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28 Capítulo 1Los fundamentos de la bioquímica

la celda bajo cualquier circunstancia dada. Por ejemplo, durante se encuentran en un estado dinámico estable alejado
el crecimiento celular rápido, los precursores de proteínas y del equilibrio. La energía se obtiene de la luz solar o de
ácidos nucleicos deben producirse en grandes cantidades, los combustibles convirtiendo la energía del flujo de
mientras que en las células que no están en crecimiento la electrones en enlaces químicos de ATP.
necesidad de estos precursores es mucho menor. Las enzimas - La tendencia de una reacción química a avanzar hacia
clave en cada vía metabólica están reguladas de modo que cada el equilibrio se puede expresar como el cambio de
tipo de molécula precursora se produzca en una cantidad energía libre,GRAMO, que tiene dos componentes:
adecuada a los requisitos actuales de la célula. cambio de entalpía, hy entropía
Considere el camino enE. colique conduce a la cambiar, S.Estas variables están relacionadas
síntesis del aminoácido isoleucina, un constituyente de ecuación por la GH-ts
las proteínas. La vía tiene cinco pasos catalizados por
cinco enzimas diferentes (de la A a la F representan los - CuandoGRAMOde una reacción es negativa, la
intermedios de la vía): reacción es exergónica y tiende a completarse;
cuandoGRAMOes positivo, la reacción es
endergónica y tiende a ir en dirección contraria.
Cuando dos reacciones se pueden sumar para
enzima 1 producir una tercera
GRAMOreacción,
para esta la
reacción general es el
A B C D mi F
suma de la GRAMOs de las dos reacciones separadas.
treonina isoleucina
Esto proporciona una manera de acoplar reacciones.
Si una célula comienza a producir más isoleucina de la necesaria - La conversión de ATP a Piy el ADP es altamente
para la síntesis de proteínas, la isoleucina no utilizada se exergónico (gran negativoGRAMO), y muchas
acumula y el aumento de la concentración inhibe la actividad reacciones celulares endergónicas se impulsan
catalítica de la primera enzima de la vía, lo que inmediatamente acoplándolas, a través de un intermediario común, a
ralentiza la producción de isoleucina. Semejante inhibición por esta reacción.
retroalimentaciónmantiene en equilibrio la producción y
utilización de cada intermediario metabólico. - El cambio de energía libre estándar para una reacción,
GRAMO,es una constante física que está relacionada con
Aunque el concepto de vías discretas es una herramienta
la constante de equilibrio mediante la ecuación
importante para organizar nuestra comprensión del
metabolismo, es una simplificación excesiva. Hay miles de GRAMO - RTenkecuación.

intermediarios metabólicos en una célula, muchos de los cuales - La mayoría de las reacciones celulares exergónicas se
forman parte de más de una vía. El metabolismo estaría mejor desarrollan a velocidades útiles sólo porque hay enzimas
representado como una red de vías interconectadas e presentes para catalizarlas. Las enzimas actúan en parte
interdependientes. Un cambio en la concentración de cualquier estabilizando el estado de transición, reduciendo la energía de
metabolito tendría un impacto en otras vías, iniciando un efecto activación,GRAMO‡, y aumentando la velocidad de reacción en
dominó que influiría en el flujo de materiales a través de otros muchos órdenes de magnitud. La actividad catalítica de las
sectores de la economía celular. La tarea de comprender estas enzimas en las células está regulada.
complejas interacciones entre intermediarios y vías en términos
cuantitativos es desalentadora, pero nuevos enfoques, - El metabolismo es la suma de muchas secuencias de
analizados en el capítulo 15, han comenzado a ofrecer reacciones interconectadas que interconvierten
conocimientos importantes sobre la regulación general del metabolitos celulares. Cada secuencia está regulada para
metabolismo. proporcionar lo que la célula necesita en un momento
Las células también regulan la síntesis de sus propios dado y gastar energía sólo cuando sea necesario.
catalizadores, las enzimas, en respuesta a una mayor o
menor necesidad de un producto metabólico; éste es el
contenido del capítulo 28. La expresión de genes (la
traducción de la información del ADN en proteína activa en 1.4 Fundamentos genéticos
la célula) y la síntesis de enzimas son otras capas del control Quizás la propiedad más notable de las células y organismos
metabólico en la célula. Se deben tener en cuenta todas las vivos es su capacidad de reproducirse durante incontables
capas al describir el control general del metabolismo celular. generaciones con una fidelidad casi perfecta. Esta continuidad
Reunir la imagen completa de cómo la célula se regula a sí de rasgos heredados implica constancia, a lo largo de millones
misma es un trabajo enorme que apenas ha comenzado. de años, en la estructura de las moléculas que contienen la
información genética. Muy pocos registros históricos de
RESUMEN 1.3Fundamentos físicos civilización, incluso los grabados en cobre o tallados en piedra
(fig. 1-29), han sobrevivido durante mil años. Pero hay pruebas
- Las células vivas son sistemas abiertos que fehacientes de que las instrucciones genéticas de los
intercambian materia y energía con su entorno, organismos vivos han permanecido casi sin cambios durante
extraen y canalizan energía para mantener períodos mucho más largos; muchas bacterias tienen casi
 1.4Fundamentos genéticos 29

ecula de ADN puede tener muchos centímetros de largo). Un hu-

El espermatozoide o el óvulo, portadores de la formación
hereditaria acumulada durante miles de millones de años de
evolución, transmiten la herencia en forma de moléculas de ADN,
en las que una secuencia lineal de subnucleótidos unidos
covalentemente codifica el mensaje genético.
Normalmente, cuando describimos las propiedades de una
especie química, describimos el comportamiento promedio
de un número muy grande de moléculas idénticas. Si bien
es difícil predecir el comportamiento de cualquier molécula
en una colección de, digamos, un picomol (alrededor de 6 - 1011
moléculas) de un compuesto, lapromedioEl comportamiento de
las moléculas es predecible porque muchas moléculas entran
en el promedio. El ADN celular es una excepción notable. El ADN
que es todo el material genético deE. colies un molécula única
(a) (b) que contiene 4,64 millones de pares de nucleótidos. Esa única
molécula debe replicarse perfectamente en cada detalle si unaE.
FIGURA 1–29 Dos escrituras antiguas. (a)El Prisma de Senaquerib, en-
colila célula debe dar lugar a una descendencia idéntica
escrito en aproximadamente 700B.C.mi., describe en caracteres de la lengua
mediante división celular; ¡No hay lugar para promediar en este
asiria algunos acontecimientos históricos durante el reinado del rey
Senaquerib. El Prisma contiene unos 20.000 caracteres, pesa unos 50 kg y ha
proceso! Lo mismo ocurre con todas las células. Un
sobrevivido casi intacto durante unos 2.700 años.(b)La única molécula de ADN espermatozoide humano aporta al óvulo que fertiliza sólo una
de la bacteria.E. coli,visto saliendo de una célula alterada, es cientos de veces molécula de ADN en cada uno de sus 23 cromosomas
más largo que la propia célula y contiene toda la información codificada diferentes, para combinarla con sólo una molécula de ADN en
necesaria para especificar la estructura y funciones de la célula. El ADN cada cromosoma correspondiente del óvulo. El resultado de
bacteriano contiene alrededor de 10 millones de caracteres (nucleótidos), pesa esta unión es muy predecible: un embrión con todos sus 35.000
menos de 10-10g, y ha sufrido sólo cambios relativamente menores durante los genes, construidos con 3 mil millones de pares de nucleótidos,
últimos millones de años. (Las manchas amarillas y las motas oscuras en esta intactos. ¡Una hazaña química asombrosa!
micrografía electrónica coloreada son artefactos de la preparación).

La estructura del ADN permite su replicación y

reparación con una fidelidad casi perfecta

La capacidad de las células vivas para preservar su material

tienen el mismo tamaño, forma y estructura interna y contienen los
genético y duplicarlo para la siguiente generación resulta de la
mismos tipos de moléculas precursoras y enzimas que las bacterias
complementariedad estructural entre las dos mitades de la
que vivieron hace casi cuatro mil millones de años.
molécula de ADN (fig. 1-30). La unidad básica del ADN es un
Entre los descubrimientos fundamentales en biología del
polímero lineal de cuatro subunidades monoméricas diferentes,
siglo XX se encuentran la naturaleza química y la estructura
desoxirribonucleótidos,dispuestos en una secuencia lineal
tridimensional del material genético, ácido
precisa. Es esta secuencia lineal la que codifica la información
desoxirribonucleico, ADN.La secuencia de las subunidades
genética. Dos de estas hebras poliméricas están retorcidas
monoméricas, los nucleótidos (estrictamente,
entre sí para formar la doble hélice de ADN, en la que cada
desoxirribonucleótidos, como se analiza más adelante), en este
desoxirribonucleótido de una hebra se empareja
polímero lineal codifica las instrucciones para formar todos los
específicamente con un desoxirribonucleótido complementario
demás componentes celulares y proporciona una plantilla para
en la hebra opuesta. Antes de que una célula se divida, las dos
la producción de moléculas de ADN idénticas que se distribuirán
cadenas de ADN se separan y cada una sirve como plantilla para
a la progenie cuando una divisiones celulares. La existencia
la síntesis de una nueva cadena complementaria, generando
continuada de una especie biológica requiere que su
dos moléculas idénticas de doble hélice, una para cada célula
información genética se mantenga en forma estable, se exprese
hija. Si una hebra está dañada, la continuidad de la información
con precisión en forma de productos genéticos y se reproduzca
está asegurada por la información presente en la otra hebra,
con un mínimo de errores. El almacenamiento, la expresión y la
que actúa como plantilla para la reparación del daño.
reproducción eficaces del mensaje genético definen a las
especies individuales, las distinguen unas de otras y aseguran
su continuidad a lo largo de generaciones sucesivas.
La secuencia lineal del ADN codifica proteínas
La continuidad genética reside en moléculas de ADN individuales con estructuras tridimensionales

El ADN es un polímero orgánico largo y delgado, la rara La información del ADN está codificada en su secuencia lineal
molécula que se construye a escala atómica en una (unidimensional) de subunidades de desoxirribonucleótidos,
dimensión (ancho) y a escala humana en otra (longitud: un pero la expresión de esta información da como resultado
30 Capítulo 1

forma, determinada por su secuencia de aminoácidos y

estabilizada principalmente por interacciones no covalentes.
Aunque la forma final de la proteína plegada viene dictada por
su secuencia de aminoácidos, el proceso de plegamiento cuenta
con la ayuda de "chaperonas moleculares", que catalizan el
proceso al desalentar el plegamiento incorrecto. La estructura
tridimensional precisa, oconformación nativa,de la proteína es
crucial para su función.
Una vez en su conformación nativa, una proteína puede
asociarse de forma no covalente con otras proteínas, o con
Hilo 1 ácidos nucleicos o lípidos, para formar complejos
supramoleculares como cromosomas, ribosomas y membranas.
Las moléculas individuales de estos complejos tienen sitios de
Capítulo 2 unión específicos de alta afinidad entre sí y dentro de la célula
patrocinan

Gen 1 Gen 2 gen 3

C GRAMO C GRAMO

t t

C GRAMO C GRAMO

t A t A
GRAMO C GRAMO C

Transcripción de la secuencia de ADN.

en secuencia de ARN
t A t A
C GRAMO C GRAMO

GRAMO C GRAMO C
t t ARN 1 ARN 2 ARN 3

GRAMO C GRAMO C
t A t A
C GRAMO C GRAMO
Traducción (en el ribosoma) de la secuencia de ARN
en la secuencia de proteínas y el plegamiento de proteínas
Viejo Nuevo Nuevo Viejo
hebra 1 hebra 2 hebra 1 hebra 2 en conformación nativa

FIGURA 1–30Complementariedad entre las dos hebras de ADN. El ADN es

un polímero lineal de desoxirribonucleótidos unidos covalentemente, de
cuatro tipos: desoxiadenilato (A), desoxiguanilato (G), desoxicitidilato (C) y
desoxitimidilato (T). Cada nucleótido, con su estructura tridimensional única,
puede asociarse de manera muy específica pero no covalente con otro
nucleótido de la cadena complementaria: A siempre se asocia con T y G con C. Proteína 1 Proteína 2 Proteína 3
Así, en la molécula de ADN bicatenario, la secuencia completa de nucleótidos
en una cadena es complementarioa la secuencia en el otro. Las dos hebras,
unidas por enlaces de hidrógeno (representados aquí por líneas azules
verticales) entre cada par de nucleótidos complementarios, se retuercen entre
sí para formar la doble hélice del ADN. En la replicación del ADN, las dos
cadenas se separan y se sintetizan dos nuevas cadenas, cada una con una
secuencia complementaria a una de las cadenas originales. El resultado son
dos moléculas de doble hélice, cada una idéntica al ADN original. Formación de complejo supramolecular.

FIGURA 1–31ADN a ARN a proteína.Las secuencias lineales de

desoxirribonucleótidos del ADN, dispuestas en unidades conocidas como genes, se
una celda tridimensional. Este cambio de una a tres dimensiones se transcriben en moléculas de ácido ribonucleico (ARN) con secuencias de
produce en dos fases. Una secuencia lineal de ribonucleótidos complementarias. Luego, las secuencias de ARN se traducen en
desoxirribonucleótidos en el ADN codifica (a través de un cadenas de proteínas lineales, que se pliegan en sus formas tridimensionales nativas,
intermediario, el ARN) la producción de una proteína con una a menudo con la ayuda de chaperonas moleculares. Las proteínas individuales
secuencia lineal correspondiente de aminoácidos (figura 1-31). La comúnmente se asocian con otras proteínas para formar complejos
proteína se pliega en una estructura tridimensional particular. supramoleculares, estabilizados por numerosas interacciones débiles.
 1.5Fundamentos evolutivos 31

Aunque las secuencias de proteínas contienen toda la 1.5 Fundamentos Evolutivos

información necesaria para el plegamiento a su conformación
nativa, este plegamiento correcto requiere el entorno Nada en biología tiene sentido excepto a la luz de la
adecuado: pH, fuerza iónica, concentraciones de iones evolución.
metálicos, etc. Por lo tanto, el autoensamblaje requiere tanto
— Teodosio Dobzhansky,El profesor de biología estadounidense,
información (proporcionada por la secuencia de ADN) como el
marzo de 1973
entorno (el interior de una célula viva) y, en este sentido, la
secuencia de ADN por sí sola no es suficiente para dictar la
Los grandes avances en bioquímica y biología molecular durante las
formación de una célula. Como concluyó Rudolph Virchow,
décadas transcurridas desde que Dobzhansky hizo esta
patólogo e investigador prusiano del siglo XIX:“Omnis cellula e
sorprendente generalización han confirmado ampliamente su
cellula”: cada célula proviene de otra célula.
validez. La notable similitud de las rutas metabólicas y las
secuencias genéticas en organismos de todos los filos es un fuerte
RESUMEN 1.4Fundamentos genéticos argumento de que todos los organismos modernos comparten un
progenitor evolutivo común y se derivaron de él mediante una serie
- La información genética está codificada en la secuencia de pequeños cambios (mutaciones), cada uno de los cuales confirió
lineal de cuatro desoxirribonucleótidos en el ADN. una ventaja selectiva a algún organismo. en algún nicho ecológico.
- La molécula de ADN de doble hélice contiene una
plantilla interna para su propia replicación y Los cambios en las instrucciones hereditarias
reparación. permiten la evolución

- La secuencia lineal de aminoácidos en una A pesar de la fidelidad casi perfecta de la replicación genética,
proteína, que está codificada en el ADN del gen de errores poco frecuentes y no reparados en el proceso de replicación
esa proteína, produce la estructura tridimensional del ADN provocan cambios en la secuencia de nucleótidos del ADN,
única de una proteína. lo que produce una mutación genética.mutación(Fig. 1-32) y
- Las macromoléculas individuales con afinidad cambiar las instrucciones de algún componente celular. El daño
específica por otras macromoléculas se autoensamblan reparado incorrectamente en una de las cadenas de ADN tiene el
en complejos supramoleculares. mismo efecto. Mutaciones en el ADN transmitidas

FIGURA 1–32Papel de la mutación en la evolución.La

Tiempo acumulación gradual de mutaciones durante largos períodos
de tiempo da como resultado nuevas especies biológicas, cada
t GRAMO A GRAMO C t A
una con una secuencia de ADN única. En la parte superior se
muestra un segmento corto de un gen en un organismo
Mutación
progenitor hipotético. Con el paso del tiempo, los cambios en
1
la secuencia de nucleótidos (mutaciones, indicadas aquí por
t A A C t A t GRAMO A GRAMO C t A
cuadros de colores),ocurriendo un nucleótido a la vez, dar
GRAMO

lugar a una descendencia con diferentes secuencias de ADN.

Mutación Esta progenie mutante también sufre mutaciones ocasionales,
2
dando lugar a su propia progenie que difiere en dos o más
t GRAMO A A C GRAMO A t GRAMO A A C t A nucleótidos de la secuencia progenitora. Cuando dos linajes
han divergido tanto en su composición genética que ya no
pueden cruzarse, se ha creado una nueva especie.
Mutación Mutación
3 4

Mutación t C A GRAMO C t A GRAMO GRAMO A GRAMO C t A

5

t t A A C GRAMO A t GRAMO A A C GRAMO A

Mutación
6

t C A GRAMO C t GRAMO t C A GRAMO C t A

32 Capítulo 1Los fundamentos de la bioquímica

para la descendencia (es decir, las mutaciones que se llevan a esencialmente desprovista de oxígeno, era una
cabo en las células reproductivas) pueden ser perjudiciales o atmósfera reductora, en contraste con el ambiente
incluso letales para el organismo; pueden, por ejemplo, oxidante de nuestra era. En la teoría de Oparin, la
provocar la síntesis de una enzima defectuosa que no es capaz energía eléctrica de las descargas de rayos o la energía
de catalizar una reacción metabólica esencial. Sin embargo, en térmica de los volcanes hacían reaccionar el amoníaco, el
ocasiones una mutación equipa mejor a un organismo o célula metano, el vapor de agua y otros componentes de la
para sobrevivir en su entorno. La enzima mutante podría haber atmósfera primitiva, formando compuestos orgánicos
adquirido una especificidad ligeramente diferente, por ejemplo, simples. Estos compuestos luego se disolvieron en los
de modo que ahora sea capaz de utilizar algún compuesto que antiguos mares, que a lo largo de muchos milenios se
la célula antes no podía metabolizar. Si una población de células fueron enriqueciendo con una gran variedad de
se encontrara en un entorno donde ese compuesto fuera la sustancias orgánicas simples. En esta solución tibia (la
única o la más abundante fuente de combustible disponible, la “sopa primordial”), algunas moléculas orgánicas tenían
célula mutante tendría una ventaja selectiva sobre la otra, no una mayor tendencia que otras a asociarse en complejos
mutada.(tipo salvaje)células de la población. La célula mutante más grandes. A lo largo de millones de años, estos a su
y su progenie sobrevivirían y prosperarían en el nuevo entorno, vez se ensamblaron espontáneamente para formar
mientras que las células de tipo salvaje morirían de hambre y membranas y catalizadores (enzimas), que se unieron
serían eliminadas. Esto es lo que Darwin quiso decir con para convertirse en precursores de las primeras células.
“supervivencia del más apto bajo presión selectiva”.

En ocasiones, se duplica un gen completo. La segunda copia es La evolución química se puede simular
superflua y las mutaciones en este gen no serán perjudiciales; se en el laboratorio
convierte en un medio por el cual la célula puede evolucionar:
produciendo un nuevo gen con una nueva función conservando al El experimento clásico sobre el origen abiótico (no
mismo tiempo el gen y la función genética originales. Vistas desde biológico) de las biomoléculas orgánicas fue realizado en
esta perspectiva, las moléculas de ADN de los organismos 1953 por Stanley Miller en el laboratorio de Harold Urey.
modernos son documentos históricos, registros del largo viaje Miller sometió mezclas gaseosas de NH3, CH4, h2O y H2
desde las primeras células hasta los organismos modernos. Los a las chispas eléctricas producidas a través de un par de
relatos históricos del ADN no están completos; En el curso de la electrodos (para simular un rayo) durante períodos de una
evolución, muchas mutaciones debieron haber sido borradas o semana o más, luego analizaron el contenido del recipiente de
sobrescritas. Pero las moléculas de ADN son la mejor fuente de reacción cerrado (figura 1-33). La fase gaseosa de la mezcla
historia biológica que tenemos. resultante contenía CO y CO.2, así como los materiales de
Varios miles de millones de años de selección adaptativa han partida. La fase acuosa contenía una variedad de compuestos
refinado los sistemas celulares para aprovechar al máximo las orgánicos, incluidos algunos aminoácidos, hidroxiácidos,
propiedades químicas y físicas de las materias primas moleculares aldehídos y cianuro de hidrógeno (HCN). Este experimento
para llevar a cabo las actividades básicas de transformación de estableció la posibilidad de producción abiótica de biomoléculas
energía y autorreplicación de una célula viva. Las variaciones en tiempos relativamente cortos y en condiciones relativamente
genéticas aleatorias en los individuos de una población, combinadas suaves.
con la selección natural (supervivencia y reproducción de los Experimentos de laboratorio más refinados han proporcionado

individuos más aptos en un entorno desafiante o cambiante), han buena evidencia de que muchos de los componentes químicos de

dado como resultado la evolución de una enorme variedad de las células vivas, incluidos polipéptidos y moléculas similares al ARN,

organismos, cada uno de ellos adaptado a la vida en su nicho pueden formarse en estas condiciones. Los polímeros de ARN

ecológico particular. . pueden actuar como catalizadores en reacciones biológicamente

significativas (como veremos en los capítulos 26 y 27), y el ARN

Las biomoléculas surgieron por primera vez por evolución química probablemente desempeñó un papel crucial en la evolución
prebiótica, como catalizador y como depósito de información.
En nuestro relato hasta ahora hemos pasado por alto el primer
capítulo de la historia de la evolución: la aparición de la primera El ARN o precursores relacionados pueden haber sido los primeros
célula viva. Aparte de su presencia en los organismos vivos, los
genes y catalizadores
compuestos orgánicos, incluidas las biomoléculas básicas como
los aminoácidos y los carbohidratos, se encuentran sólo en En los organismos modernos, los ácidos nucleicos codifican la
cantidades mínimas en la corteza terrestre, el mar y la información genética que especifica la estructura de las
atmósfera. ¿Cómo adquirieron los primeros organismos vivos enzimas, y las enzimas catalizan la replicación y reparación de
sus característicos componentes orgánicos? En 1922, el los ácidos nucleicos. La dependencia mutua de estas dos clases
bioquímico Aleksandr I. Oparin propuso una teoría sobre el de biomoléculas plantea una pregunta desconcertante: ¿qué fue
origen de la vida en las primeras etapas de la historia de la primero, el ADN o las proteínas?
Tierra, postulando que la atmósfera era muy diferente a la La respuesta puede ser: ninguna. El descubrimiento de que las
actual. Rico en metano, amoníaco y agua, y moléculas de ARN pueden actuar como catalizadores en su propia forma.
 1.5Fundamentos evolutivos 33

Electrodos La molécula y el péptido auxiliar podrían sufrir modificaciones

adicionales en la secuencia, generando sistemas autorreplicantes
aún más eficientes. El reciente y notable descubrimiento de que, en
la maquinaria de síntesis de proteínas de las células modernas
(ribosomas), las moléculas de ARN, y no las proteínas, catalizan la
formación de enlaces peptídicos es ciertamente consistente con la
hipótesis del mundo del ARN.
Algún tiempo después de la evolución de este primitivo
sistema de síntesis de proteínas, hubo un desarrollo adicional: las
Chispa - chispear
moléculas de ADN con secuencias complementarias a las moléculas
brecha

de ARN autorreplicantes asumieron la función de conservar la

información "genética", y las moléculas de ARN evolucionaron para
desempeñar funciones. en la síntesis de proteínas. (En el capítulo 8
explicamos por qué el ADN es una molécula más estable que el ARN
y, por tanto, un mejor depósito de información heredable.) Las
Condensador proteínas demostraron ser catalizadores versátiles y, con el tiempo,
asumieron esa función. Los compuestos parecidos a los lípidos en la
sopa primordial formaron capas relativamente impermeables
Mezcla de alrededor de colecciones de moléculas autorreplicantes. La
NUEVA HAMPSHIRE3, CH4,
concentración de proteínas y ácidos nucleicos dentro de estos
h2, y
recintos lipídicos favoreció las interacciones moleculares necesarias
h2Oh en
80°C en la autorreplicación.

