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Las bases químicas de la vida
CAPÍTULO
2
Las bases químicas
de la vida
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Las bases químicas de la vida
Imagen de inicio de capítulo
Un complejo formado entre dos
macromoléculas diferentes. Una porción de
una molécula de DNA (mostrada en azul)
forma un complejo con una proteína
integrada por dos subunidades
polipeptídicas, una en rojo y la otra en
amarillo. Las partes de la proteína que se
insertan en los surcos del DNA reconocieron
y se unieron a una secuencia específica de
nucleótidos en la molécula de ácido
nucleico. (CORTESÍA DE A.R. FERRÉ-D’AMARÉ Y
STEPHEN K. BURLEY.)
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Las bases químicas de la vida
FIGURA 2-1 Representación de la disposición de
electrones en un número de átomos comunes.
Los electrones se encuentran alrededor del núcleo
del átomo en “nubes” u orbitales, definidos de
manera general por sus límites, que pueden tener
una forma esférica o de pesa. Cada orbital contiene
un máximo de dos electrones, razón por la cual los
electrones (puntos oscuros en la figura) se agrupan
en pares. La capa más interna contiene un solo orbital
(por tanto, dos electrones), la segunda capa tiene
cuatro orbitales (ocho electrones), la tercera también
tiene cuatro orbitales, etc. El número de electrones
de la capa externa determina las propiedades
químicas de un elemento. Los átomos con un número
similar de electrones en la capa externa tienen
propiedades similares. Por ejemplo, el litio (Li) y el
sodio (Na) poseen un electrón en la capa externa y
ambos son metales muy reactivos. Los átomos de
carbono (C) y silicio (Si) pueden unirse con cuatro
átomos diferentes. Sin embargo, por su tamaño un
átomo de carbono puede unirse con otros átomos de
carbono y crear moléculas orgánicas de cadena larga,
mientras que el silicio es incapaz de formar moléculas
comparables. El neón (Ne) y el argón (Ar) tienen
completa su capa externa, lo que los hace apenas
reactivos; se conocen como gases inertes.
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Las bases químicas de la vida
FIGURA 2-2 La disolución de un
cristal salino.
Cuando se colocan en agua, los
iones Na+ y Cl− de un cristal de
sal quedan rodeados por
moléculas de agua, lo que
rompe los enlaces iónicos entre
ambos iones. Conforme la sal se
disuelve, los átomos de oxígeno
con carga negativa de las
moléculas de agua se relacionan
con los iones de sodio que
tienen carga positiva; los átomos
de hidrógeno con carga positiva
del agua se relacionan con los
iones cloro, de carga negativa.
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FIGURA 2-3 Los enlaces iónicos no
covalentes
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FIGURA 2-3 Los enlaces iónicos no covalentes
tienen una función importante para mantener la
molécula proteínica de la derecha (átomos
amarillos) junto a la molécula de DNA a la
izquierda. Se forman enlaces iónicos entre los
átomos de nitrógeno con carga positiva en la
proteína y los átomos de oxígeno
electronegativos del DNA. La molécula misma de
DNA consiste en dos cadenas separadas que se
mantienen unidas por enlaces de hidrógeno no
covalentes. Aunque un solo enlace no covalente
es relativamente débil y fácil de romper, una gran
cantidad de estos enlaces entre dos moléculas,
como los que hay entre dos cadenas de DNA,
hacen que el complejo sea bastante estable.
(IMAGEN SUPERIOR POR CORTESÍA DE STEPHEN
HARRISON.)
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FIGURA 2-4 Enlaces de hidrógeno
FIGURA 2-4 Enlaces de hidrógeno formados
entre un átomo electronegativo, como el
nitrógeno u oxígeno, que tiene una carga
negativa parcial, y un átomo de hidrógeno, que
tiene una carga positiva parcial. Los enlaces de
hidrógeno (de unos 0.18 nm) casi siempre
miden dos veces más que los enlaces
covalentes, mucho más fuertes.
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FIGURA 2-5 En una interacción hidrófoba
FIGURA 2-5 En una interacción
hidrófoba, las moléculas no polares
(hidrófobas) se reúnen en agregados,
lo que disminuye su exposición a las
moléculas de agua circundantes.
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(b)
(a)
FIGURA 2-6 Fuerzas de van der Waals.
(a) Conforme dos átomos se aproximan uno al otro, experimentan una fuerza de atracción débil que aumenta
hasta una distancia específica, casi siempre de unos 4 Å. Si los átomos se aproximan más, sus nubes de
electrones se repelen, lo que separa a los átomos. (b) Aunque las fuerzas de van der Waals individuales son
muy débiles, pueden formarse una gran cantidad de estas fuerzas de atracción si dos macromoléculas tienen
superficies complementarias, como se indica en este esquema (la figura 2-40 presenta un ejemplo).
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FIGURA 2-7 Formación de enlace de hidrógeno
entre moléculas de agua vecinas.
Cada átomo de hidrógeno de la molécula tiene casi
0.4 partes de una carga positiva completa y un solo
átomo de oxígeno tiene 0.8 partes de una carga
negativa completa.
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FIGURA 2-8 La importancia del
agua en la estructura de la
proteína.
Se muestran las moléculas de
agua (cada una con un solo
átomo de oxígeno rojo y dos
grises más pequeños de
hidrógeno) en sus sitios
ordenados entre las dos
subunidades de una molécula de
hemoglobina de almeja. (TOMADA
DE MARTIN CHAPLIN, NATURE REVS.
MOL. CELL BIOL. 7:864, 2006 ©
COPYRIGHT 2006, MACMILLAN
MAGAZINES LIMITED.)
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FIGURA 2-9 Colesterol
FIGURA 2-9 Colesterol, cuya estructura ilustra la forma en que los átomos de carbono (representados
por círculos negros) son capaces de crear enlaces covalentes hasta con otros cuatro átomos de carbono.
Como resultado, los átomos de carbono pueden unirse para formar los esqueletos de una variedad
ilimitada de moléculas orgánicas. La columna central de carbono de la molécula de colesterol incluye
cuatro anillos, lo cual es característico de los esteroides (p. ej., estrógenos, testosterona, cortisol). La
molécula de colesterol mostrada se trazó con un modelo de esferas y barras, otra manera de mostrar la
estructura molecular.
