Principios.de.Bioquimica.4ed.horton

Primera posicin Segunda posicin Tercera posicin(terminacin 5) U C A G (terminacin 3)

UPhe Ser Tyr Cys UPhe Ser Tyr Cys CLeu Ser Paro Paro ALeu Ser Paro Trp G

CLeu Pro His Arg ULeu Pro His Arg CLeu Pro Gln Arg ALeu Pro Gln Arg G

AIle Thr Asn Ser UIle Thr Asn Ser CIle Thr Lys Arg AMet Thr Lys Arg G

GVal Ala Asp Gly UVal Ala Asp Gly CVal Ala Glu Gly AVal Ala Glu Gly G

Abreviaturas para aminocidos

A Ala Alanina

B Asx Asparagina o aspartato

C Cys Cistena

D Asp Aspartato

E Glu Glutamato

F Phe Fenilalanina

G Gly Glicina

H His Histidina

I Ile Isoleucina

K Lys Lisina

L Leu Leucina

M Met Metionina

N Asn Asparagina

P Pro Prolina

Q Gln GlutaminaR Arg Arginina

S Ser Serina

T Thr Treonina

V Val Valina

W Trp Triptofano

Y Tyr Tirosina

Z Glx Glutamato o glutamina

Principios deBioqumicaCUARTA EDICIN

H. Robert HortonNorth Carolina State University

Laurence A. MoranUniversity of Toronto

K. Gray ScrimgeourUniversity of Toronto

Marc D. PerryUniversity of Toronto

J. David RawnTowson State University

TRADUCCIN

Virgilo Gonzlez y Pozo Traductor profesional

REVISIN TCNICA

Dra. Leticia Bucio OrtizDepartamento Ciencias de la SaludUniversidad Autnoma MetropolitanaUnidad Iztapalapa

Dra. Vernica Souza ArroyoDepartamento Ciencias de la SaludUniversidad Autnoma MetropolitanaUnidad Iztapalapa

Dr. Luis Enrique Gmez QuirozDepartamento Ciencias de la SaludUniversidad Autnoma MetropolitanaUnidad Iztapalapa

Datos de catalogacin bibliogrfica

HORTON, H. ROBERT; MORAN, LAURENCE A.;

RAWN, J. DAVID Principios de Bioqumica. Cuarta edicin

PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2008ISBN: 978-970-26-1025-0rea: Universitarios

Formato: 21 27 cm Pginas: 976

SCRIMGEOUR, K. GRAY; PERRY, MARK D.;

Authorized translation from the English language edition, entitled Principles of biochemistry 4th ed., by H. Robert Horton, Laurence A. Moran, K. GrayScrimgeour, Marc D. Perry and J. David Rawn published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright, 2006. All rights reserved. ISBN 0-13-145306-8

Traduccin autorizada de la edicin en idioma ingls, titulada Principles of biochemistry 4a ed., por H. Robert Horton, Laurence A. Moran, K. GrayScrimgeour, Marc D. Perry y J. David Rawn publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Prentice Hall, Copyright, 2006. Todos los derechosreservados.

Esta edicin en espaol es la nica autorizada.

Edicin en espaolEditor: Rubn Fuerte Rivera

e-mail: [email protected] de desarrollo: Claudia Celia Martnez Amign Supervisor de produccin: Rodrigo Romero Villalobos

Edicin en ingls

CUARTA EDICIN, 2008

D.R. 2008 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500, 5 piso Col. Industrial Atoto 53519 Naucalpan de Jurez, Edo. de MxicoE-mail: [email protected]

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Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin deinformacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquierotro, sin permiso previo por escrito del editor.

El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes.

ISBN 10: 970-26-1025-7ISBN 13: 978-970-26-1025-0

Impreso en Mxico. Printed in Mexico.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 10 09 08 07

Executive Editor: Gary CarlsonExecutive Managing Editor: Kathleen SchiaparelliMarketing Manager: Andrew GilfillanProduction Supervision/Composition: Marty Sopher/CMyK AssociatesManaging Editor, Audio Visual Assets and Production: Patricia BurnsArt Editors: Jay McElroy, Connie LongArt Studio: Artworks/Jonathan ParrishSenior Media Editor: Patrick ShrinerManaging Editor, Science Media: Nicole BushAssistant Managing Editor, Science Supplements: Becca RichterDevelopment Editor: John MurdzekProject Manager: Crissy DudonisDirector of Creative Services: Paul Belfanti

Art Director: Kenny BeckCover and Interior Design: Koala Bear DesignCover Illustrator: Jonathan C. ParrishManufacturing Manager: Alexis Heydt-LongManufacturing Buyer: Alan FischerPhoto Researcher: Diane AustinDirector, Image Resource Center: Melinda ReoManager, Rights and Permissions: Zina ArabiaInterior Image Specialist: Beth Boyd-BrenzelCover Image Specialist: Karen SanatarImage Permission Coordinator: Robert FarrellEditorial Assistants: Nancy Bauer, Jennifer Hart

Acerca de la portada: Complejo III (ubiquinol: citocromo c oxidorreduc-tasa). Este complejo de unin a membrana tiene una funcin esencial enel transporte electrnico asociado a las membranas y la generacin delgradiente de protones que por ltimo dar origen a nuevas molculas deATP. El complejo III cataliza la reaccin del ciclo-Q: una de las rutas msimportantes en bioqumica. (Ver pgina 427.)

La ciencia debe ser lo mssencilla posible, pero noms simple.

Albert Einstein

Los autores

H. Robert HortonEl doctor Horton obtuvo su doctorado enla University of Missouri en 1962, es profe-sor emrito William Neal Reynolds y pro-fesor emrito y ex alumno distinguido delDepartamento de Bioqumica en North Ca-rolina State University, donde prest servi-cios como acadmico por ms de 30 aos.La mayor parte de la investigacin delprofesor Horton se ha basado en los me-canismos de protenas y enzimas.

Laurence A. MoranDespus de obtener su doctorado en laPrinceton Universtiy en 1974, el profesorMoran pas cuatro aos en la Universit dGeneve en Suiza. Ha sido miembro del De-partamento de Bioqumica en la Universityof Toronto desde 1978, y se ha especializa-do en biologa y evolucin molecular. Sushallazgos acerca de los genes de respuestaal calor se han publicado en muchas revis-tas acadmicas.

K. Gray ScrimgeourEl profesor Scrimgeour obtuvo su doctora-do en la University of Washington en 1961y ha sido miembro del claustro de profe-sores en la University of Toronto desde1967. Es autor de The Chemistry and Con-trol of Enzymatic Reactions (1977, Acade-mic Press), y durante los pasados 40 aosha publicado su trabajo sobre sistemas en-zimticos mediante ms de 50 artculos depublicaciones profesionales. De 1984 a1992, fue editor de la revista Biochemistryand Cell Biology.

Marc D. PerryDespus de obtener su doctorado en la Uni-versity of Toronto en 1988, el doctor Perryingres a la University of Colorado, dondeestudi la determinacin de los sexos en elnematodo C. elegans. En 1994 regres a laUniversity of Toronto como miembro delclaustro de profesores en el Departamentode Gentica Molecular y Mdica. Su inves-tigacin se ha centrado en la gentica deldesarrollo, meiosis y bioinformtica. En2004 se uni al Heart & Stroke / RichardLeward Centre of Excellence in Cardio-vascular Research en la Facultad de Medi-cina de la University of Toronto.

J. David RawnEl profesor Rawn recibi su doctorado enla Ohio State University en 1971 y ha sidocatedrtico e investigador en el Departa-mento de Qumica de Townson State Uni-versity durante los pasados 25 aos. Si bienno escribi algn captulo sobre Principiosde bioqumica, su libro de texto Bioche-mistry (1989, Neil Patterson) ha servidocomo fuente de informacin e ideas en loconcerniente al contenido y organizacin.

Los doctores Laurence A. Moran de la University of Toronto, y Elizabeth S. Roberts-Kirch-hoff de la University of Detroit Mercy, fueron los creadores de los nuevos problemas y solu-ciones de esta cuarta edicin. Los problemas restantes fueron elaborados por los doctoresRobert N. Lindquist, San Francisco State University, Marc Perry y Diane M. De Abreu de laUniversity of Toronto.

vii

viii

SITIO WEB COMPANION

Herramienta en lnea para los estudiantes, que cuenta con mdulos tridimensionales queles ayudarn a visualizar los laboratorios de bioqumica y de medios para la investigacinde aspectos importantes relacionados con los captulos de este libro. Favor de visitar elsitio en http://www.pearsoneducacion.net.com/horton.

Suplementos para los estudiantes

ix

PARTE UNOIntroduccin

1 Introduccin a la bioqumica 1

2 El agua 26

PARTE DOSEstructura y funcin

3 Los aminocidos y la estructura primaria de las protenas 52

4 Protenas: Estructura tridimensional y funcin 84

5 Propiedades de las enzimas 129

6 Mecanismos de las enzimas 158

7 Coenzimas y vitaminas 192

8 Carbohidratos 222

9 Lpidos y membranas 253

PARTE TRESMetabolismo y bioenergtica

10 Introduccin al metabolismo 296

11 Gliclisis 327

12 Gluconeognesis, la ruta de la pentosa fosfato y el metabolismo del glucgeno 357

13 El ciclo del cido ctrico 384

14 Transporte de electrones y sntesis de ATP 415

15 Fotosntesis 444

16 Metabolismo de lpidos 479

17 Metabolismo de aminocidos 520

18 Metabolismo de nucletidos 557

PARTE CUATROFlujo de informacin biolgica

19 cidos nucleicos 583

20 Replicacin, reparacin y recombinacin del ADN 615

21 Transcripcin y procesamiento del ARN 647

22 Sntesis de protenas 683

23 Tecnologa del ADN recombinante 719

Contenido breve

xPrefacio xxv

PARTE UNO

Introduccin

1 Introduccin a la bioqumica 11.1 La bioqumica es una ciencia moderna 21.2 Los elementos qumicos de la vida 31.3 Muchas macromolculas importantes son polmeros 5

A. Protenas 6B. Polisacridos 7C. cidos nucleicos 9D. Lpidos y membranas 10

1.4 La energtica de la vida 11A. Velocidades de reaccin y equilibrios 12B. Termodinmica 13C. Constantes de equilibrio y cambios en la energa libre estndar

de Gibbs 151.5 Bioqumica y evolucin 151.6 La clula es la unidad bsica de la vida 161.7 Clulas procariticas: caractersticas estructurales 171.8 Clulas eucariticas: caractersticas estructurales 18

A. Ncleo 18B. El retculo endoplsmico y el aparato de Golgi 19C. Mitocondrias y cloroplastos 20D. Vesculas especializadas 21E. El citoesqueleto 22

1.9 Un retrato de la clula viviente 221.10 La bioqumica es multidisciplinaria 24

Apndice: La terminologa especial de la bioqumica 24Lecturas seleccionadas 25

Contenido

2 El agua 262.1 La molcula de agua es polar 272.2 Puentes de hidrgeno en el agua 282.3 El agua es un solvente excelente 30

A. Las sustancias inicas y polares se disuelven en agua 30B. Concentraciones celulares y difusin 31C. Presin osmtica 31

2.4 Las sustancias no polares son insolubles en agua 322.5 Interacciones no covalentes 33

A. Interacciones carga-carga 33B. Puentes de hidrgeno 34C. Fuerzas de van der Waals 35D. Interacciones hidrofbicas 36

2.6 El agua es nucleoflica 362.7 Ionizacin del agua 372.8 La escala de pH 39

Recuadro 2.1 La pequea P en pH 402.9 Constantes de disociacin de cidos dbiles 412.10 Soluciones amortiguadoras para resistir cambios de pH 46

