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Nelson
Cox
La imagen se construyó con el software Cytoscape de Anthony Smith en el laboratorio
Medical Research Council Mitochondrial Biology Unit, Cambridge, UK, de Alan Robinson,
utilizando datos de MitoMiner (Smith, A.C., Blackshaw, J.A., y Robinson, A.J. [2012],
MitoMiner: a data warehouse for mitochondrial proteomics data. Nucleic Acids Res. 40,
D1160-D1167.)
Imagen de fondo: micrografía electrónica de transmisión de una célula intercapsular de tejido
adiposo marrón de murciélago. (Don W. Fawcett/Science Source/Photo Researchers.)
EDICIONES OMEGA
9 788428 216036
SEXTA EDICIÓN
Principios de bioquímica
David L. Nelson    Michael M. Cox
SEXTA EDICIÓN
ISBN 978-84-282-1603-6
Lehninger
Red de interacciones en una mitocondria animal. Cada punto representa un
compuesto y cada línea un enzima que interconvierte los dos compuestos.
Los nódulos principales incluyen ADP, ATP, NAD+ y NADH.
Principios de bioquímica
Ilustración de la cubierta
Lehninger
OMEGA
OMEGA
Índice general
Prólogo
1 Fundamentos de la bioquímica
Índice de materias
vi
1 Fundamentos de la bioquímica
1
1
1.1 Fundamentos celulares
3
I ESTRUCTURA Y CATÁLISIS
45
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
47
75
115
157
189
243
281
313
357
385
433
El agua
Aminoácidos, péptidos y proteínas
Estructura tridimensional de las proteínas
Función de las proteínas
Enzimas
Glúcidos y glucobiología
Nucleótidos y ácidos nucleicos
Tecnologías de la información basadas en el DNA
Lípidos
Membranas biológicas y transporte
Bioseñalización
II BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO
13 Bioenergética y tipos de reacciones bioquímicas
14 G lucólisis, gluconeogénesis y ruta de las pentosas fosfato
15 Principios de regulación metabólica
16 El ciclo del ácido cítrico
17 Catabolismo de los ácidos grasos
18 Oxidación de aminoácidos y producción de urea
19 Fosforilación oxidativa y fotofosforilación
20 Biosíntesis de glúcidos en plantas y bacterias
21 Biosíntesis de lípidos
22 B iosíntesis de aminoácidos, nucleótidos y moléculas relacionadas
23 R egulación hormonal e integración
del metabolismo de los mamíferos
501
505
543
587
633
667
695
731
799
833
881
929
III LAS RUTAS DE LA INFORMACIÓN
977
24
25
26
27
28
Genes y cromosomas
Metabolismo del DNA
Metabolismo del RNA
Metabolismo de las proteínas
Regulación de la expresión génica
979
1009
1057
1103
1153
Soluciones abreviadas de los problemas
Glosario
Créditos
Índice
SA-1
G-1
C-1
I-1
Las células son las unidades estructurales y funcionales
de todos los organismos vivos
3
Las dimensiones celulares están limitadas por la
capacidad de difusión
3
Los seres vivos se pueden clasificar en tres dominios
distintos4
Los organismos difieren mucho respecto a fuentes
de energía y precursores biosintéticos
4
Bacterias y Arqueas comparten muchas características
pero difieren en muchos aspectos importantes
5
Las células eucarióticas poseen diversos orgánulos
membranosos que pueden aislarse para su estudio
6
El citoplasma se organiza gracias al citoesqueleto y es
altamente dinámico
8
Las células construyen estructuras supramoleculares
9
Los estudios in vitro podrían no detectar interacciones
importantes entre moléculas
9
1.2 Fundamentos químicos
Las biomoléculas son compuestos de carbono con
diversos grupos funcionales
Las células contienen un conjunto universal de
moléculas pequeñas
11
12
14
RECUADRO 1–1 Peso molecular, masa molecular y las unidades
que deben utilizarse
Las macromoléculas son los principales constituyentes
de las células
La estructura tridimensional se describe en términos
de configuración y conformación
14
15
16
RECUADRO 1–2 Louis Pasteur y la actividad óptica: In vino,
veritas
18
Las interacciones entre las biomoléculas son
estereoespecíficas19
1.3 Fundamentos físicos
Los organismos vivos existen en un estado estacionario
dinámico y no se encuentran nunca en equilibrio
con su entorno
Los organismos transforman energía y materia
de su entorno
El flujo de electrones proporciona energía para
los organismos
RECUADRO 1–3 Entropía: las cosas se desmoronan
20
21
21
21
22
Crear y mantener el orden requiere trabajo
y energía
22
El acoplamiento energético conecta las reacciones
biológicas23
Keq y DG° miden la tendencia de una reacción
a transcurrir espontáneamente
25
Los enzimas facilitan secuencias de reacciones químicas 27
El metabolismo está regulado para conseguir equilibrio
y economía
28
1.4 Fundamentos genéticos
29
La continuidad genética reside en las moléculas de DNA 30
La estructura del DNA hace posible su replicación
y reparación con fidelidad casi perfecta
30
La secuencia lineal del DNA codifica proteínas
con estructuras tridimensionales
31
xv
xvi
Índice de materias
1.5 Fundamentos evolutivos
32
Los cambios en las instrucciones hereditarias hacen
posible la evolución
32
Las primeras biomoléculas aparecieron por evolución
química33
Los primeros genes y catalizadores podrían haber sido
moléculas de RNA o precursores relacionados
34
La evolución biológica empezó hace más de tres mil
quinientos millones de años
35
La primera célula utilizó probablemente combustibles
inorgánicos35
Las células eucarióticas evolucionaron a partir de
precursores más simples a través de diversas fases
36
La anatomía molecular revela relaciones evolutivas
38
La genómica funcional permite asignar genes a
procesos celulares específicos
39
Las comparaciones genómicas tienen una importancia
cada vez mayor en la biología y medicina humanas
39
I ESTRUCTURA Y CATÁLISIS
45
2 El agua
47
2.1 Interacciones débiles en los sistemas acuosos
47
Los enlaces de hidrógeno confieren al agua sus
propiedades extraordinarias
47
El agua forma enlaces de hidrógeno con los solutos
polares49
El agua interacciona electrostáticamente con los
solutos cargados
50
La entropía aumenta cuando se disuelve una sustancia
cristalina51
Los gases apolares son poco solubles en agua
51
Los compuestos apolares fuerzan cambios
energéticamente desfavorables en la estructura
del agua
51
Las interacciones de van der Waals son atracciones
interatómicas débiles
53
Las interacciones débiles son cruciales para la
estructura y función de las macromoléculas
53
Los solutos afectan a las propiedades coligativas
de las disoluciones acuosas
55
2.2 Ionización del agua, ácidos débiles y bases débiles 58
El agua pura está ligeramente ionizada
58
La ionización del agua se expresa mediante una
constante de equilibrio
59
La escala de pH representa las concentraciones de H
y OH–60
Los ácidos y las bases débiles tienen constantes de
disociación características
61
Las curvas de titulación proporcionan el pKa
de los ácidos débiles
62
2.3 Tamponamiento contra cambios de pH en los sistemas biológicos
63
Los tampones son mezclas de ácidos débiles y sus bases
conjugadas64
La ecuación de Henderson-Hasselbalch relaciona pH,
pKa y concentración de tampón
64
Ácidos o bases débiles tamponan células y tejidos
contra cambios de pH
65
La diabetes no tratada produce acidosis que puede ser
mortal67
RECUADRO 2-1 MEDICINA. Sobre cómo ser un conejillo de Indias
(no lo intente en casa)
68
2.4 El agua como reactivo
69
2.5 La adecuación del ambiente acuoso a los organismos vivos
69
3 Aminoácidos, péptidos y proteínas
75
3.1 Aminoácidos
76
Los aminoácidos tienen características estructurales
comunes76
Los residuos aminoácidos de las proteínas son
estereoisómeros l77
Los aminoácidos se pueden clasificar según su grupo R 78
RECUADRO 3–1 MÉTODOS. Absorción de la luz por las moléculas:
ley de Lambert-Beer
80
Los aminoácidos no estándar también tienen
importantes funciones
81
Los aminoácidos pueden actuar como ácidos y como
bases81
Los aminoácidos tienen curvas de titulación
características82
La curva de titulación predice la carga eléctrica
de los aminoácidos
84
Los aminoácidos difieren en sus propiedades ácido-base 84
3.2 Péptidos y proteínas
Los péptidos son cadenas de aminoácidos
Los péptidos pueden distinguirse por su
comportamiento de ionización
Los péptidos y polipéptidos biológicamente activos se
presentan en una gran variedad de composiciones
y tamaños
Algunas proteínas contienen grupos químicos
diferentes a los aminoácidos
3.3 Trabajar con proteínas
85
85
86
87
88
89
Las proteínas se pueden separar y purificar
Las proteínas pueden separarse y caracterizarse
por electroforesis
Es posible cuantificar proteínas no aisladas
89
92
94
3.4 Estructura de las proteínas: estructura primaria
96
La función de una proteína depende de su secuencia
de aminoácidos
97
Se ha determinado la secuencia de aminoácidos
de millones de proteínas
97
La química de proteínas se enriquece con métodos
derivados de la secuenciación clásica de
polipéptidos98
La espectrometría de masas es un método alternativo
para determinar secuencias de aminoácidos
100
Es posible sintetizar químicamente péptidos
y proteínas pequeñas
102
La secuencia de aminoácidos proporciona información
bioquímica importante
103
Las secuencias de proteínas permiten deducir la
historia de la vida en la Tierra
104
RECUADRO 3–2 Secuencias consenso y logotipos de secuencia
105
4 E structura tridimensional de las proteínas
115
4.1 Visión general de la estructura de las proteínas
115
