capítulo 02 - pequeñas moléculas, energía y biosíntesis

5/12/2018 Cap tulo 02 - Peque as mol culas, energ a y bios ntesis

f Pequefias moleculas,energia yblosfnteslsIl

"Debo anunciarles que puedo preparar urea sin necesidad de ningtin rifton ni denlngnn animal, ya sea un hombre a un perro." Esta frase, escrita hace 165 afiospar el joven qulmico aleman Wohler, signific6 e1final de la ereencia en una fuer-za vital especial existente en los organismos vivos que da lugar a sus propieda-des y productos caraeteristieos. Pero 1 0 que en la epoca de Wohler fue una reve-lacion, actualmente es de comun conocimiento -Ias eriaturas vivas estan hechasde compuestos quimicos. En 1avisi6n conternporanea de la vida no bay lugarpara el vitalismo -0para cualquier eosa que quede fuera de las leyes de la qufmi-ea y dela ffsica. Esto no quiere decir que en biologfa ya no existan misterlos:existen rnuchas areas de ignorancia, tal como se pondra de manlflesto en capf-tulos posteriores, Pero deberfamos empezar a subrayar la gran cantidad de fen6-menos que se conocen.Actualmente, disponemos de informaci6n detallada sabre las moleculasesenciales de la celula -no 5610de un reducido mimero de molecules, sino demiles de ellas. En much os easos conocemos sus estructuras quirnicas exactas ysabemos con exactitud e6mo son producidas y degradadas, En terminus gene-rales, conoeemos c6mo la energia qufmica impulsa las reaceiones biosinteticasde 1acelula, c6mo actuan en las celulas los principles de la termodinamica ge-nerando un orden molecular, y tambien como son controladas y coordinadaslas minadas de cambios qufmicos que se producen continuamente de --ascelulas, ~'/."t< e[ Cif,"c

En este capitulo y en e1siguiente resumimos brevement~"-'tlufmica de l~ '.celula viva. Aqui nos ocuparemos de los procesos en los que i"\.iJrrvieFl~!1las.mo - $'. ..~ 1 J t ' B " . I If[j_j::..I[)~&~j\ IIleculas pequefias: de aq~e~os mecanismos a traves ?e los cuah ~a cetl!~~;s;}~eti-;:I'. 'za sus componentes quirrucos fundamentales y obtiene su en . -EI-Ga~",tHffi 3 ;;~ . ;: ::: 'Jdescribe las moleculas gigantes de la celula, que son polfmeros ~as moIecula~pequefias y cuyas propiedades son las responsables de la espe ., adsde ,\procesos blologicos y de la transfereneia de la informaci6n biologiea,

Los componentes quimicos de unacelulaLa qufmica celular se basa en los compuestos de carbone'Una celula viva esta eompuesta por un restringido eonjunto de.elementos, cua-tro de los cuales (C,H, Ny 0) .eonstituyen aproximadamente el 99 % de su peso.Esta cornposicion difiere notablemente de la de la corteza terrestre y pone de re-

43-- - --- -----


H N Ca Nay yMg Kp Si Otroso

lieve un tipo caracterfstico de qufrnica (Figura 2-1). iCmll es esta qufmica espe-cial y como surgi6?La substancia mas abundante de la celula viva es el agua. Constituye aproxi-

madamenteel 70 % del peso de las celulas, La mayorta de reacciones intracelula-res ocurren en un medio acuoso. La vida en este planeta empez6 en el mar, y lascondiciones que reinaban en aquel amhiente primitivo imprimieron un sello per-manente en la quimica de Ia materia viva. Todos los organismos han sido disetra-dos en base a l as propiedades caracteristicas del agua, tales como su caracter po-lar, su habilidad para formar enlaces de hidr6geno y su alta tension superficial.Par ejemplo, el agua rodea completamente a las moleculas polares rnientras quetiende a reunir las molecules no polares, formando grandes agregados. En el Pa-ne12-1 (pags, 50-51) se resumen algunas propiedades importantes del agua.

Aparte del agua, la gran rnayona de Las otras moleculas de una celula soncompuestos de carbono, centro de atenci6n de la qufmica organlca, El carbonadestaca entre todos Los elementos de la Tierra por su capacidad de formal gran-des molecules: en este aspecto Ie sigue e1s ilicic, muy por debajo de 131.Debido asu reducido tamano y a los cuatro electrones de la capa externa el atomo de car-bono puede formar cuatro enlaces covalentes fuertes can otros "Homos. Y, Jo quees mas importante, se puede unir a otros atornos de carbona formando cadenasyanillos, generando as! moleculas grandes y complejas cuyo tamano no tiene unlimite superior obvio. Los otros atornos abundantes enla celula ( 1 - 1 , Ny 0) tam-bien son pequefios y capaces de formar enlaces covalentes muy fuertes (Panel 2-2, pags, 52-53).

Un enlace covalente tipico de una rnolecula biologica tiene una energfa deentre 15 y 170 kcal/mol, en funcion de los atornos que esten implicados. Comopar termino medio la energia terrnlcaa la temperatura corporal solamente es de0,6 kcal/mol, inclusouna collsidn energetica can otra molecule, muy poco pro-bable, no sent capaz de romper un enlace cavalente. Sin embargo, catalizadoresespecificos pueden romper 0reorganizar rapidamente los enlaces covalentes. LaBiologfa es posible gracias a la combination de estabilidad de los enlaces cova-lentes en condiciones fisiolcgicas y la capacidad de los catalizadores biologicos(denominados enzimas) de romper y reorganizar estos enlaces de una maneracontrolada y en determinadas rnoleculas.

En principia, las simples reglas del enlace covalente entre el carbono Y otroselementos permiten un ntimero infinitamente elevado de compuestos. Aunque elruimero de compuestos diferentes de carbono de una celula es muy grande, unica-

44 Capitulo 2 :Pequefias moleeulas, energfa y blosfntesis

Figura 2-1 Abundancia relativa de loselementos qufmicos encontrados enla corteza terrestre (elmundotnanlmado), comparada con Iaencontrada en los tejidos blandos delos organlsmos vivos. La abundanciarelative se expresa como elporcentaj edel ruimero total de atomns presentes ..AsI, por ejemplo, aproximadarnentecerca del 50 % de los aromos de losorganismos vivos son atomos dehidr6geno.


mente representa una diminuta fracci6n de los que son tecricamente posibles, Enalgunos casos podemos encontrar una buena razon para explicar que este 0 aquelcompuesto realiza una funcion bio16gica determinada: pero con mayor frecuenciaparece que el compuesto "elegido'" fue una alternativa entre otras muchas razona-bIes...algo asf como un accidente (Figura 2-2). Ciertos patrones y elementos de reac-cion, una vez establecidos en las celulas mas antiguas, fueron preservados con al-gunas variaciones a 10 largo de la evolucion. Aparentemente, eI desarrollo denuevas clases de compuestos fue necesario 0iitil en muy contadas ocasiones.Las celulas utilizan cuatro tipos basicos de molecules pequefias"Ciertas combinaciones simples de atomos -tales como Losgrupos metilo (-CH3),hidroxilo (-OR), carboxilo (-COOH) yamino (-NH2)- se presentan repetidamen-te en las moleculas blologicas. Cada uno de estos grupos tiene propiedades qut-micas y ffsicas distintas que influyen sobre el comportamiento de cualquier rno-lecula en que se presente el grupo. El Panel 2-2 (pags, 52-53) resume los tiposprincipales de grupos quimicos y algunas de sus propiedades sobresalientes.

Los pesos atomicos de E, C, Ny 0 son 1, 12, 14 Y 16 respectivamenre. Lasmoleculas organlcas pequeiias de la celula tienen pesos moleculares que osci-Ian entre 100 y 1000 Y contienen basta unos 30 atornos de carbona. Normalmen-te sa hall an Jibres en solucion, donde aJgunas de ellas forman un acervo de inter-mediarios a, partir de los cuales se construyen largos polimeros, denorninadosmacromoleculas, Tambien existen Intermediaries esenciales en las reaccionesqufmlcas que transforman la energfa derivada de los alimentos en formas utilesde energia 00 eual se discute mas adelante),

Las rnoleculas pequefias representan una decima parte del total de materiaorganica de una celula y (a grandes rasgos) s610 existen del orden de un mlllar detipos diferentes de elIas (TabJa 2-1). Todas Jas rnoleculas bio16gicas se sintetizan apartir de los rnismos compuestos simples y se degradan a estos mismos com-puestos, ocurriendo la sfntesis y Ia degradacton a traves de secuencias de cambiosqufmicos de alcance limltado y slguiendo regias precis as. Por conslguiente, loscompuestos de una celula pueden ser clasificados en un reducido nnmero de fa-milias distintas. Dado que las macromoleculas de una celula, que constiruyen eltema del Capitulo 3 de este libra, estan formadas a partir de estas mismas mole-culas pequenas, pertenecen a sus mismas familias.

A grandes rasgos, podemos decir que las celulas poseen cuatro grandes fami-lias de rnoleculas organicas pequenas: los aziicares simples, los acidos grasos, losamlnoacldos y los nucle6tidos. Cada una de estas familias contiene much osmiembros diferentes, que presentan rasgos quimlcos comunes. Aunque algunoscompuestos celulares no pueden c1asificarse en estas categorias, las cuatro fami-lias, junto con las macromolecules formadas a partir de elias, constituyen un por-centaje sorprendentemente elevado de la masa eelular total (Tabla 2-1).

Tabla 2-1 Composici6n qufmica aproxlmada de una cQuIa bacterfanaPorcenta]e delpeso celuIar

totalNumero detipos de cadamoleculaAgua

Iones InorganlcosAzucares y precursoresAminoacidos y precusoresNucle6tidos y precursoresAcidos grasos y precursoresOtras moleculas pequenasMacromoIeculas (protefnas, acidosnucleicos y polisacaridos) "

70110,40,410,2

26,0

120

25010010050

-300-3000

Los componentes qufmicos de una celula

Figura 2-2 Losorganismos vivosunlcamente sintetizan WI reducidomimero de las molecules organleas,que en principle podrfan producir.De los sets aminnacldos que semuestran en la figura, unlcamente 1 3 1de la parte superior (e1triptofano) essintetizado par las celulas,

45


CH20H1C-OHH'j H

1 H /C cl,oH H/ ~HO,I 1 0C-CI IH OH

HITW"~H"


transportados fundamentalmente por dos moleculas cruciales, denominadasATP y NADH, respectivamente. Mas adelante, en este mismo capitulo discuti-mos la estructura y las funciones de estas dos moleculas cruciales,Los polisacaridos simples, compuestos s610POt residues de glucosa -princi-palmente el glucogeno en las celulas animales y e1almidon en las celulas vegeta-Ies- son utilizados para almacenar energia que se utilizara en el futuro. Pero losezucares no se utilizan exclusivamente para la producci6n y el alrnacenarnlento

de energfa. Importantes compuestos estructurales extracelulares (tales como lacelulosa) estan formados por polisacaridos sencillos, y a menudo seouencias norepetitivas de cadenas de moleculas de aziicares, mas pequefias pero mas corn-plejas, estan unidas covalentemente a protefnas, formando glucoproteinas, 0 allpidos, formando glucolfpidos.

