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Bioquímica CURSO BÁSICO Tr a d u c c i ó n d e l a segunda edición original

John L. Tymoczko Jeremy M. Berg Lubert Stryer

Barcelona · Bogotá · Buenos Aires · Caracas · México

Registro bibliográfico (ISBD) Tymoczko, John L. [Biochemistry. A Short Course. Second Edition. Español] Bioquímica : Curso básico / John L. Tymoczko, Jeremy M. Berg, Lubert Stryer; versión española traducida por: Juan Manuel González Mañas. – Barcelona : Reverté, 2014. XXVII , 727, [104] p. : il. col. ; 28 cm. Traducción de : Biochemistry. A Short Course. Second Edition. – Glosario. Índice. DL B. 4083-2014. – ISBN 978-84-291-7603-2 1. Bioquímica. I. Berg, Jeremy, coaut. II. Stryer, Lubert, coaut. III. González Mañas, Juan Manuel, trad. IV. Título. 577.1

Título de la obra original: Biochemistry. A Short Course, Second Edition.

Edición original en lengua inglesa publicada por W. H. FREEMAN AND COMPANY, New York and Basingstoke Copyright © 2013, 2010 by W. H. Freeman and Company. All Rights Reserved

Edición en español: © Editorial Reverté, S. A., 2014 ISBN: 978-84-291-7603-2

Versión española traducida por: Juan Manuel González Mañas Dr. en Ciencias Biológicas (Especialidad Bioquímica) Profesor Titular del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad del País Vasco (UPV-EHU) FORMACIÓN DE INTERIORES: Reverté-Aguilar, S. L. CORRECCIÓN DE TEXTOS: Carlos Cistué Solá DISEÑO DE LA CUBIERTA: David Kimura + Gabriela Varela

Propiedad de: EDITORIAL REVERTÉ, S. A. Loreto, 13-15. Local B Tel: (34) 93 419 33 36 Fax: (34) 93 419 51 89 08029 Barcelona. España [email protected]

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Reservados todos los derechos. La reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, queda rigurosamente prohibida sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas por las leyes. Impreso en España - Printed in Spain ISBN: 978-84-291-7603-2 Depósito Legal: B. 4083-2014 Impresión y encuadernación: Grafo, S. A. Basauri – España # 1407

Sobre los autores

John L. Tymoczko está en posesión de la Cátedra Towsley de Biología en el Carleton College, donde imparte docencia desde 1976. Actualmente enseña Bioquímica, Bases Metabólicas de las Enfermedades Humanas, Oncogenes y Biología Molecular del Cáncer y Bioquímica del Ejercicio, y colabora en la docencia de un curso preliminar: Flujos de Energía en Sistemas Biológicos. En 1970, el profesor Tymoczko se licenció en la Universidad de Chicago y, en 1973, se doctoró en Bioquímica por la Universidad de Chicago bajo la dirección de Shutsung Liao en el Instituto Ben May para la Investigación del Cáncer. Posteriormente, consiguió una plaza posdoctoral con Hewson Swift, del Departamento de Biología de la Universidad de Chicago. Su investigación se ha centrado en receptores de esteroides, partículas de ribonucleoproteína y en el procesamiento de receptores mediante enzimas proteolíticas.