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(a)
FIGURA 2-10 Monómeros y polímeros; polimerización e hidrólisis
(b)
FIGURA 2-10 Monómeros y polímeros; polimerización e hidrólisis. (a) Los polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos constan de
monómeros (subunidades) unidas por enlaces covalentes. Los monómeros libres no reaccionan simplemente cada uno con el
otro para convertirse en macromoléculas sino que cada monómero se activa primero por la unión con una molécula portadora
que luego transfiere el monómero al extremo de la macromolécula en crecimiento. (b) Una macromolécula se desarma por
hidrólisis de los enlaces que unen los monómeros. La hidrólisis es la división de un enlace por el efecto del agua. Todas estas
reacciones están catalizadas por enzimas específicas.
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FIGURA 2-11 Generalidades de los tipos de
moléculas biológicas que conforman varias
estructuras celulares.
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FIGURA 2-12 La
estructura de
los azúcares.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
FIGURA 2-12 La estructura de los azúcares. (a) Fórmula en cadena recta de la fructosa, una cetohexosa
(ceto- indica que el carbonilo [amarillo] se localiza dentro y hexosa que contiene seis carbonos). (b)
Fórmula en cadena recta de la glucosa, una aldohexosa (aldo- significa que el carbonilo está en el extremo
de la molécula). (c) Reacción espontánea en la cual la glucosa cambia de una cadena abierta a un anillo
cerrado (un anillo de piranosa). (d) La glucosa se representa casi siempre en la forma de un anillo plano
(planar) perpendicular a la página, con la línea gruesa situada cerca del lector, y los grupos H y OH
proyectados arriba o debajo del anillo. La base para la designación de la d-glucosa α se explica en la
sección siguiente. (e) La configuración en silla de la glucosa representa su estructura tridimensional con
más exactitud que el anillo plano de la parte d. ( f ) Un modelo de esferas y barras de la conformación en
silla de la glucosa.
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FIGURA 2-13 Estereoisomerismo de gliceraldehído.
( a) Los cuatro grupos unidos a un átomo de carbono
(marcados a, b, c y d) ocupan las cuatro esquinas de
un tetraedro con el átomo de carbono al centro. (b)
El gliceraldehído es la única aldosa con tres carbonos;
su segundo átomo de carbono está unido con cuatro
grupos diferentes (—H, —OH, —CHO y —CH2OH).
Como resultado, hay dos configuraciones posibles
para el gliceraldehído que no pueden superponerse,
sino que son imágenes en espejo una de la otra,
como se indica. Estos dos estereoisómeros (o
enantiómeros) pueden distinguirse por la
configuración de los cuatro grupos alrededor del
átomo de carbono asimétrico (o quiral). Las
soluciones de estos dos isómeros rotan la luz
polarizada en plano en direcciones contrarias, por lo
que se dice que tienen actividad óptica. (c) Fórmulas
en cadena recta del gliceraldehído. Por convención,
el d-isómero se presenta con el grupo OH a la
derecha.
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(a)
(b)
(c)
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FIGURA 2-14 Aldotetrosas.
FIGURA 2-14 Aldotetrosas. Como tienen dos átomos de carbono asimétricos, las
aldotetrosas pueden existir en cuatro configuraciones.
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FIGURA 2-15 Formación de piranosas  y .
Cuando una molécula de glucosa experimenta una reacción espontánea para formar un anillo de
piranosa (o sea, un anillo de seis elementos), se generan dos estereoisómeros. Los dos isómeros están
en equilibrio entre sí mediante la forma en cadena abierta de la molécula. Por convención, la molécula
es una piranosa α cuando el grupo OH del primer carbono se proyecta por debajo del plano del anillo, y
una piranosa β si el grupo hidroxilo se proyecta hacia arriba.
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(a)
FIGURA 2-16 Disacáridos.
La sacarosa y la lactosa son dos de los
disacáridos más frecuentes. La sacarosa se
compone de glucosa y fructosa unidas por
un enlace α(1 → 2), mientras que la
lactosa se forma con glucosa y galactosa
unidas por un enlace β(1 → 4).
(b)
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FIGURA 2-17 Tres polisacáridos con
monómeros de azúcar idénticos pero
con propiedades muy diferentes.
El glucógeno (a), almidón (b) y celulosa (c) están
compuestos sólo por subunidades de glucosa,
pero sus propiedades químicas y físicas son muy
diferentes por las maneras distintas en que se
unen los monómeros (los tres tipos diferentes de
uniones se indican con números en un círculo).
Las moléculas de glucógeno son las más
ramificadas, las moléculas de almidón adquieren
una configuración helicoidal y las moléculas de
celulosa son muy largas y sin ramificación.
Mientras que el glucógeno y el almidón
almacenan energía, las moléculas de celulosa se
agrupan en fibras resistentes adecuadas para su
función estructural. Las micrografías electrónicas
coloreadas muestran los gránulos de glucógeno en
una célula de hígado, granos de almidón
(amiloplastos) en una semilla vegetal y las fibras
de celulosa en una pared celular vegetal; cada una
se indica con una flecha. (Fotos en recuadros:
[arriba] Don Fawcett/Visuals Unlimited; [centro]
Jeremy Burgess/Photo Researchers; [abajo]
Cabisco/Visuals Unlimited.)
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(a)
(b)
(c)
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FIGURA 2-18 La quitina es el componente
principal del exoesqueleto brillante de este
saltamontes. (Tomada de Robert y Linda
Mitchell.)
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FIGURA 2-19 Grasas y ácidos grasos.
(a) Estructura básica de un triacilglicerol
(también llamado triglicérido o grasa neutra).
La fracción glicerol, indicada en color naranja,
está unida por tres enlaces éster a los grupos
carboxilo de tres ácidos grasos cuyas colas se
muestran en verde. (b) Ácido esteárico, un
ácido graso saturado de 18 carbonos,
frecuente en las grasas animales. (c) Modelo
tridimensional de un triestearato, un
triacilglicerol que contiene tres cadenas
idénticas de ácido esteárico. (d) Modelo
tridimensional del aceite de linaza, un
triacilglicerol derivado de semillas de linaza
que tiene tres ácidos grasos insaturados
(ácidos linoleico, oleico y linolénico). Los sitios
de instauración, que producen ángulos en la
molécula, se indican por las barras de color
amarillo y naranja.