Los acidos grasos son coroponentes de las membranas celnlares"Una molecule de acido graso, como par ejemplo el aeido palmitico (Figura 2-5)presenta dos regiones caracterfsticas: una larga cadena hidrocarbonada hidrofo-bica (insoluble en agua) y qutmicamente no muy reacnva, y un grupo deacidocarboxflico, ionizado en solucion (COO-)' extremadamente hidrofflico (solubleen agua) y quefacilmente reacciona con un grupo hidroxilo 0 un grupo aminode otra molecule formando estetes y amidas. De heche casi todas las moleculesde


grupo grupoamino carboxilo\ ~H2N-C-COOH -I pH7CI-I3

1-1+ I -1-13N-C-COOI0-13

forma noionizada formaionizada

son farnlliares en nuestra experiencia diaria. Cuando es necesario obtener ener-gia, las cadenas de acido graso pueden ser liberadas de los triactlgltceridos y serdegradadas basta unidades de dos carbonos. A continuacion, estas unidades dedos carbonos, que constituyen el grupo acetilo de una rnolecula hidrosolubledenominada a ce til C oA , son degradadas a traves de varias reacciones que liberanenergia y que describiremos mas adelante,Pero Ia funcion mas importante de los acidos grasos reside en la construe-cion de las membranas de la celula, Estas finas capas semipermeables que limi-tan a todas las celulas y envuelven sus organulos internos estan compuestas fun-damentalrnente de fosfolfpidos, pequefias rnoleculas que se parecen a los

triaciglicendos en que estan construidas en su mayor parte a partir de acidosgrasos y glicerol. En los fosfolfpidos, sin embargo, el glicerol esta unido ados ca-denas de acido graso y no a tres, Ellugar restante del glicerol esta acoplado a ungrupo fosfato, que a su vez esta unido a otto pequefio compuesto hidrofflicocomo la etanolamina, la colina 0la serina.Cada molecula de fosfolfpido tiene una cola bidrof6bica -compuesta por lasdos cadenas de acido graso- y una cabeza polar hidrofflica en Ia que se encuen-tra el fosfato. Si se coloca una pequefia cantidad de fosfolipido en agua, se exten-dera sobre la superficie formando una monocapa de moleculas de fosfolfpido;en esta lamina las colas de las moleculas quedan densamente empaquetadasunas con otras y dirigidas hacia el aire y las cabezas se hallan en contacto con elagua (Panel 2-4, pags, 56-57). Dos de estas laminas se pueden combinar, colacontra cola, formando un "sandwich" de fosfolipidos, 0 bicapa Ilpfdlea, una es-tructura extraordinariamente importante que es la base estructural de todas lasmembranas celulares (como se discute en el Capitulo 10).Losaminoacidos son las subunidades de las protefnas"Los aminoacidos comunes son qufmicamente variados, pero todos ellos contie-nen un grupo de actdo carboxilico y un grupo amino, ambos unidos at mlsmoatomo de carbona (Figura 2-6). Se utilizan como subunidades en la sintesis delas protefnas, que son largos polfmeros lineales de aminoacidos unidos cabeza-cola mediante un enlace peptidico entre el grupo carboxilico de un aminoacido yel grupo amino del aminoacido siguiente (Figura 2-7). Aunque existen muchosaminoacidos posibles, en las protetnas solo hay 20 aminoactdos cornunes, cadauno de ellos can una cadena lateral diferente unida al atomo de carbono a CPa-nel2-5, pags, 58-59). Estos mismos 20 aminoacidos se presentan una y otra vezen todas las protemas, incluidas las producidas par las bacterias, las plantas y losanimales. Aunque la seleccion de estos 20 arninoacidos probablemente sea unejemplo de un accidente evolutivo, laversatilidad qufmica que proporcionan esde una importancia vital. Por ejemplo, 5 de los 20 amincacidos presentan cade-nas laterales que pueden transportar una carga (Figura 2-8) mientras que losotros no estan cargados pero son reactivos de formas diferentes (Panel 2-5, pags,58-59). Como veremos, las propiedades de las cadenas laterales de los aminoaci-dos determinan las propiedades de las protefnas y constituyen la base de las dis-tintas y sofisticadas funciones desernpefiadas par ellas.

48 Capitulo 2 : Pequefias rnoleculas, energia y biosfntesis

Figura 2-6 EIamlnoaeldc alanina.En 1acelula, en la que elpH es cercanoa 7, el aminoacfdo se halla en formaionizada. Sin embargo, al serincorporado a una cadenapolipeptfdica las cargas de los gruposamino y carboxilo del aminoacldo libredesaparecen. Ala derecha de lasformulas estructurales se muestranrnodelos de bolas y varillas y deespacio lleno. En el caso de la alanina,la cadena lateral es un grupo -CI-l3

extremo aminode la cadena

PheN-H

I-I-C-CH D'2o=C -IN-HIH-C~CH2-0HIo=C.Ser

N-I-I HI /Lys H-C - CH2- CH2-CH2- CH2 - N-WI 'HO=C!~extremo carboxllode la cadenaFigura 2-7 Pequeiia parte de unamolecula proteica, mostrando cuatroamlnoaeldos. Cada aminoacldo estaunido al siguiente mediante un enlacecovalente que recibe el nombre deen la c e pept id ic o . Uno de estes enlacespeptlilicos se destaca sombreado deamarillo . POI 10 tanto, las protefnas sedenominan a v ec es polipeptidos. Lascadenas laterales de los amincacidosse representan en rOjay los atornos deun aminoacido e e l acido glutarnico) sedestacan mediante el s om br ea d o g ri s.


13

11

9

pH 7

5

3

acldo acldo histldlna llslna aigininilaspartico glutilmicopK-4,7 pK-4,7 pK-6,5 pK-l0,2 pK-12

Los nuc1e6tidos son las subunidades del DNA y del RNA6En los nuclectidos, uno de los diversos compuestos cfclicos que contienen nitro-geno (denominados a menudo bases porque en soluciones aeidas pueden com-binarse con.H') esta unido a unazncar de cinco carbonos (r ibosa 0desoxirribosa;que tambien contiene un grupo fosfato. Existe un claro parecido entre los dife-rentes anillos nitrogenados de los nucleotidos. La citosina (e), la timina (T) y eluracilo (U) reciben el nornbre de pirtmidinas puesto que todos ellos derivan detm anillo de pirimidina hexagonal; la guanina (G) y la aden ina (A) son purinas,compuestas por un segundo anillo pentamerico unido at anillo hexamerico.

(A) (8)

Los componentes quimicos de una celula

Figura 2-8 La catga de las cadenasIaterales de los amlnoacldos dependede] pH. En solucion acuosa los acldoscarboxrlicos pierden facilmente un Wformando un ion decarga negativaque se nom bra mediante el sufijo"-ato"', como par ejemplo aspartatoglutamato. Can las aminas se produceuna situaci6n parecida ya que ensoluci6n acuosa taman Ht formandoun ion de carga positiva (qua no recibningun nornbre especial). Estasreacciones son raptdamentereversihles, y la cantidad presente delas dos formas, con carga y sin carga,depende del pH de la soluci6n. A unpH elevado, los acidos carboxHicostienden a estar cargados y las aminassin carga: a un pH bajo sucede 10ccntrario -los acldos carboxtlicoscareeen de eargay las aminas estancargadas, EIpH en el que estancargados exactarnente la mitad de losresidues de acido earboxilieo 0 aminarecibe el nombre de pK delarninoacido en cuesti6n.

En I a c e lu la , el pH es proxim o a 7ycasi todos los actdos carboxflicos ylas aminas se encuentran en formaeargada.

FIgura 2-9 Estructura qufmica deladenostn trifosfato (ATP).Semuestraun modele de espacios llenos (Al,unmodele de bolas y varillas (B)y laf6rmula estructutal (C).N6tese lapresencia de cargas negativas en cadauno de los tres fosfatos,

trltnsfato " rlbnsa edenlnaadenosine

(el

4


ENLACES DE HIDR6GENODebido a que estan polarizadas, dosmolecules de agua adyacentespueden formar una union conocidacomo enlace de hidr6geno. Los enlacesda hid r6geno tienan una fuerza dealrededor de 1/20 la de un enlacecovalente.

L_______j0,104 nm

6' longitudes de enlaceenlace de hidr6geno

0,28 nmH -,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 H -0 -/H

1 1 1 1 1 " 1 1 1

enlace de hidr6genoLos enlaces de hidr6geno, son masfuertes cuando los 3 Mamas se 'encuentran en linea recta.

ELAGUA

enlace covalente

ESTRUCTURA DEL AGUADos atornos, conectados por un enlace covalente, pueden ejercer atracclonssdifarentes sabre los electrones dal enlace. En estes casas el enlace es dipolar,con un extrema carqado ligeramente negativo lo-} y ot ro cargado ligeramentepusitivotS"). Los enlaces en los que los dos atornos son iguales 0ejercenatracciones iguales sobre los electrones se denorninan no polares.

Las molecules de agua se unen entre sftransitodamente formando una red a travss deenlaces de hldr6geno. lrcluso a 37C, un 15%las molecules de agua sstan unidas cada unaa otras 4, en un ensamblaje de vida corta conocomo "agrupaci6n oscilante".v\ I L .

" % ),

La naturaleza cohesiva del agua es responsablede muchas da sus propiedades extraordinar ias,tales como la elevada tarrsion superficial, el acalor especifico y al elevado calor de vapor izat io

Aunque una molecule de agua tiene una carga nata total neutra (por tanar almismo nurnero de protones que de electrones), sus electrones estan distribuidosde forma aslmetrica, 10 cual hace que la molecule sea polar. EI nucleo da ox(genodesplaza a los electrones de los nucleos de hidr6geno, dejimdolo a estes nucteoscon una pequeria carga neta positiva. EI exceso de densidad electronics sobre elatorno de oxfgeno genera regiones debllmsnte negativas cerca del atorno deoxi.geno en los otros dos vertices de un tetraedro imaginario.

MOLECULAS HIDROFfLiCAS E HIDROF6BICASDebido a su naturaleza polar, las molecules de agua se agrupanalrededor de los jones y de otras rnoleeulas pol ares.

Las molecules no polares interrumpen la est rucdel agua formada por enlaces de H, sin formarinteracciones favorables con molecules de agPar 10 tanto son hidrofobicas y casi insolublesen agua.

O-H/t! H$ /,tlIIIIH-O.:..- .\ T Hr ; ;,,~/'-,0-4~!flllll0" - ~ \H H\O-H

H/H-O

H-O \H0-1-1/H

H/o\HH

Las molecules que puedan acomodarse en estructuras de estetipo, formadas por molecules de agua unidas por enlaces dehidr6geno, son hidrofllicas y relativamente solubles en agua.

/HH-O~\ Ii-HIII"'OH

HI0 . . . . . . . . . H

H IIIIII /oH~\\\\ \0/ HIH


MOLECULAS HIDROF6BICAS Y ESTRUCTURAS ACUOSAS

Las rnoleculas que son no polares y no puedenformar enlaces de hidrOg.eno -como loshidrocarbonos- s610 tienen una solubllldaden agua limitada, y se denominan hidrofObicas.Cuando estas molecules se encuen1ranen ag:ua,se forman a su alredsdor astructuras ordenadasde molecules de agua. Estas cajas semejantesa hielo son relativamente mas ordenadas queII aqua llbre y generan una disminueiein deentropla del medio. En la figura se muestraparte de una deestasestructuras (en raja)alrededor de un hidrocarbono (en negro).En la estructura lntacta csda atomo de oxfgenoictrculoe rQjas) puede estar coordinadotetraadrlcarnente con otros cuatro.

ACIDOS V BASES EI agua, por sl misma, tiene una ligera tendeneia alonlzarse. aetuando tanto como scldo debil y comobase debil . Cuando actua como scldo libera un protein,gal1erando un ion hidroxil'o. Cuando actua como baseace pta un proton formando un ion hidronio. En sotucionacuosa la mavorta de protones estan como ioneshidronio.

