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-funcibn. 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 comprensin 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 obstante, 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 actividades 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 profundamente-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 bioqumica. 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 comprenden 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 bioquimicos 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 bioqumicos 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 conocimiento 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 desarrollo 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 nutricibn), 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 fundamentos 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 diversos 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 deficiencia 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 derivados 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 descubri 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 clulas 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 accin de insecticidas, tiene consecuenciac importantes 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 esfuerzos 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 fundamental 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 quimicas, 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 A: Basic rssearch: The lireline of medicine 1995. FASBB J 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 principales 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 reacciones 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 bioqumica. 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 nitrgeno 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 polisacaridos estan constituidos por carbohidratos simples; 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 bioqumicas y las de sus bloques estructurales. Por lo general se encuentran las mismas moleculas complejas 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 presentan 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 microscopio 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 disponibilidad en cantidades relativamente grandes, por su facilidad 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 relativamente pura, sin contaminacion importante de otros organelos. El proceso habitual para conseguirlo se llama fraccionamientosubcelular y, por lo general, comprende tres procedimientos: extraccibn, homogeneizacin 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 temperaturas 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 actividad, 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 amortiguador 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&lulas, 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 constituyentes principales de cada 1 de las 3 fracciones son nucleos, mitocondrias y microsomas, respectivamente. 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 fraccionamiento subcelular en el desarrollo de la bioqumica 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 funciones,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 organelos (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 siempre 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 bioquimica dependen del desarrolIo de ttscnicas nuevas

14. C la d -- las Anaiisis ciel....... . Espectroscopia ultrnvioleta, visil o,ja y de resonancia 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 extremadamente 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 funcin. 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 resultados erroneos (artefactos); por ejemplo, Ea homogeneizacin de las clulas puede liberar enzimas que digieran parcialmente a las molculas celulares. reacciones responsables de la sntesis de un compuesto 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 bioquimico complejo o de cienas vias metabhiicas puede inferirse de las observaciones a nivel del animal intacto. 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 proteinas 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 representa 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 numerosos ejemplos de esto. 2) Tambin es importante ~ o d e rreconstituir in vitro el vroceso en estudio. mediante 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 espectroscopia 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 bioqumicos 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 diversos 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 ingestin 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 obtener 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 subcelulares 3. Determinacindel nmero de reacciones que intervienenen 81 4 Purificacin de sus susb-atos. productos,enzimas y uifactores individuales 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 embargo, 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 proteinas, 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 compuestos 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 principales 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 humana-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 protenas y lfpidos. 1(3Se dispone de informacin importante a nivel general 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 fundamentos 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 esfuerzo 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 biomolculas. 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, polisacaridos 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 estructura, funci6n y metabolismos de las biomolculas se han utilizado diferentes planteamientos, desde el anima! 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 numerosas 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 humanoy 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 fisqysonihe Jnfer- play ofChemisfryandBioln~.Wiley-lnterscience,1972. Green ED, Cox DR, Myers RM: The human genamc prajcct and its impacton ihe snidy of human discasc.In: ScriverCR et al. (editors):The Melabolic and MolecuIar Bases of lnhenfedDiseare. 7thed. McGraw-Hill, 1995. Radda GK. Control, bioenergetics, and adaptation in health and disease: Non-invasive biochemistry from nuclear magnefic resonance. FASEB J 1992;6:3032. Watson JD et al.: Recombinani DNA, 2nd ed. Scientific American Books, 1992. Wilson K, Walker J: Pnncipdes and TechnquesofPrac- iical Rinchemistty, 4th ed. Cambrdge Univ Press. 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 interacciones 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 organismos para conservar un entorno intraceliilar relativamente constante debe considerar el pH y el amortiguarnierito en liquidos corporales y compar- timienlos siibcelulares. Por ultimo, el comportamiento 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 laboratorio 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 comunes. 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 intensa 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 importante, 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 ligeramente asimktrica. Las rnolculas de agua forman dipolos Debido a la estructura tetradrica asimktrica, la carga elctrica no se distribuye de manera uniforme alrededor 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 intermoleculares 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 alrededor 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 temperatura 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 formar 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 hidrgeno. 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 hidrbgeno 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 biomoltculas, En el ambiente acuoso de las cClulas vivientes 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 representativos 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 (semejante 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 fuertemente 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 molkculas 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 hidrbgeno 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 concentraciones molares de iones hidrbgeno, iones oxhidrilo 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 concentracin 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 concentraciones elevadas de H- y los valores de pH altos a concentraciones 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 intermediarios fosforilados, que poseen el grupo acido fos- frico primario fuertemente acdico. * pH = -log (actividad dcl H +). Los siguientes ejemplos ilustran el modo de calcular 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 concentracion 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 relativamente 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 funcionales dbiles, hcidos o bhsicos, es fundamental -para comprender la influencia del pH intracelular en la estructiira y actividad bioquimica de estos compuestos. 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 conjugada. 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 valores 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 (protonada) 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 expresiones 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 equilibrios 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 resultado 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 conjugadas (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 bicarbonato (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 amortiguador (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 desplazamiento 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 amortiguar 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 temperatura 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

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