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Biochemical book...

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Lehninger

Principios de David L. Ne

Índice general Prólogo

1 Fundamentos de la bioquímica

I ESTRUCTURA Y CATÁLISIS 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

El agua Aminoácidos, péptidos y proteínas Estructura tridimensional de las proteínas Función de las proteínas Enzimas Glúcidos y glucobiología Nucleótidos y ácidos nucleicos Tecnologías de la información basadas en el DNA Lípidos Membranas biológicas y transporte Bioseñalización

II BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO 13 Bioenergética y tipos de reacciones bioquímicas 14 Glucólisis, gluconeogénesis y ruta de las pentosas fosfato 15 Principios de regulación metabólica 16 El ciclo del ácido cítrico 17 C t b li d l á id

vi

1

1

1.1

45 47 75 115 157 189 243 281 313 357 385 433

501 505 543 587 633 667

1.2

xvi

Índice de materias

1.5 Fundamentos evolutivos Los cambios en las instrucciones hereditarias hacen posible la evolución Las primeras biomoléculas aparecieron por evolución química Los primeros genes y catalizadores podrían haber sido moléculas de RNA o precursores relacionados La evolución biológica empezó hace más de tres mil quinientos millones de años La primera célula utilizó probablemente combustibles inorgánicos Las células eucarióticas evolucionaron a partir de precursores más simples a través de diversas fases La anatomía molecular revela relaciones evolutivas La genómica funcional permite asignar genes a procesos celulares específicos Las comparaciones genómicas tienen una importancia cada vez mayor en la biología y medicina humanas

32 32 33

2.4 El a 2.5 La

a lo

34

3 Am

35

3.1 Am

35 36 38 39 39

Los Los Los

REC Los Los

I ESTRUCTURA Y CATÁLISIS

45

Los

2 El agua

47

La

2.1 Interacciones débiles en los sistemas acuosos

47

Los

Los enlaces de hidrógeno confieren al agua sus propiedades extraordinarias El agua forma enlaces de hidrógeno con los solutos polares El agua interacciona electrostáticamente con los solutos cargados La entropía aumenta cuando se disuelve una sustancia cristalina Los gases apolares son poco solubles en agua Los compuestos apolares fuerzan cambios energéticamente desfavorables en la estructura d l

47 49 50 51 51

51

3.2 Pé Los Los Los Alg

3.3 Tra

4.2 Estructura secundaria de las proteínas La hélice a es una estructura secundaria habitual en proteínas

120 120

RECUADRO 4–1 MÉTODOS. Cómo distinguir la mano derecha de la izquierda

121

La secuencia de aminoácidos afecta a la estabilidad de la hélice a 122 La conformación b organiza las cadenas polipeptídicas en forma de hoja 123 Los giros b son frecuentes en las proteínas 123 Las estructuras secundarias comunes tienen ángulos diedros característicos 124 Las estructuras secundarias comunes pueden evaluarse mediante dicroísmo circular 124

4.3 Estructuras terciaria y cuaternaria

de las proteínas Las proteínas fibrosas están adaptadas a una función estructural

125 126

RECUADRO 4–2 La ondulación permanente es un ejemplo de ingeniería bioquímica En las proteínas globulares, la diversidad estructural refleja la diversidad funcional

127 129

5.2

RECUADRO 4–3 MEDICINA. Curación de enfermedades mediante la inhibición de topoisomerasas La mioglobina proporcionó las primeras claves acerca de la complejidad de las estructuras proteicas globulares

130 132

RECUADRO 4–4 El banco de datos de estructura de proteínas (Protein Data Bank, PDB) RECUADRO 4–5 MÉTODOS. Métodos para determinar la estructura tridimensional de una proteína Las proteínas globulares tienen estructuras terciarias diversas Los motivos proteicos constituyen la base de la clasificación estructural de las proteínas

133 134 137 139

5.3

xviii

Índice de materias

La relación entre concentración de sustrato y velocidad de reacción enzimática se expresa en términos cuantitativos 202 Los parámetros cinéticos se utilizan para comparar actividades enzimáticas 203

RECUADRO 6–1 Transformaciones de la ecuación de MichaelisMenten: gráfica de los dobles recíprocos Muchos enzimas catalizan reacciones en las que intervienen dos o más sustratos La cinética del estado preestacionario puede aportar pruebas sobre pasos específicos de la reacción Los enzimas están sujetos a inhibición reversible o irreversible

