las molculas de agua adyacentes, con una disminucincircundante. agregada de la entropa. 16. 8 CAPITULO 2 Agua y pH La segunda ley de la term odinm ica establece que la energacarbonilo en amidas, steres, aldehidos y cetonas, y los tomoslibre ptima de una mezcla de hidrocarburo-agua est en funcin de fsforo de fosfosteres.tanto de la entalpia mxima (por formacin de enlaces de hidrEl ataque nucleoflico por agua a m enudo origina la ruptura degeno) como de la entropa m nim a (grados mximos de libertad).los enlaces amida, glucsido o ster que m antienen juntos a los bioDe este modo, las molculas no polares tienden a formar gotitas a polmeros. Este proceso recibe el nombre de hidrlisis. A la inversa,fin de m inim izar el rea de superficie expuesta y reducir el nmero cuando unidades de monm eros se unen para formar biopolmerosde molculas de agua afectadas. De modo similar, en el ambiente como protenas o glucgeno, el agua es un producto, por ejemplo,acuoso de la clula viva las porciones hidrofbicas de biopolmeros durante la formacin de un enlace peptdico entre dos aminocidos:tienden a estar recluidas dentro de la estructura de la molcula odentro de una bicapa lpida, lo que minimiza el contacto con agua. +H,N OH + l - N HInteracciones electrostticasAlaninaLas interacciones entre grupos cargados ayudan a dar forma a laestructura biomolecular. Las interacciones electrostticas entre gru Valinapos que tienen carga opuesta dentro de biomolculas o entre lasmismas se denom inan puentes de sal, los cuales tienen fuerza com H,0parable a la de los enlaces de hidrgeno, pero actan en distanciasmayores; por ende, a m enudo facilitan el enlace de molculas yiones cargados a protenas y cidos nucleicos.+H,NNHFuerzas de van der WaalsSurgen por atracciones entre dipolos transitorios generados por elmovimiento rpido de electrones de todos los tomos neutros. LasSi bien la hidrlisis es una reaccin favorecida desde el puntofuerzas de van der Waals mucho ms dbiles que los enlaces de hide vista term odinmico, los enlaces amida y fosfoster de polippti-drgeno, pero potencialmente abundantes disminuyen en trminosdos y oligonucletidos son estables en el ambiente acuoso de la cde la sexta potencia de la distancia que separa a los tomos. De este lula. Esta conducta al parecer paradjica refleja el hecho de que lamodo, actan en distancias muy cortas, por lo general de 2 a 4 .term odinm ica que rige el equilibrio de una reaccin no determ inala velocidad a la cual proceder. En las clulas, catalticos protenallamadas enzimas aceleran el ndice de reacciones hidrolticas cuanFuerzas mltiples estabilizan biomolculasdo es necesario. Las proteasas catalizan la hidrlisis de protenasLa doble hlice de DNA ilustra la contribucin de mltiples fuerzashacia los aminocidos que las componen, mientras que las nuclea-a la estructura de biomolculas. Si bien cada cadena de DNA indivisas catalizan la hidrlisis de los enlaces fosfoster en el DNA y eldual se mantiene junta por medio de enlaces covalentes, las dos heRNA. Se requiere control cuidadoso de las actividades de estas enzibras de la hlice se m antienen unidas de m anera exclusiva mediantemas para asegurar que slo acten sobre molculas blanco apropiainteracciones no covalentes. Estas ltimas com prenden enlaces dedas en m omentos apropiados.hidrgeno entre bases de nucletido (apareamiento de bases de Wat-son-Crick) e interacciones de van der Waals entre las bases de purinay pirim idina apiladas. La hlice presenta los grupos fosfato cargaMuchas reacciones metablicasdos y azcares ribosa polares del esqueleto a agua m ientras que res comprenden transferencia de grupoguarda dentro las bases nucletido relativamente hidrofbicas. ElMuchas de las reacciones enzimticas de las cuales depende la snteesqueleto extendido maximiza la distancia entre fosfatos que tienensis y desintegracin de biomolculas com prenden la transferenciacarga negativa, lo que minimiza interacciones electrostticas desde un grupo qumico G desde un donador D hacia un aceptor Afavorables. para formar un complejo de aceptor-grupo, A-G: D -G + A < > A -G + D =EL AGUA ES UN EXCELENTE NUCLEFILO La hidrlisis y fosforlisis de glucgeno, por ejemplo, com Las reacciones metablicas a menudo com prenden el ataque por pa prenden la transferencia de grupos glucosilo hacia agua o hacia or-res solitarios de electrones que residen sobre molculas ricas en tofosfato. La constante de equilibrio para la hidrlisis de enlaceselectrones llamadas nuclefilos sobre tomos con pocos electrones covalentes favorece de m anera significativa la formacin de prollamados electrfilos. Los nuclefilos y electrfilos no necesaria ductos de divisin. A la inversa, en muchos casos las reacciones demente poseen una carga negativa o positiva formal. El agua, cuyos transferencia