Gerald karp biologia celular y molecular

CAPIT-ULO

1

Introducción al estudio
de la biología celular
1-1 Descubrimiento de las células

La perspectiva humana: Búsqueda de una vacuna
contra el SIDA

1-2 Propiedades básicas de las células

La vía experimental: Friones: solución de un enigma
médico

1-3 Dos tipos fundamentalmente diferentes de células
1-4 Virus

L

as células, y las estructuras que las forman, son demasiado pequeñas para verlas, escucharlas o tocarlas directamente. Pero a pesar de este tremendo inconveniente,
las células son tema de miles de publicaciones cada año, y
prácticamente se han investigado todos los aspectos de su
minúscula estructura. De muchas maneras, el estudio de la
biología celular constituye un tributo a la curiosidad humana en su aspiración de realizar descubrimientos, y a la inteligencia creativa del ser humano para diseñar los complejos
instrumentos y las elaboradas técnicas mediante las cuales
se pueden efectuar esos descubrimientos. Esto no significa
que los biólogos celulares sean los únicos dotados con estos
nobles rasgos. En un extremo del espectro científico los astrónomos estudian objetos en la orilla más alejada del universo con propiedades muy diferentes a las que se encuentran sobre la tierra. Y en el otro extremo del espectro, los
físicos nucleares dirigen su atención sobre partículas de dimensiones subatómicas que tienen igualmente propiedades inconcebibles. Es muy claro, por lo tanto, que nuestro
universo contiene mundos dentro de otros mundos, y el
estudio de todos sus aspectos es fascinante. En este sentido,
la finalidad más aparente de este texto es generar entre sus
lectores el interés por las células y por su estudio.

1-1 Descubrimiento de las células

FIGURA 1 -A. Micrografía electrónica de exploración de agregados celulares del moho del fango Dictyostelium discoideum en el proceso deformación de corpúsculos fructificantes. (Cortesía de Mark Grimson, Texas
Tech. University.)

No se sabe cuándo el ser humano descubrió por primera vez
la notable propiedad de una superficie curva de vidrio para
inclinar la luz y formar imágenes. Los anteojos se fabricaron
por primera vez en Europa en el siglo XIII y el primer microscopio compuesto (de dos lentes) fue construido a fines del
siglo XVI. A mediados del siglo XVII un puñado de científicos
pioneros había utilizado sus microscopios caseros para descubrir un mundo que nunca se había revelado al ojo desnudo. El descubrimiento de las células (fig. 1-1) generalmente
se acredita a Robert Hooke, microscopista inglés quien a los

CAPITULO 1 • Introducción al estudio de ¡a

celular

27 años de edad fue premiado con el puesto de Guardián de
la Royal Society, la academia científica más antigua de Inglaterra. Una de las muchas cuestiones que Hooke intentó
responder fue: ¿por qué los tapones hechos de corcho (una
parte del árbol de alcornoque) eran tan adecuados para retener aire dentro de una botella? En sus propias palabras:
"tomé un buen pedazo de corcho limpio y con un cuchillo
tan bien afilado como una navaja de rasurar lo corté en pedazos y .. .luego lo examiné con el microscopio. Me pareció
percibir que tenía una apariencia porosa... muy parecida a
un panal de abejas". Hooke llamó a los poros celdillas debido
a que le recordaban las celdas habitadas por los monjes que
vivían en un monasterio. En realidad, Hooke había observado las paredes vacías de un tejido vegetal muerto, paredes que originalmente fueron producidas por las células
vivas que ¡as rodeaban.
Entre tanto, Antón van Leeuwenhoek, un holandés que
se ganaba la vida vendiendo telas y botones, ocupaba sus
ratos de ocio tallando lentes y construyendo microscopios

de notable calidad. Durante 50 años, Leeuwenhoek envió
cartas a la Royal Society de Londres describiendo sus observaciones microscópicas, junto con un vago discurso acerca
de sus hábitos cotidianos y su estado de salud. Leeuwenhoek fue el primero en examinar una gota de agua del estanque y observar sorprendido la abundante cantidad de
"animalillos" microscópicos que iban y venían ante sus ojos.
También fue el primero en describir las diferentes formas de
bacterias que obtuvo de agua en la cual había remojado
pimienta y también material raspado de sus propios dientes. Sus primeras cartas a la Royal Society describiendo este
mundo previamente jamás visto despertaron tal escepticismo que la Sociedad despachó a su Guardián, Robert Hooke,
para confirmar las observaciones. Hooke hizo el viaje y pronto
Leeuwenhoek fue una celebridad mundial, y recibió la visita
en Holanda de Pedro el Grande de Rusia y de la reina de
Inglaterra.
No fue sino hasta el decenio de 1830 que se comprobó
la gran importancia de las células. En 1838, Matthias
Schleiden, abogado alemán convertido en botánico, concluyó que a pesar de diferencias en la estructura de diferentes
tipos, las plantas estaban constituidas de células y que el
embrión de la planta tuvo su origen en una sola célula. En
1839, Theodor Schwann, zoólogo alemán y colega de Schleiden, publicó un trabajo muy completo acerca de las bases
celulares de la vida animal. Schwann concluyó que las células de las plantas y los animales eran estructuras semejantes
y propuso el primero de los dos dogmas de la teoría celular:
• Todos los organismos están compuestos de una o más
células
• La célula es la unidad estructural de la vida.
Las ideas de Schleiden y de Schwann acerca del origen
de las células fueron menos profundas; ambos concluyeron
que las células podrían originarse de materiales no celulares. Dada la posición prominente que estos dos investigadores tenían en el mundo científico, tuvieron que pasar muchos años antes que las observaciones de otros biólogos
fueran aceptadas como demostración de que las células no
se originan de esa manera y que ios organismos tampoco se
producen por generación espontánea. Para 1855, Rudolf
Virchow, patólogo alemán, propuso una hipótesis convincente para'el tercer dogma de la teoría celular:
• Las células sólo pueden originarse por división de una
célula preexistente.

1-2 Propiedades básicas de las células

FIGURA 1 - 1 Descubrimiento de las células. Microscopio empleado por Robert Hooke, con lámpara y condensador para iluminar
el objeto. (Recuadro) Dibujo hecho por Hooke de un corte delgado de
corcho que muestra una red de "celdillas" semejante a un panal
de abejas. (De Granger Collection; recuadro del archivo Bettmann.)

Así como las plantas y los animales son seres vivos, también
lo son las células. De hecho, la vida es la propiedad fundamental de las células y ellas son las unidades más pequeñas
que muestran esta propiedad. A diferencia de las partes de
una célula, que simplemente se deterioran cuando se aislan,
las células pueden ser extraídas de una planta o de un animal y cultivar en el laboratorio, donde crecen y se reproducen durante tiempo prolongado. El primer cultivo de células

CAPITULO 1 • Introducción a! estudio de la biología celular

3

humanas fue iniciado por George Cey, de la Universidad
Johns Hopkins, en 1951. Se emplearon células obtenidas de
un tumor maligno denominadas células HeLa, por su donador Henrietta Lacks. Las células HeLa, descendientes por
división celular de la primera célula muestra, todavía se
desarrollan en la actualidad en laboratorios alrededor del
mundo (fig. 1-2). Debido a que son mucho más fáciles de
estudiar que las células situadas dentro del cuerpo, las células cultivadas in vitro (en cultivo fuera del cuerpo) se han
convertido en una herramienta esencial de la biología celular y molecular. En realidad, gran parte de la información
que analizaremos en este libro se obtuvo utilizando células
desarrolladas en cultivos de laboratorio.
Iniciaremos nuestra exploración de las células examinando algunas de sus propiedades más fundamentales.

Las células muestran complejidad
y organización elevadas
La complejidad es una propiedad evidente pero difícil de
describir. En este momento podemos pensar en la complejidad en términos de orden y regularidad. Cuanto más compleja sea una estructura, mayor el número de partes que
deben estar en posición apropiada, menor la tolerancia de
errores en la naturaleza e interacción de las partes, y mayor
la regulación o control que se debe ejercer para conservar el
sistema. A lo largo de este libro tendremos ocasión de considerar la complejidad de la vida a diferentes niveles. Analizaremos la organización de los átomos en moléculas de
tamaño pequeño, la organización de estas moléculas en
polímeros gigantes y la organización de diferentes tipos de
moléculas poliméricas en complejos que a su vez se organizan en organelos subceluiares y finalmente en células. Como
se verá, hay una gran regularidad en cada nivel. Cada tipo
de célula tiene apariencia consistente en el microscopio electrónico; o sea, sus organelos tienen forma y situación particular en cada individuo de una especie y de una especie a
otra. De manera similar, cada tipo de organelo tiene composición concordante de macromoléculas, las cuales están dispuestas en un patrón predecible. Consideremos las células
que revisten el intestino encargadas de eliminar nutrientes
del conducto digestivo (fig. 1-3). Se puede predecir que los
extremos apicales de las células que revisten el conducto
intestinal poseen largas prolongaciones (microvellosidades)
para facilitar la absorción de nutrientes, en tanto que sus
extremos básales contienen un gran número de mitocondrias que suministran la energía necesaria como combustible
para los diferentes procesos de transporte a través de las
membranas. Las microvellosidades pueden prolongarse
hacia afuera de la superficie apical de la célula debido a que
contienen un esqueleto interno de filamentos, que a su vez
están compuestos de la proteína acuna dispuesta en forma
regular de doble hélice. Cada mitocondria está compuesta por un patrón característico de membranas internas,
que por su parte constan de una disposición regular de
proteínas, incluyendo enzimas sintetizadoras de ATP proyectadas desde la membrana interna como una pelota sobre
una varilla. Cada uno de estos diferentes niveles de organización se ilustra en la serie de recuadros de la figura 1-3.

FIGUllA 1-2. Células HeLa, como las representadas aquí, fueron
las primeras células humanas conservadas en cultivo durante largos
periodos y que todavía se encuentran en uso en la actualidad. A
diferencia de las células normales, que tienen un periodo de vida
finito en cultivo, las células (como las HeLa) derivadas de tumores
cancerosos pueden vivir indefinidamente en cultivo en tanto las condiciones sean favorables para apoyar su crecimiento y división.
(Nana/ Kedersha/Photo Researchers.)

Afortunadamente para la célula y los biólogos moleculares, la evolución tiende a moverse más bien lentamente
hacia los niveles de organización biológica con los cuales
debemos tratar. Por ejemplo, aunque un ser humano y un
gato tienen características anatómicas muy diferentes, las
células que forman sus tejidos y los organelos que constituyen sus células son muy similares. El filamento de actina
mostrado en la figura 1-3, recuadro 3, y la enzima sintetizadora de ATP del recuadro 6 son prácticamente idénticos a
las estructuras similares que se observan en organismos tan
diversos como levaduras, pájaros y árboles de pino rojo. La
información obtenida por el estudio de las células de un tipo
de organismo casi siempre tiene aplicación directa en otras
formas de vida. Muchos de los procesos más básicos, como
la síntesis de proteínas, la conservación de la energía química, o la construcción de una membrana, son notablemente
similares en todos los organismos vivos.

Las células poseen un programa genético
y los recursos para aplicarlo
Los organismos se generan a partir de la información codificada en un conjunto de genes. El programa genético
humano contiene suficiente información, si se convirtiera a
palabras, para llenar millones de páginas de texto. Lo más
sorprendente es que esta vasta cantidad de información se
encuentra empacada en un conjunto de cromosomas que

CAPITULO 1 • Introducción al estudio de la biología celular

10 uní

0.3 um

, Niveles de organización celular y molecular. Las fotografías de brillantes colores de un corte teñido muestran la estructura microscópica de una vellosidad de la pared del intestino delgado según se observa con el microscopio cíe luz. El recuadro 1 muestra una
micrografía electrónica de la capa epitelial de células que revisten la pared interna del intestino. La superficie apical de cada célula, que mira
hacia el conducto intestinal, contiene numerosas microvellosidades que participan en la absorción de nutrientes. La región basal de cada célula contiene un gran número de mitocondrias donde la célula dispone de energía. El recuadro 2 muestra la región apical de las microvellosidades;
se puede observar que cada microvellosidad contiene un haz de microf¡lamentos. El recuadro 3 muestra la doble fila de moléculas de proteína
actina que constituyen cada filamento. En el recuadro 4 se muestra una mitocondria individual similar a las observadas en la región basal de
las células epiteliales; el recuadro 5 muestra una parte de la membrana interna de la mitocondria, incluyendo partículas pediculadas (flecha de
arriba) que se prolongan a partir de la membrana (flecha de abajo) y corresponden a los sitios donde se sintetiza ATP; el recuadro 6 muestra un
modelo molecular del aparato sintetizador de ATP que se analiza en mayor extensión en el capítulo 5. (Micrografía de luz, Cedí Fox/Photo
Researchers; recuadro I cortesía de Shakti P. Kapur, Georgetown University Medical Center; recuadro 2 cortesía de Mark S. Mooseker y Lewis G. Tüney,
J. Cell Biol. 67:729,1975, con permiso de la Rockefeller University Press; recuadro 3 cortesía de Kenneth C, Holmes; recuadro 4 cortesía de Keith R. Porter/
Photo Researchers; recuadro 5 cortesía de Humberto Pemandez-Moran; recuadro 6 cortesía de Roderick A. Capaldi.)

ocupa el espacio de un núcleo celular, miles de veces más
pequeño que el punto sobre esta letra i.
Los genes son algo más que gavetas para almacenar
información: constituyen las plantillas para construir estructuras celulares, y contienen instrucciones para poner en
marcha las actividades de la célula y el programa para reproducirse a sí mismos. Descubrir los mecanismos mediante los cuales las células emplean su información genética
para efectuar estas funciones es uno de los más grandes
¡ogros de la ciencia en los últimos años.

Las células tienen capacidad
para reproducirse a sí mismas
Así como se generan nuevos individuos por reproducción,
lo mismo ocurre con las células nuevas. Las células se producen por división, proceso en el cual el contenido de una
célula "madre" se distribuye entre dos células "hijas". Antes
de la división, el material genético se duplica con toda fidelidad y cada célula hija recibe una dotación completa e igual
de información genética. En la mayor parte de los casos, las
dos células hijas producidas durante la división poseen
aproximadamente el mismo volumen. Sin embargo, en algunos casos, como ocurre durante la división del oocito
humano, una de las células puede retener casi todo el citoplasma aunque reciba sólo la mitad del material genético
(fig. 1-4).

Las células captan y consumen energía
El desarrollo y la operación de funciones complejas requiere
el ingreso continuo de energía (fig. 1-5). Prácticamente toda
la energía que requiere la vida del planeta proviene en último término de la radiación electromagnética del sol. Los
pigmentos que absorben luz presentes en las membranas de
células fotosintéticas atrapan la energía de la luz. La energía
lumínica se convierte por fotosíntesis en energía química
almacenada en carbohidratos ricos en energía, como la
sucrosa o el almidón. La energía atrapada en estas moléculas durante la fotosíntesis suministra el combustible que sirve para poner en marcha casi todas las actividades de los
organismos sobre la tierra. A la mayor parte de las células
animales la energía les llega ya empaquetada, por lo general
en forma del azúcar glucosa. En el ser humano, el hígado
libera glucosa a la sangre y este azúcar circula a través del
cuerpo suministrando energía química a todas las células.
Una vez dentro de la célula, la glucosa se descompone en tal
forma que su contenido energético se puede almacenar en
una forma rápidamente disponible (de ordinario como ATP),
que posteriormente se emplea para poner en marcha las
múltiples actividades que requieren energía dentro de la
célula.

Las células efectúan variadas
reacciones químicas
Las células funcionan como plantas químicas en miniatura. Incluso la célula bacteriana más sencilla es capaz de

20;im
FIGURA I -4. Reproducción celular. Este huevo de mamífero sufrió
recientemente una división celular bastante desigual en la cual la mayor parte del citoplasma quedó retenida dentro del huevo grande, en
tanto que la otra célula sólo consta casi exclusivamente de material
nuclear en su totalidad (indicado por los cromosomas teñidos de
azul). (Cortesía de Jonathan van Blerkom.)

efectuar cientos de diferentes transformaciones químicas,
ninguna de las cuales ocurre a una tasa significativa en el
mundo inanimado. Prácticamente todos los cambios químicos que ocurren en las células requieren enzimas: moléculas que incrementan mucho la velocidad de una reacción química. La suma total de las reacciones químicas que
ocurren dentro de una célula representa el metabolismo
celular.

Las células participan en numerosas
actividades mecánicas
Las células son sitios de actividad infatigable. Los materiales son transportados de un sitio a otro, se sintetizan y descomponen con rapidez algunas estructuras, y en muchos
casos toda la célula se desplaza de un lugar a otro (fig. 1-6).
Estas diferentes actividades dependen de cambios mecánicos dinámicos que ocurren en el interior de la célula, la

FIGURA 1-5. Captación de energía. Una célula viva del alga filamentosa Spirogyra. El cloroplasto en forma de listón que se observa en
zig-zag a través de la célula es el sitio donde se captura la energía de
la luz solar y se convierte en energía química durante la fotosíntesis.
(M.L Walker/Photo Researchers, Inc.)

6

CAPITULO 1 • introducción a! estudio de la biología celular

mayor parte iniciados por alteraciones en la forma de ciertas proteínas "motoras".

para responder a los estímulos
Algunas células presentan respuestas obvias a los estímulos;
por ejemplo, una célula ciliada única se aparta de un objeto
situado en su camino o se desplaza hacia una fuente de
nutrientes. Las células dentro de una planta o animal
multicelular responden a ¡os estímulos en forma menos evidente, pero de todas maneras responden. La mayor parte
de las células están cubiertas con receptores que interactúan
con las sustancias del medio de manera muy específica. Las
células poseen receptores a hormonas, factores de crecimiento, materiales extracelulares y también sustancias situadas
en la superficie de otras células. Los receptores de una célula
constituyen una puerta de entrada a través de la cual los
agentes externos pueden generar respuestas específicas. A
veces las células responden a un estímulo específico alterando sus actividades metabólicas, preparándose para la división celular, desplazándose de un lugar a otro o incluso
"suicidándose".

de autorregulación
Además de sus necesidades energéticas para mantener un
estado complejo ordenado se requiere regulación continua.
Igual que en el cuerpo íntegro, dentro de cada célula viva
operan muchos mecanismos de control diferentes. La importancia de los mecanismos reguladores de la célula es más
evidente cuando fallan. Por ejemplo, la insuficiencia de la
célula para corregir un error cuando duplica su DNA puede

FIGURA 1-6. Locomoción celular. Este fibroblasto (tipo de célula
do tejido conectivo) fue sorprendido en el acto de desplazarse sobre
la superficie de una caja de cultivo. ! 3 célula está teñida con anticuerpos fluorescentes para revelar la distribución de !os filamentos de
actina y los microtúbulos (cap. 9). El bord° redondeado de la célula
va por delante; los agrupamientos de filamentos de actina en el borde
delantero son sitios donde se genera la fuerza del movimiento. (Cortesía de ¡. Víctor Small.)

Autorregulación. El diagrama de la izquierda muestra el desarrollo normal de un erizo de mar en el cual un huevo fertilizado da lugar a un solo embrión. El esquema de la derecha muestra
un experimento en el cual se separan entre sí las células de un embrión
después de la primera división y se permite que cada célula se
desarrolle por su cuenta. En vez de desarrollarse en la mitad de un
embrión como ocurriría si no se le hubiera alterado, cada célula aislada reconoce la ausencia de su vecino y regula su desarrollo para
formar un embrión completo (aunque más pequeño).

producir una mutación nociva o trastornos en el control del
crecimiento celular que pueden transformar a la célula en
una célula cancerosa con capacidad para destruir a todo el
organismo. Poco a poco hemos aprendido cada vez más
acerca de cómo la célula controla' sus actividades, pero aún
queda mucho más por descubrir. Consideremos el siguiente
experimento efectuado en 1891 por el embriólogo alemán
Hans Driesch, quien observó que podía separar por completo las primeras dos o cuatro células del embrión de un erizo
de mar y cada una de las células aisladas proseguía su desarrollo hasta convertirse en embriones normales (fig. 1-7).
¿Cómo puede una célula normalmente destinada sólo a formar parte de un embrión regular sus propias actividades y
formar otro embrión entero? ¿Cómo puede la célula aislada
reconocer la ausencia de sus células vecinas y de qué manera este hecho puede reorientar el curso del desarrollo celular? ¿Cómo puede la parte de un embrión adquirir el sentido
de totalidad? En la actualidad no estamos en mejor posición
para responder estas preguntas, planteadas hace más de 200
años cuando se efectuó el experimento.
A lo largo de este libro analizaremos procesos que requieren una serie de pasos ordenados, muy semejantes a la
línea de ensamblado para construir automóviles en la cual


7

Máquina exprimidera para jugo de naranja

FIGURA 1-8. Las actividades de la célula
con frecuencia son análogas a esta máquina de
Rube Goldberg, en la cual un paso "automático" dispara el siguiente paso en una reacción
secuencia!. La figura 15-27 suministra un buen
ejemplo de este concepto. (Reimpreso con permiso
especial de King Fentures Syndicate.)

E! profesor Butts cayó por el foso abierto de
un elevador y cuando llegó tierra abajo sólo
encontró una máquina para exprimir naranjas,
El lechero toma la botella de leche vacía (A) y
tira de la cuerda (B), lo que provoca que la
espada (C) corte la cuerda (D). Esto permite
que la hoja de la guillotina (E) caiga y corte la
soga (F), que libera el ariete de tronco (G). El
ariete golpea la puerta abierta (H) y la cierra. La
hoz (I) corta la naranja |J), y al mismo tiempo
la espina (K) hiere al "halcón-ciruelero" (L). Este

abre la boca gritando de dolor y por lo tanto
suelta la ciruela y permite que el zapato (M)
caiga y se zambulla sobre la cabeza de un pulpo (N). El pulpo despierta iracundo y ve la cara
del buzo dibujada sobre la naranja, la ataca y la
oprime con sus tentáculos, de esta manera el
jugo de la naranja cae al vaso (O).
Posteriormente el tronco puede emplearse
para construir una cabana en donde puede desarrollarse su hijo, quien podrá ser presidente
corno Abraham Lincoln.

los trabajadores añaden, quitan o hacen ajustes específicos
conforme el automóvil se mueve a lo largo de la línea. En la
célula, la plantilla para elaborar productos se encuentra en
los ácidos nucleicos y los trabajadores que los construyen
son principalmente proteínas. La presencia de estos dos tipos de macromoléculas, más que cualquier otro factor, confiere a la química de la célula sus características distintivas
únicas diferentes del mundo no vivo, En la célula, los trabajadores deben actuar sin !a ventaja de un control externo.
Cada paso del proceso debe ocurrir de manera espontánea y
en forma tal que el siguiente paso se inicie automáticamente.
Toda la información para dirigir una actividad particular,
sea la síntesis de una proteína, la secreción de una hormona
o la contracción de una fibra muscular, ya debe estar presente dentro del propio sistema. En gran medida, las funciones
de una célula operan de manera análoga al artefacto inventado por el profesor Butts para exprimir naranjas que se
muestra en la figura 1-8.

y eucariotas, que pueden distinguirse por su tamaño y el
tipo de sus estructuras internas u organelos que contienen
(fig. 1-9). La existencia de dos tipos distintos de células, sin
intermediarios conocidos, representa una de las más fundamentales brechas de discontinuidad en la evolución del
mundo biológico. Las células procariotas, estructuralmente más simples, sólo se encuentran entre las bacterias y
recíprocamente todas las bacterias constan de células procariotas. Todos los otros tipos de organismos: protístas,
hongos, plantas y animales, constan estructuralmente de
células eucariotas más complejas. Las células procariotas
vivas en la actualidad son notablemente semejantes a las
células fosilizadas que se encuentran en rocas desde Australia hasta Sudáfrica y que datan de hace más de 3 500 millones de años (fig. 1-10). En realidad, se piensa que las células
procariotas fueron los únicos seres vivos sobre el planeta
durante casi 2 000 millones de años antes de la aparición de
los primeros eucariotes.

1-3 Dos tipos fundamentalmente
diferentes de células

Características que distinguen a las células
procariotas y a las eucariotas

Cuando el microscopio electrónico estuvo disponible en casi
todo el mundo, los biólogos pudieron examinar la estructura interna de una gran variedad de células. Estos estudios
revelaron que hay dos tipos básicos de células, procariotas

La siguiente comparación breve entre células eucariotas y
procariotas revela muchas diferencias básicas, pero también similitudes (fig. 1-9). Las similitudes reflejan el hecho
de que las células eucariotas casi con certeza evolucionaron


Ribosomas

DNAde
nucleótido

FIGURA 1-9. La estructura de la célula. Diagramas esquemáticos de una bacteria "generalizada" (a), vegetal (b) y animal fe).
Nótese que los organelos no están dibujados a escala.

Membrana plasmática
Pared celular

Cápsula

(a)

Núcleo

Cubierta del núcleo
Nucleoplasma
Nucléolo

Cloroplasto
Retículo
endoplásmico

Retículo
endoplásmíco
rugoso
Pared celularPeroxisoma

Complejo de Golgi

Plasmodesma
M ¡tocón dría
-Vacuola
Ribosomas
Vesícula
Citosol

Microtúbulos

(b)


9

Cubierta nuclear

Ribosomas

Nucleoplasma
Núcleo

Mitocondria
Nucléolo

Complejo de Golgi
Lisosoma

;*£

,
•".*. •

>^
)J !

Retículo
endoplásmico
rugoso

Retículo
endoplásmico
rugoso

Microfílamentos
Peroxisoma


Centríolo

Citosol

Microtúbulo

Vesícula

fe)

FIGURA 1-9. Continuación.

a partir de ancestros procariotes. Debido a su linaje común,
ambos tipos de células comparten un lenguaje genético idéntico, un conjunto común de vías metabólicas y muchos rasgos estructurales comunes. Por ejemplo, ambos tipos de células están rodeadas por una membrana plasmática de
estructura similar que sirve como barrera selectivamente
permeable entre ios mundos vivo y no vivo. Ambos tipos

FIGURA 1-10. La forma de vida más antigua sobre el planeta.
Molde de una cianobacteria filamentosa de 3 500 millones de años de
edad tomada en eí oeste de Australia. (Cortesía de SM. Awramik.)

de células pueden rodearse de una pared celular rígida, no
viva, que protege la delicada forma de vida de su interior.
Aunque las paredes celulares de los procariotes y los eucariotes pueden tener funciones semejantes, su composición
química es muy diferente.
Internamente, las células eucariotas son mucho más
complejas, tanto estructural como funcionalmente, en comparación con las células procariotas (fig. 1-9). Ambas contienen una región nuclear que alberga el material genético
de la célula, rodeada de citoplasma. El material genético de
una célula procariota se encuentra en un nucleoide, región
de la célula mal demarcada que carece de membrana limitante para separarla del citoplasma que la rodea. Por lo
contrario, las células eucariotas poseen un núcleo, una región rodeada por una estructura membranosa compleja
denominada cubierta nuclear. Esta diferencia en la estructura del núcleo es la base de los términos procariote (pro, antes;
carian, núcleo) y encañóte (eu, verdadero; carian, núcleo). Las
células procariotas contienen cantidades relativamente pequeñas de DNA: la longitud total del DNA de una bacteria
oscila entre 0.25 mm y casi 3 mm, cantidad suficiente para
codificar unos pocos miles de proteínas. Aunque las células
eucariotas más simples sólo poseen un poco más de DNA
(4.6 mm en las levaduras) que los procariotes más complejos, la mayor parte de las células eucariotas (incluso las de
microorganismos eucariotes) contienen varios órdenes
de magnitud más de información genética. Ambos tipos de
células poseen cromosomas dentro del DNA, pero numerosos cromosomas de una célula eucaríota constan de fibras

s

10

CAPITULO 1

FIGURA ] -1 1. Estructura de una célula eucariota. La estructura
interna varía mucho de un tipo de célula a otro. Esta célula epitelial particular reviste una. parte del conducto reproductivo masculino de las ratas. En los diagramas que rodean a la figura se muestran e indican algunos organelos diferentes. (Microgmffa electrónica
por David Phillips/Visnals Unlimited.)

Retículo
endopíásmico

rugoso
2um


que contienen DNA y proteína, en tanto que el cromosoma
único de una célula procariota prácticamente sólo contiene
DNA "desnudo".
El citoplasma de los dos tipos de células también es
muy diferente. El citopolasma de una célula eucariota contiene una gran diversidad de estructuras, como puede observarse con facilidad por el examen más superficial de una
micrografía electrónica de casi cualquier célula eucariota
(fig. 1-11). Lo más notable es que las células eucariotas contienen un arreglo de organelos membranosos cubiertos por
membranas. Por ejemplo, en condiciones típicas, las células
animales y las vegetales contienen mitocondrias, donde se
encuentra disponible la energía química para abastecer de
combustible a todas las actividades celulares; un retículo
endoplásmico, donde se elaboran la mayor parte de los lípidos y proteínas de las células; complejos Golgi, donde los
materiales se clasifican, modifican y envían a su destino
celular específico; y una gran variedad de vesículas simples
de dimensiones variables envueltas por membranas. Las
células vegetales contienen organelos membranosos adicionales, incluyendo cloroplastos, que son sitios de la fotosíntesis y con frecuencia una sola vacuola grande que a veces
ocupa la mayor parte del volumen celular. Consideradas
en conjunto, las membranas de la célula eucariota sirven
para dividir el citoplasma en compartimientos dentro de
los cuales pueden efectuarse actividades especializadas. Por
lo contrario, el citoplasma de las células procariotas está
prácticamente desprovisto de estructuras membranosas. Las
excepciones a esta generalización incluyen a los mesosomas,
derivados de pliegues simples de la membrana plasmática
(fig. 1-9), y las membranas fotosintéticas complejas de las
cianobacterias (fig. 1-15).
Las membranas citoplásmicas de las células eucariotas
forman un sistema de conductos y vesículas interconectadas
cuya función es dirigir el transporte de sustancias de una
parte a otra de la célula y también entre el interior de la
célula y su entorno. Debido a su pequeño tamaño, la comunicación intracitoplásmica dirigida tiene menor importancia
en las células procariotas, donde los movimientos necesarios de materiales se pueden efectuar por simple difusión.
Las células eucariotas también contienen numerosas
estructuras que carecen de membrana. En este grupo se
incluyen los túbulos alargados y filamentos del citoesqueleto que participan en la contractilidad y los movimientos
de la célula, y también sirven como apoyo. Las células
procariotas en general carecen de estructuras comparables.
Sin embargo, tanto las células eucariotas como las procariotas poseen ribosomas que son partículas no membranosas
que funcionan como "mesas de trabajo" sobre las cuales se
elaboran las proteínas celulares. Aunque los ribosomas de
las células procariotas y eucariotas tienen dimensiones considerablemente diferentes (los ribosomas de los procariotes
son más pequeños y contienen menor número de elementos), estos organelos participan en el ensamblado de proteínas mediante un mecanismo similar en ambos tipos de células.
Se pueden observar otras diferencias importantes entre
las células eucariotas y las procariotas. Las células eucariotas se dividen por un complicado proceso de mitosis en el
cual los cromosomas duplicados se condensan en estructu-

11

ras compactas y son separados por un elaborado aparato
que contiene microtúbulos (fig. 1-12). En los procariotes, el
cromosoma no se condensa y tampoco hay aparato fusiforme. El DNA se duplica y las dos copias simplemente se
separan por el crecimiento de una membrana celular interpuesta. Este mecanismo de división más simple permite a
las células procariotas proliferar a una velocidad mucho
más rápida que las células eucariotas; una población de
bacterias bien alimentada puede duplicar su número cada
20 a 40 minutos.
Los procariotes en su mayor parte son microorganismos
asexuados. Sólo contienen una copia de su único cromosoma y no cuentan con ningún proceso comparable a la meiosis, formación de gameto o verdadera fertilización. Aunque
no hay verdadera reproducción sexual entre los procariotes,
algunos son capaces de conjugación, en la cual un fragmento
de DNA pasa de una célula a otra (fig. 1-13). Sin embargo, la
célula receptora casi nunca recibe un cromosoma completo
del donador y la situación en la cual la célula receptora
contiene tanto su propio DNA como el de su pareja es fugaz.
La célula pronto vuelve a la situación en la cual posee un
solo cromosoma.
Aunque las células eucariotas poseen gran variedad de
complejos mecanismos locomotores, los correspondientes a
los procariotes son muy simples. El movimiento de una célula procariota se puede efectuar mediante un delgado filamento proteínico denominado flagelo, que sobresale de la
célula y posee movimientos de rotación (fig. 1-14, a). Los
giros del flagelo ejercen presión contra el líquido que lo
rodea y como resultado la célula avanza hacia adelante. Ciertas células eucariotas, incluyendo muchos protistas y células espermáticas, también poseen flagelos, pero la versión
eucariota es mucho más complicada que el simple filamento

-• La división celular en los eucariotes requiere el
ensamblado de un aparato especializado separador de cromosomas
denominado huso mitótico, construido principalmente de microtúbulos cilindricos. En esta micrografía los microtúbulos aparecen de color
verde debido a que se unen específicamente a un anticuerpo relacionado con un colorante verde fluorescente. Los cromosomas,- que casi
estaban separados en dos células hijas cuando se fijó esta célula, están
teñidos de azul. (Cortesía de Conhj L Rieder.)

12


• ,*

fo)

l/im

30 nm

1 pm

FIGURA 1-13. Conjugación bacteriana. Micrografía electrónica
que muestra bacterias "macho" y "hembra" unidas por una estructura
procedente de la célula macho, denominada F pilus, a través de la cual
le pasa DNA a la hembra. (Cortesía de Charles C. Brinton.)

proteínico de la bacteria y emplea mecanismos diferentes
para generar movimiento (fig. 1-14, b).
En los párrafos precedentes se mencionaron muchas de
las diferencias más importantes entre los niveles procariota
y eucariota de organización celular. En los siguientes capítulos ampliaremos muchos de esos puntos. Antes de calificar
a los procariotes como "inferiores" hay que recordar que
estos microorganismos han permanecido sobre la tierra durante más de 3 000 millones de años, y en este mismo instante millones de ellos se están adhiriendo a la superficie
externa de nuestro propio cuerpo y compartiendo los nutrientes en nuestro conducto digestivo. También debemos
considerar que metabólicamente los procariotes son microorganismos muy especializados. Por ejemplo, una bacteria
como Escherichia coli, habitante común del conducto digestivo del ser humano y de las placas de cultivo en los laborato-

0.5 um

FIGURA 1-14. Diferencia entre flagelados procariotas y eucariotas. a) La bacteria Salmonella con sus numerosos flagelos. El recuadro
muestra una vista muy amplificada de una parte del flagelo bacteriano único, que consta principalmente de una sola proteína denominada flagelina. b) Cada uno de estos espermatozoides humanos está
provisto de movimientos ondulatorios efectuados con un solo flagelo.
El recuadro muestra una sección transversal del flagelo de un espermatozoide que revela una estructura compleja que consta de cientos
de proteínas diferentes, (a: Según Bernard R. Gerber, Lewis M. Routledge
y Shiro Takashima, J. Mol. Biol. 71:322, 1972, copyright: Academia Press,
Inc.; recuadro cortesía de Julius Adler y M.L. DePamphilis; b: micrografia
cortesía de David M.. Phillips/Visuals Unlimited, recuadro cortesía de Don
W. Fawcett.)


rios, tiene la capacidad de vivir y prosperar en un medio
que sólo contiene alguna fuente de carbono y nitrógeno y
unos cuantos iones inorgánicos. Estas células bacterianas
contienen todas las enzimas necesarias para convertir uno o
dos compuestos orgánicos de bajo peso molecular en cientos de sustancias que la célula debe contener. Otras bacterias son capaces de vivir con una "dieta" a base de puras
sustancias inorgánicas. Por lo contrario, incluso las células
metabólicamente mejor dotadas de nuestro cuerpo requieren gran variedad de compuestos orgánicos, incluyendo
numerosas vitaminas y otras sustancias esenciales que no
pueden elaborar por sí mismas. En realidad, muchos de
estos ingredientes dietéticos esenciales son producidos por
bacterias que normalmente viven en el intestino grueso.