Jeremy M. Berg se licenció y graduó en Química por la Universidad de Stanford (donde investigó junto a Keith Hodgson y Lubert Stryer) y se doctoró en Química por la Universidad de Harvard bajo la dirección de Richard Holm. Posteriormente, consiguió una beca posdoctoral para trabajar en Biofísica bajo la supervisión de Carl Pabo en la Escuela de Medicina de la Universidad Johns Hopkins. Entre 1986 y 1990 fue Profesor Titular del Departamento de Química de la Universidad Johns Hopkins. Después, se trasladó a la Escuela de Medicina de la Universidad Johns Hopkins en calidad de Catedrático y Director del Departamento de Biofísica y Biofísica Química, donde permaneció hasta 2003. Entre 2003 y 2011 prestó sus servicios como Director del Instituto Nacional de Ciencias Médicas en el Instituto Nacional de la Salud. En 2011 se trasladó a la Universidad de Pittsburgh, donde es Vicecanciller Senior Adjunto de Estrategia Científica y Planificación, así como miembro de la facultad en el Departamento de Biología Computacional y de Sistemas. Ha sido galardonado con el Premio de Química Pura otorgado por la American Chemical Society (1994), el Premio Eli Lilly para la Investigación Fundamental en Química Biológica (1995), el Premio al Joven Científico más destacado del año en Maryland (1995), el premio Harrison Howe otorgado por la Sección Rochester de la American Chemical Society (1997), el premio Howard Schachman al Servicio Público otorgado por la American Society for Biochemistry and Molecular Biology (2011) y el premio al Servicio Público otorgado por la American Chemical Society (2011). Es miembro del Instituto de Medicina de la Academia Nacional de Ciencias y de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia. Mientras trabajaba en la Universidad Johns Hopkins recibió el premio W. Barry Wood a la Docencia (seleccionado por los estudiantes de medicina), el premio a la Docencia de estudiantes de Grado y el premio al Catedrático Docente en Ciencias Preclínicas.

Lubert Stryer posee la Cátedra Winzer de Biología Celular (en calidad de emérito) en la Escuela de Medicina y es Catedrático emérito de Neurobiología en la Universidad Stanford, en cuya facultad ha permanecido desde 1976. Se graduó en la Escuela de Medicina de Harvard. El profesor Stryer ha sido galardonado con numerosos premios por su investigación sobre las interacciones entre la luz y la vida, incluyendo el premio Eli Lilly para la Investigación Fundamental en Química Biológica y el premio al Inventor más Destacado, otorgado por la Intellectual Property Owners’ Association y es miembro electo de la Academia Nacional de Ciencias y de la Sociedad Filosófica Americana. En 2006, se le concedió la Medalla Nacional de la Ciencia. La publicación de la primera edición de Biochemistry, en 1975, revolucionó la enseñanza de la Bioquímica.

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omo seres humanos, somos expertas máquinas de aprendizaje. Mucho antes de que un bebé descubra que es capaz de modificar una hoja de papel haciendo una bola con ella, ya está adquiriendo ingentes cantidades de información. Este aprendizaje prosigue a lo largo de su vida en infinidad de formas: aprendiendo a montar en bici y a copiar hábitos sociales de sus amigos; aprender a conducir un coche y a cuadrar un talonario de cheques; aprender a resolver una ecuación cuadrática y a interpretar una obra de arte. Gran parte del aprendizaje es necesario para la supervivencia, e incluso los organismos más sencillos aprenden a evitar el peligro y a reconocer el alimento. Sin embargo, los seres humanos tienen un don especial, ya que también adquirimos habilidades y conocimientos para hacer que nuestras vidas sean más plenas y tengan más sentido. Muchos estudiantes saben que leer novelas y ver películas incrementa la calidad de nuestras vidas porque podemos expandir nuestros horizontes colocándonos, a través de otros, en situaciones que nunca experimentaríamos, reaccionando con solidaridad o sin ella ante personajes que nos recuerdan a nosotros mismos o que son muy distintos de cualquier persona que hayamos conocido. Pero curiosamente nosotros, los profesores de ciencias, a veces olvidamos que los cursos de ciencias pueden resultar enriquecedores o reveladores de nuestra condición humana. Larry Gould, antiguo presidente del Carleton College, fue también geólogo y explorador del Ártico. Como científico, profesor y administrador, estaba muy interesado en la educación científica, sobre todo en cómo se relacionaba con otras disciplinas. En la charla inaugural que ofreció al ser nombrado presidente dijo “la Ciencia es una parte del mismo todo, al igual que la filosofía y los demás campos del conocimiento. No son disciplinas mutuamente excluyentes sino que son interdependientes y se solapan entre sí”. Nuestro objetivo era escribir un libro que anime a los estudiantes a considerar la bioquímica desde esta perspectiva más amplia, como una forma de enriquecer su conocimiento del mundo.

