Biología, la vida en la tierra con fisiología Tomo 01-páginas-11

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E s t u d io d e c a s o
Proteínas sorprenden tes
—¿SA BES, U SA ? A veces pienso que e s to y enferm a 
— le d ijo Charlene a su herm ana. Chariene era una 
chica d e 22 a ñ o s , vital y ganadora d e becas en la 
escuela. En 2001 com enzó a p e rd e r la m em oria y 
a m ostra r cam b ios en su estado d e ánim o. Durante 
los tres año s posterio res , los sín tom as se agravaron. 
Sufría tem b lo res en las m anos y p adecía accesos en 
que mordía y go lpeaba a los dem ás. Dejó de cam inar 
y no podía deg lu tir. En ju n io d e 2004, C harlene se 
convirtió en la prim era estadounidense en morir 
v ictim a d e la en ferm edad d e las vacas locas, que 
m uy probablem ente contrajo m ás d e 10 año s antes, 
cuando v iv ió en Inglaterra.
Hasta m ed iados d e la década de 1990 las 
autoridades sanitarias no aceptaron q u e la 
enferm edad d e las vacas locas (encefalopatía 
espongiform e bovina , EEB) pod ía transm itirse a 
la gente que com ía carne de una res infectada. 
Aunque m illones d e personas hayan com ido carne 
contam inada, só lo unas 200 han m uerto en todo el 
m undo p o r la EEB en hum anos, o por una variante 
de la en ferm edad d e Creutzfeld-Jakob (EC J). Com o 
quiera q u e sea, la en ferm edad siem pre es m ortal.
El cerebro d e los en ferm os, sean personas con EC J 
o vacas con EEB , se llena d e o rific ios m icroscópicos 
que le d an una apariencia esponjosa.
¿De dónde v ien e la en ferm edad de las vacas locas? 
Desde hace siglos se sabe que las ove jas sufren 
una forma d e encefalopatía espong iform e llam ada 
tem bladera. Los c ientíficos creen que una m utación 
de la tem bladera pudo in fectar a las reses. qu izás a 
com ienzos d e la década d e 1980. En ese en tonces , el 
a lim ento d e las reses conten ía restos d e ove jas, entre 
los cuales p udo es ta r a lo jada la tem b ladera . Desde 
1986, cuando se detectó la EEB en e l ganado inglés, 
se han sacrificado e incinerado m illones d e reses 
para e v ita r la propagación de la enferm edad.
¿Por qué e s la en ferm ed ad d e las vacas locas 
especialm ente fascinante para los científicos?
A com ienzos de la década d e 1980, e l doctor 
Stanley Prusiner, investigador de la Universidad 
de California, en San Franc isco , sacud ió e l mundo 
científico con p ruebas d e que la causa d e la 
tem bladera era una prote ína, que no tiene material 
genético (ADN ni ARN ) y q u e esta p ro te ína transm itía 
la en ferm edad a an im ales experim enta les en el 
laboratorio . U am ó a las p rote ínas infecciosas p r io n e s 
(neologism o acuñado a pa rtir d e la frase "partícu las 
prote in icas infecciosas”).
¿3ué son las p ro te ínas? ¿En qué se d iferencian 
del AD N y e l A R N ? ¿Po r q u é una p ro te ína sin 
m aterial hereditario puede in fectar un organism o, 
reproducirse y causar una en ferm edad m orta l? Sigue 
leyendo para que lo averigües.
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M o l é c u l a s b io ló g i c a s 3 7
D e u n v i s t a z o
Estu d io d e caso Pro te ínas sorprendentes
3.1 ¿ P o r qué el c a rb o n o e s ta n im p o rtan te en las
m o lécu las b io ló g icas?
3 .2 ¿C ó m o se s in te tiz an las m o lécu las o rg án icas?
Se form an polím eros b io lógicos a l e lim inar ag u a y se 
degradan agregándola
3 .3 ¿Q u é son lo s ca rb o h id ra to s?