de grupo de las cuales depende la biosntesis de ma-dos pares solitarios de electrones sp3 tienen una carga negativa par cromolculas com prenden la formacin de enlaces covalentes nocial, es un excelente nuclefilo. Otros nuclefilos de importanciafavorecida desde el punto de vista termodinmico. Las enzimas subiolgica son los tomos de oxgeno de fosfatos, alcoholes y cidos peran dicha barrera al acoplar estas reacciones de transferencia decarboxlicos; el azufre de tioles; el nitrgeno de aminas y el anillo grupo a otras reacciones favorecidas, de m odo que el cambio generalimidazol de la histidina. Los electrfilos comunes son los carbonos de energa libre favorece la sntesis de biopolmero. Dado el carcter 17. CAPTULO 2Agua y pH 9nucleoflico del agua y su alta concentracin en las clulas, por quciacin. Puesto que un mol de agua pesa 18 g, 1 litro (L) (1000 g) delos biopolmeros como las protenas y el DNA son relativamente esagua contiene 1000 -h 18 = 55.56 mol. As, el agua pura es 55.56tables?, adems, de qu modo la sntesis de biopolmeros puede molar. Dado que la probabilidad de que un hidrgeno en agua puraocurrir en un ambiente acuoso? Las propiedades de las enzimas son exista como un ion hidrgeno es de 1.8 X 10 9, la concentracinfundamentales para ambas preguntas. En ausencia de catlisis enzimolar de iones H + (o de iones OH ) en agua pura es el producto demtica, incluso las reacciones muy favorecidas desde el punto dela probabilidad, 1.8 X 10~9, veces la concentracin molar de agua,vista term odinm ico no necesariamente tienen lugar con rapidez. El55.56 mol/L. El resultado es 1.0 X 10~7 mol/L.control preciso y diferencial de la actividad enzimtica, as como elAhora es posible calcular el valor de K para el agua pura:secuestro de enzimas en organelos especficos, determ inan en qucondiciones fisiolgicas un biopolmero dado se sintetizar o degradar. Los biopolmeros recin sintetizados no se hidrolizan de in [H20 ][55.56]mediato, lo cual en parte se debe a que los sitios activos de enzimas= 0.018 x lO 1 = 1.8 x l O1 mol/L 4 6biosintticas secuestran sustratos en un ambiente del cual es factibleexcluir al agua. La concentracin molar del agua, 55.56 mol/L, es demasiadogrande como para que la disociacin la afecte de m anera significatiLas molculas de agua muestran unava, de m odo que se considera que, en esencia, es constante. As, estaconstante puede incorporarse en la constante de disociacin K paratendencia leve pero importante a disociarse proporcionar una nueva y til constante Kw (W, de water, agua)La capacidad del agua para ionizarse, si bien es leve, tiene im portan llamada el producto inico del agua. La relacin entre Kw y K secia fundam ental para la vida. Dado que el agua tiene la capacidad de muestra a continuacin:actuar como un cido y como una base, su ionizacin puede representarse como una transferencia de protn intermolecular que forrH+T O H ma un ion hidronio (H30 +) y un ion hidroxilo (OH-): K = L rJL , J = 1.8 x 10l6mol/L [h 2o ] H2 + H2 < >H3 ++ OH- 00 = 0Kw = (K)[H2 = [H+ 0]][OH-]El protn transferido en realidad se relaciona con una agrupa = ( i .8 x 10-16mol/l_)(55.56 mol/L)cin de molculas de agua. Los protones existen en solucin no slo = 1.00 x 10"4 (mol/L)2como H 30 +, sino tambin como multmeros tipo H 50 2+ y H 70 3+.Sin embargo, el protn se representa de manera sistemtica como Note que las dimensiones de K son mol por litro y las de Kw sonH +, aun cuando de hecho est muy hidratado.mol2 por L2. Como su nombre lo sugiere, el producto inico Kw esDado que los iones hidronio e hidroxilo se recombinan de m aigual desde el punto de vista numrico al producto de las concentranera continua para formar molculas de agua, es imposible declararciones molares de H + y O Hque un hidrgeno u oxgeno individual est presente como un ion oformando parte de una molcula de agua. En un instante es un ion,Kw = [H+][OH-]pero al siguiente forma parte de una molcula de agua; de m odo queno se consideran iones o molculas individuales. En lugar de eso, se A 25C, Kw = (10 7)2, o 10-14 (mol/L)2; a temperaturas por dehace referencia a la probabilidad de que en cualquier instante en elbajo de 25C, Kw es un poco m enor de 10~14, en tanto que a tem petiempo un hidrgeno estar presente como ion o como parte de unaraturas superiores a 25C es un poco mayor de 1014. Dentro de lasmolcula de agua. Dado que 1 g de agua contiene 3.46 X 1022 m olimitaciones declaradas del efecto de la temperatura, Kw es igual alculas, la ionizacin del agua puede describirse de manera estads10-14 (mol/L)2 para todas las soluciones acuosas, incluso solucionestica. Declarar que la probabilidad de que un hidrgeno exista comode cidos o bases. Se usa Kw para calcular el pH de soluciones cidasun ion es de 0.01 significa que, en cualquier momento