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La Bioquímica en su contexto La Bioquímica, por muy esotérica que pueda parecer por sí sola, resulta más fácil de comprender si se estudia en un contexto que afecta al estudiante. A lo largo del libro haremos hincapié en estas conexiones.

Novedades en esta edición Esta segunda edición incorpora recientes descubrimientos y avances que han cambiado nuestra forma de pensar en relación con los conceptos fundamentales de la bioquímica y de la salud humana. Se ha prestado especial atención a los siguientes temas:

pítulos 16 y 18)

En el índice detallado, que comienza en la página xvii, las secciones nuevas se destacan como NOVEDAD .

Técnicas experimentales En esta nueva edición, nuestra descripción de las técnicas experimentales se ha actualizado, ampliado e incluido en la versión impresa del libro de texto. El Capítulo 5, Técnicas en bioquímica de proteínas, y el Capítulo 41, Tecnología del DNA recombinante, describen las técnicas más importantes utilizadas por los bioquímicos en el pasado, así como las nuevas tecnologías que permiten a los bioquímicos realizar descubrimientos en los laboratorios de hoy en día.

El metabolismo en su contexto: dieta y obesidad Los nuevos conocimientos relacionados con el papel de la leptina en la sensación de hambre y de saciedad han cambiado radicalmente nuestra forma de pensar sobre la obesidad y la creciente epidemia de diabetes. En las secciones “El metabolismo en su contexto” de esta edición, tratamos la integración del metabolismo en relación con la dieta y la obesidad. Mostrando cómo los productos de una ruta afectan, o se ven afectados, por otros, logramos que los estudiantes vuelvan a considerar la visión global de la bioquímica. Los estudiantes ven que las rutas que están estudiando en un momento dado no existen de forma aislada sino que operan en concierto con las otras rutas que ya han estudiado. Por medio de ejemplos de la relación que existe entre el control metabólico y la obesidad, el cáncer y el ejercicio, la conexión entre la vida y la bioquímica se hace visible de una forma mucho más sencilla. El metabolismo de todas las biomoléculas está integrado en los siguientes apartados:

(Capítulo 17) (Capítulo 25) diversos estados fisiológicos (Capítulo 27)

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Aspectos clínicos En los Aspectos clínicos, los estudiantes ven cómo los conceptos considerados en ese apartado afectan a un aspecto de una enfermedad o de su curación. Analizando los conceptos bioquímicos en el contexto de una enfermedad, los estudiantes aprenden por qué estos conceptos son relevantes para la vida humana y qué ocurre cuando la bioquímica se descontrola. Algunos ejemplos de las cuestiones que planteamos a lo largo del libro sobre la salud humana incluyen:

Aspecto clínico Mutaciones en el factor de iniciación 2 provocan un curioso estado patológico Las mutaciones en el factor de iniciación 2 eucariótico dan lugar a una misteriosa enfermedad denominada enfermedad de la sustancia blanca evanescente (VWM), en la que las células nerviosas del cerebro desaparecen y son sustituidas por líquido cerebroespinal (Figura 40.13). La sustancia blanca del cerebro está formada fundamentalmente por axones nerviosos que conectan la sustancia gris del cerebro con el resto del organismo. La muerte, que sobreviene a causa de la fiebre o del coma generalizado, puede producirse en cualquier momento en un intervalo comprendido entre unos pocos años y décadas después de aparecer la enfermedad. Un aspecto particularmente enigmático de la enfermedad es su especificidad tisular. Es de esperar que una mutación en un proceso bioquímico tan importante para la vida como lo es la iniciación de la síntesis de proteínas sea letal o que, por lo menos, afecte a todos los tejidos del organismo. Las enfermedades como la VWM muestran de manera gráfica que, aunque se han realizado grandes avances en bioquímica, todavía se necesita mucha más investigación para comprender la complejidad de la salud y de la enfermedad. ■

go si beben leche? (p. 285) Figura 40.13 Efectos de la enfermedad de la sustancia blanca evanescente.