Resumen 49Problemas 49Lecturas seleccionadas 51

PARTE DOSEstructura y funcin

3 Los aminocidos y la estructura primaria de las protenas 52

3.1 Estructura general de los aminocidos 533.2 Estructuras de los 20 aminocidos comunes 55

Recuadro 3.1 Una nomenclatura alternativa 56A. Grupos R alifticos 57Recuadro 3.2 Nombres comunes de aminocidos 57B. Grupos R aromticos 58C. Grupos R sulfurados 58D. Cadenas laterales con grupos alcohol 59E. Grupos R bsicos 59F. Grupos R cidos y sus amidas derivadas 60G. Hidrofobicidad de las cadenas laterales de aminocidos 60

3.3 Otros aminocidos y derivados de aminocido 613.4 Ionizacin de los aminocidos 623.5 Unin de aminocidos por enlaces peptdicos en las protenas 663.6 Tcnicas de purificacin de las protenas 673.7 Tcnicas analticas 693.8 Composicin en aminocidos de las protenas 723.9 Determinacin de la secuencia de los residuos de aminocido 733.10 Estrategias de secuenciacin de protenas 753.11 Relaciones evolutivas a partir de comparaciones de las estructuras

primarias de las protenas 78

Contenido xi

xii Contenido


4 Protenas: Estructura tridimensional y funcin 844.1 Hay cuatro niveles de estructura de las protenas 864.2 Mtodos para determinar la estructura de las protenas 874.3 Conformacin del grupo peptdico 904.4 La hlice 924.5 Hebras y lminas 954.6 Asas y giros 974.7 Estructura terciaria de las protenas 98

A. Estructuras supersecundarias 99B. Dominios 100C. Estructura y funcin de los dominios 104

4.8 Estructura cuaternaria 1044.9 Desnaturalizacin y renaturalizacin de las protenas 1074.10 Plegado de protenas y estabilidad 110

A. El efecto hidrofbico 110B. Puentes de hidrgeno 111C. Interacciones de van der Waals e interacciones entre cargas 112D. Los chaperones moleculares colaboran en el plegamiento

de las protenas 1124.11 La colgena, una protena fibrosa 1154.12 Estructuras de la mioglobina y la hemoglobina 1164.13 Enlazamiento del oxgeno con la mioglobina y la hemoglobina 118

A. Unin reversible del oxgeno al hemo 118B. Curvas de unin de mioglobina y hemoglobina con el oxgeno 119C. Hemoglobina como protena alostrica 121

4.14 Los anticuerpos se unen a antgenos especficos 123Resumen 125Problemas 125Lecturas seleccionadas 127

5 Propiedades de las enzimas 1295.1 Las seis clases de enzimas 1305.2 Experimentos cinticos revelan propiedades de las enzimas 132

A. Cintica qumica 133B. Cintica enzimtica 134

5.3 Ecuacin de Michaelis-Menten 135A. Deduccin de la ecuacin de Michaelis-Menten 136B. Constante cataltica kcat 138C. Significados de Km 138

5.4 Las constantes cinticas indican la actividad enzimtica y la eficiencia cataltica 139

5.5 Medicin de Km y Vmx 1405.6 Cintica de las reacciones con sustratos mltiples 141

Recuadro 5.1 Hiprbolas y rectas 141

ba

a

Contenido xiii

5.7 Inhibicin reversible de enzimas 142A. Inhibicin competitiva 143B. Inhibicin acompetitiva 145C. Inhibicin no competitiva 146D. Usos de la inhibicin enzimtica 146

5.8 Inhibicin enzimtica irreversible 1475.9 Enzimas alostricas 1485.10 Regulacin de la actividad enzimtica 148

A. Fosfofructocinasa, una enzima alostrica 149B. Propiedades generales de las enzimas alostricas 150C. Dos teoras de la regulacin alostrica 152D. Regulacin por modificacin covalente 153

5.11 Complejos multienzimticos y enzimas multifuncionales 154Resumen 154Problemas 155Lecturas seleccionadas 157

6 Mecanismos de las enzimas 1586.1 Terminologa de la qumica mecanicista 158

A. Sustituciones nucleoflicas 159B. Reacciones de ruptura 160C. Reacciones de oxido-reduccin 160

6.2 Estabilizacin de estados de transicin mediante catalizadores 1606.3 Modos qumicos de la catlisis enzimtica 162

Recuadro 6.1 Modificacin de enzimas por mutagnesis dirigida al sitio 163A. Residuos polares de aminocidos en sitios activos 163B. Catlisis cido-base 164C. Catlisis covalente 165D. Influencia del pH sobre las velocidades de reaccin enzimtica 166

6.4 Reacciones controladas por difusin 167A. Triosa fosfato isomerasa 167B. Superxido dismutasa 170

6.5 Modos de enlazamiento en la catlisis enzimtica 171A. El efecto de proximidad 172B. Enlazamiento dbil de sustratos con enzimas 172C. Ajuste inducido 174D. Estabilizacin del estado de transicin 175

6.6 Lisozima 178Recuadro 6.2 Estado de transicin propuesto para una reaccin

bimolecular 1816.7 Propiedades de las serina proteasas 182

A. Los zimgenos son los precursores inactivos de las enzimas 182B. Especificidad de las serina proteasas hacia el sustrato 183C. Catlisis qumica y por modos de enlazamiento de las serina

proteasas 184Resumen 188Problemas 188Lecturas seleccionadas 191

xiv Contenido

7 Coenzimas y vitaminas 1927.1 Muchas enzimas requieren cationes inorgnicos 1937.2 Clasificacin de las coenzimas 193

Recuadro 7.1 Vitamina C: es vitamina, pero no es coenzima 1957.3 ATP y otros cosustratos nucletidos 1967.4 NAD y NADP 197

Recuadro 7.2 Vitamina C: es vitamina, pero no es coenzima 1997.5 FAD y FMN 2007.6 Coenzima A 2017.7 Pirofosfato de tiamina 2027.8 Fosfato de piridoxal 2037.9 Biotina 2077.10 Tetrahidrofolato 2087.11 Cobalamina 2107.12 Lipoamida 2127.13 Vitaminas lipdicas 212

A. Vitamina A 213B. Vitamina D 213C. Vitamina E 213D. Vitamina K 214

7.14 Ubiquinona 2147.15 Protenas coenzimas 2157.16 Citocromos 216


8 Carbohidratos 2228.1 La mayor parte de los monosacridos son compuestos quirales 2238.2 Ciclacin de aldosas y hexosas 2268.3 Conformaciones de los monosacridos 2298.4 Derivados de los monosacridos 231

A. Fosfatos de azcar 231B. Desoxiazcares 231C. Aminoazcares 231D. Azcares alcoholes 232E. Azcares cidos 233F. cido ascrbico 234

8.5 Disacridos y otros glicsidos 234A. Estructuras de los disacridos 234B. Azcares reductores y no reductores 236C. Nucletidos y otros glicsidos 236

8.6 Polisacridos 237A. Almidn y glucgeno 237B. Celulosa y quitina 239

8.7 Glicoconjugados 241A. Proteoglicanos 241B. Peptidoglicanos 243Recuadro 8.1 Los factores de nodulacin son lipo-oligosacridos 243

Contenido xv

C. Glicoprotenas 244Recuadro 8.2 El grupo sanguneo ABO 248Resumen 249Problemas 250Lecturas seleccionadas 252

9 Lpidos y membranas 2539.1 Diversidad estructural y funcional de los lpidos 2539.2 cidos grasos 254

Recuadro 9.1 Nombres comunes de los cidos grasos 255Recuadro 9.2 cidos grasos trans y margarina 256

9.3 Triacilgliceroles 2589.4 Glicerofosfolpidos 2599.5 Esfingolpidos 2629.6 Esteroides 2649.7 Otros lpidos de importancia biolgica 2649.8 Las membranas biolgicas estn formadas por bicapas lipdicas y protenas 267

Recuadro 9.3 En el estudio de los lpidos deben usarse tcnicas no acuosas especiales 268

A. Bicapas lipdicas 269B. Modelo fluido de mosaico para membranas biolgicas 270

9.9 Las bicapas lipdicas y las membranas son estructuras dinmicas 2719.10 Tres clases de protenas de membrana 274

Recuadro 9.4 Nuevas vesculas de lpido o liposomas 2759.11 Transporte de membrana 278

A. Termodinmica del transporte en la membrana 279B. Poros y canales 280C. Transporte pasivo 281D. Transporte activo 281E. Endocitosis y exocitosis 283Recuadro 9.5 Lo picante de los chiles 284

9.12 Transduccin de seales extracelulares 284A. Las protenas G son transductores de seal 285B. La ruta de sealizacin con adenilil ciclasa 287C. La ruta de sealizacin inositol-fosfolpido 288Recuadro 9.6 Toxinas bacterianas y protenas G 289D. Receptor de tirosina cinasas 291Resumen 292Problemas 292Lecturas seleccionadas 294

PARTE TRESMetabolismo y bioenergtica

10 Introduccin al metabolismo 29610.1 El metabolismo es la suma de las reacciones celulares 29610.2 Rutas metablicas 298

A. Las rutas son secuencias de reacciones 299

Hojilla interna

Hojilla externa

xvi Contenido

B. El metabolismo se efecta en pasos discretos 300C. Las rutas metablicas estn reguladas 301D. Evolucin de las rutas metablicas 303

10.3 Principales rutas en las clulas 30410.4 Compartimentacin y metabolismo entre rganos 30610.5 Determinacin de la espontaneidad de las reacciones metablicas por el cambio

de energa libre real (no estndar) de energa libre de Gibbs 30810.6 Energa libre del ATP 31010.7 Funciones metablicas del ATP 313

A. Transferencia de grupo fosforilo 314B. Produccin de ATP por transferencia de grupo fosforilo 315C. Transferencia del grupo nucleotidilo 316

10.8 Los tiosteres tienen grandes energas libres de hidrlisis 31710.9 Conservacin de energa de las oxidaciones biolgicas mediante

coenzimas reducidas 318A. Relacin entre el cambio de energa libre de Gibbs y el potencial

de reduccin 319B. Energa libre por transferencia de electrones de NADH 322Recuadro 10.1 Diferencias en los espectros de absorcin de NAD y NADH 322

10.10 Mtodos experimentales para estudiar el metabolismo 323Resumen 324Problemas 324Lecturas seleccionadas 326

11 Gliclisis 32711.1 Reacciones enzimticas de la gliclisis 32811.2 Los diez pasos de la gliclisis catalizados por enzima 328

Recuadro 11.1 Breve historia de la ruta glicoltica 329Recuadro 11.2 Formacin de 2,3-bifosfoglicerato en los glbulos rojos 338Recuadro 11.3 Envenenamiento con arseniato 340

11.3 Destino del piruvato 340A. Metabolismo de piruvato a etanol 341B. Reduccin de piruvato a lactato 342

11.4 Cambios de energa libre en la gliclisis 34311.5 Regulacin de la gliclisis 344

A. Regulacin de los transportadores de hexosas 344B. Regulacin de hexocinasa 346Recuadro 11.4 Funcin metablica esencial de la glucosa 6-fosfato en el hgado 346C. Regulacin de la fosfofructocinasa-1 347D. Regulacin de piruvato cinasa 348E. El efecto Pasteur 350

11.6 Entrada de otros azcares a la gliclisis 350A. Conversin de fructosa en gliceraldehdo 3-fosfato 350B. Conversin de galactosa en glucosa 1-fosfato 351C. Conversin de manosa en fructosa 6-fosfato 352

