Bioquimica Harper

1. Director editorial: Javier de Len Fraga Editor Sponsor: Gabriel Romero Hernndez Supervisor de edicin: Manuel Bernal Prez Correccin de estilo: Luis A. Leero Leal Supervisor de produccin: Jos Luis Gonzlez Huerta NOTA La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirn cambios de la teraputica. El (los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosificacin medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicacin. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya parti- cipado en la preparacin de la obra garantizan que la informacin contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha informacin se obten- gan. Convendra recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habr que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la informacin de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su admi- nistracin. Esto es de particular importancia con respecto a frmacos nuevos o de uso no frecuente. Tambin deber consultarse a los laboratorios para recabar informacin sobre los valores normales. HARPER. BIOQUMICA ILUSTRADA Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2010, respecto a la primera edicin en espaol, por McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V. A subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736 ISBN: 978-607-15-0304-6 Translated from the twenty-eight English edition of: Harpers Illustrated Biochemistry Copyright 2009 by McGraw-Hill Companies, Inc. Previous editions copyright 2006, 2003, The McGraw-Hill Companies, Inc.; 2000, 1996, 1993, 1990 by Appleton & Lange; copyright 1988 by Lange Medical Publications. All Rights Reserved ISBN: 978-0-07-162591-3 1234567890 109876543210 Impreso en China Printed in China 00 Preliminares.indd 2 30/11/09 12:32:23

2. Contenido Prefacio ix 1. Bioqumica y medicina Robert K. Murray, MD, PhD 1 2. Agua y pH Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 6 S E C C I N I ESTRUCTURAS Y FUNCIONES DE PROTENAS Y ENZIMAS 14 3. Aminocidos y pptidos Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 14 4. Protenas: determinacin de la estructura primaria Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 21 5. Protenas: rdenes de estructura superiores Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 31 6. Protenas: mioglobina y hemoglobina Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 43 7. Enzimas: mecanismo de accin Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 51 8. Enzimas: cintica Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 62 9. Enzimas: regulacin de actividades Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 75 10. Bioinformtica y biologa computacional Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 84 S E C C I N II BIOENERGTICA Y EL METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS Y LPIDOS 92 11. Bioenergtica: la funcin del ATP Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 92 12. Oxidacin biolgica Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 98 13. Cadena respiratoria y fosforilacin oxidativa Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 103 14. Carbohidratos importantes desde el punto de vista fisiolgico David A. Bender, PhD 113 15. Lpidos de importancia fisiolgica Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 121 16. Perspectiva general del metabolismo y el suministro de combustibles metablicos David A. Bender, PhD 131 17. El ciclo del cido ctrico: el catabolismo de la acetil-CoA David A. Bender, PhD 143 18. Gluclisis y la oxidacin de piruvato David A. Bender, PhD 149 19. Metabolismo del glucgeno David A. Bender, PhD 157 vii 00 Preliminares.indd 7 27/11/09 12:19:48 3. viii CONTENIDO 20. Gluconeognesis y el control de la glucosa en la sangre David A. Bender, PhD 165 21. La va de pentosa fosfato y otras vas del metabolismo de hexosas David A. Bender, PhD 174 22. Oxidacin de cidos grasos: cetognesis Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 184 23. Biosntesis de cidos grasos y eicosanoides Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 193 24. Metabolismo de acilgliceroles y esfingolpidos Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 205 25. Transporte y almacenamiento de lpidos Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 212 26. Sntesis, transporte y excrecin de colesterol Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 224 S E C C I N III METABOLISMO DE PROTENAS Y AMINOCIDOS 234 27. Biosntesis de los aminocidos no esenciales desde el punto de vista nutricional Victor W. Rodwell, PhD 234 28. Catabolismo de protenas y de nitrgeno de aminocidos Victor W. Rodwell, PhD 239 29. Catabolismo de los esqueletos de carbono de aminocidos Victor W. Rodwell, PhD 248 30. Conversin de aminocidos en productos especializados Victor W. Rodwell, PhD 262 31. Porfirinas y pigmentos biliares Robert K. Murray, MD, PhD 271 S E C C I N IV ESTRUCTURA, FUNCIN Y REPLICACIN DE MACROMOLCULAS INFORMACIONALES 285 32. Nucletidos Victor W. Rodwell, PhD 285 33. Metabolismo de nucletidos, purina y pirimidina Victor W. Rodwell, PhD 292 34. Estructura y funcin del cido nucleico P. Anthony Weil, PhD 302 35. Organizacin, replicacin y reparacin de DNA P. Anthony Weil, PhD 312 36. Sntesis, procesamiento y modificacin del RNA P. Anthony Weil, PhD 335 37. Sntesis de protenas y el cdigo gentico P. Anthony Weil, PhD 353 38. Regulacin de la expresin gnica P. Anthony Weil, PhD 369 39. Gentica molecular, DNA recombinante y tecnologa genmica P. Anthony Weil, PhD 388 S E C C I N V BIOQUMICA DE LA COMUNICACIN EXTRACELULAR E INTRACELULAR 406 40. Membranas: estructura y funcin Robert K. Murray, MD, PhD y Daryl K. Granner, MD 406 41. La diversidad del sistema endocrino P. Anthony Weil, PhD 425 42. Accin hormonal y transduccin de seal P. Anthony Weil, PhD 444 00 Preliminares.indd 8 27/11/09 12:19:49 4. CONTENIDO ix S E C C I N VI TEMAS ESPECIALES 459 43. Nutricin, digestin y absorcin David A. Bender, PhD 459 44. Micronutrientes: vitaminas y minerales David A. Bender, PhD 467 45. Radicales libres y nutrientes antioxidantes David A. Bender, PhD 482 46. Trfico y distribucin intracelulares de protenas Robert K. Murray, MD, PhD 487 47. Glucoprotenas Robert K. Murray, MD, PhD 506 48. La matriz extracelular Robert K. Murray, MD, PhD y Frederick W. Keeley, PhD 527 49. Msculo y el citoesqueleto Robert K. Murray, MD, PhD 545 50. Protenas plasmticas e inmunoglobulinas Robert K. Murray, MD, PhD 566 51. Hemostasia y trombosis Peter L. Gross, MD, Robert K. Murray, MD, PhD y Margaret L. Rand, PhD 583 52. Eritrocitos y leucocitos Robert K. Murray, MD, PhD 593 53. Metabolismo de xenobiticos Robert K. Murray, MD, PhD 609 54. Historias de caso bioqumicas Robert K. Murray, MD, PhD y Peter L. Gross, MD 616 Apndice I 647 Apndice II 648 ndice alfabtico 651 00 Preliminares.indd 9 27/11/09 12:19:49 5. Bioqumica y medicina Robert K. Murray, MD, PhD c a P t u l o 1 1 INTRODUCCIN La bioqumica puede definirse como la ciencia de la base qumica de la vida (del griego bios, vida). La clula es la unidad estructural de los sistemas vivos. De este modo, tambin es factible describir a la bioqumica como la ciencia de los constituyentes qumicos de las clulas vivas, y de las reacciones y los procesos que experimentan. Me- diante esta definicin, la bioqumica abarca grandes reas de la biologa celular, la biologa molecular y la gentica molecular. El objetivo de la bioqumica es describir y explicar, en trminos moleculares, todos los procesos qumicos de las clulas vivas El principal objetivo de la bioqumica es el entendimiento completo, en el nivel molecular, de todos los procesos qumicos relacionados con las clulas vivas. Para lograr este objetivo, los bioqumicos han buscado aislar las numerosas molculas que se encuentran en las clulas, determinar su estructura y analizar cmo funcionan. Se han usado muchas tcnicas para estos propsitos; algunas de ellas se resumen en el cuadro 1-1. El conocimiento de la bioqumica es esencial para todas las ciencias de la vida La bioqumica de los cidos nucleicos ocupa un lugar fundamental justo en el corazn de la gentica; a su vez, el uso de mtodos genticos ha sido crucial para dilucidar muchas reas de la bioqumica. La fisiologa, el estudio de la funcin del cuerpo, se superpone con la bioqumica casi por completo. En la inmunologa se emplean muchas tcnicas bioqumicas y numerosos mtodos inmunolgicos han encontrado amplio uso por bioqumicos. La farmacologa y la farmacia se fundamentan en un slido conocimiento de la bioqumica y la fisiologa, en particular, casi todos los frmacos son metabolizados mediante reacciones catalizadas por enzimas. Los ve- nenos actan sobre reacciones o procesos bioqumicos; ste es el tema de estudio de la toxicologa. Los mtodos bioqumicos cada vez reciben un uso ms amplio en la investigacin relacionada con los aspectos bsicos de la patologa (el estudio de la enfermedad), como la inflamacin, la lesin celular y el cncer. Muchos investigadores en microbiologa, zoologa y botnica emplean mtodos bioqumicos de manera casi exclusiva. Estas relaciones no sorpren- den, porque la vida, como se le conoce, depende de reacciones y procesos bioqumicos. De hecho, las antiguas barreras entre las ciencias de la vida estn derrumbndose y la bioqumica est llegando a ser, cada vez de manera ms frecuente, su lenguaje comn. Una relacin recproca entre la bioqumica y la medicina ha estimulado avances mutuos Las dos preocupaciones ms importantes para los investigadores en las ciencias de la salud y en particular para los mdicos son tanto el entendimiento y el mantenimiento de la salud, como la comprensin y el tratamiento efectivo de las enfermedades. La bioqumica tiene enormes repercusiones sobre estas dos preocupaciones fundamentales de la medicina. De hecho, la interrelacin de la bioqumica y la medicina es una amplia avenida que circula en dos sentidos. Los estudios bioqumicos han esclarecido muchos aspectos de la salud y la enfermedad, a la inversa, el estudio de diversos aspectos de la salud y la enfermedad ha abierto nuevas reas en la bioqumica. En la figura 1-1 se muestran algunos ejemplos de esta avenida de dos direcciones. Por ejemplo, el conocimiento de la estructura y la funcin de las protenas fue necesario para dilucidar la diferencia bioqumica nica entre la hemoglobina normal y la de clulas falciformes. Por otra parte, el anlisis de la hemoglobina de clulas falciformes ha contribuido de manera significativa al entendimiento de la estructura y la funcin tanto de la hemoglobina como de otras protenas normales. Cabra citar ejemplos anlogos de beneficio recproco entre la bioqumica y la medicina para los otros incisos pareados que muestra la figura 1-1. Otro ejemplo es la investigacin pionera de Archibald Garrod, mdico que ejerci en Inglaterra a principios del siglo xx, quien estudi a pacientes con diversos trastornos hasta cierto punto raros (alcaptonuria, albinis- mo, cistinuria y pentosuria; los cuales se describen en captulos pos- teriores), y estableci que estas enfermedades estaban determinadas por mecanismos genticos. Garrod design a estas enfermedades como errores innatos del metabolismo (metabolopatas); sus ideas proporcionaron un importante fundamento para el desarrollo de la gentica bioqumica humana. Los esfuerzos ms recientes por entender la base de la enfermedad gentica conocida como hiperco- lesterolemia familiar, que origina aterosclerosis grave a una edad temprana, han llevado a alcanzar un progreso notorio del entendimiento de los receptores celulares y de los mecanismos de captacin del colesterol por las clulas. Los estudios de oncogenes en clulas cancerosas han dirigido la atencin hacia los mecanismos moleculares involucrados en el control del crecimiento celular normal. Ta- les ejemplos y muchos otros recalcan la manera en que el estudio de 01 Bender.indd 1 27/11/09 12:28:39 6. 