13

resistieron los efectos destructivos de este gas, sino que en
realidad dependían del mismo para extraer su energía química.
Muchas cianobacterias son capaces no sólo de la fotosíntesis, sino también de fijar nitrógeno, o sea, convertir
el gas nitrógeno (Ni), de otro modo inútil, en formas reducidas de nitrógeno (como el amonio, NHs) que las células
pueden emplear para sintetizar compuestos orgánicos que
contienen nitrógeno, incluyendo aminoácidos y nucleótidos. Las especies con capacidad de fotosíntesis y de fijar
nitrógeno pueden sobrevivir con los recursos, más simples,
como luz, N2, COo y H2Ü. Por lo tanto, no es sorprendente

Tipos de células procariotas
Según los esquemas actuales de clasificación, los procariotes se dividen en dos grupos principales o subreinos: las
arqueobacterias y las eubacterias. Las arqueobacterias incluyen tres grupos de bacterias primitivas cuyos vínculos
evolutivos entre sí se manifiestan por la similitud en la
secuencia de nucleótidos de sus ácidos nucleicos. Las arqueobacterias vivas están representadas por los metanógenos [bacterias capaces de convertir el CÜ2 y el gas de Ü2 a
gas metano (CH4)]; los halófilos (bacterias que viven en
medios sumamente salinos, como el Mar Muerto o el Gran
Lago Salado), y los termoacidófilos (bacterias que viven en
manantiales calientes y muy ácidos). Se piensa que las arqueobacterias incluyen a los parientes vivos más cercanos
de las primeras células que evolucionaron sobre la tierra.
Todos los otros tipos de bacterias se clasifican en el
subreino Eubacteria. Este subreino incluye la célula viva más
pequeña, el micoplasma (0.2^01 de diámetro) que es también el único procariote que carece de pared celular. Los
procariotes más complejos son las cianobacterias (antiguamente conocidas como algas azul verdosas debido a la
espuma verde azulosa que pueden formar en la superficie
de lagos y estanques). La cianobacterias contienen arreglos
muy elaborados de membranas citopíásmicas que sirven
como sitios para la fotosíntesis (fig. 1-15, a). Las membranas
citopíásmicas de las cianobacterias son muy similares a las
membranas fotosintéticas presentes en los cloroplastos de
las células vegetales.
Igual que las plantas y a diferencia de otras bacterias,
en las cianobacterias la fotosíntesis se efectúa por desdoblamiento de moléculas de agua que libera oxígeno molecular. Antes de la evolución de las cianobacterias, hace
unos 3 000 millones de años, la atmósfera terrestre estaba
prácticamente desprovista de oxígeno y la vida sobre la
tierra sólo consistía de procariotes independientes de oxígeno (anaerobios). Como se describe en el capítulo 2, el
oxígeno molecular puede ser una sustancia sumamente
tóxica. Conforme las cianobacterias se convirtieron en la
forma dominante de vida, llenaron las aguas y la atmósfera de la tierra con el mortífero C>2, que empujó a la mayor
parte de los otros microorganismos procariotes hacia habitat anaerobios remotos. La presencia de Ü2 en la atmósfera
seleccionó nuevos tipos de microorganismos que no sólo

FIGURA 1-15. Cianobacteria. a) Micrografía electrónica de una
cianobacteria que muestra la membrana cítoplásmica donde se efectúa la fotosíntesis. Estos apilamientos de membranas fotosintéticas
recuerdan los de las membranas tilacoides presentes dentro de
cloroplastos de células vegetales, una característica que apoya la hipótesis de que los cloroplastos evolucionaron a partir de cianobacterias simbióticas, b) Las cianobacterias que viven entre los pelos de los
osos polares causan el color verdoso poco habitual de su pelaje, (a:
Cortesía de C.C. Remsen, S.W. Watson, ¡.B. Waterbury y H.S. Truper, en
J. Bacteriol. 95:2374, 1968, b: cortesía de Zoological Society o/Sn. Diego.)

14


que las cianobacterias de ordinario sean los primeros microorganismos en colonizar las rocas desnudas desprovistas de formas vivas gracias a la ardiente lava de una erupción volcánica. En la figura 1-15, b, se ¡lustra otro habitat
poco común ocupado por las cianobacterias.
Tipos de células eucariotas:
especialización celular
En muchos aspectos las células más complejas no se encuentran en los grandes organismos vegetales o animales,
sino más bien en algunos de los microorganismos eucariotas más pequeños, como los protozoarios ciliados que se
muestran en la figura 1-16. Estas células son complejas debido a que una sola célula constituye un organismo unicelular (de una sola célula) completo. Todos los mecanismos
necesarios para las complejas actividades en las cuales participan estos microorganismos, como percibir el ambiente,
procurarse alimento, excretar el exceso de líquido, evadir a
los depredadores, deben alojarse en los confines de una
sola célula. La formación de microorganismos unicelulares
muy complejos representa una vía de la evolución. Otra
vía alterna fue la evolución de microorganismos multicelulares en los cuales las diferentes actividades son efectuadas por diferentes tipos de células especializadas. Algunas
de las ventajas de la división del trabajo entre las células se
puede apreciar si se examina el ciclo de vida de uno de los
eucariotes más simples, el moho celular del fango, Dz'cfyostélium.
Durante la mayor parte de su ciclo de vida, las células
del moho del limo existen como amibas solitarias independientes que se arrastran sobre su sustrato. Cada célula es un
organismo completo autosuficiente (fig. 1-17, a). Sin embargo, cuando el suministro de alimento escasea, aparece un
nuevo tipo de actividad entre las células y se reúnen para
formar un agregado llamado seudoplasmodio, o simplemente
babosa (fig. 1-17, b), que se desplaza lentamente sobre el
sustrato dejando un rastro de "limo o baba". Los organismos
simples previamente aislados son ahora pequeñas partes de
un individuo multicelular mucho mayor. El examen del interior de la babosa revela que las células ya no son una población homogénea. Más bien, las células situadas en el tercio
anterior de la babosa (llamadas células precursoras del tallo)
se pueden distinguir de las situadas en la sección posterior
(llamadas células precursoras de esporas) mediante variados
criterios (fig. 1-17, b, recuadro). Si se espera un poco más
ocurren una serie de hechos espectaculares: el seudoplasmodio detiene su desplazamiento, gira sobre el sustrato (fig.
1-17, c) y luego se extiende hacia arriba, al aire, como el cuerpo de un fruto alargado (fig. 1-17, d). El cuerpo de este fruto
está compuesto de un delgado tallo (derivado de las células
precursoras del tallo) que apoya una masa redondeada de
esporas encapsuladas latentes (derivados de células precursoras de esporas). Las células del tallo y de las esporas tienen una función muy diferente que requiere diversos tipos
de especialización citoplásmica. Las células del tallo suministran apoyo mecánico para sostener la masa de esporas
arriba del sustrato, en tanto que las células de esporas están
destinadas a "dispersarse en el viento" y transformarse en

FIGURA 1-16. Vorticeüa, un protista complejo ciliado. Cierto número de individuos se juntan; la mayoría han perdido sus "cabezas"
debido al acortamiento de la banda contráctil en el tallo. (Carolina
Biological Supply Co./Phototíike.)

la siguiente generación de amibas. El proceso mediante el
cual una célula relativamente no especializada, como el moho
amibiano del fango, se convierte en una célula altamente
especializada, como las células del tallo o de las esporas, se
denomina diferenciación.
Una célula amibiana del moho de! fango dispone de
dos vías alternas de diferenciación cuando entra en la etapa
de agregación. Por lo contrario, cuando el óvulo de un vertebrado es fertilizado y avanza en su desarrollo embrionario
tiene a su disposición cientos de posibles vías de diferenciación. Algunas células se convierten en parte de una glándula
digestiva particular, otras en parte de un músculo esquelético largo y otras en parte de un hueso (fig. 1-18). La vía de
diferenciación que sigue cada célula embrionaria depende
principalmente de las señales que recibe de su entorno, que
a su vez dependen de la posición de dicha célula dentro del
embrión.
Como resultado de la diferenciación, distintos tipos de
células adquieren un aspecto distintivo y contienen materia-

Células
precursoras
del tallo
fa)

FIGURA 1-17. Ciclo de vida de un moho del fango, a) Amibas que se van agregando por
desplazamiento hacia un centro común. (Cortesía ríe John Ti/Ser Bor.ncr.) b) Después de la agregación, las células forman una masa (o seudoplasmodio) que se desplaza sobre el sustrato dejando
un rastro de "fango" en su camino. Las células del extremo delantero de la masa (que se convertirán en células del tallo) se pueden distinguir de las células del extremo posterior (que se
convertirán en células esporas). Como se muestra en el recuadro, las células precursoras de las
esporas del extremo posterior de la masa incorporan 3 H-fucosa, un azúcar marcado con isótopos
radiactivos que formarán parte de la cubierta de la espora, en tanto que las células precursoras
del tallo carecen de esta actividad. La incorporación de azúcar radiactivo se manifiesta por la
presencia de granos negros plateados sobre las células precursoras de esporas. (Cortesía de David
Francis, recuadro por G. Karp.) c) La migración de la masa cesa, se redondea y comienza a desprenderse del sustrato. Se observan las células que entraron a formar parte del tallo en el extremo
superior. (Cortesía ríe Kennsth B. Rapa:) d) El frutal consiste en un tallo alargado que sostiene una
masa de esporas en su extremo superior. Cada espora dará lugar a una amiba independiente que
vuelve a iniciar el ciclo de vida. (Cortesía de ¡ohn Tyler Bonner.)

les únicos. Las células del músculo esquelético contienen
una red de filamentos alineados con precisión y compuestos
de proteínas contráctiles peculiares; las células del cartílago
se rodean de una matriz característica que contiene polisacáridos y la proteína colágena, que juntos suministran apoyo mecánico; los eritrocitos se convierten en sacos de forma
discoide llenos de una proteína única, !a hemoglobina, que
transporta oxígeno, y as¿ sucesivamente. Sin embargo, a pesar de sus muchas diferencias, las diversas células de una
planta o animal multicelular están formadas de organelos
similares. Por ejemplo, se encuentran mitocondrias en prácticamente todos los tipos de células. No obstante, en un tipo
pueden ser redondas en tanto que en otro a veces adoptan
forma fibrilar muy alargada. De manera similar, las mitocondrias de una célula pueden estar dispersas por todo e!
citoplasma, en tanto que en otra las células se concentran
cerca de una superficie particular donde ocurre el transporte dependiente de energía. En cada caso, el número, aspecto

(d)

y ubicación del organelo se puede correlacionar con las actividades del tipo de célula particular. Se puede establecer
una analogía con las diferentes piezas que interpreta una
orquesta: todas están compuestas de las mismas notas, pero
los diferentes arreglos confieren a cada una sus características y belleza únicas.
El tamaño de las células y de sus elementos
La figura 1-19 muestra comparativamente el tamaño relativo de algunas estructuras de interés en biología celular.
Casi todas las células son microscópicas; por lo tanto, las
unidades más comúnmente empleadas en este libro corresponden a dimensiones lineales muy pequeñas. De ordinario se emplean dos unidades de medida lineal para describir estructuras del interior de la célula: el micrómetro (/mi)
y el nanómetro (nm). Un/ím es igual a 10~6 metros y un nm

16

Células nerviosas

Tejido conectivo laxo
con fibroblastos
"1

Tejido óseo
con osteocitos

Músculo liso

Células grasas
(adiposas)

Células del músculo estriado
Células epiteliales
del intestino
FIGURA 1-18. Vías de diferenciación celular. Se presentan unos pocos de los tipos de diferenciación celular en el feto humano.

es igual a 10~9 metros. Aunque ya no se acepta formalmente en la nomenclatura métrica, el angstrom (A), que es igual
a un décimo de nm, todavía se emplea con frecuencia en
biología molecular para describir dimensiones atómicas. Un
angstrom por lo general equivale al diámetro de un átomo
de hidrógeno. Una molécula proteínica globular típica (como
la mioglobina) tiene 4.5 nm x 3.5 nm X 2.5 mm y las proteínas alargadas {como la colágena o la miosina) tienen más de
100 nm de longitud, y el DNA tiene más o menos 2.0 nm
de ancho. Complejos de moléculas grandes, como los ribosomas, microtúbulos y microfilamentos, poseen diámetro
entre 5 y 25 nm. Organelos más grandes, como los núcleos
(unos 10 ¿¡m) o las mitocondrias (alrededor de 2 ¿¿m) son
más fáciles de definir en micrómetros.

El tamaño de las bacterias típicas varía entre 1 y 5//m de
longitud, en tanto que las células eucariotas de ordinario
tienen entre 10 y 30 /ím. Hay bastantes razones para que las
células sean tan pequeñas. Consideremos las siguientes:
• Independientemente del tamaño de la célula, el núcleo
único sólo contiene dos copias de la mayor parte de los
genes. Puesto que los genes actúan como moldes para la
producción de RNA mensajeros transportadores de información, una célula sólo puede producir un número
limitado de RNA mensajeros en determinado tiempo.
Cuanto mayor sea el volumen del citoplasma celular
más difícil será sintetizar el número requerido de mensajes nucleares.


Conforme el tamaño de la célula se incrementa, la proporción entre superficie/volumen disminuye.1 La capacidad de una célula para intercambiar sustancias en
su ambiente es proporcional a la superficie. Si una célula crece más de cierto tamaño, su superficie no sería
suficiente para captar sustancias (p. ej., oxígeno, nutrientes) necesarios, para apoyar sus actividades metabólicas.
Una célula depende en gran medida del movimiento al
azar de las moléculas (difusión). Por ejemplo, el oxígeno
debe difundir desde la superficie de la célula a través
del citoplasma hasta el interior de las mitocondrias.
Conforme la célula aumenta de tamaño y la distancia
de la superficie al interior también crece, el tiempo

Se puede comprobar esta afirmación calculando área y volumen
de un cubo cuyas aristas sean de 1 cm de longitud en comparación con
otro cuyas aristas sean de 10 cm de longitud. La proporción área/
volumen del cubo más pequeño es considerablemente mayor que la
del cubo más grande.

17

requerido para que la difusión desplace las sustancias
hacia adentro y hacia afuera de la célula metabólicamente activa puede ser prohibitivamente prolongado.
Las células que tienen dimensiones excepcionalmente
grandes, como el huevo de avestruz y la célula nerviosa de
la jirafa, en la figura 1-19, tienen propiedades poco habituales. El huevo del avestruz, y los huevos de muchos otros
peces, reptiles y aves, en realidad contienen una cantidad
muy pequeña de protoplasma vivo que se sitúa por encima
de una gran cantidad de yema inerte, empleada como
nutriente para el embrión en desarrollo. Aunque la célula
nerviosa de la jirafa y las células nerviosas de otros animales grandes pueden ser muy largas, su diámetro todavía es
microscópicamente pequeño.

1-4 Virus

1

Célula
nerviosa
de jirafa

Yema de
huevo de
avestruz

Amiba

Célula
humana

En los últimos decenios del siglo XIX, el trabajo de Louis
Pasteur y de otros investigadores convenció al mundo científico de que las enfermedades infecciosas de plantas y ani-

Núcleo de la
célula hepática humana

Bacteria

Ribosotna

Membrana
plasmática

Poro nuclear

0.000,0000001 de metro
000000001 de metro
0.00000001 de metro
0.0000001 de metro
0.000001 de metro
0.00001 de metro
0.0001 de metro
0.001 de metro
0.01 de metro
0.1 de metro
1 metro

10 metros

1.0 metro

Disminución
en potencias
de 10

10 metros

FIGURA 1 - L'*. Tamaños relativos de las células y de los componentes celulares. Cada unidad de medida es un décimo mayor que la unidad
precedente. Aunque el huevo completo de avestruz es técnicamente una célula, la porción viva sólo se encuentra como un delgado disco
microscópico situado sobre el borde de una gran masa inerte de yema de huevo.

18


males eran causadas por bacterias. Pero el estudio de la
enfermedad del mosaico del tabaco y la fiebre aftosa del
ganado pronto indicaron la existencia de otro tipo de agentes infecciosos. Por ejemplo, se observó que la savia de una
planta de tabaco enferma era capaz de transmitir ia enfermedad del mosaico a una planta saludable, aun cuando la
savia no demostró contener bacterias cuando se examinó al
microscopio de luz. Además, la savia de una planta continuaba siendo infecciosa aun después de pasar a través de
filtros cuyos poros eran tan pequeños que retardaban e!
paso de las bacterias más pequeñas conocidas. Estudios
adicionales demostraron que, a diferencia de las bacterias,
el agente infeccioso no podía crecer en medios de cultivo a
menos que también estuvieran presentes células vegetales
vivas. Los investigadores concluyeron que ciertas enfermedades eran causadas por patógenos aún más pequeños y
quizá más simples que las bacterias más pequeñas. Estos
patógenos recibieron el nombre de virus.
En 1935, Wendell Stanley, del Instituto Rockefeller,
publicó que el virus causante de la enfermedad del mosaico
del tabaco se podía cristalizar y que los cristales eran infecciosos. Los cristales poseen una estructura interna regularmente repetitiva. Las sustancias que forman cristales tienen
una estructura bien definida muy ordenada y son mucho
menos complejas que las células más simples. Stanley concluyó erróneamente que el virus del mosaico del tabaco
(VMT) era una proteína. En realidad, el VMT es una partícula en forma de bastoncillo que consta de una sola molécula de RNA rodeada por una cubierta helicoidal compuesta
de subunidades de proteína (fig. 1-20).
Los virus causan docenas de enfermedades en el ser
humano, incluyendo SIDA., poliomielitis, influenza, herpes
labial, sarampión y unos pocos tipos de cáncer (véase sección 16-3). Los virus presentan una gran variedad de formas, tamaños y estructuras muy diferentes, pero todos comparten ciertas propiedades comunes. Todos los virus son
parásitos intracelulares obligatorios, o sea, no pueden reproducirse a menos que se encuentren dentro de una célula
huésped, la cual, según el virus específico, puede ser una
célula vegetal, animal o bacteriana. Fuera de una célula
viva, el virus existe como partícula, o virión, que no es más
que un paquete de macromoléculas. El virión contiene una
pequeña cantidad de material genético que, según el virus,
puede ser RNA o DNA de cadena simple o doble. Es notable que algunos virus contienen escasos genes diferentes,
tres o cuatro, pero otros pueden tener hasta varios cientos
de ellos. Cuanto menor el número de genes más depende el
virus de las enzimas y de otras proteínas codificadas por los
genes de su célula huésped.
El material genético del virión está rodeado por una
cápsula proteínica, o cápside, por lo general constituida por
un número específico de subunidades. Entre las ventajas de
construir con subunidades una de las más aparentes es economizar información genética. Si la cubierta del virus está
formada por muchas copias de una sola proteína, como en
el VMT, o de unas pocas proteínas como las cubiertas de
muchos otros virus, sólo se necesita uno o unos cuantos
genes para codificar las proteínas de la cubierta.
Muchos virus poseen una cápside cuyas subunidades
se organizan en formas poliédricas, una estructura con la-

Cubierta proteínica
de la capsómera

Acido
nucleico

Nucieocápside

(b)

50 nm

FIGURA 1-20. Virus del mosaico del tabaco (VMT). a) Diagrama
de una porción de la partícula del VMT. Las subunidades de proteína
en forma de bastón (capsómera) que son idénticas en toda la longitud
de la partícula incluyen una sola molécula helicoidal de RNA. Se
muestra el RNA que sobresale en el extremo donde se ha desprendido
la proteína. La cápside proteínica con el RNA incluido se denomina
nucleocápside. b) Micrografía electrónica de partículas del VMT luego
de tratamiento con fenol para eliminar las subunidades de proteína de
la porción media de la partícula de arriba y de los extremos de la
partícula de abajo. Los bastones íntegros tienen unos 300 nm de longitud y 18 nm de diámetro, (b: Cortesía de M.K. Corbetí.)

dos planos. Una forma poliédrica particularmente común
en los virus es el icosaedro de 20 caras. Por ejemplo, e! adenovirus que provoca infecciones respiratorias en mamíferos tiene una cápside icosaédrica (fig. 1-21, a). En muchos
virus de animales, incluyendo el virus de la inmitnodefciencia
humana (HIV) causante del SIDA, la cápside proteínica está
rodeada por una cubierta externa que contiene lípidos derivados de la membrana plasmática de la célula huésped conforme las yemas virales se forman en la superficie de la
célula huésped (fig. 1-21, b). Integrada a la cubierta lípida se
encuentran las proteínas virales localizadas en la membrana
plasmática de la célula huésped antes de la gemación. Los
virus de bacterias, o bacteriófagos, son de los más complejos
(fig. 1-21, c). El bacteriófago T (utilizado en experimentos
clave que revelaron la estructura y propiedades del mate-


rial genético) consta de una cabeza poliédrica que contiene
DNA, un tallo cilindrico a través del cual se inyecta DNA al
interior de la célula bacteriana, y una cola de fibras que
juntas dan a la partícula el aspecto de un módulo que aterriza sobre la luna.
Cada virus tiene sobre su superficie una proteína capaz
de enlazarse a un componente particular de la superficie de
su célula huésped. Por ejemplo, la proteína que se proyecta
desde ¡a superficie de la partícula del HIV (marcada gp!20
en la figura 1-21, b, recibe ese nombre por glucoproteína
con peso molecular de 120 000 daltons2) interactúa con una
proteína sobre la superficie del leucocito humano, lo que
facilita la entrada del virus al interior de su célula huésped.
Corno se analiza en el ensayo La perspectiva humana, la partícula gpl20 es la base de la primera generación de vacunas
anti SIDA que en la actualidad están en prueba.
La interacción entre las proteínas virales y las del huésped determina la especificidad del virus, o sea, el tipo de
células huésped'a las cuales el virus puede penetrar e infec-

2 El Dalton equivale a una unidad de masa atómica, el peso de un
solo átomo de hidrógeno ^H).

19

tar. Algunos virus tienen un conjunto muy limitado de
posibles huéspedes, sólo tienen capacidad para infectar algunas células de ciertos huéspedes. Esto es cierto, por ejemplo,
para la mayor parte de los virus del resfriado común que
sólo pueden infectar células epiteliales respiratorias del ser
humano. Otros virus, como el de la rabia, pueden infectar a
una variedad de diferentes especies de huéspedes, incluyendo perros, murciélagos y el hombre.
Los viríones son agregados macromoleculares, partículas inanimadas que por sí mismas son incapaces de reproducirse, efectuar actividades metabólicas o cualquiera otra
actividad relacionada con la vida. Por esta razón, no se considera organismos a los virus y no se describen corno "seres
vivos". No obstante, una vez que se fijan a la superficie externa de un huésped y pasan al interior de la membrana
externa de la célula el virus contiene la información necesaria para alterar totalmente las acitividades de la célula huésped. Hay dos tipos básicos de infección viral: 1) En la mayor
parte de los casos el virus detiene las actividades normales
de síntesis en el huésped y reorienta a la célula para emplear
sus materiales disponibles en la elaboración de ácidos
nucleicos y proteínas virales, que se ensamblan para formar
nuevos viriones. En otras palabras, los virus no crecen como

Proteína
gp120 de la
cubierta

RNA

(a)

Cubierta
proteínica

Acido
nucleico Transcriptasa
inversa

Bicapa
de lípidos

(c)

(b)

FIGURA 1-21. Diversidad de los virus. Estructuras de: a) un adenovirus, b) un virus de la inmunodeficiencia humana (HIV), y c) un bacteriófago T-homogéneo.

20

CAPITULO 1 • ¡ntroducción al estudio de la biología celular

células; se ensamblan directamente a partir de sus elementos para formar viriones de tamaño maduro. Por último, la
célula infectada se rompe (lisis) y libera una nueva generación de partículas virales capaces de infectar a las células
vecinas. Un ejemplo de este tipo de infección lítica se muestra en el recuadro a la izquierda de la figura 1-22, a, y en la
fotografía de la figura 1-22, b. 2) En otros casos, el virus
infectante no provoca la muerte de la célula huésped, sino
en vez de ello introduce (integra) su DNA al DNA de los
cromosomas de la célula huésped. El DNA viral integrado
se denomina provirus. Un provirus integrado puede tener
varios tipos de efectos según el tipo de virus y de célula
huésped. Por ejemplo:

Virus unido a
la superficie
de la célula

Las células bacterianas que contienen un provirus se
comportan normalmente en tanto no se expongan
a algún tipo de estímulo, como la radiación ultravioleta (UV) que activa al DNA viral "latente", lo que provoca la lisis celular y libera a la progenie viral. El virus
lambda es un virus bacteriano capaz de integrar su
DNA a los cromosomas de la célula del huésped, como
se indica en la figura 1-22, a, recuadro a la derecha.
Algunas células animales que contienen un provirus
producen una nueva progenie viral por gemación en la
superficie de la célula sin lisis de la célula infectada. El
virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) actúa de
esta manera; una célula infectada puede permanecer

O

DNA viral
inyectado
al interior de
la célula
El DNA viral
permanece separado
del cromosoma
del huésped

DNA degradado del
huésped y proteínas
virales y DNA sintetizado

El ONA viral se
integra al cromosoma

del huésped
como provirus

Bacteria proliferante
con provirus integrado

t

0.2 pm

Ensamblado de
las partículas virales

Partículas virales liberadas
cuando la célula es lisa

(í?~»£)
V/
VÍA LITIGA

(a)

VÍA LISOGENA

FIGURA 1-22. Infección con un virus, a) Cuando el virus bacteriano
(bacteriófago) lambda inyecta su DNA en una célula huésped el resultado
puede ser una de dos tipos de infección. La mayor parte de los agentes
infecciosos siguen una vía lítica ilustrada en el recuadro izquierdo, donde
la célula bacteriana sirve como máquina para producir la progenie viral
que se libera después que la célula sufre lisis. En otros casos, el virus entra
a una llamada vía lisógena (recuadro derecho) en la cual el DNA del virus
se integra a los cromosomas de la célula de! huésped como un provirus reprimido. El provirus latente puede ser inducido a iniciar una infección lítica por diferentes tipos de estímulo, incluyendo radiación por luz
UV (indicado por la célula de color más claro a la izquierda), b) Una última
etapa de la infección de una célula bacteriana por un bacteriófago, que
muestra la acumulación ordenada de numerosas partículas virales y la
cubierta vacía del fago sobre la superficie celular, (b: Cortesía de ¡onathan
King y Erika Hartwig.)


viva mientras actúe como fábrica para producir nuevos
víriones.
• Algunas células animales que contiene un provirus pierden el control de su propio crecimiento y división y se
convierten en malignas. Este fenómeno se puede estudiar con facilidad en el laboratorio al infectar células
cultivadas con el virus tumoral apropiado.
Debido a su estructura sencilla, se podría concluir que
los virus representan una forma primitiva de vida, tal vez
similar a las que existieron sobre la tierra antes de la evolución de las células procariotas. Sin embargo, cuando se considera que la "vida de los virus" depende por completo de
las células que invade, es evidente que los virus no pudieron aparecer en el escenario antes que sus huéspedes. Puesto que los virus comparten el mismo lenguaje genético entre sí y también con células procariotas y eucariotas, no
pudieron originarse de manera independiente como forma
primitiva después que otras células habían evolucionado. Es
rnás razonable asumir que los virus representan una forma degenerada, o sea, derivada de un organismo más
complejo. Los virus al parecer evolucionaron a partir de
pequeños fragmentos de cromosomas celulares capaces
de mantener algún tipo de existencia autónoma dentro de
las células. Con el tiempo, estos elementos genéticos autónomos adquirieron una cubierta proteínica y se convirtieron en agentes capaces de infectar a otras células. Considerando la tremenda diversidad de los virus es probable que
diferentes grupos evolucionaran de manera independiente
a partir de diferentes organismos celulares. Esta conclusión
se corrobora por el hecho de que los genes presentes en
cada grupo de virus son muy diferentes de los correspondientes a otros grupos, pero son similares a los genes que
infectan dentro de la célula huésped. El hecho de que los
virus humanos utilicen las enzimas del huésped para efectuar casi todas sus actividades metabólicas hace muy difícil
encontrar fármacos que impidan los pasos del ciclo viral sin
dañar al huésped humano.
Los virus no carecen de virtudes; puesto que la actividad de los genes virales imita a la de los genes del huésped,
los investigadores han utilizado por decenios a los virus

21

como herramientas para estudiar el mecanismo de duplicación del DNA y la expresión de los genes en huéspedes
mucho más complejos. Además, en la actualidad los virus se
emplean como medio para introducir genes extraños a las
células humanas, técnica que será la base para el tratamiento de enfermedades humanas mediante genoterapia. Por
último, los virus que matan insectos en el futuro podrán
desempeñar un papel cada vez mayor en la guerra contra
plagas de insectos.

Viroides
En 1971, sorpresivamente se descubrió que los virus no
eran los tipos más simples de agentes infecciosos. En aquel
año, T.O. Diener, del Departamento de Agricultura de Estados Unidos, comunicó que la enfermedad por adelgazamiento de los tubérculos de la patata que produce patatas
nudosas y agrietadas era causada por un agente infeccioso
que consistía en una molécula circular pequeña de RNA
desprovista totalmente de cubierta proteínica. Diener denominó a este patógeno un viroide. El tamaño del RNA de los
viroides oscila entre 240 y 600 nucleótidos aproximadamente, la décima parte del tamaño de los virus más pequeños. No se ha demostrado que el RNA viroide desnudo
codifique para alguna proteína. Más bien, cualquier actividad bioquímica en la cual participan los viroides se efectúa
utilizando proteínas de la célula huésped. Por ejemplo,
para duplicarse dentro de una célula infectada el RNA
viroide utiliza el RNA polimerasa II del huésped, una enzima que normalmente transcribe el DNA del huésped en
RNA mensajero. Se cree que los viroides provocan enfermedades al intervenir en la vía normal de expresión genética
de las células. Los efectos sobre las cosechas pueden ser
graves; una enfermedad viroide llamada cadang-cadang
devastó las palmeras cocoteras en plantac ones de las Islas
Filipinas y otro viroide provocó grandes estragos a la
industria de los crisantemos en Estados Unidos. En el ensayo La vía experimental se relata el descubrimiento de un tipo
diferente de agente infeccioso aun más simple que el
viroide.

22

CAPITULO 1 • Introducción a! estudio de la biología celular

LA PERSPECTIVA

HUMANA

La búsqueda de una vacuna contra el SIDA
A la mitad del decenio de 1980 había
grandes esperanzas de desarrollar una
vacuna para prevenir la infección con
HIV, el virus causante del SIDA. La
mayor parte de las vacunas contra
enfermedades virales, como la poliomielitis, la viruela negra y el sarampión, contienen virus muertos íntegros
o virus vivos atenuados (virus modificados que ya no son capaces de provocar infección grave). La inyección de
estos virus inofensivos engaña al sistema inmunológico del cuerpo para producir anticuerpos específicos y células
de inmunidad que permanecen a la espera, listas para atacar al auténtico virus causante de la enfermedad si logra
penetrar al organismo. Una de las ventajas de utilizar virus vivos atenuados
como parte de una vacuna es que se
estimula a las vías humoral y celular
del sistema inmunológico. La inmunidad humoral es mediada por anticuerpos solubles disueltos en la sangre.
Estos anticuerpos son sintetizados por
células derivadas de linfocitos B. Por
lo contrario, los íinfocitos T se encargan de la inmunidad mediada por células, células capaces de reconocer y
destruir a las células del cuerpo infectadas por virus.
Durante el decenio de 1980, prácticamente había acuerdo unánime de
que una vacuna contra el SIDA, dependiente de virus muertos o atenuados,
era segura. A diferencia de la mayor
parte de los virus infecciosos, el HIV
integra su material genético a los
cromosomas del huésped, donde permanece durante años destruyendo
gradualmente la salud de una persona. Toda vacuna contra el SIDA que
contenga partículas virales también
contiene RNA viral, el cual puede copiarse a DNA e intregrarse a los cromosomas celulares. Aun si pudiera alterarse el material genético del virus

de modo que no tuviera posibilidad de
causar SIDA, tal vacuna aún podría ser
peligrosa porque la integración de cualquier material genético al DNA de una
célula tiene el riesgo de convertirla en
una célula cancerosa maligna.
Había acuerdo de que el camino
más seguro era desarrollar una vacuna a partir de la proteína del virus
proyectada hacia afuera de la cubierta
viral. Esta proteína de la cubierta, denominada gp!20 (fig. 1-21, b) es el componente de la partícula viral que se
enlaza a la superficie externa de la célula huésped antes de infectarla. La
proteína viral empleada para la vacuna tendría que elaborarse a partir de
un gen sintetizado en el laboratorio. El
gen se introduciría a células de mamíferos que pueden desarrollarse en gran
cantidad en el laboratorio. Las células
sometidas a procesos de ingeniería genética producirían una gran cantidad
de la proteína que debía purificarse y
emplearse para fabricar la vacuna. Se
esperaba que la vacuna constituida por
la proteína de la cubierta del HIV obligara a la persona a sintetizar anticuerpos neutralizantes, o sea anticuerpos capaces de bloquear la entrada del virus
a la célula y por lo tanto de prevenir
que las personas expuestas al virus
se infectaran. Una desventaja de la vacuna basada sólo en la proteína de la
cubierta es que no se esperaba que
estimulara la vía del sistema inmunológico mediada por células, la cual tal
vez se necesitaba para destruir una
célula que fuera infectada por el virus.
Numerosas compañías en colaboración con varías agencias gubernamentales alrededor del mundo produjeron vacunas a base de proteínas de
la cubierta del HIV. Las primeras dos
fases de prueba clínica de una nueva
vacuna están diseñadas para determinar si la vacuna es segura y capaz de

inducir una respuesta inmunológica.
Aunque todas las vacunas parecieron
seguras por no producir efectos colaterales aparentes en los individuos sometidos a la prueba, su éxito para producir
una respuesta de inmunidad fue variable. Por último, se determinó que las
vacunas elaboradas por dos compañías, Genentech y Chiron/ Ciba-Geigy,
inducen un nivel aceptable de anticuerpos en individuos vacunados durante un periodo razonable. De igual
importancia, se demostró que estos
anticuerpos in vitro evitan que el virus
infecte células. Se programaron estudios en gran escala para iniciarlos en
1994 para probar la eficacia de la vacuna, esto es, si era capaz de prevenir la
infección con HIV en miembros de poblaciones de alto riesgo. Pero hubo una
serie de acontecimientos que cambiaron los planes.
Se descubrió que los anticuerpos
producidos por las personas en respuesta a la vacuna no eran tan eficaces
como se pensó para prevenir la infección. Se habían llevado a cabo pruebas
anteriores de actividad neutralizante
empleando virus desarrollados en el laboratorio en líneas de células cultivadas. Cuando se probaron anticuerpos
contra el virus aislados de personas infectadas con HIV mostraron ineficacia
casi total para prevenir la infección de
las células. A diferencia de casi todos
los virus, el HIV puede mutar con rapidez y provocar cambios en la estructura de su cubierta proteínica. Por lo
tanto, los anticuerpos aparentemente
fueron producidos contra una versión
de la cubierta proteínica presente en los
virus de las células cultivadas, pero no
del virus residente en la mayoría de los
individuos infectados. Este resultado
produjo gran pesimismo en muchos investigadores respecto de que la vacuna fuera eficaz para prevenir la infec-


ción por HIV en la población general.
Además, era realmente difícil conseguir voluntarios para el estudio. No
sólo a un número significativo de voluntarios se les administraría vacuna
placebo, y los que recibieran la verdadera vacuna en adelante tendrían que
ser positivos al HIV, debido a que la
prueba para determinar el estado HIV
depende de la presencia de anticuerpos para los cuales se diseñó la vacuna. Para empeorar las cosas, hubo informes de que al menos 10 individuos
que habían participado en las primeros
estudios diseñados para determinar la
seguridad y potencia inmunológicas de
la vacuna se habían infectado con el virus. Estas noticias confirmaron la idea
cada vez más extendida de que la vacuna no era lo suficientemente eficaz para
justificar un estudio en gran escala en
Estados Unidos. Por último, se observó
que normalmente un individuo infectado produce anticuerpos contra las
proteínas de la cubierta viral después
de unos cuantos meses de la infección,
pero al parecer tienen poco valor para
alterar el curso de la enfermedad.
En junio de 1994, luego de considerar todos estos factores en conjunto,
los National Institutes of Health tomaron la decisión de no seguir adelante
con las pruebas en gran escala para
probar la eficacia de vacunas basadas
en gp!20 en Estados Unidos. Poco después de esta decisión, la Organización
Mundial de la Salud (OMS) decidió
proseguir las pruebas en una región del
mundo donde el riesgo de contraer
SIDA es muy alto. Se estimó que para
el año 2000 unos 40 millones de personas estarán infectadas con el HIV; más
de 90% de esos individuos vivirán en
países pobres del tercer mundo. La vacuna ya lista para probar se preparó
contra proteínas de la cubierta de la
cepa B del HIV prevaleciente en Estados Unidos y Europa, pero no en el
resto del mundo donde predominan
otras cepas. Por lo tanto, los estudios
de la OMS tendrán que esperar el desarrollo de una nueva vacuna basada
en proteínas de las cepas del HIV en-

démicas en la región del mundo dónde se efectuarán las pruebas.
Mientras tanto, los inconvenientes
que acompañan a la primera generación de vacunas HIV, además de la
creencia general de que la biología de
la enfermedad es demasiado compleja
para desmantelarla mediante una simple vacuna, llevaron a muchos investigadores del SIDA a reconsiderar la posibilidad de desarrollar una vacuna
basada en virus vivo atenuado. Como
se hizo notar antes, una de las ventajas
de emplear virus atenuado es estimular ambas vías del sistema inmunológico: la humoral y la mediada por células incrementando, por lo tanto, su
probable eficacia. Aunque esta vacuna
presenta una posibilidad finita de inducir cáncer o de causar SIDA, ese riesgo está bastante bien equilibrado en
una población con probabilidad elevada de contraer la enfermedad. En la
actualidad, varias compañías de biotecnología están trabajando sobre vacunas elaboradas con virus atenuados
que muestran eficacia para prevenir la
enfermedad en animales de laboratorio. Otro método para inducir inmunidad es introducir el gen de la proteína
de la cubierta del HIV en el DNA de
otro virus, por ejemplo el virus de la
vacuna, y emplear el virus vivo así
manipulado como agente inmunizante. Por ejemplo, el virus de la vacuna
manipulado causaría una infección
leve y estimularía al cuerpo a producir
anticuerpos y células inmunes contra
la proteína HIV generada durante la
infección con el virus de la vacuna.
Los investigadores del SIDA se
muestran muy pesimistas acerca de la
probabilidad de desarrollar una vacuna eficaz en el futuro cercano. Hay
muchas razones para ese pesimismo,
pero lo más importante es que los
investigadores todavía no comprenden por completo cómo opera el virus
dentro del cuerpo o por qué razón la
respuesta inmunológica normal es tan
ineficaz contra la infección. Otra complicación se origina en la capacidad del
virus para rnutar con demasiada rapi-

23

dez, incluso mientras se está propagando dentro de un individuo infectado.
Como resultado, un individuo infectado porta múltiples variantes del virus,
cada una con diferentes propiedades.
Estas diferencias se amplían cuando se
examina la estructura del virus en los
diferentes miembros de una población
(fig. PH 1-1). Puesto que una vacuna
eficaz contra una cepa de virus puede
ser totalmente inútil contra otra cepa,
el problema de desarrollar una cepa de
virus para elaborar una vacuna eficaz
contra todos es muy complicado.
Otra forma alternativa para la prevención y tratamiento del SIDA se analizará en La perspectiva humana del capítulo 11.

