Page 1

MARY K. CAMPBELL SHAWN O. FARRELL

BIOQUÍMICA VOLUMEN I 8a. edición


BIO QUÍMICA

8 a . e d i c i ó n | Vo l u m e n I

Mary K. Campbell Mount Holyoke College

Shawn O. Farrell

Traducción Dr. en Ciencias Bioquímicas Jesús Miguel Torres Flores M. en C. Bioquímicas Marel Chenge Espinosa Revisión técnica Dr. en Ciencias Bioquímicas Jesús Miguel Torres Flores Universidad Nacional Autónoma de México

AustraliatBrasiltCoreatEspañatEstados UnidostJapóntMéxicotReino UnidotSingapur


Bioquímica, 8a. edición. Volumen I. Mary K. Campbell y Shawn O. Farrell Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Fernando Valenzuela Migoya Director Editorial, de Producción y de Plataformas Digitales para Latinoamérica: Ricardo H. Rodríguez Editora de Adquisiciones para Latinoamérica: Claudia C. Garay Castro Gerente Editorial en Español para Latinoamérica: Pilar Hernández Santamarina Gerente de Proyectos Especiales: Luciana Rabuffetti Coordinador de Manufactura: Rafael Pérez González Editora: Abril Vega Orozco Diseño de portada: Lilia Palomino RED Studio Imágenes de portada: © Lonely/Shutterstock © Guru 3D/Shutterstock © David S. Goodsell y la RCSB PDB (Protein Data Bank). http://www.rcsb.org Molécula del mes. Las ilustraciones están disponibles bajo una licencia CC-BY-3.0. http://creativecommons.org/licenses/ by/3.0/us/ Composición tipográfica: Humberto Núñez Ramos

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 18 17 16 15

© D.R. 2016 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor podrá ser reproducida, trasmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información, a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Traducido del libro Biochemistry, Eighth Edition. Mary K. Campbell and Shawn O. Farrell. Publicado en inglés por Cengage Learning ©2015. ISBN: 978-1-285-42910-6 Datos para catalogación bibliográfica: Campbell, Mary K. y Shawn O. Farrell. Bioquímica, 8a. edición. Volumen I. ISBN: 978-607-522-488-6 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com


Contenido detallado Fuerzas de van der Waals 34 Interacciones dipolo–dipolo 35 Interacciones dipolo–dipolo inducido 35 Interacciones dipolo inducido–dipolo inducido 36

1 La bioquímica y la organización de las células

1

1.1 Temas básicos 1 1.2 Fundamentos químicos de la bioquímica 3 1.3 Los comienzos de la biología: el origen de la vida 4

2.2 El puente de hidrógeno 38 2.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | De qué manera influye la química básica en la vida: la importancia del puente de hidrógeno 41 Otros puentes de hidrógeno importantes en biología 41

El planeta Tierra y su antigüedad 4 Biomoléculas 8 De las moléculas a las células 11

1.4 La más grande distinción biológica: los procariontes y los eucariontes 14 1.5 Células procarióticas 16 1.6 Células eucarióticas 17 1.7 Cómo se clasifican los procariontes y eucariontes 21 1.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Extremófilos: la joya de la industria 22 1.8 Energética bioquímica 24 1.9 La energía y el cambio 25 1.10 La espontaneidad en las reacciones bioquímicas 26 1.11 La vida y la termodinámica 26 1.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Predicción de reacciones 28 Resumen 28 Ejercicios de repaso 29 Bibliografía sugerida 31

2 Agua: el disolvente para las reacciones bioquímicas

33 2.1 El agua y la polaridad 33 Propiedades del agua como disolvente 34 Enlaces iónicos 34 Puentes salinos 34 Interacciones Ión–Dipolo 34

2.3 Ácidos, bases y pH 41 2.4 Curvas de titulación 45 2.5 Amortiguadores 48 2.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Selección del amortiguador adecuado 52 2.3 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Algunas consecuencias fisiológicas del amortiguamiento químico de la sangre 54 2.4 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | El ácido láctico: no siempre es el “malo de la película 55

Resumen 55 Ejercicios de repaso 56 Bibliografía sugerida 58

3

Aminoácidos y péptidos

59 3.1 Los aminoácidos existen en un mundo tridimensional 59 3.2 Aminoácidos individuales: su estructura y propiedades 60 Aminoácidos poco comunes 65

3.3 Los aminoácidos pueden actuar como ácidos y como bases 65 3.4 El enlace peptídico 69 3.5 Pequeños péptidos con actividad fisiológica 71 3.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Hormonas peptídicas—Moléculas pequeñas con grandes efectos 72 ix


Contenido detallado

x

Resumen 72 Ejercicios de repaso 73 Bibliografía sugerida 74

4 La estructura tridimensional de las proteínas 75 4.1 La estructura de las proteínas y sus funciones 75 4.2 Estructura primaria de las proteínas 76 4.3 Estructura secundaria de las proteínas 76 Estructuras periódicas en los esqueletos de las proteínas 77 Irregularidades de las estructuras regulares 79 Estructuras supersecundarias y dominios 80 La triple hélice del colágeno 82 Dos tipos de conformaciones de proteína: la fibrosa y la globular 83

4.4 Estructura terciaria de las proteínas 83 Fuerzas implicadas en las estructuras terciarias 84 La mioglobina: un ejemplo de la estructura proteica 87 Desnaturalización y renaturalización 89

4.5 Estructura cuaternaria de las proteínas 90 Hemoglobina 90 Cambios de conformación que acompañan a la función de la hemoglobina 92 4.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | La anemia de células falciformes 96

4.6 Dinámica del plegamiento de las proteínas 97 Interacciones hidrofóbicas: un estudio de caso en termodinámica 98 La importancia de un plegamiento correcto 100 Chaperonas del plegamiento proteínico 101 4.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Enfermedades asociadas al plegamiento de proteínas 102

Secuenciación de péptidos: el método de Edman 119

5.5 Técnicas de identificación de proteínas 124 5.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | El poder de la espectrometría de masas 124 Ensayo por inmunoabsorción ligado a enzimas (ELISA) 125 Western Blot 125 Chips de proteínas 128

5.6 Proteómica 128 Resumen 129 Ejercicios de repaso 130 Bibliografía sugerida 132

6

El comportamiento de las proteínas: las enzimas 133

6.1 Las enzimas son catalizadores biológicos efectivos 133 6.2 Cinética versus termodinámica 133 6.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Las enzimas como indicadores de enfermedades 136 6.3 Ecuaciones de cinética enzimática 137 6.4 Unión enzima-sustrato 138 6.5 El enfoque de Michaelis-Menten en la cinética enzimática 140 6.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Enzima que le permite disfrutar del champagne 147 6.3 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Información práctica a partir de datos cinéticos 147 6.6 Ejemplos de reacciones catalizadas por enzimas 148 6.7 Inhibición de las enzimas 149 6.4 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | La inhibición enzimática en el tratamiento contra el sida 155

Resumen 104 Ejercicios de repaso 105 Bibliografía sugerida 106

Resumen 155 Ejercicios de repaso 156 Bibliografía sugerida 158

5

La purificación de las proteínas y técnicas de caracterización 107

7

5.1 5.2 5.3 5.4

Extracción de proteínas puras de las células 107 Cromatografía en columna 110 Electroforesis 116 Determinación de la estructura primaria de una proteína 117

7.1 El comportamiento de las enzimas alostéricas 159 7.2 Los modelos concertado y secuencial para las enzimas alostéricas 163 7.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Alosterismo: Compañías farmacéuticas explotan el concepto 167 7.3 Control de la actividad enzimática por medio de la fosforilación 168

Digestión de la proteína en sus componentes peptídicos 119

El comportamiento de las proteínas: enzimas, mecanismos y control 159


Co nte n i d o d et a l l a d o

7.4 7.5

7.6 7.7

7.8

7.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Una droga antigua funciona estimulando una proteín cinasa 170 Los zimógenos 171 La naturaleza del sitio activo 172 7.3 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Familias de enzimas: las proteasas 174 Reacciones químicas que intervienen en los mecanismos enzimáticos 178 El sitio activo y los estados de transición 181 7.4 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Anticuerpos catalíticos contra la cocaína 182 Las coenzimas 183 7.5 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Catalizadores para una química verde 185 Resumen 186 Ejercicios de repaso 187 Bibliografía sugerida 188

8

Asociación de lípidos y proteínas en las membranas biológicas 189

8.1 Definición de lípido 189 8.2 Naturaleza química de los diferentes tipos de lípidos 190 8.3 Membranas biológicas 195 8.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Mantequilla o margarina: ¿qué es más saludable? 200 8.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Las membranas y la administración de fármacos 201 8.4 Proteínas de la membrana 202 8.5 El modelo de mosaico fluido de la estructura de la membrana 204 8.6 Funciones de las membranas 205 8.3 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Las gotitas de lípido no son solo grandes bolas de grasa 209 8.7 Vitaminas solubles en lípidos y sus funciones 210 Vitamina A 211 8.4 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | La química de la visión 211 Vitamina D 212 Vitamina E 215 Vitamina K 215 8.8 Prostaglandinas y leucotrienos 217 8.5 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | ¿Por qué debemos comer más salmón? 218 Resumen 219 Ejercicios de repaso 220 Bibliografía sugerida 222

9

xi

Ácidos nucleicos: cómo la estructura comunica información 223

9.1 Niveles de estructura en los ácidos nucleicos 223 9.2 La estructura covalente de los polinucleótidos 224 9.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | ¿Quién es dueño de sus genes? 228 9.3 La estructura del ADN 229 9.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | El Proyecto del Genoma Humano: ¿Tesoro o caja de Pandora? 236

9.4 Desnaturalización del ADN 238 9.5 Los principales tipos de ARN y sus estructuras 239 9.3 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | ¿Por qué los gemelos idénticos no son idénticos? 244 9.4 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Genoma sintético creado 245 Resumen 246 Ejercicios de repaso 247 Bibliografía sugerida 248

10 Biosíntesis de ácidos nucleicos: replicación 249 10.1 Flujo de información genética en la célula 249 10.2 Replicación del ADN 250 Replicación semiconservativa 251 10.3 ADN polimerasa 253 Replicación semidiscontinua del ADN 253 ADN polimerasa de E. coli 255 10.4 Proteínas que se requieren para la replicación del ADN 257 Superenrollamiento y replicación 257 La reacción de la primasa 259 Síntesis y unión de nuevas cadenas de ADN 259 10.5 Corrección y reparación 261 10.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | ¿Por qué el ADN contiene timina y no uracilo? 266 10.6 Recombinación del ADN 267 10.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | La respuesta SOS en E. coli 269 10.7 Replicación del ADN en eucariontes 270 ADN polimerasas en eucariontes 271 La horquilla de replicación en eucariontes 272 10.3 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | La telomerasa y el cáncer 274 10.4 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Los RNA autoreplicantes 275


xii

Contenido detallado

Resumen 276 Ejercicios de repaso 277 Bibliografía sugerida 278

11 Transcripción del código genético: la biosíntesis del ARN 279 11.1 Generalidades de la transcripción 279 11.2 La transcripción en procariontes 280 La ARN polimerasa de Escherichia coli 280 Estructura del promotor 281 Iniciación de la cadena 283 Elongación de la cadena 284 Terminación de la cadena 285 11.3 Regulación de la transcripción en procariontes 287 Factores ␴ alternativos 287 Potenciadores 287 Operones 288 Atenuación de la transcripción 293 11.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Los riboswitches: otra arma en contra de los agentes patógenos 294

11.4 Transcripción en eucariontes 295 Estructura del ARN polimerasa II 296 Promotores Pol II 297 Iniciación de la transcripción 298 Elongación y terminación 300 11.5 Regulación de la transcripción en eucariontes 301 El papel del mediador en la activación y represión de la transcripción 301 Complejos remodeladores de cromatina 302 Modificación covalente de histonas 303 Elementos de respuesta 304 11.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | La CREB: ¿La proteína más importante que se ha descubierto? 307

11.6 ARN no codificante 307 11.3 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Un micro ARN ayuda a regenerar la sinapsis nerviosa después de una lesión 310

11.7 Motivos estructurales en las proteínas de unión al ADN 310 Dominios de unión al ADN 310 Motivos hélice-giro-hélice 311 Dedos de zinc 311 Motivo de cierre de leucina de la región básica 312 Dominios de activación de la transcripción 312

11.8 Modificación postranscripcional del ARN 313 ARN de transferencia y ARN ribosomal 314

ARN mensajero 315 La reacción de corte y empalme: Lariats y Snurps 316 Corte y empalme alternativo del ARN 318

11.9 Ribozimas 318 11.4 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | La epigenética revisada: ¿Cómo están relacionados el cáncer y el envejecimiento con los estados epigenéticos? 320

Resumen 320 Ejercicios de repaso 322 Bibliografía sugerida 324

12 Síntesis de proteínas: traducción del mensaje genético 325 12.1 Traducción del mensaje genético 325 12.2 El código genético 326 Apareamiento codón-anticodón y “bamboleo” (wobble) 328 12.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | El virus de influenza A altera el marco de lectura para disminuir su morbilidad 331

12.3 Activación de aminoácidos 332 12.4 Traducción en procariontes 334 Arquitectura del ribosoma 334 Iniciación de la cadena 334 Elongación de la cadena 336 Terminación de la cadena 340 El aminoácido 21 340 El ribosoma es una ribozima 340 Polisomas 343 12.5 Traducción en eucariontes 344 Iniciación de la cadena 345 12.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | La síntesis de proteínas crea memorias 347 Elongación de la cadena 348 Terminación de la cadena 348 ¿Existe acoplamiento de la transcripción y la traducción en los eucariontes? 348 Mas dogmas se quedan en el camino 348