2 captulo 1 Bioqumica y medicina la enfermedad llega a abrir reas de la funcin celular para investigacin bioqumica bsica. La relacin entre medicina y bioqumica tiene inferencias importantes para la primera. Mientras el tratamiento mdico est fun- damentado con firmeza en el conocimiento de la bioqumica y otras ciencias bsicas, la prctica de la medicina tendr una base racional capaz de adaptarse para dar cabida al nuevo conocimiento. Esto contrasta con prcticas de salud no ortodoxas y con al menos algunas opciones de medicina alternativa que a menudo estn funda- mentadas en poco ms que mitos e ilusiones y, por lo general, care- cen de base intelectual alguna. LOS PROCESOS BIOQUMICOS NORMALES SON LA BASE DE LA SALUD La Organizacin Mundial de la Salud (OMS) define a la salud como el estado de bienestar fsico, mental y social completo, y no tan slo la ausencia de enfermedad. Desde un punto de vista estrictamente bioqumico, cabe considerar a la salud como aquella situacin en la cual las muchas miles de reacciones intracelulares y extracelulares que ocurren en el cuerpo estn procediendo a ndices acordes con la supervivencia mxima del organismo en el estado fisiolgico. Sin embargo, se trata de un punto de vista en extremo reduccionista, debe quedar de manifiesto que el cuidado de la salud de los pacientes no slo requiere un amplio conocimiento de los principios biolgicos, sino tambin de principios psicolgicos y sociales. La investigacin bioqumica tiene repercusiones sobre la nutricin y la medicina preventiva Un prerrequisito importante para el mantenimiento de la salud es la ingestin ptima de diversas sustancias qumicas en la dieta, entre las cuales destacan vitaminas, algunos aminocidos, ciertos cidos grasos, diversos minerales y agua. Dado que gran parte del tema de estudio tanto de la bioqumica como de la nutricin comprende diversos aspectos de estas sustancias qumicas, hay una estrecha relacin entre ambas ciencias. Ms an, se est haciendo hincapi en los intentos sistemticos por mantener la salud y prevenir la enfermedad, esto es, en medicina preventiva, as que se observa un nfasis en los mtodos nutricionales para por ejemplo tratar la prevencin de aterosclerosis y cncer. El entendimiento de la nutricin depende en gran medida del conocimiento sobre bioqumica. Casi todas las enfermedades (quiz todas) tienen una base bioqumica Los autores creen que casi todas las enfermedades, si no es que todas, son manifestaciones de anormalidades de molculas, reacciones qumicas o procesos bioqumicos. En el cuadro 1-2 se listan los principales factores que generan enfermedades en animales y seres humanos; todos afectan una o ms reacciones qumicas o molculas cruciales en el cuerpo. Este libro presenta muchos ejemplos de las bases bioqumicas de las enfermedades; en casi todas ellas los estudios bioqumicos contribuyen tanto al diagnstico como al tratamiento. El cuadro 1-3 resume algunos usos importantes de investigaciones bioqumicas y pruebas de laboratorio en relacin con enfermedades. El captulo 54 de este libro provee an ms ayu- da para ilustrar la relacin entre bioqumica y enfermedad al co- mentar con cierto detalle los aspectos bioqumicos de 16 casos m- dicos diferentes. Al final del captulo 54 se esbozan de manera muy sucinta algunos de los principales desafos que la medicina y las ciencias de la salud relacionadas encaran. Al abordar estos desafos, los estudios bioqumicos ya estn entrelazados, y seguirn estndolo, con estudios en varias otras disciplinas, como gentica, inmunologa, nutricin, patologa y farmacologa. CUaDRO 1-1 Principales mtodos y preparaciones usados en laboratorios de bioqumica Mtodos para separar biomolculas y purificarlas1 Fraccionamiento de sal (p. ej., precipitacin de protenas con sulfato de amonio) Cromatografa: en papel, de intercambio inico, de afinidad, de capa delgada, de gas-lquido, de lquido a alta presin, de filtracin en gel Electroforesis: en papel, de alto voltaje, en agarosa, en acetato de celu- losa, en gel de almidn, en gel de poliacrilamida, en gel de dodecil sulfato de sodio (SDS)-poliacrilamida Ultracentrifugacin Mtodos para determinar estructuras de las biomolculas Anlisis elemental Espectroscopiaconluzultravioleta(UV),visible,infrarrojayconresonancia magntica nuclear (NMR) Uso de hidrlisis en cido o alcal para degradar la biomolcula en estudio hacia sus constituyentes bsicos Uso de un conjunto de enzimas de especificidad conocida para degradar la biomolcula en estudio (p. ej., proteasas, nucleasas, glucosidasas) Espectrometra de masa Mtodos de secuenciacin especficos (p. ej., para protenas y cidos nucleicos) Cristalografa con rayos X Preparaciones para estudiar procesos bioqumicos Animal entero (incluye animales transgnicos y animales con genes noqueados) rgano aislado perfundido Corte de tejido Clulas enteras Homogeneizado Organelos celulares aislados Subfraccionamiento de organelos Metabolitos y enzimas purificados Genes aislados (incluso reaccin en cadena de polimerasa y mutagnesis dirigida hacia sitio) 1 Casi todos estos mtodos son idneos para analizar los componentes presentes en homogeneizados de clulas y en otras preparaciones bioqumicas. El uso secuencial de varias tcnicas por lo general permitir la purificacin de casi todas las biomolculas. El lector encontrar detalles en libros sobre mtodos de investigacin bioqumica. 01 Bender.indd 2 27/11/09 12:28:40 7. captulo 1 Bioqumica y medicina 3 Repercusiones del Human Genome Project (HGP, Proyecto del Genoma Humano) sobre la bioqumica, biologa y medicina A finales del decenio de 1990, el HGP logr notorios progresos en la secuenciacin del genoma humano. Esto culmin en julio de 2000, cuando lderes de los dos grupos comprendidos en este esfuerzo (el International Human Genome Sequencing Consortium y Celera Ge- nomics, compaa privada) anunciaron que se haba secuenciado ms de 90% del genoma. A principios de 2001 se publicaron versio- nes borrador de la secuencia. Salvo algunos vacos, la secuencia de todo el genoma humano se complet en 2003, 50 aos despus de la descripcin de la naturaleza de doble hlice del cido desoxirribo- nucleico (DNA) por Watson y Crick. Son enormes las inferencias del HGP para la bioqumica, toda la biologa, as como para la medicina y las ciencias de la salud relacionadas, y aqu slo se mencionan algunos puntos. ahora es posible aislar cualquier gen y, por lo general, determinar su estructura y funcin (p. ej., mediante experimentos de secuenciacin y de gen noqueado). Muchos genes antes desconocidos han sido revelados; sus productos ya se han establecido o estn bajo estudio. Se han aclarado nuevos aspectos de la evolucin del ser humano y se han refinado los procedimientos para rastrear genes vinculados con enfermedad. En diversas secciones de este libro hay referencias al genoma humano. En la figura 1-2 se muestran reas de gran inters actual que se han desarrollado de manera directa como resultado del progreso logrado en el HGP o cuyo avance se ha visto estimulado por el mis- mo. Como resultado del HGP, han surgido muchos de los llamados CHAPTER 1 Biochemistry & Medicine 3 vealed; their products have already been established, or are under study. New light has been thrown on human evolution, and procedures for tracking disease genes have been greatly refined. Reference to the human genome will be made in various sections of this text. Figure 12 shows areas of great current interest that have developed either directly as a result of the progress made in the HGP, or have been spurred on by it. As an outgrowth of the HGP, many so-called -omics fields have sprung up, involving comprehensive studies of the structures and func- tions of the molecules with which each is concerned. Defini- tions of the fields listed below are given in the Glossary of this Impact of the Human Genome Project (HGP) on Biochemistry, Biology, & Medicine Remarkable progress was made in the late 1990s in sequencing the human genome by the HGP. This culminated in July 2000, when leaders of the two groups involved in this effort (the International Human Genome Sequencing Consortium and Celera Genomics, a private company) announced that over 90% of the genome had been sequenced. Draft versions of the sequence were published in early 2001. With the excep- tion of a few gaps, the sequence of the entire human genome was completed in 2003, 50 years after the description of the double-helical nature of DNA by Watson and Crick. The implications of the HGP for biochemistry, all of biology, and for medicine and related health sciences are tremendous, and only a few points are mentioned here. It is now possible to isolate any gene and usually determine its structure and function (eg, by sequencing and knockout ex- periments). Many previously unknown genes have been re- FIGURE 11 Examples of the two-way street connecting biochemistry and medicine. Knowledge of the biochemical molecules shown in the top part of the diagram has clarified our understanding of the diseases shown on the bottom halfand conversely, analyses of the diseases shown below have cast light on many areas of biochemistry. Note that sickle cell anemia is a genetic disease and that both atherosclerosis and diabetes mellitus have genetic components. TABLE 12 The Major Causes of Diseases1 1. Physical agents: Mechanical trauma, extremes of temperature, sudden changes in atmospheric pressure, radiation, electric shock. 2. Chemical agents, including drugs: Certain toxic compounds, therapeutic drugs, etc. 3. Biologic agents: Viruses, bacteria, fungi, higher forms of parasites. 4. Oxygen lack: Loss of blood supply, depletion of the oxygen-carrying capacity of the blood, poisoning of the oxidative enzymes. 5. Genetic disorders: Congenital, molecular. 6. Immunologic reactions: Anaphylaxis, autoimmune disease. 7. Nutritional imbalances: Deficiencies, excesses. 8. Endocrine imbalances: Hormonal deficiencies, excesses. (Adapted, with permission, from Robbins SL, Cotram RS, Kumar V: The Pathologic Basis of Disease, 3rd ed. Saunders, 1984. Copyright 1984 Elsevier Inc. with permission from Elsevier.) 1 Note: All of the causes listed act by influencing the various biochemical mechanisms in the cell or in the body. TABLE 13 Some Uses of Biochemical Investigations and Laboratory Tests in Relation to Diseases Use Example 1. To reveal the fundamental causes and mechanisms of diseases Demonstration of the nature of the genetic defects in cystic fibrosis. 