11.7 La ruta Entner-Doudoroff en las bacterias 352Resumen 354Problemas 354Lecturas seleccionadas 355

SSSS

S S

Insulina

Dominios de tirosina cinasa

Contenido xvii

12 Gluconeognesis, la ruta de la pentosa fosfato y el metabolismo del glucgeno 357

12.1 Gluconeognesis 358A. Piruvato carboxilasa 359B. Fosfoenolpiruvato carboxicinasa 360C. Fructosa 1,6-bifosfatasa 361D. Glucosa 6-fosfatasa 361

12.2 Precursores para la gluconeognesis 362A. Lactato 362B. Aminocidos 363C. Glicerol 363D. Propionato y lactato 363E. Acetato 364

12.3 Regulacin de la gluconeognesis 364Recuadro 12.1 A veces la glucosa se convierte en sorbitol 366

12.4 La ruta de las pentosas fosfato 366A. Etapa oxidante 368B. Etapa no oxidante 368Recuadro 12.2 Deficiencia de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa

en humanos 369C. Interconversiones catalizadas por transcetolasa y transaldolasa 370

12.5 Metabolismo del glucgeno 371A. Sntesis de glucgeno 371B. Degradacin del glucgeno 372

12.6 Regulacin del metabolismo del glucgeno 374A. Regulacin del metabolismo de glucgeno por las hormonas 375B. Regulacin recproca de glucgeno fosforilasa y glucgeno sintasa 375C. Accin de enzimas interconvertibles sobre la regulacin intracelular

del metabolismo del glucgeno 376Recuadro 12.3 Enfermedades por almacenamiento de glucgeno 378

12.7 Conservacin de niveles de glucosa en los mamferos 379Resumen 381Problemas 382Lecturas seleccionadas 383

13 El ciclo del cido ctrico 38413.1 Conversin de piruvato en acetil-CoA 38513.2 Oxidacin de la acetil-CoA en el ciclo del cido ctrico 39113.3 Enzimas del ciclo del cido ctrico 393

Recuadro 13.1 De dnde vienen los electrones? 394Recuadro 13.2 Fijacin de sustratos proquirales a enzimas en tres puntos 397Recuadro 13.3 Conversin de una enzima en otra 402

13.4 Las coenzimas reducidas pueden generar la produccin de ATP 40313.5 Regulacin del ciclo del cido ctrico 40413.6 El ciclo del cido ctrico no siempre es un ciclo 40613.7 La ruta del glioxilato 40713.8 Evolucin del ciclo del cido ctrico 410

Sitio de fosforilacin

Sitio de enlace alostrico

Sitio cataltico

Sitio de enlace con glucgeno


14 Transporte de electrones y sntesis de ATP 41514.1 Descripcin general del transporte de electrones asociado a membrana

y la sntesis de ATP 41614.2 La mitocondria 41614.3 Teora quimiosmtica y la fuerza protonmotriz 418

A. Antecedentes histricos: la teora quimiosmtica 418B. La fuerza protonmotriz 420

14.4 Transporte de electrones 421A. Complejos I a IV 421B. Cofactores en el transporte de electrones 424

14.5 Complejo I 42414.6 Complejo II 42514.7 Complejo III 42714.8 Complejo IV 42914.9 Complejo V: ATP sintasa 432

Recuadro 14.1 Fugas de protones y produccin de calor 43514.10 Transporte activo de ATP, ADP y Pi a travs de la membrana mitocondrial 43514.11 Relacin P/O 43614.12 Mecanismos de lanzadera de NADH en eucariotas 436

Recuadro 14.2 El alto costo de vivir 43914.13 Otros aceptores y donadores terminales de electrones 43914.14 Aniones superxido 440


15 Fotosntesis 44415.1 Pigmentos recolectores de luz 44515.2 Fotosistemas bacterianos 449

A. Fotosistema II 449B. Fotosistema I 452C. Fotosistemas acoplados y citocromo bf 455D. Potenciales de reduccin y energa libre de Gibbs en la fotosntesis 458E. La fotosntesis se efecta dentro de las membranas internas 459

15.3 Fotosntesis en las plantas 460A. Cloroplastos 460Recuadro 15.1 Bacteriorrodopsina 461B. Fotosistemas vegetales 463C. Organizacin de los fotosistemas del cloroplasto 463

15.4 Fijacin del CO2: el ciclo de Calvin 464A. El ciclo de Calvin 465B. Rubisco: Ribulosa 1,5-bifosfato carboxilasa-oxigenasa 465C. Oxigenacin de la ribulosa 1,5-Bifosfato 469D. Ciclo de Calvin: Etapas de reduccin y regeneracin 470Recuadro 15.2 Construccin de una Rubisco mejor 470

xviii Contenido

Hemo b

QH2

Membrana

EXTERIOR

INTERIOR

Grupos FeS

FAD

H

ADPPi

ATP

H2O

CF1

CF0

15.5 Metabolismo de sacarosa y almidn en las plantas 47115.6 Otras rutas de fijacin de carbono 473

Recuadro 15.3 Los guisantes rugosos de Gregor Mendel 473A. La ruta C4 474B. Metabolismo del cido crasulceo 474C. Fijacin de carbono en las bacterias 476Resumen 477Problemas 477Lecturas seleccionadas 478

16 Metabolismo de lpidos 47916.1 Sntesis de cidos grasos 480

A. Sntesis de malonil ACP y acetil ACP 480B. Reaccin de iniciacin en la sntesis de cidos grasos 481C. Reacciones de elongacin en la sntesis de cidos grasos 482D. Activacin de los cidos grasos 483E. Extensiones y desaturacin de cidos grasos 484

16.2 Sntesis de triacilgliceroles y de glicerofosfolpidos 48516.3 Sntesis de eicosanoides 488

Recuadro 16.1 Bsqueda de un sustituto de la aspirina 49016.4 Sntesis de ter lipdicos 49016.5 Sntesis de esfingolpidos 491

Recuadro 16.2 Enfermedades por almacenamiento lisosoma 493Recuadro 16.3 Regulacin de las concentraciones del colesterol 494

16.6 Sntesis del colesterol 495A. Etapa 1: De acetil-CoA a isopentenil difosfato 495B. Etapa 2: De isopentenil difosfato a escualeno 496C. Etapa 3: De escualeno a colesterol 496D. Otros productos del metabolismo de isoprenoides 496

16.7 Oxidacin de cidos grasos 498A. Reacciones de la b-oxidacin 499B. Sntesis de los cidos grasos y la b-oxidacin 500C. Transporte de acil-CoA graso al interior de las mitocondrias 501Recuadro 16.4 Enzima trifuncional para la b-oxidacin 502D. Generacin de ATP a partir de la oxidacin de los cidos grasos 502E. b-Oxidacin de los cidos grasos de cadena impar y no saturados 504

16.8 Formacin de lpidos eucariticos en diversos sitios 50616.9 En los mamferos, el metabolismo de los lpidos es regulado por hormonas 50716.10 Absorcin y movilizacin de los lpidos combustibles en los mamferos 509

A. Absorcin de los lpidos de la dieta 509B. Lipoprotenas 510Recuadro 16.5 Lipoprotena lipasa y enfermedad coronaria 513C. Albmina de suero 513

16.11 Cuerpos cetnicos: molculas de combustible 513A. Sntesis de cuerpos cetnicos en el hgado 514B. Oxidacin de los cuerpos cetnicos en las mitocondrias 515Recuadro 16.6 Metabolismo alterado de los carbohidratos y de los lpidos

en la diabetes 516

Contenido xix

xx Contenido


17 Metabolismo de aminocidos 52017.1 Ciclo del nitrgeno y fijacin del nitrgeno 52117.2 Asimilacin del amoniaco 523

A. Incorporacin de amoniaco a glutamato y glutamina 524B. Reacciones de transaminacin 524

17.3 Sntesis de aminocidos 526A. Aspartato y asparagina 526Recuadro 17.1 Se puede tratar la leucemia linfoblstica infantil con

asparaginasa 526B. Lisina, metionina y treonina 527C. Alanina, valina, leucina e isoleucina 528D. Glutamato, glutamina, arginina y prolina 528E. Serina, glicina y cistena 529F. Fenilalanina, tirosina y triptfano 531Recuadro 17.2 Alimentos modificados genticamente 533Recuadro 17.3 Aminocidos esenciales y no esenciales en los animales 534G. Histidina 535

17.4 Aminocidos como precursores metablicos 536A. Productos derivados de glutamato, glutamina y aspartato 536B. Productos derivados de serina y glicina 536C. Sntesis de xido ntrico a partir de arginina 536

17.5 Recambio de protenas 538Recuadro 17.4 Apoptosis: muerte celular programada 538

17.6 Catabolismo de aminocidos 539A. Alanina, asparagina, aspartato, glutamato y glutamina 541B. Arginina, histidina y prolina 541C. Glicina y serina 542D. Treonina 543E. Aminocidos de cadena ramificada 543F. Metionina 545G. Cistena 546H. Fenilalanina, triptfano y tirosina 546Recuadro 17.5 Fenilcetonuria, defecto en la formacin de tirosina 546I. Lisina 548Recuadro 17.6 Enfermedades del metabolismo de cidos grasos 548

17.7 Ciclo de la urea: conversin de amoniaco en urea 549A. Sntesis de carbamol fosfato 549B. Reacciones del ciclo de la urea 549C. Reacciones anexas al ciclo de la urea 550Recuadro 17.7 El hgado est organizado para eliminar amoniaco txico 551

17.8 Produccin de bicarbonato en el metabolismo renal de glutamina 553Resumen 554Problemas 555Lecturas seleccionadas 556

Contenido xxi

18 Metabolismo de nucletidos 55718.1 Sntesis de los nucletidos de purina 55818.2 Sntesis de otros nucletidos de purina a partir de IMP 561

Recuadro 18.1 Nombres comunes de las bases 56118.3 Sntesis de nucletidos de pirimidina 563

A. La ruta de sntesis de pirimidina 564Recuadro 18.2 Transferencia de amoniaco a partir de glutamina por algunas

enzimas 565B. Regulacin de la sntesis de pirimidina 566

18.4 Sntesis de CTP a partir de UMP 56818.5 Reduccin de ribonucletidos a desoxirribonucletidos 56918.6 La metilacin de dUMP produce dTMP 570

Recuadro 18.3 Radicales libres en la reduccin de ribonucletidos 570Recuadro 18.4 Los medicamentos contra el cncer inhiben la sntesis

de dTTP 57218.7 Recuperacin de purinas y pirimidinas 57318.8 Catabolismo de purina 574

Recuadro 18.5 El sndrome de Lesch-Nyhan y la gota 57618.9 Ciclo de nucletidos de purina en los msculos 57818.10 Catabolismo de la pirimidina 579


PARTE CUATROFlujo de informacin biolgica

19 cidos nucleicos 58319.1 Los nucletidos son los bloques de construccin de los cidos nucleicos 584

A. Ribosa y desoxirribosa 584B. Purinas y pirimidinas 585C. Nuclesidos 586D. Nucletidos 587

19.2 El ADN tiene doble hebra 590A. Unin de nucletidos por enlaces de 3,5fosfodister 590B. Formacin de una doble hlice con dos hebras antiparalelas 592C. Estabilizacin de la doble hlice por fuerzas dbiles 595D. Conformaciones de ADN de doble hebra 597

19.3 Superenrollamiento del ADN 59719.4 Diversos tipos de ARN en las clulas 59919.5 Empaquetamiento del ADN en cromatina, en clulas eucariotas 599

A. Nucleosomas 600Recuadro 19.1 Acetilacin y desacetilacin de histonas 601B. Niveles superiores de estructura de la cromatina 603C. Empacamiento del ADN bacteriano 604

