Transcript of W bioquimica de harperd 14ª edespecial
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- 2. Bioqumica de Harper ndice de Captulos Captulo 1: Bioqumica y
medicina Captulo 2: Biomolculas y mtodos bioqumicos Captulo 3: Agua
y pH Seccin I Estructura y funciones de protenas y enzimas Capitulo
4: Aminocidos Captulo 5: Pptidos Captulo 6: Protenas. Estructura y
funcin Captulo 7: Protenas. Mioglobina y Hemoglobina Captulo 8:
Enzimas. Propiedades generales Captulo 9: Enzimas. Cintica Captulo
10: Enzimas. Mecanismos de accin Captulo 11: Enzimas. Regulacin de
la actividad enzimtica Seccin II Bioenergtica y el metabolismo de
carbohidratos y lpidos Captulo 12: Bioenergentica. La funcin del
ATP Captulo 13: Oxidacin biolgica Captulo 14: Cadena respiratoria y
fosforilacin oxidativa Captulo 15: Carbohidratos de importancia
fisiolgica Captulo 16: Lpidos de importancia fisiolgica Captulo 17:
Panorama del metabolismo intermediario Captulo 18: El ciclo del
cido ctrico. Catabolismo de la acetil-CoA Captulo 19: Gluclisis y
oxidacin del piruvato Captulo 20: Metabolismo del glucgeno Captulo
21: Gluconeognesis y control de la glucosa sangunea Captulo 22: Va
de la pentosa fosfato y otras vas del metabolismo de las hexosas
Captulo 23: Biosntesis de cidos grasos Captulo 24: Oxidacin de los
cidos grasos. Cetognesis Captulo 25: Metabolismo de cidos grasos
insaturados y de los eicosanoides Captulo 26: Metabolismo de
acilgliceroles y esfingolpidos Captulo 27: Transporte y
almacenamiento de lpidos Captulo 28: Sntesis, transporte y excrecin
del colesterol Captulo 29: Integracin del metabolismo y el
suministro de energticos tisulares Seccin III Metabolismo de
protenas y aminocidos Captulo 30: Biosntesis de aminocidos no
esenciales en la nutricin Captulo 31: Catabolismo de protenas y del
nitrgeno de aminocidos Captulo 32: Catabolismo de los esqueletos de
carbono de aminocidos Captulo 33: Conversin de aminocidos en
productos especializados Captulo 34: Porfirinas y pigmentos
biliares Seccin IV Estructura, funcin y replicacin de las
macromolculas informativas Captulo 35: Nucletidos Captulo 36:
Metabolismo de los nucletidos de purina y pirimidina Captulo 37:
Estructura y funcin de los cidos nucleicos Captulo 38: Organizacin
y replicacin del DNA Captulo 39: Sntesis, procesamiento y
metabolismo del RNA Captulo 40: Sntesis de protenas y el cdigo
gentico Captulo 41: Regulacin de la expresin gentica Captulo 42:
Tecnologa del DNA recombinante
- 3. Seccin V Bioqumica de la comunicacin extracelular e
intracelular Captulo 43: Membranas. Estructura, ensamble y funcin
Captulo 44: Accin de las hormonas Captulo 45: Hormonas de hipfisis
e hipotlamo Captulo 46: Hormonas tiroideas Captulo 47: Hormonas que
regulan el metabolismo del calcio Captulo 48: Hormonas de la
corteza suprarrenal Captulo 49: Hormonas de la mdula suprarrenal
Captulo 50: Hormonas de las gnadas Captulo 51: Hormonas del pncreas
y vas gastrointestinales Seccin VI Tpicos especiales Captulo 52:
Estructura y funcin de las vitaminas hidrosolubles Captulo 53:
Estructura y funcin de las vitaminas liposolubles Captulo 54:
Nutricin Captulo 55: Digestin y absorcin Captulo 56: Glucoprotenas
Captulo 57: Matriz extracelular Captulo 58: Msculo Captulo 59:
Protenas plasmticas, inmunoglobulinas y coagulacin sangunea Captulo
60: Eritrocitos y leucocitos Captulo 61: Metabolismo de xenobiticos
Captulo 62: Cncer, oncogenes y factores de crecimiento
- 4. Bioqumica y medicina Roberf K. Murray, MD, PhD INTRODUCCIN
qumicos relacionados con las clulas vivas. Para lograr este
objetivo, los bioquimicos han necesitado La bioquirnica es la
ciencia que estudia las diversas mo- aislar las numerosa molculas
de que se componen liculas que ce presentan en las clulas y
organismos las c1u]a1determinar sus est~-~cturaY analizar la vivos,
asi como las reacciones quimicas que tienen forma en que funcionan.
Para dar un e j e m ~ l o ~10s lugar en los mismos. Una comprensibn
ms completa e~fermsde numerosos bioqumicos Para comprender de todas
1% manifestaciones de la vida, demanda el la base mOlecular de la
-proceso quc conocimiento de la bioqumica. AdemBs, los estu-
acompaiia de preferencia, pero no de manera exclu- diantes de que
adquieren una base siilida de siva, a las clulas musculares- han
emprendido la la bioquimica estarhn en una posicin firme para
purificacin de muchas molculas, siniplesy comple- enfrentarse, en
la prctica y la investigacin, a los dos jas, seguida por
detalladosestudios de esh-uctura-fun- cibn. A iraves de estos
esfuerzos, se han encontrado intereses centrales de las ciencias de
la salud: 1) la algunas de los fundamentos muleculares comprensin y
conservacin de la salud y 2) la apre- de lacontraccin muscular.
ciacin y tratamiento eficaz de la enfermedad. Un obietivo adicional
de la bioqlimica es intentar La bioqumica es la qumica de la vida
La bioquimica puede definirse de manera ms forma1 como la ciencia
que se ocupa de la base qumica de la vida (del griego, bios: vida).
La cblula es la unidad estructural de los sistemas vivientes.
Laconcfderaci0n de este concepto conduce a una definicion funcional
de la bioqumica como la ciencia que se ocupa de los constituyentes
qumicos de las clulasvivas y de las reacciones y procesos que
experimentan. Con esta definicin, la bioquimica abarca extensas
heac de la biologa celular, la biologa molecular y la genkitica
moIecular. El objetivo de la bioqumica es describir y explicar, en
trminos moleculares, todos los procesos qumicos de las clulas vivas
El inters principal de la bioquimica es la compren- sin completa a
nivel rnolecular de todos los procesos la comprensin del origen de
la vida; este fascinante tema an se encuentra en la etapa
embrionaria. El campo de la bioquimica es tan amplio como la vida
misma. Dondequiera que hay vida, se prodiicm procesos quimicos. Los
bioquimicos los estudian en microorganismos, vegetales, insectos,
peces, aves, mamferos y en el ser humano. Es lbgico que los
estudiantes de ciencias biomdicas centren su interes en la
bioquimica de los dos ltimos grupos. No obs- tante, una apreciaci6n
respecto a formas de vida menos complejas tiene a menudo relevancia
directa con la bioquimica humana. Por ejemplo, las teoras
contemporaneas sobre la regulacin de las activida- des de genes y
enzima5en el ser humano provienen de estiidios pioneros en pan
enmohecido y bacterias. El campo del DNA recombinante surgi de
estudios en bacterias y sus virus; su rapidez para la
multiplicacibn y la facilidad para extraer su material gentico
loshace adecuados para anlisis y manipulaciones gentticas. El
cor,ocimiento logrado por el estudio de genes vi- rales causantes
de ciertos tipos de cncer en animales (oncogenes viraIes) ha
permitido avanzar profunda- mente-en el modo en que la clula humana
se torna cancerosa.
- 5. 2 Bioquimicu d~JIarper (Capitulo I) El:conocimiento de la
bioqumica es esencial en todas las ciencias de la vida, incluyendo
la medicina Los fundamentos de la gentica se apoyan en la blo-
qumica de los cidos nucleicos; a su vez, los enfoques geneticos han
dilucidado numerosas reas de la bio- qumica. La fisiologia, estudio
de la funcin corporal, se traslapa casi por completo con la
bioquimica. La inmunoIoga,por su parte, emplea numerosas tcnicas
bioquimicas y muchos de los aspectos inmunol0gicos han encontrado
uso extenso eiitre bioquimicos. Asimismo, la farmacologia y la
farmacia se apoyan en un co~iocimientosblido dc bioquimica y
Ilsiologia; en particular, la mayora de los firmacos son metabo-
lizados por reacciones catalizadas por enzimas y las comple,jas
interacciones entre frmacos se compren- den mejor desdc el punto de
vista bioquimico. Tam- bin los venenos actan por medio de
rcaccjones o procesos bioquimicos y este es el terna de la toxi-
cologia. Cada vez ms se emplean enfoques bioquimi- cos en el
estudio de aspectos bsicos de la patologa (estudio de la
enfermedad}, como inflamacin, lesin celular y cancer. Muchos
profesionales en rnicro- biologia, 7001oga y botanica emplean
mtodos bio- qumicos casi de manera exclusiva. Estas relaciones 110
sorprenden, debido a que la vida como se conoce dcpende de
reacciones y procesos bioquirnicos. De hecho, han cado las viejas
barreras entre las ciencias de la vida y la bioquirnica se toma
cada vez mas su lenguaje comn. las ciencias de la salud, en
particular mdicos, son la comprensin y mnservacibn de la saludy la
comprensin y tratamiento eficaz de las enfcmedades. !,a hio-
quimica tiene un impacto tremendo en ambos. De hecho, la
interrelacin entrebioquimica y medicina es un amplio camino de
doble sentido. Los estudios bioquimicos han ilurriinado numerosos
aspectos de salud y enfermedad y, de manera inversa, cl estudio de
stas ha abierto areas nuevas en bioquimica. En la figura 1-1 se
muestran algunos casos de esta via de doble direccin. Por ejemplo,
fue necesario el cono- cimiento de la estructura y Ilincin de las
proteinaspara dilucidar la sencilladiferenciabioquimica entre
lahcmo- glnbina normal y la de las clulas falcifonnes. Por otra
parte,el analisis de esta ltima ha conwibuidodemancra significativa
a la comprensibn de laestructuray funcin dc la hemoglobina normal y
de otras protenas. Po- drian citarsc ejemplos anlogos del beneficio
reciproco entre bioquimica y medicina para los demhs pares de
conceptos mostrados en la figura 1 -1 . Otro ejemplo es el trabajo
pionero de Garrod, mkdico inglCs, a principios de este siglo.
Estudi pacientes con cierto nmero de trastornos relativamente raros
(alcap- tonuria. alhinismo, pentosuria y cistinuria; descritos en
loc ltimos captulos) y estableci que su origen era genciico. Garrod
designb a estas enfemcdades como errores congdnitos del
metabolismo. Sus punros de vista proporcionaron una base importante
para el desa- rrollo del campo de la genktica bioqumica humana. La
relacin entre medicina y bioqumica tiene implicaciones filosficas
importantes para la primera. Hasta donde el tratamiento medjco se
asiente en el Una relacin recproca entre conocimiento de la
bioquimica y otras ciencias bsicas la bioqumica y la medicina
pertinentes (como fisiologa, microbiologia y nu- tricibn), la
prctica de la medicina tendr una base ha estimulado adelantos
mutuos racional que puede acomodar nuevos conocimientos. Esto
contrasta con culros de saliid no ortodoxos, que Como se
estableciii al principio de este captulo, las a menudo se elevan a
poco ms que un mito sin dos preocupaciones principales de los
estudiosos de fundamento intelectual alguno. Actdos nucEelc05
Protena t Lpidos Carbohidratos Anemia de clulas geneticas
falciforme5 It MEDICINA Aterosclerosis Diabetes sacarina Figura
1-1. Ejemplos de la via de doble direccin (interrelacin)que existe
entre la bioqumica y medicina. El conocimiento de los
Compuestosmostradosen la porci6nsuperiordeldiagrama ha esclarecido
las enfermedades mencionadasen la porcion inferior; de manera
inversa, anlisis de los trastornos mostrados abajo han despejado
numerosas reas de la bioquimica Debeaclararseque la anemiade
cklulasfalciformes es una enfermedadgenetica y que tanto la
aterosclerosiscomo la diabetes sacarina tienen componentes
geneticos
- 6. Bioqumicuy medicina 3 LOS PROCESOS BIOQU~MICOS NORMALES SON
LA BASE DE LA SALUD La Organizacin Mundial de la Salud (OMS) define
a la salud como un estado de "bienestar fisico,mental y social
completo y no unicamente fa ausencia de enferrnedad o dolencia".