Basten varios m onosacáridos con estructuras Egeramente 
diferentes
Los d isacáridos constan d e d o s azúcares sim ples unidos 
mediante reacciones de síntesis p o r deshidratación 
En laces con la v id a d ia r ia A lim entos sintéticos 
lo s polisacáridos son cadenas d e m onosacáridos
3 .4 ¿Q u é son lo s Ifp id o s?
Aceites, grasas y ceras son líp idos q ue contienen sólo 
carbono, hidrógeno y oxígeno
Los fosfb llp idos tienen “ cabeza" soluble en agua y “ co la " 
insoluble en agua
Los esteroides constan d e cuatro anillos de carbono 
fusionados
\
3 .5 ¿Q u é son la s p ro te ín as?
Guard ián da la sa lud Co lestero l, g rasa s trans 
y el corazón 
Las proteínas se form an a p a rtir d e cadenas de 
am inoácidos
Los am inoácidos se unen para fo rm ar cadenas mediante 
reacciones de síntesis p o r deshidratación 
U n a protelna puede tener hasta cu a tro niveles de 
estructura
Estu d io d « caso continuación Proteínas sorprendentes 
D a carca Pro te ínas y tex tu ra d e l cabe llo 
Las funciones de las proteínas se relacionan con sus 
estructuras tridimensionales
3 .6 ¿Q u é son lo s n u cleó tid o s y lo s ácid os 
nucle ico s?
Los nucleótidos actúan com o portadores d e energía 
y m ensajeros íntracelulares
E l A D N y el A R N , m oléculas de la herencia, son ácidos 
nucleicos
Estu d io d a caso continuación Proteínas sorprendentes 
Es tu d io d a caso o tro v is taz o Proteínas sorprendentes
3.1 ¿PO R Q U É EL C A R B O N O ES TAN 
IM PO RT AN TE EN LAS M O LÉCU LAS 
B IO LÓ G ICAS?
S in duda habrás no tad o que llam an 'o rg á n ic a s ' a las frutas y ver­
duras cultivadas s in fertilizantes sintéticos; pero e n quím ica, lo o r ­
g á n ic o se refiere a las m oléculas que tienen un esqueleto de car­
b on o u n id o con átom os d e h id rógeno. E l té rm ino se deriva de la 
capacidad de los seres vivos d e s intetizar y usar este t ip o general de 
m o lécu la . la s m o lécu las in o rg á n ic a s , entre las q ue se encuentra 
el d ió x id o d e ca rbono (q u e n o tiene átom os d e h id ró g en o ) y todas 
las m oléculas s in ca rbono (co m o e l agua y la sa l) son m u cho me­
nos variadas y m ás sim ples que las orgánicas.
l a v id a se caracteriza por un a d ivers id ad d e m o lécu las 
q u e in teractúan d e m aneras sorp rendentem ente com p licadas, la s 
in teracciones m oleculares están gobernadas p o r las estructuras 
d e las m o lécu las y las p rop iedades qu ím icas q ue se desprenden de 
esas estructuras, l a v id a es u n estado d in ám ico ; puesto q ue las 
m o lécu las d e las célu las in teractúan un as co n otras, sus estruc­
turas y prop iedades q u ím icas cam bian . E n con junto , estos cam ­
bios orquestados co n p rec is ión dan a las célu las la capacidad de 
ad q u ir ir y ap rovechar nu trim entos, e lim in a r desechos, moverse, 
crecer y reproducirse.
E J versátil á to m o d e ca rbono e s la c lave d e la eno rm e varie­
dad d e m oléculas orgánicas q ue hacen posib le la v id a e n la T ierra. 
EJ á to m o de ca rbono tien e cuatro e lectrones e n su capa extem a, 
en la q ue cab en o ch o ; p o r tan to , un á to m o d e ca rbono se esta­
b iliz a s i se en laz a con otros cuatro, o fo rm an d o en laces d o b le s y 
triples. C o m o resu ltado, las m o lécu las o rgán icas pueden asum ir
form as com ple jas, co m o cadenas ram ificadas, an illo s , lám inas y 
hélices.