19.6 Nucleasas e hidrlisis de cidos nucleicos 605A. Hidrlisis alcalina del ARN 605B. Hidrlisis de ARN catalizada por ribonucleasa 605C. Endonucleasas de restriccin 608D. Unin firme de EcoRI a ADN 610

xxii Contenido

19.7 Usos de las endonucleasas de restriccin 610Resumen 612Problemas 612Lecturas seleccionadas 613

20 Replicacin, reparacin y recombinacin del ADN 61520.1 La replicacin de ADN en cromosomas es bidireccional 61620.2 ADN polimerasa 618

A. Elongacin de la cadena; reaccin de transferencia de grupo nucleotidilo 619B. Permanencia de la ADN polimerasa III unida a la horquilla de replicacin 621C. Lectura de prueba para corregir errores 621

20.3 Sntesis simultnea de dos hebras por la ADN polimerasa 622A. Sntesis discontinua de la hebra retrasada 623B. Cada fragmento de Okazaki comienza con un ARN cebador 623C. Unin de fragmentos de Okazaki por accin de ADN polimerasa

I y ADN ligasa 62420.4 Modelo del replisoma 62620.5 Iniciacin y terminacin de la replicacin de ADN 62920.6 Replicacin de ADN en eucariotas 630

Recuadro 20.1 Secuenciacin del ADN con dideoxinucletidos 63220.7 Reparacin de ADN daado 634

A. Reparacin despus de fotodimerizacin: ejemplo de reparacin directa 635B. Reparacin por escisin 635

20.8 Recombinacin homloga 639A. Modelo Holliday de recombinacin general 639B. Recombinacin en E. coli 640C. La recombinacin puede ser una forma de reparacin 641Recuadro 20.2 Vnculos moleculares entre reparacin de ADN y el cncer

de mama 643Resumen 644Problemas 644Lecturas seleccionadas 645

21 Transcripcin y procesamiento del ARN 64721.1 Tipos de ARN 64821.2 ARN polimerasa 649

A. ARN polimerasa: protena oligomrica 649B. Reaccin de elongacin de la cadena 650

21.3 Inicio de la transcripcin 652A. Orientacin 5 S 3 de los genes 652B. El complejo de transcripcin se ensambla en un promotor 653C. Reconocimiento del promotor por la subunidad s 655D. Cambios de conformacin en la ARN polimerasa 655

21.4 Terminacin de la transcripcin 65621.5 Transcripcin en eucariotas 659

A. ARN polimerasas eucariticas 659B. Factores de transcripcin eucariticos 662C. Papel de la cromatina en la transcripcin eucaritica 663

21.6 Regulacin de la transcripcin de genes 663

Contenido xxiii

21.7 El opern lac, ejemplo de regulacin positiva y negativa 665A. Bloqueo de la transcripcin por el represor lac 665B. Estructura del represor lac 667C. Activacin de la transcripcin por la protena reguladora cAMP 668

21.8 Modificacin postranscripcional del ARN 670A. Procesamiento de ARN de transferencia 671B. Procesamiento de ARN ribosmico 672

21.9 Procesamiento de ARNm eucaritico 674A. Extremos modificados en las molculas eucariticas de ARNm 674B. Empalme de algunos ARNm precursores eucariticos 677Resumen 680Problemas 680Lecturas seleccionadas 682

22 Sntesis de protenas 68322.1 El cdigo gentico 68322.2 ARN de transferencia 686

A. La estructura tridimensional del ARNt 686B. Apareamiento de bases de anticodones en ARNt con codones en ARNm 688

22.3 Aminoacil-ARNt sintetasas 688A. Reaccin de la aminoacil-ARNt sintetasa 689B. Especificidad de las aminoacil-ARNt sintetasas 689C. Actividad correctora de las aminoacil-ARNt sintetasas 691

22.4 Ribosomas 692A. Los ribosomas estn formados por ARN ribosmico y protena 693B. Los ribosomas contienen dos sitios de unin con aminoacil-ARNt 695

22.5 Iniciacin de la traduccin 695A. ARNt de inicio 695B. Complejos de iniciacin: slo se ensamblan en codones de inicio 695C. Los factores de iniciacin ayudan a formar el complejo de inicio 696D. Inicio de la traduccin en eucariotas 697

22.6 Alargamiento de cadena: microciclo de tres pasos 697A. Los factores de alargamiento acoplan a un aminoacil-ARNt en el sitio A 699B. La peptidil transferasa cataliza la formacin del enlace peptdico 700C. La traslocacin mueve al ribosoma un codn 701

22.7 Terminacin de la traduccin 70522.8 La sntesis de protenas es costosa en energa 70522.9 Regulacin de la sntesis de protenas 705

A. Acoplamiento de la sntesis de protena con el ensamble del ribosoma en E. coli 706

Recuadro 22.1 Algunos antibiticos inhiben la sntesis de protenas 707B. La sntesis de globina depende de la disponibilidad de hemo 707C. El opern trp de E. coli est regulado por represin y atenuacin 708

22.10 Procesamiento postraduccional 712A. La hiptesis de la seal 712B. Glicosilacin de protenas 716Resumen 716Problemas 717Lecturas seleccionadas 718

P

P

P

5 3

M16

RNasa III

partcula 21S

Subunidad 30S completa

23 Tecnologa del ADN recombinante 71923.1 Preparacin del ADN recombinante 71923.2 Vectores de clonacin 721

A. Plsmidos vectores 723B. Vectores de bacterifago l 723C. Vectores lanzadera 724D. Cromosomas artificiales de levadura como vectores 724

23.3 Identificacin de clulas anfitrin que contienen ADN recombinante 727A. En las estrategias de seleccin se usan genes marcadores 727B. Seleccin en eucariotas 727C. Marcadores visuales: inactivacin por insercin del gen

de b-galactosidasa 72723.4 Bibliotecas genmicas 728

Recuadro 23.1 El Proyecto Genoma Humano 72823.5 Preparacin de bibliotecas de ADNc a partir de ARNm 72923.6 Seleccin de una biblioteca 73023.7 Desplazamiento de cromosomas 73323.8 Expresin de protenas mediante tecnologa de ADN recombinante 734

A. Vectores de expresin procariticos 734B. Expresin de protenas en eucariotas 734

23.9 Aplicaciones de la tecnologa de ADN recombinante 735A. Ingeniera gentica de plantas 737B. Ingeniera gentica en procariotas 737

23.10 Aplicaciones a enfermedades humanas 73923.11 Amplificacin de secuencias seleccionadas de ADN con la reaccin en

cadena de la polimerasa 741Recuadro 23.2 Usos mdicos de la PCR 741

23.12 Mutagnesis dirigida de ADN clonado 743Resumen 744Problemas 745Lecturas seleccionadas 747

Soluciones 749

Crditos de ilustraciones 809

Glosario 811

ndice 827

xxiv Contenido

xxv

Al estudianteBienvenido a la bioqumica!, el estudio de la vida a nivel molecular. A medida quese adentre en esta disciplina excitante y dinmica descubrir muchas cosas nuevasy maravillosas. Aprender cmo algunas enzimas pueden catalizar reacciones qu-micas a velocidades cercanas a lmites tericos: reacciones que, de otra manera,ocurriran slo a velocidades imperceptiblemente bajas. Conocer las fuerzas quemantienen la estructura molecular y cmo incluso algunas de esas fuerzas msdbiles hacen posible la vida. Tambin aprender que la bioqumica tiene miles deaplicaciones en la vida cotidiana: en la medicina, diseo de frmacos, nutricin,ciencia forense, agricultura y manufactura. En resumen, comenzar un viaje dedescubrimiento acerca de cmo la bioqumica mejora y hace posible la vida.

Antes de comenzar, nos gustara ofrecerle algunos consejos:

No memorice los datos; en vez de ello, comprenda los principios

En este libro, se ha tratado de identificar los principios ms importantes de la bioqu-mica. Cada ao se publican millones de investigaciones, la mitad de ellas describenlos resultados de hallazgos efectuados en alguna rea de la bioqumica. Como labase de conocimientos bioqumicos se est expandiendo continuamente, es necesa-rio entender los temas bsicos de esta ciencia con el fin de comprenderla cabalmen-te. Este libro de texto est diseado para ampliar las bases que ha adquirido en loscursos de qumica y biologa y proporcionarle un marco de conocimientos bioqu-micos que le permitir entender nuevos fenmenos cuando se encuentre ante ellos.A medida que progrese en sus estudios, encontrar muchos ejemplos que dan sen-tido al marco que se describe. Estos datos individuales son tiles para esclarecer losprincipios bsicos.

Est preparado para aprender un nuevo vocabulario

La comprensin de los datos bioqumicos requiere el aprendizaje de un vocabulariobioqumico. Este vocabulario incluye las estructuras qumicas de varias molculasclave. Estas molculas estn agrupadas en familias basadas en sus estructuras yfunciones. Tambin aprender a distinguir entre los miembros de cada familia y dequ forma las pequeas molculas se combinan para formar macromolculas comolas protenas y los cidos nucleicos. Igual que con cualquier nueva disciplina queestudie, cuanto ms familiarizado se encuentre con el vocabulario ms fcil apren-der a valorar la literatura cientfica.

Ponga a prueba sus conocimientos

El verdadero dominio de la bioqumica se basa en aprender a aplicar su conoci-miento y a resolver problemas. Cada captulo concluye con un conjunto de pro-blemas cuidadosamente diseados que pondrn a prueba su comprensin de losprincipios bsicos. Muchos de estos problemas son pequeos estudios de caso quepresentan el problema en el contexto de un verdadero acertijo bioqumico.

Prefacio

xxvi Prefacio

A fin de practicar ms, aparte de solucionar los ejercicios de repaso tradiciona-les en bioqumica, tambin hallar problemas adicionales en el sitio Principles ofBiochesmistry Companion Website (http://www.pearsoneducacion.net/horton).

Aprenda a visualizar en 3-D

Los elementos bioqumicos son objetos tridimensionales. Comprender lo que suce-de en una reaccin bioqumica a nivel molecular requiere capacidad de ver loque ocurre en tres dimensiones. En este libro se representan estructuras molecularessimples de diferentes formas con el fin de ilustrar su conformacin tridimensional.Las estructuras de protenas y los complejos protenicos tambin se representancomo objetos y dimensiones. A travs de este libro encontrar muchos dibujosexcelentes elaborados por un equipo experimentado de artistas. Adems, en el sitioWeb www.pearsoneducacion.net/horton encontrar numerosas animaciones y mo-delos moleculares interactivos que podr manipular en tiempo real en una compu-tadora. Se sugiere de manera especial que vea esas pelculas y realice los ejerciciosque las acompaan, y que participe en los tutoriales de visualizacin molecular.

Retroalimentacin

Por ltimo, le agradeceremos que nos haga saber los errores y omisiones queencuentre cuando utilice este texto. Dganos qu le gustara ver en la siguienteedicin. Muchos de los cambios en esta cuarta edicin se han originado de suge-rencias y crticas por parte de estudiantes como usted. Con su ayuda, continuare-mos haciendo evolucionar este trabajo para convertirlo en una herramienta mstil. Nuestros correos electrnicos se encuentran al final de este prefacio. Buenasuerte y disfrtelo!

Al profesor

Sean bienvenidos todos nuestros leales usuarios y aquellos profesores que, por pri-mera vez, se encuentran impartiendo cursos de bioqumica. Este libro de texto estdiseado para estudiantes de cursos de un semestre, pero se vuelve cada vez mspopular en los cursos de dos semestres. Esperamos que encuentre este libro idealpara su curso. Si tuviera cualquier comentario o duda, por favor pngase en contac-to mediante nuestro correo electrnico.