La conformación de una proteína está estabilizada
principalmente por interacciones débiles
El enlace peptídico es plano y rígido
116
118
Índice de materias
4.2 Estructura secundaria de las proteínas
La hélice a es una estructura secundaria habitual
en proteínas
RECUADRO 4–1 MÉTODOS. Cómo distinguir la mano derecha de la izquierda 120
120
121
La secuencia de aminoácidos afecta a la estabilidad
de la hélice a122
La conformación b organiza las cadenas polipeptídicas
en forma de hoja
123
Los giros b son frecuentes en las proteínas
123
Las estructuras secundarias comunes tienen ángulos
diedros característicos
124
Las estructuras secundarias comunes pueden evaluarse
mediante dicroísmo circular
124
4.3 Estructuras terciaria y cuaternaria de las proteínas
Las proteínas fibrosas están adaptadas a una función
estructural126
RECUADRO 4–2 La ondulación permanente es un ejemplo de ingeniería bioquímica
En las proteínas globulares, la diversidad estructural
refleja la diversidad funcional
RECUADRO 4–3 MEDICINA. Curación de enfermedades mediante
la inhibición de topoisomerasas
127
129
130
La mioglobina proporcionó las primeras claves acerca
de la complejidad de las estructuras proteicas
globulares132
RECUADRO 4–4 El banco de datos de estructura de proteínas
(Protein Data Bank, PDB)
RECUADRO 4–5 MÉTODOS. Métodos para determinar la estructura tridimensional de una proteína 133
134
Las proteínas globulares tienen estructuras terciarias
diversas137
Los motivos proteicos constituyen la base
de la clasificación estructural de las proteínas
139
Las estructuras cuaternarias de las proteínas
comprenden desde dímeros sencillos hasta grandes
complejos139
Algunas proteínas o segmentos de proteína están
intrínsecamente desordenados
141
4.4 Desnaturalización y plegamiento de proteínas
142
La pérdida de la estructura proteica conduce
a la pérdida de función
143
La secuencia de aminoácidos determina la estructura
terciaria145
Los polipéptidos se pliegan rápidamente según
un proceso en varias etapas
145
Algunas proteínas experimentan un plegamiento
de tipo asistido
146
Defectos en el plegamiento de proteínas constituyen
la base molecular de una amplia gama
de enfermedades genéticas humanas
148
RECUADRO 4–6 MEDICINA. Muerte por plegamiento incorrecto:
las enfermedades priónicas 5 Función de las proteínas
5.1 Unión reversible de una proteína a un ligando:
Las interacciones proteína-ligando se pueden describir
cuantitativamente160
La estructura proteica afecta al modo de unión
del ligando
162
El oxígeno es transportado en la sangre
por la hemoglobina
163
Las subunidades de la hemoglobina son
estructuralmente similares a la mioglobina
163
La hemoglobina experimenta un cambio estructural
al unirse al oxígeno
164
La hemoglobina une oxígeno de manera cooperativa
165
La unión cooperativa de ligando puede ser descrita
cuantitativamente167
Existen dos modelos que explican los mecanismos
de la unión cooperativa
167
RECUADRO 5–1 MEDICINA. Monóxido de carbono: un asesino
125
152
157
proteínas de unión a oxígeno
158
El oxígeno puede unirse a un grupo prostético hemo
Las globinas son una familia de proteínas de unión
de oxígeno
La mioglobina tiene un único sitio de fijación para
el oxígeno
158
159
159
xvii
silencioso 168
La hemoglobina también transporta H y CO2170
La unión de oxígeno a la hemoglobina está regulada
por el 2,3-bisfosfoglicerato
171
La anemia falciforme es una enfermedad molecular
de la hemoglobina
172
5.2 Interacciones complementarias entre proteínas y ligandos: el sistema inmune y
las inmunoglobulinas
En la respuesta inmune interviene un conjunto de
células y proteínas especializadas
Los anticuerpos poseen dos lugares idénticos de
unión a antígeno
Los anticuerpos se unen fuertemente y de manera
específica al antígeno
Las interacciones antígeno-anticuerpo son la base
de diversos procesos analíticos importantes
174
175
176
177
178
5.3 Interacciones proteicas moduladas por energía
química: actina, miosina y motores moleculares 180
Las principales proteínas del músculo son la miosina
y la actina
180
Otras proteínas adicionales organizan los filamentos
delgado y grueso para dar estructuras ordenadas
181
Los filamentos gruesos de miosina se deslizan a lo largo
de los filamentos delgados de actina
182
6 Enzimas
189
6.1 Introducción a los enzimas
189
La mayoría de enzimas son proteínas
Los enzimas se clasifican según la reacción catalizada
6.2 Funcionamiento de los enzimas
Los enzimas alteran las velocidades de reacción, pero
no los equilibrios
Las velocidades de reacción y los equilibrios tienen
definiciones termodinámicas precisas
Unos pocos principios explican el poder catalítico
y la especificidad de los enzimas
Las interacciones débiles entre enzima y sustrato
son óptimas en el estado de transición
La energía de fijación contribuye a la especificidad
de reacción y a la catálisis
Grupos catalíticos específicos contribuyen a la catálisis
6.3 La cinética enzimática como método para 190
190
191
192
194
194
195
197
199
comprender el mecanismo
200
La concentración de sustrato afecta a la velocidad
de las reacciones catalizadas por enzimas
200
xviii
Índice de materias
La relación entre concentración de sustrato y velocidad
de reacción enzimática se expresa en términos
cuantitativos202
Los parámetros cinéticos se utilizan para comparar
actividades enzimáticas
203
RECUADRO 6–1 Transformaciones de la ecuación de MichaelisMenten: gráfica de los dobles recíprocos Muchos enzimas catalizan reacciones en las que
intervienen dos o más sustratos
La cinética del estado preestacionario puede aportar
pruebas sobre pasos específicos de la reacción
Los enzimas están sujetos a inhibición reversible
o irreversible
RECUADRO 6–2 Pruebas cinéticas para determinar 204
206
206
207
los mecanismos de inhibición RECUADRO 6–3 MEDICINA. Un caballo de Troya bioquímico para la curación de la enfermedad del sueño africana 209
La actividad enzimática depende del pH
212
6.4 Ejemplos de reacciones enzimáticas
214
El mecanismo de la quimotripsina implica acilación
y desacilación de un residuo Ser
El conocimiento del mecanismo de las proteasas
conduce a nuevos tratamientos para las infecciones
con VIH
En la hexoquinasa se produce un encaje inducido
durante la unión del sustrato
El mecanismo de reacción de la enolasa requiere
la presencia de iones metálicos
La lisozima utiliza dos reacciones de desplazamiento
nucleofílico sucesivas
La compresión de los mecanismos enzimáticos impulsa
importantes avances en antibióticos útiles
6.5 Enzimas reguladores
211
214
218
219
220
220
224
226
Los enzimas alostéricos experimentan cambios
de conformación en respuesta a la unión de
moduladores226
Las propiedades cinéticas de los enzimas alostéricos
divergen del comportamiento de Michaelis-Menten 227
Algunos enzimas están regulados por modificación
covalente reversible
228
Los grupos fosforilo afectan la estructura y la actividad
catalítica de los enzimas
229
Las fosforilaciones múltiples permiten un control
exquisito de la regulación
230
Algunos enzimas y otras proteínas son regulados
mediante la rotura proteolítica de un precursor
enzimático231
Una cascada de zimógenos activados proteolíticamente
conduce a la coagulación de la sangre
232
Algunos enzimas reguladores utilizan varios
mecanismos de regulación
235
7 Glúcidos y glucobiología
243
7.1 Monosacáridos y disacáridos
243
Las dos familias de monosacáridos son las aldosas
y las cetosas
Los monosacáridos tienen centros asimétricos
Los monosacáridos comunes tienen estructura cíclica
Los organismos contienen numerosos derivados
de las hexosas
RECUADRO 7–1 MEDICINA. Determinación de la glucosa
sanguínea en el diagnóstico y el tratamiento de la diabetes
Los monosacáridos son agentes reductores
Los disacáridos contienen un enlace glucosídico
244
244
245
248
250
251
252
RECUADRO 7–2 El azúcar es dulce, pero algunas otras cosas
también
7.2 Polisacáridos
254
254
Algunos homopolisacáridos son formas
de almacenamiento de combustible
Algunos homopolisacáridos tienen función estructural
Los factores estéricos y los puentes de hidrógeno
contribuyen al plegamiento de los homopolisacáridos
Las paredes celulares de algas y bacterias contienen
heteropolisacáridos estructurales
Los glucosaminoglucanos son heteropolisacáridos
de la matriz extracelular
255
256
258
259
260
7.3 Glucoconjugados: proteoglucanos, glucoproteínas y glucoesfingolípidos
262
Los proteoglucanos son macromoléculas de la
superficie celular y de la matriz extracelular
que contienen glucosaminoglucanos
264
Las glucoproteínas contienen oligosacáridos unidos
covalentemente266
Los glucolípidos y los lipopolisacáridos son
componentes de la membrana
268
7.4 Los glúcidos son moléculas que contienen
información: el código de los azúcares
269
Las lectinas son proteínas que leen el código
de los azúcares y que intervienen en muchos
procesos biológicos
Las interacciones lectina-glúcido son muy específicas
y, a menudo, polivalentes
269
272
7.5 Trabajar con glúcidos
274
8 Nucleótidos y ácidos nucleicos
281
8.1 Algunos conceptos básicos
281
Los nucleótidos y ácidos nucleicos están formados
por bases y pentosas características
281
Los nucleótidos sucesivos de los ácidos nucleicos están
unidos por enlaces fosfodiéster