Desde un punto de vista bioquimico estricto, puede considerarse a
la salud como la situacin en donde las miles de reaccioiies intra y
extracelulares que tienen lugar en el cuerpo proceden a velocidades
adecuadas a su supervivencia mxima en el estado fisialogico. Sin
embargo, este es un concepto sumamente reduccionista; es necesario
enfatizar que atender la salud de los pacientes no slo requiere de
un extenso conocimiento de los funda- mentos biolgicos sino tambien
de principios sociales y psicolbgicos. La
investigacinbioquimicatiene impacto en la nutricin y la medicina
preventiva Un prerrequisito importante en la conservaci6n dc la
salud es la ingestin ptima de cierto numero de compuestos qufmicos;
de entre ellos los principales son vitaminas, varios aminoficidos,
&cidosgrasos, minerales y agua. Dado que el objeto de la
bioquimica y la nutricin es precisamente el estudio de los diver-
sos aspectos de estos compuestos, hay una selaci~n estrecha entre
las dos ciencias. AdemBs, con la inten- ci6n de restringir 30s
costos en aumento del cuidado mdico, se enfatizan los esfiierzos
sistemticos para conservar la salud y anticiparse a la enfermedad,
es decir, la medicina preventiva. Por tanto, cada vez tiende a
considermsc m6s el aspecto nutricional, por ejemplo, en la
prevencin de aterosclerosis y chcer. El conocimiento de la
nutricibn depende en alto grado de la bioquimica. Todas las
enfermedades tienen una base bioqumica Las enfermedades son
manifestaciones de anorrnati- dades de molcutas, reacciones
quimicas o procesos. En el cuadro 1-1 se enumeran tos principales
factores como causa de padecimientos en el ser humano y los
animales.Todos ellosafectan a una oms reaccionesqui- micas criticas
Q rnaleculas del cuerpo. Los estudios bioquimicoscontribuyen al
diagnstico, pronstico y trataltiiento Existe un caudal de
informacin respecto al uso de la biaquimica en la prevencin,
diagnstico y tratamientode la enfermedad;muchos casossecitarhn
daslasca ! varios r irsiisenun necanisn o t . - . Agcnt tcinper
prcsir Aeente-tvxicoc Agente gos, fo ;,etctera ckettsias, b ~rsilos
. . Cuadro 1-1. Principales causas de enfermedad. Tc ieradasactiian
bajo tia dt los bioqurnicos t la :n el cuerpo* .. - .. --. p. .. -
- -- - 1. cs fisicos- ~ r a i i a t i s m ornecnico~ aturas
extremas, cambios repentinos cn la i atmosfrica, radiacibn, choque
elkctrico 2. quirnicos y famacos: Ciertos comnuestos ,, agentes
teraputica: 3. hiolgicos: Vinis. ri ln- rmas superiores de p:! 4.
~5iicnciade o~igeno:Falta de Tumrnlsrrosangulneo, deficienciaen la
capacidad sanpiiinea pa :ar oxigeno, intouicaciiinde las enzimns
oxi 5. Gen6tica: Alteraciones congenita~o rn~,,,,,,,,, 6. nd
rat~mspori dativas oiies ininui nunolgic; iilihrio nut A - -M:---.
ioliigicas: 1 riconal: D -- Anafilaxia :ficiencia r u> docrino:
1 7. :S, 8. Dtsequilibrio en >eficiencias o excesos hurmonates
-- * idapiado con autori7acion ae KObblnSSL,ColramRS,Kizmm V Tlie
PafhologicRasis ojDtseasr, 3rd ed. Saunders, 19R4 a Io Eargodel
libro. No obstante,aqu se presentan s61o siete ejemplos breves para
ilustrar la envergadura del tema y estimular e1 inters del lector.
I) Los seres humanos deben ingerir cierto numero de
rnol&culasorgnicas comple,ja~llamadas vitaminas para conservar
la salud. Si en la dieta hay deficien- cia de determinada vitamina,
se comprometen las reacciones en que participan. Esta situacin
puede manifestarse como una enfermedad por deficiencia como
escorbuto o raquitismo (resultado de Ingestidn insufciente de
vitamina C y D, respectivamente). Dilucidar la actividad de las
vitaminas o sus deri- vados con accin biolbgica ha sido una
inquietud constante de bioquimicos y nutri6logos desde el principio
del siglo. Una vez que el estado patologico por deficiencia de una
vitamina se estableci, es racional tratarla mediante la
administracidn de la vitamina apropiada. 2) El hecho de
quenumerosos vegetales en frica son deficientes en uno o ms
aminohcidos esenciales (es decir, aminoacidos que deben ingerirse
con los alimentos para conservar la salud)ayuda aexplicar la
desnutricin debilitante (kwashiorkor) que padecen quienes dependen
de esos vegetales como fuente principal de protenas. El tratamiento
de deficiencias de aminocidos esenciales es racional pero,
desafortunadamente, no siempre es posible. Consiste en proporcionar
una alimentacibn ba- lanceada que contenga cantidades suficientes
de tales aminocidos.
- 7. 3) Los esquimales Tnuit de Gruenlandia consumen cantidades
abundantes de aceites de pescado ricos en ciertos acidosgrasos
poliinsaturadosy se sabe que su concentracin plasrntica de
colesterol es baja, lo mismo que la frecuencia de aterosclerocis.
Estas observaciones han estimulado el inters en el uso de esos
Bcidos para reducir los valores plas- rn~icosde colesteral. Las
enfermedades por deficiencia vitamnica o de aminocidos esenciales
son ejemplos de dese- quilibriosnutricionales (cuadro 1-1 ).La
aterosclerosis puedc considerar~eun desequilibrio de la nu-
tricjon, pero tambikn intervienen otros factores (corno el
gentico). 4) El estado conocido como fcnilcetonuria si no se trata,
puede cotiducir en la infancia a retraso mental grave. Desdc 1953,
se conoce la base bioquimica de este trastorno, el cual est.
detcrminado gencti- carnente y se debe a la actividad escasa o nula
de la enzima que convierte el aminocido fenilalanina en tirosina.
Esto, a su vez, eleva la concentracin sangunea de fenilalanina, lo
que dafia al sistema nervioso central en desmollo. Cuando se descu-
bri la naturaleza del daAo bioqumico, se trat la enfermedad
haciendo que los lactantes afectados ingirieran una alimentacin
pobre en fenilalanina. Una vez que se dispuso de pruebas
bioquimicas selectivas para diagnosticar fenilcetonuria al
nacimiento, pudo instituirse el tratamiento desde el principio en
el nio afectado. 5) La fibrosis quistica es una enfermedad genMica
comn de las glindulas exocrinas y las glhndtilas sudorparas
ecrinas. Secaracteriza por secseciones anomalmente viscosas que
obstruyen los conduc- tos secretores del phncreas y los
bronquiolos. Ademhs. los pacientes con esta afeccin muestran una
concentracin elevada de cloruro en el sudor. A menudo, las vctimas
mueren a temprana edad por infecciones pulmonares. En 1989, se
inform6 sohrc el aislamiento y la secuencia completa del gen
causante de esta enfermedad. El gen normal codifica una protena
transrnembrana (regulador de la conductancia transmembrana en la
fibrosis qusticaj formada de 1480 arninoacidos, la cual funciona
como un conducto del cloruro. En 70% de los pacientes con
laenfermedad seha observado una delecin de tres bases en el gen, lo
cual hace que en la proteina transmembrana falte el ami- noacido
508, un residuo de fenilalanina. Se esth determinando la forma en
que esta omisin altera la hncin de la protena transmembrana con
produc- cion de moco demasiado denso. Este importante estudio
facilitarii la identificacion deportadores del gen de la fibrosis
quisticay seespera que conducir a un tratamiento rnsracional dc la
enfermedad que el existente hasta ahora, Por ejemplo, quizfi ser
posible desarrollar fhrrnacos que corrijan la anor- malidad en la
proteina transmembrana; de igual modo, podra introducirse un gen
normal en las clu- las pulmonares por manipulaciiin gentica. Ida
fenilcetonuria y la fibrosis quistica son ejemplos de enfermedades
geiaicas (cuadro 1-1 ). 6) El anlisis del mecanismo de accihn de la
toxina bacteriana que causa el clera ha proporcionado infonacibn
importante sobre el modo en que ocu- rren las manifestaciones
clnicas de la enfermedad (diarrea copiosa y prdida de sal y agua).
7) El hallazgo de que los mosquitos transmisores de parsitos
(plasmodios) que causan el paludismo pueden desarrollar resistencia
bioqumica a la ac- cin de insecticidas, tiene consecuenciac
importan- tes sobre los intentos para erradicar esta enfermedad.
Este caso y el anterior, son ejemplos de enfermedades causadas por
agentes bioliigicos (cuadro 1-1). Muchos estudios bioquirnicos
aclaran mecanismos patolgicos y, a su ver, las enfermedades
inspiran estudios en reas especificas de la bioqumica Las
observaciones iniciales reali~adaspor el mhdico ingls Archibald
Garrod en un grupo pequeo de errores congknitos del metabolismo al
principio del decenio de 1900,estimulb la investigacin de las vias
hiliqiiimicas afectadas en estas alteraciones. Los es- fuerzos para
comprender la base de la enfermedad genktica conocida como
hipercolesterr)lemia fami- liar, que lleva a aterosclerosis grave a
edad temprana, condujeron al notable progreso en el conocimiento de
los receptores celulares de los mecanismos de cap- tacin
ddelcolesterolpor lasclulas.Losestudios actuales de los onrogenes
en clulas cancerosas han dirigido la atencin a mecanismos
moleculares que interv-ncn en el control de lainultiplicacibn
celularnormal.Estos y otros numerosos ejemplos posibles ilustran la
forma en que el estudio de la enfermedad puede abrir areas enteras
de la funci6n celular para la investigacin bioquimica bhsica. ESTE
TEXTOAYUDAR A RELACIONAR CONOCIMIENTOS BIOQUMICOS CON PROBLEMAS
CL~NICOS En cl texto seencuentran dispersas, breves descripcio- nes
de los mecanismos bioqumicos en que sc basan muchas enfermedades.
En particular, las captulos 63, 64 y 65 se refieren a las bases
bioquimicas de varias enfermedades importantes. En el apcndice se
analizan brevemente algunos conceptos basicos para interprc- tar
los resultados de las pruebas bioquimicas de labo-
- 8. Bioyuimicu y medicina 5 , Actuar co tcmpranc .Ayudar ei " P
r l l n P - r l Cuadro 1-2. Algunas investigaciones bialhgicasy
pruebas de laboratorio aplicadas de ciertas enremidades 6. Ay udar
a evaluar la respuesta dc las cnfcrmedad al tratamiento I dieta
baja iui-ia l . c . :O ,lo 111 en fenilala ... en r l'm~ estir hnrr
nina para e . .. . .. ., al estudio de las enfermedadi ---- - .-..
