OOBioquimica.Pratt

BIOQUÍMICA

EL LIBRO MUERE CUANDO LO FOTOCOPIA

AMIGO LECTOR:

La obra que usted tiene en sus manos posee un gran valor.
En ella, su autor ha vertido conocimientos, experiencia y mucho trabajo. El editor
ha procurado una presentación digna de su contenido y está poniendo todo su empe-
ño y recursos para que sea ampliamente difundida, a través de su red de comerciali-
zación.

Al fotocopiar este libro, el autor y el editor dejan de percibir lo que corresponde a la
inversión que ha realizado y se desalienta la creación de nuevas obras. Rechace
cualquier ejemplar “pirata” o fotocopia ilegal de este libro, pues de lo contrario
estará contribuyendo al lucro de quienes se aprovechan ilegítimamente del esfuer-
zo del autor y del editor.

La reproducción no autorizada de obras protegidas por el derecho de autor no sólo
es un delito, sino que atenta contra la creatividad y la difusión de la cultura.

Para mayor información comuníquese con nosotros:

PRIMERA EDICIÓN EN ESPAÑOL
TRADUCIDA DE LA SEGUNDA
EDICIÓN EN INGLÉS

BIOQUÍMICA

ERRNVPHGLFRV RUJ

CHARLOT TE W. PRAT T
Seattle Pacific University

K ATHLEEN CORNELY
Providence College

Traducido por:
Biólogo Roberto Palacios Martínez
Universidad Autónoma de Baja California

Revisión técnica:
M. C. Miguel Ángel Ordorica Vargas
Profesor Titular de Bioquímica Médica I. Escuela Superior
de Medicina, Instituto Politécnico Nacional

Editor responsable:
Dr. José Luis Morales Saavedra

Editorial El Manual Moderno

Nos interesa su opinión IMPORTANTE
comuníquese con nosotros: Indicaciones precisas, las reacciones adversas, y las pautas de
dosificación de los medicamentos se ofrecen en este libro,
Editorial El Manual Moderno, S.A. de C.V., pero es posible que se puedan cambiar. Se insta al lector a
Av. Sonora núm. 206, revisar la información de los paquetes de los fabricantes de
Col. Hipódromo, los medicamentos mencionados. Los autores, editores, edito-
Deleg. Cuauhtémoc, rial o distribuidores no son responsables por errores u omisio-
06100 México, D.F. nes o de las consecuencias de la aplicación de la información
contenida en este trabajo, y no ofrecemos ninguna garantía,
(52-55)52-65-11-00 expresa o implícita, con respecto al contenido de la publica-
ción. Los autores, editores, editorial y distribuidores no asumen
@ [email protected] ninguna responsabilidad por cualquier daño y / o daños a
[email protected] personas o bienes derivados de la presente publicación.

Título original de la obra: Para mayor información en:
Essential Biochemistry, 2nd edition • Catálogo de producto
Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Inc. • Novedades
ISBN 978-047-050-477-2 • Distribuciones y más
“All rights reserved. This translation and Ebook published under www.manualmoderno.com
license with the original publisher John Wiley & Sons, Inc.”

Bioquímica
D.R. © 2012 por Editorial El Manual Moderno, S.A. de C.V.
ISBN: 978-607-448-218-8
ISBN: 978-607-448-219-5 versión electrónica

Miembro de la Cámara Nacional
de la Industria Editorial Mexicana, Reg. núm. 39

Todos los derechos reservados. Ninguna parte de
esta publicación puede ser reproducida, almacenada en
sistema alguno de tarjetas perforadas o transmitida
por otro medio —electrónico, mecánico, fotocopiador,
registrador, etcétera— sin permiso previo por escrito
de la Editorial.

All rights reserved. No part of this publication
may be reproduced, stored in a retrieval system,
or transmitted in any form or by any means,
electronic, mechanical, photocopying, recording
or otherwise, without prior written permission from the
Publisher.

Pratt, Charlotte W. Director editorial:
Bioquímica / Charlotte W. Pratt, Kathleen Cornely ; tr. por Rober- Dr. Marco Antonio Tovar Sosa

to Palacios Martínez. -- México : Editorial El Manual Moderno, 2012. Director editorial adjunto:
xxviii, 704 páginas : ilustraciones ; 28 cm. Dr. José Luis Morales Saavedra

Traducción de: Essential biochemistry -- 2nd ed. Editora asociada:
Incluye índice Lic. Vanessa Berenice
ISBN 978-607-448-218-8
ISBN 978-607-448-219-5 (versión electrónica) Torres Rodríguez

1. Bioquímica. Diseño de portada:
I. Cornely, Kathleen. II. Palacios Martínez, Roberto, traductor. DP. Cynthia Karina Oropeza Heredia
III. título.

572-scdd21 Biblioteca Nacional de México

ACERCA DE LAS AUTORAS

Charlotte Pratt es bióloga egresada de la University of Notre Dame, y recibió un doctorado
en bioquímica de la Duke University. Como química especializada en proteínas, ha investi-
gado la coagulación sanguínea y la inflamación en la University of North Carolina en Chapel
Hill. En la actualidad es miembro del Departamento de Biología en la Seattle Pacific Univer-
sity. Sus áreas de especialidad incluyen evolución molecular, acción enzimática y la relación
entre procesos metabólicos y enfermedad. Además de ser autora de numerosos artículos de inves-
tigación y revisión, es autora principal de un libro de texto y coatora, con Donald Voet y
Judith G. Voet, de Fundamentos de bioquímica.
Kathleen Cornely tiene licenciatura en química de la Bowling Green State University
(Ohio), maestría en bioquímica de la Indiana University, y doctorado en bioquímica de la
nutrición de la Cornell University. Su investigación experimental incluye una amplia gama de
estudios sobre purificación y modificación química de proteínas. En la actualidad es Professor
of Chemistry and Biochemistry en el Providence College, donde ha impartido cursos de bioquí-
mica, química orgánica y química general. Su trabajo profesional reciente se ha concentrado
en la enseñanza de la química, en particular el uso de estudios de caso e indagación guiada en la
enseñanza de la bioquímica. Es miembro del consejo editorial de Biochemistry and Molecular
Biology Education y del Educational and Professional Development Committee de la American
Society for Biochemistry and Molecular Biology.

|V



RESUMEN DEL CONTENIDO

primera parte ESTRUCTURA Y FUNCIÓN MOLECULARES

1. BASE QUÍMICA DE LA VIDA 1
2. QUÍMICA DEL AGUA 24
3. DE LOS GENES A LAS PROTEÍNAS 51
4. ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS 87
5. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS 120
6. CÓMO FUNCIONAN LAS ENZIMAS 154
7. CINÉTICA E INHIBICIÓN ENZIMÁTICAS 183
8. LÍPIDOS Y MEMBRANAS 215
9. TRANSPORTE DE MEMBRANA 235
10. SEÑALIZACIÓN 257
11. CARBOHIDRATOS 279

segunda parte REACCIONES METABÓLICAS

12. METABOLISMO Y ENERGÍA LIBRE 296 500
13. METABOLISMO DE LA GLUCOSA 324
14. CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO 359
15. FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 384
16. FOTOSÍNTESIS 409
17. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 433
18. METABOLISMO NITROGENADO 466
19. REGULACIÓN DEL METABOLISMO

DEL COMBUSTIBLE EN LOS MAMÍFEROS

tercera parte MANEJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

20. DUPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA 520
21. TRANSCRIPCIÓN DEL RNA 555
22. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS 585

| VII



CONTENIDO DETALLADO

primera parte ESTRUCTURA Y FUNCIÓN MOLECULARES

1 BASE QUÍMICA DE LA VIDA 1 RECUADRO 2-D NOTAS CLÍNICAS: Equilibrio acidobásico en
el ser humano 43
1-1 ¿Qué es la bioquímica? 2 6
3 DE LOS GENES A LAS PROTEÍNAS 51
1-2 Moléculas biológicas 3
Las células contienen cuatro tipos principales de 3-1 El DNA es el material genético 52
biomoléculas 4 Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos 53
Existen tres tipos principales de polímeros biológicos Algunos nucleótidos tienen otras funciones 54
El DNA es una doble hélice 56
1-3 Energía y metabolismo 10 El RNA es monocatenario 59
Energía libre, entalpía y entropía 10 El DNA puede desnaturalizarse y renaturalizarse 59
¿Qué hace que un proceso sea espontáneo? 11
¿Por qué es la vida posible desde el punto de vista 3-2 Los genes codifican proteínas 61
termodinámico? 12 La mutación de un gen puede causar enfermedad 62

1-4 Origen y evolución de la vida 14 3-3 Genómica 65
El mundo prebiótico 14 El número de genes se correlaciona de manera aproximada
Orígenes de las células modernas 16 con la complejidad de los organismos 67
¿Cómo se identifican los genes? 68
RECUADRO 1-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Bioquímica ¿Qué nos dicen los datos genómicos? 70
cuantitativa 7 Otras variaciones genéticas se han vinculado con
enfermedades 71
RECUADRO 1-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: ¿Cómo actúa la
evolución? 16 3-4 Herramientas y técnicas: Manipulación del
DNA 71
PROYECTO DE BIOINFORMÁTICA 1: La bibliografía En la secuenciación del DNA se emplea DNA polimerasa
bioquímica 19 para formar una cadena complementaria 71
La reacción en cadena de la polimerasa amplifica
2 QUÍMICA DEL AGUA 24 DNA 74
Las enzimas de restricción cortan DNA en secuencias
2-1 Las moléculas de agua forman enlaces de específicas 75
El DNA recombinante se forma uniendo fragmentos de
hidrógeno 25 DNA 77
Los genes clonados generan productos valiosos 79
Los enlaces de hidrógeno son un tipo de fuerza Los organismos modificados por ingeniería genética
electrostática 26 tienen aplicaciones prácticas 79
La terapia génica ha tenido éxito limitado 81
El agua disuelve muchos compuestos 28
RECUADRO 3-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Algunos
2-2 Efecto hidrófobo 30 31 organismos modelo 66

Las moléculas anfifílicas experimentan tanto RECUADRO 3-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Transcriptómica
interacciones hidrófilas como el efecto hidrófobo y proteómica 69

El centro hidrofóbico de una bicapa lipídica es una RECUADRO 3-C UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Análisis de
barrera contra la difusión 32 bandas de DNA 76

2-3 Química de ácidos y bases 33 37 PROYECTO DE BIOINFORMÁTICA 2: Secuencias de
[H+] y [OH–] guardan relación inversa 34 nucleótidos 83
El pH de una solución puede modificarse 35
Un valor de pK describe la tendencia de un ácido a 4 ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS 87
ionizarse 35
El pH de una solución de ácido se relaciona con su pK 4-1 Las proteínas son cadenas de aminoácidos 89
Los 20 aminoácidos tienen diferentes propiedades
2-4 Herramientas y técnicas: Amortiguadores 40 químicas 89

RECUADRO 2-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: ¿Por qué | IX
flúor? 29

RECUADRO 2-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Sudor y
ejercicio 33

RECUADRO 2-C UN VISTAZO MÁS DE CERCA: ¿Qué tiene que
ver el CO2 atmosférico con los arrecifes de coral? 36

Los enlaces peptídicos unen aminoácidos en las La tubulina forma microtúbulos huecos 134
proteínas 92 Algunos fármacos afectan los microtúbulos 135
La queratina es un filamento intermedio 136
La secuencia de aminoácidos es el primer nivel de El colágeno es una triple hélice 138
estructura proteínica 95 Las moléculas de colágeno forman enlaces cruzados

4-2 Estructura secundaria: conformación del grupo de covalentes 139
péptidos 96
La hélice α exhibe una conformación de esqueleto 5-3 Proteínas motoras 141
torcido 97 La miosina tiene dos cabezas y una cola larga 141
La lámina β contiene múltiples cadenas de La miosina actúa por un mecanismo de palanca 143
polipéptidos 97 La cinesina es una proteína motora asociada a
Las proteínas también presentan estructura secundaria microtúbulos 143
irregular 98 La cinesina es un motor procesivo 147

4-3 Estructura terciaria y estabilidad de las RECUADRO 5-A NOTAS CLÍNICAS: Mutaciones de la
proteínas 99 hemoglobina 127
Las proteínas tienen centro hidrófobo 100
Las estructuras proteínicas son estabilizadas RECUADRO 5-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Enfermedades
principalmente por el efecto hidrófobo 101 genéticas del colágeno 141
Los enlaces cruzados ayudan a estabilizar las
proteínas 103 RECUADRO 5-C UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Mutaciones de
El plegamiento de las proteínas comienza con la la miosina y sordera 145
formación de estructuras secundarias 104
6 CÓMO FUNCIONAN LAS ENZIMAS 154
4-4 Estructura cuaternaria 108
6-1 ¿Qué es una enzima? 155
4-5 Herramientas y técnicas: Análisis de la Las enzimas suelen nombrarse con base en la reacción
estructura proteínica 109 que catalizan 157
La cromatografía aprovecha las propiedades únicas de los
polipéptidos 109 6-2 Química catalítica 158
La degradación de Edman y la espectrometría de masa Un catalizador establece una vía de reacción con una
revelan las secuencias de aminoácidos 111 barrera de energía de activación más baja 160
La estructura de las proteínas se determina por Las enzimas utilizan mecanismos catalíticos
cristalografía de rayos X, cristalografía electrónica y químicos 160
espectroscopia por RM 113 La tríada catalítica de la quimotripsina promueve la
hidrólisis de enlaces peptídicos 164
RECUADRO 4-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Quiralidad en la
naturaleza 91 6-3 Propiedades únicas de los catalizadores
enzimáticos 167
RECUADRO 4-B NOTAS CLÍNICAS: Plegamiento incorrecto de Las enzimas estabilizan el estado de transición 167
proteínas y enfermedad 105 La catálisis eficiente depende de efectos de proximidad y
orientación 169
PROYECTO DE BIOINFORMÁTICA 3: Estructuras El microambiente del sitio activo promueve la
proteínicas 114 catálisis 169

5 FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS 120 6-4 Otras características de las enzimas 170
No todas las serinproteasas están relacionadas por la
5-1 Mioglobina y hemoglobina: proteínas que fijan evolución 170
oxígeno 121 Enzimas con mecanismos similares exhiben diferente
La unión del oxígeno a mioglobina depende de la especificidad de sustrato 171
concentración de aquél 122 La quimotripsina es activada por proteólisis 172
Mioglobina y hemoglobina están relacionadas por la Los inhibidores de proteasa limitan la actividad de
evolución 123 proteasa 175
El oxígeno se une de manera cooperativa a la
hemoglobina 125 RECUADRO 6-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Descripción de
Un cambio de conformación explica el comportamiento mecanismos de reacción 163
cooperativo de la hemoglobina 126
Iones H+ y bisfosfoglicerato regulan la unión del oxígeno RECUADRO 6-B NOTAS CLÍNICAS: La coagulación sanguínea
a la hemoglobina in vivo 127 requiere una cascada de proteasas 173

