2. Bioqumica Conceptos esenciales Elena Feduchi Canosa
Profesora Asociada. Universidad Alfonso X el Sabio. Madrid Isabel
Blasco Castieyra Profesora Asociada. Universidad Alfonso X el
Sabio. Madrid Carlos Santiago Romero Magdalena Profesor Titular.
Universidad Alfonso X el Sabio. Madrid Esther Yez Conde Profesora
Titular. Universidad Alfonso X el Sabio. Madrid Colaboradora
Carlota Garca-Hoz Jimnez Profesora Asociada. Universidad Alfonso X
el Sabio. Madrid Autora del Captulo 10. Sealizacin celular BUENOS
AIRES - BOGOT - CARACAS - MADRID - MXICO - PORTO ALEGRE
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3. A Jess y a mis hijos Marta y Jorge E. F. A mis hijas, Laura
y Luca I. B. A Arantxa C. S. R. Con todo mi amor a mis hijos, Sara
y David. Ellos son la energa que impulsa mi vida. A mi madre,
Victoria. Por su cario y apoyo incondicional. E. Y.
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4. PRLOGO N o tengo muy claro el motivo por el cual los autores
me han elegido para que prologue su obra, aunque entiendo que se
basa en ese intan gible llamado amistad y muy especialmente en el
caso de la Dra. Elena Feduchi, principal impulsora de este libro.
Tampoco creo que sea el prlogo de un texto la parte que ms inters
suscite del mismo, pero siempre hay alguien que lo puede leer y
para ese lector accidental tratar de escribir lo ms ameno y
atildado posible. La palabra prlogo procede del griego, formado por
el prefijo pro (antes) y logo (palabra, expresin) y viene a ser el
discurso que se realiza antes de empezar una obra, a modo de
introduccin. Existen hoy da muchos textos de bioqu mica, por lo
tanto, por qu este libro? Hay varias formas de contestar en fun cin
de los distintos aspectos que se consideren. En primer lugar yo
resaltara la novedad, pues desde el punto de vista conceptual la
obra est perfectamente actualizada. La contrastada experiencia en
investigacin y docencia de los auto res, les ha permito conjugar
los aspectos clsicos de la bioqumica con las lti mas aportaciones
procedentes del campo de la sealizacin celular y de la biolo ga
molecular. Por otro lado, y aunque no comparto la idea de algunos
pedagogos que opi nan que la enseanza tiene que ser simple y
divertida, otro valor del libro es que su lectura resulta fcil y
estimulante, lejos de los clsicos manuales que parecan una elega de
la aridez, confundiendo profundidad con oscurantismo. En este
sentido, el aspecto visual es impecable, pues como deca Einstein,
el cerebro hu mano funciona con imgenes y aqu las distintas
figuras, diagramas y colores, actan en equipo facilitando la
comprensin y resaltando las ideas ms impor tantes. Se trata de una
obra realista, puesto que la aquilatada experiencia docente de los
autores les ha permitido conocer de primera mano las deficiencias
forma- tivas con las que llegan los alumnos a un primer curso de
ciencias biomdicas y las dificultades inherentes que tiene el
profesorado en estas condiciones. Ha sido una gran idea iniciar la
obra con un repaso a las nociones bsicas de qumica y en especial de
qumica orgnica, de la cual poco se imparte en el bachillerato
actual, pues son los fundamentos clave para comprender la
bioqumica. Una idea muy lograda en este libro es asumir el papel
formativo de la bio qumica no slo como antesala conceptual para
asimilar mejor otras asignaturas relacionadas, sino tambin como va
de entrada a ese lenguaje y razonamiento biomdico que deber
acompaar al estudiante durante toda su formacin y desarrollo
profesional. En el fondo, el estudio de la bioqumica se convierte
en una gimnasia intelectual, donde la plasticidad del cerebro de un
estudiante de ciencias de la salud se debe preparar y poner en
forma para los nuevos retos a los que se enfrentar en su vida
acadmica. Por ltimo y no por ello menos importante, la obra se
adeca plenamente a los nuevos programas formativos de grado,
siguiendo las directrices de la refor ma de Bolonia. Los autores
han cursado seminarios de especializacin en estos planes acadmicos
adems de haber ya impartido la asignatura de bioqumica segn el
nuevo sistema. Personalmente soy bastante escptico en la viabilidad
de cualquier reforma en la enseanza universitaria que no se acompae
con cam bios acordes con la formacin dentro del bachillerato, ni en
la enseanza prima www.FreeLibros.com
5. ria e infantil; no obstante, la reforma de Bolonia tiene en
mi opinin aspectos positivos, como el hecho de resaltar la enseanza
basada en problemas y justa mente sta es una de las principales
aportaciones de este libro. Lejos de la tradicional enseanza
enunciativa, el texto Bioqumica. Conceptos esenciales enmarca cada
captulo ante un problema concreto, buscando la moti vacin
intelectual de la bsqueda ms que la disertacin de axiomas. Esta
idea se refuerza con la presencia de ejemplos aplicados, preguntas
de autoevaluacin y ejercicios basados en el razonamiento bioqumico.
Escriba Karl R. Popper, en su tratado Conjeturas y refutaciones: el
crecimiento del conocimiento cientfico, que slo a travs de la
crtica y la deteccin del error es posible el avance del conoci
miento cientfico. Estos son tambin los postulados en los que se
basa esta obra y que deberan constituir la base de su xito para la
enseanza de la bioqumi ca. En los primeros prrafos de esta
disertacin coment el origen del trmino prlogo. Pero tambin podemos
darle otro enfoque etimolgico, como pre vio/antes (pro) a la razn
(logo) y puede que en este caso sea la opcin ms apro piada. El
texto Bioqumica. Conceptos esenciales es fruto del razonamiento
cientfico y del discurso cartesiano en su aplicacin pedaggica, por
eso, adems de las ra zones argumentadas, prevalece un sentimiento
que impulsa a su lectura: la bs queda de ser ms humano. Este libro
se dirige a todos los que pretenden dedicarse, aunque sea en un
breve periodo de su existencia, al estudio de la bioqumica. Y este
dedicarse lo resalto en su acepcin filosfica ms orteguiana, pues
como deca Ortega y Gas- set: lo ms activo que un hombre puede hacer
es no hacer simplemente algo, sino dedicarse a hacerlo. Los dems
seres vivientes viven sin ms. Y es ese senti miento dedicado al que
antes me refera, la definicin ms exacta de lo que pre tendo sea
este prlogo. La bioqumica se basa en la qumica, la cual tiene sus
orgenes en la alquimia del final del Medioevo, donde la bsqueda de
la piedra filosofal era el continuum dedication de aquellos que la
practicaron hasta los tiempos de Isaac Newton. En la definicin ms
comn, la piedra filosofal debera ser una sustancia con pode res
extraordinarios tales que pudiese transmutar los metales pesados en
oro; pero dentro de una visin ms esotrica, casi mstica, sera
aquella actividad que per mitiese desarrollar todas las capacidades
del alma humana. Hoy da sabemos, gracias a los avances de la
neurobiologa molecular, que el desarrollo de las clu las troncales
neurales residentes en el hipocampo puede activarse por estmulos
procedentes de problemas de ndole intelectual y que la plasticidad
de nuestro cerebro (base de la potencia mental), se incrementa por
esos mismos caminos. Tambin ahora sabemos, fruto de la investigacin
en bioqumica y biologa mo lecular, que los seres humanos somos un
99,9% idnticos genticamente, que procedemos todos del corazn de
Africa y que entre nosotros no existen sexos, ni razas inferiores;
es decir, que el machismo y el racismo, por ejemplo, no son
nicamente aberraciones ticas, sino tambin ignorancia, falta de
entender lo que realmente somos. Por eso concluyo que es preciso
estimular la lectura de obras como sta, en las que se presenta la
aventura del conocimiento bioqumi co, pues en la dedicacin a su
estudio se transmutarn las mentes para hacernos ms humanos. Dr. fos
Mara Rojas Cabaeros Jefe del Area de Biologa Celular y del
Desarrollo Instituto de Salud Carlos III. Madrid
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6. PREFACIO E l presente libro est pensado y escrito para
estudiantes que cursan por primera vez la asignatura de Bioqumica
en los actuales grados de cien cias biomdicas o ciencias de la
salud. Los nuevos planes de estudios se fundamentan, desde los
primeros cursos, en una interrelacin entre las ciencias bsicas y
una formacin prctica segn la carrera de eleccin. En la actualidad
se reconoce un papel didctico fundamental a la Bioqumica, ya que en
muchos casos es la nica materia relacionada con las asignaturas de
ciencias bsicas im partidas durante el bachillerato. Uno de los
principales problemas con los que se enfrenta un profesor del
primer curso de Bioqumica es el diferente nivel de formacin de los
alumnos de una misma clase, por ello, hemos tratado de reco ger en
el primer captulo del libro aquellos conceptos bsicos, con especial
aten cin a los relacionados con la qumica, necesarios para
comprender el resto de la materia descrita. El alumno deber
adquirir estos conocimientos para poder adentrarse en el libro.
Muchos de los libros de Bioqumica que existen en el panorama
editorial re cogen de forma exhaustiva la estructura de todas las
molculas, las reacciones y rutas metablicas que tienen lugar en la
clula, as como los niveles de regula cin y control, y su relacin
con las diferentes patologas. En nuestro caso el reto ha sido
adecuar estos conocimientos para que un alumno que se enfrenta por
primera vez a la Bioqumica, los comprenda, y los pueda asimilar.
Adems, podr observar que existe una relacin entre lo aprendido en
este primer curso y el conocimiento que vaya adquiriendo en los
dems; puesto que, por citar algn ejemplo, la fisiologa, la
microbiologa, o la farmacologa, se sustentan en un conocimiento
molecular de los procesos descritos en ellas. Esta es la filosofa
del presente libro, ensear a los alumnos el lenguaje de las
molculas biolgicas. El libro, que sigue una estructura clsica de la
asignatura, se divide en cuatro secciones, y todas comienzan con un
captulo introductorio que pone en con texto biolgico los conceptos
bsicos que se van a desarrollar en dicha seccin. La primera seccin,
dedicada a los Materiales de la clula, comienza con un captulo que
repasa las nociones bsicas de qumica orgnica, y que ayuda a si tuar
los procesos qumicos dentro del contexto celular y fisiolgico. En
esta sec cin se presentan las estructuras qumicas de las
biomolculas, los tipos de enla ces que forman estas macromolculas y
las interacciones dbiles que establecen entre ellas en el ambiente
acuoso de la clula (Captulos 2 al 6). La segunda seccin denominada
La energa y las funciones celulares presenta el desarrollo de los
procesos biolgicos ms caractersticos que tienen lugar en la clula.