.- - .. -. - -... - -2 - -L.u- -:":---""." . - - Ejemplo 1. Revelar
I;, ,,u,, Au,,uu,,,L,,,ules y los mccanicmos dc
Dernostr~lai,,,,,,,,, de los de,,,,, ,,,,,,,,va la la enfermedad
isis quistic: 2. Sugerir tratamientos racionales de las enfi ileo
de una to con base en las causas mencionadas antes ( i fenilcetuii
3. Ayudar al diagnsticode enfermedades especirlcas de Ia enrima
piaqrnaticacreatina cinasri tvln (CK-MR) iminotrans ihepatitis i --
4 lmo pruebas para deteccibn y dlagnstid i dc ciertas cnfemedades 5
n la vigilancia de le. evolucifin (por qemp ;hito de laenzirr
caalanina ferasa /AI,l') i vigilancia ucibn de la nfrcciosa
r,irilileo de mrurL1uiie.i de anti~eiiu~a~iriuernbrionario (CEA)
sanguneoen cierta s tratados por cncer de Idiagniistico de infarto
de rniocardio ileode mediciones detiroxina sangiilneaod na
nulantedel tiroidcs (TSH. del inglCs rhiroii TK ratorio y se
presenta una lista de las mas empleadas La bioquimica y la medicina
tienen una relacion junto con el intervalo en el cual varian sus
valores estrecha. La salud depende del equilibrio armonioso
normales. El propbsito global es animar at lector a dar de [as
reacciones bioquimicas que tienen lugar en cl a SU ~0nocitTlient0de
bioquimica Un USO ~linic0efi- ,,,mo, y la enfermedad en
,,,,,,,,,cien, empeoramiento. remisibn o recaid,, ,,.u, ,nnne) en
el diagnostico neonatal del hipotiroidismo . - caz.
biornold~ulas,reacciones bioquimicas o procesos Las
inve~tigacionesbioquimicas en relacion con biolgicos, las
enfermedades se resumen en el cuadro 1-2. En Los adelantosen el
conocimiento bioquirnico han varias secciones de este libro se
presentan ejemplos iluminado numerosas reas de la medicina. De modo
de muchos de estos usos. inverso, a menudo el estudio de las
enfermedades ha revelado aspectos previamente no sospechados de la
RESUMEN bioquimica. Con frecuencia,unenfoque bioqumico es funda-
mental para aclarar las caus& de Ias enfermedades e La
bioquimica es la ciencia que se ocupa del estudio idearteraputicas
apropiadas+ de las diversas molkculas que componen las clulas y EE
uso racional de varias pruebas bioquimicas de organismos vivos as
cono de sus reacciones quimi- cas, Debido aque la vida depende de
estasreacciones, laboratorio es un componente integral del
diagnhstico la bioquimica se ha convertido en el lenguaje b;isico Y
vigilmcia de todas las ciencias biolgicas. Un conocimiento slido de
la bioquimica y de bioqumica se interesa en la totalidad de las
otras disciplinas bQsicasrelacionadas es esencial para
forma?vivientes, desde virus y bacterias, relativamente la practica
racional de la medicina y ciencias de la simples, hasta les
cornpIejos seres humanos. salud afines. I REFERENCIAS Garrod AE:
Inhorn errors of metabolism (Croonian Lec- Scriver CR et al.
(editors): The Melabelfc andiIhlecular tures). Lance[ 1908;2: 1.73,
142,2 14. Bases nJ Inherited Disease, 7th cd McGraw Hill. Kornberg
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1992:6:3143. Willilims DL, Marks V: Scient13c Fooundaiions of Bio-
chemi.~tryin Clin~calPractice, 2nd ed. Bunenuorth- 1leinemann,
1994.
- 9. RiornoAculas y mtodos bioqumicos Este capitulo tiene cinca
objetivos. El primero se refiere a la camposici6n del cuerpo y a
las princi- pales clases de molculas que se encuentran en 61. El
estudiodeestasmol&culasconfonnagrnn parte de este texto. La
ctluIa es la principal unidad estructural y funcional de la
biologa. La mayor parte de las reac- ciones qumicas dentro del
cuerpo tienen lugar en las c6lulas. Por tanta, el segundo objetivo
es dar una descripci6n concisa de los componentesde las c&lulas
y de la forma en que pueden aislarse; los detalles de las funciones
de estos componentes constituyen gran parte de la estructura del
libro. El tercer objetivo concierne al hecho de que la biquimica es
una ciencia experimental.Es importante comprender y apreciar el
enfoque experimental y los mbtodos usados en bioquimica, para
permitir que su estudio se convierta en un ejercicio rutinario del
aprendizaje. Ms an, la bioqumica no es un cuerpo
inmutabledeconocimiento,sinoun campoenevolucin constante. Los
adelantos, como en otras lireas de la bioqumica, dependen de la
innovacin en el enfoque experimental y tecnolgico. El cuarto
objetivo consiste en resumir de manera breve los principales logros
obtenidos en bio- qumica. La visibn concisa de la ciencia, que se
pre- sentad aqu, ayudar a impartir en el lector un sentido de la
direccibn global del resto del texto. El quinto objetiva sedirige a
destacar lo pocoque conocemos en ciertas Areas, por ejemplo, sobre
el desarrollo,ladiferenciacidny funcibncerebral,elcncer y muchas
otras enfermedades humanas. Quiz esto sirva de estimulo a algunos
lectores para contribuir a la investigacibn de estas Areas. EL
CUERPO HUMANO SE COMPONE DE UNOS CUANTOS ELEMENTOS QUE COMBINADOS
FORMAN UNA EXTENSA VARIEDAD DE MOLCULAS Los principales elementos
san carbono, hidrgeno, oxgeno y nitrgeno Seha determinadola
composicin elementaldel cuerpo humanoy en elcuadro2-1 semuestran
losprincipales resultados. El carbono, oxgeno, hidrbgeno y ni-
trgeno son los constituyentes principales de casi todas las
biomol&culas.El fosfato es un componente de los
Iicidosnucleicos as1 como de otras molculas y tambikn se distribuye
ampliamente en su forma ioni- zada en el cuerpo humana. Por su
parte el calcio tiene una funci6n importante en innumerables
procesos biolbgicos y sobre l esta enfocada buena parte de la
investigacibn. Los elementos enumerados en la ter- cera columna
desempefan diversas funciones. Muchos de ellos se manejan casi
diariamente en la prhctica mkdica al atender a pacientes con
desequili- brios electroliticos (K', Na', C1- y Mg2+},anemia por
deficiencia de hierro (Fe2+)y enfermedades de la tiroides (1-1. Las
cinco principales biomolcufas complejas son DNA, RNA, protenas,
polisacarridos y Ipidos complejos Como se muestra en el cuadro 2-2,
las principales biomol~culascomplejas encontradas en las clulas y
tejidos de los animales superiores (incluyendo al ser humano) son
DNA, RNA,protenas, polisacfiridos
- 10. 8 Biuqriimica de Hrrrper Cuadro 2-1. Composicin ekemental
aproximada del cuerpo humano (con base en peso seco)* - Carbono 50
Ovigeno Azufre I lidrgeno N F.c 0.00005---- * Reproducido con
autorizacibn de West ES. lodd WR. T?xzbook ofRiochcmist~.3rd ed.
Macmillan, 1961. itrgcno alcio jsforo y lipidos. Lac moiculac
complejas se construyen a partir de biomoMculas simples, tainbien
enumeradas. Los bloques estructurales del DNA y el RNA (Ila- rnados
colectivamente cidos nucleicoc) son los desoxinucletidos y los
ribonucle6tidos, respccti- vamente. Por su parte, las bases
estructurales de las protehas con los arninoitcidos, mientras que
los po- lisacaridos estan constituidos por carbohidratos sim- ples;
en el caso del glucgeno (polisacrido principal de lostejidos
humanos), el carbohidrato es la glucosa. Los cidos grasos pueden
considerarse como los blo- --- ipidos -, -- nolde par rrotelnica-
ques estructurales de los Iipidos, aunque stos no son polimeros de
acidos grasos. Al DNA, RNA, proteinas y polisacaridos se les conoce
como hiopolimeros debido a que esthn compuestos de unidades
repetidas de sus bloques estructurales (los mon6meros). Las
rnol~culasantes mencionadas constituyen esencial- mente el
"ingrediente vital" de este texto; la rnayor parte se ocupa de
describir sus caractersticas bio- qumicas y las de sus bloques
estructurales. Por lo general se encuentran las mismas moleculas
comple- jas en los organismos inferiores, pero pueden diferir de
los que se muestran en el cuadro 2-2. Por ejemplo, las bacterias no
contienen giucogeno o triaci!- gliceroles, pero poseen otros
polisacaridos y Ipidos. Cuadro 2-2. Biomol&culasorghnicas
comptejas principales de clulas y tejidos. Los &cidosnucleicos,
proteinasyplisadridos son biopolimems,constrriidm a partir de las
bases estructurales mostradas. Por lo general, tos lipidos no son
biopolimaros y no todos tienen cidos grasoscomobases estructurates
-. . . - ..- - -. 1 la= - [estructuralesases 1 principales~ u n c i
o n i - D -" " .- R ( Riboni sis - :P - P I ~ ~ ~ ~ ~ ~
~AminoAcidos Numerosas: por lo gene- ?--ral son las moEculas que
(eluceeno) L 1 branas y almaccnaje por tiempo prolongado dc energa
como triacil- Protenas, Ipidos, carbohidratos, agua y minerales son
los principales componentes del cuerpo humano 1 Ya semencionb cual
es la composici6n elemental del cuerpo humano. Su composicin
quimica se muestra en el cuadro 2-3; proteina, grasa, carbohidrato,
agua y minerales son los elementos principales. E1agua coris-
tituye la proporcin mayor, aunque su cantidad varia ampliamente en
los difcrentes tejidos. Su naturaleza polar y su propiedad de
formar puentes de hidrogeno hacen al agua idealmente adecuada para
su funcin como solvente en el cuerpo. En el captulo 3 se pre-
sentan con mayor detalle las propiedades del agua. aliccroles LA
CLULA ES LA UNIDAD BSICA DE LA BIOLOG~A La clula fue reconocida
como la unidad fundamental de la actividad biolgica por Schleidcn y
Schwann y por otros pioneros como Virchow en el sigloXIX. Sin
embargo, en los aRos posteriores a la Segunda Guerra Cuadro 2-3.
Composici6n qumica normal d - Sn que pesa 65 kg" .--- . -. " .-.. .
A " - - ! - "qP0rce-D" - --- - - Protenas 1 1 1 17.0 Grasas 9 13.8
Carbohidrato I 1 5 Agua? d _ Milierales, -.- i 51 -- * Reproducido
con autor17 avidson SD, Parsmore R, Hrock JF: Iiuman ,l'uiri
ererrcs, 5th ed. Churchill Livingstone, 1973. El valor para el agua
pucdc variar ampliamente entre los riirc- rentes tejidos, siendo
tan bajo como 22 5% para el hueso sin mtdula Adems, el porcentaje
dcf agua tiende a disminuir confunnc alimenta 13 grasa curpura) '
4iIIs. acin de D: rion and Di
- 11. Biomolculas y mtodos hioqumrcos * 9 Mundial, tres
sucesosayudaron al inicio de un periodo deactividad sin paralelo en
la bioquimica y la biologia celular. Fueron: 1) la disponibilidad
creciente del mi- croscopio electrnico; 2) la introducci~nde
rnktodos que permiten separar las clulas bajo condiciones
relativamente poco agresivas de modo que se preserve su funcin: 3)
el desarrollo y disponibilidad de una ultracentrifuga refrigerada
de alta velocidad, capaz de generar fuerzas centrfugas suficientes
para aislar los constituyentes de las celuias separadas sin sobre-
calentarlos y, por tanto, sin desnaturali7arlos. El uso del
microscopio electrnico reve16 muchos de los componentes ce!ularec
que hasta entonces eran desconocidos o deficientemente observados,
en tanto que la rotura de las clulas y la ultracentrifugacin
permiti su aislamiento y anhlisis in vitro. El hepatocito de rata
muestra caractersticas comunes a muchas clulas eucariotas En la
figura 2-1 se muestra un diagrama de la estruc- mra de una ckIuEa
hepatica (hepatocito) de rata; es probabEe que sta sea la clula m8s
estudiada desde el punto de vista bioqumico, en parte por su
disponibili- dad en cantidades relativamente grandes, por su faci-
lidad para fraccionarse y por la diversidad de siis funciones. El
hepatocito contiene todos los organelos principales que se
encuentran en [asclulas eucariotas (cuadro 2 4 ) ; es decir,
niicleo, mitocondrias. retculo endoplsmico, ribosomas libres,
aparato de Golgi, lisosomas,peroxisornas,membrana plasrnaticay
ciertos elementos citotsque2eticos. Para disgregar clulas y aislar
molculas intracelulares y organelos subcelulares se usan tcnicas
fsicas Para estudiar con profundidad la funcidn de cualquier
organelo,es necesario primero aislarlo en forma rela- tivamente
pura, sin contaminacion importante de otros organelos. El proceso
habitual para conseguirlo se llama fraccionamientosubcelular y, por
lo general, comprende tres procedimientos: extraccibn, homo-
geneizacin y centrifugaci6n. Gran parte de los traba- jos iniciales
en esta irea utilizaron higado de rata. A. Extraccin Comoprimer
paso haciael aislamiento de un organelo (o molcula) especifico, es
necesario extraerlo de las cAulas en que se localiza. La rnayoria
de los organelos y muchas ~iomoleculasson bastanteIhbiles y propen-
sos a perder sus actividades biolbgicas. De acuerdo a ello, deben
extraerse en condiciones poco agresivas Retculo endopllrsmico h
Citoesqueleto Membrana Peruxisoma plasmalica Lisosoma citoso1
Figura 2-1. Representacibn esquematica de una dlula hep8tica de
rata, con sus organefos principales (es decir, usando soiuciones
acuosas y evitando si- tiiaciones extremasde pH, presibn osmtica y
tempera- turas altas). En realidad, muchos de los psocedimien- tos
para aislar organelos se efectria aproximadamente entre0y 40"C
(porejemplo,en un cuartofrlooutilizando materiales conservados en
hielo). A la temperatura ambiente puede haber prdida significativa
de la ac- tividad, en parteporlaaccindevariasenzima5digestivas
(proteasas, nucleasas, etcktera), liberadas cuando se rompen las
cdlulas. Una solucin comun para la ex- traccion de organelos
consiste en sacarosa 0.25 moVL (Esosmtica), ajustada a un pH de 7.4
con un amor- tiguador de hcido cIorhidrico-TRIS (tris [hidmimetil]
amjnomewno), 0.05moW, que contieneiones K' y Mg2' a concentraciones
casi fisiol~gicas;a esta solucin se le conoce con las siglas STKM
(del ingles, Sucrosu, Tris, Kulium y Magnesiurn). No todos los
solventes usadospara laextraccibn sontan suavescomoel STKM; por
ejemplo, para extraer lipidos y cidos nucleicos se emplean
solventes orghnicos.