5-2 Proteínas estructurales 131 7 CINÉTICA E INHIBICIÓN ENZIMÁTICAS 183
Los microfilamentos están hechos de actina 131
Los microfilamentos se extienden y retraen de manera 7-1 Introducción a la cinética enzimática 184
continua 132
7-2 Deducción y significado de la ecuación de
X | Contenido detallado Michaelis-Menten 185

Las ecuaciones de velocidad describen procesos El movimiento transmembrana de iones es mediado por
químicos 185 transportadores 239

La ecuación de Michaelis-Menten es una ecuación de 9-2 Transporte pasivo 240
velocidad para una reacción catalizada por enzima 186 Las porinas son proteínas en forma de barril 240
Los canales iónicos son altamente selectivos 241
KM es la concentración del sustrato a la cual la velocidad Los canales controlados experimentan cambios de
es la mitad del valor máximo 189 conformación 243
Algunas proteínas de transporte alternan entre
La constante catalítica describe la rapidez con que una conformaciones 244
enzima puede actuar 190
9-3 Transporte activo 245
kcat/KM indica la eficiencia catalítica 190 La Na,K-ATPasa cambia de conformación al bombear
KM y Vmáx se determinan experimentalmente 191 iones de un lado a otro de la membrana 245
No todas las enzimas se ajustan al modelo simple de Los transportadores ABC median la resistencia
farmacológica 247
Michaelis-Menten 192 En el transporte activo secundario se aprovechan
gradientes ya establecidos 247
7-3 Inhibición enzimática 195
Algunos inhibidores actúan de manera irreversible 195 9-4 Fusión de membranas 248
La inhibición competitiva es la forma más común de Los SNARE unen vesículas y membranas
inhibición enzimática reversible 197 plasmáticas 249
Los análogos de estado de transición inhiben enzimas 199 La fusión de membranas requiere de cambios en la
Otros tipos de inhibidores afectan Vmáx 203 curvatura de la bicapa 251
La regulación enzimática alostérica incluye inhibición y
activación 205 RECUADRO 9-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Las
Varios factores pueden influir en la actividad acuaporinas son poros específicos para agua 242
enzimática 207
RECUADRO 9-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Algunos
RECUADRO 7-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Desarrollo de fármacos interfieren en la señalización neuronal 250
fármacos 195
10 SEÑALIZACIÓN 257
RECUADRO 7-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Inhibidores de
enzimas del VIH 201 10-1 Características generales de las vías de
señalización 258
8 LÍPIDOS Y MEMBRANAS 215 Un ligando se une a un receptor con afinidad
característica 258
8-1 Lípidos 216 La mayor parte de la señalización ocurre a través de dos
Los ácidos grasos contienen largas cadenas de tipos de receptores 260
hidrocarburo 216 Los efectos de la señalización son limitados 261
Algunos lípidos contienen grupos cabeza polares 218
Los lípidos realizan diversas funciones fisiológicas 219 10-2 Vías de señalización por proteína G 262
Entre los receptores acoplados a proteína G se incluyen
8-2 Bicapa lipídica 222 las hélices de siete pases por membrana 262
La bicapa es una estructura fluida 223 El receptor activa una proteína G 263
Las bicapas naturales son asimétricas 225 La adenilato ciclasa genera el segundo mensajero AMP
cíclico 264
8-3 Proteínas de membrana 226 El AMP cíclico activa la proteincinasa A 264
Las proteínas integrales de membrana atraviesan ésta de Las vías de señalización también pueden ser
lado a lado 226 desactivadas 266
Una hélice α puede cruzar la bicapa 226 La vía de señalización por fosfoinosítido genera dos
Una lámina β transmembrana tiene forma de barril 227 segundos mensajeros 267
Las proteínas unidas a lípido se fijan a la La calmodulina media algunas señales de Na+ 268
membrana 228
10-3 Tirosincinasas receptoras 268
8-4 Modelo del mosaico fluido 229 El receptor de insulina tiene dos sitios de unión a
Las glucoproteínas de membrana dan hacia el exterior de ligando 268
la célula 230 El receptor experimenta autofosforilación 269

RECUADRO 8-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Las vitaminas 10-4 Señalización por hormonas lipídicas 272
lipídicas A, D, E y K 221 Los eicosanoides son señales de corto alcance 273

RECUADRO 8-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Liposomas RECUADRO 10-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Detección de
como vehículos para suministro de fármacos 223 poblaciones en bacterias 259

9 TRANSPORTE DE MEMBRANA 235 Contenido detallado | XI

9-1 Termodinámica del transporte de membrana 236
Los movimientos de iones modifican el potencia de
membrana 236

RECUADRO 10-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Señalización Celulosa y quitina dan soporte estructural 286
celular y cáncer 271 Los polisacáridos bacterianos forman una biopelícula 288

RECUADRO 10-C UN VISTAZO MÁS DE CERCA: 11-3 Glucoproteínas 288
Ácido acetilsalicílico y otros inhibidores de la Los oligosacáridos con enlace N experimentan
ciclooxigenasa 274 procesamiento 288
Los oligosacáridos con enlace O tienden a ser
11 CARBOHIDRATOS 279 grandes 289
¿Cuál es el objetivo de los grupos de
11-1 Monosacáridos 280 oligosacáridos? 289
La mayoría de los carbohidratos son compuestos Los proteoglucanos contienen largas cadenas de
quirales 280 glucosaminoglucanos 290
La ciclización genera anómeros α y β 281 Las paredes celulares bacterianas están hechas de
Los monosacáridos pueden derivarse de muchas maneras peptidoglucano 292
distintas 282
RECUADRO 11-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Polisacáridos
11-2 Polisacáridos 284 vegetales 287
Lactosa y sacarosa son los disacáridos más
comunes 284 RECUADRO 11-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Sistema de
Almidón y glucógeno son moléculas de almacenamiento grupos sanguíneos ABO 291
de combustible 285

segunda parte REACCIONES METABÓLICAS

12 METABOLISMO Y ENERGÍA LIBRE 296 13 METABOLISMO DE LA GLUCOSA 324

12-1 Alimento y combustible 297 13-1 Glucólisis 326
Las reacciones 1 a 5 constituyen la fase de inversión de
Los productos de la digestión son captados por 299 energía de la glucólisis 328
células 297 Las reacciones 6 a 10 comprenden la fase de
rendimiento de energía de la glucólisis 332
Los monómeros se almacenan como polímeros El piruvato es convertido en otras sustancias 337
Los combustibles se movilizan conforme se les
13-2 Gluconeogénesis 341
requiere 300 Cuatro enzimas gluconeogénicas más algunas enzimas
glucolíticas convierten el piruvato en glucosa 342
12-2 Vías metabólicas 302 La gluconeogénesis se regula en el paso de fructosa
bisfosfatasa 343
Algunas vías metabólicas importantes comparten unos
pocos intermediarios comunes 302 13-3 Síntesis y degradación de glucógeno 344
La síntesis de glucógeno consume la energía libre del
Muchas vías metabólicas incluyen reacciones UTP 345
redox 304 La glucógeno fosforilasa cataliza la glucogenólisis 347

Las vías metabólicas son complejas 306 13-4 Vía de las pentosas 348
El metabolismo humano depende de las Las reacciones oxidativas de la vía de las pentosas
producen NADPH 349
vitaminas 308 Las reacciones de isomerización e interconversión
generan diversos monosacáridos 350
12-3 Cambios de energía libre en las reacciones Resumen del metabolismo de la glucosa 352

metabólicas 311 RECUADRO 13-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Catabolismo
de otros azúcares 337
El cambio de energía libre depende de las
concentraciones de reactivos 311 RECUADRO 13-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Metabolismo
de alcohol 339
Las reacciones desfavorables se acoplan a reacciones
favorables 313 RECUADRO 13-C UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Síntesis de
otros sacáridos 346
¿Qué hay de especial en el ATP? 314
La energía libre puede asumir distintas formas 315 RECUADRO 13-D NOTAS CLÍNICAS: Enfermedades del
La regualción ocurre en los pasos con los mayores almacenamiento de glucógeno 347

cambios de energía libre 317

RECUADRO 12-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: El metaboloma
revela la actividad metabólica de una célula 308

RECUADRO 12-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Activación de
los músculos humanos 316

PROYECTO DE BIOINFORMÁTICA 4: Vías metabólicas 319

XII | Contenido detallado

14 CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO 359 El gradiente de protones es un gradiente
electroquímico 398
14-1 Reacción de la piruvato deshidrogenasa 360
El complejo de piruvato deshidrogenasa contiene 15-4 ATP sintetasa 400
múltiples copias de tres enzimas distintas 361 La ATP sintetasa gira a medida que transpone
La piruvato deshidrogenasa convierte piruvato en acetil- protones 400
CoA 361 El mecanismo de cambio de enlace explica cómo se
produce el ATP 401
14-2 Las ocho reacciones del ciclo del ácido cítrico 364 La relación P:O describe la estequiometría de la
1. La citrato sintasa añade un grupo acetilo al fosforilación oxidativa 402
oxalacetato 364 La velocidad de la fosforilación oxidativa depende de la
2. La aconitasa isomeriza citrato a isocitrato 366 velocidad del catabolismo de combustible 402
3. La isocitrato deshidrogenasa libera el primer
CO2 366 RECUADRO 15-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Los agentes de
4. La α-cetoglutarato deshidrogenasa libera el segundo desacoplamiento impiden la síntesis de ATP 403
CO2 367
5. La succinil-CoA sintetasa cataliza la fosforilación a 16 FOTOSÍNTESIS 409
nivel del sustrato 369
6. La succinato deshidrogenasa genera ubiquinol 371 16-1 Cloroplastos y energía solar 410
7. La fumarasa cataliza una reacción de Los pigmentos absorben luz de diferentes longitudes de
hidratación 371 onda 411
8. La malato deshidrogenasa regenera oxalacetato 371 Los complejos cosechadores de luz transfieren energía al
El ciclo del ácido cítrico es un ciclo catalítico generador centro de reacción 413
de energía 372
El ciclo del ácido cítrico es regulado en tres pasos 372 16-2 Fase luminosa 414
Es probable que el ciclo del ácido cítrico haya surgido El fotosistema II es una enzima redox activada por
como una vía sintética 373 luz 415
El complejo liberador de oxígeno del fotosistema II
14-3 Funciones anabólicas y catabólicas del ciclo del oxida agua 416
ácido cítrico 374 El citocromo b6f vincula los fotosistemas I y II 417
Los intermediarios del ciclo del ácido cítrico son Una segunda fotooxidación ocurre en el
precursores de otras moléculas 374 fotosistema I 418
Las reacciones anapleróticas restituyen intermediarios La quimiósmosis aporta la energía libre para la síntesis
del ciclo del ácido cítrico 377 de ATP 421

RECUADRO 14-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Asimetría en el 16-3 Fijación de carbono 422
ciclo del ácido cítrico 368 La rubisco cataliza la fijación de CO2 422
El ciclo de Calvin reordena moléculas de azúcar 424
RECUADRO 14-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Vía del La disponibilidad de luz regula la fijación de
glioxilato 376 carbono 427
Los productos del ciclo de Calvin se utilizan para
15 FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 384 sintetizar sacarosa y almidón 427

15-1 Termodinámica de las reacciones redox 385 RECUADRO 16-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Vía C4 425
El potencial de reducción indica la tendencia de una
sustancia a aceptar electrones 386 17 METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 433
El cambio de energía libre puede calcularse a partir del
cambio en el potencial de reducción 387 17-1 Oxidación de ácidos grasos 436
Los ácidos grasos se activan antes de degradarse 436
15-2 Transporte mitocondrial de electrones 389 Cada ronda de oxidación β tiene cuatro
Las membranas mitocondriales definen dos reacciones 437
compartimientos 389 Para la degradación de ácidos grasos insaturados se
El complejo I transfiere electrones desde el NADH requiere de isomerización y reducción 440
hacia la ubiquinona 391 La oxidación de ácidos grasos de cadena impar genera
Otras reacciones de oxidación contribuyen a la reserva propionil-CoA 441
de ubiquinol 393 Ocurre alguna oxidación de ácidos grasos en los
El complejo III transfiere electrones del ubiquinol al peroxisomas 443
citocromo c 394
El complejo IV oxida citocromo c y reduce O2 396 17-2 Síntesis de ácidos grasos 445
La acetil-CoA carboxilasa cataliza el primer paso de la
15-3 Quimiósmosis 398 síntesis de ácidos grasos 445
La quimiósmosis vincula el transporte de electrones con La ácido graso sintasa cataliza siete reacciones 446
la fosforilación oxidativa 398
Contenido detallado | XIII

Otras enzimas alargan y desaturan ácidos grasos recién La degradación de nucleótidos produce ácido úrico o
sintetizados 449 aminoácidos 485

La síntesis de ácidos grasos puede ser activada e 18-4 Catabolismo de los aminoácidos 486
inhibida 450 Los aminoácidos son glucogénicos, cetogénicos, o
ambas cosas 487
La acetil-CoA puede ser convertida en cuerpos
cetónicos 452 18-5 Eliminación de nitrógeno: ciclo de la urea 490
El glutamato aporta nitrógeno al ciclo de la urea 491
17-3 Síntesis de otros lípidos 454 El ciclo de la urea consta de cuatro reacciones 492
Triacilgliceroles y fosfolípidos se construyen a partir de
grupos acil-CoA 454 RECUADRO 18-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Óxido
La síntesis de colesterol comienza con acetil-CoA 457 nítrico 479
El colesterol puede usarse de varias maneras 457
Resumen del metabolismo de los lípidos 460 RECUADRO 18-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Errores innatos
del metabolismo 490
RECUADRO 17-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Grasas, dieta y
cardiopatía 450 19 REGULACIÓN DEL METABOLISMO DEL

RECUADRO 17-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Triclosán, un COMBUSTIBLE EN LOS MAMÍFEROS 500
inhibidor de la síntesis de ácidos grasos 451
19-1 Integración del metabolismo del
18 METABOLISMO NITROGENADO 466
combustible 501
18-1 Fijación y asimilación del nitrógeno 467
La nitrogenasa convierte N2 en NH3 467 Los órganos se especializan en diferentes funciones 501
El amoniaco es asimilado por glutamina sintetasa y Los metabolitos viajan entre distintos órganos 503
glutamato sintasa 467
La transaminación desplaza grupos amino entre 19-2 Control hormonal del metabolismo del
compuestos 469
combustible 505
18-2 Biosíntesis de aminoácidos 471
Varios aminoácidos se sintetizan con facilidad a partir Se libera insulina en respuesta a la glucosa 505
de metabolitos comunes 471 La insulina promueve el uso y almacenamiento de
Los metabolitos con azufre, cadenas ramificadas o grupos
aromáticos con más difíciles de sintetizar 473 combustible 506
Los aminoácidos son los precursores de algunas Glucagon y epinefrina activan la movilización de
moléculas de señalización 477
combustible 508
18-3 Biosíntesis de nucleótidos 480 Hormonas adicionales influyen en el metabolismo del
La síntesis de nucleótidos purínicos genera IMP y luego
AMP y GMP 480 combustible 509
La síntesis de nucleótidos pirimidínicos genera UTP y La proteíncinasa dependiente de AMP actúa como
CTP 481
La ribonucleótido reductasa convierte ribonucleótidos sensor de combustible 509
en desoxinucleótidos 482
Los nucleótidos timidínicos se producen por 19-3 Trastornos del metabolismo del combustible 510
metilación 483
El cuerpo genera glucosa y cuerpos cetónicos durante la
inanición 510