Un acidoes una molecule que, en sotucton, cedeun ion H+ (protein). P~r ejemplo,oIICH-C3 \

OH+ W

H/O-HIIIIIIIIIO/ \H J i Hacido b a s e protonUna base es una rnotecula que, en soluclon, a.cepta

un ion H+ (protonl. Par ejemplo, lH~O. < B \H

ion hidronioacido08/H

ion hldroxllo

CH-NH +3 > 3 +base proton

pH 6SMOSIScone.de,Wenmoles/litro pH

SI 2 soluciones acuosas estan separadas por una membrana qunlcamente permits IIpaso dalas molecules de agua, astaoassrs hacia la soluciOn quecontiene la mayor concentraciOnde molecules solubles, un prooeso denominado osmosis.a acidez de una soluci6n 10 '

10-210-01.0-41.0-5

se define como la. . '. . '.....' . ' '.' ... , ..:.:.:-".: . 1: : ... '. it,

... . I I i .. 1 10 I I . . I-..... . . . . . . . . . . ' ..:'~':~..~...::.,.'.:1.:: '. ' ..::.'. .~:::':I e':' ."........ '... ' II i - ..... ~ III : .. II

concentraci6n de iones H+que poses. Por comodidad,ut ll izamos la escala depH en la que

. - ; - o r .

23< I5678910111213, < 1

Este movimiento dal agua desde una. soluclon hipot6nica a unsoluci6n hipert6nica, puede provocar un aumento de la presionhldroatatlca en el compartimiento hipert6nico. Dos solucionesque tengan concentraclones identicas de solutes, as decir, quesean osmcticarnente equllibrsdaa.se dice que son isot6nicas.

Q1: 1U.< {


EI carbono y el hidr6geno formjuntos unos compuestos estabdenominados hidrocarburos.no polares, no forman enlaceshidr6geno v, por 10 genera.l, sinsolublesen agua.

ESQUELETOS CARBONADOSEI papel ceractertstlco del carbono en Ie cetula sa debea su capacidad de forrnar enlaces covalentes con otrosatornos de carbono. As], los atornos de oerbono sepueden unir formando cadenes.

o astructuras ramificadas

re,presenlado \ 1\ 1\ J\tarnblen como V V V \ representado ~.tarnblen como /---"'"

ENLACES COVALENTESUn enlace covalente se forma cuando dos atomos se acercensuficientementa y corn parten uno 0mas de sus electrones. En unenlace sencillo sa comparte un elec r ren de cada uno delos dos~tomos; en un enlace doble se comparten un total de euatro electrones.Cada atorno forma un nurnerc deterrnlnado de enlaces covalentes,siguiendo una distribution especial definide. Por ejemplo, el carbone

forma cuatro enlaces sencillos distribuidos hacialos vlktices de untetraedro mientras qua al n.itr6geno forma tres enlaces senciHos V eloxfgeno forma dos enlaces senclllos, dlstrlbuldos como sa muestraen este panel.+ Dos atomoa unidos por doso mas enlaces covslentesno pueden rotar librementealrededor deleje del enlace.Esta restrlccion constituyeel factor limitante princlpel

sobre la dlstribuclontridimensional de muchasm ecrorno teeu ras .

Los dobles enlaces t ienen un a distribuci6n especial diferente.

tRESONANCIA Y AROMAT IC IDADLa cadena de carbonos pueden incluir dobrasenlaces. S f estos sa encuentran an atomos decarbonos a.lternos, los electrones de enlacese mueven dentro de Ia molecule,estabtllzendo ta estructura en un fan6menoconocido como rssonancta.

Cuando sa :produce resonancla enun compuesto clcllco, se genera unanillo arornetlco.

H H

\=1 \c=1 c/ \ I \ Ic C=c C=c/ t \ / \la astruotura vsrdaderase halla entre estas dos\ / !\ /IC-\~!C~\_!C/ \ / \

H

H H H

H HH H

r.epresent8do rT\ia rnenudo comoV

o aniHos

\/.\/\ /c , - I /C"-/---c c c-1 ' I 1_..+-C ( (-/ "-c/I"-C\/\ /\

representado CDamblen comoHIDROCARBUROS

HIH-C-HIHmetano

parte de la cadsnade un acldo gru~o

HIH-(-. IH

grupo rnatl


COMPUESTOS C-O COMPUESTOS C-NMuchos compuestos bloloqlcos contienen un carbono unido aun oxigeno. Por ejemplo:alcohol HI-C-OHIH

0 l#-c\Hc\c=ocl0t-c\OH

aldehido

cetona

acido carboxllico

esteres

EI-OH reeibe el nombrede grupo hidroxilo.

Las aminas y amidas son dos importantes ejemplos decompuestos que contienen un earbono unido a un nltroqeno.En agua, las aminas sa eombinan can un ion H+ y quadancargadas positivamente.

Por eonsiguiente, son baslcas,EI C=O reeibe el nombrede grupo carbonilo, Las amidas se forman por la comblnaclcn de un sctdc y unaamina. Son mas estables que los esteres. A diferaneia de las

aminas, en soluclon acuosa no poseen earga. Un ejemplo 10constituye el enlace pept ldico.o_ct +\OH

EI-COOH recibe el nombredegrupo carboxilo. En elagua pierde un ion H+ y seconvierts en -COO-.

to- \ I + HpNCI IHLos esteres estan formados por la cornbtnsclon

de un aoido y un alcohol: EI nitr6geno sa presenta tam bien en diversos compuestoscfclicos: purinas y pir imidinas

I to-C-C + I ~I \OHHO-C-Iacldo alcohol,

FOSFATOS

I to-C-C I +HOI 'b-c- 2I

NH 2N A c / HI I I citosina (una pirimidina)C Co,v ....../ 'H

IHester

EI fosfato tnorqsnlco as un ion estable formadoa partir del acldo tostorico, HaP04. A menudo serepresenta como PI'

oI I-O-p-O~IOH

Se pueden formar esteres fosfato entre un fosfato yun grupo hidroxllo libra.

I ~-C-OH + HO- p-o-I b -tarnblenrepresentadocomoI-C-O-0I

I ~-C-O-P-O-I b -

La cornbineclon de un fosfato y un grupo carboxilo. 0de dos 0mas grupos fosfato, de lugar a un anhldrido acldo,

0 0 0 tarnbien representado# I I ~ t H2O como-C + HO-P-O- ~ -C 0 + 0\OH I \ I I 1 /0- O-P-O- -CI \0-00-

0 0 0 0 tarnblen representadoI I I I ~ I I I I como-O-P-OH + HO-P-O- ~ -O-P-O-p-O- + H z O -0---0--I I I I0- 0- 0- 0-


HEXOSAS n:: 6Las hexosas mas comunes son

glucosa fructosaH 0


ENLACES e x . Y ~EI grupo hidroxilo del carbone que presents elaldehfdo 0 la cetona puede pasar rapidamente deuna posici6n a otra. Estas dos posiciones reciben II nombre de (lY ~ .

Los grupos hidroxilo de un monosacarldo simple puedsn ser sustituldospor otros grupos. Por ejemplo:

, hidroxilo j)

DERIVADOS DE LOS AZUCARES

OHOH

acldo o-g Iucuronlcc D-giucosamina

/ hidroxilo C(OH

HO OH

En cuanto un azueer se una a otro, se congela 1 8forma 0: o B ,

DISACARIDOS j)-D-fruclosaEI carbona que lIeva el qrupo aldehldo a cetonapuede reaccionar con cualquier grupo hldroxilo deo tr a m o le c ul e. formando un enlace gil lcosidico.Tres disacarldos fracuentes son la maltosa(glucosa a1 A glucosa), la lactosa(galactosa [31,4 glucosa) y la sacarosa(glucosa 0:1,2 fructosa). La sacarosa se muest raen la figura.

OUGOSAcARIDOS Y POLISACARIDOSCon unidades simples repetitivas se pueden formar grandes molecutas lineales y ramificadas.Las cadenas cortas rseiben el nombre de ollqosacarldos, mientras que las cadenss largas sedenominan polisacaridos. EI gluc6geno, por ejemplo, IS un polisacar ldo formado enteramentepor unidades de glucosa.

sa prooucen enlaces( j ,1,6 en los puntosde ramificaci6n

En much os cases, una secueneiade azucares es no repetitiva. Sonposibles muchas moleculasdiferentes. Tales oliqosacarldoscomplejos suelen estar unidosa proteinas 0a I(pidos.

NH1C=OICH J un oligosacaridode grupo sangufneo

NHI(=0ICH3

OUGOSAcARIDOS COMPLEJOS


AC IDOS GRA SO S FR ECUENTE S Existan centenares de tipos distintos de acldos grasos. Algunos tlenen uno 0mas doblesenlaces y se dice que son insaturados.Se trata de acldos carboxllicos conuna larga cola hidrocarbonada.

COOH COOH COOHI I ICHz CHz CH2I I ICHz CHz CH2I I ICH2 CHz CHzI I ICH2 CH2 CH2I I ICHz CHz CH2I I ICHz CHz CH2I I ICH2 CHz CH2I I ICHz CHz CHI . I I ICHz CHz CHI I ICH2 CHz CHzI I ICH2 CHz CHzI I ICHz CHz 0-12I I ICHz CHz CH1, I ICHz CH2 CHzI I ICH CHJ CHzI i acldo ICHz CHzI palrnlticc ICH3 (C,") CHJacloo acldoestesrlco oleleo(C'8) (C,s) .

Este doble enlaceorigina una inclinaci6n

/ en la cadenaI hidrocarbonada. EIresto de la cadenapuede girarlibremente a travssde los otros enlacesC-C.

,seidoestearlco

GRUPO CARBOX1LO

esqueleto carbonado

TRIGLICERIDOS Los acldos grasos se almacenan como reserveenergetica (grasa) mediante su union alglicerol formando triql lcerldos.

FOSFOL[P1DOS Los fosfolipidos son los const ituyentesprincipales de las membranas celulareSi esta libra, el grupo carboxllo deun aoido graso se ioniza.

Pero can mayor frecuancia estaunido a otros grupos formandoesteres

o amidas.

un fosfoUpido 0IO=p-O-IoICH1--CH--CH2I Io 0 Q 0\:1' \:&

cabalapolar

o"f'C" , I0-(-I

modelo de espacI leno de lafosfatidilcolinaEn los fosfoilpidos, dos de los grupos -OH deglicerol estan unidos a acldos grasos, mientrasel tercer grupo -OH ssts unido al actdo fosf6ricEI fosfato ests unido adsmas a un pequeno gpolar (alcoholes) de entre varios posibles.


AGREGADOS L1P fD ICOSLos acidos grasos tianen una cabeza - - - f

hidrofflica v una cola hidrof6bica'----I

En el agua puedenformar unapeJlcula superficial 0pequsfiasmicelas.

Sus derivados pueden formar grandes agregados unidos par fuerzas hidrof6bicas:Los trlacllqllcsridos forman grandesgotas estericBs en el ci toplasma celular.

los fosfollpidos y glucoHpidos forman bicapaslipfdicas que sa clerran sobre sf mismas y constituyenla base de todas las membranas celulares.f200 nmo mils_L

OTROS L [P IDOS Los Hpidos se definen como compuestossolubles en dlsolventas organicos. Otros dostipos ftecuentes de lipidos son los esteroidesy los polilsoprenoides. Ambos estanformados por unidades de isopreno.

ESTEROIDES Los esteroides tienen una estructura cornun formadapor multiples anillos ..

HO ocolestarol-presente en muchas membranas testosterona-hormona esteroide masculina

GLUcoLfp lDOSA I igual que 10$ fosfolfpidos, estes compuestos estan formados por unaregion hidrof6bica, que contiene dos largas colas hldrocerbonadas,y una region polar, que contiena an este caso uno a masresiduos de azucar, pera no fosfato.

region hidraf6bica

H OH I--~I I H ?C Y ~ l C H '

C-NHIIo

residua deazucar

un glucollpidosimple

POLI ISOPRENOIDESlargos pal fmeros linealesde isopreno

0-IQ=P-O-Io

dolicol fosfato-utilizado paratransportar los azucarssact ivados durante la slntaslsasociada a membrana de lasglucoprotelnas y de algunospolisacarldos.