12.6 Modificación postraduccional de las proteínas 349 12.3 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Las mutaciones silenciosas no siempre son silenciosas 350 12.4 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Chaperonas: previniendo asociaciones incorrectas 352 Los ribosomas están involucrados en el plegamiento de proteínas 353


Co nte n i d o d et a l l a d o

12.7 Degradación de proteínas 353 12.5 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | ¿Cómo nos adaptamos a una gran altitud? 354 Resumen 356 Ejercicios de repaso 356 Bibliografía sugerida 358

13 Técnicas de biotecnología de ácidos nucleicos 359 13.1 Purificación y detección de los ácidos nucleicos 359 Técnicas de separación 359 Métodos de detección 360 13.2 Endonucleasas de restricción 361 Muchas endonucleasas de restricción producen “extremos cohesivos” 362

13.3 Clonación 364 Uso de los “extremos cohesivos” para construir ADN recombinante 364

13.4 Ingeniería genética 370 La recombinación del ADN ocurre en la naturaleza 371

13.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | La ingeniería genética en la agricultura 372 Las bacterias como “fábricas de proteína” 373 Vectores de expresión de proteínas 373

xiii

13.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Proteínas humanas mediante técnicas de recombinación genética 375 Ingeniería genética en eucariontes 376

13.5 Bibliotecas de ADN 377 13.3 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | Las proteínas de fusión y las purificaciones rápidas 378 Cómo encontrar una clona individual en una biblioteca de ADN 379

13.6 La reacción en cadena de la polimerasa 380 El PCR cuantitativo permite una medición sensible de muestras de ADN 382

13.7 Huellas digitales de ADN 383 Polimorfismo de la longitud de los fragmentos de restricción: un método poderoso para el análisis forense 383

13.4 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | CSI: BioquímicaAplicaciones forenses de las pruebas de ADN 387 13.8 Secuenciación del ADN 387 13.9 Genómica y proteómica 389 La potencia de los microarreglos. La tecnología robótica aplicada en bioquímica 391 Arreglo de proteínas 393

Resumen 393 Ejercicios de repaso 394 Bibliografía sugerida 396


P re f a ci o

xv

Prefacio

E

ste texto está dirigido a los estudiantes de cualquier campo de la ciencia, o de la ingeniería, que deseen tomar un curso de introducción a la bioquímica, de un semestre, pero que no necesariamente pretendan especializarse en esta área. Nuestra meta principal al escribir este libro es presentar a los estudiantes la bioquímica de una forma tan clara y aplicada como sea posible, y familiarizarlos con sus aspectos más importantes. Los estudiantes de biología, química, física, geología, nutrición, deportes, fisiología y agricultura, deberán reconocer que la bioquímica tiene un gran efecto en el contenido de sus campos de estudio, especialmente en las áreas de medicina y biotecnología. Para los ingenieros que pretendan más tarde orientar su carrera hacia la ingeniería biomédica o alguna forma de biotecnología, resultará especialmente importante el estudio de la bioquímica. Se asume que los estudiantes que van a usar este texto se encuentran en un nivel intermedio en sus estudios y, por lo tanto, se requiere que hayan llevado cursos previos de biología, química general y cuando menos un semestre de química orgánica.

Innovaciones de esta edición Todos los libros de texto evolucionan para satisfacer los intereses y necesidades de los estudiantes y profesores, y también para incluir la información más actualizada. Varios cambios caracterizan a esta nueva edición.

Temas de actualidad en Bioquímica* Este inserto incluye artículos actualizados acerca de nuevos descubrimientos y temas en el área de la bioquímica como las células madre, la malaria, el gen asociado a cáncer de seno (BRCA), el envejecimiento, la felicidad ¡y más! Nueva e innovadora presentación de Conexiones bioquímicas. Además de muchos nuevos temas En respuesta a las peticiones de los consumidores para incluir más cuadros de Conexiones bioquímicas, se han añadido varios de estos cuadros en todo el libro. Vea una lista completa de los cuadros de Conexiones bioquímicas en la tabla de contenidos. La sección de Conexiones bioquímicas abarca una gran variedad de conceptos importantes y de investigaciones novedosas. Ahora fluyen con la narrativa del texto y se colocan exactamente en el lugar en el que necesitan leerse para comprender el capítulo. Aunque tienen una presentación diferente al resto de la narrativa, están pensados para leerse junto con el texto general y no deben saltarse. Son como crescendos en la música clásica —las Conexiones bioquímicas cambian de tempo a la narrativa usual con su presentación única para evitar que el nivel de interés de los estudiantes decaiga— los estudiantes están siempre interesados.

Nuevo glosario al margen No hay necesidad de ir a la parte trasera del libro para leer las definiciones completas de los términos clave, ahora están definidos en los márgenes.

* Este material se encuentra disponible en línea, para consultarlo ingrese a www.cengage.com buscando el título por ISBN.

xv


xvi

Prefacio

Tabla de cambios por capítulo Capítulo 1

Material sobre los esquemas de clasificación en reinos y dominios revisado, un nuevo ejercicio al final del capítulo (EFC)

Capítulo 9

Capítulo 2

Sección sobre los tipos de fuerzas intermoleculares extendida, ocho ejercicios EFC nuevos

Cuadro de Conexiones bioquímicas sobre el árbol genealógico del ADN eliminado

Capítulo 10

Capítulo 3

Material sobre hormonas peptídicas revisado, ocho nuevos ejercicios EFC

Capítulo 4

Cuadro de Conexiones Bioquímicas sobre nutrición eliminado, nueva caja de Conexiones bioquímicas sobre anemia de células falciformes agregada, seis nuevos ejercicios EFC

Material extendido sobre el replisoma, material extendido sobre los rompimientos de doble cadena en la reparación del ADN, ocho ejercicios EFC nuevos

Capítulo 11

Material extendido sobre operones, material añadido sobre el papel del mediador en la transcripción eucariótica, material añadido sobre la remodelación de cromatina y las enzimas modificadoras de histonas, cuadro de Conexiones bioquímicas sobre el TFIIH eliminado, material sobre los microARN y la interferencia de ARN agregado, nuevo cuadro de Conexiones bioquímicas sobre epigenética, cuadro de Conexiones bioquímicas sobre corrección transcripcional eliminado, diecinueve ejercicios EFC nuevos

Capítulo 12

Nuevo cuadro de Conexiones bioquímicas en virología sobre cómo puede la influenza alterar el marco de lectura de la traducción, material sobre selenocisteína eliminado de la caja de Conexiones bioquímicas e incluido en el capítulo principal, nuevo material sobre el codón de inicio en el sistema inmune añadido, material añadido sobre cómo el ribosoma está involucrado en el plegamiento de proteínas, ocho nuevos ejercicios EFC

Capítulo 13

Sección modificada sobre los tomates Flavr Savr en el cuadro de Conexiones bioquímicas, Cuadro de conexiones bioquímicas sobre interferencia de ARN eliminado

Capítulo 5

Nueva sección sobre técnicas de identificación de proteínas, nueva sección sobre proteómica basada en material del cuadro de Conexiones Bioquímicas de la edición anterior. Ocho ejercicios EFC nuevos

Capítulo 6

Inversión en el orden de las secciones 6.5 y 6.6, sección sobre la inhibición extendida para incluir inhibición no competitiva e inhibición mixta, cuadro de Conexiones bioquímicas sobre enzimas y memoria eliminado, sección sobre la derivación de Michaelis-Menten simplificada, sección sobre cinética con sustratos múltiples añadida, diez nuevos ejercicios EFC añadidos

Capítulo 7

Nuevo cuadro de Conexiones bioquímicas sobre los efectos medicinales de un compuesto derivado del árbol de sauce, cuatro ejercicios EFC nuevos

Capítulo 8

Nuevo material sobre la composición lipídica de las membranas intracelulares, nuevo material sobre las membranas para entregar fármacos, discusión sobre las tirosina cinasas como receptores de membrana relacionado al artículo de Temas de

actualidad en bioquímicas sobre receptores acoplados a proteína G, cuatro ejercicios EFC nuevos

Cobertura actualizada Cada capítulo en el texto se ha actualizado utilizando los descubrimientos científicos y desarrollos actuales en el campo de la bioquímica.

Nuevo diseño y mejoras en las etiquetas del arte Mejoras en las etiquetas de las ilustraciones a lo largo del texto perfecciona la lectura, lo cual a su vez mejora la habilidad de los estudiantes para comprender conceptos clave. Como corolario al programa de arte mejorado del libro, el diseño y la paleta de colores también han sido modernizadas.

Características probadas Impacto visual Ideal para los que aprenden de manera visual, el arte de primera calidad de este libro ayuda a los estudiantes a visualizar los procesos clave y a entender los temas importantes.

Conexiones bioquímicas Los recuadros de conexiones bioquímicas resaltan los temas de especial interés para el estudiante. Estos suelen tener implicaciones clínicas, como el cáncer, el sida y la nutrición. Estos ensayos ayudarán a los estudiantes a hacer la conexión entre la bioquímica y el mundo real. Aplique sus conocimientos Los recuadros sobre “aplique sus conocimientos” se encuentran entremezclados dentro de los capítulos y se han diseñado para proporcionar a los estudiantes experiencia en la resolución de problemas. Los temas escogidos son


P re f a ci o

áreas de estudio donde los estudiantes comúnmente tienen las mayores dificultades. Se incluyen soluciones y estrategias de resolución de problemas, dando ejemplos de cómo enfocar la resolución de problemas para un material específico.

Inclusión inicial de termodinámica Un material selecto sobre termodinámica aparece al inicio del texto. El capítulo 1 incluye secciones sobre la energía y el cambio, espontaneidad en las reacciones bioquímicas y una conexión entre la vida y la termodinámica. El capítulo 4 también incluye una extensa sección sobre la dinámica del plegamiento de las proteínas. Pensamos que es fundamental que los estudiantes entiendan la fuerza impulsora de los procesos biológicos y que mucho de lo que sucede en biología (como el plegado proteínico, las interacciones entre proteínas, la unión de pequeñas moléculas, etc.) es dirigido por un desordenamiento favorable de las moléculas de agua.

Resúmenes y preguntas Cada capítulo cierra con un resumen conciso, una amplia selección de preguntas y la bibliografía. Como se enunció anteriormente, los resúmenes han sido completamente revisados para reflejar el marco de trabajo “Preguntas y respuestas” intercalado en el texto. Estos ejercicios caen en cuatro categorías: memoria, reflexión y aplicación, matemáticas y conexiones bioquímicas. Las preguntas de memoria están diseñadas para que los estudiantes evalúen rápidamente su dominio sobre el material, mientras que las preguntas de reflexión y aplicación son para que los estudiantes se enfrenten a cuestionamientos que los pongan a pensar. Las preguntas sobre Conexiones bioquímicas evalúan a los estudiantes sobre los ensayos acerca de estas en ese capítulo. Las preguntas matemáticas completan la selección de ejercicios. Estas preguntas son de naturaleza cuantitativa y sobre todo se enfocan en los cálculos.

Organización Debido a que la bioquímica es una ciencia multidisciplinaria, la primera tarea al presentarla a los estudiantes de muy diversos antecedentes es ponerla en contexto. Los capítulos 1 y 2 aportan los fundamentos necesarios y conectan la bioquímica con las otras ciencias. Los capítulos 3 a 8 se enfocan en la estructura y la dinámica de importantes componentes celulares. La biología molecular se cubre en los capítulos 9 a 13. Algunos temas se analizan varias veces, como el control del metabolismo de los carbohidratos. Las discusiones siguientes hacen uso y construcciones ulteriores sobre la información que los estudiantes ya han aprendido. Es particularmente útil regresar a un tema después de que los estudiantes han tenido tiempo de asimilarlo y de reflexionar sobre él. Los primeros dos capítulos del libro relacionan la bioquímica con otros campos de la ciencia. El capítulo 1 trata algunas de las relaciones menos obvias, como las conexiones entre la bioquímica y la física, la astronomía y la geología, sobre todo en el contexto del origen de la vida. Los grupos funcionales de las moléculas orgánicas se discuten desde el punto de vista de su papel en la bioquímica. El capítulo continúa con la cada vez más evidente relación entre la bioquímica y la biología, especialmente con respecto a la distinción de procariontes y eucariontes, así como la función de los organelos en las células eucarióticas. En el capítulo 2 se revisan aspectos básicos de química general, como los “buffers” (amortiguadores químicos) y las propiedades del agua como solvente, pero enfatizando el punto de vista bioquímico hacia tales fenómenos. Los capítulos 3 a 8, que cubren la estructura de los componentes celulares, se enfocan en la estructura y dinámica de las proteínas y de las membranas, además de dar una introducción a algunos aspectos de la biología molecular. Los capítulos 3, 4, 6 y 7 tratan sobre los aminoácidos, los péptidos, y la estructura y acción de proteínas como en la catálisis enzimática. El capítulo 4 incluye más material sobre termodinámica, como las interacciones hidrofóbicas. La discusión sobre enzimas se divide en dos capítulos (6 y 7) para dar a los estudiantes más tiempo de entender a fondo la cinética enzimática y los mecanismos enzimáticos. El capítulo 8 trata de la estructura de las membranas y los lípidos que las componen.

xvii


xviii

Prefacio

Los capítulos 9 a 13 exploran los temas de biología molecular. El capítulo 9 introduce a la estructura de los ácidos nucleicos. En el capítulo 10, se diserta sobre la duplicación del ADN. El capítulo 11 se enfoca en la transcripción y en la regulación de los genes. El material sobre la biosíntesis de ácidos nucleicos se divide en dos capítulos para brindar a los estudiantes tiempo suficiente de apreciar el funcionamiento de estos procesos. El capítulo 12 termina el tema con la traducción del mensaje genético y la síntesis de proteínas y el capítulo 13 se enfoca en las técnicas biotecnológicas.