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(a)
(b)
(c)
(d)
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FIGURA 2-20 Los jabones consisten en
ácidos grasos.
En este esquema de una micela de
jabón, las colas no polares de los ácidos
grasos se dirigen al interior, donde
interactúan con la materia grasa a
disolver. Las cabezas de carga negativa
relativa se sitúan en la superficie de la
micela, donde interactúan con el agua
circundante. Las proteínas de la
membrana, que tienden a ser insolubles
en agua, también pueden solubilizarse
de esta manera mediante la extracción
de membranas con detergentes.
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FIGURA 2-21 La estructura de los
esteroides.
Todos los esteroides comparten el
esqueleto básico de cuatro anillos. Las
diferencias aparentemente menores
en la estructura química entre el
colesterol, testosterona y estrógenos
generan profundas diferencias
biológicas.
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FIGURA 2-22 El fosfolípido fosfatidilcolina.
La molécula consiste en una columna central de glicerol cuyos grupos hidroxilo están unidos mediante
enlaces covalentes con dos ácidos grasos y un grupo fosfato. El fosfato de carga negativa también está
unido con un pequeño grupo colina de carga positiva. El extremo de la molécula que contiene la
fosforilcolina es hidrofílico, mientras que el extremo opuesto, consistente en la cola del ácido graso, es
hidrófobo. La estructura y función de la fosfatidilcolina y otros fosfolípidos se describen con detalle en la
sección 4.3.
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FIGURA 2-23 Dos ejemplos
de las miles de estructuras
biológicas compuestas
sobre todo por proteína.
(a)
(b)
FIGURA 2-23 Dos ejemplos de las miles de estructuras biológicas compuestas sobre todo por
proteína. Éstas incluyen (a) plumas, que son adaptaciones en las aves para aislamiento térmico, vuelo e
identificación sexual, y (b) las lentes oculares, como en esta araña lanzadora de red, que enfoca los
rayos de luz. (A: DARRELL GULIN/GETTY IMAGES; B: MANTIS WILDLIFE FILMS/OXFORD SCIENTIFIC FILMS/ANIMALS
ANIMALS.)
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(a)
FIGURA 2-24 Estructura de aminoácido.
(b)
(c)
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Modelo de esferas y barras (a) y fórmula
química (b) de un aminoácido en el que R
puede ser cualquiera de varios grupos
químicos (fig. 2-26). (c) La formación de un
enlace peptídico ocurre por condensación de
dos aminoácidos, que aquí se presentan en
estado sin carga. En la célula, esta reacción
ocurre en un ribosoma, cuando un aminoácido
se transfiere de una molécula portadora
(tRNA) al extremo de una cadena polipeptídica
en crecimiento (fig. 11-49).
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FIGURA 2-25 Estereoisomerismo de aminoácido.
Como el carbono α de todos los aminoácidos, salvo la glicina, está unido con cuatro grupos diferentes,
existen dos estereoisómeros posibles. Se muestran las formas d y l de la alanina.
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(a)
FIGURA 2-26 Estructura química de los aminoácidos.
Estos 20 aminoácidos (a), (b), (c) y (d) son los más frecuentes en las proteínas y, en particular, los
codificados por el DNA. Pueden existir otros aminoácidos como resultado de alguna modificación a
alguno de los que se presentan. Los aminoácidos se clasifican en cuatro grupos según la naturaleza de
sus cadenas laterales, como se describe en el texto. Todas las moléculas se ilustran como aminoácidos
libres en su estado ionizado, como se encontrarían en solución con pH neutro.
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(b)
FIGURA 2-26 Estructura química de los aminoácidos. (Continuación)
Estos 20 aminoácidos (a), (b), (c) y (d) son los más frecuentes en las proteínas y, en particular, los
codificados por el DNA. Pueden existir otros aminoácidos como resultado de alguna modificación a
alguno de los que se presentan. Los aminoácidos se clasifican en cuatro grupos según la naturaleza de
sus cadenas laterales, como se describe en el texto. Todas las moléculas se ilustran como aminoácidos
libres en su estado ionizado, como se encontrarían en solución con pH neutro.
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(c)
FIGURA 2-26 Estructura química de los aminoácidos. (Continuación)
Estos 20 aminoácidos (a), (b), (c) y (d) son los más frecuentes en las proteínas y, en particular, los
codificados por el DNA. Pueden existir otros aminoácidos como resultado de alguna modificación a
alguno de los que se presentan. Los aminoácidos se clasifican en cuatro grupos según la naturaleza de
sus cadenas laterales, como se describe en el texto. Todas las moléculas se ilustran como aminoácidos
libres en su estado ionizado, como se encontrarían en solución con pH neutro.
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(d)
FIGURA 2-26 Estructura química de los aminoácidos. (Continuación)
Estos 20 aminoácidos (a), (b), (c) y (d) son los más frecuentes en las proteínas y, en particular, los
codificados por el DNA. Pueden existir otros aminoácidos como resultado de alguna modificación a
alguno de los que se presentan. Los aminoácidos se clasifican en cuatro grupos según la naturaleza de
sus cadenas laterales, como se describe en el texto. Todas las moléculas se ilustran como aminoácidos
libres en su estado ionizado, como se encontrarían en solución con pH neutro.
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FigurA 2-27 La ionización de aminoácidos polares,
con carga.
(a)
(b)
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(a) La cadena lateral del ácido glutámico pierde un
protón cuando su grupo ácido carboxílico se ioniza. El
grado de ionización del grupo carboxilo depende del
pH del medio: cuanto más alta es la concentración de
iones hidrógeno (pH bajo), menor es el porcentaje de
grupos carboxilo en estado ionizado. Por el contrario,
un aumento del pH incrementa la ionización del protón
del grupo carboxilo, lo que eleva el porcentaje de las
cadenas laterales de ácido glutámico con cargas
negativas. El pH en el cual 50% de las cadenas laterales
está ionizado y 50% no, se conoce como pK, que es 4.4
para la cadena lateral del ácido glutámico libre. Con pH
fisiológico, casi todos los residuos del ácido glutámico
del polipéptido tienen carga negativa. (b) La cadena
lateral de la lisina se ioniza cuando su grupo amino
gana un protón. Cuanto más alta es la concentración
de iones hidroxilo (pH alto), menor es el porcentaje de
grupos amino con carga positiva. El pH en el cual 50%
de las cadenas laterales de la lisina está cargado y 50%
no, es 10.0, que es el pK para la cadena lateral de la
lisina libre. Con pH fisiológico, todos los residuos de
lisina de un polipéptido tienen carga positiva. Una vez
incorporados en un polipéptido el pK de un grupo
cargado depende mucho del ambiente circundante.