La obesidad tiene múltiples causas 511
La diabetes se caracteriza por hiperglucemia 512
El síndrome metabólico vincula obesidad y diabetes 513

RECUADRO 19-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: El microbioma
intestinal contribuye al metabolismo 503

tercera parte MANEJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA

20 DUPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA 520 La DNA polimerasa realiza la lectura de pruebas del
DNA recién sintetizado 530
20-1 Superarrollamiento del DNA 521
Las topoisomerasas modifican el superarrollamiento del Se requieren una RNasa y una ligasa para completar la
DNA 522 cadena atrasada 531

20-2 Maquinaria de duplicación del DNA 524 20-3 Telómeros 533
La duplicación ocurre en “fábricas” 524
Las helicasas convierten DNA bicatenario en DNA La telomerasa extiende los cromosomas 533
monocatenario 525 ¿Está vinculada con la inmortalidad la actividad de
La DNA polimerasa enfrenta dos problemas 526
Las DNA polimerasas comparten una estructura y un telomerasa? 535
mecanismo en común 528
20-4 Daño y reparación del DNA 536
XIV | Contenido detallado
El daño del DNA es inevitable 539

Las enzimas de reparación restauran algunos tipos de El procesamiento de rRNA y tRNA incluye adición,
DNA dañado 540 deleción y modificación de nucleótidos 577

La reparación por escisión de bases corrige los daños RECUADRO 21-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Proteínas de
más frecuentes del DNA 540 unión a DNA 563

La reparación por escisión de nucleótidos actúa en la RECUADRO 21-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: RNA: una
segunda forma más común de daño del DNA 543 molécula versátil 578

Las roturas de la doble cadena pueden repararse 22 SÍNTESIS DE PROTEÍNAS 585
mediante unión de los extremos 543
22-1 Aminoacilación de tRNA 587
La recombinación también restaura moléculas de DNA La aminoacilación de tRNA consume ATP 587
rotas 544 Algunas sintetasas tienen actividad de lectura de
pruebas 590
20-5 Empaque del DNA 546 Los anticodones de tRNA se parean con codones de
La unidad fundamental de empaque del DNA es el mRNA 590
nucleosoma 546
Las histonas sufren modificación covalente 547 22-2 Estructura de los ribosomas 591
El DNA también experimenta modificación 22-3 Traducción 594
covalente 548
El inicio requiere de un tRNA iniciador 594
RECUADRO 20-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: VIH y Los tRNA apropiados se envían al ribosoma durante la
transcriptasa inversa 534
elongación 596
RECUADRO 20-B NOTAS CLÍNICAS: El cáncer es una El sitio activo de la peptidiltransferasa cataliza la
enfermedad genética 536
formación de enlaces peptídicos 598
21 TRANSCRIPCIÓN DEL RNA 555 Factores de liberación median la terminación de la

21-1 Inicio de la transcripción 557 traducción 600
El remodelado de la cromatina puede preceder a la La traducción es eficiente in vivo 602
transcripción 557 22-4 Procesos postraduccionales 603
La transcripción comienza en los promotores 559 Las carabinas promueven el plegamiento de
Los factores de transcripción reconocen promotores
eucarióticos 560 proteínas 603
Intensificadores y silenciadores actúan a distancia del La partícula de reconocimiento de señal se une
promotor 561
Los operones procarióticos permiten la expresión génica a algunas proteínas para su transposición de
coordinada 564 membrana 605
Muchas proteínas experimentan modificación
21-2 RNA polimerasa 566 covalente 608
La RNA polimerasa es una enzima procesiva 568
La elongación de la transcripción requiere un cambio RECUADRO 22-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA: El código
conformacional en la RNA polimerasa 568 genético expandido 591
La transcripción se concluye de varias maneras 570
RECUADRO 22-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA: Antibióticos
21-3 Procesamiento del RNA 571 que inhiben la síntesis de proteínas 599
Los mRNA eucarióticos reciben un casquete 5’ y una
cola poli(A) 3’ 571 GLOSARIO 615
El empalme elimina intrones de los genes
eucarióticos 572 SOLUCIONES 629
el recambio de mRNA y la interferencia de RNA
limitan la expresión génica 575 ÍNDICE 683

Contenido detallado | XV



APLICACIONES Y EJERCICIOS EN LÍNEA

Muchos aspectos fascinantes de la bioquímica son difí- Sistema de grupos sanguíneos ABO 291
ciles de ubicar en las páginas de un libro de texto. Por El metaboloma revela la actividad metabólica de una
ello, algunos materiales se han colocado en recuadros
que no interrumpen el flujo del texto. Los recuadros ti- célula 308
tulados Un vistazo más de cerca cubren aplicaciones Activación de los músculos humanos 316
bioquímicas, salud humana y otros temas que contribu- Catabolismo de otros azúcares 337
yen a que el estudiante comprenda la bioquímica. Ade- Metabolismo de alcohol 339
más, los recuadros Notas clínicas exploran en detalle la Síntesis de otros sacáridos 346
bioquímica que subyace a determinadas enfermeda- Asimetría en el ciclo del ácido cítrico 368
des del ser humano y se acompañan de preguntas para Vía del glioxilato 376
probar la comprensión del estudiante. Por último, los Los agentes de desacoplamiento impiden la síntesis de
Proyectos de bioinformática tienen un enfoque de reco-
rrido guiado y un conjunto de preguntas para introdu- ATP 403
cir a los lectores en las bases de datos y herramientas Vía C4 425
en línea utilizadas por los investigadores. Grasas, dieta y cardiopatía 450
Triclosán, un inhibidor de la síntesis de ácidos
UN VISTAZO MÁS DE CERCA
Bioquímica cuantitativa 7 grasos 451
Óxido nítrico 479
¿Cómo actúa la evolución? 16 Errores innatos del metabolismo 490
El microbioma intestinal contribuye al
¿Por qué flúor? 29
metabolismo 503
Sudor y ejercicio 33 VIH y transcriptasa inversa 534
Proteínas de unión a DNA 563
¿Qué tiene que ver el CO2 atmosférico con los arrecifes de RNA: una molécula versátil 578
coral? 36 El código genético expandido 591
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas 599
Algunos organismos modelo 66
NOTAS CLÍNICAS
Transcriptómica y proteómica 69 Equilibrio acidobásico en el ser humano 43
Plegamiento incorrecto de proteínas y enfermedad 105
Análisis de bandas de DNA 76 Mutaciones de la hemoglobina 127
La coagulación sanguínea requiere una cascada de
Quiralidad en la naturaleza 91
proteasas 173
Enfermedades genéticas del colágeno 141 Enfermedades del almacenamiento de glucógeno 347
El cáncer es una enfermedad genética 536
Mutaciones de la miosina y sordera 145
PROYECTOS DE BIOINFORMÁTICA
Descripción de mecanismos de reacción 163 Proyecto 1: La bibliografía bioquímica 19
Proyecto 2: Secuencias de nucleótidos 83
Desarrollo de fármacos 195 Proyecto 3: Estructuras proteínicas 114
Proyecto 4: Vías metabólicas 319
Inhibidores de enzimas del VIH 201

Las vitaminas lipídicas A, D, E y K 221

Liposomas como vehículos para suministro de
fármacos 223

Las acuaporinas son poros específicos para agua 242

Algunos fármacos interfieren en la señalización
neuronal 250

Detección de poblaciones en bacterias 259

Señalización celular y cáncer 271

Ácido acetilsalicílico y otros inhibidores de la
ciclooxigenasa 274

Polisacáridos vegetales 287

| XVII



PREFACIO

El éxito de la primera edición de Bioquímica y la realimentación recibida de instructores y
estudiantes ha motivado a las autoras a escribir una segunda edición en la que se actualiza el
contenido, se mejora la presentación de algunos materiales y promueve aún más el desarrollo
de habilidades analíticas en el estudiante.

¿Por qué escribir este libro?

Hace varios años, las autoras se dieron a la tarea de escribir un texto introductorio de bioquí-
mica para un curso de un semestre en el que se combinaran descripciones sucintas y claras
con series extensas de problemas. Pensaban que los estudiantes se beneficiarían de un enfo-
que moderno con una cobertura amplia pero no abrumadora de hechos bioquímicos, que se
concentrara en la química atrás de la biología y que ofreciera a los estudiantes conocimiento
práctico y oportunidades de resolución de problemas.

Quienes escriben esto ven la obra no como una enciclopedia plagada de hechos que deben
memorizarse, sino más bien como un recorrido guiado por la bioquímica. Sus objetivos son
proporcionar un cimiento sólido en la bioquímica; presentar información completa y actua-
lizada; mostrar a los estudiantes los lados práctico y clínico de la bioquímica; y cuando es
posible, señalar aspectos inusuales, interesantes e históricos de esta ciencia. Se hace todo es-
fuerzo posible por usar una prosa sencilla y clara, así como por organizar el texto de modo
que constituya una guía útil. Se espera que los estudiantes puedan usarlo para abordar con-
fiados los problemas del final de cada capítulo y alcancen una comprensión más profunda de
la bioquímica a través de la resolución de problemas.

¿Qué es nuevo en la segunda edición?

La bioquímica es un campo en rápida evolución, por lo que en esta entrega se han incorpo-
rado varios temas nuevos y se han eliminado otros para mantener una cobertura ágil. Algu-
nas adiciones significativas a la segunda edición son exposiciones sobre:
• acidificación de los océanos
• análisis de bandas de DNA
• pirosecuenciación de DNA
• proteínas intrínsecamente desestructuradas
• proceso del desarrollo de fármacos
• mecanismos de las proteínas de transporte de membrana
• estructura de los receptores acoplados a proteína G
• detección de poblaciones en bacterias
• metabolómica
• proteincinasa dependiente de AMP
• síndrome metabólico
• funciones de diversas DNA polimerasas
• RNA no codificante
• interferencia de RNA
• código de histonas

En respuesta a la realimentación proporcionada por los revisores, se han expandido y aclara-
do las explicaciones de varios temas, por ejemplo:
• purificación de proteínas por cromatografía
• convención de flechas curvas para representar mecanismos de reacción

| XIX

• tres tipos principales de inhibición enzimática

• descripciones sistemáticas de las estructuras de lípidos y carbohidratos

• descripciones de vitaminas

• termodinámica de las reacciones metabólicas

• relaciones P:O actualizadas

• comparación de aminoácidos esenciales y no esenciales

• biosíntesis y degradación de nucleótidos

• funciones metabólicas de diferentes órganos

• estructura de la cromatina

• empalme alterno de RNA

Mejoras pedagógicas

También se han agregado nuevas características encaminadas a mejorar tanto la presentación
de los conceptos como las capacidades de resolución de problemas de los estudiantes.

• Notas clínicas. En estos recuadros se presentan descripciones detalladas de determinados
trastornos, que incluyen bases bioquímicas, síntomas y tratamiento. Los temas que se
destacan de esta manera son trastornos del equilibrio acidobásico, enfermedades que re-
sultan de plegamiento incorrecto de proteínas, mutaciones de la hemoglobina, problemas
de la coagulación sanguínea, enfermedades del almacenamiento de glucógeno, y cáncer.
Cada recuadro Notas clínicas se acompaña de una serie de preguntas que podrían asignarse
como tarea.

• 400 nuevos problemas. Dado que responder preguntas y resolver problemas lleva a los
estudiantes a un nivel más profundo que la simple lectura, las series de problemas del final
de cada capítulo se han expandido en gran medida en esta segunda edición, con 400
nuevos problemas para un total de más de 1,000 problemas de diversos tipos. Éstos se
agrupan por sección y están diseñados para que el estudiante recuerde información, la
aplique en situaciones nuevas, establezca conexiones entre diferentes temas, y relacione
nuevo material con el aprendido antes en el curso actual u otros anteriores. Muchos pro-
blemas son estudios de caso basados en datos de publicaciones de investigación e informes
clínicos. A fin de maximizar las oportunidades de que los estudiantes lleguen a la com-
prensión por sí mismos, virtualmente todos los problemas están dispuestos en pares que
abordan el mismo tema o temas relacionados. La solución al primer problema de cada par
(con numeración impar) se presenta en el apéndice. Por tanto, la serie de problemas también
puede usarse para actividades en clase o en tareas asignadas.

• Proyectos de bioinformática. Estos cuatro ejercicios, que exploran bibliografía bioquí-
mica, secuencias de nucleótidos, estructuras proteínicas y vías metabólicas, están diseña-
dos para introducir a los estudiantes a las bases de datos y las herramientas de software en
línea relacionadas con la bioinformática. En estos proyectos a profundidad, se dan a los
estudiantes instrucciones para acceder a diferentes tipos de información y se les plantean
preguntas específicas y sugerencias para explorar más las bases de datos.

• Secciones de herramientas y técnicas. Estas partes del texto, que aparecen al final de
los capítulos 2, 3 y 4, muestran algunos aspectos prácticos de la bioquímica y presentan
una revisión de algunas técnicas experimentales clave que es probable que los estudiantes
encuentren en sus lecturas o en su experiencia de laboratorio, como la elaboración de
soluciones amortiguadoras, las técnicas para manipular ácidos nucleicos (secuenciación
de DNA, RCP, DNA recombinante, organismos modificados por ingeniería genética, y
terapia génica), y los análisis de proteínas (separaciones por cromatografía, secuenciación
de proteínas y técnicas para determinar la estructura tridimensional de proteínas).

• Recuadros Un vistazo más de cerca. Estos recuadros, que presentan materiales temáti-
camente distintos del texto principal, se han actualizado y expandido; en esta segunda
edición se incluyen doce nuevos de estos recuadros.

XX | Prefacio

• Conceptos clave y Preguntas para repaso de conceptos. A fin de ayudar a los estu-
diantes a usar el texto como libro guía, cada sección de la obra ahora comienza con una
serie de Conceptos clave y termina con un conjunto de Preguntas para repaso de concep-
tos con fines de autoestudio. Dentro de cada sección, los encabezados de segundo orden
son oraciones descriptivas para repaso rápido.

• Resumen. El resumen de cada capítulo destaca conceptos importantes, agrupados por
sección; esto ayuda a estudiantes e instructores a ubicar dónde se encuentran en el apren-
dizaje y la enseñanza, respectivamente.