Opciones alternativas de enseñanza El orden en que se cubren los capítulos individuales, puede cambiarse para adaptarse a las necesidades de grupos específicos de estudiantes. Aunque preferimos una aplicación temprana de la termodinámica, las partes de los capítulos 1 y 4 que tratan sobre esta pueden estudiarse al iniciar el capítulo 15** sobre “La importancia de los cambios de energía y la transferencia de electrones en el metabolismo”. Todos los capítulos sobre biología molecular (del 9 al 14**) pueden preceder al tema de metabolismo o pueden seguir después, dependiendo de la preferencia del profesor. El orden en el cual se trate el material sobre biología molecular, puede variarse de acuerdo también con la preferencia del profesor.

Material complementario Por favor visite http://www.cengage.com/chemistry/campbell/biochemistry8e*** para más información sobre los recursos para el estudiante y el profesor de este texto.

Reconocimientos La ayuda de mucha gente hizo que este libro fuera una realidad. Un donativo de la Fundación Dreyfus hizo posible el curso experimental introductorio que fue el origen de muchas de las ideas de este texto. Edwin Weaver y Francis DeToma del Colegio Monte Holyoke aportó mucho de su tiempo y energía para iniciar ese curso. Muchos otros en Monte Holyoke fueron generosos en su apoyo, estímulo y buenas ideas, especialmente Anna Harrison, Lilian Hsu, Dianne Baranowski, Sheila Browne, Janice Smith, Jeffrey Knight, Sue Ellen Frederik Gruber, Peter Gruber, Marilyn Pryor, Craig Woodard, Diana Stein y Sue Rusiecki. Un agradecimiento en especial para Sandy Ward, bibliotecaria de ciencias, y a Rosalia Tungaraza, estudiante de bioquímica en la clase de 2004. Tres estudiantes, Nam Ho, Ben Long y Alejandra Pesquiera, en Ingeniería Química 443 (Diseño superior II) en la Universidad de Arizona tomaron la conexión Biotecnología-bioquímica en el capítulo 8 y lo convirtieron en un mecanismo de entrega de fármacos real. Su mentor fue Harry Patton, ingeniero y emprendedor, y su instructor de curso fue la profesora Kimberly Ogden. El profesor Todd Hoare del Departamento de Ingeniería Química en la Universidad McMaster y el profesor Daniel Kohane de la Universidad de Medicina de Harvard señalaron puntos importantes sobre cómo convertir sus publicaciones originales en el proceso final. Un especial agradecimiento a Laurie Stargell, Marve Paule, y Steven McBryant en la Universidad Estatal de Colorado por su ayuda y orientación editorial. Agradecemos a los numerosos estudiantes de bioquímica que han usado y opinado sobre versiones anteriores de este texto. Quisiéramos dar un reconocimiento a los colegas que contribuyeron con sus ideas y críticas al manuscrito. Algunos revisores respondieron a cuestionamientos específicos con respecto al texto mismo. Les agradecemos todos sus esfuerzos y sus útiles sugerencias.

Reconocimientos a los revisores Revisores de la séptima edición Paul D. Adams, University of Kansas Dan Davis, University of Arkansas

**

Los capítulos 14-24 se encuentran disponibles en Bioquímica, 8a. ed. Volumen II.

***

Este material se encuentra disponible en inglés.


P re f a ci o

Nick Flynn, Angelo State University Denise Greathouse, University of Arkansas James R. Paulson, University of Wisconsin–Oshkosh Kerry Smith, Clemson University Alexandre G. Volkov, Oakwood University

Revisores de la octava edición Kenneth Balazovich, Ph.D, University of Michigan Laurent Dejean, California State University at Fresno Marcy Hernick, Virginia Tech Holly Huffman, Arizona State University Mark Kearley, Florida State University James Knopp, North Carolina State University Paul Larsen, University of California–Riverside Gerry Prody, Western Washington University Sandra Turchi, Millersville University También quisiéramos agradecer al personal de Cengage Learning, que fue esencial en el desarrollo de este libro: Alyssa White, editora de desarrollo, cuyas ideas creativas aportaron mucho a esta nueva edición; Tanya Nigh, gerente senior de producción, quien dirigió la producción e hizo más fácil lo que pudo haber sido una tarea tediosa; y Mary Finch, Directora de Producción, que fue una fuente de motivación. Gracias a Tom McDonough, nuestro especialista de adquisición de derechos en Cengage, el cual dio una excelente guía y dirección a lo largo de la revisión. También agradecemos al Desarrollador Asociado de Medios Elizabeth Woods, Gerente de Marketing Lindsay Lettre, Coordinador de Contenidos Brendan Killion y Asistente de Producción Karolina Kiwak. Matt Rosenquist de Graphic World Inc., nos ayudó de manera diligente como editor de producción. A las investigadoras de fotos Susan Buschhorn y Christie Barros quienes hicieron maravillas en las búsquedas que representaban un gran desafío. Extendemos nuestra más sincera gratitud a aquellos que hemos listado aquí y a todos los demás a los que debemos la oportunidad de hacer este libro. Indispensable en la dirección de este proyecto fue el finado John Vondeling, quien fuera una leyenda en el campo de la publicación. Extrañaremos por siempre su guía y amistad.

Una nota final de Mary Campbell Agradezco a mis familiares y amigos, cuyo apoyo moral ha significado mucho para mí en el transcurso de mi trabajo. Cuando comencé este proyecto hace años, no me percaté de que sería una parte importante de mi vida. Ha sido algo completamente satisfactorio.

Una nota final de Shawn Farrell No encuentro las palabras para expresar cuán difícil hubiera sido este proyecto sin mi maravillosa familia que tuvo que prescindir de un esposo y un padre que se convirtió en un ermitaño en la oficina de su casa. Mi esposa, Courtney, conoce muy bien el reto que representa vivir conmigo cuando trabajo durmiendo apenas cuatro horas por noche. No es agradable, y pocos hubieran sido tan comprensivos. También quisiera agradecer a David Hall, mi agente editorial, por iniciarme en estas rutas y a John Vondeling por darme una oportunidad de expandirme en otro tipo de libros y proyectos.

xix


1

La bioquímica y la organización de las células

1 .1

1

1.1 Temas básicos ◗ ¿Cómo describe la bioquímica los procesos de la vida? Los organismos vivos, como los humanos, e incluso las células individuales de las que están compuestos, son enormemente complejos y diversos. Sin embargo, hay ciertas características comunes que unifican a todos los seres vivos desde las bacterias más simples hasta el ser humano. Todos ellos usan los mismos tipos de biomoléculas y consumen energía. Como resultado, los organismos pueden estudiarse por medio de la química y la física. La creencia en las “fuerzas vitales” (fuerzas que se pensaba que solo existían en los seres vivos) que prevalecía entre los biólogos del siglo XIX, desde hace mucho tiempo dio paso a la conciencia de una unidad que subyace a través del mundo natural. Disciplinas que en apariencia no tienen relación con la bioquímica pueden aportar respuestas a muchas preguntas bioquímicas importantes. Por ejemplo, los estudios por medio de las Imágenes por Resonancia Magnética (MRI, por sus siglas en inglés) que desempeñan un importante papel en las ciencias de la salud, fueron creados por los físicos, se convirtieron en una herramienta vital para los químicos, y actualmente tienen un papel muy importante en la investigación biomédica. El campo de la bioquímica se apoya en

SINOPSIS 1.1 Temas básicos s s

z#ØMODESCRIBELABIOQUÓMICALOS PROCESOSDELAVIDA z#ØMOSEORIGINARONLOSSERESVIVOS

1.2 Fundamentos químicos de la bioquímica s s

z0UEDEUNQUÓMICOSINTETIZARENEL LABORATORIOLASMOLÏCULASDELAVIDA z1UÏHACETANESPECIALESALAS BIOMOLÏCULAS

1.3 Los comienzos de la biología: el origen de la vida s s s

z#ØMOYCUÉNDOCOMENZØAEXISTIRLA 4IERRA z#ØMOSEFORMARONPROBABLEMENTELAS BIOMOLÏCULASENLA4IERRAPRIMITIVA z1UÏFUEPRIMERO LOSCATALIZADORESOLAS MOLÏCULASDELAHERENCIA

1.4 La más grande distinción biológica: los procariontes y los eucariontes s

1.5 Células procarióticas s

z#ØMOSEORGANIZAEL!$.PROCARIØTICO ENAUSENCIADEUNNÞCLEO

1.6 Células eucarióticas s s

z#UÉLESSONLOSORGANELOSMÉS IMPORTANTES z1UÏOTROSCOMPONENTESDELACÏLULASON IMPORTANTES

1.7 ¿Cómo se clasifican los procariontes y eucariontes? s

s s

z#ØMOCLASIFICANHOYENDÓALOS CIENTÓFICOSALOSORGANISMOSVIVOS 1.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS BIOTECNOLOGÍA | %XTREMØlLOSLA JOYADELAINDUSTRIA z%VOLUCIONARONLOSEUCARIONTESAPARTIR DELOSPROCARIONTES z)NTERVINOLASIMBIOSISENELDESARROLLO DELOSEUCARIONTES

z#UÉLESLADIFERENCIAENTREUN PROCARIONTEYUNEUCARIONTE (Continúa en la página siguiente)

A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.

1


2

CAPÍTULO 1

La bioquímica y la organización de las células Sinopsis (continuación)

1.8 Energética bioquímica s s

z#UÉLESLAFUENTEDEENERGÓAENLOS PROCESOSDELAVIDA z#ØMOMEDIMOSLOSCAMBIOSDEENERGÓA ENBIOQUÓMICA

1.9 La energía y el cambio s

z1UÏTIPOSDECAMBIODEENERGÓATIENEN LUGARENLASCÏLULASVIVAS

1.10 La espontaneidad en las reacciones bioquímicas s

z#ØMOPODEMOSPREDECIRQUÏREACCIONES SUCEDERÉNENLASCÏLULAS

1.11 La vida y la termodinámica s

z%SLAVIDATERMODINÉMICAMENTEPOSIBLE 1.2 CONEXIONES BIOQUÍMICAS TERMODINÁMICA | 0REDICCIØNDE REACCIONES

muchas disciplinas, y su naturaleza multidisciplinaria le permite utilizar los resultados de diferentes campos científicos para responder preguntas acerca de la naturaleza molecular de los procesos de la vida. En la actualidad se realizan importantes aplicaciones de este tipo de conocimiento en los campos relacionados con la medicina; un mayor entendimiento de la salud y de la enfermedad desde un punto de vista molecular conduce a un tratamiento más efectivo de muchos tipos de enfermedades. Las actividades que se llevan a cabo dentro de una célula se asemejan a un sistema de transporte en una gran ciudad. Los automóviles, camiones y taxis corresponden a las moléculas implicadas en reacciones (o series de reacciones) dentro de una célula. Las rutas seguidas por los vehículos, de igual modo pueden ser comparadas con las reacciones que ocurren en la vida de la célula. Notemos en particular que muchos vehículos viajan a través de más de una ruta, por ejemplo, los autos y taxis pueden ir casi por dondequiera, mientras que otros medios más especializados de transporte, como los trenes subterráneos, los ferrocarriles y los autobuses, están confinados a rutas únicas. De manera similar, algunas moléculas ejercen múltiples funciones, mientras que otras toman parte solo en series específicas de reacciones. Asimismo, las rutas operan de manera simultánea, al igual que muchas de las reacciones dentro de una célula. Continuando con la comparación, el sistema de transporte de una gran ciudad alberga más tipos de transportación que una ciudad pequeña. Mientras que un pequeño pueblo cuenta con automóviles, autobuses y taxis, una ciudad grande, además de estos, tiene tranvías y trenes subterráneos. De manera análoga, algunas reacciones operan en todas las células, mientras que otras operan solo en ciertos tipos de células. También, las células de los organismos de mayor tamaño y complejidad son estructuralmente más diversas que las células más simples de organismos como las bacterias. Una consecuencia inevitable de esta complejidad es la gran cantidad de terminología que se necesita para describirla; es esencial el aprendizaje de una considerable cantidad de vocabulario nuevo como parte del estudio de la bioquímica. También encontraremos abundantes referencias cruzadas a lo largo del libro, las cuales reflejan la gran cantidad de conexiones entre los procesos que tienen lugar en la célula.

◗ ¿Cómo se originaron los seres vivos? La similitud fundamental de todos los tipos de células hace que la especulación sobre el origen de la vida sea una pregunta valiosísima. ¿Cómo llegaron a existir los componentes de nuestro organismo y cómo llegaron a efectuar las operaciones que llevan a cabo? ¿Cuáles son las moléculas de la vida? Aun las estructuras de las biomoléculas relativamente pequeñas constan de diversas partes. Las grandes biomoléculas o macromoléculas, como las proteínas y los ácidos nucleicos, tienen estructuras complejas y las células vivas son infinitamente más complejas. Aún así, al final tanto las moléculas como las células deben haber surgido a partir de moléculas muy simples, como el agua, metano, dióxido de carbono, amoniaco, nitrógeno e hidrógeno (figura 1.1). A su vez, estas moléculas simples deben haber surgido a partir de átomos. La manera en la que tanto el Universo mismo como los átomos que lo componen llegaron a existir, se ha convertido en un tema de gran interés tanto para los astrofísicos como para otros científicos. Las moléculas simples se formaron por la combinación de átomos, y la incorporación de las moléculas simples dio por resultado moléculas más complejas. Las moléculas que desempeñan una función en las células vivas actuales, son las mismas que se encuentran en la química orgánica, simplemente operan en un contexto diferente.