204

REC

7.2 Pol Alg Alg Los

206 Las 206 Los 207

RECUADRO 6–2 Pruebas cinéticas para determinar los mecanismos de inhibición RECUADRO 6–3 MEDICINA. Un caballo de Troya bioquímico para la curación de la enfermedad del sueño africana

209

7.3 Glu

211

Los

La actividad enzimática depende del pH

212

6.4 Ejemplos de reacciones enzimáticas

214

Las

214

Los

218

7.4 Los

219

Las

El mecanismo de la quimotripsina implica acilación y desacilación de un residuo Ser El conocimiento del mecanismo de las proteasas conduce a nuevos tratamientos para las infecciones con VIH En la hexoquinasa se produce un encaje inducido durante la unión del sustrato El mecanismo de reacción de la enolasa requiere la presencia de iones metálicos La lisozima utiliza dos reacciones de desplazamiento nucleofílico sucesivas La compresión de los mecanismos enzimáticos impulsa importantes avances en antibióticos útiles

6.5 Enzimas reguladores Los enzimas alostéricos experimentan cambios de conformación en respuesta a la unión de

yg

inf

220 220 224

226

Las

7.5 Tra

8 Nu 8 1 Alg

8.4 Otras funciones de los nucleótidos Los nucleótidos transportan energía química en las células Los nucleótidos de adenina forman parte de muchos cofactores enzimáticos Algunos nucleótidos son moléculas reguladoras

306 306 307 308

9 Tecnologías de la información basadas en el DNA

313

9.1 Estudio de los genes y sus productos

314

Los genes pueden aislarse por clonación de DNA 314 El DNA recombinante se obtiene mediante endonucleasas de restricción y DNA ligasa 314 Los vectores de clonación permiten la amplificación de fragmentos de DNA insertados 317 La expresión de genes clonados puede producir grandes cantidades de proteína 321 Para expresar proteínas recombinantes se usan muchos sistemas diferentes 321 La alteración de los genes clonados produce proteínas modificadas 323 Las etiquetas terminales crean sitios de unión para la purificación por afinidad 325 La reacción en cadena de la polimerasa puede amplificar secuencias génicas 327

RECUADRO 9–1 MÉTODOS. Una herramienta poderosa en la medicina forense

329

9.2 Métodos basados en el DNA para comprender la

función de las proteínas Las bibliotecas genómicas, o genotecas, proporcionan catálogos especializados de información genética Las relaciones entre las secuencias o las estructuras suministran información sobre la función de las proteínas

10.

331 332

333

10.

xx

Índice de materias Las proteínas integrales son sostenidas en la membrana por interacciones hidrofóbicas con lípidos A partir de su secuencia puede predecirse a veces la topología de una proteína integral de membrana Lípidos unidos covalentemente anclan algunas proteínas de membrana

11.2 Dinámica de membranas

12.2 R 390

E 391

R

394

D

395

E

Los grupos acilo del interior de la bicapa están ordenados en grados diferentes 395 El movimiento de lípidos transbicapa requiere catálisis 396 Lípidos y proteínas difunden lateralmente en la bicapa 397 Los esfingolípidos y el colesterol se agrupan conjuntamente en balsas de membrana 398 La curvatura y la fusión de membranas son cruciales en muchos procesos biológicos 399 Ciertas proteínas integrales de la membrana plasmática favorecen la adhesión superficial, la señalización y otros procesos celulares 402

11.3 Transporte de solutos a través de membranas

402

Proteínas de membrana facilitan el transporte pasivo 403 Los transportadores y los canales iónicos son fundamentalmente diferentes 404 El transportador de glucosa de los eritrocitos facilita el transporte pasivo 405 El intercambiador de cloruro-bicarbonato cataliza el cotransporte electroneutro de aniones a través de la membrana plasmática 406

RECUADRO 11–1 MEDICINA. Transporte defectuoso de glucosa y de agua en dos formas de diabetes

m

408

El transporte activo da lugar al movimiento de soluto contra un gradiente de concentración o un gradiente electroquímico 409

E D

R E L

12.3 R L E E L

12.4 R

q 12.5 P

d

Proteína quinasas tipo receptor transducen señales de péptidos

475

12.10 Transducción sensorial en la vista, el olfato

y el gusto

476

El sistema visual utiliza mecanismos GPCR clásicos La rodopsina excitada actúa a través de la proteína G transducina reduciendo la concentración de cGMP La señal visual se interrumpe rápidamente Los conos están especializados en la visión en color

476 478 478 480

13.

