Harper. Bioquimica ilustrada 28th-FREELIBROS.ORG

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A LANGE medical book

Harper. Bioquímica
ilustrada

28a edición

Robert K. Murray, MD, PhD Peter J. Kennelly, PhD

Professor (Emeritus) of Biochemistry Professor and Head
University of Toronto Department of Biochemistry
Toronto, Ontario Virginia Polytechnic Institute and State University
Blacksburg, Virginia
David A. Bender, PhD
Victor W. Rodwell, PhD
Sub-Dean
University College Medical School Emeritus Professor of Biochemistry
Senior Lecturer in Biochemistry Purdue University
Department of Structural and Molecular West Lafayette, Indiana
Biology and Division of Medical Education
University College London P. Anthony Weil, PhD

Kathleen M. Botham, PhD, DSc Professor of Molecular Physiology and Biophysics
Vanderbilt University School of Medicine
Professor of Biochemistry Nashville, Tennessee
Royal Veterinary College
University of London

Traducción:
Dr. Bernardo Rivera Muñoz

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • NUEVA YORK
SAN JUAN • SANTIAGO • SAO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL

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Director editorial: Javier de León Fraga
Editor Sponsor: Gabriel Romero Hernández
Supervisor de edición: Manuel Bernal Pérez
Corrección de estilo: Luis A. Leñero Leal
Supervisor de producción: José Luis González Huerta

NOTA
La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirán
cambios de la terapéutica. El (los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosiicación
medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicación. Sin embargo, ante los
posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya parti-
cipado en la preparación de la obra garantizan que la información contenida en ella sea precisa o completa,
tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha información se obten-
gan. Convendría recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habrá que consultar la
hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la información de esta obra
es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su admi-
nistración. Esto es de particular importancia con respecto a fármacos nuevos o de uso no frecuente. También
deberá consultarse a los laboratorios para recabar información sobre los valores normales.

HARPER. BIOQUÍMICA ILUSTRADA

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2010, respecto a la primera edición en español, por
McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V.
A subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe,
Delegación Álvaro Obregón
C.P. 01376, México, D.F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN: 978-607-15-0304-6

Translated from the twenty-eight English edition of: Harperʼs Illustrated Biochemistry
Copyright © 2009 by McGraw-Hill Companies, Inc.

Previous editions copyright © 2006, 2003, The McGraw-Hill Companies, Inc.; 2000, 1996, 1993, 1990

by Appleton & Lange; copyright © 1988 by Lange Medical Publications.

All Rights Reserved

ISBN: 978-0-07-162591-3

1234567890 109876543210
Impreso en China Printed in China

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Coautores

Daryl K. Granner, MD Peter A. Mayes, PhD, DSc

Emeritus Professor of Molecular Physiology and Biophysics and Emeritus Professor of Veterinary Biochemistry, Royal Veterinary
Medicine, Vanderbilt University, Nashville, Tennessee College, University of London, London

Peter L. Gross, MD, MSc, FRCP(C) Margaret L. Rand, PhD

Associate Professor, Department of Medicine, McMaster Associate Senior Scientist, Hospital for Sick Children, Toronto,
University, Hamilton, Ontario and Professor, Departments of Laboratory Medicine &
Pathobiology and Biochemistry, University of Toronto,
Frederick W. Keeley, PhD Toronto, Ontario

Associate Director and Senior Scientist, Research Institute,
Hospital for Sick Children, Toronto, and Professor,
Department of Biochemistry, University of Toronto,
Toronto, Ontario

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iv CONTENIDO

Comité asesor para la revisión científica
de la edición en español

Dr. Hugo Alberto Barrera Saldaña Dra. Rocío Ortiz López

Profesor del Departamento de Bioquímica y Medicina Molecular Profesora Titular y Coordinadora de la Unidad de Diagnóstico
Coordinador del Laboratorio Genómica y Bioinformática Molecular
Facultad de Medicina Departamento de Bioquímica y Medicina Molecular
Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Medicina
Universidad Autónoma de Nuevo León
M. en C. Alicia Cea Bonilla
M. en C. María Augusta Patricia Pardo Ruiz
Coordinadora de Enseñanza de Bioquímica
Facultad de Medicina Jefa del Departamento de Bioquímica y Titular de la materia en la
Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Medicina
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
M. en C. Airam Jenny Dávalos Marín
Dra. en C. Ana María G. Rivas Estilla
Profesora del Departamento de Bioquímica
Escuela de Medicina Laboratorio de Infectología Molecular
Universidad Autónoma de Guadalajara Departamento de Bioquímica y Medicina Molecular
Facultad de Medicina
Dr. Marco Antonio Falcón Franco Universidad Autónoma de Nuevo León

Jefe del Departamento de Bioquímica Dr. Augusto Rojas Martínez
Facultad de Medicina
Universidad Autónoma de Guadalajara Profesor del Departamento de Bioquímica y Medicina Molecular
Facultad de Medicina
Dra. Herminia Gpe. Martínez Rodríguez Universidad Autónoma de Nuevo León

Jefa del Departamento de Bioquímica y Medicina Molecular Dra. Yolanda Saldaña Balmori
Facultad de Medicina
Universidad Autónoma de Nuevo León Profesora de Tiempo Completo
Departamento de Bioquímica,
Facultad de Medicina
Universidad Nacional Autónoma de México

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CONTENIDO v

CAPíTuLO 45 Radicales libres y nutrientes antioxidantes 483

¡Características Modificación de aminoácidos en apoproteínas en LDL Presentación a todo color que
clave en esta Peroxidación de lípidos en LDL incluye más de 600
nueva edición! ilustraciones
Dialdehídos
Los macrófagos fagocitan LDL modificada
Anticuerpos producidos contra proteínas modificadas

Modificación de aminoácidos en proteínas
Peroxidación de lípidos en membranas

Dialdehídos

Roturas de cadena y FIGURA 45-1 Daño de tejido por
modificación de bases en el DNA radicales.

neos (en particular cuando ya hay cierto daño del endotelio), y son róxido para dar peroxinitrito, que se desintegra para formar radica-
muertos por el alto contenido de colesterol no esterificado que han
acumulado. Esto ocurre en la aparición de placas ateroscleróticas les hidroxilo.
que, en casos extremos, pueden ocluir de modo más o menos com-
pleto un vaso sanguíneo. La explosión respiratoria de macrófagos activ5ad0o8s (capS. E5C2C)IÓesN VI Temas especiales

Hay múltiples fuentes de radicales la utilización incrementada de glucosa por medio de la vía de la
de oxígeno en el cuerpo
pentosa fosfato (cap. 21) para reducir NADP+ a NACDUPAHD, Ry Outi4liz7a--4 Los principales azúcares que se encuentran en glucoproteínas de ser humano1
Las radiaciones ionizantes (rayos X y UV) pueden lisar el agua, lo ción aumentada de oxígeno para oxidar NADPH para producir
que lleva a la formación de radicales hidroxilo. Los iones metálicos radicales de oxígeno (y halógeno) como agentes cAitzoútcóaxricos para Tipo Abreviatura Azúcar nucleótido Comentarios
de transición, entre ellos Cu+, Co2+, Ni2+ y Fe2+, pueden reaccionar
de manera no enzimática con oxígeno o peróxido de hidrógeno, lo matar microorganismos fagocitados. La oxidasa de lGaaelxacptloossaión res- Hexosa Gal UDP-Gal Suele encontrarse en posición subterminal a NeuAc en
que de nuevo conduce a la formación de radicales hidroxilo. El óxi- piratoria (NADPH oxidasa) es una flavoproteína que reduce el oxí- Hexosa
do nítrico (el factor de relajación derivado del endotelio) en sí es un geno hacia superóxido: NADPH + 2O2 → NADP+ + 2O2—∙ + 2H+. glucoproteínas N-enlazadas. También se encuentra en
radical y, lo que es más importante, puede reaccionar con el supe- Los marcadores plasmáticos de daño de lípidos poGrluracodsiacal incre-
mentan de modo considerable en respuesta a incluso una infección el trisacárido central de proteoglucanos.

leve. Glc UDP-Glc Presente durante la biosíntesis de glucoproteínas 

La oxidación de coenzimas flavina reducidas en las cadenas N-enlazadas, pero por lo general no presente en

glucoproteínas maduras. Presente en algunos factores 

• Influencia del Proyecto del Genoma Humano en varios de la coagulación.

campos biomédicos de transporte de electrones mitocondrial (caps. 13)Myamnoiscarosómica Hexosa Man GDP-Man Azúcar común en glucoproteínas N-enlazadas.

• Revisión de la utilización de enzimas en el diagnóstico procede por una serie de pasos en los cuales el radicÁaclidfloavina semi- Ácido siálico (9 NeuAc CMP-NeuAc A menudo el azúcar terminal en glucoproteínas tanto

médico N-acetilneuramínico átomos de C) N- como O-enlazadas. También se encuentran otros

• Material nuevo sobre los descubrimientos de fármacos con tipos de ácido siálico, pero NeuAc es la principal

ayuda de computadoras especie que se halla en seres humanos. Los grupos

• Recopilación de algunas enfermedades conformacionales acetilo también pueden encontrarse como especies
• Información nueva sobre productos terminales de glucola-
O-acetilo, así como N-acetilo.
ción avanzada y su importancia en la diabetes mellitus
Fucosa Desoxihexosa Fuc GDP-Fuc Puede ser externa en glucoproteínas tanto N- como 
• Datos recientes sobre la unión del virus de la influenza a las O-enlazadas, o interna, enlazada al residuo GlcNAc ijo

células humanas a Asn en especies N-enlazadas. También puede

• Retos importantes que enfrenta la medicina actual encontrarse internamente ija al OH de Ser (p. ej., en
t-PA y ciertos factores de la coagulación).
Las actualizaciones bioquímicas
incluyen: N-acetilgalactosamina Aminohexosa GalNAc UDP-GalNAc Presente en glucoproteínas tanto N- como O-enlazadas.
• Análisis extendido sobre la espectrometría de masas, un
Cuadros fáciles de leer que N-acetilglucosamina Aminohexosa GlcNAc UDP-GlcNAc El azúcar ijo a la cadena polipeptídica mediante Asn en
método analítico clave en la bioquímica contemporánea glucoproteínas N-enlazadas; también se encuentra en
otros sitios en los oligosacáridos de estas proteínas.
• Figuras nuevas que revelan varios aspectos de la estructura Muchas proteínas nucleares tienen GlcNAc ijo al OH
de Ser o Tre como un azúcar único.
proteínica
ofrecen abundante contenido Xilosa Pentosa Xyl UDP-Xyl Xil está ijo al OH de Ser en muchos proteoglucanos. Xil a
• Amplio análisis sobre sitios activos de enzimas y estados
su vez está ija a dos residuos Gal, lo que forma un
transicionales
enlace trisacárido. Xil también se encuentra en t-PA y 
• Información nueva acerca de métodos de valoración
ciertos factores de la coagulación.
enzimáticos
1 Las estructuras de las glucoproteínas se ilustran en el capítulo 14.
• Cobertura más amplia en lo referente a diferentes aspectos
de una manera sucinta de oligosacárido, fijo a residuos galactosa (Gal) o N-acetilgalacto- están “activados” y pueden transferirse hacia aceptores idóneos con
de la cinética de las enzimas samina (GalNAc) subterminales. Los otros azúcares listados por lo tal de que haya transferasas apropiadas disponibles.
Radicales libres y nutrientes regular se encuentran en posiciones más internas. El sulfato suele
• Información nueva sobre micro RNA y RNA silenciadores antioxidantes encontrarse en glucoproteínas, por lo general fijo a Gal, GalNAc, Casi todos los azúcares nucleótido se forman en el citosol,
• Material reciente acerca de los mecanismos de transcripción o GlcNAc. generalmente a partir de reacciones que incluyen el nucleósido tri-
David A. Bender, PhD fosfato correspondiente. Los ácidos CMP-siálicos se forman en el
eucariótica, incluyendo la biogénesis de micro-RNA y la LOS AZÚCARES NUCLEÓTIDO ACTÚAN núcleo. La formación de uridina difosfato galactosa (UDP-Gal) re-
COMO DONADORES DE AZÚCAR EN quiere las dos reacciones que siguen en tejidos de mamíferos:
MUCHAS REACCIONES BIOSINTÉTICAS
UTP + glucosa 1-fosfato UDP-Glc
Tiene importancia entender que en casi todas las reacciones biosin- PIROFOS-
téticas, no es el azúcar libre o el azúcar fosforilado el que participa FORILASA
C A P Í T Uen esLas rOeacciones, sino más bien el azúcar nucleótido correspon-
UDP-Glc + pirofosfato
45diente. El primer azúcar nucleótido cuya existencia se informó fue
la uridina difosfato glucosa (UDP-Glc), cuya estructura se muestra UDP-Glc
en la figura 19-2. En el cuadro 47-4 se listan los azúcares nucleótido EPIMERASA
comunes involucrados en la biosíntesis de glucoproteínas; no están
claras las razones por las cuales algunos contienen UDP y otros di- UDP-Glc UDP-Gal
fosfato de guanosina (GDP) o monofosfato de citidina (CMP). En
muchas de las reacciones de glucosilación involucradas en la biosín- Dado que muchas reacciones de glucosilación ocurren dentro de la
tesis de glucoproteínas se usan estos compuestos (véase más ade- luz del aparato de Golgi, se necesitan sistemas acarreadores (per-
lante). La naturaleza anhidro del enlace entre el grupo fosfato y los measas, transportadores) para transportar azúcares nucleótido a
azúcares es del tipo de alta energía, de alto potencial de transferencia través de la membrana de Golgi. Se han descrito sistemas que trans-
de grupo (cap. 11). De este modo, los azúcares de estos compuestos portan UDP-Gal, GDP-Man y CMP-NeuAc hacia las cisternas del
aparato de Golgi. Son sistemas antiporte; es decir, el flujo de entra-
da de una molécula de azúcar nucleótido está equilibrado por el flu-
jo de salida de una molécula del nucleótido correspondiente (p. ej.,
UMP, GMP o CMP) formado a partir de los azúcares nucleótido.

IMPORTANCIA BIOMÉDICA membranas celulares y proteínas plasmáticas conduce a la forma-

Los radicales libres se forman en el organismo en condiciones nor- ción de peróxidos de lípidos, y después a dialdehídos muy reactivos
males. Dan por resultado daño de ácidos nucleicos, proteínas y lípi- que pueden modificar químicamente proteínas y bases de ácidos
dos en membranas celulares y lipoproteínas plasmáticas. Esto puede nucleicos. Las proteínas también están sujetas a modificación quí-
originar cáncer, aterosclerosis y enfermedad de arteria coronaria, mica directa por interacción con radicales. El daño oxidativo de re-
y enfermedades autoinmunitarias. En estudios epidemiológicos y siduos tirosina en proteínas puede llevar a la formación de dihi-
de laboratorio se han identificado varios nutrientes antioxidantes droxifenilalanina que puede pasar por reacciones no enzimáticas
protectores: selenio, vitaminas C y E, β-caroteno, y varios compues- que dan pie a formación adicional de radicales de oxígeno.

La carga corporal total de radical puede estimarse al medir los

tos polifenólicos derivados de alimentos de origen vegetal. Muchas productos de la peroxidación de lípidos. Los peróxidos de lípidos

personas toman complementos de uno o más nutrientes antioxidan- pueden medirse por medio de la oxidación ferrosa en valoración Todos los capítulos inician con
tes. Sin embargo, estudios de intervención muestran poco beneficio con naranja de xilenol (FOX). En condiciones ácidas, oxidan Fe2+
de los complementos de antioxidantes excepto entre personas que al hacia Fe3+, que forma un cromóforo con el naranja de xilenol. Los

principio tenían deficiencia, y muchos estudios sobre el β-caroteno dialdehídos formados a partir de peróxidos de lípidos pueden me-

y la vitamina E han mostrado aumento de la mortalidad entre quie- dirse por medio de reacción con ácido tiobarbitúrico, cuando for- un apartado sobre su
nes recibieron los complementos. man un aducto fluorescente de color rojo; los resultados de esta re- importancia biomédica
acción por lo general se reportan como sustancias reactivas a ácido
Las reacciones de radicales libres barbitúrico totales (TBARS). La peroxidación de ácidos grasos po-
son reacciones en cadena que se perpetúan liinsaturados n-6 lleva a la formación de pentano, y la de ácidos gra-
por sí mismas sos poliinsaturados n-3 a la formación de etano; ambos pueden me-
Los radicales libres son especies moleculares muy reactivas con un dirse en el aire espirado.

electrón no pareado; sólo persisten durante un tiempo muy breve El daño por radicales puede suscitar
(del orden de 10-9 −10-12 s) antes de colisionar con otra molécula y mutaciones, cáncer, enfermedad
sustraer o donar un electrón para alcanzar estabilidad. Al hacerlo, autoinmunitaria y aterosclerosis
generan un nuevo radical a partir de la molécula con la cual colisio-

naron. El único modo en el cual se puede desactivar un radical libre, El daño del DNA por radical en células de la línea germinal en los

y así poner fin a esta reacción en cadena, es si dos radicales reaccio- ovarios y los testículos puede llevar a mutaciones hereditarias; en las

nan juntos, cuando los electrones no pareados pueden formar par células somáticas el resultado puede ser el inicio de cáncer. Los dial-

en una u otra de las moléculas originales. Este suceso es raro, debido dehídos que se forman como resultado de peroxidación de lípidos

a la vida media muy breve de un radical individual y las concentra- inducida por radical en membranas celulares también pueden mo-

ciones muy bajas de radicales en los tejidos. dificar bases en el DNA. 526 SECCIÓN VI Temas especiales
Los radicales más perjudiciales en sistemas biológicos son los
La modificación química de aminoácidos en proteínas, sea por
radicales de oxígeno (a veces denominados especies de oxígeno
reactivas), en especial superóxido, •O2-, hidroxilo, •OH, y perhi- acción directa de radical o como resultado de reacción cRonElSosUprMo- EN ■ Es probable que los avances en el nuevo campo de la glucómica
droxilo, •O2H. El daño de tejido causado por radicales de oxígeno ductos de peroxidación de lípidos inducida por radical, conduce a proporcionen mucha información nueva sobre las funciones de
suele llamarse daño oxidativo, y los factores que protegen contra apnrotitceuínearps oqsureeseul lstiasntetmesataimnmbiuénnittaernidorráencorenaoccceiócnomcrouzeaxdt■ara cñoLcdaaniasvrs.bepgrLorslhoouaicss-dofruparntooctieeonínnleaaszs—asdoaqnsupderecoomteníotnideaons eacnomvupanllieaanmoteem.nátes distribuidas —con azúcares en la salud y la enfermedad, y que indiquen también blancos
daño por radical de oxígeno se conocen como antioxidantes. cadenas de para farmacoterapia y otros tipos de terapias.

Los radicales pueden dañar DNA, teínas hísticas normales, de manera que se inicia enferme■d aLdoasuctoom- ponentes carbohidrato de una glucoproteína varían desde REFERENCIAS
lípidos y proteínas inmunitaria. 1% hasta más de 85% de su peso, y pueden tener estructura simple
La interacción de radicales con bases en el DNA puede llevar a cam- o Burtis CA, Ashwood ER, Bruns DE (editors): Tietz Textbook of Clinical
bios químicos que, si no se reparan (cap. 35), pueden heredarse en La modificación química de las proteínas o los lípidos emnulyipcoo-mpleja. Ocho azúcares se encuentran principalmente en las Chemistry and Molecular Diagnostics. 4th ed. Elsevier Saunders,
las células hijas. El daño por radical de ácidos grasos insaturados en proteína de baja densidad (LDL) plasmática da pie a LDL ancaodremnaasl de azúcar de glucoproteínas de ser humano: xilosa, fucosa, 2006. (Chapter 25 contains a good discussion of glycated
que no es reconocida por los receptores de LDL del hígado y,gaaslaí,ctnoosa, glucosa, manosa, N-acetilgalactosamina, hemoglobin).
482
se depura en dicho órgano. La LDL modificada es captada Npo-arcelotislglucosamina y ácido N-acetilneuramínico. Chandrasekeran A, Srinivasan A, Raman R et al: Glycan topology
determines human adaptation of avian H5N1 virus hemagglutinin.
receptores recolectores de los macrófagos. Los macrófago■s inAglumregni-os algunas de las cadenas de oligosacárido de las Nat Biotechnology 2008;26:107.
tados con lípido se infiltran bajo el endotelio de los vasos sgaluncgoupír-oteínas codiican información biológica; también son
Freeze HH: Congenital disorders of glycosylation: CDG-I, CDG-II,
importantes para las glucoproteínas en la modulación de su and beyond. Curr Mol Med 2007;7:389.
solubilidad y viscosidad, en la protección de las glucoproteínas
Helenius A, Aebi M: Roles of N-linked glycans in the endoplasmic
contra proteólisis, y en sus acciones biológicas. reticulum. Annu Rev Biochem 2004;73:1019.

■ Las estructuras de cadenas de oligosacárido se pueden elucidar Kornfeld R, Kornfeld S: Assembly of asparagine-linked
mediante cromatografía de gas-líquido, espectrometría de masa y oligosaccharides. Annu Rev Biochem 1985;54:631.

espectrometría con NMR de alta resolución. Michele DE, Campbell KP: Dystrophin-glycoproteins complex:
post-translational processing and dystroglycan function. J Biol
■ Las glucosidasas hidrolizan enlaces especíicos en oligosacáridos, y se Chem 2003;278:15457.
emplean para explorar tanto las estructuras como las funciones de las
Ohtsubo K, Marth JD: Glycosylation in cellular mechanisms of health
glucoproteínas.

■ Las lectinas son proteínas de unión a carbohidrato involucradas en la
adherencia celular y en muchos otros procesos biológicos.

■ Las principales clases de glucoproteínas son O-enlazadas (que and disease. Cell 2006;126:855.

involucran un OH de serina o treonina), N-enlazadas (que incluyen Pilobelli KT, Mahal LK: Deciphering the glycocode: the complexity

Cada capítulo concluye con un el N del grupo amida de la asparagina), y enlazadas a and analytical challenge of glycomics. Curr Opin Chem Biol
resumen glucosilfosfatidilinositol (GPI). 2007;11:300.
Ramasamy R et al: Receptor for advanced glycation end products:
■ Las mucinas son una clase de glucoproteínas O-enlazadas que están fundamental roles in the inflammatory response: winding the way
distribuidas sobre la supericie de células epiteliales de las vías to the pathogenesis of endothelial dysfunction and atherosclerosis.
respiratorias, el tubo digestivo y las vías reproductoras. Ann NY Acad Sci 2008;1126:7.
Roseman S: Reflections on glycobiology. J Biol Chem 2001;
■ El retículo endoplásmico y el aparato de Golgi desempeñan una 276:41527.
función importante en reacciones de glucosilación involucradas en la Schachter H: The clinical relevance of glycobiology. J Clin Invest
biosíntesis de glucoproteínas. 2001;108:1579.
Scriver CR et al (editors): The Metabolic and Molecular Bases of
■ Las cadenas de oligosacárido de glucoproteínas O-enlazadas se Inherited Disease. 8th ed. McGraw-Hill, 2001. (Various chapters in
sintetizan por medio de la adición por pasos de azúcares donados this text and its up-dated online version [see References for
por azúcares nucleótido en reacciones catalizadas por glucoproteína Chapter 1] give in-depth coverage of topics such as I-cell disease
glucosiltransferasas especíicas individuales. and disorders of glycoprotein degradation.)
Sharon N, Lis H: History of lectins: from hemagglutinins to biological
■ En contraste, la síntesis de glucoproteínas N-enlazadas involucra un recognition molecules. Glycobiology 2004;14:53R.
dolicol-P-P-oligosacárido especíico y diversas glucosiltransferasas y Taylor ME, Drickamer K: Introduction to Glycobiology. Oxford
glucosidasas. Dependiendo de las enzimas y de las proteínas
precursoras en un tejido, puede sintetizar oligosacáridos N-enlazados
tipos complejo, híbrido, o con alto contenido de manosa.

■ Las glucoproteínas están implicadas en muchos procesos biológicos. University Press, 2003.

Por ejemplo, se ha encontrado que tienen funciones clave en la Varki A et al (editors): Essentials of Glycobiology. 2nd ed. Cold Spring

fecundación y la inlamación. Harbor Laboratory Press, 2008.

■ Se han reconocido varias enfermedades que comprenden Von Itzstein M, Plebanski M, Cooke RM, Coppel RL: Hot, sweaty and
sticky: the glycobiology of Plasmodium falciparum. Trends Parasitol
anormalidades de la síntesis y degradación de glucoproteínas. Las 2008; 24:210.

