Herper. Bioquimica IlustradaDirector editorial: Javier de León
Fraga Editor Sponsor: Gabriel Romero Hernández Supervisor de
edición: Manuel Bernal Pérez Corrección de estilo: Luis A. Leñero
Leal Supervisor de producción: José Luis González Huerta
NOTA La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme
surjan nuevos conocimientos, se requerirán cambios de la
terapéutica. El (los) autor(es) y los editores se han esforzado
para que los cuadros de dosificación medicamentosa sean precisos y
acordes con lo establecido en la fecha de publicación. 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
preparación de la obra garantizan que la información contenida en
ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u
omisiones, ni de los resultados que con dicha información se obten-
gan. Convendría recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y
de manera particular, habrá que consultar la hoja informativa que
se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la
información de esta obra es precisa y no se han introducido cambios
en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su admi-
nistración. Esto es de particular importancia con respecto a
fármacos nuevos o de uso no frecuente. También deberá consultarse a
los laboratorios para recabar información sobre los valores
normales.
HARPER. BIOQUÍMICA ILUSTRADA
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por
cualquier medio, sin autorización escrita del editor.
DERECHOS RESERVADOS © 2010, respecto a la primera edición en
español, por McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V. A
subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de
la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe,
Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D.F. Miembro de la
Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm.
736
ISBN: 978-607-15-0304-6
Translated from the twenty-eight English edition of: Harper s
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
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Contenido Prefacio ix
1. Bioquímica 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 Ó N I ESTRUCTURAS Y FUNCIONES DE PROTEÍNAS Y ENZIMAS
14
3. Aminoácidos y péptidos Peter J. Kennelly, PhD y Victor W.
Rodwell, PhD 14
4. Proteínas: determinación de la estructura primaria Peter J.
Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD 21
5. Proteínas: órdenes de estructura superiores Peter J. Kennelly,
PhD y Victor W. Rodwell, PhD 31
6. Proteínas: mioglobina y hemoglobina Peter J. Kennelly, PhD y
Victor W. Rodwell, PhD 43
7. Enzimas: mecanismo de acción Peter J. Kennelly, PhD y Victor W.
Rodwell, PhD 51
8. Enzimas: cinética Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell,
PhD 62
9. Enzimas: regulación de actividades Peter J. Kennelly, PhD y
Victor W. Rodwell, PhD 75
10. Bioinformática y biología computacional Peter J. Kennelly, PhD
y Victor W. Rodwell, PhD 84
S E C C I Ó N II BIOENERGÉTICA Y EL METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS Y
LÍPIDOS 92
11. Bioenergética: la función del ATP Kathleen M. Botham, PhD, DSc
y Peter A. Mayes, PhD, DSc 92
12. Oxidación biológica Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A.
Mayes, PhD, DSc 98
13. Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa Kathleen M.
Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 103
14. Carbohidratos importantes desde el punto de vista fisiológico
David A. Bender, PhD 113
15. Lípidos de importancia fisiológica Kathleen M. Botham, PhD, DSc
y Peter A. Mayes, PhD, DSc 121
16. Perspectiva general del metabolismo y el suministro de
combustibles metabólicos David A. Bender, PhD 131
17. El ciclo del ácido cítrico: el catabolismo de la acetil-CoA
David A. Bender, PhD 143
18. Glucólisis y la oxidación de piruvato David A. Bender, PhD
149
19. Metabolismo del glucógeno David A. Bender, PhD 157
vii
viii CONTENIDO
20. Gluconeogénesis y el control de la glucosa en la sangre David
A. Bender, PhD 165
21. La vía de pentosa fosfato y otras vías del metabolismo de
hexosas David A. Bender, PhD 174
22. Oxidación de ácidos grasos: cetogénesis Kathleen M. Botham,
PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 184
23. Biosíntesis de ácidos grasos y eicosanoides Kathleen M. Botham,
PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 193
24. Metabolismo de acilgliceroles y esfingolípidos Kathleen M.
Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 205
25. Transporte y almacenamiento de lípidos Kathleen M. Botham, PhD,
DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 212
26. Síntesis, transporte y excreción de colesterol Kathleen M.
Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc 224
S E C C I Ó N III METABOLISMO DE PROTEÍNAS Y AMINOÁCIDOS 234
27. Biosíntesis de los aminoácidos no esenciales desde el punto de
vista nutricional Victor W. Rodwell, PhD 234
28. Catabolismo de proteínas y de nitrógeno de aminoácidos Victor
W. Rodwell, PhD 239
29. Catabolismo de los esqueletos de carbono de aminoácidos Victor
W. Rodwell, PhD 248
30. Conversión de aminoácidos en productos especializados Victor W.
Rodwell, PhD 262
31. Porfirinas y pigmentos biliares Robert K. Murray, MD, PhD
271
S E C C I Ó N IV ESTRUCTURA, FUNCIÓN Y REPLICACIÓN DE
MACROMOLÉCULAS INFORMACIONALES 285
32. Nucleótidos Victor W. Rodwell, PhD 285
33. Metabolismo de nucleótidos, purina y pirimidina Victor W.
Rodwell, PhD 292
34. Estructura y función del ácido nucleico P. Anthony Weil, PhD
302
35. Organización, replicación y reparación de DNA P. Anthony Weil,
PhD 312
36. Síntesis, procesamiento y modificación del RNA P. Anthony Weil,
PhD 335
37. Síntesis de proteínas y el código genético P. Anthony Weil, PhD
353
38. Regulación de la expresión génica P. Anthony Weil, PhD
369
39. Genética molecular, DNA recombinante y tecnología genómica P.
Anthony Weil, PhD 388
S E C C I Ó N V BIOQUÍMICA DE LA COMUNICACIÓN EXTRACELULAR E
INTRACELULAR 406
40. Membranas: estructura y función Robert K. Murray, MD, PhD y
Daryl K. Granner, MD 406
41. La diversidad del sistema endocrino P. Anthony Weil, PhD
425
42. Acción hormonal y transducción de señal P. Anthony Weil, PhD
444
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CONTENIDO ix
S E C C I Ó N VI TEMAS ESPECIALES 459
43. Nutrición, digestión y absorción 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. Tráfico y distribución intracelulares de proteínas Robert K.