2. To suggest rational treatments of diseases based on item 1 above A diet low in phenylalanine for treatment of phenylketonuria. 3. To assist in the diagnosis of specific diseases Use of the plasma levels of troponin I or T in the diagnosis of myocardial infarction. 4. To act as screening tests for the early diagnosis of certain diseases Use of measurement of blood thyroxine or thyroid-stimulating hormone (TSH) in the neonatal diagnosis of congenital hypothyroidism. 5. To assist in monitoring the progress (ie, recovery, worsening, remission, or relapse) of certain diseases Use of the plasma enzyme alanine aminotransferase (ALT) in monitoring the progress of infectious hepatitis. 6. To assist in assessing the response of diseases to therapy Use of measurement of blood carcinoembryonic antigen (CEA) in certain patients who have been treated for cancer of the colon. Murray_CH01_PTR.indd 3 3/26/2009 8:51:41 PM cidos Enfermedades genticas nucleicos Protenas Lpidos Carbohidratos Bioqumica AterosclerosisDepranocitosis Medicina Diabetes mellitus FIgURA 1-1 Ejemplos de la avenida en dos direcciones que conecta la bioqumica y la medicina. El conocimiento de las molculas bioqumicas mostradas en la parte superior del diagrama ha esclarecido el entendimiento de las enfermedades mostradas en la mitad inferior y, a la inversa, los anlisis de las enfermedades que se muestran abajo han aclarado muchas reas de la bioqumica. Note que la drepanocitosis es una enfermedad gentica, y que tanto la aterosclerosis como la diabetes mellitus tienen componentes genticos. CUaDRO 1-2 Las principales causas de enfermedades1 1. Agentes fsicos: traumatismo mecnico, temperatura extrema, cambios repentinos de la presin atmosfrica, radiacin, descarga elctrica. 2. Agentes qumicos, incluso frmacos: ciertos compuestos txicos, frmacos teraputicos, etctera. 3. Agentes biolgicos: virus, bacterias, hongos, formas superiores de pa- rsitos. 4. Falta de oxgeno: prdida del aporte sanguneo, disminucin de la capacidad transportadora de oxgeno de la sangre, envenenamiento de las enzimas oxidativas. 5. Trastornos genticos: congnitos, moleculares. 6. Reacciones inmunitarias: anafilaxia, enfermedad autoinmunitaria. 7. Desequilibrios nutricionales: deficiencias, excesos. 8. Desequilibrios endocrinos: deficiencias o excesos hormonales. 1 Nota: todas las causas listadas actan al influir sobre los diversos mecanismos bioqumicos en la clula o en el cuerpo. (Adaptado, con autorizacin, de Robbins SL, Cotram RS, Kumar V: The Pathologic Basis of Disease, 3a. ed. Saunders, 1984. Copyright 1984 Elsevier Inc. con autorizacin de Elsevier.) CUaDRO 1-3 algunos usos de investigaciones bioqumicas y pruebas de laboratorio en relacin con enfermedades Uso Ejemplo 1. Revelar las causas y los mecanismos fundamentales de enfermedades Demostracin de la naturaleza de los defectos genticos en la fibrosis qustica. 2. Sugerir tratamientos racionales de enfermedades con base en el inciso 1 Una dieta con bajo contenido de fenilalanina para el tratamiento de fenilcetonuria. 3. Ayudar en el diagnstico de enfermedades especficas Uso de las concentraciones plasmticas de troponina I o T en el diagnstico de infarto de miocardio. 4. Actuar como pruebas de deteccin para el diagnstico temprano de ciertas enfermedades Uso de medicin de la tiroxina o de la hormona estimulante de la tiroides (TSH) en la sangre en el diagnstico neonatal de hipotiroidismo congnito. 5. Ayudar a vigilar el progreso (esto es, recuperacin, empeoramiento, remisin o recada) de ciertas enfermedades Uso de la enzima plasmtica alanina aminotransferasa (ALT) en la vigilancia del progreso de hepatitis infecciosa. 6. Ayudar en la evaluacin de la respuesta de enfermedades a la terapia Uso de la medicin del antgeno carcinoembrionario (CEA) en la sangre en ciertos pacientes que han recibido tratamiento para cncer de colon. 01 Bender.indd 3 27/11/09 12:28:43 8. 4 captulo 1 Bioqumica y medicina campos de -mica, que comprenden estudios integrales de las estructuras y funciones de las molculas que cada uno estudia. El glosario de este captulo proporciona las definiciones de los campos listados a continuacin. Los productos de genes (molculas de cido ribonucleico [RNA] y protenas) estn bajo estudio con el uso de las tcnicas de transcriptmica y protemica. Un notorio ejemplo de la rapidez del progreso en transcriptmica es la explosin de conocimiento relacionado con molculas de RNA pequeas como reguladoras de la actividad de genes. Otros campos de -mica comprenden glucmica, lipidmica, metabolmica, nutrigenmica y farmacogenmica. Para mantenerse al da con la cantidad de informacin que se est generando, la bioinformtica ha recibido mucha atencin. Otros campos relacionados a los cuales se ha transmitido el mpetu del HGP son biotecnologa, bioingeniera, biofsica y biotica. La biologa de clulas madre ocupa un lugar preponde- rante en gran parte de la investigacin actual. La promesa que la terapia gnica lleva implcita an no se cumple, pero parece probable que eso ocurrir tarde o temprano. Se han creado muchas pruebas diagnsticas moleculares nuevas en reas como pruebas y diagnstico genticos, microbiolgicos e inmunolgicos. La biologa de sistemas tambin est en ciernes. La biologa sinttica quiz es la ms interesante de todas, cuenta con el potencial de crear organismos vivos (p. ej., en un inicio bacterias pequeas) a partir de material gentico in vitro, el cual quiz podra ser diseado para llevar a cabo tareas especficas (p. ej., limpiar derrames de petrleo). Como en el caso de las clulas madre, esta rea atraer mucha atencin por parte de expertos en biotica y otros. Ms adelante en este libro se hace referencia a muchos de los temas anteriores. Todo lo anterior ha hecho que la poca actual sea muy interesante para estudiar o participar de manera directa en biologa y medicina. Los resultados de la investigacin en las diversas reas antes mencionadas tendrn grandes repercusiones en el futuro de la biologa, la medicina y las ciencias de la salud. RESUMEN La bioqumica es la ciencia que se encarga del estudio de las diversas molculas que se encuentran en clulas y organismos vivos, as como sus reacciones qumicas. Dado que la vida depende de reacciones bioqumicas, la bioqumica se ha convertido en el lenguaje bsico de todas las ciencias biolgicas. La bioqumica se encarga del estudio de toda la gama de formas de vida, desde virus y bacterias que pudieran considerarse simples hasta seres humanos complejos. La bioqumica y la medicina estn ntimamente relacionadas. La salud depende de un equilibrio armonioso de reacciones bioqumicas que estn ocurriendo en el cuerpo, en tanto que la enfermedad refleja anormalidades en biomolculas, reacciones bioqumicas o procesos bioqumicos. Los avances en el conocimiento de la bioqumica han esclarecido muchas reas de la medicina. A la inversa, el estudio de las enfermedades a menudo ha revelado aspectos previamente no sospechados de la bioqumica. Los mtodos bioqumicos suelen ser fundamentales para esclarecer las causas de enfermedades y disear terapias apropiadas. El uso juicioso de diversas pruebas bioqumicas de laboratorio es un componente integral del diagnstico y de la vigilancia del tratamiento. Un conocimiento slido de la bioqumica y de otras disciplinas bsicas conexas es esencial para la prctica racional de la medicina y de ciencias de la salud relacionadas. Los resultados del HGP y de investigacin en reas afines tendrn una profunda influencia sobre el futuro de la biologa, la medicina y otras ciencias de la salud. REFERENCIaS Burtis CA, Ashwood ER, Bruns DE: Tietz Textbook of Clinical Chemistry and Molecular Diagnostics, 4th ed. Elsevier Inc, 2006. Encyclopedia of Life Sciences. John Wiley, 2001. (Contiene unos 3 000 artculos sobre diversos aspectos de las ciencias de la vida. Est disponible en lnea en www.els.net mediante una suscripcin en bibliotecas.) Fruton JS: Proteins, Enzymes, Genes: The Interplay of Chemistry and Biology. Yale University Press, 1999. (Provee el contexto histrico de gran parte de la investigacin actual sobre bioqumica.) Garrod AE: Inborn errors of metabolism. (Croonian Lectures.) Lancet 1908;2:1, 73, 142, 214. Guttmacher AE, Collins FS: Genomic medicineA primer. N Engl J Med 2002;347:1512. (Fue el primero de una serie de 11 artculos publicados FIgURA 1-2 El Human Genome Project (HGP) ha influido sobre muchas disciplinas y reas de investigacin. 4 CHAPTER 1 Biochemistry & Medicine n Biochemistry is concerned with the entire spectrum of life forms, from relatively simple viruses and bacteria to complex human beings. n Biochemistry and medicine are intimately related. Health depends on a harmonious balance of biochemical reactions occurring in the body, and disease reflects abnormalities in biomolecules, biochemical reactions, or biochemical processes. n Advances in biochemical knowledge have illuminated many areas of medicine. Conversely, the study of diseases has often revealed previously unsuspected aspects of biochemistry. Biochemical approaches are often fundamental in illuminating the causes of diseases and in designing appropriate therapies. n The judicious use of various biochemical laboratory tests is an integral component of diagnosis and monitoring of treatment. n A sound knowledge of biochemistry and of other related basic disciplines is essential for the rational practice of medicine and related health sciences. n Results of the HGP and of research in related areas will have a profound influence on the future of biology, medicine and other health sciences. REFERENCES Burtis CA, Ashwood ER, Bruns DE: Tietz Textbook of Clinical Chemistry and Molecular Diagnostics, 4th ed. Elsevier Inc, 2006. Encyclopedia of Life Sciences. John Wiley, 2001. (Contains some 3000 comprehensive articles on various aspects of the life sciences. Accessible online at www.els.net via libraries with a subscription.) Fruton JS: Proteins, Enzymes, Genes: The Interplay of Chemistry and Biology. Yale University Press, 1999. (Provides the historical background for much of todays biochemical research.) Garrod AE: Inborn errors of metabolism. (Croonian Lectures.) Lancet 1908;2:1, 73, 142, 214. Guttmacher AE, Collins FS: Genomic medicineA primer. N Engl J Med 2002;347:1512. (This article was the first of a series of 11 monthly articles published in the New England Journal of Medicine describing various aspects of genomic medicine.) chapter. The products of genes (RNA molecules and proteins) are being studied using the technics of transcriptomics and proteomics. One spectacular example of the speed of progress in transcriptomics is the explosion of knowledge about small RNA molecules as regulators of gene activity. Other -omics fields include glycomics, lipidomics, metabolomics, nutrigenomics, and pharmacogenomics. To keep pace with the amount of information being generated, bioinformatics has received much attention. Other related fields to which the impetus from the HGP has carried over are biotechnology, bioengineering, biophysics, and bioethics. Stem cell biology is at the center of much current research. Gene therapy has yet to