C A P Í T U LegnlutcreoOperlloatseiínnlasuteanmzab,iSénIDpAar, tairctirpiatins en muchas otras enfermedades, Werz DB, Seeberger PH: Carbohydrates are the next frontier in
reumatoide, ibrosis quística y pharmaceutical research. Chemistry 2005; 11:3194.
54úlcera péptica.
Historias de caso bioquímicas

Robert K. Murray, MD, PhD & Peter L. Gross, MD

función de los nucleosomas INTRODUCCIÓN Interrogatorio y examen físico

• Descripción de las actividades de los micro RNA En este capítulo final, se presentan y comentan 16 historias de caso, Una niña pequeña de 11 meses de edad fue llevada por sus padres a
las cuales ilustran la importancia del conocimiento de la bioquímica un hospital pediátrico. Había presentado varios ataques de neumo-
para el entendimiento de la enfermedad. Por supuesto, como se nía y algodoncillo (infección bucal por lo general debida a Candida
ha mostrado en todo el texto, la bioquímica también es crucial albicans) desde el nacimiento. Los principales datos de un estudio
para la comprensión de la salud y la enfermedad. exhaustivo fueron cifras muy bajas de linfocitos (esto es, linfopenia
grave), y bajas de inmunoglobulinas circulantes. El pediatra a cargo
Casi todas las enfermedades que se comentan aquí son preva- sospechó SCID.
lecientes, o relativamente prevalecientes, en un sentido global (la

• Material nuevo relacionado con la siguiente generación de prevalencia es la proporción de personas en una población dada Datos de laboratorio Dos capítulos completamente
que tiene una enfermedad particular en un momento o intervalo
plataformas de secuencia (NGS) de tiempo.) Sin embargo, dos (xeroderma pigmentoso, y enfer- El análisis de una muestra de eritrocitos reveló actividad muy baja
medad de inmunodeficiencia combinada grave debida a deficien- de ADA, y concentración muy alta (unas 50 veces lo normal) de dATP.
cia de adenosina desaminasa [ADA]) son relativamente raras. Se Esto confirmó el diagnóstico de SCID debida a deficiencia de ADA;
incluyen porque ilustran dos hechos biológicos cruciales: la im- la enzima que convierte la adenosina en inosina (cap. 33):
portancia de la reparación del DNA, y del sistema inmunitario,
como mecanismos protectores. Además, la deficiencia de ADA es Adenosina → Inosina + NH4+
la primera enfermedad para la cual se efectuó terapia génica en

seres humanos. nuevos: Radicales libres y
nutrientes antioxidantes e
• Información reciente referente a la tecnología de inmuno- Los valores de referencia para los análisis de laboratorio cita- Tratamiento
dos en los casos que se presentan a continuación pueden diferir de
precipitación de cromatina (CHIP) y sus aplicaciones los listados por laboratorios con los cuales el lector puede estar fa- Se inició antibioticoterapia apropiada, y se administraron inyec-
miliarizado. Esto se debe a que los valores de referencia de diferen- ciones periódicas de inmunoglobulina. Además, se inició la admi-
tes laboratorios varían un poco, debido en parte a metodologías di- nistración semanal de inyecciones intramusculares de ADA bovina
ferentes. En este capítulo, los resultados de laboratorio por lo general conjugada con polietilén glicol. La ADA bovina es relativamente
se proporcionan como unidades SI (Systeme International d’Unites). no inmunogénica, y la conjugación con polietilenglicol prolonga su
En el apéndice I se listan casi todos los valores normales para los vida media. Se ha mostrado que es beneficiosa en el tratamiento de
análisis de laboratorio a los que se hace referencia en este capítulo, y la deficiencia de ADA. Se informó a sus padres que el trasplante

• Avances acerca de la localización subcelular de enzimas se proporcionan valores tanto del SI como “convencionales” (como de médula ósea era la terapia más apropiada, pero declinaron el Historias de caso bioquímicas,
se usan ampliamente en EUA). tratamiento. En vista de los reportes de éxitos con terapia génica con
ADA, se ofreció este tratamiento, y los padres dieron su consenti-
Las dosis de fármacos administradas en el tratamiento de los miento. El Ethics Committee del hospital aprobó la terapia. Se aisla-
casos aquí descritos por lo general no se mencionan; el lector debe ron linfocitos y células mononucleares de la sangre usando un gra-
verificarlas por su propia cuenta.

el cual ofrece unaCASO1:DEFICIENCIADE diente de Ficoll (un polisacárido neutro muy ramificado). Después
se cultivaron en presencia de interleucina-2 (para estimular la divi-
ADENOSINA DESAMINASA (ADA)sión celular) y se infectaron con un retrovirus modificado que con-
tenía insertos que codificaban para ADA, y un gen (el gen NeoR)
clave de señalización (cinasas, fosfatasas) QUECAUSAENFERMEDADDE que codificaba para una enzima que rige la resistencia a neomici-
INMUNODEFICIENCIA COMBINADAna, que se usó para mostrar que se había logrado la transferencia de
presentación completa sobreGRAVE(SCID) gen. En la actualidad, una alternativa sería usar células madre de la
Causamédula ósea (que se ha informado que generan buenos aumentos
de células tanto B como T), pero éstas no se encontraban disponi-
• Nueva información sobre cómo afectan las hormonas la Genética(debidaamutacionesdelgenquecodificaparaADA).La bles en la época en que se dio el tratamiento. A continuación se in-
deficiencia de ADA afecta el sistema inmunitario.yectaron por vía intravenosa las células tratadas con el gen autólogo.
La niña recibió inyecciones similares una vez al mes durante el año
wwtranscripwción genética.FreeLibros16 tra.stornoos fisiopatolrógicosgv616

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Contenido

Prefacio ix IIS E C C I Ó N

1. Bioquímica y medicina BIOENERGÉTICA Y EL METABOLISMO
Robert K. Murray, MD, PhD 1 DE CARBOHIDRATOS Y LíPIDOS 92

2. Agua y pH 11. Bioenergética: la función del ATP
Peter J. Kennelly, PhD Kathleen M. Botham, PhD, DSc
y Victor W. Rodwell, PhD 6 y Peter A. Mayes, PhD, DSc 92

IS E C C I Ó N 12. Oxidación biológica
Kathleen M. Botham, PhD, DSc
ESTRuCTuRAS Y FuNCIONES y Peter A. Mayes, PhD, DSc 98
DE PROTEíNAS Y ENZIMAS 14
13. Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
3. Aminoácidos y péptidos Kathleen M. Botham, PhD, DSc
Peter J. Kennelly, PhD y Peter A. Mayes, PhD, DSc 103
y Victor W. Rodwell, PhD 14
14. Carbohidratos importantes desde el punto de
4. Proteínas: determinación de la estructura vista fisiológico
primaria David A. Bender, PhD 113
Peter J. Kennelly, PhD
y Victor W. Rodwell, PhD 21 15. Lípidos de importancia fisiológica
Kathleen M. Botham, PhD, DSc
5. Proteínas: órdenes de estructura superiores y Peter A. Mayes, PhD, DSc 121
Peter J. Kennelly, PhD
y Victor W. Rodwell, PhD 31 16. Perspectiva general del metabolismo y el
suministro de combustibles metabólicos
6. Proteínas: mioglobina y hemoglobina David A. Bender, PhD 131
Peter J. Kennelly, PhD
y Victor W. Rodwell, PhD 43 17. El ciclo del ácido cítrico: el catabolismo
de la acetil-CoA
7. Enzimas: mecanismo de acción David A. Bender, PhD 143
Peter J. Kennelly, PhD
y Victor W. Rodwell, PhD 51 18. Glucólisis y la oxidación de piruvato
David A. Bender, PhD 149
8. Enzimas: cinética
Peter J. Kennelly, PhD 19. Metabolismo del glucógeno
y Victor W. Rodwell, PhD 62 David A. Bender, PhD 157

9. Enzimas: regulación de actividades
Peter J. Kennelly, PhD
y Victor W. Rodwell, PhD 75

10. Bioinformática y biología computacional
Peter J. Kennelly, PhD
y Victor W. Rodwell, PhD 84

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viii CONTENIDO IVS E C C I Ó N

20. Gluconeogénesis y el control de la glucosa ESTRuCTuRA, FuNCIÓN Y
en la sangre REPLICACIÓN DE MACROMOLÉCuLAS
David A. Bender, PhD 165 INFORMACIONALES 285

21. La vía de pentosa fosfato y otras vías 32. Nucleótidos
del metabolismo de hexosas Victor W. Rodwell, PhD 285
David A. Bender, PhD 174
33. Metabolismo de nucleótidos, purina y pirimidina
22. Oxidación de ácidos grasos: cetogénesis Victor W. Rodwell, PhD 292
Kathleen M. Botham, PhD, DSc
y Peter A. Mayes, PhD, DSc 184 34. Estructura y función del ácido nucleico
P. Anthony Weil, PhD 302
23. Biosíntesis de ácidos grasos y eicosanoides
Kathleen M. Botham, PhD, DSc 35. Organización, replicación y reparación de DNA
y Peter A. Mayes, PhD, DSc 193 P. Anthony Weil, PhD 312

24. Metabolismo de acilgliceroles y esfingolípidos 36. Síntesis, procesamiento y modificación del RNA
Kathleen M. Botham, PhD, DSc P. Anthony Weil, PhD 335
y Peter A. Mayes, PhD, DSc 205
37. Síntesis de proteínas y el código genético
25. Transporte y almacenamiento de lípidos P. Anthony Weil, PhD 353
Kathleen M. Botham, PhD, DSc
y Peter A. Mayes, PhD, DSc 212 38. Regulación de la expresión génica
P. Anthony Weil, PhD 369
26. Síntesis, transporte y excreción de colesterol
Kathleen M. Botham, PhD, DSc 39. Genética molecular, DNA recombinante
y Peter A. Mayes, PhD, DSc 224 y tecnología genómica
P. Anthony Weil, PhD 388
IIIS E C C I Ó N
VS E C C I Ó N
METABOLISMO DE PROTEíNAS
Y AMINOÁCIDOS 234 BIOQuíMICA DE LA
COMuNICACIÓN EXTRACELuLAR
27. Biosíntesis de los aminoácidos no esenciales E INTRACELuLAR 406
desde el punto de vista nutricional
Victor W. Rodwell, PhD 234 40. Membranas: estructura y función
Robert K. Murray, MD, PhD
28. Catabolismo de proteínas y de nitrógeno y Daryl K. Granner, MD 406
de aminoácidos
Victor W. Rodwell, PhD 239 41. La diversidad del sistema endocrino
P. Anthony Weil, PhD 425
29. Catabolismo de los esqueletos de carbono
de aminoácidos 42. Acción hormonal y transducción de señal
Victor W. Rodwell, PhD 248 P. Anthony Weil, PhD 444

30. Conversión de aminoácidos en productos
especializados
Victor W. Rodwell, PhD 262

31. Porfirinas y pigmentos biliares
Robert K. Murray, MD, PhD 271

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CONTENIDO ix

VIS E C C I Ó N 50. Proteínas plasmáticas e inmunoglobulinas
Robert K. Murray, MD, PhD 566
TEMAS ESPECIALES 459
51. Hemostasia y trombosis
43. Nutrición, digestión y absorción Peter L. Gross, MD, Robert K. Murray, MD, PhD
David A. Bender, PhD 459 y Margaret L. Rand, PhD 583

44. Micronutrientes: vitaminas y minerales 52. Eritrocitos y leucocitos
David A. Bender, PhD 467 Robert K. Murray, MD, PhD 593

45. Radicales libres y nutrientes antioxidantes 53. Metabolismo de xenobióticos
David A. Bender, PhD 482 Robert K. Murray, MD, PhD 609

46. Tráfico y distribución intracelulares de proteínas 54. Historias de caso bioquímicas
Robert K. Murray, MD, PhD 487 Robert K. Murray, MD, PhD
y Peter L. Gross, MD 616
47. Glucoproteínas
Robert K. Murray, MD, PhD 506 Apéndice I 647
Apéndice II 648
48. La matriz extracelular Índice alfabético 651
Robert K. Murray, MD, PhD
y Frederick W. Keeley, PhD 527

49. Músculo y el citoesqueleto
Robert K. Murray, MD, PhD 545

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Prefacio

Los autores y la editorial se complacen en presentar la vigésimo concisa y de fácil acceso, los autores hemos incorporado nuevo
octava edición de Harper, Bioquímica ilustrada. Esta edición pre- material importante en esta edición. Se han añadido muchos
senta por vez primera múltiples imágenes a color, muchas de ellas cuadros y figuras nuevos. Cada capítulo ha sido revisado, actua-
inéditas, mismas que recalcan de manera vívida la complejidad lizado y en varios casos reescrito, en gran parte a fin de incorpo-
siempre creciente del conocimiento sobre bioquímica. La foto- rar los avances más recientes tanto en conocimiento como en
grafía de la portada de proteína fluorescente verde (GFP), la cual tecnología, lo cual es de suma importancia para el entendimien-
reconoce el otorgamiento del premio Nobel 2008 en química a to y el ejercicio de la medicina.
Martin Chalfie, Roger Y. Tsien y Osamu Shimomura, refleja el
hincapié de este libro en los nuevos avances. Junto con sus deriva- Hay dos capítulos nuevos. El capítulo 45, titulado “Radicales
dos, la GFP cumple con una función que crece de manera cons- libres y nutrientes antioxidantes”, describe las fuentes de radica-
tante en lo referente al rastreo del movimiento de proteínas en les libres, sus efectos perjudiciales sobre el DNA, las proteínas y
células y tejidos intactos, además de que tiene múltiples aplicacio- los lípidos, así como sus diversas participaciones en la produc-
nes en los campos de biología celular, bioquímica y medicina. ción de enfermedades como cáncer y ateroesclerosis. También se
aborda la función de los antioxidantes en la neutralización de sus
En esta edición damos un triste “hasta luego” a quien duran- efectos perjudiciales.
te mucho tiempo fue autor y editor, Daryl Granner. En 1983, en
preparación para la vigésima edición, se solicitó a Daryl que es- El capítulo 54, “Historias de caso bioquímicas”, proporciona
cribiera nuevos capítulos acerca del sistema endocrino y el me- extensas presentaciones de 16 estados fisiopatológicos: deficiencia
canismo molecular de hormonas, lo cual hizo con gran éxito. En de adenosina desaminasa, enfermedad de Alzheimer, cólera, cán-
la vigésimo primera edición asumió la responsabilidad de los ca- cer colorrectal, fibrosis quística, cetoacidosis diabética, distrofia
pítulos sobre membranas, síntesis de proteína y biología molecu- muscular de Duchenne, intoxicación por etanol, gota, hemocro-
lar, además de que escribió un nuevo capítulo muy informativo matosis hereditaria, hipotiroidismo, kwashiorkor (y malnutrición
sobre el entonces nuevo campo de la tecnología del DNA recom- proteínico-energética), infarto de miocardio, obesidad, osteopo-
binante. En el transcurso de los 25 años siguientes, hasta la vigé- rosis y xeroderma pigmentoso.
simo séptima edición, Daryl revisó de manera continua sus capí-
tulos a fin de proporcionar descripciones concisas e instructivas Las nuevas características importantes de interés médico
sobre estos campos complejos y en rápido cambio. Los colegas comprenden:
editoriales de Daryl expresamos gratitud por sus muchas contri-
buciones inestimables como autor, editor y amigo, y le deseamos •  Influencia del Human Genome Project sobre diversos
todo lo mejor en los futuros proyectos que emprenda. campos biomédicos.

David Bender, Kathleen Botham, Peter Kennelly y Anthony •  Se reescribió el uso de enzimas en el diagnóstico médico.
Weil, antes coautores, ahora son autores completos. Rob Murray •  Nuevo material sobre descubrimiento de fármacos 
agradece las importantes contribuciones de Peter Gross, Fred
Keeley y Margaret Rand a capítulos específicos, y agradece a auxiliado con computadora.
Reinhart Reithmeier, Alan Volchuk y David B. Williams por re-
visar los capítulos 40 y 46, además de realizar inestimables suge- •  Compilación de algunas enfermedades conformacionales.
rencias sobre los mismos. También expresa gratitud a Kasra •  Nuevo material respecto a productos terminales de 
Haghighat y Mohammad Rassouli-Rashti por leer y proponer
mejoras para el capítulo 54. glucación avanzada y su importancia en la diabetes
mellitus.

•  Nuevo material acerca de la fijación del virus de la gripe a 
las células del ser humano.

•  Algunos desafíos importantes que encara la medicina.

Cambios en la vigésimo octava edición Los temas que siguen, mismos que han sido añadidos a di-
versos capítulos, son de interés bioquímico básico:

Congruente con el objetivo de proporcionar a los estudiantes un

www.FreeLibros.orglibro que describa e ilustre la bioquímica de una manera integral,
•  Mayor cobertura sobre la espectrometría de masa, un 
método analítico clave en bioquímica contemporánea.

xi

xii PREFACIO ción y reparación del DNA, síntesis y modificación del RNA,
síntesis de proteína, los principios de la tecnología de DNA re-
•  Nuevas figuras que revelan diversos aspectos de la estruc- combinante y genómica, además del nuevo entendimiento sobre
tura de proteínas. cómo está regulada la expresión de gen.

•  Mayor cobertura sobre sitios activos de enzimas y estados  En la Sección V se aborda la comunicación extracelular e
de transición. intracelular. Los temas incluyen estructura y función de mem-
brana, las bases moleculares de las acciones de hormonas y el
•  Nueva información en cuanto a métodos de valorar  campo clave de la transducción de señal.
enzimas.
La Sección VI trata 12 temas especiales: nutrición, diges-
•  Cobertura expandida de aspectos de la cinética de enzimas. tión y absorción; vitaminas y minerales; radicales libres y an-
•  Nueva información sobre micro-RNA y RNA silenciadores. tioxidantes; tráfico intracelular y clasificación de proteínas; glu-
•  Nueva información acerca de mecanismos de transcripción  coproteínas; la matriz extracelular; músculo y citoesqueleto;
proteínas plasmáticas e inmunoglobulinas; hemostasia y trom-
eucarióticos, incluso la biogénesis del mRNA y la función bosis; eritrocitos y leucocitos; el metabolismo de xenobióticos;
de los nucleosomas. así como 16 historias de caso orientadas hacia la bioquímica. El
último capítulo concluye con un breve epílogo que indica algu-
•  Descripción de actividades de miRNA. nos desafíos importantes para la medicina, en cuya solución la
•  Nuevo material respecto a plataformas de Next Generation bioquímica y disciplinas relacionadas tendrán funciones clave.

Sequencing (NGS). El Apéndice I contiene una lista de importantes resultados
de laboratorio para los casos comentados en el capítulo 54.
•  Nuevo material en cuanto a la tecnología de Chromatin
Immunoprecipitation (CHIP) y sus usos. El Apéndice II incluye una lista de sitios Web útiles, así
como una guía de revistas de bioquímica o revistas con conside-
•  Nueva información sobre la localización subcelular de  rable contenido bioquímico.
enzimas emisoras de señal clave (cinasas, fosfatasas).
Agradecimientos
•  Nueva información acerca de cómo las hormonas afectan 
la transcripción de gen. Los autores agradecen a Michael Weitz por su vital participación
en la planeación y la actualización de esta edición; ha sido un
Cada capítulo empieza con un resumen de la importancia bio- placer trabajar con él. También agradecemos mucho a Kim Da-
médica de su contenido y concluye con un resumen en el que se vis por su profesional supervisión de la edición del libro, Sherri
revisan los principales temas cubiertos. Souffrance por supervisar su producción, Elise Langdon por su
diseño, y Margaret Webster-Shapiro por su trabajo en la ilustra-
Organización del libro ción de la portada. Valoramos con gratitud el trabajo de los artis-
tas, tipógrafos y otros colaboradores a quienes desconocemos
Después de dos capítulos introductorios (“Bioquímica y medici- pero que participaron en la producción de la vigésimo octava
na” y “Agua y pH”), el libro se divide en seis secciones principa- edición de Harper. Bioquímica ilustrada. En particular, un pro-
les. Todas las secciones y capítulos recalcan la importancia médi- fundo agradecimiento a Joanne Jay de Newgen North America
ca de la bioquímica. por su participación fundamental en la administración de todo
el proyecto, así como a Joseph Varghese de Thomson Digital por
La Sección I aborda las estructuras y funciones de proteínas su hábil supervisión de la gran cantidad de ilustraciones com-
y enzimas. Dado que casi todas las reacciones en las células son prendidas en esta edición.
catalizadas por enzimas, es vital entender las propiedades de las
enzimas antes de considerar otros temas. Esta sección también Las sugerencias de estudiantes y colegas de todo el mundo
contiene un capítulo sobre bioinformática y biología compu- han sido de enorme utilidad en la formulación de esta edición.
tacional, lo que refleja la importancia creciente de estos temas en Esperamos recibir aportaciones similares en el futuro.
la bioquímica, biología y medicina modernas.
Robert K. Murray, Toronto, Ontario, Canadá
En la Sección II se explica cómo diversas reacciones celula- David A. Bender, Londres, Reino Unido
res utilizan energía o la liberan, y se rastrean las vías mediante las
cuales los carbohidratos y lípidos son sintetizados y degradados. Kathleen M. Botham, Londres, Reino Unido
Aquí también son descritas las muchas funciones de estas dos Peter J. Kennelly, Blacksburg, Virginia, Estados Unidos
clases de moléculas. Victor W. Rodwell, West Lafayette, Indiana, Estados Unidos
P. Anthony Weil, Nashville, Tennessee, Estados Unidos
La Sección III trata de los aminoácidos, sus muchos desti-
nos metabólicos, ciertas características clave del catabolismo de
proteínas, así como la bioquímica de las porfirinas y los pigmen-
tos biliares.

La Sección IV describe las estructuras y funciones de los
nucleótidos y los ácidos nucleicos, incluye temas como replica-

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Bioquímica y medicina CAPÍTULO

Robert K. Murray, MD, PhD 1

INTRODUCCIÓN de la vida están derrumbándose y la bioquímica está llegando a ser,

cada vez de manera más frecuente, su lenguaje común.

La bioquímica puede deinirse como la ciencia de la base química de

la vida (del griego bios, “vida”). La célula es la unidad estructural Una relación recíproca entre
de los sistemas vivos. De este modo, también es factible describir a la bioquímica y la medicina
la bioquímica como la ciencia de los constituyentes químicos de las

células vivas, y de las reacciones y los procesos que experimentan. Me- ha estimulado avances mutuos
diante esta deinición, la bioquímica abarca grandes áreas de la bio-
logía celular, la biología molecular y la genética molecular. Las dos preocupaciones más importantes para los investigadores
en las ciencias de la salud —y en particular para los médicos— son

tanto el entendimiento y el mantenimiento de la salud, como la

El objetivo de la bioquímica es describir comprensión y el tratamiento efectivo de las enfermedades. La bio-

y explicar, en términos moleculares, todos química tiene enormes repercusiones sobre estas dos preocupa-
los procesos químicos de las células vivas ciones fundamentales de la medicina. De hecho, la interrelación de
la bioquímica y la medicina es una amplia avenida que circula en
El principal objetivo de la bioquímica es el entendimiento completo, dos sentidos. Los estudios bioquímicos han esclarecido muchos as-
en el nivel molecular, de todos los procesos químicos relacionados pectos de la salud y la enfermedad, a la inversa, el estudio de diver-
con las células vivas. Para lograr este objetivo, los bioquímicos han sos aspectos de la salud y la enfermedad ha abierto nuevas áreas en
buscado aislar las numerosas moléculas que se encuentran en las la bioquímica. En la igura 1-1 se muestran algunos ejemplos de esta
células, determinar su estructura y analizar cómo funcionan. Se han avenida de dos direcciones. Por ejemplo, el conocimiento de la es-
usado muchas técnicas para estos propósitos; algunas de ellas se re- tructura y la función de las proteínas fue necesario para dilucidar la
sumen en el cuadro 1-1.
diferencia bioquímica única entre la hemoglobina normal y la de

células falciformes. Por otra parte, el análisis de la hemoglobina

El conocimiento de la bioquímica es de células falciformes ha contribuido de manera signiicativa al en-
esencial para todas las ciencias de la vida tendimiento de la estructura y la función tanto de la hemoglobina
como de otras proteínas normales. Cabría citar ejemplos análogos

La bioquímica de los ácidos nucleicos ocupa un lugar fundamental de beneicio recíproco entre la bioquímica y la medicina para los

justo en el corazón de la genética; a su vez, el uso de métodos gené- otros incisos pareados que muestra la igura 1-1. Otro ejemplo es la

ticos ha sido crucial para dilucidar muchas áreas de la bioquímica. investigación pionera de Archibald Garrod, médico que ejerció en

La isiología, el estudio de la función del cuerpo, se superpone con Inglaterra a principios del siglo xx, quien estudió a pacientes con

la bioquímica casi por completo. En la inmunología se emplean diversos trastornos hasta cierto punto raros (alcaptonuria, albinis-

muchas técnicas bioquímicas y numerosos métodos inmunológicos mo, cistinuria y pentosuria; los cuales se describen en capítulos pos-

han encontrado amplio uso por bioquímicos. La farmacología y la teriores), y estableció que estas enfermedades estaban determinadas

farmacia se fundamentan en un sólido conocimiento de la bio- por mecanismos genéticos. Garrod designó a estas enfermedades

química y la isiología, en particular, casi todos los fármacos son como errores innatos del metabolismo (metabolopatías); sus

metabolizados mediante reacciones catalizadas por enzimas. Los ve- ideas proporcionaron un importante fundamento para el desarrollo

nenos actúan sobre reacciones o procesos bioquímicos; éste es el de la genética bioquímica humana. Los esfuerzos más recientes por

tema de estudio de la toxicología. Los métodos bioquímicos cada entender la base de la enfermedad genética conocida como hiperco-

vez reciben un uso más amplio en la investigación relacionada con lesterolemia familiar, que origina aterosclerosis grave a una edad

los aspectos básicos de la patología (el estudio de la enfermedad), temprana, han llevado a alcanzar un progreso notorio del entendi-

como la inlamación, la lesión celular y el cáncer. Muchos investiga- miento de los receptores celulares y de los mecanismos de captación

dores en microbiología, zoología y botánica emplean métodos del colesterol por las células. Los estudios de oncogenes en células

bioquímicos de manera casi exclusiva. Estas relaciones no sorpren- cancerosas han dirigido la atención hacia los mecanismos molecu-

den, porque la vida, como se le conoce, depende de reacciones y pro- lares involucrados en el control del crecimiento celular normal. Ta-
cesos bioquímicos. De hecho, las antiguas barreras entre las ciencias les ejemplos y muchos otros recalcan la manera en que el estudio de