Comienza con un captulo dedicado a la bioenergtica (Captulo 7), ya
que todas las funciones celulares deben cumplir las leyes de la
termodinmica y los procesos bioqumicos siempre producen un
intercambio de energa y materia con el entorno. En la mayora de los
libros de bioqumica este captulo se coloca antes de la parte
dedicada al metabolismo; sin embargo, hemos considerado im portante
ubicarlo en esta seccin, ya que es fundamental comprender el concep
to de energa libre y espontaneidad de una reaccin para entender el
proceso de catlisis enzimtica descrito en el Captulo 8 y el
mecanismo de transporte de las molculas a travs de la membrana
(Captulo 9). Una vez expuestos los me canismos de entrada de
sustancias en la clula, la seccin se cierra con un cap tulo
dedicado a la sealizacin celular donde se recogen las principales
molculas www.FreeLibros.com
7. y mecanismos implicados en las vas de comunicacin, es decir,
cmo interac- tan las molculas biolgicas para responder a seales que
determinen el funcio namiento del organismo completo. La tercera
seccin, dedicada al Metabolismo celular, se inicia con un captulo
que sita las reacciones enzimticas dentro de la clula y su vnculo
con la ob tencin y el gasto de energa (Captulo 11). El metabolismo
de los hidratos de carbono (Captulo 12 ) juega un papel central en
la comprensin de las rutas metablicas, y da paso al Captulo 13 que
se dedica al metabolismo intermedia rio, donde se describe el ciclo
de Krebs y la fosforilacin oxidativa, punto de interrelacin de
todas las vas del metabolismo. A continuacin, el Captulo 14 expone
las principales rutas del metabolismo de los lpidos y se cierra la
seccin con el metabolismo de los compuestos nitrogenados (Captulo
15). En todos los captulos se incide en una visin global del
metabolismo, prestando especial atencin al lugar celular donde
transcurre y su localizacin en los principales rganos en los cuales
se llevan a cabo estas vas de degradacin o sntesis. Ade ms, se
sealan los puntos de regulacin que coordinan estos procesos y se
resal tan algunas patologas asociadas con dichas rutas enzimticas.
Por ltimo, la cuarta seccin, denominada Elflujo de la informacin
gentica, comienza con el Captulo 16 donde se define el concepto de
gen, la variabilidad de los genomas en los diferentes organismos y
la estructura de los cromosomas. En esta seccin se describen los
puntos en comn entre los procesos que tienen lugar en organismos
eucariotas y procariotas, pero se remarcan las diferencias y las
ventajas adquiridas en la clula eucariota. El Captulo 17 est
dedicado a los procesos celulares que se encargan de almacenar y
conservar el material heredita rio, y el ltimo captulo del libro
(Captulo 18) esboza los mecanismos de expre sin (transcripcin y
traduccin) y regulacin de la informacin gentica. Es importante
tener en cuenta que, en muchos grados, estos temas pueden estar
englobados en otra asignatura, por ejemplo, Biologa celular y
molecular o en una asignatura de Gentica, por lo que no siempre es
materia impartida en un primer curso de Bioqumica. Sin embargo,
parece imposible separar el papel de la expresin gnica de la
regulacin de los procesos enzimticos, siendo funda mental para la
comprensin del funcionamiento de los procesos bioqumicos de la
clula, lo que proporciona cada vez ms las claves de gran cantidad
de patolo gas asociadas a una alteracin bioqumica. Nuestros alumnos
han tenido una importante labor oculta en este libro; ya que el
trabajo y las dificultades de cada da en el aula nos han ayudado a
elegir la manera ms rigurosa, pero a la vez ms sencilla y, por lo
tanto, eficaz, de expo ner una materia como la Bioqumica.
Agradecemos cada una de sus dudas plan teadas en clase, ya que con
ellas nos incitan a explicar de forma comprensible una materia
compleja, y nos han enseado a hacerlo cada vez mejor a lo largo de
nuestros aos de docencia. Esperamos, con este libro, ofrecer al
alumno el mate rial para trabajar el conocimiento razonado, el
anlisis y la comprensin de los fundamentos esenciales, y su
aplicacin en las materias que ir cursando a lo largo de su formacin
universitaria. Los autores www.FreeLibros.com
8. AGRADECIMIENTOS E ste proyecto se ha podido materializar en
un libro de texto de Bioqumi ca gracias a la confianza que
Editorial Mdica Panamericana deposit desde un comienzo en nosotros.
Queremos agradecer a todas las personas de los diferentes
departamentos de la editorial su incondicional apoyo en cada una de
las mltiples etapas que conlleva el proceso de elaboracin de un
libro y, en particular al Dr. Horacio Argente, quien siempre nos ha
estimulado y guiado en el difcil proceso de elaboracin de un
material docente. De forma muy espe cial, queremos destacar el
trabajo de Beln Snchez y Alicia Pizarro quienes, con sus
sugerencias y consejos, han ayudado en todo momento a mejorar la
obra. Ellas, junto con el resto del Departamento de Produccin
Editorial, han logrado que durante el largo y difcil proceso de
produccin del libro siempre nos haya mos sentido acompaados. Sin
todos ellos, nunca nos hubiramos atrevido a iniciar un proyecto de
estas caractersticas, ni por supuesto lo hubiramos podi do
finalizar. Tambin queremos agradecer a Rebeca Irazbal y Pedro
Gonzlez-Elipe el gran esfuerzo realizado en la elaboracin de las
figuras. Contar con el trabajo de Alicia Irurzun en la lectura
tcnica y la revisin cientfica minuciosa de toda la obra, ha sido
fundamental, ya que sin su visin detallada y crtica no se hubiera
podido conseguir una unificacin y coherencia en todos los captulos.
Un libro de estas caractersticas necesita una revisin de colegas y
expertos, por lo que queremos agradecer sinceramente al Dr. Miguel
de Castro y a la Dra. Marta Muoz Hernndez la revisin cientfica del
captulo 1 y del captulo 7, y al Dr. Jos Luis de la Pompa la ayuda
prestada a la bsqueda del material grfi co en el Protein Data Bank.
En cuanto a la elaboracin de las cuestiones y ejerci cios
planteados, agradecemos su colaboracin al Dr. Jos M a Rojas, con el
que compartimos la idea de reforzar el razonamiento crtico de la
bioqumica. www.FreeLibros.com
9. r PRESENTACIN DE LA OBRA Cada captulo sigue una estructura
uniforme. O En la primera pgina se destaca el ndice de contenidos,
los objeti vos del aprendizaje para el alumno y un recuadro que
sita el tema que se va a tratar en relacin con los dems captulos
del libro. O El desarrollo del captulo se inicia con una
introduccin y luego se divide en enunciados concisos que se
subdividen en frases que incitan a la lectura y dan una idea de lo
que se describir a conti- O El apoyo grfico es importante en una
asignatura como la Bioqu mica, ya que es necesario plasmar los
contenidos en frmulas qu micas, smbolos o grficos. Se trata de
resaltar lo ms relevante, lo esencial para comprender lo explicado
en el libro. & Q CONTENIDOS o Introduccin o Los nucletidos o
Estructura y funcin del DNA o Estructura y funcin del N UCLEOTIDOS
Y ACIDOS N UCLEICOS O OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Conocer la
estructura y la composicin qumica de los nucletidos. o Comprender
la naturaleza qumica y la funcin de los cidos nucleicos presentes
en las clulas, o Relacionar la estructura del DNA con su funcin, o
Conocer la variedad de molculas de RNA existentes en las clulas, o
Conocer las funciones celulares de distintos nucletidos que no for
man parte de los cidos nucleicos, o Valorar la importancia del ATP
como moneda energtica de la clula. Este captulo cierra la seccin
dedicada al estudio de tas biomo- lculas que forman parte de la
materia viva. Con ello se com pleta el anlisis de los principales
constituyentes de los seres vi vos, lo que permite afrontar
adecuadamente el resto de seccio nes del libro. Los cidos nucleicos
(DNA y RNA) son las molculas encargadas del almacenamiento,
transmisin y expresin de la informacin gentica. A lo largo del
presente captulo se analiza la estructu ra y composicin qumica de
sus constituyentes, los nucletidos, as como otras funciones que
stos pueden desempear. Es muy importante comprender la naturaleza
qumica de los cidos nu cleicos para relacionar su estructura con su
funcin en la clula. De igual forma, el estudio del ATP como moneda
energtica de la clula, resulta imprescindible para la comprensin
del meta bolismo celular. El conocimiento de la estructura y funcin
de los cidos nu cleicos permite comprender el flujo de la
informacin genti ca, tema del que se ocupa la Seccin IV de este
libro (Captulos Poli- sacridos cidos nucleicos Lpidos
LpidosProtenas Nucle tidos Am ino cidos Monosa- cridos Glicerol
Glucosa Gliceraldehdo-3-fosfato Piruvato A cetir CoA . Mitocondria
Ciclo de Krebs NADH FADH2 Transporte de electrones y fosforilacin
oxidativa Anabolismo Flujo de e NHCOCHj D-Glucuronato
N-Acetil-D-glucosamina cido hialurnico NHCOCH3 | D-Glucuronato
N-Acetil-o- 1 galactosam ina-4-sulfato Condroitn-4-sulfato
----------------------------------------------------------> O Se
utiliza un cdigo de colores a lo largo del libro: el color verde
para las tablas, el azul para los recuadros explicativos, el
naranja para los conceptos clave y el ejercicio resuelto y, por
ltimo, las figuras que van a todo color. Tabla 8-1. Clasificacin de
las enzimas segn la reaccin catalizada Clase subclase 1.
Oxidorreductasas Deshidrogenasas, oxidasas, reductasas,
peroxidasas, catalasa, oxigenasas, hidroxilasas 2. Transferasas
Transaldolasas y transcetolasas, fosforiltransferasas, quinasas,
fosfomutasas 3. Hidrolasas Esterasas, glucosidasas, peptidasas,
fosfatasas, tiolasas, fosfolipasas, amidasas, desaminasas,
ribonucleasas 4. Liasas Descarboxilasas, aldolasas, hidratasas,
deshidratasas, sintasas, [asas 5. Isomerasas Racemasas, epimerasas,
isomerasas, mutasas 6. Ligasas Sintetasas, carboxilasas
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10. XIII ... CONCEPTOS CLAVE sangrejunto con diversas a >Las
lipoproteinas permiten el transporte de los diversos lpidos
procedentes de la dieta, as como de los lpidos endgenos, a los
distintos tejidos: principalmente adiposoy muscular en el caso de
los cidos grasos y triacilglicri- dos. y al hgado y a otros tejidos
perifricos en el caso del colesterol. >La cido graso sintasa.