Creación de sopa prebiótica, incluidos nucleótidos,

FIGURA 1–33 Producción abiótica de biomoléculas.Descarga de chispa de componentes de la atmósfera primitiva de la Tierra
Aparato del tipo utilizado por Miller y Urey en experimentos que demuestran
la formación abiótica de compuestos orgánicos en condiciones atmosféricas
primitivas. Después de someter el contenido gaseoso del sistema a chispas
Producción de moléculas cortas de ARN.
eléctricas, los productos se recogieron mediante condensación. Entre los con secuencias aleatorias
productos se encontraban biomoléculas como los aminoácidos.

ción sugiere que el ARN o una molécula similar puede haber Replicación selectiva de la autoduplicación.
segmentos de ARN catalítico
sido el primer genyEl primer catalizador. Según este escenario
(fig. 1-34), una de las primeras etapas de la evolución biológica
fue la formación casual, en la sopa primordial, de una molécula
de ARN que podría catalizar la formación de otras moléculas de Síntesis de péptidos específicos,
catalizado por ARN
ARN de la misma secuencia: una molécula de ARN propia. -ARN
que se replica y se perpetúa a sí mismo. La concentración de
una molécula de ARN autorreplicante aumentaría
exponencialmente, ya que una molécula formaba dos, dos Papel cada vez mayor de los péptidos en la replicación del ARN;

formaban cuatro, y así sucesivamente. La fidelidad de la coevolución de ARN y proteínas

autorreplicación probablemente no era perfecta, por lo que el

proceso generaría variantes del ARN, algunas de las cuales
podrían ser incluso más capaces de autorreplicarse. En la Se desarrolla el sistema de traducción primitiva,
competencia por los nucleótidos, ganaría la secuencia con genoma de ARN y catalizadores de proteínas de ARN

autorreplicante más eficiente y los replicadores menos

eficientes desaparecerían de la población.
La división de funciones entre el ADN (almacenamiento
El ARN genómico comienza a copiarse en ADN
de información genética) y las proteínas (catálisis) fue,
según la hipótesis del “mundo del ARN”, un desarrollo
posterior. Se desarrollaron nuevas variantes de moléculas
de ARN autorreplicantes, con la capacidad adicional de Genoma de ADN, traducido en complejo ARN-proteína.
catalizar la condensación de aminoácidos en péptidos. (ribosoma) con catalizadores proteicos
Ocasionalmente, los péptidos así formados reforzarían la
capacidad de autorreplicación del ARN y el par ARN FIGURA 1–34Un posible escenario del “mundo del ARN”.
34 Capítulo 1Los fundamentos de la bioquímica

La evolución biológica comenzó hace más de tres mil Dio origen a aerobios que obtenían energía pasando electrones
quinientos millones de años de las moléculas de combustible al oxígeno. Porque la
transferencia de electrones de moléculas orgánicas a O2libera
La Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años y la una gran cantidad de energía, los organismos aeróbicos tenían
primera evidencia de vida data de hace más de 3.500 millones una ventaja energética sobre sus homólogos anaeróbicos
de años. En 1996, los científicos que trabajaban en Groenlandia cuando ambos competían en un ambiente que contenía
no encontraron restos fósiles sino evidencia química de vida oxígeno. Esta ventaja se tradujo en el predominio de
desde hace 3.850 millones de años, formas de carbono organismos aeróbicos en O2-ambientes ricos.
incrustadas en rocas que parecen tener un origen claramente Las bacterias modernas habitan en casi todos los nichos
biológico. En algún lugar de la Tierra durante sus primeros mil ecológicos de la biosfera y existen bacterias capaces de utilizar
millones de años surgió el primer organismo simple, capaz de prácticamente cualquier tipo de compuesto orgánico como fuente
replicar su propia estructura a partir de una plantilla (¿ARN?) de carbono y energía. Las bacterias fotosintéticas, tanto en aguas
que fue el primer material genético. Debido a que la atmósfera dulces como marinas, atrapan la energía solar y la utilizan para
terrestre en los albores de la vida estaba casi desprovista de generar carbohidratos y todos los demás componentes celulares,
oxígeno y a que había pocos microorganismos capaces de que a su vez son utilizados como alimento por otras formas de vida.
eliminar los compuestos orgánicos formados por procesos El proceso de evolución continúa, y en células bacterianas que se
naturales, estos compuestos eran relativamente estables. Dada reproducen rápidamente, en una escala de tiempo que nos permite
esta estabilidad y eones de tiempo, lo improbable se volvió presenciarlo en el laboratorio.
inevitable: Los compuestos orgánicos se incorporaron a células
en evolución para producir catalizadores autorreproductores Las células eucariotas evolucionaron a partir de
cada vez más eficaces. El proceso de evolución biológica había
procariotas en varias etapas
comenzado.
A partir de hace unos 1.500 millones de años, el registro fósil
La primera célula fue probablemente un quimioheterótrofo comienza a mostrar evidencia de organismos más grandes y
complejos, probablemente las primeras células eucariotas (fig. 1-35).
Las primeras células que surgieron en la rica mezcla de
compuestos orgánicos, la sopa primordial de los tiempos 0
prebióticos, fueron casi con certeza quimioheterótrofos (fig.
1-5). Los compuestos orgánicos que necesitaban se sintetizaron
Diversificación de eucariotas multicelulares.
originalmente a partir de componentes de la atmósfera 500 (plantas, hongos, animales)
primitiva: CO, CO.2, norte2, CH4, y cosas así, por las acciones no
biológicas del calor volcánico y los rayos. Los primeros
heterótrofos adquirieron gradualmente la capacidad de obtener Aparición de algas rojas y verdes.
1.000
energía de compuestos de su entorno y utilizar esa energía para Aparición de endosimbiontes
sintetizar más de sus propias moléculas precursoras, (mitocondrias, plastidios)
volviéndose así menos dependientes de fuentes externas. Un
1.500 Aparición de los protistas, los primeros eucariotas
evento evolutivo muy significativo fue el desarrollo de
pigmentos capaces de capturar la energía de la luz del sol, que
podrían usarse para reducir o "fijar" el CO.2para formar
Hace millones de años

compuestos orgánicos más complejos. El donante de electrones 2.000

original para estosfotosintéticoprocesos probablemente fue H2

S, produciendo azufre o sulfato elemental
4) como
(ENTONCES 2- subproducto, pero las células posteriores desarrollaron el 2.500 Aparición de bacterias aerobias
Desarrollo de O2-ambiente rico
capacidad enzimática para utilizar H2O como donante de electrones
en reacciones fotosintéticas, eliminando O2como desperdicio. Las
cianobacterias son los descendientes modernos de estos primeros 3.000
productores fotosintéticos de oxígeno. Aparición del O fotosintético2-productor
cianobacterias
Debido a que la atmósfera de la Tierra en las primeras
etapas de la evolución biológica estaba casi desprovista de Aparición de bacterias fotosintéticas del azufre
3.500 Aparición de metanógenos
oxígeno, las primeras células eran anaeróbicas. En estas
condiciones, los quimioheterótrofos podrían oxidar compuestos
orgánicos a CO2pasando electrones no a O2pero
4.000 Formación de océanos y continentes.
a aceptadores como SO2-4, produciendo H2S como el producto.
Con el ascenso de O2Al producir bacterias fotosintéticas, la
atmósfera se hizo progresivamente más rica en oxígeno, un
4.500 Formación de la Tierra
poderoso oxidante y un veneno mortal para los anaerobios.
En respuesta a la presión evolutiva del “holocausto de
oxígeno”, algunos linajes de microorganismos FIGURA 1–35Hitos en la evolución de la vida en la Tierra.
 1.5Fundamentos evolutivos 35

Los detalles del camino evolutivo de los procariotas a los se convirtieron en los plastidios, como los cloroplastos de las algas
eucariotas no pueden deducirse únicamente del registro fósil, verdes, los probables ancestros de las células vegetales modernas. En el
pero las comparaciones morfológicas y bioquímicas de los cuadro 1-3 se comparan las células procariotas y eucariotas.
organismos modernos han sugerido una secuencia de En alguna etapa posterior de la evolución, a los
acontecimientos consistentes con la evidencia fósil. organismos unicelulares les resultó ventajoso agruparse,
Deben haber ocurrido tres cambios importantes cuando los adquiriendo así mayor motilidad, eficiencia o éxito
procariotas dieron origen a los eucariotas. En primer lugar, a medida que reproductivo que sus competidores unicelulares de vida
las células adquirieron más ADN, los mecanismos necesarios para libre. Una mayor evolución de estos organismos agrupados
plegarlo de forma compacta en complejos discretos con proteínas condujo a asociaciones permanentes entre células
específicas y dividirlo equitativamente entre células hijas en el momento individuales y, finalmente, a la especialización dentro de la
de la división celular se volvieron más elaborados. Para esto, se colonia: a la diferenciación celular.
requirieron proteínas especializadas para estabilizar el ADN plegado y Las ventajas de la especialización celular condujeron a la
tirar de los complejos ADN-proteína resultantes (cromosomas) separados evolución de organismos cada vez más complejos y altamente
durante la división celular. En segundo lugar, a medida que las células diferenciados, en los que algunas células realizaban funciones
crecían, se desarrolló un sistema de membranas intracelulares, incluida sensoriales, otras funciones digestivas, fotosintéticas o
una doble membrana que rodeaba el ADN. Esta membrana segregó el reproductivas, etc. Muchos organismos multicelulares
proceso nuclear de síntesis de ARN en una plantilla de ADN del proceso modernos contienen cientos de tipos de células diferentes, cada
citoplasmático de síntesis de proteínas en los ribosomas. Finalmente, las una especializada en alguna función que sustenta a todo el
primeras células eucariotas, que eran incapaces de realizar la fotosíntesis organismo. Los mecanismos fundamentales que evolucionaron
o el metabolismo aeróbico, envolvieron bacterias aeróbicas o bacterias tempranamente se han refinado y embellecido aún más a
fotosintéticas para formarendosimbiótico asociaciones que se volvieron través de la evolución. Las mismas estructuras y mecanismos
permanentes (figura 1-36). Algunas bacterias aeróbicas evolucionaron básicos que subyacen al movimiento de los cilios en paramecioy
hasta convertirse en las mitocondrias de los eucariotas modernos y de flagelos enclamidomonasson empleados por los
algunas cianobacterias fotosintéticas. espermatozoides de vertebrados altamente diferenciados.

sistema simbiótico
Ahora puede realizar el
catabolismo aeróbico.
anaeróbico Algunos genes bacterianos
metabolismo La bacteria es pasar al núcleo y la
es ineficiente engullido por ancestral bacteria
porque el combustible no eucariota, y los endosimbiontes se convierten
se oxida por completo. se multiplica en su interior. mitocondrias.

Núcleo

No fotosintético
eucariota

mitocondria

anaeróbico ancestral Eucariota aeróbico

eucariota

Bacteriano
genoma Cianobacterias cloroplasto
genoma

fotosintético fotosintético
bacteria aeróbica cianobacteria engullido eucariota
cianobacteria
El metabolismo aeróbico es La energía luminosa se utiliza se convierte en un Con el tiempo, algunos
eficiente porque el combustible para sintetizar. endosimbionte genes de cianobacterias
se oxida a CO2. biomoléculas de CO2. y multiplica; nuevo pasar al núcleo y los
La célula puede producir ATP endosimbiontes.
utilizando la energía de convertirseplastidios
luz de sol. (cloroplastos).

FIGURA 1–36Evolución de eucariotas mediante endosimbiosis.Los primeros Posteriormente, las cianobacterias (verdes) se convirtieron en endosimbiontes de
eucariotas, un anaerobio, adquirieron bacterias endosimbióticas de color púrpura algunos eucariotas aeróbicos, estas células se convirtieron en precursoras
(amarillas), que llevaron consigo su capacidad de catabolismo aeróbico y se fotosintéticas de las algas y plantas verdes modernas.
convirtieron, con el tiempo, en mitocondrias. cuando fotosintético
36 Capítulo 1Los fundamentos de la bioquímica

TABLA 1–3Comparación de células procarióticas y eucariotas

Característica Célula procariota Célula eucariota

Tamaño Generalmente pequeños (1–10-m) Generalmente grandes (5–100-metro)

genoma ADN con proteína no histona; ADN complejado con histonas y no histonas.
genoma en nucleoide, no proteínas en los cromosomas; cromosomas
rodeado por membrana en núcleo con envoltura membranosa
División celular Fisión o gemación; sin mitosis Mitosis, incluido el huso mitótico; centríolos en
muchas especies

Organelos delimitados por membranas Ausente Mitocondrias, cloroplastos (en plantas, algunos
algas), retículo endoplásmico, complejos de Golgi,
lisosomas (en animales), etc.
Nutrición Absorción; algo de fotosíntesis Absorción, ingestión; fotosíntesis en
algunas especies

Metabolismo energético Sin mitocondrias; oxidativo Enzimas oxidativas empaquetadas en mitocondrias;

enzimas unidas a la membrana patrón más unificado de metabolismo oxidativo
plasmática; gran variación en el
patrón metabólico
citoesqueleto Ninguno Complejo, con microtúbulos, filamentos intermedios,
filamentos de actina

movimiento intracelular Ninguno Transmisión citoplasmática, endocitosis, fagocitosis,

mitosis, transporte de vesículas

Fuente:Modificado de Hickman, CP, Roberts, LS y Hickman, FM (1990)biología de los animales,5ª ed., pág. 30, Mosby-Yearbook, Inc., St. Louis, MO.

La anatomía molecular revela relaciones evolutivas consistente con, pero en muchos casos más precisa, la filogenia
clásica basada en estructuras macroscópicas. Aunque los
El naturalista del siglo XVIII Carolus Linnaeus reconoció las
organismos han divergido continuamente en el nivel de la
similitudes y diferencias anatómicas entre los organismos
anatomía burda, en el nivel molecular la unidad básica de la
vivos y las utilizó para proporcionar un marco para evaluar
vida es fácilmente evidente; Las estructuras y mecanismos
las relaciones entre las especies. Charles Darwin, en el siglo
moleculares son notablemente similares desde los organismos
XIX, nos dio una hipótesis unificadora para explicar la
más simples hasta los más complejos. Estas similitudes se ven
filogenia de los organismos modernos: el origen de
más fácilmente a nivel de secuencias, ya sea las secuencias de
diferentes especies a partir de un ancestro común. La
ADN que codifican proteínas o las secuencias de proteínas
investigación bioquímica del siglo XX reveló la anatomía
mismas.
molecular de células de diferentes especies: las secuencias
Cuando dos genes comparten similitudes de secuencia fácilmente
de subunidades monoméricas y las estructuras
detectables (secuencia de nucleótidos en el ADN o secuencia de
tridimensionales de ácidos nucleicos y proteínas
aminoácidos en t de), th
individuales. Los bioquímicos ahora cuentan con un tesoro
de evidencia enormemente rico y creciente que puede
usarse para analizar las relaciones evolutivas y refinar la
teoría de la evolución.
La secuencia delgenoma(la dotación genética completa
de un organismo) ha sido determinada enteramente para
numerosas eubacterias y para varias arqueobacterias; para
los microorganismos eucariotasSaccharomyces cerevisiaey
Plasmodiosp.; para las plantasArabidopsis thalianay arroz; y
para los animales multicelulares Caenorhabditis elegans(
una lombriz intestinal),Drosophila melanogaster(la mosca
de la fruta), ratones, ratas yHomo sapiens(tú)(Tabla 1-4).
Regularmente se agregan más secuencias a esta lista. Con
estas secuencias en la mano, las comparaciones detalladas y
cuantitativas entre especies pueden proporcionar una visión
profunda del proceso evolutivo. Hasta ahora, la filogenia Carlos Linneo, Carlos Darwin,
molecular derivada de secuencias genéticas es 1701-1778 1809–1882
 1.5Fundamentos evolutivos 37

TABLA 1–4Algunos organismos cuyos genomas han sido completamente secuenciados

Tamaño del genoma (millones

Organismo de pares de nucleótidos) Interés biológico

micoplasma neumonía 0,8 Causa neumonía

Treponema pallidum 1.1 Causa la sífilis
Borrelia burgdorferi 1.3 Causa la enfermedad de Lyme

Helicobacter pylori 1.7 Causa úlceras gástricas.

Methanococcus jannaschii 1.7 ¡Crece a 85 -C!
Haemophilus influenzae 1.8 Causa influenza bacteriana
Metanobacteria termo- 1.8 Miembro de Archaea
autotrófico
Archaeoglobus fulgidus 2.2 Alta temperatura
metanógeno
sinechocistissp. 3.6 cianobacteria
Bacillus subtilis 4.2 Bacteria común del suelo
Escherichia coli 4.6 Algunas cepas causan toxicidad

síndrome de shock
Saccharomyces cerevisiae 12.1 Eucariota unicelular
Plasmodium falciparum 23 Causa la malaria humana
Caenorhabditis elegans 97.1 Lombriz intestinal multicelular

Anofeles gambiae 278 Vector de malaria

Mus musculus domesticus 2,5 - 103 ratón de laboratorio

Homo sapiens 2.9 - 103 Humano

Se dice que son homólogos y las proteínas que codifican son Las diferencias de secuencia entre genes homólogos
homólogos.Si dos genes homólogos aparecen en el mismo pueden tomarse como una medida aproximada del grado
especies, se dice que son parálogos y sus productos en que las dos especies han divergido durante la evolución,
proteicos sonparálogos.Se supone que los genes parálogos de cuánto tiempo hace que su precursor evolutivo común
se derivaron de la duplicación genética seguida de cambios dio lugar a dos líneas con destinos evolutivos diferentes.
graduales en las secuencias de ambas copias (fig. 1-37). Cuanto mayor sea el número de diferencias de secuencia,
Normalmente, las proteínas parálogas son similares no sólo más temprana será la divergencia en la historia evolutiva. Se
en secuencia sino también en estructura tridimensional, puede construir una filogenia (árbol genealógico) en la que
aunque comúnmente han adquirido funciones diferentes la distancia evolutiva entre dos especies cualesquiera esté
durante su evolución. representada por su proximidad en el árbol (la figura 1-4 es
Dos genes homólogos (o proteínas) que se encuentran en un ejemplo).
diferenteSe dice que las especies son ortólogas y sus productos A medida que avanza la evolución, se adquieren
proteicos sonortólogos.Se encuentra comúnmente que los nuevas estructuras, procesos o mecanismos
ortólogos tienen la misma función en ambos organismos, y reguladores, reflejo de los genomas cambiantes de
cuando se descubre que un gen recién secuenciado en una los organismos en evolución. El genoma de un
especie es fuertemente ortólogo con un gen en otra, se eucariota simple como la levadura debería tener
presume que este gen codifica una proteína con la misma genes relacionados con la formación de la membrana
función en ambas especies. De esta manera se puede deducir la nuclear, genes que no están presentes en los
función de los productos génicos a partir de la secuencia procariotas. El genoma de un insecto debe contener
genómica, sin necesidad de caracterización bioquímica del genes que codifiquen proteínas implicadas en
producto génico. Ungenoma anotadoincluye, además de la especificar el plan corporal segmentado característico
secuencia de ADN en sí, una descripción de la función probable del insecto, genes que no están presentes en la
de cada producto genético, deducida de comparaciones con levadura. Los genomas de todos los animales
otras secuencias genómicas y funciones proteicas establecidas. vertebrados deberían compartir genes que
En principio, identificando las vías (conjuntos de enzimas) especifiquen el desarrollo de la columna vertebral, y
codificadas en un genoma, podemos deducir únicamente de la los de los mamíferos deberían tener genes únicos
secuencia genómica las capacidades metabólicas del necesarios para el desarrollo de la placenta, una
organismo. característica de los mamíferos, y así sucesivamente.
38 Capítulo 1Los fundamentos de la bioquímica

Especie A Especie B

3 Las mutaciones en muchos genes conducen a la

Gen 1 evolución de una nueva especie. Gen 1*

Función 1 Función 1

Homólogolos genes 1 y 1* sonortólogos,

1 La duplicación de genes conduce a Codifican proteínas de la misma función en
una copia superflua del gen 1 diferentes especies.

Gen 1 Copia del gen 1

FIGURA 1–37 Generación de diversidad genética por mutación y duplicación de genes.
Función 1 Función 1 catión.1 Un error durante la replicación del genoma de la especie A da como resultado
la duplicación de un gen (gen 1). La segunda copia es superflua; las mutaciones en
cualquiera de las copias no serán perjudiciales siempre que se mantenga una buena
2 mutaciones en la copia del gen 1 dan lugar
versión del gen 1. 2 A medida que ocurren mutaciones aleatorias en una copia, el
al gen 2. El gen 2 codifica una proteína con
una función nueva y diferente. producto genético cambia y, en casos raros, el producto del “nuevo” gen (ahora gen 2)
adquiere una nueva función. Los genes 1 y 2 sonparálogos.3 Si la especie A sufre
muchas mutaciones en muchos genes a lo largo de muchas generaciones, su genoma
Gen 1 Gen 2 puede diferir tanto del de la especie original que se convierte en una nueva especie

Función 1 Función 2 (especie B), es decir, las especies A y B no pueden cruzarse. . Es probable que el gen 1 de
la especie A haya sufrido algunas mutaciones durante este período evolutivo
(convirtiéndose en el gen 1*), pero puede conservar suficiente secuencia del gen 1
Homólogogenes 1 y 2
original para ser reconocido como homólogocon él, y su producto puede tener la misma
sonparálogos,relacionados en secuencia pero
que codifican proteínas de diferente función función (o una función similar) que el producto del gen 1. El gen 1* es unortólogodel gen
en la misma especie. 1.

La genómica funcional muestra las asignaciones de genes a Las comparaciones genómicas tendrán una importancia

procesos celulares específicos cada vez mayor en biología y medicina humanas

Cuando la secuencia de un genoma está completamente Los genomas de chimpancés y humanos son
determinada y se anota cada gen (es decir, se le asigna una 99,9% idénticos, pero las diferencias entre los
función), los genetistas moleculares pueden agrupar genes dos especies son enormes. Las relativamente pocas diferencias
según los procesos (síntesis de ADN, síntesis de proteínas, en la dotación genética deben explicar la posesión del lenguaje
generación de ATP, etc.) en los que se encuentran. función y así por parte de los humanos, el extraordinario atletismo de los
encontrar qué fracción del genoma está asignada a cada una de chimpancés y muchas otras diferencias. La comparación
las actividades de una célula. La categoría más grande de genes genómica permitirá a los investigadores identificar genes
enE. coli, A. thaliana,yHomo sapiensconsta de genes de función candidatos relacionados con divergencias en los programas de
aún desconocida, que constituyen más del 40% de los genes de desarrollo de los humanos y otros primates y con la aparición
cada especie. Los transportadores que mueven iones y de funciones complejas como el lenguaje. El panorama sólo se
pequeñas moléculas a través de las membranas plasmáticas aclarará a medida que haya más genomas de primates
ocupan una proporción significativa de los genes en las tres disponibles para compararlos con el genoma humano.
especies, más en la bacteria y la planta que en el mamífero (10% De manera similar, las diferencias en la dotación genética entre
de los 4.269 genes deE. coli,~el 8% de los 25.706 genes deA. humanos son extremadamente pequeñas en comparación con las
thaliana,y ~4% de los ~35.000 genes deHomo sapiens). Los diferencias entre humanos y chimpancés, pero estas diferencias
genes que codifican las proteínas y el ARN necesarios para la explican la variedad entre nosotros, incluidas las diferencias en
síntesis de proteínas constituyen del 3% al 4% del total.E. coli salud y en la susceptibilidad a las enfermedades crónicas. Tenemos
genoma, pero en las células más complejas deA. thaliana,Se mucho que aprender sobre la variabilidad de la secuencia entre los
necesitan más genes para dirigir las proteínas a su ubicación seres humanos, y durante la próxima década la disponibilidad de
final en la célula que los necesarios para sintetizar esas información genómica casi con seguridad transformará el
proteínas (alrededor del 6% y el 2%, respectivamente). En diagnóstico y el tratamiento médicos. Podemos esperar que, para
general, cuanto más complejo es el organismo, mayor es la algunas enfermedades genéticas, los paliativos sean reemplazados
proporción de su genoma que codifica genes implicados en la por curas; y que para la susceptibilidad a enfermedades asociadas
regulaciónde los procesos celulares y menor la proporción con marcadores genéticos particulares, prevalecerá la advertencia y
dedicada a los propios procesos básicos, como la generación de quizás el aumento de las medidas preventivas. El “historial médico”
ATP y la síntesis de proteínas. actual puede ser reemplazado por un “pronóstico médico”.-
 Capítulo 1Otras lecturas 39

RESUMEN 1.5Fundamentos evolutivos - Las funciones catalíticas y genéticas del genoma

temprano del ARN se separaron con el tiempo,
- Mutaciones heredables ocasionales producen un convirtiéndose el ADN en el material genómico y las
organismo que está mejor preparado para sobrevivir en proteínas en las principales especies catalíticas.
un nicho ecológico y una descendencia que se
- Las células eucariotas adquirieron la capacidad de
selecciona preferentemente. Este proceso de mutación
realizar la fotosíntesis y la oxidación.
y selección es la base de la evolución darwiniana que
Fosforilación de bacterias endosimbióticas. En los
condujo desde la primera célula a todos los organismos
organismos multicelulares, los tipos de células
que existen ahora, y explica la similitud fundamental de
diferenciadas se especializan en una o más de las funciones
todos los organismos vivos.
esenciales para la supervivencia del organismo.
- La vida se originó hace unos 3.500 millones de años,
muy probablemente con la formación de un - El conocimiento de las secuencias genómicas completas de
Compartimento rodeado por una membrana que nucleótidos de organismos de diferentes ramas del árbol
contiene una molécula de ARN autorreplicante. Los filogenético proporciona información sobre la evolución y
componentes de la primera celda se produjeron por la función de los organismos existentes y ofrece grandes
acción de rayos y altas temperaturas sobre moléculas oportunidades en humanos.
atmosféricas simples como el CO.2y NH3. medicamento.

Términos clave

Todos los términos están definidos en el glosario.

metabolito 3 estereoisómeros dieciséis reacción exergónica 23
núcleo 3 configuración dieciséis equilibrio24
genoma 3 centro quiral 17 cambio estándar de energía libre,-GRAMO- 26
eucariota 4 conformación 19 energía de activación,-GRAMO‡ 26
procariota 4 entropía,S 23 catabolismo 27
arqueobacterias 4 entalpía,h 23 anabolismo 27
eubacterias4 cambio de energía libre,-GRAMO 23 metabolismo 27
citoesqueleto 9 reacción endergónica23 mutación 31

Otras lecturas
General Ritmo, NR(2001) La naturaleza universal de la bioquímica.Proc.
Frutón, JS(1999)Proteínas, enzimas, genes: la interacción de la química Nacional. Acad. Ciencia. EE.UU98,805–808.
y la bioquímica,Prensa de la Universidad de Yale, New Haven. Una breve discusión sobre la definición mínima de vida, en la Tierra y en

Un distinguido historiador de la bioquímica rastrea el desarrollo otros lugares.

de esta ciencia y analiza su impacto en la medicina, la farmacia y Schrödinger, E.(1944)¿Qué es la vida?Cambridge University Press,
la agricultura. Nueva York. [Reimpreso (1956) en¿Qué es la vida? y otros ensayos
Harold, FM(2001)El camino de la célula: moléculas, organismos y el científicos,Doubleday Anchor Books, Garden City, Nueva York.]
orden de la vida,Prensa de la Universidad de Oxford, Oxford. Una mirada sugerente a la vida, escrita por un destacado
químico físico.
Judson, H.F.(1996)El octavo día de la creación: los hacedores de la
revolución en biología,ed. ampliada. Prensa de laboratorio de Cold Fundamentos celulares
Spring Harbor, Cold Spring Harbor, Nueva York. Alberts, B., Johnson, A., Bray, D., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. y
Un relato muy legible y autorizado sobre el auge de la Walter, P.(2002)Biología molecular de la célula, 4ª ed., Garland
bioquímica y la biología molecular en el siglo XX. Publishing, Inc., Nueva York.
Un excelente libro de texto sobre estructura y función celular, que cubre
Kornberg, A.(1987) Las dos culturas: química y biología.
los temas considerados en este capítulo y una referencia útil para
Bioquímica26,6888–6891.
muchos de los siguientes capítulos.
La importancia de aplicar herramientas químicas a problemas
biológicos, descrita por un eminente practicante. Becker, WM, Kleinsmith, LJ y Hardin, J.(2000)El mundo de la
célula,5.ª ed., The Benjamin/Cummings Publishing Company,
Monod, J.(1971)Oportunidad y Necesidad,Alfred A. Knopf, Inc., Nueva
Redwood City, CA.
York. [Edición de bolsillo, Vintage Books, 1972.] Publicado
Un excelente libro de texto de introducción a la biología celular.
originalmente (1970) comoLe hasard et la nécessité,Ediciones du Seuil,
París. Lodish, H., Berk, A., Matsudaira, P., Kaiser, CA, Krieger, M.,
Una exploración de las implicaciones filosóficas del conocimiento Scott, MR, Zipursky, SL y Darnell, J.(2003)biología celular
biológico. molecular,5ª ed., WH Freeman and Company, Nueva York.
40 Capítulo 1Los fundamentos de la bioquímica

Como el libro de Alberts y sus coautores, un texto magnífico y útil para este Pierce, B.(2002)Genética: un enfoque conceptual,WH
capítulo y los siguientes. Freeman and Company, Nueva York.
Purves, WK, Sadava, D., Orians, GH y Heller, HC(2001) Vida: la Venter, JC, Adams, MD, Myers, EW, Li, PW, Mural, RJ, Sutton,
ciencia de la biología,6ª ed., WH Freeman and Company, Nueva GG, Smith, HO, Yandell, M., Evans, CA, Holt, RA, et al.(2001) La
York. secuencia del genoma humano.Ciencia
291,1304-1351.
Fundaciones químicas
Barta, NS y Stille, JR(1994) Comprender los conceptos de
estereoquímica.J. química. Educativo.71,20–23. Fundamentos evolutivos
Una descripción clara del sistema RS para nombrar Brow, JR y Doolittle, WF(1997) Archaea y la transición procariota-
estereoisómeros, con sugerencias prácticas para determinar y eucariota.Microbiol. Mol. Biol. Rdo.61,456–502.
recordar la "lateralidad" de los isómeros. Una discusión muy exhaustiva de los argumentos para colocar a las

Brewster, J.H.(1986) Estereoquímica y los orígenes de la vida. Archaea en la rama filogenética que condujo a los organismos

J. química. Educativo.63,667–670. multicelulares.

Una discusión interesante y lúcida sobre las formas en que la evolución Darwin, C.(1964)Sobre el origen de las especies: un facsímil de la primera
podría haber seleccionado solo uno de dos estereoisómeros para la edición (publicado en 1859),Prensa de la Universidad de Harvard,
construcción de proteínas y otras moléculas. Cambridge.
Kotz, JC y Treichel, P., Jr.(1998)Química y Reactividad Química, Uno de los trabajos científicos más influyentes jamás publicados.
Publicaciones de Saunders College, Fort Worth, TX. de Duve, C.(1995) Los inicios de la vida en la tierra.Soy. Ciencia.83,
Una excelente y completa introducción a la química. 428–437.
Vollhardt, KPC y Shore, Nebraska(2002)Química Orgánica: Un escenario para la sucesión de pasos químicos que condujeron al
Estructura y Función,WH Freeman and Company, Nueva York. primer organismo vivo.
Discusiones actualizadas sobre estereoquímica, grupos de Duve, C.(1996) El nacimiento de células complejas.Ciencia. Soy.274
funcionales, reactividad y química de las principales clases de (abril), 50–57.
biomoléculas.
Dyer, BD y Obar, RA(1994)Rastreando la historia de las células eucariotas: la
Fundamentos físicos sonrisa enigmática,Prensa de la Universidad de Columbia, Nueva York.
Atkins, PW y de Paula, J.(2001)Química Física,7ª ed., WH
Freeman and Company, Nueva York.
Evolución de la función catalítica. (1987)Puerto de primavera fría. Síntoma.
Atkins, PW y Jones, L.(1999)Principios químicos: la búsqueda del Cuant. Biol.52.
conocimiento,WH Freeman and Company, Nueva York. Una colección de casi 100 artículos sobre todos los aspectos de la evolución

Blum, H.F.(1968)La flecha del tiempo y la evolución,3.ª ed., biológica prebiótica y temprana; Probablemente la mejor fuente sobre

Princeton University Press, Princeton. evolución molecular.