A l esqueleto de ca rb o n o se u n e n m o lécu las orgánicas co m o 
g ru p o s fu n c io n a le s , grupos d e átom os q ue d ete rm inan las ca­
racterísticas y la reactiv idad q u ím ica d e las m oléculas. Ix » grupos 
func iona les so n m enos estab les q ue e l esq ue leto d e ca rb o n o y es 
m ás p rob ab le q ue partic ipen e n las reacciones qu ím icas. U n gran 
n ú m e ro d e gm pos func iona les pueden unirse a las m o lécu las or­
gánicas. En la Tab la 3-1 se encuen tran los seis grupos funcionales 
m ás com unes d e m o lécu las bio lógicas.
A u n q u e las m o lécu las de la v id a son incre íb lem en te d ive r­
sas, casi to d as con tienen los m ism o s gm pos fu nc io na le s básicos. 
Adem ás, la m ayo r parte de las m o lécu las orgánicas grandes se 
sintetiza a partir d e un idades repetidas, co m o ve rem o s e n la sec­
c ió n siguiente.
3.2 ¿C Ó M O SE S IN TET IZAN LAS M O LÉCU LAS 
O R G Á N IC A S?
Aunque serla posible form ar un a m o lécu la com p le ja co m b in an ­
d o u n á to m o tras o tro de acuerdo con un m a p a detallado, la v id a 
sigue u n en fo q ue m olecular, por e l cual se ensam b lan m oléculas 
pequeñas, que se unen en tre s i. A s i co m o un tren está form ado 
p o r un a sucesión articulada d e vagones, las m oléculas orgánicas 
pequeñas (co m o m onosacáridos o am inoác idos) se unen para for­
m ar m oléculas grandes (co m o e l a lm idón o las proteínas), s im ila r 
a los vagones d e un tren, la s un idades ind iv iduales se llam an mo- 
n ó m e ro s (d e l griego, que s ign ifica 'u n a p ane*). Las cadenas de 
m onóm eros se llam an p o lím e ro s ( 'm u d u s p a r les ').
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3 8 *7.1 * 1 1 U v d a d e la c é lu la
Grupo Propiedad
H d ro ii lo
Carbonita
Carbo l i lo
Amlno
Sulfhldrlto
Fosfato
O H
V 8
<
A t i 
009
Polar: participa en las reacciones de deshidratación 
e hidrólisis
Polar; forma parte de moléculas hldrofillcas (solubles en 
agua)
Azúcares, almidón, ácidos nucleicos, 
alcoholes, algunos ácidos y estero«des
Azúcares, algunas hormonas, algunas 
vitaminas
Acido; el oxigeno con carga negativa se une i u n H - y Aminoácidos, ácidos grasos 
forma ácido carboxilico (—COOM); participa en los enlaces 
peptidlcos.
Base: puede unirse a un H ' adicional y adquirir una carga Aminoácidos, ácidos nucleicos 
positiva: participa en los enlaces peptidlcos.
Forma enlaces disulfuro en las proteínas. Algunos aminoácidos: muchas proteínas
Acido; enlaza nudeóbdos e n ácidos nucleicos; grupo que ácidos nucleicos; fosfolipidos 
transporta energía en el ATP (esta forma Ionizada se 
encuentra en ambientes celulares)
Se form an polím eros biológicos al elim inar 
agua y se degradan agregándola 
Las subunidades de las m oléculas biológicas grandes se unen m e ­
d ian te un a reacción q u ím ica llam ada s ín te s is p o r d esh id ra ta- 
d ó n , que litera lm ente s ign ifica 'fo rm a r por e lim in a d ó n d e ag u a '. 