FI<;i¡KA l'Il l - l . Árbol filogenétko del
HIV. Las tres ramas de este árbol reflejan las
diferencias en la estructura de las proteínas
del HIV en tres diferentes grupos de individuos infectados que viven en Amsterdam;
éstos son: adictos a drogas intravenosas
(amarillo), homosexuales masculinos (verde) y hemofílicos (púrpura). Las diferentes
ramificaciones dentro de cada color ilustran
el grado de variación viral dentro de estas
subpoblaciones holandesas. Para que una
vacuna basada en proteínas virales pueda
ser útil contra el HIV tiene que estar dirigida
contra partes de la proteína con el menor
grado de variabilidad dentro de la población. (Cortesía de ¡nap Coudsmit.)

24


LA VIA

EXPERIMENTAL

friones: solución de un enigma médico
En 1957, Carleton Gajdusek trabajaba como científico visitante
en Australia estudiando genética viral e inmunología. Su interés en los problemas médicos de las culturas nativas lo había
llevado a las cercanías de Nueva Guinea para lo que é) esperaba sería una visita breve antes de regresar a casa en Estados
Unidos. Un par de días después de su llegada a Nueva Guinea, Gajdusek habló con Vincent Zigas, médico local, quien le
habló acerca de una misteriosa enfermedad que causaba más
de la mitad de las muertes entre los pobladores de unas remotas montañas de la isla. Los nativos llamaban a la enfermedad
kuru, que significaba "sacudidas o temblores", debido a que
en las primeras etapas las víctimas presentaban temblores involuntarios. En los siguientes meses, las víctimas (principalmente mujeres y niños) evolucionaban pasando por etapas de
debilidad creciente, demencia y parálisis, que finalmente les
arrancaba la existencia. Gajdusek decidió abandonar sus planes de viaje y permanecer en Nueva Guinea para estudiar la
enfermedad.
Al escuchar los síntomas de la enfermedad, Gajdusek concluyó que las personas de la región probablemente sufrían
encefalitis viral epidémica. La enfermedad tal vez se propagaba entre la población por la práctica ritual de comer ciertas
partes del cuerpo de los parientes muertos. Como en las aldeas
las mujeres eran quienes preparaban los cuerpos, tenían oportunidad de participar en esta forma de canibalismo y serían
ellas las que estuvieran en mayor peligro de contraer la infección. En los meses subsecuentes, Gajdusek ayudó a cuidar a
los aldeanos enfermos en un hospital improvisado, efectuó
autopsias de los pacientes muertos y preparó muestras de tejidos y de líquidos para enviar a los laboratorios de Australia.
En una de sus primeras cartas al exterior, Gajdusek escribió:
"Tuvimos un paciente muerto de kuru y efectuamos autopsia
completa. La practiqué a las 2:00 a.m. bajo el rugido de una
tempestad en una choza nativa con la luz de una linterna;
seccioné el cerebro sin bisturí."1 Los cortes del cerebro revelaron que las víctimas de kuru morían como resultado de un
extenso proceso degenerativo en el cerebro.
Se comenzaron a acumular pruebas de que el kuru no era
una infección viral. Los pacientes muertos de Kuru no mostraban ninguno de los síntomas que normalmente acompañan a
las infeciones del sistema nervioso central, como fiebre, inflamación encefálica y cambios en la composición del líquido
cefalorraquídeo. Además, los mejores laboratorios de virología de Australia no pudieron cultivar agente infeccioso alguno
en las muestras de tejido enfermo. Gajdusek empezó a considerar explicaciones alternativas como causa del kuru. Había la
posibilidad de que los aldeanos muertos se hubieran expuesto
a algún tipo de sustancia tóxica en su dieta. Se efectuaron
análisis de sangre con la esperanza de hallar concentraciones
elevadas de metales, grasas o de otras toxinas comunes, pero
no se encontró anomalía clínica alguna.

En este punto, Gajdusek pensó que el kuru podía ser una
enfermedad hereditaria, pero a partir de comentarios con los
genetistas concluyó que era muy improbable. Por ejemplo, para
una enfermedad hereditaria sería prácticamente imposible lo
siguiente: 1) una mortalidad tan elevada de origen al parecer
reciente y que alcanzara una frecuencia tan alta en la población; 2) que se manifestara en individuos de grupos de edad
tan diversa, desde niños de corta edad hasta adultos de edad
avanzada; 3) que afectara en igual número a hombres y a
mujeres jóvenes, pero que atacara a mujeres adultas en proporción 13 veces mayor que a los hombres; 4) que ocurriera en
una persona nacida en otra región de la isla que se había mudado a vivir a la población afectada.
No parecía haber una explicación razonable de la causa
del kuru. Gajdusek incluso consideró la posibilidad de que el
kuru era una enfermedad mental. "Puesto que en la etapa
temprana de la enfermedad muchas cosas sugieren histeria...,
no puedo desechar de mi mente la idea de la psicosis. Pero el
parkinsonismo típico avanzado y los trastornos de los ganglios básales que por último producen la muerte no se pueden
vincular fácilmente con psicosis, a pesar del papel que esta
enfermedad desempeña en la brujería, los asesinatos, las guerras locales, etc."
William Hadlow, veterinario patólogo estadounidense,
había trabajado sobre una enfermedad neurológica degenerativa llamada "scrapie" (encefalitis espongiforme), común
en ovejas y cabras. En 1959, Hadlow visitó una exposición en
Londres, auspiciada por una compañía farmacéutica británica,
donde vio muestras de neuropatología preparadas por Carleton Gajdusek de una persona muerta de kuru. Hadlow quedó
impresionado por el notable parecido entre las anomalías del
cerebro de las víctimas de kuru y las observadas en cerebros
de ovejas muertas por encefalitis espongiforme. Se sabía que la
encefalitis espongiforme era causada por un agente infeccioso;
esto se había demostrado por transmisión de la enfermedad a
ovejas saludables inyectándoles extractos preparados de animales muertos. El agente causante del "scrapie" era capaz de
atravesar filtros que retardaban el paso de bacterias y por esa
razón se asumió que se trataba de un virus. Sin embargo, a
diferencia de otras enfermedades virales, los síntomas del
"scrapie" no aparecían sino después de meses que el animal se
había infectado con el patógeno, por lo que se le dio el nombre
de "virus lento", Hadlow concluyó que el kuru y la encefalitis
espongiforme eran causadas por el mismo tipo de agente infeccioso y publicó su especulación en una carta a la revista
médica británica Lancet.2 Luego de leer la carta publicada y de
hablar con Hadlow, Gajdusek quedó convencido de que su
primera idea acerca del kuru como enfermedad infecciosa era
correcta. Luego de varios años de trabajo finalmente Gajdusek
pudo demostrar que el kuru se transmitía por extractos de
tejido humano a primates de laboratorio.3 El periodo de incu-

CAPITULO 1

bación entre la inoculación de los animales y la aparición de
los síntomas de la enfermedad era de casi dos años. El kuru
vino a ser así la primera enfermedad humana en la cual se
demostró que la causa era un virus lento.
Varios años antes, Igor Klatzo, perspicaz neuropatóiogo
de los National Institutes of Health (NIH) había dicho a
Gajdusek que una rara enfermedad hereditaria llamada enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ) producía anomalías en el
cerebro que recordaban las del kuru. Tres años después de
haber confirmado que el kuru podía transmitirse del hombre a
los animales, Gajdusek y sus colaboradores demostraron mediante extractos preparados por biopsia del cerebro de una
persona muerta por ECJ que ésta podía transmitirse a los animales.4 También había varios casos comprobados en los cuales
la ECJ era transmitida de un ser humano a otro durante procedimientos quirúrgicos, como trasplante de córnea, o en extractos de hormona de crecimiento preparada a partir de glándula
hipófisis de cadáveres.
¿Cómo se podía vincular una enfermedad hereditaria,
como la de Creutzfeldt-Jacob, con la presencia de un agente
infeccioso? La respuesta a esta pregunta se ha revelado en los
últimos 15 años, principalmente a través del trabajo de Stanley
Prusiner y sus colegas de la Universidad de Californa, en San
Francisco. Prusiner comenzó estudiando las propiedades del
agente causal de la encefalitis espongiforme y pronto llegó a
dos conclusiones muy estimulantes.5 Primero, el agente era
muy pequeño, mucho más pequeño que cualquier virus conocido, con peso molecular total de 27 000 a 30 000 daltons.
Segundo, al parecer el agente carecía de un ácido nucleico
entre sus elementos y estaba compuesto exclusivamente de
proteínas. Esta segunda conclusión se basaba en el tratamiento
exhaustivo de extractos de cerebros infectados con enzimas y
otras sustancias capaces de digerir o destruir proteínas o ácidos nucleicos. El tratamiento con enzimas destructoras de proteínas, como enzimas proteolíticas o fenol, producía extractos
inofensivos, en tanto que el tratamiento con agentes destructores de ácidos nucleicos, incluyendo diferentes tipos de
nucleasas y radiación ultravioleta, no mostraba efecto alguno
sobre la infecciosidad. La resistencia del agente de la encefalitis espongiforme a la radiación ultravioleta en comparación
con la de los virus se muestra en el cuadro VE 1-1. Prusiner
llamó al agente causal de la encefalitis espongiforme, y presumiblemente también del kuru y de la ECJ, un prión, derivado
de partícula proteinácea infecciosa.
La idea de un patógeno infeccioso constituido exclusivamente de proteínas fue vista con gran escepticismo, pero estudios subsecuentes de Prusiner y otros no han demostrado
manera alguna de modificar la conclusión original. En 1985 se
demostró que la proteína prión es codificada por un gen situado dentro de los propios cromosomas de la célula.6 El gen se
expresa en el tejido cerebral normal y codifica una proteína de
254 aminoácidos designada PrPc (por proteína prión celular),
cuya función aún se desconoce. Una forma modificada de la
proteína (designada PrP^, por proteína prión scrapie) se encuentra en el cerebro de animales con "scrapie". A diferencia
de la PrPc normal, la versión modificada de la proteína se
acumula dentro de las células nerviosas formando agregados
que aparentemente matan a la células. La PrP^ no sólo provo-

25

ca los cambios degenerativos característicos del scrapie en el
cerebro, sino también se presume que es el agente infeccioso
capaz de transmitir la enfermedad de un animal a otro.
Luego que se descubrió que el scrapie podía ser resultado
de la modificación del producto de un gen normal, fue posible
explicar cómo una enfermedad genética, como la de Creutzfeldt-Jacob, podía transmitirse de un individuo a otro. Casi
todos los genes presentes en el ser humano también lo están en
otros mamíferos, y por lo tanto hay una versión humana del
PrP. Presumiblemente, si este gen humano sufre algún tipo de
mutación, produciría una proteína PrP50 análoga a la proteína
modificada de la oveja en cuanto a su actividad. Como es
de esperarse, el análisis del DNA aislado de cierto número de
pacientes humanos con ECJ reveló ¡a presencia de mutaciones
específicas en el gen que codifica PrP (fig. VE l-l).7 En los
últimos años, el análisis genético de la susceptibilidad a enfermedades causadas por priones depende de ratones sometidos
a procesos particulares de ingeniería genética. Se han desarrollado dos tipos de ratones modificados: unos que carecen por
completo del gen PrP (a los cuales se denomina ratones "sin
sentido" carentes de PrP) y otros que contienen una o más
copias de la forma mutada del gen PrP humano (a los que se
les da el nombre de ratones transgénicos PrP).
Puesto que la proteína PrP se produce normalmente en el
cerebro (y otros órganos de los ratones), podría esperarse que
la ausencia del gen causara consecuencias terribles con desarrollo de la conducta de ratones carentes de PrP. Sin embargo,
a pesar de esta expectativa los ratones que carecen del gen PrP
no muestran los efectos de la enfermedad.8 Hay varias explicaciones razonables para este resultado, incluyendo la posibilidad de que la función normal de la proteína PrP sea sustituida
por otra proteína producida por un gen relacionado; en otras
palabras, el ratón tiene un sistema "de respaldo" que puede
dispensar la proteína PrP. De cualquier manera, los ratones
que carecen del gen PrP y por lo tanto no pueden sintetizar
proteína PrPc, no desarrollan el scrapie cuando se inyectan en
su cerebro priones de ratones con scrapie (fig. VE 1-2).9 Así
pues, para que un ratón sea susceptible a la enfermedad, el
CUADRO VE 1-!. Inactivación de agentes infecciosos pequeños
por radiación UV a 254 nm
Ejemplo
Bacteriófago T2
Bacteriófago S13
Bacteriófago 3>X174
Virus del sarcoma de Rous
Poliornavirus
Virus de la leucemia de Friend
Virus de la leucemia murina
Viroide de los tubérculos fusiformes de la patata
Agente del "scrapie" (encefalitis espongiforme)

D37
4
20
20
150
240
500
1400
5000
42000

* Dj? es la dosis de radiación que permite una supervivencia de 37
por ciento.
Reimpreso, con permiso, según S.B. Prusiner, Science 2Í6:140,1982.
Copyright 1982 American Association for the Advancement of Science.

26

CAPITULO! • Introducción a¡ estudio de la biología celular

— 182

FIGURA VE 1-1. Esta figura muestra la fotografía de un gel en el
cual e! DNA del gen PrP de algunas personas diferentes se trató con
una enzima (llamada BsmAl), que desdobla el DNA en cualquier
punto donde encuentra una secuencia particular de nucleótidos. Luego de incubar el DNA con la enzima, el gel es sometido a electroforesis, que separa todos los segmentos presentes en la mezcla de reac-.
ción. Las marcas en la parte de arriba indican los individuos de los
cuales se obtuvo el DNA y los números a la derecha indican la longitud de los fragmentos de DNA (expresada en pares de bases) visibles dentro del gel. {El DNA se hace visible incubando el gel con
un DNA unido a un colorante fluorescente.) La vía indicada por C
muestra el DNA de un individuo saludable, las siguientes tres vías
(marcadas KO-S, KO-B y JU) muestran el DNA de pacientes con ECJ
miembros de familias en las cuales la enfermedad es común. Las dos
últimas vías muestran el DNA de dos pacientes con casos esporádicos
de ECJ, o sea, casos donde no hay muestras de la enfermedad en otros
miembros de la familia. Cuando el DNA del gen PrP de cada uno de
los pacientes con ECJ se trata con la enzima, se observa que la mitad
del DNA es resistente a la enzima. Esta resistencia está indicada por
la presencia de fragmentos de DNA más largos, 803 pares de bases.
Por lo contrario, todo el DNA PrP de la persona saludable es desdoblado por la enzima según se manifiesta por la ausencia de los 803
fragmentos de pares de bases. En lugar de eso, este segmento de DNA
se fragmenta en dos pedazos, uno de 621 pares de bases y el otro de
182 pares de bases de longitud. La mitad del PrP DNA (que representa
un alelo) de los pacientes con ECJ no es fragmentada por la enzima
debido a que su secuencia de nucleótidos cambió por una mutación.
El alelo mutado ya no contiene la secuencia que la enzima reconoce
como un sitio potencial de fragmentación. Todos estos pacientes con
ECJ tienen la misma mutación: un cambio del nucleótido G a nucleótido A en el codón 200 que provoca un cambio de glutamina a
Usina en la proteína codificada. Éste cambio en la secuencia de aminoácidos causa la enfermedad. (Cortesía de Lev Goldfarb.)

FIGURA VE 1-2. a) Aspecto microscópico de la porción talámica
del cerebro de un ratón afectado de encefalitis espongiforme como
resultado de la inoculación previa con prionss de "scrapie". El tejido
cerebral muestra degeneración espongiforme, b) Aspecto de una porción correspondiente del cerebro de un ratón manipulado genéticamente que carece del gen PrP normal. Igual que el ratón en a, este
ratón también fue inyectado con priones de "scrapie" 20 semanas
antes, pero debido a que carece de) gen PrP y por lo tanto no tiene
capacidad para producir la proteína PrP, no es susceptible al agente
infeccioso y su tejido cerebral aparece normal. (Cortesía de Adriano
Aguzzi y C. Weissmann.)


animal debe ser capaz de producir la proteína PrP en sus
propios genes; no es suficiente que se introduzca en su cuerpo
la proteína anormal. Estos datos apoyan la hipótesis de que la
proteína PrP es indispensable para la propagación del prión
durante la infección. Como se hizo notar antes, también se han
efectuado estudios empleando ratones transgénicos; o sea, ratones sometidos a ingeniería genética para que sean portadores de genes extraños entre sus cromosomas. Cuando se transfiere a los ratones un gen PrP humano mutado, los animales
transgénicos desarrollan el mismo tipo de enfermedad cerebral neuropatológica como la observada en el hombre.10 Este
experimento demuestra que la presencia de un solo gen
mutado, que codifica una sola proteína anormal, es suficiente
para causar todos los síntomas que acompañan a la devastadora enfermedad neurológica.
PREGUNTAS SIN RESPUESTA

Todavía está sujeta a controversia la idea de que un agente
formado por una sola proteína puede provocar una enfermedad infecciosa. Algunos biólogos opinan que la proteína prión
se acompaña de pequeños fragmentos de un ácido nucleico
todavía por descubrirse; otros piensan que la proteína prión
hace que el individuo sea susceptible a la infección por un
segundo agente, por ejemplo, un virus que realmente causa la
enfermedad. El desarrollo de la enfermedad en los ratones
transgénicos por un gen mutante que codifica la proteína prión
es un argumento para que la proteína sea la única causa, pero
este dato reforzaría mucho la hipótesis si se pudiera demostrar
que los extractos de cerebro de ratones transgénicos pueden
transmitir la enfermedad a ratones normales no transgénicos.
En la actualidad, los intentos para transmitir la enfermedad de
esta manera sólo han tenido éxito limitado y el asunto todavía
permanece confuso.11
Otro tema que permanece sin respuesta es el mecanismo
mediante el cual el agente infeccioso incrementa su número
(duplicación) dentro de un individuo infectado, como claramente ocurre, En general, sólo se atribuye duplicación a los
ácidos nucleicos. ¿Cómo es posible que una proteína produzca
más de sí misma? Esta pregunta sin respuesta todavía es uno
de los principales "puntos débiles" en el concepto íntegro de
los priones como agentes infecciosos. Prusiner y sus colegas
han reunido pruebas que sugieren que las dos versiones de la
proteína PrP, PrPc y PrP*, difieren en su estructura tridimensional (conformación). En otras palabras, la misma proteína puede existir en dos formas diferentes.12 Según esta hipótesis, la

27

proteína normalmente existe en la forma PrPc. Sin embargo,
en el ser humano o los animales que desarrollan enfermedades prión se favorece la formación de la estructura PrP50 y se
acumula la proteína anormal. En el caso de enfermedades infecciosas por prión, como el kuru o el scrapie, Prusiner sugiere
que la duplicación se inicia cuando una versión scrapie de la
proteína PrP se une a la proteína PrP normal (o una versión no
desplegada de la proteína), que transforma la proteína normal
en la forma modificada.13 Por lo tanto, si una molécula PrP^ se
une a una PrPc, este hecho generaría dos moléculas PrP50 que
podrían entonces enlazarse a dos moléculas más de PrPc produciendo cuatro moléculas PrP50, y así sucesivamente.
Aunque las enfermedades prión son muy raras, otros trastornos degenerativos nerviosos, como las enfermedades de
Alzheimer y de Parkinson, son muy comunes. Se espera que el
estudio de las enfermedades prión será útil para entender la
base de padecimientos humanos más comunes.
BIBLIOGRAFÍA
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SINOPSIS
La teoría celular tiene tres dogmas. 1) Todos los organismos
se componen de una o más células; 2) la célula es la unidad de
organización básica de la vida, y 3) todas las células se originan de células previas (p. 2).
Las características de la vida, según se manifiestan en las
células, se pueden describir mediante un conjunto de propiedades. Las células son muy complejas, su estructura está

altamente organizada y es predecibte. La información para
construir una célula está codificada en sus genes. Las células
se reproducen por división celular; el suministro de energía
para sus actividades proviene de la energía química; ejecutan
reacciones químicas controladas por enzimas; participan en
un gran número de actividades mecánicas; responden a estímulos, y son capaces de un notable nivel de autorregulación

28


Las células pueden ser procariotas o eucariotas. Las células
procariotas sólo se encuentran entre las bacterias, en tanto que
todos los otros tipos de organismos, protistas, hongos, plantas
y animales, están compuestos de células eucariotas. Las células
procariotas y las eucariotas comparten muchas características
comunes, incluyendo una membrana celular similar, un sistema común para almacenar y utilizar información genética y
vías metabólicas similares. Las células procariotas son el tipo
más simple, carecen de organelos membranosos complejos
(p. ej., retículo endoplásmico, complejo de Golgi, mitocondrías
y cloroplastos), cromosomas y estructuras citoesqueléticas características de las células eucariotas. Los dos tipos de células
también se pueden distinguir por sus mecanismos de división
celular, sus estructuras locomotoras y el tipo de pared celular
que producen {en caso de que hubiera alguna pared celular)
(p. 7).
Los organismos eucariotes multicelulares se componen de
células especializadas en diferentes actividades. Las células
del moho del fango son un sistema útil para estudiar la diferenciación celular debido a que su etapa multicelular consta de
sólo dos tipos básicos de células: las que producen el tallo del
cuerpo frutal y las que producen las esporas. Por lo contrario,
la mayor parte de las plantas y animales constan de docenas
de diferentes tipos de células, cada una de las cuales tiene su
propia estructura y función distinta
Casi todas las células siempre son de tamaño microscópico.
Las células bacterianas típicamente son de uno a 5//m de lon-

gitud, en tanto que las células eucariotas en condiciones típicas son de 10 a 30¡um. Las células son de tamaño microscópico
por algunas razones: su núcleo posee un número limitado de
copias de cada gen, la superficie (que sirve como área de intercambio entre la célula) se convierte en un factor limitante a
medida que la célula aumenta de tamaño y la distancia entre la
superficie de la célula y su interior también sería demasiado
grande para que la célula satisfaga sus necesidades mediante
simple difusión :p. 15 >.
Los virus son patógenos no celulares que sólo pueden reproducirse cuando están presentes dentro de una célula viva.
Fuera de la célula, el virus existe como un paquete de macromoléculas, o virión. Los viriones presentan gran variedad de
formas y tamaños, pero todos ellos constan de ácido nucleico
viral encerrado en una cubierta que contiene proteínas virales.
Las infecciones virales pueden producir: 1) destrucción de la
célula huésped con producción acompañante de cepas virales,
o 2) integración del ácido nucleico viral al DNA de la célula
huésped que con frecuencia altera las actividades de dicha
célula. Los virus no son una forma primitiva de vida, sino más
bien han evolucionado secundariamente a partir de fragmentos de cromosomas celulares (p- í
Los viroides y priones son patógenos que se cree contienen
sólo RNA y proteína, respectivamente. Los viroides causan
cierto número de enfermedades en las plantas, en tanto que los
priones producen enfermedades neurológicas mortales en el
ser humano y otros mamíferos i,< ! . 21).

PREGUNTAS DE REPASO
1. ¿Cuáles son las propiedades fundamentales que comparten todas las células? Describir la importancia de cada una
de estas propiedades.
2. Describir algunas de las características de las células que
sugieren que todos los organismos vivos se derivan de un
ancestro común.
3. ¿Cuál es la fuente de energía que apoya la vida sobre la
tierra? ¿Como se pasa la energía de un organismo al siguiente?
4. Comparar las células procariotas y las eucariotas según
diferencias estructurales, funcionales y metabólicas.
5. ¿Cuál es la importancia de la diferenciación celular?
6. ¿Por qué casi todas las células siempre son microscópicas?

7. ¿Qué propiedades distinguen a un virus de una bacteria?
8. ¿Por qué se piensa que los virus evolucionaron a partir de
formas de vida celular en vez de lo inverso?
9. Si una mitocondria tiene 2 ftm de longitud, ¿cuántos
angstroms tendría?, ¿cuántos nanómetros?, ¿cuántos milímetros?
10. Comparar y contrastar: nucléotido y núcleo; flagelo de una
bacteria y de un espermatozoide; miembros del subreino
Archaeobacteria y una cianobacteria; células precursoras
de esporas y precursoras del tallo de una célula del moho
del fango; fijación de nitrógeno y fotosíntesis; bacteriófagos y virus del mosaico del tabaco; provirus y virión;
viroides y priones.

PREGUNTAS ANALÍTICAS
1. Considere alguna pregunta acerca de la estructura o la función de las células que le interese responder. ¿Los datos
requeridos para responder la pregunta serían más fáciles
de recolectar trabajando en un animal o en una planta íntegros o en una población de células cultivadas? ¿Cuáles
serían las ventajas y desventajas de trabajar en un organismo íntegro en comparación con un cultivo de células?
2. La figura 1-3 muestra una célula epitelial del intestino con
numerosas microvellosidades. ¿Cuál es la ventaja del organismo de poseer estas microvellosidades? ¿Qué se esperaría

que le ocurriera a un individuo que carezca de dichas microvellosidades como resultado de una mutación hereditaria?
3. Las primeras células humanas que se cultivaron con éxito
se derivaron de un tumor maligno ¿Cree usted que esto
sólo refleja la disponibilidad de células cancerosas, o que
estas células son mejores sujetos para cultivo celular? ¿Por
qué?
4. Los esquemas de las células vegetales y animales de la
figura 1-9, b,c, indican ciertas estructuras presentes en las


células vegetales pero ausentes en las animales. ¿Cómo
piensa usted que afecta la vida de la planta cada una de
estas estructuras?
5. Habrá usted notado que las células poseen receptores sobre su superficie que les permiten responder a estímulos
específicos. Muchas células del cuerpo humano tienen receptores que les permiten enlazar hormonas específicas que
circulan en la sangre. ¿Por qué cree usted que estos receptores hormonales son importantes? ¿Cuál sería el efecto
sobre las actividades fisiológicas del cuerpo si las células
carecieran de estos receptores, o si todas las células tuvieran los mismos receptores?
6. Hans Driesch no fue el primero en comprobar la potencialidad de una de las dos primeras células de un embrión.
Unos pocos años antes, el embriólogo alemán Wilhelrn Roux
mató una de las primeras dos células de un huevo de rana
con una aguja caliente y luego observó el destino de la
célula viva. Notó que la célula se desarrolló en lo que prácticamente era la mitad de un embrión. ¿Cree usted que
estos experimentos indican que los mecanismos que gobiernan el desarrollo de las ranas son fundamentalmente
diferentes de los que gobiernan el desarrollo de los erizos
de mar? ¿Hay alguna manera de reconciliar estos dos experimentos según la forma en que se efectuaron?
7. Si asumimos que las actividades dentro de las células ocurren de manera análoga a la demostrada en la caricatura de

29

Rube Goldberg en la figura 1-8, ¿en qué difieren de una
actividad humana, como construir un carro en una línea de
ensamblado o encestar un tiro libre en un juego de baloncesto?
8. A diferencia de las células bacterianas, el núcleo de una
célula eucariota está rodeado de una membrana de doble
capa tachonada con poros complejos. ¿Cómo piensa usted
que esto pueda afectar al tráfico entre el DNA y el citoplasma de una célula eucariota en comparación con una célula
procariota?
9. Examinar la fotografía del protozoario ciliado de la figura
1-16 y considerar algunas de las actividades en las cuales
participa esta célula y en las cuales no participa una célula
muscular o una nerviosa de su propio cuerpo.
10. ¿Qué tipo de células pensaría usted que alcanzarían el
mayor volumen: una célula muy aplanada o una esférica?
¿Por qué?
11. Observe la estructura del adenovirus y del HIV esquematizada en la figura 1-21. ¿Piensa usted que sería más fácil
desarrollar una vacuna utilizando la cubierta proteínica
del adenovirus en comparación con la proteína gp!20 del
HIV? ¿Por qué sí o por qué no?
12. Si usted tuviera que argumentar acerca de que los virus
son organismos vivos, ¿qué características estructurales
y funcionales del virus podría utilizar para apoyar su argumentación?

BIBLIOGRAFÍA
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y virología

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CAPITULO

2

Bases químicas de la vida
2-1 Enlaces covalentes
La perspectiva humana: Radicales libres como causa de
envejecimiento y enfermedad

2-5 Cuatro familias de moléculas biológicas
2-6 Formación de estructuras macromoleculares complejas
La vía experimental: Construcción de la estructura de
una proteína

Enlaces no covalentes

Ácidos, bases y amortiguadores
Naturaleza de las moléculas biológicas

ste capítulo se inicia con una breve exposición de las
bases atómicas de la materia, un tema que puede parecer fuera de lugar en un libro de texto de biología. Pero el
nivel de organización celular sólo es un pequeño avance
después del nivel atómico, como veremos al examinar la
importancia de los movimientos de algunos átomos de las
moléculas durante actividades como contracción muscular
o transporte de sustancias a través de membranas celulares. Las actividades de-las células y sus organelos se derivan directamente de la actividad de las moléculas que las
constituyen. Consideremos un proceso como la división celular, que puede seguirse en sus detalles más minuciosos
bajo el simple microscopio de luz. Para entender las actividades que tienen lugar cuando una célula se divide es necesario conocer, por ejemplo, algo acerca de las interacciones entre DNA y moléculas de proteína cuyo resultado es
la condensación de los cromosomas en paquetes con forma
de bastoncillos que pueden ser separados en células diferentes; la construcción molecular de microtúbulos que contienen proteínas que permite a estas estructuras en forma
de bastoncillos huecos desensamblarse en determinado
momento y volverse a ensamblar en el siguiente instante
en un sitio por completo diferente de la célula; y las propiedades de las moléculas de lípidos que confieren a la
membrana celular externa su plasticidad, de modo que
pueda ser empujada a la mitad de la célula y seccionarla
en dos. Es imposible incluso tratar de entender la fisiología
celular básica sin un conocimiento razonable de la estructura y las propiedades de los principales tipos de moléculas biológicas. Este es el objetivo del presente capítulo: suministrar la información necesaria acerca de la química de
la vida para que el lector comprenda las bases de la vida.
Iniciaremos considerando los tipos de enlaces que pueden
formar los átomos entre sí.

E

2-A. Complejo formado por dos macromoléculas diferentes. Una
parte de la molécula de DNA (mostrada en azul) se une para formar un
complejo a una proteína que consta de dos subunidades de polipéptidos, una
roja y la otra amarilla. Las partes de la proteina que se observan dentro de
los surcos del DNA han reconocido una secuencia específica de nucleótidos
en la molécula del ácido nucleico y se enlazan a ella. (Cortesía de A.R. FerréD'Amaré y Stephen K. Burley, Tíie Rockefeller University.)