sintetiza el cido palmtico del q >Los triacilglicridos sirven de
almacn de energa y se s ) La movilizacin de las grasas se realiza a
travs de la l para llegar a los tejidos que usarn los cidos grasos
co via activacin y transporte a la mitocondria. ir todos los cidos
grasos. s de la lipognesis. proceso muy importante d funcin
estructural en las Se resaltan en forma de recuadros temas que
ayudan a comprender o profundizar determinados conceptos. Tambin se
presta especial atencin a los temas relacionados con situaciones
clnicas o nuevas investiga ciones que ilustran al lector la gran
trascen dencia de la Bioqumica en el desarrollo y el avance de los
temas relacionados con la salud. Eit'mjrv el
p(puntowctctrico)deeitepolipptxloveencuentrap< SOLUCIN
tintolosgruposcidoscomolosbsicosseencuentranprotonadoi. tal Lys
ArjLeu-ProCys-Trp-Val-LeuPhe-Glu AspT (CH,), (CH,), (CH,)< CH, l
polipptidoseriaiguala O Se destacan los conceptos o puntos clave en
los mrgenes de cada pgina, y al final del captulo se presenta un
resumen que ayuda al alumno a fijar las ideas importantes. Estos
conceptos clave desarro llan en el alumno la capacidad de anlisis y
sntesis. Hemoglobina A Hemoglobina S (normal) (defectuosa) Recuadro
5-1. La anemia falciforme: una enfermedad causada por la sustitucin
de un nico aminocido en (a molcula de hemoglobina La anemia
falciforme sirve de ejemplo para comprobar la importancia de la
situacin de ciertos aminocidos en la estructura y funcin de las
protenas. La enfermedad se produce por una variacin en un nico
aminocido de las cadenas p de la hemoglobina, la protena encargada
de transportar el oxgeno en la sangre (vase estructura en la figura
5-13). Una mutacin hace que el residuo Glu 6 de la hemoglobina
normal sea sustituido por una Val en los individuos enfermos. La
sustitucin de un aminocido con carga negativa por uno apolar
produce un cambio en la conformacin de la hemoglobina desoxigenada
que hace que las molculas de hemoglobina defectuosa (hemoglobina S)
presenten una zona hidro- fbica en su superficie. Esto permite que
se creen interacciones entre varias molculas, que se agregan
formando fibras insolubles responsables de la deformacin de los
eritroci tos, que adquieren forma de hoz. Esta enfermedad es ms
frecuente en frica que en otros continentes y la investigacin sobre
la causa de esa elevada incidencia llev a conocer que los
individuos que la padecen presentan una mayor resistencia a la
malaria. La causa de esta resistencia se debe a la impo sibilidad
del parsito de reproducirse en los eritrocitos ms frgiles de los
individuos con anemia falciforme. O ^ kC) A Imagen de microscopio
electrnico de barrido que revela las diferencias morfolgicas entre
un eritrocito normal y alterado en una muestra de sangre de un
paciente con anemia falciforme. Por cortesa de Janice Haney Carr
CDC/Sckle Cell Foundation of Georgia. Interaccin entre molculas I
Formacin de las cadenas O Se hace especial hincapi en la resolucin
de ejercicios, problemas o cuestiones, que ayudan a guiar al alumno
en un razonamiento crtico. Esto lleva a un aprendizaje autnomo,
pilar fundamental sobre el que se basa la nueva forma de enseanza
del Espacio Euro peo de Educacin Superior. Comprender y saber
aplicar el mtodo cientfico a cualquier problema o situacin en un
contexto biolgi co, har que el alumno que supere este curso de
Bioqumica pueda enfrentarse de forma ms razonada y crtica a
cualquiera de los pro blemas y situaciones que se le planteen en su
carrera profesional. O Preguntas de autoevaluacin tipo test, que
cierran el captulo. SITIO WEB para el docente: Indice de contenidos
y objetivos de aprendizaje de cada cap tulo. Todas las imgenes y
tablas del libro en formato jpg. Resmenes de los conceptos clave.
Herramientas para evaluacin del alumno. El docente podr disponer de
este material de apoyo para impartir las clases en
www.bioquimicafeduchi.com www.FreeLibros.com
11. INDICE Prlogo
.......................................................................................................................................................
VII Prefacio
......................................................................................................................................................
IX A g rad ecim ien to
s.................................................................................................................................
XI Presentacin de la obra
..............................................................................................................
XII SECCIN I. LOS M ATERIALES DE LA CLULA CAPTULO 1. Las bases de
la bioqumica
............................................................. 3
CAPTULO 2. Hidratos de carbono
..........................................................................
23 CAPTULO 3. Lpidos
...........................................................................................................
41 CAPTULO 4. Aminocidos y enlace peptdico
................................................ 57 CAPTULO 5.
Protenas
......................................................................................................
75 CAPTULO 6. Nucletidos y cidos nucleicos
................................................... 93 SECCIN II.
LA ENERGA Y LAS FUNCIONES CELULARES CAPTULO 7. Bioenergtica
............................................................................................
113 CAPTULO 8. Enzimas y catlisis
.................................................................................
131 CAPTULO 9. Membranas biolgicas y
transporte......................................... 159 CAPTULO 10.
Sealizacin celular
...........................................................................
175 SECCIN III. EL METABOLISMO CELULAR CAPTULO 11. Introduccin al
metabolismo ................................................... 199
CAPTULO 12. Metabolismo delos hidratos de
carbono.......................... 213 CAPTULO 13. Rutas centrales
del metabolismo intermediario .......... 237 CAPTULO 14.
Metabolismo delos lpidos
.......................................................... 255
CAPTULO 15. Metabolismo delos compuestos nitrogenados ............
279 SECCIN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIN GENTICA CAPTULO 16. Genes
y genomas
...............................................................................
303 CAPTULO 17. Replicacin y reparacin del DNA
......................................... 323 CAPTULO 18. Expresin
y regulacin gnica
................................................... 343 B ib lio g
ra fa
...............................................................................................................................................
363
Soluciones..................................................................................................................................................
365 ndice an altico
......................................................................................................................................
373 www.FreeLibros.com
12. I. LOS MATERIALES DE LA CLULA Las bases de la bioqumica % i
j Hidratos de Carbono Lpidos Aminocidos y enlace peptdico Protenas
Nucletidos y cidos nucleicos www.FreeLibros.com
13. LAS BASES DE LA BIOQUMICA Q CONTENIDOS o Introduccin o
Fundamentos qumicos o El agua como principal disolvente biolgico o
Las reacciones qumicas en la clula o El contexto celular Q
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Identificar los tomos que forman parte
de la materia biolgica y sus caractersticas o Reconocer las
caractersticas que determinan el orden de los elemen tos qumicos en
la tabla peridica o Saber establecer los enlaces entre tomos que
forman molculas o Diferenciar las molculas polares y apolares y su
capacidad de interac- cionar en un medio acuoso o Identificar los
grupos funcionales que portan las molculas biolgicas y su
reactividad o Conocer el papel del pH en la reactividad de los
grupos cido y base o Nombrar los tipos de enlaces de condensacin
que se establecen en tre las biomolculas y sus niveles de
oxidacin-reduccin Este primer captulo rene aquellas nociones bsicas
necesarias para entender una materia como la bioqumica.
Posiblemente, todos estos conceptos habrn sido estudiados por
cualquier lec tor que comience un curso de estas caractersticas,
sin embargo, existe el riesgo de que puedan haber quedado algo
olvidados o confusos. Este captulo pretende aclarar y situar en un
contexto biolgico aquellos conceptos y fundamentos necesarios para
una correcta comprensin de la bioqumica y su aplicacin a las
ciencias de la salud. A lo largo del libro se volvern a tratar en
mayor profundidad muchos de los puntos descritos en este primer
captulo, y en algunos casos, el lector podr volver a l a modo de
consulta o repaso. www.FreeLibros.com
14. 4 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA O
INTRODUCCIN________________________________________________________
El objetivo de la bioqumica es explicar en trminos qumicos las
estructuras y las funciones de los seres vivos. Comprender la
qumica de las biomolculas es un paso previo para saber qu
estructura tienen, cmo interaccionan, y por lo tanto, cul es su
funcin biolgica. Este captulo se limita a describir los conceptos
fundamentales de la qumica orgnica para poder comprender las
caractersticas de los compuestos bioqumi cos y su reactividad.
Habitualmente, se considera la qumica orgnica como la qumica del
carbono y de sus compuestos, aunque tambin se tratan algunos
compuestos inorgnicos sencillos como los xidos, los carburos y los
carbonatos. Es importante tener en cuenta que la qumica del carbono
constituye la base de la qumica de los seres vivos. Hay que conocer
bien los elementos qumicos que componen los seres vivos, comprender
todos los parmetros necesarios para que se desarrolle la vida, la
necesidad de la presencia del agua y del oxgeno, y las
caractersticas termodinmicas que definen un sistema biolgico. O
FUNDAMENTOS QUMICOS Nmero atmico (Z): nmero de protones. cf.Nmero
msico (A): masa rela tiva del tomo respecto a la del hi drgeno. Es
la suma de neutrones y protones. Antiguamente se denomi naba peso
atmico. Istopo: tomo de un mismo elemento con diferente nmero de
neutrones en su ncleo. Todos los istopos de un mismo elemento tie
nen el mismo Z. Los istopos pueden ser estables o radiactivos. tomo
(del latn, atomus, y ste del griego, ro/j.og: indivisible). A: Nm
ero m sico Nmero msico Figura 1-1. Ejem plo de representacin de dos
elem entos qum icos de la tabla pe ridica. La materia est
constituida por tomos La unidad fundamental de la materia es el
tomo, una partcula de tamao muy reducido (del orden de 1 CT8cm), a
su vez constituida por subpartculas: protn, neutrn y electrn, cuyos
valores de carga y masa se muestran en la tabla 1-1. Tabla 1-1.
Caractersticas de las partculas atm icas Partcula Carga (culom
bios) Masa (gramos) Electrn 1,6 1019 negativa 9,1 ic r 28 Protn 1,6
1019 positiva 1,67 1(T24 Neutrn 0 1,67 1024 En condiciones
normales, los tomos no presentan carga neta: su nmero de protones y
electrones es el mismo. Sin embargo, existen tomos cargados, deno
minados iones, con una diferencia de carga. Si pierden electrones,
los tomos presentarn mayor nmero de protones que de electrones y su
carga ser positi va y formarn cationes; y, si los ganan, tendrn
mayor nmero de cargas negati vas y constituirn aniones. Los
protones y neutrones se localizan en el ncleo del tomo, en el que
se concentra casi toda la masa. Los electrones se encuentran
alrededor de ste en los orbitales atmicos que se describen ms
adelante. Cada elemento qumico est formado por un tipo de tomo que
se diferen cia en el nmero de protones presentes en el ncleo; este
nmero atmico (Z) define a cada elemento (Fig. 1-1). Sin embargo, un
mismo elemento puede va riar en su nmero de neutrones, lo que
determina la existencia de los istopos, que son distintas formas
atmicas de un mismo elemento que se diferencian en su masa. Los
orbitales atmicos quedan definidos por los nmeros cunticos Los
electrones se localizan en orbitales atmicos, que son las zonas que
rodean al ncleo donde existe la mxima probabilidad de encontrar
estos electrones. Para cada tomo concreto existe un nmero definido
de orbitales que se carac terizan por poseer una determinada energa
potencial. Sin profundizar en los clculos matemticos que los
determinan, podemos afirmar que cada orbital queda definido por un
conjunto de tres nmeros, denominados nmeros cunticos:
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15. CAPTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUMICA 5 1. El primero,
conocido como nmero cuntico principal (representado por la letra n)
describe el tamao y la energa del orbital. A medida que aumenta su
tamao, lo hace su energa y su distancia al ncleo. As, exis ten
orbitales 1 , 2 , 3 ... 2. El segundo (representado con la letra 1)
se conoce como nmero cunti co azimutal. Representa un subnivel de
energa y define la forma geom trica del orbital (esfrico, lobulado,
etc.). Se representan con las letras s, p, d y f. 3. Un tercer
nmero, denominado nmero cuntico magntico (ruj), defi ne la
orientacin en el espacio si se fijan unos ejes de referencia
arbitrarios (x, y, z). Por ejemplo, el orbital tipo p, puede ser
px, py y pz. Por tanto, estos tres nmeros definen perfectamente los
orbitales atmicos respecto a su energa, tamao, forma y orientacin
espacial. Los electrones se distribuyen en estos orbitales
siguiendo varios principios. En primer lugar, los electrones ocupan
inicialmente los niveles de energa ms bajos. Adems, hay que tener
en cuenta que cada orbital alberga un mximo de dos electrones. Por
ltimo, cuando existen varias posibilidades de localizacin en
subniveles de la misma energa, los electrones ocupan subniveles
separados, segn el principio de mxima multiplicidad. Por ejemplo,
en el caso de los orbi tales p, si hubiera tres electrones se
dispondra uno en cada subnivel: p', py, p. Teniendo en cuenta esta
distribucin, es necesario un cuarto nmero que permita identificar
los dos electrones de un mismo orbital: el nmero de spn, que
refleja el movimiento de los electrones respecto a un eje
imaginario en un campo magntico. Debido a la dificultad de dibujar
los orbitales atmicos, se utiliza una aproxi macin simplificada de
representar la configuracin electrnica a modo de cajas que se irn
rellenando de menor a mayor nivel energtico segn el nmero de
electrones que tenga el elemento (Fig. 1-2). Qu determina el orden
de los elementos en la tabla peridica? En la figura 1-3 se muestra
una tabla peridica en la que se sealan solamente los elementos
qumicos presentes en los seres vivos. La posicin de cada elemen to
en la tabla revela sus caractersticas. Cada celda de la tabla
peridica contiene un elemento identificado con un smbolo, el nmero
msico y el nmero atmico. El orden de los elementos en la tabla
peridica viene determinado por dos ejes: uno, horizontal (perodos);
y otro, vertical (grupos) (Fig. 1-4). Los elementos se ordenan en
un perodo, de izquierda a derecha, segn aumenta su nmero de
protones y, por lo tanto, de electrones si el tomo es neutro. Al
terminar el perodo, se habr completado la ltima capa o nivel de
energa de ese perodo, y se comienza a colocar en el si guiente. El
ltimo elemento de cada perodo tiene completo su ltimo nivel de
energa y se denomina gas noble. nmero atmico Orbitales atmicos:
regiones en el espacio donde existe la ma yor probabilidad de
encontrar elec trones. Niveles de energa: los electro nes van
ocupando los niveles de menor a mayor energa. En cada ni vel puede
haber ms de un orbital. En cada orbital, definido por los tres
nmeros cunticos, solo puede ha ber un mximo de dos electrones. m m
m---- ----- ----- Nivel de energa 2 Ti Nivel de energa 1 Nitrgeno,
N 1s2 2s2 2p3 Ti Nivel de energa 2 Ti Nivel de energa 1 Oxgeno, O
1s2 2s2 2p4 Figura 1-2. Configuracin electrnica de los tomos de
nitrgeno y oxgeno. Se muestra la forma de los orbitales y la repre
sentacin a modo de cajas, as como los ni veles de energa que ocupan
los electrones. c L elementos pertenecientes a un mismo grupo
tienen el mismo nmero de electrones en la ltima capa (capa de
valencia). 11 Na ir K 12 Mg 20 Ca 25 26 5 B 6 c 7 N 8 o 9 F 1 14 S
15 P 16 s 17 Cl 27 Co 28 Ni 29 30 Cu Zn 34 Se d i o s elementos
pertenecientes a un mismo perodo tienen el mismo nivel de energa
(n). Figura 1-3. Tabla peridica donde se indi can los elem entos
qum icos presentes principalm ente en los seres vivos.