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2 CAPíTuLO 1 Bioquímica y medicina

la enfermedad llega a abrir áreas de la función celular para investi- LOS PROCESOS BIOQUÍMICOS
gación bioquímica básica. NORMALES SON LA BASE DE LA SALUD

La relación entre medicina y bioquímica tiene inferencias im- La Organización Mundial de la Salud (OMS) deine a la salud como
portantes para la primera. Mientras el tratamiento médico esté fun- el estado de “bienestar físico, mental y social completo, y no tan sólo
damentado con irmeza en el conocimiento de la bioquímica y otras la ausencia de enfermedad”. Desde un punto de vista estrictamente
ciencias básicas, la práctica de la medicina tendrá una base racio- bioquímico, cabe considerar a la salud como aquella situación en la
nal capaz de adaptarse para dar cabida al nuevo conocimiento. Esto cual las muchas miles de reacciones intracelulares y extracelulares
contrasta con prácticas de salud no ortodoxas y con al menos algu- que ocurren en el cuerpo están procediendo a índices acordes con la
nas opciones de “medicina alternativa” que a menudo están funda- supervivencia máxima del organismo en el estado isiológico. Sin
mentadas en poco más que mitos e ilusiones y, por lo general, care- embargo, se trata de un punto de vista en extremo reduccionista,
cen de base intelectual alguna. debe quedar de maniiesto que el cuidado de la salud de los pacien-
tes no sólo requiere un amplio conocimiento de los principios bio-
CUADRO 1-1 Principales métodos lógicos, sino también de principios psicológicos y sociales.
y preparaciones usados en laboratorios de bioquímica

Métodos para separar biomoléculas y puriicarlas1

Fraccionamiento de sal (p. ej., precipitación de proteínas con sulfato de La investigación bioquímica tiene
amonio) repercusiones sobre la nutrición
y la medicina preventiva
Cromatografía: en papel, de intercambio iónico, de ainidad, de capa
delgada, de gas-líquido, de líquido a alta presión, de iltración en gel Un prerrequisito importante para el mantenimiento de la salud
es la ingestión óptima de diversas sustancias químicas en la die-
Electroforesis: en papel, de alto voltaje, en agarosa, en acetato de celu- ta, entre las cuales destacan vitaminas, algunos aminoácidos,
losa, en gel de almidón, en gel de poliacrilamida, en gel de dodecil ciertos ácidos grasos, diversos minerales y agua. Dado que gran
sulfato de sodio (SDS)-poliacrilamida parte del tema de estudio tanto de la bioquímica como de la nu-
trición comprende diversos aspectos de estas sustancias quími-
Ultracentrifugación cas, hay una estrecha relación entre ambas ciencias. Más aún, se
está haciendo hincapié en los intentos sistemáticos por mantener
Métodos para determinar estructuras de las biomoléculas la salud y prevenir la enfermedad, esto es, en medicina preven-
tiva, así que se observa un énfasis en los métodos nutricionales
Análisis elemental para —por ejemplo— tratar la prevención de aterosclerosis y cán-
cer. El entendimiento de la nutrición depende en gran medida
Espectroscopia con luz ultravioleta (UV), visible, infrarroja y con resonancia del conocimiento sobre bioquímica.
magnética nuclear (NMR)

Uso de hidrólisis en ácido o alcalí para degradar la biomolécula en estudio
hacia sus constituyentes básicos

Uso de un conjunto de enzimas de especiicidad conocida para degradar
la biomolécula en estudio (p. ej., proteasas, nucleasas, glucosidasas)

Espectrometría de masa Casi todas las enfermedades (quizá todas)
tienen una base bioquímica
Métodos de secuenciación especíicos (p. ej., para proteínas y ácidos nu-
cleicos)

Cristalografía con rayos X Los autores creen que casi todas las enfermedades, si no es que to-

Preparaciones para estudiar procesos bioquímicos das, son manifestaciones de anormalidades de moléculas, reacciones
químicas o procesos bioquímicos. En el cuadro 1-2 se listan los

Animal entero (incluye animales transgénicos y animales con genes principales factores que generan enfermedades en animales y se-
noqueados) res humanos; todos afectan una o más reacciones químicas o mo-

Órgano aislado perfundido léculas cruciales en el cuerpo. Este libro presenta muchos ejemplos

Corte de tejido de las bases bioquímicas de las enfermedades; en casi todas ellas
los estudios bioquímicos contribuyen tanto al diagnóstico como al

Células enteras tratamiento. El cuadro 1-3 resume algunos usos importantes de in-

Homogeneizado vestigaciones bioquímicas y pruebas de laboratorio en relación
Organelos celulares aislados con enfermedades. El capítulo 54 de este libro provee aún más ayu-
da para ilustrar la relación entre bioquímica y enfermedad al co-

Subfraccionamiento de organelos mentar con cierto detalle los aspectos bioquímicos de 16 casos mé-

Metabolitos y enzimas puriicados dicos diferentes.
Al inal del capítulo 54 se esbozan de manera muy sucinta algu-
Genes aislados (incluso reacción en cadena de polimerasa y mutagénesis
dirigida hacia sitio) nos de los principales desafíos que la medicina y las ciencias de la
salud relacionadas encaran. Al abordar estos desafíos, los estudios

1Casi todos estos métodos son idóneos para analizar los componentes presentes bioquímicos ya están entrelazados, y seguirán estándolo, con estu-

en homogeneizados de células y en otras preparaciones bioquímicas. El uso secuencial
de varias técnicas por lo general permitirá la puriicación de casi todas las biomoléculas.

www.FreeLibros.orgEl lector encontrará detalles en libros sobre métodos de investigación bioquímica.
dios en varias otras disciplinas, como genética, inmunología, nutri-
ción, patología y farmacología.

CAPíTuLO 1 Bioquímica y medicina 3

Bioquímica

Ácidos Proteínas Lípidos Carbohidratos
nucleicos

Enfermedades Depranocitosis Aterosclerosis Diabetes
genéticas mellitus

Medicina

FIGURA 1-1 Ejemplos de la avenida en dos direcciones que conecta la bioquímica y la

medicina. El conocimiento de las moléculas bioquímicas mostradas en la parte superior del
diagrama ha esclarecido el entendimiento de las enfermedades mostradas en la mitad inferior
y, a la inversa, los análisis de las enfermedades que se muestran abajo han aclarado muchas
áreas de la bioquímica. Note que la drepanocitosis es una enfermedad genética, y que tanto
la aterosclerosis como la diabetes mellitus tienen componentes genéticos.

Repercusiones del Human Genome Project tructura y función (p. ej., mediante experimentos de secuenciación
(HGP, Proyecto del Genoma Humano) sobre y de gen noqueado). Muchos genes antes desconocidos han sido
la bioquímica, biología y medicina revelados; sus productos ya se han establecido o están bajo estudio.
Se han aclarado nuevos aspectos de la evolución del ser humano y
A inales del decenio de 1990, el HGP logró notorios progresos en la se han reinado los procedimientos para rastrear genes vinculados
secuenciación del genoma humano. Esto culminó en julio de 2000, con enfermedad. En diversas secciones de este libro hay referencias
cuando líderes de los dos grupos comprendidos en este esfuerzo (el al genoma humano.
International Human Genome Sequencing Consortium y Celera Ge-
nomics, compañía privada) anunciaron que se había secuenciado En la igura 1-2 se muestran áreas de gran interés actual que se
más de 90% del genoma. A principios de 2001 se publicaron versio- han desarrollado de manera directa como resultado del progreso
nes borrador de la secuencia. Salvo algunos vacíos, la secuencia de logrado en el HGP o cuyo avance se ha visto estimulado por el mis-
todo el genoma humano se completó en 2003, 50 años después de la mo. Como resultado del HGP, han surgido muchos de los llamados
descripción de la naturaleza de doble hélice del ácido desoxirribo-
nucleico (DNA) por Watson y Crick. CUADRO 1-3 Algunos usos de investigaciones
bioquímicas y pruebas de laboratorio en relación
Son enormes las inferencias del HGP para la bioquímica, toda con enfermedades
la biología, así como para la medicina y las ciencias de la salud
relacionadas, y aquí sólo se mencionan algunos puntos. Ahora es Uso Ejemplo
posible aislar cualquier gen y, por lo general, determinar su es-
1. Revelar las causas Demostración de la naturaleza de los
CUADRO 1-2 Las principales causas y los mecanismos defectos genéticos en la ibrosis
de enfermedades1 fundamentales de quística.
enfermedades
1. Agentes físicos: traumatismo mecánico, temperatura extrema, cambios
repentinos de la presión atmosférica, radiación, descarga eléctrica. 2. Sugerir tratamientos Una dieta con bajo contenido de
racionales de fenilalanina para el tratamiento
2. Agentes químicos, incluso fármacos: ciertos compuestos tóxicos, fár- enfermedades con de fenilcetonuria.
macos terapéuticos, etcétera. base en el inciso 1

3. Ayudar en el diagnóstico Uso de las concentraciones plasmáticas
de enfermedades de troponina I o T en el diagnóstico de
especíicas infarto de miocardio.

3. Agentes biológicos: virus, bacterias, hongos, formas superiores de pa- 4. Actuar como pruebas Uso de medición de la tiroxina o de la
rásitos. de detección para el hormona estimulante de la tiroides
diagnóstico temprano de (TSH) en la sangre en el diagnóstico
4. Falta de oxígeno: pérdida del aporte sanguíneo, disminución de la ciertas enfermedades neonatal de hipotiroidismo
capacidad transportadora de oxígeno de la sangre, envenenamiento congénito.
de las enzimas oxidativas.

5. Trastornos genéticos: congénitos, moleculares. 5. Ayudar a vigilar el Uso de la enzima plasmática alanina
progreso (esto es, aminotransferasa (ALT) en la

6. Reacciones inmunitarias: anailaxia, enfermedad autoinmunitaria. recuperación, vigilancia del progreso de hepatitis
empeoramiento, remisión infecciosa.

7. Desequilibrios nutricionales: deiciencias, excesos. o recaída) de ciertas

8. Desequilibrios endocrinos: deiciencias o excesos hormonales. enfermedades

1Nota: todas las causas listadas actúan al inluir sobre los diversos mecanismos Uso de la medición del antígeno
bioquímicos en la célula o en el cuerpo.
6. Ayudar en la evaluación carcinoembrionario (CEA) en la
de la respuesta de sangre en ciertos pacientes que han
(Adaptado, con autorización, de Robbins SL, Cotram RS, Kumar V: The Pathologic Basis
of Disease, 3a. ed. Saunders, 1984. Copyright © 1984 Elsevier Inc. con autorización de

www.FreeLibros.orgElsevier.)
enfermedades a la terapia recibido tratamiento para cáncer de
colon.

4 CAPíTuLO 1 Bioquímica y medicina

Transcriptómica Proteómica Glucómica Lipidómica

Metabolómica Nutrigenómica

Farmacogenómica HGP Bioinformática
Bioingeniería (genómica) Biotecnología

Biofísica Bioética

Biología de células Terapia génica
madre

Diagnóstico molecular Biología de sistemas Biología sintética

FIGURA 1-2 El Human Genome Project (HGP) ha inluido sobre muchas disciplinas y

áreas de investigación.

campos de -ómica, que comprenden estudios integrales de las es- ■ bioquímicas, la bioquímica se ha convertido en el lenguaje básico de

tructuras y funciones de las moléculas que cada uno estudia. El glo- todas las ciencias biológicas.

sario de este capítulo proporciona las deiniciones de los campos ■ La bioquímica se encarga del estudio de toda la gama de formas de
listados a continuación. Los productos de genes (moléculas de ácido ■ vida, desde virus y bacterias que pudieran considerarse simples hasta
ribonucleico [RNA] y proteínas) están bajo estudio con el uso de las
seres humanos complejos.

técnicas de transcriptómica y proteómica. Un notorio ejemplo ■ La bioquímica y la medicina están íntimamente relacionadas. La
de la rapidez del progreso en transcriptómica es la explosión de salud depende de un equilibrio armonioso de reacciones bioquímicas
conocimiento relacionado con moléculas de RNA pequeñas como que están ocurriendo en el cuerpo, en tanto que la enfermedad releja
reguladoras de la actividad de genes. Otros campos de -ómica com-
prenden glucómica, lipidómica, metabolómica, nutrigenómica y ■ anormalidades en biomoléculas, reacciones bioquímicas o procesos
farmacogenómica. Para mantenerse al día con la cantidad de infor- bioquímicos.
mación que se está generando, la bioinformática ha recibido mucha
atención. Otros campos relacionados a los cuales se ha transmitido ■ Los avances en el conocimiento de la bioquímica han esclarecido
el ímpetu del HGP son biotecnología, bioingeniería, biofísica y muchas áreas de la medicina. A la inversa, el estudio de las
bioética. La biología de células madre ocupa un lugar preponde- enfermedades a menudo ha revelado aspectos previamente no
rante en gran parte de la investigación actual. La promesa que la
terapia génica lleva implícita aún no se cumple, pero parece pro- ■ sospechados de la bioquímica. Los métodos bioquímicos suelen ser
bable que eso ocurrirá tarde o temprano. Se han creado muchas fundamentales para esclarecer las causas de enfermedades y diseñar
pruebas diagnósticas moleculares nuevas en áreas como pruebas y
diagnóstico genéticos, microbiológicos e inmunológicos. La biolo- ■ terapias apropiadas.

gía de sistemas también está en ciernes. La biología sintética quizá ■ El uso juicioso de diversas pruebas bioquímicas de laboratorio es un
es la más interesante de todas, cuenta con el potencial de crear orga- componente integral del diagnóstico y de la vigilancia del tratamiento.

■■ Un conocimiento sólido de la bioquímica y de otras disciplinas
básicas conexas es esencial para la práctica racional de la medicina y
de ciencias de la salud relacionadas.

■ Los resultados del HGP y de investigación en áreas aines tendrán
una profunda inluencia sobre el futuro de la biología, la medicina y

nismos vivos (p. ej., en un inicio bacterias pequeñas) a partir de otras ciencias de la salud.

material genético in vitro, el cual quizá podría ser diseñado para

llevar a cabo tareas especíicas (p. ej., limpiar derrames de petróleo).

Como en el caso de las células madre, esta área atraerá mucha aten-

ción por parte de expertos en bioética y otros. Más adelante en este REFERENCIAS

libro se hace referencia a muchos de los temas anteriores. Burtis CA, Ashwood ER, Bruns DE: Tietz Textbook of Clinical Chemistry
Todo lo anterior ha hecho que la época actual sea muy inte- and Molecular Diagnostics, 4th ed. Elsevier Inc, 2006.

resante para estudiar o participar de manera directa en biología y Encyclopedia of Life Sciences. John Wiley, 2001. (Contiene unos 3 000

medicina. Los resultados de la investigación en las diversas áreas artículos sobre diversos aspectos de las ciencias de la vida. Está

antes mencionadas tendrán grandes repercusiones en el futuro de la disponible en línea en www.els.net mediante una suscripción en

biología, la medicina y las ciencias de la salud. bibliotecas.)
Fruton JS: Proteins, Enzymes, Genes: he Interplay of Chemistry and
■

Biology. Yale University Press, 1999. (Provee el contexto histórico de

RESUMEN gran parte de la investigación actual sobre bioquímica.)
Garrod AE: Inborn errors of metabolism. (Croonian Lectures.) Lancet

■ La bioquímica es la ciencia que se encarga del estudio de las diversas
moléculas que se encuentran en células y organismos vivos, así como

www.FreeLibros.orgsus reacciones químicas. Dado que la vida depende de reacciones
1908;2:1, 73, 142, 214.
Guttmacher AE, Collins FS: Genomic medicine—A primer. N Engl J Med

2002;347:1512. (Fue el primero de una serie de 11 artículos publicados

CAPíTuLO 1 Bioquímica y medicina 5

mensualmente en el New England Journal of Medicine, describiendo propiedades biológicas de las células madre y sus usos en diversas
diversos aspectos de la medicina genómica.) enfermedades.
Guttmacher AE, Collins FS: Realizing the promise of genomics in Biología de sistemas: campo de la ciencia en el cual se estudian sistemas
biomedical research. JAMA 2005;294(11):1399. biológicos completos como enteros integrados (en contraposición con
Kornberg A: Basic research: he lifeline of medicine. FASEB J 1992;6:3143. el método reduccionista de, por ejemplo, la bioquímica clásica).
Kornberg A: Centenary of the birth of modern biochemistry. Biología sintética: campo que combina técnicas biomoleculares con
FASEB J 1997;11:1209. métodos de ingeniería para construir nuevas funciones y sistemas
Manolio TA, Collins FS: Genes, environment, health, and disease: Facing biológicos.
up to complexity. Hum Hered 2007;63:63. Biotecnología: campo en el cual se combinan métodos bioquímicos, de
McKusick VA: Mendelian Inheritance in Man. Catalogs of Human Genes ingeniería y otros, para crear productos biológicos para uso en
and Genetic Disorders, 12th ed. Johns Hopkins University Press, 1998. medicina y en la industria.
[Abreviado como MIM] Diagnóstico molecular: uso de métodos moleculares (p. ej., sondas de
Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM): Center for Medical DNA) para ayudar en el diagnóstico de diversas enfermedades
Genetics, Johns Hopkins University and National Center for bioquímicas, genéticas, inmunitarias, microbianas y otros
Biotechnology Information, National Library of Medicine, 1997. http:// padecimientos médicos.
www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/ (Los números asignados a las entradas Farmacogenómica: uso de información y tecnologías genómicas para
en el OMIM serán citados en algunos capítulos de este libro. Mediante optimizar el descubrimiento y desarrollo de blancos terapéuticos y de
consultar esta amplia presentación de enfermedades y otras entradas fármacos (véase capítulo 54).
relacionadas sobre proteínas especíicas, enzimas y demás, el lector Genómica: el genoma es el grupo completo de genes de un organismo
incrementará en gran medida su conocimiento y comprensión de (p. ej., el genoma humano), y genómica es el estudio a fondo de las
varios temas vinculados con este texto y que son considerados aquí. estructuras y funciones de genomas (véase capítulo 10 y otros).
La versión en línea es actualizada casi a diario.) Glucómica: el glucoma es la totalidad de carbohidratos simples y
Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology, rev. ed. complejos en un organismo. La glucómica es el estudio sistemático de
Oxford University Press, 2000. las estructuras y funciones de glucomas (p. ej., el glucoma humano;
Scriver CR et al (editors): he Metabolic and Molecular Bases of Inherited véase capítulo 47).
Disease, 8th ed. McGraw-Hill, 2001. (Este texto está ahora disponible Lipidómica: el lipidoma es la totalidad de lípidos que se encuentran en un
en línea y actualizado como he Online Metabolic & Molecular Bases organismo. La lipidómica es el estudio a fondo de las estructuras y
of Inherited Disease en www.ommbid.com. Se requiere una suscripción, funciones de todos los miembros del lipidoma, así como de sus
pero el acceso está disponible en bibliotecas de universidades y interacciones, tanto en salud como en enfermedad.
hospitales, entre otras opciones.) Metabolómica: el metaboloma es la totalidad de metabolitos (moléculas
Scherer S: A Short Guide to the Human Genome. CSHL Press, 2008. pequeñas comprendidas en el metabolismo) que se encuentran en un
organismo. La metabolómica es el estudio a fondo de sus estructuras,
GLOSARIO funciones y cambios en diversos estados metabólicos.
Nutrigenómica: estudio sistemático de los efectos de los nutrientes sobre
Bioética: área de la ética que se encarga de la aplicación de principios la expresión genética y de los efectos de variaciones genéticas sobre el
morales y éticos a la biología y medicina. manejo de nutrientes.
Proteómica: el proteoma es la totalidad de proteínas de un organismo. La
Biofísica: aplicación de física y sus técnicas a la biología y medicina. proteómica es el estudio sistemático de las estructuras y funciones de
Bioinformática: disciplina que se encarga de reunir, almacenar y analizar proteomas, incluso variaciones en la salud y la enfermedad (véase
capítulo 4).
datos biológicos, en especial secuencias de DNA y proteína (véase Terapia génica: se aplica al uso de genes sometidos a procesos de ingeniería
capítulo 10). genética para tratar diversas enfermedades (véase capítulo 39).
Bioingeniería: aplicación de ingeniería a biología y medicina. Transcriptómica: el transcriptoma es el grupo completo de transcriptos
Biología de células madre: una célula madre es una célula indiferenciada de RNA producidos por el genoma a un periodo ijo en el tiempo. La
que tiene el potencial de renovarse por sí misma y de diferenciarse transcriptómica es el estudio integral de la expresión génica a nivel del
hacia cualquiera de las células adultas que se encuentran en el RNA (véase capítulo 36 y otros).
organismo. La biología de células madre se encarga del estudio de las

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Agua y pH CAPÍTULO

Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 2

IMPORTANCIA BIOMÉDICA que los deja con una carga positiva parcial, mientras que sus dos
pares de electrones no compartidos constituyen una región de carga

El agua es el componente químico predominante de los organismos negativa local.

vivos. Sus singulares propiedades físicas, que incluyen la capacidad El agua, un fuerte dipolo, tiene una constante dieléctrica alta.

para disolver una amplia gama de moléculas orgánicas e inorgáni- Como se describe de manera cuantitativa mediante la ley de

cas, se derivan de su estructura bipolar y de su excepcional capaci- Coulomb, la fuerza de la interacción F entre partículas que tienen

dad para formar enlaces de hidrógeno. La manera en que el agua carga opuesta es inversamente proporcional a la constante dieléctri-

interactúa con una biomolécula disuelta inluye sobre la estructura ca ε del medio circundante. La constante dieléctrica para un vacío es
de cada una. El agua, un excelente nucleóilo, es un reactivo o un la unidad; para el hexano es 1.9; para el etanol, 24.3, y para el agua,
producto en muchas reacciones metabólicas. El agua tiene una pro- 78.5. Por ende, el agua disminuye mucho la fuerza de atracción en-
pensión leve a disociarse hacia iones hidroxilo y protones. La acidez tre especies cargadas y polares en comparación con ambientes libres
de soluciones acuosas por lo general se reporta usando la escala de de agua que tienen constantes dieléctricas más bajas. Su fuerte dipo-
pH logarítmica. El bicarbonato y otros amortiguadores en circuns- lo y constante dieléctrica alta permiten al agua disolver grandes can-
tancias normales mantienen el pH del líquido extracelular entre tidades de compuestos cargados, como las sales.
7.35 y 7.45. Las alteraciones sospechadas del equilibrio acidobásico

se veriican al medir el pH de la sangre arterial y el contenido de Las moléculas de agua forman
CO2 de la sangre venosa. Algunas causas de acidosis (pH sanguíneo enlaces de hidrógeno
< 7.35) son cetosis diabética y acidosis láctica. La alcalosis (pH >

7.45) puede presentarse después de vómitos de contenido gástrico Un núcleo de hidrógeno parcialmente desprotegido, unido de ma-
ácido. La regulación del equilibrio del agua depende de mecanismos nera covalente a un átomo de oxígeno o de nitrógeno que extrae
hipotalámicos que controlan la sed, de la hormona antidiurética electrones, puede interactuar con un par de electrones no compar-
(ADH), de la retención o excreción de agua por los riñones, y de la tidos sobre otro átomo de oxígeno o nitrógeno para formar un enla-
pérdida por evaporación. La diabetes insípida nefrogénica, que ce de hidrógeno. Dado que las moléculas de agua tienen estas dos
comprende la incapacidad para concentrar orina o para hacer ajus- características, la formación de enlaces de hidrógeno favorece la au-
tes a cambios sutiles de la osmolaridad del líquido extracelular, se toasociación de moléculas de agua hacia disposiciones ordenadas
produce por falta de capacidad de respuesta de los osmorreceptores (ig. 2-2). La formación de enlaces de hidrógeno ejerce una profun-
de los túbulos renales a la ADH. da inluencia sobre las propiedades físicas del agua, lo que explica su

viscosidad, tensión supericial y punto de ebullición excepcional-

EL AGUA ES UN SOLVENTE mente altos. En promedio, cada molécula en agua líquida se asocia
BIOLÓGICO IDEAL por medio de enlaces de hidrógeno con otras 3.5. Estos enlaces
son hasta cierto punto débiles y transitorios, con una vida media de

Las moléculas de agua forman dipolos un microsegundo o menos. La ruptura de un enlace de hidrógeno
en agua líquida sólo requiere alrededor de 4.5 kcal/mol, menos de

Una molécula de agua es un tetraedro irregular, un tanto asimétrico, 5% de la energía necesaria para romper un enlace O—H covalente.

con oxígeno en su centro (ig. 2-1). Los dos hidrógenos y los electro- La formación de enlaces de hidrógeno permite al agua disolver

nes no compartidos de los dos orbitales sp3-hibridados restantes muchas biomoléculas orgánicas que contienen grupos funcionales

ocupan los ángulos del tetraedro. El ángulo de 105 grados entre los que pueden participar en la formación de enlaces de hidrógeno. Los

hidrógenos diiere un poco del ángulo tetraédrico ideal, de 109.5 átomos de oxígeno de aldehídos, cetonas y amidas, por ejemplo,

grados. El amoniaco también es tetraédrico, con un ángulo de 107 proporcionan pares de electrones solitarios que tienen la capacidad

grados entre sus hidrógenos. El agua es un dipolo, una molécula de servir como aceptores de hidrógeno. Los alcoholes y las aminas

con carga eléctrica distribuida de manera asimétrica en toda su es- pueden servir como aceptores de hidrógeno y como donadores

tructura. El átomo de oxígeno fuertemente electronegativo empuja de átomos de hidrógeno desprotegidos para formación de enlaces de

los electrones en dirección contraria a los núcleos de hidrógeno, lo hidrógeno (ig. 2-3).

w6 ww.FreeLibros.org

CAPíTuLO 2 Agua y pH 7

CUADRO 2-1 Energías de enlace para átomos
de importancia biológica

2e Tipo de Energía Tipo de Energía
enlace (kcal/mol) enlace (kcal/mol)
H 2e
H O—O 34 O==O 96
105˚
S—S 51 C—H 99

FIGURA 2-1 La molécula de agua tiene geometría tetraédrica. C—N 70 C==S 108

S—H 81 O—H 110

HH H HH C—C 82 C==C 147
O
H OH C—O 84 C==N 147
HH O
O H O N—H 94 C==O 164
H
OH H

HO Las biomoléculas se pliegan para
H colocar a grupos polares y cargados
sobre sus superficies
FIGURA 2-2 Izquierda: asociación de dos moléculas de agua
Casi todas las biomoléculas son anipáticas; esto es, poseen regio-
dipolares mediante un enlace de hidrógeno (línea punteada). nes con alto contenido de grupos funcionales cargados o polares, así
Derecha: agrupación de cuatro moléculas de agua con enlaces de como regiones con carácter hidrofóbico. Las proteínas tienden a
hidrógeno. Note que el agua puede servir de manera simultánea como plegarse con los grupos R de aminoácidos con cadenas laterales hi-
donador y como aceptor de hidrógeno. drofóbicas en el interior. Los aminoácidos con cadenas laterales de
aminoácidos cargadas o polares (p. ej., arginina, glutamato, serina)
H por lo general están presentes sobre la supericie en contacto con
CH3 CH2 O H O agua. Un modelo similar prevalece en una bicapa de fosfolípidos,
donde los grupos con cabeza cargada de fosfatidil serina o fosfatidil
H etanolamina tienen contacto con agua, mientras que sus cadenas
laterales de ácido graso (acilo) hidrofóbicas se agrupan juntas y ex-
H cluyen el agua. Este modelo maximiza las oportunidades para la for-
CH3 CH2 O H O mación de interacciones de carga-dipolo, dipolo-dipolo, y formación
de enlaces de hidrógeno, favorables desde el punto de vista energé-
CH2 CH3 tico entre grupos polares sobre la biomolécula y el agua. También
minimiza contactos desfavorables desde el punto de vista energético
R RII entre el agua y grupos hidrofóbicos.
COHN
Interacciones hidrofóbicas
RI RIII

FIGURA 2-3 Los grupos polares adicionales participan en la

formación de enlaces de hidrógeno. Se muestran los enlaces de
hidrógeno formados entre alcohol y agua, entre dos moléculas de
etanol, y entre el oxígeno del carbonilo peptídico y el hidrógeno
del nitrógeno peptídico de un aminoácido adyacente.