Murray, MD, PhD 487
47. Glucoproteínas Robert K. Murray, MD, PhD 506
48. La matriz extracelular Robert K. Murray, MD, PhD y Frederick W.
Keeley, PhD 527
49. Músculo y el citoesqueleto Robert K. Murray, MD, PhD 545
50. Proteínas plasmáticas 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 xenobióticos Robert K. Murray, MD, PhD 609
54. Historias de caso bioquímicas Robert K. Murray, MD, PhD y Peter
L. Gross, MD 616
Apéndice I 647
Apéndice II 648
Índice alfabético 651
Bioquímica y medicina Robert K. Murray, MD, PhD
c a P í t u l o
1
1
INTRODUCCIÓN La bioquímica puede definirse como la ciencia de la
base química de la vida (del griego bios, “vida”). La célula es la
unidad estructural de los sistemas vivos. De este modo, también es
factible describir a la bioquímica como la ciencia de los
constituyentes químicos de las células vivas, y de las reacciones y
los procesos que experimentan. Me- diante esta definición, la
bioquímica abarca grandes áreas de la bio- logía celular, la
biología molecular y la genética molecular.
El objetivo de la bioquímica es describir y explicar, en términos
moleculares, todos los procesos químicos de las células vivas El
principal objetivo de la bioquímica es el entendimiento completo,
en el nivel molecular, de todos los procesos químicos relacionados
con las células vivas. Para lograr este objetivo, los bioquímicos
han buscado aislar las numerosas moléculas que se encuentran en las
células, determinar su estructura y analizar cómo funcionan. Se han
usado muchas técnicas para estos propósitos; algunas de ellas se
re- sumen en el cuadro 1-1.
El conocimiento de la bioquímica es esencial para todas las
ciencias de la vida La bioquímica de los ácidos nucleicos ocupa un
lugar fundamental justo en el corazón de la genética; a su vez, el
uso de métodos gené- ticos ha sido crucial para dilucidar muchas
áreas de la bioquímica. La fisiología, el estudio de la función del
cuerpo, se superpone con la bioquímica casi por completo. En la
inmunología se emplean muchas técnicas bioquímicas y numerosos
métodos inmunológicos han encontrado amplio uso por bioquímicos. La
farmacología y la farmacia se fundamentan en un sólido conocimiento
de la bio- química y la fisiología, en particular, casi todos los
fármacos son metabolizados mediante reacciones catalizadas por
enzimas. Los ve- nenos actúan sobre reacciones o procesos
bioquímicos; éste es el tema de estudio de la toxicología. Los
métodos bioquímicos cada vez reciben un uso más amplio en la
investigación relacionada con los aspectos básicos de la patología
(el estudio de la enfermedad), como la inflamación, la lesión
celular y el cáncer. Muchos investiga- dores en microbiología,
zoología y botánica emplean métodos bioquímicos de manera casi
exclusiva. Estas relaciones no sorpren- den, porque la vida, como
se le conoce, depende de reacciones y pro- cesos bioquímicos. De
hecho, las antiguas barreras entre las cien cias
de la vida están derrumbándose y la bioquímica está llegando a ser,
cada vez de manera más frecuente, su lenguaje común.
Una relación recíproca entre la bioquímica y la medicina ha
estimulado avances mutuos Las dos preocupaciones más importantes
para los investigadores en las ciencias de la salud —y en
particular para los médicos— son tanto el entendimiento y el
mantenimiento de la salud, como la comprensión y el tratamiento
efectivo de las enfermedades. La bio- química tiene enormes
repercusiones sobre estas dos preocupa- ciones fundamentales de la
medicina. De hecho, la interrelación de la bioquímica y la medicina
es una amplia avenida que circula en dos sentidos. Los estudios
bioquímicos han esclarecido muchos as- pectos de la salud y la
enfermedad, a la inversa, el estudio de diver- sos aspectos de la
salud y la enfermedad ha abierto nuevas áreas en la bioquímica. En
la figura 1-1 se muestran algunos ejemplos de esta avenida de dos
direcciones. Por ejemplo, el conocimiento de la es- tructura y la
función de las proteínas fue necesario para dilucidar la diferencia
bioquímica única entre la hemoglobina normal y la de células
falciformes. Por otra parte, el análisis de la hemoglobina de
células falciformes ha contribuido de manera significativa al en-
tendimiento de la estructura y la función tanto de la hemoglobina
como de otras proteínas normales. Cabría citar ejemplos análogos de
beneficio recíproco entre la bioquímica y la medicina para los
otros incisos pareados que muestra la figura 1-1. Otro ejemplo es
la investigación pionera de Archibald Garrod, médico que ejerció en
Inglaterra a principios del siglo xx, quien estudió a pacientes con
diversos trastornos hasta cierto punto raros (alcaptonuria,
albinis- mo, cistinuria y pentosuria; los cuales se describen en
capítulos pos- teriores), y estableció que estas enfermedades
estaban determinadas por mecanismos genéticos. Garrod designó a
estas enfermedades como errores innatos del metabolismo
(metabolopatías); sus ideas proporcionaron un importante fundamento
para el desarrollo de la genética bioquímica humana. Los esfuerzos
más recientes por entender la base de la enfermedad genética
conocida como hiperco- lesterolemia familiar, que origina
aterosclerosis grave a una edad temprana, han llevado a alcanzar un
progreso notorio del entendi- miento de los receptores celulares y
de los mecanismos de captación del colesterol por las células. Los
estudios de oncogenes en células cancerosas han dirigido la
atención hacia los mecanismos molecu- lares involucrados en el
control del crecimiento celular normal. Ta- les ejemplos y muchos
otros recalcan la manera en que el estudio de
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2 capítulo 1 Bioquímica y medicina
la enfermedad llega a abrir áreas de la función celular para
investi- gación bioquímica básica.
La relación entre medicina y bioquímica tiene inferencias im-
portantes para la primera. Mientras el tratamiento médico esté fun-
damentado con firmeza en el conocimiento de la bioquímica y otras
ciencias básicas, la práctica de la medicina tendrá una base racio-
nal capaz de adaptarse para dar cabida al nuevo conocimiento. Esto
contrasta con prácticas de salud no ortodoxas y con al menos algu-
nas opciones de “medicina alternativa” que a menudo están funda-
mentadas en poco más que mitos e ilusiones y, por lo general, care-
cen de base intelectual alguna.
LOS PROCESOS BIOQUÍMICOS NORMALES SON LA BASE DE LA SALUD La
Organización Mundial de la Salud (OMS) define a la salud como el
estado de “bienestar físico, mental y social completo, y no tan
sólo la ausencia de enfermedad”. Desde un punto de vista
estrictamente bioquímico, cabe considerar a la salud como aquella
situación en la cual las muchas miles de reacciones intracelulares
y extracelulares que ocurren en el cuerpo están procediendo a
índices acordes con la supervivencia máxima del organismo en el
estado fisiológico. Sin embargo, se trata de un punto de vista en
extremo reduccionista, debe quedar de manifiesto que el cuidado de
la salud de los pacien- tes no sólo requiere un amplio conocimiento
de los principios bio- lógicos, sino también de principios
psicológicos y sociales.