En la síntesis por desh id ra tadón se suprim e u n ión hidrógeno 
( H ’ J d e un a suhun idad y un h id ro x ilo (O H - ) d e otra. Ix » espa­
d e s vacantes se llenan cuando estas unidades com parten electro­
nes y fo rm an u n en lace cova len te q ue las une . E l ión h id rógeno y el 
h id rox ilo se co m b in an para form ar un a m o lécu la d e agua ( H , 0 ), 
co m o se aprecia e n la F IG U R A 3-1, e n la q ue se usan unidades ar­
bitrarias.
a n te s » porO
>H H O \ _ / O H H O \____/ \ ____/ O H
h - %
A F IG U R A 3-1 S ín te s is p o r d e s h id ra ta d ó n
L a reacción inversa, la h id ró lis is (degrada co n ag u a ), de­
grada la m o lécu la d e nuevo e n sus subun idades origina les; el
agua d o n a un ión h id ró gen o a un a su h u n id ad y un ión h id ro x ilo 
a la o tra (F IG U R A 3-2).
Q — h ld ró fa« — 
° ^ L / o h h ( A — / oH O
A F IG U R A 3-2 H id ró lis is
+
O H H O O H
Las enz im as d igestivas usan la h id ró lis is para d egradar la 
com ida . Po r e jem p lo , e l a lm id ó n d e un a galleta está com puesto 
de un a serie de m o lécu las d e g lucosa (m o n o sacá rid o ; véase la fi­
gura 3-8). Las enzim as d e nuestra sa liva y d e l in testino delgado 
estim u lan la h id ró lis is d e l a lm id ó n e n m oléculas d e g lucosa que 
puedan absorberse.
A pesar d e la e n o rm e d ivers id ad de m o lécu las b io lóg icas, la 
m ayoría pertenece a un a d e cuatro categorías generales: ca rb o h i­
dratos, líp idos, p roteínas y ácidos nucle icos (Tab la 3-2).
3 .3 ¿Q U É SO N LO S C A R B O H ID R A T O S ?
la s m oléculas de c a r b o h id r a to * están com puestas de carbono, h i­
drógeno y oxigeno e n u n a p ropo rc ión de ap roxim adam ente 1:2:1. 
H a n fórm ula explica el o rigen de la palabra carbohidrato, q ue lite­
ralm ente significa: ca rbono m ás agua. Todos los carboh id ratos son 
a z ú ca re s pequeños y solubles e n agua o b ien polím eros de azúcar, 
co m o e l a lm id ó n . Si u n carboh id rato está fo rm ado p o r un a única 
m olécula d e azúcar, se llam a m o n o s a c á r id o (q u e e n griego signi-
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M o l é c u l a s b r o l ó g i i a » 3 9
Tipo y es tru c tu ra d e la m olécula Prin c ipa les subtipos y estructu ras Ejemplo Función
Carbohidratos: la mayoría 
contienen carbono, oxígeno 
e hidrógeno en la fórmula 
aproximada (C H ,0 ),
Monosacárldo: azúcar simple, por lo 
común con la fórmula C ,H „O t
Glucosa
Fructosa
U p id o s : contiene una gran 
proporción de carbono e 
hidrógeno. Casi todos los lipidos 
son no polares e insotubtes en 
agua
Pro te ínas: consta de una o más 
cadenas de aminoácidos; puede 
tener hasta cuatro niveles de 
estructura que determinan su 
función
Acidos nucleicos:
Nucleólldo: consta de un azúcar, 
una base y un grupo fosfato
Ácido nucleico: polímero formado 
de mxleótidos
D iiacárido: dos monosacáridos unidos Sacarosa
PoUsacárido: cadena de monosacáridos 
(normalmente glucosa)
Trighcérido: tres ácidos grasos unidos 
a gücerol
Cero: números variados de ácidos 
?a s o s unidos a una cadena larga de 
alcohol
Fosfolípida grupo fosfato polar y dos 