El término “interacción hidrofóbica” (o hidrófoba) alude a la ten-

LA INTERACCIÓN CON AGUA dencia de compuestos no polares a autoasociarse en un ambiente

acuoso. Tal autoasociación no está impulsada por atracción mutua

INFLUYE SOBRE LA ESTRUCTURA ni por lo que a veces es denominado de manera incorrecta como
DE LAS BIOMOLÉCULAS “enlaces hidrofóbicos”. La autoasociación minimiza interacciones
desfavorables desde el punto de vista energético entre grupos no po-

Los enlaces covalentes y no covalentes lares y agua.
estabilizan moléculas biológicas Dado que los hidrógenos de grupos no polares —como los gru-

pos metileno de hidrocarburos— no forman enlaces de hidrógeno,

El enlace covalente es la mayor fuerza que mantiene juntas a las mo- afectan la estructura del agua que los rodea. Las moléculas de agua

léculas (cuadro 2-1). Las fuerzas no covalentes, aunque son de menor adyacentes a un grupo hidrofóbico tienen restricción en cuanto al

magnitud, hacen contribuciones importantes a la estructura, esta- número de orientaciones (grados de libertad) que les permiten par-

bilidad y competencia funcional de macromoléculas en las células ticipar en el número máximo de enlaces de hidrógeno favorables

vivas. Estas fuerzas, que pueden ser de atracción o de repulsión, desde el punto de vista energético. La formación máxima de múl-

comprenden interacciones tanto dentro de la biomolécula como en- tiples enlaces de hidrógeno sólo puede mantenerse al aumentar el

tre la misma y el agua, que es el principal componente del ambiente orden de las moléculas de agua adyacentes, con una disminución

agregada de la entropía.
www.FreeLibros.orgcircundante.

8 CAPíTuLO 2 Agua y pH carbonilo en amidas, ésteres, aldehídos y cetonas, y los átomos
de fósforo de fosfoésteres.
La segunda ley de la termodinámica establece que la energía
libre óptima de una mezcla de hidrocarburo-agua está en función El ataque nucleofílico por agua a menudo origina la ruptura de
tanto de la entalpía máxima (por formación de enlaces de hidró- los enlaces amida, glucósido o éster que mantienen juntos a los bio-
geno) como de la entropía mínima (grados máximos de libertad). polímeros. Este proceso recibe el nombre de hidrólisis. A la inversa,
De este modo, las moléculas no polares tienden a formar gotitas a cuando unidades de monómeros se unen para formar biopolímeros
in de minimizar el área de supericie expuesta y reducir el número como proteínas o glucógeno, el agua es un producto, por ejemplo,
de moléculas de agua afectadas. De modo similar, en el ambiente durante la formación de un enlace peptídico entre dos aminoácidos:
acuoso de la célula viva las porciones hidrofóbicas de biopolímeros
tienden a estar recluidas dentro de la estructura de la molécula o
dentro de una bicapa lípida, lo que minimiza el contacto con agua.

Interacciones electrostáticas

Las interacciones entre grupos cargados ayudan a dar forma a la
estructura biomolecular. Las interacciones electrostáticas entre gru-
pos que tienen carga opuesta dentro de biomoléculas o entre las
mismas se denominan puentes de sal, los cuales tienen fuerza com-
parable a la de los enlaces de hidrógeno, pero actúan en distancias
mayores; por ende, a menudo facilitan el enlace de moléculas y
iones cargados a proteínas y ácidos nucleicos.

Fuerzas de van der Waals

Surgen por atracciones entre dipolos transitorios generados por el

movimiento rápido de electrones de todos los átomos neutros. Las Si bien la hidrólisis es una reacción favorecida desde el punto
fuerzas de van der Waals —mucho más débiles que los enlaces de hi- de vista termodinámico, los enlaces amida y fosfoéster de polipépti-
drógeno, pero potencialmente abundantes— disminuyen en términos dos y oligonucleótidos son estables en el ambiente acuoso de la cé-
de la sexta potencia de la distancia que separa a los átomos. De este lula. Esta conducta al parecer paradójica releja el hecho de que la
modo, actúan en distancias muy cortas, por lo general de 2 a 4 Å. termodinámica que rige el equilibrio de una reacción no determina

la velocidad a la cual procederá. En las células, catalíticos proteína

Fuerzas múltiples estabilizan biomoléculas llamadas enzimas aceleran el índice de reacciones hidrolíticas cuan-
do es necesario. Las proteasas catalizan la hidrólisis de proteínas
La doble hélice de DNA ilustra la contribución de múltiples fuerzas hacia los aminoácidos que las componen, mientras que las nuclea-
a la estructura de biomoléculas. Si bien cada cadena de DNA indivi- sas catalizan la hidrólisis de los enlaces fosfoéster en el DNA y el
dual se mantiene junta por medio de enlaces covalentes, las dos he- RNA. Se requiere control cuidadoso de las actividades de estas enzi-
bras de la hélice se mantienen unidas de manera exclusiva mediante mas para asegurar que sólo actúen sobre moléculas blanco apropia-
interacciones no covalentes. Estas últimas comprenden enlaces de das en momentos apropiados.
hidrógeno entre bases de nucleótido (apareamiento de bases de Wat-

son-Crick) e interacciones de van der Waals entre las bases de purina Muchas reacciones metabólicas
y pirimidina apiladas. La hélice presenta los grupos fosfato carga-
dos y azúcares ribosa polares del esqueleto a agua mientras que res- comprenden transferencia de grupo
guarda dentro las bases nucleótido relativamente hidrofóbicas. El
esqueleto extendido maximiza la distancia entre fosfatos que tienen Muchas de las reacciones enzimáticas de las cuales depende la sínte-
carga negativa, lo que minimiza interacciones electrostáticas des-
favorables. sis y desintegración de biomoléculas comprenden la transferencia

de un grupo químico G desde un donador D hacia un aceptor A

para formar un complejo de+a฀ceptor-g−rup+o, A-G:
−

EL AGUA ES UN EXCELENTE NUCLEÓFILO D−G +฀A  A−G + D
La hidrólisis y fosforólisis de glucógeno, por ejemplo, com-

Las reacciones metabólicas a menudo comprenden el ataque por pa- prenden la transferencia de grupos glucosilo hacia agua o hacia or-

res solitarios de electrones que residen sobre moléculas ricas en tofosfato. La constante de equilibrio para la hidrólisis de enlaces

electrones llamadas nucleóilos sobre átomos con pocos electrones covalentes favorece de manera signiicativa la formación de pro-

llamados electróilos. Los nucleóilos y electróilos no necesaria- ductos de división. A la inversa, en muchos casos las reacciones de

mente poseen una carga negativa o positiva formal. El agua, cuyos transferencia de grupo de las cuales depende la biosíntesis de ma-

dos pares solitarios de electrones sp3 tienen una carga negativa par- cromoléculas comprenden la formación de enlaces covalentes no

cial, es un excelente nucleóilo. Otros nucleóilos de importancia favorecida desde el punto de vista termodinámico. Las enzimas su-

biológica son los átomos de oxígeno de fosfatos, alcoholes y ácidos peran dicha barrera al acoplar estas reacciones de transferencia de
carboxílicos; el azufre de tioles; el nitrógeno de aminas y el anillo grupo a otras reacciones favorecidas, de modo que el cambio general

www.FreeLibros.orgimidazol de la histidina. Los electróilos comunes son los carbonos de energía libre favorece la síntesis de biopolímero. Dado el carácter

CAPíTuLO 2 Agua y pH 9

nucleofílico del agua y su alta concentración en las células, ¿por qué ciación. Puesto que un mol de agua pesa 18 g, 1 litro (L) (1000 g) de
los biopolímeros como las proteínas y el DNA son relativamente es- agua contiene 1 000 ÷ 18 = 55.56 mol. Así, el agua pura es 55.56
tables?, además, ¿de qué modo la síntesis de biopolímeros puede molar. Dado que la probabilidad de que un hidrógeno en agua pura
ocurrir en un ambiente acuoso? Las propiedades de las enzimas son exista como un ion hidrógeno es de 1.8 × 10–9, la concentración
fundamentales para ambas preguntas. En ausencia de catálisis enzi- molar de iones H+ (o de iones OH–) en agua pura es el producto de
mática, incluso las reacciones muy favorecidas desde el punto de la probabilidad, 1.8 × 10–9, veces la concentración molar de agua,
vista termodinámico no necesariamente tienen lugar con rapidez. El 55.56 mol/L. El resultado es 1.0 × 10–7 mol/L.

control preciso y diferencial de la actividad enzimática, así como el Ahora es posible calcular el valor de K para el agua pura:
secuestro de enzimas en organelos especíicos, determinan en qué
condiciones isiológicas un biopolímero dado se sintetizará o degra- =  +   −  =  −   − 
dará. Los biopolímeros recién sintetizados no se hidrolizan de in- K
mediato, lo cual en parte se debe a que los sitios activos de enzimas = = [H+  ]OH− = [10−7  ]10−7 
biosintéticas secuestran sustratos en un ambiente del cual es factible = === 0+[.0+1[+[×H82×]O1−]−]0−−−1==4 === 1[−.×8[[−−5×51.−5]0−6−]]1−−6
excluir al agua. 
mol/L

Las moléculas de agua muestran una vgara, nddeLeamccooodmnocoqepnuate=rrasa=e==cqicóuonenlms+[a×iddo×e×ilsaroar−]cqd−−i−uae=celi,==a=óegnnul×aea[,s−×a×e5fn5e−cc.5it−a−e6],−demse ocmlo/anLns,teearsnatdseie.gmAnsiaiís,cieaasdttioa-
tendencia leve pero importante a disociarse constante puede in=corpora×rse e−n l=a cons×tant−e de disociación K para

La capacidad del agua para ionizarse, si bien es leve, tiene importan- proporcionar una nueva y útil constante Kw (W, de water, “agua”)
cia fundamental para la vida. Dado que el agua tiene la capacidad de ( )llamada agua. La relación entre
actuar como un ácido y como una base, su ionización puede repre- ×
sentarse como una transferencia de protón intermolecular que for- muestra −
ma un ion hidronio (H3O+) y un ion hidroxilo (OH–): aelcpornotidnuKu====cat=(===coió()inH[[[ó×:)+n[[[Hic2]]oOO]−−−=H]]d]−e−−=l== = Kw y K se

==1.(8× ×−

)−1−−0−−16mol/L

H2O + H2O  H3O+ + OH− ( )Kw= ××
El protón transferido e+n realidad se r+e+lacion− a con una agrupa- ( ( ) )= )
=(== ()1K[.8)××[[H××××21]O−−0=]]−−−−1=−=(6m(H=o+l/L()O((×)5−H5−−.5−6 mol/)L)
ción de moléculas dtaemabguiéa+n. L++cooms poromtounlteísm+ e++e+xr+i+ostse−tnip−−eon solución no sólo
como H3O+, sino H5O2+ y H7O3+. ====

Sin embargo, el protón se representa de manera sistemática como = == 1(.0)0×[ ×× ] (1−0 =−−14 (mol/)L)2 − 

H+, aun cuando de hecho e+stá muy hidrat+a+do. − Note que las di=m(ensio×nes−de K son)(mol por litro) y las de Kw son
Dado que los iones hidronio e hidroxilo se recombinan de ma-
mol2 por L2. Como=su nom× bre− lo( sugier)e, el producto iónico Kw es
nera continua para formar moléculas de agua, es imposible declarar
icgiounalesdemsdoelaerleps udnetHo d+eyvOisHta=–n:=um+ é+rico−al−producto de las concentra-
que un hidrógeno u oxígeno individual está presente como un ion o

formando parte de una molécula de agua. En un instante es un ion, Kw= == +H++O−H−−

pero al siguiente forma parte de una molécula de agua; de modo que

no se consideran iones o moléculas individuales. En lugar de eso, se A 25°C, Kw = (10–7)2, o 10–14 (mol/L)2; a temperaturas por de-
hace referencia a la probabilidad de que en cualquier instante en el bajo de 25°C, Kw es un poco =meno+ rde 1−0–14, en tanto que a tempe-
tiempo un hidrógeno estará presente como ion o como parte de una raturas superiores a 25°C es un poco mayor de 10–14. Dentro de las
molécula de agua. Dado que 1 g de agua contiene 3.46 × 1022 mo- limitaciones declaradas del efecto de la temperatura, Kw es igual a
léculas, la ionización del agua puede describirse de manera estadís- 10–14 (mol/L)2 para todas las soluciones acuosas, incluso soluciones
tica. Declarar que la probabilidad de que un hidrógeno exista como
un ion es de 0.01 signiica que, en cualquier momento dado en el de ácidos o bases. Se usa Kw para calcular el pH de soluciones ácidas
tiempo, un átomo de hidrógeno tiene una probabilidad en 100 de y básicas.

ser un ion pero 99 probabilidades en 100 de formar parte de una

molécula de agua. La probabilidad real de que un átomo de hidróge- EL pH ES EL LOGARITMO
NDEEGIOANTIHVIODDREÓGLAE=NC=−OO−NC+E+N TRACIÓN
no en agua pura exista como un ion hidrógeno es de alrededor de
1.8 × 10–9. De este modo, la probabilidad de que forme parte de una
molécula de agua es de casi la unidad. Dicho de otra manera, por

cada ion hidrógeno y cada ion hidroxilo en agua pura, hay 1.8 mil El término pH fue introduci=do==−en−−1909+p++or Sörensen, quien lo deinió
millones o 1.8 × 109 moléculas de agua. Sin embargo, los iones hi- como el logaritmo negativo de la concentración de ion hidrógeno:
drógeno y los iones hidroxilo contribuyen de manera importante a
a==gu===aH,++[[H+++[[2OOH]] −−]]−−−
las propiedades del agua. pH = −log H+ 
Para la disociación del
Esta deinición, si bien no es rigurosa, es suiciente para muchos
K
propósitos bioquímicos; a in de calcular el pH de una solución:
[=−hHi(d−−+r(]ó−.)g=e)n=o
1. Se calc=ul−a la lcoognac+reitn+m=troa=−cbi−aósne − io−=n [H+].
2. Se calcul=a e−l de
donde de
10
www.FreeLibros.orgmente
lhoasbclaonrcdhoe, taecstriveipdraedseens tma=nolcaor+ne[sc)enyt]rK−aceisonlaescomnostlaarnetse(desetrdicistoa-- 3. El pH e=s==−el−−negat+iv+o+=d=e=−l −−valor −qu−−=e s==−e(−e−−n(−c−)u=)en==tra en el paso 2.

= −  +  = − − = −(− ) =

10 CAPíTuLO 2 Agua y pH

Por ejemplo, para agua pura a 25°C, traciones de ion hidrógeno que diieren por órdenes de magnitud de
otra, esto es, 0.00032 M (pH 3.5) y 0.000000000025 M (pH 10.6).
pH = −log H+  = −log 10−7 = −(−7) = 7.0
Ejemplo 3: ¿Cuáles son los valores de pH para KOH de a) 2.0 ×
Este valor también se conoce como la potencia (power [inglés], puis- 10–2 mol/L y de b) 2.0 × 10–6 mol/L? El OH– surge a partir de dos
sant [francés], o potennz [alemán]) del exponente, de ahí el uso fuentes: KOH y agua. Dado que el pH está determinado por el [H+]
de “p”. total (y el pOH por el [OH–] total), ambas fuentes deben considerar-
se. En el primer caso, a), la contribución del agua al [OH–] total es
Los valores de pH bajos corresponden a concentraciones altas insigniicante; es imposible decir lo mismo para el segundo caso, b):
de H+, y los valores de pH altos corresponden a concentraciones
bajas de H+. Concentración (mol/L)

Los ácidos son donadores de protones y las bases son acepto-

res de protones. Los ácidos fuertes (p. ej., HCl, H2SO4) se disocian Molaridad de KOH (a) (b)
por completo hacia aniones y cationes, incluso en soluciones fuerte- 2.0 × 10-2 2.0 × 10-6

mente acídicas (pH bajo). Por su parte, los ácidos débiles se diso-

cian sólo en parte en soluciones acídicas. De modo similar, las bases [OH-] de KOH 2.0 × 10-2 2.0 × 10-6

fuertes (p. ej., KOH, NaOH) —no así las bases débiles (p. ej., [OH-] de agua 1.0 × 10-7 1.0 × 10-7
Total [OH-] 2.00001 × 10-2 2.1 × 10-6
Ca[OH]2)— están por completo disociadas a pH alto. Muchas sus-
tancias bioquímicas son ácidos débiles. Las excepciones son los in-

termediarios fosforilados, cuyo grupo fosforilo contiene dos proto- Una vez que se ha llegado a una decisión acerca de la importan-
cia de la contribución por el agua, es factible calcular el pH como se
nes disociables, el primero de los cuales es fuertemente acídico. mencionó.

Los ejemplos que siguen ilustran cómo calcular el pH de solu- Los ejemplos anteriores suponen que la base fuerte KOH está
por completo disociada en solución y que, entonces, la concentra-
((((( ( )))))((((( )( ))))) )dcieoinoeEnsjheámcididpróalosgey1n:bo¿áCseiuscpádaHlse.e=====3============s.2e−−−−−−−−−−−−−−−−=====l×lllpooo−−−−Hggg1+++0(((((d33H–e4..++++++22(mu)))))×××××n+−−−−−oa1)l×l/0os−Lo−−−−−g?4lu−1c0ió−−−−−n4cuya concentración ción de iones OH– fue igual a la del KOH más la presente al princi-
pio en el agua. Esta suposición es válida para soluciones diluidas de
− bases o ácidos fuertes, no así para bases o ácidos débiles. Dado que
los electrólitos débiles sólo se disocian un poco en solución, es nece-
=== − + 4.0 sario usar la constante de disociación para calcular la concentra-
= −0.5 + ción de [H+] (o de [OH–]) producida por una molaridad dada de un
ácido (o base) débil antes de calcular el [H+] total (o el [OH–] total)
= 3.5 y después el pH.

Ejemplo 2: ¿Cuál es el pH de una solución cuya concentración
dtdieedailaodndpehOiidnHriocqixóuinleoedesesiKgduewKa:4lw.0a=====×–+lo=H1g+0+++++[–O4+mOH Ho–]−−−−−l/yL−−?=====qPu1==er0imp−−−−−1u4ee−rdoes−deedreivianreseuanapacartnir-
Los grupos funcionales que son ácidos
Por ende logH+++++  + log+OH−−−−−  = − débiles tienen gran importancia fisiológica
++ == −
++ − Muchas sustancias bioquímicas poseen grupos funcionales que son
ácidos o bases débiles. Los grupos carboxilo, los grupos amino y los
o += === log10−−14 ésteres de fosfato, cuya segunda disociación cae dentro del rango
isiológico, están presentes en proteínas y ácidos nucleicos, en casi
todas las coenzimas y en casi todos los metabolitos intermediarios.
De este modo, el conocimiento de la disociación de ácidos y bases

pH ++ pOH == 14 débiles es básico para entender la inluencia del pH intracelular so-

Para resolver el p rob−lem=a++me×dian==−te este método: bre la estructura y la actividad biológica. Las separaciones basadas

((((( ( )))))((((( )( ))))) )OpHO−−−−−H=−−−−−−−−−−−−−−−−−4=====.0lll0ooo.−−−−6ggg×××××0(((((1+++44O0..0−−−−−0(H44+))))).−−−−−×××××0−−−−−1)−×l0o−−−−−−g4− − en carga, como la electroforesis y la cromatografía de intercambio
===================== iónico, también se entienden mejor en términos de la conducta de
− disociación de grupos funcionales.

10−−4 La especie protonada (p. ej., HA o R—NH3+) recibe la denomi-
nación de ácido, en tanto que la especie no protonada (p. ej., A– o
− R—NH2) es su base conjugada. De modo similar, puede hacerse
− referencia a una base (p. ej., A– o R—NH2) y su ácido conjugado
(p. ej., HA o R—NH3+). Los ácidos débiles representativos (colum-
==== =3−−.4 −++ na izquierda), sus bases conjugadas (al centro) y valores de pKa (co-
lumna derecha) incluyen los siguientes:
Ahora:
=−
pH ==1=4 − pOH = 14 − 3.4
== 10.6−− == −− R CH2 COOH R  CH2  COO− pKa = 4 − 5
anterio====res il−−ustran d==e qué−− pppKKK===============aaa ===−−−−−−−−−769..24− 10
pH HRH22PC−OOC43H− 2  NH3+ RHHPC−−−−OOC43−−H22  NH−− 2
lo- − −− −
Loswww.FreeLibros.orggarítmica facilita la emis=ión de reporte y la comparación de concen-ejemplos modo la escala de pH +
3+ 2−
3+ 2−
3+ 2
3+
3 2
2

− −

− − =
− − =

CAPíTuLO 2 Agua y pH 11

Las fuerzas relativas de ácidos y bases débiles se expresan en pKa para un ácido puede determinarse al añadir 0.5 equivalente de
función de sus constantes de disociación. A continuación se mues- álcali por equivalente de ácido. El pH resultante será igual al pKa
tran las expresiones para la constante de disociación (Ka) para dos del ácido.
ácidos débiles representativos, R—COOH y R−−−—+++NH+++ 3+.
La ecuación de Henderson-Hasselbalch
[[[ [[ ]]] ]]RRKCKaΝΝΝΝΝOa=====ΗΗΗΗΗOΝΝΝ=====33333H===ΗΗΗ+++++R===R333[[+++RR[[[CRΝΝΝΝROΗΗΗΗΗCΝΝΝΝΝΝΝOO22222ΗΗΗΗΗΗΗΗCΝΝΝΝΝ−−−−−ΝΝΝOO33333ΗΗΗΗ222ΗΗΗ+++++HΝΝΝH−−−OH22222333]]+++++ΗΗΗ+++−−−−−++++++++++222]]+++++++H++++++H+++++ +++++ +++ describe el comportamiento de
ácidos débiles y amortiguadores
Dado que los valores numéricos de Ka para ácidos débiles son
números exponenciales negativos,===K−−−a se expresa como pKa, donde La ecuación de Henderson-Hasselbalch se deduce a continuación.
Un ácido débil, HA, se ioniza como sigue:
pKa ===== −−−− logKa
Note que pKa se relaciona con Ka como el pH se relaciona con HA  H+++ +++ A−−−
[H+]. Mientras más fuerte es el ácido, más bajo es el valor de pKa. La constante de equilibrio para es+++++ta+++++dis−−−−−ociación es
El pKa se usa para expresar las fuerzas relativas tanto de ácidos
como de bases. Para cualquier ácido débil, su conjugado es una base La multiplicación cruzada K === [[[+++++H[[[+++H]]]A−−−−−A]]] −−− 
fuerte; de modo similar, el conjugado de una base fuerte es un ácido a

d=====a

e+++++Hnt+++re−−−−−[AA−−−====–]:=== K a [[[HA ]]
]]
Se dividen ambos lados [[[

débil. Las fuerzas relativas de bases se expresan en términos del Se toma el logaritmo de am+++++Hbo+++====s l===adK[[[oas[[:−−−−−HA]]]A−−− ]]

pKa de sus ácidos conjugados. Para compuestos polipróticos que con-
tienen más de un protón disociable, se asigna un número subíndice

a cada disociación en orden de acidez relativa. Para una disociación
 +++ →→→  +++ +++
del tipo

R NH3+++++ →→→→ R NH2 ++++ H+++++ log +++++H +++==== === lloogg K++++aK[[[+++a [[−−−−−lHAo]]]Ag[[[−−− ]] 
 ===
el pKa es el pH al cual la concentración del ácido R—NH3+ es igual [[HA]]
−−−−−A]] −−− 
a la de la base R—NH2.