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Las bases químicas de la vida
FIGURA 2-28
Disposición de
residuos hidrofílicos
e hidrófobos de
aminoácidos en la
proteína soluble del
citocromo c
(a)
(b)
FIGURA 2-28 Disposición de residuos hidrofílicos e hidrófobos de aminoácidos en la proteína soluble del
citocromo c. (a) Las cadenas laterales hidrofílicas, que se muestran en verde, se sitúan sobre todo en la
superficie de la proteína, donde están en contacto con el medio acuoso circundante. (b) Los residuos
hidrófobos, en rojo, se localizan principalmente en el centro de la proteína, sobre todo en la proximidad del
grupo hem central. (ILUSTRACIÓN, IRVING GEIS. IMAGEN DE IRVING GEIS COLLECTION/HOWARD HUGHES MEDICAL INSTITUTE.
DERECHOS PROPIEDAD DE HHMI. REPRODUCIDA SÓLO CON AUTORIZACIÓN.)
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Las bases químicas de la vida
FIGURA 2-29 Micrografía electrónica de barrido
FIGURA 2-29 Micrografía electrónica de barrido de un eritrocito de una persona con anemia
drepanocítica. Compárese con la micrografía de un eritrocito normal en la figura 4-32a. (Cortesía de J. T.
Thornwaite, B. F. Cameron y R. C. Leif.)
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FIGURA 2-30 La hélice .
(a)
(b)
(c)
FIGURA 2-30 La hélice . (a) Linus Pauling (izquierda) y Robert Corey con un modelo en madera de la hélice α. El modelo tiene una escala de 1
pulgada por Å, lo que representa una amplificación de 254 millones de veces. (b) Trayectoria helicoidal alrededor de un eje central que sigue la
columna central del polipéptido en una región de la hélice α. Cada giro completo (360°) de la hélice corresponde a 3.6 residuos de aminoácidos.
La distancia sobre el eje entre residuos adyacentes es de 1.5 Å. (c) Disposición de los átomos de la columna central de la hélice α y los enlaces de
hidrógeno que se forman entre los aminoácidos. Por la rotación helicoidal, los enlaces peptídicos de cada cuatro aminoácidos quedan muy
próximos entre sí. La unión de un grupo carbonilo (C—— O) de un enlace peptídico con el grupo imino (H—N) de otro enlace peptídico da lugar a
la formación de enlaces hidrógeno entre ellos. Los enlaces de hidrógeno (barras naranja) son paralelos al eje del cilindro y por tanto mantienen
unidos los giros de la cadena. (a: por cortesía de The Archives, California Institute of Technology.)
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Las bases químicas de la vida
FIGURA 2-31 La hoja  plisada.
(a) Cada polipéptido de la hoja β asume una
conformación extendida, pero plisada conocida
como cadena β. Los pliegues se deben a la
localización de los carbonos α arriba y debajo del
plano de la hoja. Las cadenas laterales sucesivas
(grupos R en la figura) se proyectan hacia arriba y
abajo de la columna central. La distancia sobre el
eje que hay entre residuos adyacentes es 3.5 Å.
(b) Una hoja β plegada consiste en un número de
cadenas β paralelas entre sí y unidas por un
conjunto regular de enlaces de hidrógeno entre
los grupos carbonilo e imino de las columnas
centrales adyacentes. Los segmentos vecinos de
la columna central polipeptídica pueden
encontrarse paralelos (en la misma dirección
terminal N → terminal C) o antiparalela (dirección
opuesta terminal N → terminal C). (ILUSTRACIÓN DE
IRVING GEIS. IMAGEN DE LA IRVING GEIS
COLLECTION/HOWARD HUGHES MEDICAL INSTITUTE.
DERECHOS DE HHMI. SÓLO PUEDE REPRODUCIRSE CON
AUTORIZACIÓN.)
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(a)
(b)
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Las bases químicas de la vida
FIGURA 2-32 Un modelo de listón de la
ribonucleasa.
Las regiones de la hélice α se presentan
como espirales y las cadenas β como listones
aplanados con flechas que indican la
dirección terminal N → terminal C del
polipéptido. Los segmentos de la cadena que
no adoptan una estructura secundaria
regular (o sea, hélice α o cadena β) consisten
sobre todo en asas y rizos, y se muestran en
verde claro. Los enlaces disulfuro se indican
en azul. (TOMADA DE UN DIBUJO DE JANE S.
RICHARDSON.)
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FIGURA 2-33 Patrón de difracción de rayos X
de la mioglobina.
El patrón de manchas se produce por un haz de
rayos X difractado por los átomos en el cristal
de proteína, lo que hace que los rayos X
choquen con la película en sitios específicos. La
información obtenida de la posición e
intensidad (oscuridad) de las manchas puede
usarse para calcular las posiciones de los
átomos que difractaron el haz en la proteína, lo
que da lugar a estructuras complejas, como la
que se muestra en la figura 2-34. (POR CORTESÍA
DE JOHN C. KENDREW.)
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Las bases químicas de la vida
(a)
(b)
FIGURA 2-34 Estructura tridimensional de la mioglobina.
(a) Estructura terciaria de la mioglobina de ballena. La mayor parte de los aminoácidos forma parte de hélices
α. La mayor parte de las regiones no helicoidales son giros, donde la cadena polipeptídica cambia de dirección.
La posición del hem está indicada en rojo. (b) Estructura tridimensional de la mioglobina (hem indicado en
rojo). Se muestran las posiciones de todos los átomos de la molécula, salvo el hidrógeno. (A: ILUSTRACIÓN DE
IRVING GEIS. IMAGEN DE IRVING GEIS COLLECTION/HOWARD HUGHES MEDICAL INSTITUTE. DERECHOS DE HHMI. REPRODUCIDA
SÓLO CON AUTORIZACIÓN; B: KEN EDWARD/PHOTO RESEARCHERS.)
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FIGURA 2-35 Tipos de enlaces no covalentes que mantienen la conformación de las proteínas.