dado en ely bsicas.tiempo, un tomo de hidrgeno tiene una probabilidad en 100 deser un ion pero 99 probabilidades en 100 de formar parte de unamolcula de agua. La probabilidad real de que un tomo de hidrgeEL pH ES EL LOGARITMOno en agua pura exista como un ion hidrgeno es de alrededor de1.8 X 10~9. De este modo, la probabilidad de que forme parte de una NEGATIVO DE LA CONCENTRACINmolcula de agua es de casi la unidad. Dicho de otra manera, porDE ION HIDRGENOcada ion hidrgeno y cada ion hidroxilo en agua pura, hay 1.8 milEl trm ino pH fue introducido en 1909 por Srensen, quien lo definimillones o 1.8 X 109 molculas de agua. Sin embargo, los iones h icomo el logaritmo negativo de la concentracin de ion hidrgeno:drgeno y los iones hidroxilo contribuyen de m anera im portante alas propiedades del agua. pH = -lo g [H+]Para la disociacin del agua,Esta definicin, si bien no es rigurosa, es suficiente para muchos K [HI 0H + ] propsitos bioqumicos; a fin de calcular el pH de una solucin: 1. Se calcula la concentracin de ion hidrgeno jH T].donde los corchetes representan concentraciones molares (estricta 2. Se calcula el logaritmo base 10 de [H +j.mente hablando, actividades molares) y K es la constante de diso3. El pH es el negativo del valor que se encuentra en el paso 2. 18. 10CAPTULO 2Agua y pHPor ejemplo, para agua pura a 25C, traciones de ion hidrgeno que difieren por rdenes de m agnitud deotra, esto es, 0.00032 M (pH 3.5) y 0.000000000025 M (pH 10.6). pH = -log [H+] = -log 10"7 = - (- 7 ) = 7.0 Ejemplo 3: Cules son los valores de pH para KOH de a) 2.0 X102 mol/L y de b) 2.0 X 10 6 mol/L? El OH- surge a partir de dosEste valor tambin se conoce como la potencia (power [ingls], pwzs-fuentes: KOH y agua. Dado que el pH est determ inado por el [H +]sant [francs], o potennz [alemn]) del exponente, de ah el usototal (y el pOH por el [OH-] total), ambas fuentes deben considerarde p.se. En el prim er caso, a), la contribucin del agua al [OH] total es Los valores de pH bajos corresponden a concentraciones altasinsignificante; es imposible decir lo mismo para el segundo caso, b):de H +, y los valores de pH altos corresponden a concentracionesbajas de H +. Concentracin (mol/L) Los cidos son donadores de protones y las bases son acepto-res de protones. Los cidos fuertes (p. ej., HC1, H 2S 0 4) se disocian (a)(b)por completo hacia aniones y cationes, incluso en soluciones fuerte Molaridad de KOH2.0 x 10 2 2.0 x 106mente acdicas (pH bajo). Por su parte, los cidos dbiles se disocian slo en parte en soluciones acdicas. De m odo similar, las bases [OH ] de KOH2.0 x 102 2.0 x 10 6fuertes (p. ej., KOH, NaOH) no as las bases dbiles (p. ej., [OH- de agua]1.0 x 1071.0 x 107Ca[O H ]2) estn por completo disociadas a pH alto. Muchas sus Total [OH ] 2.00001 x 102 2.1 x 106tancias bioqumicas son cidos dbiles. Las excepciones son los in termediarios fosforilados, cuyo grupo fosforilo contiene dos proto Una vez que se ha llegado a una decisin acerca de la im portannes disociables, el primero de los cuales es fuertem ente acdico.cia de la contribucin por el agua, es factible calcular el pH como se Los ejemplos que siguen ilustran cmo calcular el pH de solumencion.ciones cidas y bsicas. Los ejemplos anteriores suponen que la base fuerte KOH est Ejemplo 1: Cul es el pH de una solucin cuya concentracinpor completo disociada en solucin y que, entonces, la concentrade ion hidrgeno es de 3.2 X 1(T4 mol/L?cin de iones OH fue igual a la del KOH ms la presente al principH = -log [ h +]pio en el agua. Esta suposicin es vlida para soluciones diluidas debases o cidos fuertes, no asi para bases o cidos dbiles. Dado que= -og (3.2 x IC T )los electrlitos dbiles slo se disocian un poco en solucin, es nece= -log (3.2)- lo g (lO 4)sario usar la constante de disociacin para calcular la concentra= -0.5 + 4.0cin de [H +] (o de [OH]) producida por una m olaridad dada de uncido (o base) dbil antes de calcular el [H +] total (o el [OH] total)= 3.5y despus el pH. Ejemplo 2: Cul es el pH de una solucin cuya concentracinde ion hidroxilo es de 4.0 X 104 mol/L? Prim ero se define una canLos grupos funcionales que son cidostidad pOH que es igual a -lo g [OH-] y que puede derivarse a partirde la definicin de K-. dbiles tienen gran importancia fisiolgicaMuchas sustancias bioqumicas poseen grupos funcionales que son* w = [ h +] [ o h - ] = i o -cidos o bases dbiles. Los grupos carboxilo, los grupos am ino y lossteres de fosfato, cuya segunda disociacin cae dentro del rangoPor endefisiolgico, estn presentes en protenas y cidos nucleicos, en casilog[H+ + log[OH ] = logTO] todas las coenzimas y en casi todos los metabolitos intermediarios.De este modo, el conocimiento de la disociacin de cidos y basesdbiles es bsico para entender la influencia