284
Las propiedades de las bases de los nucleótidos
influyen en la estructura tridimensional
de los ácidos nucleicos
286
8.2 Estructura de los ácidos nucleicos
287
El DNA es una doble hélice que almacena información
genética288
El DNA puede adoptar diferentes formas
tridimensionales290
Algunas secuencias de DNA adoptan estructuras
no habituales
291
Los RNA mensajeros codifican las cadenas
polipeptídicas293
Muchos RNA tienen estructuras tridimensionales
complejas294
8.3 Química de los ácidos nucleicos
297
El DNA y el RNA de doble hélice pueden
desnaturalizarse297
Los ácidos nucleicos de especies diferentes pueden
formar híbridos
298
Los nucleótidos y los ácidos nucleicos experimentan
transformaciones no enzimáticas
299
Algunas bases del DNA están metiladas
302
Es posible determinar las secuencias de largas cadenas
de DNA
302
La síntesis química de DNA ha sido automatizada
304
Índice de materias
8.4 Otras funciones de los nucleótidos Los nucleótidos transportan energía química
en las células
Los nucleótidos de adenina forman parte de muchos
cofactores enzimáticos
Algunos nucleótidos son moléculas reguladoras
306
306
307
308
9 T ecnologías de la información basadas en el DNA
313
9.1 Estudio de los genes y sus productos 314
Los genes pueden aislarse por clonación de DNA
314
El DNA recombinante se obtiene mediante
endonucleasas de restricción y DNA ligasa
314
Los vectores de clonación permiten la amplificación
de fragmentos de DNA insertados
317
La expresión de genes clonados puede producir
grandes cantidades de proteína
321
Para expresar proteínas recombinantes se usan muchos
sistemas diferentes
321
La alteración de los genes clonados produce proteínas
modificadas323
Las etiquetas terminales crean sitios de unión para
la purificación por afinidad
325
La reacción en cadena de la polimerasa puede
amplificar secuencias génicas
327
RECUADRO 9–1 MÉTODOS. Una herramienta poderosa en la medicina forense
9.2 Métodos basados en el DNA para comprender la
función de las proteínas
329
331
Las bibliotecas genómicas, o genotecas, proporcionan
catálogos especializados de información genética
332
Las relaciones entre las secuencias o las estructuras
suministran información sobre la función de las
proteínas333
Las proteínas de fusión y la inmunofluorescencia
pueden localizar proteínas en las células
333
Las interacciones proteína-proteína pueden contribuir
a determinar la función de las proteínas
334
Los microchips de DNA suministran información sobre
los patrones de expresión de RNA y otros aspectos 337
9.3 La genómica y la historia humana
339
La secuenciación genómica se beneficia de métodos
de secuenciación de DNA de nueva generación
339
RECUADRO 9–2 MEDICINA. Medicina genómica personalizada
340
El genoma humano contiene genes y muchos otros
tipos de secuencias
La secuenciación del genoma suministra información
sobre aquello que nos hace humanos
Las comparaciones genómicas ayudan a localizar
los genes implicados en enfermedades
Las secuencias genómicas nos informan sobre nuestro
pasado y ofrecen oportunidades de futuro
RECUADRO 9–3 Conocer mejor a los neandertales 342
345
347
349
350
10 Lípidos
357
10.1 Lípidos de almacenamiento 357
Los ácidos grasos son derivados de hidrocarburos
Los triacilgliceroles son ésteres de ácidos grasos
y glicerol
Los triacilgliceroles aportan energía almacenada
y aislamiento
La hidrogenación parcial de los aceites de cocina
produce ácidos grasos trans
357
360
360
361
Las ceras sirven como almacenes de energía y como
cubiertas impermeables al agua
10.2 Lípidos estructurales de las membranas xix
362
362
Los glicerofosfolípidos son derivados del ácido
fosfatídico363
Algunos glicerofosfolípidos tienen ácidos grasos
unidos por enlace éter
364
Los cloroplastos contienen galactolípidos
y sulfolípidos
365
Las arquebacterias contienen lípidos de membrana
singulares365
Los esfingolípidos son derivados de la esfingosina
366
Los esfingolípidos de la superfície celular son sitios
de reconocimiento biológico
366
Los fosfolípidos y los esfingolípidos se degradan
en los lisosomas
368
Los esteroles tienen cuatro anillos hidrocarbonados
fusionados368
RECUADRO 10–1 MEDICINA. Acumulación anormal de lípidos
de membrana: algunas enfermedades genéticas humanas
369
10.3 Lípidos como señales, cofactores y pigmentos 370
Los fosfatidilinositoles y algunos derivados de la
esfingosina actúan como señales intracelulares
370
Los icosanoides son portadores de mensajes a las
células vecinas
371
Las hormonas esteroides transportan mensajes entre
tejidos372
Las plantas vasculares producen millares de señales
volátiles372
Las vitaminas A y D son precursores hormonales
373
Las vitaminas E y K y las quinonas lipídicas son
cofactores de oxidación-reducción
374
Los dolicoles activan precursores glucídicos para
la biosíntesis
376
Muchos pigmentos naturales son dienos conjugados
lipídicos376
Los policétidos son productos naturales
con actividades biológicas potentes
376
10.4 Trabajar con lípidos La extracción de lípidos requiere la utilización
de disolventes orgánicos
La cromatografía de adsorción separa los lípidos
de polaridad diferente
La cromatografía gas-líquido separa las mezclas
de derivados lipídicos volátiles
La hidrólisis específica facilita la determinación
de la estructura lipídica
La espectrometría de masas revela la estructura
lipídica completa
La lipidómica pretende catalogar todos los lípidos
y sus funciones
11 Membranas biológicas y transporte 377
377
377
378
379
379
379
385
11.1 Composición y arquitectura de las membranas 386
Cada tipo de membrana tiene lípidos y proteínas
característicos386
Todas las membranas biológicas comparten ciertas
propiedades fundamentales
387
El elemento básico estructural de las membranas
es una bicapa lipídica
387
Tres tipos de proteínas de membrana difieren
en su asociación con la misma
389
Muchas proteínas de membrana abarcan la bicapa
lipídica389
xx
Índice de materias
12.2 R
eceptores acoplados a proteína G y segundos
Las proteínas integrales son sostenidas en la
membrana por interacciones hidrofóbicas
con lípidos
A partir de su secuencia puede predecirse a veces
la topología de una proteína integral
de membrana
Lípidos unidos covalentemente anclan algunas
proteínas de membrana
390
11.2 Dinámica de membranas 394
Diversos mecanismos inducen la interrupción
de la respuesta del receptor b-adrenérgico444
El receptor b-adrenérgico se desensibiliza mediante
fosforilación y por asociación con arrestina
444
El AMP cíclico actúa como segundo mensajero para
muchas moléculas reguladoras
445
Diacilglicerol, inositol trisfosfato y Ca2 tienen papeles
relacionados como segundos mensajeros
447
402
403
404
405
406
RECUADRO 11–1 MEDICINA. Transporte defectuoso de glucosa
y de agua en dos formas de diabetes
El transporte activo da lugar al movimiento de soluto
contra un gradiente de concentración
o un gradiente electroquímico
Las ATPasas tipo P experimentan fosforilación
durante sus ciclos catalíticos
Las ATPasa tipo V y tipo F son bombas de protones
impulsadas por el ATP
Los transportadores ABC utilizan ATP para impulsar
el transporte activo de una amplia gama
de sustratos
Los gradientes de iones proporcionan la energía
para el transporte activo secundario
409
410
411
413
414
en la fibrosis quística
415
Las acuaporinas forman canales transmembrana
hidrofílicos para el paso del agua
Los canales selectivos de iones permiten
el movimiento rápido de iones a través
de las membranas
La función del canal iónico se mide eléctricamente
La estructura de un canal K+ muestra las bases
de una especificidad
Los canales iónicos de compuerta son básicos
en la función neuronal
Canales iónicos defectuosos pueden tener
consecuencias fisiológicas graves
418
420
421
421
424
424
433
12.1 C aracterísticas generales de la transducción de señales RECUADRO 12–1 MÉTODOS. El análisis de Scatchard cuantifica
la interacción receptor-ligando
408
binarios en la salud y la enfermedad
RECUADRO 12–3 MÉTODOS. FRET: bioquímica visualizada en una célula viva 433
435
441
448
El calcio es un segundo mensajero que puede estar
localizado en el espacio y en el tiempo
451
Los GPCR intervienen en las acciones de muchas
señales452
12.3 Receptores tirosina quinasas La estimulación del receptor de insulina inicia una
cascada de reacciones de fosforilación de proteínas
El fosfolípido de membrana PIP3 actúa en una rama
de la señalización de la insulina
En el sistema de señalización JAK-STAT también
interviene la actividad tirosina quinasa
La comunicación cruzada entre sistemas
de señalización es frecuente y compleja
12.4 R
eceptores guanilil ciclasas, cGMP y proteína
quinasa G
12.5 P roteínas adaptadoras polivalentes y balsas RECUADRO 11–2 MEDICINA. Un canal iónico defectuoso 12 Bioseñalización
438
RECUADRO 12–2 MEDICINA. Proteínas G: interruptores
395
Proteínas de membrana facilitan el transporte pasivo
Los transportadores y los canales iónicos son
fundamentalmente diferentes
El transportador de glucosa de los eritrocitos facilita
el transporte pasivo
El intercambiador de cloruro-bicarbonato cataliza
el cotransporte electroneutro de aniones a través
de la membrana plasmática
437
391
Los grupos acilo del interior de la bicapa están