• Diseño. El diseño de las páginas se mejoró para una imagen más limpia. Muchas figuras
se rehicieron y colorearon para enfatizar mejor diferentes aspectos de la estructura quí-
mica y las transformaciones metabólicas. Se crearon numerosas figuras de estructuras y
procesos moleculares de manera específica para esta segunda edición. En el texto se pre-
sentan notas junto a ecuaciones clave para recordar a los estudiantes el modo en que estas
ecuaciones pueden emplearse en la resolución de problemas.

Características distintivas que se retienen de
la primera edición

Además de las nuevas características antes enumeradas, la segunda edición de Bioquímica
hace uso de numerosos atributos para promover el aprendizaje del estudiante.

• Cada capítulo comienza con una pequeña sección titulada Este capítulo en contexto, la
cual orienta al lector sobre los temas principales del capítulo y el modo en que se relacio-
nan con los otros capítulos.

• La fotografía capitular relaciona el tema principal del capítulo con algún aspecto de la
biología.

• Los ejemplos de cálculo ilustran el uso de ecuaciones en termodinámica (capítulo 1),
química de ácidos y bases (capítulo 2), fenómenos de enlace (capítulo 5), cinética enzi-
mática (capítulo 7), procesos de transporte (capítulo 9), equilibrio (capítulo 12) y quími-
ca redox (capítulo 15).

• En los lugares apropiados del capítulo aparecen recordatorios para explorar los recursos
en línea.

• Las oraciones que resumen puntos importantes aparecen en cursivas. Los términos clave
se presentan en negritas. Sus definiciones también se incluyen en el glosario.

• Una figura de revisión que ilustra todas las principales vías metabólicas se presenta en el
capítulo 12 y se repasa en capítulos ulteriores sobre metabolismo. Los capítulos 13 y 17,
que se concentran en vías metabólicas, incluyen una figura resumen adicional como auxi-
liar de estudio.

• Al final de cada capítulo se presenta una lista de lecturas seleccionadas, donde se reco-
miendan y comentan artículos breves recientes, la mayoría de revisión, que es probable
que el lector encuentre útiles como fuentes de información adicional.

Al instructor

Las autoras eligieron enfocarse en los aspectos de la bioquímica que tienden a recibir escasa
cobertura en otros cursos o que representan un desafío para muchos estudiantes. Así, en el
presente libro se dedica proporcionalmente más espacio a temas como química de ácidos y
bases, mecanismos enzimáticos, cinética enzimática, reacciones redox, fosforilación oxidativa,
fotosíntesis y enzimología de duplicación, transcripción y traducción del DNA. Al mismo
tiempo, se reconoce que los estudiantes pueden sentirse abrumados por la cantidad de infor-
mación. Para contrarrestar esta tendencia, intencionalmente se han omitido algunos detalles,
en particular en los capítulos sobre vías metabólicas, a fin de poner de relieve algunos temas
generales, como la naturaleza escalonada de las vías enzimáticas, su evolución y su regulación.

Prefacio | XXI

De conformidad con el enfoque de libro guía de bioquímica, se ha intentado poner algu-
na información en su contexto biológico más amplio contando una historia. Por ejemplo, en
el capítulo 3 la naturaleza genética de la fibrosis quística pone el escenario para explicar el
dogma central de la biología molecular. La generación de impulsos se vincula con informa-
ción sobre permeabilidad, transporte y fusión de membrana en el capítulo 9. En el capítulo
17, diferentes aspectos del metabolismo de los lípidos se relacionan con la aterosclerosis.

Los 22 capítulos de Bioquímica son relativamente breves, de modo que los estudiantes
pueden dedicar menos tiempo a leer y más tiempo a ampliar su conocimiento por medio de
la resolución activa de problemas. La mayoría de los problemas requieren de algún análisis
más que la simple recordación de hechos. Muchos problemas basados en datos de investiga-
ción permiten a los estudiantes una mirada fugaz al “mundo real” de la ciencia y la medicina.

Organización

Aunque cada capítulo de Bioquímica, segunda edición está diseñado para ser autónomo en el
sentido de que puede estudiarse en cualquier momento del curso, los 22 capítulos se organi-
zan en tres partes que cubren los principales temas de la bioquímica, como relación entre
estructura y función, transformación de materia y energía, y almacenamiento y uso de infor-
mación genética.

La primera parte del texto incluye un capítulo introductorio, uno dedicado al agua, y otro
sobre la base genética de la estructura y la función macromoleculares (capítulo 3, De los
genes a las proteínas). Siguen capítulos sobre estructura (capítulo 4) y funciones de las pro-
teínas (capítulo 5). El estudio de mioglobina y hemoglobina, que hacía el capítulo 4 de la
primera edición un tanto voluminoso, se ha pasado al capítulo 5, que incluye además una
cobertura ágil de las proteínas citosqueléticas y motoras. Una explicación del modo en que
funcionan las proteínas (capítulo 6) precede a la discusión de la cinética enzimática (capítu-
lo 7), lo cual permite a los estudiantes captar la importancia de las enzimas y concentrarse en
la química de las reacciones catalizadas por enzimas antes de sumergirse en los aspectos más
cuantitativos de la cinética enzimática. El extenso capítulo sobre membranas biológicas de la
primera edición se dividió en dos (capítulo 8, Lípidos y membranas, y capítulo 9, Transpor-
te de membrana). La segunda edición también incluye un nuevo capítulo sobre señalización
(capítulo 10), que amplía mucho la cobertura de hormonas y receptores. Por último, el ma-
terial sobre química de los carbohidratos, que estaba disperso en varios capítulos en la edi-
ción anterior, se reunió en uno solo (capítulo 11, Carbohidratos), el cual completa el estudio
de estructura y función moleculares.

La segunda parte comienza con una introducción al metabolismo que da un panorama
general sobre adquisición, almacenamiento y movilización de combustible y sobre la termo-
dinámica de las reacciones moleculares (capítulo 12). A esto siguen, de la manera tradicional,
capítulos sobre metabolismo de glucosa y glucógeno (capítulo 13); ciclo del ácido cítrico
(capítulo 14); transporte de electrones y fosforilación oxidativa (capítulo 15); reacciones lu-
mínicas y oscuras de la fotosíntesis (capítulo 16); catabolismo y biosíntesis de lípidos (capí-
tulo 17); y vías en que participan compuestos nitrogenados, como síntesis y degradación de
aminoácidos, síntesis y degradación de nucleótidos, y ciclo del nitrógeno (capítulo 18). El
capítulo final de la segunda parte explora la integración del metabolismo de los mamíferos,
con extensas exposiciones del control hormonal de las vías metabólicas y los trastornos del
metabolismo del combustible (capítulo 19).

La tercera parte, dedicada al manejo de la información genética, incluye tres capítulos,
que cubren la duplicación y reparación del DNA (capítulo 20), su transcripción (capítulo
21) y la síntesis de proteínas (capítulo 22). Dado que estos temas suelen cubrirse en otros
cursos, Los capítulos 20 a 22 ponen de relieve los detalles bioquímicos relevantes, como ac-
ción de la topoisomerasa, estructura del nucleosoma, mecanismos de polimerasas y otras
enzimas, estructuras de proteínas accesorias, estrategias de lectura de pruebas, y plegamiento
de proteínas asistido por carabinas. El material sobre cáncer (capítulo 18 en la primera edi-
ción) se ha incorpora ahora en el capítulo 20.

XXII | Prefacio

Recursos electrónicos

Los recursos electrónicos incluyen:

Personalizar la experiencia de aprendizaje y aprovechar muchas oportunidades de autovalo-
ración de las porciones relevantes del texto.
• Ejercicios de tarea en línea. Más de 750 preguntas basadas en conceptos, que dan rea-

limentación descriptiva inmediata para que los estudiantes expliquen por qué una res-
puesta es correcta o incorrecta.
• Figuras animadas. 51 figuras que ilustran diversos conceptos, técnicas y procesos; se
presentan como breves animaciones que sirven como útiles instrumentos de aprendizaje.
• Diapositivas de PowerPoint. Todas las figuras y los cuadros del texto, así como estruc-
turas químicas clave.

| XXIII



AGRADECIMIENTOS

Las autoras quisieran dar las gracias a todos quienes les ayudaron a desarrollar Bioquímica,
segunda edición, incluidos la editora de bioquímica Joan Kalkut; la editora asistente Aly Ren-
trop; el editor de medios Marc Wezdecki; el personal de servicios administrativos de produc-
ción de Ingrao Associates; la editora de producción Patricia McFadden; el jefe de diseñadores
Kevin Murphy; la editora de fotografía Hilary Newman; y las asistentes editoriales Yelena
Zolotorevskaya y Cathy Donovan.

También expresan su gratitud a todos los revisores que proporcionaron realimentación
esencial sobre el manuscrito y los recursos adicionales, corrigieron errores, e hicieron valiosas
sugerencias de mejoras que fueron de vital importancia en la redacción y el desarrollo de
Bioquímica, primera edición así como en la edición actual. Entre ellos se incluyen

Paul Azari, Colorado State University Christine Hrycyna, Purdue University
Isabelle Barrette-Ng, University of Calgary Gregg Jongeward, University of the Pacific
Marilee Benore, University of Michigan Barrie Kitto, University of Texas, Austin
Allan Bieber, Arizona State University Paul Larsen, University of California,
Brenda Blacklock, Indiana
Riverside
University-Purdue University Indianapolis S. Madhavan, University of Nebraska
Jeffrey Brodsky, University of Pittsburgh Marcos Oliveira, University of the Incarnate
Carolyn S. Brown, Clemson University
James Caras, Austin, Texas Word
Paige Caras, Austin, Texas Scott Pattison, Ball State University
Kim Colvert, Ferris State University Richard Posner, Northern Arizona State
Charles Crittell, East Central University
David W. Eldridge, Baylor University University
Jeffrey Evans, University of Southern Russell Rasmussen, Wayne State College
Melvin Schindler, Michigan State University
Mississippi Richard Sheardy, Texas Woman’s University
Edward Funkhouser, Texas A&M University Tammy Stobb, St. Cloud State University
Matthew Gage, Northern Arizona University Steven Sylvester, Oregon State University
Sandy Grunwald, University of Wisconsin-La Michael Sypes, Pennsylvania State University
Heeyoung Tai, Miami University
Crosse Linette Watkins, Southwest Texas State
Don Heck, Iowa State University
James R. Heitz, Mississippi State University University
Todd Hrubey, Butler University Lisa Wen, Western Illinois University
Beulah Woodfin, University of New Mexico

Muchos de los gráficos moleculares que ilustran este libro se crearon usando coordenadas del
dominio público del Protein Data Bank (www.rcsb.org). Las figuras se realizaron con el Swiss-
Pdb Viewer [Guex, N., Peitsch, M.C., SWISS-MODEL y el Swiss-Pdb Viewer: an environ-
ment for comparative protein modeling, Electrophoresis 18, 2714-2723 (1997); programa
disponible en spdbv.vital-it.ch/] y el Pov-Ray (disponible en www povray.org) o con el PyMol
[desarrollado porWarren DeLano, DeLano Scientific; disponible en www.pymol.org/].

| XXV



AL ESTUDIANTE: CÓMO USAR ESTE LIBRO

¡Bienvenido a la bioquímica! Su éxito en este curso dependerá en gran medida de su dispo-
sición a participar activamente en su educación. Para aprender bioquímica se requiere más
que sólo leer el libro, aunque se recomienda hacer esto como primer paso. Bioquímica, segun-
da edición se concibió y escribió pensando en usted, y lo exhortamos a aprovechar todo lo
que la obra tiene que ofrecerle.

El conocimiento de la bioquímica es acumulativo; no es algo que pueda aprenderse de
una vez. Le recomendamos que se mantenga al día con su lectura y otras asignaciones de modo
que disponga de mucho tiempo para reflexionar, hacer preguntas y, de ser necesario, buscar
ayuda de su instructor. A medida que lea cada capítulo del texto, asegúrese de que compren-
de el modo en que encaja en el programa del curso. Utilice los auxiliares de estudio que se dan
en el libro: primero, observe la lista de Conceptos clave al comienzo de cada sección del li-
bro. Utilice el Repaso de conceptos y el Resumen del capítulo para verificar su compren-
sión. Asegúrese de ver los recursos en línea que amplían algunos temas cubiertos en el texto.
Estos recursos incluyen animaciones de procesos bioquímicos dinámicos y gráficos molecu-
lares interactivos. Usted puede enriquecer su comprensión de la bioquímica explorando los
ejercicios y respondiendo las preguntas que ahí se plantean.

Cuando estudie, observe las oraciones clave que se resaltan en cursivas. Asegúrese de po-
der definir los términos clave que se destacan en negritas, y pruebe su conocimiento resol-
viendo el examen en línea. Y, lo que reviste la máxima importancia, resuelva los problemas
del final de cada capítulo. Debe hacer todo esfuerzo posible por completar todos los proble-
mas sin ver las soluciones. Desarrollar habilidades de resolución de problemas le facilitará
entender la bioquímica y lo ayudará a allanar el camino al éxito en cualquier reto académico
o profesional que enfrente en el futuro.

Por último, aproveche los recursos adicionales disponibles –como la lista de Lecturas se-
lectas, Estudios de casos, Ejercicios de bioinformática, y artículos de la Enciclopedia de
biología química– si necesita ayuda, tiene curiosidad por algún tema de bioquímica, o nece-
sita información actualizada como punto de partida para un proyecto.

Al escribir Bioquímica, las autoras se esforzaron por seleccionar temas que constituyeran
una introducción sólida a la bioquímica moderna, un campo extenso y siempre cambiante.
Saben que la mayoría de los estudientes que usarán este libro no se convertirán en bioquími-
cos. Sin embargo, esperan que el sector comprenderá los principales temas de la bioquímica
y descubrirá cómo se relacionan con los desarrollos actuales y futuros en ciencia y medicina.

Charlotte W. Pratt
Kathleen Cornely

| XXVII



BASE QUÍMICA capítulo
DE LA VIDA
1

Los libros de texto de ciencia están llenos de amplios conceptos, si
bien el estudiante audaz nunca pierde de vista que en la naturaleza
abunda la excepción. Por ejemplo, las células procariotas suelen
ser más pequeñas que las eucariotas, pero una excepción es
la Thiomargarita namibiensis. Estas células bacterianas, que
contienen numerosos glóbulos de azufre iridiscente y una gran
vacuola central, pueden alcanzar un diámetro de 0.75 mm por lo
que resultan fáciles de apreciar a simple vista. El metabolismo de
estas células bacterianas requiere nitrato, que se almacena dentro
de la vacuola, y produce azufre como subproducto.

ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO

EEste primer capítulo es una introducción al estudio de la bioquímica; se divide en
tres secciones que reflejan el modo en que se organizan los temas en el libro. La
primera presenta descripciones breves de los cuatro tipos principales de moléculas
biológicas y sus formas poliméricas. La segunda resume la termodinámica aplicable
a las reacciones metabólicas. Y la tercera expone el origen de las formas de vida
capaces de multiplicarse por sí mismas y su evolución hasta las células modernas.
Estas secciones introducirán al estudiante a algunas de las principales estructuras y
temas de la bioquímica, a fin de ampliar su conocimiento de bioquímica dentro del
marco de la biología y la química que le es familiar. ■

|1

1-1. ¿Qué es la bioquímica?