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16. 6 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA Figura 1-4.
Caractersticas que determ i nan el orden de los elem entos de un pe
rodo y de un grupo dentro de la tabla peridica. A lo largo del
perodo, de iz quierda a derecha, aumenta el nmero de electrones en
la ltima capa hasta completar un nivel de energa. Al descender en
un gru po, se aumenta un nivel de energa, pero to dos los elementos
que pertenecen a un gru po tienen el mismo nmero de electrones en
la ltima capa. c f u valencia de un determinado elemento qumico se
puede definir como su capacidad de combinacin, y es un dgito que
indica el nmero de enlaces con que el elemento in terviene en el
compuesto. Por ejem plo, la valencia del carbono es cua tro, y podr
formar cuatro enlaces. d i a electronegatividad se puede definir
como la tendencia que pre sentan los tomos a atraer hacia s el par
de electrones compartido. Grupo 1 Hidrgeno Perodo 1 Perodo 2 Perodo
3 Los elementos se combinan y forman molculas Un elemento es ms
estable cuanto ms se aproxima a una configuracin electrnica en que
sus orbitales estn completos. Salvo casos excepcionales, los tomos
tienden a asociarse formando molculas o agregados atmicos. La unin
entre los tomos se establece a travs de enlaces qumicos, y estos
nuevos agre gados poliatmicos (molculas) se comportan como unidades
elementales de nuevas sustancias. A veces se asocian dos tomos
iguales (como en la molcula de oxgeno, 0 2). Las molculas que estn
constituidas por tomos de diferentes elementos se denominan
compuestos (como, por ejemplo, la molcula de agua, formada por dos
tomos de hidrgeno y uno de oxgeno: H20 ). La mayor parte de las
reacciones qumicas proceden de la formacin y ruptu ra de enlaces
qumicos, por lo que resulta necesario conocer la naturaleza de es
tos enlaces. La configuracin electrnica de cada elemento es la que
va a determinar su reactividad. Los electrones de las ltimas capas,
que ocupan los niveles de ma yor energa, son los que van a
participar en las reacciones qumicas y se conocen como electrones
de valencia. Para entender la formacin de los enlaces resulta til
la regla del octeto que se basa en el comportamiento qumico de los
denominados gases nobles. Estos elementos tienen poca tendencia a
reaccionar qumicamente debido a que su configuracin electrnica se
caracteriza por tener completa su ltima capa (la capa de los
electrones de valencia, que posee ocho electrones, a excepcin del
helio, que posee dos). Segn esta regla del octeto postulada por
Lewis, los tomos son ms estables cuando consiguen ocho electrones
en la capa de valencia. Esto puede represen tarse de forma sencilla
utilizando la notacin de Lewis, mediante el smbolo qumico de cada
elemento rodeado por puntos que representan los electrones de
valencia (Recuadro 1-1). Antes de estudiar los enlaces hay que
definir una propiedad de gran impor tancia a la hora de explicar su
formacin y sus posteriores caractersticas: la elec tronegatividad,
que es la tendencia que tienen los tomos de atraer hacia s el par
de electrones compartido. Cuanto mayor sea el nmero de electrones,
ms fcil ser completar su lti ma capa; por lo tanto, los tomos que
tengan ms electrones en su ltima capa son ms electronegativos. En
el caso de los elementos presentes en los seres vi vos, el oxgeno y
el nitrgeno son ms electronegativos que el carbono y el hi drgeno,
que poseen una electronegatividad semejante (vase Fig. 1-4). Cuando
los tomos que reaccionan poseen una elevada electronegatividad, el
enlace se forma porque ambos elementos comparten sus electrones de
valencia hasta completar su ltima capa: este tipo de enlace,
denominado enlace cova- lente, es el que se da principalmente en
las molculas biolgicas. En el enlace covalente no hay una
transferencia de electrones completa, como ocurre en el enlace
inico (Fig. 1-5). De la combinacin de los dos orbitales atmicos
surge www.FreeLibros.com
17. CAPTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUMICA 7 Recuadro 1-1. La
regla del octeto El mtodo de Lewis permite explicar de forma simple
algunos enlaces; postula que los elementos que se sitan prximos a
los gases nobles tienen tendencia a captar, ceder o compartir
electrones hasta completar los ocho electrones que caracterizan a
los gases nobles. Segn esta regla del octeto, los tomos son ms
estables cuando consiguen ocho electrones en la capa de valencia
sean pares solitarios o compartidos mediante un enlace covalente.
En cada enlace covalente simple, cada tomo de la unin aporta un
electrn; por lo tanto, al di bujar un diagrama o estructura de
Lewis, hay que evitar asignar ms de ocho electrones a cada tomo.
Sin embargo, hay algunas excepciones. Por ejemplo, el hidrgeno
tiene un slo electrn en su capa de valencia, la cual puede aceptar
como mximo dos electrones; por eso, solo puede compartir su electrn
con un tomo formando un nico enlace. Por otra parte, los tomos no
metlicos, a partir del tercer perodo pueden formar octetos
expandidos; es decir, pueden contener ms de ocho electrones en su
capa de valencia, por lo general, colocando los electrones extra en
subniveles. tom o Nm ero de electrones no apareados (en rojo) Nm
ero de electrones en la capa externa com pleta H- 1 2 H- + H-
-----> H :H H -H Dihidrgeno : 2 8 : 0 + 2 H- -----> : :H H 0
- H I H Agua : 3 8 : + 3 H- -----> H :N :H H h n ; n - h H Am
onaco C* 4 8 C- + 4 H- -----> H H :C :H H H I H - C - H l H
Metano :S- 2 8 :S- + 2 H- ---- > 'S : H H S - H I H Sulfuro de
hidrgeno :P- 3 8 3 H + :P + 4 0 : -----> H : 9 : .. !0 :: P ; 0
: H = O : H OH I O - P - O H i OH cido fosfrico tomos tomos Figura
1-5. Representacin de un enlace covalente, donde los electrones de
dos tomos que forman el enlace se com par ten, y de un enlace
inico, donde un electrn se transfiere de un tomo a otro, form ando
iones. 0 i Molcula Enlace covalente /*" 0 'N ion ion positivo
negativo Enlace inico un orbital molecular que determinar las
caractersticas de la unin. Los orbita les moleculares pueden tener
menor energa que los orbitales atmicos de parti da, lo que lleva a
una estabilizacin del sistema que favorece su formacin. Este tipo
de orbital estable se conoce como orbital enlazante. O pueden
presentar www.FreeLibros.com
18. 8 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA ( l a hibridacin sp3
permite al carbono establecer cuatro enlaces covalentes. t f u n
enlace coordinado es un enlace covalente en el que los dos
electrones compartidos los aporta el mismo tomo. d Se produce un
dipolo cuando un par de cargas elctricas de la mis ma magnitud pero
opuestas, estn separadas por cierta distancia (gene ralmente
pequea). Figura 1-6. Hibridacin del tomo de car bono. (a)
Estructura tetradrica de un to mo de carbono; (b) forma y ngulos de
los orbitales hbridos; y (c) configuracin elec trnica. mayor energa
que los orbitales atmicos de partida, lo que provoca una desesta
bilizacin. Este tipo de orbitales se denomina orbitales
antienlazantes y no fa vorecen la formacin del enlace. La
distribucin especfica de los electrones dentro de una molcula se
deno mina configuracin electrnica. En condiciones normales, esta
distribucin se caracteriza por poseer la mnima energa potencial
posible y entonces se dice que la molcula est en su estado basal o
fundamental. Pero existen otras alter nativas de mayor energa
potencial; en este caso, la molcula posee una mayor energa
potencial y se dice que se encuentra en un estado excitado.
Orbitales hbridos. La tetravalencia del carbono Para los elementos
del segundo perodo de la tabla peridica, entre los que se
encuentran el carbono (C), el nitrgeno (N) y el oxgeno (O), los
orbitales s y p de la ltima capa estn tan prximos en su nivel de
energa que pueden interac- cionar formando orbitales hbridos que
combinan caracteres de ambos orbita les. Estos orbitales hbridos
consiguen que el elemento forme el mayor nmero de enlaces posible,
mientras que mantiene la mayor distancia entre ellos para minimizar
las fuerzas de repulsin. Los orbitales hbridos formados por el
carbo no son los ms estudiados y explican la naturaleza de sus
enlaces con otras mol culas (Fig. 1-6). Enlace covalente coordinado
o dativo En los enlaces covalentes estudiados hasta ahora cada
electrn del par de electro nes compartido lo aporta uno de los
tomos que participa en el enlace. Sin em bargo, en algunos casos,
el par de electrones compartido procede exclusivamente de uno de
los tomos, mientras que el otro aporta un orbital vaco. El
resultado es una molcula con carga positiva que procede del tomo
que aporta el orbital sin electrones, y, por lo tanto, con mayor
nmero de protones. Para que se for me este tipo de enlace, un tomo
tiene que tener un par de electrones sin enlace, es decir un par
solitario en su nivel ms externo (como ocurre en el oxgeno y el
nitrgeno), y el otro debe disponer de un orbital vaco (como en el
caso de pro tn: H+) (Fig. 1-7). Polaridad y enlaces polares Cuando
dos tomos de electronegatividades muy diferentes forman un enlace
covalente, los electrones no son compartidos en igual medida por
los dos to mos, de forma que sern atrados con ms fuerza por el ms
electronegativo. En este caso se forma un enlace covalente polar
(Fig. 1-8), en el que el tomo ms (c) H E lE D b u b promocion Ti
Carbono C 1s2 2s2 2p2 hibridacin 1s2 2sp3 www.FreeLibros.com
19. CAPTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUMICA 9 electronegativo
presenta una mayor densidad de carga negativa (representada como
5), mientras que el otro adquiere una densidad de carga positiva
(repre sentada como S+) provocada por la ausencia del electrn que
neutralizaba la car ga positiva del ncleo. El resultado es la
formacin de un dipolo, es decir, dos cargas de signo opuesto
separadas por una distancia determinada. Este tipo de enlaces va a
ser muy importante a la hora de entender las interacciones no cova
lentes que pueden darse entre diferentes molculas. La molcula de
agua presen ta enlaces covalentes polares, fundamentales para
explicar la solubilidad de las diferentes molculas biolgicas en
agua. Los grupos funcionales determinan las interacciones entre
biomolculas Las mltiples posibilidades que tiene el tomo de carbono
para formar molcu las diferentes viene determinada por la capacidad
de formar cuatro enlaces con ngulos muy abiertos, adems de ser
enlaces covalentes no polares y, por lo tan to, muy estables. As,
las molculas biolgicas pueden formar largas estructuras lineales,
ramificadas e incluso cclicas, muy firmes. Sin embargo, debido a
que la unin entre carbono e hidrgeno es de naturaleza no polar, ser
necesaria para las molculas biolgicas presentes en un medio polar
como el agua la cola boracin de otros tomos que les permitan formar
y romper enlaces, haciendo que estas molculas sean ms reactivas.