Una excelente discusión sobre la forma en que la segunda ley de la Fenchel, T. y Finlay, BJ(1994) La evolución de la vida sin
termodinámica ha influido en la evolución biológica. oxígeno.Soy. Ciencia.82,22–29.
Discusión de la hipótesis endosimbiótica a la luz de los organismos
Fundamentos genéticos
anaeróbicos endosimbióticos modernos.
Adams, MD, Celniker, SE, Holt, RA, Evans, CA, Gocayne, JD,
Amanatides, PG, Scherer, SE, Li, PW, Hoskins, RA, Galle, RF, et Gesteland, RF y Atkins, JF (eds)(1993)El mundo del ARN, Prensa de
al.(2000) La secuencia del genoma deDrosophila melanogaster. laboratorio de Cold Spring Harbor, Cold Spring Harbor, Nueva York.
Ciencia287,2185–2195. Una colección de reseñas estimulantes sobre una amplia gama de temas

Determinación de la secuencia completa del genoma de la mosca de la fruta. relacionados con el escenario mundial del ARN.

ArabidopsisIniciativa Genoma.(2000) Análisis de la secuencia del Hall, BG(1982) Evolución en una placa de Petri: los evolucionados-
genoma de la planta con flores.Arabidopsis thaliana.Naturaleza -Sistema galactosidasa como modelo para estudiar la evolución
408,796–815. adquisitiva en el laboratorio.Biol evolutivo.15,85–150.
C. elegansConsorcio de secuenciación.(1998) Secuencia del genoma del Knoll, Arizona(1991) Fin del eón Proterozoico.Ciencia. Soy.265(
nematodo.C. elegans:una plataforma para la investigación de la biología. Octubre), 64–73.
Ciencia282,2012-2018. Discusión de la evidencia de que un aumento del oxígeno atmosférico
Griffiths, AJF, Gelbart, WM, Lewinton, RC y Miller, JH(2002) condujo al desarrollo de organismos multicelulares, incluidos animales
Análisis genético moderno: integración de genes y genomas,WH grandes.
Freeman and Company, Nueva York. Lazcano, A. y Miller, SL(1996) El origen y evolución temprana de la
Consorcio Internacional de Secuenciación del Genoma Humano. vida: química prebiótica, el mundo pre-ARN y el tiempo.Celúla85, 793–
(2001) Secuenciación inicial y análisis del genoma humano. Naturaleza 798.
409,860–921. Breve repaso de la evolución de los estudios sobre el origen de la
vida: atmósferas primitivas, respiraderos submarinos, origen
Jacobo, F.(1973)La lógica de la vida: una historia de la herencia,
autótrofo versus heterótrofo, los mundos ARN y pre-ARN, y el tiempo
Pantheon Books, Inc., Nueva York. Publicado originalmente (1970)
necesario para que surja la vida.
como La lógica del vivir: una historia de la herencia,Ediciones
Gallimard, París. Margulis, L.(1996) Fusiones arqueo-eubacterianas en el origen de Eukarya:
Un fascinante relato histórico y filosófico de la ruta por la que clasificación filogenética de la vida.Proc. Nacional. Acad. Ciencia. EE.UU93,
llegamos a la actual comprensión molecular de la vida. 1071–1076.
 Capítulo 1Problemas 41

Los argumentos para dividir a todos los seres vivos en cinco reinos: Resumen de experimentos de laboratorio sobre evolución química,
Monera, Protoctista, Fungi, Animalia, Plantae. (Compare el artículo de realizados por la persona que realizó el experimento original de Miller-Urey.
Woese et al. a continuación).
Morowitz, H.J.(1992)Los inicios de la vida celular: el metabolismo recapitula
Margulis, L., Gould, SJ, Schwartz, KV y Margulis, AR (1998)Cinco la biogénesis,Prensa de la Universidad de Yale, New Haven.
reinos: una guía ilustrada de los filos de la vida en la Tierra,3.ª ed.,
Schopf, J.W.(1992)Principales acontecimientos de la historia de la vida.
WH Freeman and Company, Nueva York.
Editores Jones y Bartlett, Boston.
Descripción de todos los grupos principales de organismos,
bellamente ilustrada con micrografías electrónicas y dibujos. Smith, JM y Szathmáry, E.(1995)Las principales transiciones en la
evolución,WH Freeman and Company, Nueva York.
Mayer, E.(1997)Esto es biología: la ciencia del mundo vivo,
Belknap Press, Cambridge, MA. Woese, CR, Kandler, O. y Wheelis, ML(1990) Hacia un sistema natural

Una historia del desarrollo de la ciencia, con especial énfasis en la evolución de organismos: propuesta para los dominios Archaea, Bacteria y

darwiniana, escrita por un eminente estudioso de Darwin. Eucarya.Proc. Nacional. Acad. Ciencia. EE.UU87,4576–4579.
Los argumentos para dividir a todos los seres vivientes en tres
Molinero, SL(1987) ¿Qué compuestos orgánicos podrían haberse formado
reinos. (Compárese con el artículo de Margulis (1996) anterior.)
en la tierra prebiótica?Puerto de primavera fría. Síntoma. Cuant. Biol.52,17–
27.

Problemas

A continuación se presentan algunos problemas relacionados con el contenido del 3. Información genética enE. coliADNLa información genética
capítulo. (Para resolver los problemas de final de capítulo, es posible que desee contenida en el ADN consta de una secuencia lineal de unidades
consultar las tablas que se encuentran en el interior de la contraportada). Cada codificantes, conocidas como codones. Cada codón es una secuencia
problema tiene un título para facilitar la referencia y la discusión. específica de tres desoxirribonucleótidos (tres pares de
desoxirribonucleótidos en el ADN bicatenario) y cada codón codifica una
1. El tamaño de las células y sus componentes
única unidad de aminoácido en una proteína. El peso molecular de unE.
(a) Si ampliaras una celda 10.000 veces (típico de
coliLa molécula de ADN mide aproximadamente 3,1 - 109gramos/mol. El
el aumento logrado usando un microscopio electrónico), ¿qué tan
peso molecular promedio de un par de nucleótidos es de 660 g/mol y
grande parecería? Supongamos que está viendo una célula
cada par de nucleótidos contribuye con 0,34 nm a la longitud del ADN.
eucariota "típica" con un diámetro celular de 50-metro.
(b) Si esta célula fuera una célula muscular (miocito), ¿cuántas
(a) Calcule la longitud de unE. coliMolécula de ADN. Com-
¿Podrían contener moléculas de actina? (Supongamos que la célula es
Compare la longitud de la molécula de ADN con las dimensiones de la
esférica y no hay otros componentes celulares presentes; las moléculas
célula (ver Problema 2). ¿Cómo encaja la molécula de ADN en la célula?
de actina son esféricas, con un diámetro de 3,6 nm. El volumen de una
(b) Suponga que la proteína promedio enE. coliconsiste
esfera es 4/3-r3.)
de una cadena de 400 aminoácidos. ¿Cuál es el número máximo de
(c) Si se tratara de una célula hepática (hepatocito) de la misma di-
proteínas que puede codificar unE. coli¿Molécula de ADN?
mensiones, ¿cuántas mitocondrias podría contener? (Supongamos
que la célula es esférica; no hay otros componentes celulares 4. La alta tasa de metabolismo bacterianoLas células bacterianas tienen
presentes; y las mitocondrias son esféricas, con un diámetro de 1,5- una tasa de metabolismo mucho mayor que las células animales. En
metro.) condiciones ideales, algunas bacterias duplican su tamaño y se dividen cada
(d) La glucosa es el principal nutriente que produce energía para 20 minutos, mientras que la mayoría de las células animales en condiciones
la mayoría de las células. Suponiendo una concentración celular de de crecimiento rápido requieren 24 horas. La alta tasa de metabolismo
1 mMETRO, calcula cuántas moléculas de glucosa estarían presentes bacteriano requiere una alta proporción entre superficie y volumen celular.
en nuestra hipotética (y esférica) célula eucariota. (El número de (a) ¿Por qué la relación superficie-volumen afecta la máxima
Avogadro, el número de moléculas en 1 mol de una sustancia no tasa materna de metabolismo?
ionizada, es 6,02 - 1023.) (b) Calcule la relación superficie-volumen de la esfera.
(e) La hexoquinasa es una enzima importante en el metabolismo. bacteria químicaNeisseria gonorrhoeae(diámetro 0,5-m), responsable
lismo de la glucosa. Si la concentración de hexoquinasa en nuestra de la enfermedad gonorrea. Compárelo con la relación superficie-
célula eucariota es 20-METRO, ¿cuántas moléculas de glucosa hay por volumen de una ameba globular, una célula eucariota grande (diámetro
molécula de hexoquinasa? 150-metro). El área de superficie de una esfera es 4.-r2.

2. Componentes deE. coliE. colilas células tienen forma de 5. Transporte axonal rápidoLas neuronas tienen procesos largos y
bastón, alrededor de 2-m de largo y 0,8-m de diámetro. El volumen delgados llamados axones, estructuras especializadas en conducir
de un cilindro es-r2h,dóndehes la altura del cilindro. señales por todo el sistema nervioso del organismo. Algunos procesos
(a) Si la densidad promedio deE. coli(principalmente agua) es axonales pueden medir hasta 2 m; por ejemplo, los axones que se
1.1 - 103g/L, ¿cuál es la masa de una sola célula? originan en la médula espinal y terminan en los músculos de los dedos
(b)E. coliTiene una envoltura celular protectora de 10 nm de espesor. de los pies. Pequeñas vesículas rodeadas de membranas que
¿Qué porcentaje del volumen total de la bacteria ocupa la transportan materiales esenciales para la función axonal se mueven a lo
envoltura celular? largo de los microtúbulos del citoesqueleto, desde el cuerpo celular
(C)E. colies capaz de crecer y multiplicarse rápidamente hasta las puntas de los axones.
porque contiene unos 15.000 ribosomas esféricos (diámetro 18 (a) Si la velocidad promedio de una vesícula es 1-m/s, ¿cómo?
nm), que realizan la síntesis de proteínas. ¿Qué porcentaje del ¿Cuánto tarda una vesícula en moverse desde un cuerpo celular en la médula
volumen celular ocupan los ribosomas? espinal hasta la punta axonal en los dedos de los pies?
42 Capítulo 1Los fundamentos de la bioquímica

(b) Se produce el movimiento de moléculas grandes por difusión.

relativamente lentamente en las células. (Por ejemplo, la hemoglobina se
difunde a una velocidad de aproximadamente 5-m/s.) Sin embargo, la
difusión de sacarosa en una solución acuosa ocurre a una velocidad cercana a
la de los mecanismos de transporte celular rápido (alrededor de 4-EM).
¿Cuáles son algunas de las ventajas que tienen para una célula o un
organismo los mecanismos de transporte rápidos y dirigidos, en comparación
con la difusión sola? 9. Separación de biomoléculas Al estudiar un particular
biomolécula (una proteína, ácido nucleico, carbohidrato o lípido) en el
6. Vitamina C: ¿Es la vitamina sintética tan buena como la
laboratorio, el bioquímico primero necesita separarla de otras
natural?Una afirmación presentada por algunos proveedores de
biomoléculas en la muestra, es decir, separarla de otras biomoléculas en
alimentos saludables es que las vitaminas obtenidas de fuentes
la muestra.purificarél. Las técnicas de purificación específicas se
naturales son más saludables que las obtenidas por síntesis
describen más adelante en el texto. Sin embargo, al observar las
química. Por ejemplo, purol-El ácido ascórbico (vitamina C) extraído
subunidades monoméricas de una biomolécula, deberías tener algunas
del escaramujo es mejor que el puro.l-ácido ascórbico fabricado en
ideas sobre las características de la molécula que te permitirían
una planta química. ¿Son diferentes las vitaminas de las dos
separarla de otras moléculas. Por ejemplo, ¿cómo separarías (a) los
fuentes? ¿Puede el cuerpo distinguir la fuente de una vitamina?
aminoácidos de los ácidos grasos y (b) los nucleótidos de la glucosa?
7. Identificación de Grupos FuncionalesLas figuras 1-15 y 1-16
muestran algunos grupos funcionales comunes de biomoléculas. Dado
10. ¿Vida basada en silicio?El silicio está en el mismo grupo de la tabla
que las propiedades y actividades biológicas de las biomoléculas están
periódica que el carbono y, al igual que el carbono, puede formar hasta
determinadas en gran medida por sus grupos funcionales, es
cuatro enlaces simples. Muchas historias de ciencia ficción se han basado en
importante poder identificarlas. En cada uno de los compuestos
la premisa de la vida basada en el silicio. ¿Es esto realista? ¿Qué características
siguientes, encierre en un círculo e identifique por su nombre cada
del silicio lo hacen?menos¿Está mejor adaptado que el carbono como
grupo funcional.
elemento organizador central de la vida? Para responder a esta pregunta,
oh considere lo que ha aprendido sobre la versatilidad de enlace del carbono y

h consulte un libro de texto inicial de química inorgánica para conocer las

HO PAGoh-
propiedades de enlace del silicio.
h C OH oh
h
11. Acción de los fármacos y forma de las moléculasHace algunos años,
S.S h C OH C C ARRULLO-
dos compañías farmacéuticas comercializaron un medicamento con los
-
HNCC OH HC-OH h nombres comerciales Dexedrine y Benzedrine. La estructura del fármaco se muestra
3
fosfoenolpiruvato, a continuación.
S.S h
un intermedio en
etanolamina Glicerol metabolismo de la glucosa

(a) (b) (C)

-
oh oh
C
Las propiedades físicas (análisis de C, H y N, punto de fusión,
CH2 solubilidad, etc.) de la dexedrina y la bencedrina eran idénticas. La
CH 2 h oh dosis oral recomendada de dexedrina (que todavía está disponible)
C era de 5 mg/día, pero la dosis recomendada de benzedrina (que ya
NUEVA HAMPSHIRE - no está disponible) era el doble. Aparentemente se requirió
h C 3
NUEVA HAMPSHIRE
ARRULLO- C oh considerablemente más benzodrina que dexedrina para producir la
- HO C h misma respuesta fisiológica. Explique esta aparente contradicción.
h3norte CH h C OH
h C OH 12. Componentes de biomoléculas complejasLa figura 1-10 muestra los
h COH CH3 C CH3
h C OH componentes principales de biomoléculas complejas. Para cada una de las
CH3 CH2OH tres biomoléculas importantes a continuación (que se muestran en sus
Treonina, una pantotenato, CH2OH formas ionizadas a pH fisiológico), identifique los constituyentes.
aminoácidos una vitamina D-Glucosamina (a) Trifosfato de guanosina (GTP), un compuesto rico en energía.
(d) (mi) (F) cleótido que sirve como precursor del ARN:

oh
8. Actividad de las drogas y estereoquímica.Las
diferencias cuantitativas en la actividad biológica entre los norte
C
oh oh oh NUEVA HAMPSHIRE

dos enantiómeros de un compuesto son a veces bastante grandes.

-
Por ejemplo, elDEl isómero del fármaco isoproterenol, utilizado OPOPOPO CH O 2
norte
norte NUEVA HAMPSHIRE2

para tratar el asma leve, es de 50 a 80 veces más eficaz como

oh- oh- oh- h h
broncodilatador que ellisómero. Identificar el centro quiral en
h h
isoproterenol. ¿Por qué los dos enantiómeros tienen una
bioactividad tan radicalmente diferente? OH OH
 Capítulo 1Problemas 43

(b) Fosfatidilcolina, un componente de muchos miembros.

branas:

HO h HHO CH2 S.S

HO CH2CCNCCCNCCCNCCOO-
HHO
NUEVA HAMPSHIRE2 HHHO CH2
CH2
S
CH3

c) Metionina encefalina, el opiáceo propio del cerebro:

CH3 oh-
-
CH3 n ch2CH2OPO CH2 S.S
CH3 O HC OC (CH2)7CC (CH2)7 CH3
oh
CH2OC (CH2)14CH3
oh

13. Determinación de la estructura de una biomolécula Se aisló (a) Determine la fórmula empírica y molecular de X.
una sustancia desconocida, X, del músculo de conejo. Su estructura (b) Dibuje las posibles estructuras de X que se ajusten al mo-
se determinó a partir de las siguientes observaciones y fórmula lecular y contienen un doble enlace. Considerarsolo estructuras
experimentos. El análisis cualitativo mostró que X estaba lineales o ramificadas y descartar estructuras cíclicas. Tenga en cuenta que el
compuesto enteramente de C, H y O. Una muestra pesada de X oxígeno forma enlaces muy pobres consigo mismo.
estaba completamente oxidada y el H2O y CO2se midieron los (c) ¿Cuál es la importancia estructural de lo observado?
producidos; este análisis cuantitativo reveló que X contenía 40,00% ¿actividad óptica? ¿Qué estructuras en (b) son consistentes con
de C, 6,71% de H y 53,29% de O en peso. La masa molecular de X, la observación?
determinada por espectrometría de masas, fue 90,00 u (unidades (d) ¿Cuál es el significado estructural de la observación?
de masa atómica; consulte el cuadro 1-1). La espectroscopia ¿Cuál es la idea de que una solución de X era ácida? ¿Qué estructuras en
infrarroja mostró que X contenía un doble enlace. X se disolvió (b) son consistentes con la observación?
fácilmente en agua para dar una solución ácida; la solución (e) ¿Cuál es la estructura de X? ¿Hay más de una estructura?
demostró actividad óptica cuando se probó en un polarímetro. ¿Es consistente con todos los datos?
quimotripsina
 PARTE I
ESTRUCTURA Y CATÁLISIS
2 Agua47 fue retirado de las células a los laboratorios de los químicos, para ser

75
3 Aminoácidos, péptidos y proteínas La estructura estudiado allí mediante los métodos de los químicos. Se demostró

4 tridimensional de las proteínas Función de las 116 también que, además de la fermentación, la combustión y la respiración,
la descomposición de sustancias proteicas, grasas e hidratos de
5 proteínas157
carbono, así como muchas otras reacciones similares que caracterizan a
6 enzimas190
la célula viva, podían imitarse en el tubo de ensayo sin la colaboración de
7 Carbohidratos y glicobiología 238 ninguna parte. las células, y que en general se aplicaban a estas
8 Nucleótidos y ácidos nucleicos 273 reacciones las mismas leyes que a los procesos químicos ordinarios.

9 Tecnologías de la información basadas 306

10 en ADN Lípidos343 — A. Tiselius, en el discurso de presentación de la concesión del
Premio Nobel de Química a James B. Sumner,
11 Membranas biológicas y bioseñalización 369
John H. Northrop y Wendell M. Stanley, 1946
12 de transporte.421

En 1897, el investigador alemán Eduard Buchner descubrió que

se puede hacer fermentar el azúcar, no sólo con levadura
común, sino también con la ayuda de jugos exprimidos de
t a ciencia de la bioquímica se remonta al descubrimiento
pionero de Eduard Buchner. Su hallazgo abrió un mundo de
la química que ha inspirado a los investigadores durante más de
levadura que no contienen ninguna de las células de
un siglo. La bioquímica es nada menos que la química de la vida
Saccharomyces. . . ¿Por qué se consideró de tanta importancia y, sí, la vida puede investigarse, analizarse y comprenderse.
este experimento aparentemente algo trivial? La respuesta a Para empezar, todo estudiante de bioquímica necesita tanto un
esta pregunta es evidente, si el desarrollo dentro del trabajo de lenguaje como algunos fundamentos; estos se proporcionan en
investigación dirigido al esclarecimiento de la naturaleza la Parte I.
Los capítulos de la Parte I están dedicados a la estructura y
química de (la vida) es
función de las principales clases de constituyentes celulares:
seguido . . . Allí, más que en la mayoría de los campos, se ha
agua (Capítulo 2), aminoácidos y proteínas (Capítulos 3 a 6),
manifestado una tendencia a considerar lo inexplicable como azúcares y polisacáridos (Capítulo 7), nucleótidos y ácidos
inexplicable. . . Así, la levadura común está compuesta de células nucleicos ( Capítulo 8), ácidos grasos y lípidos (Capítulo 10) y,
vivas, y la mayoría de los investigadores, entre ellos Pasteur, finalmente, membranas y proteínas de señalización de
consideraban que la fermentación era una manifestación de vida, es
membrana (Capítulos 11 y 12). Complementamos este discurso
sobre las moléculas con información sobre las tecnologías
decir, que estaba indisolublemente ligada a los procesos vitales de
utilizadas para estudiarlas. Algunas de las secciones de técnicas
estas células. El descubrimiento de Buchner demostró que no era
están entretejidas a lo largo de las descripciones moleculares,
así. Se puede decir que de ese modo, de un golpe, una clase aunque un capítulo completo (Capítulo 9) está dedicado a una
importante de procesos vitales evaluación integrada.

45
46 Parte IEstructura y Catálisis

conjunto de avances modernos en biotecnología que han acelerado ismo; y los lípidos agregados forman membranas. El capítulo 12
enormemente el ritmo de los descubrimientos. unifica el análisis de la función de las biomoléculas y describe cómo
Las moléculas que se encuentran en una célula son una parte importante del lenguaje de la sistemas de señalización específicos regulan las actividades de las
bioquímica; La familiaridad con ellos es un requisito previo para comprender los temas más biomoléculas (dentro de una célula, dentro de un órgano y entre
avanzados que se tratan en este libro y para apreciar la apasionante y en rápido crecimiento de la órganos) para mantener un organismo en homeostasis.
literatura sobre bioquímica. Comenzamos con el agua porque sus propiedades afectan la estructura y A medida que pasamos de unidades monoméricas a polímeros
función de todos los demás constituyentes celulares. Para cada clase de moléculas orgánicas, primero cada vez más grandes, el enfoque químico pasa de los enlaces
consideramos la química covalente de las unidades monoméricas (aminoácidos, monosacáridos, covalentes a las interacciones no covalentes. Las propiedades de los
nucleótidos y ácidos grasos) y luego describimos la estructura de las macromoléculas y complejos enlaces covalentes, tanto en las subunidades monoméricas como en
supramoleculares derivados de ellas. Un tema predominante es que las macromoléculas poliméricas los enlaces que las conectan en los polímeros, imponen limitaciones
de los sistemas vivos, aunque grandes, son entidades químicas muy ordenadas, con secuencias a las formas que asumen las moléculas grandes. Sin embargo, son
específicas de subunidades monoméricas que dan lugar a estructuras y funciones discretas. Este tema las numerosas interacciones no covalentes las que dictan las
fundamental se puede dividir en tres principios interrelacionados: (1) la estructura única de cada conformaciones nativas estables de las moléculas grandes al tiempo
macromolécula determina su función; (2) las interacciones no covalentes desempeñan un papel que permiten la flexibilidad necesaria para su función biológica.
fundamental en la estructura y, por tanto, en la función de las macromoléculas; y (3) las subunidades Como veremos, las interacciones no covalentes son esenciales para
monoméricas en las macromoléculas poliméricas se presentan en secuencias específicas, lo que el poder catalítico de las enzimas, la interacción crítica de los pares
representa una forma de información de la que depende el estado de vida ordenado. (1) la estructura de bases complementarias en los ácidos nucleicos, la disposición y
única de cada macromolécula determina su función; (2) las interacciones no covalentes desempeñan las propiedades de los lípidos en las membranas y la interacción de
un papel fundamental en la estructura y, por tanto, en la función de las macromoléculas; y (3) las una hormona o factor de crecimiento con su receptor de
subunidades monoméricas en las macromoléculas poliméricas se presentan en secuencias específicas, membrana.
lo que representa una forma de información de la que depende el estado de vida ordenado. (1) la El principio de que las secuencias de subunidades
estructura única de cada macromolécula determina su función; (2) las interacciones no covalentes monoméricas son ricas en información emerge con mayor
desempeñan un papel fundamental en la estructura y, por tanto, en la función de las macromoléculas; plenitud en el análisis de los ácidos nucleicos (capítulo 8). Sin
y (3) las subunidades monoméricas en las macromoléculas poliméricas se presentan en secuencias embargo, las proteínas y algunos polímeros cortos de azúcares
específicas, lo que representa una forma de información de la que depende el estado de vida (oligosacáridos) también son moléculas ricas en información. La
ordenado. secuencia de aminoácidos es una forma de información que
La relación entre estructura y función es especialmente dirige el plegamiento de la proteína en su estructura
evidente en las proteínas, que exhiben una extraordinaria tridimensional única y, en última instancia, determina la función
diversidad de funciones. Una secuencia polimérica particular de de la proteína. Algunos oligosacáridos también tienen
aminoácidos produce una estructura fibrosa fuerte que se secuencias únicas y estructuras tridimensionales que son
encuentra en el cabello y la lana; otro produce una proteína que reconocidas por otras macromoléculas.
transporta oxígeno en la sangre; un tercero se une a otras proteínas Cada clase de moléculas tiene una jerarquía estructural similar:
y cataliza la ruptura de los enlaces entre sus aminoácidos. De las subunidades de estructura fija están conectadas por enlaces de
manera similar, las funciones especiales de los polisacáridos, ácidos flexibilidad limitada para formar macromoléculas con estructuras
nucleicos y lípidos pueden entenderse como una manifestación tridimensionales determinadas por interacciones no covalentes.
directa de su estructura química, con sus subunidades monoméricas Luego, estas macromoléculas interactúan para formar estructuras y
características unidas en polímeros funcionales precisos. Los orgánulos supramoleculares que permiten que una célula lleve a
azúcares unidos entre sí se convierten en depósitos de energía, cabo sus numerosas funciones metabólicas. Juntas, las moléculas
fibras estructurales y puntos de reconocimiento molecular descritas en la Parte I son la materia de la vida. Empezamos con
específico; Los nucleótidos unidos en ADN o ARN proporcionan el agua.
modelo para un órgano completo.
 2
oh –
oh
C

h Ch

capítulo

AGUA
2.1 Interacciones débiles en sistemas acuosos47 y curvas de titulación, y considere cómo las soluciones acuosas de ácidos
o bases débiles y sus sales actúan como amortiguadores contra los
2.2 Ionización de agua, ácidos débiles y
cambios de pH en los sistemas biológicos. La molécula de agua y sus
bases débiles60
productos de ionización, H.-y OH-, influyen profundamente en la
2.3 Amortiguamiento contra cambios de pH en sistemas biológicos
estructura, el autoensamblaje y las propiedades de todos los
sesenta y cinco
componentes celulares, incluidas las proteínas, los ácidos nucleicos y los
2.4 Agua como reactivo69 lípidos. Las interacciones no covalentes responsables de la fuerza y
especificidad del "reconocimiento" entre biomoléculas están
2.5 La idoneidad del medio acuoso para los
influenciadas decisivamente por las propiedades disolventes del agua,
organismos vivos70
incluida su capacidad para formar enlaces de hidrógeno consigo misma y
con solutos.