La investigación bioquímica tiene repercusiones sobre la nutrición
y la medicina preventiva Un prerrequisito importante para el
mantenimiento de la salud es la ingestión óptima de diversas
sustancias químicas en la die- ta, entre las cuales destacan
vitaminas, algunos aminoácidos, ciertos ácidos grasos, diversos
minerales y agua. Dado que gran parte del tema de estudio tanto de
la bioquímica como de la nu- trición comprende diversos aspectos de
estas sustancias quími- cas, hay una estrecha relación entre ambas
ciencias. Más aún, se está haciendo hincapié en los intentos
sistemáticos por mantener la salud y prevenir la enfermedad, esto
es, en medicina preven- tiva, así que se observa un énfasis en los
métodos nutricionales para —por ejemplo— tratar la prevención de
aterosclerosis y cán- cer. El entendimiento de la nutrición depende
en gran medida del conocimiento sobre bioquímica.
Casi todas las enfermedades (quizá todas) tienen una base
bioquímica Los autores creen que casi todas las enfermedades, si no
es que to- das, son manifestaciones de anormalidades de moléculas,
reacciones químicas o procesos bioquímicos. En el cuadro 1-2 se
listan los principales factores que generan enfermedades en
animales y se- res humanos; todos afectan una o más reacciones
químicas o mo- léculas cruciales en el cuerpo. Este libro presenta
muchos ejemplos de las bases bioquímicas de las enfermedades; en
casi todas ellas los estudios bioquímicos contribuyen tanto al
diagnóstico como al tratamiento. El cuadro 1-3 resume algunos usos
importantes de in- vestigaciones bioquímicas y pruebas de
laboratorio en relación con enfermedades. El capítulo 54 de este
libro provee aún más ayu- da para ilustrar la relación entre bioquí
mica y enfermedad al co- mentar con cierto detalle los aspectos
bioquímicos de 16 casos mé- dicos diferentes.
Al final del capítulo 54 se esbozan de manera muy sucinta algu- nos
de los principales desafíos que la medicina y las ciencias de la
salud relacionadas encaran. Al abordar estos desafíos, los estudios
bioquímicos ya están entrelazados, y seguirán estándolo, con estu-
dios en varias otras disciplinas, como genética, inmunología,
nutri- ción, patología y farmacología.
CUaDRO 1-1 Principales métodos y preparaciones usados en
laboratorios de bioquímica
Métodos para separar biomoléculas y purificarlas1
Fraccionamiento de sal (p. ej., precipitación de proteínas con
sulfato de amonio)
Cromatografía: en papel, de intercambio iónico, de afinidad, de
capa delgada, de gas-líquido, de líquido a alta presión, de
filtración en gel
Electroforesis: en papel, de alto voltaje, en agarosa, en acetato
de celu- losa, en gel de almidón, en gel de poliacrilamida, en gel
de dodecil sulfato de sodio (SDS)-poliacrilamida
Ultracentrifugación
Análisis elemental
Espectroscopia con luz ultravioleta (UV), visible, infrarroja y con
resonancia magnética nuclear (NMR)
Uso de hidrólisis en ácido o alcalí para degradar la biomolécula en
estudio hacia sus constituyentes básicos
Uso de un conjunto de enzimas de especificidad conocida para
degradar la biomolécula en estudio (p. ej., proteasas, nucleasas,
glucosidasas)
Espectrometría de masa
Métodos de secuenciación específicos (p. ej., para proteínas y
ácidos nu- cleicos)
Cristalografía con rayos X
Animal entero (incluye animales transgénicos y animales con genes
noqueados)
Órgano aislado perfundido
Corte de tejido
Metabolitos y enzimas purificados
Genes aislados (incluso reacción en cadena de polimerasa y
mutagénesis dirigida hacia sitio)
1Casi todos estos métodos son idóneos para analizar los componentes
presentes en homogeneizados de células y en otras preparaciones
bioquímicas. El uso secuencial de varias técnicas por lo general
permitirá la purificación de casi todas las biomoléculas. El lector
encontrará detalles en libros sobre métodos de investigación
bioquímica.
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capítulo 1 Bioquímica y medicina 3
Repercusiones del Human Genome Project (HGP, Proyecto del Genoma
Humano) sobre la bioquímica, biología y medicina A finales del
decenio de 1990, el HGP logró notorios progresos en la
secuenciación del genoma humano. Esto culminó en julio de 2000,
cuando líderes de los dos grupos comprendidos en este esfuerzo (el
International Human Genome Sequencing Consortium y Celera Ge-
nomics, compañía privada) anunciaron que se había secuenciado más
de 90% del genoma. A principios de 2001 se publi caron versio- nes
borrador de la secuencia. Salvo algunos vacíos, la secuencia de
todo el genoma humano se completó en 2003, 50 años después de la
descripción de la naturaleza de doble hélice del ácido desoxirribo-
nucleico (DNA) por Watson y Crick.
Son enormes las inferencias del HGP para la bioquímica, toda la
biología, así como para la medicina y las ciencias de la salud
relacionadas, y aquí sólo se mencionan algunos puntos. ahora es
posible aislar cualquier gen y, por lo general, determinar su
es-
tructura y función (p. ej., mediante experimentos de secuenciación
y de gen noqueado). Muchos genes antes desconocidos han sido
revelados; sus productos ya se han establecido o están bajo
estudio. Se han aclarado nuevos aspectos de la evolución 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 áreas de gran interés 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 vari- ous sections of this
text.
Figure 1–2 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
sequenc- ing 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 1–1 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 half—and 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 1–2 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.)
1Note: All of the causes listed act by influencing the various
biochemical mechanisms in the cell or in the body.
TABLE 1–3 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.
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Ácidos
Diabetes mellitus
FIgURA 1-1 Ejemplos de la avenida en dos direcciones que conecta la
bioquímica y la medicina. El conocimiento de las moléculas
bioquímicas mostradas en la parte superior del diagrama ha
esclarecido el entendimiento de las enfermedades mostradas en la
mitad inferior y, a la inversa, los análisis de las enfermedades
que se muestran abajo han aclarado muchas áreas de la bioquímica.
Note que la drepanocitosis es una enfermedad genética, y que tanto
la aterosclerosis como la diabetes mellitus tienen componentes
genéticos.
CUaDRO 1-2 Las principales causas de enfermedades1
1. Agentes físicos: traumatismo mecánico, temperatura extrema,
cambios repentinos de la presión atmosférica, radiación, descarga
eléctrica.
2. Agentes químicos, incluso fármacos: ciertos compuestos tóxicos,
fár- macos terapéuticos, etcétera.