áridos grasos unidos a glicerol
Fiteroide: cuatro anillos fundidos 
de átomos de carbono con grupos 
funcionales unidos
Almidón 
Glucógeno 
Celulosa 
Acette. grasa
Ceras en cutículas 
vegetales
Fosfatidikolina
Colesterol
Ptptido: cadena corta de aminoácidos Oxitocina
Pobptptido: cadena larga de 
aminoácidos: conocida también como 
■protelna*
Nucleótldo: compuesto de un azúcar 
de cinco carbonos (ribosa o 
desoxlrrlbosa), una base nitrogenada 
y un grupo fosfato
Ácido nucleico: un polímero de 
unidades de nucleótidos unidos por 
enlaces covalentes entre sus grupos 
fosfato y azúcar
Hemoglobina
Adenosin trifosfato (ATP) 
Adenosin monofosfato 
cíclico (cAMP)
Acido desoxirrlbonucleico 
(AON)
Acido ribonucleico (ARN)
Fuente Importante de energía para las 
células; unidad de los pollsacáridos
Molécula para almacenar energia en 
frutas y miel 
Principal azúcar transportado por las 
plantas terrestres 
Almacenamiento de energia en plantas 
Almacenamiento de energía en animales 
Material estructural en plantas 
Almacenamiento de energía en animales 
y algunas plantas 
Recubrimiento impermeable en hojas 
y tallos de plantas terrestres
Componente de la membrana celular
Componente de la membrana de células 
eucarlontes; precursor de otros 
esteroides. como la testosterona y sales 
biliares
Hormona compuesta de nueve 
aminoácidos; sus funciones incluyen 
la estimulación de las contracciones 
uterinas durante el parto 
Proteina globular compuesta de cuatro 
unidades peptidkas; transporta oxigeno 
en la sangre de los vertebrados
Principal molécula transportadora de 
energia de corto plazo en las células 
Mensajero Intracelular
Material genético de todas las células 
En las células, esencial para la síntesis de 
las proteínas con la secuencia genética 
copiada del AON; material genético de 
algunos virus
fica azúcar ú n ica ). C u a n d o dos m onosacáridos se unen , fo rm an 
u n d is a c á r ld o (d os azúcares) y un p o lím ero co n m uchos sacári- 
dos se llam a p o H s a c á r id o (m u ch o s azúcares). Los carboh idratos 
co m o e l a lm id ó n guardan energ ía e n las células, m ien tras que 
o tros carboh id ratos refuerzan las paredes celu lares d e vegetales, 
hongos y bacterias, o fo rm an el exocsqueleto d e l cuerpo de insec­
tos, cangrejos y otros.
S i agregas azúcar al ca fé o a l té, sabes q u e se d isue lve e n el 
agua. E s to es p o rq u e los grupos func iona les h id rox ilos del azúcar 
son polares y fo rm an en laces d e h id ró gen o co n las m o lécu las po­
lares del agua (F IG U R A 3-3).
Existen varios m onosacáridos con estructuras 
ligeram ente diferentes
Los m onosacáridostienen u n esqueleto de ir es a siete átom os de 
carbono. Casi todos estos á to m o s tienen u n id o u n g n ip o hid ró ­
geno ( — 11) y un g rup o h id ro x ilo (— O l í ) ; p o r tan to , los carbohi­
dratos tienen la fó rm u la q u ím ica ap rox im ada (C H ,0 )» , donde n
A F IG U R A 3-3 D is o lu c ió n d e l a z ú c a r e n a g u a l a glucosa 
se disuelve cuando los grupos hidroxllos polares d e cada molécula 
de azúcar form an enlaces de hidrógeno con la s moléculas de agua 
cercanas.