La bioquímica es la disciplina científica que trata de explicar la vida a nivel molecular.
Utiliza las herramientas y la terminología de la química para describir las diversas
carácterísticas de los seres vivos. La bioquímica ofrece respuestas a preguntas funda-
mentales como “¿De qué estamos hechos?” o “¿Cómo funcionamos?” La bioquímica
es también una ciencia práctica: genera técnicas que son la base de los avances en
otros campos como genética, biología celular e inmunología; ofrece indicios sobre el
tratamiento de enfermedades como cáncer y diabetes; y mejora la eficiencia de in-
dustrias como las de tratamiento de residuos, producción de alimentos y manufac-
tura de fármacos.

De manera tradicional, la bioquímica ha sido una ciencia reduccionista; es decir,
intenta explicar el todo separándolo en partes más pequeñas y examinando cada parte
por separado. Para los bioquímicos, esto significa aislar y caracterizar las moléculas
que componen un organismo (figura 1-1). En teoría, una comprensión exhaustiva
de la estructura y la reactividad química de cada molécula debe llevar a entender el
modo en que las moléculas cooperan y se combinan para formar unidades funciona-
les más grandes y, a fin de cuentas, el organismo intacto.

Sin embargo, es indispensable un enfoque holistico para develar los secretos de la
naturaleza. Del mismo modo en que un reloj desarmado ya no parece un reloj, la in-
formación acerca de las moléculas biológicas no necesariamente revela cómo vive un
organismo. Algunas interacciones moleculares son demasiado complejas para sepa-
rarse en el laboratorio, por lo que puede ser necesario examinar un organismo en
cultivo para ver su reacción cuando una molécula específica se modifica o falta. Ade-
más, se sabe tanto sobre tantas moléculas que la cantidad de datos –gran parte se
colecta en bases de datos en línea– requiere de una computadora para acceder a él y
analizarlo utilizando las herramientas de la bioinformática (véase el Proyecto de bioin-
formática 1, La bibliografía bioquímica). De este modo, en el laboratorio de un
bioquímico es probable encontrar rejillas para tubos de ensayo , matraces con bacte-
rias computadoras. El material que se presenta en este libro refleja tanto enfoques
tradicionales como modernos para comprender la bioquímica.

Figura 1-1. Niveles de organización Organismo Órgano

en un ser vivo. La bioquímica se (hígado) Célula Organelo
concentra en las estructuras y funciones (hepatocito)
de las moléculas. Las interacciones entre (ser humano)
moléculas dan origen a estructuras
de orden superior (p. ej., organelos),
que a su vez pueden ser componentes
de entidades mayores, lo que lleva en
última instancia al organismo entero.

(mitocondria)

Moléculas
Ubiquinona

Citrato Citrato
sintasa
DNA

2 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida

Los capítulos de este libro se dividen en tres grupos que, de manera aproximada,
corresponden a los tres principales temas de la bioquímica:

1. ¿De qué están hechos los seres vivos? Algunas moléculas son responsables de
la forma física de las células. Otras realizan diversas actividades en la célula. (Por
conveniencia, a veces se utilizará z término célula como sinónimo de organismo
o microorganismo, dado que la entidad viva más simple es una célula indivi-
dual.) En todos los casos, la estructura de una molécula guarda relación íntima
con su función. Comprender las características estructurales de una molécula es
por tanto una clave decisiva para entender su importancia funcional.

2. ¿Cómo adquieren y usan la energía los organismos? La capacidad de una
célula de efectuar reacciones metabólicas –para sintetizar sus estructuras constitu-
yentes y moverse, crecer y reproducirse– requiere el ingreso de energía. Una célula
debe extraer su energía del ambiente, y consumirla o almacenarla en una forma
manejable.

3. ¿De qué manera un organismo mantiene su identidad con el paso de las
generaciones? Los humanos modernos tienen un aspecto muy similar al que
tenían hace 100 000 años. Ciertas bacterias han persistido por millones o miles
de millones de años. En todos los organismos, la información especifica que la
composición estructural y la capacidad funcional de una célula se debe mantener
sin cambios cada vez que la célula se divide.

Incluso durante su lapso de vida, una célula puede modificar en grado impresio-
nante su forma o sus actividades metabólicas, pero lo hace dentro de determinados
límites. A lo largo del libro se examinará el modo en que los procesos de regulación
definen la capacidad de un organismo de reaccionar a condiciones internas y exter-
nas cambiantes. Además, se examinarán las enfermedades que pueden resultar de un
defecto molecular en cualquiera de los componentes de una célula: sus componentes
estructurales, metabolismo o capacidad de seguir instrucciones genéticas.

1-2. Moléculas biológicas

Aun los organismos más simples contienen gran número de moléculas distintas, sin CONCEPTOS CLAVE
embargo, representa sólo una porción infinitesimal de todas las moléculas química- • Las moléculas biológicas están
mente posibles. Por otro lado, sólo un pequeño subgrupo de los elementos conoci-
dos se encuentra en los sistemas vivos (figura 1-2). Los más abundantes de éstos son formadas por un subgrupo de
C, N, O e H, seguidos por Ca, P, K, S, Cl Na y Mg. Ciertos oligoelementos (elemen- todos los elementos y grupos
tos traza) también están presentes en muy pequeñas cantidades. funcionales posibles.
• Las células contienen cuatro
Todas las moléculas de un organismo contienen carbono, por lo cual la bioquímica tipos principales de biomoléculas
puede considerarse una rama de la química orgánica. Además, las moléculas biológi- pequeñas y tres tipos principales
cas se forman a partir de H, N, O, P y S. La mayoría de estas moléculas pertenece a de polímeros.
alguna de las clases estructurales, que se describen a continuación. De modo similar,
la reactividad química de las biomoléculas es limitada respecto a la reactividad Figura 1-2. Elementos presentes
de todos los compuestos químicos. Algunos de los grupos funcionales y enlaces en los sistemas biológicos.
intramoleculares que son comunes en la bioquímica se numeran en el cuadro 1-1. Los elementos más abundantes se
muestran en tono más intenso; los
Será de utilidad repasarlos, porque se hará referencia a ellos en todo el libro. oligoelementos (elementos traza)
tienen el tono más claro. No todos
1 56789 los organismos contienen todos los
H B CNO F oligoelementos. Las moléculas
biológicas contienen principalmente H,
11 12 13 14 15 16 17 C, N, O, P y S.
Na Mg Al Si P S Cl
19 20
K Ca 23 24 25 26 27 28 29 30 33 34 35
V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn As Se Br

42 48 53
Mo Cd I

74
W

1-2. Moléculas biológicas | 3

COOϪ Las células contienen cuatro tipos principales
de biomoléculas
H C CH3
NHϩ3 La mayoría de las moléculas pequeñas de las células pueden clasificarse en cuatro
grupos. Aunque cada grupo tiene muchos miembros, éstos se definen bajo una
(a) misma estructural o función. Identificar el grupo al que pertenece una molécula
específica puede ayudar a predecir sus propiedades químicas y posiblemente su fun-
ción en la célula.

(b) 1. Aminoácidos

(c) Los compuestos más simples son los aminoácidos, se nombran así porque contie-
nen un grupo amino (–NH2) y un grupo ácido carboxílico (–COOH). En condicio-
Figura 1-3. Representaciones de nes fisiológicas, estos grupos en realidad están ionizados como –NH3+ y –COO–. El
la alanina. La fórmula estructural (a) aminoácido común alanina –como otras moléculas pequeñas– puede representarse
indica todos los átomos así como los de diferentes maneras, por ejemplo, con una fórmula estructural, un modelo de
enlaces principales. Algunos enlaces, barras y esferas o un modelo de espacio lleno (figura 1-3). Otros aminoácidos se
como C–O y N–H, están implícitos. parecen a la alanina en su estructura básica, pero en lugar de un grupo metilo (–CH3)
Dado que el átomo de carbono central tienen otro grupo –llamado cadena lateral o grupo R– que también puede contener
tiene geometría tetraédrica, sus cuatro N, O o S; por ejemplo,
enlaces no yacen planos en la superficie:
los enlaces horizontales se extienden COOϪ O COOϪ
un poco arriba del mismo plano, y los
enlaces verticales se extienden un poco H C CH2 C H C CH2 SH
atrás de él. Esta disposición tetraédrica
se representa de manera más precisa NHϩ3 NH2 NHϩ3
con un modelo de barras y esferas (b).
Aquí, los átomos se muestran en sus Asparagina Cisteína
colores convencionales: C es gris, N
es azul, O es rojo y H es blanco. Esta 2. Carbohidratos
representación de barras y esferas revela
las identidades de los átomos y sus Los carbohidratos (también llamados monosacáridos o simplemente azúcares) tie-
posiciones en el espacio pero no indica nen la fórmula (CH2O)n, donde n ≥ 3. La glucosa, un monosacárido con seis átomos
su tamaño relativo o carga eléctrica. En de carbono, tiene la fórmula C6H12O6. A veces es conveniente representarla como
un modelo de espacio lleno (c), cada una cadena en forma de escalera (izquierda); sin embargo, la glucosa adquiere una
átomo se presenta como una esfera estructura cíclica en solución (derecha):
cuyo radio corresponde a la distancia de
mayor aproximación a otro átomo. Este OH
modelo representa de la manera más C
precisa el tamaño real de la molécula,
pero oculta algunos de sus átomos y H C OH CH2OH
enlaces. HO C H
HH O
H C OH H
H C OH
OH H
HO OH

CH2OH H OH

Glucosa

En la representación de la estructura cíclica, los enlaces de trazo más grueso se pro-
yectan hacia el frente y los de trazo más delgado se proyectan hacia atrás. En muchos
polisacáridos, uno o más grupos hidroxilo son sustituidos por otros grupos, pero la
estructura anular y los múltiples grupos –OH de estas moléculas permiten recono-
cerlas con facilidad como carbohidratos.

3. Nucleótidos

Un azúcar de cinco carbonos, un anillo nitrogenado y uno o más grupos fosfato son
los componentes de los nucleótidos. Por ejemplo, el trifosfato de adenosina (ATP)
contiene el grupo nitrogenado adenina unido al monosacárido ribosa, que a su vez
está unido a un grupo trifosfato:

4 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida

CUADRO 1-1 | Grupos funcionales y enlaces comunes en bioquímica

Nombre del compuesto Estructuraa Grupo funcional

Aminab RNH2 o RNHϩ3 N o ϩN (grupo amino)
R2NH o R2NH2ϩ
Alcohol R3N o R3NHϩ
Tiol ROH
Éter OH (grupo hidroxilo)
RSH SH (grupo sulfhidrilo)
O (enlace éter) O
ROR O

O

Aldehído RCH C (grupo carbonilo), R C (grupo acilo)
O
Cetona OO
RCR
Ácido carboxílicob O C (grupo carbonilo), R C (grupo acilo)
(carboxilato)
R C OH o O
O
C OH (grupo carboxilo) o
R C OϪ O
O
C OϪ (grupo carboxilato)

O

Éster R C OR C O (enlace éster)
O

R C NH2 O
O C N (grupo amido)

Ésteramida R C NHR CN o ϩH
o Amida O C N (grupo imino)

Iminab R C NR2
R NH o R NHϩ2
R NR o R NHRϩ

OO

Éster de ácido R O P OH o OP O (enlace fosfoéster)
fosfóricob
OH OH O
O O P OϪ (grupo fosforilo, Pi)
R O P OϪ OϪ
OϪ P OH o

OH

OO OO

Éster de ácido R O P O P OH o OP OP O (enlace fosfoanhídrido)
difosfóricob
OH OH OH OH OO
OO OO P O P OϪ
R O P O P OϪ
P O P OH o

OϪ OϪ OH OH OϪ OϪ

(grupo difosforilo, grupo pirofosforilo, PPi)

a Representa cualquier grupo que contenga carbono. En una molécula con más de un grupo R, los grupos pueden ser iguales o distintos.
b En condiciones fisiológicas, estos grupos están ionizados y por tanto tienen carga positiva o negativa.

1-2. Moléculas biológicas | 5

NH2

Trifosfato NN Adenina
Ribosa
OOO NN

ϪO P O P O P O CH2 O

OϪ OϪ OϪ HH
HH

OH OH

Trifosfato de adenosina (ATP)

Los nucleótidos más comunes son monofosfatos, difosfatos y trifosfatos que contie-
nen los anillos nitrogenados (“bases”) adenina, citosina, guanina, timina o uracilo
(que se abrevian A, C, G, T y U, en ese orden).

4. Lípidos

El cuarto grupo principal de biomoléculas consiste en los lípidos. Estos compuestos
no pueden representarse con una sola fórmula estructural, dado que constituyen un
conjunto diverso de moléculas. Sin embargo, todas tienen en común que son poco
solubles en agua debido a que la mayor parte de su estructura es del tipo de los hi-
drocarburos. Por ejemplo, el ácido palmítico consta de una cadena altamente inso-
luble de 15 carbonos unidos a un grupo ácido carboxílico, que en condiciones
fisiológicas se encuentra ionizado. Así, el lípido aniónico se llama palmitato.

O

CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C OϪ

H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2

Palmitato

Aunque difiere mucho en estructura del palmitato, el colesterol también es poco
soluble en agua debido a su composición parecida a la de los carbohidratos.

CH3 CH3
CH
CH CH2 CH2 CH2
CH3 CH3

CH3

HO

Colesterol

Las células contienen además otras cuantas moléculas pequeñas que no son fáciles de
clasificar en los grupos anteriores o que se forman a partir de moléculas que pertene-
cen a más de un grupo.