3. Agentes biológicos: virus, bacterias, hongos, formas superiores
de pa- rásitos.
4. Falta de oxígeno: pérdida del aporte sanguíneo, disminución de
la capacidad transportadora de oxígeno de la sangre, envenenamiento
de las enzimas oxidativas.
5. Trastornos genéticos: congénitos, moleculares.
6. Reacciones inmunitarias: anafilaxia, enfermedad
autoinmunitaria.
7. Desequilibrios nutricionales: deficiencias, excesos.
8. Desequilibrios endocrinos: deficiencias o excesos
hormonales.
1Nota: todas las causas listadas actúan al influir sobre los
diversos mecanismos bioquímicos en la célula o en el cuerpo.
(Adaptado, con autorización, de Robbins SL, Cotram RS, Kumar V: The
Pathologic Basis of Disease, 3a. ed. Saunders, 1984. Copyright ©
1984 Elsevier Inc. con autorización de Elsevier.)
CUaDRO 1-3 algunos usos de investigaciones bioquímicas y pruebas de
laboratorio en relación con enfermedades
Uso Ejemplo
1. Revelar las causas y los mecanismos fundamentales de
enfermedades
Demostración de la naturaleza de los defectos genéticos en la
fibrosis quística.
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 diagnóstico de enfermedades específicas
Uso de las concentraciones plasmáticas de troponina I o T en el
diagnóstico de infarto de miocardio.
4. Actuar como pruebas de detección para el diagnóstico temprano de
ciertas enfermedades
Uso de medición de la tiroxina o de la hormona estimulante de la
tiroides (TSH) en la sangre en el diagnóstico neonatal de
hipotiroidismo congénito.
5. Ayudar a vigilar el progreso (esto es, recuperación,
empeoramiento, remisión o recaída) de ciertas enfermedades
Uso de la enzima plasmática alanina aminotransferasa (ALT) en la
vigilancia del progreso de hepatitis infecciosa.
6. Ayudar en la evaluación de la respuesta de enfermedades a la
terapia
Uso de la medición del antígeno carcinoembrionario (CEA) en la
sangre en ciertos pacientes que han recibido tratamiento para
cáncer de colon.
01 Bender.indd 3 27/11/09 12:28:43
4 capítulo 1 Bioquímica y medicina
campos de -ómica, que comprenden estudios integrales de las es-
tructuras y funciones de las moléculas que cada uno estudia. El
glo- sario de este capítulo proporciona las definiciones de los
campos listados a continuación. Los productos de genes (moléculas
de ácido ribonucleico [RNA] y proteínas) están bajo estudio con el
uso de las técnicas de transcriptómica y proteómica. Un notorio
ejemplo de la rapidez del progreso en transcriptómica es la
explosión de conocimiento relacionado con moléculas de RNA pequeñas
como reguladoras de la actividad de genes. Otros campos de -ómica
com- prenden glucómica, lipidómica, metabolómica, nutrigenómica y
farmacogenómica. Para mantenerse al día con la cantidad de infor-
mación que se está generando, la bioinformática ha recibido mucha
atención. Otros campos relacionados a los cuales se ha transmitido
el ímpetu del HGP son biotecnología, bioingeniería, biofísica y
bioética. La biología de células madre ocupa un lugar preponde-
rante en gran parte de la investigación actual. La promesa que la
terapia génica lleva implícita aún no se cumple, pero parece pro-
bable que eso ocurrirá tarde o temprano. Se han creado muchas
pruebas diagnósticas moleculares nuevas en áreas como pruebas y
diagnóstico genéticos, microbiológicos e inmunológicos. La biolo-
gía de sistemas también está en ciernes. La biología sintética
quizá es la más interesante de todas, cuenta con el potencial de
crear orga- nismos vivos (p. ej., en un inicio bacterias pequeñas)
a partir de material genético in vitro, el cual quizá podría ser
diseñado para llevar a cabo tareas específicas (p. ej., limpiar
derrames de petróleo). Como en el caso de las células madre, esta
área atraerá mucha aten- ción por parte de expertos en bioética y
otros. Más adelante en este libro se hace referencia a muchos de
los temas anteriores.
Todo lo anterior ha hecho que la época actual sea muy inte- resante
para estudiar o participar de manera directa en biología y
medicina. Los resultados de la investigación en las diversas áreas
antes mencionadas tendrán grandes repercusiones en el futuro de la
biología, la medicina y las ciencias de la salud.
RESUMEN La bioquímica es la ciencia que se encarga del estudio de
las diversas
moléculas que se encuentran en células y organismos vivos, así como
sus reacciones químicas. Dado que la vida depende de
reacciones
bioquímicas, la bioquímica se ha convertido en el lenguaje básico
de todas las ciencias biológicas.
La bioquímica 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 bioquímica y la medicina están íntimamente relacionadas. La
salud depende de un equilibrio armonioso de reacciones bioquímicas
que están ocurriendo en el cuerpo, en tanto que la enfermedad
refleja anormalidades en biomoléculas, reacciones bioquímicas o
procesos bioquímicos.
Los avances en el conocimiento de la bioquímica han esclarecido
muchas áreas de la medicina. A la inversa, el estudio de las
enfermedades a menudo ha revelado aspectos previamente no
sospechados de la bioquímica. Los métodos bioquímicos suelen ser
fundamentales para esclarecer las causas de enfermedades y diseñar
terapias apropiadas.
El uso juicioso de diversas pruebas bioquímicas de laboratorio es
un componente integral del diagnóstico y de la vigilancia del
tratamiento.
Un conocimiento sólido de la bioquímica y de otras disciplinas
básicas conexas es esencial para la práctica racional de la
medicina y de ciencias de la salud relacionadas.
Los resultados del HGP y de investigación en áreas afines tendrán
una profunda influencia sobre el futuro de la biología, 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
artículos sobre diversos aspectos de las ciencias de la vida. Está
disponible en línea en www.els.net mediante una suscripción en
bibliotecas.)
Fruton JS: Proteins, Enzymes, Genes: The Interplay of Chemistry and
Biology. Yale University Press, 1999. (Provee el contexto histórico
de gran parte de la investigación actual sobre bioquímica.)
Garrod AE: Inborn errors of metabolism. (Croonian Lectures.) Lancet
1908;2:1, 73, 142, 214.
Guttmacher AE, Collins FS: Genomic medicine—A primer. N Engl J Med
2002;347:1512. (Fue el primero de una serie de 11 artículos
publicados
FIgURA 1-2 El Human Genome Project (HGP) ha influido sobre muchas
disciplinas y áreas de investigación.
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 today’s biochemical research.)