A partir de las ecuaciones anteriores que relacionan la Ka con el por –1:====
[H+] y con las concentraciones
RCOO−−−−− de−−−====ác[[[===Rid[[[o nCoOdOiHso]]]ci]]ado y su base con- Se multiplica todo

jugadas, cuando leolgp+++++KHa+++====pa−−−−−===ra−−−–llooggK[−−−−−Ha −−−+]loyg[[[–l[[[−−−−−oHA]]]gA−−− K]] a,

o cuando [[  ]] === NH3+++++ +++  Se sustituye el −−−−− −−− respectivamen-
R pH y
[[R NH2 ]]] ==== 
te; entonces:

entonces ===H+++++  +++  la ecuLaaciinóvnedrseióHnednedleúrsltpoimHn=====-oH===tapésrKs−−−−−mea li−−−bnaolloceg[[[hli:m[[−−−−−HA]]]iA−−−n]]]a el signo de menos y da

K =====
a

De este modo, cuando las especies asociada (protonada) y diso-

ciada (base conjugada) están presentes a iguales concentraciones, la
concentración de ion hidrógeno [H+] prevaleciente es igual desde el
La ecuación de HepnHde=rspoKna-H+alossg[[[elb[[[−−−−−HAa]]lA−−−ch]] tiene gran valor pre-
punto de vista numérico a la constante de disociación, Ka. Si se to-
man los logaritmos de ambos lados de la ecuación anterior y se mul- dictivo en equilibrios protónicos. Por ejemplo,
–1, 1. Cuando la mitad de un ácido está exactamente neutralizada,
tiplican por las expresiones q========ue−−−−======dHloa−−−+++++ng +++cHo+++++mo+++ sigue:
[A−] = [HA]. En estas condiciones,
−−− K
a

−−−− log K a

Dado que –log Ka se deine como pKa y –log [H+] deine al pH, [[−−−−−HmA]]]A−−−i====t]]ad===
la ecuación puede reescribirse como===
pKa ===== pH pH === cpuK++++aan+++dolog[[[la pdKe+++++a +++ log 1 === pesK++++taá +++ 0
end====e, un áci=====1do neutralizada,
esto es, el pKa de un grupo ácido es el pH al cual las especies proto- Por
pH = pKa.
www.FreeLibros.orgnada y no protonada están presentes a concentraciones iguales. El

12 CAPíTuLO 2 Agua y pH

2. Cuando la proporción [A−]/[HA] = 100:1, al inicio, en uno de cuatro valores de pH; se calcula el cambio de pH
producido cuando se añaden 0.1 meq de KOH a 1 meq de cada so-
A−  lución:

pH = pK a + log [HA]

3. Cuando lappHro==poprKcaió++nlo[Ag−1[]0/[0−H/]1A]==pK1a:1+0,2 pH Inicial 5.00 5.37 5.60 5.86
0.88
[A–]inicial 0.50 0.70 0.80 0.12
7.33
=+ =+ [HA]inicial 0.50 0.30 0.20
0.98
pH = pKa + log 1/1 0 = pKa + (−1) ([A–]/[HA])inicial 1.00 2.33 4.00 0.02
49.0
Si la ecuación se evalúa a proporciones de [A−]/[HA] que va- La adición de 0.1 meq de KOH produce 1.69
6.69
rían desde 103 hasta =10−3 y+se graican l=os valo+r(e−s d)e pH calculados, [A–]final 0.60 0.80 0.90 1.69
[HA]final 0.40 0.20 0.10
el gráico resultante describe la curva de titulación para un ácido ([A–]/[HA])final 1.50 4.00 9.00
débil (ig. 2-4). log ([A–]/[HA])final 0.18 0.60 0.95
pH final 5.18 5.60 5.95
Las soluciones de ácidos débiles
y sus sales amortiguan cambios del pH ∆pH 0.18 0.60 0.95

Las soluciones de ácidos o bases débiles y sus conjugados muestran Note que el cambio de pH por meq de OH− añadido depende
amortiguación, la capacidad para resistir a un cambio del pH des- del pH inicial. La solución se resiste a cambios del pH con mayor
pués de la adición de un ácido o una base fuerte. Dado que muchas eicacia a valores de pH cercanos al pKa. Una solución de un ácido
reacciones metabólicas se acompañan de liberación o captación de débil y su base conjugada amortigua de manera más eicaz en el ran-
protones, casi todas las reacciones intracelulares están amortigua- go de pH de pKa ± 1.0 unidades de pH.
das. El metabolismo oxidativo produce CO2, el anhídrido del ácido
carbónico, que de no amortiguarse produciría acidosis grave. El La igura 2-4 también ilustra la carga neta en una molécula del
mantenimiento de un pH constante comprende amortiguación me- ácido como una función del pH. Una carga fraccionaria de –0.5 no
diante fosfato, bicarbonato y proteínas, que aceptan o liberan proto- signiica que una molécula individual porta una carga fraccionaria
nes para resistir a un cambio del pH. En experimentos donde se sino que la probabilidad es de 0.5 de que una molécula dada tenga
usan extractos de tejido o enzimas, el pH constante se mantiene por una carga negativa de unidad en cualquier momento dado en el
medio de la adición de amortiguadores como MES (ácido [2-N- tiempo. La consideración de la carga neta sobre macromoléculas
morfolino] etanosulfónico, pKa 6.1), ortofosfato inorgánico (pKa2 como una función del pH proporciona la base para técnicas de se-
7.2), HEPES (ácido N-hidroxietilpiperazina-Nʹ-2-etanosulfónico, paración, como la cromatografía de intercambio de ion y la elec-
pKa 6.8) o Tris (tris[hidroximetil] aminometano, pKa 8.3). El valor troforesis.
de pKa respecto al pH deseado es el principal determinante de cuál
amortiguador se selecciona. La fuerza del ácido depende
de la estructura molecular
La amortiguación se observa al usar un medidor de pH mien-
tras se titula un ácido o una base débil (ig. 2-4). También es factible Muchos ácidos de interés biológico poseen más de un grupo que se
calcular la desviación de pH que acompaña a la adición de ácido o disocia. La presencia de carga negativa adyacente obstaculiza la libe-
base a una solución amortiguada. En el ejemplo, la solución amorti- ración de un protón desde un grupo cercano, lo que aumenta su
guada (un ácido débil, pKa = 5.0, y su base conjugada) se encuentra, pKa. Esto queda de maniiesto a partir de los valores de pKa para los
tres grupos que se pueden disociar de ácido fosfórico y ácido cítrico
1.0 (cuadro 2-2). El efecto de la carga adyacente disminuye con la dis-
tancia. El segundo pKa para el ácido succínico, que tiene dos grupos
meq de álcali añadidos por meq de ácido metileno entre sus grupos carboxilo, es de 5.6, mientras que el se-
Carga neta gundo pKa para el ácido glutárico, que tiene un grupo metileno adi-
1.0 1.0 cional, es de 5.4.
0.8 0.8
0.6 0.6
0.4 0.4

0.2 0.2 Los valores de pKa dependen
0 0 de las propiedades del medio
2345678
pH El pKa de un grupo funcional también está profundamente inluido
por el medio circundante. El medio puede aumentar o disminuir el
FIGURA 2-4 Curvas de titulación para un ácido del tipo HA.

www.FreeLibros.orgEl punto grueso, en el centro de la curva, indica el pKa de 5.0.
pKa dependiendo de si el ácido no disociado o su base conjugada es
la especie cargada. El efecto de la constante dieléctrica sobre el pKa

CAPíTuLO 2 Agua y pH 13

CUADRO 2-2 Fuerzas relativas de ácidos los interiores de proteínas, están muy afectados por su ambiente lo-
seleccionados de importancia biológica1 cal, lo que incluye la presencia o ausencia de agua.

Ácidos monopróticos

Fórmico pK 3.75 RESUMEN
Láctico pK 3.86
Acético pK 4.76 ■ El agua forma agrupaciones de enlaces de hidrógeno consigo misma
Ion amonio pK 9.25 y con otros donadores o aceptores de protones. Los enlaces de
Ácidos dipróticos hidrógeno explican la tensión supericial, viscosidad, estado líquido
a temperatura ambiente y el poder solvente del agua.
Carbónico pK1 6.37
Succínico pK2 10.25 ■ Los compuestos que contienen O, N o S pueden servir como
Glutárico pK1 4.21 donadores o aceptores de enlaces de hidrógeno.
pK2 5.64
pK1 4.34 ■ Las macromoléculas intercambian enlaces de hidrógeno de supericie
pK2 5.41 interna por enlaces de hidrógeno con agua. Las fuerzas entrópicas
Ácidos tripróticos dictan que las macromoléculas exponen regiones polares a una
interfaz acuosa y resguardan regiones no polares.
Fosfórico pK1 2.15
■ Los puentes de sal, las interacciones hidrofóbicas y las fuerzas de van
pK2 6.82 der Waals participan en el mantenimiento de la estructura molecular.

pK3 12.38 ■ El pH es el logaritmo negativo de [H+]. Un pH bajo caracteriza a una
solución ácida, mientras que un pH alto denota una solución básica.
Cítrico pK1 3.08
■ La fuerza de ácidos débiles se expresa mediante el pKa, el logaritmo
negativo de la constante de disociación de ácido. Los ácidos fuertes
tienen valores de pKa bajos, en tanto que los débiles muestran valores
de pKa altos.

■ Los amortiguadores resisten a un cambio del pH cuando se producen
o consumen protones. La capacidad amortiguadora máxima ocurre
± 1 unidad de pH a uno u otro lado del pKa. Los amortiguadores
isiológicos son bicarbonato, ortofosfato y proteínas.

pK2 4.74

pK3 5.40 REFERENCIAS

1Nota: los valores tabulados son los valores de pKa (–log de la constante de disociación) Reese KM: Whence came the symbol pH. Chem & Eng News 2004;82:64.
de ácidos monopróticos, dipróticos y tripróticos seleccionados. Segel IM: Biochemical Calculations. Wiley, 1968.
Stillinger FH: Water revisited. Science 1980;209:451.
se observa al añadir etanol a agua. El pKa de un ácido carboxílico Suresh SJ, Naik VM: Hydrogen bond thermodynamic properties of water
aumenta, mientras que la de una amina disminuye, porque el etanol
from dielectric constant data. J Chem Phys 2000;113:9727.
aminora la capacidad del agua para disolver una especie cargada. De Wiggins PM: Role of water in some biological processes. Microbiol

este modo, los valores de pKa de grupos que se están disociando en Rev 1990;54:432.

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SECCIÓN I ESTRuCTuRAS Y FuNCIONES DE PROTEíNAS
Y ENZIMAS

Aminoácidos y péptidos CAPÍTULO

Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 3

IMPORTANCIA BIOMÉDICA que se clasiican de acuerdo con la polaridad de sus grupos R. Pue-

Además de proporcionar las unidades monómero a partir de las den usarse abreviaturas tanto de una como de tres letras para cada
cuales se sintetizan las cadenas polipeptídicas largas de proteínas, aminoácido a in de representar los aminoácidos en péptidos y pro-
los l-α-aminoácidos y sus derivados participan en funciones celu- teínas (cuadro 3-1). Algunas proteínas contienen aminoácidos adi-
cionales que surgen por modiicación de un aminoácido ya presente

lares tan diversas como la transmisión nerviosa y la biosíntesis en un péptido. Los ejemplos incluyen conversión de peptidil proli-

de poririnas, purinas, pirimidinas y urea. Los polímeros cortos de na y lisina en 4-hidroxiprolina y 5-hidroxilisina; la conversión de

aminoácidos llamados péptidos desempeñan funciones importantes peptidil glutamato en γ-carboxiglutamato, y la metilación, formi-

en el sistema neuroendocrino como hormonas, factores liberado- lación, acetilación, prenilación y fosforilación de ciertos residuos

res de hormona, neuromoduladores o neurotransmisores. Si bien aminoacilo. Dichas modiicaciones extienden la diversidad bioló-
las proteínas sólo contienen l-α-aminoácidos, los microorganismos gica de las proteínas al alterar su solubilidad, estabilidad e interac-
elaboran péptidos que contienen tanto d- como l-α-aminoácidos. ción con otras proteínas.

Varios de estos péptidos tienen valor terapéutico, entre ellos los an-

tibióticos bacitracina y gramicidina A, así como el antitumoral bleo- Selenocisteína, ¿el vigesimoprimer
micina. Otros péptidos microbianos son tóxicos. Los péptidos ciano- L-α-aminoácido?
bacterianos microcistina y nodularina son mortales en grandes
dosis, mientras que en cantidades pequeñas promueven la forma- La selenocisteína es un l-α-aminoácido que se encuentra en un pu-

ción de tumores hepáticos. Los seres humanos y otros animales ñado de proteínas, entre ellas ciertas peroxidasas y reductasas, don-
superiores carecen de la capacidad para sintetizar 10 de los 20 l-α- de participa en la catálisis de reacciones de transferencia de electrón.

aminoácidos comunes en cantidades apropiadas para apoyar el Como su nombre lo indica, un átomo de selenio remplaza el azufre

crecimiento de lactantes o mantener la salud en adultos. En conse- de su análogo estructural, la cisteína. El pK3 de la selenocisteína, 5.2,
cuencia, la dieta humana debe contener cantidades adecuadas de es tres unidades menor que la de la cisteína. Dado que la selenocis-

estos aminoácidos esenciales desde el punto de vista nutricional. teína se inserta en polipéptidos durante la traducción, por lo general

es conocida como el “vigesimoprimer aminoácido”. Sin embargo, al

PROPIEDADES DE LOS AMINOÁCIDOS contrario de los otros aminoácidos codiicados mediante mecanis-
mos genéticos, la selenocisteína no es especiicada por un codón de

El código genético especifica tres letras simple (cap. 27).

20 L-α-aminoácidos En las proteínas sólo existen
L-α-aminoácidos
De los más de 300 aminoácidos que existen de manera natural, 20
constituyen las unidades monómero de proteínas. Si bien un códi- Con la única excepción de la glicina, el carbono α de aminoácidos es
go genético de tres letras no redundante podría tener cabida para

más de 20 aminoácidos, su redundancia limita los codones disponi- quiral. Si bien algunos aminoácidos de proteínas son dextrorro-
bles a los 20 l-α-aminoácidos listados en el cuadro 3-1, mismos tatorios y otros levorrotatorios, todos comparten la coniguración

www.FreeLibros.org14

CAPíTuLO 3 Aminoácidos y péptidos 15

CuadRO 3-1 L-α-aminoácidos presentes en proteínas

Nombre Símbolo Fórmula estructural pK1 pK2 pK3
Con cadenas laterales alifáticas Gli [G] α-COOH α-NH3+ Grupo R
Glicina H CH COO— 9.8
NH3+ 2.4

Alanina Ala [A] CH3 CH COO— 2.4 9.9
NH3+

Valina Val [V] H3C 2.2 9.7
CH CH COO—

H3C NH3+

Leucina Leu [L] H3C 2.3 9.7
CH
CH2 CH COO—
H3C NH3+

Isoleucina Ile [I] CH3 2.3 9.8
CH2
CH CH COO—

CH3 NH3+

Con cadenas laterales que contienen grupos hidroxílicos (OH)

Serina Ser [S] CH2 CH COO— 2.2 9.2 alrededor
OH NH3+ de 13

Treonina Tre [T] CH3 CH CH COO— 2.1 9.1 alrededor
OH NH3+ de 13
Tirosina Tir [Y] 1.9
Véase más adelante 2.1 10.8 8.3
2.1 9.3
Con cadenas laterales que contienen átomos de azufre
9.9 3.9
Cisteína Cis [C] CH2 CH COO—
SH NH3+

Metionina Met [M] CH2 CH2 CH COO—
S CH3 NH3+

Con cadenas laterales que contienen grupos acídicos o sus amidas

Ácido aspártico Asp [D] —OOC CH2 CH COO—
NH3+

Asparagina Asn [N] H2N C CH2 CH COO— 2.1 8.8
O NH3+

Ácido glutámico Glu [E] —OOC CH2 CH2 CH COO— 2.1 9.5 4.1
NH3+

Glutamina Gln [Q] H2N C CH2 CH2 CH COO— 2.2 9.1

O NH3+

www.FreeLibros.o(crontinúga)

16 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas

CuadRO 3-1 L-α-aminoácidos presentes en proteínas (continuación)

Nombre Símbolo Fórmula estructural pK1 pK2 pK3
α-COOH α-NH3+ Grupo R
Con cadenas laterales que contienen grupos básicos 9.0 12.5
1.8
Arginina Arg [R] H N CH2 CH2 CH2 CH COO—

C NH2+ NH3+

NH2

Lisina Lis [K] CH2 CH2 CH2 CH2 CH COO— 2.2 9.2 10.8
NH3+ NH3+ 1.8 9.3 6.0

Histidina His [H] CH2 CH COO—

HN N NH3+

Que contienen anillos aromáticos His [H] Véase más adelante 2.2 9.2
Histidina Fen [F] 2.2 9.1 10.1
Fenilalanina CH2 CH COO— 2.4 9.4
NH3+

Tirosina Tir [Y] HO CH2 CH COO—
NH3+

Triptófano Trp [W] CH2 CH COO—
N NH3+

H

Iminoácido Pro [P] 2.0 10.6
Prolina

+ COO—
N
H2

฀  ฀ −+ +
tsSRoii—oblcóCioegmOnicoOotaHR(np—tHoesCeduOlenRO7á—.–4c)iCyd,O฀฀฀฀฀฀ollooO฀฀฀฀฀฀sm฀s gHgurrc+++++++u+uhcppooomosmsocáaasemrlbfi฀฀฀฀฀฀u฀฀฀฀oRnxe—oriltoNde++++++e+−−−−−−−eHqx++++++um3ie++++++++s+ateRn+++++++sno—erncaNaáspHcirip3ed+odo.rosAmcdoipémnbHapilnleietse--,
absoluta de l-gliceraldehído y, así, son l-α-aminoácidos. Varios l-α- como R—NH3+. La igura 3-1 ilustra el efecto del pH sobre el estado
aminoácidos libres desempeñan importantes funciones en procesos
metabólicos. Algunos ejemplos incluyen ornitina, citrulina y argini- cargado de ácido aspártico.
nosuccinato, que participan en la síntesis de la urea; la tirosina en la
formación de hormonas tiroideas, y el glutamato en la biosíntesis de Las moléculas que contienen un igual número de grupos ioni-
neurotransmisor. Los d-aminoácidos que existen de manera natural
incluyen la d-serina y el d-aspartato libres en el tejido cerebral, la d- zables de carga opuesta y que, por ende, no portan carga neta, re-
alanina y el d-glutamato en las paredes celulares de bacterias gram-
positivas, y d-aminoácidos en ciertos péptidos y antibióticos produ- ciben el nombre de zwitteriones. De este modo, los aminoácidos
cidos por bacterias, hongos, reptiles y otras especies no mamíferas.
en sangre y casi todos los tejidos deben representarse como en A, a

continuación.

Los aminoácidos pueden tener carga NH3+ NH2
neta positiva, negativa o de cero O– OH

La forma cargada y la no cargada de los grupos ácidos débiles R R
—COOH y —NH3+ ionizables existen en solución en equilibrio O O
protónico:
A B

R ฀COOH  R ฀COO− + H+

www.FreeLibros.orgR฀NH3+ R฀NH2+H+
La estructura B no puede existir en solución acuosa, porque a cual-
quier pH lo bastante bajo como para protonar el grupo carboxilo,

CAPíTuLO 3 Aminoácidos y péptidos 17

O H+ O H+ O H+ O
OH pK1 = 2αα.09 OH pK2 = 3ββ.86 O– O–
(α-COOH) (β-COOH) pK3 = 9.82
NH3+ NH3+ NH3+ (— NH3+) NH2
HO α –O β –O –O

A B DO
En ácido fuerte Alrededor de pH 3; En álcali fuerte
(por debajo de pH 1); carga neta = 0 (por arriba de pH 11);
carga neta = +1OOO carga neta = –2

C
Alrededor de pH 6–8;
carga neta = –1

FIGURA 3-1 Equilibrios protónicos del ácido aspártico.

también estaría protonado el grupo amino. De modo similar, a cual- pKa a ambos lados de las especies isoeléctricas. Para un aminoácido
quier pH suicientemente alto como para que predomine un grupo como la alanina que sólo tiene dos grupos que se disocian, no hay
amino no cargado, un grupo carboxilo estará presente como ambigüedad. El primer pKa (R—COOH) es 2.35, y el segundo
R—COO–. Sin embargo, la representación B no cargada a menudo (R—NH3+) es 9.69; de este modo, el pH isoeléctrico (pI) de la alani-
se usa para reacciones que no comprenden equilibrios protónicos. na es

Los valores de pKa expresan las pI ==+ pK1 ++ pK 2 == 2.35 ++ 9.69 == 6.02
potencias de ácidos débiles 2= + 2 =
=
Las potencias ácidas de ácidos débiles se expresan como su pKa.
Para moléculas con múltiples protones disociables, el pKa para cada Para ácidos polif=uncio+nales,=el pI ta+mbién =es el pH a la mitad entre
grupo acídico es designado al remplazar la letra “a” subíndice por un los valores de pKa en ambos lados de las especies isoiónicas. Así, por
número (cuadro 3-1). El grupo imidazol de la histidina y el grupo ejemplo, el pI para el ácido aspártico es
guanidino de la arginina existen como híbridos de resonancia con
carga positiva distribuida entre ambos nitrógenos (histidina) o en- pI ==+pK1 ++ pK2 ฀฀฀฀== 2.09 ++ 3.96 ==฀฀ 3.02
tre los tres nitrógenos (arginina) (ig. 3-2). La carga neta de un ami- = 2฀฀= +
noácido —la suma algebraica de todos los grupos con carga positiva 2 =฀
y negativa presentes— depende de los valores de pKa de sus grupos
funcionales y del pH del medio circundante. Alterar la carga sobre Para la lisina, el=pI se c+alcula฀฀=a partir+de: =฀
aminoácidos y sus derivados al variar el pH facilita la separación
física de aminoácidos, péptidos y proteínas (cap. 4). pI == pK 2 + pK3
2
=

a su pH isoeléctrico (pI), un aminoácido C(po. nesj.i,dperroacteioínnaess),siaml imlaarregse=sne aplican a todos los ácidos polipróticos
no porta carga neta del número de grupos en disociación

Los zwitteriones son un ejemplo de una especie isoeléctrica, la for- presentes. En el laboratorio clínico, el conocimiento del pI guía la
ma de una molécula que tiene un número igual de cargas positivas
y negativas y, así, es neutral desde el punto de vista eléctrico. El pH selección de condiciones para separaciones electroforéticas; por
isoeléctrico, también llamado pI, es el pH a la mitad entre valores de
ejemplo, la electroforesis a pH de 7.0 separará dos moléculas con

valores de pI de 6.0 y 8.0, porque a pH de 7.0 la molécula con un pI

de 6.0 tendrá una carga positiva neta, en tanto que aquella con un

pI de 8.0 posee una carga negativa neta. Aplican consideraciones

similares al entendimiento de separaciones cromatográicas sobre

apoyos iónicos, como dietilaminoetil (DEAE) celulosa (cap. 4).