30

CAPITULO 2 • Bases químicas de la vida

2-1 Enlaces covalentes
Los átomos que constituyen una molécula se mantienen
unidos por enlaces covalentes, en los cuales los pares de
átomos comparten pares de electrones. La formación de un
enlace covalente entre dos átomos obedece el principio fundamental de que un átomo es más estable cuando su capa
electrónica más externa está completa. Por consiguiente, el
número de enlaces que un átomo puede formar depende
del número de electrones necesarios para completar dicha
capa externa. En la figura 2-1 se muestra la estructura electrónica de algunos átomos. La capa exterior (única) de los

31

átomos de hidrógeno o de helio se llena cuando contiene
dos electrones; la capa externa de los otros átomos de la
figura 2-1 se llena cuando contiene 8 electrones. Así, un
átomo de oxígeno con seis electrones en su capa externa
puede llenar esta capa combinándose con dos átomos de
hidrógeno para formar una molécula de agua. Los átomos
de oxígeno y de hidrógeno se unen mediante un enlace
covalente simple (representado por H:O o H—O). En la
formación de un enlace covalente se libera energía que posteriormente debe reabsorberse cuando se rompe el enlace.
La energía requerida para desdoblar los enlaces covalentes
C—H, C—C o C—O es muy grande, en general entre 80 y

Primera capa
de electrones

••Oí.
,

^L7

F i

Segunda capa
de electrones

• •

4-18

• •

Na
Tercera capa
de electrones

Si

Cl

+4
+2
-1-1
EN CADA COLUMNA SE PRESENTAN LOS ELECTRONES NECESARIOS
PARA QUE LOS ÁTOMOS ALCANCEN ESTABILIDAD

• • *
• • •

Ar

T
Elementos
inertes

FIGURA 2-1. Representación de la disposición de los electrones en algunos átomos comunes. Los electrones rodean al núcleo de un átomo
formando una "nube" u orbitales, generalmente definidos por sus límites, los cuales pueden tener forma esférica o de mancuerna. Cada orbital contiene un máximo de dos electrones y por esa razón los electrones se agrupan en pares (puntos oscuros en la figura). La capa más interna contiene un solo orbital {por lo tanto, dos electrones); la segunda capa contiene cuatro orbitales {por lo tanto, 8 electrones); la tercera capa
también contiene cuatro orbitales, y así sucesivamente. El número de electrones en la capa más externa es el determinante principal de las
propiedades químicas de un elemento. Los átomos con número similar de electrones en su capa externa tienen propiedades semejantes. Por
ejemplo, litio (Li) y sodio (Na) tienen un electrón en su capa más externa y ambos son metales muy reactivos. Los átomos de carbono (C) y de
sílice (Si) se unen cada uno con cuatro diferentes átomos. Sin embargo, debido a su tamaño, un átomo de carbono se puede unir a otros átomos
de carbono y formar moléculas orgánicas de cadena larga, en tanto que el sílice no puede formar moléculas comparables. El neón (Ne) y el argón
(Ar) tienen llenas sus capas externas y por consiguiente estos átomos son muy poco reactivos; se les conoce como gases inertes.

32


100 kilocalorías por mol (kcal/mol)1 de moléculas, por lo
que estos enlaces son estables en casi cualquier situación.
En muchos casos, dos átomos pueden unirse mediante
enlaces en los cuales se comparte más de un par de electrones. Cuando se comparten dos pares de electrones, como
ocurre en la molécula de oxígeno (O-¿), el enlace covalente
es un doble enlace, y si se comparten tres pares de electrones
(como en el nitrógeno molecular, N2), es un triple enlace. No
hay enlaces cuádruples. El tipo de enlace entre los átomos
tiene importantes consecuencias para definir la forma de
las moléculas. Por ejemplo, los átomos con un solo enlace
pueden girar entre sí, en tanto que los átomos con doble (y
triple) enlace carecen de esa capacidad.
Cuando los átomos unidos son del mismo tipo, como
en H2, el par de electrones de la capa externa se comparten
por igual entre los dos átomos de la pareja. Sin embargo,
cuando dos átomos diferentes se enlazan en forma covalente,
es inevitable que el núcleo de un átomo con carga positiva
ejerza mayor fuerza de atracción sobre los electrones externos que la fuerza ejercida por el átomo al cual están enlazados. En consecuencia, los átomos compartidos tienden a
localizarse más cerca del átomo con mayor fuerza de atracción, o sea, el átomo más electronegativo. La electronegatividad de un átomo depende de dos factores: 1) El número
de cargas positivas en su núcleo (más protones, más electronegatividad) y 2) la distancia del núcleo a los electrones
externos (a mayor distancia menor electronegatividad). En
el cuadro 2-1 se ordena la electronegatividad de átomos
comunes en una escala de O a 4. Entre los átomos más frecuentes en las moléculas biológicas, nitrógeno y oxígeno
son fuertemente electronegativos.

Moléculas como las del agua, con distribución asimétrica
de carga eléctrica, se dice que son moléculas polares. Las
moléculas polares de importancia biológica contienen uno
o más átomos electronegativos, de ordinario O, N, S o P. Las
moléculas que carecen de enlaces polarizados, como las que
contienen casi exclusivamente átomos de carbono e hidrógeno, se dice que son no polares. La presencia de enlaces
polarizados tiene gran importancia para determinar la reactividad de las moléculas. Las moléculas que carecen de
átomos electronegativos, como ceras y grasas, tienden a ser
relativamente inertes. Algunas moléculas de mayor interés
biológico, incluyendo proteínas y fosfolípidos, que estudiaremos más adelante, contienen porciones polares y no polares que se comportan de manera muy diferente.

Moléculas polares y no polares

Ionización

Examinemos una molécula de agua. Los átomos de oxígeno
del agua atraen a los electrones con mucha mayor fuerza
que los átomos de hidrógeno. Como resultado, se dice que
¡os enlaces O—H de la molécula de agua están polarizados,
de modo que uno de los átomos tiene carga parcial negativa

Hay átomos tan fuertemente electronegativos que durante
una reacción química pueden capturar electrones de otros
átomos, por ejemplo, cuando' los elementos sodio (un metal
de color plateado) y cloro (un gas tóxico) se mezclan, el
único electrón en la capa más externa de cada átomo de Na
se desplaza a la capa externa del átomo de cloro deficiente
de un electrón. Como consecuencia, estos dos elementos se
transforman en átomos cargados, o sea iones.

1 Una caloría es la cantidad de energía térmica requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado centígrado. La
Caloría (gran caloría) es igual a 1 000 calorías (o kilocaloría). La energía expresada en calorías también puede expresarse en joules, término
histórico utilizado para medir energía en forma de trabajo. Una kilocaloría equivale a 4 186 joules. Una mola es igual al número de
Avogadro (6 x 1023) de moléculas. Una mola de cualquier sustancia
es su peso molecular expresado en gramos.

CUADRO 2-1. Electronegatividad de los átomos

+1*
H
2.2

+4
C
2.5
Si
1.9

+5
N
3.0
P
2.2

+6
0
3.5
5
2.5

+7
F
4.0
CI
3.0

* Los números + corresponden al renglón del átomo en la tabla
periódica.

y el otro carga parcial positiva. Esto generalmente se expresa de la siguiente manera:

extremos con
carga negativa

extremos con
carga positiva

2Na'

2NaO

2 0-

Puesto que el ion cloro tiene un electrón extra (en relación
con el número de protones de su núcleo), posee carga negativa (Cl~) y se denomina anión. El átomo de sodio que ha
perdido un electrón tiene una carga positiva extra (Na + ) y
se denomina catión. Cuando ambos iones se presentan en
forma cristalina forman cloruro de sodio, la sal de mesa
común.
Los iones Na+ y Cl~ mencionados antes son relativamente estables porque sus capas más externas están completas. Una disposición diferente de electrones dentro del
átomo puede producir especies muy reactivas denominadas radicales Ubres. En el ensayo siguiente La perspectiva humana se considera la estructura de los radicales libres y su
importancia en biología.


2-2 Enlaces no covalentes
Las uniones covalentes son enlaces fuertes formados entre
los átomos de una molécula. Las interacciones entre moléculas (o entre las diferentes partes de una molécula biológica grande) están gobernadas por una gran variedad de
uniones más débiles denominadas enlaces no covalentes.
Los enlaces no covalentes no dependen de electrones
compartidos, sino más bien de fuerzas de atracción entre
regiones con diferente carga eléctrica, negativa o positiva,
dentro de la misma molécula o entre dos moléculas cercanas. Los enlaces no covalentes individuales son débiles (casi
1 a 5 kilocalorías por mol) y por lo tanto se rompen y se
vuelven a formar con rapidez. Esta característica permite a
los enlaces no covalentes mediar interacciones dinámicas
que ocurren entre las moléculas del interior de la célula. Sin
enlaces no covalentes no podrían ocurrir actividades vitales
como las reacciones metabólicas, la duplicación del DNA y
el movimiento de materiales dentro de la célula.
Aunque individualmente los enlaces no covalentes son
débiles, cuando un gran número de ellos ocurren juntos,
como entre las dos cadenas del DNA o entre las diferentes
partes de una proteína grande, sus fuerzas de atracción son
aditivas y consideradas en conjunto confieren gran estabilidad a la estructura. Los enlaces no covalentes son de varios
tipos.
Enlaces iónicos: atracción
entre átomos cargados
Un cristal de sal de mesa se mantiene unido por atracción
electrostática entre los iones Na + cargados positivamente y

FIGURA 2-2. Disolución de un cristal de sal.
Cuando se coloca un cristal de sal en agua, los
iones Na+ y Cl~ quedan rodeados por moléculas de agua que separan los enlaces iónicos
entre los dos iones. A medida que la sal se disuelve, los átomos de oxígeno con carga negativa de las moléculas de agua se asocian a los
iones sodio con carga positiva y los átomos de
hidrógeno con carga positiva de las moléculas
de agua se asocian a los iones cloro con carga
negativa.

33

los iones Cl~ cargados negativamente. Este tipo de atracción entre componentes con carga neta se denomina enlace
iónico (o puente salino). Los enlaces iónicos dentro de un
cristal de sal pueden ser muy fuertes, pero la presencia de
agua impide la formación de enlaces iónicos fuertes. Por
ejemplo, si se disuelve en agua un cristal de sal, cada uno de
los iones individuales queda rodeado por moléculas de agua
que impiden la aproximación de iones con carga opuesta
(fig. 2-2). Puesto que las células se componen principalmente de agua, el enlace entre iones libres es de poca importancia.
En contraste, pueden formarse enlaces iónicos débiles entre
grupos con carga opuesta que forman parte de moléculas
biológicas más grandes. Por ejemplo, cuando los radicales
fosfato de la molécula de DNA cargados negativamente se
aproximan mucho a grupos cargados positivamente de la
superficie de una proteína (fig. 2-3), los grupos con carga
opuesta forman enlaces iónicos que ayudan a mantener
unido al complejo. (Inversamente, los grupos con carga similar se repelen entre sí y evitan una aproximación estrecha.) En una célula, la fuerza de los enlaces iónicos generalmente es débil debido a la presencia de agua, pero en
la profundidad del núcleo de una proteína, donde casi
siempre no hay agua, estos enlaces pueden ejercer gran influencia.
Enlaces de hidrógeno
Cuando un átomo de hidrógeno se enlaza en forma covalente
a un átomo electronegativo, en particular a un átomo de
oxígeno o de nitrógeno, el único par de electrones compartidos se desplaza mucho hacia el núcleo del átomo electronegativo, dejando con carga parcial positiva al átomo de

34


LA PERSPECTIVA HUMANA
Radicales libres como causa de envejecimiento y enfermedad
¿Por qué los seres humanos tienen un
periodo de vida máximo de casi 100
años, en tanto que sus parientes cercanos, los chimpancés, sólo viven como
la mitad de ese tiempo? Muchos biólogos piensan que el envejecimiento es
resultado de un daño gradual que se
va acumulando sobre los tejidos de
nuestro cuerpo. El daño más destructivo probablemente ocurra en el DNA.
Las alteraciones del DNA tienden a
producir fallas en los mensajes genéticos que paulatinamente promueven el
deterioro celular. ¿Cómo ocurre entonces el daño celular y por qué razón es
más rápido en el chimpancé que en el
ser humano? La respuesta puede residir a nivel atómico.
Los átomos son estables cuando
sus capas están llenas de electrones. Las
capas de electrones constan de orbitales, cada uno de los cuales sólo puede
sostener un máximo de dos electrones.
Los átomos o moléculas que tienen
orbitales con un solo electrón impar
tienden a ser muy inestables y se les
denomina radicales libres. Los radicales libres pueden formarse al romperse un enlace covalente de modo que
cada porción conserve la mitad de los
electrones compartidos, o también se
generan cuando un átomo o molécula
acepta un solo electrón transferido
durante una reacción de oxidorreducción. Por ejemplo, el agua puede convertirse en radicales Ubres cuando se
expone a la radiación solar
H2O -> HO- + Hradical
hidroxilo

(" • " indica radical libre)
Los radicales-libres son en extremo
reactivos debido a su inestabilidad y
pueden alterar químicamente muchos
tipos de moléculas, incluyendo proteínas, ácidos nucleicos y lípidos. La formación de radicales hidroxilo tal vez
sea una de las principales razones de

que la luz del sol sea tan nociva para la
piel.
En 1956, Denham Harman, de la
Universidad de Nebraska, propuso que
el envejecimiento era resultado del
daño a los tejidos causado por radicales
libres. Puesto que el tema de los radicales libres no era familiar para los biólogos y los médicos, la propuesta
no despertó gran interés. Después, en
1969, Joe McCord e Irwin Fridovich, de
la Universidad de Duke, descubrieron
una enzima, la superóxido dismutasa
(SOD), cuya única función era destruir
radicales superóxido (O2*~), un tipo
de radical libre formado cuando el oxígeno capta un electrón extra. La SOD
cataliza la siguiente reacción:
<V - + O2- ~ + 2H+ -»H2O2 + O2
peróxido de
hidrógeno

El peróxido de hidrógeno, una sustancia muy destructiva, es descompuesto
de inmediato por otra enzima, la catalasa.
Investigaciones subsecuentes han
revelado que los radicales superóxido
se forman dentro de las células durante el proceso oxidativo normal y que
en las células de diversos organismos,
desde bacterias hasta el ser humano,
hay enzimas capaces de destruir estas
nocivas sustancias. La importancia de
la SOD se aprecia mejor en estudios
de bacterias mulantes que carecen de
esta enzima; estas células no pueden
sobrevivir en presencia de oxígeno.
Aunque el potencial destructivo de
los radicales libres, como el superóxido, es incuestionable, la importancia de
estos agentes como factor de envejecimiento aún está sujeta a controversia.
La hipótesis de Harman en relación con
radicales libres y envejecimiento permite hacer ciertas predicciones. Por
ejemplo, sería de esperar que los animales con periodos de vida más largos
produjeran menor cantidad de radicales libres, posean una mejor capacidad

para destruir radicales libres, o mayor
eficiencia para reparar el daño celular
producido por las reacciones entre radicales libres. Los datos relacionados
con estas predicciones son contradictorios. En tanto que algunos estudios
muestran correlación entre concentración elevada de SOD o actividad de
enzimas reparadoras y aumento del
periodo máximo de vida, otros estudios, en su mayor parte, no concuerdan con eso.
El papel de los radicales libres en
el envejecimiento todavía es dudoso,
pero cada vez gana mayor aceptación
la idea de que estos reactivos agentes
desempeñan un papel importante en
la aparición de ciertas enfermedades,
como cáncer, aterosclerosis y esclerosis lateral amiotrófica (ELA, o enfermedad de Lou Gehrig). Como se analiza
en los últimos capítulos, el cáncer casi
siempre es resultado de la mutación
de ciertos genes claves. Puesto que la
mutación genética es resultado de
alteraciones en el DNA y los radicales
Ubres pueden dañar al DNA, no es
sorprendente que los radicales libres
promuevan la formación y crecimiento del cáncer. La aterosclerosis es una
enfermedad cardiovascular causada
por el depósito de placas de lípidos
sobre la pared interna de las arterias,
Hay suficientes datos que sugieren que
la formación de estas placas ocurre en
sitios donde el revestimiento celular de
los vasos ha sufrido daño, hecho que
puede ser causado por radicales libres,
La esclerosis lateral amiotrófica es una
enfermedad degenerativa caracterizada por parálisis gradual de las motoneuronas que estimulan los músculos del cuerpo. Aunque la mayor parte
de los casos de ELA ocurren de manera
esporádica, o sea, la enfermedad no se
hereda de padres portadores de un gen
defectuoso, casi 10% de los casos sigue
un patrón familiar. El vínculo entre
daño por radicales libres y ELA fue suge.'ido por primera vez en 1993 cuan-


do se descubrió que los miembros de
cierto número de familias afectadas por
la enfermedad poseían un gen que codifica una superóxido dismutasa (SOD)
defectuosa. A partir de esta observación, los investigadores introdujeron
un gen que codifica una SOD imitante
en el ratón y demostraron que los ratones desarrollan una enfermedad neurodegenerativa grave cuyos síntomas recuerdan estrechamente a los de ELA.
Puesto que los animales manipulados
genéticamente continúan produciendo
SOD normal (codificado por los genes
normales que conservan) junto con la
enzima mutante (codificada por el gen
añadido), al parecer el daño no es resultado de la pérdida de actividad de
una enzima. Se especula que la enzima mutante quizá posea alguna nueva actividad nociva que tiende a producir nuevos tipos de radicales libres
que dañan a las neuronas.

En otra vía de investigación se han
empleado sustancias denominadas
antioxidantes capaces de destruir radicales libres. Los antioxidantes comunes incluyen glutatión, vitaminas E
y C, y ^-caroteno (el pigmento de color naranja de las zanahorias y de otros
vegetales y compuestos precursores de
vitamina A). Aunque estas sustancias
pueden ser muy benéficas en la dieta
debido a su capacidad para destruir
radicales libres, estudios en ratas y
ratones no suministraron datos convincentes de que retardan el proceso
de envejecimiento o que prolongan la
vida. En realidad, un estudio reciente,
efectuado en Finlandia, en el cual
durante ocho años se controló cuidadosamente a casi 30 000 fumadores
empedernidos, se observó que los
sujetos a quienes se administró complemento de ^-caroteno mostraron
un porcentaje 18 veces más elevado

hidrógeno. En consecuencia, el núcleo desnudo del átomo
de hidrógeno, cargado positivamente, puede aproximarse
lo bastante para establecer una interacción de atracción con
el par de electrones externos no compartidos de un segundo átomo electronegativo (fig. 2-4). Esta débil atracción recíproca se denomina enlace de hidrógeno.
Los enlaces de hidrógeno se forman entre la mayor parte de las moléculas polares y tienen particular importancia
para determinar la estructura y propiedades del agua (que
estudiaremos después). Los enlaces de hidrógeno también
se forman entre grupos polares presentes en moléculas biológicas grandes, como ocurre entre las dos cadenas de la
molécula de DNA (fig. 2-3). La fuerza de los enlaces de
hidrógeno es aditiva, por lo tanto su gran número entre las
cadenas de la doble hélice de DNA le confiere gran estabilidad. Sin embargo, puesto que los enlaces de hidrógeno
individuales son débiles (2 a 5 kcal/mol), las dos cadenas
pueden separarse para permitir el acceso de las enzimas a
sitios particulares de la molécula de DNA.
Interacciones hidrofóbicas y fuerzas
de van der Waals
Debido a su capacidad para interactuar con el agua, se dice
que las moléculas polares, como azúcares y aminoácidos, que pronto describiremos, son hidrofílicas o "amantes
del agua". Moléculas no polares, como esteroides o grasas,
son prácticamente insolubles en agua debido a que carecen

35

de ocurrencia de cáncer pulmonar
que aquellos que no recibieron el antioxidante. Este dato es muy difícil de
explicar y la mayoría de los investigadores en este campo se resisten a
hacer conclusiones, sobre todo porque
otros estudios sugieren que las dietas
ricas en antioxidantes se relacionan
con disminución del cáncer en poblaciones humanas. Estos datos sólo ilustran la complicada relación entre dieta
humana y salud, y la dificultad de
emplear seres humanos en estudios
experimentales.
Para simplificar el tema, también se efectuaron estudios en cultivos
de células. Ni la adición de antioxidantes al medio de cultivo, ni la reducción de oxígeno en la atmósfera
(que podría disminuir la formación
de radicales libres) parece incrementar la capacidad de crecimiento de las
células.

de regiones cargadas que serían atraídas hacia los polos de
las moléculas de agua. Cuando los compuestos no polares
se mezclan con agua, la sustancia no polar hidrofóbica ("que
le teme al agua"), se ven forzados a formar agregados para
reducir al mínimo la exposición a sus vecinos polares (fig.
2-5). El agrupamiento de moléculas no polares se denomina
interacción hidrofóbica. Es la razón por la cual las gotas de
grasa reaparecen con rapidez sobre la superficie de una
sopa de res o de pollo aun después de agitar el líquido con
una cuchara. Como se expone en la página 54, también es la
causa de que los grupos no polares tiendan a localizarse en
el interior de la mayor parte de las proteínas solubles y en el
exterior de casi todas las membranas proteínicas (sección 4-2).
Las interacciones hidrofóbicas del tipo que acabamos
de describir no se consideran verdaderos enlaces, puesto
que no son consecuencia de una atracción entre moléculas
hidrofóbicas. Además de este tipo de interacción, los grupos hidrofóbicos pueden formar enlaces débiles entre sí
basados en atracciones electrostáticas. Las moléculas polares se reúnen debido a que siempre contienen dentro de sus
estructuras una carga distribuida asimétricamente. Un examen más detallado de los enlaces covalentes en una molécula no polar (como H2 o ChL;) revela que los electrones no
siempre se distribuyen de manera simétrica. La distribución de electrones en cualquier momento dado alrededor
de un átomo es estadística, y por lo tanto varía de un instante a otro. En consecuencia, en un momento dado, la densidad de electrones puede ser mayor en un lado del átomo,

36

CAPITULO 2 • Bases químicas de ¡a vida
Enlace de hidrógeno

FIGURA 2-4. Enlaces de hidrógeno. Se forman entre un átomo
electronegativo, como nitrógeno u oxígeno, que posee carga negativa
parcial, y un átomo de hidrógeno con carga positiva parcial. Se muestran varios ejemplos de enlaces de hidrógeno.

sí y orientadas de la manera apropiada experimentan una
fuerza de atracción denominada fuerza de van der Waals,
que puede servir para unirlas. Más aún, la separación transitoria de cargas en una molécula también puede inducir
una separación similar de cargas en moléculas vecinas. Así

Enlace de
hidrógeno

A

FIGURA 2-.H. Los enlaces iónicos no covalentes desempeñan un
papel importante para trasladar la molécula de proteína de la derecha
(átomos amarillos) a la molécula de DNA de la izquierda. Los enlaces
iónico^ se forman entre átomos de nitrógeno con carga positiva en
la proteína y los átomos de oxígeno con carga negativa en el DNA. La
molécula de DNA en sí consta de dos cadenas separadas reunidas por
enlaces de hidrógeno no covalentes (que analizaremos en la siguiente
sección). Un solo enlace no covalente es relativamente débil y fácil de
romper, pero, un gran número de estos enlaces entre dos moléculas,
como entre dos cadenas de DNA, constituyen un complejo muy estable. (Fotografía cortesía de Stephen Harrison.)

aunque el átomo comparta por igual los electrones con algún otro átomo. Esta asimetría transitoria en la distribución
de electrones da como resultado una separación momentánea de cargas (dipolos) entre la molécula. Si dos moléculas
con dipolos transitorios se encuentran muy próximas entre

FIGURA 2-5. En una interacción hidrofóbica, las moléculas no
polares (hidrofóbicas) se reúnen en agregados para reducir al mínimo
su superficie expuesta a las moléculas de agua que las rodean.


Separación (A)
2

4

37

única que confiere a esta molécula propiedades extraordinarias.2 Entre las más importantes se hallan:
1. El agua es una molécula muy asimétrica con un átomo
O en un lado y dos átomos H en el lado opuesto.
2. Cada uno de los dos enlaces covalentes de la molécula
está altamente polarizado.
3. Los tres átomos de la molécula de agua pueden formar
enlaces de hidrógeno.

o f

(a)

(b)
FIGURA 2-6. Fuerzas de van der Waals. a) Conforme se aproximan
dos átomos, experimentan una débil fuerza de atracción que se incrementa hasta una distancia específica, generalmente cerca de 2 A. Si los
átomos se aproximan más, sus nubes electrónicas se rechazan entre sí
y esto provoca la separación de los átomos, b) Aunque individualmente las fuerzas de van der Waals son muy débiles, se puede formar un
gran número de dichas fuerzas de atracción cuando dos macromoléculas tienen una superficie complementaria, corno se indica esquemáticamente en esta figura.

Las propiedades de la molécula del agua que apoyan la
vida se originan en estas características.
Cada molécula de agua puede formar enlaces de hidrógeno hasta con otras cuatro moléculas de agua, generando
una red de moléculas íntimamente interconectadas (fig. 2-7).
Cada enlace de hidrógeno se forma cuando el hidrógeno
con carga parcialmente positiva de una molécula se alinea
junto a un átomo de oxígeno con carga parcialmente negativa de otra molécula de agua. Debido a su gran número
de enlaces de hidrógeno, las moléculas de agua tienden de
manera inusitada a adherirse entre sí. Esta característica es
más evidente al considerar las propiedades térmicas del
agua. Por ejemplo, cuando se calienta agua, la mayor parte
de la energía térmica se consume para romper enlaces de
hidrógeno en vez de contribuir al movimiento de las moléculas (que se mide como incremento de temperatura). De
manera similar, la evaporación desde el estado líquido al
2 Una manera de apreciar la estructura del agua es compararla con
H^S. Igual que el oxígeno, el azufre tiene seis electrones en su capa
externa y forma enlaces simples con dos átomos de hidrógeno. Pero
el átomo de azufre es más grande y por lo tanto menos electronegativo
que el oxígeno y su capacidad para formar enlaces de hidrógeno es
muy reducida. A temperatura ambiente, el FÍ2S es un gas, no un líquido. En realidad, la temperatura debe descender a -86°C antes que el
f-yS se congele para formar un sólido.

se pueden generar fuerzas adicionales de atracción entre
moléculas no polares. Incluso en el instante de máxima fuerza de atracción, un solo enlace de van der Waals es muy
débil (casi 1 kcal/mol) y muy sensible a la distancia que
separa los dos átomos (fig. 2-6, a). Sin embargo, como veremos en los últimos capítulos, las moléculas biológicas que
interactúan, por ejemplo, un anticuerpo y una proteína sobre la superficie de un virus, a menudo poseen formas complementarias entre sí. Como resultado, muchos átomos de
las moléculas interactuantes tienen oportunidad de aproximarse muy cerca (fig. 2-6, b), y por lo tanto las fuerzas de
van der Waals contituyen un factor importante en las interacciones biológicas.
Las propiedades del agua apoyan la vida
La vida sobre la tierra depende totalmente del agua y el
agua puede ser indispensable para la existencia de vida en
cualquier otro punto del universo. Aunque sólo contiene
tres átomos, una molécula de agua tiene una estructura

FIGURA 2-7. Formación de enlaces de hidrógeno entre moléculas
de agua vecinas. La longitud de un enlace químico se relaciona con
su fuerza, o sea, la energía necesaria para romperlo. El enlace de hidrógeno entre un átomo de H y un átomo de O es más largo que el
enlace covalente entre un átomo de H y un átomo de O debido a que
es un enlace mucho más débil.

38


Agua

Enlace de
hidrógeno

un átomo de hidrógeno pierde un electrón. Consideremos
el ácido acético, ingrediente característico del vinagre, que
puede sufrir la siguiente reacción descrita como disociación.

H

H .-Q:

o

H:CC:

H ':0:
H

FIGURA 2-8. Vista esquemática de los tipos de enlace de hidrógeno que pueden formarse entre una molécula de azúcar y el agua en
la cual se disuelve. Se muestran las moléculas de azúcar udlizando un
modelo de espacio lleno, una manera común de representar la estructura de una molécula.

estado gaseoso requiere romper los enlaces de hidrógeno
que mantienen unidas a las moléculas de agua con sus vecinas, y por esta razón se necesita tanta energía para convertir
agua en vapor. Los mamíferos sacan provecho de esta propiedad cuando sudan, puesto que el calor requerido para
evaporar el sudor se absorbe del cuerpo, que de esta manera se enfría.
El pequeño volumen de agua líquida presente en una
célula contiene una mezcla notablemente compleja de sustancias disueltas, o solutos. En realidad, el agua tiene capacidad para disolver numerosas sustancias, mayor que cualquier otro solvente. Pero el agua es mucho más que un
simple solvente; es un factor determinante de la estructura
de las moléculas biológicas y de los tipos de interacciones
en las cuales pueden participar. El agua es el líquido matriz
alrededor del cual se construye la estructura insoluble de la
célula. También es el medio a través del cual los materiales
se transportan de un compartimiento a otro de la célula; es
reactante o producto en muchas reacciones celulares; protege a la célula de muchas maneras: del calor, del frío o de la
radiación nociva excesivos.
El agua es un factor de tal importancia en la célula
debido a su capacidad para formar interacciones débiles
con múltiples tipos diferentes de grupos químicos. Recordemos, de la página 32, cómo las moléculas de agua, con
sus enlaces O—H fuertemente polarizados, forman una capa
alrededor de los iones y los separan entre sí. De manera
similar, las moléculas de agua forman enlaces de hidrógeno
con moléculas orgánicas, como azúcares y aminoácidos, que
contienen grupos polares (fig. 2-8). Debido a su capacidad
para formar enlaces débiles no covalentes con el agua, las
moléculas polares tienden a separarse entre sí incrementando su solubilidad.

2-3 Ácidos, bases y amortiguadores
Los protones no sólo se encuentran dentro de los núcleos
atómicos, sino que también se liberan al medio siempre que

Ion
acetato

H+

H

Acido
acético

+

Protón
(ion hidrógeno)

Una molécula capaz de liberar (donar) un ion hidrógeno se
denomina ácido. El protón liberado por la molécula de ácido acético en la reacción previa no permanece en estado
libre; se combina con otra molécula. Las posibles reacciones
en las cuales participa un protón incluyen:
• Combinación con una molécula de agua para formar
un ion hidronio (H.3O+).
H+ + H2O -> H3O+
• Combinación con un ion hidroxilo (OH~) para formar
una molécula de agua.
H+ + OH

H20

Combinación con un grupo amino (— NHa) en una proteína para formar una amina con carga neta
H+

NH2

NH3

Cualquier molécula capaz de aceptar un ion hidrógeno se
define como una base. Los ácidos y las bases existen en
pares, o parejas. Cuando el ácido pierde un protón (como
cuando el ácido acético dona un ion hidrógeno), se forma
una base (en este caso, ion acetato), denominada la base conjugada del ácido. De manera similar, cuando una base (como
un grupo — NH2) acepta un protón, se forma un ácido (en
este caso —NH3+), el cual se denomina ácido conjugado de
dicha base. Así, el ácido siempre contiene una carga positiva más que su base conjugada. El agua es ejemplo de una
molécula anfotérica, o sea, aquella que puede servir como
ácido o como base.*
H3O — H+ + H2O ^ OH- + H+
Acido

Molécula
anfotérica

Base

En la página 51 analizaremos otro importante grupo de
moléculas anfotéricas, los aminoácidos.
Los ácidos varían mucho respecto de la facilidad con la
cual la molécula cede un protón. Cuanto más fácil se pierda
el protón, o sea, cuanto menor sea la fuerza de atracción de
la base conjugada por su protón, más fuerte es el ácido. El
cloruro de hidrógeno es un ácido muy fuerte que transfiere
con rapidez su protón a las moléculas de agua cuando se
disuelve. La base conjugada de un ácido fuerte, como el HC1,
es una base débil (cuadro 2-2). Por lo contrario, el ácido
acético es un ácido relativamente débil porque en su mayor
parte permanece sin disociarse cuando se disuelve en agua.

CAPITULO 2 * Bases químicas de la vida
CUADRO 2-2. Fuerza de ácidos y bases
Bases

Ácidos

Muy débil
Débil

Fuerte

H2O
NIV
H2S
CH3COOH
H2C03
H30+
HCI
H2SO4

OHNH3
S2CH3COÜHC03H2O

Fuerte
Débil

Muy débil

ciso42-

Se puede considerar el grado de disociación de un ácido
como la competencia por protones entre los componentes
de una solución. El agua es un buen competidor, o sea, una
base más fuerte en comparación con el ion cloro, de modo
que el HCI se disocia por completo. Por lo contrario, el ion
acetato es una base más fuerte que el agua y por lo tanto
permanece principalmente sin disociarse.
La acidez de una solución se mide por la concentración
de iones hidrógeno3 y se expresa en términos de pH.
pH = -log [H+]
Por ejemplo, una solución con pH de 5 tiene una concentración de iones hidrógeno de 10~5 M. Debido a que la escala
es logarítmica, un incremento de una unidad de pH corresponde a un incremento de 10 veces la concentración de
OH~ (o una disminución de 10 veces la concentración de
H+). Por ejemplo, la concentración de H + en el ácido del
estómago es casi un millón de veces mayor que la concentración de este ion en la sangre.
Cuando una molécula de agua se disocia en un ion
hidroxilo y un protón, H2Ü -» H + + OH~ (o con mayor
precisión, 2 H2Ó ->• HsO+ + OH~), la constante de equilibrio para la reacción se puede expresar como:
=
eq

[H+] [OH-]
[H20]

Puesto que la concentración de agua pura siempre es de
55.51 M, podemos generar una nueva constante, KW, o producto iónico constante para el agua.

igual a 10~14 a 25°C. La concentración de ambas especies en
el agua pura es de aproximadamente 10~7 M. El grado sumamente bajo de disociación del agua indica que es un
ácido muy débil. En presencia de un ácido, la concentración
de iones hidrógeno se eleva y la concentración de iones
hidroxilo desciende (como resultado de la combinación con

3 En solución acuosa los protones no existen en estado libre, sino
más bien como iones hidronio (HsO"1"). En aras de la sencillez, nos
referimos a ellos simplemente como protones o iones hidrógeno.

39

protones para formar agua), de modo que el producto iónico permanece en lO^14,
La mayor parte de los procesos biológicos son muy
sensibles al pH debido a que los cambios en la concentración de ion hidrógeno afectan el estado iónico de las moléculas biológicas. Por ejemplo, conforme aumenta la concentración de ion hidrógeno, los grupos —NH2 del aminoácido
histidina se protonan para formiar —NH3+, que puede alterar la forma y actividad de toda proteína. Incluso cambios
ligeros en pH pueden impedir reacciones biológicas. Los
organismos, y las células que los forman, están protegidos
de variaciones de pH por amortiguadores, compuestos que
reaccionan con iones hidrógeno o hidroxilo libres, y por lo
tanto resisten los cambios de pH. Las soluciones amortiguadoras de ordinario contienen un ácido débil junto con
su base conjugada. Por ejemplo, la sangre está amortiguada
por ácido carbónico y iones carbonato que normalmente
mantienen el pH sanguíneo en una cifra cercana a 7.4.
HCCy + H+ ^ H2CO3
Ion
Ion
Acido
bicarbonato hidrógeno carbónico

Si la concentración de ion hidrógeno se eleva (como ocurre
durante el ejercicio), los iones bicarbonato se combinan con
el exceso de protones y los eliminan de la solución. Inversamente, el exceso de iones OH— (que se generan durante la
hiperventilación) es neutralizado por protones derivados
del ácido carbónico. El pH del líquido intracelular está regulado de manera similar por un sistema amortiguador de
fosfatos que consiste en H2PO4~ y HPO42~.

2-4 Naturaleza de las moléculas
biológicas
La masa de un organismo es agua. Si se evapora el agua, la
mayor parte del peso seco consta de moléculas que contienen
átomos de carbono. Cuando se descubrió esto se pensó que
las moléculas que contienen carbono sólo estaban presentes
en los organismos vivos y por lo tanto se les denominó
moléculas orgánicas, para distinguirlas de las moléculas inorgánicas observadas en el mundo inanimado. Conforme los
químicos aprendieron a sintetizar más y más moléculas compuestas de carbono en el laboratorio, se perdió la mística
relacionada con los compuestos orgánicos. Los compuestos
producidos por organismos vivientes se denominan bioquímicos.
La química de la vida se centra alrededor de la química
del átomo de carbono. La cualidad esencial del carbono que
le permite desempeñar este papel es el increíble número de
moléculas que puede formar. El átomo de carbono posee
cuatro electrones en su capa externa y por lo tanto puede
enlazarse a otros cuatro átomos (véase fig. 2-1). Además,
cada átomo de carbono puede formar enlaces con otros átomos de carbono y de esta manera construir moléculas con
esqueletos que contienen largas cadenas de átomos de carbón. Los esqueletos de carbono pueden ser lineales, ramificados o cíclicos.