RECUADRO 12–4 MEDICINA. Daltonismo: experimento de John Dalton desde la tumba El olfato y el gusto en vertebrados utilizan mecanismos similares al sistema visual Los GPCR de los sistemas sensoriales comparten diversas características con los GPCR de los sistemas de señalización hormonal

480 481 482

12.11 Regulación del ciclo celular por proteína quinasas 483 El ciclo celular tiene cuatro fases Los niveles de las proteína quinasas dependientes de ciclina experimentan oscilaciones Las CDK regulan la división celular por fosforilación de proteínas clave

484 484 487

12.12 Oncogenes, genes supresores de tumores

y muerte celular programada Los oncogenes son formas mutadas de genes de proteínas que regulan el ciclo celular Defectos en ciertos genes eliminan las restricciones normales sobre la división celular

488 488 489

RECUADRO 12–5 MEDICINA. Desarrollo de inhibidores de proteína quinasas para el tratamiento del cáncer

490

La apoptosis es el suicidio celular programado

493

É

14 14.

xxii

Índice de materias Algunas fermentaciones microbianas dan lugar a algunos alimentos comunes y productos químicos industriales

14.4 Gluconeogénesis

R 566

568

La conversión del piruvato en fosfoenolpiruvato requiere dos reacciones exergónicas 570 La conversión de la fructosa-1, 6-bisfosfato en fructosa 6-fosfato constituye el segundo rodeo 572 La conversión de la glucosa-6-fosfato en glucosa constituye el tercer rodeo 572 La gluconeogénesis es energéticamente cara, pero es esencial 573 Los intermediarios del ciclo del ácido cítrico y muchos aminoácidos son glucogénicos 573 Los mamíferos no pueden convertir los ácidos grasos en glucosa 574 La glucólisis y la gluconeogénesis están reguladas de forma recíproca 574

RECUADRO 14–4 MEDICINA. ¿Por qué Pitágoras no comía Un defecto en la transcetolasa agrava el síndrome de Wernicke-Korskakoff La glucosa 6-fosfato se reparte entre la glucólisis y la ruta de las pentosas fosfato

L L E L L

575

La fase oxidativa produce pentosas fosfato y NADPH 575 La fase no oxidativa recicla las pentosas fosfato a glucosa 6-fosfato 575

falafel? Deficiencia de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa

L

R

14.5 Ruta de las pentosas fosfato para la oxidación

de la glucosa

L

15.4 M L L

576 E 579 580

R

15 Principios de regulación metabólica

587

L

15.1 Regulación de las rutas metabólicas

588

15.5 R

Las células y organismos mantienen un estado estacionario dinámico

589

y L

RECUADRO 16–2 Sintasas y sintetasas; ligasas y liasas; quinasas, fosfatasas y fosforilasas: una nomenclatura confusa

646

La energía de las oxidaciones del ciclo se conserva de forma eficiente

647

RECUADRO 16–3 Citrato: una molécula simétrica que reacciona asimétricamente

648

¿Por qué es tan complicada la oxidación del acetato? 649 Los componentes del ciclo del ácido cítrico son importantes intermediarios biosintéticos 650 Las reacciones anapleróticas reponen los intermediarios del ciclo del ácido cítrico 650 La biotina de la piruvato carboxilasa transporta grupos CO2 652

16.3 Regulación del ciclo del ácido cítrico La producción de acetil-CoA por el complejo de la piruvato deshidrogenasa está regulada por mecanismos alostéricos y covalentes El ciclo del ácido cítrico está regulado en sus tres pasos exergónicos En el ciclo del ácido cítrico puede darse la canalización de sustratos a través de complejos multienzimáticos Algunas mutaciones en enzimas del ciclo del ácido cítrico producen cáncer

16.4 Ciclo del glioxilato El ciclo del glioxilato produce compuestos de cuatro carbonos a partir de acetato Los ciclos del ácido cítrico y del glioxilato tienen una regulación coordinada

17 Catabolismo de los ácidos grasos

653

18 18.

654 655 655 656

656 657 658

667

17.1 Digestión, movilización y transporte de grasas 668 Las grasas de la dieta se absorben en el intestino

17.