- 12. 10 Bioquimica de Harper (Cupitulo 2) imdro 2 4 poriancia
ates rgar idascon c ios intrac ada oqai O t sus fuar lgunosca es en
el o ta se enun en ocurrir neran las -muchas funcione otrasvtas sde
mayt ,procesos - -.. - . dirigidapc t fraccibn*-- - . A --A DNA
Marc:ador Funcio'nesprinciA iornas la la sintesiLugar donde los
cromo! se desarrvl. .. , - Mitoconorion biut&nico d ~ h i d r o
g ~ n ~ a -~ibosoma* Alta contenido de RNA Sitiode la sni lo c A (
t r r g tesis protte! osforilacibn oxidativa-A- icibn del mRNA a
pro- !teina) S rihosomas unidos a la mernbrama son un:fculo endc
Glucosa. Lo tan Sir Ox ite de sntesisproteinica itesis de varios
Ipidas idacinde nume~osos~en~i6ticos(citocmmo_i~4~o~ muchas hii e
radativas) - dentro y ti herencxa y comunicacibn interce jtribucion
intracelular acciones de glucosilac acciones de sulfataci - Li: io
dc alma alizan reacu .- insporte dc cenaje de ciones deg: molCculm
lrolasas (e Mi A T P E I ~ Aparato de Golgi uera dc las Di: Re Re
de protein :i6n n Pe Cata!asa - 1Oxidasa Cii No tien! del Qido i e
marcadc + irica gradacin i iduccin y crofilamen ie ciertos
degtadrtci- tos, microti cidos gracos y amino in.-de- peroxido de
hd! bulos,filamentos intl .- toesyueletc 'OS' ieshidroge.. - -
entidad suba . . - Citosol* * Un organelo sepuedc dcfinircomouna
nasa :eEulwquuee . . 1En: stlimiida sntesis de-- ior ccntxifup
:-hcidos". & aci6n a altas zlmas-ae !a gtuco~isis, oormembranav
seaislar De acuerdo a Ia definicihn, los r i b m a 5 , ei
crioesqueietoy ei citosoi no son organclos. Sin embargo, aqui se
les considerajunto con ellos dehido a que, por lo general. tambin
se aislan p r centrifugacibn F Un organelo al sislarse p ic
ccetrifug S necesariopnr lo menos, c i de ciclos. Laq fracciones de
citoesq ieden recont S carxteristics que contiei 'ueden ctasii 2s:
es puro; 1 iicarse comc Jara obtener b entidades c una fraccib i
fracciones n pura, habi subcelulares tudmente eor un ciclo i ierto
numerc ueleto se pi 1P" aci6n difere xer por mii ncial rara vi
:roscopia el por anlisis oforesis de B. Homogeneizacin Para extraer
un organela (o biomolkcu1a)de las c&lu- las, primero es
necesario romperlas bajo condiciones suaves. Los 6rganos (hgado,
rifion, cerebro) y las clulas quecontienensepueden separarde
maneracon- veniente mediante el proceso de homogeneizacibn; ste
consiste en girar manualmente o por medio de un motor, un agitador
dentro de un tubo de vidrio de dimensiones adecuadas que contiene
los fragmentos desmenuzados del &gano en estudio con un medio
hornogeneizante apropiado como STKM.La rotacibn controlada del
agitador ejerceuna fuerzamechica en las dtulas y las rompe l i h d
o susconstituyentesen la sacarosa. Resulta una suspensin que
contiene muchos organelos intactos, la cual se conoce como
homogenado. clsicoutilizauna seriedetrespasos de centrifugacin
diferencial, con velocidades sucesivamente mayores (figura 2-2) y
cada uno produce un sedimento y un sobrenadante. El sobrenadante de
cada paso es centri- fugadoen el siguiente.Este prmedimiento
proporciona tres sedimentos,que son las fracciones nuclear, rnito-
condrial y rnicrosbmica. Ninguna de las fracciones
estcompuestadeorganelosabsolutamente puros. Sin embargo, se ha
establecido con precisin por el uso del microscopioelectrbnicoy por
mediciones deenzi- mas "marcadoras" adecuadas y de componentes
qumicos (por ejemplo, DNA y RNA) que los consti- tuyentes
principales de cada 1 de las 3 fracciones son nucleos, mitocondrias
y microsomas, respecti- vamente. Una enzima o un compuesto qumico
"mar- cador" es aquel que esta casi exclusivamente confmado a un
organelo particular, corno la fosfatasa hcida en los lisosomasy el
DNA en el ncleo (cuadro 24).Portanto, sirvepara indicarla presencia
oausen- cia, en una fraccin determinada, del organelo en el que
esth contenido. La fraccibn microsbmica (mi- C. Centn'fugacidn El
subfraccionamiento del contenido de un homo- genada por
centrifugacin diferencial ha sido una tkc- nica de importancia
capital en bioquimica. El mttodo
- 13. Biomol~culusy mtodos biquimicos J I Sobrenadante(1) - '
Sobrenadante(3) 15 o00 g x 5 min P Fraccibn Fraccibn nuclear
microsbmica Figura2-2. Esquema de separacibn de fracciones
cubceluTares por centrifugaeibn diferencial. fltejido
hornogeneuado(por ejemplo, hepfitico) se sujeta primero a
centrifugacibna bala velocidad para obtener la fraccidn nuclear
(que contiene tanto ncleo como dlulas enteras) y el sobrenadante
(1).Este ultimo se decanta y sujeta a centrifugaciona veloadad
intermedia para producir la fraccibn mitocondr~af(que contiene
rnitocondrias, lisosomas y peroxisomas) y el sobrenadante (2) este
se decantay sujeta a centrifugacibna altavelocidad paraobtener la
fraccinmicrosrnica(quecontieneuna mezclade ribosomas libres y
reticuio endoplAsmico liso y rugoso) y una soiucibn final clara, el
sobrenadante (3). Este ltimo corresponde aproximadamenteal citocol
o savia celular. Modificando de varias maneras el mktodo, por lo
general, es posible aislar mda organelo en forma casi pura
crosomas) contiene principalmente una mezcla de reticulo
endoplsrnico liso, retculo endopliismicoru- goso (es decir, que
tiene adheridos ribosomas) y rE- bosornas libres. E! contenido del
irltimo sobrenadante corresponde a la savia celular (citosol). Las
modifi- caciones a este proceso bcico, que utilizan medios
diferentes de homogeneizacibn o protocolos distintos de
centrifugacion (por ejemplo, el uso de gradientes, continuos o
discontinuos, de sacarosa), han pemitido el aislamiento, en fonna
ms o menos pura, de todos losorganelos ilustrados en lafigura 2-1 y
enumerados en el cuadro 2 4 . El esquema descritoanteriormente
esaplicable en tkrminos generales a lamayora de los 6rganosy
lasdlulas;sin embargo, los fraccionamien- tos celulares de este
tipo deben ser valorados con mediciones de enzimas o de compuestos
qumicos marcadores y por el rnjcroscopio electrnico, hasta que el
procedimiento global pueda considerarseestan- darizado. La
importancia de los estudios de frac- cionamiento subcelular en el
desarrollo de la bio- qumica y la biologia celular, no se exagera
por su enfoque experimental y amplio uso, constituye una parte
fundamental en el estudio de lasfunciones de los organelos
celulares. La infomaci6n de estas funcio- nes,resumida en el cuadro
2 4 , representa uno de los mayores logros de la investigaci 6n
bioquimica (vkasedespubs). El enfoque experimental tiene tres
componentes Los componentes principaEes del enfoqueexperimen- tal
son tres: 1) el aislamiento de biomoldculas y or- ganelos (vdase
Centrifugacin, antes) contenidos en las clulas; 2) la deteminacibn
de la estructurade las biomolculas, y 3) el aniilisis, utiIizando
diversas preparaciones, de la funcion y el metabolismo (es decir,
sintesis y degradacibn) de las biornoltculas. El enfoque
experimental requiere del aislamiento de biomolculas Como en el
casode los organelos, conocer la funci6n de cualquier biomoidcula
requiere que primero se le aisle en fonna pura. En el cuadro 2-5 se
resumen los mktodos principales empleados para separar y purifi-
carbiomolkculas. Aqu no sedetall&, pero algunos se explicarn de
modo breve en otras partes del libro. Para purificar una
biomol&culase necesita casi siem- pre una cornbinaci6n de
mitodos hasta lograr la ho- mogeneidad (la forma pura sin
contarninacibn por cualquier otra biomolcula). Es importante
apreciar que los adelantos en bio- quimica dependen del desarrolIo
de ttscnicas nuevas
- 14. C la d -- las Anaiisis ciel....... . Espectroscopia
ultrnvioleta, visil o,ja y de reso- nancia magntica nuclear (RMt
Uso de hidrlisis cida o alcalina dar la hiomo- lecula baloestudio
en sus const,,,,,,,,,, sode una serie dc enz ara degradar la
biornolr 1u- cleaqas o glucosidast ~spectrometriade mas: Mdtodos
es[ ciaci6n (por cjcmplo, de protcinas m b Cristalografi - Cuadro 2
cipales n ara separar y biamolc 110s son adecu: i analizat 4"e
existen en ius extractos celulart.~v eii virus matc- riales bioq
Idevarias de estas tbcni 1, la purifca- cihn de In mmJaJ,,s ,a de
las bilirliurrcuid~.Para ma- Y lles respt d ,aci6nbio I los texto .
.- - .. - -.- .--. ..-.- Fraccionar sulfato dc Cromatogt En papel
Por intercambio ibnrco (intercan Por afinidad En capa fina
Gas-l1qu1 En fase li Filtracin i Electroforr En papel Con alto
vvltaje En agarosa En acetato de cclulosa En gel de almidiin En
poliacrilamida Poliacrilamida y dot I!ltracentrifugacibn -- - -5.
Prin purificar ados par 1 -- -...A-- mbtodas r :ulas. Mu - los comr
1 - _ - isados p chos de e )orientes i - A ..-- Yuadro 2- etermina
6. Princip cibn de la ncntl iales meto 1s estructi . . - ados para
iomolcu . . . sle, infrarr '4 para degras uimicos. caspermi m n r r
r i r : r i El uso en itirA, por 4 - secuencia 10 general ores deta
e investig s . ..- : ~ f aa cad quimica, 1s especial la uno de el
lectord limdos - . los rnto ebedirigi dos 11 irse conocidap
iroteasas, r masde esp Scula (por 1s) lecificidad m ejemplo, p
niento srlino (por ejemrnyilo, prec )ecificos p o de cido: ia de
rayos ara secuen ;nucleicos; X :amonio) -afia do quida a alt tn gel
:sis biornolculas. El lector con algunos conocimientos de qumica
orghnica los encontrara familiares. Ciertas enzimas cuya
especificidad se conoce, son medios muy poderosos para revelar
estas caracteristicas estructurales. El perfeccionamiento en la
resolucin respaldado por los adelantos tebricos y tecnolbgicos, est
convirtiendo cada vez ms a la espectrometria de masa y a la de
resonancia magnetita nuclear (RMN), en los mtodos de eleccin
rutinarios para estos analisic. Las estructuras de las cadenas
extre- madamente complejas de los carbohidratos conteni- I sdico
(S1 dos en ciertas biomolculas, como las glucoproteinas, se pueden
ahora aclarar por la elevada resolucibn de la espectrometra RMN.