40


c
/

c

c
c—c—c

C
Lineal

Cíclico

Conforme se añaden más átomos de carbono, el esqueleto de las moléculas orgánicas aumenta de longitud y su
estructura es cada vez más compleja. Un hidrocarburo
con la fórmula C4Hio puede existir con dos moléculas diferentes
H
H

Ramificado

H H H H

:—H
El colesterol, cuya estructura se muestra en la figura 2-9,
ilustra varios arreglos de átomos de carbono.
Tanto el tamaño como la estructura electrónica del carbono le confieren características particularmente adecuadas para generar numerosas moléculas, de las cuales se
conocen varios cientos de miles. En contraste, el sílice, que se
encuentra justo por debajo del carbono en la tabla periódica
y que también posee cuatro electrones en su capa externa
(véase fig. 2-1), es demasiado grande para que la carga positiva de su núcleo atraiga electrones de la capa externa de
los átomos vecinos con fuerza suficiente para mantener
unida la estructura de moléculas grandes.

-H

H

H

H-

H H H H

—H
H

H
Isobutano

Butano

Estas moléculas tienen propiedades diferentes como resultado de la manera de unirse los diferentes átomos entre sí.
Dos moléculas que tienen la misma fórmula (p. ej., C4Hio)
pero estructuras diferentes se dice que son isómeros estructurales entre sí. Las moléculas constituidas por un mayor número de átomos tienen un número cada vez mayor de
isómeros estructurales.

Grupos funcionales
Hidro c arburos
Podemos entender la naturaleza de las moléculas biológicas iniciando el estudio con el grupo más simple de moléculas orgánicas, los hidrocarburos, que sólo contienen átomos
de carbono y de hidrógeno. La molécula de etano ^Hg) es
un hidrocarburo simple que consta de dos átomos de carbono unidos entre sí y además tres átomos de hidrógeno.
H H

:—H
H H

Colesterol

Los hidrocarburos no se encuentran en cantidad significativa en la mayor parte de las células vivas (aunque constituyen la masa de los combustibles fósiles formados a partir de
los restos de plantas y animales antiguos). Las moléculas
orgánicas de importancia biológica contienen cadenas de
átomos de carbono, como los hidrocarburos, pero en las
cuales ciertos átomos de hidrógeno son sustituidos por diferentes grupos funcionales. Los grupos funcionales son
agrupamientos particulares de átomos que casi siempre se
comportan como una unidad y confieren a las moléculas
orgánicas sus propiedades físicas, reactividad química y solubilidad en solución acuosa. En el cuadro 2-3 se presenta
una lista de los grupos funcionales más comunes. Dos de
las uniones más frecuentes entre grupos funcionales son los
enlaces éster, los cuales se forman entre ácidos carboxílicos
y alcoholes, y los enlaces amido, formados entre ácidos
carboxílicos y aminas.

í?

—C—OH + HO—CAcido

FICTIRA 2-') El colesterol, cuya estructura ilustra cómo los átomos
de carbono (representados por esferas negras) pueden formar enlaces
covalentes hasta con otros cuatro átomos de carbono. Como resultado, los átomos de carbono se pueden unir entre sí para formar esqueletos de un número prácticamente ilimitado de moléculas orgánicas.
El esqueleto de carbono de una molécula de colesterol incluye cuatro
anillos, característica de los esteroides (p. ej., estrógenos, testosterona,
cortisol). La molécula de colesterol se muestra aquí como un modelo
de esferas y palitos, otra manera de mostrar la estructura molecular.

Alcohol

:—o—c—
Ester

La mayor parte de los grupos del cuadro 2-3 contiene
uno o más átomos electronegativos (N, P, O o S) y está
constituido por moléculas orgánicas más polares, más solubles en agua y más reactivas. Muchos de los grupos funcionales pueden ionizarse y por lo tanto convertirse en partículas con carga negativa o positiva. Se puede demostrar
fácilmente el efecto de sustituir varios grupos funcionales.


41

CUADRO 2-3. Grupos funcionales

Metilo

Hidroxilo

Carboxilo

Amino

El hidrocarburo etano (CHaCHa) es un gas inflamable tóxico. Si se sustituye uno de los hidrógenos con un grupo hidroxilo (—OH), la molécula resultante (CH3CH2OH) se
convierte en algo agradable al paladar, o sea alcohol etílico.
Si se sustituye un grupo carboxílo (—COOH) la molécula se
convierte en ácido acético (CHsCOOH), mejor conocido
como vinagre. Si se sustituye un grupo sulfhidrilo {—SH) se
obtiene CHsCHsSH, compuesto de olor fétido intenso, el
etilmercaptano, empleado por los bioquímicos en el estudio
de reacciones enzimáticas.
Clasificación de las moléculas
biológicas según su función
Las moléculas orgánicas comúnmente observadas dentro
de las células vivas se pueden dividir en varias categorías,
según su papel en el metabolismo.
1. Macromoléculas. Las moléculas que forman la
estructura y ejecutan las actividades de las células son
moléculas grandes, altamente organizadas, llamadas macromoléculas, que en todos los casos contienen docenas a
millones de átomos de carbono. Debido a su tamaño y a las
intrincadas formas que las macromoléculas pueden adoptar, algunas de estas gigantescas moléculas pueden ejecutar
tareas complejas con gran precisión y eficiencia. La presencia de macromoléculas, más que cualquier otra característica, confiere a los organismos las propiedades de la vida y
las singulariza químicamente dentro del mundo inanimado.
Las macromoléculas se pueden dividir en cuatro categorías principales: proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos
y lípidos. Los primeros tres tipos sonpolímeros compuestos
de gran número de elementos de bajo peso molecular o
monómeros. Estas macromoléculas se construyen a partir de
monómeros mediante un proceso que recuerda.el acoplamiento de vagones de ferrocarril (ftg. 2-10). La estructura
básica y función de cada familia de macromoléculas es muy
similar en todos los organismos, desde bacterias hasta el ser
humano. Hay que observar con atención las secuencias específicas de los monómeros que constituyen las diferentes
macromoléculas para apreciar la diversidad entre los organismos.
2. Elementos unitarios para construir macromoléculas.
Dentro de una célula, la mayor parte de las macromoléculas tienen un periodo de vida breve en comparación con la
propia célula; con excepción del DNA celular, las macromoléculas se rompen y sustituyen continuamente por nue-

Fosfato

Carbomlo

Sulfhidrilo

vas macromoléculas. En consecuencia, casi todas las células
contienen un almacén (o fondo común) de precursores de
bajo peso molecular listos para incorporarse a las macromolécuías. Estos incluyen azúcares, precursores de polisacáridos; aminoácidos, precursores de proteínas; nucleótidos, precursores de ácidos nucleicos, y ácidos grasos que se
incorporan a fípidos.
3. Intermediarios metabólicos (metabolitos). Las moléculas empleadas por una célula poseen una estructura
química compleja y deben sintetizarse paso a paso en secuencias iniciadas con materias primas específicas. Cada
serie de reacciones químicas dentro de la célula se denomina
vía metabólica. La célula convierte un compuesto A en un
compuesto B, luego en un compuesto C, y así sucesivamente, hasta formar algún tipo de producto final que la propia
célula puede utilizar (por ejemplo un aminoácido para construir una proteína). Los compuestos formados a lo largo de
las vías metabólicas pueden generar productos que no tienen por sí mismos una función y a los cuales se íes denomina intermediarios metabólicos.
4. Moléculas con diversas funciones. Evidentemente,
ésta es una categoría muy amplia de moléculas, pero no tan
grande como se podría esperar; gran parte de la masa del
peso seco de una célula está formada de macromoléculas y
sus precursores directos. Las moléculas de función diversa
incluyen sustancias como vitaminas, cuya función primaria
es la de coadyuvantes de proteínas; ciertas hormonas esferoides o aminoácidos; moléculas que participan en el almacenamiento de energía, como ATP o fosfato de creatina;
moléculas reguladoras como el AMP cíclico, y productos de
desperdicio metabóÜco como la urea.

2-5 Cuatro familias de moléculas
biológicas
Las moléculas descritas antes se pueden dividir en cuatro
clases o familias de moléculas orgánicas: carbohidratos, lípidos, aminoácidos y proteínas, y nucleótidos y ácidos nucleicos.
Carbohidratos
Los carbohidratos son un grupo de sustancias que incluyen
azúcares simples (o monosacáridos) y todas las moléculas
más grandes construidas con bloques de azúcares. La principal función de los carbohidratos es almacenar energía

42


Transportador
Monómero

Extremo del polímero en crecimiento

Polímero con subunidad añadida

Transportador
reciclado
Transportador libre
Monómero
(a)

Hidrólisis

íT

H-t-OH

(b)

H2O

FIGURA 2-10. Monómeros y polímeros, a) Los polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos constan de monómeros (subunidades) unidos por
enlaces covalentes. Los monómeros libres no reaccionan entre sí para convertirse en macromoléculas. Más bien, cada monómero primero debe
activarse fijándose a una molécula transportadora que luego transfiere el monómero al extremo de la macromolécula en crecimiento, b) Una
macromolécula se puede descomponer mediante hidrólisis de los enlaces que juntan a los monómeros. Hidrólisis es la separación de un enlace
por una molécula de agua. Todas estas reacciones son catalizadas por enzimas específicas.

química y como material de construcción durable para estructuras biológicas. Casi todos los azúcares tienen la fórmula general (CH.2O)n. Los valores de n para los azúcares
importantes en el metabolismo celular varían de 3 a 7. Los
azúcares con tres carbonos se conocen como triosas; los de
cuatro carbonos como tetrosas; los de cinco carbonos como
pentosas; los de seis, hexosas, y los de siete, heptosas.
Estructura de los azúcares simples
Cada molécula de azúcar contiene un esqueleto de átomos
de carbono unidos en disposición lineal mediante enlaces
sencillos. Cada átomo de carbono del esqueleto se une a un
solo grupo hidroxilo, excepto los que poseen un grupo
carbonilo (C=O). Si el grupo carbonilo se localiza en una posición interna (forma un grupo cetona), el azúcar es una
cetosa, como la fructuosa mostrada en la figura 2-11, a. Si el
carbonilo se localiza en un extremo del azúcar, forma un
grupo aldehido y la molécula se conoce como una aldosa,
según se ejemplifica con la glucosa, que se muestra en la
figura 2-11, b-f. Aunque las fórmulas de cadena recta mostradas en la figura 2-11, a,b, son útiles para comparar las
estructuras de varios azúcares, no reflejan el hecho de que
los azúcares con cinco o mas átomos de carbono sufran una

autorreacción (fig. 2-11, c) que las convierte en moléculas
cerradas o con un anillo. Los azúcares con anillos de ordinario se representan como estructuras planas Aplanares) (ñg.
2-11, d) situadas perpendicularmente al plano del papel con
la línea gruesa situada más cerca del lector. Los grupos H y
OH se ubican en el plano del papel proyectándose hacia
arriba o hacia abajo del anillo del azúcar. En realidad, el
anillo del azúcar no es una estructura planar, sino que casi
siempre existe en una conformación tridimensional que recuerda una silla (fig. 2-11, e,j).
Estereoisomerismo
Como se mencionó antes, un átomo de carbono puede formar uniones simples con otros cuatro átomos. La disposición de los grupos alrededor del átomo de carbono se puede representar como en la figura 2-12, a, con el carbono
colocado en el centro de un tetraedro y los grupos enlazados
proyectándose en sus cuatro esquinas. La figura 2-12, b,
muestra una molécula de gliceraldehido, la única aldotriosa.
El segundo átomo de carbono del gliceraldehido se une a
cuatro grupos diferentes (—H, —OH, —CHO y —CH2OH).
Si los cuatro grupos enlazados a un átomo de carbono son
todos diferentes, como en el gliceraldehido, entonces exis-


D-Fructuosa

H
I
H - C - OH
1
C=0
f
HO - C - H
I
H - C - OH
I
H-C-OH
I
H-C-OH
!
H

(a)

D-Glucosa

D-Glucosa
(formación de un anillo)

cr-D-glucosa
(proyección Haworth)

a-0-glucosa

a-D-glucosa
(conformación en silla)

(silla con modelo
de esferas y palitos)

H
I

c-o

43

CH2OH

H'

I

H-C-OH

I
HO - C - H
I
H-C-OH
I
H-C-OH
I
H-C-OH
I
H

H

n n /
OH
H

A'
3C
I

HO

i/
I

2C

OH

(O

(d)

(f)

FIGURA 2-11. Estructuras de los azúcares, a) La fórmula de cadena recta de la fructosa, una cetohexosa [ceto indica el carbonilo (amarillo)
localizado internamente y hexosa debido a que contiene seis carbonos], b) Fórmula de cadena recta de la glucosa, una aldohexosa (aldo porque
el carbonilo se localiza al final de la molécula), c) Autorreacción en la cual la glucosa se convierte de cadena abierta en un anillo cerrado (anillo
de píranosa). d) La glucosa comúnmente se muestra en forma de anillo plano (planar) con la línea gruesa situada más próxima al lector y los
grupos H y OH proyectándose hacia arriba o hacia abajo del anillo. Las bases de la designación cr-D-glucosa se analizan en la siguiente sección.
e) Conformación de la glucosa en silla, que muestra su estructura tridimensional con mayor precisión que el anillo plano del inciso d.f) Modelo
de esferas y varillas de la glucosa en conformación de silla, mostrando la posición de los diferentes átomos de la molécula.

ten dos posibles configuraciones que no pueden superponerse. Estas dos moléculas (llamadas estereoisómeros o
enantiómeros) tienen prácticamente la misma reactividad
química, pero estructuralmente son imágenes en espejo entre
sí. Por convención, la molécula se llama D-gliceraldehido si
el grupo hidroxilo del carbono 2 se proyecta a la derecha y
L-gliceraldehido si se proyecta a la izquierda (fig. 2-12, c).
Debido a que actúa corno sitio de estereoisomerismo, el
carbono 2 se denomina átomo de carbono asimétrico.
Conforme el esqueleto de las moléculas de azúcar
aumenta de longitud, ocurre lo mismo con el número de
átomos de carbono asimétrico y, por consiguiente, con el
numero de isómeros. Las aldotetrosas tienen dos carbonos
asimétricos y por lo tanto pueden existir en cuatro configuraciones diferentes (fig. 2-13). De manera similar, hay
ocho aldopentosas diferentes y 16 aldohexosas distintas. La
designación de cada uno de estos azúcares como D o L se
basa por convención en la disposición de los grupos unidos
al átomo de carbono asimétrico más alejado del aldehido, al
cual se designa Cl. Si el grupo hidroxilo de este carbono se
proyecta a la derecha, la aldosa es un D-azúcar; si se proyecta a la izquierda es un L-azúcar. Las enzimas presentes en
las células vivas pueden distinguir entre las formas D y L de
un azúcar. En condiciones típicas, sólo uno de los estereoisómeros (como la D-glucosa y la L-fucosa) es utilizado por
las células.
En la figura 2-11, c, se muestra la autorreacción mediante la cual una molécula de glucosa de cadena recta se
convierte en un anillo de seis miembros (piranosa). A diferencia de su precursor de cadena abierta, el Cl del anillo
posee cuatro grupos diferentes y por lo tanto se convierte
en nuevo centro de asimetría dentro de la molécula del
azúcar. Debido a este átomo extra de carbono asimétrico,

cada tipo de piranosa existe como estereoisómero a y (3 (fig.
2-14). Por convención, la molécula es una ce-piranosa cuando el grupo OH del primer carbono se proyecta por debajo
del plano del anillo y una /3-piranosa cuando el grupo
hidroxilo se proyecta hacia arriba. La diferencia entre las
dos formas tiene consecuencias biológicas importantes; por
ejemplo, explica la forma compacta de las moléculas de
glucógeno y almidón, y la conformación extendida de la
celulosa (que analizaremos más adelante).
Unión de azúcares entre sí
Los azúcares se unen entre sí mediante enlaces glucosídicos
covalentes para formar moléculas más grandes. Estos enlaces se forman por una reacción entre el átomo de carbono
Cl de un azúcar y el grupo hidroxilo de otro azúcar, generando un enlace —C—O—C— entre los dos azúcares (como
en la figura 2-15). Las moléculas compuestas sólo de dos
unidades de azúcar, como las mostradas en la figura 2-15,
son disacáridos. Los disacáridos sirven principalmente como
almacén de energía rápidamente'disponible. La sucrosa, o
azúcar de mesa, es uno de los principales componentes de
la savia de las plantas y lleva energía química de una parte
de la planta a otra. La lactosa, presente en la leche de la
mayor parte de los mamíferos, suministra a los mamíferos
recién nacidos el combustible para su crecimiento y desarrollo inicial. La lactosa de la dieta se hidroliza mediante
una enzima lactasa, presente en la membrana plasmática
de las células que revisten el intestino. Muchas personas
pierden esta enzima después de la infancia y se dan cuenta
que la ingestión de productos lácteos, que contienen lactosa, les causa malestar digestivo.
Los azúcares también se pueden unir para formar cadenas más pequeñas llamadas oligosacáridos (aligo = esca-

44


CHO

CHO

HCOH
I
HCOH
I
CH?OH

HOCH
I
HCOH
1
CH2OH

D-eritrosa

D-treosa

CHO
!
HCOH
I
HOCH
1
CH2OH

L-eritrosa

CHO

HOCH
!
HOCH
I
CH2OH

L-treosa

(a)
D-gliceraldeh¡do

L-gliceraldehido

FIGURA 2-12. Estereoisomerismo del gliceraldehido. a) Los cuatro grupos unidos al átomo de carbono (marcados a, b, c, y d) ocupan
las cuatro aristas de un tetraedro que tiene un átomo de carbono en
su centro, b) El gliceraldehido es la única aldosa de tres carbonos: su
segundo átomo de carbono se enlaza a cuatro grupos diferentes (—H,
—OH, —CHO y —CH2OH). Como resultado, el gliceraldehido puede
existir en dos configuraciones posibles que no se pueden superponer
entre sí, más bien son imágenes en espejo, como se indica en la figura.
Estos dos estereoisómeros (o enantiómeros) se pueden distinguir por
la configuración de los cuatro grupos que rodean al átomo de carbono
asimétrico (o quiral). Las soluciones de estos dos isómeros giran el
plano de luz polarizada en direcciones opuestas y por lo tanto se dice
que son "ópticamente activos", c) Fórmulas de cadena recta del
gliceraldehido. Por convención, se muestra el D-isómero con el átomo
OH a la derecha.

so). Casi siempre estas cadenas se unen mediante enlaces
covalentes a Hipidos y proteínas convirtiéndolos en glucolípidos y glucoproteínas, respectivamente. Los oligosacáridos son de particular importancia como glucolípidos y glucoproteínas de la membrana plasmática donde se proyectan
por encima de la superficie celular (véase fig. 4-15). Puesto
que los oligosacáridos se componen de muchas unidades
de azúcar en combinaciones diferentes, estos carbohidratos
pueden desempeñar un papel informativo, o sea, pueden
servir para distinguir un tipo de célula de otro y ayudar a
mediar interacciones específicas de una célula con sus vecinos (sección 7-1).

FIGURA 2-13. Aldotetrosas. Las aldotetrosas pueden existir en
cuatro configuraciones debido a que poseen dos átomos de carbono
asimétricos.

Polisacáridos
A mediados del siglo XIX se descubrió que la sangre de las
personas que sufrían diabetes tenía sabor dulce debido a
una elevada concentración de glucosa, el azúcar clave del
metabolismo energético. Claude Bernard, prominente fisiólogo francés de esa época, estudió la causa de la diabetes
investigando la fuente del azúcar sanguíneo. En aquella
época se asumía que todo azúcar presente en la sangre de
un ser humano o de un animal debía haberse consumido
previamente en la dieta. Trabajando con perros, Bernard
encontró que aun si los animales consumían una dieta totalmente carente de carbohidratos, su sangre todavía contenía
una cantidad normal de glucosa. Claramente, la glucosa
podía formarse en el cuerpo a partir de otros tipos de compuestos.
Después de nuevas investigaciones, Bernard encontró
que la glucosa penetra a la sangre procedente del hígado.
Observó que el tejido hepático contiene un polímero insolub!e de la glucosa al que llamó glucógeno. Bernard concluyó
que varios materiales nutrientes (como las proteínas) llegaban al hígado donde químicamente eran convertidas en
glucosa y se almacenaban como glucógeno. A continuación, conforme el cuerpo necesitaba azúcar como combustible, el glucógeno del hígado se transformaba en glucosa y
se liberaba al torrente sanguíneo para satisfacer las necesidades de glucosa de los tejidos con depleción. En la hipótesis
de Bernard, el equilibrio entre la formación y la descomposición de glucógeno en el hígado era el principal factor
determinante para mantener la concentración relativamente
constante (homeostática) de glucosa en la sangre.
La hipótesis de Bernard era correcta. La molécula a la
cual llamó glucógeno es un tipo de polisacárido: un polímero
de unidades de azúcar juntas mediante enlaces glucosídicos.
Glucógeno y almidón: polisacáridos nurricionales. El
glucógeno es un polímero que sólo contiene un tipo de
monómero: la glucosa (fig. 2-16, a). Casi todas las unidades
de azúcar de una molécula de glucógeno están unidas entre
sí mediante enlaces glucosídicos a(1—>4) (enlace tipo 2 en la
figura 2-16, a). Más o menos cada 10 unidades de azúcar
hay puntos de ramificación; cada punto de ramificación
contiene un azúcar unido a tres unidades vecinas en vez de
dos, como en los segmentos no ramificados del polímero.
El vecino extra, que forma la rama, está unido mediante
un enlace glucosídico a(l->6) (enlace tipo 1 en la figura
2-16, o).


FIGURA 2-14. Formación de una piranosa
a y una/i. Cuando una molécula de glucosa
sufre una autorreacción para formar un anillo
de piranosa (o sea un anillo de seis miembros), se generan dos estereoisómeros. Los
dos isómeros están en equilibrio a través de la
forma de cadena abierta de la molécula. Por
convención, la molécula es una piranosa a
cuando el grupo OH del primer carbono se
proyecta por debajo del plano del anillo y una
piranosa /í cuando el grupo hidroxilo se proyecta hacia arriba.

CHOH

H

/f-D-glucopiranosa

CH2OH

H

Lactosa

H

CH2OH

OH

H

0. H

0. OH

Sucrosa

CH2OH

CH2OH

CH2OH

En la mayor parte de los animales, el glucógeno sirve
como almacén del exceso de energía química; por ejemplo,
el músculo esquelético del ser humano por lo general contiene suficiente glucógeno para sostener una actividad moderada durante casi 30 minutos. En condiciones típicas y dependiendo de varios factores, el peso molecular del glucógeno
varía de uno a cuatro millones de daltons. El glucógeno se
almacena en las células en forma muy concentrada; se observa como granulos irregulares teñidos de color oscuro en
las micrografías electrónicas (fig. 2-16, a, lado derecho).
La mayor parte de las plantas almacenan su excedente
de energía química en forma de almidón, un polímero de la

OH

45

OH

(b)
FIGURA 2-15. Disacáridos. Sucrosa y lactosa son dos de los disacáridos más comunes. La sucrosa se compone de glucosa y fructosa
juntas por una unión a(l—»2), en tanto que la lactosa se compone de
glucosa y galactosa juntas poruña unión /í(l->4). Estos disacáridos no
se forman en la célula por reacción simple, sino que requieren la transferencia de uno de los azúcares a partir de un transportador (específicamente un azúcar nucleótido, como la UDP-glucosa o la UDP-galactosa).

OH

a-D-glucopiranosa

glucosa igual que el glucógeno. Las patatas y los cereales,
por ejemplo, contienen principalmente almidón. En realidad, el almidón es una mezcla de dos polímeros diferentes,
amilosa y amilopectina. La anulosa es una molécula helicoidal no ramificada cuyos azúcares están unidos por enlaces
a(l-»4) (fig. 2-16, b), en tanto que la amilopectina es ramificada. La amilopectina difiere del glucógeno por ser mucho menos ramificada y con peso molecular total también
mucho más bajo (unos 500 000 daltons). El almidón se almacena en forma de granos incluidos en la membrana que
rodea los organelos (plásmídos) dentro de la célula vegetal
(fig. 2-16, b, lado derecho). Aunque los animales no sintetizan almidón, poseen una enzima (amilasa) que hidroliza
rápidamente las moléculas de almidón.
Celulosa, quitina y glucosaminglicanes: polisacáridos
estructurales. Algunos polisacáridos constituyen almacenes de energía fácilmente digerible, en tanto que otros forman materiales estructurales resistentes y durables. El algodón y el lino, por ejemplo, constan sobre todo de celulosa,
un polisacárido estructural que constituye el principal componente de la pared de las células vegetales. Las telas de
algodón deben su durabilidad a moléculas de celulosa no
ramificadas y largas que se ordenan en agregados lado con
lado para formar cordones moleculares (lado derecho de la
figura 2-16, c), idealmente construidos para resistir fuerzas
de tensión (ténsiles). Igual que el glucógeno y el almidón, la
celulosa sólo contiene monómeros de glucosa; sus propiedades difieren de manera espectacular de las de otros
polisacáridos debido a que las unidades de glucosa están
unidas por enlaces /3(l-»4) (enlace 3 en la figura 2-16, c) en
vez de enlaces a(l-»4). Irónicamente, los animales multicelulares (con raras excepciones) carecen de la enzima necesaria para descomponer la celulosa, que es el material orgánico más abundante sobre la tierra y rico en energía química,
Los animales que "pueden vivir" digiriendo celulosa, como
las termitas y las ovejas, pueden hacerlo porque albergan
bacterias y protozoarios (fig. 2-17) que sintetizan la enzima
necesaria, celulosa.
No todos los polisacáridos biológicos contienen monómeros de glucosa. La quitina es un polímero no ramificado
del azúcar Af-acetilglucosamina, similar en estructura a la
glucosa, pero que tiene un grupo acetilamina en vez de un
grupo hidroxilo enlazado al segundo átomo del anillo.

46


(a)

Glucógeno

Almidón

(b)

Celulosa

FIGURA 2-16. Tres polisacáridos con idénticos monomeros de azúcar, pero con propiedades espectacularmente diferentes. Glucógeno (a),
almidón (b) y celulosa (c), cada uno compuesto totalmente de subunidades de glucosa, pero sus propiedades físicas y químicas son muy diferentes
debido a las distintas formas en que los monomeros se unen (los números dentro de los círculos indican tres tipos diferentes de uniones). Las
moléculas de glucógeno son las más ampliamente ramificadas, las moléculas de almidón adoptan disposición helicoidal y las de celulosa no
están ramificadas, pero sí muy extendidas. El glucógeno y el almidón son almacenes de energía, en tanto que las moléculas de celulosa se unen
formando haces apretados de fibras adecuados para su papel estructural. Las micrografías electrónicas muestran granulos de glucógeno en una
célula hepática, granos de almidón (amiloplastos) en una semilla vegetal y fibras de celulosa en la pared de una célula vegetal. (Fotografías de
los recuadros: arriba, Don Faivcett/Visuals Unlimited; centro, Jeremy Burgess/Photo Researchers; abajo, Cabisco/Visuals Unlimiíed.)

CH2OH

HNCOCH,
A/-Acet¡lglucosam¡na

La quitina es un material estructural ampliamente distribuido entre los invertebrados, particularmente en la cubier-

ta externa de insectos, arañas y crustáceos. Es correosa, resistente pero flexible, no muy diferente a ciertos plásticos.
Los insectos deben gran parte de su éxito a este polisacárido
altamente adaptable que los cubre (fig. 2-18).
Otro grupo de polisacáridos con una estructura más
compleja son los glucosaminglicanes (o GAG). A diferencia de otros polisacáridos, poseen la estructura —A—B—
A—B—, donde A y B representan dos azúcares diferentes.
Estos polisacáridos se encuentran principalmente en los espacios que rodean la célula, y su estructura y función serán
consideradas con mayor detalle en la sección 7-1, donde se
analiza el tema del espacio extracelular.


Fracción
glicerol

47

Fragmento
de ácido graso

FIGURA 2-17. Frotista flagelado aislado del intestino de una termita. Estos microorganismos poseen la celulasa Requerida para digerir las partículas de madera ingeridas por el insecto. (Tomado de Eñe
Grave/Phototake.)

Lípidos
Los lípidos son un grupo de diversas moléculas biológicas
no polares cuya única propiedad común es su capacidad
para disolverse en solventes orgánicos, como cloroformo y
benzeno, y su incapacidad para disolverse en agua, propie-

O H H H H H H H H H H H H H H H H H
II i I i t I I < I I I I I I I I I I
HO-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-H
I l I I l I I I I I I I I ! I I I
H H H H H H H H H H H H H H H H H

Triestearato

(c)

Aceite de linaza

(d)

FIGURA 2-18. La quitina es el componente primario del reluciente
esqueleto externo de este saltamontes. (Según Robert y Linda Mitchell.)

FIGURA 2-19. Grasas y ácidos grasos, a) Estructura básica de un
triacilglicerol (también llamado triglícérido o grasa neutra). El radical
glicerol indicado en color naranja está unido mediante tres enlaces
éster al grupo carboxilo de tres ácidos grasos cuyos extremos se indican en verde, b) Acido esteárico, un ácido graso saturado de 18
carbonos común en grasas de animales, c) Modelo de espacios llenos
del triestearato, un triacilglicerol que contiene tres cadenas idénticas
de ácido esteárico, d) Modelo de espacio lleno del aceite de linaza, un
triacilglicerol que contiene dos ácidos grasos insaturados diferentes
derivados de las semillas del lino. Los sitios de insaturación, que
producen enrollamientos en la molécula, se indica por barras de color
amarillo-naranja.

48

CAPITULO 2 - Bases químicas de la vida

dad que explica muchas de sus variadas funciones biológicas. Los lípidos importantes en la función celular incluyen
grasas, esferoides y fosfolípidos. Aunque ninguna de estas
moléculas lípidas es lo bastante grande para llamarse
rnacromolécula, con frecuencia se agregan (como en las gotas de grasa o en las membranas) para formar complejos
suficientemente grandes que pueden verse con el microscopio de luz.
Grasas
Las grasas constan de una molécula de glicerol unida mediante un enlace éster a tres ácidos grasos; la molécula así
formada se denomina triacilgHcerol (fig. 2-19, a). Iniciaremos considerando la estructura de los ácidos grasos. Los
ácidos grasos son hidrocarburos de cadena larga no ramificada con un solo grupo carboxilo en un extremo (fig. 2-19, b).
Puesto que los dos extremos de la molécula de un ácido
graso tienen estructura muy diferente, también tienen propiedades diferentes, La cadena del hidrocarburo es hidrofóbica, en tanto que el grupo carboxilo (—COOH) que
posee una carga negativa a pH fisiológico es hidrofílica. Las
moléculas que tienen regiones hidrofóbicas e hidrofílicas se
denominan anfipáticas; estas moléculas tienen propiedades biológicas importantes poco comunes. Las propiedades
de los ácidos grasos se pueden apreciar considerando el
empleo de un producto familiar, el jabón, que contiene ácidos grasos. Antiguamente, los jabones se elaboraban calentando grasa de animales en un álcali fuerte (NaOH o KOH)
para romper los enlaces entre los ácidos grasos y el glicerol.
En la actualidad, la mayor parte de los jabones se elaboran
por síntesis. Los jabones deben su gran capacidad para disolver grasas al hecho de que el extremo hidrofóbico de
cada ácido graso puede integrarse a la grasa, en tanto que el
extremo hidrofílico puede interactuar con el agua que lo
rodea. Como resultado, los materiales grasos se convierten
en complejos (micelas) dispersables por el agua (fig. 2-20).
Los ácidos grasos difieren entre sí en la longitud de su
cadena hidrocarbonada y la presencia o ausencia de dobles
enlaces. En condiciones típicas, los ácidos grasos presentes
en las células tienen una longitud que varía de 14 a 20 carbonos. Los ácidos grasos que carecen de dobles enlaces,
como el ácido esteárico (fig. 2-19, b) se describe como saturados; los que poseen dobles enlaces son no saturados. Que
las unidades para construir el ácido graso sean saturadas o
no saturadas y el grado de insaturación (número de dobles
enlaces) tienen consecuencias importantes. Los dobles enlaces (de configuración cis)

Agua

FIGURA 2-20. Los jabones constan de ácidos grasos. En este dibujo esquematizado de una micela de jabón, los extremos no polares
de los ácidos grasos se dirigen hacia adentro, donde interactúan con
la materia grasa que deben disolver. Las cabezas con carga negativa
se localizan en la superficie de la micela donde interactúan con el agua
que las rodea. Las membranas de proteínas, que también tienden a ser
insoluoles en agua, se pueden solubilizar en esta forma mediante la
extracción de membranas con detergentes.

componente común de las grasas animales y se conserva en
estado sólido a temperaturas muy por arriba de la ambiental. Por lo contrario, la abundancia de dobles enlaces en las
grasas vegetales explica su estado líquido, tanto dentro de
las células vegetales como en los armarios de las tiendas, así
como el principio de la etiqueta de "poliinsaturadas". Las
grasas líquidas a temperatura ambiente se denominan aceites. La figura 2-19, d, muestra la estructura del aceite de
linaza, un lípido muy volátil extraído de las semillas de lino
que se conserva en estado líquido a temperatura mucho
más baja que el triestearato. Grasas sólidas, como la margarina, están formadas por aceites vegetales insaturados mediante la reducción química de los dobles enlaces por átomos de hidrógeno (proceso denominado hidrogenación).
Una molécula de grasa puede contener tres ácidos grasos
idénticos (como en la figura 2-19, c), o puede ser una grasa
mixta que contiene más de una especie de ácido graso (como
H
H
H
C
en a
C
como opuestola figura 2-19, d). La mayor parte de las grasas naturales,
C—C
como el aceite de oliva o la mantequilla, son mezclas de
moléculas que poseen diferentes especies de ácidos grasos.
C
C
H
C
Las grasas son muy ricas en energía química; un gramo
ris
trans
de grasa contiene el doble de la energía de un gramo de
producen enrollamientos en una cadena de ácidos grasos.
carbohidrato (por razones que se analizan en la sección 3-1).
Por consiguiente, cuanto más dobles enlaces posea la cadeLos carbohidratos funcionan principalmente como fuente
na de ácidos grasos, más difícil será empacar estas largas
de energía rápidamente disponible a corto plazo, en tanto
cadenas. Esto disminuye la temperatura de fusión de un
que las reservas de grasa almacenan energía a largo plazo.
ácido graso que contiene lípidos. El triestearato, cuyos áciSe estima que una persona de estatura promedio contiene
dos grasos carecen de dobles enlaces (fig. 2-19, c), es un
cerca de 0.5 de kilogramo (kg) de carbohidratos, principal-


mente en forma de glucógeno. Esta cantidad de carbohidratos suministra unas 2 000 kcal de energía total. En el curso
de un día de ejercicio extenuante una persona puede agotar
casi toda la reserva de carbohidratos de su cuerpo. Por lo
contrario, la persona promedio contiene cerca de 16 kg de
grasa (equivalente a 144 000 kcal de energía), y como todos
sabemos, puede tomar mucho tiempo agotar nuestra reserva de este material.
Puesto que las grasas carecen de grupos polares, son
sumamente insolubles en agua y se almacenan en las células en forma de gotas de lípidos secos. Como las gotas de
lípidos no contienen agua como los granulos de glucosa,
representan un almacén de combustible muy concentrado.
En muchos animales, las grasas se almacenan en células
especiales (adipocitos) cuyo citoplasma se llena con una sola
gota de grasa. Los adipocitos muestran una notable capacidad para cambiar de volumen y adaptarse a cantidades
variables de grasa.
Esteroides

Los esteroides se construyen alrededor de un esqueleto característico de cuatro anillos de hidrocarburo. Unos de los
esteroides más importantes es el colesterol, componente de
las membranas celulares de animales y precursor para las
síntesis de numerosas hormonas esteroides, como testosterona, progesterona y estrógenos (fig. 2-21). El colesterol está
ausente principalmente en células vegetales, y por esta razón los aceites vegetales se consideran "libres de colesterol", pero las membranas celulares de las plantas a veces

Colesterol

49

contienen grandes cantidades de compuestos relacionados
con colesterol.
Fosfolípidos

En la figura 2-22 se muestra la estructura de un fosfolípido
común. La molécula recuerda una grasa (triacilglicerol) pero
sólo tiene dos cadenas de ácidos grasos en vez de tres; es un
diacüglicerol. El tercer grupo hidroxilo del esqueleto del glicerol está unido mediante un enlace covalente a un grupo
fosfato (en vez de un tercer ácido graso), que a su vez mantiene un enlace covalente con un pequeño grupo polar como
la colina, según se muestra en la figura 2-22. Así, las moléculas de grasa, a diferencia de los fosfolípidos, contienen
dos extremos con propiedades muy diferentes: un extremo
que contiene el grupo fosfato y tiene carácter claramente
hidrofílico, en tanto que el otro extremo compuesto de dos
colas de ácido graso tiene carácter distintivamente hidrofóbico. Puesto que la única y principal función celular de
los fosfolípidos se deriva de su presencia en la membrana
celular, y dado que las propiedades de las membranas celulares dependen de sus elementos fosfolípidos, estudiaremos
la estructura de otros fosfolípidos y sus funciones en relación con las membranas celulares en la sección 4-2.