ordenados en grados diferentes
395
El movimiento de lípidos transbicapa requiere
catálisis396
Lípidos y proteínas difunden lateralmente
en la bicapa
397
Los esfingolípidos y el colesterol se agrupan
conjuntamente en balsas de membrana
398
La curvatura y la fusión de membranas son cruciales
en muchos procesos biológicos
399
Ciertas proteínas integrales de la membrana
plasmática favorecen la adhesión superficial,
la señalización y otros procesos celulares
402
11.3 Transporte de solutos a través de membranas mensajeros
El sistema receptor b-adrenérgico actúa a través
del segundo mensajero cAMP
de membrana
Módulos proteicos unen residuos Tyr, Ser o Thr
fosforilados de proteínas asociadas
Las balsas de membrana y las caveolas pueden
segregar proteínas de señalización
12.6 Canales iónicos de entrada regulada Los canales iónicos son el fundamento de la
señalización eléctrica en células excitables
Los canales iónicos de compuerta regulada por voltaje
producen potenciales de acción neuronales
El receptor de acetilcolina es un canal iónico regulado
por ligando
Las neuronas tienen canales receptores que
responden a diferentes neurotransmisores
Las toxinas apuntan a los canales iónicos
12.7 I ntegrinas: receptores de adhesión molecular
bidireccionales 12.8 R
egulación de la transcripción por receptores
nucleares de hormonas 12.9 Señalización en microorganismos y plantas La señalización bacteriana necesita la fosforilación
en un sistema de dos componentes
Los sistemas de señalización en plantas tienen
algunos de los componentes utilizados
por microbios y mamíferos
Las plantas detectan etileno a través de un sistema
de dos componentes y una cascada MAPK
453
453
456
457
458
459
460
460
463
464
464
465
467
468
468
469
471
472
472
473
474
xxi
Índice de materias
Proteína quinasas tipo receptor transducen señales
de péptidos
475
12.10Transducción sensorial en la vista, el olfato y el gusto 476
El sistema visual utiliza mecanismos GPCR clásicos
La rodopsina excitada actúa a través de la proteína G
transducina reduciendo la concentración de cGMP
La señal visual se interrumpe rápidamente
Los conos están especializados en la visión en color
476
RECUADRO 12–4 MEDICINA. Daltonismo: experimento de John Dalton desde la tumba El olfato y el gusto en vertebrados utilizan
mecanismos similares al sistema visual
Los GPCR de los sistemas sensoriales comparten
diversas características con los GPCR de los
sistemas de señalización hormonal
478
478
480
480
481
482
12.11Regulación del ciclo celular por proteína quinasas 483
El ciclo celular tiene cuatro fases
Los niveles de las proteína quinasas dependientes
de ciclina experimentan oscilaciones
Las CDK regulan la división celular por fosforilación
de proteínas clave
12.12Oncogenes, genes supresores de tumores y muerte celular programada
Los oncogenes son formas mutadas de genes
de proteínas que regulan el ciclo celular
Defectos en ciertos genes eliminan las restricciones
normales sobre la división celular
RECUADRO 12–5 MEDICINA. Desarrollo de inhibidores 484
484
487
488
488
489
de proteína quinasas para el tratamiento del cáncer 490
La apoptosis es el suicidio celular programado
493
II BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO
501
13 Bioenergética y tipos de reacciones
bioquímicas
505
13.1 Bioenergética y termodinámica 506
Las transformaciones biológicas de energía obedecen
las leyes de la termodinámica
Las células precisan fuentes de energía libre
La variación de energía libre estándar está
directamente relacionada con la constante
de equilibrio
El cambio de energía libre real depende
de las concentraciones de reactivos y productos
Las variaciones de energía libre estándar son aditivas
506
507
507
508
510
13.2 L ógica química y reacciones bioquímicas comunes511
Las ecuaciones bioquímicas y químicas no son
idénticas516
13.3 Transferencia de grupos fosforilo y ATP La variación de energía libre en la hidrólisis del ATP
es grande y negativa
Otros compuestos fosforilados y tioésteres también
tienen energías libres de hidrólisis elevadas
El ATP proporciona energía por transferencia
de grupo y no por simple hidrólisis
El ATP dona grupos fosforilo, pirofosforilo y adenililo
La formación de macromoléculas informativas
requiere energía
517
517
519
522
523
524
RECUADRO 13–1 Los destellos de la luciérnaga: informes
resplandecientes del ATP 525
El ATP aporta energía para el transporte activo
y la contracción muscular
Las transfosforilaciones entre nucleótidos se dan
en todos los tipos celulares
El polifosfato inorgánico es un dador potencial
de grupos fosforilo
525
526
527
13.4 Reacciones de oxidación-reducción biológicas 527
El flujo de electrones puede realizar trabajo biológico 528
Las óxido-reducciones se pueden describir en forma
de semirreacciones
528
En las oxidaciones biológicas interviene
con frecuencia la deshidrogenación
529
Los potenciales de reducción son una medida
de la afinidad por los electrones
530
Los potenciales de reducción estándar permiten
el cálculo de la variación de energía libre
531
La oxidación celular de glucosa a dióxido de carbono
requiere transportadores de electrones
especializados532
Unos cuantos tipos de coenzimas y proteínas actúan
como transportadores universales de electrones
532
El NADH y el NADPH actúan con las deshidrogenasas
como transportadores solubles de electrones
532
La carencia de niacina, forma vitamínica del NAD
y del NADP, en la dieta produce pelagra
535
Los nucleótidos de flavina están fuertemente unidos
en las flavoproteínas
535
14 Glucólisis, gluconeogénesis y ruta de las pentosas fosfato
543
14.1 Glucólisis 544
Una visión global: la glucólisis tiene dos fases
La fase preparatoria de la glucólisis precisa ATP
La fase de beneficios de la glucólisis produce ATP
y NADH
El balance global muestra una ganancia neta de ATP
La glucólisis está sometida a una regulación estricta
544
548
550
555
555
RECUADRO 14–1 MEDICINA. La alta velocidad de la glucólisis
en los tumores sugiere dianas para la quimioterapia y facilita el diagnóstico 556
La captación de glucosa es deficiente en la diabetes
mellitus tipo 1
558
14.2 Rutas alimentadoras de la glucólisis Los polisacáridos y disacáridos de la dieta
se hidrolizan a monosacáridos
El glucógeno y el almidón endógenos se degradan
mediante fosforólisis
Otros monosacáridos aparte de la glucosa pueden
entrar en diferentes puntos de la ruta glucolítica
14.3 D
estinos del piruvato en condiciones anaeróbicas:
558
558
560
561
fermentación 563
El piruvato es el aceptor electrónico terminal
en la fermentación láctica
563
RECUADRO 14–2 MEDICINA. Atletas, caimanes y celacantos: la glucólisis en condiciones limitantes de oxígeno 564
El etanol es el producto reducido en la fermentación
alcohólica565
La tiamina pirofosfato transporta grupos “aldehído
activos”565
RECUADRO 14–3 MEDICINA. Fermentaciones alcohólicas:
elaboración de la cerveza y producción de biocombustibles 566
xxii
Índice de materias
Algunas fermentaciones microbianas dan lugar
a algunos alimentos comunes y productos
químicos industriales
14.4 Gluconeogénesis RECUADRO 15–2 Isozimas: proteínas diferentes que catalizan
566
568
La conversión del piruvato en fosfoenolpiruvato
requiere dos reacciones exergónicas
570
La conversión de la fructosa-1, 6-bisfosfato en
fructosa 6-fosfato constituye el segundo rodeo
572
La conversión de la glucosa-6-fosfato en glucosa
constituye el tercer rodeo
572
La gluconeogénesis es energéticamente cara, pero es
esencial573
Los intermediarios del ciclo del ácido cítrico y muchos
aminoácidos son glucogénicos
573
Los mamíferos no pueden convertir los ácidos grasos
en glucosa
574
La glucólisis y la gluconeogénesis están reguladas
de forma recíproca
574
14.5 R
uta de las pentosas fosfato para la oxidación de la glucosa falafel? Deficiencia de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa Un defecto en la transcetolasa agrava el síndrome
de Wernicke-Korskakoff
La glucosa 6-fosfato se reparte entre la glucólisis
y la ruta de las pentosas fosfato
575
576
579
580
15 Principios de regulación metabólica 587
15.1 Regulación de las rutas metabólicas 588
Las células y organismos mantienen un estado
estacionario dinámico
Se pueden regular tanto la cantidad como la actividad
catalítica de un enzima
En las células, las reacciones lejos del equilibrio
constituyen puntos comunes de regulación
Los nucleótidos de adenina tienen un papel especial
en la regulación metabólica
15.2 Análisis del control metabólico Se puede medir experimentalmente la contribución
de cada enzima al flujo a través de la ruta
El coeficiente de control de flujo cuantifica el efecto
de un cambio en una actividad enzimática sobre
el flujo metabólico a través de una ruta
El coeficiente de elasticidad está relacionado
con la sensibilidad de un enzima a cambios
en la concentración de metabolito o de regulador
RECUADRO 15–1 MÉTODOS. Análisis del control metabólico:
aspectos cuantitativos 589
589
592
594
596
596
597
597
598
El coeficiente de respuesta expresa el efecto
de un controlador externo sobre el flujo a través
de una ruta
598
El análisis del control metabólico se ha aplicado al
metabolismo glucídico con resultados sorprendentes 600
El análisis del control metabólico sugiere un método