Una molcula viva o biomolcula debe estar en constante cambio; y as
formarn asociaciones muy importantes, bien entre ellas o con el
agua, ya que ste es el medio en el que se van a encontrar
principalmente. Los elementos qumicos fundamentales en la
reactividad de las biomolculas van a ser el O y el N, ambos tomos
electronegativos, que harn reaccionar en tre s a las molculas que
los porten. En las diferentes biomolculas de los seres vivos se
encuentran, de forma re currente, una serie de grupos funcionales.
La naturaleza de estos grupos es de terminante en el funcionamiento
de la molcula biolgica; tanto para el estable cimiento de enlaces
covalentes entre molculas y la formacin de biopolmeros, o
macromolculas, como para la asociacin e interaccin mediante enlaces
dbi les entre ellas y con el medio. En el recuadro 1-2 se detallan
los principales grupos funcionales presentes en las molculas
biolgicas; en el siguiente apartado, donde se van a describir las
interacciones dbiles, se dan las claves para reconocer el papel que
juegan estos grupos funcionales dentro de las grandes macromolculas
celulares y as poder entender su comportamiento biolgico.
Electrones forman enlace coordinado con el protn ;n :- H n amonio
Figura 1-7. Enlace covalente coordinado dativo en la form acin del
in amonio. ( l o s grupos funcionales son las diferentes
asociaciones entre tomos que proporcionan caractersticas
funcionales a las molculas. Las interacciones dbiles determinan la
funcin de la molcula Todo proceso biolgico se produce gracias a las
interacciones dbiles estableci das entre molculas. Las molculas
deben interaccionar para comenzar una ac cin, y posteriormente
separarse. Tanto la unin y reconocimiento nico entre una enzima y
un sustrato, o de un receptor y su ligando, como el proceso de
replicacin y transcripcin del DNA, todos ellos son procesos que
tienen lugar gracias a una determinada orientacin y unin entre las
molculas implicadas. Estas interacciones son dbiles, pero la suma
de muchas de ellas en la posicin enlace covalente polar enlace
inico Figura 1-8. Diferencia de polaridad en los enlaces covalentes
e inicos segn la electronegatividad. En un extremo de la escala
estn los tomos que forman el enla ce apolar con
electronegatividades similares; en el otro extremo, el enlace inico
con electronegatividades muy diferentes. ferencia de
electronegatividad www.FreeLibros.com
20. 10 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA Recuadro 1-2.
Grupos funcionales com unes en bioqum ica COM PUESTOS CON HIDRGENO
Grupo funcional Estructura Frm ula Naturaleza qum ica Aliftico H R
- C - H 1 H R CH3 No polar Alcano Metilo Etilo H H 1 1 R - C - C -
H 1 1 H H R CH2 CH3 Alqueno Eteno (Etileno) H H 1 1 R - C = C - H R
CH = CH2 No polar Arom tico H H - O No polar Fenilo COM PUESTOS CON
OXGENO Grupo funcional Estructura Frm ula Naturaleza qum ica
Hidroxilo (alcohol) R - O - H R -O H Polar Carbonilo Aldehido C
prim ario RC H R C(= 0)H Polar Cetona C secundario 0 II R - C - R '
1 O Q Polar Carboxilo R C OH R -C O O H Polar (cido) ster 0 II R -
C - O - R ' R - C O O - R ' No polar COM PUESTOS CON NITRGENO Grupo
funcional Estructura Frm ula Naturaleza qumica Amino primaria / H r
- n ( H R NH2 Polar (base) secundaria r - n - r ' 1 H R - N H - R
Polar (base) Imino N - H II R - C 1 H R CH = NH Polar (base) Amido
0 II .H r - c - n ( H r - c o - n h 2 Polar COM PUESTOS CON FSFORO
Grupo funcional Estructura Frm ula Naturaleza qumica Fosforilo 0 R
- O - P - O H 1 OH R 0 P03H2 Polar (cido) COM PUESTOS CON AZUFRE
Suifurilo (Ac. sulfrico) Estructura Frm ula Naturaleza qumica R - S
- H R -S H Polar 0 II o=i^>- 1 O R - O - S O 3H Polar (cido) OH
ENLACES NO COVALENTES DEBILES EN EL AGUA PUENTE DE HIDRGENO
Hidroxilo / H - O H IIIIO C H Carbonilo ) C = 0 IIIIH X )o H
Carboxilo (Cualquier cido protonado) OI 11IHX // )o C H O H IIIIO
-H 1 H Amino / H / H II II0 ( R -N C H H Amido OI 11IH 0 H - C - N
- H 1 HUI 10 H 1 H PUENTE SALINO - C H1 N R INTERACCION HIDROFOBICA
Alifticos Aromticos V * www.FreeLibros.com
21. CAPTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUMICA 11 correcta, har que
la unin sea altamente especfica y fuerte, adems de ser vital para
la vida en la clula. Las interacciones dbiles pueden ser de
naturaleza electrosttica o hidrofbi- ca. Las primeras incluyen los
puentes de hidrgeno, los puentes salinos (enlace inico) y las
fuerzas de van der Waals. Puente de hidrgeno Este tipo de
interaccin es de naturaleza relativamente fuerte. Es muy comn entre
molculas polares en un medio acuoso, y es la responsable de las
mltiples uniones dbiles entre las molculas de agua. Para que se
forme un puente de hidrgeno es necesaria la presencia de un tomo de
hidrgeno (H) unido covalentemente a un tomo electronegativo (ha
bitualmente el O y N) que, debido a su carga parcial positiva, ser
atrado por otro tomo electronegativo presente en una molcula
diferente (Fig. 1-9). Enlace inico o puente salino En la clula, los
iones (por ejemplo, Na+, K+o Cl) van a establecer entre s, in
teracciones de tipo electrosttico (entre cargas opuestas), tambin
denominadas puente salino (Fig. 1-10). Adems, aquellos grupos
funcionales que se comportan como cidos o bases, es decir, que
tengan la capacidad de ceder un protn al medio o de captarlo, van a
presentar una carga real (un electrn de ms o de menos del que le
correspon de al tomo neutro), lo que les convierte en un in. Los
iones, en solucin acuo sa, pueden atraerse o repelerse segn la
carga que porten. Este tipo de atraccin electrosttica se comportara
como un enlace inico, sin embargo, se considera una interaccin
dbil, ya que al estar el in en solucin acuosa se encuentra sol-
vatado (rodeado de molculas de agua) reduciendo la fuerza del
enlace entre los iones de carga opuesta. C L puente de hidrgeno se
es tablece cuando un tomo de H, uni do covalentemente a un tomo
electronegativo, es atrado por un tomo electronegativo de un grupo
vecino a una distancia y en una orientacin ptima. (b) Aceptor de
puente de H Donador de puente de H carbonilo/ C O H O % / N H O
hidroxilo carbonilo c amino II % / 0 N H H N N Figura 1-9.
Representacin del enlace o puente de hidrgeno, (a) Entre dos
molculas de agua, y (b) entre grupos funcionales. Se indica el tomo
aceptor y el donador del puente. Figura 1-10. Enlaces inicos en el
agua: puente salino. Los cristales inicos del clo ruro sdico se
disuelven en agua, debido a la capa de solvatacin de molculas de
agua que rodea cada in. in Na+ hidratado in Cl" hidratado
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22. 12 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA Figura 1-11.
Interacciones hidrofbicas. Las gotas de aceite, mediante
interacciones hidrofbicas, tienden a asociarse para mini mizar la
superficie de contacto con el agua. iones en solucin acuosa van a
establecer interacciones elec trostticas o puentes salinos. Este
tipo de interaccin inica es d bil, debido al apantallamiento que se
produce en la interaccin por las mo lculas de agua que rodean al
in. d y M iwti) f y s- * Figura 1-12. La m olcula de agua, (a) Re
presentacin del dipolo de una molcula de agua; y (b) los puentes de
hidrgeno que se establecen entre varias molculas. Debido a que la
capacidad que tiene un cido de ceder o de captar protones depende
de la concentracin de H+que haya en la solucin en la que se encuen
tra, los grupos cidos o bsicos no siempre van a estar en su forma
ionizada. Entre los grupos funcionales que se comportan como iones
a pH fisiolgico, se encuentran los grupos amino y carboxilo, que
utilizan este tipo de enlace dbil para interaccionar con el agua y
con otras molculas. Los puentes salinos no son tan dependientes
como los puentes de hidrgeno, de la distancia ni de la orientacin
entre tomos. Fuerzas de van der Waals Son interacciones muy dbiles
que mantienen unidas temporalmente tomos o molculas no polares.
Tambin son interacciones de tipo carga-carga, pero de penden de la
distancia entre tomos. Son dipolos temporales, solo en el mo mento
en que el electrn de un tomo se acerca o aleja del tomo con el que
est enlazado. Este tipo de dipolos temporales se estn formando
continuamente entre molculas en solucin, y no es necesario que las
molculas sean polares. Puede establecerse, por lo tanto, un dipolo
temporal en un enlace covalente no polar. Su constante movimiento y
redistribucin de los electrones en la molcu la produce cambios
complicados y fluctuantes en su atraccin o repulsin. Interaccin
hidrofbica Las fuerzas hidrofbicas difieren de las anteriormente
descritas en que no pre sentan naturaleza electrosttica. Por lo
tanto, se darn entre molculas y grupos funcionales no polares. No
va a haber tampoco entre ellos ningn tipo de inte raccin; la unin
se basa nicamente en la imposibilidad que tiene la molcula
hidrofbica en interaccionar con el agua. La fuerza que mantiene
unidas a las molculas apolares o hidrofbicas se basa en la
tendencia de expulsar el agua de su entorno, debido a su repulsin
(insolubilidad) con los grupos polares del agua (Fig. 1-11). Las
interacciones hidrofbicas son fundamentales en biologa, ya que la
na turaleza apolar de muchos componentes, les obliga a mantenerse
unidos, for mando distintas estructuras, para alejarse del agua y
as formar verdaderas barre ras hidrofbicas, como las membranas
lipdicas que definen las clulas y sus or- gnulos. O EL AGUA COMO
PRINCIPAL DISOLVENTE BIOLGICO_____________ La molcula de agua es un
dipolo El agua es el medio lquido fundamental en el que se va a
desarrollar la mayor parte de las reacciones qumicas de la clula.