Creo que a medida que los métodos de la química estructural se

apliquen más a los problemas fisiológicos, se descubrirá que la 2.1 Interacciones débiles en sistemas acuosos
importancia del enlace de hidrógeno para la fisiología es mayor
Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua proporcionan
que la de cualquier otra característica estructural aislada. las fuerzas de cohesión que hacen que el agua sea líquida a
—Linus Pauling,La naturaleza del enlace químico,1939 temperatura ambiente y que favorecen el ordenamiento extremo de
las moléculas típico del agua cristalina (hielo). Las biomoléculas
polares se disuelven fácilmente en agua porque pueden reemplazar
¿Qué diantre admiraba Bloom, amante del agua, sacador de agua,
las interacciones agua-agua con interacciones agua-soluto más
aguador que regresaba a la estufa? Su universalidad, su calidad
favorables desde el punto de vista energético. Por el contrario, las
democrática.
biomoléculas no polares interfieren con las interacciones agua-agua
—James Joyce,Ulises,1922 pero no pueden formar interacciones agua-soluto; en consecuencia,
las moléculas no polares son poco solubles en agua. En soluciones

W.
acuosas, las moléculas no polares tienden a agruparse.
El agua es la sustancia más abundante en los sistemas
vivos y constituye el 70% o más del peso de la mayoría de
Los enlaces de hidrógeno y las interacciones iónicas,
los organismos. Los primeros organismos vivos sin duda
hidrófobas (en griego, “temerosos del agua”) y de Van der Waals
surgieron en un ambiente acuoso, y el curso de la evolución ha
son débiles individualmente, pero en conjunto tienen una
estado determinado por las propiedades del medio acuoso en el
influencia muy significativa en las estructuras tridimensionales
que comenzó la vida.
de proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos de
Este capítulo comienza con descripciones de las
membrana. .
propiedades físicas y químicas del agua, a las que se adaptan
todos los aspectos de la estructura y función celular. Las fuerzas
Los enlaces de hidrógeno le dan al agua sus propiedades inusuales
de atracción entre las moléculas de agua y la ligera tendencia
del agua a ionizarse son de crucial importancia para la El agua tiene un punto de fusión, un punto de ebullición y un calor de
estructura y función de las biomoléculas. Revisamos el tema de vaporización más altos que la mayoría de los otros solventes comunes
la ionización en términos de constantes de equilibrio, pH, (tabla 2-1). Estas propiedades inusuales son consecuencia de

47
48 Parte IEstructura y Catálisis

TABLA 2-1Punto de fusión, punto de ebullición y calor de vaporización de algunos disolventes comunes

Punto de fusión (°C) Punto de ebullición (°C) Calor de vaporización (J/g)*

Agua 0 100 2,260

Metanol (CH3OH) Etanol (CH3 - 98 sesenta y cinco 1.100
CH2OH) Propanol (CH3CH2CH - 117 78 854
2OH) Butanol (CH3(CH2)2CH2 - 127 97 687
OH) Acetona (CH3COCHE3) - 90 117 590
hexano (CH3(CH2)4CH3) - 95 56 523
Benceno (C6h6) Butano (CH3 - 98 69 423
(CH2)2CH3) Cloroformo (CHCl3 6 80 394
) - 135 - 0,5 381
- 63 61 247

* La energía térmica necesaria para convertir 1,0 g de un líquido en su punto de ebullición, a presión atmosférica, a su estado gaseoso a la misma
temperatura. Es una medida directa de la energía necesaria para superar las fuerzas de atracción entre moléculas en la fase líquida.

atracciones entre moléculas de agua adyacentes que le dan al -

agua líquida una gran cohesión interna. Una mirada a la
h
estructura electrónica del H.2La molécula O revela la causa de
-
estas atracciones intermoleculares.
Cada átomo de hidrógeno de una molécula de agua comparte
oh -
un par de electrones con el átomo de oxígeno central. La geometría
de la molécula está dictada por las formas de los orbitales - 2-
h
electrónicos externos del átomo de oxígeno, que son similares a los - -
sp3orbitales enlazantes del carbono (ver figura 1-14). Estos orbitales
(a) (b)
describen un tetraedro aproximado, con un átomo de hidrógeno en
104.5-
cada una de las dos esquinas y pares de electrones no compartidos
en las otras dos esquinas (figura 2-1a). El hohohohEl ángulo del
enlace H es de 104,5-, ligeramente menor que el de 109,5- de un
tetraedro perfecto debido al apiñamiento de los orbitales no
enlazantes del átomo de oxígeno. Enlace de hidrógeno
El núcleo de oxígeno atrae electrones con más fuerza que 0,177 nanómetros

el núcleo de hidrógeno (un protón); es decir, el oxígeno es más

electronegativo. Por tanto, el intercambio de electrones entre H
y O es desigual; los electrones se encuentran más a menudo en Enlace covalente
0,0965 nm
las proximidades del átomo de oxígeno que del hidrógeno. El
resultado de este intercambio desigual de electrones son dos
dipolos eléctricos en la molécula de agua, uno a lo largo de cada
uno de los HohOh bonos; cada hidrógeno tiene una carga
(C)
positiva parcial (--) y el átomo de oxígeno tiene una carga
negativa parcial igual a la suma de los dos positivos parciales (2-
FIGURA 2-1 Estructura de la molécula de agua.La naturaleza dipolar de
-). Como resultado, existe una atracción electrostática entre el
El h2La molécula de O se muestra por(a)bola y palo y(b)Modelos que llenan el
átomo de oxígeno de una molécula de agua y el hidrógeno de espacio. Las líneas discontinuas en(a)representan los orbitales no enlazantes.
otra (figura 2-1c), llamada atracción.enlace de hidrógeno.A lo Hay una disposición casi tetraédrica de los pares de electrones de la capa
largo de este libro, representamos los enlaces de hidrógeno con externa alrededor del átomo de oxígeno; los dos átomos de hidrógeno tienen
tres líneas azules paralelas, como en la figura 2-1c. cargas positivas parciales localizadas (-) y el átomo de oxígeno tiene una carga
negativa parcial (2-).(C)dos h2O moléculas unidas por un enlace de hidrógeno
Los enlaces de hidrógeno son relativamente débiles. Los que se (designado aquí, y a lo largo de este libro, por tres líneas azules) entre el
encuentran en agua líquida tienen unaenergía de disociación del enlace(la átomo de oxígeno de la molécula superior y un átomo de hidrógeno de la
energía necesaria para romper un enlace) de aproximadamente 23 kJ/mol, en inferior. Los enlaces de hidrógeno son más largos y débiles que los del O
comparación con 470 kJ/mol para el O covalenteohenlace H en covalente.ohEnlaces H.
 Capitulo 2Agua 49

agua o 348 kJ/mol para un C covalenteohEnlace C. El enlace de

hidrógeno es aproximadamente un 10% covalente, debido a los
solapamientos de los orbitales de enlace, y aproximadamente
un 90% electrostático. A temperatura ambiente, la energía
térmica de una solución acuosa (la energía cinética del
movimiento de los átomos y moléculas individuales) es del
mismo orden de magnitud que la necesaria para romper los
enlaces de hidrógeno. Cuando el agua se calienta, el aumento
de temperatura refleja el movimiento más rápido de las
moléculas de agua individuales. En un momento dado, la
mayoría de las moléculas del agua líquida forman enlaces de
hidrógeno, pero la vida útil de cada enlace de hidrógeno es sólo
de 1 a 20 picosegundos (1 ps 10-12s); tras la rotura de un enlace
de hidrógeno, se forma otro enlace de hidrógeno, con el mismo
compañero o uno nuevo, en 0,1 ps. La acertada frase “cúmulos
parpadeantes” se ha aplicado a los grupos de moléculas de
agua de vida corta entrelazadas por enlaces de hidrógeno en el
agua líquida. La suma de todos los enlaces de hidrógeno entre
H2Las moléculas de O confieren una gran cohesión interna al
agua líquida. Las redes extendidas de moléculas de agua unidas
por enlaces de hidrógeno también forman puentes entre
solutos (proteínas y ácidos nucleicos, por ejemplo) que permiten
FIGURA 2–2Enlaces de hidrógeno en hielo.En el hielo, cada molécula de agua
que las moléculas más grandes interactúen entre sí a distancias forma un máximo de cuatro enlaces de hidrógeno, creando una red cristalina
de varios nanómetros sin tocarse físicamente. regular. Por el contrario, en agua líquida a temperatura ambiente y presión
La disposición casi tetraédrica de los orbitales alrededor atmosférica, cada molécula de agua forma enlaces de hidrógeno con un promedio de
del átomo de oxígeno (figura 2-1a) permite que cada molécula otras 3,4 moléculas de agua. Esta red cristalina de hielo lo hace menos denso que el
de agua forme enlaces de hidrógeno con hasta cuatro agua líquida y, por lo tanto, el hielo flota sobre agua líquida.
moléculas de agua vecinas. Sin embargo, en el agua líquida a
temperatura ambiente y presión atmosférica, las moléculas de
agua están desorganizadas y en continuo movimiento, de modo y rompiendo ataduras, ySel cambio en la aleatoriedad.
que cada molécula forma enlaces de hidrógeno con una media Porquehes positivo para la fusión y la evaporación, es
de sólo 3,4 moléculas más. En el hielo, por otra parte, cada claramente el aumento de la entropía (S) lo que haceGRAMO
molécula de agua está fijada en el espacio y forma enlaces de negativo e impulsa estas transformaciones.
hidrógeno con un complemento completo de otras cuatro
moléculas de agua para producir una estructura reticular El agua forma enlaces de hidrógeno con solutos polares
regular (figura 2-2). Romper una proporción suficiente de
Los enlaces de hidrógeno no son exclusivos del agua. Se forman
enlaces de hidrógeno para desestabilizar la red cristalina del
fácilmente entre un átomo electronegativo (el aceptor de hidrógeno,
hielo requiere mucha energía térmica, lo que explica el punto
generalmente oxígeno o nitrógeno con un par de electrones
de fusión relativamente alto del agua (tabla 2-1). Cuando el
solitario) y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro
hielo se derrite o el agua se evapora, el sistema absorbe calor:
átomo electronegativo (el donante de hidrógeno) en la misma
h2O (sólido)88nh2O (líquido) h - 5,9 kJ/mol molécula o en otra (figura 2-3). ). Los átomos de hidrógeno unidos
covalentemente a los átomos de carbono no participan en los
h2O (líquido)88nh2O(gas) h - 44,0 kJ/mol
enlaces de hidrógeno, porque el carbono solo está

Durante la fusión o la evaporación, la entropía del sistema acuoso

aumenta a medida que conjuntos de moléculas de agua más ordenadas
se relajan en conjuntos menos ordenados unidos por enlaces de
Dios Dios
C C
PAG

PAG

hidrógeno en el agua líquida o en el estado gaseoso totalmente Hidrógeno j D DD DD j D

aceptador oh norte oh oh oh norte
desordenado. A temperatura ambiente, tanto el derretimiento del hielo
como la evaporación del agua se producen de forma espontánea; la Hidrógeno h h h h h h
oh

oh

oh

oh oh

oh oh

oh oh

donante
tendencia de las moléculas de agua a asociarse mediante enlaces de
oh oh oh norte norte norte

hidrógeno se ve contrarrestada por el impulso energético hacia la

aleatoriedad. Recuerde que el cambio de energía libre (GRAMO) debe
tener un valor negativo para que un proceso ocurra espontáneamente: FIGURA 2–3Enlaces de hidrógeno comunes en sistemas biológicos.El
GRAMO h-TS, dóndeGRAMOrepresenta aceptor de hidrógeno suele ser oxígeno o nitrógeno; el donante de hidrógeno
La fuerza impulsora, hel cambio de entalpía al hacer es otro átomo electronegativo.
50 Parte IEstructura y Catálisis

ligeramente más electronegativo que el hidrógeno y por lo R

A R
tanto el CohEl enlace H es sólo muy débilmente polar. La oh A
distinción explica por qué el butanol (CH3(CH2)2CH2OH) tiene un A oh
h Fuerte A
punto de ebullición relativamente alto de 117 -C, mientras que h Más débil

el butano (CH3(CH2)2CH3) tiene un punto de ebullición de sólo oh

enlace de hidrógeno oh enlace de hidrógeno
GRAMOk
GRAMO k
ohPAG
-0,5 °C. El butanol tiene un grupo hidroxilo polar y, por tanto, ohPAG
D
D
puede formar enlaces de hidrógeno intermoleculares. Las
biomoléculas polares pero sin carga, como los azúcares, se
FIGURA 2–5 Direccionalidad del enlace de hidrógeno.La atracción es-
disuelven fácilmente en agua debido al efecto estabilizador de
La diferencia entre las cargas eléctricas parciales (ver figura 2-1) es mayor cuando los
los enlaces de hidrógeno entre los grupos hidroxilo o el oxígeno
tres átomos involucrados (en este caso O, H y O) se encuentran en línea recta.
carbonílico del azúcar y las moléculas de agua polares.
Cuando los restos unidos por enlaces de hidrógeno están estructuralmente
Alcoholes, aldehídos, cetonas y compuestos que contienen Noh restringidos (como cuando son partes de una sola molécula de proteína, por
Todos los enlaces H forman enlaces de hidrógeno con ejemplo), esta geometría ideal puede no ser posible y el enlace de hidrógeno
moléculas de agua (figura 2-4) y tienden a ser solubles en agua. resultante es más débil.
Los enlaces de hidrógeno son más fuertes cuando las
moléculas unidas están orientadas para maximizar la interacción
electrostática, lo que ocurre cuando el átomo de hidrógeno y los dos unir dos moléculas o grupos unidos por enlaces de hidrógeno en
átomos que lo comparten están en línea recta, es decir, cuando el una disposición geométrica específica. Como veremos más
átomo aceptor está alineado con el enlace covalente entre los dos. adelante, esta propiedad de los enlaces de hidrógeno confiere
átomo donante y H (figura 2-5). Por lo tanto, los enlaces de estructuras tridimensionales muy precisas a las moléculas de
hidrógeno son altamente direccionales y capaces de mantener proteínas y ácidos nucleicos, que tienen muchos enlaces de
hidrógeno intramoleculares.

El agua interactúa electrostáticamente

Entre los Entre los Entre péptido con solutos cargados

Grupo hidroxilo grupo carbonilo grupos en
de un alcohol de una cetona polipéptidos El agua es un disolvente polar. Disuelve fácilmente la mayoría de las
y agua y agua biomoléculas, que generalmente son compuestos cargados o
h R polares (cuadro 2-2); Los compuestos que se disuelven fácilmente en
R R1 R2 A A
Dios agua sonhidrófilo(Griego, “amante del agua”). Por el contrario, los
miC
GRAMO
oh C norteh
A B C h disolventes no polares como el cloroformo y el benceno son malos
B disolventes para las biomoléculas polares, pero disuelven fácilmente
h oh
oh
aquellas que sí lo son.hidrofóbico—moléculas no polares como
h
miohh A h lípidos y ceras.
h h A
ohh hn El agua disuelve sales como el NaCl hidratando y
h mi h
C C estabilizando el Na.-y cl-iones, debilitando las interacciones
A B
R oh electrostáticas entre ellos y contrarrestando así su
tendencia a asociarse en una red cristalina (figura 2-6). Los
Entre mismos factores se aplican a las biomoléculas cargadas,
complementario
compuestos con grupos funcionales como los ácidos
bases del ADN
carboxílicos ionizados (ohARRULLO-), aminas protonadas
-
h (OhNUEVA HAMPSHIRE3), y ésteres o anhídridos de fosfato.
A El agua disuelve fácilmente dichos compuestos
R
ÉLCnordesteCH3 reemplazando los enlaces de hidrógeno soluto-soluto con
norte C
A A timina enlaces de hidrógeno soluto-agua, filtrando así las
kCh miCnorte interacciones electrostáticas entre las moléculas de soluto.
oh oh
El agua es especialmente eficaz para proteger las
norte
A
h h interacciones electrostáticas entre iones disueltos porque
A
h tiene una constante dieléctrica alta, una propiedad física
ÉL norte
mi
norte
NUEVA HAMPSHIRE

que refleja el número de dipolos en un disolvente. La fuerza

C C
B A adenina o fuerza (F), de las interacciones iónicas en una solución
C
h kh
norte

C norte
depende de la magnitud de las cargas (q), la distancia entre
i yo los grupos cargados (r), y la constante dieléctrica (-) del
norteohCH
mi disolvente en el que se producen las interacciones:
R
q1q2
FIGURA 2–4 Algunos enlaces de hidrógeno biológicamente importantes.
F r2
 Capitulo 2Agua 51

TABLA 2–2Algunos ejemplos de biomoléculas polares, no polares y anfipáticas (mostradas como formas iónicas a pH 7)

Polar no polar oh
Glucosa CH2 OH cera tipica
CH3(CH2)7 CH CH (CH2)6 CH2 C
oh
h OH oh
h
CH3(CH2)7 CH CH (CH2)7 CH 2
OH h h
HO

h OH anfipático
fenilalanina
GRAMONUEVA HAMPSHIRE3

glicina - CH2
NUEVA HAMPSHIRE3 ARRULLO-
CH2 CH ARRULLOj
aspartato - NUEVA HAMPSHIRE3

- OOC CH2 CH ARRULLO-

fosfatidilcolina oh
lactato h3CH ARRULLO- CH3(CH2)15CH2 CO CH2
OH CH3(CH2)15CH2 CO CH oh GRAMOnorte(CH)3)3

oh CH2 oh PAGoh CH2 CH2

Glicerol OH
ohj
HO CH2CH CH2 OH
Grupos polares Grupos no polares

Para agua a 25 -C,-(que no tiene dimensiones) es 78,5, y

La entropía aumenta a medida que se disuelven las sustancias cristalinas
para el disolvente muy apolar benceno,-es 4,6. Por tanto, las
interacciones iónicas son mucho más fuertes en entornos A medida que se disuelve una sal como NaCl, el Na-y cl-Los iones que
menos polares. La dependencia der2es tal que las abandonan la red cristalina adquieren una libertad de movimiento
atracciones o repulsiones iónicas operan sólo en distancias mucho mayor (figura 2-6). El aumento resultante de la entropía
cortas, en el rango de 10 a 40 nm (dependiendo de la (aleatoriedad) del sistema es en gran medida responsable de la
concentración del electrolito) cuando el solvente es agua. facilidad para disolver sales como el NaCl en agua. En

H2O
+

hidratado
+

ion Na+

Na+
–
– –
+

Tenga en cuenta la orientación

+

– de las moleculas de agua

+

–
– –
+
+

cl–
– –
– hidratado
Cl– ion
– –
+

–
– –
– –

FIGURA 2–6Agua como disolvente.El agua disuelve muchas sales cristalinas las cargas se neutralizan parcialmente y las atracciones electrostáticas
hidratando los iones que las componen. La red cristalina de NaCl se altera necesarias para la formación de la red se debilitan.
cuando las moléculas de agua se agrupan alrededor del Cl.-y na-iones. el iónico
52 Parte IEstructura y Catálisis

En términos termodinámicos, la formación de la solución ocurre con Hidrofóbicos: no pueden sufrir interacciones
h-TS,
un cambio de energía libre favorable:GRAMO dóndehtiene un energéticamente favorables con las moléculas de agua e
Sun es
pequeño valor positivo yt valor positivo; de este modoGRAMO gran interfieren con los enlaces de hidrógeno entre las moléculas
negativo. de agua. Todas las moléculas o iones en solución acuosa
interfieren con los enlaces de hidrógeno de algunas
moléculas de agua en su vecindad inmediata, pero los
Los gases no polares son poco solubles en agua
solutos polares o cargados (como el NaCl) compensan los
Las moléculas de los gases biológicamente importantes CO.2, enlaces de hidrógeno agua-agua perdidos formando nuevas
Oh2, y N2son no polares. en o2y N2, los electrones son interacciones soluto-agua. El cambio neto de entalpía (h)
compartidos por igual por ambos átomos. En co2, cada CUd.El para disolver estos solutos es generalmente pequeña. Los
enlace O es polar, pero los dos dipolos tienen direcciones solutos hidrofóbicos, sin embargo, no ofrecen tal
opuestas y se cancelan entre sí (cuadro 2-3). El movimiento de compensación y, por tanto, su adición al agua puede dar
moléculas desde la fase gaseosa desordenada hacia una como resultado una pequeña ganancia de entalpía; la
solución acuosa restringe su movimiento y el movimiento de las ruptura de los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de
moléculas de agua y, por lo tanto, representa una disminución agua absorbe energía del sistema. Además, la disolución de
de la entropía. La naturaleza no polar de estos gases y la compuestos hidrofóbicos en agua produce una disminución
disminución de la entropía cuando entran en solución se mensurable de la entropía. Las moléculas de agua en las
combinan para hacerlos muy poco solubles en agua (tabla 2-3). inmediaciones de un soluto apolar están limitadas en sus
Algunos organismos tienen proteínas portadoras solubles en posibles orientaciones, ya que forman una capa altamente
agua (hemoglobina y mioglobina, por ejemplo) que facilitan el ordenada en forma de jaula alrededor de cada molécula de
transporte de O2. El dióxido de carbono forma ácido carbónico soluto. Estas moléculas de agua no están tan orientadas
(H2CO3) en solución acuosa y se transporta como como las declatratos,compuestos cristalinos de solutos no
HCO3- ion (bicarbonato), ya sea libre; el bicarbonato es polares y agua, pero el efecto es el mismo en ambos casos:
muy soluble en agua (~100 g/L a 25 °C) o unido a la el ordenamiento de las moléculas de agua reduce la
hemoglobina. Otros dos gases, NH3y h2S, también tienen entropía. El número de moléculas de agua ordenadas y, por
funciones biológicas en algunos organismos; Estos gases son tanto, la magnitud de la disminución de entropía, es
polares y se disuelven fácilmente en agua. proporcional al área de superficie del soluto hidrofóbico
encerrado dentro de la jaula de moléculas de agua. Por
Los compuestos no polares provocan cambios energéticamente
htiene
tanto, el cambio de energía libre para disolver un soluto no
polar en agua es desfavorable:GH-TS,donde un valor GRAMOes
desfavorables en la estructura del agua
positivo,Stiene un valor negativo y positivo.
Cuando el agua se mezcla con benceno o hexano, se forman anfipáticoLos compuestos contienen regiones
dos fases; Ninguno de los líquidos es soluble en el otro. Los polares (o cargadas) y regiones no polares (tabla 2-2).
compuestos no polares como el benceno y el hexano son Cuando un compuesto anfipático se mezcla con

TABLA 2–3Solubilidades de algunos gases en agua

Solubilidad
Gas Estructura* Polaridad en agua (g/L)†

Nitrógeno nortemetronorte no polar 0,018 (40°C)

Oxígeno ohPAGoh no polar 0,035 (50°C)

Dióxido de carbono - -
no polar 0,97 (45°C)
ohPAGCPAGoh

Amoníaco S.S h Polar 900 (10 ºC)

Georgia D
norte -

Sulfuro de hidrógeno h h Polar 1.860 (40°C)

Dios
S -

* Las flechas representan dipolos eléctricos; hay una carga negativa parcial (--) en la punta de la flecha, una carga positiva parcial (--; no se
muestra aquí) en la cola.

†Tenga en cuenta que las moléculas polares se disuelven mucho mejor incluso a bajas temperaturas que las moléculas no polares a temperaturas relativamente altas.
 Capitulo 2Agua 53

hidrófilo
oh - "grupo principal"
oh
h

C Dispersión de
h oh lípidos en H2O
h Ch Cada lípido
fuerzas moleculares
H2O circundante
moléculas para convertirse
muy ordenado.

Hidrofóbico
grupo alquilo

“Cúmulos parpadeantes” de H2O

moléculas en fase masiva

Las moléculas de H2O altamente ordenadas forman

“jaulas” alrededor de las cadenas alquílicas hidrofóbicas.

(a) Grupos de lípidos

moléculas
FIGURA 2–7Compuestos anfipáticos en solución acuosa. (a)Los ácidos Sólo porciones de lípidos

grasos de cadena larga tienen cadenas alquílicas muy hidrófobas, cada una de en el borde de
el cluster fuerza el
las cuales está rodeada por una capa de moléculas de agua altamente
ordenamiento del agua.
ordenadas.(b)Al agruparse en micelas, las moléculas de ácidos grasos exponen Menos moléculas de H2O
la menor superficie hidrofóbica posible al agua, y se requieren menos están ordenados, y
la entropía aumenta.
moléculas de agua en la capa de agua ordenada. La energía obtenida al liberar
las moléculas de agua inmovilizadas estabiliza la micela.

micelas
En el agua, la región hidrofílica polar interactúa
favorablemente con el solvente y tiende a disolverse, pero la Todo hidrofóbico
los grupos son
región hidrofóbica no polar tiende a evitar el contacto con el secuestrado de
agua (figura 2-7a). Las regiones no polares de las moléculas agua; ordenado
se agrupan para presentar el área hidrofóbica más pequeña cáscara de H2O
moléculas es
al solvente acuoso, y las regiones polares están dispuestas minimizado y
para maximizar su interacción con el solvente (figura 2-7b). la entropía está más lejos

Estas estructuras estables de compuestos anfipáticos en el aumentó.

agua, llamadasmicelas,Puede contener cientos o miles de
moléculas. Las fuerzas que mantienen unidas las regiones
(b)
apolares de las moléculas se llamanInteracciones
hidrofóbicas.La fuerza de las interacciones hidrofóbicas no
se debe a ninguna atracción intrínseca entre restos no
polares. Más bien, resulta de que el sistema logra la mayor
estabilidad termodinámica al minimizar el número de regiones polares. Las interacciones hidrofóbicas entre lípidos y
moléculas de agua ordenadas necesarias para rodear las entre lípidos y proteínas son los determinantes más
porciones hidrófobas de las moléculas del soluto. importantes de la estructura de las membranas biológicas. Las
interacciones hidrofóbicas entre aminoácidos no polares
Muchas biomoléculas son anfipáticas; las proteínas, los también estabilizan las estructuras tridimensionales de las
pigmentos, ciertas vitaminas y los esteroles y fosfolípidos de las proteínas.
membranas tienen regiones superficiales polares y apolares. Los enlaces de hidrógeno entre el agua y los solutos polares
Las estructuras compuestas por estas moléculas se estabilizan también provocan cierto ordenamiento de las moléculas de agua, pero el
mediante interacciones hidrófobas entre las moléculas no efecto es menos significativo que con los solutos no polares. Parte
54 Parte IEstructura y Catálisis

agua ordenada otro. Las variaciones aleatorias en las posiciones de los electrones
interactuando con
alrededor de un núcleo pueden crear un dipolo eléctrico transitorio,
sustrato y enzima
que induce un dipolo eléctrico opuesto transitorio en el átomo
cercano. Los dos dipolos se atraen débilmente, acercando los dos
núcleos. Estas atracciones débiles se llamanInteracciones de van
der Waals.A medida que los dos núcleos se acercan, sus nubes de
sustrato electrones comienzan a repelerse entre sí. En el punto donde la
atracción de Van der Waals equilibra exactamente esta fuerza
repulsiva, se dice que los núcleos están en contacto de Van der
Waals. Cada átomo tiene una característica.radio de van der Waals,
Enzima una medida de qué tan cerca ese átomo permitirá que otro se
acerque (tabla 2-4). En los modelos moleculares de “llenado de
espacio” que se muestran a lo largo de este libro, los átomos se
representan en tamaños proporcionales a sus radios de van der
Waals.