del pH intracelular so pH + pOH = 14bre la estructura y la actividad biolgica. Las separaciones basadasen carga, como la electroforesis y la cromatografa de intercambioPara resolver el problema mediante este mtodo:inico, tambin se entienden mejor en trm inos de la conducta de[ O H ] = 4.0 x 10"4disociacin de grupos funcionales.La especie protonada (p. ej., HA o RN H 3+) recibe la denom ipOH = -lo g [ O H ]nacin de cido, en tanto que la especie no protonada (p. ej., A o= -log (4 .0 x1 0 *)RN H 2) es su base conjugada. De m odo similar, puede hacerse= -log (4 .0 )- lo g (lO -4)referencia a una base (p. ej., A o RN H 2) y su cido conjugado(p. ej., HA o RN H 3+). Los cidos dbiles representativos (colum= -0.60 + 4.0na izquierda), sus bases conjugadas (al centro) y valores de pK3 (co= 3.4 lum na derecha) incluyen los siguientes:Ahora:pH = 1 4 -p O H = 1 4 - 3 .4 R CH2 COOHR CH2 COO- PK. = 4 - 5 = 1 0 .6R CH2 NH3+R CH2 NH2pKa = 9 - 1 0 Los ejemplos anteriores ilustran de qu m odo la escala de pH lo h2 o 3 c HCO3 pKa = 6.4gartmica facilita la emisin de reporte y la comparacin de concen- h 2 o 4-pHP04-2PK = 7.2 19. C A P IT U L O 2A g u a y pH 11 Las fuerzas relativas de cidos y bases dbiles se expresan enp/Ca para un cido puede determinarse al aadir 0.5 equivalente defuncin de sus constantes de disociacin. A continuacin se m ues lcali por equivalente de cido. El pH resultante ser igual al pKatran las expresiones para la constante de disociacin (K J para dosdel cido.cidos dbiles representativos, RCOOH y RN H 3+.R COOH < > R COCT + H+ = La ecuacin de Henderson-Hasselbalch [ r c o c r ] [ i - r ]describe el comportamiento deK, =[R COOH]cidos dbiles y amortiguadores R NH3+ m RNAsoValVal SH OGlnGln i^Fen ^ R ib osom aFen2H+2eI AspAsp Met-Asp-Fen-GIn-ValMetMet 1 1 Sntesis4 Modificacin covalente (p. ej., I acilacin de cido graso) V Trp GliFen His Pro UsAla lie Tre 8 "Envejecimiento" Productos Sustratos (p. ej., oxidacin, desamidacin, 10 Degradacindesnaturalizacin) 7 Catlisis 5 Translocacin I locacin 6 Activacin ? Y9 Ubiquitinacin g rvss /S ) soJ s cz> ----------- sOvy MembranaFIGURA 4-1 Representacin esquemtica del ciclo de vida de una protena hipottica. 1) El ciclo de vidaempieza con la sntesis en un ribosoma de una cadena polipeptdica, cuya estructura primaria est dictada porun mRNA. 2) A medida que procede la sntesis, el polipptido empieza a plegarse hacia su conformacin natural(azul). 3) El plegado puede acompaarse por eventos de procesamiento, como divisin proteoltica de unasecuencia lder N-terminal (Met-Asp-Fen-GIn-Val) o la formacin de enlaces disulfuro (S S). 4) La modificacincovalente subsiguiente puede, por ejemplo, fijar una molcula de cido graso (amarillo) para 5) translocacinde la protena modificada hacia una membrana. 6 ) La unin de un efector alostrico (rojo) puede desencadenarla adopcin de una conformacin activa desde el punto de vista cataltico. 7) Con el tiempo, las protenasquedan daadas por ataque por sustancias qumicas, desamidacin o desnaturalizacin, y 8 ) pueden "marcarse"mediante la fijacin covalente de varias molculas de ubiquitina (Ub). 9) La protena ubiquitinada despus sedegrada hacia los aminocidos que la componen, que quedan disponibles para la sntesis de nuevas protenas.que est fluyendo y salen antes que las que pueden entrar en losuna carga negativa neta se adhieren a cuentas que tienen gruposporos (protenas incluidas). As, las protenas surgen a partir de unafuncionales con carga positiva, por lo general aminas terciariascolumna de filtracin en gel en orden descendente de sus radios o cuaternarias (intercambiadores de aniones). Las protenas, quede Stokes.son polianiones, compiten contra iones monovalentes por uninal soporte de ah el trm ino intercambio inico. Por ejemplo,las protenas se unen a la dietilaminoetil (DEAE) celulosa al rem Cromatografa de absorcinplazar los contra-iones (por lo general, Cl~ o C H ?COO ) que neutraEn este caso, la mezcla de protena es aplicada a una columna bajolizan la amina protonada. Las protenas unidas se desplazan de m anecondiciones donde la protena de inters se asocia con la fase estara selectiva mediante aum ento gradual de la concentracin de ionescionaria de m anera tan estrecha que su coeficiente de particin es,monovalentes en la fase mvil. Las protenas m uestran elucinen esencia, la unidad. Las molculas que no se adhieren son objetoen orden inverso de la fuerza de sus interacciones con la fase esde elucin prim ero y se desechan. Las protenas despus se libe tacionaria.ran de m anera secuencial al rom per las fuerzas que estabilizan elPuesto que la carga neta sobre una protena est determinadacomplejo de protena-fase estacionaria, ms a menudo al usar un por el pH (cap. 3), es factible lograr la elucin secuencial de protegradiente