general para incrementar el flujo a través de una ruta 600
15.3 R
egulación coordinada de la glucólisis 602
604
604
605
605
607
607
608
RECUADRO 15–3 MEDICINA. Mutaciones genéticas causantes
La fase oxidativa produce pentosas fosfato y NADPH 575
La fase no oxidativa recicla las pentosas fosfato
a glucosa 6-fosfato
575
RECUADRO 14–4 MEDICINA. ¿Por qué Pitágoras no comía
la misma reacción La hexoquinasa IV (glucoquinasa) y la fructosa
6-fosfatasa están reguladas a nivel
de transcripción
La fosfofructoquinasa-l y la fructosa 1,6-bisfosfatasa
se regulan recíprocamente
La fructosa 2,6-bisfosfato es un regulador alostérico
potente de la PFK-1 y de la FBPasa-1
La xilulosa 5-fosfato es un regulador clave
de los metabolismos glucídico y lípidico
El enzima glucolítico piruvato quinasa es inhibido
alostéricamente por el ATP
La conversión gluconeogénica del piruvato
en fosfoenol piruvato es objeto de múltiples tipos
de regulación
La regulación de la glucólisis y de la gluconeogénesis
por cambios en la transcripción hace variar
el número de moléculas de enzima
y la gluconeogénesis 601
Los isozimas de la hexoquinasa de músculo y de
hígado están afectados de forma diferente
por su producto, la glucosa 6-fosfato
602
de formas raras de diabetes 612
15.4 Metabolismo del glucógeno en animales 612
La degradación del glucógeno está catalizada
por la glucógeno fosforilasa
La glucosa 1-fosfato puede entrar en la glucólisis o,
en el hígado, reponer la glucosa sanguínea
El nucleótido-azúcar UDP-glucosa aporta glucosa
para la síntesis de glucógeno
613
613
615
RECUADRO 15–4 Carl y Gerty Cori: pioneros del metabolismo
y enfermedades del glucógeno 616
La glucogenina incorpora los residuos iniciales
de azúcar del glucógeno
619
15.5 R
egulación coordinada de la síntesis y degradación del glucógeno 620
La glucogéno fosforilasa está sujeta a control
alostérico y hormonal
La glucógeno sintasa también está regulada
por fosforilación y desfosforilación
La glucógeno sintasa quinasa 3 interviene en algunas
acciones de la insulina
La fosfoproteína fosfatasa 1 es clave para
el metabolismo del glucógeno
El metabolismo glucídico está globalmente coordinado
por señales alostéricas y hormonales
El metabolismo de glúcidos y de lípidos está
integrado mediante mecanismos hormonales
y alostéricos
621
623
624
624
624
626
16 El ciclo del ácido cítrico 633
16.1 Producción de acetil-CoA (acetato activado) 633
El piruvato se oxida a acetil-CoA y CO2634
El complejo de la piruvato deshidrogenasa necesita
cinco coenzimas
634
El complejo de la piruvato deshidrogenasa está
formado por tres enzimas diferentes
635
En la canalización de sustratos, los intermediarios
nunca abandonan la superficie enzimática
636
16.2 Reacciones del ciclo del ácido cítrico 638
La secuencia de reacciones en el ciclo del ácido cítrico
son lógicas desde el punto de vista químico
638
El ciclo del ácido cítrico consta de ocho pasos
640
RECUADRO 16–1 Enzimas “claro de luna”: proteínas con más
de una función 642
Índice de materias
RECUADRO 16–2 Sintasas y sintetasas; ligasas y liasas;
quinasas, fosfatasas y fosforilasas: una nomenclatura
confusa 646
La energía de las oxidaciones del ciclo se conserva
de forma eficiente
647
RECUADRO 16–3 Citrato: una molécula simétrica
que reacciona asimétricamente 648
¿Por qué es tan complicada la oxidación del acetato? 649
Los componentes del ciclo del ácido cítrico son
importantes intermediarios biosintéticos
650
Las reacciones anapleróticas reponen los
intermediarios del ciclo del ácido cítrico
650
La biotina de la piruvato carboxilasa transporta
grupos CO2652
16.3 Regulación del ciclo del ácido cítrico 653
La producción de acetil-CoA por el complejo
de la piruvato deshidrogenasa está regulada
por mecanismos alostéricos y covalentes
654
El ciclo del ácido cítrico está regulado en sus tres
pasos exergónicos
655
En el ciclo del ácido cítrico puede darse la
canalización de sustratos a través de complejos
multienzimáticos655
Algunas mutaciones en enzimas del ciclo del ácido
cítrico producen cáncer
656
16.4 Ciclo del glioxilato El ciclo del glioxilato produce compuestos de cuatro
carbonos a partir de acetato
Los ciclos del ácido cítrico y del glioxilato tienen
una regulación coordinada
17 Catabolismo de los ácidos grasos 656
657
658
667
17.1 Digestión, movilización y transporte de grasas 668
Las grasas de la dieta se absorben en el intestino
delgado668
Las hormonas activan la movilización de
triacilgliceroles almacenados
669
Los ácidos grasos son activados y transportados
al interior de las mitocondrias
670
17.2 Oxidación de los ácidos grasos La b-oxidación de los ácidos grasos saturados
se produce en cuatro pasos básicos
Los cuatro pasos de la b-oxidación se repiten
para generar acetil-CoA y ATP
El acetil-CoA puede continuar oxidándose vía ciclo
del ácido cítrico
RECUADRO 17–1 Los osos llevan a cabo la b-oxidación
durante la hibernación 672
673
674
675
676
La oxidación de ácidos grasos insaturados requiere
dos reacciones adicionales
677
La oxidación completa de ácidos grasos de cadena
impar requiere tres reacciones adicionales
677
La oxidación de ácidos grasos está regulada de forma
estricta678
La síntesis de proteínas para el catabolismo lipídico
es activada por factores de transcripción
679
RECUADRO 17–2 Coenzima B12: una solución radical a un problema desconcertante 680
Defectos genéticos de las acil graso-CoA
deshidrogenasas producen enfermedades graves 682
Los peroxisomas también llevan a cabo la b-oxidación682
Los peroxisomas y glioxisomas de las plantas utilizan
acetil-CoA procedente de la b-oxidación como
precursor biosintético
683
xxiii
Los enzimas de la b-oxidación de diferentes orgánulos
han tenido una evolución divergente
684
En el retículo endoplasmático tiene lugar
la v-oxidación de los ácidos grasos
685
El ácido fitánico experimenta a-oxidación
en los peroxisomas
685
17.3 Cuerpos cetónicos Los cuerpos cetónicos formados en el hígado
se exportan a otros órganos como combustible
Durante la diabetes y en situaciones de inanición
se da una sobreproducción de cuerpos cetónicos
686
687
687
18 Oxidación de aminoácidos y producción de urea 695
18.1 Destinos metabólicos de los grupos amino 696
La proteína de la dieta se degrada de forma
enzimática a aminoácidos
697
El piridoxal fosfato participa en la transferencia
de grupos a-amino al a-cetoglutarato699
El glutamato libera su grupo amino en forma
de amoníaco en el hígado
700
La glutamina transporta amoníaco en el torrente
circulatorio701
La alanina transporta amoníaco desde los músculos
esqueléticos al hígado
702
El amoníaco es tóxico para los animales
703
18.2 Excreción del nitrógeno y ciclo de la urea 704
La urea se produce a partir de amoníaco en cinco
pasos enzimáticos
704
Los ciclos del ácido cítrico y de la urea pueden
conectarse706
La actividad del ciclo de la urea está regulada
a dos niveles
707
RECUADRO 18–1 MEDICINA. Determinación de lesiones en los tejidos Las interconexiones entre rutas reducen el coste
energético de la síntesis de urea
Los defectos genéticos en el ciclo de la urea pueden
ser letales
18.3 Rutas de degradación de los aminoácidos 708
708
709
710
Algunos aminoácidos se convierten en glucosa, otros
en cuerpos cetónicos
710
Varios cofactores enzimáticos tienen papeles
importantes en el catabolismo de los aminoácidos 710
Seis aminoácidos se degradan a piruvato
713
Siete aminoácidos se degradan a acetil-CoA
715
En algunas personas el catabolismo de la fenilalanina
es genéticamente defectuoso
717
Cinco aminoácidos se convierten en a-cetoglutarato720
Cuatro aminoácidos se convierten en succinil-CoA
721
Los aminoácidos ramificados no se degradan
en el hígado
722
La asparagina y el aspartato se degradan a oxalacetato 723
RECUADRO 18–2 MEDICINA. Detectives científicos resuelven
un crimen misterioso 24
19 Fosforilación oxidativa y fotofosforilación 731
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
19.1 R
eacciones de transferencia de electrones en la mitocondria 732
732
Los electrones son canalizados hacia transportadores
universales de electrones
734
xxiv
Índice de materias
Los electrones pasan a través de una serie
de transportadores unidos a membrana
Los transportadores de electrones actúan
en complejos multienzimáticos
Los complejos mitocondriales se pueden asociar
formando respirasomas
La energía de la transferencia de electrones
se conserva eficientemente en un gradiente
de protones
Durante la fosforilación oxidativa se producen
especies de oxígeno reactivas
RECUADRO 19–1 Calor, plantas malolientes y rutas
respiratorias alternativas Las mitocondrias de plantas tienen mecanismos
alternativos para oxidar el NADH
19.2 Síntesis de ATP 735
738
742
743
745
746
746
747
La ATP sintasa tiene dos dominios funcionales, Fo y F1749
En la superficie de F1, el ATP está estabilizado
en relación al ADP
750
El gradiente de protones impulsa la liberación
del ATP de la superficie del enzima
750
Cada subunidad b de la ATP sintasa puede adoptar
tres conformaciones diferentes
751
La catálisis rotacional es la clave en el mecanismo
de unión y cambio de la síntesis de ATP
753
¿De qué modo el flujo protónico a través del Complejo
Fo produce movimiento rotatorio?