EL AMINOAclDOLa formula general de un arninoacido es

grupoamino

Habitualmente Res una cadena lateral de entre 20posibles. A pH 7 el grupo amino V el grupo carboxi loestan ionizados.

ENLACES PEPTfDICOSHabitualmente. los amlnoacldos estan unidos por un enlaceamida denominado enlace peptfdico.

enlace peptldlco: los cuatro atornos de cada recuedro grisforman una unidad plana rrgida. No existe libertad de rotaclcnalrededor del enlace C-N

HH, I ,pON-C-C/ I 'H R OHHH, IN-C/ IH R

RH, I ,pO,N-C-C/ I 'H H OH+

Las protefnas son largos polfmerosde arnlnoacidos unidos por enlacespeptldicos y siempre se escribencan el extemo N-terminal haclala izquierda. La secuencla de estetripeptldo es His Cvs Val.

extreme amino 0N-termlnal- .Estos dos enlaces seneillos, a cada lado de la unidad peptidicarigida, tlenen un alto grado de libertad de rotaclon.

FAMILIAS DEAMINOAclDOS CADENAS LATERALES BAslCAS

Los arnlnoaoldos comunessa elasifican segun si suscadanas lateralas son H 0I II

-N-C-C-I IH CH2IO-IlICH2ICHzINHJ+

aeidasbaslcaspolares no eargadasno polares

H 0I II-N-C-C-I IH (HzICH 2IEsta grupo es muy CHzbasico, vs que su [

carga positiva NHesta estabilizad1 Ipar resona ncia. ,f'C"'1 -1 zN NH l

Estos 20 arnlnnacldos sapueden abreviar de dosformas; por medio detres letras y por medio deuna sola let ra.

(His 0H)H 0I II

-N-C-C-I IH CH zI. CH/ H C ~ ~ ~Estos nitr6genos t ienen una afinidrelativamente debil por el W y soson pareialmente positivos a pHneutro.


CADENAS LATERALES ACIDAS CADENAS LATERALES NO POLARES

(Asp 0 D)H 0I II-NCCI IH CH2IC,,,o 0-

H 0I II-N-C-C-I IH CH2ICH.IC,,o 0-Los smfncactdos cuyas cadenas laterales no polares nocargadas son ralat ivamente hidroff licos y normalmentese s ltuan en al . extarior de las proteinas, mientras que lascadenas laterales de ernlnoacldos no polares tienden aagregarse en el interior de las protefnas. Los arnlnoacldoscon cadenas laterales Beidas son muy polares y caslsiempre se hallan en la super ficie de las rnoleculas protelcas,

EI c6digo de una letra, en orden alfabetico:A=Ala G",Gly M=Met 5 = 5erC=Cys H = His N=Asn T =ThrD=Asp . 1 '" lieu P = Pro V=ValE = Glu K = Lys Q=Gln W=TrpF = P~e L = Leu R =Arg Y=Tyr

CADENAS LATERALES POLARES NO CARGADASasparaj;Jina(Asn 0N)

H 0 H 0I I I I I I-N-C-C- -N-C-C-I I I IH CH. H CH2I IC CH2~ - , Io N L P " 'Aunque la amida N no esta cargadaa un pH neutro, as polar.

serina(Se r 0 5)H 0I II-N-C-C-I IH CH1IOH\EIg rupo -OH es polar. Las cisteinas apareadas permiten que se formen enlaces disulfuroen las proteinas.

J~rpsJl1aj~(Tyro VI

H 0 H 0I I I I I I-NCC -NCCI I I IH CH-CH) H CHz)" - - - - - - - - - - - - - O H(Thr 0 TI

H 0I II-N-C-C-I IH H~ l , ' ; a "i t i r 1~ . .@ !~~.~ ~

(Ala oAI

H 0I II-N-C-C-I IH CH3

H 0I I I-N-C-C-I IH CHzICH/ "H3 CH]

(Pro 0PIH 0I II-NCC/ " -CH z CH2

(enraalidad ~Cf-I (es un iminolicido)

H 0I II-N-C-C-I IH CH1ICH1IS-H 3

H 0I I I-N-C-C-I IH CH1ISH

(ValoVJ

H 0I II-N-C-C-I '1H CH/ "HJ CH)H 0I I I-N-C-C-I IH CH/ "H 3 CH 2ICHl

, ."y....1.'" /,.6 (-0 '/ '~ ~ , I l } L a J~~nff~(Phe 0F)

H 0I II-N-C-C-I IH (Hz. t .r [~ i lh~~-0 .


BASES oI IcHC4 NH([.~U . J uraciloHC~ C.


NOMENCLATURA Los nombres pueden inducir a confusion, pero las abreviaturas son claras.

N,~Y.' I ~ ~H H 0 H H 0 H CI+H 0 0 ~~/~.{HS-~-~ -N-~ -~ - b -N-~ -~ - b ~t-0-~-O- ~-O -c~H N"I I I I I I I I I I I 2 0H H H H H H HO CH3H 0- 0- .. ". ' ,

ejemplo: coenzima A (CoA) OH OH

Los nucle6tidos se abreviancon tres let ras mavuscutas,de la siguiente manera: BASE + AZUCAR = NUCLEOSIDOadenina adenosina

guanina guanosinecitosina citidinauracilo uridinatimina timidina

AG AMP =adenosina monofosfato

dAMP = desoxiadenosina monofosfatoC UDP = uridina difosfato

ATP = adenosine trifosfatoUT

BASE + AZUCAR + FOSFATO" NUCLEOTIDO

ACIDOS NUCLEICOS LOS NUCLEOTIDOS TIENEN OTRAS MUCHAS FUNCIONESLos nucle6tidos estan unidos medianteun enlace fosfodiastar entre los carbonosS' y 3', formando acldos nucleicos. Lasecuencia lineal de los nucle6tidos de unacadena de acido nucleico se suele abreviarmediante un c6digo de una letra,A-G-C- T- T-A-C-A, con el extremoS' de la cadena a la izquierda.

Transportan energia en sus enlaces acldo-anhldrldo, que son facllmentehidrol izables.

o 0 0 (N'~''iI I I I I I N J l , c v ~-0-1-0-1-0-1-0-~ , 0, " N0-0-0- ~

ejemplo: ATP (0 EmIl OH OH

+ Se combinan con otros grupos formando coenzimas.oII-O-P-O-CHI 20-

1OHextemo 5' deo la oadensI I 5'-O-P-O-CHI 20- En la celula son utilizados como molecules serializadoras especff icas.enlacefusfndlester

3' 0I-O-p=OIoI5' CH2

NH2


Cada nucleotide se nombra en referenda a la tinica base que contiene (Panel 2-6, pags. 60-61).

Los nucleotldos pueden actuar como transportadores de energia qufrnica.Destaca el ester trifosfato de adenina, ATP (Figura 2-9), que participa en Latrans-ferenda de energfa en cientos de reacciones celulares distintas. Su fosfato termi-nal se afiade utilizando laenergfa de Ia oxidaci6n de los alimentos, y puede serfacilmente separado por hidrolisis liberando energfa, la cuales utilizada en cua.l.-quier lugar de la celula en reacciones biosinteticas energeticameute desfavora-bles, Como discutiremos mas adelante, otros derivados de nucle6tidos actuande transportadores de grupos qulmicos particulates como aromos de hidr6genoo residuos de azucar, desde una molecula a otra. Ademas, un derivado ciclico dela adenina que contiene fosfato, elAMP ciclico, se utiliza como molecule univer-sal de seiializaci6n dentro de las celulas y coritrola la velocidad de numerosas re-acetones intracelulares diferentes.La importancia especial de los nucle6tidos estriba en el almacenamiento dela informacion biol6gica. Los nucleotidos constituyen los elementos de cons-trucci6n de losacldos nucleicos, largos polfrneros en los que las subunidades denuc1e6tidos estan unidas covalentemente gracias a 1aformaci6n de un ester fos-fato entre e1grupo hidroxilo 3' del residuo de azucar de un nucleotide y el grupofosfato 5' del nucleotido siguiente (Figura 2-10). Existen dos tipos principales deacidos nudeicos que se diferencian en el tipo de azucar de su esqueleto polime-rico. Los que se basan en el azucar ribosa reciben el nombre de acfdos ribonu-cleicos, 0R NA , Y contienen las bases A , U , G Y C ..Los que se basan en la desoxi-rribosa (en la que el hidroxilo de Ia posici6n2' de la ribosa esta sustituido por unhidrogeno) se denominan aeidos desoxirrlbonucleieos, 0DNAYcontienen lasbases A , T , G Y C. La secuencia de las bases de un polfmero de DNA 0RNA repre-senta la informacion genetica de la celula viva. La capacidad de las bases de dife-rentes moleculas de acido nucIeico para reeonocerse unas a otras mediante in-teracciones no covalentes (denorninadas apareamiento de bases) -G con C y Acon T (en el DNA) 0 con U (enel RNA)- consdtuye, tal como se explicara en elCapitulo 3,1abase de toda la herencia y la evoluci6n.ResumenLos orgo"flismos vivos son sistemasquimicos auumomos, que se autopropagan. Bs-tun jorm ados pa r un conjunto caracteristico pe ro l im i t( 1 .d o de pequeiias moleculasbasadas en el carbona que esencialmente son las mismas en todas las espeeies vi-vientes. Las principales categorlas s on : a zr tc ar es , a cid os g ra so s, am in od cid os y nu-cleotidos, Losasucares constituyen. una fuente prtmaria-de energia qutmica para la scelulas y son incotporados a polisacdridos para el almacenamiento de enetga. Losacidos grasos son tambien. importantes para el atmacenamiento de energia, pero sufuncion mas significativa estriba en laformacion de las membranae de la celula. Lospolimeros formados por aminodcidos constituyen macromoleculas notabkmentediuersas y lI.ersdtiles conocidas como proteinas ..Las nucleotidos desempefian .un pa-pel central en ia transferencia deenergfa] tambien son las subunidades a partir delas cuales se construyen las macromoleculas de informaciOn, BNAy DNA.

Orden blologtco y energfa?Las celulas han de obedecer las leyes de la ffsica y de la quimica. Las reglas de lamecanica y de la transformaci6n de una forma de energia en otra se aplican auna celula Igual que a una maqulna de vapor. Sin embargo, es necesario admitirque una celula tiene unos rasgos asombrosos que, a primera vista, parecen colo-carla en una categorfa especial Es bien conocido que con el tiempo las cosasabandonadas a su suerte pasan a quedar desordenadas: los edificios se derrum-ban, los organlsmos muertos se descomponen, etc. Esta tendencia general se62 Capitulo 2 : Pequefias molecujas, euergfa y blosfntesls

axtrsrnn 5 de la cadena

extreme 3' de la cadena

Figura 2- to UnbriWe fragmento deacfdo desoxirribj)Ducleico (DNA)deeuatro nude6tidos. Uno de losenlaces fosfodlester, que unenucIe6tidos adyacentes, se destaca enamarilla y uno de los nucleotidos sedestaca sotnbreado en gris. EI DNA Ysu parlente proximo elRNAson losacidos nucleicos de Ia celula,


halla expresada en la segunda le y de fa termodindmica, que afirma que el gradode desorden del universo (0 de cualquier sistema aislado) s610puede aumentar.La asombroso es que los organism os vivos mantienen, a todos los niveles,un aJto grado de orden: y como sealimentan, se desarrollan y crecen, parece quecrean este orden a partir de materiales allmenticios que carecen de el, El ordenresulta claramente aparente en grandes estructuras como el ala de una mariposaa el ojo de un pulpo, en estructuras lntracitoplasmaticas como una mitocondriao un cllio, 0 en la forma y disposici6n de las molecules a partir de las que estanconstruidas estas estructuras, Los atomos que las constituyen han sido captura-dos, en ultimo termino, desde su estado relativamente desorganizado del mediaambiente y unidos formando una estructura determinada. Incluso una celulaque no crezca, requiere para sobrevivir unos procesos constantes de ordena-cion, puesto que todas sus estructuras organizadas estan sujetas a alteraciones ydeben ser reparadas continuamente. iC6mO es esto posible desde el punto devista termodinamicot Veremos que la respuesta se halla en el becho de que lacslula emite constantemente calor a su ambiente y, por consiguiente, no es unsistema aislado en el sentido termodmamico del termino,El orden biologico resulta posible gracias a la liberaci6nde energfa calorffica por parte de las celulas"Como acabamos de ver, la segunda ley de la termodmamica afinna que la canti-dad de orden del universo (es decir, de la celula mas su entorno) siempre debedisminuir. Par conslguiente, el aumento de orden dentro de la eelula viva ha de iracompaiiado de un aumento aun mayor de desorden en el ambiente de 1acelula,E l calor es energia en su forma mas desordenada -el cheque al azar de las mo-Ieculas- y la celula cede calor at medio mediante reacciones que ordenan lasmoleculas que la celula contiene ..EI incremento del movimiento al azar, inclui-das las distorsiones de los enlaces, de las moleculas del resto de universe generaun desorden que compensa con creces el incremento de orden en la celula, talcomo requieren las leyes de la termodinamica para los procesos espontaneos,De esta forma, la liberaci6n de calor de una celula al medio Ie permits ordenarseinternamente al mismo tiempo que e1universo en su conjunto se vueIve mas des-ordenado (Figura 2-11).