Es, por lo tanto, el principal disol vente biolgico. La molcula de
agua presenta la caracterstica qumica de com portarse como un
dipolo: el tomo de O, con una carga parcial negativa (8~), y los
dos tomos de H con una carga parcial positiva (8+). Esta disposicin
es de bida a la diferente electronegatividad entre los tomos de H y
el tomo de O (muy electronegativo puesto que tan solo le faltan dos
electrones para completar su ltima capa). La distribucin de las
cargas y la geometra de la molcula posi bilitan la gran interaccin
entre una molcula y sus vecinas. Las interacciones dbiles que
establece una molcula de agua con las de su alrededor se realiza
mediante puentes de hidrgeno (Fig. 1-12). Este tipo de enlace dbil
es de vital importancia, no solo por permitir la formacin y rotura
de los enlaces y, por lo tanto, dar la naturaleza lquida al agua,
sino tambin porque gracias a este tipo de interaccin se van a
disolver muchas molculas biolgicas en este medio. La formacin y la
rotura de los puentes de hidrgeno entre las molculas de agua es
constante a la temperatura fisiolgica (37 C); sin embargo, muy rara
vez una molcula de agua se disocia en dos especies inicas
denominadas iones hidronio e in hidroxilo (Fig. 1-13).
Habitualmente se habla de protn (H+) como el catin disociado de una
molcula de agua: www.FreeLibros.com
23. CAPTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUMICA 13 H-,0 H,0 El protn
se desplaza de una molcula a otra H,0+ in hidronio OH- hidroxilo h
2o H++ OH" Sin embargo, en la naturaleza el protn se encuentra
asociado a otra molcu la formando un in hidronio: H?0 + H ,0 H ,0
++ OH- Por lo tanto el nmero de protones va a ser igual al nmero de
iones hidro nio (Recuadro 1-3). Recuadro 1-3. Proceso de disociacin
del agua H-,0 H++ OH' Velocidad de disociacin - /c, [H20] Velocidad
de formacin = k2[H+] [OH-] Equilibrio de la reaccin: las v de
formacin y disociacin se igualan: k} [H20] i k2 [H+] [OH'] Kw de
disociacin del agua: En el agua pura a 25 C: [H+] [OH-] eq k2 [H20]
K* = Keq [H20] = [H+] [OH-] [H+] = [OH-] = 10-7 M Qumica de los
cidos y de las bases El comportamiento de la ionizacin del agua es
la base para comprender el con cepto de cido y base. Actualmente se
acepta la definicin de Lewis, segn la cual una base es una
sustancia con un par de electrones disponibles para formar un
enlace covalente dativo, mientras que un cido es una molcula en la
que existe un tomo capaz de aceptar un par de electrones ya que
posee un orbital externo libre. Sin embargo, en muchos casos
resulta til la antigua definicin de Bronsted- Lowry en la que un
cido se define como una sustancia que puede ceder un protn y una
base es aquella que puede aceptar un protn al reaccionar con un
cido. Cuando el cido pierde el protn se convierte en una sustancia
que tien de a recuperarlo y, por ese motivo, esta segunda forma se
denomina su base conjugada. De igual forma, una base que capta un
protn tendr tendencia a perderlo y, por tanto, tendr carcter cido.
Existen sustancias que pueden comportarse como cidos y como bases,
y se denominan sustancias anfteras. El agua pertenece a este tipo
de sustancias y, en las disoluciones acuosas, el agua acta como
cido en presencia de una base o como base en presencia de un cido.
Dentro de las molculas biolgicas solo unos pocos grupos funcionales
van a comportarse como cido o base. Es importante conocer su
comportamiento en el medio fisiolgico dadas las implicaciones que
puede tener para los seres vivos (Fig. 1-14). Figura 1-13.
Disociacin de la m olcula de agua en sus dos especies inicas: el in
hidronio y el hidroxilo. (fuautoionizacin del agua solo ocurre en
una de cada 109 molculas de agua a temperatura ambiente. Hidronio
es el catin formado al hidratar cationes de hidrgeno H+ (protn).
Estos cationes no se pre sentan libremente; son extremada mente
reactivos y resultan solvatados inmediatamente por las molculas de
agua circundantes. ( E n qumica, el in oxonio co rresponde al catin
H30 +, tambin denominado hidronio. Protn: del griego protos, pri
mero (H+). In hidrxido: tambin deno minado in hidroxilo (OH-).
C^Seg n Bronsted-Lowry, un cido se define como la sustancia capaz
de ceder un protn y una base aquella que puede aceptar un protn al
re accionar con un cido. d i o s grupos cidos o bsicos van a
adoptar una carga negativa o posi tiva dependiendo del pH de la
solu cin, por lo tanto las uniones por puente salino son muy
dependien tes del pH del medio en que se en cuentren. c L
sustancias anfteras, como el agua, son las que pueden compor tarse
como cido o base. www.FreeLibros.com
24. 14 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA Recuadro 1-4.
Recuerda... el logaritmo Se puede escribir una fraccin como un
exponente negativo: El logaritm o es la funcin matemtica inversa de
la funcin exponencial. El logaritmo de un nmero x es el expo nente
(n) al que hay que elevar la base dada (usualmente 10), para que d
dicho nmero x. Log,0x = n x = 10" Ejemplo: Logl0 10 = 1 < = >
x = 1 0 ' = 10, n = 1 Log 107= 7 x = 107, n = 7 Log 10'7= -7 x =
10-7, n = - 7 Cuando la base es 10 el subndice se omite. d a pH de
una disolucin es una medida de la concentracin de los protones;
como los protones reac cionan con el agua para dar iones hidronio,
se puede considerar el pH como la concentracin de esta lti ma
especie qumica. Tabla 1-2. Escala de pH [H+] (M) pH [OH ] (m) pOH*
10 (1) 0 10-14 14 101 1 10"13 13 10~2 2 1012 12 10"3 3 10-11 11 104
4 10-1 10 10~5 5 10-9 9 10~6 6 10-8 8 10~7 7 10-7 7 10~8 8 10"6 6
10 9 9 10~5 5 10-1 0 10-4 4 10 11 11 10 3 3 10"12 12 10 2 2 10~13
13 10"1 1 10 14 14 10 (1) 0 1 * pOH = -log [OH-|. La expresin pOH
es anloga a la expresin de pH. En todos 1 los casos pH + pOH = 14.
R - C OH S' 5+ R - C "oe Grupo carboxilo (cido) Agua (base) Grupo
carboxilato Hidronio (base conjugada) (cido conjugado) Figura 1-14.
Ionizacin de un grupo carboxilo. A pH fisiolgico, el carboxilo se
comporta como un cido dbil, y dona un protn al agua que acta de
base. El grupo carboxilato ser la base conjugada y la molcula de
agua capta el protn convirtindose en un in hidronio que ser una
especie cida. El pH y el p/Ca La acidez de una solucin se mide por
la concentracin de iones hidronio o pro tones, que presente. Esta
concentracin abarca el rango desde 1 molar (1 m) en una solucin muy
cida, hasta una concentracin de 1014 m en una solucin muy alcalina
o bsica. Para evitar el uso de nmeros tan pequeos, se decidi
convertir estas concentraciones a una escala logartmica (Recuadro
1-4), deno minada escala de pH, que comprende el valor de 0 al 1 4
(Tabla 1-2). Se define pH =-log10 [H+], donde [H+] es la
concentracin molar: nmero de moles de H+por litro de disolucin.
Debido a que el pH solo es una manera de expresar la concentracin
del in hidronio, las disoluciones cidas y bsicas a una temperatura
de 25 C, pueden identificarse por sus valores de pH como sigue:
Disoluciones neutras: [H+] = 1 , 0 x lCf7 m , pH = -log [ 1 , 0 x 1
0 ~ 7] = -(-7 ) = 7 Disoluciones cidas: [H+] > 1 ,0 x 1 0 7m ,
pH < 7 Disoluciones bsicas: [H+] < 1,0 x 107m, pH > 7 Como
ya se ha comentado, la disociacin del H20 es: h 2o + h 2o < >
H30 ++ 0H " Por tanto, [H30 +] = [OH-] = 1 x 107 mol/litro pH =
-log [H30 +] = -log [H+] pH = -log [1 x 10-7] pH = 7 A 25 C, elpH
del agua pura y de cualquier solucin acuosa que contenga
concentraciones iguales de in hidronio y de in hidroxilo es 7 . Las
soluciones tampn regulan el pH de la clula Ciertos grupos
funcionales presentes en las molculas biolgicas pueden com portarse
como cidos o bases dbiles. Por ello, su estado de ionizacin depende
r de la concentracin de protones del medio. Si se tiene en cuenta
que la mayo ra de las enzimas van a presentar este tipo de grupos
ionizables en su centro activo, se comprender el importante papel
que puede jugar una pequea fluc tuacin del pH celular. Por ejemplo,
si un grupo amino de un residuo de una enzima presenta carga
positiva a un pH 7, un ligero aumento del pH, puede forzar a que el
H+del grupo amino sea cedido al medio y, por lo tanto, pierda esa
carga. En muchos casos, esta carga es fundamental para que la
enzima inte- raccione con el sustrato; entonces, la enzima dejar de
funcionar. La importante www.FreeLibros.com
25. CAPTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUMICA 15 repercusin de la
ionizacin de los grupos de los aminocidos presentes en las protenas
y, en particular, en las enzimas, se revisar detenidamente en los
cap tulos 4 y 8 respectivamente. Tanto en el medio intracelular
como en el extracelular, ser por lo tanto im prescindible una
regulacin del pH para que las molculas puedan operar de manera
ptima. Los tampones son sistemas acuosos que tienden a amortiguar
los cambios que se producen en el pH, cuando se aaden pequeas
cantidades de cido (H+) o de base (OH-). Estos sistemas tampn estn
constituidos por un cido dbil y su base conjugada, o bien por una
base dbil y su cido conjugado. Cuando la concentracin de ambas
especies es similar, entonces el sistema tiene una gran capacidad
amortiguadora. En esta situacin, cualquier aumento de la
concentracin de H+podr ser absorbida por la base conjugada, y si se
incre menta la concentracin de OH-, ser el cido dbil del sistema
tampn quien ceda un protn al medio que neutralice el in hidroxilo.