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4 0 H i ; i | i 7 J » « U v K l a d e la c é lu la
(c) Form o añ ilad o , oon es fe ras 
y va r ila s
C 6H nO t
(a) Fórm ula quím ica (b) Form o In e a l. con es fe ras 
y varillas
*
4d Form e onAoda, sim plificado
A F IG U R A 3*4 R e p re se n ta c ió n d e la e s tru c tu ra d e la g b c o s a
lo s químicos dibujan la misma molécula d e varias formas. <a)
Fórmula química de la glucosa; (b ) forma lineal, que ocurre cuando la 
glucosa e s un cristal sólido; (c, d ) dos representaciones de la forma 
anillada de la glucosa, que se forma al disolverse en agua. En (d). 
cada articulación sin nombre e s un átomo d e carbono; tos carbonos 
están numerados como referencia. En la figura 3-3 se muestra una 
* prese ntación tridimensional de la estructura anillada de la glucosa.
es el nú m ero de carbonos del esqueleto. C u an d o se d isu e lve en 
agua, a s í co m o e n e l c itop lasm a d e un a célu la, el esqueleto de 
ca rb o n o d e l azúcar fo rm a u n a n illo . Las F IG U R A S 3-4 y 3-3 m ues­
tran las form as de representar la estructura q u fm ica co m ú n de 
la g lu co sa . C u an d o veas estructuras s im p lificadas, recuerda que 
toda 'u n ió n ' de un a n il lo o un a cadena q ue n o esté m arcada es 
u n á to m o d e carbono.
l a g lucosa es el m o no sacárido m ás co m ú n d e los organis­
mos vivos y es un a u n id ad d e m u chos polisacáridos. La g luco ­
sa tien e seis carbonos, a s í q u e su fó rm u la qu fm ica es Q H u O * . 
M u ch o s organism os sin te tizan otros m onosacáridos q u e tienen 
la m ism a fó rm u la q u fm ica d e la glucosa, aunq ue estructuras lige­
ram ente d istintas. Éstos in c lu yen la fructosa (e l azúcar d e la fruta, 
q ue está e n las frutas, jarabe d e m a íz y m ie l) y l a galactosa (parte 
d e l d isacárid o lactosa, lla m a d o azúcar d e la leche; F IG U R A 3-5).
fructosa galactosa
A F IG U R A 3-5 M o n o sa cá r id o s
O tro s m onosacáridos co m u nes , co m o la ribo sa y la des- 
o x im b osa (q u e se encuentran e n e l A R N y el A D N , respectiva­
m en te ), tienen c in co carbonos. O bserva e n la F IG U R A 3-6 q ue la 
desoxirribosa (desoxi- s ign ifica q u ita r e l o x íg eno ) tien e u n á to m o 
d e oxígeno m enos q ue la ribo sa p o rq u e un á to m o de h id rógeno 
reem p laza u n o d e los gm pos h id ro x ilo s funcionales e n la ribosa.
Los d isacáridos constan de dos azúcares 
sim ples unidos m ediante reacciones 
de síntesis p o r deshidratación
lo s m onosacáridos pueden unirse m ediante reacciones d e síntesis 
p o r deshidratación para form ar d isacáridos o polisacáridos (F IG U ­
RA 3-7). M u ch as veces, los d isacáridos a lm acenan energía a co n o 
filazo, especia lm ente e n las plantas. C u an d o se requiere energía, 
los d isacáridos se degradan e n sus m onosacáridos por reacciones 
d e h idró lisis ( idase la figura 3-2) y luego éstos se degradan para li­
berar la energ ía guardada e n losen laces quím icos. M uchos a lim en ­
tos contienen disacáridos. Q u iz á desayunaste pan tostado y café 
con crem a y azúcar. Agregaste a l café la s a c a ro sa (u n d isacárido
ribosa
A F IG U R A 3-6 M o n o s a c á r id o s d e a n c o ca rb o n os
A F IG U R A 3-7 S ín te s is d e un d isa cá r id o l a sacarosa se sintetiza en una reacción de síntesis por deshidratación 
en la q ue se retira e l hidrógeno d e la glucosa y d grupo hldroxlto de la fructosa para form ar una molécula d e agua 
y dejar ctos amitos de monosacáridos unidos por enlaces sim ples aJ átomo de oxigeno que queda.
P R E G U N T A Describe la hidrólisis de esta molécula.
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