deliver the promise that it contains, but it seems probable that will occur sooner or later. Many new molecular diagnostic tests have developed in areas such as genetic, mi- crobiologic, and immunologic testing and diagnosis. Systems biology is also burgeoning. Synthetic biology is perhaps the most intriguing of all. This has the potential for creating living organisms (eg, initially small bacteria) from genetic material in vitro. These could perhaps be designed to carry out specific tasks (eg, to mop up petroleum spills). As in the case of stem cells, this area will attract much attention from bioethicists and others. Many of the above topics are referred to later in this text. All of the above have made the present time a very ex- citing one for studying or to be directly involved in biology and medicine. The outcomes of research in the various areas mentioned above will impact tremendously on the future of biology, medicine and the health sciences. SUMMARY n Biochemistry is the science concerned with studying the various molecules that occur in living cells and organisms and with their chemical reactions. Because life depends on biochemical reactions, biochemistry has become the basic language of all biologic sciences. FIGURE 12 The Human Genome Project (HGP) has influenced many disciplines and areas of research. HGP Murray_CH01_PTR.indd 4 3/26/2009 8:51:42 PM Transcriptmica Metabolmica Farmacogenmica Bioingeniera Biofsica Biologa de clulas madre Diagnstico molecular Biologa de sistemas Biologa sinttica Terapia gnica Biotica Biotecnologa Bioinformtica Nutrigenmica LipidmicaGlucmicaProtemica (genmica) 01 Bender.indd 4 27/11/09 12:28:47 9. captulo 1 Bioqumica y medicina 5 mensualmente en el New England Journal of Medicine, describiendo diversos aspectos de la medicina genmica.) Guttmacher AE, Collins FS: Realizing the promise of genomics in biomedical research. JAMA 2005;294(11):1399. Kornberg A: Basic research: The lifeline of medicine. FASEB J 1992;6:3143. Kornberg A: Centenary of the birth of modern biochemistry. FASEB J 1997;11:1209. Manolio TA, Collins FS: Genes, environment, health, and disease: Facing up to complexity. Hum Hered 2007;63:63. McKusick VA: Mendelian Inheritance in Man. Catalogs of Human Genes and Genetic Disorders, 12th ed. Johns Hopkins University Press, 1998. [Abreviado como MIM] Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM): Center for Medical Genetics, Johns Hopkins University and National Center for Biotechnology Information, National Library of Medicine, 1997. http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/ (Los nmeros asignados a las entradas en el OMIM sern citados en algunos captulos de este libro. Mediante consultar esta amplia presentacin de enfermedades y otras entradas relacionadas sobre protenas especficas, enzimas y dems, el lector incrementar en gran medida su conocimiento y comprensin de varios temas vinculados con este texto y que son considerados aqu. La versin en lnea es actualizada casi a diario.) Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology, rev. ed. Oxford University Press, 2000. Scriver CR et al (editors): The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease, 8th ed. McGraw-Hill, 2001. (Este texto est ahora disponible en lnea y actualizado como The Online Metabolic & Molecular Bases of Inherited Disease en www.ommbid.com. Se requiere una suscripcin, pero el acceso est disponible en bibliotecas de universidades y hospitales, entre otras opciones.) Scherer S: A Short Guide to the Human Genome. CSHL Press, 2008. GLOSaRIO Biotica: rea de la tica que se encarga de la aplicacin de principios morales y ticos a la biologa y medicina. Biofsica: aplicacin de fsica y sus tcnicas a la biologa y medicina. Bioinformtica: disciplina que se encarga de reunir, almacenar y analizar datos biolgicos, en especial secuencias de DNA y protena (vase captulo 10). Bioingeniera: aplicacin de ingeniera a biologa y medicina. Biologa de clulas madre: una clula madre es una clula indiferenciada que tiene el potencial de renovarse por s misma y de diferenciarse hacia cualquiera de las clulas adultas que se encuentran en el organismo. La biologa de clulas madre se encarga del estudio de las propiedades biolgicas de las clulas madre y sus usos en diversas enfermedades. Biologa de sistemas: campo de la ciencia en el cual se estudian sistemas biolgicos completos como enteros integrados (en contraposicin con el mtodo reduccionista de, por ejemplo, la bioqumica clsica). Biologa sinttica: campo que combina tcnicas biomoleculares con mtodos de ingeniera para construir nuevas funciones y sistemas biolgicos. Biotecnologa: campo en el cual se combinan mtodos bioqumicos, de ingeniera y otros, para crear productos biolgicos para uso en medicina y en la industria. Diagnstico molecular: uso de mtodos moleculares (p. ej., sondas de DNA) para ayudar en el diagnstico de diversas enfermedades bioqumicas, genticas, inmunitarias, microbianas y otros padecimientos mdicos. Farmacogenmica: uso de informacin y tecnologas genmicas para optimizar el descubrimiento y desarrollo de blancos teraputicos y de frmacos (vase captulo 54). Genmica: el genoma es el grupo completo de genes de un organismo (p. ej., el genoma humano), y genmica es el estudio a fondo de las estructuras y funciones de genomas (vase captulo 10 y otros). Glucmica: el glucoma es la totalidad de carbohidratos simples y complejos en un organismo. La glucmica es el estudio sistemtico de las estructuras y funciones de glucomas (p. ej., el glucoma humano; vase captulo 47). lipidmica: el lipidoma es la totalidad de lpidos que se encuentran en un organismo. La lipidmica es el estudio a fondo de las estructuras y funciones de todos los miembros del lipidoma, as como de sus interacciones, tanto en salud como en enfermedad. Metabolmica: el metaboloma es la totalidad de metabolitos (molculas pequeas comprendidas en el metabolismo) que se encuentran en un organismo. La metabolmica es el estudio a fondo de sus estructuras, funciones y cambios en diversos estados metablicos. Nutrigenmica: estudio sistemtico de los efectos de los nutrientes sobre la expresin gentica y de los efectos de variaciones genticas sobre el manejo de nutrientes. protemica: el proteoma es la totalidad de protenas de un organismo. La protemica es el estudio sistemtico de las estructuras y funciones de proteomas, incluso variaciones en la salud y la enfermedad (vase captulo 4). terapia gnica: se aplica al uso de genes sometidos a procesos de ingeniera gentica para tratar diversas enfermedades (vase captulo 39). transcriptmica: el transcriptoma es el grupo completo de transcriptos de RNA producidos por el genoma a un periodo fijo en el tiempo. La transcriptmica es el estudio integral de la expresin gnica a nivel del RNA (vase captulo 36 y otros). 01 Bender.indd 5 27/11/09 12:28:48 10. 6 Agua y pH Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD c A P t u l o 2 IMPORTANCIA BIOMDICA El agua es el componente qumico predominante de los organismos vivos. Sus singulares propiedades fsicas, que incluyen la capacidad para disolver una amplia gama de molculas orgnicas e inorgni- cas, se derivan de su estructura bipolar y de su excepcional capacidad para formar enlaces de hidrgeno. La manera en que el agua interacta con una biomolcula disuelta influye sobre la estructura de cada una. El agua, un excelente nuclefilo, es un reactivo o un producto en muchas reacciones metablicas. El agua tiene una pro- pensin leve a disociarse hacia iones hidroxilo y protones. La acidez de soluciones acuosas por lo general se reporta usando la escala de pH logartmica. El bicarbonato y otros amortiguadores en circuns- tancias normales mantienen el pH del lquido extracelular entre 7.35 y 7.45. Las alteraciones sospechadas del equilibrio acidobsico se verifican al medir el pH de la sangre arterial y el contenido de CO2 de la sangre venosa. Algunas causas de acidosis (pH sanguneo < 7.35) son cetosis diabtica y acidosis lctica. La alcalosis (pH > 7.45) puede presentarse despus de vmitos de contenido gstrico cido. La regulacin del equilibrio del agua depende de mecanismos hipotalmicos que controlan la sed, de la hormona antidiurtica (ADH), de la retencin o excrecin de agua por los riones, y de la prdida por evaporacin. La diabetes inspida nefrognica, que comprende la incapacidad para concentrar orina o para hacer ajus- tes a cambios sutiles de la osmolaridad del lquido extracelular, se produce por falta de capacidad de respuesta de los osmorreceptores de los tbulos renales a la ADH. EL AGUA ES UN SOLVENTE BIOLGICO IDEAL Las molculas de agua forman dipolos Una molcula de agua es un tetraedro irregular, un tanto asimtrico, con oxgeno en su centro (fig. 2-1). Los dos hidrgenos y los electrones no compartidos de los dos orbitales sp3 -hibridados restantes ocupan los ngulos del tetraedro. El ngulo de 105 grados entre los hidrgenos difiere un poco del ngulo tetradrico ideal, de 109.5 grados. El amoniaco tambin es tetradrico, con un ngulo de 107 grados entre sus hidrgenos. El agua es un dipolo, una molcula con carga elctrica distribuida de manera asimtrica en toda su estructura. El tomo de oxgeno fuertemente electronegativo empuja los electrones en direccin contraria a los ncleos de hidrgeno, lo que los deja con una carga positiva parcial, mientras que sus dos pares de electrones no compartidos constituyen una regin de carga negativa local. El agua, un fuerte dipolo, tiene una constante dielctrica alta. Como se describe de manera cuantitativa mediante la ley de Coulomb, la fuerza de la interaccin F entre partculas que tienen carga opuesta es inversamente proporcional a la constante dielctrica del medio circundante. La constante dielctrica para un vaco es la unidad; para el hexano es 1.9; para el etanol, 24.3, y para el agua, 78.5. Por ende, el agua disminuye mucho la fuerza de atraccin entre especies cargadas y polares en comparacin con ambientes libres de agua que tienen constantes dielctricas ms bajas. Su fuerte dipolo y constante dielctrica alta permiten al agua disolver grandes can- tidades de compuestos cargados, como las sales. Las molculas de agua forman enlaces de hidrgeno Un ncleo de hidrgeno parcialmente desprotegido, unido de manera covalente a un tomo de oxgeno o de nitrgeno que extrae electrones, puede interactuar con un par de electrones no compartidos sobre otro tomo de oxgeno o nitrgeno para formar un enlace de hidrgeno. Dado que las molculas de agua tienen estas dos caractersticas, la formacin de enlaces de hidrgeno favorece la autoasociacin de molculas de agua hacia disposiciones ordenadas (fig. 2-2). La formacin de enlaces de hidrgeno ejerce una profunda influencia sobre las propiedades fsicas del agua, lo que explica su viscosidad, tensin superficial y punto de ebullicin excepcional- mente altos. En promedio, cada molcula en agua lquida se asocia por medio de enlaces de hidrgeno con otras 3.5. Estos enlaces son hasta cierto punto dbiles y transitorios, con una vida media de un microsegundo o menos. La ruptura de un enlace de hidrgeno en agua lquida slo requiere alrededor de 4.5 kcal/mol, menos de 5% de la energa necesaria para romper un enlace OH covalente. La formacin de enlaces de hidrgeno permite al agua disolver muchas biomolculas orgnicas que contienen grupos funcionales que pueden participar en la formacin de enlaces de hidrgeno. Los tomos de oxgeno de aldehdos, cetonas y amidas, por ejemplo, proporcionan pares de electrones solitarios que tienen la capacidad de servir como aceptores de hidrgeno. Los alcoholes y las aminas pueden servir como aceptores de hidrgeno y como donadores de tomos de hidrgeno desprotegidos para formacin de enlaces de hidrgeno (fig. 2-3). 