Garrod AE: Inborn errors of metabolism. (Croonian Lectures.) Lancet
1908;2:1, 73, 142, 214.
Guttmacher AE, Collins FS: Genomic medicine—A 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 prog- ress 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 biol- ogy 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 1–2 The Human Genome Project (HGP) has influenced many
disciplines and areas of research.
HGP
Transcriptómica
Metabolómica
Farmacogenómica
Bioingeniería
Biofísica
Terapia génica
capítulo 1 Bioquímica y medicina 5
mensualmente en el New England Journal of Medicine, describiendo
diversos aspectos de la medicina genómica.)
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 números asignados a las
entradas en el OMIM serán citados en algunos capítulos de este
libro. Mediante consultar esta amplia presentación de enfermedades
y otras entradas relacionadas sobre proteínas específicas, enzimas
y demás, el lector incrementará en gran medida su conocimiento y
comprensión de varios temas vinculados con este texto y que son
considerados aquí. La versión en línea 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 está
ahora disponible en línea y actualizado como The Online Metabolic
& Molecular Bases of Inherited Disease en www.ommbid.com. Se
requiere una suscripción, pero el acceso está disponible en
bibliotecas de universidades y hospitales, entre otras
opciones.)
Scherer S: A Short Guide to the Human Genome. CSHL Press,
2008.
GLOSaRIO Bioética: área de la ética que se encarga de la aplicación
de principios
morales y éticos a la biología y medicina. Biofísica: aplicación de
física y sus técnicas a la biología y medicina. Bioinformática:
disciplina que se encarga de reunir, almacenar y analizar
datos biológicos, en especial secuencias de DNA y proteína (véase
capítulo 10).
Bioingeniería: aplicación de ingeniería a biología y medicina.
Biología de células madre: una célula madre es una célula
indiferenciada
que tiene el potencial de renovarse por sí misma y de diferenciarse
hacia cualquiera de las células adultas que se encuentran en el
organismo. La biología de células madre se encarga del estudio de
las
propiedades biológicas de las células madre y sus usos en diversas
enfermedades.
Biología de sistemas: campo de la ciencia en el cual se estudian
sistemas biológicos completos como enteros integrados (en
contraposición con el método reduccionista de, por ejemplo, la
bioquímica clásica).
Biología sintética: campo que combina técnicas biomoleculares con
métodos de ingeniería para construir nuevas funciones y sistemas
biológicos.
Biotecnología: campo en el cual se combinan métodos bioquímicos, de
ingeniería y otros, para crear productos biológicos para uso en
medicina y en la industria.
Diagnóstico molecular: uso de métodos moleculares (p. ej., sondas
de DNA) para ayudar en el diagnóstico de diversas enfermedades
bioquímicas, genéticas, inmunitarias, microbianas y otros
padecimientos médicos.
Farmacogenómica: uso de información y tecnologías genómicas para
optimizar el descubrimiento y desarrollo de blancos terapéuticos y
de fármacos (véase capítulo 54).
Genómica: el genoma es el grupo completo de genes de un organismo
(p. ej., el genoma humano), y genómica es el estudio a fondo de las
estructuras y funciones de genomas (véase capítulo 10 y
otros).
Glucómica: el glucoma es la totalidad de carbohidratos simples y
complejos en un organismo. La glucómica es el estudio sistemático
de las estructuras y funciones de glucomas (p. ej., el glucoma
humano; véase capítulo 47).
lipidómica: el lipidoma es la totalidad de lípidos que se
encuentran en un organismo. La lipidómica es el estudio a fondo de
las estructuras y funciones de todos los miembros del lipidoma, así
como de sus interacciones, tanto en salud como en enfermedad.
Metabolómica: el metaboloma es la totalidad de metabolitos
(moléculas pequeñas comprendidas en el metabolismo) que se
encuentran en un organismo. La metabolómica es el estudio a fondo
de sus estructuras, funciones y cambios en diversos estados
metabólicos.
Nutrigenómica: estudio sistemático de los efectos de los nutrientes
sobre la expresión genética y de los efectos de variaciones
genéticas sobre el manejo de nutrientes.
proteómica: el proteoma es la totalidad de proteínas de un
organismo. La proteómica es el estudio sistemático de las
estructuras y funciones de proteomas, incluso variaciones en la
salud y la enfermedad (véase capítulo 4).
terapia génica: se aplica al uso de genes sometidos a procesos de
ingeniería genética para tratar diversas enfermedades (véase
capítulo 39).
transcriptómica: el transcriptoma es el grupo completo de
transcriptos de RNA producidos por el genoma a un periodo fijo en
el tiempo. La transcriptómica es el estudio integral de la
expresión génica a nivel del RNA (véase capítulo 36 y otros).
01 Bender.indd 5 27/11/09 12:28:48
6
Agua y pH Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD
c A P í t u l o
2 IMPORTANCIA BIOMÉDICA El agua es el componente químico
predominante de los organismos vivos. Sus singulares propiedades
físicas, que incluyen la capacidad para disolver una amplia gama de
moléculas orgánicas e inorgáni- cas, se derivan de su estructura
bipolar y de su excepcional capaci- dad para formar enlaces de
hidrógeno. La manera en que el agua interactúa con una biomolécula
disuelta influye sobre la estructura de cada una. El agua, un
excelente nucleófilo, es un reactivo o un producto en muchas
reacciones metabólicas. El agua tiene una pro- pensión leve a
disociarse hacia iones hidroxilo y protones. La acidez de
soluciones acuosas por lo general se reporta usando la escala de pH
logarítmica. El bicarbonato y otros amortiguadores en circuns-
tancias normales mantienen el pH del líquido extracelular entre
7.35 y 7.45. Las alteraciones sospechadas del equilibrio
acidobásico se verifican al medir el pH de la sangre arterial y el
contenido de CO2 de la sangre venosa. Algunas causas de acidosis
(pH sanguíneo < 7.35) son cetosis diabética y acidosis láctica.
La alcalosis (pH > 7.45) puede presentarse después de vómitos de
contenido gástrico ácido. La regulación del equilibrio del agua
depende de mecanismos hipotalámicos que controlan la sed, de la
hormona antidiurética (ADH), de la retención o excreción de agua
por los riñones, y de la pérdida por evaporación. La diabetes
insípida nefrogénica, que comprende la incapacidad para concentrar
orina o para hacer ajus- tes a cambios sutiles de la osmolaridad
del líquido extracelular, se produce por falta de capacidad de
respuesta de los osmorreceptores de los túbulos renales a la
ADH.