1.2

Fun d am e nto s qu í m i co s d e l a b i o qu í m i c a

Sistema corporal del organismo Órgano Átomos

Hidrógeno y oxígeno

Hueso Tejido

Moléculas O H

H Agua

Tejido óseo

Células

Macromoléculas Núcleo

Proteína

Aparato de Golgi

Núcleo

Membrana plasmática

Célula ósea

Organelos

Mitocondria

Figura 1.1 Niveles de organización estructural en el cuerpo humano. Note que la jerarquía va de simple a compleja.

1.2 Fundamentos químicos de la bioquímica La química orgánica es la rama de la química que estudia los compuestos de carbono e hidrógeno y sus derivados. Debido a que todas las células de los organismos vivos están constituidas por compuestos de carbono, las biomoléculas son parte de los temas abordados por la química orgánica. Además, muchos compuestos de carbono no se encuentran en ningún organismo y muchos temas de importancia para la química orgánica tienen poca conexión con los seres vivos. Por lo tanto, nos concentraremos en los aspectos de química orgánica que necesitamos para comprender lo que sucede en las células vivas. A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.

química orgánica rama de la química que estudia de los compuestos de carbono, especialmente de aquellos formados por carbono e hidrógeno y sus derivados

3


4

CAPÍTULO 1

La bioquímica y la organización de las células

◗ ¿Puede un químico sintetizar en el laboratorio las moléculas de la vida? Hasta la primera mitad del siglo XIX, existía la creencia generalizada de la existencia de “fuerzas vitales”, las cuales presumiblemente eran exclusivas de los seres vivos. Esta creencia incluía la idea de que era imposible que los compuestos que se encontraban en los organismos vivos se sintetizaran en un laboratorio. En 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler realizó los experimentos críticos que echaron por tierra esta creencia. Wöhler sintetizó urea (un producto de desecho del metabolismo animal bastante conocido) partiendo del cianato de amonio, un compuesto obtenido de fuentes minerales (en otras palabras, no vivas).

NH4OCN

Cianato de amonio

grupos funcionales grupos de átomos que dan origen a las reacciones características de los compuestos orgánicos

H2NCONH2 Urea

Después de este descubrimiento, se ha demostrado que cualquier compuesto presente en un organismo vivo puede ser sintetizado en el laboratorio, aunque en muchos casos la síntesis representa un reto considerable hasta para los químicos orgánicos más experimentados. Las reacciones de las biomoléculas pueden ser descritas mediante los métodos de la química orgánica, la cual clasifica los compuestos según sus grupos funcionales. Las reacciones de las moléculas se basan en las reacciones de sus respectivos grupos funcionales.

◗ ¿Qué hace tan especiales a las biomoléculas? La tabla 1.1 enlista una serie de grupos funcionales biológicamente importantes. Obsérvese que la mayoría de esos grupos funcionales contienen oxígeno y nitrógeno, los cuales se encuentran entre los elementos más electronegativos. Como resultado, muchos de esos grupos funcionales son polares y su naturaleza polar desempeña un papel crucial en su reactividad. No se incluyen en esta tabla algunos grupos que son de vital importancia para los químicos orgánicos, como los haluros de alquilo y los cloruros de acilo, que no tienen ninguna aplicación particular en bioquímica. Inversamente los derivados del ácido fosfórico que contienen carbono se mencionan con poca frecuencia en los cursos introductorios de química orgánica, pero sus ésteres y anhídridos (figura 1.2) son de vital importancia en bioquímica. El trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato (ATP, por sus siglas en inglés), una molécula considerada la moneda energética de la célula, contiene los dos tipos de enlace que involucran al ácido fosfórico, éster y anhídrido. Las clases importantes de biomoléculas tienen grupos funcionales característicos que son los que determinan su reactividad. Explicaremos las reacciones de los grupos funcionales cuando estudiemos los compuestos en los que ocurren.

1.3 Los comienzos de la biología: el origen de la vida El planeta Tierra y su antigüedad Hasta la fecha, solo conocemos un planeta que sin lugar a dudas posee vida: el nuestro. Es de todos sabido que la Tierra y su contenido de agua son la fuente y la base de la vida tal como la conocemos. Una primera pregunta que surge naturalmente es ¿cómo llegó a existir la Tierra, junto con el Universo del cual es parte?

◗ ¿Cómo y cuándo comenzó a existir la Tierra? En la actualidad, la teoría cosmológica más aceptada acerca del origen del Universo es la del big bang, una explosión cataclísmica. Según la cosmología basada en esta teoría, toda la materia del Universo estaba originalmente confinada a un volumen de espacio comparativamente pequeño. Como resultado de una tremenda explosión, esta “bola de fuego primordial” comenzó a expandirse con gran fuerza. Inmediatamente después del big bang, el Universo estaba extremadamente caliente, en el orden de 15 000 millones (15 3 109) de K. [Nótese que las temperaturas en grados Kelvin o absolutas se escriben sin el signo indicativo de grados (º)]. La temperatura promedio del Universo ha venido disminuyendo desde entonces como resultado de la expansión, y estas temperaturas más bajas han permitido la formación de estrellas y planetas. En sus etapas iniciales, el Universo


1.3

Tabla 1.1

Grupos funcionales con importancia bioquímica

Clase de compuesto

Estructura general

Alquenos

RCH RCH R2C R2C

Alcoholes

ROH

Éteres

Grupo funcional característico

CH2 CHR CHR CR2

Lo s co m i en zo s d e l a b i o l o gía : el o r igen d e l a vi d a

Nombre del grupo funcional

Ejemplo

Doble enlace

CH2

OH

Grupo hidroxilo

CH3CH2OH

ROR

O

Grupo éter

CH3OCH3

Aminas

RNH2 R2NH R3N

N

Grupo amino

CH3NH2

Tioles

RSH

SH

Grupo sulfhidrilo

CH3SH

C

O Aldehidos

R

C

H

Ácidos carboxílicos

R

C

C

R

C

OH

C

OR

C

C

NR2

R

C O

NHR

R

C

NH2

P

O

OH

OH

O

O Grupo éster

OR

CH3COCH3

P OH

O Grupo amida

N

CH3CN(CH3)2

P

O OH

Grupo éster fosfórico

CH3

O

O O

P OH

O OH

P

O O

OH

P

O Grupo anhídrido fosfórico

HO

OH

tenía una composición bastante simple y únicamente estaban presentes el hidrógeno, el helio y un poco de litio (los tres elementos más pequeños y más simples de la tabla periódica), que se formaron durante el big-bang. Se piensa que el resto de los elementos químicos se formó de tres maneras: 1) por reacciones termonucleares que normalmente tienen lugar en las estrellas, 2) por explosiones de estrellas y 3) por la acción de los rayos cósmicos en el exterior de las estrellas desde la formación de las galaxias. El proceso por el cual los elementos se forman en las estrellas es un tema de interés para los químicos, así como para los astrofísicos. Para nuestros fines, debemos notar que los isótopos más abundantes de importancia biológica como el carbono, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre tienen núcleos particularmente estables. Estos elementos fueron creados por A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.

P

OH

OH

OH

O R

CH3COH

O

O

Anhídridos de ácido fosfórico

OH

O

C O

O

O Grupo carboxilo

O

R

Ésteres de ácido R fosfórico

CH3CCH3

O

O

Amidas

O Grupo Carbonilo

C

O Ésteres

CH3CH

O

O R

Grupo carbonilo

C

R

CH2

O

O

O Cetonas

C

P OH

O O

P OH

OH

5


6

CAPÍTULO 1

La bioquímica y la organización de las células O HO

1 Reacción del ácido fosfórico con un grupo hidroxilo para formar un éster, que contiene un enlace P-O-R. En esta figura, el ácido fosfórico se muestra en su forma no ionizada. En la imagen se muestran modelos de espacio lleno del ácido fosfórico y su éster de metilo. Las esferas rojas representan al oxígeno; las blancas al hidrógeno; las verdes al carbono; y las naranjas al fósforo.

P

O

+

OH

HO

OH

P

O

R

OH

H2O

Ácido fosfórico

Éster de ácido fosfórico

Alcohol

R

O HO 2

HO

R

P

O OH

+

HO

P

OH

Reacción de dos moléculas de ácido fosfórico para formar un anhídrido, que contiene un enlace P-O-P. En la figura se muestra un modelo de espacio lleno del anhídrido fosfórico.

O

O OH

HO

OH

P OH

H2O

O

P

OH

OH

Anhídrido de ácido fosfórico

NH2 O

O HO

P OH

3 Estructura del ATP (trifosfato de adenosina), en la cual se observan dos enlaces anhídrido y un enlace éster.

O

P OH

Anhídrido

O O

P

Ester N O

C C

N

HC

OH CH2 C

H H C OH

N

O

C

CH N

C H C H OH

ATP

Figura 1.2 El ATP y las reacciones para su formación.

reacciones nucleares en las estrellas de primera generación, que son las estrellas originales producidas después del inicio del Universo (tabla 1.2). Muchas estrellas de primera generación fueron destruidas en explosiones llamadas supernovas y sus cenizas estelares fueron recicladas para formar estrellas de segunda generación, como nuestro Sol, junto con nuestro sistema solar. La datación radiactiva, que se basa en los tiempos de decaimiento de los núcleos radiactivamente inestables, indica que la antigüedad de la Tierra (y del resto del sistema solar) es de 4 000 a 5 000 millones de años (4 a 5 3 109). La atmósfera de la Tierra primitiva era muy diferente de la actual, y probablemente pasó por varias etapas antes de llegar a su composición presente. La diferencia más importante, según la mayoría de las teorías del origen de la Tierra, es que había muy poco o nada de oxígeno libre (O 2) en las primeras etapas (véase la figura 1.3). La Tierra primitiva estaba constantemente irradiada por luz ultravioleta proveniente del Sol debido a que no había capa de ozono en la atmósfera para bloquearla. En esas condiciones se produjeron las reacciones químicas que generaron biomoléculas simples. Se postula comúnmente que los gases presentes en la atmósfera de la Tierra primitiva constaban de NH 3, H2S, CO, CO2, N2, H2 y H2O en sus estados líquido y gaseoso. Sin embargo, no hay un consenso en cuanto a las cantidades relativas de estos componentes, a partir de los cuales se formaron las primeras biomoléculas. Muchas de las teorías tempranas del origen de la vida, sostienen que el metano (CH4) fue la fuente A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.


1.3

Tabla 1.2 Elemento Hidrógeno Carbono Nitrógeno Oxígeno Sodio

Lo s co m i en zo s d e l a b i o l o gía : el o r igen d e l a vi d a

Abundancia de elementos importantes con respecto al carbono* Abundancia en organismos

Abundancia en el Universo

80–250

10 000 000

1 000

1 000

60–300

1 600

500–800

5 000

10–20

12

Magnesio

2–8

200

Fósforo

8–50

3

Azufre

4–20

80

Potasio

6–40

Calcio

25–50

Manganeso

0.25–0.8

Hierro

0.25–0.8

Zinc

0.1–0.4

0.6 10 1.6 100 0.12

*Cada abundancia representa el número de átomos relativo a mil átomos de carbono.

Figura 1.3 Formación de biomoléculas en la Tierra primitiva. Las condiciones en la Tierra primitiva deben haber sido inhóspitas para la mayor parte de la vida de hoy día. Existía muy poco o nada de oxígeno (O2). Los volcanes hacían erupción, expelían gases tóxicos y violentas tormentas producían lluvias torrenciales que cubrían la Tierra. La flecha verde indica la secuencia seguida en la formación de las biomoléculas desde los precursores más sencillos.

del carbono, pero estudios más recientes han demostrado que deben haber existido apreciables cantidades de CO2 en la atmósfera desde hace al menos 3 800 millones de años (3.8 3 109). Esta conclusión tiene su base en evidencias geológicas: las rocas más antiguas tienen 3 800 millones de años de antigüedad y son carbonatos, los cuales se producen a partir de CO2. Cualquier cantidad de NH3 presente debe haberse disuelto en los océanos, dejando N2 A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.

7


8

CAPÍTULO 1

La bioquímica y la organización de las células

en la atmósfera como fuente de nitrógeno, necesaria para la formación de las proteínas y los ácidos nucleicos.