Segn la ecuacin de Henderson-Hasselbalch (Recuadro 1-5) cuando el
valor del pH de la solucin es igual al pKa del sistema, entonces
las concentraciones de las dos especies que definen el sistema sern
iguales. Por lo tanto, en la clula aquellas sustancias que tengan
un pKaprximo a 7 (pH fisiolgico) sern buenos tampones. El principal
tampn biolgico intracelular es el tampn fosfato, que presen ta un
pKa de 6,86, y por lo tanto, es capaz de resistir los cambios de pH
entre 5,9 y 7,9. Recuadro 1-5. Clculo de la constante de disociacin
de un cido y ecuacin de Henderson-Hasselbalch Una reaccin general
de disociacin de un cido puede escribir se mediante la reaccin
general: HA A' + H+ Esta reaccin se caracteriza por una constante
de equilibrio, que en el caso de un cido se denomina Ka o constante
de disocia cin del cido y se expresa mediante la frmula: [A l [H+]
[HA] Un cido fuerte como el HCl tendr un valor de Ks elevado, pues
to que, al estar muy disociado, las concentraciones de los produc
tos de la reaccin sern mayores que las de los reactivos. De igual
forma que el pH se defina como -log [H+], se puede ex presar el
grado de disociacin de un cido como log Ka. Esta ex presin se
denomina pKay su valor es inversamente proporcional a la fuerza del
cido. El p/(a de cidos dbiles se puede calcular realizando una
curva de titulacin y se puede ver el significado de este valor si
se ob serva la variacin en la concentracin de las diferentes formas
moleculares a los distintos valores de pH, representados en la
grfica. A un pH bajo dominan las formas protonadas (en este caso
CH3 COOH, sin carga) que van disminuyendo a medida que sube el pH
hasta llegar a un pH en el que la forma dominante ser la disociada
(CH3COCT, con carga negativa). En el punto medio de la valoracin se
pasar por un estado en el que las concentraciones de ambas formas
coinciden ([CH3 COOH] = [CH3 COO-]). Podemos relacionar el pH con
el p/C, mediante la frmula de Henderson-Hasselbalch [A"] (aceptor
de protones) pH = p/C, + log - - [HA] (dador de protones) Esta
relacin permite observar que cuando coinciden las concentraciones
de A" (aceptor de protones) y HA (dador de protones) el p/(a= pH,
ya que el log de 1 es cero. De esta relacin se pueden extraer dos
conclusiones: 1. El valor de pH que coincide con el pKa es aquel en
el que el par cido-base conjugada presenta mayor poder tamponante,
ya que la concen tracin de aceptor de protones que puede
neutralizar los protones si se aade un cido coincide con la de
dador de protones, que puede neutralizar los grupos OH~ que
aumentan al aadir una base. 2. A un pH inferior al valor de p/C,
dominan las formas protonadas, y por encima de ese valor sern
mayoritarias las formas desprotonadas; y, como consecuencia, cambia
la carga neta de la molcula. www.FreeLibros.com
26. 16 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA C L tampones
biolgicos resisten fluctuaciones de pH en torno al va lor de pH
fisiolgico, entre 6,9 y 7,4. d e n el equilibrio, la relacin de las
concentraciones de productos y reactivos es constante (/Ceq). Pero
esto no quiere decir que dichas con centraciones sean iguales. H2PO
H++ H PO f El principal tampn sanguneo es el sistema de tampn
bicarbonato, com puesto por el cido dbil carbnico y la base
conjugada bicarbonato. H2C 0 3 B k-i La velocidad de formacin de B:
= kx[A] La velocidad de formacin de A: vA=k_x [B] En el equilibrio:
kx [A] = k_x [B] Luego, - = K d e equilibrio S k-x [A] 4 En el
equilibrio, las velocidades se igualan, y la relacin entre la
concentra cin de reactivos y productos es constante. Los principios
de termodinmica ayudan a predecir si una reaccin qumica se produce
espontneamente o no. Si la reaccin es espontnea se dice que est
alejada del equilibrio, por lo que tender a formar producto
espontneamente hasta que alcance el equilibrio. En este caso, al
comienzo de la reaccin, a tem peratura y presin constantes, la
energa del producto ser mucho menor que la del reactivo y el cambio
de energa que se da en la reaccin desprender energa del sistema
(reaccin) al entorno (medio en el que transcurre la reaccin), dan
do un valor menor que cero. El cambio o variacin de energa libre de
Gibbs (A(7) de una reaccin se calcula como un incremento; ^G= Gm-
Ginidal Si la reaccin est en equilibrio, no se mover, no habr
cambio, la reaccin tendr la misma energa en el estado inicial que
en el final y, por lo tanto, su AG ser igual a 0. Si la reaccin
tiene una AG positiva, el reactivo tendr menor energa que el
producto y la reaccin no se podr dar espontneamente. En este caso
se deber utilizar energa de otra reaccin que se pueda acoplar a la
primera, siempre que la suma de las dos reacciones acopladas sea
menor que cero. La variable G es una funcin de estado, por lo que
su valor no depende de la va que se utilice para ir del estado
inicial al final. Por este motivo es posible hacer que una reaccin
no espontnea lo sea, gracias a su acoplamiento con otra que s es
favorable, debido a la existencia de un intermediario comn. El
valor de AG proporciona informacin de la espontaneidad de la
reaccin, pero no aporta informacin sobre la velocidad de la
reaccin. Estos conceptos se ampliarn en los captulos 7 y 8.
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27. CAPTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUMICA 17 Reactividad de las
molculas biolgicas La presencia de grupos funcionales en las
biomolculas proporciona sitios reacti vos, donde dichas molculas
van a unirse a otras o a reaccionar y transformarse. Los sitios
reactivos pueden ser nuclefilos o electrfilos, segn la capacidad de
atraer o no electrones. Los grupos funcionales de las molculas
proveen a las enzimas de los sitios de ataque donde la enzima
convertir un sustrato en un producto. En el captulo 8 se clasifican
las enzimas en seis categoras dependien do del tipo de reaccin que
catalicen. La gran cantidad y variedad de reacciones qumicas que
tienen lugar dentro de la clula (vas metablicas), involucran a unos
pocos sitios reactivos, que inva riablemente van a implicar a los
grupos funcionales ya descritos. Estos grupos se comportan de forma
diferente al resto de la molcula en que se encuentran. Ya se ha
descrito la importancia de los grupos funcionales para la
interaccin entre macromolculas, pero ahora se detallar su
determinante implicacin en la trans formacin de dichas biomolculas,
para construir las macromolculas biolgicas. Los sitios reactivos
van a portar centros nuclefilos o electrfilos: Centros nuclefilos
(atraccin por el ncleo): son grupos ricos en electro nes, y pueden
tener carga negativa, pares de electrones no enlazantes o pares
solitarios, o poseer una densidad electrnica tpica de dobles enla
ces. Estos sitios atacarn a grupos cargados positivamente, ya que
se sien ten atrados por ellos. Centros electrfilos (atraccin por
electrones): tienen atraccin por las cargas negativas, es decir,
ricas en electrones, debido a su carencia de elec trones en capa de
valencia. Hay que tener en cuenta que un grupo funcional puede
tener un tomo electronegativo para generar un dipolo, portando
tanto un centro nuclefilo como electrfilo (Fig. 1-15). Estos
centros reactivos proporcionan la base de los diferentes tipos de
reacciones qumicas. Las reacciones de condensacin o deshidratacin
son un tipo de reaccin qumica que va a tener un papel fundamental
en la formacin de las macromo lculas. En este tipo de reacciones
participan diferentes grupos funcionales pola res y la formacin de
un enlace covalente va a liberar una molcula de agua al medio. Dado
que las reacciones bioqumicas tienen lugar siempre en un medio
acuoso (bien el citoplasma o el medio extracelular), este tipo de
reacciones van ser determinantes para la formacin de polmeros, es
decir, de las macromolcu las como polisacridos, lpidos, protenas y
cidos nucleicos que se estudian a lo largo del libro (Fig. 1-16). A
continuacin se describen, en la figura 1-17, los diferentes tipos
de enlaces covalentes de condensacin que se establecen entre los
distintos grupos funcio nales y que van a dar lugar a la gran
variedad de molculas biolgicas. Nuclefilos Electrfilos Grupo amino
no cargado H -0- ln hidrxido r -.R c tomo de carbono de un grupo
carbonilo rH+ Protn : r Figura 1-15. Centros nuclefilos y electr
filos de los sitios reactivos. Los grupos nu clefilos (ricos en
electrones, como el nitr geno o el oxgeno) atacan a grupos electrfi
los con carga positiva o menor densidad electrnica, como un protn o
un carbono. Monmero Macromolculas O Monosacrido Polisacrido O o o o
t o Aminocido Protena O 0 - - ( X X X X > - Nucletido Acido
nucleico Figura 1-16. Form acin de biopolm eros o m acrom olculas a
partir de las unidades m onom ricas mediante enlaces de con
densacin. www.FreeLibros.com
28. 18 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA Nombre Grupos
funcionales Reaccin ter Hidroxilo + Hidroxilo R, OH + O H - R 2
---- R , - 0 - R 2 ster C Carboxilo + Hidroxilo + sulfhidrilo 0 0
11 // r , - c - o - r2 R, C + OH R2 -----> OH + S H - R 2
-----> || R, C S R2 tioster P ster fosfrico Fosforilo +
Hidroxilo 0 0 II II R, 0 P OH + O H - R , ---- > R, 0 P 0 R2 1 1
OH OH S ster sulfrico Sulfurilo + Hidroxilo 0 0 II il R, 0 S OH +
OH R2 -----> R , - 0 - S - 0 - R 2 II II 0 0 Anhdridos c - c
Carboxilo + Carboxilo 0 0 0 0 R, C OH + OH C R2 -----> R , - C -
0 - C - R 2 C - P Mixto Carboxilo + Fosforilo 0 0 0 0 II II II II
R, C OH + OH P0 R2 -----> R , - C - 0 - P - 0 - R 2 1 1 OH OH P
- P Fosfoanhdrido Fosforilo + Fosforilo 0 0 0 0 II II II II R, 0
POH + OH P 0 R2 ---- > Rt- O - P - O - P - O - R , 1 1 I I OH OH
OH OH Amida Carboxilo + Amina 0 0 II II R, C OH + NH2 R2 ---- >
R , - C - N - R 2 H Glucosdico 0 C anomrico + Hidroxilo / - ? H /^
r - R!J + 0H- R ^ w ----- H ----- 7 H N C anomrico + Amina H / O ?H
i / i / o n - r2 + NH^ Ri - r ----- H Disulfuro Sulfhidrilo +
Sulfhidrilo R ,-S H + H S - R 2 -----> R , - S - S - R 2 Figura
1-17. Enlaces covalentes com unes en bioqum ica. Se ha omitido la
molcula de agua resultado de cada reaccin de condensacin. Otro tipo
de reaccin caracterstica que tiene lugar en la clula es aquella en
la que se transfiere electrones de un sustrato a otro, son las
reacciones denomi nadas de oxidacin-reduccin o rdox. La mayora de
las reacciones que tiene lugar durante el metabolismo celular
implican esta transferencia de electrones. Para ello, siempre sern
necesario dos reactivos, uno que cede electrones y el otro que los
acepta. En las molculas biolgicas, esta transferencia de electrones
se realiza habitualmente en forma de tomos de hidrgeno, ya que un
tomo de hidrgeno contienen un electrn (H = 1 e~) AH2 + B >A +
BH2 donde: AH2 = donador de electrones (agente reductor, molcula
reducida) B = aceptor de electrones (agente oxidante, molcula
oxidada) En las biomolculas los procesos rdox de transferencia de
electrones tienen lugar en los tomos de carbono. La forma ms
reducida de un tomo de carbo- www.FreeLibros.com
29. CAPTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUMICA 19 no ser la que est
saturada con cuatro hidrgenos, como en el metano, mien tras que la
ms oxidada ser el dixido de carbono. Los niveles de oxidacin del
carbono (Fig. 1-18) se pueden evaluar fcilmen te contando el nmero
de enlaces que establece el carbono con el hidrgeno (estado ms
reducido) o con el oxgeno (estado ms oxidado). El poder energtico
de las sustancias orgnicas ser mayor cuanto mayor sea el poder de
oxidacin (es decir, cuanto ms reducida est la sustancia) por lo
que, durante el proceso de oxidacin, se desprender gran cantidad de
energa. El metabolismo celular se encarga de transformar y
almacenar este contenido energtico de las molculas reducidas que la
clula usa como fuente de energa. En la seccin III dedicada al
metabolismo se analizarn detalladamente estos procesos de
oxidacin-reduccin. n EL CONTEXTO
CELULAR______________________________________________ Los niveles
de organizacin molecular de la clula permiten observar que, en el
primer nivel o nivel molecular, los componentes celulares son los
monmeros o sillares con los que se va a construir la clula. Estos
monmeros se asociarn en polmeros mediante reacciones de
condensacin, para dar el segundo nivel o ni vel macromolecular (Fig
1-19). La asociacin entre diferentes macromolculas formar las
estructuras o complejos supramoleculares del tercer nivel, sobre
todo mediante interacciones dbiles. Y el ltimo nivel en la jerarqua
ser el nivel ce lular o los orgnulos celulares que delimitan los
espacios donde van a tener lugar las diferentes reacciones. La
clula ser, por lo tanto, el continente. En una clula eucariota los
com partimentos celulares estn claramente diferenciados y sus
funciones bien espe cializadas, por lo que no todas las reacciones
qumicas van a transcurrir en cual quier lugar de la clula. Esta
especializacin en orgnulos se puede llevar a cabo de forma muy
eficiente porque cada orgnulo est delimitado por una membra na
celular cuyas caractersticas qumicas permiten una disposicin en
forma de bicapa lipdica, lo que separa dos medios hidroflicos. En
el captulo 11 se da una visin esquemtica de las funciones de cada
orgnulo y los procesos que se llevan a cabo. Por ltimo, un
organismo multicelular necesita una observacin a un nivel superior
al celular, y este nivel proporciona una visin orgnica sobre cmo
transcurren las reacciones bioqumicas en el organismo completo.