Una infomacion m8s deta- de anliIisis, purificacibn y determinacin
de estmc- turas. Por ejemplo, el campo de la bioquimica de los
Ipidos avanz con rapidez gracias a la introduccibn de la
crornatografiaen capa fina y gas-liquido. El ankliss de la membrana
y de muchas protenas era extremadamente dificil hasta la
introduccin de la llada se logra con la difraccibn de los rayos X y
la cristalografia. Su uso fue decisivo para revelar las estructuras
dctalIadas de varias protenas, enzimas y la naturaleza de la doble
hlice de DNA. El enfoque experimental requiere anlisis de la funcin
y metabolismo de biomolculas, utilizando varias preparaciones
electroforesis en gel de poliacrilamida-dodecilsul- fato sdico
(EGPASDS); el detergente dodecilsul- fonato sdico permiti6 la
"solubilizacin" para la electroforesis de muchas proteinas que
antes no haban logrado disolverse. Asimismo, el desarrollo de
mtodos para la secuenciacihn y clonacion del DNA ha tenido un
efecto revolucionario en el estudio de los cidos nucleicos y de la
biologa en general. La investigacihn bioqumica inicial en el ser
humano y los animales se hizo con el anima1 intacto. Son ejemplos
los estudios de la respiracibny el destinode las sustancias
ingeridas. Pronto se descubri6 que el animal ntegroerademasiado
complejo para permitir dar respuestas definitivas a numerosas
interrogantes. En concordancia, se hicieron preparacionesms
sencillas in vitro, que eliminaron muchas de las complicaciones
experimentadas con el animal intacto. El cuadro 2-7 resume los
diversos tipos de preparaciones de que se dispone ahorapara
estudiar los procesos bioquimicos; la mayosia de tos conocimientos
presentados en este texto se han obtenidogracias a su uso. El
enlistado se El enfoque experimental requiere la determinacin de la
estructura de biomole~ulas Una vez que una biornoIecula ha sido
purificada es necesario determinar su estnictura. De este modo
puede hacerse una correlacion entre estnictura y fun- cin. En el
cuadro 2 4 se enumeran los metodos principales en uso para analizar
la estructura de las
- 15. ,a2-7. Je - ..---. .-. id0 vcl del rarquia d 7--- -- -- e
las preI .- ..-. ... :S utilizad ....... ias para e 35 procesi . -
. - Comentar- Esruaios a ni rueaen sc. 1. Bxtirpaci6n de un
6rgano(por ejemplo. hepatectomia) 2. Alteraciones en la alimentacin
(por qjemplo, ayuno-posprandial) 3. AdministraciOnde un frmaco (por
ejemplo. fenobarbital) 4. Administracihn de una toxina (por qemplo,
tetraclorurodc carbono) 5. uso 6. Emp nosit animal int; de iin
anirr leo de tecn rones .'.- - - .-.- ial cori una icas sofistj
enferrned: cadas corr id especific io espectri :a (por cjer 3scopia
R: nplo, diabc MN y tam :tes sacarin ografia po: a) r emisibn dc
Los Cstiid~ubachrc n ~ v c isur1a rricnriuu iibiuiugicoh,pcru
uueucri x r uiliciicsCYCirricruretardebido ia nervioso-- 1 centrala
la intcraccin orgnich mediada por la circulacion- . .--p. .-.-.- -
En particular higado, ~oraz6ny rifiiin son adecuado: Estemtodo
permite el estudiode un organoaisladode la influenciadc
otrosodclsistemanervioso.. -- - Especfaln n usado cortes de tejido
hephtict -. p. i}rgano aislado perfundido- -, cc .--p. rtes de teji
) ;preparacii . . mestiende nente se ha cortestisu1 1s heras, cn
Aisli los8 ares de otras influencias. pero lar o de algunap---
parte debido al suministroinadecuadoac nutrientcsL - . . . - 2 A A
A - L . . . . " A - A ........... i .Aplicableen particular a lm
clulassangunea, que pueden serpurificad 7.En m u c h a breas de la
biologa son indispensah -- t. Asegura una prcparacibn qiie no
contiene cklul; les los culi-- Ls T I - . .. d.. ... ivos de
teji-.-. .--. :... .,. ... 2. Pueden agregarse o removerse
comnuestosesneciiiuisrnor eiemniri. nur ui~hisisiv ehrudiar sus
efectos . .3. Pucdc ser subfr- Ampliamenteusados accionado.--- s,
para estu por centrif d i ~lafunc ugacibn- pa- ~ b nde mitr .ra
pproducii icondrias, r r orgnnelos *eticuIoenc : celulares i
loplsmicoOrganeIos cetulares aislados-. A " " -- Subfracciona
organelos Aislamiento aci=. ri~acindi tos y emir- " " . Clonacidn
de genes qu~ codifican r miento de ente usadoS, por ejemplo, en
cstudiosde la funcibn mitocondrial - ..-..... s.-.---A"" ....-
t=pai rc v irni uLi aiilisisde cualquierreacciiin o va quirnica
:metabuli- nas - - - - tl aislamientodel gen clonadoes esencial
para cstudtar los detalles de su estructuray rcgulaclbn: tambitn
iuede revelar b secuencia de am It la enzimia o proteinla n la que
1 presenta en orden decreciente de complejidad. Igual que el uso de
animal integro tiene desventajas, las dems preparaciones tambiin
tienen sus limitaciones. De los procesos usados in vitro pueden
derivar resul- tados erroneos (artefactos); por ejemplo, Ea homo-
geneizacin de las clulas puede liberar enzimas que digieran
parcialmente a las molculas celulares. reacciones responsables de
la sntesis de un com- puesto complejo a partir de uno o miis
compuestos simples o de la degradacin de una sustancia hasta su
producto final. La existencia de un proceso bio- quimico complejo o
de cienas vias metabhiicas puede inferirse de las observaciones a
nivel del animal in- tacto. Por ejemplo, observacionesdirectas de
nuestros congeneres indican que los msculos se contraen. Sabemos
que la glucosa sirve como fuente de energia para el ser humano y
otros animales; por tanto, pode- mos deducir que debe ser degradada
(metabolizada) en el cuerpo para producir energia. Sin embargo, la
comprensi6n total de la forma en que la glucosa se metaboliza en
las cklulac humanas -su conocimiento est an lejos de ser completo-
se requieren anhlisis a diferentes niveles. Lafiqura2-3
muestravariostipos de observaciones y anhlisis utilizados en un
intento por comprender los procesos bioquimicos, como la degradacin
inicial de la glucosa para producir ener- LAS ESTRATEGIAS PARA EL
ESTUDIO DE REACCIONES BIOQU~M~CASSON COMPLEJAS Y EN MLTIPLES
NIVELES Gran parte de esta obra se dedica a los procesos
bioquimicos complejos (por ejemplo, slntesis de pro- teinas y
contraccin muscular), incluyendo las vas rnetablicas. Una va
metabhlica es una serie de
- 16. 14 Bioquimiccr de Hurper (Capituio 2) gia (proceso conocido
como glucblisis). El esquema de la figura 2-3 se aplica en un nivel
general a todos los procesos bioquimicos principales por lo cual
re- presenta una estrategia global para diIucidarlos; cada uno de
los procesos (glucblisis, oxidacin de los Aci- dos grasos, etctera)
debcdn tenerse en mente al estudiarel texto, aunqueno
siempreencontrarn lugar todos los puntos mencionados. Algunos
puntos importantes del cuadro 2-7 y de la figura 2-3 ameritan
discusin. 1) A pesar de la posibilidad de artefactos, es
absohtamente necesario aislar e identificar cada uno de los
componentes de un proceso bioquimico en formapura para comprenderlo
a nivel molecular. Ms adelante se encontrarn nu- merosos ejemplos
de esto. 2) Tambin es importante ~ o d e rreconstituir in vitro el
vroceso en estudio. me- diante el ensamblaje sistemtico de sus
componentes individuales. Si el proceso no se realiza al ser reen-
sambladas sus partes, una explicacibn puede ser que algun
componentecritico ha escapado a la identifica- ci6n y, por tanto,
no se ha afiadido. 3) Los adelantos tecnologicos recientes (por
ejemplo, en espectros- copia RMN y en tomografia por emisin de
positro- nes [TEP]) han permitido la deteccin de ciertas
biomolculas a nivel del &gano intactoy la vigilancia de Eos
cambios en suscantidades con e1tiempo. Estos desarrollos indican
que se esti haciendo posible efec- tuar anhlisis sofisticados de
muchos procesos bio- qumicos in vivo. 4) Cuando los resultados
obtenidos con el uso de varios planteamientos a diferentes niveles
son congruentes, entonces sejustifica concluir que seha logrado un
progreso real en la comprensin del proceso bioqumico en estudio. Si
utilizando di- versos enfoques, se obtienen incongruencias
imporian- tes, entoncesdekn inrestigmesuscausashastaobtener
explicaciones racionales. 5 ) Las preparaciones y niveles de
anhlisis delineados pueden utilizarse para estudiar alteraciones
bioquimicas en animales con estados metablicos alterados (como
ayuno o inges- tin de alimentos) o enfermedades especificas (por
ejemplo, diabetes sacarina, o cincer). 6) Muchos de los mktodos y
enfoques indicados pueden aplicarse a estudios de ctlulas o tejidos
humanos normales o enfermos. Sin embargo, debe tenerse cuidado de
ob- tener material frescoy prestar atencin particular a las
consideraciones tticas que se aplican a la experimen- taci6n en el
ser humano. Los Estopos radiactivos pesados han contribuido de
manera importante en el ecclarecimienta de procesos bioqumicos La
introduccibn del uso de isbtoposen la bioquimica en el decenio de
1930 tuvo un impacto notable; en consecuencia, su uso merece
discusibn especial.Antes de su empleo, era muy dificil "marcar" las
biomo- Deduccibn de la existencia del proceso bioqumico de la vla
metablicapor las observaciones hechasa niveldel animal intacto
& Anhlisis de sus mecanismosde control in vrtro J Anhlisis de
sus mecanismos de mntrol in vivo .1 AnBltsis de bc efectos de
enfermedades especficas sobre di (por epmpio. errorescong8nitosdel
metahlismo. cncer) & SUlocallzaubnen uno o mas brganoc 1 Su
localizacibnen uno o mAs organelos celulares o fracciones sub-
celulares 3. Determinacindel nmero de reacciones que intervienenen
81 4 Purificacin de sus susb-atos. productos,enzimas y uifactores
indi- viduales u otros componentes & Establecimientode los
mecanismosde control utilizadosen l .1 Su reconstruccibn L Estudios
del proceso o vla a nivel genbnm por los mktodos de la tecnologa
del DNA recombinante Figura23.Esquema de la estrategia general
utilizadapara analizar un proceso bioqulmim o una va metabblica.
Los planteamientos enumerados no necesrtan efectuarse obli-
gadarnente en la secuencia precisa indicada aqu Sin em- bargo, por
lo general mediante su uso se han dilucidado los detalles de los
procesoso vas bioquimicos Por tanto, &te esel esquema quese
aplica de modo comn a M a s las vias
rnetabblicasprincipalesexplicadasen loscaptulossiguientes Itculas
de modo que sus destinos metabblicos pu- dieran vigilarse de modo
conveniente. Los estudios iniciales, en particular los de
Schoenheimer y sus colaboradores, se aplicaron a la utilizacin de
ciertos istopos estables (por ejemplo, D2y NI5)combinados con su
identificacinpor espectrometra demasa, para
dilucidarmuchosproblemas bioquimicos.Por ejemplo, pudieron
sintetizarse varios arninoAcidos,azcares y iicidos gsasos que
contenian un istopo estable adecuado y, entonces, administrarse a
un animal o agregarse a una preparacibn in vitro para trazar su
destino metablico (por ejemplo, vidas medias y con- versi611 a
otras biomoltculas). Los compuestos mar- cados con is6topos
estables se utilizaron para investigar muchos aspectos del
metabolismo de pro- teinas, carbohidratos y lipidos. De estos
estudios, se dedujo que el metabolismo esun proceso muy activo, en
donde Ea mayora de los compuestos en una cdlula se estan
sintetizando y degradando de manera con- tinua, aunque a
velocidades que difieren amplia-
- 17. mente. Schoenheimer llam6 a estos hallazgos "la naturaleza
dinhica del metabolismo". La introduccin subsiguiente de los
is6topos ra- diactivosy de instrumentos capacesde medirlostambin
fue muy importante. En el cuadro 2 4 se muestran los isdtopos
principales, estables y radiactivos, usados en los sistemas
biolgicos. El uso de los dos tipos de istopas es decisivo para el
desarrollodecadaireade Ia bioquimica. La investigacin de las
biomolculas complejas y simples,in vivo o ipi vim,se apoya fwefte-
mente en su empleo. El gran avance logrado en la secuenciacibde
loshcidos nucleicosy en la rnedici~n de cantidades extremadamente
pequeflas de com- puestos que se encuentran en los sistemas
biolbgims se debe a la radioinmunovaloracin que tambin utiliza
isotopos. LOGROS IMPORTANTES CARACTERIZAN LAS CONTRIBUCIONESDE LA
BIOQU~MICAA LA CITOLOG~A Y A LA MEDICINA Los siguientes piirrafos
resumen los descubrimientos principales en el campo de la
bioquimica, en particular en relacibn con la bioquimica humana.