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FIGURA 2-36 Las proteínas se forman con
unidades estructurales, o dominios.
La enzima de mamíferos fosfolipasa C está
formada por cuatro dominios, indicados en
colores distintos. El dominio catalítico de la
enzima se muestra en azul. Cada dominio de
esta enzima puede encontrarse de manera
independiente en otras proteínas, como se
indica con el color equivalente. (TOMADA A
PARTIR DE LISA HOLM Y CHRIS SANDER, STRUCTURE
5:167, 1997.)
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FIGURA 2-37 Movimientos dinámicos dentro de la enzima acetilcolinesterasa.
Se presenta una parte de la enzima en dos conformaciones distintas: 1) una conformación cerrada (izquierda) en la que la entrada
al sitio catalítico está bloqueado por la presencia de anillos aromáticos que forman parte de las cadenas laterales de los residuos
de tirosina y fenilalanina (en color púrpura), y 2) una conformación abierta (derecha) en la que los anillos aromáticos de estas
cadenas laterales se quitaron del camino, lo que abre una “compuerta” para permitir que las moléculas de acetilcolina entren al
sitio catalítico. Estas imágenes se reconstruyeron con programas computacionales que toman en cuenta mucha información
sobre los átomos que componen la molécula, incluidos la longitud de los enlaces, ángulos de los enlaces, atracción y repulsión
electrostática, fuerzas de van der Waals, etc. Con esta información, los investigadores pueden simular los movimientos de varios
átomos en un periodo muy corto, lo que brinda imágenes de las conformaciones que la proteína puede asumir. (CORTESÍA DE J.
ANDREW MCCAMMON.)
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FIGURA 2-38 Proteínas con estructura cuaternaria.
(a)
(b)
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(a) Dibujo del factor de crecimiento y transformación
β2 (TGF-β2), una proteína que es un dímero formado
por dos subunidades idénticas. Las dos subunidades
están coloreadas de amarillo y azul. En blanco se
muestran las cadenas laterales de cisteína y los
enlaces disulfuro. Las esferas en amarillo y azul son
los residuos hidrófobos que forman la interfase entre
las dos subunidades. (b) Dibujo de una molécula de
hemoglobina, consistente en dos cadenas de globina
α y dos cadenas de globina β (heterotetrámero)
unidas por enlaces no covalentes. Cuando los cuatro
polipéptidos de globina se ensamblan en una
molécula de hemoglobina completa, la cinética de
unión y liberación del oxígeno son muy distintas a las
presentadas por los polipéptidos aislados. Esto se
debe a que la unión del oxígeno con un polipéptido
induce un cambio en la conformación en los otros
polipéptidos que altera su afinidad por las moléculas
de O2. (A: REIMPRESA CON AUTORIZACIÓN DE S. DAOPIN, ET
AL., SCIENCE 257:372, 1992, CORTESÍA DE DAVID R. DAVIES.
© 1992 AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF
SCIENCE; B: ILUSTRACIÓN DE IRVING GEIS. IMAGEN DE IRVING
GEIS COLLECTION/HOWARD HUGHES MEDICAL INSTITUTE.
DERECHOS DE HHMI. REPRODUCIDA SÓLO CON
AUTORIZACIÓN.)
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Las bases químicas de la vida
(b)
(a)
FIGURA 2-39 Piruvato deshidrogenasa: un complejo multiproteínico.
(a) Micrografía electrónica de un complejo de piruvato deshidrogenasa con tinción negativa aislado de E. coli. Cada
complejo contiene 60 cadenas polipeptídicas que constituyen tres enzimas distintas. Su masa molecular se
aproxima a 5 millones de Da. (b) Un modelo del complejo de piruvato deshidrogenasa. El centro del complejo
consiste en un cúmulo cúbico de moléculas de transacetilasa de dihidrolipoílo. Los dímeros de piruvato
deshidrogenasa (esferas negras) se distribuyen de manera simétrica en los bordes del cubo y los dímeros de
dihidrolipoílo deshidrogenasa (pequeñas esferas grises) se sitúan en las caras del cubo. (POR CORTESÍA DE LESTER J.
REED.)
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(b)
(a)
FIGURA 2-40 Interacciones entre proteínas.
(a) Modelo que ilustra las superficies moleculares complementarias de porciones de dos proteínas que interactúan. La
molécula de color rojizo es un dominio SH3 de la enzima PI3K, cuya función se explica en el capítulo 15. Este dominio se une
de manera específica con varios péptidos que contienen prolina, como el que se muestra en el modelo con volumen en la
parte superior de la figura. Se señalan los residuos de prolina de péptido, que se adaptan en los sacos hidrófobos de la
superficie de la enzima. La columna central del péptido está coloreada de amarillo y las cadenas laterales en verde. (b)
Modelo esquemático de la interacción entre un dominio SH3 y un péptido que muestra la forma en que ciertos residuos del
péptido se adaptan en sacos hidrófobos en el dominio SH3. (A: TOMADA A PARTIR DE HONGTAO YU Y STUART SCHREIBER, CELL 76:940,
1994, CON AUTORIZACIÓN DE CELL PRESS.)
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FIGURA 2-41 Una red de interacciones entre proteínas.
Cada línea roja representa una interacción entre dos proteínas de levadura, indicadas por los puntos negros
con nombres. En cada caso, la flecha apunta de una proteína con dominio de SH3 a una proteína blanco con la
que puede unirse. Las 59 interacciones mostradas se detectaron con dos tipos de técnicas distintas que miden
interacciones entre proteínas. (Véase Trends Biochem. Sci. 34:1, 2009 para obtener una explicación sobre la
validez de los estudios de interacciones entre proteínas.) (TOMADA A PARTIR DE A.H.Y. TONG ET AL. SCIENCE 295:323,
2002. COPYRIGHT © 2002 AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF SCIENCE.)
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(a)
(b)
FIGURA 2-42 Interacciones de las proteínas botón con otras proteínas.
(a) La enzima polimerasa II de RNA, que sintetiza RNA mensajeros en la célula, se une con muchas otras
proteínas al mismo tiempo mediante interfases diferentes. (b) La enzima Cdc28, que fosforila a otras proteínas
en la regulación del ciclo de división celular en la levadura con gemación. Cdc28 se une con varias proteínas
diferentes (Cln1-Cln3) en la misma interfase, lo que permite que sólo una de estas parejas se una en cada
ocasión. (TOMADA A PARTIR DE DAMIEN DEVOS Y ROBERT B. RUSSELL, CURR. OPIN. STRUCT. BIOL. 17:373, 2007. COPYRIGHT
2007, CON AUTORIZACIÓN DE ELSEVIER SCIENCE.)