de concentracin creciente de sal. La composicin de la nas mediante cambiar el pH de la fase mvil. De m anera alternativa,fase mvil se altera de manera gradual, de m odo que las molculasuna protena puede quedar sujeta a rondas consecutivas de cromason liberadas de m anera selectiva en orden descendente de su afinitografa de intercambio inico, cada una a un pH diferente, de mododad por la fase estacionaria. que las protenas que m uestran coelucin a un pH presentan elucina distintas concentraciones de sal a otro pH.Cromatografa de intercambio inicoAqu, las protenas interactan con la fase estacionaria mediante in Cromatografa de interaccin hidrofbicateracciones entre una carga y otra. Las protenas que tienen una car Separa a protenas con base en su tendencia a asociarse con unaga positiva neta a un pH dado se adhieren a cuentas que tienen gru matriz de fase estacionaria cubierta con grupos hidrofbicos (p. ej.,pos funcionales con carga negativa, como carboxilatos o sulfatosfenil u octil sefarosa [Sepharose]). Las protenas con superficies hi-(intercambiadores de cationes). De modo similar, las protenas condrofbicas expuestas se adhieren a la matriz por medio de interac- 31. CAPTULO 4 Protenas: determinacin de la estructura primaria 23FIGURA 4-2 Componentes de un aparato de cromatografa lquida tpico. R1 y R2:reservorios del lquido de fase mvil. P: sistema de bombeo programable que contiene dosbombas, 1 y 2, y una cmara de mezcla, M. El sistema puede ajustarse para que bombee lquidodesde slo un reservorio, para que cambie reservorios en algn punto predeterminado a fin degenerar un gradiente empinado, o para mezclar lquidos desde los dos reservorios enproporciones que varan con el tiempo para crear un gradiente continuo. C: columna de vidrio,metal o plstico que contiene la fase estacionaria. F: recolector de fraccin para recolectarporciones, llamadas fracciones, del lquido de elucin en tubos de ensayo separados.dones hidrofbicas que son incrementadas mediante una fase mvilhistidina fija, as como una matriz de glutatin que se une a unade fuerza inica alta. Las protenas no adherentes prim ero se elimi protena recombinante enlazada a glutatin S-transferasa.nan mediante lavado. A continuacin se disminuye la polaridad dela fase mvil al reducir de m anera gradual la concentracin de sal.Los pptidos se purifican medianteSi la interaccin entre protena y fase estacionaria es en particularfuerte, puede aadirse etanol o glicerol a la fase mvil para dism i cromatografa de alta presin de fase reversanuir su polaridad y debilitar ms las interacciones hidrofbicas. Las matrices de fase estacionaria usadas en la cromatografa de colum na clsica son materiales esponjosos cuya compresibilidad limita el flujo de la fase mvil. En la cromatografa lquida de altaCromatografa de afinidad presin (HPLC) se emplean microcuentas de slice o almina in La cromatografa de afinidad explota la alta selectividad de casi to compresibles como la fase estacionaria, y presiones de hasta algunosdas las protenas por sus ligandos. Las enzimas pueden purificarsemiles de libras por pulgada cuadrada (psi). Las matrices incompremediante cromatografa de afinidad usando sustratos, productos, sibles perm iten tanto ndices de flujo altos como resolucin aum encoenzimas o inhibidores inmovilizados. En teora, slo se adhierentada. La HPLC puede resolver mezclas complejas de lpidos o pptilas protenas que interactan con el ligando inmovilizado. A conti dos cuyas propiedades difieren slo un poco. En la HPLC de fasenuacin se efecta elucin de las protenas unidas mediante compereversa se explota una fase estacionaria hidrofbica de polmerostencia con ligando soluble o, de manera menos selectiva, al alterar alifticos de 3 a 18 tomos de carbono de longitud. Se efecta elulas interacciones entre protena y ligando usando urea, clorhidrato cin de las mezclas de pptido usando un gradiente de un solventede guanidina, pH levemente acdico o altas concentraciones de sal.orgnico miscible en agua, como acetonitrilo o metanol.Las matrices de fase estacionaria disponibles en el comercio contienen ligandos como NAD+ o anlogos de trifosfato de adenosina(ATP). Entre las matrices de afinidad ms potentes y ampliamenteLa pureza de las protenas se evala medianteaplicables figuran las que se usan para la purificacin de protenaselectroforesis en gel de poliacrilamida (PAGE)recombinantes modificadas de m anera idnea, las cuales incluyenEl mtodo ms ampliamente usado para determ inar la pureza de unauna matriz de Ni2+ que se une a protenas con una marca de poli-protena es la SDS-PAGE, electroforesis en gel de poliacrilamida 32. 