Las interacciones débiles son cruciales para la estructura y

función macromolecular

Las interacciones no covalentes que hemos descrito (enlaces de

hidrógeno e interacciones iónicas, hidrofóbicas y de van der Waals)
(cuadro 2-5) son mucho más débiles que los enlaces covalentes. Se
agua desordenada requiere una entrada de aproximadamente 350 kJ de energía para
desplazado por romper un mol de (6 1023) Cohenlaces simples de C, y alrededor de
sustrato enzimático
interacción 410 kJ para romper un mol de CohEnlaces H, pero tan solo 4 kJ son
suficientes para interrumpir un mol de interacciones típicas de van
der Waals. Las interacciones hidrófobas también son mucho más
débiles que los enlaces covalentes, aunque se ven sustancialmente
reforzadas por un disolvente altamente polar (una solución salina
concentrada, por ejemplo). Las interacciones iónicas y los enlaces de
hidrógeno tienen una fuerza variable, dependiendo de la polaridad
del disolvente y

Interacción enzima-sustrato estabilizada

mediante enlaces de hidrógeno,
interacciones iónicas e hidrofóbicas.
TABLA 2–4Radios de van der Waals y radios covalentes
(enlace simple) de algunos elementos
FIGURA 2–8La liberación de agua ordenada favorece la formación de un
complejo enzima-sustrato.Mientras están separados, tanto la enzima como el
Van der Waals Radio covalente para
sustrato fuerzan a las moléculas de agua vecinas a formar una capa ordenada.
Elemento radio (nm) enlace simple (nm)
La unión del sustrato a la enzima libera parte del agua ordenada y el aumento
resultante de la entropía proporciona un impulso termodinámico hacia la h 0,11 0.030
formación del complejo enzima-sustrato. oh 0,15 0.066
norte 0,15 0.070
C 0,17 0,077
S 0,18 0.104
PAG 0,19 0.110
Una de las fuerzas impulsoras para la unión de un sustrato I 0,21 0.133
polar (reactivo) a la superficie polar complementaria de una
enzima es el aumento de entropía a medida que la enzima
Fuentes:Para los radios de van der Waals, Chauvin, R. (1992) Tendencia periódica explícita de los radios de van
desplaza el agua ordenada del sustrato (figura 2-8). der Waals.J. Física. Química.96,9194–9197. Para radios covalentes, Pauling, L. (1960)Naturaleza del enlace

químico,3.ª ed., Cornell University Press, Ithaca, Nueva York.

Las interacciones de van der Waals son Nota:Los radios de van der Waals describen las dimensiones de los átomos que llenan el espacio. Cuando dos

átomos se unen covalentemente, los radios atómicos en el punto de enlace son menores que los radios de van
atracciones interatómicas débiles der Waals, porque los átomos unidos son unidos por el par de electrones compartido. La distancia entre los

núcleos en una interacción de van der Waals o un enlace covalente es aproximadamente igual a la suma de los
Cuando dos átomos sin carga se acercan mucho, las radios de van der Waals o covalentes, respectivamente, para los dos átomos. Por tanto, la longitud de un enlace
nubes de electrones que los rodean influyen entre sí. simple carbono-carbono es de aproximadamente 0,077 nm - 0,077 nm 0,154 nm.
 Capitulo 2Agua 55

a través de múltiples interacciones débiles requiere que todas estas

TABLA 2–5Cuatro tipos de interacciones no covalentes interacciones se interrumpan al mismo tiempo. Debido a que las
(“débiles”) entre biomoléculas en disolventes acuosos interacciones fluctúan aleatoriamente, es muy poco probable que se
produzcan perturbaciones simultáneas. La estabilidad molecular
Enlaces de hidrógeno
otorgada por 5 o 20 interacciones débiles es, por tanto, mucho
Entre grupos neutrales GRAMO
CPAGoh hohohoh
D mayor de lo que se esperaría intuitivamente de una simple suma de
pequeñas energías de enlace.
GRAMO Las macromoléculas como las proteínas, el ADN y el ARN
Entre enlaces peptídicos GRAMO
CPAGoh hohnorte
D D contienen tantos sitios de enlaces de hidrógeno potenciales o
interacciones iónicas, de Van der Waals o hidrofóbicas que el
Interacciones iónicas oh efecto acumulativo de las muchas pequeñas fuerzas de unión
B puede ser enorme. Para las macromoléculas, la estructura más
- ohohCoh
Atracción
oh-NUEVA HAMPSHIRE3
estable (es decir, la nativa) suele ser aquella en la que se
-
maximizan las posibilidades de enlaces débiles. Este principio
h3norteoh
Repulsión
oh-NUEVA HAMPSHIRE3
determina el plegamiento de una única cadena polipeptídica o
polinucleotídica en su forma tridimensional. La unión de un
antígeno a un anticuerpo específico depende de los efectos
agua acumulativos de muchas interacciones débiles. Como se señaló
CH anteriormente, la energía liberada cuando una enzima se une
D
GRAMO3CH3
CH de manera no covalente a su sustrato es la principal fuente del
Interacciones hidrofóbicas A
CH poder catalítico de la enzima. La unión de una hormona o un
A2 neurotransmisor a su proteína receptora celular es el resultado
CH de interacciones débiles. Una consecuencia del gran tamaño de
A2
las enzimas y los receptores es que sus extensas superficies
brindan muchas oportunidades para interacciones débiles. A
Interacciones de van der Waals Dos átomos cualesquiera en
nivel molecular, la complementariedad entre biomoléculas que
proximidad interactúan refleja la complementariedad y las interacciones
débiles entre grupos polares, cargados e hidrófobos en las
superficies de las moléculas.

Cuando la estructura de una proteína como la hemoglobina

la alineación de los átomos unidos por enlaces de hidrógeno, (fig. 2-9) se determina mediante cristalografía de rayos X (ver
pero siempre son significativamente más débiles que los
enlaces covalentes. En un disolvente acuoso a 25 °C, la energía
térmica disponible puede ser del mismo orden de magnitud que
la fuerza de estas interacciones débiles, y la interacción entre las
moléculas de soluto y disolvente (agua) es casi tan favorable
como las interacciones soluto-soluto. En consecuencia,
continuamente se forman y rompen enlaces de hidrógeno e
interacciones iónicas, hidrofóbicas y de van der Waals.
Aunque estos cuatro tipos de interacciones son
individualmente débiles en relación con los enlaces covalentes, el
efecto acumulativo de muchas de estas interacciones puede ser
muy significativo. Por ejemplo, la unión no covalente de una enzima
a su sustrato puede implicar varios enlaces de hidrógeno y una o
más interacciones iónicas, así como interacciones hidrófobas y de
van der Waals. La formación de cada uno de estos enlaces débiles
contribuye a una disminución neta de la energía libre del sistema.
Podemos calcular la estabilidad de una interacción no covalente,
(a) (b)
como la de una pequeña molécula unida por un enlace de FIGURA 2–9 Unión del agua en la hemoglobina.La estructura cristalina de
hidrógeno a su pareja macromolecular, a partir de la energía de hemoglobina, mostrada(a)con moléculas de agua unidas (esferas rojas) y
enlace. La estabilidad, medida por la constante de equilibrio (ver (b)sin las moléculas de agua. Estas moléculas de agua están tan firmemente
más abajo) de la reacción de unión, varíaexponencialmentecon unidas a la proteína que afectan el patrón de difracción de rayos X como si
energía de enlace. La disociación de dos biomoléculas (como una fueran partes fijas del cristal. Las estructuras grises con átomos rojos y
enzima y su sustrato unido) asociadas de forma no covalente. naranjas son los cuatro hemos de la hemoglobina, que se analizan en detalle
en el capítulo 5.
56 Parte IEstructura y Catálisis

Cuadro 4–4, pág. XX), a menudo se encuentra que las moléculas de Los solutos afectan las propiedades coligativas de
agua están unidas tan estrechamente que forman parte de la las soluciones acuosas.
estructura cristalina; Lo mismo ocurre con el agua en cristales de
ARN o ADN. Estas moléculas de agua unidas, que también pueden Los solutos de todo tipo alteran ciertas propiedades físicas del
detectarse mediante resonancia magnética nuclear en soluciones solvente, el agua: su presión de vapor, punto de ebullición,
acuosas, tienen propiedades claramente diferentes a las del agua punto de fusión (punto de congelación) y presión osmótica.
“en masa” del disolvente. Por ejemplo, no son osmóticamente estos se llamancoligativo("atados juntos")propiedades,porque
activos (ver más abajo). Para muchas proteínas, las moléculas de el efecto de los solutos sobre las cuatro propiedades tiene la
agua estrechamente unidas son esenciales para su función. Por misma base: la concentración de agua es menor en las
ejemplo, en una reacción fundamental para el proceso de la soluciones que en el agua pura. El efecto de la concentración de
fotosíntesis, la luz impulsa protones a través de una membrana soluto sobre las propiedades coligativas del agua es
biológica mientras los electrones fluyen a través de una serie de independiente de las propiedades químicas del soluto; depende
proteínas transportadoras de electrones (véase la figura 19-XX). Una solo delnúmerode partículas de soluto (moléculas, iones) en una
de estas proteínas, el citocromo.F,Tiene una cadena de cinco cantidad determinada de agua. Un compuesto como el NaCl,
moléculas de agua unidas (figura 2-10) que pueden proporcionar un que se disocia en solución, tiene el doble de efecto sobre la
camino para que los protones se muevan a través de la membrana presión osmótica, por ejemplo, que un número igual de moles
mediante un proceso conocido como “salto de protones” (descrito de un soluto que no se disocia, como la glucosa.
más adelante). Otra bomba de protones impulsada por luz, la
bacteriorrodopsina, casi con seguridad utiliza una cadena de Los solutos alteran las propiedades coligativas de las
moléculas de agua unidas orientadas con precisión en el soluciones acuosas al reducir la concentración efectiva de
movimiento transmembrana de los protones (véase la figura 19-XX). agua. Por ejemplo, cuando una fracción significativa de las
moléculas en la superficie de una solución acuosa no son
agua sino soluto, la tendencia de las moléculas de agua a
escapar a la fase de vapor (es decir, la presión de vapor)
disminuye (figura 2-11). ). De manera similar, la tendencia de
vale60
Pro231 Gln59 las moléculas de agua a pasar de la fase acuosa a la
h h oh –
oh hemo superficie de un cristal de hielo en formación se reduce
h
norte
propionato cuando algunas de las moléculas que chocan con el cristal
agua oh
h son solutos, no agua. En ese caso, la solución se congelará
oh h
más lentamente que el agua pura y a una temperatura más
oh asn232
asn168
norte
baja. Para una solución acuosa de 1,00 molal (1,00 mol de
h
hn soluto por 1000 g de agua) de un soluto ideal, no volátil y no
oh disociable a 101 kPa (1 atm) de presión, el punto de
h
Arg156 oh congelación es 1. 86 °C más bajo y el punto de ebullición es
asn153 0,543 °C más alto que el del agua pura. Para una solución
h
hn oh NUEVA HAMPSHIRE2 molar 0,100 del mismo soluto, los cambios son una décima
h
h
norte

Gln158
parte.
oh norte Las moléculas de agua tienden a moverse de una región de
norte
ala27 mayor concentración de agua a una de menor concentración de
fe agua. Cuando dos soluciones acuosas diferentes están
separadas por una membrana semipermeable (una que permite
h norte h el paso de agua pero no de las moléculas de soluto), las
HO C C moléculas de agua que se difunden desde la región de mayor
h concentración de agua a la de menor concentración de agua
oh
producen presión osmótica (figura 2-12). ). Esta presión, medida
como la fuerza necesaria para resistir el movimiento del agua
FIGURA 2–10Cadena de agua en el citocromo.F.El agua está unida a un
(figura 2-12c), se aproxima mediante la ecuación de van't Hoff:
canal de protones del citocromo de la proteína de membrana.F,que es parte de
la maquinaria de la fotosíntesis que atrapa energía en los cloroplastos (ver Fig.
19-XX). Cinco moléculas de agua están unidas por enlaces de hidrógeno entre TIC
sí y con grupos funcionales de la proteína, que incluyen las cadenas laterales
de valina, prolina, arginina, alanina, dos asparagina y dos residuos de en el cualRes la constante de los gases ytes la temperatura
glutamina. La proteína tiene un hemo unido (véase la figura 5-1), y su ion absoluta. El términoices elosmolaridadde la solución, el
hierro facilita el flujo de electrones durante la fotosíntesis. El flujo de producto de la concentración molar del solutoCy el factor
electrones está acoplado al movimiento de protones a través de la membrana, van't hoffi,que es una medida del grado en que el soluto se
lo que probablemente implica “saltos de electrones” (véase la figura 2-14) a disocia en dos o más especies iónicas. En soluciones diluidas
través de esta cadena de moléculas de agua unidas. de NaCl, el soluto está completamente
 Capitulo 2Agua 57

=H2oh osmolaridad que el citosol, la célula se encoge a medida que

= Soluto sale agua. en unhipotónicosolución, con menor osmolaridad
que el citosol, la célula se hincha al entrar agua. En sus entornos
formando
cristal de hielo
naturales, las células generalmente contienen concentraciones
más altas de biomoléculas e iones que su entorno, por lo que la
presión osmótica tiende a impulsar el agua hacia el interior de
las células. Si no se contrarresta de alguna manera, este
movimiento hacia adentro del agua distendería la membrana
plasmática y eventualmente provocaría el estallido de la célula
(lisis osmótica).
Se han desarrollado varios mecanismos para prevenir esta
catástrofe. En bacterias y plantas, la membrana plasmática está
rodeada por una pared celular no expandible de suficiente
rigidez y resistencia para resistir la presión osmótica y prevenir
la lisis osmótica. Ciertos protistas de agua dulce que viven en un
(a) (b) medio altamente hipotónico tienen un orgánulo (vacuola
Enagua pura,cada molécula En estosolución,la contráctil) que bombea agua fuera de la célula. En los animales
en la superficie es H2O, y concentración efectiva de H2 multicelulares, el plasma sanguíneo y el líquido intersticial (el
todos contribuyen a la presión O se reduce; sólo 3 de cada
líquido extracelular de los tejidos) se mantienen en una
de vapor. Cada molécula en la 4 moléculas en la superficie
solución a granel es H2O, y y en la fase masiva son H2O. osmolaridad cercana a la del citosol. La alta concentración de
puede contribuir a la La presión de vapor del albúmina y otras proteínas en el plasma sanguíneo contribuye a
formación de cristales de agua y la tendencia del agua
su osmolaridad. Las células también bombean activamente
hielo. líquida a entrar en un cristal
se reducen iones como Na-en el líquido intersticial para mantenerse en
proporcionalmente. equilibrio osmótico con su entorno.

FIGURA 2-11Los solutos alteran las propiedades coligativas de las

soluciones acuosas. (a)A una presión de 101 kPa (1 atm), el agua pura hierve
a 100 °C y se congela a 0 °C.(b)La presencia de moléculas de soluto reduce la Puro no permeable
probabilidad de que una molécula de agua abandone la solución y entre en la agua soluto disuelto Pistón
fase gaseosa, lo que reduce la presión de vapor de la solución y aumenta el
en agua
punto de ebullición. De manera similar, la probabilidad de que una molécula
de agua colisione y se una a un cristal de hielo en formación se reduce cuando
algunas de las moléculas que chocan con el cristal son moléculas de soluto, no
h
de agua. El efecto es la depresión del punto de congelación.

se disocia en Na-y cl-, duplicando el número de partículas

de soluto y, por tanto,i 2. Para solutos no ionizantes,
(a) (b) (C)
ies siempre 1. Para soluciones de varios (norte) solutos,
es la suma de los aportes de cada especie: semipermeable
membrana
RT(i1C1-i2C2-… -inorteCnorte)
FIGURA 2–12 Ósmosis y medición de la presión osmótica.
Ósmosis,El movimiento del agua a través de una membrana
(a)El estado inicial. El tubo contiene una solución acuosa, el vaso de
semipermeable impulsado por diferencias en la presión osmótica es
precipitados contiene agua pura y la membrana semipermeable permite
un factor importante en la vida de la mayoría de las células. Las
el paso del agua pero no del soluto. El agua fluye desde el vaso hacia el
membranas plasmáticas son más permeables al agua que a la
tubo para igualar su concentración a través de la membrana.(b)El estado
mayoría de las otras moléculas pequeñas, iones y macromoléculas.
final. El agua ha entrado en la solución del compuesto no permeable,
Esta permeabilidad se debe en parte a la simple difusión de agua a diluyéndolo y elevando la columna de agua dentro del tubo. En
través de la bicapa lipídica y en parte a canales proteicos equilibrio, la fuerza de gravedad que actúa sobre la solución en el tubo
(acuaporinas; véase figura 11-XX) en la membrana que permiten equilibra exactamente la tendencia del agua a moverse hacia el interior
selectivamente el paso del agua. Se dice que las soluciones de igual del tubo, donde su concentración es menor.(C)La presión osmótica ( ) se
osmolaridad sonisotónico.Rodeada por una solución isotónica, una mide como la fuerza que se debe aplicar para devolver la solución en el
célula no gana ni pierde agua (figura 2-13). en unhipertónico tubo al nivel del vaso de precipitados. Esta fuerza es proporcional a la
solución, una con mayor altura,h, de la columna en(b).
58 Parte IEstructura y Catálisis

extracelular partes que se observan en plantas sensibles al tacto como la Venus

solutos atrapamoscas y la mimosa (Cuadro 2-1).
intracelular
solutos La ósmosis también tiene consecuencias para los protocolos de
laboratorio. Las mitocondrias, los cloroplastos y los lisosomas, por

(a)celda enisotónico
ejemplo, están rodeados por membranas semipermeables. Al aislar
solución; sin movimiento estos orgánulos de las células rotas, los bioquímicos deben realizar
neto de agua. los fraccionamientos en soluciones isotónicas (consulte la figura
1-8). Los tampones utilizados en fraccionamientos celulares suelen
contener concentraciones suficientes (aproximadamente 0,2METRO)
de sacarosa o algún otro soluto inerte para proteger los orgánulos
de la lisis osmótica.

RESUMEN 2.1Interacciones débiles en sistemas

acuosos

- Las muy diferentes electronegatividades del H y del O

hacen del agua una molécula altamente polar, capaz de
formar enlaces de hidrógeno consigo misma y con los
solutos. Los enlaces de hidrógeno son fugaces,
principalmente electrostáticos y más débiles que los
(b)celda enhipertónico (C)celda enhipotónico solución; el
solución; el agua sale y la agua entra, creando presión hacia enlaces covalentes. El agua es un buen disolvente para
célula se encoge. afuera; La célula se hincha y solutos polares (hidrófilos), con los que forma enlaces de
eventualmente puede explotar.
hidrógeno, y para solutos cargados, con los que interactúa
electrostáticamente.

- Los compuestos no polares (hidrófobos) se disuelven

FIGURA 2-13 Efecto de la osmolaridad extracelular sobre el movimiento del agua. mal en agua; no pueden formar enlaces de hidrógeno
a través de una membrana plasmática.Cuando una célula está en equilibrio con el disolvente y su presencia fuerza un orden
osmótico con el medio que la rodea (es decir, en un medio isotónico)(a)se
energéticamente desfavorable de las moléculas de
transfiere a una solución hipertónica(b)o solución hipotónica(C),El agua se
agua en sus superficies hidrofóbicas. Para minimizar la
mueve a través de la membrana plasmática en la dirección que tiende a
superficie expuesta al agua, los compuestos no polares,
igualar la osmolaridad fuera y dentro de la célula.
como los lípidos, forman agregados (micelas) en los que
los restos hidrofóbicos quedan secuestrados en el
interior, asociándose a través de interacciones
hidrófobas, y sólo los restos más polares interactúan
con el agua.
Debido a que el efecto de los solutos sobre la osmolaridad
depende de lanúmerode partículas disueltas, no de susmasa, Las
- Numerosas interacciones débiles y no covalentes
macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos) tienen
influyen decisivamente en el plegamiento de
mucho menos efecto sobre la osmolaridad de una solución que una
macromoléculas como proteínas y ácidos nucleicos.
masa igual de sus componentes monoméricos. Por ejemplo, un
Las conformaciones macromoleculares más estables
gramode un polisacárido compuesto por 1.000 unidades de glucosa
son aquellas en las que los enlaces de hidrógeno se
tiene el mismo efecto sobre la osmolaridad que unmiligramode
maximizan dentro de la molécula y entre la molécula
glucosa. Uno de los efectos del almacenamiento de combustible en
y el disolvente, y en las que los restos hidrófobos se
forma de polisacáridos (almidón o glucógeno) en lugar de glucosa u
agrupan en el interior de la molécula, lejos del
otros azúcares simples es la prevención de un enorme aumento de
disolvente acuoso.
la presión osmótica dentro de la celda de almacenamiento. - Las propiedades físicas de las soluciones acuosas están
fuertemente influenciadas por las concentraciones de
Las plantas utilizan la presión osmótica para lograr rigidez solutos. Cuando dos compartimentos acuosos están
mecánica. La muy alta concentración de soluto en la vacuola de la célula separados por una membrana semipermeable (como la
vegetal atrae agua hacia el interior de la célula (figura 2-13). La presión membrana plasmática que separa una célula de su
osmótica resultante contra la pared celular (presión de turgencia) entorno), el agua se mueve a través de esa membrana
endurece la célula, el tejido y el cuerpo de la planta. Cuando la lechuga para igualar la osmolaridad en los dos compartimentos.
de su ensalada se marchita, es porque la pérdida de agua ha reducido la Esta tendencia del agua a moverse a través de una
presión de turgencia. Alteraciones repentinas en la presión de turgencia membrana semipermeable es la presión osmótica.
producen el movimiento de la planta.
 Capitulo 2Agua 59

RECUADRO 2–1 EL MUNDO DE LA BIOQUÍMICA

Respuesta al tacto en las plantas: un evento osmótico células y el resultante eflujo, por ósmosis, de agua. Las
Las hojas altamente especializadas de la Venus atrapamoscas ( glándulas digestivas en la superficie de la hoja liberan
Dionaea muscipula) se pliegan rápidamente en respuesta al ligero enzimas que extraen nutrientes del insecto.
toque de un insecto desprevenido, atrapando al insecto para su La planta sensible (Mimosa púdica) también sufre un
posterior digestión. Atraído por el néctar de la superficie de la cambio notable en la forma de la hoja provocado por el tacto
hoja, el insecto toca tres pelos mecánicamente sensibles, lo que mecánico (Fig. 2). Un ligero toque o vibración produce una
provoca que la hoja se cierre como una trampa (Fig. 1). Este caída repentina de las hojas, resultado de una reducción
movimiento de la hoja se produce por cambios repentinos (en 0,5 drástica de la presión de turgencia en las células de la base de
s) de la presión de turgencia en las células del mesófilo (las células cada folíolo y hoja. Como en la trampa para moscas de Venus,
internas de la hoja), probablemente logrados mediante la la caída en la presión de turgencia se debe a K-
liberación de K.-iones de la liberación seguida de la salida de agua.

FIGURA 1Respuesta al tacto en la Venus

atrapamoscas. Una mosca acercándose a una

hoja abierta.(a)queda atrapado para la digestión

(a) (b) por la planta(b).

FIGURA 2Los folíolos plumosos de la

sensible planta.(a)cerrar y soltar(b)
para proteger la planta del daño
(a) (b) estructural causado por el viento.
60 Parte IEstructura y Catálisis

2.2 Ionización de agua, ácidos débiles El ion hidronio cede un protón.

h h
y bases débiles O+ salto de protones

Aunque muchas de las propiedades disolventes del agua h

pueden explicarse en términos del H sin carga2Molécula de oh
h h
O, el pequeño grado de ionización del agua a iones de h oh
h
hidrógeno (H-) e iones hidróxido (OH-) también debe tenerse h oh
h
en cuenta. Como todas las reacciones reversibles, la
ionización del agua puede describirse mediante una h oh
constante de equilibrio. Cuando los ácidos débiles se h
disuelven en agua, aportan H-por ionización; las bases
débiles consumen H-al protonarse. Estos procesos también oh h
se rigen por constantes de equilibrio. La concentración total h
h
de iones de hidrógeno de todas las fuentes se puede medir
oh
experimentalmente y se expresa como el pH de la solución.
Para predecir el estado de ionización de solutos en agua, h
debemos tener en cuenta las constantes de equilibrio oh h
relevantes para cada reacción de ionización. Por lo tanto,
pasamos ahora a una breve discusión de la ionización del h
agua y de los ácidos y bases débiles disueltos en agua.
h oh

El agua pura está ligeramente ionizada h

oh h
Las moléculas de agua tienen una ligera tendencia a sufrir una
h
ionización reversible para producir un ion hidrógeno (un
El agua acepta protones y se
protón) y un ion hidróxido, dando el equilibrio convierte en ion hidronio.

h2oh yzh--OH- (2-1)

FIGURA 2-14 Salto de protones.“Saltos” cortos de protones entre un segundo
Aunque comúnmente mostramos el producto de disociación del
Las series de moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno provocan un
agua como H-, los protones libres no existen en solución; Los iones movimiento neto extremadamente rápido de un protón a lo largo de una larga
de hidrógeno formados en el agua se hidratan inmediatamente distancia. Cuando un ion hidronio (arriba a la izquierda) cede un protón, una
paraiones hidronio(h3oh-). Los enlaces de hidrógeno entre las molécula de agua a cierta distancia (abajo a la derecha) adquiere uno, convirtiéndose
moléculas de agua hacen que la hidratación de los protones que se en un ion hidronio. El salto de protones es mucho más rápido que la difusión
disocian sea prácticamente instantánea: verdadera y explica la notablemente alta movilidad iónica del H-iones en comparación
con otros cationes monovalentes como Na-o k-.
HO HO HO- H-OH-
h h h

La ionización del agua se puede medir por su conductividad

eléctrica; el agua pura transporta corriente eléctrica como H-migra expresar el grado de ionización del agua en términos cuantitativos.
hacia el cátodo y OH-hacia el ánodo. El movimiento de los iones Una breve revisión de algunas propiedades de las reacciones
hidronio e hidróxido en el campo eléctrico es anormalmente rápido químicas reversibles muestra cómo se puede hacer esto.
en comparación con el de otros iones como el Na.-, k-y cl-. Esta alta La posición de equilibrio de cualquier reacción química
movilidad iónica resulta del tipo de “salto de protones” que se está dada por suequilibrio constante,kecuación(a veces
muestra en la figura 2-14. Ningún protón individual se mueve muy expresado simplemente comok).Para la reacción
lejos a través de la solución en masa, pero una serie de saltos de generalizada
protones entre moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno
A-By zCD (2–2)
provocan el movimiento neto de un protón a lo largo de una larga
distancia en un tiempo notablemente corto. Como resultado de la una constante de equilibrio se puede definir en términos
alta movilidad iónica del H-(y de OH-, que también se mueve de las concentraciones de reactivos (A y B) y productos (C
rápidamente mediante salto de protones, pero en dirección y D) en equilibrio:
opuesta), las reacciones ácido-base en soluciones acuosas son
[CD]
generalmente excepcionalmente rápidas. Como se señaló kecuación
[A][B]
anteriormente, es muy probable que el salto de protones también
desempeñe un papel en las reacciones biológicas de transferencia En sentido estricto, los términos de concentración deberían ser los
de protones (figura 2-10; véase también figura 19-XX). actividades,o concentraciones efectivas en soluciones no ideales, de
Debido a que la ionización reversible es crucial para el papel cada especie. Sin embargo, excepto en trabajos muy precisos, la
del agua en la función celular, debemos tener un medio para constante de equilibrio puede ser aproximadamente
 Capitulo 2Agua 61

acoplado midiendo elconcentracionesen equilibrio. Por razones kw [H-][OH-] [H-]2

que escapan al alcance de esta discusión, las constantes de
Resolviendo para [H-] da
equilibrio no tienen dimensiones. Sin embargo, en general
hemos conservado las unidades de concentración (METRO) en las [H-] - k- w - 1- 10-14 2
METRO

expresiones de equilibrio utilizadas en este libro para recordarle

[H-] [OH-] 10-7 METRO

que la molaridad es la unidad de concentración utilizada para

calcularkecuación. Como el producto iónico del agua es constante, siempre que [H-]
La constante de equilibrio es fija y característica para es mayor que 1 10-7 METRO, [OH-] debe ser menos

cualquier reacción química dada a una temperatura específica. que 1 10-7 METRO, y viceversa. Cuando h-] es muy alto,