Gran parte de este texto desarrolla los temas que aquI se enumeran.
1) Se hadeterminado la composicin quimica global de
c&lulas,tejidos y 6rganos; los compuestos prin- cipales se han
aislado y sus estructuras se han establecido. 2) Se comprenden, por
la menos a un nivel general, lasfuncionesde muchas biomolculas
simples, las cuales se describirhn en los capitulas subsiguien-
tes. Tambitn se han establecido las funciones de
biomol&culascomplejas. Es de capital interks el conocimiento
actual de que el DNA es el material gendtico quetransmite su
informacin a un tipo de RNA (RNA mensajero, o mRNA) y este RNA a su
vez dicta la secuencia lineal de losaminocidos en g. Isatopo
investiga -. . m. .J esramies - I): 41: Y' ,S princip ici6n bioc --
r 1soropos rac - . liictivnr las protenas. E! flujo de 3a
informacin del DNA puede ser representado convenientemente como DNA
+RNA -+ proteina. Sin embargo,seconocen excepciones importantes de
algunos de los enun- ciados anteriores. El RNA es el material
gendtico de ciertos virus. Adems, en algunas circunstancias la
informacin contenida en el RNA puede trans- crjbirse al DNA; este
proceso se conoce como transcripcin inversa y es usado,por ejemplo,
por el virus HIV-1 (virus de inrnunodeficiencia hu- mana-1), causa
posible del SIDA. 3) El desarrollo de la tecnologa del DNA
recornbi- nante constituye un logro fundamental. Esta tec- nologla
revolucion6 el estudio de la estructura y funcibn de los genes y
tambin tuvo un impacto revolucionario en todos los campos de la
biologia, incluyendo la medicina. 4) Sehan aisladolos
principalesorganelosde lasclulas animales y establecido sus
funciones principales. 5) Se sabe que casi todas las reacciones que
tienen lugar en las clulas son catalizadas por enzimas; muchas de
estas han sido purificadas y estudiadas y se han descubierto las
caracteristicas generales de susmecanismosde accin.Aunquela mayora
de las enzirnas son proteinas, en la actualidad se ha establecido
de manera firme que ciertas moldculas de RNA tambidn tienen
actividad biocatalitica. 6) Sehan
delineadolasvasmemblicasqueintervienen en la sntesis y degradacibn
de numerosas bio- molCculassimples y complejas. Engeneral, sesabe
que 1a va de sintesis de un compuesto es distinta de su via de
degradacion. 7) Se han esclarecida algunos aspectos de la regu-
lacidn del metabolismo, 8) Se han reconocido las caractersticas
generales de la forma en que las cClulas conservan y utiIizan la
energia. 9) Secomprenden muchos aspectos de la esmctura y funcion
de las diversas membranasencontradas en la ctlula; sus componentes
principales son pro- tenas y lfpidos. 1(3Se dispone de informacin
importante a nivel ge- neral sobre el modo de accibn de las
hormonas. 11)Se han descubierto las bases bioqufmicas para un nmero
considerable de enfermedades. QUEDA MUCHO POR APRENDER Aunque es
importantesaber que es mucha la informa- cinqueseha
acumulado,tieneigualrelevanciaapreciar lo escaso del conocimiento
en numerosas areas. Pro- bablemente los dos problemas principales
por resolver respecto al establecimiento de sus bases bioquirnicas
son el desarrollo, la diferenciacibn y la funcin cere-
- 18. bral. Si bien est perfectamente asentada la naturaleza
quimica del material gentico,casi nada sesabeacerca de los
mecanismos que activan y desactivan a los genes eucariotas durante
el desarrollo. Comprender la regulacin gnica es tarnbitn un &ea
clave en el aprendizaje de la forma en que las clulas se
diferencian y toman cancerosas. El conocimiento de la divisin y el
crecimiento celular -tanto normal como maligno- y su regulaci6n es
muy primitivo. Virtualmente nada se sabe can respecto a las bases
bioquimicac de fenmenos neurolbgicos complejos como la concien- cia
y la memoria. Slo se riene informacibn muy limitada de los
mecanismos de la secrecion celular. A perar de ciertoprogreso,
sedesconocen los fundamen- tos moleculmes de la mayoria de las
enfermedades genticas principales, pero las tentativas propor-
cionadas por la tecnologa del DNA recombinante sugieren que en los
prximos afios se lograr un progreso notable en esta hrea. Es
posible que en el ao 2005 o antes se logre conocer la secuencia del
genoma humano; la informacihn disponible gracias a este es- fuerzo
masivo tendrh un impacto tremendo sobre la biologia humanay la
medicina. RESUMEN El carbono, oxgeno, hidrgeno y nitrbgeno son los
constituyentes principales de gran parte de las bio- molculas.
Ademls el calcio, fbsforo, potasio, sodio, cloro, rnagnesio,
hierro, manganeso, yodo y otros elementos tienen gran importancia
biol6gica y medica. El agua, DNA, RNA, protenas, poli- sacaridos y
lipidos son las molculas principales de clulas y tejidos. Las
clulas son las unidades biolbgicas hnda- mentales. Contienen v e o
s organelos que desempeiian numerosas funciones especializadas.
Estos organelos pueden separarse por fraccionamiento subcelular y,
de este modo, estudiar sus fiinciones en detalle. El avance de la
bioqumica ha dependido del aislamiento de biomolkculas celulares.
de la dcter- minacin de sus estructuras as como del an8lisis de su
funcibn y metabolismo. Para investigar la estruc- tura, funci6n y
metabolismos de las biomolculas se han utilizado diferentes
planteamientos, desde el ani- ma! ntegro al gen aislado. En
particular, el uso de isotopos. tanto estables como radiactivos, ha
tenido tremenda importancia en el adelanto del conocimiento
hjoqumico. La representacihn: Transcripcibn Traslacin DNA-
RNA-Proteina resume la fuerzapropulsara de gran parte del esfuerzo
contemporneo en boqumica. No obstante, se han hecho muchos otros
avances en el conocimiento de la bioquimica, como la apreciacibn de
la ~omposicibn corporal y la comprensibn parcial de estructuras y
funciones de enzimac, hormonas y membranas. Se han descubierto las
bases bioqumicas y genticas de nu- merosas enfermedades y la
aplicacin reciente de la tecnologa del DNA recombinante
haaceleradoenor- memente el progreso en esta rea. Sin embargo, an
es mucho lo que sedesconoce; los retos principales para el futuro
incluyen definir ("mapear") el genorna hu- manoy proporcionar
explicacionesmoleculares de los mecanismos que intervienen en el
desarrollo orghnico, la diferenciacibn celular y !a funcin
cerebral. M REFERENCIAS Freifelder D:
Phys~calBiochemistry:Applicaiions to Rin- chemi.rf~and MolecuIar
Biolo~y.Freeman. T982. FrutonJS:iWo/ectrJesaridLfe: HrSiorical
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1994.
- 19. Victor W. Rodwell, PhD Ld5 biomolecula~polarcs orghicas e
inorgnicasde 1% clulas vivienles existen y reaccionan de manera
pri- niariri en un ambiente acuoso El agua, una molcula notable
esencial para la vida, solubiIi75~y modifica las caractersticas de
biomolculas coino hcidos nucleicos, protcinas y carbohidratos al
formar puentes de hidr6geno con sil? grupos fi~nciotiales.Estas
interac- ciones mridifican las propiedades de las biomolculas y
si15conformaciones en solucicin. ],os cambios le dan a las
molkciilas iaspropiedades esenciales para el ciclo de la vida.
[,si$ biornolculas -aun aqullas relati- vamei1:e no pulares,tales
como ciertos lipidos- tambiti inodificw las propiedades del agua La
comprensin de 3us mecanismos honieostticos utilizados por los or-
ganismos para conservar un entorno intraceliilar rela- tivamente
constante debe considerar el pH y el amortiguarnierito en liquidos
corporales y compar- timienlos siibcelulares. Por ultimo, el
compor- tamiento de disociacin de los gmpos funcionales de
biomol~culasen soJuci6n acuosa a diversos valores de pH e? critico
cn la comprensiti de sus reacciones y propiedades tanto en clulas
vivas corno en el la- boratorio IMPORTANCIA BIOM~DICA
Idahomeostasis, conservaci6n de la cornposic~ndel rnedio interno
que es esencial para la salud, incluye considerar la distribucihn
dcl agua en el cuerpo y la preservaci~ndel ptl as como de
concentmciones clecirol iticas apjopiadas. Dos terceras partes del
agua corporal total (55 a 65% del peso corporal eri varones y
alrededor de 10% menos en mujeres) cs liquido intracelular. Del
liquido extracelular remanente, el plasma sanguineo constituye
cerca de 25 por ciento. La regulaciiin del equilibrio hdrico
depende de mecanismos hipcitalinicospara controlar la sed, de la
hormona aiitidiurdtica y de la retencin o excrecion del agua por
los riilones. 1.0s estados de deplecin de agua y exceso de Iqiiido
corporal son bastante comu- nes. En inuchos casos se acompaan de
deficiencia o exceso de sodio. Las causas de dealecibn hidrica son
a una disminucin de la ingestin (por ejemplo, en estados de coma) e
increniento de la perdida (por ejemplo, perdida renal en la
diabetes sacarina, cuthnea por sudacin intensa y gastrointestinal
eii diarrea in- tensa en lactantes y en ctilera). Las causas de
exceso de agua corporal se deben al incremento en la inger- tin
(por ejemplo, excesiva administracin de liquidos IV) y excrecibn
escasa (por ejemplo, en insuficiencia renal grave). Ciertos
niecanismos osrnticos y no osmticos protegen el agua y la
htirneostasis osrn0tica del liquido extracelular. Tanto la
conservacibn del agua por la atitidiuresis como la ingestihn de
liquido por la sed, sirven para mantener la homeostasis. Incrc-
mentos tan pequefios como 2% en la osmolaridad del liquido
r:xtraceluIar pueden provocar sed y Iiberacihn de liorniona
antidiurtica (ADH) en la hipfi~is.Un mecanismc) algo menos sensible
desencadena la Iihe- racin no osmlica de ADH y la sed, cuando
disminuye 10nAel volumen de liquido circulante extracelular. La
diabetes inspida nefrogeiia, de origen gentico, se caracteriza por
sed extrema, ingesticin abundante de agua e incapacidad para
concentrar la orina o para responder a cambios sutiles en la
osmolaridad de liqiiidoextracelular; esto sedehc a la incapacidad
de los osmorreceptores de ADH en los tbulos renales para responder
a la ADH. La conservacin del liquido extracelular dcntto de un p1-E
entre 7.35 y 7.45, cn donde el sistema amortiguador de bicarbonato
tiene una funcihn im- portante, es cscncial para la salud. Las
alteraciones del equilibrio acidobsico se diagnostican en el
labora-
- 20. torio clnico por medicibn del pH de la sangrearteria1 y el
contenido de COZde la sangrevenosa. Las causas de laacidosis (pH
sangutneo 7.45) comprenden el vbmito de contenido cido gstrico o el
tratamiento con ciertos diun5ticos. Un diagnstico preciso y un
rpido tratamiento del desequilibrio hidrico y de las alteraciones
acidobiisicas se apoyan en gran medida en la comprensi6n de los
conceptos considerados en este capitulo. EL AGUA ES UN SOLVENTE
BIOLGICO IDEAL El agua es una molcula tetradrica ligeramente
asimtrica La molCcula del agua es un tetraedro irregular con
oxgenoen el ceno (figura3-1). Los dos enlacesconhi- drbgeno se
dirigen hacia dos vrticesdel tetraedro, en tanto que los electrones
no compartidos del oxigeno en el orbital 2sp3 hbrido ocupan los dos
vertices restantes. El ngulo entre losdos Atomosdehidrogeno
(105grados) es algomenor que el Angulodeltetraedro (109.5 grados),
formando una figura geomdtrica lig- eramente asimktrica. Las
rnolculas de agua forman dipolos Debido a la estructura tetradrica
asimktrica, la carga elctrica no se distribuye de manera uniforme
alrede- dor de la moltcula de agua. El lado de1 oxigeno opuesto a
los dos hidrbgenos muestra cierta riqueza de electrones, en tanto
que del otro lado, los ncleos de hidrgenoescasosen electronesforman
una regi6n de carga positiva local. El trmino "dipoEoV se refiere a
molculas como el agua que tienen carga electrica (electrones)
distribuida en forma desigual alrededor de su estructura. El
amoniaco tambin es dipolar y tetradrico En el amoniaco, los angulos
de enlace entre hidrbgenos (107 grados) se aproximan al ngulo del
tetraedro aunmiisque en el agua (figura3-2). Muchos compuestos
qumicos son dipolos. Entre ellos se In- cluyen alcoholes,
fosfollpidos, aminohcidos y hcidos nucleicos. LAS MOLCULAS DE AGUA
FORMAN PUENTES DE HIDRGENO Los puentes de hidrogeno confieren una
estructura macromolecular Debido a su caricter dipolar, las
molculas de agua pueden asumir conf~rtmacionesordenadas (conside-
rese un copo de nieve). Al igual que el hielo, el agua liquida
muestra una estructura rnacromolecular anklogaa la disposicibn
ggeom&tricade las molkculas de agua en el hielo. La propiedad
de las moltculas de agua de unirse unas con otras tanto en estado
lquido como sblido surge del carhcter dipolar del agua. Se conserva
como liquido ms que como sblido debido a la naturdeza transitoria
de estos complejos macro- moleculares(lavida
mediadeasociacibn-disociacidnde las molculas de agua es de
alrededor de un mi- crosegundo). En estadosdlido, cadamoltcula
deagua se une con otras cuatro. En estado liquido, el nmero es algo
menor (mlis o menos 3.5). Con excepcibn de Figura 3-1.