Existen tres tipos principales de polímeros biológicos

Además de moléculas pequeñas que constan relativamente de pocos átomos, los or-
ganismos contienen macromoléculas que pueden consistir en miles de átomos. Estas
moléculas gigantes no se sintetizan en una pieza, sino que se construyen a partir de

6 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida

RECUADRO 1-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Bioquímica cuantitativa

La elección que el bioquímico hace de términos para cuantificar mega (M) 106 nano (n) 10–9
objetos a escala molecular se basa en convenios internacionales. Por kilo (k) 103 pico (p) 10–12
ejemplo, la masa de una molécula puede expresarse en unidades de mili (m) 10–3 femto (f ) 10–15
masa atómica; sin embargo, las masas de moléculas biológicas –en micro (μ) 10–6
especial las muy grandes– suelen darse sin unidades. En este caso se
sobreentiende que la masa se expresa en doceavos de la masa del Por ejemplo, la concentración de glucosa en la sangre humana
isótopo de carbono común 12C (12.011 unidades de masa es de alrededor de 5 mM (que se lee “milimolar”), pero muchas
atómica). En ocasiones se usan dáltons (D; 1 dalton = 1 unidad moléculas intracelulares se encuentran en concentraciones de μM o
de masa atómica), a menudo con el prefijo kilo, k (kD). Esto es útil menos.
para macromoléculas como las proteínas, muchas de las cuales
tienen masas en el intervalo de 20 000 (20 kD) a más de Se acostumbra expresar las distancias en ángstroms,
1 000 000 (1 000 kD). Å (1 Å = 10–10 m), o en nanómetros, nm (1 nm = 10–9 m). Por
ejemplo, la distancia entre los centros de los átomos de carbono en
Los prefijos métricos estándar también son necesarios para un enlace C–C es de alrededor de 1.5 Å, y el diámetro de una
expresar las concentraciones diminutas de biomoléculas en las molécula de DNA es de unos 20 Å.
células vivas. Las concentraciones suelen darse en moles por litro
(mol · L–1 o M), con el prefijo apropiado como m, μ o n:

unidades más pequeñas. Ésta es una característica universal de la naturaleza: Pocas
clases de bloques de construcción pueden combinarse de diferentes maneras para
producir una amplia variedad de estructuras mayores. Esto es ventajoso para la cé-
lula, que puede funcionar con un conjunto limitado de materias primas. Además, el
simple acto de enlazar químicamente unidades individuales (monómeros) en enla-
ces más grandes (polímeros) es una manera de codificar información (la secuencia
de las unidades monoméricas) en una forma estable. Los bioquímicos utilizan deter-
minadas unidades de medición para describir tanto las moléculas grandes como las
pequeñas (recuadro 1-A).

Aminoácidos, monosacáridos y nucleótidos forman estructuras poliméricas con
propiedades muy distintas entre sí. En la mayoría de los casos, los monómeros indi-
viduales se unen de manera covalente cabeza a cola:

Residuo

Monómeros Polímero

El enlace entre monómeros es característico de cada tipo de polímero. Los monóme-
ros se llaman residuos una vez que se han incorporado al polímero. En términos
estrictos, los lípidos no forman polímeros, aunque suelen agregarse para formar es-
tructuras más grandes.

1. Proteínas

Los polímeros de aminoácidos se llaman polipéptidos o proteínas. Veinte aminoá-
cidos distintos sirven como bloques de construcción para las proteínas, que pueden
contener cientos de residuos. Los aminoácidos que constituyen estos residuos están
unidos entre sí por enlaces amida específicos llamados enlaces peptídicos. Un enlace

1-2. Moléculas biológicas | 7

peptídico (flecha) une los dos residuos en un dipéptido (las cadenas laterales de los
aminoácidos se representan por R1 y R2).

R1 O R2 O

ϩ

H3N C C N C C

H H H OϪ

(a) Dado que las cadenas laterales de los 20 aminoácidos tienen diferentes tamaños,
formas y propiedades químicas, la conformación (forma tridimensional) exacta de
(b) la cadena polipeptídica depende de su composición de aminoácidos. Por ejemplo, el
Figura 1-4. Estructura de la pequeño polipéptido endotelina, con 21 residuos, asume una forma compacta en la
endotelina humana. Los 21 residuos cual el polímero se dobla y pliega para contener los grupos funcionales de sus ami-
de este polipéptido, en tonos noácidos (figura 1-4).
graduados de azul a rojo, forman una
estructura compacta. En (a), cada Los 20 aminoácidos diferentes pueden combinarse casi en cualquier orden y pro-
residuo se representa con una esfera. porción para producir multitud de polipéptidos, y tienen forma tridimensional única.
El modelo de barras y esferas (b) Esta propiedad hace a las proteínas la clase de biopolímeros más variables en estruc-
muestra todos los átomos excepto los tura y por tanto los más versátiles en sentido funcional. En consecuencia, las proteínas
de hidrógeno. (Estructura [pdb 1EDN] realizan una amplia variedad de tareas en la célula, como mediar reacciones
determinada por de B.A. Wallace y R.W. Jones.) químicas y dar soporte estructural.

2. Ácidos nucleicos
Los polímeros de nucleótidos se denominan polinucleótidos o ácidos nucleicos, me-
jor conocidos como DNA y RNA. A diferencia de los polipéptidos, con 20 diferentes
aminoácidos disponibles para polimerización, cada ácido nucleico está formado por
sólo cuatro nucleótidos distintos. Por ejemplo, los residuos en el RNA contienen las
bases adenina, citosina, guanina y uracilo, mientras que en el DNA los residuos con-
tienen adenina, citosina, guanina y timina. En la polimerización participan los grupos
fosfato y azúcar de los nucleótidos, que se unen mediante enlaces fosfodiéster.

OϪ

ϪO P O

O

CH2 O Base

HH
HH

OH

Enlace fosfodiéster ϪO P O

O

CH2 O Base

HH
HH

Debido en parte a que los nucleótidos son menos variables en estructura y compor-
tamiento químico que los aminoácidos, los ácidos nucleicos tienden a presentar es-
tructuras más regulares que las proteínas. Esto concuerda con su función principal
de portadores de información genética, la cual está contenida en su secuencia de
residuos nucleótidos más que en su forma tridimensional (figura 1-5). Con todo,

8 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida

algunos ácidos nucleicos se doblan y pliegan en formas globulares compactas, al CGUACG
igual que las proteínas. (a)

3. Polisacáridos (b)

Los polisacáridos suelen tener sólo uno o unos pocos tipos distintos de monosacáridos;
así, aunque una célula puede sintetizar docenas de tipos diferentes de monosacáridos,
la mayoría de sus polisacáridos son polímeros homogéneos. Esto limita su potencial de
contener información genética en la secuencia de sus residuos (como lo hacen los áci-
dos nucleicos) o de adoptar gran variedad de formas y funciones metabólicas (como lo
hacen las proteínas). Por otra parte, los polisacáridos realizan funciones celulares
esenciales al actuar como moléculas de almacenamiento de combustible y dar
soporte estructural. Por ejemplo, las plantas unen el monosacárido glucosa, que es un
combustible virtualmente para todas las células, en el polisacárido almidón para alma-
cenamiento a largo plazo. Los residuos glucosa se unen entre sí mediante enlaces
glucosídicos (el enlace se muestra en rojo en este disacárido):

H CH2OH HH CH2OH H
HO O O O OH

H H

OH H OH H

H OH H OH

Los monómeros de glucosa también son los bloques de construcción para la celu- Figura 1-5. Estructura de un ácido
losa, el polímero extendido que ayuda a dar rigidez a las paredes celulares vegetales nucleico. (a) Secuencia de nucleótidos,
(figura 1-6). Los polímeros almidón y celulosa difieren en la disposición de los enla- usando abreviaturas de una letra.
ces glucosídicos entre residuos glucosa. (b) Modelo de barras y esferas del
polinucleótido, que muestra todos los
Las descripciones mencionadas de los polímeros biológicos son generalizaciones, átomos excepto los de hidrógeno (esta
concebidas para permitir apreciar las posibles estructuras y funciones de estas macro- estructura es un segmento de RNA de
moléculas. Abundan las excepciones a las generalizaciones; por ejemplo, algunos seis residuos). (Estructura [pdb ARF0108]

determinada por R. Biswas, S.N. Mitra y M.

Sundaralingam.)

Glucosa

Almidón Figura 1-6. Glucosa y sus polímeros.
Celulosa Tanto el almidón como la celulosa
son polisacáridos que contienen
residuos glucosa. Difieren en el tipo
de enlace químico entre las unidades
monosacárido. Las moléculas de
almidón tienen conformación helicoidal
laxa, mientras que las moléculas de
celulosa son extendidas y relativamente
rígidas.

1-2. Moléculas biológicas | 9

CUADRO 1-2 | Funciones de los biopolímeros

Biopolímero Codifican Realizan Almacenan Soportan
información reacciones energía estructuras
Proteínas metabólicas
Ácidos nucleicos — ✓ celulares
Polisacáridos ✔ —
✔ ✔
✔ función principal. ✓ ✔
✓ — ✓
✓ función secundaria.
✔

polisacáridos pequeños codifican información que permite a las células que portan
esas moléculas en sus superficies reconocerse entre sí. De modo similar, algunos
ácidos nucleicos tienen funciones estructurales, como servir de soporte para los ribo-
somas, los pequeños organelos en que se sintetizan las proteínas. En ciertas condicio-
nes, se recurre a proteínas como moléculas de almacenamiento de energía. En el
cuadro 1-2 se resumen las funciones principales y secundarias de proteínas, polisacá-
ridos y ácidos nucleicos.

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Cuáles son los seis elementos más abundantes en las moléculas biológicas?
• Nombre los grupos funcionales y enlaces comunes que se ilustran en el cuadro 1-1.
• Defina las estructurales o funciones de aminoácidos, monosacáridos, nucleótidos

y lípidos.
• ¿Por qué es indispensable que las macromoléculas sean polímeros?
• ¿Cuál es la relación entre un monómero y un residuo?
• Indique las definiciones estructurales y las funciones principales de proteínas,

polisacáridos y ácidos nucleicos.

1-3. Energía y metabolismo

CONCEPTOS CLAVE Para unir moléculas pequeñas en moléculas poliméricas se requiere energía. Y a me-
• La energía libre de un sistema es nos que las unidades monoméricas sean fáciles de adquirir, una célula debe sintetizar
los monómeros, lo cual también requiere energía. De hecho, las células requieren
determinada por su entalpía y su energía para las funciones de la vida, crecimiento y reproducción.
entropía.
• Los seres vivos se rigen por las Es útil describir la energía de los sistemas biológicos empleando la terminología de
leyes de la termodinámica. la termodinámica (el estudio de las transferencias de energía, incluido el calor). Un
organismo, como cualquier sistema químico, está sujeto a las leyes de la termodiná-
mica. Conforme a la primera ley de la termodinámica, la energía no puede crearse ni
destruirse; sin embargo, puede transformarse. Por ejemplo, la energía de un río que
fluye sobre una presa puede convertirse en electricidad, que entonces puede utilizarse
para producir calor o realizar trabajo mecánico. Las células pueden considerarse má-
quinas muy pequeñas que usan energía química para impulsar reacciones metabóli-
cas, las cuales también pueden producir calor o realizar trabajo mecánico.

Energía libre, entalpía y entropía

La energía relevante para los sistemas bioquímicos se denomina energía libre de
Gibbs (en honor al científico que la definió) o simplemente energía libre. Se abrevia
G y tiene las unidades joules por mol (J ؒ mol–1). La energía libre tiene dos compo-
nentes: entalpía y entropía. La entalpía (que se abrevia H y tiene las unidades J ؒ
mol–1) se considera equivalente al contenido de calor del sistema. La entropía (que
se abrevia S y tiene las unidades J ؒ K–1 ؒ mol–1) es una medida de la dispersión de la
energía dentro de ese sistema. Por tanto, la entropía puede considerarse una medida
del desorden o aleatoriedad del sistema, porque a mayor variedad de maneras en que
los componentes de un sistema pueden disponerse, más dispersa su energía. Por

10 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida

ejemplo, considérese una mesa de pool al comienzo del juego,
cuando las 15 bolas están dispuestas en un triángulo perfecto (un
estado de alto grado de orden o baja entropía); después de que el juego
ha comenzado, las bolas están dispersas en toda la mesa la cual
ahora se encuentra en un estado de alta entropía (figura 1-7).

Energía libre, entalpía y entropía se relacionan a través de la
ecuación

G ϭ H Ϫ TS [1-1]

donde T representa la temperatura en kelvins (equivalentes a grados (a) (b)
Celsius + 273). La temperatura es un coeficiente del término de
entropía porque la entropía varía con la temperatura; la entropía Figura 1-7. Ilustración de la
de una sustancia aumenta cuando se le calienta porque dentro de entropía. La entropía es una medida de
ella se ha dispersado más energía térmica. La entalpía de un sis- la dispersión de la energía en un sistema
tema químico puede medirse, aunque con alguna dificultad, pero de modo que refleja la aleatoriedad o
es poco menos que imposible medir la entropía de un sistema por- el grado de desorden del sistema. a)
que esto requeriría contar todas las posibles disposiciones de sus La entropía es baja cuando todas las
componentes o la forma en que la energía podría dispersarse entre bolas están dispuestas en una sola área
ellos. Así, es más práctico manejar cambios de estas cantidades (el de la mesa de pool. b) La entropía es
cambio se representa mediante la letra griega delta, Δ), por lo que alta después de que las bolas se han
dispersado, porque ahora hay una gran
⌬G ϭ ⌬H Ϫ T⌬S [1-2] cantidad de diferentes disposiciones
posibles de las bolas en la mesa.
Cuando se conocen ΔH y ΔS para un proceso, utilice la ecuación 1-2
a fin de calcular el valor de ΔG a una temperatura dada.

Los bioquímicos pueden medir cómo difieren energía libre, entalpía y entropía de
un sistema antes y después de una reacción química; por ejemplo, algunas reacciones
químicas se acompañan de la liberación de calor a los alrededores (Hdespués – Hantes =
ΔH < 0), mientras que otras absorben calor de los alrededores (ΔH > 0). De modo
similar, el cambio de entropía, Sdespués – Santes = ΔS, puede ser positivo o negativo.

¿Qué hace que un proceso sea espontáneo?

Una taza de porcelana que se deja caer desde cierta altura se rompe, y los fragmentos
nunca se reensamblan por sí mismos para restaurar la taza. La explicación termodi-
námica es que los fragmentos tienen menos energía libre que la taza intacta. Para
que un proceso ocurra, el cambio global de energía libre (ΔG) debe ser nega-
tivo. En el caso de una reacción química, esto significa que la energía libre de los
productos debe ser menor que la energía libre de los reactivos:

⌬G ϭ Gproductos Ϫ Greactantes Ͻ 0 [1-3]

Cuando ΔG es menor de cero, se dice que la reacción es espontánea o exergónica.
Una reacción no espontánea o endergónica tiene cambio de energía libre mayor de
cero, y en este caso la reacción inversa es espontánea.

〈B B〈
⌬G Ͼ 0 ⌬G Ͻ 0
No espontánea Espontánea

Obsérvese que la espontaneidad termodinámica no indica la rapidez con que una
reacción ocurre, sólo si ocurrirá como está escrita. (La velocidad de una reacción
depende de otros factores, como las concentraciones de las moléculas reaccionantes,
la temperatura y la presencia de catalizadores.) Cuando una reacción (digamos A
B) está en equilibrio, la velocidad de la reacción a la derecha (en sentido directo) es
igual a la reacción inversa, de modo que no ocurre cambio neto en el sistema. En esta
circunstancia, ΔG = 0.