blando, el cáncer y hacer ejercicio? (p. 292)

(A) En el cerebro normal, las imágenes obtenidas mediante resonancia magnética (MRI) permiten visualiz ar la sustancia blanca, que aparece en color gris oscuro. (B) En el cerebro enfermo, la MRI pone de manifiesto que la sustancia blanca es reemplaz ada por el fluido cerebroespinal, que aparece de color blanco. [Cortesía de

los nucleótidos? (p. 568) en una ruta bioquímica sencilla? (p. 286)

(A)

Marjo S. van der Knaap, M.D., Ph.D., VU University Medical Center, Holanda.]

(B)

(p. 512)

(p. 619) (pp. 592 y 620)

Aspectos biológicos La bioquímica afecta a todos los aspectos de nuestro mundo, a veces de forma extraña y sorprendente. Al igual que los Aspectos clínicos, los Aspectos biológicos refuerzan los conocimientos de los estudiantes sobre los conceptos bioquímicos a medida que aprenden cómo unos sencillos cambios en los procesos bioquímicos pueden tener efectos espectaculares. Nuestro objetivo consiste en enriquecer los conocimientos del estudiante sobre su mundo contestando a preguntas como las siguientes:

Aspecto biológico En las patatas, la clorofila sugiere la presencia de una toxina A la hora de identificar patatas venenosas, la síntesis de clorofila es una señal de advertencia. La luz activa una ruta nociva de las patatas que da lugar a la síntesis de solanina, un alcaloide tóxico. Entre los alcaloides vegetales se incluyen moléculas como la nicotina, la cafeína, la morfina, la cocaína y la codeína. CH3 CH3 CH3

O

CH3

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OH O O

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do? (p. 362)

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de comérselo? (p. 242)

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Solanina

La solanina es tóxica para los animales porque inhibe la acetilcolinesterasa, una enzima crucial para el control de la transmisión de los impulsos nerviosos. Se cree que la planta sintetiza solanina para disuadir a los insectos de que se coman la patata. La luz también hace que las patatas sinteticen clorofila, lo que da lugar a que los tubérculos se vuelvan verdes. Las patatas verdes han estado expuestas a la luz y, por tanto, es probable que también estén sintetizando solanina (Figura 22.9). Por este motivo, es mejor no comer patatas verdes ni patatas fritas que tengan los bordes de color verde. ■

tas verdes? (p. 395)

portamiento de los cerdos? (p. 378) A modo de referencia rápida para los profesores se incluye, en la página x, una lista de todos los Aspectos clínicos y biológicos.

Figura 22.9 Patatas tóxicas. Las patatas expuestas a la luz sintetiz an clorofila, lo que da lugar a patatas verdosas. La luz también activa una ruta que provoca la síntesis de solanina, un alcaloide tóxico. Las patatas fritas hechas con patatas expuestas a la luz tienen los bordes verdes. [Science Photo Library/Alamy.]

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Ejemplos nutricionales Existen abundantes ejemplos de la relación subyacente entre la nutrición y la bioquímica. En esta edición, algunos ejemplos responden a preguntas como estas:

En la página xi hay una lista completa de los ejemplos nutricionales incluidos en esta edición.

Apéndice con enzimas y coenzimas Hemos incluido un apéndice con un nuevo diseño que incluye nueve vitaminas clave, con información importante, como los principales alimentos donde se encuentran, las enfermedades provocadas por una insuficiencia, la cantidad diaria recomendada y la página del libro en la que se estudia detalladamente cada vitamina. Esta tabla se encuentra en las páginas A6-A15.