754
El acoplamiento quimiosmótico permite que las
estequiometrías del consumo de O2 y de la
síntesis de ATP no se correspondan con números
enteros755
RECUADRO 19–2 MÉTODOS. Microscopia de fuerza atómica
para visualizar las proteínas de membrana La fuerza protón-motriz suministra energía para
el transporte activo
Sistemas de lanzadera envían indirectamente NADH
citosólico a la mitocondria para su oxidación
19.3 Regulación de la fosforilación oxidativa La fosforilación oxidativa está regulada por las
necesidades celulares de energía
Una proteína inhibidora impide la hidrólisis de ATP
durante la hipoxia
La hipoxia conduce a la producción de ROS y varias
respuestas de adaptación
Las rutas de formación de ATP están reguladas
de forma coordinada
19.4 L as mitocondrias en la termogénesis, síntesis de esteroides y apoptosis Las mitocondrias desacopladas del tejido adiposo
marrón producen calor
Las P-450 oxigenasas mitocondriales catalizan
las hidroxilaciones de esteroides
Las mitocondrias son de importancia crucial
en el inicio de la apoptosis
19.5 G
enes mitocondriales: su origen y efectos de las mutaciones 756
756
757
759
760
760
760
761
762
762
763
763
765
Las mitocondrias evolucionaron a partir de bacterias
endosimbióticas765
En el DNA mitocondrial, se acumulan mutaciones
a lo largo de la vida del organismo
766
Algunas mutaciones en los genomas mitocondriales
producen enfermedades
767
Defectos en las mitocondrias de las células b
pancreáticas pueden ser causa de diabetes
768
FOTOSÍNTESIS: CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA LUMINOSA 769
19.6 Características generales de la fotofosforilación 769
La fotosíntesis en plantas tiene lugar
en los cloroplastos
La luz impulsa un flujo de electrones
en los cloroplastos
19.7 Absorción de la luz Las clorofilas absorben energía luminosa
para la fotosíntesis
Los pigmentos accesorios aumentan la gama
de absorción de la luz
La clorofila canaliza la energía absorbida a centros
de reacción mediante transferencia de excitones
19.8 E l acontecimiento fotoquímico central: el flujo de electrones impulsado por la luz 770
770
771
771
773
774
776
Las bacterias tienen uno de entre dos tipos de centros
de reacción fotoquímicos individuales
776
Factores cinéticos y termodinámicos evitan la
disipación de energía por conversión interna
777
Dos centros de reacción actúan en tándem
en las plantas
779
Las clorofilas antena están íntimamente asociadas
a los transportadores electrónicos
780
El complejo del citocromo b6 f une los fotosistemas
II y I
781
El flujo cíclico de electrones entre PSI y el complejo
del citocromo b6 f aumenta la producción de ATP
en relación a la de NADPH
783
Transiciones de estado cambian la distribución
de LHCII entre los dos fotosistemas
783
El agua es escindida por el complejo que desprende
oxígeno783
19.9 Síntesis de ATP por fotofosforilación 786
Un gradiente de protones acopla el flujo electrónico
con la fosforilación
786
Se ha establecido la estequiometría aproximada
de la fotofosforilación
787
La ATP sintasa de los cloroplastos es como la de la
mitocondria787
19.10 Evolución de la fotosíntesis oxigénica
788
Los cloroplastos evolucionaron a partir de bacterias
fotosintéticas788
En Halobacterium, una única proteína absorbe luz y
bombea protones para impulsar la síntesis de ATP 789
20 Biosíntesis de glúcidos en plantas y bacterias
799
20.1 Síntesis fotosintética de glúcidos
799
Los plastidios son orgánulos propios de las células
vegetales y de las algas
La asimilación del dióxido de carbono tiene lugar
en tres fases
Cada triosa fosfato sintetizada a partir de CO2 cuesta
seis NADPH y nueve ATP
Un sistema de transporte exporta triosas fosfato
desde el cloroplasto e importa fosfato
Cuatro enzimas del ciclo de Calvin son activados
indirectamente por la luz
20.2 Fotorrespiración y rutas C4 y CAM La fotorrespiración es el resultado de la actividad
oxigenasa de la rubisco
800
801
806
810
811
813
813
xxv
Índice de materias
La ruta de recuperación del fosfoglicolato es costosa
En las plantas C4, la fijación del CO2 y la actividad
rubisco tienen lugar en espacios separados
RECUADRO 20–1 ¿Aumentará la ingeniería genética la eficiencia de los organismos fotosintéticos? En las plantas CAM, la captura del CO2 y la acción
de la rubisco están separadas en el tiempo
20.3 Biosíntesis del almidón y la sacarosa La ADP-glucosa es el sustrato de la síntesis
de almidón en los plastidios de las plantas
y de la síntesis de glucógeno en las bacterias
La UDP-glucosa es el sustrato de la síntesis de
sacarosa en el citosol de las células de las hojas
La conversión de triosas fosfato en sacarosa y
almidón está estrechamente regulada
814
815
816
818
819
819
819
820
20.4 S íntesis de polisacáridos de la pared celular:
celulosa vegetal y peptidoglucano bacteriano 822
La celulosa se sintetiza por estructuras
supramoleculares en la membrana plasmática
Oligosacáridos unidos a lípidos son precursores
en la síntesis de la pared celular bacteriana
20.5 I ntegración del metabolismo glucídico en la célula vegetal La gluconeogénesis convierte las grasas y proteínas
en glucosa en las semillas en germinación
Fondos o reservas (“pools”) de intermediarios
comunes unen rutas en diferentes orgánulos
822
824
824
825
826
21 Biosíntesis de lípidos 833
21.1 Biosíntesis de ácidos grasos e icosanoides 833
El malonil-CoA se forma a partir del acetil-CoA
y del bicarbonato
La síntesis de ácidos grasos transcurre mediante
una secuencia de reacciones repetidas
El complejo de la ácido graso sintasa de mamíferos
tiene múltiples sitios activos
La ácido graso sintasa recibe los grupos acetilo
y malonilo
Las reacciones de la ácido graso sintasa se repiten
hasta formar palmitato
La síntesis de ácidos grasos se produce en el citosol
de muchos organismos pero en las plantas tiene
lugar en los cloroplastos
El acetato sale de la mitocondria en forma de citrato
La biosíntesis de ácidos grasos está muy regulada
Los ácidos grasos de cadena larga se sintetizan
a partir del palmitato
La desaturación de los ácidos grasos necesita
una oxidasa de función mixta
833
834
836
838
838
839
840
840
842
21.3 Biosíntesis de fosfolípidos de membrana 852
Las células tienen dos estrategias para unir los
grupos de cabeza de los fosfolípidos
852
La síntesis de fosfolípidos en E. coli utiliza
CDP-diacilglicerol852
Los eucariotas sintetizan fosfolípidos aniónicos
a partir del CDP-diacilglicerol
853
Las rutas eucarióticas hasta la fosfatidilserina,
fosfatidiletanolamina y fosfatidilcolina están
interrelacionadas855
La síntesis de plasmalógeno requiere la formación
de un alcohol graso unido por enlace éter
855
Las síntesis de esfingolípidos y glicerofosfolípidos
comparten precursores y algunos mecanismos
856
Los lípidos polares están destinados a membranas
celulares específicas
856