Es importante pre cisar que la celula no consigue nada produciendo calor amenos que las reacclones productoras de calor esten asociadas con los procesosque generan orden molecular en la celula, Se dice que las reacciones asociadasde esta forma estan acopladas, tal como explicarernos mas adelante. Lo que dis-tingue el metabolismo de una celula de Ia combusti6n ruinosa de un fuego es elestrecho acoplamiento que existe entre Ia producci6n de calor y el incremen-to de orden.Lageneraci6n de orden en el interior de las celulas se produce a expensas dela degradaci6n de combustible energetico. Para las plantas la energia deriva inl-cialmente de la radiacion electromagnetic a del so]; para los animales deriva dela energfa almacenada en los enlaces covalentes de las moleculas organlcas queingieren. Sin embargo, como estes nutrientes han side producidos, a su vez, pororganismos fotosintetizadores como las plantas verdes, de heche el sol es Ia

fuente ultima de energfa para ambos tip os de organismos,Los organismos fotosintetizadores utilizan la luz soJarpara sintetizar compuestos organlcos?La energfa solar entra en el mundo vivo (la biosfera) gracias a la fotosintesis querealizan los organismos fotosintetizadores -plantas 0 bacterias. En la fotosinte-sis, la energfa electromagnetic a se transforma en energfa de enlace qutmico. AImismo tiernpo, una parte de la energfa de la luz solar se transforma en energfacalorifica, y la Iiberacion de este calor al entorno incrementa el desorden deluniverse y, par consiguiente, impulsa el proceso fotosintetico.

Orden biol6gico yenergta

!

Figura 2-11 Amilisis termodlnamicosimple de una ceJuIaviva. En elesquema superior las molecules de lacelula y del resto deluniverse (suentorno) se han representado en unestado relativamente desordenado. Enel esquema inferior, la celula (grisJ haIiberado calor pot media de unareacci6n que ordena las molecules desu interior [verd-eJ. E I calor incrementael desorden en elentorno de la celula,de fonna que aunque Iacelula crezca yse divida se cumple el segundoprinciple de la termodimimi.ca.

63


Las reacciones de la fotosfntesis se describen con detalle en e1CapItulo 14. Enterminos generales, podemos decir que se pueden distinguir dos etapas distintas.En la primera etapa (l a de las r eac ci ones ac ti uada s pa r la luz 0 [ase luminosas, l a ra -diaci6n visible captada por una molecula de pigmento impulsa la transferencia deelectrones desde e l agua hasta e l N A D PH , y a l m ls m o tiempo pro po rciona la e ne r-gia necesaria para la sfntesis de ATP. En la segunda (la l a se o scu ra ) , e l A TP y e lNADPH s e u tiliz an para impulsar u na s erie de reacciones de "fijacion de carbono'",en las q ueel CO2 del aire se utiliza para formar moleoulas de azucar (Figura 2-12).EI resultado neto de la fotostntesis, en 10 que se refiere a la planta verde; sepuede resumir en Ia siguiente ecuaci6n:

energia + CO2 +Hp --? azucar + 02Es taecuacion simple esconde la cornpleja naturaleza de las reaeciones de Lafaseoscura, que abarcan numerosas reacciones consecuttvas. Adernas, y aunque lafijacion inicial del CO2 da lugar a aziicares, las reaceiones metabolicas subsi-guientes los convierten rapidamente en otras molecules, grandes y pequefias,esenciales para Ia celula vegetal.La energfa qufmica pasa de las plantas a los animalesLos animales y otros organismos no fotosintetizadores no pueden capturar di-rectarnente la energia de La luz solar y, por ello, h an de sobrevivir gracias a laenergia "de segunda rnanc'" que obtienen al ingerir plantas 0 a Ia de "tercerarnano'", obtenida al comer otros animales. Las moleeulas organicas producidaspar las celulas vegetales suministran a los organismos que se alimentan de ellastanto elementos estructurales para la construcci6n como combustible. Todoslos tipos de rnoleculas vegetales pueden servir para este proposito -azucares,protefnas, polisaearidos, Ifpidos y otros rnuchos compuestos.

No todas las transacciones entre plantas y animales son unidireccionales.Las plantas, los animales y los microorganismos hanexistido juntos en este pla-neta durante tanto tiempo que muchos se han convertido en una parte esencialdel medic ambiente de los otros, Par ejemplo, el oxigeno liberado durante la fo -tosfntesis se consume en lacombustion de las molecules organicas realizada porcasi todos los organismos, y algunas de las moleculas de CO2 que hoy se "fijan'"en molecules organicas mayo res en una hoja verde mediante la fotosfntesis, an-teayer fueron liberadas a la atmosfera por la respiraci6n de un animal. Asf, la uti-lizacion del carbono es un proceso cfclico que abarca el conjunto de Ia biosfera ycruza los lfmites de los organismos individuales (Figura 2-13). Analogamente, los

FOTOSrNTESIS

64 Capftulo 2 : Pequefias molecules, energfa y biosintesis

SOL1 1 \

Figura 2-12 La Iotosfntesls, Lasdosfases de la fotosfntests en una plantaverde.

Figura 2-13 Elclclo del carbona. Losatomos de.carbona se.incorporan a lasmolecules organicas del mundo vivogracias ala actividad fotosintetizadoradelas plantas, las hactertas y las algasmarinas. Pasan luego a los anirnales,a los microorganlsmos y al materialorganlco del suelo y de los oceanus, atraves de vias ctclicas. E1CO2vuelve.a la atmosfera cuando las moleculasorganicas son oxidadas par las celulaso quemadas par el hombre en formade combustibles fosiles.


(A) (6)

FORMACI6N DEUN ENLACECOVALENTE

HIH-C-HIHmetanal

+esteextreme

ATOMO 1 liene unacarga parcialpositiva

tlene una cargaparcial nagativadebido a unexceso deelectrones

HIH-C-OHIH

metanol

ArOM02 MOLECULA

Orden biol6gico yenergfa

Figura 2-14 Oxidacic'iny reduccic'in. (A)Cuando dos atomos formanun enlace covalente, uno de los atomos tiene una mayor cantidad deelectrones de forma que adquiere una carga negativa parcial: se diceque se ha reducido, mientras que el otro adquiere una carga positivaparcial y se dice que se ha oxidado. (B)EIatomo de carbona del metanapuede ser convertido en el del di6xido de carbona mediante laeliminaci6n sucesrva de sus atomos de bidr6geno. En cada P


asequibles). Eneste caso el efecto neto es la adicion de un atomo de hidr6geno a1amoleculaA + e- + H+ ---7 AI-I

A pesar de que en esta reacci6n participa un proton y un electron, (en Lugardesolamente un electron), las hidrogenactones de este tipo son reducciones y lasreacciones contrarias , las deshidrogenaciones son oxidaciones.La combustion de los materiales alimenticios en una celula convierte losatomos de C y de H de las moleculas organicas (en las que se hallan en un estadorelativamente rico en electrones, 0 sea, reducido) en CO2 YH20. compuestos enlos que el C y eLH han cedido electrones y. par consiguiente, estan altamenteoxidados. EIpaso de electrones desde el carbono y el hidr6geno hasta el oxigenopermite a todos estes atomos alcanzar un estado mas estable, y por ella la trans-formacion es energeticamente favorable.Ladegradaci6n de una molecula organlca se realiza a traves deuna secuencia de reacciones catalizadas enzimaticamente"Aunque la forma energeticamente mas favorable del carbono es el CO2 y 1adelhldr6geno es el H20, un organlsmo vivo no desaparece transformandose enhumo por la misma razon que este llbro no empieza a arder en cualquier mo-menta: en ambos casos las rnoleculas existen en niveles energeticos metaesta-bles y necesitan una energia de activaci6n (Figura 2-15) para poder transfer-marse en configuraciones mas estables. En el caso del libro, La energia deactivacion puede ser sumlnistrada por una cerilla encendida. Para una celulaviva, Ia combusti6n se puede obtener de una manera mas control ada. EI papelde la cerilla 10 realiza una colisi6n energetic a poco habitual de una molecula canotra. Ademas, las unicas molecules que reaccionan son las que se hallan unidasa la superficie de las enzimas.Como se explica en el Capitulo 3, las enzimas son catalizadores proteicos al-tamente especializados. Como todos los demas tipos de catalizadores, aceleranlas reacciones reduciendo la energfa de activaci6n de un .cambio quimico deter-minado. Las enzimas se unen fuertemente a las molecules de su substrato y lasmantienen de tal forma que reducen notablemente la energia de activaci6n deuna determinada reaccion que reordena algunos enlaces covalentes. AI redueirselectivamente la energia de activacion de una determinada reacci6n de las quepuede sufrlr 1amolecula unida, las enzimas determinan cual de las diferentesvias alternativas de rotura 0formacion de enlaces covalentes se producira (Figu-ra 2-16). El producto liberado par 1a enzima tras Ia reacci6n enzimatica podraunirse a una segunda enzima que cata lice otra reaccion, De esta manera, cadauna de las much as molecules de una celula pasan de una a otra enzima siguien-do vias especificas de reacciones, determinando asf la qutmica celular. Mas ade-Iante discutiremos algunas vias centrales del metabolismo energetico.El exito de Losorganismos vivos se puede atribuir ala habHidad de las celu-las para producir muchos tipos diferentes de enzimas, cada uno con propieda-des especificas. Cada enzima tiene una forma unica y une un conjunto determi-nado de moleculas (llamadas substratos), de tal manera que 1a enzima acelerauna reaccion determinada normalmente unas 1014 veces. Como otros cataliza-dores.Ias moleculas de la enzima no cambian despues de participar en una re-accidn y par 10 tanto pueden actuar una y otra vez.Parte de la energfa liberada en las reacciones de oxidaci6nse acopla a la reacci6n de formaci6n de ATPl2Las celulas obtienen energfa util a partir de La"combustion" de la glucosa, iinica-mente porque La queman de una manera muy cornpleja y controlada,Mediante vias de reaccion dirigidas por enzimas, las reacciones qufmicas de smte-sis, 0 reacciones anabolic as. que generan e1orden biologico, estan estrechamente

66 Capitulo 2: Pequefias molecules, energia y biosfntesis

]B'"~":"

proceso de la reacci6n _

Figura 2-15 Blprincipio de la energfade activacl6n. EIcompuesto Xse hallaen un estado metaestable ya que si setransforma en e l compuesto Y sellberara energ{a. Sin embargo, estatranstcton no ocurrira a menos que Xpueda adqulrir la energi a de ac ti uacui nsul'iciente de su entorno (mediantecoltsiones poco habituales con otrasmoleculas) para sufrir Ia reacci6n.