Biomoléculas ◗ ¿Cómo se formaron probablemente las biomoléculas en la Tierra primitiva?

monómeros moléculas pequeñas que se pueden unir entre sí para formar un polímero

polímeros macromoléculas formadas por el enlace de varias unidades más pequeñas

proteínas macromoléculas formadas mediante la polimerización de aminoácidos ácidos nucleicos macromoléculas formadas mediante la polimerización de nucleótidos

Se han llevado a cabo experimentos en los cuales se permitió que compuestos simples de la atmósfera temprana reaccionaran bajo los diversos tipos de condiciones que pudieron haber existido en la Tierra primitiva. Los resultados de tales experimentos indican que estos compuestos simples reaccionan abióticamente, o como lo indica la palabra: en ausencia de vida (a, “sin” y bios, “vida”), para dar origen a importantes compuestos biológicos como los componentes de las proteínas y los ácidos nucleicos. De interés histórico es el bien conocido experimento de Miller-Urey. En cada ensayo, una descarga eléctrica, simulando un rayo atmosférico, se pasa a través de un sistema cerrado que contiene H2, CH4 y NH3, además de H2O. Como productos típicos de tales reacciones encontramos moléculas orgánicas simples como el formaldehído (HCHO) y el ácido cianhídrico (HCN), así como aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas. Según una teoría, reacciones como estas ocurrieron en los océanos primigenios de la Tierra; otros investigadores postulan que tales reacciones sucedieron en la superficie de partículas de arcilla que estaban presentes sobre la Tierra primitiva. Sabemos con toda certeza que sustancias minerales similares a la arcilla pueden servir como catalizadores en muchos tipos de reacciones. Ambas teorías tienen sus defensores, pero se necesita investigar mucho más para responder a las abundantes preguntas que quedan en el aire. Sin embargo, las teorías recientes del origen de la vida proponen al ARN y no a las proteínas, como la primera molécula genética que se creó. Se piensa que las proteínas se formaron posteriormente durante la evolución de las primeras células. Este punto no resta importancia al primer experimento de síntesis abiótica de biomoléculas. Experimentos recientes han demostrado que es posible sintetizar nucleótidos a partir de moléculas simples, por medio de una vía que incluye precursores que no son ni azúcares ni nucleobases. Esta vía involucra un fragmento que químicamente está formado por un azúcar y una porción de base. Este fragmento, el 2-aminooxazol, es altamente volátil y se puede vaporizar y condensar para dar origen a acúmulos del material puro en cantidades relativamente grandes. En consecuencia, los fosfatos liberados mediante la acción volcánica pueden reaccionar con el 2-aminooxazol para producir nucleótidos (figura 1.4). Los productos de dicha reacción incluyen nucleótidos que no forman parte del ARN que se conoce en la actualidad, sin embargo la luz ultravioleta intensa, como la que estaba presente en la Tierra primitiva, destruyó esos nucleótidos, produciendo aquellos que se encuentran en el ARN hoy en día. Las células vivas de la actualidad son ensamblajes que incluyen moléculas muy grandes, como proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos. Estas moléculas son más grandes por varias potencias de 10 respecto a aquellas moléculas más pequeñas con las que están construidas. Cientos o miles de esas diminutas moléculas, o monómeros, pueden ser enlazados para producir macromoléculas, las cuales también se conocen como polímeros. La versatilidad del carbono es importante aquí, debido a que es tetravalente y es capaz de formar enlaces con otros átomos de carbono idénticos, así como también con muchos otros elementos, dando lugar a diferentes tipos de monómeros, como aminoácidos, nucleótidos y monosacáridos (monómeros de azúcares). Las proteínas y los ácidos nucleicos juegan un papel muy importante en los procesos vitales. En las células actuales, los aminoácidos (monómeros) se combinan por polimerización para formar proteínas. Los nucleótidos (también monómeros) se combinan para generar ácidos nucleicos, y la polimerización de monómeros de azúcares produce polisacáridos. Los experimentos de polimerización con aminoácidos llevados a cabo en condiciones de “Tierra primitiva”, han llegado a producir polímeros de tipo proteico. Se han realizado experimentos similares sobre la polimerización abiótica de nucleótidos y azúcares, lo cual sucede con menor facilidad que la polimerización de aminoácidos. Mucha de esta discusión es especulativa, sin embargo es una buena manera para comenzar a pensar en las biomoléculas.


3.1

3

Lo s amin o á ci d o s existen en un mun d o tri dim ens i o nal

Aminoácidos y péptidos

59

3.1 Los aminoácidos existen en un mundo tridimensional ◗ ¿Por qué es importante especificar la estructura tridimensional de los aminoácidos? De todos los aminoácidos posibles, únicamente 20 se encuentran comúnmente en las proteínas. La estructura general de los aminoácidos incluye un grupo amino y un grupo carboxilo, los cuales están enlazados al carbono a (el que está junto al grupo carboxilo). El carbono a también está enlazado a un hidrógeno y a una cadena lateral que representaremos con la letra R. El grupo R determina la identidad del aminoácido en cuestión (figura 3.1). La fórmula bidimensional ilustrada aquí solo puede mostrar parcialmente la estructura común de los aminoácidos debido a una de las más importantes propiedades de estos compuestos que es su forma tridimensional o estereoquímica. Cualquier objeto tiene una imagen en el espejo, es decir una imagen especular. Muchos pares de objetos que son imágenes especulares pueden sobreponerse el uno en el otro; dos pocillos para café idénticos y de color sólido son un ejemplo. En otros casos los objetos que son imágenes especulares no pueden ser superpuestos entre sí, pero están relacionados como la mano derecha lo está con la izquierda. Las imágenes especulares que no pueden ser superpuestas entre sí se denominan quirales (del griego cheir, “mano”); muchas biomoléculas importantes son quirales. Un centro quiral encontrado frecuentemente en las biomoléculas es un átomo de carbono con cuatro grupos diferentes enlazados a él (figura 3.1). Un centro así aparece en todos los aminoácidos excepto en la

grupo amino grupo funcional –NH2

grupo carboxilo grupo funcional —COOH que se disocia para producir el anión carboxilato, —COO–, y un ión hidrógeno

cadena lateral porción de un aminoácido que determina su identidad estereoquímica rama de la química que se encarga de estudiar la forma tridimensional de las moléculas quiral se refiere a un objeto que no es superponible en su imagen especular

SINOPSIS 3.1 Los aminoácidos existen en un mundo tridimensional s

z0ORQUÏESIMPORTANTEESPECIFICAR LAESTRUCTURATRIDIMENSIONALDELOS AMINOÉCIDOS

3.2 Aminoácidos individuales: su estructura y propiedades s s s

s

s

z0ORQUÏLASCADENASLATERALESDELOS AMINOÉCIDOSSONTANIMPORTANTES z1UÏAMINOÉCIDOSTIENENCADENAS LATERALESNOPOLARES'RUPO z1UÏAMINOÉCIDOSTIENENCADENAS LATERALESPOLARESELÏCTRICAMENTENEUTRAS 'RUPO z1UÏAMINOÉCIDOSTIENENGRUPOS CARBØXÓLOENSUSCADENASLATERALES 'RUPO z1UÏAMINOÉCIDOSCUENTANCONCADENAS LATERALESALCALINAS'RUPO

s

z1UÏAMINOÉCIDOSSUELENSERMENOS COMUNESENLASPROTEÓNAS

3.3 Los aminoácidos pueden actuar como ácidos y como bases s

z1UÏSUCEDECUANDOTITULAMOSUN AMINOÉCIDO

3.4 El enlace peptídico s

z1UÏGRUPOSDEAMINOÉCIDOSREACCIONAN PARAFORMARUNENLACEPEPTÓDICO

3.5 Pequeños péptidos con actividad fisiológica s

z#UÉLESSONALGUNASDELASFUNCIONES BIOLØGICASDELOSPÏPTIDOSPEQUE×OS 3.1 CONEXIONES BIOQUÍMICAS | (ORMONASPEPTÓDICAS -OLÏCULAS PEQUE×ASCONGRANDESEFECTOS

A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.

59


60

CAPÍTULO 3

Aminoácidos y péptidos

glicina. La glicina tiene dos átomos de hidrógeno enlazados al carbono-a; en otras palabras, la cadena lateral (grupo R) de la glicina es un hidrógeno. La glicina no es H R quiral (o, dicho de otro modo es aquiral) debido a esta simetría. En todos los demás Carbono-α Cα aminoácidos existentes, en general, el carbono-a tiene cuatro grupos diferentes en+ H3N COO– lazados a el, dando lugar a dos formas de imágenes especulares no superponibles. La Grupo Grupo figura 3.2 nos muestra dibujos en perspectiva de estas dos posibilidades, o estereoisóamino carboxilo meros, para la alanina, en la que el grupo R es un —CH3. En las figuras bidimensionales de la izquierda los enlaces punteados en forma de cuña representan enlaces que se alejan del observador y los enlaces mostrados como cuñas sólidas representan enlaces que van dirigidos hacia afuera del plano del papel en dirección del observador. Los dos posibles estereoisómeros de otro compuesto quiral, el L- y el D-gliceraldehído, se muestran para compararlos con las formas correspondientes de la alanina. Estas dos formas del gliceraldehído son la base de la clasificación de los aminoácidos en las formas L y D. La terminología viene del latín laevus que significa “izquierdo” y dexter que significa “derecho”. Esta nomenclatura proviene de la capacidad de los Modelo de Los aminoácidos compuestos ópticamente activos de hacer rotar la luz polarizada hacia la derecha o a barras y esferas tienen estructura la izquierda (levógiros). Los dos estereoisómeros de cada aminoácido son designados tetrahédrica como L- y D-aminoácidos con base en su similitud con el estándar del gliceraldehído. Al dibujarlos en cierta orientación, la forma L del gliceraldehído tiene el grupo hidroxilo en el lado izquierdo de la molécula y la forma D la tiene en el lado derecho, como se muestra en perspectiva en la figura 3.2 (una proyección Fischer). Para determinar la designación L o D para un aminoácido, se dibuja como se muestra en la figura. La posición del grupo amino a la derecha o a la izquierda del carbono-a determina su designación como D o L. Los aminoácidos que aparecen en las proteínas de los seres vivos son todos de la forma L. Aunque hay algunos aminoácidos D en la naturaleza, sobre todo en las paredes celulares bacterianas y en algunos antibióticos, no se encuentran en las proteínas normales. Figura 3.1 Fórmula general de los Cadena lateral

aminoácidos, mostrando las formas iónicas que predominan a pH 7.

3.2 Aminoácidos individuales: su estructura y propiedades aquiral se refiere a un objeto que es

◗ ¿Por qué las cadenas laterales de los aminoácidos son tan importantes?

superponible en su imagen especular

Los grupos R, y por lo tanto los aminoácidos individuales, se clasifican de acuerdo a diversos criterios, dos de los cuales son particularmente importantes. El primero de estos es la naturaleza polar o no polar de la cadena lateral. El segundo depende de la presencia de un grupo ácido o alcalino en esta cadena lateral. Otros criterios útiles son la presencia de grupos funcionales diferentes de los grupos ácidos o alcalinos en las cadenas laterales y la naturaleza de esos grupos. Como ya se mencionó, la cadena lateral del aminoácido más simple, la glicina, es un átomo de hidrógeno, y en este único caso dos átomos de hidrógeno están unidos al carbono-a. En todos los demás aminoácidos, la cadena lateral es más larga y más compleja (figura 3.3).

estereoisómeros moléculas que difieren entre sí únicamente en su configuración (estructura tridimensional); también llamados isómeros ópticos

aminoácidos L- y D- aminoácidos cuya estereoquímica es la misma que la estereoquímica de las formas estándar L- y D- del gliceraldehído, respectivamente

CHO HO

CHO

H

H

CH2OH L-Gliceraldehído

OH

+

+

NH3

NH3

CH2OH H

D-Gliceraldehído

H

C COOH

COOH

+

+

H

H3N CH3

L-Alanina

C

H

NH3

COO–

R

R

COO–

CH3 D-Alanina

Figura 3.2 Estereoquímica de la alanina y la glicina. Los aminoácidos encontrados en las proteínas tienen la misma quiralidad que el L-gliceraldehído, la cual es opuesta a la del D-gliceraldehído. A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.


3.2

Amino á cidos individuales: su e str u c tu r a y p ro p i e d a d e s

ESTRUCTURA DE LOS 20 AMINOÁCIDOS ENCONTRADOS COMÚNMENTE EN LAS PROTEÍNAS A Modelo de barras y esferas

Fórmula estructural

NO POLAR (HIDROFÓBICO) Modelo espacial

Modelo de barras y esferas

Fórmula estructural

COOH H3N+

C

COOH

H

H3N+

H

C

CH2

1

Modelo espacial

CH2

CH2

5

CH

S

H3C

CH3

CH3 Metionina (Met, M)

Leucina (Leu, L)

COOH H3N+

H

C CH2

2 N H

COOH + H2N

H2C

C CH

Triptofano (Trp, W)

C

H

CH2 CH2

6

Prolina (Pro, P)

COOH H3N+

C

COOH

H H3

CH2

N+

3

H

C

7

CH3

Fenilalanina (Phe, F)

Alanina (Ala, A)

COOH H3N+ H3C

4

C C

COOH

H H

H3N+

Isoleucina (Ile, I)

CH3

CH3

Valina (Val, V)

Figura 3.3 Estructuras de los aminoácidos encontrados con más frecuencia en las proteínas. Los 20 aminoácidos que son las unidades básicas que constituyen las proteínas se clasifican en: a) no polares (hidrofóbicos), b) polares, c) ácidos y o d) básicos. Los códigos de una sola letra y el de tres letras son los que suelen usarse para denominarlos. Para cada aminoácido, el modelo de “barras y esferas” (izquierda) y el de “modelo espacial” (derecha) nos muestran únicamente la cadena lateral.

8

CH

CH2 CH3

H

C

COOH H3N+

C

H

H

9

Glicina (Gly, G)

(Continúa)

A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.

61


62

CAPÍTULO 3

Aminoácidos y péptidos

B

Modelo de barras y esferas

Fórmula estructural

POLARES, SIN CARGA

Modelo espacial

Modelo de barras y esferas

Fórmula estructural COOH

COOH

10

H3

H3N+

C

H

H

C

OH

N+

CH2

13

OH

Serina (Ser, S)

Treonina (Thr, T)

COOH

COOH C

H3N+

H

C

H

CH2

CH2

11

H

C

CH3

H3N+

Modelo espacial

14

C

SH O

Cisteína (Cys, C)

NH2

Asparagina (Asn, N) COOH

COOH H3N+

H3N+

C

H

H

C

CH2 CH2

CH2

12

15

C O

OH

Glutamina (Gln, Q)

Tirosina (Tyr, Y) C

Modelo de barras y esferas

Fórmula estructural

NH2

Modelo espacial

ÁCIDOS

Modelo de barras y esferas

Fórmula estructural

Modelo espacial

COOH COOH H3N+

16

C

H

H3N+

C

H

CH2

CH2

CH2

COOH

COOH

Ácido aspártico (Asp, D)

17

Ácido glutámico (Glu, E)

Figura 3.3 Continuación A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.