Proteínas
Las proteínas son las macromoléculas que ejecutan prácticamente todas las actividades de la célula; son las moléculas encargadas de que las cosas ocurran. Se estima que una
célula típica de un mamífero puede tener hasta 10 000 proteínas diferentes en diversas disposiciones y funciones. Como
enzimas, las proteínas aceleran grandemente la velocidad
de las reacciones metabólicas; como fibras estructurales, las
proteínas suministran apoyo mecánico dentro de las células
y en su perímetro exterior (fig. 2-23, a); como hormonas,
factores de crecimiento y activadores de gen, las proteínas

Fosfato

Testosterona

o HC-O-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-H
HHHHHHH.HHHHHHHHHH
Colina

?HHH'HHH'HHHHHHHHHHH
H2c-o-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-H
HHHHHHHH.HHHHHHHHH

Estrógeno

FIGURA 2-21. Estructura de los esteroides. Todos los esteroides
comparten el mismo esqueleto básico de cuatro anillos. Diferencias
aparentemente mínimas de estructura química entre colesterol,
testosterona y estrógenos generan profundas diferencias biológicas.

Grupo de la
cabeza polar

Esqueleto
del glicerol

Cadenas de
ácidos grasos

FIGURA 2-22. Fosfatidilcolina, un fosfolípido común. La molécula consta de un esqueleto de glicerol cuyos grupos hidroxilo se enlazan en forma covalente a dos ácidos grasos y un grupo fosfato. El
grupo fosfato posee carga negativa y también se enlaza a un grupo
colina pequeño con carga positiva. El extremo de la molécula que
contiene la fosforilcolina es muy hidrosoluble, en tanto que el extremo
opuesto, que consta de un ácido graso, es insoluble en agua. La estructura y función de la fosfatidilcolina y de otros fosfolípidos se
analiza en deltalle en la sección 4-2.

50


(a)

(b)

FIGURA 2-23. Dos ejemplos de los miles de estructuras biológicas compuestas de manera predominante por proteínas. Estas incluyen:
a) plumas, empleadas para aislamiento térmico, para volar y para reconocer el sexo de la aves, y b) el cristalino del ojo, como el de esta araña,
que le sirve para enfocar los rayos de luz. (a: Tomado de Frans Lanting/Allstcck, Inc/Tony Stone Images. New York; b: Mantis Wildlife Films/Oxford
Sdeniific FUms/Animals Animáis.)

ejecutan una gran variedad de funciones reguladoras; como
receptores y transportadores en la membrana, las proteínas
determinan cuáles células reaccionan y qué tipos de sustancias penetran o salen de la célula; como elementos contráctiles, las proteínas constituyen el mecanismo biológico del
movimiento. Entre sus muchas y diversas funciones, las
proteínas actúan como anticuerpos, sirven como toxinas,
forman coágulos sanguíneos, absorben o refractan la luz
(fig, 2-23, b) y transportan sustancias de una parte del cuerpo a otra.
¿Cómo puede un tipo de molécula tener tan variadas
funciones? La explicación reside en las formas prácticamente ilimitadas que pueden adoptar las proteínas como grupo.
En otras palabras, las proteínas son capaces de una variedad tan amplia de actividades debido a la gran diversidad
de estructuras que pueden formar. Sin embargo, dentro de
este grupo cada proteína tiene una estructura única altamente ordenada que le permite efectuar una función particular. Lo más importante es que las proteínas tienen formas
que les permiten interactuar de manera selectiva con otras
moléculas. En otras palabras, las proteínas muestran un alto
grado de especificidad, propiedad que les ayuda a mantener el orden y la complejidad característicos de la vida.
Unidades estructurales de las proteínas

Las proteínas son polímeros formados por monómeros
aminoácidos. Cada proteína tiene una secuencia única
de aminoácidos que confiere a la molécula sus propiedades
únicas. Gran parte de las propiedades de una proteína se
pueden entender examinando las propiedades químicas de

los aminoácidos que las constituyen. En las proteínas se
encuentran comúnmente 20 aminoácidos diferentes, sean
proteínas de un virus o de un ser humano. Hay dos aspectos
de la estructura de los aminoácidos que deben considerarse:
las que son comunes a todos ellos y las que son únicas para
cada uno. Empezaremos con las propiedades compartidas.
Estructura de los aminoácidos. Todos los aminoácidos
poseen un grupo amino y un grupo carboxilo separados
entre sí por un solo átomo de carbono, el carbono a {fig.
2-24, a,b). En la página 43 vimos que el átomo de carbono de
las moléculas de azúcar se enlaza a cuatro grupos diferentes en dos configuraciones (estereoisómeros) que no pueden superponerse entre sí. Lo mismo es cierto para los aminoácidos. Con excepción de la glicina, el carbono a de los
aminoácidos se enlaza a cuatro grupos diferentes, de modo
que cada aminoácido existe en una forma D y una L (fig.
2-25). Los aminoácidos aislados de las proteínas, cualquiera
que sea su origen, son aminoácidos L. ¿Por qué no se encuentran aminoácidos D de las proteínas? Esta es una pregunta interesante y debatida desde hace mucho tiempo.
Durante el proceso de síntesis de proteínas, cada aminoácido se une a otros dos aminoácidos formando un
polímero largo, continuo, no ramificado, denominado cadena de polipéptidos. Los aminoácidos que componen una
cadena de polipéptidos se juntan por enlaces peptídicos
como resultado de la unión del grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino de su vecino, eliminando una
molécula de agua (fig. 2-24, c). Una cadena de polipéptidos
compuesta de una cadena de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos tiene el siguiente esqueleto:


o-A!anina

51

L-Alanina

(a)

Cadena lateral

R '^

Grupo amino

Grupo carboxilo

(b)
R

FIGURA 2-25. Estereoisomerismo de aminoácidos. Puesto que el
carbono a de todos los aminoácidos, excepto la glicina, se encuentra
unido a cuatro grupos diferentes, puede haber dos estereoisómeros.
Se muestran las formas D y L de la alanina.

R

H —N—C —C—OH H—N—C —C—OH
I
II
+
I
¡
II
H
H
O
H
H
O

-C'
II
O

Enlace peptídico
(c)

FIGURA 2-24. Estructura de los aminoácidos. Modelo de esferas
y palitos (a) y fórmula química (b) de un aminoácido generalizado en
el cual R puede ser cualquiera de un gran número de grupos químicos
(véase figura 2-26). En solución neutra, el grupo a carboxilo pierde su
protón y existe cargado negativamente (—COO~), y el grupo a amino
acepta un protón y existe cargado positivamente (—NH3+). c) La condensación de dos aminoácidos produce un enlace peptídico dibujado
aquí en su estado sin carga. En la célula, esta reacción ocurre sobre un
ribosoma conforme se transfiere un aminoácido del transportador
(una molécula RNAt) sobre el extremo de una cadena de polipéptidos
en crecimiento.

Enlace peptídico

Una vez incorporados a una cadena de polipéptidos los
aminoácidos se llaman residuos. El residuo del extremo de
la cadena, el N-terminal, contiene un aminoácido con un
grupo a-amino libre (no enlazado), en tanto que el residuo

del extremo opuesto, el C-terminal, tiene un grupo a-carboxilo libre.
Propiedades de los grupos R. El esqueleto de una cadena de polipéptidos está compuesto por la parte común de
cada aminoácido entre ellos. Él resto de cada aminoácido,
el grupo R o cadena lateral (véase fig. 2-26), es muy variable entre los 20 bloques de construcción y esta variabilidad
confiere a las proteínas su versatilidad. Si se consideran
todos los aminoácidos en conjunto, hay una gran variedad
de reacciones orgánicas en las cuales pueden participar y
formar una variedad mucho mayor de tipos de enlace. Las
variadas características de los grupos R de los aminoácidos
son importantes en las interacciones intramoleculares que
determinan la estructura de la molécula y en las interacciones mfermoleculares que determinan las actividades que
puede efectuar la proteína.
Los aminoácidos se clasifican convenientemente según
las características polar y no polar de sus grupos R. Por lo
regular pertenecen a cuatro categorías: polar con carga, polar sin carga, no polar y aquellos con propiedades únicas
(fig. 2-26).
1. Polar con carga. Los aminoácidos de este grupo incluyen ácido aspártico, ácido glutámico, usina y arginina.
Estos cuatro aminoácidos contienen grupos R capaces de
contener carga neta; o sea, los grupos R contienen ácidos y
bases orgánicos relativamente fuertes. Las reacciones de
ionización del ácido glutámico y de la Usina se muestran en
la figura 2-27. A pH fisiológico, ¡os grupos R de estos aminoácidos casi siempre presentan carga neta. Por consiguiente, son capaces de formar enlaces iónicos con otras especies
cargadas dentro de las células. Por ejemplo, los residuos de
arginina con carga positiva de las proteínas histona se unen
mediante enlaces iónicos con los grupos fosfato cargados
negativamente de DNA (véase fig. 2-3). La histidina también se considera un aminoácido polar cargado, aunque en
la mayor parte de los casos sólo presenta carga parcial a pH
fisiológico. En realidad, debido a su capacidad para ganar o
perder un protón en el intervalo de pH fisiológico, la histidina es un residuo particularmente importante en la región
activa de muchas proteínas.

52


Polar con carga neta

H2-NH2

°H

C-NH

Acido aspártico

Acido glutámico

Usina

(Glu o E)

(Lis o K)

Histidina
(HisoH)

Arginina

(Asp o D)

(Arg o R)

Propiedades del grupo R:
Los grupos hidrofílicos R actúan como ácidos o bases con tendencia a mostrar caiga completa (+ o
en condiciones fisiológicas. Los grupos R forman enlaces iónicos y con frecuencia participan en
reacciones químicas.

Polar sin carga neta
OH
CH,

H-(f O H
-(-

Serina
(SeroS)

Tirosina
(Tir o Y)

Asparagína
(Asn o N)

Glutamina
(G!n o Q)

Treonina
(TroT)

Los grupos hidrofílicos R tienden a mostrar carga parcial + o - que les permite participar en reacciones
químicas, forman enlaces H y se asocian al agua

•

No polar

XCH3

H

H2N-C-C-OH
Alantna
(AlaoA)

(ValoV)

H,N-C~C-OH

H2N-C~C-OH

ama

Leucma

(Leu o L)

Isoieucina
le oí)

Metionina
(Meí o M)

Fenifalanina
(Fen o F)

Triptófano

(Trp o W)

Los grupos hidrofóbicos R constan casi por completo de átomos de C y H. Estos aminoácidos tienden a
formar el núcleo más interno de las proteínas solubles, ocultos del medio acuoso. Desempeñan un papel
importante en las membranas porque se asocian a la bicapa de lípidos.
Grupos R con propiedades únicas
CH 5 CHo
i
I

H

Glicina
(Gii o G)
El grupo R sólo contiene un átomo de
hidrógeno y puede adaptarse a un ambiente hidrofílico o hidrofóbico. La glicina
a menudo reside en sitios donde dos
polipéptidos entran en contacto íntimo.

¿Ü2

Cisteína
(Gis o C}
Aunque el grupo R es polar, presenta
características de grupo no cargado,
tiene la propiedad especial de formar
un enlace covalente con otra cisteína
para formar una unión disulfuro.

Prolina
(Pro o P)
Aunque el grupo R es de carácter hidrofóbico tiene la propiedad especial
de crear enrollamientos en las cadenas
de polipéptidos y romper estructuras
secundarias ordenadas.


Vo
CH

V"
CH

+

-N-C-CI I II
H H O

-N-C-CI 1 II
H H O

(a)
H
+NH,

I z
CH,
I 2
CH?
I 2
CH2
CH2

-N-C-CI 1 II
H H O

NHI 2
CH2
CH2
CH,,

I 2
CH2

+

-N-C-C1 I 11
H H O

(b)

FIGURA 2-27. Ionización de aminoácidos polares cargados, a) El
grupo R 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 mayor sea la concentración de hidrógenos (pH más bajo), menor es el porcentaje de grupos carboxilo
presentes en estado ionizado. Inversamente, una elevación del pH
incrementa la ionización del protón del grupo carboxilo, aumentando
el porcentaje de grupos R con carga negativa del ácido glutámico. El
pH al cual 50% cíe los grupos R se ionizan y 50% no lo están se denomina pK, que para el grupo R del ácido glutámico libre es de 4.4.
A pH fisiológico prácticamente todos los residuos de ácido glutámico
poseen carga negativa, b) El grupo R de la Usina se ioniza cuando su
grupo amino gana un protón. Cuanto mayor sea la concentración de
ion hídroxilo (pH más alto) menor el porcentaje de grupos amino con
carga positiva. El pH al cual 50% de los grupos R de lisina están
cargados y 50% no lo están es 10.0, ei pK para el grupo R de lisina
libre. A pH fisiológico, prácticamente todos Jos residuos de usina poseen carga positiva.

2. Polar sin carga. Los grupos R de estos aminoácidos
sólo son débilmente ácidos o básicos. Aunque estos grupos
no tienen carga completa a pH fisiológico, contienen átomos con carga parcial negativa o positiva y por lo tanto
pueden formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas,
incluyendo el agua. Estos aminoácidos casi siempre son muy
reactivos. En esta categoría se incluyen asparagina y glutamina (amidas del ácido aspártico y del ácido glutámico),
treonina, serina y tirosína

FIGURA 2-26 Estructura química de los aminoácidos. Estos 20
aminoácidos representan a los que se encuentran con mayor frecuencia en las proteínas y, más específicamente, a los codificados por
DNA. Puede haber otros aminoácidos corno consecuencia de la modificación de alguno de los aquí mostrados. Los aminoácidos se disponen en cuatro grupos, como se describe en el texto, y se muestran
en su estado no ionizado.

53

3. No polar. En el otro extremo, aparte de los incluidos en la primera categoría se encuentran los aminoácidos
cuyas cadenas laterales son hidrofóbicas y no tienen capacidad para formar enlaces electrostáticos o interactuar con el
agua. Los aminoácidos de esta categoría son alanina, valina,
leucina, isoleucina, triptófano, fenilalanina y metionina. Las
cadenas laterales de los aminoácidos no polares por lo general carecen de oxígeno y nitrógeno. Varían sobre todo en
forma y tamaño, esto permite a algunos de ellos introducirse apretadamente en un espacio particular dentro del núcleo de una proteína, reuniéndose entre sí como consecuencia de las fuerzas de van der Waals y de interacciones
hidrofóbicas.
4. Los otros tres aminoácidos, glicina, prolina y cisterna,
tienen propiedades únicas que los distinguen de los demás.
El grupo R de la glicina consta de un solo átomo de hidrógeno y sólo por esta razón la glicina es un aminoácido muy
importante. Debido a la falta de una cadena lateral, los residuos de glicina permiten que los esqueletos de dos polipéptidos (o de dos segmentos del mismo polipéptido) se
aproximen entre sí muy estrechamente. Además, la glicina
es más flexible que otros aminoácidos y es útil en las porciones del esqueleto que necesitan moverse o formar articulaciones. La prolina es única porque tiene sus grupos
a-amino como parte de un anillo (convirtiéndola en un
iminoácido). La prolina es un aminoácido hidrofóbico que
no adopta con facilidad una estructura secundaria ordenada (que analizaremos posteriormente). La cisteína contiene
un grupo sulfhidrilo (—SH) reactivo que con frecuencia aparece unido a otro residuo de cisteína mediante un enlace
covalente, como un puente disulfuro (—SS—).

Cisterna

H
I

H H O
I
I II
-N-C-CI
CH?
I
SH

H
I

O
II

N-C-C-

I
Oxidación

CH,
I

S
I
S

2H' + 2e*

SH
Reducción
I
I
CH2
CH2
I
-N-C-C
-N-C-CI
I
II
I
I
II
H H O
H H O

Los puentes de disulfuro casi siempre se forman entre dos
cisteínas distantes entre sí en el esqueleto del polipéptido o
incluso en dos polipéptidos separados. Estos puentes disulfuro ayudan a estabilizar las intrincadas formas de proteínas, particularmente las que se presentan fuera de las células donde están sujetas a tensión física adicional.

54


No todos los aminoácidos descritos antes se encuentran en todas las proteínas, ni todos los aminoácidos presentes están distribuidos de manera equivalente. También
hay algunos otros aminoácidos en las proteínas, pero son
resultado de la alteración de uno de los 20 aminoácidos
básicos después de incorporarse a la cadena del polipéptido.
El carácter iónico, polar o no polar, de la cadena lateral
de los aminoácidos es muy importante en la estructura y
función de la proteína. Las proteínas más solubles (es decir,
que no forman parte de la membrana) están construidas
de modo que los residuos polares se sitúen en la superficie de
la molécula donde puedan unirse con las moléculas de agua
circunvecinas y contribuir a la solubilidad de la proteína en
solución acuosa (fig. 2-28, a). Por lo contrario, los residuos
no polares se encuentran empacados en el núcleo central de
la molécula, lejos del medio acuoso (fig. 2-28, b). En muchas
enzimas, grupos polares reactivos se proyectan en el interior no polar y confieren a la proteína su actividad catalítica.
Por ejemplo, un medio no polar incrementa mucho las interacciones iónicas entre grupos cargados que en un ambiente acuoso se reducirían por competencia con el agua. Algunas reacciones que proceden a una velocidad imperceptible
en el agua ocurren en milésimas de segundo dentro de una
proteína.
Cuando se consideren las proteínas de la membrana en
el capítulo 4 será más evidente la importancia de la localiza-

ción de los residuos hidrofóbico e hidrofílico. El arreglo de
hidrofóbíco adentro e hidrofílico afuera es una adaptación
al medio acuoso. Si se altera mucho este ambiente, como
ocurre dentro de las membranas biológicas, la organización
de las proteínas puede invertirse.
Muchas proteínas contienen otras sustancias además
de aminoácidos; éstas se denominan proteínas conjugadas.
Las proteínas conjugadas incluyen las unidas mediante enlaces covalentes o no covalentes a los ácidos nucleicos, las
nudeoproteínas; a lípidos, las lipoproteínas; a carbohidratos,
las glucoproteínas; o a diferentes materiales de bajo peso
molecular, incluyendo metales y grupos que contienen metales.
Estructura de las proteínas

En ninguna otra parte de la biología se ilustra mejor la relación íntima entre forma y función que en las proteínas. Las
proteínas son moléculas enormes, complejas, pero su estructura en cualquier ambiente dado es completamente definible y predecible. Cada aminoácido de una proteína se
localiza en un sitio específico dentro de estas moléculas
gigantes confiriendo a la proteína la estructura y reactividad necesarias para la función que debe desempeñar. La
estructura de la proteína se puede describir a diferentes
niveles de organización, cada uno remarcando un aspecto
diferente y a su vez cada uno dependiente de diferentes

FIÍÍURA 2-28. Disposición de los aminoácidos hidrofílicos e hidrofóbicos en la proteína soluble citocromo c. á) Las cadenas laterales
hidrofílicas, mostradas en color verde, se localizan principalmente en la superficie de la proteína donde entran en contacto con el medio acuoso
que las rodea, b) Los residuos hidrofóbicos, mostrados en rojo, se localizan sobre todo en el centro de la proteína, en especial en la vecindad
del grupo hem central. (Copyright ¡rving Geis.)

CAPITULO 2 - Bases químicas de la vida

tipos de interacciones. De ordinario se describen cuatro niveles: primario, secundario, terciario y cuaternario. El primero,
la estructura primaria, se refiere a la secuencia de aminoácidos de una proteína, en tanto que los otros tres niveles se
relacionan con la organización de la molécula en el espacio.
Estructura primaria. La estructura primaria de un polipéptido es la secuencia lineal de aminoácidos específicos
que constituyen !a cadena. Con 20 diferentes bloques de
construcción, el número de polipéptidos variados que puede formarse es 20", donde n es el número de aminoácidos
en la cadena. Puesto que la mayor parte de los polipéptidos
contienen más de 100 aminoácidos (y algunos miles), la
variedad de posibles secuencias es prácticamente ilimitada.
La información del orden preciso de los aminoácidos en
cada proteína que un organismo puede producir se incluye
en la herencia genética de dicho organismo.
Como veremos después, la secuencia de aminoácidos
suministra la mayor parte, si es que no toda, la información
requerida para determinar la configuración tridimensional
de la molécula y por lo tanto su función. Por consiguiente,
la secuencia de aminoácidos es de la mayor importancia y
los cambios que se originan en dicha secuencia como resultado de mutaciones genéticas del DNA no se pueden
tolerar fácilmente. El primer ejemplo y mejor estudiado de
esta relación es el cambio en la secuencia de aminoácidos
de la hemoglobina que da como resultado la enfermedad
anemia drepanocítica. Esta anemia grave, hereditaria, es resultado de un solo cambio en la secuencia de aminoácidos
dentro de la molécula ffig. 2-29, a, b); en el sitio donde normalmente se encuentra un ácido glutámico hay una valina.
Esto corresponde a la sustitución de un aminoácido polar
con carga por uno no polar (véase fig. 2-26). Todos los problemas relacionados con la forma del eritrocito (fig. 2-29, c]
y la disminución de la capacidad para transportar oxígeno
en las personas con anemia drepanocítica son consecuencia

(a)

55

de este único cambio. En muchos otros casos los cambios de
los aminoácidos tienen poco efecto, según puede observarse por las diferencias en la secuencia de aminoácidos de una
misma proteína entre organismos relacionados. El grado de
tolerancia de los cambios en la secuencia primaria dependen de la magnitud de la alteración en la forma de la proteína o de los residuos funcionales criticos.
La secuencia de aminoácidos de una proteína fue determinada por primera vez a principios de los años 1950
por Frederick Sanger y sus colaboradores, en la Universidad de Cambridge, empleando una hormona, la proteína
insulina. Para trabajar se eligió la insulina de ternera debido a su disponibilidad y a su pequeño tamaño: dos cadenas
de polipéptidos de 21 y 30 aminoácidos cada una. La secuenciación de la insulina fue una verdadera proeza en el
reciente campo de la biología molecular. Reveló que las
proteínas, las moléculas más complejas de la célula, tenían
una subestructura específica definible que no era regular ni
repetitiva, como la de los polísacáridos. En la actualidad se
ha logrado la secuenciación de varios miíes de proteínas, ¡o
que ha suministrado información valiosa acerca de sus estructuras, mecanismos de acción y evolución.
Estructura secundaria. Toda la materia existe en el espacio y por lo tanto tiene una estructura tridimensionai. Las
proteínas se forman mediante uniones entre un gran número de átomos; por consiguiente, su forma es compleja. El
término conformación se refiere al arreglo tridimensional
de los átomos de la molécula, o sea, su organización espacial. La estructura secundaria describe la conformación
de partes de la cadena de polipéptidos. Los primeros estudios acerca de la estructura secundaria de las proteínas fueron efectuados por Linus Pauling y Robert Corey del Cali-

(b)

FIGURA 2-29. Bases moleculares de la anemia drepanocítica. a,b) Cromatografías que muestran la separación de péptidos obtenidos
mediante tratamiento de la hemoglobina normal (a) o de la hemoglobina de un drepanocito (b) con la enzima proteolítica tripsina. Las dos
cromatografías son idénticas, con excepción de un péptido (marcado) que contiene un solo aminoácido diferente, c) Micrografía de exploración
electrónica de eritrocitos de una persona con anemia drepanocítica. Compárese con la micrografía de un eritrocito de sangre normal de la figura
4-31, a. Debido a su forma anormal, estos drepanocitos de la sangre pueden taponar vasos de pequeño calibre, causar dolor y provocar crisis
que ponen en peligro la vida. (a,b: según Carrada Baglioni, Biochim. Biophys. Acta 48:2394, 1961; c. cortesía de J.T. Thormvaite, B.F. Cameron y R.C.
Uif.)

56


3.6 residuos

(a)

(b)

FIGURA 2-30. La hélice alfa, a) Trayecto helicoidal alrededor de
un eje central que adopta el esqueleto de un polipéptido en una región
de la hélice alfa. Cada vuelta completa (360°) de la hélice corresponde
a 3.6 residuos de aminoácidos, b) Disposición de los átomos del esqueleto de una hélice alfa y el enlace de hidrógeno que se forma entre
aminoácidos. Debido a la rotación helicoidal, los enlaces peptídicos
de cada cuarto aminoácido se ponen en estrecha vecindad. El acercamiento del grupo carbonilo (C=O) de un enlace pcptido al grupo
¡mina (H—N) de otro enlace péptido da como resultado la formación
de un enlace de hidrógeno entre ellos. Los enlaces de hidrógeno (barras de color naranja) son prácticamente paralelos al eje del cilindro
y por lo tanto sostienen las vueltas de la cadena, c) Vista desde abajo
del centro de una hélice a con las cadenas laterales proyectándose
hacia afuera del esqueleto del polipéptido. La cara de la hélice proyectada hacia el medio externo acuoso consta de residuos de aminoácidos polares, en tanto que la cara expuesta al ambiente interior de la
proteína consta de residuos hidrofóbicos. Una hélice con este tipo de
estructura se denomina antipática.

fornia Institute of Technology. Estudiando la estructura de
péptidos simples que consisten en unos pocos aminoácidos
unidos, Pauiing y Corey concluyeron que las cadenas de
polipéptidos existen en conformaciones preferidas que suministran el número máximo posible de enlaces de hidrógeno entre aminoácidos vecinos. Se propusieron dos conformaciones.
En una conformación el esqueleto del polipéptido adopta la forma de una espiral cilindrica denominada hélice alfa
(a) (fíg. 2-30, a). El esqueleto corresponde a! interior de
la hélice y las cadenas laterales se proyectan hacia afuera. La
estructura helicoidal se estabiliza mediante un gran número de enlaces de hidrógeno entre los átomos de un péptido
enlazado y los situados justo arriba y debajo a lo largo de
la espiral (fig. 2-30, b). Los patrones de difracción de rayos
X de proteínas verdaderas, determinados durante el decenio de 1950, revelaron la existencia de hélices a, primero en
la proteína queratina del cabello y después en varias proteínas que se enlazan a oxígeno, como la mioglobina y la hemoglobina (véase fig. 2-35). Las superficies opuestas de una
hélice a pueden tener propiedades contrastantes. En las hidrosolubles, la superficie externa de una hélice alfa con frecuencia contiene residuos polares en contacto con el solvente, en tanto que la superficie enfrentada al interior contiene
grupos R no polares (fig. 2-30, c). Esta disposición de residuos polares y no polares con frecuencia se invierte en las
hélices alfa de proteínas de la membrana que atraviesan la
bicapa lipida hidrofóbica (véase fig. 4-16).
Una hélice a se encuentra enrollada y fija mediante
enlaces no covalentes débiles, y por lo tanto puede extenderse cuando es sometida a fuerzas de estiramiento. Esto se
puede ilustrar con la lana, cuyas fibras de proteína consisten principalmente en hélices alfa. Cuando las fibras de lana
se estiran, se rompen los enlaces de hidrógeno y las fibras se
alargan. Cuando se libera la tensión, los enlaces vuelven a
formarse y la fibra se acorta a su longitud original. El cabello humano es menos extensibíe que la lana, debido a que
los polipéptidos también están estabilizados por puentes
disulfuro covalentes.
La otra conformación propuesta por Pauiing y Corey
fue la lámina plegada beta ($), que consiste en varios polipéptidos paralelos entre sí. A diferencia de la forma cilindrica helicoidal de la hélice a, el esqueleto de cada polipéptido (o fibra /í) en una lámina /3 asume una conformación
con pliegues o dobleces (fig. 2-31, a). Igual que la hélice alfa,
la lámina/? también se caracteriza por un gran número de
enlaces de hidrógeno, pero estas uniones no covalentes son
perpendiculares al eje largo de la cadena de polipéptidos y
se proyecta rransversalmente desde un lado de la cadena
hacia el otro (fig. 2-31, b). Como la hélice alfa, la lámina /}
también se encuentra en muchas proteínas diferentes. Así,
la cadena de aminoácidos casi está completamente extendida y por lo tanto la lámina /3 resiste las fuerzas de tensión
(ténsiles). La seda es una proteína que consiste sobre todo
en láminas /?; las fibras de seda deben su resistencia a esta
característica arquitectónica.
Las porciones de una cadena de polipéptidos no organizada en hélices a o láminas /í pueden consistir en bisagras, vueltas, asas o extensiones digitiformes. Con frecuencia estas son las partes más sensibles de una cadena de


57

FIGURA 2-31. Lámina ¿J plegada, a) Cada polipéptido de una lámina fi asume una conformación extendida pero plegada a la cual se
le denomina banda /!. Los pliegues son resultado de la localización de
los carbonos a arriba y abajo del plano de la lámina. Los grupos R
sucesivos se proyectan hacia arriba y hacia abajo del esqueleto, b) Una
lámina jí plegada consta de algunas bandas fi situadas paralelamente
entre sí y reunidas en disposición regular de enlaces hidrógeno entre
los grupos carbonilo e imino de esqueletos vecinos. Los segmentos
vecinos del esqueleto del polipéptido pueden situarse en posición
paralela (en la misma dirección N-terminal -> C-terminal) o aníiparalela (en dirección opuesta N-terminal —> C-terminal).

polipéptido y los sitios de mayor actividad biológica. En la
figura 2-32 se muestran los diferentes tipos de estructura
secundaria de la manera más simple; las hélices alfa se representan mediante listones helicoidales, las fibras fi se
muestran como flechas aplanadas que conectan los segmentos como delgados alambres.
Estructura terciaria. En tanto la estructiura secundaria
se relaciona principalmente con la conformación de aminoácidos adyacentes en la cadena de polipéptidos, la estructura terciaria describe la conformación de la proteína
íntegra. La mayor parte de las proteínas se pueden clasificar según su conformación íntegra como proteínas fibrosas,
que tienen una forma muy alargada, o proteínas globulares, que poseen una forma compacta. La mayor parte de las
proteínas que actúan como materiales estructurales fuera
de las células vivientes son proteínas fibrosas, como la colágena y la elastina de los tejidos conectivos; la queratina de
cabellos, piel y uñas; y la seda. Estas proteínas constan
de fibras largas o de hojas aplanadas que resisten fuerzas de
tensión o de corte a las cuales están expuestas. Por lo contrario, la mayor parte de las proteínas dentro de las células
son proteínas globulares.
Colágena: una abundante proteína fibrosa. La colágena consta de fibras que actúan como cables para resistir
las fuerzas de tensión que se desarrollan en los espacios que
rodean a las células (analizados ampliamente en la sección
7-1). Se estima que una fibra de colágena de 1 mm de diámetro es capaz de sostener un peso mayor de 10 kilogramos
(22 libras). La colágena es un elemento característico de los
tejidos conectivos en todo el reino animal y está presente en
los vertebrados como uno de los principales componentes

FIGURA 2-32. Modelo de listón de la ribonucleasa. Se muestran
las regiones de una hélice a como espirales y bandas ¡í por medio de
listones aplanados con flechas que indican la dirección N-terminal ~>
C-terminal del polipéptido. (Según un dibujo efectuado por ¡eme S.
Richardson.)

de la piel, cartílago, hueso, tendones y la córnea. Las fibras de
colágena son polímeros construidos a partir de monómeros
compuestos de tres cadenas alargadas de polipéptidos helicoidales (llamadas cadenas a) enrolladas sobre sí mismas
para formar una triple hélice (fig. 2-33, a), muy diferente de
una hélice alfa. Los monómeros de colágena se organizan
en disposición escalíforme para formar microñbrillas (fig.
2-33, b}, que a su vez se organizan en fibras de mayor calibre que muestran un patrón característico de bandas en el
microscopio electrónico (fig. 2-33, c).
La composición de los aminoácidos de las cadenas a de
colágena es poco común. Cada cadena tiene casi 1 000 aminoácidos de longitud y la glicina constituye prácticamente
cada tercer residuo. Las glicinas se localizan en el punto
donde cada cadena gira hacia el borde interno, o sea, donde
hay la menor cantidad de espacio disponible para una cadena lateral de aminoácidos. En realidad, la glicina es el
único aminoácido que puede adaptarse a la organización
triple helicoidal de la colágena.
Hay otras dos características poco comunes de las cadenas a de la colágena: contienen grandes cantidades de
prolina, y gran parte de los residuos de prolina y lisina son
hidroxilados. Las prolinas son importantes para generar la
hélice tipo colágena y los aminoácidos hidroxilados son
importantes para mantener la estabilidad de la triple hélice
formando puentes hidrógeno de una cadena a otra dentro

58


(a)

(c)

FIGURA 2-33. Colágena, un ejemplo de proteína fibrosa. Esta figura muestra varios niveles de organización de la colágena, a) El monómero
básico de colágena es una triple hélice compuesta de tres cadenas de polipépridos helicoidales distintos, b) Los monómeros se alinean en filas
en las cuales las moléculas de una fila se encuentran escalonadas en relación con las de la fila vecina, c) Micrografía electrónica de fibras de
colágena humana que muestran su patrón característico de bandas como resultado de la disposición de los monómeros de colágena. Las bandas
se repiten a lo largo de la fila con una periodicidad de 64 a 70 nm. (c: Cortesía de ¡eróme Cross y Francis O. Schrnitt.)

de un monómero. La hidroxilación de los residuos de prolina y lisina tiene lugar enzímáticamente después que los
aminoácidos se han incorporado a la cadena del polipéptido. La falta de hidroxilación de las cadenas de colágena
tiene consecuencias graves para la estructura y función de
los tejidos conectivos. Esto es evidente en los síntomas del
escorbuto, una enfermedad producida por deficiencia de
vitamina C (ácido ascórbico), caracterizada por inflamación
de las encías y pérdida de los dientes, cicatrización deficiente de las heridas, huesos quebradizos y debilitamiento del
revestimiento de los vasos sanguíneos, que provoca sangrado interno. Las enzimas que añaden grupos hidroxilo a los
aminoácidos lisina y prolina de la colágena requieren ácido
ascórbico como coenzima.
Mioglobina: la primera proteína globular en la cual
se determinó la estructura terciaria. A diferencia de las
proteínas fibrosas que muestran una estructura muy extendida, las cadenas de polipéptidos de la mayor parte de las
proteínas están plegadas y torcidas formando estructuras
complejas. Puntos distantes de la secuencia lineal de aminoácidos se aproximan y unen mediante diferentes tipos de
enlace. No fue sino hasta 1957 que se dispuso de un modelo

de estructura terciaria para una proteína globular. El trabajo lo realizó John Kendrew y sus colegas, en la Universidad
de Cambridge, empleando la proteína mioglobina y con la
técnica de cristalografía de rayos X. En esta técnica (descrita aquí en la sección 17-8) se bombardea un cristal de la
proteína con un delgado haz de rayos X y se permite que
la radiación dispersada (difracción) por los átomos de la
proteína incida sobre una placa fotográfica donde se forman puntos como los mostrados en la figura 2-34. Según la
intensidad y posición de los puntos, un investigador puede
trabajar en retrospectiva para deducir la estructura capaz
de producir dicho patrón. Cuanto más información se analiza, más detalles se obtienen para describir la molécula.
La mioglobina funciona en el tejido muscular corno sitio para almacenar oxígeno; la molécula de oxígeno se une
a un átomo de hierro en el centro de un grupo hem. (El
grupo hem es un ejemplo de grupo prostético, o sea, una
parte de la proteína no compuesta de aminoácidos, añadida
a la cadena de polipéptidos después de ensamblarse en el
ribosoma.) El grupo hem de la mioglobina confiere al tejido
muscular su color rojo. La primera publicación, en 1957,
acerca de la estructura de la mioglobina suministró un per-