1-3. Energía y metabolismo | 11

Un examen rápido de la ecuación 1-2 revela que una reacción que ocurre con
decremento de la entalpía y aumento de la entropía es espontánea a todas las
temperaturas, porque ΔG siempre es menor de cero. Estos resultados concuerdan
con la experiencia cotidiana. Por ejemplo, el calor se desplaza de manera espontánea
desde un objeto caliente hacia uno frío, y los objetos dispuestos de manera ordenada
tienden a desordenarse, y nunca a la inversa. (Ésta es una manifestación de la segun-
da ley de la termodinámica, la cual establece que la energía tiende a dispersarse.) Así,
las reacciones en las cuales la entalpía aumenta y la entropía disminuye no ocurren.
Si tanto la entalpía como la entropía aumentan o disminuyen durante una reacción,
el valor de ΔG depende entonces de la temperatura, la cual determina si el término
TΔS de la ecuación 1-2 es mayor o menor que el término ΔH. Esto significa que un
gran incremento de la entropía puede contrarrestar un cambio desfavorable (positi-
vo) de la entalpía. A la inversa, la liberación de una gran cantidad de calor (ΔH < 0)
durante una reacción puede contrarrestar un decremento desfavorable en la entropía
(véase el ejemplo de cálculo 1-1).

¿Por qué es la vida posible desde el punto de vista
termodinámico?

Para existir, la vida debe ser termodinámicamente espontánea. ¿Se cumple esto al
nivel molecular? Cuando se analizan en un tubo de ensayo (in vitro, literalmente “en
vidrio”), muchas de las reacciones metabólicas de una célula tienen cambios de ener-
gía libre menores de cero, pero no así otras. Sin embargo, las reacciones no espontá-
neas pueden proceder in vivo (en un organismo viviente) porque ocurren de manera
concertada con otras reacciones que son termodinámicamente favorables. Considé-
rense dos reacciones in vitro, una no espontánea (ΔG > 0) y otra espontánea (ΔG < 0):

A B ΔG ϭ ϩ15 kJ и molϪ1 (no espontánea)

B C ΔG ϭ Ϫ20 kJ и molϪ1 (espontánea)

EJEMPLO DE CÁLCULO 1-1 Utilizar la información que sigue para calcular el cambio de energía libre para la re-
PROBLEMA acción A B a 25°C. ¿Es espontánea la reacción?

SOLUCIÓN Entalpía (kJ ؒmolϪ1) Entropía ( J ؒKϪ1ؒ molϪ1)

A 60 22
B 75 97

Primero, se calcula ΔH y ΔS:

ΔH ϭ HB Ϫ ؒHmAolϪ1 ΔS ϭ SB ϪJ ؒSKAϪ1
ϭ 75 kJ ϭ 97
Ϫ 60 kJ ؒ molϪ1 ؒ molϪ1

ϭ 15 kJ ؒ molϪ1 Ϫ22 J ؒ KϪ1 ؒ molϪ1

ϭ 15 000 J ؒ molϪ1 ϭ 75 J ؒ KϪ1 ؒ molϪ1

Luego se sustituyen estos valores en la ecuación 1-2. Para expresar la temperatura en
kelvins, se suma 273 a la temperatura en grados Celsius: 273 + 25 = 298 K.

⌬G ϭ ⌬H – T⌬S
ϭ 15 000 J ؒ molϪ1 Ϫ 298 K (75 J ؒ KϪ1 ؒ molϪ1)
ϭ 15 000 Ϫ 22 400 J ؒ molϪ1
ϭ Ϫ7 400 J ؒ molϪ1
ϭ Ϫ7.4 kJ ؒ molϪ1

Dado que ΔG es menor de cero, la reacción es espontánea. Aunque el cambio de
entalpía es desfavorable, el gran incremento de entropía hace a ΔG favorable.

12 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida

BB

Energía libre
(G)

A

C

Coordenada de reacción CUADRO 1-3 | Estados de
oxidación del
Figura 1-8. Cambios de energía libre en reacciones acopladas. Una reacción no carbono
espontánea como A B, que tiene valor positivo de ΔG, puede acoplarse a
otra reacción, B C, que tiene valor negativo de ΔG y por tanto es espontánea. Las Compuestoa Fórmula
reacciones están acopladas porque el producto de la primera reacción, B, es un reactivo
para la segunda reacción. Dióxido de carbono OCO
más oxidado
Cuando las reacciones se combinan, sus valores de ΔG se suman, de modo que el (menos reducido) HO
proceso global tiene cambio de energía libre negativo: HCC
Ácido acético
H OH

A ϩ B B ϩ C ΔG ϭ 15 kJ и molϪ1 Ϫ20 kJ и molϪ1 Monóxido de carbono C O

AC ΔG ϭ Ϫ5 kJ и molϪ1 O
HC
Ácido fórmico
OH
Este fenómeno se muestra de manera gráfica en la figura 1-8. En efecto, la reacción
“cuesta arriba” A B, desfavorable, es impulsada por la reacción “cuesta abajo” B Acetona HO H
HC C C H
C, favorable. HH
Las células acoplan procesos metabólicos desfavorables con otros favorables,
de modo que el cambio neto de energía libre sea negativo. Nótese que es válido Acetaldehído HO
sumar valores de ΔG porque la energía libre, G, depende sólo de los estados inicial y HCC
final del sistema, sin importar el trabajo químico o mecánico específico que se reali-
zó al pasar de un estado a otro. HH
En la actualidad, la mayor parte de la vida macroscópica en la Tierra es sustentada
por la energía del Sol (esto no fue siempre así, ni se cumple para todos los organis- Formaldehído H
mos). En los organismos fotosintéticos, como las plantas, la energía lumínica excita CO
determinadas moléculas de modo que sus reacciones químicas ulteriores ocurren con
un cambio de energía libre neto negativo. Estas reacciones termodinámicamente H
favorables (espontáneas) se acoplan a la síntesis de monosacáridos a partir de CO2
atmosférico, desfavorable (figura 1-9). En este proceso, el carbono se reduce. La re- Acetileno HCCH
ducción, o ganancia de electrones, se logra mediante la adición de hidrógeno o la
eliminación de oxígeno (en el cuadro 1-3 se revisan los estados de oxidación del HH
carbono). La planta –o un animal que consuma la planta– puede entonces degradar
Etanol H C C OH

Energía Eteno HH
libre HH
Energía de
la luz CC
HH

HH

OCO H C OH OCO Etano HCCH
Reducción Oxidación
HH
(desfavorable) Carbón de un (favorable) H

monosacárido

Figura 1-9. Reducción y oxidación de compuestos de carbono. El sol aporta Metano HCH
la energía libre para convertir CO2 en compuestos reducidos, como monosacáridos. La menos oxidado H
reoxidación de estos compuestos a CO2 es termodinámicamente espontánea, de modo (más reducido)
que la energía libre está disponible para otros procesos metabólicos. Nótese que la
energía libre no es una sustancia que se libere de una molécula. a Los compuestos se disponen en orden de estado de
oxidación decreciente del átomo de carbono en rojo.

1-3. Energía y metabolismo | 13

el monosacárido para usarlo como combustible a fin de impulsar otras actividades
metabólicas. En el proceso, el carbono se oxida –pierde electrones mediante la adi-
ción de oxígeno o la eliminación de hidrógeno– y en última instancia se convierte en
CO2. La oxidación de carbono es termodinámicamente favorable, por lo que puede
acoplarse a procesos que requieren energía como la síntesis de bloques de construc-
ción y su polimerización para formar macromoléculas.

Virtualmente todos los procesos metabólicos ocurren con la ayuda de catalizado-
res llamados enzimas, la mayoría de los cuales son proteínas (un catalizador incre-
menta en gran medida la velocidad de una reacción sin experimentar en sí mismo un
cambio neto). Por ejemplo, enzimas específicas catalizan la formación de enlaces
peptídicos, fosfodiéster o glucosídicos durante la síntesis de polímeros. Otras enzi-
mas catalizan la escisión de estos enlaces para descomponer los polímeros en sus
unidades monoméricas.

Un ser vivo –con su alto nivel de organización de átomos, moléculas y estructuras
mayores– representa un estado de baja entropía respecto a sus alrededores; sin em-
bargo, el organismo puede mantener este estado termodinámicamente favorable
mientras obtenga de manera continua energía libre de su alimento. Cuando el orga-
nismo cesa de obtener una fuente de energía libre de sus alrededores o agota su ali-
mento almacenado, alcanza el equilibrio (ΔG = 0), cuyo resultado es la muerte.

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Qué significan entalpía y entropía y cómo se relacionan con la energía libre?
• ¿Qué revela el valor de ΔG acerca de un proceso bioquímico?
• ¿Cómo pueden proceder in vivo reacciones termodinámicamente desfavorables?
• ¿Por qué deben contar los organismos con un suministro continuo de alimento?
• Describa el ciclo de reducción y oxidación del carbono en la fotosíntesis y la

degradación de un compuesto, por ejemplo un monosacárido.

1-4. Origen y evolución de la vida

CONCEPTO CLAVE Toda célula viva se origina de la división de una célula progenitora. Por tanto, la
• Al parecer, los procariotes y capacidad de duplicarse (hacer una réplica o copia de sí mismo) es una de las carac-
terísticas universales de los seres vivos. A fin de dejar descendencia muy parecida
eucariotes modernos surgieron por a ella, una célula debe contener una serie de instrucciones –y los medios para
evolución de sistemas inanimados ejecutarlas– que puedan transmitirse de una generación a otra. Las instrucciones
más simples. cambian de manera gradual con el tiempo, de modo que las especies también cam-
bian, o evolucionan (recuadro 1-B). Al examinar con detenimiento la información
genética de un organismo y la maquinaria genética que la soporta, los bioquímicos
pueden plantear algunas conclusiones acerca de la relación del organismo con for-
mas de vida más antiguas. Por tanto, la historia de la evolución está contenida no
sólo en el registro paleontológico (registro fósil), sino también en la constitución
particular de todas las células vivas. Por ejemplo, los ácidos nucleicos participan en
el almacenamiento y la transmisión de información genética en todos los organis-
mos, y la oxidación de glucosa es un medio casi univesal de generar energía libre para
el metabolismo. En consecuencia, DNA, RNA y glucosa deben haber estado presen-
tes en el ancestro de todas las células.

El mundo prebiótico

La combinación de teorías y datos experimentales han llevando a varios escenarios para
el surgimiento de la vida a partir de materiales no biológicos (prebióticos) en la Tierra
primitiva. En un escenario, compuestos inorgánicos como H2, H2O, NH3 y CH4 –
que quizá estuvieron presentes en la atmósfera incipiente– pudieron haber dado origen
a biomoléculas simples, como aminoácidos, al recibir descargas eléctricas de relámpa-

14 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida

gos. De hecho, se obtienen dichas moléculas en experimentos de laborato- Electrodos

rio en que las mismas materias primas se someten a descargas eléctricas que

simulan rayos (figura 1-10). Otros experimentos sugieren que cianuro de

hidrógeno (HCN), formaldehído (HCOH) y fosfato pudieron haberse

convertido en nucleótidos con un suministro de energía igual de modesto.

Es posible que con el tiempo se acumularan bloques de construcción

moleculares simples y formaran estructuras mayores, en particular en Mezcla
aguas poco profundas en que la evaporación pudo haber tenido un efecto de gases
concentrador; tal vez llegó el momento en que las condiciones se dieron

para el ensamblaje de células vivas funcionales. Charles Darwin sugirió

que la vida pudo haber surgido en algún “charco cálido”; sin embargo, Condensador

quizá la Tierra primitiva era un lugar más violento, con frecuentes impac-

tos de meteoritos y actividad volcánica. Agua

En un escenario alterno, apoyado por estudios sobre el metabolismo

de algunas bacterias modernas, las primeras células se desarrollaron en Fuente

chimeneas hidrotermales de mar profundo, algunas de las cuales se carac- de calor

terizan por temperaturas hasta de 350 °C y nubes de H2S gaseoso y sul- Llave de paso
furos metálicos (lo cual les ganó el nombre de “fumarolas negras”; En el para extraer
laboratorio, la incubación de pocas moléculas pequeñas en presencia de
muestras

sulfuro de hierro y sulfuro de níquel a 100 °C produce ácido acético, un compuesto Figura 1-10. Síntesis de moléculas
orgánico con un enlace C–C recién formado: biológicas en el laboratorio. Una

CH3SH ϩ CO ϩ H2O FeS, NiS CH3COOH ϩ H2S mezcla de gases –H2, H2O, NH3
Metiltiol Monóxido y CH4– se somete a una descarga
Ácido acético eléctrica. Los compuestos recién

de carbono formados, por ejemplo aminoácidos, se
acumulan en la fase acuosa cuando el

En condiciones similares, los aminoácidos forman polipéptidos pequeños de manera vapor de agua se condensa. Mediante la
espontánea. Aunque las altas temperaturas necesarias para su síntesis también tien- llave de paso pueden extraerse muestras
den a degradarlos, estos compuestos habrían sido estables en agua más fría un poco de los productos de reacción.

alejados de la chimenea hidrotermal.

Sin importar cómo se formaron, los primeros bloques de construcción bioló-

gicos habrían tenido que polimerizarse. Este proceso pudo haberse visto estimu-

lado cuando las moléculas orgánicas –que a menudo portan grupos aniónicos (con

carga negativa)– se alinearon en una superficie mineral catiónica (con carga positiva).

− Monómeros −−−− Polímero
−− ++++ −−−−

− ++++

++++
Arcilla

De hecho, en el laboratorio la arcilla común promueve la polimerización de nucleó-
tidos para formar RNA. Los polímeros primitivos habrían tenido que adquirir la
capacidad de autoreplicación. En caso contrario, y sin importar cuán estables o
químicamente versátiles sean esas moléculas, nunca habrían podido dar origen a
nada mayor o más complejo: la probabilidad de ensamblar una célula completa-
mente funcional a partir de una solución de miles de moléculas pequeñas dispersas
es prácticamente nula. Dado que en las células modernas el RNA constituye una
forma de información genética y participa en todos los aspectos de la expresión de
esa información, quizá sea similar al primer biopolímero autoduplicante. Pudo ha-
ber hecho una copia de sí mismo generando primero un complemento, una especie
de imagen en el espejo, que entonces hizo una copia de sí mismo, la cual era idéntica
a la molécula original (figura 1-11).

1-4. Origen y evolución de la vida | 15

RECUADRO 1-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA

¿Cómo actúa la evolución?

Documentar el cambio evolutivo es un proceso relativamente natural actúa en las materias primas a la mano; no puede crear
directo, pero los mecanismos por los cuales ocurre la evolución se algo de la nada, sino que debe operar en incrementos. Por
prestan a interpretaciones erróneas. Las poblaciones cambian con ejemplo, las alas de los insectos no aparecieron de manera
el tiempo, y surgen nuevas especies como resultado de la repentina en la descendencia de un progenitor áptero, sino que
selección natural. La selección opera en individuos, pero sus con mayor probabilidad se desarrollaron poco a poco, en el
efectos pueden verse en una población tras un lapso de tiempo. transcurso de muchas generaciones, por modificación de una
La mayoría de las poblaciones son grupos de individuos que com- branquia o un apéndice intercambiador de calor. Cada paso en el
parten una constitución genética general, pero también exhiben desarrollo de las alas habría sido objeto de la selección natural, de
pequeñas variaciones debido a cambios aleatorios (mutaciones) modo que un individuo que poseyera el apéndice debió haber
en su material genético al pasar de un progenitor a su descenden- tenido más probabilidades de sobrevivir, quizá al ser capaz de
cia. En general, la supervivencia de un individuo depende de qué planear primero y luego volar, en persecución del alimento o para
tan bien adaptado esté a las condiciones particulares en que vive. evadir a los depredadores.