Estructuratetrabdrica del agua Flgura 3-2. EstructuratetraMrica del
amoniaw
- 21. Agua y pH a 19 la naturaleza transitoria de las
interacciones inter- moleculares en el agua liquida, ksta se parece
al hielo en su estructura macromolecular mSis de lo que en un
principio se imaginaba. El cariicter dipolar de las moldculas de
agua favo- rece los enlaces mutuos en conformacionesordenadas con
una geometra precisa dictada por la configuracibn interna de cada
molcula de agua (figura 3-3). La interaccin electrostAtica entre el
nijcleo de hidrdgeno de una moldcula de agua y el par de ekc-
trones no compartidos de otra se denomina puente de hidrgeno.
Comparados con enlaces covalentes, los puentes dehidriigeno son
bastante debiles. Romperun enlace de hidrgeno en agua Iquida
requiere alrede- dor de4.5 kcal de energapor mot -ms o menos 4% de
la energa que se requiere para romper el enlace O-H del agua (1 I O
kcal/mol). Los puentes de hidrgeno estabiliran protenas y cidos
nucleicos En tanto que el metano (peso molecular 16) y el amoniaco
(peso molecular 17)son gases a la tempera- tura ambiente, el agua
(peso molecular 18) es un liquido. Por quc es ast? La respuesta se
apoya en la capacidad del agua para formar puentes de hidrogeno, lo
cual explica tambien su viscosidad y su tensibn superficial
relativamente altas. La propiedad del agua de servir como solvente
para iones y numerosas mol&culasorghnicas se debe a su carcter
bipolar y a su capacidad para formar puentes de hidrhgeno. Las
molCculas que pueden for- mar puentes de hidrgeno con el agua (por
ejemplo, compuestos con radicales 4 N o S H , aminas, Figura 3 3 .
Izquierda: Reunibn de dos mol&culasdipolares de agua. La lnea
punteada representa un puente de hidrgeno. Nbtese que una mol8wla
dada de agua puede actuarcomodonador o comoaceptor de hidrbgeno,o
ambas cosas a la vez Derecha: Unldn de una rnol6cula central de
agua con otras cuatro mol6culas mediante puentes de hi- drgeno.
Esta estructura es tpica deT hielo y, en menor grado, del agua
lquida. esleres, aldehidos y cetonas) se sotvatan con facilidad lo
que por su solubilidad en agua aumenta. As, las proteinas solubles
estn recubiertas con una capa de agua formada por intercambio de
enlaces de hi- drbgeno intermoleculares superfjcialespor puentes de
hidrgeno intramoleculares del agua, lo que incre- menta la
solubilidad. El carcter dipolar del agua afecta profundamente sus
interacciones con las bio- moltculas, En el ambiente acuoso de las
cClulas vi- vientes seproducen muchas interaccionesentre cargas y
grupos polares de lasbiomolculas. El DNA sepliega de modo que
expone su azcar y sus grupos fosfato polares a las moiculas de
agua. De manera similar, residuos polares de proteinas se presentan
primaria- mente en la superficie biopolmera donde participan
extensamente en interacciones con las molculas de agua. La figura 3
4 ilustra la formacibn de puentes dehidrgeno entre el agua y grupos
funcionales repre- sentativos de biomol~culas.N6tese que los
alcoholes, del mismo modo que el agua, pueden participar como
donadores y como aceptores de hidrgeno en la for- macin de puentes
de hidrdgeno con agua o con otras biomoltsculas. Grupos apolares
como aquellos presentes en hidrocarburos no tienen capacidad para
formar unio- nes hidrbgeno y, por tanto, son insolubles en agua. No
obstante, estos grupos no polares pueden afectar la estructura
hidrica. Cuando se aaden el agua, las molculas apolares forman
gotas esfericas con una supeficiemnimaexpuesta al agua; este
fenbmeno se ilustra con la tendencia del aceite de olivo en agua
fria para formar una solagran masa flotante. La reduccibn aE mlnimo
de la superficie apolar expuesta al agua es un proceso gobernado
entrpicamente. La presencia de moltculas apolares reduce el numero
de posibles orientaciones (grados de libertad) de las rnol~culas
Figura 3-4. Fomacibn de puentes de hidrbgeno entre un alcohol y
agua, entre dos molbculas de etanol y entre el oxigeno carbonilo de
un pbptido y el hidrbgeno del grupo amino de otro pkptido
adyacente.
- 22. adyacentes al agua por lo que se acompafa de un
incrementoen la entropa. Lareduccin al minimo del rea de la
superficie apolar expuestapermite el mkimo grado de libertad (por
ejemplo, desorden mximo) de ' las mo!culas de agua cercanas y, por
tanto, reduce al mnimo el incremento en entropa. En el agua. los
hidrocarburos forman estructuras clatrato rgidas (se- mejante a
cajas). De manera similar, en el ambiente acuoso de las ctlulas
vivientes, las partes no polares de los biopolmeros tienden a
situarse dentro de su estructura. minimirando asi su contacto con
el agua. Las molculasde agua presentan una tendencia ligera a
disociarse, lo cual es fisiolciqicarnente importante La propiedad
del agua de ioni~arse,aunque de modo ligero, tiene importancia
capital para la vida sobre la tierra. Dado que el agua puede actuar
como un hcido o como una base, es posiblerepresentar su
ionizacibncomo unatransferenciaprotnica intermolecular, que foma un
ion hidronio (I.I,O&)y un ion hidr6xido (OH-): ., En realidad,
el protbn transferido est6asociado con un racimo de:mol$culas de
agua y existe en solucion, no siilo como H30- sino como algo
semejante a HrOz' o H703'. Aunque para propsitos prhcticos este
protbn ' al parecer 'Vesnudo" se escribe casi siempre como "H'",no
debe olvidarse que de hecho esta fuerte- mente hidratado. Ya que
los iones se recombinan de manera con- tinua para formar rnolcu2as
de agua y viceversa, no puede definirse si un hidrgeno o un
oxigenodeterrni- nado tiene el estado de ion o de una parte de una
moicula de agua En un instante estn como ion; un momento despus
como una parte de una mol6cula. Por fortuna, no es necesario
considerar iones o molkcu- las individuales. Dado que 1 g de agua
contiene 3.46 x molculas, su ionizacin puede describirse por
estadstica. Es suficiente conocer la probabilidad de que un
hidrbgeno estCpresente como ion o como parte de una molcula de
agua. Establecer que la probabilidad de que un hi- drbgeno exista
como un ion es 0.01 significa que un tomo de hidrhgeno tiene una
oportunidad en 100de estar como ion y 99 posibilidades en 100 de
estar como parte de una rno4&culade agua. La probabilidad real
de que un Atorno dehidrhgeno en aguapura exista coma ion hidr6geno
es alrededor de 0.0000000018 o 1.S x 104. En consecuencia, la
probabilidad de estar como parte de una rnotecula es casi la
unidad. De- finido de otra manera, por cada ion hidrbgeno y cada
ion oxhidrilo en agua pura, hay 1.S bitlones o 1.X x 109 molculas
de agua. No obstante, los iones hdr0geno y oxhidrilo contribuyen de
modo significa- tivo a las propiedades del agua. La disociacion del
agua, donde los t6rminos entre parntesis representan con-
centraciones molares de iones hidrbgeno, iones ox- hidrilo y
rnolkculas de agua sin disociar*, rnlentras que la K es laconstante
de disociacin. Para calcular este valor, recurdese queunamolkula
deaguapesa 1& g. Por tanto, un litro (1 000 g) de agua contiene
1000 + Ig = 55.56 moles. Asi, la concentracin del agua pura es
55.56 molar. Ya que la probabilidad de que un hidrbgeno en agua
pura exista como ion H' es de 1.S x 1Omy, la concentracin molar de
iones H' (ede iones OH-)en agua pura se calcula multiplicando la
pro- babitidad, 1.8x 1Q4, por la concentracion molar del agua,
55.56 moIL. Este resultado es 1 x 10" rnoYL. Ahora puede calcularse
la K para el agua: La elevada concentracin de agua molecular (55.56
moYL) no se afecta de manera significativa por la disociacibn. Por
tanto, resulta conveniente conside- rarla en esencia como una
constante, que luegopuede incorporarse a la constante de
disociacin, K, para crear una nueva constante, K,, designada el
producto ibnico para el agua. La relacin entre K, y K se muestra a
continuacin: Ntese que las dimensiones de K son moles por litro y
lasde K, molesZpor litro2.Como su nombre sugiere, el producto
inico, K,, es en cifras igual al producto de las concentraciones
rnolares de H' y OH-: * Estrictamentehablando, los tCrtninos entre
parkntesis reprc- sentan la actividad molar en lugar de la
concentracin molar. m
- 23. A 25 OC,K, = (1 0-'j2= I O-'' (molJL)'. A temperaturas
menores a 25 O C , K, es menor de 10-'"mientras que a superiores a
25 O C , es mayor de 1O-". Por ejemplo, a la temperatura del cuerpo
humano (37 "C),la con- centracin de iones H' en agua pura es algo
mayor de 1 mol/L. Dentro de las lim itaciunes establecidas por el
efecto de la temperatura, K, = lW4(mol/L)' para todas las
soluciones acuosas, incluso las que contienen acidos o bases. Esta
constante se usarii en el clculo de valores de pH para soluciones
cidas y alcalinas. EL pH ES EL LOGARlTMO NEGATIVO DE LA
CONCENTRACI~NDEL ION HIDR~GENO El trmino pH fue introdiicido en
1909por Sorensen. quien lo defini como el logaritrno negativo de la
concentraci~nde iones hidrgeno: pH = -log [H'] Esta definicin,
aunque no es rigurosa*, es adecuada para la mayor parte de los
estudios bioquimicos. Para calcular el pH de una solucihn se debe:
1) Calcular la concentracin del ion hidrdgeno, W+l. 2) Calcular el
logaritmo de base 10 de [w']. 3) El pH es el negativo del valor
encontrado en el paso 2. Por ejemplo, para aguapura a 25 OC: pH =
-lag [HJ= -log = -(-7) = 7.0 ],os valores de pH bajos corresponden
a concentracio- nes elevadas de H- y los valores de pH altos a
concen- traciones bajas de H'. Los cidos son donadores de protones
y las bases son aceptores de pmtones. Sin embargo, se hace una
distincin entre cidos fuertes (por ejemplo, HCI, H:SOd), que se
disocian completamente aun en soluciones muy cidas(pH bajo) y los
iicidos dbiles, que se disocian solo de manera parcial en selucones
bcidas. Una distincin semejante se hace entre bases fuertes (por
ejemplo, KOH, NaOH) y bases debiles (por ejemplo, Ca[OH]:). S610
las bases ruerics sc disocian a pH alto. Muchas sustancias
bioquimicas son Bcidos ddbiles. Las excepciones son tos interme-