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FIGURA 2-43 Desnaturalización y
nuevo plegamiento de ribonucleasa.
Una molécula de ribonucleasa nativa
(en la que se señalan los enlaces
disulfuro intramoleculares) se reduce y
despliega con mercaptoetanol β y urea
8 M. Después de retirar estos reactivos,
la proteína se pliega de nuevo en forma
espontánea. (TOMADA A PARTIR DE C.J.
EPSTEIN, R.F. GOLDBERGER Y C.B. ANFINSEN,
COLD SPRING HARBOR SYMP. QUANT. BIOL.
28:439, 1963.)
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FIGURA 2-44 Dos vías alternativas por
las cuales una proteína recién sintetizada
o desnaturalizada puede alcanzar su
conformación nativa. Los segmentos
rizados representan hélices α y las
flechas representan cadenas β.
(a)
(b)
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FIGURA 2-45 En la vía del plegamiento.
La imagen de la izquierda muestra la
estructura terciaria nativa de la enzima
acilfosfatasa. La imagen de la derecha es la
estructura de transición que aparece muy
rápidamente durante el plegamiento de esta
enzima. La estructura de transición consta de
numerosas líneas individuales porque es un
conjunto (ensamble) de estructuras muy
relacionadas. La arquitectura general de la
estructura de transición es similar a la de la
proteína nativa, pero todavía no aparecen
muchas de las características estructurales
más finas de la proteína ya plegada. El paso
del estado de transición a la proteína nativa
incluye el logro de la estructura secundaria,
un empaquetamiento más ajustado de las
cadenas laterales y culminación del
ocultamiento de las cadenas laterales
hidrófobas lejos del solvente acuoso.
(TOMADA A PARTIR DE K. LINDORFF-LARSEN, ET AL.,
TRENDS BIOCHEM. SCI. 30:14, 2005, CORTESÍA DE
CHRISTOPHER M. DOBSON. COPYRIGHT 2005, CON
AUTORIZACIÓN DE ELSEVIER SCIENCE.)
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(a)
(b)
PERSPECTIVA HUMANA FIGURA 1 Un contraste en la estructura.
(a) Estructura terciaria de la proteína PrPC normal, según la espectroscopia NMR. La porción naranja representa los segmentos helicoidales α y las
porciones azules son cadenas β cortas. La línea punteada amarilla representa la porción terminal N del polipéptido, que carece de estructura
definida. (b) Un modelo propuesto de la proteína prión anormal infecciosa PrPSc, que consiste sobre todo en una hoja β. Todavía se desconoce la
estructura terciaria real de la proteína prión. Las dos moléculas mostradas en esta figura se forman con cadenas polipeptídicas que tienen una
secuencia de aminoácidos idéntica, pero se pliegan en forma muy distinta. Como resultado de las diferencias en el plegamiento, PrPC conserva su
solubilidad, mientras que PrPSc produce agregados que matan a la célula. (Las dos moléculas presentadas en esta figura se llaman conformadoras
porque difieren sólo en la conformación.) (A: POR CORTESÍA DE KÜRT WÜTHRICH; B: TOMADA CON AUTORIZACIÓN A PARTIR DE S.B. PRUSINER, TRENDS BIOCHEM SCI
21:483, 1996. © COPYRIGHT 1996, ELSEVIER SCIENCE.)
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(a)
(b)
PERSPECTIVA HUMANA FIGURA 2 Enfermedad de Alzheimer.
(a) Las características definitorias del tejido cerebral
de una persona que murió por enfermedad de Alz
heimer. (b) Las placas amiloides que contienen
agregados del péptido Aβ aparecen fuera de las
células (entre las células nerviosas), mientras que las
marañas neurofibrilares (NFT) aparecen dentro de las
células. Las NFT, que se describen al final de esta
sección Perspectiva humana, están formadas por
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enredos mal plegados de una proteína llamada tau
que participa en el mantenimiento de la organización
de microtúbulos de la célula nerviosa. Tanto las
placas como las marañas se han implicado como
causa de la enfermedad. (A: © THOMAS DEERINCK,
NCMIR/PHOTO RESEARCHERS, INC. B: © AMERICAN HEALTH
ASSISTANCE FOUNDATION.)
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Las bases químicas de la vida
PERSPECTIVA HUMANA
FIGURA 3 Formación del péptido A.
El péptido Aβ se separa de la proteína
precursora de amiloide (APP) como
resultado de la acción de dos enzimas,
secretasa-β y secretasa-γ. Es
interesante que la APP y las dos
secretasas sean proteínas que abarcan
toda la membrana. La separación de
APP ocurre dentro de la célula (tal vez
en el retículo endoplásmico) y el
producto Aβ al final se secreta al
espacio extracelular. La secretasa-γ
puede cortar en cualquiera de dos
sitios en la molécula APP, y produce los
péptidos Aβ40 o Aβ42, este último es
el principal causante del desarrollo de
las placas amiloides que se observan
en la figura 2. La secretasa-γ es una
enzima de múltiples subunidades que
divide (hidroliza) a su sustrato en un
sitio dentro de la membrana.
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FIGURA 2-46 Función de las chaperonas moleculares para fomentar el plegamiento de la proteína.
Los pasos se describen en el texto. (Se conocen otras familias de chaperonas, pero no se describen.)
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Figura 2-47 (IMAGEN © JOE SUTLIFF.)
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(a)
(b)
FIGURA 2-48 El estudio de la proteómica a menudo requiere la separación de mezclas complejas de proteínas.
Los dos geles electroforéticos mostrados contienen proteínas extraídas de la corteza frontal de seres humanos (a) o
chimpancés (b). Las manchas numeradas representan proteínas homólogas con diferencias distintivas en los dos
geles, como se explica en el texto. (Nota: esta es sólo una parte de un gel mucho más grande que contiene alrededor
de 8 500 manchas, que representan proteínas sintetizadas en el cerebro de un primate.) (Nota: los animales
utilizados para este estudio fallecieron por causas naturales.) (TOMADA A PARTIR DE W. ENARD, ET AL., SCIENCE 296:342,
2002, CORTESÍA DE SVANTE PÄÄBO. © 2002 AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF SCIENCE.)