FIGURA 2-34. Patrón de difracción de rayos X de la mioglobina.
(Cortesía de John C. Kendrew.)

fil de baja resolución suficiente para revelar que la molécula
era compacta (globular) y que la cadena de polipéptidos
estaba doblada sobre sí misma en un arreglo complicado
(fig. 2-35, a). No se encontraron datos de regularidad o simetría dentro de la molécula. El perfil relativamente burdo de
la proteína reveló la presencia de ocho prolongaciones de la
hélice a en forma de bastón cuya longitud oscilaba entre 7
y 24 aminoácidos. En conjunto, casi 75% de los 153 aminoácidos de la cadena de polipéptidos se encuentra en la
conformación de hélice alfa. Este es un porcentaje inusitadamente alto en comparación con el de otras proteínas examinadas hasta ahora. No se encontraron láminas/3 plegadas.
Análisis subsecuentes de la mioglobina empleando nuevos datos de difracción de rayos X suministraron una descripción mucho más detallada de la molécula (fig. 2-35, fc).
Por ejemplo, se demostró que el grupo hem está situado
dentro de una bolsa de grupos R hidrofóbicos que promueven el enlace del oxígeno sin oxidar el átomo de hierro
(pérdida de electrones). La mioglobina no contiene enlaces
disuifuro; la estructura terciaria de la proteína se mantiene
exclusivamente por interacciones no covalentes. Se piensa
que todos los enlaces no covalentes (enlaces de hidrógeno,
enlaces iónicos e interacciones hidrofóbicas) observados ocurren entre las cadenas laterales dentro de las proteínas (fig.
2-36). El modelo de mioglobina dibujado en la figura 2-35,
c, muestra la posición relativa de cada átomo de la molécula. A diferencia de la mioglobina, la mayor parte de las
proteínas globulares contienen hélices a y láminas /3. Sin
embargo, algunas proteínas (como la isomerasa triosa fosfato, mostrada en la figura 2-38, b) consta principalmente de
láminas/? plegadas. Cada proteína tiene una estructura ter-

59

ciaria única que puede correlacionarse con su secuencia de
aminoácidos y su función biológica.
Dominios y motivos de las proteínas. Un análisis estructural más reciente ha revelado que muchas proteínas,
particularmente las grandes, se componen de dos o más
regiones compactas distintas que funcionan de manera
semiindependiente. En la mayor parte de los casos, las regiones individuales, o dominios, se unen entre sí mediante
una porción flexible de la cadena de polipéptidos que sirve
como bisagra (fig. 2-37). Los dominios de un polipéptido
con frecuencia representan partes que se unen a factores
diferentes (como una coenzima y un sustrato), o sólo partes
que se mueven de manera relativamente independiente entre sí. Se cree que algunos polipéptidos con más de un dominio se originaron durante la evolución por la fusión de
genes que codificaban diferentes proteínas ancestrales, y
cada dominio representa una parte que alguna vez fue una
molécula separada.
A primera vista, la arquitectura tridimensional de las
proteínas parece casi irremediablemente compleja. Sin embargo, conforme se fueron determinando las estructuras
terciarías, los bioquímicos descubrieron subestructuras recurrentes, o motivos. En la figura 2-38 se muestran dos
ejemplos. En la espiral enrollada que se encuentra en varias
proteínas fibrosas, pares de hélices a se enrollan una sobre
otra igual que las dos fibras trenzadas de un cable. Las
hélices a que interactúan como espirales enrolladas tienen
una estructura primaria distintiva caracterizada por una
secuencia de siete aminoácidos repetida regularmente. Los
residuos primero y cuarto (denominados a y d) de la secuencia repetida son hidrofóbicos y se sitúan a un lado de la
hélice donde pueden formar interacciones hidrofóbicas con
sus contrapartes de la hélice vecina. Es como si una hélice
tuviera una fila de "botones" y la otra hélice una fila de
"agujeros" en los cuales se pueden introducir los botones.
En conjunto, las hélices trenzadas forman una estructura
rígida parecida a una barra.
Uno de los motivos más complejos es el barril a//?,
originalmente descubierto en la enzima isomerasa triosa
fosfato (fig. 2-38, b), y desde entonces se ha encontrado en
casi 20 enzimas diferentes. Cada una de las ocho duelas del
barril consta de una cadena /?. Reunidas las ocho cadenas/3
paralelas forman el barril cerrado que se sitúa en el núcleo
de la proteína. El barril se conecta al resto de la proteína por
secciones de hélice alfa. Pueden ocurrir motivos comunes
en proteínas evolutivamente relacionadas que desempeñan
funciones similares o pueden aparecer en proteínas no relacionadas que tienen funciones muy diferentes.
Cambios dinámicos dentro de las proteínas. Las proteínas no son rígidas e inflexibles, más bien poseen gran
capacidad de movimiento interno. Los pequeños cambios
en la disposición de las uniones dentro de una proteína
generan movimiento interno en la molécula que puede captarse mediante simuladores computadorizados (fig. 2-39,
a). Los estudios de proteínas también revelan la ocurrencia
de cambios en los enlaces de hidrógeno, movimientos
ondulatorios de las cadenas laterales externas y rotación
completa alrededor de una sola unión de los anilios aromáticos de la tirosina y ios residuos de fenilalanina. Los movimientos predecibles (no al azar) dentro de una proteína

60


Hem

relacionados con las funciones de la molécula se describen
como cambios de conformación. Prácticamente toda actividad en la cual participa una proteína se acompaña de
cambios de conformación dentro de la molécula. Por ejemplo, en la mioglobina, el C>2 una vez liberado de su sitio de
enlace en el grupo hem, sale desde el interior de la proteína
y se requiere un cambio de conformación para abrir una vía
de salida a la molécula de Ü2- En general, es más fácil estudiar los cambios de conformación empleando un inhibidor
parecido a la molécula que normalmente se enlaza a la pro-

FIGURA 2-35. Estructura tridimensional de la mioglobina de
ballena, a) Primer modelo relativamente burdo de la proteína basado
en los datos de difracción de rayos X a baja resolución. Se observa la
conformación general de la molécula, pero hay poca información
respecto de los tipos de interacciones entre los residuos de aminoácidos, (En este primer diagrama, el plano del grupo hem es incorrecto.)
b) Modelo de mioglobina a mayor resolución que en el inciso a. Se
observa que la mayor parte de los aminoácidos residen dentro de las
regiones de la hélice alfa. Las regiones no helicoidales ocupan principalmente los ángulos donde cambia la dirección de la cadena de polipéptido. Se indica la posición del grupo hem. c) Modelo físico de la
mioglobina que ilustra la enorme complejidad de una proteína, (b:
Copyright por Jrving Geis; c: cortesía de ]. Kendreiv.)

FIGURA 2-36. Tipos de enlace covalente que mantienen la conformación de las proteínas.


61

FIGURA 2-37. Dominios de una proteína. Dibujo de una
fosfogliceratocinasa nativa de músculo de caballo que
muestra dos distintos dominios conectados por una bisagra. Las hélices a se definen con cilindros y las fibras fi por
flechas, que además denotan su dirección. (Según R.D.
Banks y cois. Reproducido con permiso de Nature 279:775, 1979.
Copyright 1979, Macmillan Magazines Limited.)

teína. Los cambios que ocurren en una molécula de mioglobina durante la unión y liberación de monóxido de carbono, un gas que inhibe el enlace de OT, se muestra en la
figura 2-39, b. En las figuras 3-14 y 9-39 se muestran otros
dos ejemplos de cambios de conformación que ocurren entre las proteínas. La importancia de los cambios de conformación se puede apreciar considerando que los movimientos de nuestro cuerpo son resultado del efecto aditivo de
millones de cambios de conformación que tienen lugar entre las proteínas contráctiles de los músculos.
Estructura cuaternaria. Aunque numerosas proteínas,
como la mioglobina, se componen de una sola cadena de
polipéptidos, muchas otras están formadas por más de una
cadena o subunidad. Las subunidades pueden unirse mediante enlaces covalentes de disulfuro, pero con mayor frecuencia se mantienen juntas por enlaces no covalentes, como
puede ocurrir, por ejemplo, entre las "placas" hidrofóbicas
de las superficies de polipéptidos vecinos. Se dice que las
proteínas compuestas de subunidades tienen una estructura cuaternaria. Según la proteína, las cadenas de polipéptidos pueden ser idénticas o no idénticas. Una proteína compuesta de dos subunidades idénticas se describe como
homodímero, en tanto que una proteína compuesta de dos
subunidades no idénticas es un heterodímero. En la figura
2-40, a, se muestra una proteína homodímera representada
como un listón. Las dos subunidades de la proteína se presentan con colores diferentes y se indican los residuos hidrofóbicos que forman los sitios de contacto. Una proteína
de múltiples subunidades bastante bien estudiada es la hemoglobina, la proteína que transporta Ü2 en los eritrocitos.
La molécula de la hemoglobina humana consta de dos polipéptidos de globina a y dos polipéptidos de globina/? (fig.
2-40, b); cada uno enlaza una sola molécula de oxígeno.
Individualmente, cada polipéptido de la globina tiene una
estructura terciaria similar a la mioglobina, hecho que apoya la noción de que evolucionaron a partir de un polipéptido ancestral común con una función común, como la de
enlazar proteína a Ü2Multiproteínas complejas. Aunque la hemoglobina
consta de cuatro subunidades, todavía se considera una pro-

teína simple con una sola función. Se conocen muchos ejemplos en los cuales diferentes proteínas, cada una con una función específica, se reúnen físicamente para formar una
multiproteína compleja mucho más grande. Una de las
primeras multiproteínas complejas que se describieron y
estudiaron fue la piruvato deshidrogenasa de la bacteria E.
coli, que consta de 60 cadenas de polipéptidos correspondientes a tres enzimas diferentes ffig. 2-41). Las enzimas

95nm

(a)

(b)
FIGURA 2-38. Motivos de la proteína, a) La espiral enrollada,
corno se observa en ¡a porción en forma de barra de una molécula de
miosina, consta de dos hélices a. enrolladas una sobre la otra para
formar un dominio en forma de bastón. Esta parte del filamento de
miosina desempeña un papel clave en la formación de los filamentos
musculares gruesos (sección 9-6). b) Barril a//? de la enzima isomerasa
triosa fosfato según se ve desde arriba. El dibujo a la derecha muestra
la disposición de las cadenas /? en los barriles vistas lateralmente, (b:
Según el dibujo de Jane S. Richardson.)

62


Arg CD3

(a)

(b)

FIGURA 2-39. Movimientos dinámicos de una molécula de mioglobina. a) Movimientos internos de ia mioglobina simulados por medio
de cálculos computadorizados. Se superponen varias "tomas instantáneas" de la molécula calculadas a intervalos de 5xlO'12 segundos. El
esqueleto del polipéptido se muestra en azul, el grupo hem en amarillo y una de las histidinas que juegan un papel crucial en la función de
la hemoglobina aparece de color naranja. Se cree que estos tipos de movimientos tienen un papel importante en las actividades de la proteína,
incluyendo la entrada y la salida de la molécula de Oí- b) Sitio activo de una molécula de mioglobina que muestra tres diferentes etapas: 1) con
una molécula de monóxido de carbono enlazada al grupo hem de la proteína (azul), 2) en el momento que se libera la molécula de monóxido
de carbono (rojo) y 3) con el sitio no ocupado (verde). Las diferencias de conformación entre estos tres estados se notan comparando la posición de
los tres colores. Este tipo de imagen se puede captar utilizando cristalografía de rayos X a baja temperatura, (a: Cortesía de Martin Karplus; b: cortesía
de Joel Berendzen.)

que constituyen este complejo catalizan una serie de reacciones para acoplar dos vías metabólicas, la glucólisis y el
ciclo del ácido tricarboxílico (véase fig. 5-8). Debido a que
¡as enzimas están asociadas físicamente, el producto de una
enzima se puede orientar directamente a la siguiente enzima de la secuencia sin diluirse en el medio acuoso de la
célula.
Las multiproteínas complejas formadas dentro de la
célula, como la piruvato deshidrogenasa, no son estructuras necesariamente estables. En realidad, la mayor parte de
las proteínas interactúan con otras proteínas en patrones
sumamente dinámicos, reuniéndose y separándose en todo
momento según las condiciones dentro de la célula. Las
proteínas que interactúan tienden a mostrar superficies complementarias. A menudo la prolongación de una molécula
se adapta dentro de un agujero sobre su pareja. Una vez
que las dos moléculas se ponen en contacto estrecho, su
interacción se estabiliza mediante la formación de uniones
no covalentes. Estos principios de interacción proteína-proteína se ilustran con los modelos moleculares presentados
en la figura 2-42. Conforme se van descubriendo actividades moleculares más y más complejas, cada vez es más
evidente la importancia de las interacciones transitorias entre
proteínas. Por ejemplo, procesos tan diversos como síntesis
de DNA, formación de ATP y procesamiento de RNA son
efectuados por complejos que constan de una gran cantidad
de proteínas en interacción.

Estructura y función de los anticuerpos

Antes de abandonar el tema de la estructura y función de
las proteínas merece consideración especial un último grupo de éstas, las inmunoglobulinas o simplemente anticuerpos. Los anticuerpos son proteínas solubles producidas por
los vertebrados que sirven como arsenal molecular en la
guerra del cuerpo contra patógenos invasores. La interacción de los anticuerpos con la superficie de un virus o de
una célula bacteriana neutraliza la capacidad del patógeno
para infectar una célula huésped y facilita la ingestión de
dicho patógeno y su destrucción por los fagocitos errantes.
El sistema inmunológico puede producir millones de moléculas de diferentes anticuerpos, que consideradas en conjunto pueden reconocer y unirse a prácticamente todo tipo
de sustancia extraña, o antígeno, a la cual se puede exponer el cuerpo.
Una de las características más notables de la respuesta
inmunológica es su especificidad. Consideremos una proteína común en los mamíferos, como la actina del músculo
esquelético. Aunque todos los mamíferos producen esta
proteína, su secuencia de aminoácidos varía algo de una
especie a otra. Incluso ligeras diferencias de esta proteína
entre dos especies diferentes son suficientes para permitir
que una preparación activa de músculo de un miembro de
una especie sea reconocida como extraña si se inyecta a un
miembro de otra especie. Los anticuerpos producidos en
respuesta a la inyección son muy específicos; sólo se combi-


20 nm

63

(b)

FIGURA 2-41. Piruvato deshidrogenasa; una multiproteína compleja, a) Micrografía electrónica de un complejo de piruvato deshidrogenasa teñido aislado de E. cali. Cada complejo contiene 60 cadenas
de polipéptidos que forman tres enzimas diferentes. Su peso molecular se aproxima a cinco millones de daltons. b) Modelo del complejo
de piruvato deshidrogenasa. El núcleo del complejo consta de un
agrupamiento cuboide de moléculas de dihidrolipoil transacetilasa.
El dímero piruvato deshidrogenasa (esferas negras) se distribuye
simétricamente a lo largo de las aristas del cubo y los dímeros
dihidrolipoil deshidrogenasa (esferas grises pequeñas) se colocan en
las caras del cubo. (Cortesía de Lester /. Reed.)

CÍ9

A'

FIGURA 2-40. Proteínas con estructura cuaternaria, q.) Esquema
del factor de transformación del crecimiento $2 (TGF-/Í2), una proteína que ocurre como dímero compuesto de dos subunidades idénticas. Las dos subunidades están coloreadas de amarillo y azul, respectivamente. La cadena lateral de cisteína y los enlaces disulfuro se
muestran en blanco. Las esferas que aparecen en amarillo y azul son
los residuos hidrofóbkos que forman la inferíase entre las dos subunidades. b) Esquema de una molécula de hemoglobina que consta de
dos cadenas de globina fí y dos cadenas de globina fi unidas por
enlaces no covalentes. Cuando se ensamblan los cuatro polipéptidos
de globina en una molécula completa de hemoglobina, la cinética de
la unión y liberación de Oí es muy diferente de la que muestran los
polipéptidos aislados. Esto se debe a que la unión del C>2 a un polipéptido provoca un cambio de conformación en los otros polipéptidos que altera su afinidad por las moléculas de C>2. (a: Reimpreso con
permiso de S. Daopin y cois., Science 257:372 3992, cortesía de David R.
Davies. Copyright 1992 American Assodation for the Advcmcement of
Science; b: copyright por Irving Geis.)

nan con actina y con ningún otro tipo de proteína presente
en la solución de prueba.
Los biólogos celulares y moleculares sacan ventaja de
la especificidad de los anticuerpos y los emplean como herramienta analítica para identificar proteínas específicas
de interés y determinar su localización dentro de la célula.
En todo este libro se hace notar el empleo de anticuerpos en

esta búsqueda a través de las fotografías a color que muestran moléculas de anticuerpos dentro de las células unidas
mediante enlaces covalentes a colorantes fluorescentes de
brillantes colores. En el presente análisis sólo se intentará
responder preguntas acerca de las moléculas de anticuerpos. ¿Cómo pueden enlazarse a otras moléculas con tan alto
grado de especificidad?
Los anticuerpos están formados por dos tipos de cadenas de polipéptidos, ¡as cadenas pesadas de mayor tamaño
(peso molecular de 50 000 a 70 000 daltons) y las cadenas
ligeras más pequeñas (peso molecular de 23 000 daltons o
23 kD). Los dos tipos de cadenas se reúnen entre sí para
formar pares mediante enlaces disulfuro. Se han identificado cinco clases diferentes de inmunoglobulinas (IgA, IgD,
IgE, IgG e IgM). Las diferentes inmunoglobulinas aparecen
en distintos momentos luego de la exposición a una sustancia extraña o en diferentes líquidos corporales (cuadro 2-4).
Hay dos tipos de cadenas ligeras: cadenas kappa (/c) y
cadenas lambda (A), ambas presentes en las cinco clases de
inmunoglobulinas. Por lo contrario, cada tipo de inmunoglobulina tiene su propia cadena pesada única que define
dicho tipo. El análisis siguiente se restringe a las IgG que
son las inmunoglobulinas más abundantes. Una molécula
individual de IgG está compuesta de dos cadenas ligeras
idénticas y dos cadenas pesadas idénticas dispuestas como
se muestra en la figura 2-43, y se describe a continuación.
Para determinar la base de la especificidad de los anticuerpos fue necesario establecer la secuencia de aminoácidos de algunos anticuerpos específicos. Normalmente, el
primer paso para lograr este objetivo sería purificar las proteínas particulares que van a formar la secuencia. Sin embargo, en condiciones normales es imposible obtener una
preparación purificada del anticuerpo específico a partir de
la sangre debido a que cada individuo produce un gran
número de diferentes moléculas de anticuerpos de estruc-

64


FIGURA 2-42. Interacciones proteína-proteína. a) Modelo que
ilustra las superficies moleculares complementarias de porciones de
proteína que interactúan entre sí. La molécula de color rojo es un
dominio de la enzima fosfatidilinositol 3-OH cinasa, cuyas funciones
se analizan en el capítulo 15. Este dominio se une específicamente a
una variedad de péptidos que contienen prolina, como el que se
muestra en e! modelo de espacio lleno en la parte superior de la figura.
Se indican los residuos de prolina del péptido que ocupan las bolsas
de la superficie de la enzima. El esqueleto del péptido presenta color
amarillo y las cadenas laterales color verde, b) Vista amplificada de los
tipos de interacción no covalente que ocurren entre dos péptidos que
poseen superficies complementarias. Las líneas punteadas indican enlaces de hidrógeno formados: 1) entre residuos de aminoácidos en las
dos proteínas y 2) entre residuos de aminoácidos y una molécula de
agua (esfera de color magenta) que se colocan entre los dos péptidos.
(a: Tomado de Hongato Yu y cois., Cell 76:940, 1994, con permiso de copyright de Cell Press; b: reimpreso con permiso de Masazumi Matsumura y
cois., Science 257:930, 1992, cortesía de ¡an A. Wilson. Copyright 1992
American Association for the Advancement of Science.)

tura muy similar, lo bastante para impedir su separación. El
problema se resolvió al descubrir que la sangre de pacientes
que sufren un tipo de cáncer linfoide, denominado mieloma, contiene gran cantidad de una sola especie de anticuerpo.
Como se describe en el capítulo 16, el cáncer es una
enfermedad monoclonal; o sea, las células del tumor se originan a partir de la proliferación de una sola célula descarriada. Puesto que un solo línf ocito normalmen te sólo produce
una especie molecular de anticuerpo, el paciente con mieloma múltiple produce grandes cantidades del anticuerpo
específico sintetizado por la célula particular malignizada.
Aunque un paciente individual sólo produce una especie
de anticuerpo, diferentes pacientes dan lugar a diferentes
anticuerpos. Como resultado, los investigadores pudieron
purificar cantidades sustanciales de varios anticuerpos procedentes de diversos pacientes y comparar sus secuencias
de aminoácidos. Pronto se reveló un patrón importante. Se
observó que la mitad de cada cadena kappa ligera (110 aminoácidos en el extremo amíno del polipéptido) era constante en la secuencia de aminoácidos de todas las cadenas
kappa, en tanto que la otra mitad variaba de un paciente a
otro. De manera similar, la comparación de las secuencias
de aminoácidos de varias cadenas lambda procedentes de
diferentes pacientes reveló que también constaban de una
sección de secuencia constante y una sección cuya secuencia variaba de una rnmunoglobulina a la siguiente. Las cadenas pesadas de IgG purificadas también contenían una
porción variable (V) y una constante (C).
Aunque casi la mitad de cada cadena ligera constaba
de una región variable (V^), sólo una cuarta parte de cada
cadena ligera era variable (Vn) entre diferentes pacientes;
los restantes tres cuartos de la cadena pesada (CH) eran
constantes para todas las IgG. La porción constante de la
cadena pesada se puede dividir en tres secciones de longitud aproximadamente igual claramente homologas entre sí
(fig. 2-43). Parecería que cada una de las tres secciones de la
parte C de la cadena pesada IgG (y también de las cadenas
pesadas de las otras clases de Ig y las porciones C de ambas
cadenas ligeras kappa y lambda) se originaran durante la
evolución por duplicación de un gen ancestral que codificaba para una unidad Ig de unos 110 aminoácidos. También
se piensa que las regiones variables (VH o VL) se originaron
por evolución de la misma unidad Ig ancestral. Los análisis
estructurales indican que cada una de las unidades homologas de una cadena ligera o pesada se pliega independientemente para formar su propio dominio compacto. Los dos
dominios de una cadena ligera se muestran en la figura 244. En la molécula IgG intacta, cada uno de los dominios de
las cadenas ligeras se relaciona con uno de los dominios
de las cadenas pesadas, como se muestra en la figura 2-43.
Un examen más estrecho de los polipéptidos de las inmuno globulinas revela que las porciones variables de las
cadenas ligeras y pesadas contiene subregiones especialmente variables, o sea hipervariables, de una molécula de
anticuerpo a otra (marcadas Hv en la figura 2-44). Las porciones hipervariables de las cadenas contienen delecciones
e inserciones de aminoácidos y también sustituciones de un
aminoácido por otro. Las cadenas ligeras y pesadas contienen ambas tres fragmentos hipervariables.


65

CUADRO 2-4. Tipos de inmunoglobulinas humanas
Tipo

IgA
IgD
IgE
IgG
IgM

Cadena
pesada

Cadena
ligera

Peso molecular
(kD)

a
Ó

KOX

E

K O/l

Y

K OÁ

n

K O-l

360-720
160
190
150
950

K O K

Propiedades
Presente en lágrimas, moco nasal, leche materna, secreciones intestinales
Presente en varias membranas plasmáticas celulares; función desconocida
Se enlaza a casi todas las células; libera hístamina, causa de reacciones alérgicas
Anticuerpos solubles primarios de origen sanguíneo; atraviesan la placenta
Presente en membranas plasmáticas de células B, media la respuesta inmunológica
inicial; activa el complemento microbicida

La especificidad de la molécula de un anticuerpo particular es determinada por los aminoácidos presentes en
los dos sitios para combinación de antígenos situados en los
extremos de la molécula en forma de Y (fig. 2-43). Los dos
sitios de combinación de una molécula IgG son idénticos y
cada uno se forma por la asociación de la porción variable
de una cadena ligera con la porción variable de una cadena
pesada a la cual está unida. La construcción de anticuerpos
a partir de pares de cadenas ligeras y pesadas permite a un
individuo producir una tremenda variedad de anticuerpos
a partir de un número relativamente moderado de polipéptidos diferentes. Por ejemplo, sí hay 1 000 cadenas ligeras
diferentes y 1 000 cadenas pesadas distintas, se puede formar un millón (103 X 103) de anticuerpos diferentes, cada
uno con un sitio distinto para combinarse con un antígeno.
El sitio de combinación de una molécula de anticuerpo
tiene una estructura estereoquímica complementaria a la
del antígeno al cual se va a enlazar. Como sería de esperar,
las porciones hipervariables de cada cadena desempeñan

un papel prominente en la formación de la superficie del
sitio de combinación y explican el mayor grado de especificidad que pueden mostrar las poblaciones de anticuerpos. La figura 2-45 muestra la naturaleza precisa de la interacción entre un antígeno particular y un anticuerpo, según
se puede determinar mediante estudios de difracción de
rayos X. El análisis de la estructura de los sitios para combinación de diferentes anticuerpos revela una gran variedad
de formas y tamaños, todas originadas en diferencias de
conformación de las regiones hipervariables de cadenas ligeras y pesadas. Los dominios variables de un anticuerpo
determinan la especificidad del sitio de combinación de la
molécula, en tanto que los dominios constantes proporcionan un marco estructural para toda la molécula y también
efectúan una gran variedad de importantes funciones efectoras. Estas incluyen fijación del anticuerpo en la membrana
plasmática, activación del sistema de complemento mediante
el cual las células bacterianas son puncionadas y destruidas, paso de anticuerpos a través de la placenta del feto en
desarrollo y estimulación de la proliferación de linfocitos.

COOH

Dominio

FIGU1ÍA 2-4%. Estructura de un anticuerpo. Este modelo en forma
de listón de una molécula de IgG muestra que contiene cuatro cadenas de polipéptidos, dos cadenas ligeras idénticas y dos cadenas pesadas idénticas. Una de las cadenas pesadas se muestra en azul, la otra
en amarillo, en tanto que ambas cadenas ligeras se muestran en rojo.
Los dominios de cada cadena (dos por cadena ligera y cuatro por
cadena pesada) son evidentes. Las regiones variables de una cadena
ligera y de una pesada (dominios VL y VH) se juntan en la porción Nterminal de los dos polipéptidos, formando un sitio para combinar
antígenos. Cada molécula de IgG tiene dos sitios de combinación que
poseen estructuras idénticas. (Cortesía de Alexander McPherson.)

Dominio

FIGURA 2-44. Dominios de un anticuerpo. Dibujo esquemático de
una cadena ligera lambda humana sintetizada por las células de un
paciente con mieloma múltiple. El polipéptido sufre un plegamiento,
de modo que las porciones constante y variable se presentan en dominios separados. Las flechas gruesas representan fibras /? ensambladas en láminas /i. Cada dominio tiene dos láminas 0 que se pueden
distinguir por los colores rojo y naranja. Los tres segmentos hipervariables (Hv) de la cadena se agrupan en un extremo de dominio variable que forma parte del sitio para la combinación del antígeno en
anticuerpo. (Según Manarme Schiffcr y cois., reimpreso con permiso de
Biochemistry 12:4628, 1973. Copyright 1973, American Chemical Society.)

66


AsnSO

105

Ser 93

FIGURA 2-45. Interacción antígeno-anticuerpo. Dibujo esquemático de un derivado de vitamina KI (color naranja) unido a la región
para combinación de una molécula de IgG. LI y 1,3 indican el lugar
aproximado de las regiones hipervariables primera y tercera de la
cadena ligera. HI, H¿ y HB indican las regiones hipervariables de
la cadena pesada. (Según L. M, Anzel y cois., Proc. Nati. Acad. Sci.
U.S.A. 71:1429, 1974.)

Ingeniería de proteínas
Los avances en biología molecular permitieron diseñar y
producir en masa nuevas proteínas diferentes de las sintetizadas por los organismos vivos. Con las técnicas actuales
para sintetizar DNA es posible crear un gen artificial que se
puede emplear para producir proteínas que tengan una secuencia deseada de aminoácidos. El problema reside en saber cuál de todas las posibles proteínas, entre una variedad
prácticamente infinita, se podría manufacturar que tuviera
alguna función útil. Por ejemplo, consideremos una compañía de biotecnología que quiere manufacturar una proteína
que se enlace a la superficie del virus del SIDA para eliminarlo de una solución acuosa o del torrente sanguíneo. Asumiendo que un programa de simulación en computadora
puede predecir la forma que debe tener tal proteína para
enlazarse a la superficie del virus, ¿qué secuencia de aminoácidos se debe reunir para producir dicha proteína? La
respuesta requiere un conocimiento detallado de las reglas

que gobiernan la relación entre estructura primaria y estructura terciaria de una proteína.
En años recientes se lograron grandes avances en la
síntesis de genes artificiales cuyos productos péptidos pueden plegarse en estructuras secundarias relativamente simples, como haces de hélices a o láminas /J. Sin embargo, los
intentos para crear una estructura más compleja de polipéptidos a partir de la inicial son mucho más difíciles. Otra
manera de conocer el estado actual de conocimiento de las
proteínas por parte de los bioquímicos es suministrarles la
secuencia primaria de una proteína cuya estructura terciaria esté a punto de conocerse y permitirles que hagan predicciones respecto del aspecto tridimensional que tendrá
dicha proteína; luego se pueden comparar las predicciones con la verdadera estructura. Hasta ahora, estas predicciones no han sido muy precisas, lo cual sirve para recordarnos el alto nivel de complejidad de las proteínas y nuestra
limitada comprensión de la manera como la naturaleza transforma un mensaje genético lineal en una proteína funcional
tridimensional.
Un método alternativo para la producción de nuevas
proteínas es modificar las producidas por las células. Avances recientes en la tecnología del DNA han permitido a los
investigadores aislar un gen individual de los cromosomas
humanos, alterar su contenido de información en forma
precisa y luego sintetizar la proteína modificada con la secuencia de aminoácidos alterada. Esta técnica, a la cual se
denomina mutagénesis dirigida al sitio, tiene gran variedad de usos, tanto en investigación básica como en biología
aplicada. Por ejemplo, si un investigador desea saber el papel
de un residuo particular en el plegamiento de un polipéptido, se puede mutar al gene de manera que sustituya a un
residuo con diferencias de carga, características hidrofóbicas
o propiedades para formar enlaces de hidrógeno, y a continuación se puede determinar la capacidad del polipéptido
modificado para lograr su estructura terciaria normal. Como
veremos a lo largo de este libro, la mutagénesis dirigida al
sitio es una invaluable herramienta en el análisis de las funciones específicas de partes mínimas de casi todas las proteínas de interés biológico.
Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos son macromoléculas construidas en
forma de cadena larga (hebra) de monómeros llamados nucleótidos. La función principal de los ácidos nucleicos es
almacenar y transmitir información genética, pero también
pueden desempeñar funciones estructurales o catalíticas.
Hay dos tipos de ácidos nucleicos en los organismos vivos,
ácido desoxirribonucleico (DNA) y ácido ribonucleico
(RNA). Como se mencionó en el capítulo 1, el DNA es
el material genético de todos los organismos celulares y el
RNA efectúa este papel para muchos virus. En las células,
la información almacenada en la plantilla de DNA se emplea para dirigir las actividades celulares durante la formación de mensajes de RNA. En el presente análisis describiremos la estructura básicí. de los ácidos nucleicos empleando
el RNA como molécula representativa. En el capítulo 10
se describirá la estructura más compleja de la doble cadena

Fosfato

N-H

OH

OH

Base

Azúcar

(a)

Esqueleto de
fosfato de azúcar

67

2) un grupo fosfato, y 3) una base nitrogenada (así llamada
porque en los anillos de su molécula se encuentran átomos
de nitrógeno). El fosfato está unido al carbono 5' del azúcar
y la base nitrogenada se junta al carbono 1' de los azúcares.
Durante el ensamblado de una cadena de ácido nucleico, el
grupo hidroxilo fijado al carbono 3' del azúcar de un nucleótido queda unido mediante una unión éster al grupo
fosfato unido al carbono 5' del siguiente nucleótido de la
cadena. Así, los nucleótidos de una cadena de RNA (o DNA)
están conectados por enlaces azúcar-fosfato (fig. 2-46, b),
que se describen como enlaces 3 '-5'-fosfodiéster debido a que
el átomo de fosfato está esterificado con los dos átomos de
oxígeno, uno de cada azúcar adyacente.
Una cadena de RNA (o de DNA) contiene cuatro tipos
diferentes de nucleótido que se distinguen por su base nitrogenada. Dos tipos de bases se encuentran en los ácidos
nucleicos; pirimidinas y purinas (fig. 2-47). Las pirimidinas
son moléculas más pequeñas que constan de un solo anillo;
las purinas son más grandes y poseen dos anillos. El RNA
contiene dos diferentes purinas, adenina y guanina, y dos
pirimidinas diferentes, citosina y uracilo. En el DNA, el
uracilo se sustituye por timina, una pirimidina con un grupo metilo extra pegado al anillo (fig. 2-47).
En condiciones típicas el RNA consta de una sola cadena, pero a menudo se pliega para formar moléculas con
extensos segmentos de doble cadena. Esto lo ilustra el RNA
presente dentro de una subunidad pequeña del ribosoma
bacteriano (fig. 2-48). Los RNA ribosómicos son moléculas
que no contienen información genética; más bien sirven
como armazones estructurales sobre las cuales pueden unirse
¡as proteínas del ribosoma y como elementos que se fijan a
diferentes componentes solubles requeridos para la síntesis
de proteínas. Un RNA ribosórrúco de subunidad grande
actúa como catalizador en la reacción para unir aminoácidos mediante enlaces covalentes durante la síntesis de proteínas. Los RNA catalizadores se denominan ribosomas, y

(b)
FIGURA 2-46. Nucleótidos y fibras de nucleótido. a) Los núcleoticlos son los monómeros a partir de los cuales se construyen las cadenas de ácidos nucleicos. Un nucleótido consta de tres partes: un
azúcar, una base nitrogenada y un fosfato. Los nucleótidos de RNA
contienen el azúcar ribosa que posee un grupo hidroxilo enlazado al
segundo átomo de carbono. En contraste, los nucleótidos de DNA
contienen el azúcar desoxirribosa, que tiene un átomo de hidrógeno
en vez de un grupo hidroxilo fijado 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 se reúnen
para formar cadenas mediante enlaces covalentes que unen al grupo
hidroxilo 3' de un azúcar con el grupo fosfato 5' del azúcar adyacente.

NH

O

H

O

H-fNH
N=<
H
Adenina

de DNA, donde se puede vincular con su papel central en
las bases químicas de la vida.
En una cadena de RNA cada nucleótido consta de tres
partes {fig. 2-46, «); 1) un azúcar de cinco carbonos, ribosa;

CH,

H
O
Tirnina

H

O
Uracilo

FIGURA 2-47. Bases nitrogenadas en los ácidos nucleicos. De Jas
cuatro bases estándar que se encuentran en el RNA, adenina y guanina son purinas y uracilo y citosina son pirimidinas. En el DNA, las
pirimidinas son citosina y timina, que difieren del uraciio por un
grupo metilo unido al anillo.