EL AGUA ES UN SOLVENTE BIOLÓGICO IDEAL
Las moléculas de agua forman dipolos Una molécula de agua es un
tetraedro irregular, un tanto asimétrico, con oxígeno en su centro
(fig. 2-1). Los dos hidrógenos y los electro- nes no compartidos de
los dos orbitales sp3-hibridados restantes ocupan los ángulos del
tetraedro. El ángulo de 105 grados entre los hidrógenos difiere un
poco del ángulo tetraédrico ideal, de 109.5 grados. El amoniaco
también es tetraédrico, con un ángulo de 107 grados entre sus
hidrógenos. El agua es un dipolo, una molécula con carga eléctrica
distribuida de manera asimétrica en toda su es- tructura. El átomo
de oxígeno fuertemente electronegativo empuja los electrones en
dirección contraria a los núcleos de hidrógeno, lo
que los deja con una carga positiva parcial, mientras que sus dos
pares de electrones no compartidos constituyen una región de carga
negativa local.
El agua, un fuerte dipolo, tiene una constante dieléctrica alta.
Como se describe de manera cuantitativa mediante la ley de Coulomb,
la fuerza de la interacción F entre partículas que tienen carga
opuesta es inversamente proporcional a la constante dieléctri- ca ε
del medio circundante. La constante dieléctrica para un vacío 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
atracción en- tre especies cargadas y polares en comparación con
ambientes libres de agua que tienen constantes dieléctricas más
bajas. Su fuerte dipo- lo y constante dieléctrica alta permiten al
agua disolver grandes can- tidades de compuestos cargados, como las
sales.
Las moléculas de agua forman enlaces de hidrógeno Un núcleo de
hidrógeno parcialmente desprotegido, unido de ma- nera covalente a
un átomo de oxígeno o de nitrógeno que extrae electrones, puede
interactuar con un par de electrones no compar- tidos sobre otro
átomo de oxígeno o nitrógeno para formar un enla- ce de hidrógeno.
Dado que las moléculas de agua tienen estas dos características, la
formación de enlaces de hidrógeno favorece la au- toasociación de
moléculas de agua hacia disposiciones orde nadas (fig. 2-2). La
formación de enlaces de hidrógeno ejerce una profun- da influencia
sobre las propiedades físicas del agua, lo que explica su
viscosidad, tensión superficial y punto de ebullición excepcional-
mente altos. En promedio, cada molécula en agua líquida se asocia
por medio de enlaces de hidrógeno con otras 3.5. Estos enlaces son
hasta cierto punto débiles y transitorios, con una vida media de un
microsegundo o menos. La ruptura de un enlace de hidrógeno en agua
líquida sólo requiere alrededor de 4.5 kcal/mol, menos de 5% de la
energía necesaria para romper un enlace O—H covalente.
La formación de enlaces de hidrógeno permite al agua disolver
muchas biomoléculas orgánicas que contienen grupos funcionales que
pueden participar en la formación de enlaces de hidrógeno. Los
átomos de oxígeno de aldehídos, cetonas y amidas, por ejemplo,
proporcionan pares de electrones solitarios que tienen la capacidad
de servir como aceptores de hidrógeno. Los alcoholes y las aminas
pueden servir como aceptores de hidrógeno y como donadores de
átomos de hidrógeno desprotegidos para formación de enlaces de hi
drógeno (fig. 2-3).
02 Bender.indd 6 27/11/09 12:39:57
capítulo 2 Agua y pH 7
LA INTERACCIÓN CON AGUA INFLUYE SOBRE LA ESTRUCTURA DE LAS
BIOMOLÉCULAS
Los enlaces covalentes y no covalentes estabilizan moléculas
biológicas El enlace covalente es la mayor fuerza que mantiene
juntas a las mo- léculas (cuadro 2-1). Las fuerzas no covalentes,
aunque son de menor magnitud, hacen contribuciones importantes a la
estructura, esta- bilidad y competencia funcional de macromoléculas
en las células vivas. Estas fuerzas, que pueden ser de atracción o
de repulsión, comprenden interacciones tanto dentro de la
biomolécula como en- tre la misma y el agua, que es el principal
componente del ambiente circundante.
Las biomoléculas se pliegan para colocar a grupos polares y
cargados sobre sus superficies Casi todas las biomoléculas son
anfipáticas; esto es, poseen regio- nes con alto contenido de
grupos funcionales cargados o polares, así como regiones con
carácter hidrofóbico. Las proteínas tienden a plegarse con los
grupos R de aminoácidos con cadenas laterales hi- drofóbicas en el
interior. Los aminoácidos con cadenas laterales de aminoácidos
cargadas o polares (p. ej., arginina, glutamato, serina) por lo
general están presentes sobre la superficie en contacto con agua.
Un modelo similar prevalece en una bicapa de fosfolípidos, donde
los grupos con cabeza cargada de fosfatidil serina o fosfatidil
etanolamina tienen contacto con agua, mientras que sus cadenas la
terales de ácido graso (acilo) hidrofóbicas se agrupan juntas y ex-
cluyen el agua. Este modelo maximiza las oportunidades para la for-
mación de interacciones de carga-dipolo, dipolo-dipolo, y formación
de enlaces de hidrógeno, favorables desde el punto de vista energé-
tico entre grupos polares sobre la biomolécula y el agua. También
minimiza contactos desfavorables desde el punto de vista energético
entre el agua y grupos hidrofóbicos.
Interacciones hidrofóbicas El término “interacción hidrofóbica” (o
hidrófoba) alude a la ten- dencia de compuestos no polares a
autoasociarse en un ambiente acuoso. Tal autoasociación no está
impulsada por atracción mutua ni por lo que a veces es denominado
de manera incorrecta como “enlaces hidrofóbicos”. La autoasociación
minimiza interacciones desfavorables desde el punto de vista
energético entre grupos no po- lares y agua.
Dado que los hidrógenos de grupos no polares —como los gru- pos
metileno de hidrocarburos— no forman enlaces de hidrógeno, afectan
la estructura del agua que los rodea. Las moléculas de agua
adyacentes a un grupo hidrofóbico tienen restricción en cuanto al
número de orientaciones (grados de libertad) que les permiten par-
ticipar en el número máximo de enlaces de hidrógeno favorables
desde el punto de vista energético. La formación máxima de múl-
tiples enlaces de hidrógeno sólo puede mantenerse al aumentar el
orden de las moléculas de agua adyacentes, con una disminución
agregada de la entropía.