24SJECCIN I Estructuras y funciones de protenas y enzimas ABCFIGURA 4 _3 Cromatografa de exclusin de tamao. A: una mezcla de molculas grandes (caf)y pequeas (rojo) se aplica en la parte superior de una columna de filtracin de gel. B: al momentode entrar a la columna, las molculas pequeas entran a poros en la matriz de fase estacionaria (gris)de la cual se excluyen las molculas grandes. C: a medida que la fase mvil (azul) fluye por lacolumna, las molculas grandes, excluidas, fluyen dentro de la misma, mientras que las pequeas,que estn protegidas de forma temporal del flujo cuando estn dentro de los poros, se quedan cadavez ms atrs.(PAGE) en presencia del detergente aninico duodecil sulfato de sodio (SDS). La electroforesis separa biomolculas cargadas con baseen los ndices a los cuales m igran en un campo elctrico aplicado; encuanto a la SDS-PAGE, la acrilamida se polimeriza y se entrecruzapara formar una matriz porosa. La SDS se desnaturaliza y se une aprotenas a una proporcin de una molcula de SDS por cada dosenlaces peptdicos. Cuando es utilizada en forma conjunta con2-mercaptoetanol o ditiotreitol para reducir enlaces disulfuro yromperlos (fig. 4-4), la SDS-PAGE separa los polipptidos com ponentes de protenas multimricas. El gran nmero de molculas deSDS aninicas, cada una de las cuales porta una carga de -1 , abrumalas contribuciones de carga de los grupos funcionales aminocidosendgenos a los polipptidos. Dado que la proporcin entre carga ymasa de cada complejo de SDS-polipptido es ms o menos igual, laresistencia fsica que cada pptido encuentra a medida que se muevepor la matriz de acrilamida determ ina el ndice de migracin. Dadoque los complejos grandes encuentran mayor resistencia, los polipptidos se separan con base en su masa molecular relativa (M^tambin conocida como peso molecular). Es factible visualizar polipptidos individuales atrapados en el gel de acrilamida mediante FIGURA 4-4 La divisin oxidativa de cadenas polipeptdicasteirlos con colorantes como azul de Coomassie (fig. 4-5). adyacentes unidas por medio de enlaces disulfuro (resaltados en azul) al efectuar divisin en cido (izquierda) o reductiva mediante (5-mercaptoetanol (derecha) forma dos pptidos que contienenEnfoque isoelctrico (IEF) residuos cido cisteico o residuos cisteinilo, respectivamente.Se usan amortiguadores inicos llamados anfolitos y un campoelctrico aplicado para generar un gradiente de pH dentro de unamatriz de poliacrilamida. Las protenas aplicadas migran hasta que SANGER FUE EL PRIMEROllegan a la regin de la matriz donde el pH coincide con su puntoEN DETERMINAR LA SECUENCIAisoelctrico (pl), el pH al cual la carga neta de una molcula es cero.DE UN POLIPPTIDOEl IEF se usa de m anera conjunta con SDS-PAGE para la electroforesis bidimensional, que separa polipptidos con base en el pl enLa insulina m adura consta de la cadena A de 21 residuos y la cadeuna dimensin y con base en la Mr en la segunda (fig. 4-6). La elec na B de 30 residuos unidas mediante enlaces disulfuro. Fredericktroforesis bidimensional resulta idnea para separar los com ponenSanger redujo los enlaces disulfuro (fig. 4-4), separ las cadenas A ytes de mezclas de protenas complejas. B, y dividi cada cadena hacia pptidos de m enor tamao usando 33. CAPTULO 4Protenas: determinacin de la estructura primaria 25amino terminal. Despus fue determ inado el contenido de am inoS E CHD cidos de cada pptido e identificado el am inocido amino term inal. El grupo e-amino de la lisina tambin reacciona con el reactivoi l l mmde Sanger, pero dado que una lisina amino term inal reacciona con 2 73 ummol de dicho reactivo, es fcil distinguirla de una lisina en el interiorde un pptido. Al trabajar desde dipptidos y tripptidos en adelante por fragmentos de tamao progresivamente mayor, Sanger logrreconstruir la secuencia completa de la insulina, logro por el cualrecibi un premio Nobel en 1958.LA REACCIN DE EDMAN PERMITESECUENCIAR PPTIDOS Y PROTENASPehr Edman introdujo el fenilisotiocianato (reactivo de Edman) para 29 *** marcar de manera selectiva el residuo amino term inal de un pptido. En contraste con el reactivo de Sanger, el derivado feniltiohidan-FIG U R A 4-5 Uso de SDS-PAGE para observar la purificacintona (PTH) se puede eliminar bajo condiciones leves para generarsucesiva de una protena recombinante. El gel se colore con azulun nuevo residuo amino term inal (fig. 4-7). Por ende, es posible usarde Coomassie. Se muestran estndares de protena (carril S) del Mrindicado, en kDa, extracto celular bruto (E), citosol (C), liquidorondas sucesivas de derivacin con reactivo de Edman para secuen-sobrenadante a alta velocidad (H [por high-speed]), y la fraccin deciar muchos residuos de una m uestra nica de pptido. Si bien esDEAE-sefarosa (D). La protena recombinante tiene una masafcil determ inar los primeros 20 a 30 residuos de un pptido m ede alrededor de 45 kDa. diante el mtodo de Edman, casi todos