El libro se dise especialmente para el estudiante principiante que toma unprimer curso en este floreciente tema. Las partes 1 y 2 establecen una base slidapara el conocimiento qumico que ayudar a los alumnos a entender, y no sloa memorizar, la dinmica de los procesos metablicos y genticos. En estas sec-ciones se asume que los estudiantes han tomado cursos previos en qumica gene-ral y orgnica, y que han adquirido un conocimiento rudimentario de la qumicaorgnica de los cidos carboxlicos, aminas, alcoholes y aldehdos. Aun as, losprincipales grupos funcionales y las propiedades qumicas de cada tipo de bio-molcula se explican detalladamente conforme se van presentando sus estructu-ras y funciones.

Enfoque en los principios

En esencia, existen dos clases de libros de texto de bioqumica: los de consulta ylos que se utilizan para la enseanza. Es difcil que un libro cubra ambas funciones,ya que ese cmulo de detalles que el profesional busca es lo que entrampa al novi-cio que con trabajo se abre camino en este viaje. Este texto es, sin disculpa alguna,para la enseanza. Fue diseado para promover el entendimiento en el estudiante y

Prefacio xxvii

no es una enciclopedia de bioqumica. Este libro se enfoca firmemente en la ense-anza de los principios bsicos, y cada principio est apoyado por ejemplos cuida-dosamente seleccionados.

Enfoque en la qumica con biologa rigurosa

Cuando escribimos este texto por primera vez, decidimos tomarnos el tiempo paraexplicar, en trminos qumicos, los principios que abordamos. Con ese fin, ofrece-mos explicaciones qumicas detalladas de la mayor parte de la qumica contenidaen este texto, incluyendo sus mecanismos (los cuales le dicen a los estudiantescmo y por qu suceden las cosas).

Aunque la qumica ha sido muy importante, tambin le hemos dado ese nivel deimportancia a la parte bio en la bioqumica. Puntualizamos que los sistemas bioqumi-cos evolucionan y que las reacciones que ocurren en algunas especies son variacionesde un tema ms general. En esta edicin, ponemos ms nfasis en las similitudes delos sistemas procariotas y eucariotas, aunque evitamos realizar generalizaciones acer-ca de todos los organismos con base en reacciones que ocurren en unos pocos.

Estamos orgullosos de que ste es el libro de bioqumica ms preciso desde elpunto de vista cientfico. Nos hemos esforzado en asegurar que nuestros datos seancorrectos y que las explicaciones de los conceptos bsicos reflejen el consenso mo-derno entre investigadores activos. El xito se debe, en gran parte, a la dedicacinde muchos de nuestros revisores y editores.

Un enfoque en lo visual

La bioqumica es una ciencia tridimensional. La inclusin de imgenes de vanguar-dia generadas por computadora tiene la intencin de esclarecer la forma y la fun-cin de las molculas, y permitir que los estudiantes aprecien la relacin entre laestructura y la funcin. La mayor parte de las imgenes de protenas en esta edicinson nuevas; fueron preparadas diestramente por Jonathan Parrish de la Universityof Alberta.

Para los estudiantes que tengan acceso a una computadora, ofrecemos muchasotras oportunidades. Hemos incluido los nmeros de referencia del Banco de Datosde Protenas (PDB, por sus siglas en ingls) para las coordenadas de las cuales se de-rivan todas las imgenes de las protenas. Esto permite explorar por cuenta propialas estructuras con ms profundidad. Adems, tenemos una galera de archivos PDBque los estudiantes pueden ver utilizando Chime o cualquier otro visor molecular; sepublican en el sitio Web Companion (http://www.pearsoneducacion.net/horton)como animaciones de los procesos dinmicos clave, as como tutoriales de visuali-zacin que utilizan Chime.

Organizacin

Nos hemos esforzado en presentar la historia de la bioqumica en forma clara, co-herente y bien integrada, y en construir cada etapa del conocimiento necesaria parala siguiente etapa. Este libro est distribuido en cuatro partes, y cada una se basaen la que se present con anterioridad.

La parte uno constituye una introduccin para todo lo siguiente. En el captulo1 se agregaron secciones acerca de termodinmica y cintica de reaccin como res-puesta a las sugerencias de sus colegas. Estas breves descripciones ayudarn a losestudiantes que necesitan repasar los principios qumicos bsicos. El captulo 1tambin incluye una breve resea de la estructura celular y de las cuatro clases demacromolculas: protenas, carbohidratos, lpidos y cidos nucleicos. En este cap-tulo, y travs del libro, conservamos un patrn coherente de presentacin, desde laqumica bsica hasta la funcin bioqumica. En primer lugar se muestra la qumicade las unidades monomricas y despus se exploran las propiedades y funciones delos biopolmeros y agregados formados a partir de esos monmeros: aminocidos

xxviii Prefacio

en protenas, monosacridos en polisacridos y glicoconjugados, lpidos en mem-branas, nucletidos en cidos nucleicos.

La parte dos incluye tres captulos acerca de las propiedades de las enzimas,mecanismos enzimticos y coenzimas (captulos 5, 6, 7). Lo animamos a que ad-quiera una firme comprensin de estos temas crticos, dado que son necesariospara una apreciacin posterior de la funcin de las enzimas y las coenzimas en lasrutas metablicas. El captulo 8 cubre el tema de los carbohidratos y sus derivados.Se ha agregado nueva informacin acerca de los grupos sanguneos ABO en la sec-cin de glucoprotenas. Los lpidos y las membranas se describen en el captulo 9,y aqu se presenta a los estudiantes el emocionante campo de la transduccin deseal. Se mejor la descripcin del transporte de membrana y los potencialesde membrana con el fin de preparar a los estudiantes para los captulos acerca deltransporte de electrones y de gradientes protnicos.

La parte tres presenta nueve captulos que se enfocan en las rutas metablicas.En el captulo 10 se presentan las intrincadas sinfonas moleculares del metabolis-mo mediante la consideracin de cmo se energizan, interrelacionan y regulan lasrutas. En esta edicin se agregaron nuevos materiales acerca de cmo evolucionanlas rutas metablicas un tema al que regresaremos en los captulos subsiguientes.El captulo 11 describe la gliclisis con todo detalle. En esta etapa se estableci unformato que aparece en los captulos metablicos siguientes: primero se describe laruta bsica en trminos qumicos y enzimticos, despus se demuestran los reque-rimientos energticos y las fuentes de energa, y se concluye con un recuento de losmecanismos reguladores. Obsrvese que la primera introduccin a la transduccinde seal (captulo 9) permite la integracin de la regulacin a cada captulo del me-tabolismo y el anlisis de flujo a travs de las rutas recprocas.

El captulo 12 se ha reorganizado por completo. Ahora se pone mayor nfasisen la gluconeognesis y se explica cmo se relacionan las rutas de la gliclisis y lagluconeognesis. La mayora de los profesores de bioqumica estn dedicando mstiempo a la gluconeognesis, dado que es la ruta fundamental en la mayora de lasespecies. En los siguientes captulos acerca del metabolismo de lpidos (captulo16), el metabolismo de aminocidos (captulo 17) y el metabolismo de los nucle-tidos (captulo 18) describimos las rutas de la biosntesis antes de mostrar las rutasde degradacin. Una vez ms, esto es congruente con nuestro enfoque sobre losprincipios bsicos de bioqumica que aplican a la mayora de las especies y reflejauna nueva tendencia en la enseanza de la bioqumica. Siempre que ha sido posi-ble, explicamos dnde difieren las rutas de la bioqumica humana de las que sepueden ver en otras especies.

Esperamos que disfrute el nuevo contenido del captulo 13 (El ciclo del cidoctrico) y del captulo 14 (Transporte de electrones y sntesis de ATP). Se ha pues-to mayor nfasis en la evolucin de estas rutas y en la relacin entre las versionesprocariota y eucariota. Tambin se han incorporado nuevas estructuras de comple-jos de membrana como parte de una estrategia para relacionar la estructura y la fun-cin de una forma ms significativa de lo que era posible en ediciones previas. Laparte tres tambin incluye un captulo completamente revisado acerca de la fotosn-tesis (captulo 15). Se ha aprovechado la tremenda cantidad de nueva informacinacerca de la fotosntesis para describir de qu manera los sistemas bacterianos sim-ples han evolucionado en los sistemas de plantas ms complejos. Tambin se hapuesto mayor atencin en la integracin de los principios de la fotosntesis y el ma-terial sobre la teora quimiosmtica que se presenta en el captulo precedente acer-ca del transporte de electrones.

La parte cuatro concluye el libro con cinco captulos acerca del flujo de infor-macin biolgica. Nuestro principal nfasis a travs de esta serie de captulos seencuentra en los procesos bsicos que rigen las rutas de los flujos de informacin.Nos hemos esforzado en incorporar en nuestra historia de los genes y de la expre-sin gentica los principios de bioqumica que se ensearon en los captulos prece-dentes. El captulo final (23) es una presentacin sustancial y contempornea de lastcnicas que se utilizan en la tecnologa del ADN recombinante.

Prefacio xxix

Nuevas caractersticas en esta edicin

Estamos agradecidos por toda la informacin recibida relacionada con las primerastres ediciones de este texto. Adems de los cambios que se observaron, en estacuarta edicin podr percatarse de las siguientes mejoras:

descripciones ampliadas de las reacciones de oxidorreduccin en varios captu-los, incluyendo una mayor explicacin de dnde provienen los electrones.

problemas adicionales al final de cada captulo, con soluciones detalladas paratodos los problemas en un apndice al final del libro.

ms soluciones muestra a los problemas.

mayor cantidad de referencias cruzadas al margen para mejorar la conexinentre los conceptos y la integracin del material, a fin de permitir a los profe-sores cubrir el material en un orden diferente, y mejorar la eficiencia del estu-dio de sus alumnos.

adicin de un tema especial, aplicacin clnica, e insertos de estudio ms pro-fundo en la mayor parte de los captulos.

insertos adicionales acerca de los orgenes de los nombres bioqumicos con elfin de hacer del vocabulario algo ms sencillo e interesante.

ampliacin del glosario de trminos bioqumicos al final del libro.

actualizacin de lecturas seleccionadas al final de cada captulo.

Desde la publicacin de la tercera edicin se realizaron avances importantes envarias reas. Para esta edicin, cada seccin del texto fue modificada para reflejaresos avances. Por ejemplo, se agregaron muchas estructuras protenicas nuevas, ca-da una con referencias al Banco de Datos de Protenas; se ampli el anlisis de lasestructuras de las protenas (con ms ejemplos); se profundizaron los comentariosacerca de las enzimas multifuncionales conocidas; se enfatiz ms el tema de laevolucin molecular; se mejor el anlisis del mecanismo de conservacin de ener-ga como ATP; se incorporaron los resultados de varias iniciativas del genoma, y seagreg nueva informacin acerca de la transcripcin y traduccin, incluyendo in-formacin sobre las estructuras del ribosoma y la RNA polimerasa.

Se cre un paquete de aprendizaje para el estudiante (disponible en ingls) queincluye lo siguiente:

The Biochemistry Student Companion

Sitio Web Companion

Los paquetes para el profesor (tambin en ingls) consisten en:

Centro de recursos para el instructor en CD/DVD

Curso precargado en nuestra plataforma educactiva en lnea (CourseCompass).

AgradecimientosEstamos agradecidos con muchos de nuestros talentosos y destacados revisores queayudaron a dar forma a este libro.