RR

NH NH Los valores de pKa varían con el ambiente

N N El ambiente de un grupo disociable afecta a su pKa; así, los valores
H H de pKa de los grupos R de aminoácidos libres en solución acuosa
(cuadro 3-1) sólo proporcionan una guía aproximada para los valo-

RRR res de pKa de los mismos aminoácidos cuando están presentes en
proteínas. Un ambiente polar favorece la forma cargada (R—COO–
NH NH NH o R—NH3+), y uno no polar, la forma no cargada (R—COOH o

C NH2 C NH2 C NH2 R—NH2). De este modo, un ambiente no polar aumenta el pKa de

NH2 NH2 NH2 un grupo carboxilo (convirtiéndolo en un ácido más débil) pero dis-

minuye la de un grupo amino (lo que hace que sea un ácido más
FIGURA 3-2 Híbridos de resonancia de las formas protonadas de

www.FreeLibros.orglosgruposRdelahistidinayarginina.
fuerte). La presencia de grupos cargados adyacentes puede reforzar
o contrarrestar efectos solventes, de manera que el pKa de un grupo

18 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas

CuadRO 3-2 Rango típico de valores de pKa para catálisis enzimática. El pKa de su protón imidazol permite que fun-
grupos ionizables en proteínas cione a pH neutral como un catalizador básico o ácido. El grupo
alcohol primario de la serina y el grupo tioalcohol primario (—SH)
Grupo en disociación Rango de pKa de la cisteína son excelentes nucleóilos y pueden funcionar como
Carboxilo α 3.5 a 4.0 tales durante la catálisis enzimática. Sin embargo, el grupo alcohol
COOH no α de Asp o Glu 4.0 a 4.8 secundario de la treonina, pese a ser un buen nucleóilo, no cumple
Imidazol de His 6.5 a 7.4 con una función análoga en la catálisis. Los grupos —OH de la seri-
SH de Cis 8.5 a 9.0 na, tirosina y treonina también participan en la regulación de la ac-
OH de Tir 9.5 a 10.5 tividad de enzimas cuya actividad catalítica depende del estado de
α-Amino 8.0 a 9.0 fosforilación de estos residuos.
є-Amino de Lis 9.8 a 10.4
Guanidinio de Arg ~12.0 LOS GRUPOS FUNCIONALES
DICTAN LAS REACCIONES QUÍMICAS
DE LOS AMINOÁCIDOS

funcional dependerá de su localización dentro de una proteína dada. Cada grupo funcional de un aminoácido muestra todas sus reaccio-
nes químicas características. Para grupos de ácido carboxílico, tales
Las variaciones de pKa pueden abarcar unidades de pH enteras reacciones incluyen la formación de ésteres, amidas y anhídridos
(cuadro 3-2). Los valores de pKa que divergen de los listados por ácidos; en el caso de los grupos amino, comprende acilación, amida-
hasta tres unidades de pH son frecuentes en los sitios activos de ción y esteriicación; en tanto que para grupos —OH y —SH, con-
lleva oxidación y esteriicación. La reacción de mayor importancia
enzimas. Un ejemplo extremo, un ácido aspártico sepultado de tio- de los aminoácidos es la formación de un enlace péptido (sombrea-
do en la siguiente igura).
rredoxina, tiene un pKa de más de 9 (¡una desviación de más de 6
unidades de pH!).

La solubilidad de aminoácidos +H3N H O O–
refleja su carácter iónico N O
N
Los grupos funcionales cargados de aminoácidos aseguran que son O H Valina
solvatados con facilidad por —y, así, son solubles en— solventes po- SH
lares como el agua y el etanol, pero son insolubles en solventes no
polares, como benceno, hexano o éter. Alanil Cisteinil

Los aminoácidos no absorben luz visible y, así, son incoloros. La secuencia de aminoácidos
Sin embargo, la tirosina, fenilalanina y en especial el triptófano, ab- determina la estructura primaria
sorben luz ultravioleta de longitud de onda alta (250 a 290 nm).
Dado que absorbe luz ultravioleta con una eiciencia unas 10 veces El número y el orden de todos los residuos aminoácidos en un poli-
mayor que la fenilalanina o la tirosina, el triptófano hace la principal péptido constituyen su estructura primaria. Los aminoácidos pre-
contribución a la capacidad de casi todas las proteínas para absorber sentes en péptidos reciben el nombre de residuos aminoacilo y ob-
luz en la región de 280 nm. tienen su denominación mediante remplazar los suijos -ato o -ina
de aminoácidos libres por -il (p. ej., alanil, aspartil, tirosil). La no-
LOS GRUPOS α-R DETERMINAN menclatura de los péptidos está en función de los derivados del re-
LAS PROPIEDADES DE siduo aminoacilo carboxilo terminal; por ejemplo, Lis-Leu-Tir-Gln
AMINOÁCIDOS se llama lisil-leucil-tirosil-glutamina. Así, la terminación -ina en la
glutamina indica que su grupo carboxilo α no participa en la forma-
ción del enlace peptídico.

Dado que la glicina, el aminoácido de menor tamaño, puede adap-

tarse en lugares inaccesibles a otros aminoácidos, a menudo se en- Las estructuras peptídicas
cuentra donde los péptidos muestran lexión aguda. Los grupos R son fáciles de dibujar
hidrofóbicos de la alanina, valina, leucina e isoleucina, y los grupos

R aromáticos de la fenilalanina, tirosina y triptófano, típicamente se Los preijos como tri- u octa- denotan péptidos con tres u ocho re-

encuentran de manera primaria en el interior de proteínas citosóli- siduos, respectivamente. Por convención, los péptidos se escriben
cas. Los grupos R cargados de aminoácidos básicos y acídicos esta- con el residuo que porta el grupo amino α libre a la izquierda. Para

bilizan conformaciones proteínicas especíicas por medio de inter- dibujar un péptido, se usa un zigzag para representar la cadena prin-

acciones iónicas o puentes salinos. Estas interacciones también cipal o esqueleto. Se añaden los principales átomos de la cadena,
funcionan en sistemas de “relevo de carga” durante catálisis enzimá- mismos que se presentan en el orden de repetición: nitrógeno α,
tica y transporte de electrones en mitocondrias que están efectuan- carbono α, carbono carbonilo. Ahora se adiciona un átomo de hi-

www.FreeLibros.orgdo respiración. La histidina desempeña funciones singulares en la drógeno a cada carbono α, y a cada nitrógeno péptido, y un oxígeno

CAPíTuLO 3 Aminoácidos y péptidos 19

al carbono carbonilo. Por último, se añaden los grupos R apropiados tiva por cada enlace peptídico formado. Sin embargo, los péptidos
(sombreados en la siguiente igura) a cada átomo de carbono α. están cargados a pH isiológico debido a sus grupos carboxilo y ami-
no terminales y, donde están presentes, sus grupos R acídicos o bá-
N C Cαα C NC sicos. Al igual que para aminoácidos, la carga neta sobre un péptido
Cαα Cαα depende del pH de su ambiente y de los valores de pKa de sus grupos
N α en disociación.
α
+H3N α O H3Cα H
H Hα
α N COO–

CC C El enlace peptídico tiene carácter
H CH2 de doble enlace parcial
C NC
H OH Aunque los péptidos se escriben como si un enlace único enlazara
CH2 O los átomos carboxilo α y nitrógeno α; este enlace de hecho muestra
carácter de doble enlace parcial:
–OOC

Las abreviaturas de tres letras enlazadas por líneas rectas repre- O O–
sentan una estructura primaria no ambigua. Las líneas se omiten C C+
para abreviaturas de una sola letra.
N N
Glu - Ala - Lis - Gli - Tir - Ala H H
E A K GYA

algunos péptidos contienen De este modo, no hay libertad de rotación alrededor del enlace que
aminoácidos poco comunes conecta el carbono carbonilo y el nitrógeno de un enlace peptídico.
En consecuencia, los átomos de O, C, N y H de un enlace peptídico son
En mamíferos, las hormonas peptídicas en forma típica sólo contie- coplanares. La semirrigidez impuesta del enlace peptídico tiene con-
nen los aminoácidos α de proteínas enlazados por enlaces peptídicos secuencias importantes para la manera en la cual los péptidos y las
estándar. Sin embargo, otros péptidos pueden contener aminoáci- proteínas se pliegan para generar órdenes de estructura superiores.
dos no proteínicos, derivados de los aminoácidos proteínicos, o En la igura 3-4, las lechas de color café (marrón) alrededor de los
aminoácidos ligados por un enlace peptídico atípico. Por ejemplo, el enlaces restantes del esqueleto polipeptídico indican rotación libre.
glutamato amino terminal del glutatión, que participa en el plegado
de proteína y en el metabolismo de xenobióticos (cap. 53), está liga- Las fuerzas no covalentes restringen
do a la cisteína mediante un enlace peptídico no α (ig. 3-3). El glu- las conformaciones de péptidos
tamato amino terminal de la hormona liberadora de tirotropina
(TRH) forma un ciclo hacia ácido piroglutámico y el grupo carboxi- El plegado de un péptido probablemente ocurre de manera coinci-
lo del residuo prolilo carboxilo terminal está amidado. Los amino- dente con su biosíntesis (cap. 37). La conformación activa desde el
ácidos no proteínicos d-fenilalanina y ornitina están presentes en
los antibióticos peptídicos cíclicos tirocidina y gramicidina S, mien- ′′ HO
tras que los opioides heptapeptídicos dermorina y deltoforina en la O R′ H
piel de ranas arborícolas (plataneras) sudamericanas contienen d-
tirosina y d-alanina. ′ 0.123 nm

Los péptidos son polielectrólitos °° °°

El enlace peptídico está no cargado a cualquier pH de interés isio- 121° C 122° ° ° C N C 0.132 nm
lógico; por ende, la formación de péptidos a partir de aminoácidos ° ° ° ° 120°
está acompañada de pérdida neta de una carga positiva y una nega- °° 0.147 nm 0.153 nm N
117° ° ° N° °1°10°
C C
° 120° 120°
° 0.1 nm

°° ′′′′
H R′′
H O H
′′
0.36 nm

FIGURA 3-4 Dimensiones de una cadena polipeptídica extendida

SH por completo. Los cuatro átomos del enlace peptídico son coplanares.

O CH2 H Puede ocurrir rotación libre alrededor de los enlaces que conectan
el carbono α con el nitrógeno α y con el carbono carbonilo α (lechas
C CH N de color café). De este modo, la cadena polipeptídica extendida es
CH2 N C CH2 una estructura semirrígida con dos terceras partes de los átomos del

CH2 H O COO– esqueleto sostenidos en una relación planar ija uno con otro.
H C NH3+ La distancia entre átomos de carbono α adyacentes es de 0.36 nm
(3.6 Å). También se muestran las distancias interatómicas y los ángulos

COO– de enlace, que no son equivalentes. (Redibujado y reproducido,

con autorización, de Pauling L, Corey LP, Branson HR: The structure
of proteins: Two hydrogen-bonded helical conigurations of the
polypeptide chain. Proc Natl Acad Sci USA 1951;37:205.)
FIGURA 3-3 Glutatión (γ-glutamil-cisteinil-glicina). Note el enlace

www.FreeLibros.orgpeptídiconoαqueuneGluaCis.

20 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas ■ Los valores de pKa de todos los grupos funcionales de un aminoácido
dictan su carga neta a un pH dado. El pI es el pH al cual un
punto de vista isiológico releja las contribuciones colectivas de la aminoácido no porta carga neta y así no se mueve en un campo
secuencia de aminoácidos, el obstáculo estérico y las interacciones eléctrico de corriente directa.
no covalentes (p. ej., formación de enlaces de hidrógeno, interaccio-
nes hidrofóbicas) entre residuos. Las conformaciones frecuentes ■ De las reacciones bioquímicas de aminoácidos, la más importante es
comprenden hélices α y hojas plegadas β (cap. 5). la formación de enlaces peptídicos.

ANÁLISIS DEL CONTENIDO ■ Los grupos R de aminoácidos determinan sus funciones bioquímicas
DE AMINOÁCIDOS DE singulares. Con base en las propiedades de sus grupos R, los
MATERIALES BIOLÓGICOS aminoácidos se clasiican como básicos, acídicos, aromáticos,
alifáticos o que contienen azufre.
A in de determinar la identidad y cantidad de cada aminoácido en
una muestra de material biológico, primero es necesario hidrolizar ■ Los péptidos reciben su nombre por el número de residuos
los enlaces peptídicos que vinculan entre sí a los aminoácidos, me- aminoácidos presentes y como derivados del residuo carboxilo
diante tratamiento con HCl caliente. La mezcla de aminoácidos li- terminal. La estructura primaria de un péptido es su secuencia
bres resultante a continuación se trata con 6-amino-N-hidroxisucci- de aminoácidos, empezando a partir del residuo amino terminal.
nimidil carbamato, que reacciona con sus grupos amino α para
formar derivados luorescentes que se separan e identiican usando ■ El carácter de doble enlace parcial del enlace que une el carbono
cromatografía líquida de alta presión (cap. 4). La ninhidrina, tam- carbonilo y el nitrógeno de un péptido hace coplanares a los cuatro
bién ampliamente usada para detectar aminoácidos, forma un pro- átomos del enlace peptídico y restringe el número de conformaciones
ducto de color púrpura con aminoácidos α, y un aducto de color peptídicas posibles.
amarillo con los grupos imina de prolina e hidroxiprolina.
REFERENCIaS
RESuMEN
Doolittle RF: Reconstructing history with amino acid sequences. Protein
■ Tanto los d-aminoácidos como los no-α-aminoácidos existen en la Sci 1992;1:191.
naturaleza, pero sólo los l-α-aminoácidos están presentes en las
proteínas. Gladyschev VN, Hatield DL: Selenocysteine-containing proteins in
mammals. J Biomed Sci 1999;6:151.
■ Todos los aminoácidos poseen al menos dos grupos funcionales
débilmente acídicos, R—NH3+ y R—COOH. Muchos también Kreil G: d-Amino acids in animal peptides. Annu Rev Biochem 1997;66:337.
poseen grupos funcionales débilmente acídicos adicionales, como Nokihara K, Gerhardt J: Development of an improved automated
—OH, —SH, guanidino o porciones imidazol.
gas-chromatographic chiral analysis system: application to nonnatural
amino acids and natural protein hydrolysates. Chirality 2001;13:431.
Sanger F: Sequences, sequences, and sequences. Annu Rev Biochem
1988;57:1.
Stadtman TC: Selenocysteine. Annu Rev Biochem 1996;65:83.
Wilson NA et al: Aspartic acid 26 in reduced Escherichia coli thioredoxin
has a pKa greater than 9. Biochemistry 1995;34:8931.

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Proteínas: determinación CAPÍTULO
de la estructura primaria
4
Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD

IMPORTANCIA BIOMÉDICA dos fases, una móvil y la otra estacionaria. Para la separación de
aminoácidos o azúcares, la fase estacionaria, o matriz, puede ser una
Las proteínas son macromoléculas complejas desde los puntos de hoja de papel iltro (cromatografía en papel) o una capa delgada de
vista físico y funcional, que desempeñan múltiples funciones de im- celulosa, sílice o alúmina (cromatografía en capa delgada [TLC]).
portancia crucial. Una red de proteína interna, el citoesqueleto (cap.
49), mantiene la forma y la integridad física celulares. Filamentos Cromatografía en columna
de actina y miosina forman la maquinaria contráctil del músculo
(cap. 49). La hemoglobina transporta oxígeno (cap. 6), mientras que En la cromatografía en columna de proteínas se emplean como la
los anticuerpos circulantes descubren invasores extraños (cap. 50). fase estacionaria pequeñas cuentas esféricas de celulosa modiica-
Las enzimas catalizan reacciones que generan energía, sintetizan bio- da, acrilamida o sílice, cuya supericie típicamente es cubierta con
moléculas y las degradan, replican genes y los transcriben, procesan grupos funcionales químicos. Las cuentas están contenidas en un
mRNA (ácido ribonucleico mensajero), entre otras funciones (cap. recipiente cilíndrico, o columna, hecho de vidrio, plástico o metal.
7). Los receptores permiten a las células detectar hormonas y otros Estas matrices de fase estacionaria interactúan con las proteínas con
indicios ambientales, así como mostrar respuesta a los mismos (caps. base en su carga, hidrofobicidad y propiedades de unión a ligando.
41 y 42). Las proteínas están sujetas a cambios físicos y funcionales Se aplica una mezcla de proteína a la columna y la fase móvil líqui-
que relejan el ciclo de vida de los organismos en los cuales residen. da se iltra a través de ella. Pequeñas porciones de la fase móvil o de
Una proteína típica nace en el momento de la traducción (cap. 37), elución se recolectan a medida que salen (ig. 4-2).
madura a través de eventos de procesamiento postraduccional, como
proteólisis parcial (caps. 9 y 37), alterna entre estados de trabajo y de Cromatografía de partición
reposo por medio de la intervención de factores reguladores (cap. 9),
envejece por oxidación, desamidación, etc. (cap. 52), y muere cuan- Las separaciones cromatográicas en columna dependen de la aini-
do se degrada hacia los aminoácidos que la componen (cap. 29). Un dad relativa de diferentes proteínas por una fase estacionaria dada y
objetivo importante de la medicina molecular es la identiicación de por la fase móvil. En la cromatografía de partición, la asociación
proteínas y los eventos en su ciclo de vida cuya presencia, ausencia entre cada proteína y la matriz es débil y transitoria. Las proteínas
o deiciencia se relaciona con estados isiológicos o enfermedades que interactúan de manera más fuerte con la fase estacionaria se
especíicos (ig. 4-1). La secuencia primaria de una proteína propor- retienen más tiempo. El lapso durante el cual una proteína está aso-
ciona tanto una huella digital molecular para su identiicación, como ciada con la fase estacionaria va en función de la composición de las
información que puede usarse para identiicar y clonar el gen o los fases tanto estacionaria como móvil. De este modo, la separación óp-
genes que la codiican. tima entre la proteína de interés y otras proteínas es alcanzada me-
diante manipulación cuidadosa de la composición de las dos fases.

LAS PROTEÍNAS Y LOS PÉPTIDOS DEBEN Cromatografía de exclusión de tamaño
PURIFICARSE ANTES DE ANÁLISIS
En la cromatografía de exclusión de tamaño —o iltración en gel— se

La proteína muy puriicada es esencial para el examen detallado de separan las proteínas con base en su radio de Stokes, el radio de la

sus propiedades físicas y funcionales. Las células contienen miles esfera que ocupan a medida que entran en solución. El radio de

de proteínas distintas, cada una en cantidades ampliamente varia- Stokes es una función de la masa y la forma moleculares. Una pro-

bles. De este modo, el aislamiento de una proteína especíica en can- teína alargada que cae ocupa un mayor volumen que una proteína

tidades suicientes para análisis, plantea un formidable desafío que esférica de la misma masa. En la cromatografía de exclusión de ta-

puede requerir el uso sucesivo de múltiples técnicas de puriicación. maño se emplean cuentas porosas (ig. 4-3). Los poros son análogos

En los métodos clásicos se aprovechan las diferencias de la solubili- a irregularidades en una ribera de río. A medida que los objetos se

dad relativa de proteínas individuales en función del pH (precipitación mueven torrente abajo, los que entran en una irregularidad se re-

isoeléctrica), polaridad (precipitación con etanol o acetona) o con- trasan hasta que regresan a la corriente principal. De modo similar,

centración de sal (separación mediante adición de sulfato de amo- las proteínas con radios de Stokes demasiado grandes como para
nio). Las separaciones cromatográicas dividen las moléculas entre entrar en los poros (proteínas excluidas) permanecen en la fase móvil

www.FreeLibros.org21

22 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas

3' AAAAA 2 Plegado 3 Procesamiento
mRNA 5' SH
Val Ribosoma S
Gln Val SH S
Fen 1 Síntesis
Asp Gln 2H 2e
Met Fen Met-Asp-Fen-Gln-Val
Asp
Met

4 Modificación covalente (p. ej.,

acilación de ácido graso)

Trp Gli Fen Glu S
His S

Pro Lis Ala Asn
Cis
lle Tre

8 "Envejecimiento" Productos Sustratos
(p. ej., oxidación,

Ub 10 Degradación desamidación,
Ub
desnaturalización) 7 Catálisis 5 Translocación

Ub

Ub 9 Ubiquitinación 6 Activación
S
S S S S
S S S

Membrana

FIGURA 4-1 Representación esquemática del ciclo de vida de una proteína hipotética. 1) El ciclo de vida

empieza con la síntesis en un ribosoma de una cadena polipeptídica, cuya estructura primaria está dictada por
un mRNA. 2) A medida que procede la síntesis, el polipéptido empieza a plegarse hacia su conformación natural
(azul). 3) El plegado puede acompañarse por eventos de procesamiento, como división proteolítica de una
secuencia líder N-terminal (Met-Asp-Fen-Gln-Val) o la formación de enlaces disulfuro (S—S). 4) La modiicación
covalente subsiguiente puede, por ejemplo, ijar una molécula de ácido graso (amarillo) para 5) translocación
de la proteína modiicada hacia una membrana. 6) La unión de un efector alostérico (rojo) puede desencadenar
la adopción de una conformación activa desde el punto de vista catalítico. 7) Con el tiempo, las proteínas
quedan dañadas por ataque por sustancias químicas, desamidación o desnaturalización, y 8) pueden “marcarse”
mediante la ijación covalente de varias moléculas de ubiquitina (Ub). 9) La proteína ubiquitinada después se
degrada hacia los aminoácidos que la componen, que quedan disponibles para la síntesis de nuevas proteínas.

que está luyendo y salen antes que las que pueden entrar en los una carga negativa neta se adhieren a cuentas que tienen grupos
poros (proteínas incluidas). Así, las proteínas surgen a partir de una funcionales con carga positiva, por lo general aminas terciarias
columna de iltración en gel en orden descendente de sus radios o cuaternarias (intercambiadores de aniones). Las proteínas, que
de Stokes. son polianiones, compiten contra iones monovalentes por unión
al soporte —de ahí el término “intercambio iónico”—. Por ejemplo,
Cromatografía de absorción las proteínas se unen a la dietilaminoetil (DEAE) celulosa al rem-
plazar los contra-iones (por lo general, Cl– o CH3COO–) que neutra-
En este caso, la mezcla de proteína es aplicada a una columna bajo lizan la amina protonada. Las proteínas unidas se desplazan de mane-
condiciones donde la proteína de interés se asocia con la fase esta- ra selectiva mediante aumento gradual de la concentración de iones
cionaria de manera tan estrecha que su coeiciente de partición es, monovalentes en la fase móvil. Las proteínas muestran elución
en esencia, la unidad. Las moléculas que no se adhieren son objeto en orden inverso de la fuerza de sus interacciones con la fase es-
de elución primero y se desechan. Las proteínas después se libe- tacionaria.
ran de manera secuencial al romper las fuerzas que estabilizan el
complejo de proteína-fase estacionaria, más a menudo al usar un Puesto que la carga neta sobre una proteína está determinada
gradiente de concentración creciente de sal. La composición de la por el pH (cap. 3), es factible lograr la elución secuencial de proteí-
fase móvil se altera de manera gradual, de modo que las moléculas nas mediante cambiar el pH de la fase móvil. De manera alternativa,
son liberadas de manera selectiva en orden descendente de su aini- una proteína puede quedar sujeta a rondas consecutivas de croma-
dad por la fase estacionaria. tografía de intercambio iónico, cada una a un pH diferente, de modo
que las proteínas que muestran coelución a un pH presentan elución
a distintas concentraciones de sal a otro pH.

Cromatografía de intercambio iónico
Aquí, las proteínas interactúan con la fase estacionaria mediante in- Cromatografía de interacción hidrofóbica

teracciones entre una carga y otra. Las proteínas que tienen una car- Separa a proteínas con base en su tendencia a asociarse con una
ga positiva neta a un pH dado se adhieren a cuentas que tienen gru- matriz de fase estacionaria cubierta con grupos hidrofóbicos (p. ej.,
pos funcionales con carga negativa, como carboxilatos o sulfatos fenil u octil sefarosa [Sepharose]). Las proteínas con supericies hi-

www.FreeLibros.org(intercambiadores de cationes). De modo similar, las proteínas con drofóbicas expuestas se adhieren a la matriz por medio de interac-

CAPíTuLO 4 Proteínas: determinación de la estructura primaria 23

P M 2
1

C

R1 R 2

F

FIGURA 4-2 Componentes de un aparato de cromatografía líquida típico. R1 y R2:

reservorios del líquido de fase móvil. P: sistema de bombeo programable que contiene dos
bombas, 1 y 2, y una cámara de mezcla, M. El sistema puede ajustarse para que bombee líquido
desde sólo un reservorio, para que cambie reservorios en algún punto predeterminado a in de
generar un gradiente empinado, o para mezclar líquidos desde los dos reservorios en
proporciones que varían con el tiempo para crear un gradiente continuo. C: columna de vidrio,
metal o plástico que contiene la fase estacionaria. F: recolector de fracción para recolectar
porciones, llamadas fracciones, del líquido de elución en tubos de ensayo separados.

ciones hidrofóbicas que son incrementadas mediante una fase móvil histidina ija, así como una matriz de glutatión que se une a una

de fuerza iónica alta. Las proteínas no adherentes primero se elimi- proteína recombinante enlazada a glutatión S-transferasa.

nan mediante lavado. A continuación se disminuye la polaridad de

la fase móvil al reducir de manera gradual la concentración de sal. Los péptidos se purifican mediante
Si la interacción entre proteína y fase estacionaria es en particular cromatografía de alta presión de fase reversa
fuerte, puede añadirse etanol o glicerol a la fase móvil para dismi-

nuir su polaridad y debilitar más las interacciones hidrofóbicas. Las matrices de fase estacionaria usadas en la cromatografía de co-

lumna clásica son materiales esponjosos cuya compresibilidad li-

Cromatografía de afinidad mita el lujo de la fase móvil. En la cromatografía líquida de alta
presión (HPLC) se emplean microcuentas de sílice o alúmina in-

La cromatografía de ainidad explota la alta selectividad de casi to- compresibles como la fase estacionaria, y presiones de hasta algunos

das las proteínas por sus ligandos. Las enzimas pueden puriicarse miles de libras por pulgada cuadrada (psi). Las matrices incompre-

mediante cromatografía de ainidad usando sustratos, productos, sibles permiten tanto índices de lujo altos como resolución aumen-

coenzimas o inhibidores inmovilizados. En teoría, sólo se adhieren tada. La HPLC puede resolver mezclas complejas de lípidos o pépti-

las proteínas que interactúan con el ligando inmovilizado. A conti- dos cuyas propiedades diieren sólo un poco. En la HPLC de fase

nuación se efectúa elución de las proteínas unidas mediante compe- reversa se explota una fase estacionaria hidrofóbica de polímeros

tencia con ligando soluble o, de manera menos selectiva, al alterar alifáticos de 3 a 18 átomos de carbono de longitud. Se efectúa elu-

las interacciones entre proteína y ligando usando urea, clorhidrato ción de las mezclas de péptido usando un gradiente de un solvente

de guanidina, pH levemente acídico o altas concentraciones de sal. orgánico miscible en agua, como acetonitrilo o metanol.