Define la composición de la mezcla de equilibrio final, como en una solución de ácido clorhídrico, [OH-] debe ser muy
independientemente de las cantidades iniciales de reactivos y bajo. A partir del producto iónico del agua podemos calcular [H-]
productos. Por el contrario, podemos calcular la constante de si sabemos [OH-], y viceversa (Recuadro 2-2).
equilibrio para una reacción determinada a una temperatura
determinada si se conocen las concentraciones de equilibrio de La escala de pH designa el H-y OH-
todos sus reactivos y productos. Como mostraremos en el Concentraciones
Capítulo 13, el cambio de energía libre estándar (GRAMO-) está
directamente relacionado conkecuación.
El ion producto del agua,kw, es la base para laescala
PH(Tabla 2-6). Es una forma conveniente de designar
la concentración de H-(y por tanto de OH-) en
La ionización del agua se expresa mediante una
cualquier solución acuosa en el rango entre 1,0METROh-
constante de equilibrio
y 1.0METROOH-. El términopHse define por la expresión
El grado de ionización del agua en equilibrio (ecuación 2-1) es
1
pequeño; a 25 °C sólo aproximadamente dos de cada 109Las pH registro - iniciar sesión [H-]
[H]-
moléculas del agua pura se ionizan en cualquier instante. La
constante de equilibrio para la ionización reversible del agua El símbolo p denota "logaritmo negativo de". Para una
(ecuación 2-1) es solución exactamente neutra a 25 °C, en la que la
concentración de iones de hidrógeno10es-7 1,0
METRO, el pH puede ser
[H-][OH-]
kecuación (2–3) calculado de la siguiente manera:
[H2Oh]
1
En agua pura a 25 °C, la concentración de agua es 55,5METRO pH registro registro (1.0 107)
1.0 10-7
(gramos de H2O en 1 L dividido por su peso molecular en
gramo: (1000 g/L)/(18,015 g/mol)) y es esencialmente registro 1,0 - registro 107 0-7 7
constante en relación con las concentraciones muy bajas.
de H-y OH-, es decir, 1 10-7 METRO. En consecuencia, nosotros

puede sustituir 55,5METROen la expresión de la constante de

equilibrio (ecuación 2-3) para producir TABLA 2–6La escala de pH
[H-][OH-]
, [H-] (METRO) pH [OH-] (METRO) pOH*
kecuación
55,5METRO
100(1) 0 10-14 14
que, al reorganizarse, se convierte en
10-1 1 10-13 13
10-2 2 10-12 12
(55,5METRO)(kecuación) [H-][OH-] kw (2-4)
10-3 3 10-11 11
dóndekwdesigna el producto (55,5METRO)(kecuación), elproducto 10-4 4 10-10 10
iónico del aguaa 25 ºC. 10-5 5 10-9 9
El valor parakecuación, determinado mediante mediciones de 10-6 6 10-8 8
10-dieciséis
la conductividad eléctrica del agua pura, es 1,8 METRO
10-7 7 10-7 7
a 25°C. Sustituyendo este valor porkecuaciónen la ecuación 2-4 se 10-8 8 10-6 6
obtiene el valor del producto iónico del agua: 10-9 9 10-5 5
10-dieciséis 10-10 10 10-4 4
kw [H-][OH-] (55,5METRO)(1.8
10-11
METRO)

1.0 10-14 2 11 10-3 3

10-12
METRO

12 10-2 2
Así, el producto [H-][OH-] en soluciones acuosas a 25 -C 10-13 13 10-1 1
siempre es igual a 1 10-14 METRO
2
. Cuando hay ex- 10-14 14 100(1) 0
concentraciones realmente iguales de H-y OH-, como en el agua
pura, se dice que la solución está enpH neutro.A este pH, la
* La expresión pOH se utiliza a veces para describir la basicidad, u OH-concentración, de
concentración de H-y OH-se puede calcular a partir del producto una solución; pOH se define por la expresión pOH - iniciar sesión [OH-], que es análogo a
iónico del agua de la siguiente manera: la expresión para el pH. Tenga en cuenta que en todos los casos, pH - pOH 14.
62 Parte IEstructura y Catálisis

RECUADRO 2–2 TRABAJANDO EN BIOQUÍMICA

El producto iónico del agua: dos problemas 2.¿Cuál es la concentración de OH?-en una solución
ilustrativos con una H-concentración de 1,3 10-4 ? METRO

El producto iónico del agua permite calcular la kw [H-][OH-]

concentración de H-, dada la concentración de OH-, y
Resolviendo para [OH-] da
viceversa; los siguientes problemas lo demuestran.
2
kw 1.0 10-14 METRO

[OH-]
1.¿Cuál es la concentración de H?-en una solución de 0,1 [H-] 1.3 10-4 METRO

METRO¿NaOH? 7.7 10-11 METRO(respuesta)

kw [H-][OH-] Al realizar estos u otros cálculos, asegúrese de

Resolviendo para [H-] da
redondear sus respuestas al número correcto de cifras
significativas.
kw 1 10-14 2 10-14 2
[H-]
METRO METRO

[OH-] 0.1METRO 10-1 METRO

10-13 METRO (respuesta)

El valor de 7 para el pH de una solución precisamente

14 NaOH 1M
neutra no es una cifra elegida arbitrariamente; se deriva del
valor absoluto del producto iónico del agua a 25 °C, que por
13
conveniente coincidencia es un número redondo. Las Blanqueador
soluciones que tienen un pH superior a 7 son alcalinas o
12 Amoniaco
básicas; la concentración de OH-es mayor que el de H-. Por el
contrario, las soluciones que tienen un pH inferior a 7 son
ácidas. 11
Cada vez más
Tenga en cuenta que la escala de pH es logarítmica, no básico
aritmética. Decir que dos soluciones difieren en pH en 1 unidad 10
de pH significa que una solución tiene diez veces el H-
concentración del otro, pero no nos dice la magnitud absoluta 9 Solución de hornear
de la diferencia. La figura 2-15 muestra el pH de algunos fluidos refresco (NaHCO3)

acuosos comunes. Una bebida de cola (pH 3,0) o un vino tinto 8

agua de mar, clara de huevo
(pH 3,7) tienen un H-concentración aproximadamente 10.000
veces mayor que la de la sangre (pH 7,4). 7 Neutral Sangre humana, lágrimas

El pH de una solución acuosa se puede medir

leche, saliva
aproximadamente utilizando varios tintes indicadores, incluidos
6
tornasol, fenolftaleína y rojo de fenol, que experimentan
cambios de color a medida que un protón se disocia de la
5 Café negro
molécula de tinte. Las determinaciones precisas de pH en el
laboratorio químico o clínico se realizan con un electrodo de Cerveza
4 Jugo de tomate
vidrio que es selectivamente sensible al H.-concentración pero Vino tinto
Cada vez más
insensible al Na-, k-y otros cationes. En un medidor de pH, la ácido
señal de dicho electrodo se amplifica y se compara con la señal 3 cola, vinagre
generada por una solución de pH conocido con precisión.
La medición del pH es uno de los procedimientos más 2 Jugo de limon

importantes y utilizados con frecuencia en bioquímica. El pH afecta Jugo gastrico

la estructura y actividad de las macromoléculas biológicas; por 1
ejemplo, la actividad catalítica de las enzimas depende en gran
medida del pH (véase la figura 2-21). Las mediciones del pH de la 0 HCl 1M
sangre y la orina se utilizan habitualmente en los diagnósticos
médicos. El pH del plasma sanguíneo de las personas. FIGURA 2-15El pH de algunos fluidos acuosos.
 Capitulo 2Agua 63

con diabetes grave y no controlada, por ejemplo, suele estar por aceptor de protones correspondiente, constituyen un par ácido-base
debajo del valor normal de 7,4; esta condición se llama acidosis. En conjugado, relacionados por la reacción reversible
algunos otros estados patológicos, el pH de la sangre es más alto de
CH3COOHy zh--CH3ARRULLO-
lo normal, lo que se denomina condición de alcalosis.
Cada ácido tiene una tendencia característica a perder su
protón en una solución acuosa. Cuanto más fuerte es el ácido,
Los ácidos y bases débiles tienen constantes de
mayor es su tendencia a perder su protón. La tendencia de
disociación características
cualquier ácido (HA) a perder un protón y formar su base
Los ácidos clorhídrico, sulfúrico y nítrico, comúnmente llamados ácidos conjugada (A-) está definida por la constante de equilibrio (k
fuertes, están completamente ionizados en soluciones acuosas diluidas; ecuación) para la reacción reversible

las bases fuertes NaOH y KOH también están completamente ionizadas.

JAy zh--A-,
De mayor interés para los bioquímicos es el comportamiento de los
ácidos y bases débiles (aquellos que no están completamente ionizados cual es
cuando se disuelven en agua). Estos son comunes en los sistemas
[H-][A-]
biológicos y desempeñan funciones importantes en el metabolismo y su ka
[JA]
kecuación

regulación. El comportamiento de las soluciones acuosas de ácidos y

bases débiles se comprende mejor si primero definimos algunos Las constantes de equilibrio para las reacciones de ionización
términos. generalmente se denominan ionización oconstantes de disociación,a
Los ácidos pueden definirse como donadores de protones y las menudo designadoka. Las constantes de disociación de algunos ácidos se
bases como aceptores de protones. Un donante de protones y su dan en la figura 2-16. Los ácidos más fuertes, como los ácidos fosfórico y
correspondiente aceptor de protones forman unpar ácido-base carbónico, tienen constantes de disociación mayores; Ácidos más débiles,
conjugado(Figura 2-16). Ácido acético (CH3COOH), un donante de como el fosfato monohidrógeno.
protones, y el anión acetato (CH3ARRULLO-), la corre- (HPO2-4), tienen constantes de disociación más pequeñas.

Ácidos monopróticos
oh oh
Ácido acético CH3C CH3C - h-
(ka= 1,74 10-5M)
ohh oh-
pagka= 4,76
ion amonio 4
NUEVA HAMPSHIRE- 3-h-
NUEVA HAMPSHIRE

(ka= 5,62 10-10M)

pagka= 9. 25

Ácidos dipróticos
Ácido carbónico
(ka= 1,70 10-4M); h2CO3 HCO-3-h -
HCO-3 CO2-3 - h-
Bicarbonato pagka = 3.77 pag
ka= 10,2
(ka= 6,31 10-11 meses)

Glicina, carboxilo 3
NUEVA HAMPSHIRE-
oh 3 oh
NUEVA HAMPSHIRE- h-3
norte
oh oh
NUEVA HAMPSHIRE2

(ka= 4,57 10-3M);

CH2C CH2C - h- C h2C CH2C - h-
Glicina, amino
(ka= 2,51 10-10M) ohh oh -
oh- oh-
pagka= 2,34 pagka = 9,60
Ácidos tripróticos
Ácido fosfórico
(ka= 7,25 10-3M); Fosfato
de dihidrógeno -
h2correos 4- h-
h3correos4
h2PAG oh-4 HPO2-4 - h- HPO2-4 3-
- h-
(ka= 1,38 10-7M); Fosfato
correos4

pagka= 2,14 pagka= 6,86 k a= 12,4

pag
monohidrógeno
(ka= 3,98 10-13M)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
pH

FIGURA 2–16Los pares ácido-base conjugados constan de un donante de (h3correos4(ácido fosfórico)). Las reacciones de disociación para cada par se
protones y un aceptor de protones.Algunos compuestos, como el ácido muestran donde ocurren a lo largo de un gradiente de pH. La constante de
acético y el ion amonio, son monopróticos; sólo pueden ceder un protón. Otros equilibrio o disociación (ka) y su logaritmo negativo, el pka, se muestran para
son dipróticos (H2CO3(ácido carbónico) y glicina) o triprótico cada reacción.
64 Parte IEstructura y Catálisis

También se incluyen en la Figura 2-16 los valores depag 9

ka, que es análogo al pH y está definido por la ecuación
8 CH3ARRULLO-
1
pagk - iniciar sesión -- - - iniciar sesiónk a
ka 7
a

[CH3COOH] - [CH3ARRULLO-]

Cuanto más fuerte es la tendencia a disociar un protón, más 6

pH 5,76
fuerte es el ácido y menor es su p.ka. Como veremos ahora, la p
kade cualquier ácido débil se puede determinar con bastante 5 Almacenamiento en búfer

facilidad. pH región
4
pH 3,76
pH-pka- 4,76
Las curvas de titulación revelan la pkade ácidos débiles 3

La titulación se utiliza para determinar la cantidad de un ácido 2 CH3COOH

en una solución determinada. Un volumen medido del ácido se
titula con una solución de una base fuerte, generalmente 1
hidróxido de sodio (NaOH), de concentración conocida. El NaOH
se agrega en pequeños incrementos hasta que el ácido se 0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
consume (neutraliza), según se determina con un colorante
OH-añadido (equivalentes)
indicador o un medidor de pH. La concentración del ácido en la
solución original se puede calcular a partir del volumen y la
0 50 100%
concentración de NaOH agregado.
Porcentaje titulado
Una gráfica del pH frente a la cantidad de NaOH agregada
(una curva de titulación) revela la pkadel ácido débil. Considere
FIGURA 2-17 La curva de titulación del ácido acético.Después de la adición de
la titulación de 0,1METROsolución de ácido acético (para
Cada incremento de NaOH a la solución de ácido acético, se mide el pH de la
simplificar, denominado HAc) con 0,1METRONaOH a 25 C (figura
mezcla. Este valor se representa frente a la cantidad de NaOH expresada como
2-17). En el proceso intervienen dos equilibrios reversibles:
una fracción del NaOH total necesaria para convertir todo el ácido acético a su
forma desprotonada, acetato. Los puntos así obtenidos dan la curva de

h2ohyzh OH- (2–5) titulación. En los cuadros se muestran las formas iónicas predominantes en los
puntos designados. En el punto medio de la titulación, las concentraciones del
HAcy zh C.A- (2–6) donador de protones y del aceptor de protones son iguales, y el pH es
numéricamente igual al pka. La zona sombreada es la región útil de poder
Los equilibrios deben ajustarse simultáneamente a sus
tampón, generalmente entre 10% y 90% de valoración del ácido débil.
constantes de equilibrio características, que son,
respectivamente,

kw- [H ][OH-] - 1 10-14 2

METRO (2-7)

[H ][C.A-]
ka--- - 1.74 105 METRO (2–8) realmente igual a la pkade ácido acético (pka- 4,76; Figuras
[HAc]
2–16, 2–17). Pronto quedará clara la base de esta relación,
Al comienzo de la titulación, antes de agregar NaOH, el que se cumple para todos los ácidos débiles.
ácido acético ya está ligeramente ionizado, hasta un punto A medida que se continúa la valoración añadiendo incrementos
que puede calcularse a partir de su constante de disociación adicionales de NaOH, el ácido acético no disociado restante se
(ecuación 2-8). convierte gradualmente en acetato. El punto final de la titulación se
A medida que se introduce gradualmente NaOH, el OH agregado- produce aproximadamente a pH 7,0: todo el ácido acético ha
se combina con el H libre en la solución para formar H2O, hasta perdido sus protones a OH.-, para formar H2O y acetato. A lo largo
un punto que satisface la relación de equilibrio de la ecuación de la titulación coexisten los dos equilibrios (ecuaciones 2-5, 2-6), y
2-7. A medida que se elimina el H libre, el HAc se disocia aún cada uno siempre se ajusta a su constante de equilibrio.
más para satisfacer su propia constante de equilibrio (ecuación
2-8). El resultado neto a medida que avanza la titulación es que La figura 2-18 compara las curvas de titulación de tres
cada vez más HAc se ioniza, formando Ac-, a medida que se ácidos débiles con constantes de disociación muy diferentes:
-
añade el NaOH. En el punto medio de la valoración, en el que se ácido acético (pka- 4,76); fosfato dihidrógeno, H2correos4
han añadido exactamente 0,5 equivalentes de NaOH, la mitad (pagka- 6,86); y ion amonio, NH4(pagka- 9.25). Aunque las
del ácido acético original se ha disociado, de modo que la curvas de titulación de estos ácidos tienen la misma forma,
concentración del donador de protones, [HAc], ahora es igual a están desplazadas a lo largo del eje del pH porque los tres
la del aceptor de protones. , [Ac-]. En este punto medio se ácidos tienen diferentes concentraciones. Ácido acético, con
mantiene una relación muy importante: el pH de la solución el mayorka(p más bajoka) de los tres, es el más fuerte (pierde
equimolar de ácido acético y acetato es ex- su protón con mayor facilidad); es al-
 Capitulo 2 Agua sesenta y cinco

14 agua,kw, es derivado. A 25°C,kw [H-][OH-]

Punto medio 2
13 (55,5METRO)(kecuación) = 10-14 METRO.
de
12
valoración NUEVA HAMPSHIRE3 - El pH de una solución acuosa refleja, en
escala logarítmica, la concentración de
pagka 9.25 Almacenamiento en búfer

11 regiones: 1
] iones de hidrógeno: registro de pH - Iniciar sesión [H-].
4
[H]-
[NUEVA HAMPSHIRE-[NUEVA HAMPSHIRE3]
10.25
10

9
NUEVA HAMPSHIRE3
- Cuanto mayor es la acidez de una solución, menor es
HPO2-4
su pH. Los ácidos débiles se ionizan parcialmente para
8.25
8 4]-
[H2correos [HPO2-4] 7,86 liberar un ion hidrógeno, lo que reduce el pH de la
7 solución acuosa. Las bases débiles aceptan un ion
4 Fosfato
NUEVA HAMPSHIRE-

pH hidrógeno, aumentando el pH. El alcance de estos

pagka 6,86 canales3ARRULLO-
6 5.86 procesos es característico de cada ácido o base débil en
pagka 4.76 5.76
5 h2correos
particular y se expresa como una disolución.
4- Acetato
[H-][A-]
4 constante de ciación,ka:kecuación k.a
[CH3COOH] [CH3ARRULLO-]
3.76 [JA]
3 - la pkaexpresa, en escala logarítmica, la
2
Fuerza relativa de un ácido o base débil:
1
1 CH3COOH pagka registro
ka
- registroka.

0 - Cuanto más fuerte es el ácido, menor es su pka;

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 cuanto más fuerte es la base, mayor es su pka. la pka
OH-añadido (equivalentes) se puede determinar experimentalmente; es el pH en
el punto medio de la curva de titulación del ácido o la
0 50 100% base.
Porcentaje titulado

2.3 Amortiguamiento contra cambios de pH

FIGURA 2–18 Comparación de las curvas de titulación de tres ácidos débiles.

Aquí se muestran las curvas de titulación para CH3COOH,H2correos4y NH-

-
4. en sistemas biológicos
Las formas iónicas predominantes en los puntos designados de la valoración se indican en
Casi todos los procesos biológicos dependen del pH; un pequeño
recuadros. Las regiones de capacidad de amortiguación se indican a la derecha. Los pares
cambio en el pH produce un gran cambio en la velocidad del
ácido-base conjugados son amortiguadores eficaces entre aproximadamente el 10% y el 90%
proceso. Esto es cierto no sólo para las muchas reacciones en las
de neutralización de las especies donantes de protones.
que el H-ion es un participante directo, pero también para aquellos
en los que no hay un papel aparente para H-iones. Las enzimas que
catalizan reacciones celulares y muchas de las moléculas sobre las
que actúan contienen grupos ionizables con características p.ka
valores. Los grupos amino y carboxilo protonados de los
listo medio disociado a pH 4,76. El dihidrógeno fosfato
aminoácidos y los grupos fosfato de los nucleótidos, por ejemplo,
pierde un protón con menos facilidad y se disocia a la mitad
funcionan como ácidos débiles; su estado iónico depende del pH del
a pH 6,86. El ion amonio es el ácido más débil de los tres y
medio circundante. Como señalamos anteriormente, las
no se disocia a la mitad hasta que el pH es 9,25.
interacciones iónicas se encuentran entre las fuerzas que estabilizan
El punto más importante de la curva de valoración de un
una molécula de proteína y permiten que una enzima reconozca y
ácido débil es que muestra gráficamente que un ácido débil y su
se una a su sustrato.
anión (un par ácido-base conjugado) pueden actuar como
Las células y los organismos mantienen un pH citosólico
tampón.
específico y constante, manteniendo las biomoléculas en su estado
iónico óptimo, generalmente cerca de pH 7. En los organismos
RESUMEN 2.2Ionización de agua, ácidos débiles y
multicelulares, el pH de los fluidos extracelulares también está
bases débiles. estrechamente regulado. La constancia del pH se logra
principalmente mediante tampones biológicos: mezclas de ácidos
- El agua pura se ioniza ligeramente, formando números débiles y sus bases conjugadas.
iguales de iones de hidrógeno (iones de hidronio, H3oh-) e Aquí describimos los equilibrios de ionización que explican
iones hidróxido. El grado de ionización se describe la amortiguación y mostramos la relación cuantitativa entre el
mediante una constante de equilibrio,kecuación pH de una solución tamponada y la p.kadel buffer. La
[H-][OH-] amortiguación biológica se ilustra con los sistemas de
, del cual el ion producto de
[H2Oh] amortiguación de fosfatos y carbonatos de los seres humanos.
66 Parte IEstructura y Catálisis

Los tampones son mezclas de ácidos kw [H-][OH-]

débiles y sus bases conjugadas. OH- h2oh

Amortiguadoresson sistemas acuosos que tienden a resistir
cambios en el pH cuando pequeñas cantidades de ácido (H-) o base
(OH-) se añaden. Un sistema tampón consta de un ácido débil (el
Ácido acético HAc C.A- Acetato
donante de protones) y su base conjugada (el aceptor de protones).
(CH3COOH) (CH3ARRULLO-)
Por ejemplo, una mezcla de concentraciones iguales de ácido
acético e ion acetato, que se encuentra en el punto medio de la
curva de titulación en la figura 2-17, es un sistema tampón. La curva
de valoración del ácido acético tiene una zona relativamente plana h-
que se extiende aproximadamente 1 unidad de pH a cada lado de su [H-][C.A-]
punto medio de pH de 4,76. En esta zona, una cantidad de H-o OH- ka
[HAc]
agregado al sistema tiene mucho menos efecto sobre el pH que la
misma cantidad agregada fuera del rango del tampón. Esta zona FIGURA 2-19 El par ácido acético-acetato como sistema tampón.El
relativamente plana es la región amortiguadora del par El sistema es capaz de absorber H.-o OH-mediante la reversibilidad de la
amortiguador ácido acético-acetato. En el punto medio de la región disociación del ácido acético. El donante de protones, el ácido acético
amortiguadora, donde la concentración del donante de protones (HAc), contiene una reserva de H unido.-, que puede liberarse para
(ácido acético) es exactamente igual a la del aceptor de protones neutralizar una adición de OH-al sistema, formando H2O. Esto sucede
(acetato), el poder amortiguador del sistema es máximo; es decir, su porque el producto [H-][OH-] excede transitoriamentekw(1
10-14 2
pH cambia menos al agregar H- METRO). El equilibrio se ajusta rápidamente de modo que este producto sea igual

1 10-14 2
o OH-. El pH en este punto de la curva de titulación del ácido METRO(a 25 -C), reduciendo así transitoriamente la concentración

acético es igual a su pka. El pH del sistema tampón de de H-. Pero ahora el cociente [H-][C.A-] / [HAc] es menor queka, por lo que la

acetato cambia ligeramente cuando una pequeña cantidad HAc se disocia aún más para restablecer el equilibrio. De manera similar, la

de H-o OH-se agrega, pero este cambio es muy pequeño en base conjugada, Ac-, puede reaccionar con H-iones añadidos al sistema; De
nuevo, las dos reacciones de ionización llegan simultáneamente al equilibrio.
comparación con el cambio de pH que resultaría si se
Así, un par ácido-base conjugado, como el ácido acético y el ion acetato, tiende
agregara la misma cantidad de H-o OH-se agregaron a agua
a resistir un cambio de pH cuando se añaden pequeñas cantidades de ácido o
pura o a una solución de la sal de un ácido fuerte y una base
base. La acción amortiguadora es simplemente la consecuencia de dos
fuerte, como NaCl, que no tiene poder tampón.
reacciones reversibles que tienen lugar simultáneamente y alcanzan sus
El tampón resulta de dos equilibrios de reacción reversibles
puntos de equilibrio según sus constantes de equilibrio.kW.yka.
que ocurren en una solución de concentraciones casi iguales de
un donante de protones y su aceptor de protones conjugado. La
figura 2-19 explica cómo funciona un sistema de amortiguación.
Siempre que h-o OH-se agrega a un tampón, el resultado es un
pequeño cambio en la relación de las concentraciones relativas
ecuación de Hasselbalch,lo cual es importante para
del ácido débil y su anión y, por lo tanto, un pequeño cambio en
comprender la acción amortiguadora y el equilibrio ácido-base
el pH. La disminución de la concentración de un componente
en la sangre y los tejidos de los vertebrados. Esta ecuación es
del sistema se equilibra exactamente con un aumento del otro.
simplemente una forma útil de reformular la expresión de la
La suma de los componentes del buffer no cambia, sólo su
constante de disociación de un ácido. Para la disociación de un
proporción.
ácido débil HA en H-y un-, la ecuación de Henderson-
Cada par ácido-base conjugado tiene una zona de pH
Hasselbalch se puede derivar de la siguiente manera:
característica en la que es un tampón eficaz (figura 2-18).
El h2correos
4 -/HPO42-
el par tiene apkade 6,86 y por lo tanto puede [H-][A-]
ka
servir como un eficaz sistema de amortiguación entre aproximadamente [JA]
principalmente pH 5,9 y pH 7,9; el NH- 4/NUEVA HAMPSHIRE3par, con apka
Primero resuelve para [H-]:
de 9,25, puede actuar como tampón entre aproximadamente
pH 8,3 y pH 10,3. [JA]
[H- ] ka[A-]

Una expresión simple relaciona el pH, pkay Luego toma el logaritmo negativo de ambos lados:
concentración de tampón
[JA]
- Iniciar sesión [H-] - registroka- registro
Las curvas de titulación del ácido acético, H.2correos- 4y NH- 4 [A-]
(Fig. 2-18) tienen formas casi idénticas, lo que sugiere que
Sustituya pH por -log [H-] y Pkapara -registroka:
estas curvas reflejan una ley o relación fundamental. De
hecho, este es el caso. La forma de la curva de titulación de [JA]
pH pagka- registro
cualquier ácido débil se describe mediante laHenderson- [A-]
 Capitulo 2Agua 67

Ahora invierta -log [HA]/[A-], lo que implica cambiar su signo,

Proteína Proteína
para obtener la ecuación de Henderson-Hasselbalch: A A
CH2 CH
[A-] A h A2h
pH-pka- registro (2–9) 3 ::4
[JA] C norte C norte

CH CH -h-
GRAMO GRAMO

Dicho de manera más general,

- j j
HC norte HC norte

h
[aceptor de protones]
pH-pka- registro
[donante de protones]
FIGURA 2–20 El aminoácido histidina, un componente de las proteínas, es un

Esta ecuación se ajusta a la curva de valoración de todos los ácido débil. la pkadel nitrógeno protonado de la cadena lateral es 6,0.