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FIGURA 2-49 Identificación de proteínas por
espectrometría de masas.
Se aísla una proteína de una fuente (como una
de las manchas de alguno de los geles de la
figura 2-48) y se somete a digestión con la
enzima tripsina. Los fragmentos peptídicos se
introducen luego en un espectrómetro de
masas, donde se ionizan y separan según su
índice masa/carga (m/z). Los péptidos
separados se ven como un patrón de picos,
con indicación de su índice m/z preciso. La
comparación de estos índices con los
obtenidos por la digestión teórica de proteínas
virtuales codificadas por el genoma permite a
los investigadores identificar a la proteína en
estudio. En este caso, el espectro MS es el de
la mioglobina de caballo que carece del grupo
hem. (DATOS REIMPRESOS A PARTIR DE J.R. YATES,
METHODS ENZYMOL. 271:353, 1996. COPYRIGHT,
1996, CON AUTORIZACIÓN DE ELSEVIER.)
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(a)
(b)
(c)
FIGURA 2-50 Análisis global de las actividades proteínicas con micromatrices proteínicas.
(a) Este solo portaobjetos para microscopio contiene 5 800 proteínas distintas de levadura aplicadas por duplicado. Las proteínas
colocadas en el portaobjetos se sintetizaron en células con modificaciones genéticas. Las manchas emiten fluorescencia roja porque se
incubaron con un anticuerpo fluorescente que puede unirse con todas las proteínas del conjunto. (b) La imagen izquierda muestra una
pequeña parte del conjunto de proteínas mostrado en la parte a. La imagen derecha muestra la misma porción del conjunto después de
la incubación con calmodulina en presencia de iones calcio. Las dos proteínas que emiten fluorescencia verde son proteínas de unión con
calmodulina. (c) Ilustración esquemática de los fenómenos que ocurren en la parte b, donde la calmodulina se unió con dos proteínas de
la micromatriz que tienen sitios de unión complementarios. (A Y B: TOMADAS A PARTIR DE H. ZHU, ET AL., SCIENCE 293:2101, 2001, CORTESÍA DE
MICHAEL SNYDER. © 2001 AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF SCIENCE.)
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(a)
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FIGURA 2-51 Desarrollo de un fármaco dirigido a una proteína, como imatinib.
(a) Pasos típicos en el desarrollo. En el paso 1, se identificó una proteína (p. ej., ABL) que tiene una función causal en la
enfermedad. Esta proteína es un blanco probable para un fármaco que inhiba su actividad enzimática. En el paso 2, la proteína se
incuba con miles de compuestos en busca de aquellos que tengan afinidad razonable con ella e inhiban su actividad. En el paso 3,
se identificó uno de estos compuestos (p. ej., 2-fenilaminopirimidina en el caso de ABL). En el paso 4 se usa el conocimiento de la
estructura de la proteína blanco para hacer derivados del compuesto (p. ej., imatinib) que tengan mayor afinidad de unión y por
tanto puedan usarse en menores concentraciones. En el paso 5, el compuesto en cuestión se valora en experimentos preclínicos
para conocer su toxicidad y eficacia (nivel de efectividad) in vivo. Los experimentos preclínicos casi siempre se llevan a cabo en
células humanas cultivadas (paso 5a) (p. ej., de pacientes con CML) y animales de laboratorio (paso 5b) (p. ej., ratones con
implantes de células CML humanas). Si el fármaco parece seguro y eficaz en animales, se prueba en estudios clínicos (paso 6),
como se explica en la página 67. (continúa…)
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Las bases químicas de la vida
(b)
(c)
(d)
FIGURA 2-51 Desarrollo de un fármaco dirigido a una proteína, como imatinib.
… (b) La estructura de imatinib. La porción azul de la molécula indica la estructura del compuesto 2fenilaminopirimidina que se identificó al principio como inhibidor de la cinasa de ABL. (c,d) La estructura del
dominio catalítico de ABL en el complejo (c) con imatinib (mostrado en amarillo) y (d) con un inhibidor de
segunda generación llamado dasatinib. Imatinib se une con la conformación inactiva de la proteína, mientras
que dasatinib se une con la conformación activa. Estos dos fenómenos de unión bloquean la actividad
necesaria para el fenotipo celular canceroso. Dasatinib es eficaz contra células cancerosas que se volvieron
resistentes a la acción de imatinib. (C, D: REIMPRESAS CON AUTORIZACIÓN A PARTIR DE ELLEN WEISBERG ET AL. POR
CORTESÍA DE JAMES D. GRIFFIN, NATURE REVS. CANCER 7:353, 2007 © COPYRIGHT 2007, MACMILLAN MAGAZINES LIMITED.)
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FIGURA 2-52 Distribución de residuos
de aminoácidos polares con carga en
la enzima malato deshidrogenasa de
una arqueobacteria halofílica.
Las esferas rojas representan residuos
ácidos, las azules representan residuos
básicos. Se observa que la superficie de
la enzima está cubierta con residuos
ácidos, lo que da a la proteína una
carga neta de −156 y fomenta su
solubilidad en ambientes de salinidad
extrema. Como comparación, una
proteína homóloga de la mielga, un
tiburón oceánico, tiene una carga neta
de +16. (REIMPRESA CON AUTORIZACIÓN A
PARTIR DE O. DYM, M. MEVARECH Y J.L.
SUSSMAN, SCIENCE 267:1345, 1995.
COPYRIGHT © 1995 AMERICAN ASSOCIATION
FOR THE ADVANCEMENT OF SCIENCE.)
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FIGURA 2-53 Nucleótidos y cadenas
de nucleótidos del RNA.
(a) Los nucleótidos son monómeros
con los que se forman las cadenas de
ácid os nucleicos. Un nucleótido
consiste en tres partes: un azúcar, una
base nitrogenada y un fosfato. Los
nucleótidos del RNA contienen el
azúcar ribosa, con un grupo hidroxilo
unido al segundo átomo de carbono.