Aunque los procesos bioqumicos que tienen lugar en la clula son, en
muchos casos, idnti cos en clulas de diferentes especies, y a lo
largo del libro se ha tratado de buscar Figura 1-18. Oxidacin y
reduccin de los grupos funcionales de inters en bioqu mica. A
medida que se oxida el carbono se reduce el nmero de H unidos. Se
indica en azul el nmero de hidrgenos (electrones) unidos al
carbono. 1o nivel 2 nivel 3er nivel Monmero Enlace covalente
Macromolculas Enlaces no covalentes Complejos macromoleculares O
Aminocido < y Nucletido -ooooo-Protena C2 J a d. Protenas
globulares y RNA O u q Figura 1-19. N iveles de organizacin
celular. En este ejemplo el primer nivel est compuesto por los
monmeros (aminocidos y nucleti dos) que mediante enlaces de
condensacin forman protenas y cidos nucleicos, que interaccionan
para forma el ribosoma, tercer nivel de organizacin.
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30. 20 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA aquellos puntos que
unifican el metabolismo de las clulas eucariotas, en deter minados
procesos es necesario prestar atencin al sistema u rgano en el que
transcurre dicho proceso, pues la especializacin orgnica es un
punto funda mental para comprender el funcionamiento metablico del
organismo. Por ejemplo, los procesos de sntesis de lpidos no se van
a llevar a cabo en cualquier clula, si no que el hgado ser un rgano
primordial que tendr las enzimas necesarias para llevar a cabo la
sntesis de gran cantidad de estas biomolculas. Aunque la
especializacin de los diferentes rganos trasciende al contenido de
este libro, se remarcarn aquellos procesos metablicos que se
produzcan en un determinado lugar. CONCEPTOS CLAVE o Cada elemento
qumico est formado por un tipo de tomo que se diferencia en el
nmero de protones presentes en el ncleo. O Los electrones se
localizan en orbitales atmicos, que son las zonas que rodean al
ncleo donde existe la mxima probabilidad de encontrar estos
electrones. O Un elemento es ms estable cuanto ms se aproxima a una
configuracin electrnica en que sus orbitales estn completos. O La
unin entre los tomos se establece a travs de enlaces qumicos. O La
valencia de un determinado elemento qumico se puede definir como su
capacidad de combinacin, y su nme ro indica el nmero de enlaces con
que el elemento interviene en el compuesto. o La electronegatividad
es la tendencia que tienen los tomos a captar electrones para
completar su ltima capa. O En los enlaces inicos, los electrones se
transfieren de un tomo con pocos electrones en su ltima
capa(metal)a otro tomo con la ltima capa casi completa (no metal).
O El enlace covalente es el ms comn en las molculas biolgicas; los
electrones de las ltimas capas de valencia son compartidos por los
tomos que forman el enlace. o Se produce un dipolo cuando un par de
cargas elctricas de la misma magnitud pero opuestas, estn separadas
por cierta distancia (generalmente pequea). o Los grupos
funcionales son las diferentes asociaciones entre tomos que
proporcionan caractersticas funcionales a las molculas. O Todo
proceso biolgico se produce gracias a las interacciones dbiles
establecidas entre molculas. O La naturaleza qumica de la molcula
de agua presenta la caracterstica de comportarse como un dipolo. O
Existen sustancias que pueden comportarse como cidos y como bases,
y se denominan sustancias anfteras. O Los grupos cidos o bsicos van
a adoptar una carga negativa o positiva dependiendo del pH de la
solucin. El pH de una disolucin es la medida de la concentracin de
los protones. o Los tampones son sistemas acuosos que tienden a
amortiguar los cambios que se producen en el pH, cuando se aaden
pequeas cantidades de cido (H+) o de base (OH-). o La gran mayora
de las reacciones que tienen lugar en la clula son reacciones
reversibles y, por lo tanto, tienden a alcanzar el equilibrio
qumico. o En el equilibrio, la relacin de las concentraciones de
productos y reactivos es constante (Keq). Pero esto no quiere decir
que dichas concentraciones sean iguales. o La presencia de grupos
funcionales en las biomolculas proporciona sitios reactivos, donde
dichas molculas van a unirse a otras o a reaccionar y
transformarse. O El primer nivel de organizacin molecular de la
clula lo constituyen los monmeros, que se asocian en polmeros en un
segundo nivel macromolecular mediante reacciones de condensacin. O
La asociacin entre diferentes macromolculas formar las estructuras
o complejos supramoleculares del tercer nivel, sobre todo mediante
interacciones dbiles, y el ltimo nivel en la jerarqua ser el nivel
celular o los orgnu los celulares que delimitan los espacios donde
van a tener lugar las diferentes reacciones. V . y
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31. CAPTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUMICA 21 O EJERCICIOS A
partir de la siguiente molcula, indique: a) Los grupos funcionales.
b) La naturaleza qumica. c) Si existe algn enlace covalente de
condensacin. d) El tipo de interaccin dbil que puede formar. e) Un
producto de oxidacin y otro de reduccin del carbono 1. H OH H H H 0
, , 1 1 1 1 1 I H - C - C C C C C - O - P - O " II I I I I I I! O
OH H OH OH H O a) aldehido hidroxilos fosforilo b) Todos los grupos
indicados son polares. El grupo fosforilo, adems, presenta carga
negativa a pH fisiolgico, por su carcter cido. c) Enlace de
condensacin el enlace ster fosfrico: H OH 1 H 1 H H 1 0" H-C-C 1 c
1 1 c 1 c 1 1 c- 1 - O - P - O " II 0 OH H OH OH H 0 0 ! R CH,0H +
H O - P - O - II O d) Puente de hidrgeno con los grupos OH y CO y
puente salino con las cargas negativas del grupo fosforilo e)
Oxidacin: R COOH Reduccin: R CH,OH 1 M ; Qu tienen en comn los
elementos de un mismo grupo y de un mismo perodo? B I Qu partcula
atmica determina que un elemento pueda reac cionar con otro? I I I
Qu grupos funcionales de los que estn presentes en las bio molculas
se comportan como cido o como base? B R l Una las siguientes
molculas mediante un enlace covalente tipo amida NH2- C H 2-C O O H
+ c h 3- c h 2- c o o h n a A partir de la molcula que ha
construido en la pregunta ante rior, indique el tipo de interaccin
dbil que puede establecer con el agua a pH fisiolgico. Q PREGUNTAS
DE AUT0EVALUAC1N____________ B r i M Cul de los siguientes grupos
funcionales estn ordenados de ms oxidados a ms reducidos? a)
Hidroxilo-carbonilo-metilo- carboxilo. b)
Carboxilo-carbonilo-hidroxilo-metilo. C)
Carbonilo-carboxilo-hidroxilo-metilo. d)
Metilo-hidroxilo-carbonilo-carboxilo. Cuando una reaccin qumica
alcanza el equilibrio: a) La velocidad de formacin de productos es
mayor que la de reactivos. b) La concentracin de productos y
reactivos es siempre la misma. c) La relacin entre las
concentraciones de productos y reac tivos es constante. d) a y c
son ciertas. K R M Una reaccin exergnica: a) Es siempre espontnea.
b) Se hace a una gran velocidad. c) Es siempre exotrmica. d) Todas
son correctas. m e e Una reaccin de condensacin entre un grupo
carboxilo y un hidroxilo es un enlace: a) Amina. b) Amida. c)
Fosfoster. d) ster. B.HB Entre un grupo carboxilo y un catin en
disolucin acuosa se establece: a) Interacciones hidrofbicas. b)
Puente salino. c) Puente de hidrgeno. d) Enlaces ster. BrM Indique
cul de las siguientes interacciones no se considera una interaccin
no covalente: www.FreeLibros.com
32. 22 SECCIN I. LOS MATERIALES DE LA CLULA a) Puentes de
hidrgeno. b) Interacciones hidrofbicas. c) Interacciones inicas. d)
Enlaces carbono-carbono. Indique cul de los siguientes elementos no
se encuentra entre los cuatro ms abundantes en los organismos
vivos: a) Carbono. b) Hidrgeno. c) Nitrgeno. d) Fsforo. Un in
hidronio: a) Su estructura es H30 +. b) Es la forma habitual de uno
de los productos de disocia cin del agua en disolucin. c) Es un in
de hidrgeno hidratado. d) Todas las anteriores son ciertas. | | d
Indique cul de las siguientes afirmaciones sobre los tampones es
cierta: a) Un tampn formado por un cido dbil con un p/C, = 5 es ms
fuerte a pH 4,0 que a pH 6,0. b) El pH de una disolucin tamponada
permanece constante con independencia de la cantidad de cido o base
que se aada a dicha disolucin. c) Cuando el pH = p/C,, las
concentraciones del cido dbil y de su base conjugada en el tampn
son iguales. d) Para un valor de pH por debajo del p/C,, la
concentracin de la base conjugada es mayor que la del cido dbil.
HE] Qu pareja de grupos funcionales pueden establecer puentes de
hidrgeno entre s? a) Amina-hidroxilo. b) Metilo-etilo. c)
Carboxilo-Metilo. d) Hidroxilo-fenilo. www.FreeLibros.com
33. 2 | HIDRATOS DE CARBONO j Q CONTENIDOS o Introduccin o
Monosacridos o Oligosacridos o Polisacrdos o Glucoconjugados Q
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Diferenciar y clasificar los hidratos
de carbono segn su composicin y funcin en la clula. o Comprender su
naturaleza qumica, nombrar sus grupos funcionales y sus
caractersticas qumicas. o Establecer uniones entre monosacridos
para formar los polmeros, as como con otras biomolculas. o
Reconocer la importancia de la isomera en las molculas biolgicas. o
Identificar las funciones biolgicas principales que presentan los
hidra tos de carbono. Se ha elegido comenzar esta seccin del libro
dedicada a los materiales o biomolculas que constituyen los seres
vivos con los hidratos de carbono, ya que desde el punto de vista
qumi co, son compuestos sencillos, lo que facilitar la comprensin
de su estructura y sirve, adems, para fijar los fundamentos qumicos
aprendidos en el captulo 1. A lo largo del presente captulo se
destaca la importancia de la estructura qumica de los diferentes
hidratos de carbono pre sentes en los seres vivos para determinar
su funcin biolgica; bien energtica, estructural o portadora de
informacin. Pues to que son molculas con actividad ptica, se van a
introducir los principios de la isomera, tan importantes en las
molculas biolgicas, tal y como