Colaboradores que ayudaron en esta cuarta edicin:

Revisores de precisin:

David Watt, University of KentuckyNeil Haave, University of Alberta

Revisores de contenido:

Consuelo lvarez, Longwood University Marilee Benore Parsons, University of Michigan Albert M Bobst, University of Cincinnati Gary J. Blomquist, University of Nevada, Reno Kelly Drew, University of Alaska, Fairbanks Andrew Feig, Indiana University Giovanni Gadda, Georgia State University Donna L. Gosnell, Valdosta State University Charles Hardin, North Carolina State University Jane E. Hobson, Kwantlen University College Ramji L. Khandelwal, University of Saskatchewan Scott Lefler, Arizona State Kathleen Nolta, University of Michigan Jeffrey Schineller, Humboldt State University Richard Shingles, Johns Hopkins University Michael A. Sypes, Pennsylvania State University Martin T. Tuck, Ohio University Julio F. Turrens, University of South Alabama David Watt, University of Kentucky James Zimmerman, Clemson University

Revisores que han contribuido en ediciones previas:

Lawrence Aaronson, Utica College of Syracuse; Stephen L. Bearne, University ofNorth Carolina at Chapel Hill; Robert Bergen, University of Central Arkansas;Gary J. Blomquist, University of Nevada-Reno; Robert I. Bolla, Saint Louis Univer-sity; Lori Bolyard, University of Evansville; John Brosnan, Memorial University ofNewfoundland; Ronald Callahan, New York University; Martin F. Chaplin, SouthBank University; William Coleman, University of Hartford; Harold Cook, Dalhou-sie University; Gary W Daughdrill, University of Idaho; Ruthellen M. Dawley,University of Evansville; John Durham, West Virginia School of Medicine; YvesEngelborghs, University of Leuven; Edward Funkhouser, Texas A&M University;Milton Gordon, University of Washington; Kenneth, E. Guyer, Marshall Univer-sity; Robert Harris, Indiana University-School of Medicine; Jan Hoek, ThomasJefferson University; J. Kenneth Hoober, Arizona State University; Cristi Hunnes,Rocky Mountain College; Mahendra K. Jain, University of Delaware; ThomasD. Kim, Youngstown State University; David Koetje, SUNY-Fredonia; James A.Knopp, North Carolina State University; Susan Lees-Miller, Roger A. Lewis, Uni-versity of Nevada at Reno; University of Calgary; Robert N. Lindquist, San FranciscoState University; Richard Lomneth, University of Nebraska at Omaha; Ray Lut-gring, University of Evansville; George Marzluf, Ohio State University; BarbaraOlson, University of Calgary; Thomas Prasthofer, Albany College of Pharmacy;Thomas Reilly, California State University-Dominguez Hills; Carl Rhodes, Uni-versity of Illinois-Urbana-Champagne; Gale Rhodes, University of Southern Mai-ne; Duane L. Rohlfing, University of South Carolina; Douglas Russell, DalhousieUniversity; Aziz Sancar, University of North Carolina-School of Medicine; LarryScheve, California State University-Hayward; Allen Scism, Central Missouri StateUniversity; Steven Seifried, University of Hawaii at Manoa; Thomas Sherman,University of Pittsburgh; Timothy A. Sherwood, Arkansas Tech University; DeanSherry, University of Texas at Dallas; David Skalnik, Indiana University School ofMedicine; Anthony F. Sky, Lawrence Technological University; Gary D. Small,University of South Dakota; Ronald L. Somerville, Purdue University; Ralph Step-hani, St. Johns University; Laurence Tate, University of South Alabama; WilliamThompson, University of Toronto; Richard W. Topham, University of Richmond;Arrel Towes, University of South Carolina; Julio F. Turrens, University of South

xxx Prefacio

Alabama; Jack Y. Vanderhoek, Charles Waechter, University of Kentucky; JubranM. Wakim, Middle Tennessee State University; George Washington University;William Wolodko, University of Alberta; David Yang, Georgetown University.

Tambin nos gustara agradecer a nuestros colegas que contribuyeron anterior-mente con el material de determinados captulos, y cuyo cuidadoso trabajo an re-side en este libro:

Roy Baker, University of Toronto Roger W. Brownsey, University of British Columbia Willy Kalt, Agriculture Canada Robert K. Murray, University of Toronto Frances Sharom, University of Guelph Malcolm Watford, Rutgers, The State University of New Jersey

Asimismo, nos gustara agradecer a quienes brindaron su ayuda para integrareste libro, el cual supuso un gran esfuerzo de colaboracin entre varios miembrosdel equipo que dio vida a este proyecto: Jonathan Parrish, Jay McElroy, Lisa Shoe-maker, y los artistas de Prentice Hall; Jennifer Hart, asistente editorial, Crissy Du-donis, editor de proyecto a cargo de los suplementos, Patrick Shriner, editor demedios, Andrew Gilfillan, gerente de mercadotecnia, y nuestro especial agradeci-miento a Marty Sopher, nuestro editor de produccin, cuyas habilidades de organi-zacin han hecho posible la creacin de este libro. Tambin nos gustara agradecera Gary Carlson, editor ejecutivo en Prentice Hall.

Por ltimo, cerramos con una invitacin para la retroalimentacin. A pesar denuestros mejores esfuerzos (y del gigantesco historial de las ediciones previas), so-mos proclives a cometer errores en un libro de esta magnitud; sin embargo, estamoscomprometidos a convertirlo en el mejor libro de bioqumica disponible; hacemosnotar que todos sus comentarios siempre sern bienvenidos.

Laurence A. [email protected]

K. Gray [email protected]

Marc D. [email protected]

Prefacio xxxi

Gua sobre las caractersticasde este textoLa mayora de los estudiantes que adquieran este libro tiene la meta de dominar el material. Tambin desea ob-tener una buena calificacin en el curso. He aqu algunos consejos que lo ayudarn a alcanzar esa finalidad:

Asista a sus clases y tome notas. Mantngase al corriente en todas sus tareas. Lea este libro de texto segn lo seale su profesor. Practique sus habilidades resolviendo problemas: muchos son parecidos a los que vendrn en sus exmenes.

348 CAPTULO 11 Gliclisis

OH

HOH

H

2

3 14

5

CH2OH

OHO

H

H2O

-D-Fructosa 6-fosfato

-D-Fructosa 2,6-bifosfato

Fructosa 2,6-bifosfatasa

ATP

PFK-2

ADP

Pi

OPO3

63POCH2

OH

HOH

H

2

3 14

5

CH2OH

O

2

63POCH22 2

Figura 11.16Interconversin de b-D-fructosa 6-fosfato y b-D-fructosa 2,6-bi fosfato.

La ruta de sealizacin con adenilil ciclasase describi en la seccin 9.12B.

como se describi en la seccin 10.6, se presentan cambios importantes en las concen-traciones de ADP y AMP, porque esas molculas existen en las clulas en concentracio-nes mucho menores que la de ATP, y pequeos cambios en la concentracin de ATPcausan cambios proporcionalmente mayores en las concentraciones de ADP y AMP. Enconsecuencia, las concentraciones de estado estable de estos compuestos pueden con-trolar el flujo a travs de la PFK-1.

El citrato, un intermedio en el ciclo del cido ctrico, es un inhibidor de importan-cia fisiolgica para la PFK-1. Una concentracin elevada de citrato indica que el ciclodel cido ctrico est bloqueado, y que no tendra objeto producir ms piruvato. El efec-to regulador del citrato sobre la PFK-1 es un ejemplo de inhibicin por retroalimenta-cin, que regula el abasto de piruvato al ciclo del cido ctrico.

La actividad de la PFK-1 est regulada por el pH intracelular. Por ejemplo, duran-te el ejercicio pesado, la gliclisis anaerbica produce cido lctico en las clulas mus-culares. Si el cido lctico no es eliminado con la rapidez suficiente por la sangre, bajael pH y se inhibe la PFK-1 por el exceso de iones hidrgeno.

La fructosa 2,6-bisfosfato (figura 11.16) es un activador potente de PFK-1, eficazen los dominios micromolares. Este compuesto existe en los mamferos, hongos yplantas, pero no en los procariotas.

La fructosa 2,6-bisfosfato se forma a partir de fructosa 6-fosfato, por accin dela enzima fosfofructocinasa-2 (PFK-2, o fructosa 6-fosfato, cinasa 2). La PFK-2 esestimulada por fosfato inorgnico e inhibida por citrato. En forma sorprendente, en elhgado de los mamferos, un sitio activo diferente en la misma protena es el que catali-za la desfosforilacin hidroltica de fructosa 2,6-bifosfato para volver a formar fructosa6-fosfato. Esta actividad de la enzima se llama fructosa 2,6-bifosfatasa. Las actividadesparalelas de la PFK-2 controlan la concentracin de fructosa 2,6-bifosfato en estadoestable.

En el hgado, la actividad de la PFK-2 se vincula con la accin del glucagn, hor-mona producida en el pncreas como respuesta a concentraciones bajas de glucosa en lasangre. Una elevacin en la concentracin de glucagn en la sangre dispara la ruta desealizacin de adenilil ciclasa en las clulas hepticas, lo que culmina en la fosforila-cin de un residuo de serina en la PFK-2 (figura 11.17). La fosforilacin desactiva laactividad de la cinasa, de la enzima bifuncional, y activa su actividad de fosfatasa. Bajoestas condiciones baja la concentracin de fructosa 2,6-bifosfato, la PFK-1 se vuelvemenos activa y disminuye la gliclisis. Bajo las condiciones en las que la glucosa semetaboliza rpidamente, la concentracin de glucagn baja, la concentracin de fructo-sa 6-fosfato aumenta y se forma ms fructosa 2,6-bifosfato, ya que la fructosa 6-fosfatoes un sustrato de PFK-2 y a la vez es un inhibidor potente de la fructosa 2,6-bifosfatasa.Una fosfoprotena fosfatasa cataliza la desfosforilacin de PFK-2. As, en las clulashepticas se logra controlar la gliclisis mediante el glucagn, y la glucosa mediante elcontrol de la enzima bifuncional cuya actividad establece la concentracin de fructosa2,6-bifosfato en estado estable.

D. Regulacin de piruvato cinasa

El tercer sitio de regulacin alostrica de la gliclisis es la reaccin catalizada por la pi-ruvato cinasa. Hay presentes cuatro isozimas diferentes de piruvato cinasa en los tejidosde mamferos. Las isozimas que se encuentran en hgado, rin y glbulos rojos producenuna curva sigmoidal cuando se grafica la velocidad inicial en funcin de la concentra-cin de fosfoenolpiruvato (figura 11.18a). Estas enzimas estn activadas alostricamen-te por la fructosa 1,6-bifosfato (figura 11.19, pgina 350) y son inhibidas por ATP. Enausencia de fructosa 1,6-bifosfato, las concentraciones fisiolgicas de ATP inhiben casipor completo a la enzima aislada. La presencia de fructosa 1,6-bifosfato, que proba-blemente sea el modulador ms importante in vivo, hace desplazar la curva hacia laizquierda. Cuando hay suficiente fructosa 1,6-bifosfato, la curva se vuelve hiperblica.La figura 11.18a muestra que la actividad enzimtica es mayor en presencia del activa-dor alostrico para diversas concentraciones de sustrato. Recurdese que el fructosa 1,6-bifosfato es el producto de la reaccin catalizada por la PFK-1. Su concentracin au-menta cuando se eleva la actividad de la PFK-1. Como la fructosa 1,6-bifosfato activa a

Explicaciones integrales de qumicaExisten miles de reacciones metablicas en los humanos. Tal vez intente memorizarlas todas, pero en algnmomento este recurso se agotar; sin embargo, lo ms importante es que la memorizacin no le ser deayuda si se encuentra con algo que no haya visto antes.En este libro se muestran algunos de los mecanismos bsicos de las reacciones catalizadas por enzimas:una extensin de lo que aprendi en qumica orgnica. Si entiende el mecanismo, tambin entender laqumica. Tendr que memorizar menos, y retendr la informacin de manera ms efectiva.

xxxii

Notas al margenEn bioqumica existe una abundanciade detalles, sin embargo deseamosque usted sea capaz de ver tanto elbosque como los rboles. Cuandonecesite correlacionar algo que ya fueanalizado en el texto, o algn temaque se abordar ms adelante, lo en-contrar en el margen. Las referenciasa cuestiones anteriores le ofrecernun repaso de conceptos que quiz yahaya olvidado. Las referencias a te-mas futuros le ayudarn a tener unapercepcin ms general del tema.