ácidos débiles y nos permite deducir una serie de relaciones

cuantitativas importantes. Por ejemplo, muestra por qué la pka
de un ácido débil es igual al pH de la solución en el punto
medio de su titulación. En ese punto, [HA] es igual a [A-], y
pH. La primera línea de defensa del organismo contra los cambios
en el pH interno la proporcionan los sistemas tampón. El citoplasma
pH-pka- registro 1 - pka- 0 - pág.ka de la mayoría de las células contiene altas concentraciones de
Como se muestra en el Cuadro 2-3, la ecuación de Henderson- proteínas, que contienen muchos aminoácidos con grupos
Hasselbalch también nos permite (1) calcular pka, dado el pH y funcionales que son ácidos o bases débiles. Por ejemplo, la cadena
la relación molar entre donante y aceptor de protones; (2) lateral de la histidina (fig. 2-20) tiene apkade 6,0; por lo tanto, las
calcular el pH, dado pkay la relación molar entre donante y proteínas que contienen residuos de histidina amortiguan
aceptor de protones; y (3) calcular la proporción molar de eficazmente cerca del pH neutro. Los nucleótidos como el ATP, así
donante y aceptor de protones, dado el pH y pka. como muchos metabolitos de bajo peso molecular, contienen
grupos ionizables que pueden aportar poder amortiguador al

Ácidos o bases débiles protegen las células y los tejidos

citoplasma. Algunos orgánulos y compartimentos extracelulares
altamente especializados tienen altas concentraciones de
contra los cambios de pH
compuestos que contribuyen a la capacidad amortiguadora: los
Los fluidos intracelulares y extracelulares de los organismos ácidos orgánicos amortiguan las vacuolas de las células vegetales; El
multicelulares tienen una característica y casi constante. amoníaco amortigua la orina.

RECUADRO 2–3 TRABAJANDO EN BIOQUÍMICA

[acetato]
Resolución de problemas utilizando la ecuación pH-pka- registro
[ácido acético]
de Henderson-Hasselbalch
0,20
- 4.76 - registro - 4,76 - 0,30
1.Calcular la pkade ácido láctico, dado que cuando la 0,10
concentración de ácido láctico es 0,010METROy la - 5.1 (respuesta)
concentración de lactato es 0.087METRO, el pH es 4,80.
3.Calcule la relación de las concentraciones de
[lactato] acetato y ácido acético requeridas en un
pH-pka- registro sistema tampón de pH 5,30.
[ácido láctico]
[acetato]
[lactato] pH-pka- registro
pagka- pH - registro [ácido acético]
[ácido láctico]
[acetato]
0,087 registro - pH-pka
- 4.80 - registro - 4,80 - registro 8,7 [ácido acético]
0.010
- 5,30 - 4,76 - 0,54
- 4,80 - 0,94 - 3,9 (respuesta)
[acetato]
- antílogo 0,54 - 3,5 (respuesta)
[ácido acético]
2.Calcular el pH de una mezcla de 0,10.METROácido
acético y 0,20METROacetato de sodio. la pkade ácido Para ver el efecto del pH sobre el grado de ionización de un ácido débil,
acético es 4,76. consulte el Living Graph para la ecuación 2-9.
68 Parte IEstructura y Catálisis

Dos amortiguadores biológicos especialmente importantes son 100

los sistemas de fosfato y bicarbonato. El sistema tampón de fosfato,
Pepsina
que actúa en el citoplasma de todas las células, está formado por H2
correos- 4 como donante de protones y HPO2-4como pro- tripsina

Porcentaje de actividad máxima

aceptador de toneladas:

h2correos4- yzh -
- HPO2-4
50
El sistema tampón de fosfato es máximamente eficaz a un pH
cercano a su pkade 6,86 (Figs. 2-16, 2-18) y por lo tanto tiende a
resistir cambios de pH en el rango entre aproximadamente 5,9 y
7,9. Por tanto, es un tampón eficaz en fluidos biológicos; en los Alcalino
fosfatasa
mamíferos, por ejemplo, los fluidos extracelulares y la mayoría
de los compartimentos citoplasmáticos tienen un pH en el
rango de 6,9 a 7,4. 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
El plasma sanguíneo está amortiguado en parte por el sistema de
bicarbonato, que consiste en ácido carbónico (H2CO3) como protón pH
donante y bicarbonato (HCO3- ) como aceptor de protones:
FIGURA 2–21 El pH óptimo de algunas enzimas.La pepsina es un digestivo.
h2CO 3 yzh--HCO- 3 enzima secretada al jugo gástrico; tripsina, una enzima digestiva que actúa en
el intestino delgado; fosfatasa alcalina del tejido óseo, una enzima hidrolítica
[H-][HCO3- 3]
k1 que se cree que ayuda en la mineralización ósea.
[H2CO3]

Este sistema tampón es más complejo que otros pares ácido-

base conjugados porque uno de sus componentes, el ácido
carbónico (H2CO3), se forma a partir de (d) dióxido de carbono y
agua disueltos, en una reacción reversible:
Aunque muchos aspectos de la estructura y función celular
CO2(d)-H2ohy zh2CO3 están influenciados por el pH, es la actividad catalítica de las
enzimas la que es especialmente sensible. Las enzimas suelen
[H2CO3]
k2 mostrar una actividad catalítica máxima a un pH característico,
[CO2(d)][H2Oh]
llamadopH óptimo(Figura 2-21). A ambos lados del pH óptimo, su
El dióxido de carbono es un gas en condiciones normales actividad catalítica a menudo disminuye drásticamente. Por tanto,
y la concentración de CO disuelto2es el resultado del un pequeño cambio en el pH puede marcar una gran diferencia en
equilibrio con CO2de la fase gaseosa (g): la velocidad de algunas reacciones catalizadas por enzimas
cruciales. Por tanto, el control biológico del pH de las células y los
zCO2(d)
CO2(gramo)y
fluidos corporales es de importancia central en todos los aspectos

[CO2(d)] del metabolismo y las actividades celulares.

k3
[CO2(gramo)]

El pH de un sistema tampón de bicarbonato depende de la RESUMEN 2.3Amortiguamiento contra cambios de pH

concentración de H2CO3y HCO- 3, el donante de protones en sistemas biológicos
y componentes aceptores. La concentración de H2CO3
a su vez depende de la concentración de CO disuelto2, que a su - Una mezcla de un ácido (o base) débil y su sal
vez depende de la concentración de CO2en fase gaseosa, resiste los cambios de pH causados por la
llamadapresión parcialde CO2. Por lo tanto, el pH de un adición de H-o OH-. La mezcla actúa así como un
tampón de bicarbonato expuesto a una fase gaseosa está tampón.
determinado en última instancia por la concentración de HCO.3-
- El pH de una solución de un ácido (o base) débil y su
en la fase acuosa y la presión parcial de CO2en la fase
sal está dado por el método de Henderson-
gaseosa (Cuadro 2-4).
[JA]
El plasma sanguíneo humano normalmente tiene un pH Ecuación de Hasselbalch: pH pka- registro [A-. ]
cercano a 7,4. Si los mecanismos de regulación del pH fallan o se
ven superados, como puede ocurrir en la diabetes grave no - En las células y los tejidos, los sistemas tampón de
controlada cuando una sobreproducción de ácidos metabólicos fosfato y bicarbonato mantienen los líquidos
causa acidosis, el pH de la sangre puede caer a 6,8 o menos, intracelulares y extracelulares en su pH óptimo
provocando un daño celular irreparable y la muerte. En otras (fisiológico), que suele ser cercano a pH 7. Las enzimas
enfermedades, el pH puede elevarse a niveles letales. generalmente funcionan de manera óptima a este pH.
 Capitulo 2 Agua 69

RECUADRO 2–4 BIOQUÍMICA EN MEDICINA

Sangre, pulmones y tampón: el sistema tampón en el plasma sanguíneo. La frecuencia respiratoria, es decir, la

de bicarbonato frecuencia de inhalación y exhalación de CO.2—Puede ajustar

rápidamente estos equilibrios para mantener el pH de la sangre
En animales con pulmones, el sistema tampón de bicarbonato es
casi constante.
un tampón fisiológico eficaz cerca de pH 7,4, porque el H2CO3del
plasma sanguíneo está en equilibrio con una gran capacidad de
reserva de CO2(g) en el espacio aéreo de los pulmones. Este h--HCO- 3
sistema de amortiguación implica tres equilibrios reversibles
reacción 1
entre el CO gaseoso2en los pulmones y bi-
carbonato (HCO3- ) en el plasma sanguíneo (Fig. 1). h2CO3
Fase acuosa
Cuando h-(del ácido láctico producido en el tejido
(sangre en capilares) reacción 2
muscular durante el ejercicio vigoroso, por ejemplo) se
h2oh h2oh
agrega a la sangre a medida que pasa a través de los tejidos,
la reacción 1 avanza hacia un nuevo equilibrio, en el que la CO2(d)
concentración de H2CO3está incrementado. Esto aumenta la reacción 3
concentración de CO.2(d) en el plasma sanguíneo (reacción 2) Fase gaseosa
y, por tanto, aumenta la presión de CO2(g) en el espacio aéreo (espacio aéreo pulmonar) CO2(gramo)

de los pulmones (reacción 3); el CO adicional2

se exhala. Por el contrario, cuando se eleva el pH del plasma FIGURA 1El co2en el espacio aéreo de los pulmones está en equilibrio con el
sanguíneo (por NH3producción durante el catabolismo de tampón de bicarbonato en el plasma sanguíneo que pasa a través de los
proteínas, por ejemplo), ocurren los eventos opuestos: el H- capilares pulmonares. Porque la concentración de CO disuelto2puede
La concentración del plasma sanguíneo disminuye, provocando ajustarse rápidamente mediante cambios en la frecuencia respiratoria, el
más H2CO3disociarse en H-y HCO- 3. Esta en sistema amortiguador de bicarbonato de la sangre está casi en equilibrio
a su vez causa más CO2(g) de los pulmones para disolverse con una gran reserva potencial de CO2.

oh oh oh oh
2.4 Agua como reactivo B B B B
RohohohPAGohohohPAGohoh--HO2 RohohohPAGohohh-HOohPAGohoh-
A A A A
El agua no es sólo el disolvente en el que se producen las oh- oh- oh- oh-
reacciones químicas de las células vivas; muy a menudo es (ATP) (ADP)
un participante directo en esas reacciones. La formación de Fosfoanhídrido
ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico es un ejemplo de (a)
reacción de condensaciónen el que se eliminan los oh oh
elementos agua (figura 2-22a). El reverso de esta reacción B B
RohohohPAGohoh--h 2 oh Rohohh-HOohPAGohoh-
(escisión acompañada por la adición de los elementos agua) A A
es unareacción de hidrólisis.Las reacciones de hidrólisis oh- oh-
también son responsables de la despolimerización Éster de fosfato
enzimática de proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos. (b)
Reacciones de hidrólisis, catalizadas por enzimas llamadas oh oh
j 1 j
R1ohC - HO
2 Roh C - hohohR2
GRAMO GRAMO
O2 OH

FIGURA 2–22Participación del agua en reacciones biológicas. (a)El Éster de carboxilato

(C)
ATP es un fosfoanhídrido formado por una reacción de condensación
(pérdida de los elementos agua) entre ADP y fosfato. R representa oh oh oh
B B oh B
monofosfato de adenosina (AMP). Esta reacción de condensación j
RohCohohohPAGohoh--HO
2 RohC - hohohPAGohoh-
requiere energía. La hidrólisis de (adición de los elementos del agua a) A GRAMO A
oh- OH oh-
ATP para formar ADP y fosfato libera una cantidad equivalente de
energía. También se muestran algunas otras reacciones de condensación Fosfato de acilo
e hidrólisis comunes en los sistemas biológicos.(b), (c), (d). (d)
70 Parte IEstructura y Catálisis

hidrolasas,son casi invariablemente exergónicos. La ganismos porque permite que el agua actúe como un "amortiguador de calor", manteniendo la

formación de polímeros celulares a partir de sus temperatura de un organismo relativamente constante a medida que la temperatura del entorno

subunidades por simple inversión de la hidrólisis (es decir, fluctúa y se genera calor como subproducto del metabolismo. Además, algunos vertebrados

por reacciones de condensación) sería endergónica y por aprovechan el alto calor de vaporización del agua (tabla 2-1) utilizando (y perdiendo así) el exceso de

tanto no ocurre. Como veremos, las células sortean este calor corporal para evaporar el sudor. Las plantas aprovechan el alto grado de cohesión interna del

obstáculo termodinámico acoplando reacciones de agua líquida, debido a los enlaces de hidrógeno, como medio para transportar nutrientes disueltos

condensación endergónica a procesos exergónicos, como la desde las raíces a las hojas durante el proceso de transpiración. Incluso la densidad del hielo, inferior

rotura del enlace anhídrido en el ATP. a la del agua líquida, tiene importantes consecuencias biológicas en los ciclos de vida de los

Estás (¡esperamos!) consumiendo oxígeno mientras lees. El organismos acuáticos. Los estanques se congelan de arriba hacia abajo y la capa de hielo en la parte

agua y el dióxido de carbono son los productos finales de la superior aísla el agua de abajo del aire helado. evitando que el estanque (y los organismos que hay en

oxidación de combustibles como la glucosa. La reacción general él) se congelen. Lo más fundamental para todos los organismos vivos es el hecho de que muchas

se puede resumir como propiedades físicas y biológicas de las macromoléculas celulares, particularmente las proteínas y los

ácidos nucleicos, se derivan de sus interacciones con las moléculas de agua del medio circundante. La
C6h12oh6- 6O28n6CO2- 6H2O glucosa
influencia del agua en el curso de la evolución biológica ha sido profunda y determinante. Si las

formas de vida han evolucionado en otras partes del universo, es poco probable que se parezcan a las

El “agua metabólica” formada por la oxidación de los alimentos y las de la Tierra a menos que su origen extraterrestre sea también un lugar en el que haya abundante

grasas almacenadas es en realidad suficiente para permitir que agua líquida disponible. derivan de sus interacciones con las moléculas de agua del medio

algunos animales en hábitats muy secos (jerbos, ratas canguro, circundante. La influencia del agua en el curso de la evolución biológica ha sido profunda y

camellos) sobrevivan durante largos períodos sin beber agua. determinante. Si las formas de vida han evolucionado en otras partes del universo, es poco probable

El co2producida por la oxidación de la glucosa se que se parezcan a las de la Tierra a menos que su origen extraterrestre sea también un lugar en el que

se convierte en los eritrocitos al HCO más soluble- 3, en un haya abundante agua líquida disponible. derivan de sus interacciones con las moléculas de agua del

reacción catalizada por la enzima anhidrasa carbónica: medio circundante. La influencia del agua en el curso de la evolución biológica ha sido profunda y

determinante. Si las formas de vida han evolucionado en otras partes del universo, es poco probable
CO2-h2ohy zHCO- 3-h-
que se parezcan a las de la Tierra a menos que su origen extraterrestre sea también un lugar en el que

En esta reacción, el agua no sólo es un sustrato sino que también haya abundante agua líquida disponible.

participa en la transferencia de protones al formar una red de moléculas

de agua unidas por enlaces de hidrógeno a través de las cuales se
produce el salto de protones (figura 2-14).
Las plantas verdes y las algas utilizan la energía de la luz
solar para dividir el agua en el proceso de fotosíntesis:

toh2- 2AH2
2H2O - 2A8 liga8hnorte

En esta reacción, A es una especie que acepta electrones, lo que

varía según el tipo de organismo fotosintético, y el agua actúa
como donante de electrones en una secuencia de oxidación-
reducción (véase la figura 19-XX) que es fundamental para toda
la vida.

RESUMEN 2.4El agua como reactivo

- El agua es a la vez el disolvente en el que se producen

las reacciones metabólicas y un reactivo en muchos
procesos bioquímicos, incluidas las reacciones de
hidrólisis, condensación y oxidación-reducción.

2.5 La idoneidad del medio

acuoso para los organismos vivos
Los organismos se han adaptado eficazmente a su entorno
acuoso y han desarrollado medios para explotar las
propiedades inusuales del agua. El alto calor específico del agua Los ambientes acuosos albergan innumerables especies. Corales blandos, esponjas,
(la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de 1 g briozoos y algas compiten por el espacio en este sustrato de arrecife frente a las Islas
de agua en 1 °C) es útil para las células y el organismo. Filipinas.
 Capitulo 2Agua 71

Términos clave

Los términos en negrita están definidos en el glosario.

enlace de hidrógeno 48 ósmosis 57 pagka 64
energía de enlace 48 isotónico 57 curva de titulación 64
hidrófilo 50 hipertónico 57 buffer66
hidrofóbico 50 hipotónico 57 Henderson-Hasselbalch
anfipático 52 equilibrio constante (kecuación) 60 ecuación 66
micela53 producto iónico del agua (kw) 61 condensación 69
Interacciones hidrofóbicas 53 pH61 hidrólisis69
interacciones de van der Waals 54 Constante de disociación del 63
osmolaridad 56 par ácido-base conjugado (ka) 63

Otras lecturas
General Luecke, H.(2000) Estructuras de resolución atómica de los intermedios del
Belton, Pensilvania(2000) Estudios por resonancia magnética nuclear de la fotociclo de bacteriorrodopsina: el papel de las moléculas de agua discretas
hidratación de proteínas y ADN.Celúla. Mol. Ciencias de la vida.57,993–998. en la función de esta bomba de iones impulsada por luz.Biochim. Biofísica.
Acta1460,133–156.
Denny, M.W.(1993)Aire y agua: la biología y la física de los medios de
Revisión avanzada de una bomba de protones que emplea una cadena
vida,Princeton University Press, Princeton, Nueva Jersey.
interna de moléculas de agua.
Una maravillosa investigación de la relevancia biológica de las
propiedades del agua. Nicolls, P.(2000) Introducción: la biología de la molécula de agua. Celúla.
Mol. Ciencias de la vida.57,987–992.
Eisenberg, D. y Kauzmann, W.(1969)La estructura y
Una breve reseña de las propiedades del agua, que presenta varias reseñas
propiedades del agua.Oxford University Press, Nueva York.
avanzadas excelentes publicadas en el mismo número (ver especialmente
Un tratamiento clásico y avanzado de la química física del agua y las
Pocker y Rand et al., que se enumeran a continuación).
interacciones hidrofóbicas.
Pocker, Y.(2000) Agua en reacciones enzimáticas: aspectos biofísicos de los
Franks, F. y Mathias, SF (eds)(mil novecientos ochenta y dos)Biofísica del agua,
procesos de hidratación-deshidratación.Celúla. Mol. Ciencias de la vida.57,
John Wiley & Sons, Inc., Nueva York.
1008-1017.
Una gran colección de artículos sobre la estructura del agua pura y
Revisión del papel del agua en la catálisis enzimática, con la anhidrasa
del citoplasma.
carbónica como ejemplo destacado.
Gerstein, M. y Levitt, M.(1998) Simulando el agua y las moléculas
Rand, RP, Parsegian, VA y Rau, DC(2000) Acción osmótica
de la vida.Ciencia. Soy.279(noviembre), 100-105.
intracelular.Celúla. Mol. Ciencias de la vida.57,1018-1032.
Una descripción bien ilustrada del uso de la simulación por computadora para
Revisión de las funciones del agua en la catálisis enzimática según lo revelado por
estudiar la asociación biológicamente importante del agua con proteínas y
estudios en solutos pobres en agua.
ácidos nucleicos.
Record, MT, Jr., Courtenay, ES, Cayley, DS y Guttman, HJ(1998)
Gronenborn, A. y Clore, M.(1997) Agua dentro y alrededor de las
Respuestas deE. colial estrés osmótico: grandes cambios en las
proteínas.El bioquímico19(3), 18-21.
cantidades de solutos citoplasmáticos y agua.Tendencias Bioquímica.
Una breve discusión sobre el agua unida a proteínas detectada por
Ciencia.23,143–148.
cristalografía y RMN.
Revisión de nivel intermedio de las formas en que una célula
Kandori, H.(2000) Papel de las moléculas de agua internas en la bacteriana contrarresta los cambios en la osmolaridad de su entorno.
bacteriorrodopsina.Biochim. Biofísica. Acta1460,177–191.
Stillinger, FH(1980) El agua revisitada.Ciencia209,451–457.
Revisión de nivel intermedio del papel de una cadena interna de moléculas de
Una breve revisión de la estructura física del agua, incluida la importancia
agua en el movimiento de protones a través de esta proteína.
de los enlaces de hidrógeno y la naturaleza de las interacciones
Kornblatt, J. y Kornblatt, J.(1997) El papel del agua en el hidrofóbicas.
reconocimiento y catálisis por enzimas.El bioquímico19(3), 14-17.
Symons, MC(2000) Espectroscopia de soluciones acuosas: interacciones de
Un resumen breve y útil de las formas en que el agua unida influye
proteínas y ADN con agua.Celúla. Mol. Ciencias de la vida.57, 999–1007.
en la estructura y actividad de las proteínas.

Kuntz, ID y Zipp, A.(1977) Agua en sistemas biológicos.

Westhof, E.(ed.) (1993)Agua y macromoléculas biológicas, CRC
N. inglés. J. Med.297,262–266.
Press, Inc., Boca Ratón, FL.
Una breve revisión del estado físico del agua citosólica y sus
Catorce capítulos, cada uno de un autor diferente, cubren (en un
interacciones con biomoléculas disueltas.
nivel avanzado) la estructura del agua y sus interacciones con
Ladbury, J.(1996) ¡Solo agrega agua! El efecto del agua sobre la proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos.
especificidad de los sitios de unión proteína-ligando y su posible aplicación
al diseño de fármacos.Química. Biol.3,973–980.
72 Parte IEstructura y Catálisis

Wiggins, PM(1990) Papel del agua en algunos procesos biológicos. Martín, TW y Derewenda, ZS(1999) El nombre es vínculo.ohEnlace H.
Microbiol. Rdo.54,432–449. Nat. Estructura. Biol.6,403–406.
Una revisión del agua en biología, incluida una discusión sobre la Breve revisión de la evidencia de que los enlaces de hidrógeno tienen algún
estructura física del agua líquida, su interacción con biomoléculas y el carácter covalente.
estado del agua en las células vivas.
Schwabe, JWR(1997) El papel del agua en las interacciones proteína-
Interacciones débiles en sistemas acuosos ADN.actual. Opinión. Estructura. Biol.7,126–134.
Fersht, Arkansas(1987) El enlace de hidrógeno en el reconocimiento molecular. Un examen del importante papel del agua tanto en la especificidad

Tendencias Bioquímica. Ciencia.12,301–304. como en la afinidad de las interacciones proteína-ADN.

Una discusión clara, breve y cuantitativa sobre la contribución de los enlaces Tanford, C.(1978) El efecto hidrofóbico y la organización de la
de hidrógeno al reconocimiento molecular y la catálisis enzimática. materia viva.Ciencia200,1012–1018.
Frieden, E.(1975) Interacciones no covalentes: clave para la flexibilidad y Una revisión de las bases químicas y energéticas de las interacciones

especificidad biológica.J. química. Educativo.52,754–761. hidrofóbicas entre biomoléculas en soluciones acuosas.

Revisión de los cuatro tipos de interacciones débiles que estabilizan

Ácidos débiles, bases débiles y tampones:
las macromoléculas y confieren especificidad biológica, con
problemas para la práctica
ejemplos claros.
Segel, Illinois(1976)cálculos bioquímicos,2.ª ed., John Wiley &
Jeffrey, Georgia, Estados Unidos(1997)Una introducción a los enlaces de hidrógeno, Sons, Inc., Nueva York.
Oxford University Press, Nueva York.

Una discusión detallada y avanzada de la estructura y propiedades de los

enlaces de hidrógeno, incluidos los del agua y las biomoléculas.

Problemas

1. Vinagre simuladoUna forma de hacer vinagre (nola forma En un análisis típico, 15 ml de una solución acuosa que
preferida) es preparar una solución de ácido acético, el único contenía una cantidad desconocida de acetilcolina tenían un
componente ácido del vinagre, al pH adecuado (ver figura 2-15) y pH de 7,65. Cuando se incubó con acetilcolinesterasa, el pH de
agregar agentes saborizantes apropiados. Ácido acético (METROr60) es la solución disminuyó a 6,87. Suponiendo que no había tampón
un líquido a 25 °C, con una densidad de 1,049 g/mL. Calcule el volumen en la mezcla de ensayo, determine el número de moles de
que se debe agregar al agua destilada para preparar 1 litro de vinagre acetilcolina en la muestra de 15 ml.
simulado (consulte la figura 2-16).
4. Equilibrio osmótico en una rana marinaLa rana
cangrejera del sudeste asiático,Rana cancrivora,Se desarrolla y
2. Acidez del HCl gástricoEn el laboratorio de un hospital, una
madura en agua dulce, pero busca su alimento en los
muestra de 10,0 ml de jugo gástrico, obtenida varias horas
manglares costeros (compuestos en un 80% de agua de mar en
después de una comida, se tituló con 0,1METRONaOH hasta la
su totalidad). Cuando la rana pasa de su hogar de agua dulce al
neutralidad; Se requirieron 7,2 ml de NaOH. El estómago del paciente
agua de mar, experimenta un gran cambio en la osmolaridad
no contenía alimentos ni bebidas ingeridos, por lo que se supone que
de su entorno (de hipotónico a hipertónico).
no había tampones presentes. ¿Cuál era el pH del jugo gástrico?
(a) El ochenta por ciento de agua de mar contiene 460 mMETRONaCl,
10 metrosMETROKCl, 10mMETROCaCl2y 50 metrosMETROMgCl2. ¿Cuáles son
3. Medición de los niveles de acetilcolina mediante cambios de
las concentraciones de las diversas especies iónicas en esta agua de
pHLa concentración de acetilcolina (un neurotransmisor) en una
mar? Suponiendo que estas sales representan casi todos los solutos del
muestra se puede determinar a partir de los cambios de pH que
agua de mar, calcule la osmolaridad del agua de mar.
acompañan a su hidrólisis. Cuando la muestra se incuba con la
(b) El siguiente cuadro enumera las concentraciones citoplasmáticas.
enzima acetilcolinesterasa, la acetilcolina se convierte
de iones enR. cancrivora.Haciendo caso omiso de las proteínas disueltas,
cuantitativamente en colina y ácido acético, que se disocia para
aminoácidos, ácidos nucleicos y otros metabolitos pequeños, calcule la osmolaridad
producir acetato y un ion hidrógeno:
de las células de la rana basándose únicamente en las concentraciones iónicas que
se indican a continuación.
oh CH3
k- CL- California2-
h2oh N / A- magnesio2-

CH3CO CH 2 CH2 - n ch3

(metroMETRO) (metroMETRO) (metroMETRO) (metroMETRO) (metroMETRO)

CH3
acetilcolina
R. cancrivora 122 10 100 2 1

CH3 (c) Como todas las ranas, la rana cangrejera puede intercambiar

HO CH2 CH 2 - n ch 3-CH C oh- - h- gases a través de su piel permeable, lo que le permite permanecer bajo
3
el agua durante largos períodos de tiempo sin respirar. ¿Cómo afecta la
CH3 oh alta permeabilidad de la piel de la rana a las células de la rana cuando
colina Acetato pasa del agua dulce al agua de mar?
 Capitulo 2Agua 73

(d) La rana cangrejera utiliza dos mecanismos para mantener

mantiene sus células en equilibrio osmótico con su entorno. En primer
ohh
lugar, permite que el Na-y cl-Las concentraciones en sus células norteI

aumentan lentamente a medida que los iones se difunden a favor de A

sus gradientes de concentración. En segundo lugar, como muchos h
elasmobranquios (tiburones), retiene el producto de desecho urea en ion piridina - naftol
pagka≈5 pagka≈10
sus células. La adición de NaCl y urea aumenta la osmolaridad del
citosol a un nivel casi igual al del ambiente circundante.
(a) (b)
oh
oh
C B
C h
A
2norte NUEVA HAMPSHIRE2
Director General
Urea (CH4norte2Oh) CH3D norteohCohCH 2 ohh
A
Suponiendo que el volumen de agua en una rana típica es de 100 ml,
h C
j GRAMO
calcule cuántos gramos de NaCl (peso de fórmula (FW) 58,44) debe oh ohohCH3
tomar la rana para que sus tejidos sean isotónicos con el agua de mar. norte-Éster metílico de acetiltirosina
pagka≈10
(e) ¿Cuántos gramos de urea (FW 60) debe retener para
(C)
lograr lo mismo?