diarios fosforilados, que poseen el grupo acido fos- frico primario
fuertemente acdico. * pH = -log (actividad dcl H +). Los siguientes
ejemplos ilustran el modo de cal- cular el pH de soluciones cidas y
alcalinas. Ejemplo: cul es el pH de una solucin cuya concentracibn
de ion hidrgeno es 3.2 x 1O-' mol/L? PH = - 109[H+] = -log (3.2 x
lo4) = -log (3.2) -log (104) = -0.5 + 4.0 = 3.5 Ejemplo: Cul es el
pH de una colucihn cuya con- centracion de ion oxhidrilo es 4.0 x
1O4 mol/L? Para abordar este problema, hay que definir una cantidad
pOH, que sea igual a -1og [OH-] y que puede derivarse de la
definiciiin de Kw: por tanto: Para resolver el problema bajo estc
enfoque: Ahora: Ejemplo: Cuales son los valores del pH de a) 2.0 x
1OA2mol/L de KOH y de b) 2.0 x 1Oa molk de KOH? Los oxhidrilos
proceden de dos fuentes: KOH y agua. Dado que el pH esta
determinado por el [HA]totai (y pOH por el [OH-]total), es preciso
considerar los dos orgenes. En el primer caso, la contribucion del
agua al [OH-] total es despreciable. No puede decirse lo mismo en
el segundo caso :KOH )H Molaridad di [OH-]de KC 2.0 x .- [OH-1 del
agua
- 24. (Capitulo 3) Una vez que se ha comprendido el significado
de la contribucihn del agua, el pM puede calcularse como se
describid. En los ejemplos anteriores, se asurni6 que la base
Fuerte KOH estaba completamente disociada en la solucin y que, por
tanto, la concentracion molar de iones OH-era igual a la
concentracin molar de KOH. Esta aseveracin es vlida para soluciones
relati- vamente diluidas de bases o cidos fuertes, pero no para
soluciones de acidos o bases dbbiles. Dado que estos electrlitos
dkbiles se disocian slo un poco en soluci6n, se debe calcular la
concentracidn de H' (o de [OH-1)producida por una molaridad dada
del hcido (obase) usando la constante de disociacin antes de
calcular [H'] total (o [OH-] total) y, posteriormen- te, calcular
el pH. Los grupos funcionales que son cidos dbiles tienen un gran
significado fisiolgico Numerosos compuestos bioqulmicos poseen
grupos funcionales que son cidos o bases dkbiles. En todas las
protenas y cidos nucleicos existen uno o ms de estos: carboxilos,
aminos o fosfatos derivados de la disociacin secundaria de esteres
de fosfato; tambihn los hay en la rnayoria de las coenzimas y los
metabo- litos intermediarios. Por tanto, el comportamiento de
disociacibn (equilibrios protnicos) de grupos fun- cionales dbiles,
hcidos o bhsicos, es fundamental -para comprender la influencia del
pH intracelular en la estructiira y actividad bioquimica de estos
com- puestos. Su sepmtci&neidentificacinen los laboratorios
clinicos y de investigacidn se facilita tambidn cuando se conoce el
comportamiento de disociacibn de sus grupos funcionales. A la forma
protonada de un hcido (por ejemplo, HA o RNH?') se le designa como
el hcide y a la forma no protonada (por ejemplo, A- o RNH?}, base
conju- gada. De igual modo, es posible referirse a una base (por
e.jemplo, A-o RNH2)y su hcido conjugado (HA o RNH3'); la palabra
proviene del latln, cuniungre: reunirse). Los hcidos dbiles
representativos (izquierda), sus bases conjugadas (centro) y tos
valo- res de pK (derecha) incluyen lo siguiente: Las potencias
relativas de cidos y bases dkbiles se expresan de manera
cuantitativa como sus constantes de disociacibn, que expresan su
tendencia a ionizarse. A continuacibn se muestran las expresiones
de la constante de disociacidn (K) para dos cidos dbiles
representativos, R-LOOH y R-NHJ-. Dado que los valores numricos de
K para hcidos dbiles son exponentes negativos, es conveniente cx-
presar a K como pK, donde: Ntese que la relacibn de pK con respecto
a K es igual a la de pH con la concentracion de H'. El cuadro 3-1
enumera valores de K y pK ilustrativos para un cido monocarboxlico,
dicarboxlico y tricarboxlico. Ob- servese que los grupos hcidos ms
fuertes tienen los valores de pK mas bajos. De las ecuaciones
anteriores que relacionan K a [H']y a las concentraciones de un
cido no disociado y su base conjugada, nbtese que: o cuando:
entonces, En otras palabras, cuando las especies asociada (pro-
tonada) y disociada (base conjugada) estn presentes Cuadro 3-1.
Constantes de disociacibn y valores de1 pK para cidos carhoxllicos
re~resentatkos -- -.--- A Acktico Glutdrico Citrico (primero) 8.40
x 1O4 3.08 (segundo) 1.80 x 1
- 25. Aguay pH 23 en concentraciones iguales, la concentracin
preva- Se multiplica todo por -1 : lente de ion hidrgeno [H']es
numh-icarnenteiguat a la constante de disociacion, K. Si se
obtienen los loga- -109 [HT= -lag K-toa IH4 ritmos de los dos lados
de la ecuacibn anterior y la [A7 ecuacin completa se multiplica por
-1, las expresio- nes serfan las siguientes: Se sustituye pM y pK
en lugar de -log [Ht] y -lag K, respectivamente; luego: K = [H']
-log K = -iog [HT Ahora, -log K se defnib como pK y -1og [H'] es la
definicibn de pH. La ecuacin puede quedar como: Para eliminar el
signo negativo se invierte el Itirno es decir, el pK de un grupo
4cido es el pH al cual Ias especies protonada y no protonada esthn
pre- sentesen la misma concentracin. El pK de un &ido puede
determinarse de modo experimental agregando 0.5 equivalentes de
iilcali por cada equivalente de acido. El pH resultante seri igual
al pK del cido. El comportamiento de cidos dkbiles y de
amertiguadores se expresan par la ecuacin de Henderson-Hasselbalch
El pH de una solucihn que contiene un Bcido dbil se relaciona con
la constante de disociaci6n de dicho acido, como se mosirb antes
para el agua como Acido dbil. La relacin puede establecerse en la
forma convenientede laecuaci6ndeHenderson-Hasselbalch, que se
desarrolla desputs. Un acido ddbil, HA, se ioniza de la manera
siguiente: HA = H++ A- La constante de equilibrio para esta
disociacibn se escribe: Se multiplican los dos trminos entre si: Se
dividen ambos miembros entre [A-]: Se obtiene el logaritmo de toda
la ecuacibn: log [H7 = log K (E) La ecuaci6n de
Henderson-Hasselbalch ha probado ser una expresin de gran valor
predictivo en equili- brios protonicos. Por ejemplo: 1) Cuando un
hcido se ha neutralizado exac- tamente a la mitad [A7 = [HA]. En
esta si- tuacibn, pH = pK + log 1 f l = p ~ + ~ o g ~ = p ~ +[HAI
Por tanto, con 50% de neutralizacibn, pH = PK. 2) Cuando la
proporci6n [A-JI[HA] = 100:1, 3) Cuando la proporcin [A-]/[HA] =
1:10, pki = pK + log %o = PK + (-1) Si la ecuacin sevalora en
variasproporciones de [A-]/[HA] entre los limites 103 y 1O-? y los
valores de pH obtenidos se grafican, el resul- tado describe la
curva de titulacin para un cido dbil (figura 3-5). a Las soluciones
de cidos debiles y sus sales amortiguan el pH Las sofuciones de
cidos dkbiles y sus bases conju- gadas (o de bases dtbiles y sus
kidos conjugados)
- 26. 24 Bioquinaica de Harper Figura 3-5. Forma general de una
curva de tlulacibn calcu- lada con la ecuacin de
Hende~on-Hasselbalch. exhiben la propiedad de amortiguar -tendencia
de una solrici6n para resistir con inayor eficacia a un cambio en
el pH despus de la ztdicibn de un Cicido o una base fuertes que un
volumen igual de agua. Los amortiguadores fisiol6gicos importantes
incluyen bi- carbonato (HCOi/H2C0i), ortofosfato inorgnico
(H?PO~-'/~tPQ4C2) y protenas intracelulares. Los amortiguadores no
fisiolbgicos usados en experimen- tacibn bioquirnica comprenden al
TRIS (pK S.2) y al HEPES (pK 7.6). El efecto de amortiguador se ob-
serva mejor por titulacibn de un hcido o base dbil utilizando rin
potencimetro (medidor de pH). De manera alterna, es posible
calcular el desplazamiento del pH que acompaiia a la adicin de
Acido o de base a una solucin amortiguada, En el ejemplo, el amor-
tiguador (mezcla de un cido dbil. pK = a 5.0 y su base conjugada se
encuentra inicialmente en 1 de los 4 valores de pH indicados. Se
calcular el des- plazamiento del pH que resulta cuando se agrega O.
1 mEq de KOH a 1 mEqdecadauna deestas soIuciones: pH inicial 5.00
5.37 5.60 5.86 [A-]inicial 0.50 0.70 0.80 0.88 [HAI~nicia~ 0.50
0.30 0.20 0.12 ([A-]l[HA])inlclal i.00 2.33 4.00 7.33 La adicin de
O.T meq de KOH produce [A-lfinai 0.60 0.80 0.90 0.98 [HAlfinai 0.40
0.20 0.10 0.02 ([A-[4HA])fina1 1.50 4.00 9.00 49.00 log
([A-]I[HA])n,,t 0.176 0.602 0.95 1.69 pHfinal " 5.18-_-5:60 5-95
6.69 L ~ P H 0.18---"0.60- . . .. - Obskwese que el cambio de pH
por miliequivatente de OH-agregadovarade modonotable dependiendodel
pH iniciai. A valores de pH prximos al pK, la solu- ciOn resiste
los cambios con mayor eficacia y se dice que ejerce un efecto
amortiguador. Las soluciones de cidos dbiles y sus bases conjugadas
amortiguan mejor en valores de pH que oscilan alrededor de pK k 2.0
unidades de pH.Ecto significa que para amor- tiguar una solucin a
pH X, deberfi usarse un Acido o una base dbil cuyo pK no se separe
mas de 2.0 unidades de pIJ del pH X. En la figura 3-6 se muestra la
carga neta en una rnoltcula del cido como funcihn del pH. Una carga
fraccionaria de -0,s no significa que una molcula individual posea
una carga fraccionaria sino que 0.5 es la probabilidad estadstica
de que una rnolkcula dada tenga una carga negativa. La consideracin
de la carga neta de macromolculas como funcibn del pH constituye Ia
base para numerosas tkcnicas de separacin, incluyendo la separacibn
electrofortica de aminohcidos, proteinas plasmhticas y hemoglobi-
nas anormales. RESUMEN El agua, que en !os estados liquido y sdlido
existe como racimos rnoleculares unidos por hidrgenos, forma
puentes tanto con sus propias rnol~culascomo con otros donadores o
aceptores de protones. La ten- sin superficial, viscosidad, estado
lquido a tempera- tura ambiente y potencia solvente del agua se
deben a su capacidad para formar puentes de hidrgeno. Los
compuestos que contienen O, N o S son solvatados por el agua,ya que
tienen la propiedad de servir como aceptoreso donadoresdehidrdgeno
para formar puen- Figura 3 4 . Curva de titulacin para un cido del
tipo HA El punto (m) ~ndicael pK 5.0.
- 27. tes con el agua. Las protenas y otras rnacromoteculas se
estabili~anpo