Los individuos cuya constitución genética les garantiza una Aunque existe la tendencia a pensar en la evolución como un
tasa de supervivencia alta tienen más oportunidades de dejar a su proceso imperceptiblemente lento, que ocurre en una escala de
descendencia la misma constitución genética. En consecuencia, tiempo geológica, es continuo y accesible a la observación y
sus características se propagan en una población, y con el tiempo, cuantificación en el laboratorio. Por ejemplo, en condiciones
la población se adapta a su ambiente. Una especie bien adaptada óptimas, para obtener una generación completa de la bacteria E.
a su ambiente tiende a persistir; una especie mal adaptada no coli se requieren sólo 20 minutos. En el laboratorio, un cultivo de
puede reproducirse y por tanto se extingue. Por esta razón, un E. coli puede ver pasar unas 2,500 generaciones en un año. (En
signo de “éxito” evolutivo es el merecer al nombre de “fósil contraste, unas 2,500 generaciones humanas requerirían de unos
viviente”. En el caso del celacanto, en la actualidad el pez se 60 000 años.) Así, es posible someter a una población de células
parece mucho a sus formas fósiles, cuya antigüedad data de 400 bacterianas cultivadas a una especie de selección “artificial” –por
millones de años. ejemplo, haciendo escaso algún nutrimento esencial– y observar
cómo cambia con el tiempo la composición genética de la
Dado que la evolución es el resultado de variaciones aleatorias población a medida que se adapta a las nuevas condiciones.
y probabilidades cambiantes de reproducción exitosa, de manera
inherente es aleatoria e impredecible. Además, la selección

Orígenes de las células modernas

Las probabilidades de que una molécula con la capacidad de autoduplicarse au-
mente su número dependen de muchos factores. La selección natural –el fenómeno
por el cual los organismos mejor adaptados a las condiciones prevalecientes tienen la
mayor probabilidad de sobrevivir y multiplicarse– habría favorecido a la molécula
autoduplicante que tuviera estabilidad química y un suministro asequible de blo-
ques de construcción y energía libre para hacer copias de sí misma. En consecuencia,
habría sido ventajoso estar rodeada por algún tipo de membrana capaz de impedir
que moléculas pequeñas valiosas escaparan por difusión. La selección natural tam-
bién habría favorecido a los sistemas autoduplicantes que desarrollaron los medios
para sintetizar sus propios bloques de construcción y para manejar de manera más
eficiente las fuentes de energía libre.

Es probable que las primeras células hayan sido capaces de “fijar” CO2 –esto es,
de convertirlo en compuestos orgánicos reducidos– utilizando la energía libre gene-
rada en la oxidación de compuestos orgánicos asequibles como H2S o Fe2+. Pueden
verse vestigios de estos procesos en reacciones metabólicas modernas en las que in-
tervienen azufre y hierro.

16 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida

Más tarde, organismos fotosintéticos similares a las cianobacterias A
actuales (también llamadas algas verde-azules) utilizaron la energía del A
Sol para fijar CO2: A
A
CO2 ϩ H2O (CH2O) ϩ O2 A

La oxidación concomitante de H2O a O2 incrementó de manera impre- Original U
sionante la concentración de O2 atmosférico, hace unos 2.4 mil millo- UUU
nes de años, e hizo posible que los organismos aeróbicos (que usan 1. La molécula de poliA sirve
oxígeno) dispusieran de este agente oxidante. Los orígenes anaeróbicos como molde o plantilla para
de la vida aún son visibles en las reacciones metabólicas más básicas de
los organismos modernos, las cuales proceden en ausencia de oxígeno. U la síntesis de un polímero
Ahora que la atmósfera terrestre contiene alrededor de 18% de oxígeno, que contiene nucleótidos de
los organismos anaeróbicos no han desaparecido, sino que se restringie-
ron a microambientes en que el O2 es escaso, como los aparatos diges- uracilo, U, que son
tivos de los animales o los sedimentos subacuáticos.
AU complementarios a los
Las formas de vida de la Tierra actual son de dos tipos, que se dis- AU nucleótidos de adenina (en
tinguen por su arquitectura celular: AU el RNA moderno, A se
AU parea con U).
1. Los procariotes, que son organismos unicelulares pequeños y care-
cen de un núcleo bien definido, por lo común no poseen un sistema AU
de membranas internas. Este grupo comprende dos subgrupos que
difieren en grado notable en su metabolismo, aunque su aspecto es 2. Las dos cadenas
similar: las eubacterias (por lo común llamadas simplemente bac- poliméricas se separan.
terias), ejemplificadas por E. coli, y las arqueas (o arqueobacte-
rias), mejor conocidas como organismos que viven en ambientes AU 3. La molécula de poliU sirve
extremos, aunque en la actualidad se les encuentra casi en cualquier AU como plantilla para la
parte (figura 1-12). A+ U síntesis de una nueva
AU cadena de poliA
2. Las células eucarióticas suelen ser más grandes que las procarióticas AU complementaria.
y contienen un núcleo y otros compartimientos celulares limitados
por membrana (como mitocondrias, cloroplastos y retículo endo- Original Complemento 4. Las cadenas se separan de
plásmico). Los eucariotes pueden ser unicelulares o multicelulares. nuevo y el polímero poliU se
Este grupo incluye microorganismos así como los subgrupos bien A desecha, dejando la
conocidos de plantas y animales (figura 1-13). A molécula original de poliA y
su copia exacta.
Al analizar las secuencias de nucleótidos en ciertos genes que se AA
encuentran en todas las especies, es posible construir un diagrama que A
indique el modo en que bacterias, arqueas y eucariotes podrían estar
relacionados. En teoría, el número de diferencias de secuencia entre A UA
dos grupos de organismos indica el tiempo transcurrido desde que di- A UA
A + UA
A UA
A UA

U
U
U
U
U

AA
AA
A+A
AA
AA

Original Copia

Figura 1-11. Posible mecanismo para la
autoreplicación de una molécula de RNA primitiva.
Por sencillez, la molécula de RNA se muestra como un
polímero de nucleótidos de adenina, A.

Figura 1-12. Células
procarióticas. Estas bacterias
unicelulares E. coli carecen
de núcleo y de sistemas
membranosos internos.

(E. Gray/Science Photo Library/Photo

Researchers.)

1-4. Origen y evolución de la vida | 17

Procariotes Eucariotes

Animales Eucaria

Arqueas Hongos

Bacterias Plantas

Figura 1-13. Célula eucariótica. Figura 1-14. Árbol evolutivo basado en secuencias de nucleótidos. En este
El paramecio, un organismo ejemplo, las bacterias se separaran antes de que divergieran arqueas y eucariotes. Nótese
unicelular, contiene un núcleo y otros que los hongos, vegetales y animales, muy separados entre sí, en realidad son más
compartimientos membranosos. parecidos unos a otros que muchos grupos de procariotes. (Según Wheelis, M.L., Kandler, O.,
Compárese esta célula con las células
bacterianas de la figura 1-12. and Woese, C.R., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 2930-2934 [1992].)

(Dr. David Patterson/Science Photo Library/ vergieron a partir de un ancestro común: especies con secuencias similares tienen
una historia evolutiva compartida más larga que especies con secuencias disimilares.
Photo Researchers.) Este tipo de análisis puede generar un árbol evolutivo como el de la figura 1-14.

La historia evolutiva de los eucariotes es complicada por el hecho de que las células
eucarióticas exhiben características tanto de bacterias como de arqueas, y contienen
organelos que con toda certeza alguna vez fueron células de vida libre. Específicamen-
te, los cloroplastos de las células vegetales, que realizan la fotosíntesis, son muy pare-
cidos a las cianobacterias fotosintéticas. Las mitocondrias de las células vegetales y
animales, que son el sitio de gran parte del metabolismo aeróbico de las células euca-
rióticas, semejan a algunas bacterias. De hecho, tanto cloroplastos como mitocon-
drias contienen su propio material genético y maquinaria de síntesis de proteínas.

Es probable que un “hospedador” eucariótico primitivo y sus “dependientes” pro-
carióticos se desarrollaran de manera gradual a partir de una población mixta de
células arqueas y bacterianas. Durante muchas generaciones de vivir en estrecha
proximidad y compartir los productos metabólicos de las otras, algunas de estas cé-
lulas coevolucionaron para adquirir una configuración estable que con el tiempo
produjo el eucariote moderno similar a un mosaico (figura 1-15).

En algún momento, las células de poblaciones densas pudieron haber transforma-
do su existencia individual en un modo de vida colonial. Esto pudo haber permitido
una división del trabajo cuando las células se especializaron, y habría generado final-
mente organismos multicelulares.

En la actualidad, la Tierra sostiene unos 14 millones de especies distintas (aunque
las estimaciones varían). Quizá han aparecido y desaparecido unos 500 millones de
especies en el transcurso de la historia evolutiva. Es improbable que el planeta alber-
gue más de unos pocos mamíferos aún por descubrir, pero de manera sistemática se
describen nuevas especies microbianas. Y aunque el número de procariotes conoci-
dos (unos 5 000) es menor que el de eucariotes conocidos (por ejemplo, hay unas
750 000 especies conocidas de insectos), las estrategias metabólicas de los procario-
tes son sorprendentemente variadas. Sin embargo, al documentar características que
son comunes a todas las especies, es posible formular conclusiones de largo alcance
acerca de lo que constituye la vida, qué la sostiene, y cómo se desarrolló en el trans-
curso de la existencia de la Tierra.

Figura 1-15. Posible origen de las células eucarióticas. La estrecha asociación
de diferentes tipos de células de vida libre condujo de manera gradual a la célula
eucariótica moderna, que parece ser un mosaico de características bacterianas y arqueas
y contiene organelos que semejan células bacterianas completas.

18 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida

REPASO DE CONCEPTOS
• Explique cómo los compuestos prebióticos simples pudieron dar origen a

monómeros y polímeros biológicos.
• ¿Por qué la replicación es necesaria para la vida?
• ¿Por qué los primeros organismos eran anaerobios y por qué son relativamente

escasos en la actualidad?
• Describa las diferencias entre procariotes y eucariotes.
• ¿Por qué las células eucarióticas parecen mosaicos?

RESUMEN • La vida es termodinámicamente posible debido a que los
procesos endergónicos, desfavorables, se acoplan a procesos
1-2. Moléculas biológicas exergónicos, favorables.

• Los elementos más abundantes en las moléculas biológicas 1-4. Origen y evolución de la vida
son H, C, N, O, P y S, pero también están presentes otros
elementos en los sistemas vivos. • Las primeras células pudieron surgir en soluciones concen-
tradas de moléculas o cerca de chimeneas hidrotermales.
• Las principales clases de moléculas pequeñas en las células
son aminoácidos, monosacáridos, nucleótidos y lípidos. • Las células eucarióticas contienen organelos rodeados por
Los principales tipos de polímeros biológicos son proteínas, membranas. Las células procarióticas, que son más peque-
ácidos nucleicos y polisacáridos. ñas y simples, comprenden bacterias y arqueas.

1-3. Energía y metabolismo

• La energía libre tiene dos componentes: entalpía (conte-
nido de calor) y entropía (grado de desorden). La energía
libre disminuye en los procesos espontáneos.

GLOSARIO Enlace peptídico Polímero
Entalpía (H) Polinucleótido
ΔG Entropía (S) Polipéptido
Ácido nucleico Enzima Polisacárido
Aeróbico Eucariote Procariote
Aminoácido Eukaryota Proceso espontáneo
Anaeróbico In vitro Proceso no espontáneo
Arquea In vivo Proteína
Bacteria Lípido Reacción endergónica
Bioinformática Monómero Reacción exergónica
Carbohidrato Monosacárido Reducción
Complemento Nucleótido Replicación
Conformación Oligoelemento Residuo
Energía libre (G) Oxidación Selección natural
Enlace fosfodiéster
Enlace glucosídico

PROYECTO DE BIOINFORMÁTICA 1 Aprenda a usar la base de datos PubMed para buscar documentos publicados sobre
un tema dado y recupere información de reportes que aparezcan en Internet.
La bibliografía bioquímica

1-4. Origen y evolución de la vida | 19

PROBLEMAS 3. Nombre los cuatro tipos de moléculas biológicas pequeñas.
¿Cuáles son las tres capaces de formar estructuras poliméricas? Dé
1-2. Moléculas biológicas los nombres de las estructuras poliméricas formadas.

1. Identifique los grupos funcionales de las siguientes moléculas: 4. ¿A cuáles de las cuatro clases de biomoléculas pertenecen los
siguientes compuestos?

(a) O (b) COOH

ϩH3N CH C OϪ CO (a) CH2OH
CH2 CH2 H O
CO O H C OH OH
HO H H

OH H

NH2 CH3 C NH C H H NH C CH3
HO C H O

H C OH (b) NH2
H C OH N

CH2OH O ON
ϪO P O CH2 O
(c) O
OϪ H H
CH2 O C (CH2)14 CH3 HH

HO CH O OH OH

CH2 O P OH
OH

(d) O (c) HS CH2 CH2 CH COOϪ
ϩH3N CH C OϪ NH3ϩ
CH2
SH

(e) O (f ) O (d)
CH C OϪ

H C OH HN
CH2OH
O
2. A continuación se muestran las estructuras de varias vitaminas. RCO
Identifique los grupos funcionales de cada una de ellas.

OO OH O 5. La calidad nutricional del alimento puede analizarse midiendo
C CH2OH los elementos químicos que contiene. La mayoría de los alimentos
C son combinaciones de los tres principales tipos de moléculas pre-
OH sentes en los seres vivos: grasas (lípidos), carbohidratos y proteínas.

HO OH H N (a) ¿Cuáles elementos están presentes en las grasas?
(b) ¿Cuáles elementos están presentes en los carbohidratos?
Vitamina C Ácido nicotínico (niacina) (c) ¿Cuáles elementos están presentes en las proteínas?

O 6. Un compuesto que está presente en muchos alimentos tiene
la fórmula C44H86O8NP. ¿A qué clase de moléculas pertenece este
H3CO CH3 CH3 compuesto? Explique su respuesta.

H3CO (CH2 CH C CH2)10H 7. Una alimentación sana debe incluir proteínas.
(a) Suponiendo que el lector dispone de un medio para medir
O la cantidad de cada elemento en una muestra de alimento, ¿cuál
elemento mediría a fin de decir si el alimento contiene proteína?
Coenzima Q

20 | CAPÍTULO 1 Base química de la vida