21.4 Colesterol, esteroides e isoprenoides: biosíntesis, regulación y transporte 858
El colesterol se forma a partir del acetil-CoA
en cuatro fases
El colesterol tiene varios destinos
Las lipoproteínas plasmáticas transportan
el colesterol y otros lípidos
859
862
863
RECUADRO 21–2 MEDICINA. Los alelos de la apoE predicen la incidencia de la enfermedad de Alzheimer 866
Los ésteres de colesterol entran en las células
por endocitosis facilitada por receptor
867
La HDL lleva a cabo el transporte de colesterol
inverso867
La síntesis y el transporte del colesterol están
regulados a diversos niveles
868
El metabolismo desregulado del colesterol puede ser
causa de enfermedad cardiovascular
871
El transporte inverso del colesterol por la HDL
se opone a la formación de placas y a la
ateroesclerosis871
RECUADRO 21–3 MEDICINA. La hipótesis lipídica y el desarrollo de las estatinas 872
Las hormonas esteroideas se forman por rotura
de la cadena lateral y oxidación del colesterol
Los intermediarios de la síntesis del colesterol tienen
muchos destinos alternativos
22 Biosíntesis de aminoácidos, nucleótidos y moléculas relacionadas 872
874
881
22.1 A spectos generales del metabolismo del nitrógeno
842
El ciclo del nitrógeno mantiene una reserva
de nitrógeno disponible biológicamente
Enzimas del complejo de la nitrogenasa fijan
el nitrógeno
enzimas citocromo P-450 y sobredosis de fármacos 844
RECUADRO 22–1 Estilos de vida poco comunes: invisibles pero
Los icosanoides se forman a partir de ácidos grasos
poliinsaturados de 20 carbonos
845
El amoníaco se incorpora a las biomoléculas a través
del glutamato y la glutamina
La glutamina sintetasa es un punto de regulación
principal del metabolismo del nitrógeno
Varios tipos de reacciones tienen papeles específicos
en la biosíntesis de aminoácidos y nucleótidos
RECUADRO 21–1 MEDICINA. Oxidasas de función mixta,
21.2 Biosíntesis de triacilgliceroles 848
Los triacilgliceroles y glicerofosfolípidos se sintetizan
a partir de los mismos precursores
848
La biosíntesis de triacilgliceroles en los animales
está regulada por hormonas
849
El tejido adiposo genera glicerol 3-fosfato mediante
gliceroneogénesis850
Las tiazolidinadionas tratan la diabetes tipo 2
incrementando la gliceroneogénesis
851
abundantes 22.2 Biosíntesis de los aminoácidos 881
882
882
884
888
889
890
891
El a-cetoglutarato es precursor del glutamato y la
glutamina, prolina y arginina
892
La serina, glicina y cisteína proceden del 3-fosfoglicerato 894
xxvi
Índice de materias
Tres aminoácidos no esenciales y seis aminoácidos
esenciales se sintetizan a partir de oxalacetato
y piruvato
896
El corismato es un intermediario clave en la síntesis
del triptófano, la fenilalanina y la tirosina
896
La biosíntesis de la histidina utiliza precursores
de la biosíntesis de purinas
897
La biosíntesis de los aminoácidos se halla bajo control
alostérico897
22.3 Moléculas derivadas de aminoácidos 901
La glicina es un precursor de las porfirinas
El hemo es la fuente de los pigmentos biliares
La biosíntesis de la creatina y del glutatión se realiza
a partir de aminoácidos
Los d-aminoácidos se encuentran sobre todo
en las bacterias
901
903
905
905
RECUADRO 22–2 MEDICINA. Sobre reyes y vampiros 907
Los aminoácidos aromáticos son precursores
de muchos compuestos presentes en los vegetales 907
Las aminas biógenas son productos
de descarboxilación de los aminoácidos
907
La arginina es el precursor de la síntesis biológica
del óxido nítrico
908
22.4 Biosíntesis y degradación de los nucleótidos 910
La síntesis de novo de los nucleótidos de purina
empieza con el PRPP
910
La biosíntesis de los nucleótidos de purina está
regulada por retroinhibición
913
Los nucleótidos de pirimidina se sintetizan a partir
de aspartato, PRPP y carbamil fosfato
913
La biosíntesis de los nucleótidos de pirimidina está
regulada por retroinhibición
915
Los nucleósidos monofosfato se convierten
en nucleósidos trifosfato
915
Los ribonucleótidos son los precursores
de los desoxirribonucleótidos
917
El timidilato se forma a partir de dCDP y dUMP
918
La degradación de las purinas y pirimidinas produce
ácido úrico y urea, respectivamente
919
Las bases púricas y pirimidínicas se reciclan a través
de vías de recuperación
921
La causa de la gota es una sobreproducción de ácido
úrico921
Muchos agentes quimioterápicos actúan sobre
enzimas de las rutas de biosíntesis de nucleótidos 923
23 Regulación hormonal e integración
del metabolismo de los mamíferos 929
23.1 H
ormonas: estructuras diversas para funciones
El tejido adiposo marrón es termogénico
944
Los músculos utilizan ATP para realizar trabajo
mecánico945
RECUADRO 23–2 Creatina y creatina quinasa: valiosas ayudas
para el diagnóstico y amigas de los culturistas 946
El cerebro consume energía para la transmisión
de los impulsos eléctricos
949
La sangre transporta oxígeno, metabolitos y hormonas 950
23.3 R
egulación hormonal del metabolismo energético 952
La insulina contrarresta la glucosa en sangre elevada
Las células b del páncreas secretan insulina
en respuesta a cambios de la glucosa en sangre
El glucagón contrarresta los niveles de glucosa
en sangre bajos
Durante el ayuno y la inanición el metabolismo
se modifica para proporcionar combustible para
el cerebro
La adrenalina es la señal de una actividad inminente
El cortisol es un indicador de estrés, incluidos
los bajos niveles de glucosa en sangre
La diabetes mellitus es un defecto en la producción
o en la acción de la insulina
23.4 Obesidad y regulación de la masa corporal 952
952
955
956
957
958
959
961
El tejido adiposo tiene importantes funciones
endocrinas961
La leptina estimula la producción de hormonas
peptídicas anorexigénicas
962
La leptina desencadena una cascada de señalización
que regula la expresión génica
963
El sistema de la leptina puede haber evolucionado
para regular la respuesta a la inanición
964
La insulina actúa en el núcleo arcuato para regular
la ingesta y la conservación de energía
964
La adiponectina actúa a través de la AMPK para
aumentar la respuesta a la insulina
964
La actividad mTORC1 coordina el crecimiento celular
con el suministro de nutrientes y energía
966
La dieta regula la expresión de genes cruciales para
el mantenimiento de la masa corporal
966
La grelina y la PYY3–36 influyen en los hábitos
de ingesta a corto plazo
967
Simbiontes microbianos del intestino influyen sobre
el metabolismo energético y la adipogénesi
968
23.5 Obesidad, síndrome metabólico y diabetes tipo 2 969
En la diabetes tipo 2, los tejidos se vuelven insensibles
a la insulina
969
La diabetes tipo 2 se trata con dieta, ejercicio
y medicación
971
diversas 929
La detección y la purificación de las hormonas
requieren un bioensayo
III LAS RUTAS DE LA INFORMACIÓN
977
930
24 Genes y cromosomas
979
931
24.1 Elementos cromosómicos 979
RECUADRO 23–1 MEDICINA. ¿Cómo se descubre una hormona?