02 Bender.indd 6 27/11/09 12:39:57 11. captulo 2 Agua y pH 7 LA INTERACCIN CON AGUA INFLUYE SOBRE LA ESTRUCTURA DE LAS BIOMOLCULAS Los enlaces covalentes y no covalentes estabilizan molculas biolgicas El enlace covalente es la mayor fuerza que mantiene juntas a las molculas (cuadro 2-1). Las fuerzas no covalentes, aunque son de menor magnitud, hacen contribuciones importantes a la estructura, esta- bilidad y competencia funcional de macromolculas en las clulas vivas. Estas fuerzas, que pueden ser de atraccin o de repulsin, comprenden interacciones tanto dentro de la biomolcula como entre la misma y el agua, que es el principal componente del ambiente circundante. Las biomolculas se pliegan para colocar a grupos polares y cargados sobre sus superficies Casi todas las biomolculas son anfipticas; esto es, poseen regiones con alto contenido de grupos funcionales cargados o polares, as como regiones con carcter hidrofbico. Las protenas tienden a plegarse con los grupos R de aminocidos con cadenas laterales hidrofbicas en el interior. Los aminocidos con cadenas laterales de aminocidos cargadas o polares (p. ej., arginina, glutamato, serina) por lo general estn presentes sobre la superficie en contacto con agua. Un modelo similar prevalece en una bicapa de fosfolpidos, donde los grupos con cabeza cargada de fosfatidil serina o fosfatidil etanolamina tienen contacto con agua, mientras que sus cadenas laterales de cido graso (acilo) hidrofbicas se agrupan juntas y ex- cluyen el agua. Este modelo maximiza las oportunidades para la formacin de interacciones de carga-dipolo, dipolo-dipolo, y formacin de enlaces de hidrgeno, favorables desde el punto de vista energtico entre grupos polares sobre la biomolcula y el agua. Tambin minimiza contactos desfavorables desde el punto de vista energtico entre el agua y grupos hidrofbicos. Interacciones hidrofbicas El trmino interaccin hidrofbica (o hidrfoba) alude a la tendencia de compuestos no polares a autoasociarse en un ambiente acuoso. Tal autoasociacin no est impulsada por atraccin mutua ni por lo que a veces es denominado de manera incorrecta como enlaces hidrofbicos. La autoasociacin minimiza interacciones desfavorables desde el punto de vista energtico entre grupos no polares y agua. Dado que los hidrgenos de grupos no polares como los grupos metileno de hidrocarburos no forman enlaces de hidrgeno, afectan la estructura del agua que los rodea. Las molculas de agua adyacentes a un grupo hidrofbico tienen restriccin en cuanto al nmero de orientaciones (grados de libertad) que les permiten participar en el nmero mximo de enlaces de hidrgeno favorables desde el punto de vista energtico. La formacin mxima de mltiples enlaces de hidrgeno slo puede mantenerse al aumentar el orden de las molculas de agua adyacentes, con una disminucin agregada de la entropa. FIGURA 2-3 Los grupos polares adicionales participan en la formacin de enlaces de hidrgeno. Se muestran los enlaces de hidrgeno formados entre alcohol y agua, entre dos molculas de etanol, y entre el oxgeno del carbonilo peptdico y el hidrgeno del nitrgeno peptdico de un aminocido adyacente. CHAPTER 2 Water & pH 7 INTERACTION WITH WATER INFLUENCES THE STRUCTURE OF BIOMOLECULES Covalent & Noncovalent Bonds Stabilize Biologic Molecules The covalent bond is the strongest force that holds molecules together (Table 21). Noncovalent forces, while of lesser mag- nitude, make significant contributions to the structure, stabil- ity, and functional competence of macromolecules in living cells. These forces, which can be either attractive or repulsive, involve interactions both within the biomolecule and between it and the water that forms the principal component of the sur- rounding environment. Biomolecules Fold to Position Polar & Charged Groups on Their Surfaces Most biomolecules are amphipathic; that is, they possess regions rich in charged or polar functional groups as well as regions with hydrophobiccharacter.ProteinstendtofoldwiththeR-groupsof amino acids with hydrophobic side chains in the interior. Amino acids with charged or polar amino acid side chains (eg, arginine, glutamate, serine) generally are present on the surface in contact with water. A similar pattern prevails in a phospholipid bilayer, where the charged head groups of phosphatidyl serine or phosphatidyl ethanolamine contact water while their hydrophobic fatty acyl side chains cluster together, excluding water. This pattern maximizes the opportunities for the formation of energetically favorable chargedipole, dipoledipole, and hydrogen bonding interactions between polar groups on the biomolecule and water. It also minimizes energetically unfavorable contacts between water and hydrophobic groups. Hydrophobic Interactions Hydrophobic interaction refers to the tendency of nonpolar compounds to self-associate in an aqueous environment. This self-association is driven neither by mutual attraction nor by what are sometimes incorrectly referred to as hydrophobic bonds. Self-association minimizes energetically unfavorable interactions between nonpolar groups and water. While the hydrogens of nonpolar groups such as the methylene groups of hydrocarbons do not form hydrogen bonds, they do affect the structure of the water that surrounds them. Water molecules adjacent to a hydrophobic group are restricted in the number of orientations (degrees of freedom) that permit them to participate in the maximum number of energetically favorable hydrogen bonds. Maximal formation of multiple hydrogen bonds can be maintained only by in- creasing the order of the adjacent water molecules, with an ac- companying decrease in entropy. It follows from the second law of thermodynamics that the optimal free energy of a hydrocarbonwater mixture is a function of both maximal enthalpy (from hydrogen bonding) FIGURE 23 Additional polar groups participate in hydrogen bonding. Shown are hydrogen bonds formed between alcohol and water, between two molecules of ethanol, and between the peptide carbonyl oxygen and the peptide nitrogen hydrogen of an adjacent amino acid. H H OOCH2CH3 H OOCHCH3 H H CH2 CH3 HO R R N II III C R RI 2 FIGURE 21 The water molecule has tetrahedral geometry. 2e H H 2e FIGURE 22 Left: Association of two dipolar water molecules by a hydrogen bond (dotted line). Right: Hydrogen-bonded cluster of four water molecules. Note that water can serve simultaneously both as a hydrogen donor and as a hydrogen acceptor. O H H H H O O H O H H H H O H O H O H H H TABLE 21 Bond Energies for Atoms of Biologic Significance Bond Type Energy (kcal/mol) Bond Type Energy (kcal/mol) OO 34 O==O 96 SS 51 CH 99 CN 70 C==S 108 SH 81 OH 110 CC 82 C==C 147 CO 84 C==N 147 NH 94 C==O 164 Murray_CH02_PTR.indd 7 3/26/2009 8:51:08 PM 105 FIGURA 2-1 La molcula de agua tiene geometra tetradrica. CHAPTER 2 Water & pH 7 INTERACTION WITH WATER INFLUENCES THE STRUCTURE OF BIOMOLECULES Covalent & Noncovalent Bonds Stabilize Biologic Molecules The covalent bond is the strongest force that holds molecules together (Table 21). Noncovalent forces, while of lesser mag- nitude, make significant contributions to the structure, stabil- ity, and functional competence of macromolecules in living cells. These forces, which can be either attractive or repulsive, involve interactions both within the biomolecule and between it and the water that forms the principal component of the sur- rounding environment. Biomolecules Fold to Position Polar & Charged Groups on Their Surfaces Most biomolecules are amphipathic; that is, they possess regions rich in charged or polar functional groups as well as regions with hydrophobiccharacter.ProteinstendtofoldwiththeR-groupsof amino acids with hydrophobic side chains in the interior. Amino acids with charged or polar amino acid side chains (eg, arginine, glutamate, serine) generally are present on the surface in contact with water. A similar pattern prevails in a phospholipid bilayer, where the charged head groups of phosphatidyl serine or phosphatidyl ethanolamine contact water while their hydrophobic fatty acyl side chains cluster together, excluding water. This pattern maximizes the opportunities for the formation of energetically favorable chargedipole, dipoledipole, and hydrogen bonding interactions between polar groups on the biomolecule and water. It also minimizes energetically unfavorable contacts between water and hydrophobic groups. Hydrophobic Interactions Hydrophobic interaction refers to the tendency of nonpolar compounds to self-associate in an aqueous environment. This self-association is driven neither by mutual attraction nor by what are sometimes incorrectly referred to as hydrophobic bonds. Self-association minimizes energetically unfavorable interactions between nonpolar groups and water. While the hydrogens of nonpolar groups such as the methylene groups of hydrocarbons do not form hydrogen bonds, they do affect the structure of the water that surrounds them. Water molecules adjacent to a hydrophobic group are restricted in the number of orientations (degrees of freedom) that permit them to participate in the maximum number of energetically favorable hydrogen bonds. Maximal formation of multiple hydrogen bonds can be maintained only by in- creasing the order of the adjacent water molecules, with an ac- companying decrease in entropy. It follows from the second law of thermodynamics that the optimal free energy of a hydrocarbonwater mixture is a function of both maximal enthalpy (from hydrogen bonding) FIGURE 23 Additional polar groups participate in hydrogen bonding. Shown are hydrogen bonds formed between alcohol and water, between two molecules of ethanol, and between the peptide carbonyl oxygen and the peptide nitrogen hydrogen of an adjacent amino acid. H H OOCH2CH3 H OOCHCH3 H H CH2 CH3 HO R R N II III C R RI 2 FIGURE 21 The water molecule has tetrahedral geometry. 