RECUADRO 9.5 Lo picante de los chiles

Hoy se sabe por qu el sabor de los picantes es as y causa undolor quemante. El factor activo en los pimientos capsicum esun compuesto vainilloide lipoflico llamado capsaicina.

puede ser valioso en el alivio del dolor crnico, en condicionescomo la artritis.

H3CO

HO

NH

Capsaicina

O

Se ha identificado y caracterizado una protena receptorade clulas nerviosas que responde a la capsaicina. Es un canal deiones, y su secuencia de aminocidos parece indicar que tienetres dominios transmembranales. La activacin del receptor porcapsaicina hace que el canal se abra, para que puedan pasar losiones de calcio y sodio a la clula nerviosa, y mandar un im-pulso al cerebro. El receptor no slo se activa por especies vai-nilloides, sino tambin por rpidos aumentos de temperatura. Dehecho, el papel in vivo probable del receptor es la deteccin decalor. Aunque la accin de los opioides suprime el dolor, la de losvainilloides produce dolor. El control del receptor de capsaicina

RecuadrosinteresantesLa bioqumica es elfundamento de numerosasciencias aplicadas, comomedicina, ciencia forense,biotecnologa y bioinge-niera. Existen muchashistorias interesantes quecontar, y se encuentran enrecuadros aparte del textoprincipal a fin de no dis-traerse del tema que se estestudiando. Estos recuadrosle aportarn una compren-sin de las aplicacionescomerciales, prcticas ymdicas de la bioqumica.

360 CAPTULO 12 Gluconeognesis, la ruta de la pentosa fosfato y el metabolismo del glucgeno

la piruvato carboxilasa cataliza la conversin de piruvato en oxalacetato. La reaccin seacopla a la hidrlisis de una molcula de ATP.

La piruvato carboxilasa es una enzima compleja grande, formada por dos subunidadesidnticas. Cada subunidad tiene un grupo prosttico de biotina unido en forma covalentea un residuo de lisina. Se requiere la biotina para la adicin de bicarbonato al piruvato. Lapiruvato carboxilasa cataliza una reaccin metablicamente irreversible, y puede activar-se de manera alostrica por la acetil-CoA. Es el nico mecanismo regulador conocido pa-ra la enzima. La acumulacin de acetil-CoA indica que no se est metabolizando enforma eficiente mediante el ciclo del cido ntrico. La piruvato carboxilasa se estimula pa-ra dirigir al piruvato hacia el oxalacetato, y no la acetil-CoA. El oxalacetato puede entraral ciclo del cido ctrico o servir como precursor en la biosntesis de la glucosa.

El bicarbonato es uno de los sustratos en la reaccin 12.2. Se forma cuando se disuel-ve el dixido de carbono en agua y a veces la reaccin se escribe como si el CO2 fuera elsustrato. La reaccin de piruvato carboxilasa tiene una funcin importante en la fijacinde dixido de carbono en bacterias y algunos eucariotas. Esta funcin puede no ser tanobvia al examinar la gluconeognesis, ya que el dixido de carbono se libera en la reac-cin inmediata. Sin embargo, mucho del oxalacetato que se produce no se usa en la glu-coneognesis. Ms bien reabastece la reserva de intermedios en el ciclo del cido ctricoque sirven como precursores en la biosntesis de aminocidos y lpidos (seccin 13.7).

B. Fosfoenolpiruvato carboxicinasa

La fosfoenolpiruvato carboxicinasa (PEPCK, phosphoenolpyruvate carboxykinase) ca-taliza la conversin de oxalacetato en fosfoenolpiruvato.

Hay dos versiones distintas de PEPCK. La enzima que contiene bacterias, protistas, hon-gos y plantas usa ATP como donador de grupo fosforilo en la reaccin de descarboxila-cin. La versin de animales usa GTP. En la mayor parte de las especies, la enzima notiene propiedades cinticas alostricas ni moduladores fisiolgicos conocidos. Su activi-dad se modifica con mayor frecuencia mediante controles a nivel de transcripcin de sugen. El nivel de actividad de PEPCK en las clulas influye sobre la velocidad de gluco-neognesis. Esto vale en especial en los mamferos, donde la gluconeognesis sucedeprincipalmente en las clulas del hgado, riones e intestino delgado. Durante el ayuno enlos animales, la liberacin prolongada de glucagn en el pncreas lleva a una elevacin decAMP intracelular, que da lugar a una mayor transcripcin del gen PEPCK en el hgado,y mayor sntesis de PEPCK. Esta activacin de expresin de gen por una hormona se lla-ma induccin hormonal. Despus de varias horas, aumenta la cantidad de PEPCK y larapidez de la gluconeognesis. La insulina, abundante en el estado saciado, acta en opo-sicin al glucagn a nivel del gen, reduciendo la rapidez de sntesis de PEPCK.

El mecanismo de reaccin para la piruvatocarboxilasa se describi en la seccin 7.9.

Piruvato

+

2

C O

COO

COO

Bicarbonato

Oxalacetato

3

C O

COO

3 + H O2

ADP + Pi

Piruvato carboxilasaHCO

CH CHATP

2

C O

COO

COOOxalacetato

Fosfoenolpiruvato (PEP)

Fosfoenolpiruvato carboxicinasa (PEPCK)

2

C

COO

3

(ATP)GTP

(ADP)GDP

2

2OPO

CH CHCO

(12.2)

(12.3)

xxxiii

Figuras La bioqumica es una ciencia tridimensional y hemos puesto gran nfasis enayudarlo a visualizar conceptos abstractos y molculas extremadamente pe-queas. Se han aprovechado las nuevas tecnologas de interpretacin paraelaborar figuras ilustrativas, tanto bellas como informativas. Para ilustracio-nes adicionales de molculas en tercera dimensin dirjase al sitio Webwww.pearsoneducacion.net/horton y vea los diferentes archivos PDB.

Problemas de finalde captuloA partir del captulo 2, se hanincluido varios acertijos bioqumicosque se pueden resolver con base en lainformacin contenida en el captulo.Las respuestas se pueden encontrar alfinal del libro.

cido silico

CHOH

CH2OH

OH

OH

H

HN

H H

H CHOH

CH3

CO

H

COOHO7

2

3

6

5

4

1

8

9

Problemas

1. Identifique cada uno de los siguientes:a) Dos aldosas cuya configuracin en los carbonos 3, 4 y 5

coincida con la D-fructosa.b) El enantimero de la D-galactosa.c) Un epmero de la D-galactosa que tambin sea epmero

de la D-manosa.d) Una cetosa que no tenga centros quirales.e) Una cetosa que slo tenga un centro quiral.f) Residuos de monosacrido de celulosa, amilosa y gluc-

geno.g) Residuos monosacridos de quitina.

2. Trace proyecciones de Fischer para: a) L-manosa, b) L-fucosa(6-desoxi-L-galactosa), c) D-xilitol y d) D-iduronato.

3. Describa las propiedades estructurales generales de los gli-cosaminoglicanos.

4. La miel es una emulsin de D-fructosa microcristalina y D-glucosa. Aunque la D-fructosa en polisacridos existe princi-palmente en la forma de furanosa, la D-fructosa en solucin ocristalina (como en la miel) es una mezcla de varias formas,donde predomina la b-D-fructopiranosa (67%) y la b-D-fruc-tofuranosa (25%). Trace la proyeccin de Fischer para la D-fructosa e indique cmo puede ciclarse y formar los dosciclos anteriores.

5. El cido silico (cido N-Acetil-a-D-neuramnico) se en-cuentra con frecuencia en oligosacridos N-enlazados, queintervienen en interacciones entre clulas. Las clulas cance-rosas sintetizan cantidades mucho mayores de cido silicoque las clulas normales, y se han propuesto derivados delcido silico como agentes anticancerosos para bloquear las

6. Cuntos estereoismeros son posibles para la glucopirano-sa y la fructofuranosa? Cuntos son azcares D en cada ca-so, y cuntos son azcares L?

7. Trace la estructura de cada una de las molculas siguientes, eindique con un asterisco los carbonos quirales.a) Fosfato de a-D-glucosa.b) 5-Fosfato de 2-desoxi-b-D-ribosa.c) 3-Fosfato de D-gliceraldehdo.d) L-Glucuronato.

interacciones en superficies celulares de las clulas normalesy cancerosas. Conteste lo siguiente, acerca de la estructuradel cido silico:a) Es una forma anomrica a o b?b) Tendr el cido silico mutarrotacin entre las formas

anomricas a y b?c) Es un desoxi azcar?d) Formar la cadena abierta del cido silico un aldehdo

o una cetona?e) Cuntos carbonos quirales hay en el anillo de azcar?

a)

Membrana bacteriana

EXTERIOR (Periplasma)

INTERIOR (Citoplasma)

b)

h

Hemo de citocromo c

Par especial (P870)

Bacterioclorofila a

Bacteriofeofitina

QuinonaQ

QH2

2Hin

e

ee

e

e

ee

Carbono Carbono carbonlicoHidrgenoNitrgenoOxgenoCadena lateralHlice derecha Eje

0.15 nm Ascenso (avance por residuo de aminocido)

0.54 nmPaso(avanza por vuelta)

Membrana bacteriana

EXTERIOR (Periplasma)

INTERIOR (Citoplasma)

xxxiv

Sitio Web para el alumno (en ingls)La nueva edicin del libro de texto ofrece un sitio Web para el alumno en www.pearsoneducacion.net/horton. Este sitio est enfocado a la visualizacin de la bioqumica e incluye cientos de modelostridimensionales de las biomolculas, entre las que se encuentran casi todas las que aparecen en el texto.La posibilidad de ver estas ilustraciones es una forma maravillosa de asegurarse de que se comprenden lascaractersticas clave de la arquitectura macromolecular.

El sitio Web tambin incluye los MediaLab, que le ayudarn a utilizar Internet a fin de practicar y aplicar loque ha aprendido. Con cada laboratorio ser capaz de investigar los antecedentes de un tema importanterelacionado con el captulo que acaba de leer, y despus responder las preguntas que ponen a prueba sucomprensin del tema. Los temas MediaLab han sido cuidadosamente seleccionados para centrarse en lainformacin oportuna y relevante en su vida cotidiana. Estas investigaciones estn diseadas para convertirseen una actividad dinmica de descubrimiento en la cual pueda participar y elaborar informes de manera indi-vidual o en grupo.

Recursos para el profesor (en ingls)

Banco de exmenes por William Coleman, University of Hartford y DonnaGosnell, Valdosta State University.Ofrece una seleccin de ms de 1,500 preguntas relacionadas con el texto.

Banco de exmenes en formato TestGenAdems del banco de exmenes impresos, tambin se ofrecen las preguntas deexmenes como parte del software de pruebas TestGen, un programa que permitea los profesores ver y editar las preguntas, exportar los exmenes, e imprimirlosen una variedad de formatos o incluso publicarlas en Web.

Adems se ofrece al profesor las ilustraciones del libro, tanto en el formato JPGcomo en PowerPoint, lo cual facilita la preparacin de las presentaciones para elsaln de clase.

Todos estos recursos estn disponibles para ser descargados desde Internet. Paramayor informacin, visite www.pearsoneducacion.net/horton

CourseCompassEste libro cuenta con un curso precargado en nuestra exclusiva plataforma educa-tiva en lnea, CourseCompass.

