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

12.10 Transducción 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

12.11 Regulación 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

12.12 Oncogenes, 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 comunes 511 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