2e H H 2e FIGURE 22 Left: Association of two dipolar water molecules by a hydrogen bond (dotted line). Right: Hydrogen-bonded cluster of four water molecules. Note that water can serve simultaneously both as a hydrogen donor and as a hydrogen acceptor. O H H H H O O H O H H H H O H O H O H H H TABLE 21 Bond Energies for Atoms of Biologic Significance Bond Type Energy (kcal/mol) Bond Type Energy (kcal/mol) OO 34 O==O 96 SS 51 CH 99 CN 70 C==S 108 SH 81 OH 110 CC 82 C==C 147 CO 84 C==N 147 NH 94 C==O 164 Murray_CH02_PTR.indd 7 3/26/2009 8:51:08 PM 105 FIGURA 2-2 Izquierda: asociacin de dos molculas de agua dipolares mediante un enlace de hidrgeno (lnea punteada). Derecha: agrupacin de cuatro molculas de agua con enlaces de hidrgeno. Note que el agua puede servir de manera simultnea como donador y como aceptor de hidrgeno. CHAPTER 2 Water & pH 7 INTERACTION WITH WATER INFLUENCES THE STRUCTURE OF BIOMOLECULES Covalent & Noncovalent Bonds Stabilize Biologic Molecules The covalent bond is the strongest force that holds molecules together (Table 21). Noncovalent forces, while of lesser mag- nitude, make significant contributions to the structure, stabil- ity, and functional competence of macromolecules in living cells. These forces, which can be either attractive or repulsive, involve interactions both within the biomolecule and between it and the water that forms the principal component of the sur- rounding environment. Biomolecules Fold to Position Polar & Charged Groups on Their Surfaces Most biomolecules are amphipathic; that is, they possess regions rich in charged or polar functional groups as well as regions with hydrophobiccharacter.ProteinstendtofoldwiththeR-groupsof amino acids with hydrophobic side chains in the interior. Amino acids with charged or polar amino acid side chains (eg, arginine, glutamate, serine) generally are present on the surface in contact with water. A similar pattern prevails in a phospholipid bilayer, where the charged head groups of phosphatidyl serine or phosphatidyl ethanolamine contact water while their hydrophobic fatty acyl side chains cluster together, excluding water. This pattern maximizes the opportunities for the formation of energetically favorable chargedipole, dipoledipole, and hydrogen bonding interactions between polar groups on the biomolecule and water. It also minimizes energetically unfavorable contacts between water and hydrophobic groups. Hydrophobic Interactions Hydrophobic interaction refers to the tendency of nonpolar compounds to self-associate in an aqueous environment. This self-association is driven neither by mutual attraction nor by what are sometimes incorrectly referred to as hydrophobic bonds. Self-association minimizes energetically unfavorable interactions between nonpolar groups and water. While the hydrogens of nonpolar groups such as the methylene groups of hydrocarbons do not form hydrogen bonds, they do affect the structure of the water that surrounds them. Water molecules adjacent to a hydrophobic group are restricted in the number of orientations (degrees of freedom) that permit them to participate in the maximum number of energetically favorable hydrogen bonds. Maximal formation of multiple hydrogen bonds can be maintained only by in- creasing the order of the adjacent water molecules, with an ac- companying decrease in entropy. It follows from the second law of thermodynamics that the optimal free energy of a hydrocarbonwater mixture is a function of both maximal enthalpy (from hydrogen bonding) FIGURE 23 Additional polar groups participate in hydrogen bonding. Shown are hydrogen bonds formed between alcohol and water, between two molecules of ethanol, and between the peptide carbonyl oxygen and the peptide nitrogen hydrogen of an adjacent amino acid. H H OOCH2CH3 H OOCHCH3 H H CH2 CH3 HO R R N II III C R RI 2 FIGURE 21 The water molecule has tetrahedral geometry. 2e H H 2e FIGURE 22 Left: Association of two dipolar water molecules by a hydrogen bond (dotted line). Right: Hydrogen-bonded cluster of four water molecules. Note that water can serve simultaneously both as a hydrogen donor and as a hydrogen acceptor. O H H H H O O H O H H H H O H O H O H H H TABLE 21 Bond Energies for Atoms of Biologic Significance Bond Type Energy (kcal/mol) Bond Type Energy (kcal/mol) OO 34 O==O 96 SS 51 CH 99 CN 70 C==S 108 SH 81 OH 110 CC 82 C==C 147 CO 84 C==N 147 NH 94 C==O 164 Murray_CH02_PTR.indd 7 3/26/2009 8:51:08 PM 105 CuaDro 2-1 Energas de enlace para tomos de importancia biolgica Tipo de enlace Energa (kcal/mol) Tipo de enlace Energa (kcal/mol) OO 34 O==O 96 SS 51 CH 99 CN 70 C==S 108 SH 81 OH 110 CC 82 C==C 147 CO 84 C==N 147 NH 94 C==O 164 02 Bender.indd 7 27/11/09 12:40:02 12. 8 captulo 2 Agua y pH La segunda ley de la termodinmica establece que la energa libre ptima de una mezcla de hidrocarburo-agua est en funcin tanto de la entalpa mxima (por formacin de enlaces de hidrgeno) como de la entropa mnima (grados mximos de libertad). De este modo, las molculas no polares tienden a formar gotitas a fin de minimizar el rea de superficie expuesta y reducir el nmero de molculas de agua afectadas. De modo similar, en el ambiente acuoso de la clula viva las porciones hidrofbicas de biopolmeros tienden a estar recluidas dentro de la estructura de la molcula o dentro de una bicapa lpida, lo que minimiza el contacto con agua. Interacciones electrostticas Las interacciones entre grupos cargados ayudan a dar forma a la estructura biomolecular. Las interacciones electrostticas entre grupos que tienen carga opuesta dentro de biomolculas o entre las mismas se denominan puentes de sal, los cuales tienen fuerza comparable a la de los enlaces de hidrgeno, pero actan en distancias mayores; por ende, a menudo facilitan el enlace de molculas y iones cargados a protenas y cidos nucleicos. Fuerzas de van der Waals Surgen por atracciones entre dipolos transitorios generados por el movimiento rpido de electrones de todos los tomos neutros. Las fuerzas de van der Waals mucho ms dbiles que los enlaces de hidrgeno, pero potencialmente abundantes disminuyen en trminos de la sexta potencia de la distancia que separa a los tomos. De este modo, actan en distancias muy cortas, por lo general de 2 a 4 . Fuerzas mltiples estabilizan biomolculas La doble hlice de DNA ilustra la contribucin de mltiples fuerzas a la estructura de biomolculas. Si bien cada cadena de DNA individual se mantiene junta por medio de enlaces covalentes, las dos he- bras de la hlice se mantienen unidas de manera exclusiva mediante interacciones no covalentes. Estas ltimas comprenden enlaces de hidrgeno entre bases de nucletido (apareamiento de bases de Wat- son-Crick) e interacciones de van der Waals entre las bases de purina y pirimidina apiladas. La hlice presenta los grupos fosfato cargados y azcares ribosa polares del esqueleto a agua mientras que res- guarda dentro las bases nucletido relativamente hidrofbicas. El esqueleto extendido maximiza la distancia entre fosfatos que tienen carga negativa, lo que minimiza interacciones electrostticas desfavorables. EL AGUA ES UN EXCELENTE NUCLEFILO Las reacciones metablicas a menudo comprenden el ataque por pares solitarios de electrones que residen sobre molculas ricas en electrones llamadas nuclefilos sobre tomos con pocos electrones llamados electrfilos. Los nuclefilos y electrfilos no necesariamente poseen una carga negativa o positiva formal. El agua, cuyos dos pares solitarios de electrones sp3 tienen una carga negativa parcial, es un excelente nuclefilo. Otros nuclefilos de importancia biolgica son los tomos de oxgeno de fosfatos, alcoholes y cidos carboxlicos; el azufre de tioles; el nitrgeno de aminas y el anillo imidazol de la histidina. Los electrfilos comunes son los carbonos carbonilo en amidas, steres, aldehdos y cetonas, y los tomos de fsforo de fosfosteres. El ataque nucleoflico por agua a menudo origina la ruptura de los enlaces amida, glucsido o ster que mantienen juntos a los biopolmeros. Este proceso recibe el nombre de hidrlisis. A la inversa, cuando unidades de monmeros se unen para formar biopolmeros como protenas o glucgeno, el agua es un producto, por ejemplo, durante la formacin de un enlace peptdico entre dos aminocidos: 8 CHAPTER 2 Water & pH Nucleophilic attack by water generally results in the cleav- age of the amide, glycoside, or ester bonds that hold biopolymers together. This process is termed hydrolysis. Conversely, when monomer units are joined together to form biopolymers such as proteins or glycogen, water is a product, for example, during the formation of a peptide bond between two amino acids: While hydrolysis is a thermodynamically favored reaction, the amide and phosphoester bonds of polypeptides and oligonu- cleotides are stable in the aqueous environment of the cell. This seemingly paradoxic behavior reflects the fact that the thermodynamics governing the equilibrium of a reaction do not determine the rate at which it will proceed. In the cell, protein catalysts called enzymes accelerate the rate of hydrolytic reactions when needed. Proteases catalyze the hydrolysis of proteins into their component amino acids, while nucleases catalyze the hydrolysis of the phosphoester bonds in DNA and RNA. Careful control of the activities of these enzymes is required to ensure that they act only on appropriate target molecules at appropriate times. Many Metabolic Reactions Involve Group Transfer Many of the enzymic reactions responsible for synthesis and breakdown of biomolecules involve the transfer of a chemical group G from a donor D to an acceptor A to form an acceptor group complex, AG: D G A A G D + + The hydrolysis and phosphorolysis of glycogen, for example, involve the transfer of glucosyl groups to water or to or- thophosphate. The equilibrium constant for the hydrolysis of covalent bonds strongly favors the formation of split products. Conversely, in many cases the group transfer reactions responsible for the biosynthesis of macromolecules involve the thermodynamically unfavored formation of covalent bonds. En- zymes surmount this barrier by coupling these group transfer reactions to other, favored reactions so that the overall change in free energy favors biopolymer synthesis. Given the nucleophilic character of water and its high concentration in cells, why are biopolymers such as proteins and DNA relatively sta- and minimum entropy (maximum degrees of freedom). Thus, nonpolar molecules tend to form droplets in order to mini- mize exposed surface area and reduce the number of water molecules affected. Similarly, in the aqueous environment of the living cell the hydrophobic portions of biopolymers tend to be buried inside the structure of the molecule, or within a lipid bilayer, minimizing contact with water. Electrostatic Interactions Interactions between charged groups help shape biomolecular structure. Electrostatic interactions between oppositely charged groups within or between biomolecules are termed salt bridges. Salt bridges are comparable in strength to hydrogen bonds but act over larger distances. They therefore often facilitate the binding of charged molecules and ions to proteins and nucleic acids. van der Waals Forces van der Waals forces arise from attractions between transient dipoles generated by the rapid movement of electrons of all neutral atoms. Significantly weaker than hydrogen bonds but potentially extremely numerous, van der Waals forces decrease as the sixth power of the distance separating atoms. Thus, they act over very short distances, typically 24 . Multiple Forces Stabilize Biomolecules The DNA double helix illustrates the contribution of multiple forces to the structure of biomolecules. While each individual