El difícil camino hasta la insulina purificada Las hormonas actúan a través de receptores celulares
específicos de elevada afinidad
932
Las hormonas son químicamente diversas
933
La liberación de hormonas está regulada por señales
neuronales y hormonales jerarquizadas
936
23.2 M
etabolismo específico de los tejidos: división del trabajo 939
El hígado transforma y distribuye los nutrientes
939
El tejido adiposo almacena y suministra ácidos grasos 943
Los genes son segmentos de DNA que codifican
cadenas polipeptídícas y RNA
979
Las moléculas de DNA son mucho más largas que
las células o virus que las contienen
980
Los genes y los cromosomas eucarióticos son muy
complejos983
24.2 Superenrollamiento del DNA 985
La mayor parte del DNA celular se encuentra
subenrollado986
xxvii
Índice de materias
El subenrollamiento del DNA se define por el número
de enlace topológico
988
Las topoisomerasas catalizan cambios en el número
de enlace del DNA
990
RECUADRO 24–1 MEDICINA. Curación de enfermedades
mediante la inhibición de topoisomerasas La compactación del DNA requiere una forma
especial de superenrollamiento
24.3 La estructura de los cromosomas La cromatina está compuesta de DNA y proteínas Las histonas son pequeñas proteínas básicas
Los nucleosomas son las unidades fundamentales
de organización de la cromatina
RECUADRO 24–2 MÉTODOS. Epigenética, estructura de los nucleosomas y variantes de las histonas 992
992
994
994
994
995
998
Los nucleosomas se empaquetan en estructuras
de orden superior sucesivas
998
Las estructuras de los cromosomas condensados
se mantienen mediante proteínas SMC
1000
El DNA bacteriano también se encuentra altamente
organizado1001
25 Metabolismo del DNA 1009
25.1 Replicación del DNA 1011
La replicación del DNA está gobernada
por un conjunto de reglas fundamentales
El DNA es degradado por nucleasas
El DNA es sintetizado por DNA polimerasas
La replicación es muy precisa
E. coli posee al menos cinco DNA polimerasas
La replicación del DNA requiere muchos enzimas
y factores proteicos
La replicación del cromosoma de E. coli procede
por etapas
La replicación en las células eucarióticas es similar
pero más compleja
Las DNA polimerasas víricas son dianas de las
terapias antivíricas
25.2 Reparación del DNA Las mutaciones están relacionadas con el cáncer
Todas las células tienen múltiples sistemas
de reparación del DNA
La interacción de las horquillas de replicación con
lesiones del DNA puede inducir síntesis de DNA
propensa al error a través de la lesión
RECUADRO 25–1 MEDICINA. Reparación del DNA y cáncer 25.3 Recombinación del DNA 1011
1013
1013
1014
1016
1017
1018
1024
1026
1027
1027
1027
1033
1037
1038
La recombinación homóloga en las bacterias
es un proceso de reparación del DNA
1039
La recombinación homóloga eucariótica es necesaria
para la correcta segregación de los cromosomas
durante la meiosis
1041
La recombinación durante la meiosis se inicia
en roturas de cadena doble
1043
RECUADRO 25–2 MEDICINA. Por qué es importante la segregación correcta de los cromosomas La recombinación específica de sitio produce
reordenamientos precisos del DNA
Los elementos genéticos transponibles se mueven
de un lugar a otro
Los genes de las inmunoglobulinas se forman
por recombinación
26 Metabolismo del RNA 1057
26.1 Síntesis de RNA dependiente de DNA 1058
El RNA es sintetizado por RNA polimerasas
La síntesis del RNA empieza en los promotores
La transcripción está regulada a diferentes niveles
La terminación de la síntesis del RNA está señalizada
por secuencias específicas
en un promotor 1062
Las células eucarióticas tienen tres tipos de RNA
polimerasas nucleares
1064
La RNA polimerasa II requiere muchos factores
proteicos adicionales para su actividad
1064
La RNA polimerasa dependiente de DNA es inhibida
selectivamente1068
26.2 Maduración del RNA 1068
Los mRNA eucarióticos poseen un casquete
en el extremo 591069
Intrones y exones se transcriben del DNA al RNA
1070
El RNA cataliza el corte y empalme de los intrones 1070
Los mRNA eucarióticos tienen una estructura
característica en el extremo 391073
La maduración diferencial del RNA puede dar lugar
a múltiples productos a partir de un gen
1075
Los RNA ribosómicos y los tRNA también
son modificados
1075
Los RNA de función especializada experimentan
varios tipos de maduración
1079
Algunas etapas del metabolismo del RNA están
catalizadas por enzimas de RNA
1080
Los mRNA celulares se degradan a diferentes velocidades1082
La polinucleótido fosforilasa forma polímeros de RNA
de secuencia aleatoria
1084
26.3 Síntesis de RNA y DNA dependiente de RNA 1085
La transcriptasa inversa produce DNA a partir
de RNA vírico
Algunos retrovirus provocan cáncer y sida
1085
1087
RECUADRO 26–2 MEDICINA. Tratamiento del sida con inhibidores de la transcriptasa inversa del vih 1088
Muchos transposones, retrovirus e intrones pueden
tener un origen evolutivo común
1089
La telomerasa es una transcriptasa inversa
especializada1089
Algunos RNA víricos se replican mediante una RNA
polimerasa dependiente de RNA
1091
La síntesis de RNA ofrece pistas importantes sobre
la evolución bioquímica
1092
RECUADRO 26–3 MÉTODOS. El método SELEX para generar
polímeros de RNA con nuevas funciones 1095
RECUADRO 26–4 MÉTODOS. Un universo de RNA en expansión
lleno de RNA TUF (transcritos de función desconocida) 1096
27 Metabolismo de las proteínas 1103
27.1 El código genético 1103
El código genético fue descifrado mediante moldes
de mRNA artificiales
1045
1046
El balanceo permite que algunos tRNA reconozcan
más de un codón
El código genético es resistente a las mutaciones
El desplazamiento del marco de traducción y la
edición de RNA afectan la lectura del código
1049
1061
RECUADRO 26–1 MÉTODOS. La RNA polimerasa deja su huella
RECUADRO 27–1 Excepciones que confirman la regla:
1047
1058
1060
1061
variaciones naturales del código genético 1104
1108
1110
1111
1111
xxviii
Índice de materias
27.2 Síntesis de proteínas 1113
La biosíntesis de las proteínas tiene lugar en cinco
fases1114
El ribosoma es una compleja máquina supramolecular 1115
RECUADRO 27–2 De un mundo de RNA a un mundo de proteína 1117
Los RNA de transferencia tienen rasgos estructurales
característicos1118
Etapa 1: Las aminoacil-tRNA sintetasas unen
los aminoácidos correctos a sus tRNA
1119
Etapa 2: La síntesis de proteínas empieza con un
aminoácido específico
1123
RECUADRO 27–3 Expansión natural y no natural del código
genético 1124
Etapa 3: Los enlaces peptídicos se forman durante
la fase de elongación
1129
Etapa 4: La terminación de la síntesis de polipéptidos
requiere una señal específica
1133
RECUADRO 27–4 Variación inducida en el código genético:
supresión de mutaciones sin sentido 1134
Etapa 5: Plegamiento y modificación de las cadenas
polipeptídicas recién sintetizadas
La síntesis de proteínas es inhibida por muchos
antibióticos y toxinas
1136
1137
27.3 El destino de las proteínas y su degradación 1139
La modificación postraducción de muchas proteínas
eucarióticas empieza en el retículo endoplasmático 1139
La glucosilación desempeña un papel clave
en el destino de las proteínas
1140
Las secuencias señal para el transporte nuclear no
son cortadas
1141
Las bacterias también utilizan secuencias señal para
el destino de las proteínas
1142
Las células importan proteínas mediante endocitosis
facilitada por receptores
1145
Todas las células disponen de sistemas
de degradación de proteínas especializados
1146
28 Regulación de la expresión génica 1153
28.1 Principios de la regulación génica 1154
La RNA polimerasa se une al DNA en los promotores
El inicio de la transcripción se regula mediante
proteínas que se unen a los promotores o cerca
de ellos
Muchos genes bacterianos están agrupados
y se regulan en operones
El operon lac está sujeto a regulación negativa
Las proteínas reguladoras tienen dominios
independientes de unión al DNA
Las proteínas reguladoras también tienen dominios
de interacción proteína-proteína
1154
28.2 Regulación de la expresión génica en bacterias 1163
El operón lac está sujeto a regulación positiva
Muchos genes de los enzimas de la biosíntesis
de aminoácidos se regulan por atenuación de
la transcripción
La inducción de la respuesta SOS requiere
la destrucción de proteínas represoras
La síntesis de proteínas ribosómicas está coordinada
con la síntesis de rRNA
La función de algunos mRNA está regulada
por pequeños RNA en cis o en trans
Algunos genes se regulan por recombinación genética
1163
1164
1167
1168
1169
1171
28.3 Regulación de la expresión génica en eucariotas 1172
La cromatina transcripcionalmente activa es
estructuralmente diferente de la cromatina
inactiva1173
La mayoría de promotores eucarióticos se regula
positivamente1174
Los activadores y coactivadores de unión al DNA
facilitan el ensamblaje de los factores
de transcripción generales
1175
Los genes del metabolismo de la galactosa
en levaduras están sujetos a la vez a regulación
positiva y negativa
1178
Los activadores de la transcripción tienen estructura
modular1179
La expresión génica eucariótica puede ser regulada
por señales intercelulares e intracelulares
1180
La fosforilación de los factores de transcripción
nucleares puede contribuir a su regulación
1182
Muchos mRNA eucarióticos están sometidos
a represión traduccional
1182
El silenciamiento postranscripcional de los genes
se produce por interferencia mediante RNA
1183
La regulación de la expresión génica debida al RNA
adopta múltiples formas en eucariotas
1184
El desarrollo está controlado por cascadas
de proteínas reguladoras
1184
El potencial de desarrollo de las células madre puede
controlarse1189
RECUADRO 28–1 MÉTODOS. Aletas, alas, picos y otras
estructuras
1192
1155
Soluciones abreviadas de los problemas
SA-1
1156
1157
Glosario
G-1
1158
Créditos
C-1
1161
Índice
I-1