Las matrices de fase estacionaria disponibles en el comercio contie-

nen ligandos como NAD+ o análogos de trifosfato de adenosina La pureza de las proteínas se evalúa mediante
(ATP). Entre las matrices de ainidad más potentes y ampliamente electroforesis en gel de poliacrilamida (PaGE)
aplicables iguran las que se usan para la puriicación de proteínas
recombinantes modiicadas de manera idónea, las cuales incluyen El método más ampliamente usado para determinar la pureza de una

www.FreeLibros.orguna matriz de Ni2+ que se une a proteínas con una “marca” de poli- proteína es la SDS-PAGE, electroforesis en gel de poliacrilamida

24 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas

ABC

FIGURA 4-3 Cromatografía de exclusión de tamaño. a: una mezcla de moléculas grandes (café)

y pequeñas (rojo) se aplica en la parte superior de una columna de iltración de gel. B: al momento
de entrar a la columna, las moléculas pequeñas entran a poros en la matriz de fase estacionaria (gris)
de la cual se excluyen las moléculas grandes. C: a medida que la fase móvil (azul) luye por la
columna, las moléculas grandes, excluidas, luyen dentro de la misma, mientras que las pequeñas,
que están protegidas de forma temporal del lujo cuando están dentro de los poros, se quedan cada
vez más atrás.

(PAGE) en presencia del detergente aniónico duodecil sulfato de so- NH S HN
dio (SDS). La electroforesis separa biomoléculas cargadas con base OH O
en los índices a los cuales migran en un campo eléctrico aplicado; en
cuanto a la SDS-PAGE, la acrilamida se polimeriza y se entrecruza HN S
para formar una matriz porosa. La SDS se desnaturaliza y se une a O H NH
proteínas a una proporción de una molécula de SDS por cada dos O
enlaces peptídicos. Cuando es utilizada en forma conjunta con
2-mercaptoetanol o ditiotreitol para reducir enlaces disulfuro y O SH
romperlos (ig. 4-4), la SDS-PAGE separa los polipéptidos compo- HCOOH C2H5
nentes de proteínas multiméricas. El gran número de moléculas de OH
SDS aniónicas, cada una de las cuales porta una carga de –1, abruma
las contribuciones de carga de los grupos funcionales aminoácidos NH
endógenos a los polipéptidos. Dado que la proporción entre carga y
masa de cada complejo de SDS-polipéptido es más o menos igual, la O H HN
resistencia física que cada péptido encuentra a medida que se mueve HN SO2− O
por la matriz de acrilamida determina el índice de migración. Dado
que los complejos grandes encuentran mayor resistencia, los poli- O HS H NH
péptidos se separan con base en su masa molecular relativa (Mr, O
también conocida como peso molecular). Es factible visualizar poli-
péptidos individuales atrapados en el gel de acrilamida mediante FIGURA 4-4 La división oxidativa de cadenas polipeptídicas
teñirlos con colorantes como azul de Coomassie (ig. 4-5).
adyacentes unidas por medio de enlaces disulfuro (resaltados en
Enfoque isoeléctrico (IEF) azul) al efectuar división en ácido (izquierda) o reductiva mediante
β-mercaptoetanol (derecha) forma dos péptidos que contienen
residuos ácido cisteico o residuos cisteinilo, respectivamente.

Se usan amortiguadores iónicos llamados anfolitos y un campo

eléctrico aplicado para generar un gradiente de pH dentro de una SANGER FUE EL PRIMERO
matriz de poliacrilamida. Las proteínas aplicadas migran hasta que EN DETERMINAR LA SECUENCIA
llegan a la región de la matriz donde el pH coincide con su punto
isoeléctrico (pI), el pH al cual la carga neta de una molécula es cero. DE UN POLIPÉPTIDO
El IEF se usa de manera conjunta con SDS-PAGE para la electrofo-
resis bidimensional, que separa polipéptidos con base en el pI en La insulina madura consta de la cadena A de 21 residuos y la cade-
na B de 30 residuos unidas mediante enlaces disulfuro. Frederick
Sanger redujo los enlaces disulfuro (ig. 4-4), separó las cadenas A y
B, y dividió cada cadena hacia péptidos de menor tamaño usando
una dimensión y con base en la Mr en la segunda (ig. 4-6). La elec-
troforesis bidimensional resulta idónea para separar los componen-

www.FreeLibros.orgtes de mezclas de proteínas complejas.

CAPíTuLO 4 Proteínas: determinación de la estructura primaria 25

amino terminal. Después fue determinado el contenido de amino-
ácidos de cada péptido e identiicado el aminoácido amino termi-
nal. El grupo є-amino de la lisina también reacciona con el reactivo
de Sanger, pero dado que una lisina amino terminal reacciona con 2
mol de dicho reactivo, es fácil distinguirla de una lisina en el interior
de un péptido. Al trabajar desde dipéptidos y tripéptidos en adelan-
te por fragmentos de tamaño progresivamente mayor, Sanger logró
reconstruir la secuencia completa de la insulina, logro por el cual
recibió un premio Nobel en 1958.

FIGURA 4-5 Uso de SDS-PAGE para observar la puriicación LA REACCIÓN DE EDMAN PERMITE
SECUENCIAR PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS
sucesiva de una proteína recombinante. El gel se coloreó con azul
de Coomassie. Se muestran estándares de proteína (carril S) del Mr Pehr Edman introdujo el fenilisotiocianato (reactivo de Edman) para
indicado, en kDa, extracto celular bruto (E), citosol (C), líquido marcar de manera selectiva el residuo amino terminal de un pépti-
sobrenadante a alta velocidad (H [por high-speed]), y la fracción de do. En contraste con el reactivo de Sanger, el derivado feniltiohidan-
DEAE-sefarosa (d). La proteína recombinante tiene una masa toína (PTH) se puede eliminar bajo condiciones leves para generar
de alrededor de 45 kDa. un nuevo residuo amino terminal (ig. 4-7). Por ende, es posible usar
rondas sucesivas de derivación con reactivo de Edman para secuen-
pH = 3 pH = 10 ciar muchos residuos de una muestra única de péptido. Si bien es
IEF fácil determinar los primeros 20 a 30 residuos de un péptido me-
diante el método de Edman, casi todos los polipéptidos contienen
SDS varios cientos de aminoácidos. En consecuencia, casi todos los poli-
PAGE péptidos primero se deben dividir hacia péptidos de menor tamaño
antes de secuenciación de Edman. En ocasiones, la división tam-
bién es necesaria para sortear modiicaciones postraduccionales que
“bloquean” el grupo α-amino de una proteína o que no reaccione
con el reactivo de Edman.

A menudo es necesario generar varios péptidos usando más de
un método de división. Esto releja tanto inconsistencia en el espa-
ciamiento de sitios de división susceptibles desde el punto de vista
químico o enzimático, como la necesidad de grupos de péptidos cu-
yas secuencias se superponen, de modo que es posible inferir la se-
cuencia del polipéptido a partir del cual se derivan. Después de la
división, los péptidos resultantes se puriican por medio de HPLC
de fase reversa y se secuencian.

LA BIOLOGÍA MOLECULAR
REVOLUCIONÓ LA DETERMINACIÓN
DE LA ESTRUCTURA PRIMARIA

FIGURA 4-6 IEF-SDS-PAGE bidimensionales. El gel se tiñó El conocimiento de secuencias de DNA permite deducir las estruc-
turas primarias de polipéptidos. La secuenciación de DNA requiere
con azul de Coomassie. Un extracto bacteriano bruto fue sometido sólo cantidades diminutas del mismo y con facilidad proporciona la
primero a enfoque isoeléctrico (IEF) en un gradiente de pH de 3 a 10. secuencia de cientos de nucleótidos. Para clonar y secuenciar el DNA
A continuación el gel con IEF fue colocado en forma horizontal en la que codiica para una proteína particular, es esencial contar con al-
parte superior de un gel de SDS, y después las proteínas se resolvieron gún medio de identiicar la clona correcta, como es el caso del cono-
más mediante SDS-PAGE. Nótese la resolución muy mejorada de cimiento sobre una porción de su secuencia de nucleótido. De este
distintos polipéptidos en comparación con gel de SDS-PAGE
ordinario (ig. 4-5).

modo, ha surgido un método híbrido. La secuenciación de Edman

se usa para proporcionar una secuencia de aminoácidos parcial. Así,

tripsina, quimotripsina y pepsina. Los péptidos resultantes después entonces, es factible utilizar preparadores oligonucleótido modela-

fueron aislados y tratados con ácido para hidrolizar enlaces peptídi- dos sobre esta secuencia parcial para identiicar clonas o para ampli-

cos y generar péptidos con apenas dos o tres aminoácidos. Cada icar el gen apropiado mediante la reacción en cadena de polimerasa

péptido se hizo reaccionar con 1-luoro-2,4-dinitrobenceno (reactivo (PCR) (cap. 39). Una vez que se obtiene una clona de DNA auténtica

www.FreeLibros.orgde Sanger), que deriva los grupos α-amino expuestos de los residuos es posible determinar su secuencia de oligonucleótido, así como

26 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas

S LA ESPECTROMETRÍA DE MASAS
DETECTA MODIFICACIONES
C COVALENTES
N
A causa de su sensibilidad, rapidez y versatilidad superiores, la es-
+ pectrometría de masas (MS) ha remplazado a la técnica de Edman
como el método principal para determinar las secuencias de pépti-
O H NH2 dos y proteínas. De modo similar, la modiicación postraduccional
N

NR
H R′ O

Fenilisotiocianato (reactivo de Edman) de proteínas mediante la adición o deleción de porciones carbo-
y un péptido hidrato, o de grupos fosforilo, hidroxilo y otros grupos, añade o sus-

trae incrementos de masas especíicos y fácilmente identiicados

(cuadro 4-1). De este modo, la espectrometría de masas, que dis-

tingue moléculas con base tan sólo en su masa, logra detectar los

S cambios físicos comparativamente sutiles en proteínas que ocurren

durante el ciclo de vida de una célula o de un organismo. En un es-

N NH pectrómetro de masas simple, de cuadripolo único, una muestra en
H un vacío se vaporiza en condiciones en las cuales puede ocurrir pro-
tonación, lo que imparte carga positiva. A continuación, un campo
OH R eléctrico impulsa los cationes a través de un campo magnético, que
N los desvía a un ángulo recto a su dirección de vuelo original y los
enfoca sobre un detector (ig. 4-8). Se registra la fuerza magnética
N necesaria para desviar la vía de cada especie iónica en el detector,
H R′ O

Un ácido feniltiohidantoico

H+, nitro- H2O medida como la corriente aplicada al electroimán. Para iones de carga
metano neta idéntica, esta fuerza es proporcional a su masa. En un espectró-

S O metro de masas por tiempo de vuelo, un campo eléctrico aplicado
NH2 de manera breve acelera los iones hacia un detector que registra el
N NH + momento en el cual llega cada ion. Para moléculas de carga idéntica,
N la velocidad a la cual se aceleran —y, por ende, el tiempo requerido
OR HR para llegar al detector— será inversamente proporcional a su masa.

Una feniltiohidantoína y un péptido Los espectrómetros de masas convencionales por lo general son
más corto por un residuo
utilizados para determinar la masa de moléculas de 4 000 Da o me-
FIGURA 4-7 La reacción de Edman. El fenilisotiocianato deriva el nos, mientras que los espectrómetros de masas por tiempo de vuelo
son idóneos para determinar las masas grandes de proteínas. En un
residuo amino terminal de un péptido como un ácido
feniltiohidantoico. El tratamiento con ácido en un solvente no inicio, el análisis de péptidos y proteínas mediante espectrometría
hidroxílico libera una feniltiohidantoína, que después se identiica por de masas fue obstaculizado debido a varias diicultades para volati-
su movilidad cromatográica y un péptido con un residuo más corto. lizar moléculas orgánicas grandes. Si bien las moléculas orgánicas
A continuación se repite el proceso. pequeñas podían vaporizarse con facilidad mediante calentamiento
en un vacío (ig. 4-9), las proteínas, los oligonucleótidos, etc., queda-

ban destruidos bajo estas condiciones. Los dos métodos de uso más

frecuente para dispersar péptidos, proteínas y otras biomoléculas

usar el código genético para inferir la estructura primaria del poli- grandes hacia la fase de vapor para análisis con espectrometría de

péptido codiicado.

El método híbrido aumenta la rapidez y la eicacia del análisis

de la estructura primaria, así como el rango de proteínas que es CuadRO 4-1 Incrementos de masas originados
posible secuenciar. También evita obstáculos, como la presencia de por modiicaciones postraduccionales comunes
un grupo bloqueador amino terminal o la falta de un péptido de su-

perposición clave. Sólo algunos segmentos de estructura primaria Modiicación Incremento de masa (Da)

deben determinarse mediante análisis de Edman. Fosforilación 80
La secuenciación de DNA revela el orden en el cual se añaden

aminoácidos a la cadena polipeptídica naciente, a medida que se sin- Hidroxilación 16

tetiza en el ribosoma. Sin embargo, no proporciona información Metilación 14
acerca de modiicaciones postraduccionales, como procesamiento

proteolítico, metilación, glucosilación, fosforilación, hidroxilación Acetilación 42

de prolina y lisina, y formación de enlaces disulfuro que acompañan Miristilación 210
a la maduración. Mientras que la secuenciación de Edman permite

detectar la presencia de casi todos los eventos postraduccionales, las Palmitoilación 238

limitaciones técnicas a menudo impiden identiicar una modiica- Glucosilación 162

www.FreeLibros.orgciónespecíica.

CAPíTuLO 4 Proteínas: determinación de la estructura primaria 27

Sonda para Placas aceleradoras
muestra

Tubo de vuelo

Muestra Cámara

Electroimán

Fuente Detector
de energía
variable

Bomba de vacío

Salida
del
detector

Voltaje

FIGURA 4-8 Componentes básicos de un espectrómetro de masas simple. Una mezcla de moléculas,

representada por un círculo de color rojo, un triángulo verde y un rombo de color azul, se vaporiza en un estado
ionizado en la cámara de muestra. Estas moléculas después se aceleran por el tubo de vuelo mediante un
potencial eléctrico aplicado a la rejilla aceleradora (amarillo). Un electroimán ajustable aplica un campo magnético
que desvía el vuelo de los iones individuales hasta que golpean el detector. Mientras mayor es la masa del ion, más
alto es el campo magnético requerido para enfocarlo sobre el detector.

masas son ionización por electroaerosol y desorción y ionización átomos de helio o argón neutros (disociación inducida por colisión),

mediante láser asistidas con matriz (MALDI). En la ionización y determinar las masas de los fragmentos individuales. Dado que los

por electroaerosol las moléculas bajo análisis son disueltas en un sol- enlaces peptídicos son mucho más lábiles que los enlaces entre un

vente volátil e introducidas en la cámara de muestra en un chorro carbono y otro, los fragmentos más abundantes diferirán entre sí

diminuto a través de un capilar (ig. 4-9). A medida que las gotitas por unidades equivalentes a uno o dos aminoácidos. Puesto que

de líquido salen hacia la cámara de muestra, el solvente se dispersa —con las excepciones de 1) leucina e isoleucina, y 2) glutamina y

con rapidez y deja la macromolécula suspendida en la fase gaseosa. lisina— la masa molecular de cada aminoácido es singular, la se-

La sonda cargada sirve para ionizar la muestra. La ionización de cuencia del péptido puede reconstruirse a partir de las masas de sus

electroaerosol a menudo sirve para analizar péptidos y proteínas a fragmentos.

medida que pasan por elución desde una HPLC u otra columna de

cromatografía. En la MALDI, la muestra se mezcla con una matriz

líquida que contiene un colorante que absorbe luz, y una fuente de Espectrometría de masas
protones. En la cámara de muestra, la mezcla se excita usando un
láser, lo que hace que la matriz circundante se disperse hacia la fase en tándem

de vapor con tanta rapidez que se evita el calentamiento de péptidos Aquí se emplea el equivalente de dos espectrómetros de masas enla-

o proteínas embebidos (ig. 4-9). zados en serie, y ahora permite analizar mezclas de péptidos com-
Los péptidos dentro del espectrómetro de masas pueden frag- plejas, sin puriicación previa. El primer espectrómetro separa pép-

www.FreeLibros.orgmentarse hacia unidades de menor tamaño mediante colisiones con tidos individuales con base en sus diferencias de masa. Al ajustar la

28 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas Ionización con MALDI
electroaerosol Láser
Calor

FIGURA 4-9 Tres métodos de uso frecuente Alimentación desde el sistema
de cromatografía
para vaporizar moléculas en la cámara de muestra de
un espectrómetro de masas.

fuerza del campo del primer imán, un péptido único puede dirigirse tro o cinco residuos de longitud puede bastar para identiicar el ORF

hacia el segundo espectrómetro de masas, donde se generan frag- correcto.

mentos y se determinan sus masas. Los algoritmos de búsqueda computarizados ayudan a la iden-

tiicación del gen que codiica para una proteína dada; por ejemplo,

La espectrometría de masas en tándem en el establecimiento de peril de masa de péptido se reintroduce un
permite detectar anormalidades digerido de péptido en el espectrómetro de masas, y se determinan
los tamaños de los péptidos. A continuación se usa una computado-

metabólicas ra para encontrar un ORF cuyo producto proteínico predicho, si se
dividiera hacia péptidos mediante el método de división selecciona-
La espectrometría de masas en tándem puede usarse para efectuar do, produciría un grupo de péptidos cuyas masas coinciden con las
pruebas en muestras de sangre provenientes de recién nacidos para observadas mediante MS.
detectar la presencia y las concentraciones de aminoácidos, ácidos

grasos y otros metabolitos. Las anormalidades de las concentracio-

nes de metabolitos pueden servir como indicadores diagnósticos PROTEÓMICA Y EL PROTEOMA
para diversos trastornos genéticos, como fenilcetonuria, encefalopa-

tía con acidemia etilmalónica y acidemia glutárica tipo 1. El objetivo de la proteómica

es identificar la totalidad de proteínas

LA GENÓMICA PERMITE IDENTIFICAR elaboradas por una célula en

PROTEÍNAS A PARTIR DE PEQUEÑAS diversas condiciones

CANTIDADES DE DATOS Si bien se conoce la secuencia del genoma humano, el cuadro propor-

DE SECUENCIA cionado por la genómica sola es tanto estático como incompleto. La
proteómica se dirige a identiicar la totalidad de proteínas elabora-

La genómica, la aplicación de secuenciación de oligonucleótido au- das por una célula en condiciones diversas. A medida que los genes

tomatizada, y recuperación y análisis de datos computarizados para se activan y desactivan, se sintetizan proteínas en tipos de células

secuenciar el complemento genético completo de un organismo, ha particulares en momentos especíicos del crecimiento o la diferen-

revolucionado el análisis de estructura primaria. Desde la determi- ciación, así como en respuesta a estímulos externos. Las células

nación en 1995 de la secuencia de genoma completa de Haemophilus musculares expresan proteínas no expresadas por células neurales, y

inluenzae, se han descifrado los genomas de cientos de organismos. el tipo de subunidades presente en el tetrámero de hemoglobina pasa

Cuando se conoce la secuencia del genoma, la tarea de determinar por cambios antes y después del parto. Muchas proteínas pasan por

la secuencia primaria derivada de DNA de una proteína se simpli- modiicaciones postraduccionales durante la maduración hacia for-

ica de manera considerable. En esencia, la segunda mitad del mé- mas competentes desde el punto de vista funcional, o como un me-

todo híbrido ya se ha completado. Todo lo que queda es obtener dio de regular sus propiedades. Por ende, el conocimiento del ge-

suiciente información para permitir que el marco de lectura abierta noma humano sólo representa el inicio de la tarea de describir

(ORF) que codiica para la proteína sea recuperada a partir de una organismos vivos en detalle molecular, así como entender la diná-
base de datos de genoma accesible en Internet, y sea identiicada. En mica de procesos como crecimiento, envejecimiento y enfermedad.

www.FreeLibros.orgalgunoscasos,unsegmentodesecuenciadeaminoácidosdesólocua- Dado que el cuerpo humano contiene miles de tipos de células, cada

CAPíTuLO 4 Proteínas: determinación de la estructura primaria 29

una de las cuales contiene miles de proteínas, el proteoma —el con- mediante conservación de aminoácidos particulares en posiciones
junto de todas las proteínas expresadas por una célula individual en clave. De este modo, la información acerca de las propiedades y la
un momento particular— representa un blanco en movimiento de función isiológica de una proteína recién descubierta puede inferir-
formidables dimensiones. se al comparar su estructura primaria con la de proteínas conocidas.

La electroforesis bidimensional y las RESuMEN
micromatrices multigénicas se usan para
estudiar la expresión de proteína ■ Los polímeros de aminoácidos largos o polipéptidos constituyen la
unidad estructural básica de las proteínas, y la estructura de una

Un objetivo de la proteómica es la identiicación de proteínas cuyas proteína proporciona información acerca de cómo desempeña sus
magnitudes de expresión se correlacionan con eventos importantes funciones.
desde el punto de vista médico. Se cree que las proteínas cuya apari-
ción o desaparición se relaciona con un estado isiológico especíico ■ Las proteínas pasan por alteraciones postraduccionales durante su
o con una enfermedad determinada proporcionarán información lapso de vida, que inluyen sobre su función y determinan su
acerca de las causas y los mecanismos primarios. La determina- destino.
ción de los proteomas característicos de cada tipo de célula requiere
eiciencia máxima en el aislamiento y la identiicación de proteínas ■ El método de Edman ha quedado remplazado en su mayor parte
individuales. En el método contemporáneo se utiliza automatiza- por la espectrometría de masa, recurso sensible y versátil para
ción robótica para acelerar la preparación de muestras, y geles bidi- determinar estructura primaria, para identiicar modiicaciones
mensionales grandes para resolver proteínas celulares. A continua- postraduccionales y detectar anormalidades metabólicas.
ción se extraen polipéptidos individuales y se analizan mediante
secuenciación de Edman o espectroscopia de masas. Si bien sólo es ■ La clonación del DNA y la biología molecular, junto con la química
posible resolver alrededor de 1 000 proteínas en un gel único, la elec- de proteínas, proporcionan un método híbrido que aumenta mucho
troforesis bidimensional plantea una importante ventaja por cuanto la rapidez y la eiciencia para determinar las estructuras primarias de
proteínas.
examina las proteínas en sí. En un método alternativo, llamado Mul-
tidimensional Protein Identiication Technology (MudPIT), se em- ■ La genómica —el análisis de toda la secuencia de oligonucleótidos
del material genético completo de un organismo— ha proporcionado
más mejoras.

plean rondas sucesivas de cromatografía para resolver los péptidos ■ Los algoritmos por computadora facilitan la identiicación de
los ORF que codiican para una proteína dada, al usar secuencias

parciales y establecimiento de peril de masa peptídica para investigar

producidos a partir de la digestión de una muestra biológica comple- bases de datos de secuencia.

ja hacia varias fracciones más simples que se pueden analizar por ■ Los cientíicos ahora están tratando de determinar la secuencia

separado mediante MS. Las micromatrices multigénicas, a veces lla- primaria y el papel funcional de cada proteína expresada en una

madas microchips de DNA, en las cuales se detecta la expresión de célula viva, conocida como su proteoma.

los mRNA que codiican para proteínas, ofrecen un método com- ■ Un objetivo importante es la identiicación de proteínas y sus

plementario para la proteómica. Si bien los cambios de la expresión modiicaciones postraduccionales cuya aparición o desaparición se
del mRNA que codiica para una proteína no necesariamente rele- correlaciona con fenómenos isiológicos, envejecimiento o
jan cambios comparables de la concentración de la proteína corres- enfermedades especíicas.

pondiente, las micromatrices multigénicas son más sensibles que

los geles bidimensionales, en particular respecto a proteínas poco

abundantes y, así, permiten examinar un rango más amplio de pro- REFERENCIaS
ductos de gen.
Arnaud CH: Mass spec tackles proteins. Chem Eng News 2006;84:17.

Austin CP: he impact of the completed human genome sequence on

La bioinformática ayuda a la the development of novel therapeutics for human disease. Annu
Rev Med 2004;55:1.
identificación de funciones
Cutler P: Protein arrays: the current state-of-the-art. Proteomics

de las proteínas 2003;3:3.
Deutscher MP (editor): Guide to Protein Puriication. Methods
Se desconocen las funciones de una gran proporción de las proteí-
Enzymol 1990;182. (Volumen completo.)
nas codiicadas por el genoma humano. Aún está en sus inicios la Elofsson A, von Heijne G: Membrane protein structure: predictions

creación de micromatrices proteínicas para practicar pruebas de ma- versus reality. Annu Rev Biochem 2007;76:125.

nera directa respecto a las funciones potenciales de proteínas a una Geveart K, Vandekerckhove J: Protein identiication methods in
proteomics. Electrophoresis 2000;21:1145.
escala masiva. Sin embargo, avances recientes en bioinformática per-
miten a los investigadores comparar secuencias de aminoácidos para Gwynne P, Heebner G: Mass spectrometry in drug discovery
and development: from physics to pharma. Science 2006;313:1315.
descubrir indicios respecto a propiedades potenciales, funciones i- Khan J et al: DNA microarray technology: the anticipated impact
siológicas y mecanismos de acción de proteínas. Los algoritmos ex-
plotan la tendencia de la naturaleza a emplear variaciones de un on the study of human disease. Biochim Biophys Acta 1999;
tema estructural para efectuar funciones similares en varias proteí- 1423:M17.
Kislinger T et al: Multidimensional protein identiication technology
nas [p. ej., el pliegue de unión del nucleótido de Rossmann para unir
NAD(P)H, secuencias de blanco nuclear, y manos EF para unir Ca2+].

www.FreeLibros.orgEstos dominios por lo general se detectan en la estructura primaria
(MudPIT): technical overview of a proiling method optimized for
the comprehensive proteomic investigation of normal and diseased
heart tissue. J Am Soc Mass Spectrom 2005; 16:1207.