DNA strand is held together by covalent bonds, the two strands of the helix are held together exclusively by noncovalent interactions. These noncovalent interactions include hydrogen bonds between nucleotide bases (WatsonCrick base pairing) and van der Waals interactions between the stacked purine and pyrimidine bases. The helix presents the charged phosphate groups and polar ribose sugars of the backbone to water while burying the relatively hydrophobic nucleotide bases inside. The extended backbone maximizes the distance between negatively charged phosphates, minimizing unfavorable electrostatic interactions. WATER IS AN EXCELLENT NUCLEOPHILE Metabolic reactions often involve the attack by lone pairs of electrons residing on electron-rich molecules termed nucleophiles upon electron-poor atoms called electrophiles. Nucleo- philes and electrophiles do not necessarily possess a formal negative or positive charge. Water, whose two lone pairs of sp3 electrons bear a partial negative charge, is an excellent nucleophile. Other nucleophiles of biologic importance include the oxygen atoms of phosphates, alcohols, and carboxylic acids; the sulfur of thiols; the nitrogen of amines; and the imidazole ring of histidine. Common electrophiles include the carbonyl carbons in amides, esters, aldehydes, and ketones and the phosphorus atoms of phosphoesters. Murray_CH02_PTR.indd 8 3/26/2009 8:51:08 PM Si bien la hidrlisis es una reaccin favorecida desde el punto de vista termodinmico, los enlaces amida y fosfoster de polippti- dos y oligonucletidos son estables en el ambiente acuoso de la c- lula. Esta conducta al parecer paradjica refleja el hecho de que la termodinmica que rige el equilibrio de una reaccin no determina la velocidad a la cual proceder. En las clulas, catalticos protena llamadas enzimas aceleran el ndice de reacciones hidrolticas cuando es necesario. Las proteasas catalizan la hidrlisis de protenas hacia los aminocidos que las componen, mientras que las nucleasas catalizan la hidrlisis de los enlaces fosfoster en el DNA y el RNA. Se requiere control cuidadoso de las actividades de estas enzimas para asegurar que slo acten sobre molculas blanco apropiadas en momentos apropiados. Muchas reacciones metablicas comprenden transferencia de grupo Muchas de las reacciones enzimticas de las cuales depende la sntesis y desintegracin de biomolculas comprenden la transferencia de un grupo qumico G desde un donador D hacia un aceptor A para formar un complejo de aceptor-grupo, A-G: 8 CHAPTER 2 Water & pH Nucleophilic attack by water generally results in the cleav- age of the amide, glycoside, or ester bonds that hold biopolymers together. This process is termed hydrolysis. Conversely, when monomer units are joined together to form biopolymers such as proteins or glycogen, water is a product, for example, during the formation of a peptide bond between two amino acids: While hydrolysis is a thermodynamically favored reaction, the amide and phosphoester bonds of polypeptides and oligonu- cleotides are stable in the aqueous environment of the cell. This seemingly paradoxic behavior reflects the fact that the thermodynamics governing the equilibrium of a reaction do not determine the rate at which it will proceed. In the cell, protein catalysts called enzymes accelerate the rate of hydrolytic reactions when needed. Proteases catalyze the hydrolysis of proteins into their component amino acids, while nucleases catalyze the hydrolysis of the phosphoester bonds in DNA and RNA. Careful control of the activities of these enzymes is required to ensure that they act only on appropriate target molecules at appropriate times. Many Metabolic Reactions Involve Group Transfer Many of the enzymic reactions responsible for synthesis and breakdown of biomolecules involve the transfer of a chemical group G from a donor D to an acceptor A to form an acceptor group complex, AG: D G A A G D + + The hydrolysis and phosphorolysis of glycogen, for example, involve the transfer of glucosyl groups to water or to or- thophosphate. The equilibrium constant for the hydrolysis of covalent bonds strongly favors the formation of split products. Conversely, in many cases the group transfer reactions responsible for the biosynthesis of macromolecules involve the thermodynamically unfavored formation of covalent bonds. En- zymes surmount this barrier by coupling these group transfer reactions to other, favored reactions so that the overall change in free energy favors biopolymer synthesis. Given the nucleophilic character of water and its high concentration in cells, why are biopolymers such as proteins and DNA relatively sta- and minimum entropy (maximum degrees of freedom). Thus, nonpolar molecules tend to form droplets in order to mini- mize exposed surface area and reduce the number of water molecules affected. Similarly, in the aqueous environment of the living cell the hydrophobic portions of biopolymers tend to be buried inside the structure of the molecule, or within a lipid bilayer, minimizing contact with water. Electrostatic Interactions Interactions between charged groups help shape biomolecular structure. Electrostatic interactions between oppositely charged groups within or between biomolecules are termed salt bridges. Salt bridges are comparable in strength to hydrogen bonds but act over larger distances. They therefore often facilitate the binding of charged molecules and ions to proteins and nucleic acids. van der Waals Forces van der Waals forces arise from attractions between transient dipoles generated by the rapid movement of electrons of all neutral atoms. Significantly weaker than hydrogen bonds but potentially extremely numerous, van der Waals forces decrease as the sixth power of the distance separating atoms. Thus, they act over very short distances, typically 24 . Multiple Forces Stabilize Biomolecules The DNA double helix illustrates the contribution of multiple forces to the structure of biomolecules. While each individual DNA strand is held together by covalent bonds, the two strands of the helix are held together exclusively by noncovalent interactions. These noncovalent interactions include hydrogen bonds between nucleotide bases (WatsonCrick base pairing) and van der Waals interactions between the stacked purine and pyrimidine bases. The helix presents the charged phosphate groups and polar ribose sugars of the backbone to water while burying the relatively hydrophobic nucleotide bases inside. The extended backbone maximizes the distance between negatively charged phosphates, minimizing unfavorable electrostatic interactions. WATER IS AN EXCELLENT NUCLEOPHILE Metabolic reactions often involve the attack by lone pairs of electrons residing on electron-rich molecules termed nucleophiles upon electron-poor atoms called electrophiles. Nucleo- philes and electrophiles do not necessarily possess a formal negative or positive charge. Water, whose two lone pairs of sp3 electrons bear a partial negative charge, is an excellent nucleophile. Other nucleophiles of biologic importance include the oxygen atoms of phosphates, alcohols, and carboxylic acids; the sulfur of thiols; the nitrogen of amines; and the imidazole ring of histidine. Common electrophiles include the carbonyl carbons in amides, esters, aldehydes, and ketones and the phosphorus atoms of phosphoesters. Murray_CH02_PTR.indd 8 3/26/2009 8:51:08 PM La hidrlisis y fosforlisis de glucgeno, por ejemplo, comprenden la transferencia de grupos glucosilo hacia agua o hacia or- tofosfato. La constante de equilibrio para la hidrlisis de enlaces covalentes favorece de manera significativa la formacin de productos de divisin. A la inversa, en muchos casos las reacciones de transferencia de grupo de las cuales depende la biosntesis de macromolculas comprenden la formacin de enlaces covalentes no favorecida desde el punto de vista termodinmico. Las enzimas su- peran dicha barrera al acoplar estas reacciones de transferencia de grupo a otras reacciones favorecidas, de modo que el cambio general de energa libre favorece la sntesis de biopolmero. Dado el carcter 02 Bender.indd 8 27/11/09 12:40:07 13. captulo 2 Agua y pH 9 nucleoflico del agua y su alta concentracin en las clulas, por qu los biopolmeros como las protenas y el DNA son relativamente estables?, adems, de qu modo la sntesis de biopolmeros puede ocurrir en un ambiente acuoso? Las propiedades de las enzimas son fundamentales para ambas preguntas. En ausencia de catlisis enzimtica, incluso las reacciones muy favorecidas desde el punto de vista termodinmico no necesariamente tienen lugar con rapidez. El control preciso y diferencial de la actividad enzimtica, as como el secuestro de enzimas en organelos especficos, determinan en qu condiciones fisiolgicas un biopolmero dado se sintetizar o degradar. Los biopolmeros recin sintetizados no se hidrolizan de in- mediato, lo cual en parte se debe a que los sitios activos de enzimas biosintticas secuestran sustratos en un ambiente del cual es factible excluir al agua. Las molculas de agua muestran una tendencia leve pero importante a disociarse La capacidad del agua para ionizarse, si bien es leve, tiene importancia fundamental para la vida. Dado que el agua tiene la capacidad de actuar como un cido y como una base, su ionizacin puede repre- sentarse como una transferencia de protn intermolecular que forma un ion hidronio (H3O+ ) y un ion hidroxilo (OH ): CHAPTER 2 Water & pH 9 of H+ ions (or of OH ions) in pure water is the product of the probability, 1.8 109 , times the molar concentration of water, 55.56 mol/L. The result is 1.0 107 mol/L. We can now calculate K for pure water: K = = = = + H OH H O 10 10 55.562 7 7 [ ] [ ] 0 018 10 114 . ..8 10 16 mol/L The molar concentration of water, 55.56 mol/L, is too great to be significantly affected by dissociation. It therefore is considered to be essentially constant. This constant may therefore be incorporated into the dissociation constant K to provide a useful new constant Kw termed the ion product for water. The relationship between Kw and K is shown below: H OH H O mol/L H O H OH + 2 w 2 + K K K = [ ] = = ( )[ ] = 1 8 10 16 . = ( )( ) = ( mol/L mol/L mol/L 1 8 10 55 56 1 00 10 16 14 . . . ))2 Note that the dimensions of K are moles per liter and those of Kw are moles2 per liter2 . As its name suggests, the ion product Kw is numerically equal to the product of the molar concentrations of H+ and OH : Kw H OH= + At 25C, Kw = (107 )2 , or 1014 (mol/L)2 . At temperatures below 25C, Kw is somewhat less than 1014 , and at temperatures above 25C it is somewhat greater than 1014 . Within the stated limi- tations of the effect of temperature, Kw equals 1014 (mol/L)2 for all aqueous solutions, even solutions of acids or bases. We use Kw to calculate the pH of acidic and basic solutions. pH IS THE NEGATIVE LOG OF THE HYDROGEN ION CONCENTRATION The term pH was introduced in 1909 by Srensen, who defined pH as the negative log of the hydrogen ion concentration: pH H= + log This definition, while not rigorous, suffices for many biochemical purposes. To calculate the pH of a solution: 1. Calculate the hydrogen ion concentration [H+ ]. 