(A) no cats I lzada estill isis enzimatica de la reacclon 1

t'"o:;


IA)

la anerg la clnetlca sa transforrnaunlcarnente 'en ,energia calonflca

parta de la anerqla cinetica sa utiliza elevandoun eubo de agua, por 10 q ue sa libera menosenerqta en forma de calor

enlace reactive de este tipo sera transferido a otra molecule: por ello 5e puedeconsiderar que el fosfato terminal del AlP se halla en un estado actiuado. EI enla-ce que se rompe en esta reaccion de hidrolisls recibe, < ;I veces, el nombre de en-lace de alta energia. Sin embargo, este enlace no tiene nada de especial, Sim-plernente ocurre que ensolucion acuosa la hidrolisis del ATP genera dos mo-Ieculas (A D P Y Pi) de energia mucho menor.

Muchas de las reacciones quimicas de la celula son energeticamente desfa-vorables. Estas reacciones son impulsadas por la energla liberada en la hidrolisisdel AlP a traves de enzimas que acoplan directamente la reaccion determinadadesfavorable con Ia reacci6n favorable de Ia hidrolisis del AlP. Entre estas reac-ciones se encuentran las que intervienen en la sfntesis de las molecules biol6gi-cas, en el transports activo de las moleculas a traves de las membranas celularesy en Ia generaci6n de fuerza y de movimiento. Estos procesos desempefian unpapel vital en el estableeimiento del orden biol6gico. Por ejemplo, las macromo-leculas formadas en las reacciones de biostntesis transportan informacion, cata-lizan reacciones especfficas Y son ensambladas en estructuras altamonte orde-nadas. Unas bornbas situadas en las membranas mantienen la composici6nintema especial de las celulas y permiten que las sefiales pasen a l interior de las

0- 0- 0--0-~-o-ko- ~-o-I I II II000

-O-~~OHb .0- o-

r I+ HO-fl-O-~-O-CH,2o 0

68 Capitulo 2 :Pequeiias molecules, energfa y blosfntesfs

(B)

TRABAJOUTIL

I~ enerqia potencial atrnacenada en elcubo d e agua alevado SB PUBd' e utllizarpara l rnpulsar diversas rnaqulnashldraultees.

Figura 2-17 Esquema de un modelomecantco que llnstra elprincipio deacopIamiento de las reaecionesqufmtcas, La reaccion espontaneamostrada en (A l puede servir comoanalogta de la oxidaclon directa de laglucosa a CO2 yHP, que unlcamenteproduce calor. En rB) . la mismareaccitin esta acoplada a una segundareaccinn: esta segunda reaccidn puedeservir como analogfa de la sfntesls deATP.l.a energta producida en una(anna mas versatil, en (B) puede serutllizada para impulsar otros procesoscelulares, como se ve en (Cl . El ATP esJa forma de energfa mas versatf de lascelulas.

Figura 2-18 La molecula de ATPslrvecomo transportador de energtaen las calulas, Como se indica, laformacion deATP desdeADP y fosfatolnorganico, energeticamentedes favorable, esta acoplada alaoxidaelon de rnoleeulas alimenticias,energeticarnente favorable (veast: laFigura 2-178). Lahidr6lisis de este ATPhasta ADP y fosfato Inorgantcopropordona la energta necesarla paraimpulsar muchas reacctones celularesimportantes,

Ie)


celulas y entre ellas, Finalmente, la producci6n de fuerza y de movimiento per-mite que el contenido citoplasrnattco de la celula sea organizado y que las pro-pias celulas se desplacen yse ensamblen formando tejidos.ResumenLas celulas vivas estdn. altamente ordenadas y, par consiguiente, han de general' or-den dentro de elias mismas para sobreviuiry erecer. Desde el punto de oista.termo-dindmico esto solo es posible gracias a una entrada continua de energia, 'parte de lacual las celuias ceden a su ensomo en forma de calor. La energia procede en ultimotermino de la radiadon electromagnetica del sol, que impulsa la formacion de nw-Mcultts organicas en los organismos fotosintetizadores como las plantas verdes. Losanimales obtienen su energia ingirlendo estas moleculas orgdnicas y oxiddndolasen una sene de reacciones catalizadas enzimdticamente y acopladas a la formacionde ATP. En todas las celulas el ATP es un dador general de energia y su hidr6Usis,energeticamente favorable, estd acoplada a otras reacciones, tmpuisando diuersosprocesos energeticamente desfauorables que generan el elevado grado de ordenesenciai para la vida.

El aIimento y la obtenci6n de la energfa celular 69

EI alimento y la obtenci6n de la energia celular"Lasmolecules alimenticias son degradadas en tres etapas,para producir ATPLas protetnas, los lfpidos y los polisacaridos, que constituyen la mayor parte delos alimentos que comemos, han de ser degradados a molecules menores antesde que nuestras celulas puedan utilizarlos. Se puede considerar que la degrada-ci6n enzimatica, 0 catabolismo, de estas moleculas OCUITen tres etapas (Figura2-19). Haremos un breve esbozo de estas etapas antes de estudiar con mayor de-talle dos de ellas, .

La fase 1, llamada digesti6n, ocurre principalmente en el intestino. Lasgrandes molecules pollmericas se escinden en sus subunidades monomericas-las proteinas en arninoacidos, los polisacaridos en azucares y las grasas en aci-dos grasos y gltcerol- mediante Ia accion de enzimas segregadas, La fase 2 ocu-ITeen el citoplasma despues de que las pequefias moleculas resultantes de Iafase 1 penetren en las celulas, donde sufren una degradaci6n posterior. La rna-yoria de los atomos de carbo no e hidr6geno de los aziicares se transforrnan enpiruuato, que penetra luego en las mitocondrias, donde se transforma en losgrupos acetilo del componente qufmicamente reactivo acetil coenzima A (acetilCoAl (Figura 2-20). Tambien se producen grandes cantidades de acetil CoAme-diante la oxidacion de los acidos grasos. En la fase 3, e1grupo acetilo del acetilCoAse degrada completamente hasta CO2 YH20en la mitocondria. En esta fasefinal se genera la mayor parte del ATP.Mediante una serie de reacciones qufmi-cas acopladas, alrededor de la mitad de la energia que teoricamente se puedeobtener de la combustion de los carbohidratos y de las grasas hasta H20y CO2 secanaliza para impulsar la reacci6n energeticamente desfavorable Pi + ADP -7ATP.Puesto que elresto de la energfa de combustion se cede por Ia celula en for-ma de calor, esta sfntesis de ATP crea un desorden neto en el universo, de acuer-do con la segunda ley de la termodinamica,A traves de la formacion de ATP, la energia derivada originariamente de lacombustion de los carbohidratos y de las grasas se redistribuye en una forma deenergfa qufmica convenientemente empaquetada. Aproximadamente unas 109molecules de ATPse encuentran en solucion por todo el espacio Intracelular deuna celula tfpica, donde su hidrolisls a ADP y fosfato es energeticamente favora-ble y proporciona la energfa que impulsara un gran mimero de diferentes reac-clones acopladas que, en sf mismas, son energeticamente desfavorables por 10que de 10 contrario no se producinan.


( C i c i O del '\\

acldo ------..J=.- - -l l lpoder reductor enf o rma de NADH

La glucolisis puede producir ATPIncluso en ausencia de oxigenoLa parte mas impartante de la fase 2 del catabolismo es una secuencia de reac-ciones conocida como glucolisis -la lisis (rotura) de ]a glucosa. La giucolisis pue-de producir ATP en ausencia de oxigena, y probable mente apareclo pronto en lahistoria de la vida, antes de que las actividades de los organismos fotostnteticosintrodujeran oxfgeno en L a atm6sfera. En la glucolisis una moleeula de glucose,de seis atomos de carbona, se transforma en dos molecules de piruvato, de tresatornos de carbono cada una. Esta conversion se produce a traves de una se-cuencia de nueve etapas enzimaticas que generan Intermediaries que contienenfosfato (Figura 2-21). La celula hidraliza dos moleculas de ATPpara impulsar lasprimeras etapas, pero produce cuatro molecules de ATP en las etapas finales, deforma que se produce una ganancia neta de ATP.Desde un punta de vista logico, la secuencia de reacciones se puede dividiren tres partes: (1) en las etapas 1 a 4, la glucosa se transforma en dos moleculesde tres atomos de carbono cada una, elgliceraldehfdo 3-fosfato, transformacion

70 Capitulo 2 :Pequefias moleculas, energfa y biosfntesls

Figura 2-19 Diagrama sirnpUficadode las tres etapas del catabolismo queconducen desde el allmento hasta losproducros reslduales. Esta serie dereacciones produce ATP, que Juego esutilizado para Irnpulsar reacctones debioslntesis y otros procesos celularesque requleren energia.


grupo aceti to ,-------------------------------------------------,coenzima A

HH 0 H H 0 H ~H3H 0 0I II I I II I II IIH C-C - 5-C -~ -N-C -C -C -N-C +C- -~ -0- P-0- P-O-CH1 II I ' r I I I I I I I I 1o H H H H H H OH H,H 0- 0-

que requiere un aporte de energfa en forma de hidrolisis de ATP para suminis-trar dos fosfatos; (2J en Lasreacciones 5 y 6, el grupo aldehfdo del gliceraldehfdo3-fosfato se oxida a acido carboxflico yla energfa de esta reacci6n se acopla a Lasfntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorganico: y (3).en las reacciones 7, 8 Y9, las mismas rnoleculas de fosfato que fueron afiadidas a los azucares en la pri-mera secuencia de reacciones son transferidas de nuevo a 1 ADP formando ATP,recuperandose asf la inversion original de dos moleculas de ATP hldrollzadas enla primera seeuencia de reacciones (vease Flgura 2-21).Al final de Laglucolisis, el balance energetico (par rnolecula de glucosa) esun beneficio neto de las dos rnoleculas de ATP que fueron producidas en las re-acciones 5 y 6. Puesto que estas dos reacciones son las unicas reacciones de lasecuencia en las que se forma un enlace fosfato rico en energfa a partir de fosfa-to inorganlco, constituyen el coraz6n de la glucolisis. Par otra parte, estas reac-ciones constituyen unexcelente ejemplo de c6mo las reacciones de 1a celula sepueden acoplar para aprovecbar la energfa liberada en las oxidaciones (Figura2-22). ELresuLtado total es que un grupo aldehfdo de un azucar se oxida a acidocarboxtlico, que un grupo fosfato tnorganico se transfiere a un enlace de altaenergia del ATP y que una rnolecula de NAD+se reduce a NADH, una moleculaque desempefia un papel central en e1metabolismo energetico, como discutire-mos mas adelante, Este elegante conjunto de reacciones acopladas fue proba-blemente una de las primeras etapas metab6licas que aparecieron en la celuladurante su evoluci6n.Para la mayorfa de las celulas animales la glucolisis unicamente es un prelu-dio de la fase 3 del catabolismo, ya que el acido pinivico que se forma penetrarapidamente en las mitocondrias donde sera oxidado completamente a CO2 yH20. Sin embargo, en e1 caso de los organismos anaer6bicos (los que no utilizanoxfgeno molecular) y para algunos tejidos como el rmisculo esqueletico quepueden verse sametidos a condiciones anaer6bicas, la glucolisis par sf sola sepuede convertir en la fuente principal de A!P de la celula, Las reacciones pro"ductoras de energia y anaerobicas de este tipo, reciben el nornbre de fermenta-ciones. En estos casas las molecules de piruvato no son degradadas en la rnito-condria sino que pennanecen en e1citosol y, segun el organismo de que se trate,pueden ser transformadas en etanol y CO2 (en las levaduras) 0 en lactato ten eLrmisculo), compuestos que Iuego son excretados. Estas reacciones posterioresdel piruvato utilizan el potencial reductor producido en la reaccion 5 de Ia glu-colisis, regenerando asf el NAD+ que se requiere para que continue la glucolisis,como discutiremos en el Capitulo 14.