los polipptidos contienenvarios cientos de aminocidos. En consecuencia, casi todos los polipptidos prim ero se deben dividir hacia pptidos de m enor tamaopH = 3 pH = 10antes de secuenciacin de Edman. En ocasiones, la divisin tam - ----------------- IE F -----------------< bin es necesaria para sortear modificaciones postraduccionales quebloquean el grupo a-am ino de una protena o que no reaccionecon el reactivo de Edman.A menudo es necesario generar varios pptidos usando ms deun mtodo de divisin. Esto refleja tanto inconsistencia en el espa-ciamiento de sitios de divisin susceptibles desde el punto de vistaqumico o enzimtico, como la necesidad de grupos de pptidos cuyas secuencias se superponen, de m odo que es posible inferir la secuencia del polipptido a partir del cual se derivan. Despus de ladivisin, los pptidos resultantes se purifican por medio de HPLCde fase reversa y se secuencian.t LA BIOLOGA MOLECULAR * t 1*%REVOLUCION LA DETERMINACINDE LA ESTRUCTURA PRIMARIAFIG U R A 4-6 IEF-SDS-PAGE bidimensionales. El gel se tiEl conocimiento de secuencias de DNA perm ite deducir las estruccon azul de Coomassie. Un extracto bacteriano bruto fue sometidoturas primarias de polipptidos. La secuenciacin de DNA requiereprimero a enfoque isoelctrico (IEF) en un gradiente de pH de 3 a 10.slo cantidades diminutas del mismo y con facilidad proporciona laA continuacin el gel con IEF fue colocado en forma horizontal en lasecuencia de cientos de nucletidos. Para clonar y secuenciar el DNAparte superior de un gel de SDS, y despus las protenas se resolvieronms mediante SDS-PAGE. Ntese la resolucin muy mejorada deque codifica para una protena particular, es esencial contar con aldistintos polipptidos en comparacin con gel de SDS-PAGE gn medio de identificar la clona correcta, como es el caso del conoordinario (fig. 4-5). cimiento sobre una porcin de su secuencia de nucletido. De estemodo, ha surgido un mtodo hbrido. La secuenciacin de Edmanse usa para proporcionar una secuencia de aminocidos parcial. As,tripsina, quim otripsina y pepsina. Los pptidos resultantes despusentonces, es factible utilizar preparadores oligonucletido m odelafueron aislados y tratados con cido para hidrolizar enlaces peptdi- dos sobre esta secuencia parcial para identificar clonas o para amplicos y generar pptidos con apenas dos o tres aminocidos. Cadaficar el gen apropiado mediante la reaccin en cadena de polimerasapptido se hizo reaccionar con l-fluoro-2,4-dinitrobenceno (reactivo(PCR) (cap. 39). Una vez que se obtiene una clona de DNA autnticade Sanger), que deriva los grupos a-am ino expuestos de los residuoses posible determ inar su secuencia de oligonucletido, as como 34. 26SECCIN I Estructuras y funciones de protenas y enzimas LA ESPECTROMETRA DE MASAS DETECTA MODIFICACIONES COVALENTES + oHnh 2 A causa de su sensibilidad, rapidez y versatilidad superiores, la es pectrom etra de masas (MS) ha remplazado a la tcnica de Edman como el mtodo principal para determ inar las secuencias de ppti- R dos y protenas. De m odo similar, la modificacin postraduccional Fenilisotiocianato (reactivo de Edman)de protenas mediante la adicin o delecin de porciones carboy un pptido hidrato, o de grupos fosforilo, hidroxilo y otros grupos, aade o sus trae incrementos de masas especficos y fcilmente identificados (cuadro 4-1). De este modo, la espectrometra de masas, que dis tingue molculas con base tan slo en su masa, logra detectar los cambios fsicos comparativamente sutiles en protenas que ocurren durante el ciclo de vida de una clula o de un organismo. En un es pectrm etro de masas simple, de cuadripolo nico, una muestra en un vaco se vaporiza en condiciones en las cuales puede ocurrir pro- tonacin, lo que imparte carga positiva. A continuacin, un campo elctrico impulsa los cationes a travs de un campo magntico, que los desva a un ngulo recto a su direccin de vuelo original y los enfoca sobre un detector (fig. 4-8). Se registra la fuerza magntica necesaria para desviar la va de cada especie inica en el detector, medida como la corriente aplicada al electroimn. Para iones de carga neta idntica, esta fuerza es proporcional a su masa. En un espectr metro de masas por tiempo de vuelo, un campo elctrico aplicado de m anera breve acelera los iones hacia un detector que registra el momento en el cual llega cada ion. Para molculas de carga idntica, la velocidad a la cual se aceleran y, por ende, el tiempo requerido para llegar al detector ser inversamente proporcional a su masa. Los espectrmetros de masas convencionales por lo general son Una feniltiohidantona y un pptidoms corto por un residuo utilizados para determ inar la masa de molculas de 4 000 Da o m e nos, mientras que los espectrmetros de masas por tiempo de vueloFIG U R A 4-7 La reaccin