FIGURA 2-3 Los grupos polares adicionales participan en la
formación de enlaces de hidrógeno. Se muestran los enlaces de
hidrógeno formados entre alcohol y agua, entre dos moléculas de
etanol, y entre el oxígeno del carbonilo peptídico y el hidrógeno
del nitrógeno peptídico de un aminoácido 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 2–1). 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 hydrophobic character. Proteins tend to fold with the
R-groups of 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 con- tact with water. A similar pattern prevails in a
phospholipid bi- layer, where the charged head groups of
phosphatidyl serine or phosphatidyl ethanolamine contact water
while their hydropho- bic fatty acyl side chains cluster together,
excluding water. This pattern maximizes the opportunities for the
formation of ener- getically favorable charge–dipole,
dipole–dipole, 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 hydrocarbon–water mixture is a function of both
maximal enthalpy (from hydrogen bonding)
FIGURE 2–3 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
2e
H
H
2e
FIGURE 2–2 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
TABLE 2–1 Bond Energies for Atoms of Biologic Significance
Bond Type
Energy (kcal/mol)
Bond Type
Energy (kcal/mol)
Murray_CH02_PTR.indd 7 3/26/2009 8:51:08 PM
105 FIGURA 2-1 La molécula de agua tiene geometría
tetraédrica.
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 2–1). 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 hydrophobic character. Proteins tend to fold with the
R-groups of 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 con- tact with water. A similar pattern prevails in a
phospholipid bi- layer, where the charged head groups of
phosphatidyl serine or phosphatidyl ethanolamine contact water
while their hydropho- bic fatty acyl side chains cluster together,
excluding water. This pattern maximizes the opportunities for the
formation of ener- getically favorable charge–dipole,
dipole–dipole, 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 hydrocarbon–water mixture is a function of both
maximal enthalpy (from hydrogen bonding)
FIGURE 2–3 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
2e
H
H
2e
FIGURE 2–2 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
TABLE 2–1 Bond Energies for Atoms of Biologic Significance
Bond Type
Energy (kcal/mol)
Bond Type
Energy (kcal/mol)
Murray_CH02_PTR.indd 7 3/26/2009 8:51:08 PM
105
FIGURA 2-2 Izquierda: asociación de dos moléculas de agua dipolares
mediante un enlace de hidrógeno (línea punteada). Derecha:
agrupación de cuatro moléculas de agua con enlaces de hidrógeno.
Note que el agua puede servir de manera simultánea como donador y
como aceptor de hidrógeno.
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 2–1). 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 hydrophobic character. Proteins tend to fold with the
R-groups of 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 con- tact with water. A similar pattern prevails in a
phospholipid bi- layer, where the charged head groups of
phosphatidyl serine or phosphatidyl ethanolamine contact water
while their hydropho- bic fatty acyl side chains cluster together,
excluding water. This pattern maximizes the opportunities for the
formation of ener- getically favorable charge–dipole,
dipole–dipole, 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 hydrocarbon–water mixture is a function of both
maximal enthalpy (from hydrogen bonding)
FIGURE 2–3 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
2e
H
H
2e
FIGURE 2–2 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
TABLE 2–1 Bond Energies for Atoms of Biologic Significance
Bond Type
Energy (kcal/mol)
Bond Type
Energy (kcal/mol)
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105
CuaDro 2-1 Energías de enlace para átomos de importancia
biológica
Tipo de enlace
02 Bender.indd 7 27/11/09 12:40:02
8 capítulo 2 Agua y pH
La segunda ley de la termodinámica establece que la energía libre
óptima de una mezcla de hidrocarburo-agua está en función tanto de
la entalpía máxima (por formación de enlaces de hidró- geno) como
de la entropía mínima (grados máximos de libertad). De este modo,
las moléculas no polares tienden a formar gotitas a fin de
minimizar el área de superficie expuesta y reducir el número de
moléculas de agua afectadas. De modo similar, en el ambiente acuoso
de la célula viva las porciones hidrofóbicas de biopolímeros
tienden a estar recluidas dentro de la estructura de la molécula o
dentro de una bicapa lípida, lo que minimiza el contacto con
agua.
Interacciones electrostáticas Las interacciones entre grupos
cargados ayudan a dar forma a la estructura biomolecular. Las
interacciones electrostáticas entre gru- pos que tienen carga
opuesta dentro de biomoléculas o entre las mismas se denominan
puentes de sal, los cuales tienen fuerza com- parable a la de los
enlaces de hidrógeno, pero actúan en distancias mayores; por ende,
a menudo facilitan el enlace de moléculas y iones cargados a
proteínas y ácidos nucleicos.
Fuerzas de van der Waals Surgen por atracciones entre dipolos
transitorios generados por el movimiento rápido de electrones de
todos los átomos neutros. Las fuerzas de van der Waals —mucho más
débiles que los enlaces de hi- drógeno, pero potencialmente
abundantes— disminuyen en términos de la sexta potencia de la
distancia que separa a los átomos. De este modo, actúan en
distancias muy cortas, por lo general de 2 a 4 Å.
Fuerzas múltiples estabilizan biomoléculas La doble hélice de DNA
ilustra la contribución de múltiples fuerzas a la estructura de
biomoléculas. Si bien cada cadena de DNA indivi- dual se mantiene
junta por medio de enlaces covalentes, las dos he- bras de la
hélice se mantienen unidas de manera exclusiva mediante
interacciones no covalentes. Estas últimas comprenden enlaces de
hidrógeno entre bases de nucleótido (apareamiento de bases de Wat-
son-Crick) e interacciones de van der Waals entre las bases de
purina y pirimidina apiladas. La hélice presenta los grupos fosfato
carga- dos y azúcares ribosa polares del esqueleto a agua mientras
que res- guarda dentro las bases nucleótido relativamente
hidrofóbicas. El esqueleto extendido maximiza la distancia entre
fosfatos que tienen carga negativa, lo que minimiza interacciones
electrostáticas des- favorables.
EL AGUA ES UN EXCELENTE NUCLEÓFILO Las reacciones metabólicas a
menudo comprenden el ataque por pa- res solitarios de electrones
que residen sobre moléculas ricas en electrones llamadas
nucleófilos sobre átomos con pocos electrones llamados
electrófilos. Los nucleófilos y electrófilos no necesaria- mente
poseen una carga negativa o positiva formal. El agua, cuyos dos
pares solitarios de electrones sp3 tienen una carga negativa par-
cial, es un excelente nucleófilo. Otros nucleófilos de importancia
biológica son los átomos de oxígeno de fosfatos, alcoholes y ácidos
carboxílicos; el azufre de tioles; el nitrógeno de aminas y el
anillo imidazol de la histidina. Los electrófilos comunes son los
carbonos
carbonilo en amidas, ésteres, aldehídos y cetonas, y los átomos de
fósforo de fosfoésteres.