En cambio, los nucleótidos del DNA
contienen el azúcar desoxirribosa, que
tiene un átomo de hidrógeno en lugar
de un grupo hidroxilo unido al segundo
átomo de carbono. Cada nucleótido
está polarizado, tiene un extremo 5'
(correspondiente al lado 5' del azúcar)
y un extremo 3'. (b) Los nucleótidos
forman una cadena mediante enlaces
covalentes entre el grupo 3' hidroxilo
de un azúcar y el grupo 5' fosfato del
azúcar adyacente.
(a)
(b)
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FIGURA 2-54 Bases nitrogenadas de los
ácidos nucleicos.
De las cuatro bases estándar que hay en el
RNA, la adenina y guanina son purinas; el
uracilo y la citosina son pirimidinas. En el
DNA, las pirimidinas son citosina y timina,
diferentes al uracilo por un grupo metilo
unido al anillo.
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Las bases químicas de la vida
(a)
(b)
FIGURA 2-55 Los RNA pueden asumir formas complejas.
( a) Este RNA ribosomal es parte integral de la pequeña subunidad ribosomal de una bacteria. En este perfil
bidimensional, se ve que la cadena de RNA se pliega sobre sí misma con un patrón muy ordenado, de
manera que la mayor parte de la molécula tiene cadena doble. (b) Este ribosoma en cabeza de martillo,
como se le conoce, es una pequeña molécula de RNA de un viroide (pág. 24). La naturaleza helicoidal de las
porciones de cadena doble de este RNA pueden apreciarse en este modelo tridimensional de la molécula.
(B: TOMADA DE WILLIAM G. SCOTT ET AL. CELL 81:993, 1995, CON AUTORIZACIÓN DE CELL PRESS.)
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FIGURA 2-56 Reconstrucción de un
ribosoma del citoplasma de una célula de
germen de trigo.
Esta reconstrucción se basa en
micrografías electrónicas de alta resolución
y muestra las dos subunidades de este
ribosoma eucariota, la subunidad pequeña
(40S) a la izquierda y la subunidad grande
(60S) a la derecha. La estructura interna de
un ribosoma se explica en la sección 11.8.
(TOMADA A PARTIR DE ADRIANA VERSCHOOR ET
AL., J. CELL BIOL. VOL. 133 [PORTADA #3],
1996; POR AUTORIZACIÓN DE ROCKEFELLER
UNIVERSITY PRESS.)
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VÍAS EXPERIMENTALES FIGURA 1
Un modelo del complejo GroEL formado de
acuerdo con los datos de la microscopia
electrónica y la determinación del peso
molecular. Se observa que el complejo
consiste en dos discos, cada uno formado por
siete subunidades idénticas ordenadas de
manera simétrica alrededor de un eje central.
Estudios subsiguientes mostraron que el
complejo contiene dos cámaras internas.
(TOMADA CON AUTORIZACIÓN DEL EDITOR A PARTIR DE
T. HOHN, ET AL., J. MOL. BIOL. 129:371, 1979.
COPYRIGHT 1979, ACADEMIC PRESS, ELSEVIER
SCIENCE.)
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VÍAS EXPERIMENTALES FIGURA 2
Reconstrucciones de GroEL con base en micrografías electrónicas de alta resolución obtenidas de muestras
congeladas en etano líquido y examinadas a −170°C. La imagen izquierda muestra al complejo GroEL y la
derecha el complejo de GroEL con GroES, que se ve como un domo en un extremo del cilindro. Es evidente que
la unión de GroES se acompaña de un cambio en la conformación del extremo apical de las proteínas que
constituyen el anillo superior de GroEL (flecha), lo que produce un aumento notable en la cámara superior.
(REIMPRESA CON AUTORIZACIÓN A PARTIR DE S. CHEN, ET AL., CORTESÍA DE HELEN R. SAIBIL, NATURE 371:263, 1994.
COPYRIGHT © 1994 MACMILLAN MAGAZINES LIMITED.)
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(a)
(b)
VÍAS EXPERIMENTALES FIGURA 3
Cambio en la conformación en GroEL. (a) El modelo de la izquierda muestra la superficie de la estructura de los dos
anillos que constituyen la chaperonina GroEL. El dibujo de la derecha ilustra la estructura terciaria de una de las
subunidades del anillo superior de GroEL. Puede verse que la cadena polipeptídica se pliega en tres dominios. (b)
Cuando un anillo de GroES (flecha) se une con el cilindro de GroEL, el dominio apical de cada subunidad de GroEL del
anillo adyacente experimenta una rotación marcada cercana a 60°, mientras el dominio intermedio (en verde) actúa
como bisagra. El efecto de este cambio en las partes del polipéptido es una elevación intensa de la pared de GroEL y
un agrandamiento de la cámara interna. (REIMPRESA CON AUTORIZACIÓN A PARTIR DE Z. XU, A.L. HORWICH, Y P.B. SIGLER,
NATURE 388:744, 1997. COPYRIGHT © 1997 MACMILLAN MAGAZINES LIMITED.)
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VÍAS EXPERIMENTALES FIGURA 4 Ilustración esquemática de los pasos propuestos durante el plegamiento de un polipéptido con la ayuda de GroEL-GroES.
Se observa que GroEL consiste en dos cámaras con estructuras y funciones equivalentes que se alternan en actividad. Cada cámara se sitúa dentro de uno
de los dos anillos que componen el complejo GroEL. El polipéptido no nativo entra a una de las cámaras (paso 1) y se une a los sitios hidrófobos de la pared
de la cámara. La unión de la tapa de GroES genera un cambio en la conformación en la pared de la cámara superior, lo que causa agrandamiento de la
cámara y liberación del polipéptido no nativo de la pared hacia el espacio encapsulado (paso 2). Después de unos 15 s, GroES se disocia del complejo y el
polipéptido se expulsa de la cámara (paso 3). Si el polipéptido ya alcanzó su conformación nativa, como en la molécula de la izquierda, el proceso de
plegamiento está completo. Sin embargo, si el polipéptido sólo está plegado en parte, o si está mal plegado, se une de nuevo con la cámara de GroEL para
iniciar otro ciclo de plegamiento. (Nota: como se indica, el mecanismo de acción de GroEL se impulsa por la unión e hidrólisis de ATP, una molécula rica en
energía cuya función se describe con detalle en el capítulo siguiente.) (Tomada de A.L. Horwich, et al., Proc Nat’l Acad Sci USA 96:11037, 1999.)
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