de Edman. El fenilisotiocianato deriva elson idneos para determ inar las masas grandes de protenas. En unresiduo amino terminal de un pptido como un cido inicio, el anlisis de pptidos y protenas mediante espectrometrafeniltiohidantoico. El tratamiento con cido en un solvente no de masas fue obstaculizado debido a varias dificultades para volatihidroxlico libera una feniltiohidantona, que despus se identifica por lizar molculas orgnicas grandes. Si bien las molculas orgnicassu movilidad cromatogrfica y un pptido con un residuo ms corto. pequeas podan vaporizarse con facilidad mediante calentamientoA continuacin se repite el proceso. en un vaco (fig. 4-9), las protenas, los oligonucletidos, etc., queda ban destruidos bajo estas condiciones. Los dos m todos de uso ms frecuente para dispersar pptidos, protenas y otras biomolculasusar el cdigo gentico para inferir la estructura prim aria del poli- grandes hacia la fase de vapor para anlisis con espectrom etra depptido codificado.El mtodo hbrido aum enta la rapidez y la eficacia del anlisisde la estructura primaria, as como el rango de protenas que es CUADRO 4-1 Incrementos de masas originadosposible secuenciar. Tambin evita obstculos, como la presencia de por modificaciones postraduccionales comunesun grupo bloqueador amino term inal o la falta de un pptido de superposicin clave. Slo algunos segmentos de estructura primariaModificacin Incremento de masa (Da)deben determinarse mediante anlisis de Edman.Fosforilacin 80 La secuenciacin de DNA revela el orden en el cual se aadenaminocidos a la cadena polipeptdica naciente, a medida que se sinHidroxilacin 16tetiza en el ribosoma. Sin embargo, no proporciona informacinMetilacin14acerca de modificaciones postraduccionales, como procesamientoproteoltico, metilacin, glucosilacin, fosforilacin, hidroxilacin Acetilacin 42de prolina y lisina, y formacin de enlaces disulfuro que acompaanMiristilacin210a la maduracin. M ientras que la secuenciacin de Edman permitedetectar la presencia de casi todos los eventos postraduccionales, lasPalmitoilacin 238limitaciones tcnicas a menudo impiden identificar una modificaGlucosilacin162cin especfica. 35. CAPTULO 4Protenas: determinacin de la estructura primaria 27 Placas aceleradorasSonda paramuestraTubo de vueloBomba de vaco Salida del detector --- Voltaje ---- FIGURA 4_8 Componentes bsicos de un espectrmetro de masas simple. Una mezcla de molculas,representada por un crculo de color rojo, un tringulo verde y un rombo de color azul, se vaporiza en un estadoionizado en la cmara de muestra. Estas molculas despus se aceleran por el tubo de vuelo mediante unpotencial elctrico aplicado a la rejilla aceleradora (amarillo). Un electroimn ajustable aplica un campo magnticoque desva el vuelo de los iones individuales hasta que golpean el detector. Mientras mayor es la masa del ion, msalto es el campo magntico requerido para enfocarlo sobre el detector.masas son ionizacin por electroaerosol y desorcin y ionizacintomos de helio o argn neutros (disociacin inducida por colisin),mediante lser asistidas con matriz (MALDI). En la ionizacin y determinar las masas de los fragmentos individuales. Dado que losror electroaerosol las molculas bajo anlisis son disueltas en un sol- enlaces peptdicos son mucho ms lbiles que los enlaces entre unente voltil e introducidas en la cmara de muestra en un chorrocarbono y otro, los fragmentos ms abundantes diferirn entre sdiminuto a travs de un capilar (fig. 4-9). A medida que las gotitaspor unidades equivalentes a uno o dos aminocidos. Puesto que,:e lquido salen hacia la cmara de muestra, el solvente se dispersa con las excepciones de 1) leucina e isoleucina, y 2) glutamina ycon rapidez y deja la macromolcula suspendida en la fase gaseosa.lisina la masa molecular de cada aminocido es singular, la seLa sonda cargada sirve para ionizar la muestra. La ionizacin decuencia del pptido puede reconstruirse a partir de las masas de susrectroaerosol a menudo sirve para analizar pptidos y protenas afragmentos.medida que pasan por elucin desde una HPLC u otra columna de;romatografa. En la MALDI, la muestra se mezcla con una matriz :quida que contiene un colorante que absorbe luz, y una fuente de Espectrometra de masasrrotones. En la cmara de muestra, la mezcla se excita usando un en tndem iser, lo que hace que la matriz circundante se disperse hacia la fasede vapor con tanta rapidez que se evita el calentamiento de pptidos Aqu se emplea el equivalente de dos espectrmetros de masas enlao protenas embebidos (fig. 4-9).zados en serie, y ahora permite analizar mezclas de pptidos comLos pptidos dentro del espectrmetro de masas pueden fragplejas, sin purificacin previa. El primer espectrmetro separa ppmentarse hacia unidades de menor tamao mediante coli