3.2

D

Modelo de barras y esferas

Fórmula estructural

Modelo espacial

Amino á cidos individuales: su e str u c tu r a y p ro p i e d a d e s

BÁSICO

Modelo de barras y esferas

Fórmula estructural

C

H

H3N+

H+N

H 2

g CH

2

C

HC

C b CH

CH2 18

Modelo espacial

COOH

COOH H3N+

63

19

d CH

NH

2

C H

e CH

2

NH3+ Histidina (His, H)

Lisina (Lys, K) COOH

Figura 3.3 Continuación H3

N+

H

C CH2 CH2 CH2 NH C

+N

H2

NH2

ArgininA (Arg, R)

Los átomos de la cadena lateral son designados con letras del alfabeto griego, contando a partir del carbono-a . Estos átomos de carbono son, a su vez, los carbonos beta, gamma, delta y épsilon (b, g, d, e)(véase la lisina en la figura 3.3); un átomo de carbono terminal se denomina como carbono-v por la última letra del alfabeto griego (omega). Acostumbramos hacer referencia a los aminoácidos por medio de abreviaturas de tres letras o de una letra, donde la designación de una letra se hace cada día más común. La tabla 3.1 enlista todas estas abreviaciones.

◗ ¿Qué aminoácidos tienen cadenas laterales no polares? (Grupo 1) Uno de los grupos de aminoácidos tiene cadenas laterales no polares. Este grupo incluye la glicina, la alanina, la valina, la leucina, la isoleucina, la prolina, la fenilalanina, el triptófano y la metionina. En varios miembros de este grupo —es decir la alanina, la valina, la leucina y la isoleucina— la cada cadena lateral es un hidrocarburo alifático. (En química orgánica, el término alifático se refiere a la ausencia de un anillo bencénico o alguna estructura similar.) La prolina tiene una estructura alifática cíclica y el nitrógeno está unido a dos átomos de carbono. En la terminología de química orgánica, el grupo amino de la prolina es una amina secundaria y por ello, la prolina con frecuencia es llamada un iminoácido. Contrariamente, los grupos amino de todos los demás aminoácidos comunes son aminas primarias. En la fenilalanina, el grupo hidrocarburo es aromático (contiene un grupo cíclico similar a un anillo bencénico) en vez de ser alifático. En el triptófano, la cadena lateral contiene un anillo de indol, el cual es también aromático. En la metionina, la cadena lateral contiene un átomo de azufre además de los grupos de hidrocarburos alifáticos (ver figura 3.3). A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.

20


64

CAPÍTULO 3

Aminoácidos y péptidos

Tabla 3.1 Aminoácido

Nombres y abreviaturas de los aminoácidos comunes Abreviatura de tres letras

Abreviatura de una letra

Alanina

Ala

A

Arginina

Arg

R

Asparagina

Asn

N

Ácido aspártico

Asp

D

Cisteína

Cys

C

Ácido glutámico

Glu

E

Glutamina

Gln

Q

Glicina

Gly

G

Histidina

His

H

Isoleucina

Ile

I

Leucina

Leu

L

Lisina

Lys

K

Metionina

Met

M

Fenilalanina

Phe

F

Prolina

Pro

P

Serina

Ser

S

Treonina

Thr

T

Triptófano

Trp

W

Tirosina

Tyr

Y

Valina

Val

V

Nota: Las abreviaturas de una letra empiezan con la misma letra del nombre del aminoácido siempre que es posible. Cuando los nombres de varios aminoácidos inician con la misma letra, se aplica la fonética más que la escritura (ocasionalmente los de tipo gracioso) son los que se usan como Rginina, asparDic, Fenilalanina, tWiptofano. Cuando dos o más aminoácidos comienzan con la misma letra, tiene preferencia la letra más pequeña cuya abreviatura de una letra coincide con su letra inicial.

◗ ¿Qué aminoácidos tienen cadenas laterales polares eléctricamente neutras? (Grupo 2) Otro grupo de aminoácidos tiene cadenas laterales polares que son eléctricamente neutras (sin carga eléctrica neta) a pH neutro. Este grupo incluye la serina, la treonina, la tirosina, la cisteína, la glutamina y la asparagina. Por conveniencia, a veces aquí también se incluye la glicina pues carece de una cadena lateral no polar. En la serina y la treonina, el grupo polar es un hidroxilo (—OH) unido a grupos de hidrocarburos alifáticos. El grupo hidroxilo en la tirosina está unido a un grupo aromático, que al final pierde un protón a pH más altos. (El grupo hidroxilo en la tirosina es un fenol, el cual es un ácido más fuerte que un alcohol alifático. Como resultado de ello, la cadena lateral de la tirosina puede perder un protón en una titulación, mientras que los de la serina y la treonina requieren un pH tan alto que los valores de pKa no son enlistados para estas cadenas laterales.) En la cisteína, la cadena polar lateral consiste de un grupo tiol (—SH), el cual puede reaccionar con un grupo tiol de otra cisteína para formar un puente disulfuro (—S—S—) en las proteínas, a través de una reacción de oxidación (sección 1.9). El grupo tiol también puede perder un protón. Los aminoácidos glutamina y asparagina tienen grupos amida en sus cadenas laterales, que derivan de grupos carboxílicos. Los enlaces amida no se ionizan en el rango de pH comúnmente encontrados en la bioquímica. La glutamina y la asparagina pueden ser considerados como los derivados de los ácidos glutámico y aspártico, respectivamente, en el Grupo 3 de aminoácidos; estos dos aminoácidos tienen grupos carboxílicos en sus cadenas laterales.

◗ ¿Qué aminoácidos tienen grupos carboxilo en sus cadenas laterales? (Grupo 3) Dos aminoácidos, el glutámico y el aspártico, poseen grupos carboxilo en sus cadenas laterales además del que está presente en todos los aminoácidos. Un grupo carboxilo puede perder un protón, formando el correspondiente anión carboxilato (sección 2.5): glutamato y aspartato, respectivamente en el caso de estos dos aminoácidos. Debido a la A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.


3.3

L o s a m i n o á c i d o s p u e d e n a c tua r co m o á c i d o s y co m o b a s e s

presencia del carboxilato, la cadena lateral de cada uno de estos dos aminoácidos está cargado negativamente a pH neutro.

◗ ¿Qué aminoácidos cuentan con cadenas laterales alcalinas? (Grupo 4) Tres aminoácidos —la histidina, la lisina y la arginina— poseen cadenas laterales básicas (alcalinas), y la cadena lateral en las tres está cargada positivamente en o cerca del pH neutro. En la lisina, el grupo amino de la cadena lateral, está unido a una cola de hidrocarburo alifático. En la arginina, el grupo básico de la cadena lateral, el grupo guanidinio, es más complejo en su estructura que el grupo amino, pero también está unido a una cola de hidrocarburo alifático. En la histidina libre en solución, el pKa del grupo imidazol de la cadena lateral es 6.0, el cual no está muy lejos del pH fisiológico. Los valores de pKa para varios aminoácidos dependen del medio en que se encuentran y pueden cambiar significativamente dentro de los confines de una proteína. La histidina puede ser encontrada en la forma protonada y no protonada en las proteínas, y las propiedades de muchas proteínas dependen de si los residuos de histidina individuales están o no eléctricamente cargados. Pruebe sus conocimientos en los ejercicios de la sección Aplique sus conocimientos 3.1.

.

Aplique sus conocimientos

Aminoácidos, sus estructuras y propiedades 1. En el siguiente grupo, identifique los aminoácidos con cadenas laterales no polares y aquellos con cadenas laterales alcalinas: alanina, serina, arginina, lisina, leucina y fenilalanina. 2. El pKa del grupo imidazol, cadena lateral de la histidina es 6.0. ¿Cuál es la relación de cadenas cargadas a no cargadas a pH 7.0?

Solución Note que en la primera parte de este ejercicio para aplicar sus conocimientos, se pide hacer una verificación de hechos sobre el material de este capítulo, y en la segunda parte se pregunta que recuerde y aplique conceptos de un capítulo anterior. 1. Observe la figura 3.3. No polares: alanina, leucina y fenilalanina; alcalinos: arginina y lisina. La serina no está en ninguna de estas categorías ya que tiene una cadena lateral polar. 2. La relación es 10:1 debido a que el pH es una unidad mayor que el pKa.

Aminoácidos poco comunes ◗ ¿Qué aminoácidos suelen ser menos comunes en las proteínas? Se sabe que existen otros aminoácidos, además de los enlistados aquí. Estos aparecen en algunas proteínas, pero no en todas, por lo que se conocen como aminoácidos raros. En la figura 3.4 hay ejemplos de estas posibilidades. Los aminoácidos raros son derivados de los aminoácidos comunes y se generan por modificación del aminoácido original, después de que la proteína ha sido sintetizada por el organismo, en un proceso llamado modificación postraduccional. La hidroxiprolina y la hidroxilisina difieren de sus aminoácidos originales en que tienen grupos hidroxilo en sus cadenas laterales; son encontrados en algunas proteínas del tejido conectivo, tal como el colágeno. La tiroxina difiere de la tirosina en que tiene un grupo aromático con un yodo adicional en la cadena lateral; es producida solamente en la glándula tiroides, y es formada por una modificación postraduccional de residuos de tirosina de la proteína tiroglobulina. Inmediatamente después, la tiroxina es secretada como una hormona por proteólisis de la tiroglobulina.

3.3 Los aminoácidos pueden actuar como ácidos y como bases En un aminoácido libre el grupo carboxilo y el grupo amino de la estructura general están cargados a pH neutro —la porción carboxilato se carga negativamente y el grupo amino,

65


66

CAPÍTULO 3

Aminoácidos y péptidos O CH2 C

CH2 H2C

C

H2C

N

Prolina

C

H

+

C

O

C

H

+

H3N

CH2

CH2

CH2 C

H

CH2 +

NH3

Lisina

O –

C

O

C

H

+

H3N

CH2

CH2

Figura 3.4 Estructuras de la hidroxiprolina, la hidroxilisina y la tiroxina. Se muestran en secuencia las estructuras de los aminoácidos originales —prolina para la hidroxiprolina, lisina para la hidroxilisina y tirosina para la tiroxina— para su comparación. Todos los aminoácidos se muestran en sus formas predominantes a pH 7.

O

O –

O

H H

Hidroxiprolina

O C

C H

H

O–

+

H

H

CH2 C

CH

O

+

N

O

HO –

O–

C

H

+

H3N

H3N

CH2

CH2

OH

CH2 +

C

I

I

NH3

OH

Hidroxilisina

O

Tirosina

I

I OH Tiroxina

positivamente—. Los aminoácidos sin grupos cargados en sus cadenas laterales existen en una solución neutra como zwitteriones sin carga neta. Un zwitterión tiene ambos tipos de cargas, positivas y negativas, pero en solución es eléctricamente neutro. Los aminoácidos neutros existen en la forma NH2—CHR—COOH (esto es, sin grupos cargados).

◗ ¿Qué sucede cuando titulamos un aminoácido? Cuando se titula un aminoácido, su curva de titulación indica la reacción de cada grupo funcional con el ión hidrógeno. En la alanina, el carboxilo y los grupos amino son los grupos titulables. En pH extremadamente bajos, la alanina tiene un grupo carboxílico protonado (y por tanto sin carga) y un grupo amino cargado positivamente que también está protonado. Bajo esas condiciones, ahora la alanina tiene una carga neta positiva de 1. Conforme se añade una base, el grupo carboxilo pierde su protón para así convertirse en un grupo carboxilato cargado (figura 3.5a), y el pH de la solución aumenta. La alanina ahora no tiene carga neta. Conforme el pH aumenta con la adición de más álcali, el grupo amino protonado (ácido débil) pierde su protón y la molécula de alanina ahora tiene una carga negativa de 1. La curva de titulación de la alanina es la misma que la de un ácido diprótico (figura 3.6). En la histidina, la cadena lateral de imidazol también aporta un grupo titulable. En valores de pH muy bajos, la molécula de histidina tiene una carga neta positiva de 2 debido a que tanto el imidazol y los grupos amino tienen cargas positivas. Conforme se añade base y el pH aumenta, el grupo carboxilo pierde un protón para convertirse en carboxilato como antes, y la histidina ahora tiene una carga positiva de 1 (figura 3.5b). Conforme se añade más solución alcalina, el grupo cargado imidazol pierde su protón, este es el punto en el cual la histidina no tiene carga neta. En mayores valores de pH, el grupo amino pierde su protón, como sucedió en el caso de la alanina, y la molécula A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.


3.3 carga neta +1

L o s a m i n o á c i d o s p u e d e n a c tua r co m o á c i d o s y co m o b a s e s

carga neta 0

carga neta –1

neutro

forma iónica

forma catiónica

67

Zwitterion isoeléctrico COOH +

H 3N

C

H

H+ +

pKa = 2.34

H+

COO– H 3N

C

R

H

pKa = 9.69

COO– H2N

R

C

H

R

A Las formas iónicas de los aminoácidos, son mostradas sin considerar ninguna ionización sobre las cadenas laterales. La forma catiónica es la forma de bajo pH, y la titulación de las especies catiónicas con un álcali producen los zwitteriones y finalmente la forma aniónica.

carga neta +2

carga neta +1

COOH +

C

H3N

H

COO

COO pKa = 1.82

+

C

H3N

CH2

H

pKa = 6.0

C

NH

carga neta –1

+

H3N

CH2

H

COO– pKa = 9.17

C

H2N

CH2

NH

+

H

CH2

NH

NH

+

N H

carga neta 0

N H

N

N

Zwitterion isoeléctrico

B La ionización de la histidina (un aminoácido con una cadena lateral titulable).