5. Propiedades de un búferEl aminoácido glicina se utiliza a menudo 7. Tratamiento de la erupción por hiedra venenosaLos
como ingrediente principal de un tampón en experimentos bioquímicos. componentes de la hiedra y el roble venenosos que producen el
El grupo amino de la glicina, que tiene apkade característico sarpullido con picazón son catecoles sustituidos con grupos
9.6, puede existir en forma protonada (ohNUEVA HAMPSHIRE- 3) o como alquilo de cadena larga.
la base libre (ohNUEVA HAMPSHIRE2), debido al equilibrio reversible
OH
r NH- 3 r NH - H2- ohh

(a) ¿En qué rango de pH se puede utilizar la glicina como un agente eficaz?
tampón activo debido a su grupo amino? (CH2)norteohCH3
(b) En un 0,1METROsolución de glicina a pH 9,0, ¿qué fracción pagka≈8
La glicina tiene su grupo amino en laohNUEVA HAMPSHIRE- 3¿forma?
Si estuviera expuesto a la hiedra venenosa, ¿cuál de los
(c) ¿Cuánto 5METROSe debe agregar KOH a 1,0 L de 0,1METRO
siguientes tratamientos aplicaría en el área afectada? Justifica
glicina a pH 9,0 para llevar su pH exactamente a 10,0?
tu elección.
(d) Cuando el 99% de la glicina está en suohNUEVA HAMPSHIRE- 3forma, que
(a) Lave el área con agua fría.
es la relación numérica entre el pH de la solución y la pkadel
(b) Lave el área con vinagre diluido o jugo de limón.
grupo amino?
(c) Lave el área con agua y jabón.
(d) Lave el área con jabón, agua y bicarbonato de sodio.
6. El efecto del pH sobre la solubilidadLas propiedades fuertemente
(bicarbonato de sodio).
polares del agua para formar enlaces de hidrógeno la convierten en un
excelente disolvente para especies iónicas (cargadas). Por el contrario,
8. pH y absorción de La aspirina es un ácido débil.
las moléculas orgánicas no ionizadas y no polares, como el benceno,
fármacos con apkade 3,5.
son relativamente insolubles en agua. En principio, la solubilidad acuosa
de cualquier ácido o base orgánico se puede aumentar convirtiendo las
oh
moléculas en especies cargadas. Por ejemplo, la solubilidad del ácido B
benzoico en agua es baja. La adición de bicarbonato de sodio a una C
Director General oh
mezcla de agua y ácido benzoico eleva el pH y desprotona el ácido CH3oh B
benzoico para formar iones benzoato, que es bastante soluble en agua. C
GRAMO
ohh
oh oh
B B
Cohohh CohO- Se absorbe en la sangre a través de las células que recubren el
estómago y el intestino delgado. La absorción requiere el paso a través
de la membrana plasmática, cuya velocidad está determinada por la
polaridad de la molécula: las moléculas cargadas y altamente polares
Ácido benzoico ion benzoato
pasan lentamente, mientras que las neutras hidrófobas pasan
pagka≈5
rápidamente. El pH del contenido del estómago es aproximadamente
¿Son los siguientes compuestos más solubles en una solución 1,5 y el pH del contenido del intestino delgado es aproximadamente 6.
acuosa de 0,1METRONaOH o 0,1METRO¿HCl? (Los protones disociables ¿Se absorbe más aspirina en el torrente sanguíneo desde el estómago o
se muestran en rojo). desde el intestino delgado? Justifique claramente su elección.
74 Parte IEstructura y Catálisis

9. preparación de tampón estándar para la calibración de un 14. Calcular el pH a partir de concentraciones¿Cuál es el pH de

medidor de pHEl electrodo de vidrio utilizado en los medidores de una solución que contiene 0,12 mol/L de NH?4Cl y 0,03 mol/L
pH comerciales da una respuesta eléctrica proporcional a la de NaOH (pkade NH- /NUEVA HAMPSHIRE es 9,25)?
4 3

concentración de iones de hidrógeno. Para convertir estas

15. Calculando pka Se cree que un compuesto desconocido, X,
respuestas en pH, los electrodos de vidrio deben calibrarse con
tiene un grupo carboxilo con apkade 2.0 y otro grupo ionizable
soluciones estándar de H conocido.-concentración. Determine el
con apkaentre 5 y 8. Cuando 75 mL de 0,1METROSe añadió NaOH
peso en gramos de dihidrógenofosfato de sodio (NaH2correos4-h2
a 100 ml de una solución de 0,1METROsolución de X a pH 2,0, el
Oh; FW 138.01) y fosfato ácido de disodio (Na2HPO4; FW
pH aumentó a 6,72. Calcular la pkadel segundo grupo ionizable
141.98) necesario para preparar 1 L de un tampón estándar a pH
de X.
7.00 con una concentración de fosfato total de 0.100METRO(ver
figura 2-16). 16. Control del pH de la sangre mediante la frecuencia respiratoria
(a) La presión parcial de CO2en los pulmones puede ser variable
10. Calcular el pH a partir de la concentración de iones de
ied rápidamente por el ritmo y la profundidad de la respiración. Por
hidrógeno ¿Cuál es el pH de una solución que tiene H?-
ejemplo, un remedio habitual para aliviar el hipo es aumentar la
10-10
concentración de (a) 1,75 10-5prostituta; (b)prostituta; c) d)
6,50 moles/l; 1,0 1010
1,50 -4
concentración de CO2en los pulmones. Esto se puede lograr
-5¿prostituta?
conteniendo la respiración, respirando muy lenta y superficialmente
11. Calcular la concentración de iones de hidrógeno a partir del (hipoventilación) o inhalando y exhalando dentro de una bolsa de papel.
pH ¿Cuál es la H?-concentración de una solución con pH de (a) 3,82; En tales condiciones, la presión parcial de CO2en el espacio aéreo de los
b) 6,52; (c) 11.11? pulmones se eleva por encima de lo normal. Explique cualitativamente
el efecto de estos procedimientos sobre el pH sanguíneo.
12. Calcular el pH a partir de proporciones molaresCalcule el pH de
(b) Una práctica común de carreras competitivas de corta distancia.
una solución diluida que contiene una proporción molar de acetato de
Los corredores deben respirar rápida y profundamente (hiperventilar) durante
potasio a ácido acético (pka 4.76) de (a) 2:1; (b) 1:3; (c) 5:1;
aproximadamente medio minuto para eliminar el CO.2de sus pulmones justo antes
(d) 1:1; (e) 1:10.
de correr, digamos, una carrera de 100 m. El pH de la sangre puede aumentar a
13. Trabajar con buffers Un tampón contiene 0,010 moles de 7,60. Explique por qué aumenta el pH de la sangre.
ácido láctico (pka 3,86) y 0,050 moles de lactato de sodio por (c) Durante una carrera de corta distancia, los músculos producen una
litro. (a) Calcule el pH del tampón. (b) Calcule el cambio de pH gran cantidad de ácido láctico (CH3CH(OH)COOH,ka 1.38 10
cuando se añaden 5 ml de 0,5METROSe añade HCl a 1 litro de -4) de sus reservas de glucosa. En vista de este hecho, ¿por qué podría
tampón. (c) ¿Qué cambio de pH esperaría si agregara la misma ser útil la hiperventilación antes de un guión?
cantidad de HCl a 1 litro de agua pura?
 – –

capítulo 3
+ +

AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS,
Y PROTEÍNAS
3.1 Aminoácidos75 ácidos, unidos covalentemente en secuencias lineales
características. Debido a que cada uno de estos aminoácidos tiene
3.2 Péptidos y Proteínas 85
una cadena lateral con propiedades químicas distintivas, este grupo
3.3 Trabajar con proteínas 89 de 20 moléculas precursoras puede considerarse como el alfabeto
3.4 La estructura covalente de las proteínas 96 en el que está escrito el lenguaje de la estructura de las proteínas.
Lo más notable es que las células pueden producir
3.5 Secuencias de proteínas y evolución 106
proteínas con propiedades y actividades sorprendentemente
diferentes uniendo los mismos 20 aminoácidos en muchas
combinaciones y secuencias diferentes. A partir de estos
La palabra proteína que os propongo. . . Me gustaría derivar componentes básicos, diferentes organismos pueden producir
deproteios,porque parece ser la sustancia primitiva o productos tan diversos como enzimas, hormonas, anticuerpos,
principal de la nutrición animal que las plantas preparan transportadores, fibras musculares, la proteína del cristalino del
para los herbívoros y que éstos luego proporcionan a los ojo, plumas, telarañas, cuernos de rinoceronte, proteínas de la
leche, antibióticos, venenos de hongos y muchos otros.
carnívoros.
sustancias que tienen distintas actividades biológicas (fig. 3-1).
— JJ Berzelius,carta a GJ Mulder, 1838 Entre estos productos proteicos, las enzimas son las más
variadas y especializadas. Prácticamente todas las reacciones
celulares son catalizadas por enzimas.

PAG Las roteínas son las macromoléculas biológicas más abundantes

y se encuentran en todas las células y en todas las partes de las
células. Las proteínas también se encuentran en gran variedad; En
La estructura y función de las proteínas son los temas de
este y de los tres capítulos siguientes. Comenzamos con una
descripción de las propiedades químicas fundamentales de los
una sola célula se pueden encontrar miles de tipos diferentes, que aminoácidos, péptidos y proteínas.
varían en tamaño desde péptidos relativamente pequeños hasta
polímeros enormes con pesos moleculares de millones. Además, las
proteínas exhiben una enorme diversidad de funciones biológicas y
3.1 Aminoácidos
son los productos finales más importantes de las vías de
información analizadas en la Parte III de este libro. Las proteínas Arquitectura de proteínas: aminoácidos
son los instrumentos moleculares a través de los cuales se expresa Las proteínas son polímeros de aminoácidos, cada uno de los cuales
la información genética. residuo de aminoácidounido a su vecino por un tipo específico de
Subunidades monoméricas relativamente simples enlace covalente. (El término “residuo” refleja la pérdida de los
proporcionan la clave para la estructura de miles de proteínas elementos agua cuando un aminoácido se une a otro). Las proteínas
diferentes. Todas las proteínas, ya sean de las líneas más antiguas se pueden descomponer (hidrolizar) en sus aminoácidos
de bacterias o de las formas de vida más complejas, se construyen a constituyentes mediante una variedad de métodos, y los primeros
partir del mismo conjunto ubicuo de 20 aminoácidos. estudios sobre las proteínas de forma natural centrado en

75
76 Capítulo teínas

(a) (b) (C)

FIGURA 3–1Algunas funciones de las proteínas. (a)La luz producida por las luciérnagas ers. El rinoceronte negro está al borde de la extinción en estado salvaje debido a la
es el resultado de una reacción que involucra la proteína luciferina y ATP, catalizada por la creencia prevaleciente en algunas partes del mundo de que un polvo derivado de su
enzima luciferasa (consulte el cuadro 13-2).(b)Los eritrocitos contienen grandes cantidades cuerno tiene propiedades afrodisíacas. En realidad, las propiedades químicas del
de la proteína hemoglobina, que transporta oxígeno.(C)La proteína queratina, formada por cuerno de rinoceronte en polvo no son diferentes de las de las pezuñas de bovino o
todos los vertebrados, es el principal componente estructural del cabello, las escamas, los de las uñas humanas en polvo.
cuernos, la lana, las uñas y las plumas.

los aminoácidos libres derivados de ellos. En las proteínas se símbolos (tabla 3-1), que se utilizan como abreviatura para
encuentran comúnmente veinte aminoácidos diferentes. El indicar la composición y secuencia de aminoácidos
primero en ser descubierto fue la asparagina, en 1806. El último polimerizados en proteínas.
de los 20 encontrados, la treonina, no fue identificado hasta Se utilizan dos convenciones para identificar los carbonos
1938. Todos los aminoácidos tienen nombres triviales o de un aminoácido, una práctica que puede resultar confusa. Los
comunes, en algunos casos derivados de la fuente de la que carbonos adicionales en un grupo R se denominan
fueron originarios. aislado. La asparagina se encontró por comúnmente-,-, , , y así sucesivamente, partiendo del
primera vez en los espárragos y el glutamato en el gluten de - carbón. Para la mayoría de las demás moléculas
trigo; La tirosina se aisló por primera vez del queso (su nombre orgánicas, los átomos de carbono simplemente se numeran
deriva del griegoprincipiantes,“queso"); y glicina (griegoglicos, desde un extremo, dando mayor prioridad (C-1) al carbono
“dulce”) se llama así por su sabor dulce. cuyo sustituyente contiene el átomo de mayor número
atómico. Dentro de esta última convención, el carbono
Los aminoácidos comparten características estructurales comunes carboxilo de un aminoácido sería C-1 y el-el carbono sería
C-2. En algunos casos, como los aminoácidos con grupos R
Los 20 aminoácidos comunes son--aminoácidos. Tienen un
heterocíclicos, el sistema de letras griego es ambiguo y, por
grupo carboxilo y un grupo amino unidos al mismo átomo
lo tanto, se utiliza la convención de numeración.
de carbono (el-carbono) (figura 3-2). Se diferencian entre sí
mi d b a
por sus cadenas laterales, ogrupos R, que varían en
gramo

6 5 4 3 2 1
estructura, tamaño y carga eléctrica, y que influyen en la CH2 CH2 CH2 CH2 CH ARRULLO-

solubilidad de los aminoácidos en agua. Además de estos 20 - -

NUEVA HAMPSHIRE3 3
NUEVA HAMPSHIRE

aminoácidos hay muchos menos comunes. Algunos son lisina

residuos modificados después de que se ha sintetizado una
Para todos los aminoácidos comunes excepto la glicina, el
proteína; otros son aminoácidos presentes en organismos
vivos pero no como constituyentes de proteínas. A los - El carbono está unido a cuatro grupos diferentes: un grupo
carboxilo, un grupo amino, un grupo R y un átomo de hidrógeno
aminoácidos comunes de las proteínas se les han asignado
(figura 3-2; en la glicina, el grupo R es otro átomo de hidrógeno). El-
abreviaturas de tres letras y de una letra.
-El átomo de carbono es, por tanto, uncentro quiral (pág. 17).
Debido a la disposición tetraédrica de los orbitales enlazantes
alrededor del--átomo de carbono, los cuatro grupos diferentes
ARRULLO- pueden ocupar dos disposiciones espaciales únicas y, por tanto, los
-
h3norteCh aminoácidos tienen dos posibles estereoisómeros. Dado que son
imágenes especulares no superponibles entre sí (figura 3-3), las dos
R
formas representan una clase de estereoisómeros llamados
FIGURA 3–2Estructura general de un aminoácido.Esta estructura es enantiómeros(consulte la figura 1-19). Todas las moléculas con un
común a todos menos uno de los--aminoácidos. (La prolina, un aminoácido centro quiral también son activo ópticamente—es decir, hacen
cíclico, es la excepción). El grupo R o cadena lateral (rojo) unido al girar la luz polarizada en un plano (consulte el cuadro 1-2).
- El carbono (azul) es diferente en cada aminoácido.
 3.1Aminoácidos 77

Se ha desarrollado una nomenclatura especial para especificar 1 CHO CHO

laconfiguración absolutade los cuatro sustituyentes de los átomos HO 2CH h COH
de carbono asimétricos. Las configuraciones absolutas de los
3CH2OH CH2OH
azúcares simples y los aminoácidos están especificadas por laD,l
l-Gliceraldehído D-Gliceraldehído
sistema(Fig. 3-4), basado en la configuración absoluta del
gliceraldehído, un azúcar de tres carbonos, una convención ARRULLO- ARRULLO-
- -
propuesta por Emil Fischer en 1891. (Fischer sabía qué grupos h3NCH HC NH3
rodeaban el carbono asimétrico del gliceraldehído, pero tenía que
CH3 CH3
adivinar su configuración absoluta; su La suposición se confirmó
l-Alanina D-Alanina
más tarde mediante análisis de difracción de rayos X.) Para todos los
compuestos quirales, los estereoisómeros que tienen una FIGURA 3–4Relación estérica de los estereoisómeros de alanina con la
configuración relacionada con la de configuración absoluta del- yD-gliceraldehído.En estas fórmulas en
l-se designan gliceraldehídoly estereoisómeros relacionados perspectiva, los carbonos están alineados verticalmente, con el átomo quiral
conD-se designan gliceraldehídoD. Los grupos funcionales de en el centro. Los carbonos en estas moléculas están numerados comenzando
l-alanina se combinan con los del- gliceraldehído alineando con el aldehído terminal o el carbono carboxilo (rojo), del 1 al 3 de arriba a
aquellos que pueden interconvertirse mediante reacciones abajo, como se muestra. Cuando se presenta de esta manera, el grupo R del
químicas simples de un solo paso. Así, el grupo carboxilo del aminoácido (en este caso el grupo metilo de la alanina) siempre está por
-alanina ocupa la misma posición respecto del carbono debajo del-carbón.l-Los aminoácidos son aquellos que tienen la--grupo amino

quiral que el grupo aldehído del-gliceraldehído, porque un a la izquierda, yD-Los aminoácidos tienen la--grupo amino a la derecha.

aldehído se convierte fácilmente en un grupo carboxilo

mediante una oxidación de un solo paso. Históricamente, lo
similaryoydSe utilizaron designaciones para levógiro (luz lLos aminoácidos son levógiros y la convención que se
que gira hacia la izquierda) y dextrógiro (luz que gira hacia muestra en la figura 3-4 era necesaria para evitar posibles
la derecha). Sin embargo, no todos ambigüedades sobre la configuración absoluta. Según la
convención de Fischer,lyDreferirsesoloa la configuración
absoluta de los cuatro sustituyentes alrededor del carbono
ARRULLO- ARRULLO-
quiral, no a las propiedades ópticas de la molécula.
Otro sistema para especificar la configuración
- alrededor de un centro quiral es elsistema RS,que se utiliza
C h h C -
h3norte NUEVA HAMPSHIRE3
en la nomenclatura sistemática de la química orgánica y
describe con mayor precisión la configuración de moléculas
CH3 CH3 con más de un centro quiral (ver pág. 18).
(a) l-Alanina D-Alanina
Los residuos de aminoácidos en las
proteínas sonlEstereoisómeros
ARRULLO- ARRULLO-
- - Casi todos los compuestos biológicos con un centro quiral se encuentran
h3NCH HC NH3
naturalmente en una sola forma estereoisomérica, ya seaD
CH3 CH3 ol. Los residuos de aminoácidos en las moléculas de proteínas son
(b) l-Alanina D-Alanina
exclusivamentelestereoisómeros.D-Se han encontrado residuos de
aminoácidos sólo en unos pocos péptidos, generalmente pequeños,

ARRULLO- ARRULLO- incluidos algunos péptidos de las paredes celulares bacterianas y ciertos
- - antibióticos peptídicos.
h3NCH HC NH3
Es notable que prácticamente todos los residuos de
CH3 CH3 aminoácidos en las proteínas seanlestereoisómeros. Cuando se
(C) l-Alanina D-Alanina forman compuestos quirales mediante reacciones químicas
ordinarias, el resultado es una mezcla racémica deDylisómeros, que
FIGURA 3–3 Estereoisomería en--aminoácidos. (a)Los dos estereoiso-
son difíciles de distinguir y separar para un químico. Pero para un
mers de alanina,l- yD-alanina, son imágenes especulares no superponibles
entre sí (enantiómeros).(antes de Cristo)Dos convenciones diferentes para
sistema vivo,DylLos isómeros son tan diferentes como el de la

mostrar las configuraciones en el espacio de los estereoisómeros. En fórmulas derecha y el de la izquierda. La formación de subestructuras
en perspectiva(b)los enlaces sólidos en forma de cuña sobresalen del plano del estables y repetitivas en las proteínas (capítulo 4) generalmente
papel, los enlaces discontinuos detrás de él. En fórmulas de proyección(C) Se requiere que sus aminoácidos constituyentes pertenezcan a una
supone que los enlaces horizontales sobresalen del plano del papel, los serie estereoquímica. Las células son capaces de sintetizar
enlaces verticales detrás. Sin embargo, las fórmulas de proyección se utilizan a específicamentelisómeros de los aminoácidos porque los sitios
menudo de manera casual y no siempre pretenden representar una activos de las enzimas son asimétricos, lo que hace que las
configuración estereoquímica específica. reacciones que catalizan sean estereoespecíficas.
78 Capítulo 3Aminoácidos, péptidos y proteínas

TABLA 3–1Propiedades y convenciones asociadas con los aminoácidos comunes que se encuentran en las proteínas

paqueteavalores

Abreviatura/ paquete1 paquete2 paqueteR Hidropatía Ocurrencia en

Aminoácidos símbolo METROr (ohCOOH) 3 ) (grupo R)
(ohNUEVA HAMPSHIRE- Pi índice* proteínas (%)†

No polar, alifático
grupos R
glicina Gly GRAMO 75 2.34 9.60 5,97 - 0,4 7.2
Alanina ala A 89 2.34 9.69 6.01 1.8 7.8
prolina Pro PAG 115 1,99 10,96 6.48 1.6 5.2
Valina valeV 117 2.32 9.62 5,97 4.2 6.6
leucina leu l 131 2.36 9.60 5,98 3.8 9.1
isoleucina ile yo 131 2.36 9,68 6.02 4.5 5.3
metionina Conocí a M 149 2.28 9.21 5.74 1.9 2.3
Grupos R aromáticos
fenilalanina Phe F 165 1,83 9.13 5.48 2.8 3.9
tirosina tiro Y 181 2.20 9.11 10.07 5.66 - 1.3 3.2
triptófano Trp W. 204 2.38 9.39 5,89 - 0,9 1.4
Polar, descargado
grupos R
serina Ser S 105 2.21 9.15 5.68 - 0,8 6.8
treonina thr t 119 2.11 9.62 5.87 - 0,7 5.9
cisteína Cis C 121 1,96 10.28 8.18 5.07 2.5 1.9
asparagina asn n 132 2.02 8.80 5.41 - 3.5 4.3
glutamina GlnQ 146 2.17 9.13 5.65 - 3.5 4.2
Cargado positivamente

grupos R
lisina lis k 146 2.18 8,95 10.53 9.74 - 3.9 5.9
histidina Su h 155 1,82 9.17 6.00 7,59 - 3.2 2.3
arginina Arg R 174 2.17 9.04 12.48 10.76 - 4,5 5.1
Cargado negativamente

grupos R
aspartato áspid d 133 1,88 9.60 3.65 2.77 - 3.5 5.3
Glutamato Pegamento 147 2.19 9.67 4.25 3.22 - 3.5 6.3

* Una escala que combina hidrofobicidad e hidrofilicidad de grupos R; se puede utilizar para medir la tendencia de un aminoácido a buscar un entorno
acuoso (valores -) o un entorno hidrofóbico (valores -). Consulte el Capítulo 11. De Kyte, J. & Doolittle, RF (1982) Un método simple para mostrar el
carácter hidropático de una proteína.J. Mol. Biol.157,105–132.

†Aparición promedio en más de 1.150 proteínas. De Doolittle, RF (1989) Redundancias en secuencias de proteínas. EnPredicción de la estructura de las proteínas y
principios de conformación de las proteínas.(Fasman, GD, ed.), págs. 599–623, Plenum Press, Nueva York.

Los aminoácidos se pueden clasificar por grupo R enumerados en la Tabla 3-1. Dentro de cada clase hay
gradaciones de polaridad, tamaño y forma de los grupos R.
El conocimiento de las propiedades químicas de los
aminoácidos comunes es fundamental para la comprensión de Grupos R alifáticos no polaresLos grupos R de esta clase de
la bioquímica. El tema se puede simplificar agrupando los aminoácidos son no polares e hidrofóbicos. Las cadenas
aminoácidos en cinco clases principales según las propiedades laterales dealanina, valina, leucina,yisoleucina tienden a
de sus grupos R (tabla 3-1), en particular, suspolaridad, o agruparse dentro de las proteínas, estabilizando la estructura
tendencia a interactuar con el agua a pH biológico (cerca de pH de las proteínas mediante interacciones hidrofóbicas. glicina
7,0). La polaridad de los grupos R varía ampliamente, desde no tiene la estructura más simple. Aunque formalmente es apolar,
polares e hidrofóbicos (insolubles en agua) hasta altamente su cadena lateral muy pequeña no contribuye realmente a las
polares e hidrofílicos (solubles en agua). interacciones hidrofóbicas.metionina, uno de los dos
Las estructuras de los 20 aminoácidos comunes se aminoácidos que contienen azufre, tiene un grupo tioéter no
muestran en la figura 3-5 y algunas de sus propiedades son polar en su cadena lateral.prolinatiene un
 3.1Aminoácidos 79

Grupos R alifáticos y no polares Grupos R aromáticos

ARRULLO- ARRULLO- ARRULLO- ARRULLO- ARRULLO- ARRULLO- ARRULLO-

- - h - - - -
h3norte CH h3NCH -
C h3norte CH h3norte CH h3NCH h3norte CH
h2norte CH2
h CH3 CH CH2 CH2 CH2
h2C CH2
CH3CH3 CH CH
glicina Alanina prolina Valina NUEVA HAMPSHIRE

ARRULLO- ARRULLO- ARRULLO- OH

- - -
h3norte CH h3norte C h h3norte CH
fenilalanina tirosina triptófano
CH2 h C CH3 CH2
CH CH2 CH2
CH3CH3 CH3 S Grupos R cargados positivamente
CH3 ARRULLO- ARRULLO- ARRULLO-
leucina isoleucina metionina - - -
h3norte CH h3norte CH h3norte CH
CH2 CH2 CH2

Grupos R polares y sin carga CH2 CH2 C NUEVA HAMPSHIRE

CH
ARRULLO- ARRULLO- ARRULLO- CH2 CH2
- - - C norte

h3norte CH h3norte C h h3norte CH CH2 NUEVA HAMPSHIRE h

-
-
CH2OH h C OH CH2 NUEVA HAMPSHIRE3 C NH2

CH3 SH NUEVA HAMPSHIRE2

serina treonina cisteína lisina arginina histidina

ARRULLO- ARRULLO- Grupos R cargados negativamente

- -
h3norte CH h3norte CH ARRULLO- ARRULLO-
- -
CH2 CH2 h3NCH h3norte CH
C CH2 CH2 CH2
h2norte oh C ARRULLO- CH2
h2norte oh ARRULLO-

asparagina glutamina aspartato Glutamato

FIGURA 3–5Los 20 aminoácidos comunes de las proteínas.Las fórmulas la histidina se muestra descargada, su pka(consulte la tabla 3-1) es tal que una
estructurales muestran el estado de ionización que predominaría a pH 7,0. Las fracción pequeña pero significativa de estos grupos está cargada positivamente a pH
porciones no sombreadas son las comunes a todos los aminoácidos; las 7,0.
porciones sombreadas en rojo son los grupos R. Aunque el grupo R de

cadena lateral alifática con una estructura cíclica distintiva. El grupo grupo funcional en algunas enzimas. La tirosina y el
amino secundario (imino) de los residuos de prolina se mantiene en triptófano son significativamente más polares que la
una conformación rígida que reduce la flexibilidad estructural de las fenilalanina, debido al grupo hidroxilo de tirosina y al
regiones polipeptídicas que contienen prolina. nitrógeno del anillo indol del triptófano.
El triptófano y la tirosina, y en mucha menor medida la
Grupos R aromáticosFenilalanina, tirosina,ytriptófano,con fenilalanina, absorben la luz ultravioleta (fig. 3-6; cuadro 3-1).
sus cadenas laterales aromáticas, son relativamente apolares Esto explica la característica fuerte absorbancia de la luz por
(hidrófobos). Todos pueden participar en interacciones parte de la mayoría de las proteínas a una longitud de onda de
hidrofóbicas. El grupo hidroxilo de la tirosina puede formar 280 nm, una propiedad explotada por los investigadores en la
enlaces de hidrógeno y es una función importante. caracterización de proteínas.