El allmento y la obtenci6n de energia celular

Figura 2-20 EI acetll coenzlma A(acetll CoAl. Este intermediariometab6\ico crucial se genera cuandolos grupos acetilo producldos en lafase 2 del catabo1ismo se unencovalentemente al coenzima A [CoAl.

7


Figura 2-21 Glucolisis. Cada una deJas reacciones mostradas aqui est acatalizada por unaenzima diferente. EnLaserie de reacciones designadas comopaso 4, un azticar de seis carbonos estransformado en dos azucares de trescarbonos, de modo que a partir de estepaso elnumero de moleculas as eldoble. Las reacciones 5 y 6 (en la zonaamarilla) son las responsables de lasfntesis neta de moleculas de ATPy deNADH (vease Figura 2-22).

~ - - - - - - - - - - 2 ~2X.~~

Figura 2-22 Reacclones 5 y 6 de la glucolisis. En estas reacciones laoxidackin de un aldehfdo a un acldo carboxflico esta acoplada alaformacion de ATP y de NADH (vease tambien Figura 2-21). Como se indicaaquf, la reaocion 5 empieza cuando la enzima gliceraldehlda 3-fas!atadeshidrogenasa (vease Figura 3-42) forma un enlace covalente 'con elcarbono del grupo aldehfdo del gJiceraldehfdo 3-fosfato. Despues, elhidr6geno (coroo ion hidruro -un proton con dos electrones) es eliminadodel grupo a1dehfdo del gliceraldehido 3-f05fato y se transfiere al importantetransportador de hidrdgeno NAD+ (vease Figura 2-24) ..Este paso deoxidaclrin genera un grupo carbonllo de un azucar unido ala enzlmamediante un enlace de alta energfa (mostrado en raja). Entonces, un ionfosfato (Pi) de la solucion rompe este enlace generando en su lugar unenlace azucar-fosfato de alta energfa (enlace raja). En estas dos Ultimasreacciones la enzima ha acoplado el proceso energeticamente favorable deoxidaci6n de un a1dehfdo conla formacion energeticamente desfavorablede un enlace fosfato de alta energta, permltiendo que la segunda reacd6nsea dirigida por la primera. Finalmente, en el paso 6 de la glucollsis elgrupo fosfato reactive recientemente creado es transferido a1ADP paraformar An', dejando un grupo carboxilico libre en el azucar oxidado.

72 Capitulo 2 :Pequefias moleculas, energfa y blosfntests

REACCION5

REACCION6

( J


FOSFORI LACl6NOXlDATIVA

El NADH es el intermediario central en el catabolismo oxidativoLa generacion anaer6bica de ATP a partir de glucosa y a traves de las reacclonesde la g1ucolisis es relativamente ineficiente. Los productos finales de la glucollsisanaerobica conttenen aun una gran cantidad de energia qufmica que puede setIiberada mediante SU oxidaci6n posterior. La evolucion del catabolismo oxidati-vo (respiracion celular) s610result6 posible despues de que el oxfgeno molecularse hubiera acumulado en ta atmosfera terrestre, como resultado de la fotoslnte-sis realizada por las cianobacterias, Antes de ella, los procesos catabolicos anae-r6bicos habfan dominado la vida sobre la Tierra. La adici6n al proceso caraboll-co de una fase dependiente de oxfgeno (fase 3 de la Figura 2-19) proporciono alas celulas tillmetodo mucho mas potente y eficaz de extraer energfa de las mo-leeulas alimenticias. Esta tercera fase empieza con el ciclo del acido cftrico (de-norninado tambien ciclo de los acidos tricarboxflicos 0 tambien, cicIo de Krebs)y termina can 1afosforilaci6n oxidatiua, procesos que -se producen tanto en lasbacterias aerobicas como en las mitocondrias de las celulas eucariotas.

En la Pigura 223 se presenta una version simplificada de los dos procesoscentrales del catabolismo oxidative ..En primer lugar, en el ciclo del acido cftricolos grupos acetilo de las 'molecules de aceti! GoA son oxidados hasta CO2 yNADH.A conttnuacion, en el proceso de fosforilaci6n oxidativa el NADHgenera-do reacciona con e1oxigeno molecular (02) produclendo ATP y Hp,a traves deuna complicada serie de etapas que implican un transporte de electrones a tra-ves de una membrana.

I~,,")!IA)

p 0 po

(B) ,ic=o!

iH-C-OHI + NAOH + H'

El allmento y 1a obtenci6n de energla eelular

Figura 2-23 Esquema simpUficado dla etapa 3 del catabolismo. EI procesoproduce primariamente grandescantidades de ATP a partir de APF y defosfato inorgiinico (P j). E l ciclo delacido cftrico produce NADH, queluego es utilizado para dirigir laproducci6n de AlP a traves de lafosforilacion oxidativa. As f pues, elNADH aetna como intermediariocentral en la oxidaci6n de gruposacetilo basta CO2 yHP (tamblen juegaun papel similar, aunque en menorcantidad, el FADHa).

Figura 2-24 EI NAn' Yel NADH. Estasdos molecules son los transportadoresde electrones mas importantes en lasreacciones catabolicas, Sus estructurassemuestran en {Aj. NAD' es laabre-viatura de nicotinamida aden inad in u cle 6 ttd o, reflejando el heche deque la mitad derecha de la molecule,tal como se indica en el dibujo, es elmonofcsfato de adenosina (AMP) . Laparte de la molecula del NAD' conocidacomo el an illa de nicotinamida (som-breadaen gris) es capaz de aceptar doselectrones y un proton (en to tal un ionhidruro, Hi), fo rmand a NADH. En estaforma reducida, el antllo de nicotina-mid a tiene una estabiltdad reducidadebido a que ya no esta estabilizadapar resonancla, Como consecuenciade ella, el ion hidruro incorporadoesta activado en el sentido de que es. facilmente transferido a otrasmoleculas.

(B ) Ejempio de una reaccton en laque particlpan ~INAD Yel NADH. Enla oxidad6n bioi6gica de una rnoleculade substrate, como un alcohol, elsubstrate plerde dosatomos dehldrogano. Uno de ellos se madecomo ion hidruro al NAD",produciendo NADH, mtentras que I'llotro se libera a la soluci6n como unproton (IP).

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El NADH, intermediario central en estos procesos, tambien 10 encontramoscomo un producto de la glucolisis (vease Figura 2-22) ..Es un imporante trans-portador de poder reductor en las celulas, Como se ilustra en la Figura 2-24, estaformado por la adici6n de un micleo de hidr6geno y dos electrones (un ion hi-druro H~)a la adenina rricotinamida dinucleotide -(NAD+). Debido a que es ta adi-ei6n tiene lugar de una forma tal que el ion hidruro queda asociado a traves deuna uni6n rica en energia, el NADH actua en la celula como una fuente adecua-da de electrones facilmente transferibles, de una form a semej ante a como el ATPacnia como una fuerite adecuada de grupos fosfato facilmente transferibles.

HImetabolismo esta dominado por el cicio del acldo eftrtco"La funci6n prlmaria del ciclo del acido ettrtco consiste en oxidar los grupos ace-tilo que entran en el cicIo en forma de moleculas de acetil CoA. Las reaccionesforman un cicIo porque el grupo acetilo no se oxida directarnente, sino despuesde haberse unido covalenternente a una molecule mayor, el oxalaeetato, que sersgenera al final de cada vuelta del cicIo. Tal como se ilustra en la Figura 2-25, elclclo empieza can la reacd6n que tiene Jugar entre el acetil CoA y et oxalacetato,formando una rnolecula de un acido tricarboxllico denominada acido citrico (0c it ra t o) . Luego se producen una serie de reacciones en las que des de los seisatornos de carbona del citrato se oxidan a CO2, formando otra molecula de oxa-lacetato, que inicia de nuevo el ciclo, (Puesto que los carbonos que entranencada ciclo se incorporan en Iugares del citrate diferentes a los que se oxidan aCO2, no seran oxidados hasta despues de varias vueltas del ciclo.) EI CO2 produ-cido en estas reacciones sale de la rnitocondria (0 de la bacteria) par difusi6n yabandona de la celula,

La energfa que se libera cuando se oxidan los enlaces C-H y C-C del citratopuede ser capturada de varias rnaneras diferentes en el transcurso del ciclo del

I ! m D + w --- - -INAD+I---.-JI

74 Capitulo 2 : Pequefias moleculas, energIa y biosfntesis

Figura 2-25 El cicio del oicid'ocftrleo.En las mitocendrlas y en las bactertasaer6bicas los grupos acetiloproducidos a partir del piruvato seoxidan posteriormente. Los !homos decarbone de los grupos acetilo setransforman en CO2, mientras que losatornos de hidr6geno se transfleren alas molecules transportadoras NAD+yFAD. Atemos adicionales de ox1geno ehldrogeno entran en e1ctclo en formade agua en los pasos indicadoseon unasterisco (oJ . EI numero de carbonosde cada molecula se indica en elrecuadro blanco. Para mas detaIlesvease Figura 14-14.


acido citrico. En un paso del cielo (de succinil CoAa succinate) se genera un en-lace fosfato rico en energia mediante un mecanisme parecido al que se ha des-crito antes para la glucolisis. El resto de la energta de oxidaci6n que se captureen el cicIo se canaliza bacia la conversi6n de moleculas transportadoras de hi-drogeno -0tones hldruro- en sus form as reducidas; en cada vuelta del ciclo, tresmolecules de NAD+se convierten en NADH y un fiautn adenin dinucleotide(FAD) se convierte en FADH2 La energfa transportada por el hidr6geno activadode estas moleculas transportadoras se utiliza en las reacciones de lafosforilaciontixidatiua (que sera considerada con mas detalle mas adelante), las unlcas reac-ciones descritas aquf que requieren oxfgeno molecular de la atmosfera,Los atomos de oxfgeno adicionales necesarios para producir CO2 a partir delos grupos acetilo que entran en el cicIo del acido cftrico no son suministradospor el oxfgeno molecular. sino pOI el agua. En cada vuelta de}ciclo, tres molecu-las de agua se rompen y sus ,itomos de oxfgeno se utilizan produciendo CO2 A l-gunos de sus atomos de hidrogeno entran a formar parte de moleculas del sus-trato y, como los atomos de hidr6geno de los grupos aeetilo, finalmente serantransferidos a molecules transportadoras como el NADH.En la celula eucariota, las mitocondrias son el centro donde confluyen todoslos proeesos eatab6lieos, tanto si ernpiezan desde azticares, desde grasas 0 des-de proteinas. En efecto, ademas del piruvato, los acidos grasos y algunos amino-acidos tambien pasan desde el cttosol a las mitocondrias, yallf son transforma-dos aaeetil CoA0a alguno de los otros intermediarios del ciclo del acido citrico.La rnitoeondria tambian acnia como punto de partida de reacciones de btostnte-sis, al producir unos compuestos de carbo no vitales, tales como el oxalacetato yel ti-cetogtutarata. Estas sustancias pueden ser transferidas de nuevo desde lamitocondrta al cltosol donde actuan como precursoras para la stntesis de mole-culas esenciales, Comopar ejemplo algunos amlnoacidos.En la fusforilacinn oxidativa, la transferencia de electronesaloxigeno impulsa la formacion de ATpIO, 16La fosforUaci6n oxidativa es el ultimo paso del catabolismo y el proceso en quese libera la mayor parte de Laenergfa metab6lica. En este proceso, las moleculasde NADH y de EADH2transfieren al oxfgeno molecular (02) los electrones quehan obtenido de la oxidaci6n de las rnoleculas alirnenticias. La reacci6n, que for-malmente es equivalents a la combusti6n del hidr6geno en el aire formandoagua, libera una gran eantidad de energfa qufmica. Parte de esta energia se utili-za para producir la mayor parte del ATP de la celula: el resto se lib era en formade calor.Aunque el proceso quimico general de la oxidaci6n del NADH y del FADH2implica una transferencia de hid.r6geno hasta el oxigeno, cada atomo de hidro-geno se transfiere como un electron y un prot6n (el nucleo de hidrogeno, H+),Esto es posible debido a que el atomo de hidr6geno puede ser facilmente diso-ciado en el electr6n y el prot6n (H+)que 10 constituyen, Bntonces, el electr6npuede ser transferido par separado a una molecule que iinicamente acepta elec-trones, mientras que el proton permaneee en la solucion aeuosa. Por el mismorazonamiento, si se ttansfiere un electron a una molecula que tenga una fuerteafinidad por el hidrcgeno, automaticamente se reconstituira un atomo de hidro-geno tornando un proton de la soluci6n. En al transcurso de la fosfarilaci6n oxi-dativa los electrones del NADHy del FADH;.descienden a 10 largo de una cadenade moleculas transportadoras, conocida como cadena de transporte electr6ni-co. La presencia 0 ausencia de atomos de hidr6geno intactos depende de la na-turaleza del transportador.En una celula eueariota, esta serie de transferencias electronicas a 10 largode la cadena de transporte electr6nieo ocurre en la membrana mitecondrtal in-terna, en la que se hallan todas las moleculas transportadoras. En cada paso dela transferencia, los electrones caen a un nivel energetico mas bajo, basta quealfinal son transferidos a las molecules de oxfgeno. Cada molecula de oxfgeno (02)