Figura 3.5 Ionización de los aminoácidos.

de histidina ahora tiene una carga negativa de 1. La curva de titulación de la histidina es equivalente a la de un ácido triprótico (figura 3.7). Al igual que los ácidos que estudiamos en el capítulo 2, los grupos titulables de cada uno de los aminoácidos tienen valores característicos de pKa. Los valores de pKa de los grupos a-carboxilo son bastante bajos, alrededor de dos. Los valores de pKa de los grupos amino son mucho más altos, con valores que van de 9 a 10.5. Los valores de pKa de las cadenas laterales, incluyendo los grupos amino y carboxilo de la ca12 dena lateral, dependen de la naturaleza química de los grupos. La tabla 3.2 lista los valores de pKa de los grupos titulables de los aminoácidos. La clasificación de un 10 aminoácido como ácido o alcalino depende del pKa de la cadena lateral así como de la naturaleza química del grupo. La histidina, la lisina y la arginina son conside8 rados aminoácidos alcalinos debido a que cada una de sus cadenas laterales tiene pH un grupo con nitrógeno que puede existir en su forma protonada o desprotonada. 6 Sin embargo, la histidina tiene un pKa en el rango ácido. El ácido aspártico y el glutámico son considerados ácidos debido a que cada uno tiene un ácido carboxílico 4 como cadena lateral con un bajo valor de pKa. Estos grupos aún pueden ser titulados después de que el aminoácido ha sido incorporado en un péptido o en una pro2 teína, pero el pKa de un grupo titulable de la cadena lateral no necesariamente es el mismo en una proteína como lo es en un aminoácido libre. De hecho, puede ser 0 muy diferente. Por ejemplo, se ha reportado un pKa de 9 para una cadena lateral de aspartato en la proteína tioredoxina. El hecho de que los aminoácidos, péptidos y proteínas tengan valores diferentes de pKa, da lugar a la posibilidad de que tengan diferentes cargas a cualquier pH dado. La alanina e A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.

H2NCHRCOO– + H3NCHRCOO– H2NCHRCOO–

pK2 = 9.69

pI

pH = 6.02

+

H3NCHRCOOH

+

H3NCHRCOO–

pK1 = 2.34 +

H3NCHRCOOH + H3NCHRCOO– 0

1.0 2.0 moles de OH– por mol de aminoácido

Figura 3.6 Curva de titulación de la alanina.


68

CAPÍTULO 3

Aminoácidos y péptidos 14

NH3+ CH2 C COO–

12

+

HN

H

NH

NH2

10

pK3 = 9.2

pI pH

CH2 C COO– N

8

NH3+ CH2 CH COO–

6 pK2 = 6.0

N

4

electroforesis método para separar moléculas con base en la relación carga/tamaño pH isoeléctrico (PI) pH al cual una molécula no tiene carga neta; también conocido como punto isoeléctrico

CH2 C COOH

2

+

HN

la histidina. El pH isoeléctrico (pI) es el valor al cual las cargas positivas y negativas son las mismas. La molécula entonces no tiene carga neta

NH

NH3+

pK1 = 1.82

Figura 3.7 Curva de titulación de

H

NH

NH

H

0 0

1.0

2.0 3.0 4.0 moles de OH– por mol de aminoácido.

histidina, por ejemplo, tienen ambas cargas netas de –1 en valores de pH mayores, arriba de 10; el único grupo cargado es el anión carboxilato. A pH más bajo, alrededor de 5, la alanina es un zwitterión sin carga neta, pero la histidina tiene una carga neta de 1 a este pH, debido a que el grupo imidazol está protonado. Esta propiedad es útil en la electroforesis, la cual es un método común para separar las moléculas en un campo eléctrico. Este método es extremadamente útil para determinar la propiedades importantes de las proteínas y los ácidos nucléicos. Veremos las aplicaciones a las proteínas en el capítulo 5 y a los ácidos nucléicos en el capítulo 13. El pH al cual una molécula no presenta ninguna carga neta se le llama el pH isoeléctrico, o punto isoeléctrico (con el símbolo pI). En su pH isoeléctrico, una molécula no migrará en un campo eléctrico. Esta propiedad puede

Tabla 3.2

Valores de pKa de los aminoácidos comunes

Acid

a-COOH

a-NH31

Gly

2.34

9.60

Ala

2.34

9.69

Val

2.32

9.62

Leu

2.36

9.68

RH o RH+

Ile

2.36

9.68

Ser

2.21

9.15

Thr

2.63

10.43

Met

2.28

9.21

Phe

1.83

9.13

Trp

2.38

9.39

Asn

2.02

8.80

Gln

2.17

9.13

Pro

1.99

Asp

2.09

9.82

3.86*

Glu

2.19

9.67

4.25*

His

1.82

9.17

6.0*

Cys

1.71

10.78

Tyr

2.20

9.11

10.07

Lys

2.18

8.95

10.53

Arg

2.17

9.04

12.48

10.6

8.33*

*Para estos aminoácidos, la ionización del grupo R ocurre antes que la ionización del a-NH3+. A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.


3.4

E l e n l a ce p ep tí d i co

69

ser usada en los métodos de separación. El pI de un aminoácido puede ser calculado por la siguiente ecuación:

pI

pKa1 1 pKa2 2

La mayor parte de los aminoácidos tienen solamente dos valores de pKa, de modo que esta ecuación es muy fácil de usar para calcular el pI. Para los aminoácidos ácidos y alcalinos, sin embargo, debemos asegurarnos de promediar los valores correctos de pKa. El pKa1 es para el grupo funcional que se ha disociado en su punto isoeléctrico. Si los dos grupos están disociados en el pH isoeléctrico, entonces el pKa1 es más alto que el pKa de los dos. Por tanto, pKa2 es para el grupo que no se ha disociado a pH isoeléctrico. Si hay dos grupos que no estén disociados, el que tenga el pKa más bajo es el que se usa. Vea el siguiente ejercicio de Aplique sus conocimientos 3.2 para averiguar qué tan bien utiliza los conocimientos adquiridos.

.

Aplique sus conocimientos

Titulación de aminoácidos 1. ¿Cuáles de los siguientes aminoácidos tiene una carga neta de +2 a pH bajo? ¿Cuál tiene una carga neta de –2 a pH alto? El ácido aspártico, la alanina, la arginina, el ácido glutámico, la leucina o la lisina. 2. ¿Cuál es el pI para la histidina?

Solución Observe que la primera parte de este ejercicio trata únicamente de la descripción cualitativa de la pérdida sucesiva de protones por los grupos titulables en los aminoácidos individuales. En la segunda parte, hay que referirse a la curva de titulación así como hacer cálculos numéricos de los valores de pH. 1. La arginina y la lisina tienen cargas netas de +2 a pH bajo debido a sus cadenas laterales alcalinas; el ácido aspártico y el glutámico tienen cargas netas de –2 a pH alto debido a sus cadenas laterales de ácido carboxílico. La alanina y la leucina no caen en ninguna de estas categorías debido a que no tienen cadenas laterales titulables. 2. Dibuje o ilustre la histidina a pH muy bajo. Use la fórmula mostrada en la figura 3.5b que está del lado izquierdo. Esta forma tiene una carga neta de +2. Para llegar al punto isoeléctrico, debemos añadir parte de la carga negativa o eliminar algo de carga positiva. Esto sucederá en solución con el objetivo de aumentar el pKa. Por tanto, comenzamos por eliminar el hidrógeno del grupo hidroxilo ya que tiene el pKa más bajo (1.82). Esto nos deja con la segunda forma de la izquierda mostrada en la figura 3.5b. Esta forma tiene una carga de +1, de modo que aún debemos eliminar otro hidrógeno para llegar a la forma isoeléctrica. Este hidrógeno provendría de la cadena lateral del imidazol debido a que tiene el siguiente pKa más alto (6.0); esta es la forma isoeléctrica (segunda de la derecha). Ahora promediamos el pKa del grupo más alto de pKa que ha perdido un hidrógeno con el del grupo que tiene el más bajo pKa que aún conserva su hidrógeno. En el caso de la histidina, las cantidades numéricas que hay que sustituir en la ecuación para el pI son 6.0 [pKa1] y 9.17 [pKa2], lo cual da un pI de 7.58.

3.4 El enlace peptídico ◗ ¿Qué grupos de aminoácidos reaccionan para formar un enlace peptídico? Los aminoácidos individuales pueden unirse formando enlaces covalentes. Este enlace se forma entre el grupo a-carboxilo de un aminoácido y el grupo a-amino del siguiente. Se elimina agua en el proceso y los residuos de aminoácidos quedan enlazados después de que el agua ha sido eliminada (figura 3.8). Un enlace construido de esta forma se identifica como enlace peptídico. Los péptidos son compuestos formados por la unión de unos cuantos aminoácidos, cuyo número va de dos a varias docenas. En una proteína, muchos aminoácidos (comúnmente más de 100) se unen mediante enlaces peptídicos para formar

residuos porciones de unidades monoméricas que forman parte de un polímero después de eliminar una molécula de agua entre los monómeros unidos enlace peptídico enlace amida entre los aminoácidos en una proteína péptidos moléculas formadas al enlazar dos o varias docenas de aminoácidos mediante enlaces amida


70

CAPÍTULO 3

Aminoácidos y péptidos

 



Dos aminoácidos

 

Eliminación de una molécula de agua…





 H2O

…Formación de un enlace CO-NH





Figura 3.8 Formación del enlace peptídico (de GARRET/GRISHAM, Bioquímica, 4E. © Cengage Learning.)

cadena polipeptídica esqueleto de una proteína; está formada por la unión de aminoácidos mediante enlaces peptídicos (amida)

estructuras resonantes fórmulas estructurales que difieren unas de otras únicamente en la posición de sus electrones

Enlace peptídico

una cadena polipeptídica (figura 3.9). Otro nombre que se le da a un compuesto formado por la reacción entre un grupo amino y un grupo carboxilo es una amida. El enlace carbono-nitrógeno formado cuando dos aminoácidos son unidos a través de un enlace peptídico normalmente se representa como una sola ligadura, con un par de electrones compartidos entre los dos átomos. Con un simple cambio en la posición de un par de electrones, sería posible escribir este enlace como una doble ligadura. Este intercambio de electrones es bien conocido en química orgánica y da por resultado estructuras resonantes, mismas que difieren unas de otras únicamente por el posicionamiento de los electrones. Las posiciones de ligadura doble y sencilla en una estructura resonante son diferentes de sus posiciones en otra estructura resonante del mismo compuesto. No hay una sola estructura resonante que en la realidad represente la manera en la que está enlazado un compuesto; más bien todas las estructuras resonantes contribuyen al enlace. El enlace peptídico puede ser escrito como un híbrido de resonancia de dos estructuras (figura 3.10), una con un solo enlace entre el carbono y el nitrógeno y la otra con un

Enlaces peptídicos

H

O

C

C

R2

H

H

O

N

C

C

R4

H

H

O

N

C

C

R6

+

H3N

R1

Figura 3.9 Un pequeño péptido mostrando la dirección de la cadena peptídica (N-terminal a C-terminal).

N

C

C

H

H

O

Residuo N-terminal

R3

N

C

C

H

H

O

Dirección de la cadena peptídica

R5

N

C

H

H

COO–

Residuo C-terminal

A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.


3.5

Pe qu e ñ o s p ép ti d o s co n a c ti v i d a d f is i o l ó gi c a

Enlace peptídico

O O

C C

C

O

N

– +

C H

C

71

C

N

C

H N

Plano del enlace amida Grupo peptídico A Estructuras de resonancia del grupo peptídico

B Estructura planar del grupo peptídico.

Figura 3.10 Las estructuras resonantes del enlace peptídico dan por resultado un grupo planar). (Ilustración por Irving Geis. Derechos del Instituto Médico Howard Hughes. Prohibida su reproducción sin la debida autorización). doble enlace entre el carbono y el nitrógeno. El enlace peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace. Como resultado de ello, el grupo peptídico que forma el enlace entre los dos aminoácidos es plano. El enlace peptídico es también más fuerte que un enlace sencillo ordinario debido a la estabilización que le da la resonancia. La característica estructural tiene importantes implicaciones para las conformaciones de los péptidos y las proteínas. Hay rotación libre alrededor de los enlaces entre el carbono-a de un residuo aminoácido dado y entre el nitrógeno amínico y el carbono carbonílico de ese residuo, pero no hay rotación significativa alrededor del enlace peptídico. Esta restricción estereoquímica juega un papel importante para determinar cómo puede plegarse el esqueleto de la proteína.

3.5 Pequeños péptidos con actividad fisiológica ◗ ¿Cuáles son algunas de las funciones biológicas de los péptidos pequeños? Se va a dedicar el capítulo 4 completo para describir la estructura de las proteínas, y los capítulos 6 y 7 para discutir su papel como enzimas. Sin embargo, las proteínas y los péptidos tienen un gran número de papeles bioquímicos. Una de las funciones más importantes de los péptidos es su actividad como hormonas, a lo largo de esta obra se mostrarán muchos ejemplos de control hormonal a medida que se estudien sus reacciones bioquímicas en capítulos posteriores. Por supuesto, otras clases de compuestos, en particular los esteroides, pueden actuar como hormonas. La notoriedad de las hormonas esteroideas se ha incrementado por los escándalos de dopaje en los deportes y puede opacar el hecho de que los péptidos pueden ser hormonas. Daremos un vistazo breve a las hormonas peptídicas en este momento con el fin de preparar discusiones posteriores sobre las mismas. Algunas hormonas peptídicas importantes tienen estructuras cíclicas. Dos ejemplos bien conocidos con muchas características estructurales en común son el de la oxitocina y la vasopresina (figura 3.11). En cada una, hay un enlace —S—S— responsable de la estructura cíclica. Cada uno de estos péptidos contiene nueve residuos de aminoácidos, cada cual tiene un grupo amida (en lugar de un grupo carboxilo libre) en el extremo C-terminal, y cada uno tiene un puente disulfuro entre los residuos de cisteína en las posiciones 1 y 6. La diferencia entre estos dos péptidos es que la oxitocina tiene un residuo de isoleucina en la posición 3 y un residuo de leucina en la posición 8, y la vasopresina tiene un residuo de fenilalanina en la posición 3 y un residuo de arginina en la posición 8. Ambos péptidos tienen importancia fisiológica considerable como hormonas (ver Conexiones bioquímicas 3.1). A menos que se indique lo contrario, todo el contenido en esta página es propiedad de ©Cengage Learning.

