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