CourseCompass est basado en la plataforma Blackboard. Cada curso de Course-Compass est complementado con una serie de recursos que le permiten al profesortener un curso funcionando en cuestin de minutos. El curso de este libro incluyecuestionarios de autoevaluacin, animaciones, molculas en tercera dimensin yvnculos hacia los MediaLabs. Por si fuera poco, CourseCompass permite a losprofesores tener un seguimiento de las calificaciones de los alumnos y tener unsinnmero de opciones de comunicacin, entre las que se encuentran los foros dediscusin, salones de conversacin, envo de mensajes a varios usuarios y hasta unsaln de clases virtual. Para mayor informacin sobre CourseCompass, pregunte asu representante de ventas o escrbanos a [email protected].

xxxv

Principios debioqumica

1Arriba: Adenovirus. Los virus estn compuestos por una molcula de cido nucleico rodeada por una capa de protenas.

Introduccina la bioqumica

La bioqumica es el estudio de las molculas y las reacciones qumicas de la vida.Es la disciplina que emplea los principios y el lenguaje de la qumica a fin deexplicar la biologa a nivel molecular. Los bioqumicos descubrieron que loscompuestos qumicos y los procesos metablicos centrales son los mismos que se en-cuentran en organismos tan distantes como las bacterias, plantas y humanos. Se sabeque los principios bsicos de la bioqumica son comunes a todos los organismos vivos.Aunque en la prctica los cientficos concentran sus esfuerzos de investigacin en orga-nismos particulares, sus resultados se pueden extrapolar a muchas otras especies.

Este libro se ha titulado Principios de bioqumica debido a que se enfoca en losconceptos ms importantes y fundamentales de la bioqumica: aquellos que son comu-nes a la mayora de las especies, incluidas bacterias, plantas y mamferos como el hom-bre. Cuando sea conveniente, se indicarn las caractersticas que distinguen a gruposparticulares de organismos.

Muchos estudiantes e investigadores estn cada vez ms interesados en la bioqumicahumana. Las causas de la enfermedad y la importancia de la nutricin apropiada, por ejem-plo, son temas bioqumicos fascinantes. Los autores comparten ese inters, y es por elloque incluyeron numerosas referencias a la bioqumica humana en este libro de texto. Noobstante, tambin tratarn de interesar al lector en el rea de la bioqumica de otras espe-cies. Con frecuencia es ms fcil comprender los principios bsicos de la bioqumicamediante el estudio de muchas especies diferentes para identificar temas y patrones co-munes. Un conocimiento y apreciacin de otras especies son de gran utilidad en el apren-dizaje de la bioqumica. Tambin ayudan a reconocer la naturaleza fundamental de la vidaa nivel molecular y la forma en que las especies estn relacionadas como consecuencia dela evolucin de un ancestro comn. Quiz las ediciones futuras de este libro incluirn ca-ptulos referentes a la bioqumica de la vida en otros planetas. Hasta entonces, habr queconformarse con aprender acerca de la diversidad de la vida en este planeta.

Este captulo de introduccin dar inicio con algunos puntos de inters en la histo-ria de la bioqumica, seguidos por algunas breves descripciones de los grupos qumicosy molculas que se encontrarn en el transcurso de este libro. La segunda mitad del ca-

1c a p t u l o

u n o

2 CAPTULO 1 Introduccin a la bioqumica

ptulo es un repaso general de la estructura celular, cuyo fin es preparar al lector para elestudio de la bioqumica.

1.1 La bioqumica es una ciencia moderna

La bioqumica surgi como ciencia dinmica tan slo desde hace 100 aos. No obstan-te, las bases para el campo de trabajo que dieron pie al surgimiento de la bioqumica co-mo ciencia moderna fueron sentadas desde hace muchos siglos. El periodo anterior alsiglo XX fue testigo de rpidos avances en la comprensin de los principios qumicosbsicos como la cintica de reaccin y la composicin atmica de las molculas. Parafines del siglo XIX se haban identificado numerosas sustancias qumicas producidaspor los organismos vivos. Desde entonces, la bioqumica se ha convertido en una disci-plina organizada y los bioqumicos dilucidaron muchos de los procesos qumicos de lavida. El crecimiento de la bioqumica y su influencia en otras disciplinas seguir sumarcha durante el siglo XXI.

En 1828, Friedrich Whler sintetiz el compuesto orgnico urea al calentar elcompuesto inorgnico cianato de amonio.

(1.1)

Este experimento mostr por primera vez que a partir de sustancias inorgnicas comunesera posible sintetizar los compuestos que se encuentran exclusivamente en los organismosvivos. Ahora se sabe que la sntesis y degradacin de las sustancias biolgicas obedecen alas mismas leyes qumicas y fsicas aplicables a procesos independientes de la biologa.No se requieren procesos especiales o vitalistas para explicar la vida a nivel molecular.Muchos cientficos ubican los principios de la bioqumica con la sntesis de la urea querealiz Friedrich Whler; sin embargo, tuvieron que transcurrir otros 75 aos antes deque los primeros departamentos de bioqumica se establecieran en las universidades.

Los dos descubrimientos ms importantes en la historia de la bioqumica son espe-cialmente notables: el descubrimiento de la funcin cataltica de las enzimas y la fun-cin de los cidos nucleicos como molculas transportadoras de informacin. El grantamao de las protenas y los cidos nucleicos dificult su caracterizacin inicial debi-do a las tcnicas disponibles en la primera parte del siglo XX. Con el desarrollo de latecnologa moderna, ahora se tiene acceso a una gran cantidad de informacin acercadel modo como se relacionan las estructuras de las protenas y los cidos nucleicos consus funciones biolgicas.

El primer descubrimiento la identificacin de las enzimas como catalizadores dereacciones biolgicas fue en parte resultado de la investigacin de Eduard Buchner. En1897, Eduard Buchner demostr que los extractos de levaduras libres de clulas podancatalizar la fermentacin de la glucosa para convertirla en alcohol y dixido de carbo-no. Antes de esto, los cientficos crean que slo las clulas vivas podan catalizar talesreacciones biolgicas complejas.

El estudio de la naturaleza de los catalizadores biolgicos fue investigada por EmilFischer, un contemporneo de Eduard Buchner. Fischer estudi el efecto cataltico delas enzimas de la levadura en una reaccin simple, la hidrlisis (ruptura por agua) de lasacarosa (azcar de mesa). Fischer propuso que durante la catlisis una enzima y sureactante, o sustrato, se combinaban para formar un compuesto intermedio. Tambinpropuso que slo una molcula con una estructura adecuada poda servir como sustratode una determinada enzima. Fischer describi las enzimas como moldes rgidos, o ce-rraduras, y a los sustratos como sus llaves correspondientes. Pronto los investigadorescomprendieron que casi todas las reacciones de la vida eran catalizadas por enzimas;por ende, la teora modificada de la llave y su cerradura de la accin enzimtica siguesiendo el principio central de la bioqumica moderna.

Como se ver en el captulo 5, la catlisis enzimtica permite rendimientos muyaltos con muy pocos subproductos, en el caso de haberlos. En contraste, muchas reac-ciones catalizadas en la qumica orgnica se consideran aceptables si obtienen rendi-mientos de 50 a 60%. Las reacciones bioqumicas deben ser eficientes dado que los

O

NH4(OCN) Calor

" H2N C NH2

Friedrich Whler (1800-1882). Al sintetizarla urea, Whler demostr que los compues-tos que se encuentran en los organismosvivos se pueden producir en el laboratorio apartir de sustancias inorgnicas.

Eduard Buchner (1860-1917). Buchnerdescubri la fermentacin en ausencia declulas.

1.2 Los elementos qumicos de la vida 3

subproductos pueden ser txicos para las clulas y su formacin desperdiciara energapreciosa. Por supuesto, la otra propiedad clave de la catlisis enzimtica es que las reac-ciones biolgicas ocurren con mucha mayor rapidez que sin un catalizador.

La ltima mitad del siglo XX presenci tremendos avances en el rea de la biologaestructural, en especial en lo referente a la estructura de las protenas. En las dcadas de1950 y 1960, cientficos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) dirigidos porJohn C. Kendrew y Max Perutz explicaron las primeras estructuras de las protenas.Desde entonces, se han determinado las estructuras tridimensionales de ms de 1,000protenas diferentes y la comprensin de la compleja bioqumica de las protenas se haincrementado de manera significativa. Estos rpidos avances fueron posibles gracias alacceso a computadoras ms grandes y rpidas, y a nuevos programas de computacincapaces de realizar los numerosos clculos que antes se acostumbraba efectuar a manoo por medio de calculadoras sencillas. Gran parte de la bioqumica moderna depende delas computadoras, por lo que se ha creado una nueva subdisciplina denominada bioinfor-mtica.

El segundo gran descubrimiento en la historia de la bioqumica la identificacin delos cidos nucleicos como molculas de informacin se suscit medio siglo despusde los experimentos de Fischer y Buchner. En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod yMaclyn McCarty extrajeron cido desoxirribonucleico (ADN) de una cepa txica de labacteria Streptococcus pneumoniae y lo mezclaron con una cepa no txica del mismo mi-croorganismo. Como resultado, la cepa no txica se transform de manera permanente enuna cepa txica. Este experimento proporcion la primera evidencia concluyente de queel ADN es el material gentico. En 1953, James D. Watson y Francis H. C. Crick deduje-ron la estructura tridimensional del ADN. La estructura del ADN sugiri de inmediato aWatson y Crick un mtodo por el que el ADN pudiera reproducirse por s mismo, o auto-rreplicarse, y por lo tanto transmitir informacin biolgica a sus sucesivas generaciones.Las investigaciones posteriores demostraron que la informacin codificada en el ADN setranscriba al cido ribonucleico (ARN) y despus se traduca en la protena.

(1.2)

El estudio de la gentica en el contexto de las molculas de cido nucleico es par-te de la biologa molecular y, a su vez, la biologa molecular es parte de la bioqumica.Con el fin de entender de qu forma los cidos nucleicos almacenan y transmiten infor-macin gentica, se debe comprender la estructura de los cidos nucleicos y su funcinen la codificacin de las enzimas, las cuales catalizan la sntesis y degradacin de lasbiomolculas, entre las que se encuentran tambin los cidos nucleicos . El lector com-prender que gran parte de su estudio de la bioqumica estar dedicado a considerar porqu las enzimas y los cidos nucleicos son centrales para la qumica de la vida.

Como predijo Crick en 1958, el flujo normal de informacin del cido nucleico a laprotena es irreversible. l se refiri a este flujo de informacin unidireccional como elDogma Central de la biologa molecular. El trmino Dogma Central muchas veces esmalentendido. En trminos estrictos, no se refiere al flujo general de informacin al queantes se hizo referencia, sino al hecho de que una vez que la informacin en los cidos nu-cleicos se transfiere a la protena sta no puede fluir de nuevo hacia los cidos nucleicos.

1.2 Los elementos qumicos de la vida

Existen seis elementos no metlicos oxgeno, carbono, hidrgeno, nitrgeno, fsforo yazufre que representan ms de 97% del peso de la mayora de los organismos. Todosestos elementos pueden formar enlaces covalentes estables. Las cantidades relativasde estos seis elementos varan en cada organismo. El agua es el principal componente delas clulas y representa un alto porcentaje (en peso) de oxgeno. El carbono es muchoms abundante en los organismos vivos que en el resto del universo. Por otro lado, algu-nos elementos como el silicio, el aluminio y el hierro son muy comunes en la corteza te-rrestre pero estn presentes en las clulas slo en trazas. En conjunto, un total de 29elementos diferentes se encuentran por lo comn en los organismos vivientes (figura1.1, pgina 4). stos incluyen a cinco iones esenciales en todas las especies: calcio

potasio ,

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