EI alimento y la obtenci6n de energfa celular 75- ------~-

I


torna cuatro electrones de Lacadena de transporte de electrones y cuatro proto-nes de la solucion acuosa forman do dos moleculas de agua. Las moleculas deoxfgeno tienen una gran afinidad por los electrones, po;r 10 que los electronesunidos al oxfgeno se encuentran en su estado energetico mas bajo.

La cadena de transporte de electrones es importante para la celula porque laenergia que se libera cuando estos electrones caen a estados energeticos masbajos se aprovecha de una manera remarcable. Como describimos en el Capitu-lo 14, transferencias particulates de electrones hacen que se bombeen protonesa traves de la membrana, desde el compartimiento rnitocondrial interno hacia elexterior (Figura 2-26). Asi, se genera un gradiente electroquimico de protones atraves de la membrana mitocondrial interna. A su vez, este gradiente impulsa unflujo de protones a naves de un complejo enzimatico especial de La mismamembrana mitocondlial haciendo que la enzima (ATP sintasa) ariada un grupofosfato al ADP, generando por consiguiente ATP dentro de la mitocondria. Final-mente, el ATP recien sintetizado se transfiere desde la mitocondria al resto de lacelula,Los aminoacidos y los nuc1e6tidos forman partedel cicIo del nitr6genoHasta aqui hemos centrado nuestra discusion fundamentalmente en el metabo-lismo de los carbohidratos, No hemos habJado aun del metabolismo del nitroge-no 0 del azufre. Estos dos elementos son constituyentes de las prutefnas y de losacidos nucieicos, los cuales son las dos clases de macromolecules mas impor-tantes en la celula y constituyen aproximadamente las dos terceras partes de supeso seco. Los atomos de nitrogeno y de azufre pasan desde un oompuesto has-ta otro y entre los organismos y su ambiente a traves de una serie de ciclos rever-sibles.

Aunque el nitr6geno molecular es abundante en la atmosfera terrestre, enforma de gas es no reactivo qufmicamente. Unicamente algunas especies vivien-tes son cap aces de incorporarlc a moleculas organicas, proceso denominado 6. -jaci6n del nitr6geno. La fljacion del nitr6geno ocurre en ciertos microorganis-mos y en algunos procesos geofisicos, como par ejemplo en la descarga de unrayo, Es esencial para toda la biosfera, pues sin esta fijaci6n no existirfa la vidaen este plan eta. Pero tinicarnente una pequena parte de los compuestos nitroge-nados de los organismos actuales representa productos frescos de fijaci6n delnitr6geno atmosferico. La mayor parte del nitr6geno organico ba estado en cir-culacion durante mucho tiempo, pasando de un organismo vivo a otro. Por con-siguiente, se puede decir que las reacciones de fijaci6n del nirrogeno realizan lafuncidn de mantener Ilena al maximo la reserva total de nitrogeno,

Los vertebrados reciben practicamente todo su nitr6geno a travesde la in-gesta de proteinas y de acidos nucleicos. En el cuerpo estas macromoleculas sedescomponen en sus componentes, aminoacldos y nucle6tidos. los cuales luegoson repolimerizados generando nuevas protefnas y acidos nucleicos 0 son utili-zados para slntetlzar otras rnoleculas. Aproximadamente la mitad de Los20 ami-noacidos existentes en las proteinas son aminoacidos esenciales (Figura 2.27)para los vertebrados: no pueden ser sintetizados a partir de otros ing;redientes de1a dieta. Los otros amlnoacidos sf que pueden ser sintetizados, utilizando unaenorme diversidad de materiales, inciuyendo Intermediaries del cicIo del actdoenrico, Los aminnacidos esenciales son producidos en otros organlsmos, gene-raImente a traves de rutas largas y energeticamente costosas que en el transcur-so de la evolucion de los vertebrados se han ido perdiendo.

Los nucie6tidos necesarios para producir RNA y DNA pueden ser sintetiza-dos utilizando vias blosinteticas especializadas: no existen "nuc1e6tidos esencia-les'" que deban ser proporcionados par La.dieta. Todos los nitr6genos de las ba-ses puricas i plrimldmlcas (y tambien algunos de los carbonos) derivan de losabundantes aminoacldos glutamina, acido aspartico y glicina, mientras quelos azucares ribosa y desoxirribosa derivan de la glucosa,

76 Capitulo 2 :Pequefias moleculas, energia y biosfntesis

Figura 2-26 Generaci6n de ungrad1ente de H+ a traves de unamembrana, mediante reacclones detransporte electrdnlco. Un electronde alta energia (por ejempia, derivadode Ia oxidaci6n de W1 rnetabolito)recorre secuencialmente lostranspartadores A, Bye hasta unestado energetteo inferior. En esteesquema el transportador B estadlspuesto en la membrana de talmanera que mientras pas a el electrontoma el H+ de unlada de la membranay 10 libera al otra lado, EI gradienteresultants de H+corresponde a unaforma de energia almacenada,utiltzada par otras proteinas demembrana de lamitocondria parafavorecer Ia formaci6n de ATP, comose discute en el Capitulo 14 .


Los aminoacidos que no son utillzados en procesos de bioslntesis puedenser oxidados generando energfa metab6lica. Muchos de sus atomos de carbonoy de hldr6geno formaran CO2 0 H20 mientras que sus atomos de hidrogeno se-ran transportados a traves de varias formas y apareceran como urea, que es ex-cretada. Cada aminoacido es procesado de forma diferente y existe Una conste-laci6n entera de reacciones enzimaticas para su catabolismo.ResumenLas cetula animales obtienen la energfa a partir del alimento, siguiendo tresfases.En lafuse 1as proteinas, lospolisacdridos y las grasas son transformados a moM-culas pequeiias mediante reacciones extracelulares. En la fuse 2, estas moleculaspequetias son degradadas dentro de las diulas, produciendo acetil CoAy una pe-queiia cantidad deAlP y deNADH. Estas son las unicas reacciones que pueden pro-porcionar energia en ausencia de oxlgeno. En lafase 3, las moMculas de acetil eoAson degradadas en las mitocondrias, produciendo CO2y atomos de hidr6geno quese unen a moleculas transportadoras, como por ejemplo elNADH.Los electrones delos atomos de hidr6geno pasan a traves de una compleja cadena de transportado-res,que conduce ftnalmente a ta reducci6n del ox{geno molecular formando agua;lmpulsados por In energia liberada en estos pasos de transferencia de eiectrones,los protones (H+)son transportados al exterior de la mitocondrta. Elgradiente elec-troqutmico de protones resultante a traves de la membrana nutocondriai tnternaseutiliza para impulsarla sintesis de la mayor parte delATP celular.

La biosfntesis y la creaci6n de orden'?En un momento cualquiera en una celula se producen miles de reacciones qufrni-cas diferentes. Las reacciones estan asociadas fonnando cadenas y redes, en Lasque el producto de una reaccion se convierte en e1substrato de Lareacci6n siguien-teoLa mayoria de las reacciones qufrnicas ce1ulares pueden cLasificarse de maneraaproximada, segun pertenezcan al catabolismo 0 ala biosfntesis (anabolismo). Yahemos discutido las reacciones catab6licas, por Laque ahora vamos a estudiar lasreacciones de biosmtesis. Estos procesos empiezan en los compuestos intermedia-rios de la glucolisis y del ciclo del acido cftrico (yen otros compuestos relacionadoscon es tos) y generan las mayo res y mas complejas rnoleculas de la ce lula ,EIcambio de energfa libre de una reacci6n determinasi esta puede producirse 0no"A pesar de que las enzimas aceleran las reacciones energetlcamente favorables,no pueden forzar que las reacciones energeticamente desfavorables tengan lu-gar. En una analogfa con el agua, las enzlmas por sf solas no pueden hacer que elagua iluya cuesta arriba. Sin embargo las celulas han de hacerlo para poder ere-cer y dividirse: han de formar moleculas altarnente ordenadas y ricas en energiaa partir de molecules pequefias y sencillas. Hemos vista que, de una manera ge-neral, esto se realiza mediante enzimas que acoplan reacciones energeticamentefavorables que consumen energfa (derivada fundarnentalmente del sol) y queproducen calor, a reacciones energeticarnente desfavorables que producen or-den. Vamos a examinar en detalle como se realiza este acoplamlento.

En primer lugar debemos considerar mas cuidadosamente eLtermino "ener-geticamente favorable", que hemos estado utiJizando con bastante ligereza sindefinirlo. Como se explica a J principia, para que una reacci6n qufrnica tenga lu-gar espontaneamente unicamente ha de producir un incremento neto de desor-den en el universo. El des orden se incrementa cuando la energfa util (enegfa quepuede ser derivada para producir trabajo) se disipa en forma de calor; el criterlode incremento de desorden puede expresarse de forma cuantitativa con la ener-gfa libre, G. Esta se define de manera que los cambios de su valor, indicados por

Labiosfntesis y la creaci6n de orden

Figura 2-27 Los nueve amlnnacldnsesenciales. Estos aminoactdos nopueden ser slntetizados par las celulashumanas y por 10tanto deben sersuministrados en la dieta,

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.1.G, miden la cantidad de desorden creado en el universo cuando tienen lugaruna reacci6n. Las reacciones energeticamente fauorables son, por definici6n,aqueUas que liberan una gran cantidad de energfa Iibre, 0 en otras palabras, lasque tienen un valor negatiuo de !l.Gelevado y par tanto crean mucho desorden.Un ejemplo familiar a escala macrosc6pica puede ser la "reaccion" por Ia que unmuelle comprimido se relaja hasta su estado expandido, liberando al medioen forma de calor la energfa elastica que almacenaba. Las reacdones energetica-mente favorables, con un IlG < 0 , presentan una elevada tendenda a OCIlITU es-pontane

capítulo 02 - pequeñas moléculas, energía y biosíntesis

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