El ataque nucleofílico por agua a menudo origina la ruptura de los
enlaces amida, glucósido o éster que mantienen juntos a los bio-
polímeros. Este proceso recibe el nombre de hidrólisis. A la
inversa, cuando unidades de monómeros se unen para formar
biopolímeros como proteínas o glucógeno, el agua es un producto,
por ejemplo, durante la formación de un enlace peptídico entre dos
aminoácidos:
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 thermo- dynamics
governing the equilibrium of a reaction do not deter- mine 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, A–G:
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 respon- sible for the
biosynthesis of macromolecules involve the ther- modynamically
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 nucleo- philic 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 biomolecu- lar structure. Electrostatic interactions between
oppositely charged groups within or between biomolecules are termed
salt bridges. Salt bridges are comparable in strength to hydro- gen
bonds but act over larger distances. They therefore often
facilitate the binding of charged molecules and ions to pro- teins
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 2–4 Å.
Multiple Forces Stabilize Biomolecules The DNA double helix
illustrates the contribution of multiple forces to the structure of
biomolecules. While each individ- ual DNA strand is held together
by covalent bonds, the two strands of the helix are held together
exclusively by noncova- lent interactions. These noncovalent
interactions include hy- drogen bonds between nucleotide bases
(Watson–Crick 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 unfavor- able
electrostatic interactions.
WATER IS AN EXCELLENT NUCLEOPHILE
Metabolic reactions often involve the attack by lone pairs of
electrons residing on electron-rich molecules termed nucleo- philes
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 nucleo- phile. 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 carbo- nyl carbons in amides, esters,
aldehydes, and ketones and the phosphorus atoms of
phosphoesters.
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Si bien la hidrólisis es una reacción favorecida desde el punto de
vista termodinámico, los enlaces amida y fosfoéster de polipépti-
dos y oligonucleótidos son estables en el ambiente acuoso de la cé-
lula. Esta conducta al parecer paradójica refleja el hecho de que
la termodinámica que rige el equilibrio de una reacción no
determina la velocidad a la cual procederá. En las células,
catalíticos proteína llamadas enzimas aceleran el índice de
reacciones hidrolíticas cuan- do es necesario. Las proteasas
catalizan la hidrólisis de proteínas hacia los aminoácidos que las
componen, mientras que las nuclea- sas catalizan la hidrólisis de
los enlaces fosfoéster en el DNA y el RNA. Se requiere control
cuidadoso de las actividades de estas enzi- mas para asegurar que
sólo actúen sobre moléculas blanco apropia- das en momentos
apropiados.
Muchas reacciones metabólicas comprenden transferencia de grupo
Muchas de las reacciones enzimáticas de las cuales depende la
sínte- sis y desintegración de biomoléculas comprenden la
transferencia de un grupo químico 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 thermo- dynamics
governing the equilibrium of a reaction do not deter- mine 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, A–G:
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 respon- sible for the
biosynthesis of macromolecules involve the ther- modynamically
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 nucleo- philic 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 biomolecu- lar structure. Electrostatic interactions between
oppositely charged groups within or between biomolecules are termed
salt bridges. Salt bridges are comparable in strength to hydro- gen
bonds but act over larger distances. They therefore often
facilitate the binding of charged molecules and ions to pro- teins
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 2–4 Å.
Multiple Forces Stabilize Biomolecules The DNA double helix
illustrates the contribution of multiple forces to the structure of
biomolecules. While each individ- ual DNA strand is held together
by covalent bonds, the two strands of the helix are held together
exclusively by noncova- lent interactions. These noncovalent
interactions include hy- drogen bonds between nucleotide bases
(Watson–Crick 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 unfavor- able
electrostatic interactions.
WATER IS AN EXCELLENT NUCLEOPHILE
Metabolic reactions often involve the attack by lone pairs of
electrons residing on electron-rich molecules termed nucleo- philes
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 nucleo- phile. 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 carbo- nyl carbons in amides, esters,
aldehydes, and ketones and the phosphorus atoms of
phosphoesters.
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La hidrólisis y fosforólisis de glucógeno, por ejemplo, com-
prenden la transferencia de grupos glucosilo hacia agua o hacia or-
tofosfato. La constante de equilibrio para la hidrólisis de enlaces
covalentes favorece de manera significativa la formación de pro-
ductos de división. A la inversa, en muchos casos las reacciones de
transferencia de grupo de las cuales depende la biosíntesis de ma-
cromoléculas comprenden la formación de enlaces covalentes no
favorecida desde el punto de vista termodinámico. 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 energía libre favorece la síntesis de biopolímero. Dado el
carácter
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capítulo 2 Agua y pH 9
nucleofílico del agua y su alta concentración en las células, ¿por
qué los biopolímeros como las proteínas y el DNA son relativamente
es- tables?, además, ¿de qué modo la síntesis de biopolímeros puede
ocurrir en un ambiente acuoso? Las propiedades de las enzimas son
fundamentales para ambas preguntas. En ausencia de catálisis enzi-
mática, incluso las reacciones muy favorecidas desde el punto de
vista termodinámico no necesariamente tienen lugar con rapidez. El
control preciso y diferencial de la actividad enzimática, así como
el secuestro de enzimas en organelos específicos, determinan en qué
condiciones fisiológicas un biopolímero dado se sintetizará o
degra- dará. Los biopolímeros recién sintetizados no se hidrolizan
de in- mediato, lo cual en parte se debe a que los sitios activos
de enzimas biosintéticas secuestran sustratos en un ambiente del
cual es factible excluir al agua.
Las moléculas de agua muestran una tendencia leve pero importante a
disociarse La capacidad del agua para ionizarse, si bien es leve,
tiene importan- cia fundamental para la vida. Dado que el agua
tiene la capacidad de actuar como un ácido y como una base, su
ionización puede repre- sentarse como una transferencia de protón
intermolecular que for- ma 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 × 10–9, times the molar concentration of water,
55.56 mol/L. The result is 1.0 × 10–7 mol/L.
We can now calculate K for pure water:
K = =
−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
1 00 10
. ))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 concentra- tions of
H+ and OH–:
Kw H OH= + −
At 25°C, Kw = (10–7)2, or 10–14 (mol/L)2. At temperatures below
25°C, Kw is somewhat less than 10–14, and at temperatures above
25°C it is somewhat greater than 10–14. Within the stated limi-
tations of the effect of temperature, Kw equals 10–14 (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 Sörensen, who defined pH as
the negative log of the hydrogen ion concentration:
pH H= − +log
This definition, while not rigorous, suffices for many biochem-
ical 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 25°C,
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 aque- ous
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 biopoly- mer will be
synthesized or degraded. Newly synthesized bio- polymers 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 impor- tance 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
(H3O
+) and a hydroxide ion (OH–):
H O H O H O OH2 2+ ++ 3 −