30 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas Semsarian C, Seidman CE: Molecular medicine in the 21st century.
Intern Med J 2001;31:53.
Patnaik SK, Blumenfeld OO: Use of on-line tools and databases for
routine sequence analyses. Anal Biochem 2001;289:1. Sharon M, Robinson CV: he role of mass spectrometry in structure
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Rinaldo P, Tortorelli S, Matern D: Recent developments and new 2007;76:167.
applications of tandem mass spectrometry in newborn screening.
Curr Opin Pediatrics 2004;16:427. Temple LK et al: Essays on science and society: deining disease in the
genomics era. Science 2001;293:807.
Rodland KD: Proteomics and cancer diagnosis: the potential of mass
spectrometry. Clin Biochem 2004;37:579. Woodage T, Broder S: he human genome and comparative genomics:
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Schena M et al: Quantitative monitoring of gene expression patterns Gastroenterol 2003;15:68.
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Scopes RK: Protein Puriication. Principles and Practice (3rd ed.).
Springer, 1994.

www.FreeLibros.org

Proteínas: órdenes CAPÍTULO
de estructura superiores
5
Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD

IMPORTANCIA BIOMÉDICA teínas de membrana integrales requiere disolución de la membra-
na con detergentes. Las proteínas globulares son moléculas com-
En la Naturaleza, la forma sigue a la función. Para que un polipépti- pactas, de forma más o menos esférica, con proporciones axiales
do recién sintetizado madure hacia una proteína que sea funcional (la proporción entre sus dimensiones más corta y más larga) de no
desde el punto de vista biológico, capaz de catalizar una reacción más de 3. Casi todas las enzimas son proteínas globulares. En con-
metabólica, impulsar el movimiento celular, o formar las varillas y los traste, muchas proteínas estructurales adoptan conformaciones
cables macromoleculares que proporcionan integridad estructural a muy extendidas, tales proteínas ibrosas poseen proporciones axia-
pelo, huesos, tendones y dientes, debe plegarse hacia una disposi- les de 10 o más.
ción tridimensional especíica, conocida como conformación. Ade-
más, durante la maduración, las modiicaciones postraduccionales Las lipoproteínas y glucoproteínas contienen lípidos y carbo-
pueden añadir nuevos grupos químicos o eliminar segmentos pep- hidrato unido de manera covalente, respectivamente. La mioglobi-
tídicos transitoriamente necesarios. Las deiciencias genéticas o nu- na, la hemoglobina, los citocromos y muchas otras metaloproteínas
tricionales que obstaculizan la maduración de proteínas son nocivas contienen iones metálicos estrechamente asociados. Si bien han sur-
para la salud. Algunos ejemplos de las primeras comprenden en- gido métodos de clasiicación más precisos con base en la similitud,
fermedad de Creutzfeldt-Jakob, encefalopatía espongiforme ovina, u homología, en la secuencia y la estructura tridimensional de ami-
enfermedad de Alzheimer y encefalopatía espongiforme bovina (“en- noácidos, aún se usan muchos términos de clasiicación antiguos.
fermedad de las vacas locas”). El escorbuto representa una deicien-
cia nutricional que altera la maduración de proteínas. LAS PROTEÍNAS SE CONSTRUYEN
USANDO PRINCIPIOS MODULARES

CONFORMACIÓN EN CONTRASTE Las proteínas desempeñan complejas funciones físicas y catalíticas

CON CONFIGURACIÓN al colocar grupos químicos especíicos en una disposición tridimen-

sional precisa. El andamio polipeptídico que contiene estos grupos

A menudo, los términos “coniguración” y “conformación” son con- debe adoptar una conformación tanto eiciente desde el punto de
fundidos entre sí. Coniguración alude a la relación geométrica en- vista funcional como fuerte en el aspecto físico. A primera vista, la

tre un grupo dado de átomos, por ejemplo, los que distinguen entre biosíntesis de polipéptidos comprendidos en decenas de miles de

l-aminoácidos y d-aminoácidos. La interconversión de alternativas átomos individuales parecería en extremo desaiante. Cuando se con-
sidera que un polipéptido típico puede adoptar ≥ 1050 conforma-
coniguracionales requiere el rompimiento de enlaces covalentes. ciones distintas, el plegado hacia la conformación apropiada para su
Por otra parte, conformación se reiere a la relación espacial de cada

átomo en una molécula. La interconversión entre conformadores función biológica parecería ser aún más difícil. En la síntesis de los

ocurre sin rotura de enlace covalente, con retención de la conigura- esqueletos polipeptídicos de proteínas se emplea un pequeño grupo

ción y, de manera típica, por medio de rotación alrededor de enlaces de bloques de construcción comunes o módulos, los aminoácidos,

únicos. unidos por una conexión común, el enlace peptídico (caps. 3 y 4).

Una vía modular por pasos simpliica el plegado y el procesamiento

EN UN INICIO LAS PROTEÍNAS de polipéptidos recién sintetizados hacia proteínas maduras.

FUERON CLASIFICADAS POR SUS LOS CUATRO ÓRDENES DE LA
CARACTERÍSTICAS MACROSCÓPICAS ESTRUCTURA DE PROTEÍNAS

En su primer enfoque, los cientíicos abordaron las relaciones entre

estructura y función en proteínas mediante separarlas en clases con La naturaleza modular de la síntesis y el plegado de proteína están

base en propiedades como solubilidad, forma o la presencia de gru- incorporados en el concepto de órdenes de estructura de proteína:

pos no proteínicos. Así, por ejemplo, las proteínas que pueden ser estructura primaria, la secuencia de los aminoácidos en una cade-

extraídas de las células usando soluciones acuosas a pH isiológico y na polipeptídica; estructura secundaria, el plegado de segmentos
fuerza iónica son clasiicadas como solubles. La extracción de pro- de polipéptido cortos (3 a 30 residuos) y contiguos, hacia unidades

www.FreeLibros.org31

32 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas 90

ordenadas de manera geométrica; estructura terciaria, el montaje
de unidades estructurales secundarias hacia unidades funcionales de
mayor tamaño como el polipéptido maduro y los dominios que lo
componen y, por último, estructura cuaternaria, el número y los
tipos de unidades polipeptídicas de proteínas oligoméricas y su dis-
posición espacial.

ESTRUCTURA SECUNDARIA ψ0

Los enlaces peptídicos restringen posibles ψ

conformaciones secundarias – 90

La rotación libre sólo es posible alrededor de dos de los tres enlaces

covalentes del esqueleto polipeptídico: el carbono α (Cα) el carbono

carbonilo (Co), y el Cα al enlace de nitrógeno (ig. 3-4). El carácter

de doble enlace parcial del enlace peptídico que une el Co al nitró- – 90 0 90
geno α requiere que el carbono carbonilo, el oxígeno carbonilo y el
nitrógeno α permanezcan coplanares, lo que evita la rotación. El án- φ
gulo alrededor del enlace de Cα—N recibe el nombre de ángulo i
(Ф), mientras que aquel ubicado alrededor del enlace de Co—Cα es FIGURA 5-1 Gráico de Ramachanφdran de los ángulos i (Ф) y psi
el ángulo psi (ψ). Para aminoácidos que no son glicina, casi ninguna
combinación de ángulos i y psi se permite debido a obstáculo esté- (ψ) de la cadena principal para unos 1 000 residuos no glicina en ocho
rico (ig. 5-1). Las conformaciones de prolina son aún más restrin- proteínas cuyas estructuras se resolvieron en alta resolución. Los puntos
gidas debido a la ausencia de rotación libre del enlace N—Cα. representan combinaciones permisibles, mientras que los espacios
indican combinaciones prohibidas de ángulos i y psi. (Reproducido,
Las regiones de estructura secundaria ordenada surgen cuando con autorización, de Richardson JS: The anatomy and taxonomy of
una serie de residuos aminoacilo adoptan ángulos i y psi similares. protein structures. Adv Protein Chem 1981; 34:167. Copyright © 1981.
Reimpreso con autorización de Elsevier.)

Los segmentos extendidos (p. ej., asas) de polipéptidos llegan a po-

seer diversos ángulos de ese tipo. Los ángulos que deinen los dos
tipos más frecuentes de estructura secundaria, la hélice α y la hoja

β, caen dentro de los cuadrantes inferior y superior izquierdos de un

gráico de Ramachandran, respectivamente (ig. 5-1). N

La hélice α C N
C
El esqueleto polipeptídico de una hélice α está torcido por una can-
tidad igual alrededor de cada carbono α con un ángulo i de aproxi- N C
madamente –57° y un ángulo psi de alrededor de –47°. Un giro C C
completo de la hélice contiene un promedio de 3.6 residuos ami- N

C
C

noacilo y la distancia que sube por cada giro (su pendiente) es de C
0.54 nm (ig. 5-2). Los grupos R de cada residuo aminoacilo en una
hélice α miran hacia afuera (ig. 5-3). Las proteínas sólo contienen N
l-aminoácidos, para los cuales una hélice α diestra es con mucho la C
más estable, y en las proteínas sólo hay hélices α diestras. En los
C
N
C

diagramas esquemáticos de proteínas se representa a las hélices α C
como espirales o cilindros. CN
C
La estabilidad de una hélice α proviene sobre todo de enlaces N
(puentes) de hidrógeno formados entre el oxígeno del enlace peptí-
dico del grupo carbonilo y el átomo de hidrógeno del grupo amino C
(que contiene nitrógeno) del enlace peptídico del cuarto residuo en
dirección descendente por la cadena de polipéptido (ig. 5-4). La C
capacidad para formar el número máximo de enlaces de hidrógeno,
complementada por interacciones de van der Waals en el centro de pendiente de 0.54 nm NC
esta estructura estrechamente apretada, brinda la fuerza impulsora (3.6 residuos) C
termodinámica para la formación de una hélice α. Dado que el ni- N

C 0.15 nm
C
N
C

trógeno del enlace peptídico de prolina carece de un átomo de hidró-

geno para contribuir a un enlace de hidrógeno, la prolina sólo puede
adaptarse de manera estable dentro del primer giro de una hélice α.

www.FreeLibros.orgCuando está presente en otro sitio, la prolina altera la conformación
FIGURA 5-2 Orientación de los átomos de la cadena principal de

un péptido alrededor del eje de una hélice α.

CAPíTuLO 5 Proteínas: órdenes de estructura superiores 33

RR R anipáticas están bien adaptadas a la formación de interfases entre
R regiones polares y no polares como el interior hidrofóbico de una
proteína y su ambiente acuoso. Las agrupaciones de hélices an-
ipáticas pueden crear un canal, o poro, que permite que moléculas
polares especíicas pasen a través de membranas celulares hidro-
fóbicas.

R La hoja β

R Es la segunda (de ahí su denominación “β”) estructura secundaria
R regular reconocible en las proteínas. Los residuos aminoácidos de
una hoja β, cuando se observan de canto, forman un modelo en zig-
RR zag o plisado en el cual los grupos R de residuos adyacentes apuntan
en direcciones opuestas. A diferencia del esqueleto compacto de la
FIGURA 5-3 Eje de una hélice α visto desde arriba. Las cadenas hélice α, el esqueleto peptídico de la hoja β está muy extendido; sin
embargo, al igual que la hélice α, gran parte de la estabilidad de las
laterales (R) están en el exterior de la hélice. Los radios de van der Waals hojas β se deriva de enlaces de hidrógeno entre los oxígenos carbo-
de los átomos son de mayor tamaño que el que se muestra aquí; por nilo y los hidrógenos amida de enlaces peptídicos. En contraste con
ende, casi no hay espacio libre dentro de la hélice. (Ligeramente la hélice α, estos enlaces se forman con segmentos adyacentes de
modiicado y reproducido, con autorización, de Stryer L: Biochemistry, hoja β (ig. 5-5).
3rd ed. Freeman, 1995. Copyright © 1995 W.H. Freeman and Company.)

de la hélice y produce una lexión. Debido a su pequeñez, la glicina
a menudo también induce lexiones en hélices α.

En muchas hélices α predominan grupos R hidrofóbicos en
un lado del eje de la hélice e hidrofílicos en el otro. Estas hélices

N

C
CR

RC N
CR

C
N
RC
C
N
C

N

CR R
C C
N
C

R NO
C C

N N
RC

C

C CR FIGURA 5-5 Espaciamiento y ángulos de enlace de los enlaces

N de hidrógeno de hojas β plegadas antiparalelas y paralelas. Las lechas
CR indican la dirección de cada hebra. Los enlaces de hidrógeno están

N C indicados por líneas punteadas; los átomos de nitrógeno α (donadores
de hidrógeno) y los átomos de oxígeno (aceptores de hidrógeno)
R C participantes se muestran en color azul y rojo, respectivamente. Los
C

átomos de carbono del esqueleto se muestran en color negro. Para

favorecer la claridad en la presentación, se omitieron los grupos R y los

FIGURA 5-4 Los enlaces de hidrógeno (líneas punteadas) átomos de hidrógeno. Arriba: hoja β antiparalela; pares de enlaces de
hidrógeno alternan entre estar muy juntos y muy separados, y están

formados entre átomos de H y O estabilizan un polipéptido en una orientados en dirección aproximadamente perpendicular al esqueleto

polipeptídico. Abajo: hoja β paralela, los enlaces de hidrógeno están
espaciados de manera uniforme, pero se inclinan en direcciones
alternas.
conformación helicoidal α. (Reimpreso, con autorización, de Haggis GH
et al.: Introduction to Molecular Biology. Wiley, 1964, con autorización de

www.FreeLibros.orgPearsonEducationLimited.)

34 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas

FIGURA 5-6 Ejemplos de estructura terciaria de

proteínas. arriba: la enzima triosa fosfato isomerasa
formando complejos con el análogo
de sustrato 2-fosfoglicerato (rojo). Note la
disposición armoniosa y simétrica de las hojas β
(azul claro) y hélices α (verde) que alternan; las hojas
β forman un centro en barril β conjunto rodeado por
las hélices. (Adaptado de Protein Data Bank ID no.
1o5x.) abajo: complejo de lisozima con el análogo
de sustrato penta-N-acetil quitopentaosa (rojo).
El color de la cadena de polipéptidos está graduado
a lo largo del espectro visible desde púrpura
(N terminal) hacia marrón claro (C terminal). Note
de qué modo la forma cóncava del dominio forma
una bolsa de unión para el pentasacárido, la falta
de hoja β, y la alta proporción de asas y lexiones.
(Adaptado de Protein Data Bank ID no. 1sfb.)

Las hojas β que interactúan pueden disponerse para formar asas y flexiones
una hoja β paralela, en la cual los segmentos adyacentes de la cade-
na polipeptídica proceden en la misma dirección amino hacia car-
bonilo, o una hoja antiparalela, en la cual proceden en direcciones
opuestas (ig. 5-5). Una u otra coniguración permite el número
máximo de enlaces de hidrógeno entre segmentos, o hebras de la
hoja. Casi ninguna hoja β es perfectamente plana, sino que tiende a
mostrar una torsión hacia la derecha. Las agrupaciones de hebras
torcidas de hoja β forman el centro de muchas proteínas globulares
(ig. 5-6). En diagramas esquemáticos se representa a las hojas β
como lechas que apuntan en la dirección amino hacia carboxilo

www.FreeLibros.orgterminal.
A grandes rasgos, la mitad de los residuos en una proteína globular
“típica” reside en hélices α y hojas β, y la otra mitad en asas, giros,
lexiones y otras características conformacionales extendidas. “Gi-
ros y lexiones” alude a segmentos cortos de aminoácidos que unen
dos unidades de estructura secundaria, como dos hebras adyacen-
tes de una hoja β antiparalela. Un giro β comprende cuatro resi-
duos aminoacilo, en los cuales el primer residuo está enlazado con
hidrógeno al cuarto, lo que da por resultado una vuelta de 180° ce-
rrada (ig. 5-7). La prolina y la glicina a menudo están presentes en
giros β.

CAPíTuLO 5 Proteínas: órdenes de estructura superiores 35

COOH como la unión de un sustrato u otro ligando. Casi todos los do-

H H CH2 minios son de naturaleza modular, contiguos tanto en secuencia
N Cα H primaria como en espacio tridimensional (ig. 5-8). Las proteínas
simples, en particular las que interactúan con un sustrato único,
H Cα C CO como lisozima o triosa fosfato isomerasa (ig. 5-6), y la proteína de
almacenamiento de oxígeno mioglobina (cap. 6), a menudo constan
HN O

CH3 C O HN CH2OH de un dominio único. En contraste, la lactato deshidrogenasa com-
prende dos dominios, un dominio de unión a NAD+ N terminal, y
Cα Cα un dominio de unión a C terminal para el segundo sustrato, piru-
H H vato (ig. 5-8). La lactato deshidrogenasa es una familia de oxidorre-
ductasas que comparten un dominio de unión a NAD(P)+ N termi-

nal, conocido como el pliegue de Rossmann. Al fusionar el módulo

del pliegue de Rossmann a diversos dominios C terminal, ha evolu-
cionado una gran familia de oxidorreductasas que utilizan NAD(P)+/

FIGURA 5-7 Un giro β que enlaza dos fragmentos de la hoja β NAD(P)H para la oxidación y reducción de una amplia gama de
metabolitos. Los ejemplos son alcohol deshidrogenasa, gliceraldehí-
antiparalela. La línea punteada indica el enlace de hidrógeno entre do-3-fosfato deshidrogenasa, malato deshidrogenasa, quinona oxi-
el primero y cuarto aminoácidos del segmento de cuatro residuos dorreductasa, 6-fosfogluconato deshidrogenasa, D-glicerato des-
Ala-Gli-Asp-Ser. hidrogenasa, formato deshidrogenasa y 3α, 20β-hidroxiesteroide

deshidrogenasa.

No todos los dominios unen sustratos. Los dominios de mem-

Las asas son regiones que contienen residuos más allá del nú- brana hidrofóbicos ijan proteínas a membranas o les permiten abar-

mero mínimo necesario para conectar regiones adyacentes de es- car membranas. Las secuencias de localización dirigen proteínas

tructura secundaria; sin embargo, las asas, que tienen conformación hacia ubicaciones subcelulares o extracelulares especíicas, como el

irregular, desempeñan funciones biológicas clave. Para muchas en- núcleo, las mitocondrias, vesículas secretoras, etc. Los dominios re-

zimas, las asas que forman puentes entre dominios encargados de la guladores desencadenan cambios de la función de proteína en res-

unión de sustratos a menudo contienen residuos aminoacilo que puesta a la unión de efectores alostéricos o modiicaciones covalen-

participan en catálisis. Los motivos de hélice-asa-hélice proporcio- tes (cap. 9). Combinar módulos de dominio proporciona una ruta

nan la porción de unión a oligonucleótido de proteínas de unión a fácil para generar proteínas de gran complejidad estructural y fun-

DNA como represores y factores de transcripción. Los motivos es- cional (ig. 5-9).

tructurales, como el motivo de hélice-asa-hélice que son interme- Las proteínas que contienen múltiples dominios también pue-

dios entre estructuras secundarias y terciarias, a menudo se deno- den montarse por medio de la asociación de múltiples polipéptidos

minan estructuras supersecundarias. Dado que muchas asas y o protómeros. La estructura cuaternaria deine la composición poli-

lexiones residen sobre la supericie de proteínas y, así, quedan ex- peptídica de una proteína y, para una proteína oligomérica, las rela-

puestas a solvente, constituyen sitios fácilmente accesibles, o epíto- ciones espaciales entre sus protómeros o subunidades. Las proteínas

pos, para reconocimiento y unión de anticuerpos. monoméricas constan de una cadena polipeptídica única; las pro-

Si bien las asas carecen de regularidad estructural maniiesta, teínas diméricas contienen dos cadenas polipeptídicas. Los homodí-

existen en una conformación especíica estabilizada por medio de meros contienen dos copias de la misma cadena polipeptídica,

formación de enlaces de hidrógeno, puentes salinos, e interacciones mientras que en un heterodímero los polipéptidos diieren. Se usan

hidrofóbicas con otras porciones de la proteína; sin embargo, no to- letras griegas (α, β, γ y demás) para distinguir diferentes subunida-

das las porciones de proteínas están necesariamente ordenadas. Las des de una proteína heterooligomérica, en tanto que los números en

proteínas pueden contener regiones “desordenadas”, a menudo en subíndice indican el número de cada tipo de subunidad. Por ejem-

el extremo amino o carboxilo terminal, caracterizadas por una alta plo, α4 designa una proteína homotetramérica, y α2β2γ una proteína
lexibilidad conformacional. En muchos casos, estas regiones desor- con cinco subunidades de tres tipos diferentes.

denadas adoptan una conformación ordenada en el momento de Dado que incluso las proteínas pequeñas contienen muchos

unión de un ligando. Tal lexibilidad estructural permite que dichas miles de átomos, las representaciones de la estructura de proteínas

regiones actúen como conmutadores controlados por ligando que que indican la posición de cada átomo por lo general son demasiado

afectan la estructura y la función de proteínas. complejas como para interpretarlas con facilidad. De este modo, se

usan diagramas esquemáticos simpliicados para representar caracte-

Estructuras terciaria y cuaternaria rísticas clave de las estructuras terciaria y cuaternaria de una proteí-
na. Los diagramas de cinta (igs. 5-6 y 5-8) trazan la conformación

El término “estructura terciaria” se reiere a toda la conformación del esqueleto polipeptídico; cilindros y lechas indican regiones de

tridimensional de un polipéptido. Indica, en espacio tridimensio- una hélice α y una hoja β, respectivamente. En una representación

nal, de qué modo las características estructurales secundarias —hé- aún más simple, segmentos de línea que enlazan los carbonos α in-

lices, hojas, lexiones, giros y asas— se montan para formar domi- dican la trayectoria del esqueleto polipeptídico. Estos diagramas

nios, y cómo estos últimos se relacionan desde el punto de vista esquemáticos a menudo incluyen las cadenas laterales de aminoáci-

espacial entre sí. Un dominio es una sección de estructura proteíni- dos seleccionados que recalcan relaciones especíicas entre estructu-

www.FreeLibros.orgca suiciente para desempeñar una tarea química o física particular, rayfunción.

36 SECCIÓN I Estructuras y funciones de proteínas y enzimas

FIGURA 5-8 Polipéptidos

que contienen dos dominios.
arriba: estructura tridimensional
de la lactato deshidrogenasa con los
sustratos NADH (rojo) y piruvato (azul)
unidos. No se muestran todos los
enlaces en el NADH. El color de la
cadena polipeptídica está graduado
a lo largo del espectro visible desde
azul (N terminal) hasta anaranjado
(C terminal). Note cómo la porción N
terminal del polipéptido forma un
dominio contiguo, que abarca la
porción izquierda de la enzima, que
se encarga de unir NADH. De modo
similar, la porción C terminal forma un
dominio contiguo que une piruvato.
(Adaptado de Protein Data Bank ID
no. 3ldh.) abajo: estructura
tridimensional de la subunidad
catalítica de la proteína cinasa
dependiente de monofosfato de
adenosina cíclico (cAMP) (cap. 42) con
los análogos de sustrato ADP (rojo)
y péptido (púrpura) unidos. El color
de la cadena polipeptídica está
graduado a lo largo del espectro
visible desde azul (N terminal) hasta
anaranjado (C terminal). Las proteínas
cinasas transieren el grupo fosfato
γ de ATP a sustratos proteína y péptido
(cap. 9). Note cómo la porción N
terminal del polipéptido forma un
dominio contiguo rico en hojas β que
une al difosfato de adenosina (ADP).
De modo similar, la porción C terminal
forma un dominio contiguo rico en
hélice α, que se encarga de unir el
sustrato péptido. (Adaptado de Protein
Data Bank ID no. 1jbp.)

MÚLTIPLES FACTORES ESTABILIZAN las protegen contra el agua. Otros contribuidores importantes com-

LAS ESTRUCTURAS TERCIARIA prenden enlaces de hidrógeno y puentes salinos entre los carboxila-
Y CUATERNARIA tos de ácidos aspártico y glutámico, y las cadenas laterales con carga
opuesta de residuos lisilo, arginilo e histidilo protonados. Si bien

Los órdenes superiores de la estructura de proteínas se estabilizan son individualmente débiles en comparación con un enlace cova-
de manera primordial —y a menudo de forma exclusiva— por me- lente típico de 80 a 120 kcal/mol, en conjunto estas muchas interac-
ciones conieren un alto grado de estabilidad a la conformación
dio de interacciones no covalentes. Entre éstas, las principales son funcional desde el punto de vista biológico de una proteína, del mis-
interacciones hidrofóbicas que impulsan casi todas las cadenas late- mo modo que en un cierre de velcro se aprovecha la fuerza acumu-

www.FreeLibros.orgrales hidrofóbicas de aminoácidos hacia el interior de la proteína y lativa de múltiples asas y ganchos de plástico.