2. Calculate the base 10 logarithm of [H+ ]. 3. pH is the negative of the value found in step 2. For example, for pure water at 25C, pH H= = = =+ log log . ( )10 7 7 07 This value is also known as the power (English), puissant (French), or potennz (German) of the exponent, hence the use of the term p. ble? And how can synthesis of biopolymers occur in an aqueous environment? Central to both questions are the properties of enzymes. In the absence of enzymic catalysis, even reactions that are highly favored thermodynamically do not necessarily take place rapidly. Precise and differential control of enzyme activity and the sequestration of enzymes in specific organelles determine under what physiologic conditions a given biopolymer will be synthesized or degraded. Newly synthesized biopolymers are not immediately hydrolyzed, in part because the active sites of biosynthetic enzymes sequester substrates in an environment from which water can be excluded. Water Molecules Exhibit a Slight but Important Tendency to Dissociate The ability of water to ionize, while slight, is of central importance for life. Since water can act both as an acid and as a base, its ionization may be represented as an intermolecular proton transfer that forms a hydronium ion (H3 O+ ) and a hydroxide ion (OH ): H O H O H O OH2 2+ ++ 3 The transferred proton is actually associated with a cluster of water molecules. Protons exist in solution not only as H3 O+ , but also as multimers such as H5 O2 + and H7 O3 + . The proton is nevertheless routinely represented as H+ , even though it is in fact highly hydrated. Since hydronium and hydroxide ions continuously recom- bine to form water molecules, an individual hydrogen or oxygen cannot be stated to be present as an ion or as part of a water molecule. At one instant it is an ion; an instant later it is part of a water molecule. Individual ions or molecules are therefore not considered. We refer instead to the probability that at any instant in time a hydrogen will be present as an ion or as part of a water molecule. Since 1 g of water contains 3.46 1022 molecules, the ionization of water can be described statistically. To state that the probability that a hydrogen exists as an ion is 0.01 means that at any given moment in time, a hydrogen atom has 1 chance in 100 of being an ion and 99 chances out of 100 of being part of a water molecule. The actual probability of a hydrogen atom in pure water existing as a hydrogen ion is approximately 1.8 109 . The probability of its being part of a water molecule thus is almost unity. Stated another way, for every hydrogen ion and hydroxide ion in pure water, there are 1.8 billion or 1.8 109 water molecules. Hydrogen ions and hydroxide ions nevertheless contribute significantly to the properties of water. For dissociation of water, K = + H OH H O2 [ ] where the brackets represent molar concentrations (strictly speaking, molar activities) and K is the dissociation constant. Since 1 mole (mol) of water weighs 18 g, 1 liter (L) (1000 g) of water contains 1000 18 = 55.56 mol. Pure water thus is 55.56 molar. Since the probability that a hydrogen in pure water will exist as a hydrogen ion is 1.8 109 , the molar concentration El protn transferido en realidad se relaciona con una agrupacin de molculas de agua. Los protones existen en solucin no slo como H3O+ , sino tambin como multmeros tipo H5O2 + y H7O3 + . Sin embargo, el protn se representa de manera sistemtica como H+ , aun cuando de hecho est muy hidratado. Dado que los iones hidronio e hidroxilo se recombinan de manera continua para formar molculas de agua, es imposible declarar que un hidrgeno u oxgeno individual est presente como un ion o formando parte de una molcula de agua. En un instante es un ion, pero al siguiente forma parte de una molcula de agua; de modo que no se consideran iones o molculas individuales. En lugar de eso, se hace referencia a la probabilidad de que en cualquier instante en el tiempo un hidrgeno estar presente como ion o como parte de una molcula de agua. Dado que 1 g de agua contiene 3.46 1022 molculas, la ionizacin del agua puede describirse de manera estads- tica. Declarar que la probabilidad de que un hidrgeno exista como un ion es de 0.01 significa que, en cualquier momento dado en el tiempo, un tomo de hidrgeno tiene una probabilidad en 100 de ser un ion pero 99 probabilidades en 100 de formar parte de una molcula de agua. La probabilidad real de que un tomo de hidrgeno en agua pura exista como un ion hidrgeno es de alrededor de 1.8 109 . De este modo, la probabilidad de que forme parte de una molcula de agua es de casi la unidad. Dicho de otra manera, por cada ion hidrgeno y cada ion hidroxilo en agua pura, hay 1.8 mil millones o 1.8 109 molculas de agua. Sin embargo, los iones hidrgeno y los iones hidroxilo contribuyen de manera importante a las propiedades del agua. Para la disociacin del agua, CHAPTER 2 Water & pH 9 of H+ ions (or of OH ions) in pure water is the product of the probability, 1.8 109 , times the molar concentration of water, 55.56 mol/L. The result is 1.0 107 mol/L. We can now calculate K for pure water: K = = = = + H OH H O 10 10 55.562 7 7 [ ] [ ] 0 018 10 114 . ..8 10 16 mol/L The molar concentration of water, 55.56 mol/L, is too great to be significantly affected by dissociation. It therefore is considered to be essentially constant. This constant may therefore be incorporated into the dissociation constant K to provide a useful new constant Kw termed the ion product for water. The relationship between Kw and K is shown below: H OH H O mol/L H O H OH + 2 w 2 + K K K = [ ] = = ( )[ ] = 1 8 10 16 . = ( )( ) = ( mol/L mol/L mol/L 1 8 10 55 56 1 00 10 16 14 . . . ))2 Note that the dimensions of K are moles per liter and those of Kw are moles2 per liter2 . As its name suggests, the ion product Kw is numerically equal to the product of the molar concentrations of H+ and OH : Kw H OH= + At 25C, Kw = (107 )2 , or 1014 (mol/L)2 . At temperatures below 25C, Kw is somewhat less than 1014 , and at temperatures above 25C it is somewhat greater than 1014 . Within the stated limi- tations of the effect of temperature, Kw equals 1014 (mol/L)2 for all aqueous solutions, even solutions of acids or bases. We use Kw to calculate the pH of acidic and basic solutions. pH IS THE NEGATIVE LOG OF THE HYDROGEN ION CONCENTRATION The term pH was introduced in 1909 by Srensen, who defined pH as the negative log of the hydrogen ion concentration: pH H= + log This definition, while not rigorous, suffices for many biochemical purposes. To calculate the pH of a solution: 1. Calculate the hydrogen ion concentration [H+ ]. 2. Calculate the base 10 logarithm of [H+ ]. 3. pH is the negative of the value found in step 2. For example, for pure water at 25C, pH H= = = =+ log log . ( )10 7 7 07 This value is also known as the power (English), puissant (French), or potennz (German) of the exponent, hence the use of the term p. ble? And how can synthesis of biopolymers occur in an aqueous environment? Central to both questions are the properties of enzymes. In the absence of enzymic catalysis, even reactions that are highly favored thermodynamically do not necessarily take place rapidly. Precise and differential control of enzyme activity and the sequestration of enzymes in specific organelles determine under what physiologic conditions a given biopolymer will be synthesized or degraded. Newly synthesized biopolymers are not immediately hydrolyzed, in part because the active sites of biosynthetic enzymes sequester substrates in an environment from which water can be excluded. Water Molecules Exhibit a Slight but Important Tendency to Dissociate The ability of water to ionize, while slight, is of central importance for life. Since water can act both as an acid and as a base, its ionization may be represented as an intermolecular proton transfer that forms a hydronium ion (H3 O+ ) and a hydroxide ion (OH ): H O H O H O OH2 2+ ++ 3 The transferred proton is actually associated with a cluster of water molecules. Protons exist in solution not only as H3 O+ , but also as multimers such as H5 O2 + and H7 O3 + . The proton is nevertheless routinely represented as H+ , even though it is in fact highly hydrated. Since hydronium and hydroxide ions continuously recom- bine to form water molecules, an individual hydrogen or oxygen cannot be stated to be present as an ion or as part of a water molecule. At one instant it is an ion; an instant later it is part of a water molecule. Individual ions or molecules are therefore not considered. We refer instead to the probability that at any instant in time a hydrogen will be present as an ion or as part of a water molecule. Since 1 g of water contains 3.46 1022 molecules, the ionization of water can be described statistically. To state that the probability that a hydrogen exists as an ion is 0.01 means that at any given moment in time, a hydrogen atom has 1 chance in 100 of being an ion and 99 chances out of 100 of being part of a water molecule. The actual probability of a hydrogen atom in pure water existing as a hydrogen ion is approximately 1.8 109 . The probability of its being part of a water molecule thus is almost unity. Stated another way, for every hydrogen ion and hydroxide ion in pure water, there are 1.8 billion or 1.8 109 water molecules. Hydrogen ions and hydroxide ions nevertheless contribute significantly to the properties of water. For dissociation of water, K = + H OH H O2 [ ] where the brackets represent molar concentrations (strictly speaking, molar activities) and K is the dissociation constant. Since 1 mole (mol) of water weighs 18 g, 1 liter (L) (1000 g) of water contains 1000 18 = 55.56 mol. Pure water thus is 55.56 molar. Since the probability that a hydrogen in pure water will exist as a hydrogen ion is 1.8 109 , the molar concentration donde los corchetes representan concentraciones molares (estrictamente hablando, actividades molares) y K es la constante de disociacin. Puesto que un mol de agua pesa 18 g, 1 litro (L) (1000 g) de agua contiene 1000 18 = 55.56 mol. As, el agua pura es 55.56 molar. Dado que la probabilidad de que un hidrgeno en agua pura exista como un ion hidrgeno es de 1.8 109 , la concentracin molar de iones H+ (o de iones OH ) en agua pura es el producto de la probabilidad, 1.8 109 , veces la concentracin molar de agua, 55.56 mol/L. El resultado es 1.0 107 mol/L. Ahora es posible calcular el valor de K para el agua pura: CHAPTER 2 Water & pH 9 of H+ ions (or of OH ions) in pure water is the product of the probability, 1.8 109 , times the molar concentration of water, 55.56 mol/L. The result is 1.0 107 mol/L. We can now calculate K for pure water: K = = = = + H OH H O 10 10 55.562 7 7 [ ] [ ] 0 018 10 114 . ..8 10 16 mol/L The molar concentration of water, 55.56 mol/L, is too great to be significantly affected by dissociation. It therefore is considered to be essentially constant. This constant

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