18.

xxiv

Índice de materias Los electrones pasan a través de una serie de transportadores unidos a membrana Los transportadores de electrones actúan en complejos multienzimáticos Los complejos mitocondriales se pueden asociar formando respirasomas La energía de la transferencia de electrones se conserva eficientemente en un gradiente de protones Durante la fosforilación oxidativa se producen especies de oxígeno reactivas

735 738

Las mitocondrias de plantas tienen mecanismos alternativos para oxidar el NADH

19.2 Síntesis de ATP

19.6 C L

742

L

743

19.7 A

745

RECUADRO 19–1 Calor, plantas malolientes y rutas respiratorias alternativas

FOTOSÍ

746 746

L L L

747

19.8 E

La ATP sintasa tiene dos dominios funcionales, Fo y F 1 749 En la superficie de F1, el ATP está estabilizado en relación al ADP 750 El gradiente de protones impulsa la liberación del ATP de la superficie del enzima 750 Cada subunidad b de la ATP sintasa puede adoptar tres conformaciones diferentes 751 La catálisis rotacional es la clave en el mecanismo de unión y cambio de la síntesis de ATP 753 ¿De qué modo el flujo protónico a través del Complejo Fo produce movimiento rotatorio? 754 El acoplamiento quimiosmótico permite que las estequiometrías del consumo de O2 y de la síntesis de ATP no se correspondan con números enteros 755

d

RECUADRO 19–2 MÉTODOS. Microscopia de fuerza atómica para visualizar las proteínas de membrana La fuerza protón-motriz suministra energía para el transporte activo Sistemas de lanzadera envían indirectamente NADH it óli l it di id ió

756 756 757

L F D L E E T E

19.9 S U

La ruta de recuperación del fosfoglicolato es costosa En las plantas C4, la fijación del CO2 y la actividad rubisco tienen lugar en espacios separados

814

21.

815

RECUADRO 20–1 ¿Aumentará la ingeniería genética la eficiencia de los organismos fotosintéticos? En las plantas CAM, la captura del CO2 y la acción de la rubisco están separadas en el tiempo

20.3 Biosíntesis del almidón y la sacarosa La ADP-glucosa es el sustrato de la síntesis de almidón en los plastidios de las plantas y de la síntesis de glucógeno en las bacterias La UDP-glucosa es el sustrato de la síntesis de sacarosa en el citosol de las células de las hojas La conversión de triosas fosfato en sacarosa y almidón está estrechamente regulada

816 818

819 819 819 820

20.4 Síntesis de polisacáridos de la pared celular:

celulosa vegetal y peptidoglucano bacteriano La celulosa se sintetiza por estructuras supramoleculares en la membrana plasmática Oligosacáridos unidos a lípidos son precursores en la síntesis de la pared celular bacteriana

21.

822 822 824

20.5 Integración del metabolismo glucídico

en la célula vegetal La gluconeogénesis convierte las grasas y proteínas en glucosa en las semillas en germinación Fondos o reservas (“pools”) de intermediarios comunes unen rutas en diferentes orgánulos

824 825 826

21 Biosíntesis de lípidos

833

21.1 Biosíntesis de ácidos grasos e icosanoides

833

El malonil-CoA se forma a partir del acetil-CoA y del bicarbonato

833

xxvi

Índice de materias Tres aminoácidos no esenciales y seis aminoácidos esenciales se sintetizan a partir de oxalacetato y piruvato El corismato es un intermediario clave en la síntesis del triptófano, la fenilalanina y la tirosina La biosíntesis de la histidina utiliza precursores de la biosíntesis de purinas La biosíntesis de los aminoácidos se halla bajo control alostérico

22.3 Moléculas derivadas de aminoácidos

E L 896 896 897 897

901

La glicina es un precursor de las porfirinas El hemo es la fuente de los pigmentos biliares La biosíntesis de la creatina y del glutatión se realiza a partir de aminoácidos Los D-aminoácidos se encuentran sobre todo en las bacterias

901 903

905

RECUADRO 22–2 MEDICINA. Sobre reyes y vampiros

907

905

Los aminoácidos aromáticos son precursores de muchos compuestos presentes en los vegetales 907 Las aminas biógenas son productos de descarboxilación de los aminoácidos 907 La arginina es el precursor de la síntesis biológica del óxido nítrico 908

22.4 Biosíntesis y degradación de los nucleótidos La síntesis de novo de los nucleótidos de purina empieza con el PRPP La biosíntesis de los nucleótidos de purina está regulada por retroinhibición Los nucleótidos de pirimidina se sintetizan a partir de aspartato, PRPP y carbamil fosfato La biosíntesis de los nucleótidos de pirimidina está regulada por retroinhibición Los nucleósidos monofosfato se convierten en nucleósidos trifosfato Los ribonucleótidos son los precursores de los desoxirribonucleótidos

910

R E L

23.3 R L L E D L E L

23.4 O E

910

L

913

L

913

E

915

L

915

L

917

L

El subenrollamiento del DNA se define por el número de enlace topológico 988 Las topoisomerasas catalizan cambios en el número de enlace del DNA 990

26 26.