Enseñanza y aprendizaje con este libro Además de proporcionar un marco contextual atractivo para la bioquímica a lo largo del libro, hemos incluido varias alternativas para que los estudiantes comprueben su grado de comprensión, refuercen las conexiones entre las diversas partes del libro y practiquen lo que han aprendido.

Enfoque aplicado en los temas difíciles Teniendo en cuenta las opiniones de profesores de toda Norteamérica, hemos prestado especial atención a los aspectos que resultan difíciles para los estudiantes, creando nuevas secciones, como, por ejemplo::

utiliza un enfoque aplicado para ayudar a los estudiantes a comprender el concepto de pH. tes a reconocer qué pueden hacer las enzimas.

Problemas al final de cada capítulo Cada capítulo incluye un amplio conjunto de problemas prácticos. En la segunda edición se ha incrementado en un 50% el número de problemas que aparecen al final de cada capítulo.

cálculos, conocer las estructuras químicas y los conceptos que resultan difíciles para la mayoría de los estudiantes. análisis de datos y la obtención de conclusiones científicas. conceptos que aparecen en diversos capítulos. Al final del libro, las Soluciones a los Problemas incluyen, de forma breve, las soluciones a todos los problemas que aparecen al final de cada capítulo. Con mucho gusto, ofrecemos soluciones ampliadas en el nuevo libro de acompañamiento Student Companion, elaborado por Frank Deis, Nancy Counts Gerber, Richard Gumport y Roger Koeppe. En la página xiii se pueden encontrar más detalles sobre este complemento.

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Objetivos de aprendizaje En clase, los objetivos de aprendizaje se utilizan de muchas formas distintas. Para ayudar a reforzar los conceptos clave al tiempo que el estudiante está leyendo el capítulo, hemos marcado estos conceptos con el símbolo ✓ y un número. Estos distintivos aparecen en la introducción de cada sección, así como en los capítulos en los que se presentan los conceptos clave. También están asociados a algunos problemas del final de cada capítulo para ayudar a los estudiantes a desarrollar habilidades a la hora de resolver problemas y para ayudar a los profesores a la hora de evaluar el grado de comprensión de los estudiantes en relación con algunos de los conceptos clave de cada capítulo.

En este capítulo analizaremos las propiedades de los diversos niveles de la estructura de las proteínas. Posteriormente, investigaremos cómo la estructura primaria determina la estructura tridimensional final. ✓ 2 Comparar y contrastar los distintos niveles de estructura de las proteínas y cómo se relacionan entre sí.

4.1 Estructura primaria: los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos para formar cadenas polipeptídicas Las proteínas son complicadas moléculas tridimensionales, pero su estructura tridimensional depende básicamente de su estructura primaria −los polímeros lineales formados por la unión del grupo -carboxilo de un aminoácido con el grupo -amino de otro aminoácido. El enlace que une los aminoácidos en una proteína se denomina enlace peptídico (también llamado enlace amida). La formación de un dipéptido a partir de dos aminoácidos va acompañada de la pérdida de una molécula de agua (Figura 4.1). En casi todos los casos, el equilibrio de esta reacción está desplazado hacia la hidrólisis en lugar de hacia la síntesis. Por tanto, la biosíntesis de enlaces peptídicos requiere un aporte de energía libre. No obstante, los enlaces peptídicos son bastante estables desde el punto de vista cinético porque la velocidad de hidrólisis es extremadamente baja; en ausencia de catalizador, la vida media de un enlace peptídico en disolución acuosa se aproxima a los 1.000 años.

Anotaciones al margen En el libro de texto recurrimos a las anotaciones al margen de varias formas para ayudar a captar la atención de los estudiantes, resaltar la importancia de la bioquímica en sus vidas y hacerla más accesible.

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