+

H3N

1

2

3

Cys

Tyr

Ile

Puente S disulfuro S

4

Gln 6

5

Cys

Asn

7

8

9

Pro

Leu

Gly

O C

NH2

Oxitocina

+

H3N

1

2

3

Cys

Tyr

Phe

Puente S disulfuro S

4

Gln 6

5

Cys

Asn

7

8

9

Pro

Arg

Gly

O C

NH2

Vasopresina

Figura 3.11 Estructuras de la oxitocina y la vasopresina.


CAPÍTULO 3

72

Aminoácidos y péptidos

. Conexiones bioquímicas | Fisiología Hormonas peptídicas-Moléculas pequeñas con grandes efectos anto la oxitocina como la vasopresina son hormonas peptídicas. La oxitocina induce la labor de parto en las mujeres embarazadas y controla la contracción del músculo uterino. Durante el embarazo, el número de receptores para la oxitocina en la pared uterina aumenta. Al término del embarazo, el número de receptores para la oxitocina es lo suficientemente alto como para causar la contracción de los músculos lisos del útero en presencia de pequeñas cantidades de oxitocina producidas en el cuerpo hacia el final del embarazo. El feto se mueve hacia el cérvix del útero debido a la fuerza y frecuencia de las contracciones uterinas. El cérvix se estira, enviando impulsos nerviosos al hipotálamo. Cuando los impulsos alcanzan esta parte del cerebro, hay una retroalimentación positiva que lleva a una mayor secreción de oxitocina por parte de la glándula pituitaria posterior. La presencia de más oxitocina provoca contracciones más fuertes del útero, de tal modo que el feto es empujado a través del cérvix para que nazca el bebé. La oxitocina también tiene un papel en la estimulación del flujo de leche en una madre que lactante. La acción de succión en el amamantamiento envía señales nerviosas al hipotálamo del cerebro de la madre. Se libera oxitocina y esta es transportada por la sangre hacia las glándulas mamarias. La presencia de oxitocina provoca que el músculo liso en las glándulas mamarias se contraiga, forzando a la leche que está en ellas hacia afuera. Conforme la succión durante el amamantamiento continúa, se libera más hormona, produciendo aún más leche. La vasopresina desempeña un papel en el control de la presión sanguínea al regular las contracciones del músculo liso. Como la oxitocina, la vasopresina es liberada por la acción del hipotálamo sobre la pituitaria posterior y es transportada por la sangre a receptores específicos. La vasopresina estimula la reabsorción de agua por los riñones, por lo que tiene un efecto antidiurético. Se retiene más agua, y la presión arterial se incrementa. ◗

© Svetlana Fedoseyeva/Shutterstock.com

T

El amamantamiento estimula la liberación de oxitocina, produciendo de este modo, más leche.

Resumen Por qué es importante especificar la estructura tridimensional de los aminoácidos? Los aminoácidos, que son las unidades monoméricas de las proteínas, tienen una estructura común en general, con un grupo amino y un grupo carboxilo unidos al mismo átomo de carbono. La naturaleza de las cadenas laterales, a las que se les denomina grupos R, son la base de las diferencias entre los aminoácidos. Con excepción de la glicina, los aminoácidos pueden existir en dos formas, designadas L y D. Estos dos estereoisómeros son imágenes especulares no superponibles. Los aminoácidos que se encuentran en las proteínas de los seres vivos en general son del tipo L, aunque algunos D-aminácidos aparecen de vez en cuando en la naturaleza.

Estas son principalmente hidrocarburos alifáticos, aromáticos o sus derivados.

¿Qué aminoácidos tienen cadenas laterales polares eléctricamente neutras? (Grupo 2) Un segundo grupo de aminoácidos tiene cadenas que contienen átomos electronegativos tales como el oxígeno, el nitrógeno y el azufre.

¿Qué aminoácidos tienen grupos carboxilo en sus cadenas laterales? (Grupo 3) Dos aminoácidos, el ácido glutámico y el aspártico tienen grupos carboxilos en sus cadenas laterales.

¿Qué aminoácidos cuentan con cadenas laterales alcalinas? (Grupo 4) Tres aminoácidos —la histidina, la lisina y la argi-

¿Por qué las cadenas laterales de los aminoácidos son tan importantes? Un esquema de clasificación para los ami-

nina— tienen cadenas laterales básicas (alcalinas).

noácidos puede basarse en las propiedades de sus cadenas laterales. Dos criterios particularmente importantes son la naturaleza polar o no polar de la cadena lateral y la presencia de un grupo ácido o alcalino en la cadena lateral.

¿Qué aminoácidos suelen ser menos comunes en las proteínas?

¿Qué aminoácidos tienen cadenas no polares? (Grupo 1) Un grupo de aminoácidos tiene cadenas laterales no polares.

¿Qué sucede cuando titulamos un aminoácido? En los ami-

Algunos aminoácidos solo se encuentran en algunas proteínas. Son elaborados a partir de otros aminoácidos comunes después de que la proteína ha sido sintetizada en la célula. noácidos libres a pH neutro, el grupo carboxilo está cargado


Ej erci ci o s d e rep a s o

73

negativamente (ácido) y el grupo amino positivamente (básico). Los aminoácidos sin grupos cargados en sus cadenas laterales existen en solución neutra como zwitteriones, sin carga neta. Las curvas de titulación de los aminoácidos indican los rangos de pH en los cuales los grupos titulables ganan o pierden un protón. Las cadenas laterales de aminoácidos también pueden contribuir con grupos titulables; la carga (si acaso la hay) sobre la cadena lateral, debe ser tomada en consideración para determinar la carga neta del aminoácido.

grupo carboxilo de un aminoácido al grupo amino de otro en un enlace covalente. Las proteínas constan de cadenas polipeptídicas (el número de aminoácidos en una proteína es usualmente de 100 o más). El grupo peptídico es plano: esta estéreo-limitación química desempeña un papel importante en la determinación de las estructuras tridimensionales de los péptidos y de las proteínas.

¿Qué grupos de aminoácidos reaccionan para formar un enlace peptídico? Los péptidos están formados por la unión del

dos a varias docenas de residuos aminoácidos pueden tener marcados efectos fisiológicos en los organismos.

¿Cuáles son algunas de las funciones biológicas de los péptidos pequeños? Algunos péptidos pequeños que contienen de

Ejercicios de repaso 3.1 Los aminoácidos existen en un mundo tridimensional 1. MEMORIA ¿Cómo difieren los aminóacidos D de los L? Qué funciones biológicas desempeñan los péptidos que contienen aminoácidos D?

3.2 Aminoácidos individuales: su estructura y propiedades 2. MEMORIA ¿Qué aminoácidos no son técnicamente aminoácidos? ¿Qué aminoácido no contiene átomos quirales? 3. MEMORIA Para cada uno de los siguientes componentes, enuncie un aminoácido que lo contenga en su grupo R: un grupo hidroxilo, un átomo de azufre, un segundo átomo de carbono quiral, un grupo amino, un grupo amida, un grupo ácido, un anillo aromático y una cadena ramificada. 4. MEMORIA Identifique los aminoácidos polares, los aromáticos y los que contienen azufre, en el péptido con la secuencia aminoácida siguiente: Val—Met—Ser—Ile—Phe—Arg—Cys—Tyr—Leu 5. MEMORIA Identifique los aminoácidos no polares y los aminoácidos ácidos en el siguiente péptido: Glu—Thr—Val—Asp—Ile—Ser—Ala 6. MEMORIA ¿Hay otros aminoácidos además de los 20 usuales que se encuentren en las proteínas? Si es así, ¿cómo se incorporan estos en las proteínas? Dé un ejemplo de un aminoácido de este tipo y de una proteína en la que esté presente.

3.3 Los aminoácidos pueden actuar como ácidos y como bases 7. MATEMÁTICAS Prediga las formas ionizadas predominantes de los siguientes aminoácidos a pH 7: ácido glutámico, leucina, treonina, histidina y arginina. 8. MATEMÁTICAS Dibuje las estructuras de los siguientes aminoácidos indicando la forma cargada que existe a pH 4: histidina, asparagina, triptófano, prolina y tirosina. 9. MATEMÁTICAS Prediga las formas predominantes de los aminoácidos de la pregunta 8 a pH 10. 10. MATEMÁTICAS Calcule el punto isoeléctrico de cada uno de los siguientes aminoácidos: ácido glutámico, serina, histidina, lisina, tirosina y arginina. 11. MATEMÁTICAS Dibuje una curva de titulación para el aminoácido cisteína e indique los valores de pKa para todos los grupos titulables. También indique el pH en el que este aminoácido ya no tendría carga neta. 12. MATEMÁTICAS Dibuje una curva de titulación para el aminoácido lisina, e indique los valores de pKa para todos los grupos titulables. También indique el pH al que el aminoácido ya no tiene carga neta.

13. MATEMÁTICAS Un químico orgánico generalmente está satisfecho con un rendimiento de 95%. Si usted sintetizó un polipéptido y logró un rendimiento de 95% con cada residuo aminoácido agregado, cuál sería su rendimiento general después de añadir 10 residuos (al primer aminoácido)?; ¿después de añadir 50? ¿Y después de añadir 100? ¿Serían bioquímicamente “satisfactorios” esos rendimientos tan bajos? 14. MATEMÁTICAS Dibuje una curva de titulación para el ácido aspártico e indique los valores de pKa de todos los grupos titulables. También indique el rango de pH en el cual el par ácido-base conjugado +1 Asp y 0 Asp actuarán como un amortiguador. 15. REFLEXIÓN Y APLICACIÓN Sugiera una razón de por qué los aminoácidos comúnmente son más solubles a pH extremo que a pH neutro. (Advierta que esto no significa que sean insolubles a pH neutros.) 16. REFLEXIÓN Y APLICACIÓN Escriba ecuaciones que muestren las reacciones de disociación iónica de los siguientes aminoácidos: ácido aspártico, valina, histidina, serina y lisina. 17. REFLEXIÓN Y APLICACIÓN Basándonos en la información de la tabla 3.2, ¿hay algún aminoácido que pudiera servir como amortiguador a pH 8? Si es así, ¿cuál? 18. REFLEXIÓN Y APLICACIÓN Si usted pudiera tener un aminoácido mítico basado en el ácido glutámico, pero en el cual el hidrógeno que está unido al carbono-g, fuera reemplazado por otro grupo amino, ¿Cuál sería la forma predominante de este aminoácido a pH 4, 7 y 10, si el valor del pKa fuera 10 para el único grupo amino? 19. REFLEXIÓN Y APLICACIÓN ¿Cuál sería el pI para el aminoácido mítico descrito en la pregunta 18? 20. REFLEXIÓN Y APLICACIÓN Identifique los grupos cargados en el péptido mostrado en la pregunta 4 a pH 1 y a pH 7. ¿Cuál es la carga neta de este péptido a estos dos valores de pH? 21. REFLEXIÓN Y APLICACIÓN Considere los siguientes dos péptidos: Phe—Glu—Ser—Met y Val—Trp—Cys—Leu. ¿Tienen diferentes cargas netas a pH 1? ¿A pH 7? Indique las cargas a ambos valores de pH. 22. REFLEXIÓN Y APLICACIÓN De cada uno de los siguientes dos grupos de aminoácidos, ¿cuál de ellos sería el más fácil de distinguir de los otros dos en el grupo, basado en una titulación? (a) gly, leu, lys (b) glu, asp, ser 23. REFLEXIÓN Y APLICACIÓN Podría servir el aminoácido glicina como la base de un sistema amortiguador? Si es así, ¿en qué rango de pH sería útil?

3.4 El enlace peptídico 24. MEMORIA Dibuje estructuras de resonancia para el grupo peptídico. 25. MEMORIA ¿Cómo contribuyen las estructuras de resonancia del grupo peptídico al arreglo planar de este grupo de átomos?


BIOQUÍMICA ,VOLUMEN I, 8a. ed., está dirigido a estudiantes de cualquier campo de

las ciencias o de la ingeniería interesados en tomar un curso introductorio a la materia; la presenta de forma clara y aplicada a la vida real para familiarizarlos con sus aspectos más importantes. La meta principal de la obra es que los estudiantes de biología, química, física, geología, nutrición, deportes, fisiología y agricultura, reconozcan que la bioquímica influye considerablemente en sus campos de estudio, y el conocimiento que adquieran les resultará especialmente útil e importante a lo largo de su desarrollo profesional. Una de sus características principales es el impacto visual con el que cuenta la obra, se diseñó cuidadosamente para ayudar a los estudiantes a visualizar los procesos clave y a entender los temas fundamentales de forma más clara y efectiva, un aspecto esencial para los estudiantes que aprenden de manera visual.

ISBN-13: 978-607-522-488-6 ISBN-10: 607-522-488-2

Visite nuestro sitio en http://latinoamerica.cengage.com

9 786075 224886

Profile for Cengage Learning Editores

Bioquímica Volumen I. 8 Ed. Mary K. Campbell y Shawn O. Farrell  

Bioquímica, vol I, 8a. ed., está dirigido a estudiantes de cualquier campo de las ciencias o de la ingeniería interesados en tomar un curso...

Bioquímica Volumen I. 8 Ed. Mary K. Campbell y Shawn O. Farrell  

Bioquímica, vol I, 8a. ed., está dirigido a estudiantes de cualquier campo de las ciencias o de la ingeniería interesados en tomar un curso...