68


reacciones enzimáticas necesarias. Sólo en una etapa posterior de ia evolución se "encargaron" estas actividades al
DNA y a las proteínas (véase sección 11-3).

2-6 Formación de estructuras
macromoleculares complejas

FIGURA 2-48. El RNA puede asumir formas complejas, como la
ilustrada en el RNA ribosómico aquí mostrado, el cual es un componente integral de la subunidad ribosómica más pequeña. La cadena de
RNA se pliega sobre sí misma en un patrón muy ordenado, de modo
que la mayor parte de la molécula forma una doble cadena. Las sombras de color naranja indican regiones donde dos porciones de la
cadena se enlazan entre sí por un enlace de hidrógeno.

en La vía experimental del capítulo 11 se estudian en detalle
su estructura y función.
Los nucleótidos no sólo son elementos importantes para
construir ácidos nucleicos, sino que también tienen funciones significativas por sí mismos. La mayor parte de la energía utilizable por todo organismo viviente en cualquier
momento se deriva del nucleótido trifosfato de adenosina
(ATP). La estructura del ATP y su papel clave en el metabolismo celular se estudian en el siguiente capítulo.
Un inunde de RNA

En los últimos 50 años los estudios de investigación han
revelado notables avances en diferentes tipos de proteínas,
y la importancia del DNA como almacén y para controlar la
actividad de las células. Por lo contrario, el RNA ha sido
relegado principalmente a un papel de mensajero, un intermediario del flujo de información genética procedente del
DNA (a través del RNA) hacia las proteínas. Este concepto
cambió en los últimos años cuando se supo que en el ribosoma el RNA se encarga de unir aminoácidos para formar
un polipéptido y es también el RNA de las partículas nucleares el que probablemente se encargue de cortar y unir
los mensajes genéticos. Estos datos llevaron a especular que
en algún momento, en las primeras etapas de la evolución
biológica, no existían sobre el planeta ni DNA ni proteínas.
En vez de ellos, las moléculas de RNA efectuaban una doble tarea; servían como material genético y catalizaban las

Como se describe en La vía experimental al final de este capítulo, mediante varios estudios se ha establecido que la
compleja estructura tridimensional de una proteína puede
formarse en forma espontánea por autoensamblado o con
ayuda de un pequeño número de "chaperones" inespecíficos
presentes en la célula. Por lo tanto, la secuencia de aminoácidos de una proteína es el determinante primario de la
forma tridimensional final de la proteína.
¿Hasta qué grado se pueden aplicar los conocimientos
adquiridos del estudio de la arquitectura de proteínas a
estructuras más complejas en la célula? Estructuras como
membranas, ribosomas y elementos citoesqueléticos que
constan de diferentes tipos de subunidades, ¿también pueden ensamblarse por sí solas? ¿Hasta qué punto se puede
explicar la organización subcelular simplemente colocando
pedazos unidos para formar el arreglo más estable? El ensamblado de los organelos celulares todavía es mal comprendido, pero de los siguientes ejemplos se puede concluir
que diferentes tipos de subunidades son capaces de autoensamblarse para formar arreglos de orden más elevado.
Ensamblado de las partículas virales
del mosaico del tabaco y de sus subunidades
ribosómicas
La prueba más convincente de que un proceso particular de
ensamblado puede ser autodirigido es demostrar que bajo
condiciones fisiológicas puede ocurrir fuera de la célula (in
vitro) cuando las únicas macromoléculas presentes son aquellas que constituyen la estructura final. En 1955, Heinz
Fraenkel-Conrat y Robley Williams, de la Universidad de
California en Berkeley, demostraron que las partículas del
VMT, que constan de una molécula de RNA larga (unos
6 600 nucleótidos) arrollados dentro de una cápsula helicoidal formada por 2 130 subunidades proteínicas idénticas
tenían capacidad de autoensamblarse. En sus experimentos
purificaron proteínas del VMT y de RNA por separado, las
mezclaron bajo condiciones adecuadas y recuperaron partículas infecciosas maduras luego de un breve periodo de
incubación. Aunque la secuencia de hechos que conducen
al ensamblado del VMT fue motivo de controversia en años
recientes, hay poco desacuerdo acerca de que los dos componentes contienen toda la información necesaria para la
formación de partículas.
Los ribosomas, como las partículas del VMT, se forman
de RNA y proteínas. A diferencia del VMT más simple, los
ribosomas contienen varios tipos diferentes de RNA y un
conjunto considerable de diferentes proteínas. Todos los ribosomas, cualquiera que sea su origen, se componen de dos
subunidades de diferente tamaño. Aunque los ribosomas
en general se consideran estructuras simétricas, en realidad


69

FIGURA 2-19. Formas aparentes de las subunidades ribosómicas. Modelos de las subunidades ribosómicas pequeña (305) y grande (SOS) de la bacteria E. coli mostrando la ubicación de
algunas proteínas ribosómicas. Las dos subunidades no se muestran en la misma escala. (Cortesía
de H. G. Wittmann.)

11
19

tienen una forma muy irregular, como se indica en la figura
2-49. La unidad ribosómica grande (o SOS) de E. coli contiene dos moléculas de RNA y 32 proteínas diferentes. La subunidad ribosómica pequeña (o SOS) contiene una molécula
de RNA y 21 proteínas diferentes.
Uno de los acontecimientos fundamentales en el estudio de los ribosomas ocurrió a mediados del decenio de
1960, cuando Masayasu Nornura y sus colaboradores, de la
Universidad de Wisconsin, lograron reconstituir subunidades 30S completas y totalmente funcionales mezclando
las 21 proteínas purificadas de la subunidad pequeña con
RNA ribosómico purificado del mismo tipo de subunidad. Al parecer, los componentes de la subunidad pequeña
contienen completa la información necesaria para ensamblar toda la partícula. El análisis de los intermediarios que
se forman en diferentes etapas de la reconstrucción in vitro
indica que el ensamblado de la subunidad ocurre de manera secuencial, paso a paso, muy parecido al proceso in vivo.
Este ensamblado del VMT sugiere que la incorporación de
proteínas individuales parece modificar la conformación
de la partícula en crecimiento haciéndola más reactiva a la
fijación de proteínas adicionales. Cuando menos una de las
proteínas de la subunidad pequeña (516) parece funcionar
exclusivamente en el ensamblado del ribosoma; la delección

de esta proteína en la mezcla de reconstitución disminuye
mucho la tasa del proceso de ensamblado, pero no bloquea
la formación de los ribosomas funcionales completos. Muchas otras proteínas de la subunidad pequeña funcionan
principalmente para estabilizar la estructura ensamblada.
La reconstitución de una subunidad grande del ribosoma
bacteriano se logró en el decenio siguiente.
Debe recordarse que en tanto la reconstitución in vitro
del ribosoma tarda aproximadamente dos horas a 50°C, la
bacteria puede ensamblar la misma estructura en unos pocos minutos a temperaturas tan bajas corno 10°C Puede ser
que la bacteria utilice "trucos" especiales no disponibles al
investigador que inicia con componentes purificados. Por
ejemplo, la formación del ribosoma dentro de la célula puede incluir la participación de factores accesorios que funcionan en el plegamiento de la proteína como los chaperones
descritos en la página 72. En realidad, la formación de ribosomas dentro de una célula encañóla implica la asociación
transitoria de varias proteínas que no terminan en la partícula final y también la eliminación de casi la mitad de los
nucleótidos del precursor de RNA ribosómico grande (sección 11-3). Como resultado, los componentes del ribosoma
eucariota maduro ya no poseen la información para reconstituirse por sí mismos in vitro.

70


LA VIA E X P E R I M E N T A L

Construcción de la estructura de una proteína
A fines del decenio de 1950 se dilucidó la estructura terciaria
de la mioglobina al demostrar la complejidad de la arquitectura de las proteínas. De inmediato se originó una pregunta
importante: ¿cómo puede una estructura tan compleja, plegada y retorcida, organizarse en la célula? En 1958, Francis Crick
sugirió que "el plegamiento simplemente es una función del
orden de los aminoácidos".1 En otras palabras, una vez que se
sintetiza un polipéptido a partir de una secuencia particular
de aminoácidos codificados en el DNA, el polipéptido se pliega espontáneamente en su organización tridimensional apropiada. Como se analiza en el siguiente capítulo, los acontecimientos tienden a progresar hacia estados de menor energía.
Según la hipótesis de Crick, la estructura terciaria particular
que adopta un polipéptido es la que posee la menor energía y
confiere a la estructura la mayor estabilidad. La primera prueba de esta hipótesis fue realizada por Christian Anfinsen y sus
colegas en los National Institutes of Health al usar la proteinrribonucleasa A.
La ribonucleasa A es una pequeña enzima que consta de
una sola cadena de polipéptidos de 124 aminoácidos con cuatro enlaces disutfuro que unen varias partes de la cadena (fig.
VE 2-1). Como era imposible aislar cadenas de ribonucleasa
antes que sufriera su plegamiento dentro de la célula, Anfinsen
tuvo que seguir el siguiente método. Purificó la enzima activa
a partir de células, a continuación trató la proteína con agentes
capaces de destruir las estructuras secundaria y terciaria del
polipéptido, y luego estudió la capacidad de la proteína para
restablecer su conformación activa (nativa). El desplegarniento
o desorganización de una proteína se denomina desnaturalización y se puede efectuar mediante varios agentes, incluyendo
detergentes, solventes orgánicos, radiaciones, calor y compuestos como la urea y el cloruro de guanidina, los cuales bloquean
diferentes interacciones que estabilizan la estructura terciaria
de una proteína. Para desnaturalizar la ribonucleasa Anfinsen
trató primero la molécula con/?-mercaptoetanol, agente reductor que rompe los puentes disulfuro y los convierte en grupos
sulfhidrilo (—SH) de cisterna; y con urea concentrada capaz de
romper enlaces no covalentes. Juntos estos agentes pueden
desorganizar por completo la proteína. Una vez eliminados
el mercaptoetanol y la urea, Anfinsen observó que las moléculas activas de la enzima se reconstruyeron (fig. VE 2-1}, moléculas estructural y funcionalmente indistinguibles de las presentes al principio del experimento.2 Anfinsen concluyó que la
secuencia de aminoácidos de un polipéptido contiene toda
la información requerida para ensamblar la conformación tridimensional de las proteínas, y por lo tanto el proceso de plegamiento ocurre por autoensamblado.
La conclusión de que el replegamiento de la ribonucleasa
ocurre por autoensamblado se apoya en la presunción de que
la urea provoca desorganización total de la protema, lo cual es
imposible de verificar. Si el polipéptido retiene un mínimo de

Desplegamiento
(urea + mercaptoeíanol)

KICUKA VE 2-1 .Una molécula nativa de ribonucleasa (con enlaces
disulfuro intramoleculares) es reducida y desplegada con /3-mercaptoetanol y urea M8. Luego de eliminar estos reactivos la proteína sufre
replegamiento espontáneo. (Tomado de C./. Epstein, R.F. Goldberger y
C.B. Anfinsen, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 23:439, 1963.)

orden en presencia de la urea, podría argüirse que eso facilita
el replegamiento de la molécula después de quitar el agente desnaturalizador. Posteriormente se confirmó la capacidad de la
ribonucleasa para autoensamblarse con la demostración de que
la ribonucleasa se puede sintetizar en el laboratorio, aminoácido por aminoácido, y que el producto sintetizado todavía tiene
capacidad para plegarse sobre sí mismo y producir una molécula de enzima activa.3
Cuando Anfinsen y otros investigadores intentaron ampliar sus observaciones a otras proteínas lograron resultados
mixtos.4 Algunos polipéptidos desnaturalizados se volvieron
a plegar a sus conformaciones nativas, otros no. Incluso las
proteínas que se autoensarnblaron, lo hicieron mucho más lentamente de lo que ocurre dentro de la célula. Además, el autoensamblado ocurrió mucho más extensamente cuando la proteína estaba presente en concentración mucho menor (0.01 a
0.1 mg/ml) y temperaturas más bajas que las observadas en
la célula. Anfinsen concluyó que la concentración y temperatura menores reducían la probabilidad de formación de agregados moleculares interactivos. Aunque el plegamiento de los
polipéptidos fue menos eficaz en el tubo de ensaye que en ¡a
célula, los resultados de estos estudios sugieren fuertemente


FIGURA VE 2-2. Etapas propuestas en el proceso de plegamíento
de una proteína. Los segmentos enrollados representan una hélice a
y las flechas representan fibras /f. (Según Jane S. Richardson, Adv. Prot.
Chem. 34:326, 1981.)

que la estructura terciaría de un polipéptido puede originarse
de manera espontánea a partir de su estructura primaria.
En los últimos 30 años se han publicado cientos de trabajos acerca de las vías de plegamiento de proteínas. En un polipéptido determinado de 100 aminoácidos hay más de 1 000
enlaces que pueden girar y los cálculos indican que si el plegamiento ocurre de manera totalmente al azar, podría requerirse
mayor tiempo que la edad del universo en la búsqueda de
todas las conformaciones posibles. Claramente, debe haber
alguna dirección ("abreviaturas" moleculares) para el proce-

71

so. Los estudios de Jane Richardson y sus colegas, en la Universidad de Duke, y de otros indican que el proceso de plegamiento ocurre en pasos ordenados (fig. VE 2-2) con formación
de intermediarios bien definidos.5 Una vez que se logra un
intermediario plegado aparecen guías que dirigen el proceso
hacia la siguiente etapa intermedia y por lo tanto eliminan la
necesidad de probar muchas conformaciones inestables. El proceso puede compararse a caminar por una playa rocosa o subir
una cuesta empinada. A cada paso la persona busca una roca
plana o un apoyo firme que lo guíe hacia el siguiente sitio.
Las primeras etapas del plegamiento generan, en condiciones típicas, gran parte de la estructura secundaria de la
proteína, las hélices a y las láminas/?, que forman una armazón estable para los pasos subsecuentes. Se piensa que durante
la evolución se seleccionaron secuencias de aminoácidos que
forman con mayor rapidez a estos intermediaros relativamente estables. El plegamiento subsecuente de la mayor parte de
las proteínas solubles se guía por interacciones hidrofóbicas
que obligan a los residuos no polares a juntarse en el núcleo
central de la proteína formando una molécula compacta
estabilizada por fuerzas de van der Waals. El último paso,
cuando se requiere, es la formación de puentes disulfuro.
Durante el decenio de 1980 se lograron nuevos conocimientos
en el proceso de plegamiento dependientes de los resultados
obtenidos a partir de una línea de investigación inesperada.
En 1962, el biólogo italiano F.M. Ritossa estudiaba el desarrollo de la mosca de la fruta Drosophüa y publicó un dato
curioso.6 Cuando la temperatura a la cual se desarrollaban las
larvas de la mosca de la fruta se elevaba de los 25°C normales
a 32°C, se activaban algunos sitios nuevos en los cromosomas
gigantes de las larvas. Como veremos en el capítulo 10, los
cromosomas gigantes de las larvas de estos insectos suministran una manera de visualizar la expresión del gen. Los resultados sugieren que el incremento de temperatura induce la
expresión de nuevos genes, dato que se confirmó 10 años más
tarde con la caracterización de varias proteínas nuevas presentes en la larva luego de elevar la termperatura.7 Pronto se
observó que esta respuesta, denominada respuesta al choque
de calor, no se limita a la mosca de la fruta, sino que también
puede iniciarse en muchas otras células diferentes de prácticamente cualquier tipo de organismo, desde bacterias hasta plantas y mamíferos.8 Un examen más detenido reveló que las
proteínas caracterizadas no sólo se encontraban en las células
sometidas al choque de calor, sino también en concentración
menor en células bajo condiciones normales. ¿Cuál es la función de estas proteínas por choque de calor?
La estructura de muchas proteínas es muy sensible a la
temperatura; una ligera elevación de temperatura puede iniciar el desdoblamiento de estas proteínas. Este desdoblamiento expone residuos hidrofóbicos previamente ocultos en el
núcleo de la proteína. Igual que las moléculas de grasa en un
plato de sopa se reúnen en gotas, lo mismo ocurre a proteínas
con placas hidrofóbicas en su superficie. Cuando se somete
una célula al choque de calor, las proteínas solubles tienden a
desnaturalizarse y formar agregados. En 1985 se publicó un
trabajo donde se demostraba que luego de la elevación de la
temperatura penetraba al núcleo de las células afectadas un
tipo de proteínas de choque de calor y se enlazaban a los agre-

72


gados de proteínas nucleares, donde actuaban como "pata de
cabra molecular" que favorece la disgregación.9 Estudios adicionales indican que las proteínas producidas por el choque de
calor funcionan durante e! proceso normal de plegamiento
enlazándose a las placas hidrofóbicajs expuestas sobre la superficie de intermediarios parcialmente plegados, evitando su
agregación. Debido al papel auxiliar de estas proteínas en el
proceso de plegamiento para evitar interacciones indeseables,
se les denominó chapetones moleculares.10
Se han descrito diferentes tipos de chaperones moleculares, y se ha demostrado que actúan en secuencias muy parecidas a un equipo de relevos. Un tipo de chaperón se une a
un polípéptido conforme se sintetiza sobre el ribosoma; luego el
polipéptido pasa a otro tipo de chaperón que lo protege durante la siguiente etapa de plegamiento. La molécula chaperón

FIGURA VE 2-3. Modelo de uno de los dos anillos del complejo
GroEL. Cada anillo se compone de siete subunidades. Las hélices a se
muestran en azul, la fibras/í en verde y los segmentos de conexión en
naranja. La proíeína forma un cilindro hueco, según se indica en la
siguiente figura. (Tomado de K. Braig y cois., Nature 371:589, 1994,
cortesía de Paul B. Siglcr. Copyright 1994, Macmillan Magazines Limited.)

mejor estudiada se denomina GroEL y se encuentra en el citoplasma de la bacteria E. coli; una-proteína homologa denominada hsp60 se observó en mitocondrias y cloroplastos. Las
células bacterianas que poseen un muíante GroEL no funcional carecen de varias actividades enzimáticas. Estas enzimas
se sintetizan en los ribosomas de la célula, pero son incapaces
de plegarse en la forma nativa, requisito para lograr un estado
activo.11
GroEL es un complejo molecular enorme de 14 subunidades idénticas de polipéptidos dispuestos en dos anillos
apilados que recuerdan una "dona doble". La determinación
de la estructura tridimensional GroEL reveló que en cada anillo se agrupan 7 subunidades que rodean una cavidad central
(fig. VE 2-3).12 Se cree que en el proceso de plegamiento las
proteínas de ¡as etapas intermedias quedan secuestradas dentro de la cavidad central para evitar un plegamiento erróneo o
que se unan a otras proteínas. Una vez dentro de la cavidad
GroEL, los polipéptidos parcialmente plegados pueden sufrir
ciclos alternados entre dos estados: enlazados a las paredes de
la cámara y libres dentro del espacio de la cámara (fig. VE 2-4).
Cada vez que el polipéptido se libera de las paredes de la
cámara presumiblemente avanza otro paso hacia su conformación final. Cuando concluyen los pasos de plegamiento, el polipéptido pierde su capacidad para enlazarse a la pared de la
cámara y abandona el complejo GroEL.
Puesto que los chaperones moleculares como GroEL sólo
suministran el ambiente para el plegamiento del polipéptido y
no poseen información indispensable para el proceso, todavía
el plegamiento de un polipéptido se considera "autoensamblado". Los chaperones moleculares no sólo ayudan al autoensamblado, sino que también participan en desplazar proteínas
a través de las membranas para colocarlas en su posición apropiada dentro de organelos específicos, como mitocondrias y
cloroplastos.13 Dado que los mismos chaperones pueden facilitar el plegamiento de una gran variedad de polipéptidos, se
presume que los intermediarios parcialmente plegados deben
compartir características comunes que les permiten enlazarse
a los mismos chaperones. Una vez que la proteína asume su
conformación final, estos sitios de enlace al parecer se ocultan
en el interior de la proteína y ésta pierde su capacidad de
interactuar de nuevo con un chaperón.

SINOPSIS
Los enlaces covalentes juntan átomos para formar moléculas. Los enlaces covalentes son estructuras estables formadas
cuando los átomos comparten los electrones de su capa externa, y cada participante gana una capa llena. Los enlaces covalentes pueden ser simples, dobles o triples según el número de
pares de electrones compartidos. Si los electrones en el enlace
son compartidos de manera desigual por los átomos que forman los electrones, el átomo con mayor atracción por electrones (el más electronegativo) posee carga parcial negativa, en
tanto que el otro átomo posee carga parcial positiva. Las moléculas sin enlaces polarizados tienen carácter no polar o hidrofóbico que las hace insolubles en agua. Las moléculas con enlaces polarizados tienen carácter polar o hidrofílico que las

hace hidrosolubles. Las moléculas polares de importancia biológica contienen uno o más átomos electronegativos, de ordinario O, N, S o P (p. 37).
Débiles fuerzas de atracción forman enlaces no covalentes
dentro de la misma molécula o entre dos moléculas cercanas
entre regiones con carga positiva y negativa. Los enlaces no
covalentes desempeñan un papel clave para conservar la estructura de las moléculas biológicas y mediar sus actividades
dinámicas. Los enlaces no covalentes incluyen enlaces iónicos,
enlaces de hidrógeno y fuerzas de van der Waals. Los enlaces
iónicos se forman entre grupos con carga positiva y negativa;
los enlaces de hidrógeno se establecen entre un átomo de hidró-


O

e

O

O

GroEL

Enlace
a GroEL

Liberación
Y plegamiento

Enlace
a GroEl

73

e
Liberación
y plegamiento

Plegamiento completo,
no se enlaza, liberado

FIGURA VE 2-4. Modelo esquematizado de las etapas del plegamiento de una proteína que pueden ocurrir dentro del complejo GroEL. Los
segmentos amarillos del polipéptido representan secuencias de residuos hidrofóbicos expuestos sobre el polipéptido parcialmente plegado.
Placas hidrofóbicas de este tipo pueden actuar como sitios de enlace para otros poüpéptidos parcialmente plegados, lo que conduce a la
formación de agregados. Esto se puede evitar mediante interacciones entre estos sitios y la pared interna de la cámara del GroEL. Durante su
estancia en la cavidad GroEL, el polipéptido parcialmente plegado puede alternar entre dos estados: enlazado a la pared de la cámara y libre.
Se piensa que estos cambios en las propiedades de enlace del GroEL son resultado de cambios de conformación provocados por hidrólisis de
ATP. El plegamiento producido por la internalización de las placas hidrofóbicas ocurre por pasos durante los periodos en que el polipéptido
se libera de la pared de la cámara. Se puede notar que otra proteína llamada GroES (no mostrada) a veces se enlaza a la parte de arriba o de
abajo de GroEL y excluye la cámara durante el proceso de plegado.

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geno unido mediante enlace covalente (con carga parcial positiva) y un átomo de nitrógeno o de oxígeno unido mediante
enlace covalente (con carga parcial negativa); las fuerzas de
van der Waals se ejercen entre dos átomos con carga transitoria debido a asimetría momentánea en la distribución de los
electrones que rodean a los átomos. Moléculas no polares o
porciones no polares de moléculas más grandes en medios
acuosos tienden a juntarse para establecer interacciones hidrofóbicas. Ejemplos de diferentes tipos de interacciones no
covalentes incluyen la asociación de DNA y proteínas mediante enlaces iónicos, el agrupamiento de cadenas pares de DNA
a través de enlaces de hidrógeno y la formación de un núcleo
hidrofóbico en proteínas solubles corno resultado de interacciones hidrofóbicas y fuerzas de van der Waals (;>. 33).

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El agua posee propiedades únicas de las cuales depende la
vida. Los enlaces covalentes para constituir una molécula de
agua están muy polarizados. Como resultado, el agua es un
excelente solvente capaz de formar enlaces de hidrógeno prácticamente con toda molécula polar. El agua también es un determinante principal de la estructura de las moléculas biológicas y de los tipos de interacciones en las cuales participan. El
pH de una solución es una medida de la concentración de
iones hidrógeno (o hidronio). La mayor parte de los procesos
biológicos son muy sensibles a pH porque los cambios en la
concentración de ion hidrógeno alteran el estado iónico de las
moléculas biológicas. Las células están protegidas de las variaciones de pH por amortiguadores, compuestos que reaccionan
con iones hidrógeno o hidroxilo (p. 37).

74


Los átomos de carbono desempeñan un papel clave en la
formación de moléculas biológicas. Cada átomo de carbono
tiene capacidad para enlazarse hasta con otros cuatro átomos,
incluyendo otros átomos de carbono. Esta propiedad le permite formar moléculas grandes cuyo esqueleto consiste en una
cadena de átomos de carbono. Las moléculas que sólo contienen hidrógeno y carbono se denominan hidrocarburos. La
mayor parte de las moléculas de importancia biológica contienen grupos funcionales que incluyen uno o más átomos
electronegativos que hacen a la molécula más polar, más hidrosoluble y más reactiva (p, 39).
Algunas moléculas biológicas son moléculas pequeñas; otras
son macromoléculas formadas a partir de elementos de construcción más pequeños. Las macromoléculas constituyen el
material de un organismo y efectúan las funciones requeridas.
Casi todas las macromoléculas son polímeros construidos por
unión de subunidades monómeras en cadenas largas. Las
macromolécuías se descomponen por hidrólisis (p. 41).
Las moléculas biológicas son miembros de cuatro familias
distintas: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
Los carbohidratos incluyen azúcares simples y moléculas más
grandes (polisacáridos) construidos con monómeros de azúcar. La función primaria de los carbohidratos es almacenar
energía química y servir como material de construcción durable para estructuras biológicas. Los azúcares biológicos simples constan de un esqueleto de tres a siete átomos de carbono,
cada carbono se une a un grupo hidroxilo, excepto uno que
posee un grupo carbonilo. Los azúcares con cinco o más átomos de carbono pueden formar moléculas en forma de anillo
mediante autorreacción. Los átomos de carbono situados a lo
largo del esqueleto del azúcar unidos a cuatro grupos diferentes son sitios de estereoisomerismo y generan pares de isómeros
que no pueden superponerse. El carbono asimétrico más alejado del carbonilo determina si el azúcar es D o L. Los azúcares
se unen entre sí mediante enlaces glucosídicos para formar
disacacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. En animales, el
azúcar se almacena principalmente como glucógeno, un polisacárido ramificado que constituye una fuente de energía rápidamente disponible. En las plantas, las reservas de glucosa se
almacenan como almidón, una mezcla de anulosa no ramificada
y amilopectina ramificada. La mayor parte de los azúcares,
tanto en el glucógeno como en el almidón, están juntos por
uniones a(l—>4). La celulosa es un polisacárido estructural elaborado por células vegetales que constituye el principal componente de la pared celular. En la celulosa, los monómeros de
la glucosa se juntan mediante uniones /?(l->4), que pueden
romperse por acción de la celulosa, enzima ausente en casi
todos los animales. La quitina es un polisacárido estructural
compuesto de monómeros de N-acetilglucosamina (p. 44).
Los lípidos corresponden a diversos arreglos de moléculas
hidrofóbicas que poseen estructura y funciones muy diferentes. Las grasas constan de una molécula de glicerol esterificado que forma tres ácidos grasos. Los ácidos grasos difieren
en la longitud de la cadena, número y posición de los dobles
enlaces (sitios de insaturación). Las grasas son muy ricas en
energía química; un gramo de grasa contienen más del doble

de la energía que un gramo de carbohidratos. Los esteroides
son un grupo de lípidos que contienen un esqueleto de hidrocarburos característico de cuatro anillos. Los esteroides incluyen el colesterol y también numerosas hormonas {p. ej., testosterona, estrógenos y progesterona) sintetizadas a partir de
colesterol. Los fosfolípidos son moléculas de lípidos que contienen fosfato, tanto en su extremo hidrofóbico como en el
hidrofílico y desempeñan un papel vital en la estructura y
función de las membranas celulares (v. 49).
Las proteínas son macromoléculas de función diversa que
contienen aminoácidos unidos por enlaces peptídicos para
formar cadenas de polipéptidos. Los diversos arreglos de
proteínas incluyen enzimas, materiales estructurales, receptores de membrana, factores reguladores de genes, hormonas,
agentes de transporte y anticuerpos. El orden en el cual se
pueden incorporar los 20 aminoácidos diferentes a una proteína está codificado en la secuencia de nucleótidos del DNA.
Los 20 aminoácidos comparten una organización estructural
común que consiste en un carbono a unido a un grupo amino,
un grupo carboxilo y un grupo R de estructura variable. En el
presente esquema, los grupos R se clasifican en cuatro categorías: con carga neta a pH fisiológico; polares sin carga pero
capaces de formar enlaces de hidrógeno; no polares que interactúan a través de fuerzas de van der Waals, y tres aminoácidos
(proiina, cisterna y glicina) con propiedades únicas (p. 50).
La estructura de una proteína se puede describir en cuatro
niveles de complejidad creciente. La estructura primaria es
descrita por la secuencia de aminoácidos de un polipéptido; la
estructura secundaria correspondiente al arreglo tridimensional (conformación) de las secciones de un esqueleto de polipéptidos; la estructura terciaria dada por la conformación de
todo el polipéptido, y la estructura cuaternaria que corresponde
al arreglo de las subunidades si la proteína consta de más
de una cadena de polipéptidos. La hélice a y la lámina plegada
fi son estables, y la máxima estabilidad se observa en estructuras secundarias unidas con enlaces de hidrógeno comunes
en muchas proteínas. La estructura terciaria de una proteína
es muy compleja y única para cada tipo individual de proteína. La mayor parte de las proteínas poseen una forma globular
en la cual eí polipéptido se pliega para formar una molécula
compacta con residuos específicos situados estratégicamente
para permitir a la proteína efectuar su función específica. El
análisis de un gran número de proteínas revela que muchas
contienen dominios que les confieren independencia estructural y funcional (p, 54).
Las actividades de las proteínas se acompañan de cambios
de conformación. Algunos movimientos se pueden clasificar
como vibraciones moleculares al azar, en tanto que otros son
cambios dirigidos en la posición relativa entre grupos particulares de la proteína (p. 62)
Los ácidos nucleicos son moléculas principalmente de información que constan de cadenas de nucleótidos monómeros.
Cada nucleótido en una cadena consta de un azúcar, fosfato y
base nitrogenada. Los nucleótidos están unidos por enlaces
entre los grupos hidroxilo 3' del azúcar de un nucleótido y el


grupo fosfato 5' del nucleótido adyacente. El RNA y el DNA
están ensamblados a partir de cuatro nucleótidos diferentes;
los nucleótidos se distinguen por sus bases, que pueden ser
una pirimidina (citosina o uracilo/timina) o una purina
fadenina o guanina). El DNA es una cadena doble de ácido
nucleico, y el RNA por lo general es una cadena única, aunque
a menudo la cadena única se pliega sobre sí misma para formar secciones de doble cadena. En los ácidos nucleicos, la
información está codificada en la secuencia específica de nucleótidos que componen una cadena (p, 66).

75

La información requerida para que una cadena de polipéptidos adopte su conformación nativa está codificada en la estructura primaria. Algunas proteínas adoptan su conformación final por sí mismas, otras requieren la ayuda de chaperones inespecíficos. Algunos complejos macromoleculares, como
VMT y las subunidades ribosómicas de las bacterias, también
son capaces de autoensamblado, corno se puede observar en
experimentos con partículas funcionalmente activas que pueden reconstituirse a partir de mezclas de componentes purificados (p. 68).

PREGUNTAS DE REPASO
1. Describir algunas de las propiedades que distinguen a los
enlaces covalentes de los no covalentes.
2. ¿Por qué las moléculas polares, como las del azúcar de
mesa, se disuelven con facilidad en el agua? ¿Por qué se
forman gotas de grasa sobre la superficie de una solución
acuosa? ¿Por qué el sudor enfría al cuerpo?
3. Si se añade ácido clorhídrico al agua, ¿cuál es el efecto
sobre la concentración de ion hidrógeno?; ¿sobre el pH?;
¿sobre la carga iónica de cualquier proteína en la solución?
4. ¿Qué propiedades del átomo de carbono son cruciales para
la vida?
5. ¿Qué macromoléculas son polímeros? ¿Cuál es la estructura
básica de cada tipo de monómero? ¿Cómo varían entre sí
los diferentes monómeros de cada tipo de rnacromolécula?
6. Describir la estructura de los nucleótidos y cómo se juntan
estos rnonómeros para formar una cadena de polinucleótidos. ¿Por qué sería sumamente simplista describir el RNA
como un ácido nucleico de una sola cadena?
7. ¿Cuál es la relación entre una base y su ácido conjugado?
8. Los átomos de oxígeno tienen ocho protones en su núcleo.
¿Cuántos electrones tienen? ¿Cuántos orbitales se encuentran en la capa más interna de electrones? ¿Cuántos electrones hay en la capa externa? ¿Cuántos electrones más
puede contener la capa externa antes de llenarse?

9. Nombrar tres polisacáridos compuestos de monárneros de
glucosa. ¿En qué difieren estas macromoléculas entre sí?
10. Describir las propiedades de tres tipos diferentes de moléculas de lípidos. ¿Cuáles son sus respectivos papeles biológicos?
11. ¿Cuál es la principal propiedad que distingue a los diferentes aminoácidos entre sí? ¿Qué papel desempeñan estas
diferencias en la estructura y función de las proteínas?
12. ¿Cuáles son las propiedades de la glicina, la prolina y la
cisteína que distinguen a estos aminoácidos de todos los
demás?
13. ¿Cuáles son las propiedades diferentes de una hélice a
respecto de una lámina /?? ¿Cómo afecta cada una de estas
estructuras secundarias a las propiedades de una proteína
corno a-queratina o seda?
14. Puesto que las proteínas actúan como mecanismos moleculares, explicar porqué los cambios de conformación son
tan importantes en la función de las proteínas.
15. ¿Qué tipo de pruebas sugieren que las subunidades ribosómicas bacterianas son capaces de autoensamblado pero las
subunidades eucariotas no lo son?

1. La anemia drepanocítica es resultado de la sustitución de
una valina por un ácido glutámico. ¿Cuál sería el efecto
esperado si la mutación fuera colocar una leucina en ese
sitio? ¿Un ácido aspártico?
2. Elabore una lista con los siguientes compuestos respecto
de la solubilidad esperada en agua: CHaC^Cr^CF^OH,
glucosa, CH3{CH2)5CH3.
3. ¿Cuántos isómeros estructurales se pueden formar a partir
de una molécula con la fórmula CsH^? ¿Con C^g?
4. El gliceraldehido es la única aldotetrosa de tres carbonos y
puede haber dos estereoisómeros. ¿Cuál es la estructura de
la dihidroxiacetona, la única cetotriosa? ¿Cuántos estereoisómeros la forman?
5. Se conocen bacterias que cambian el tipo de ácidos grasos
que producen conforme se modifica la temperatura de su
ambiente externo. ¿Qué tipo de cambio se esperaría en los
ácidos grasos cuando la temperatura desciende? ¿Por qué
este cambio sería adaptativo?

6. ¿Cuál de los siguientes compuestos, sies el caso, consta de
cadenas no ramificadas: polipéptidos, ácidos grasos, celulosa, glucógeno?
7. Identificar el carbono a en el esqueleto del polipéptido
—C—C—N—C—C—N—C—C—NH2.
8. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta? Incrementando el pH de una solución: 1) se suprime la disociación
de un ácido carboxílico; 2) aumenta la carga de un grupo
amino; 3) aumenta la disociación de un ácido carboxílico;
4) se suprime la carga de un grupo amino.
9. ¿Cuál de los cuatro tipos de aminoácidos posee grupos R
con el mayor potencial para formar enlaces de hidrógeno?
¿Cuál tiene el mayor potencial para formar enlaces iónicos?
¿Para formar interacciones hidrofóbicas?
10. Si las tres enzimas del complejo piruvato deshidrogenase
existieran como proteínas físicamente separadas en vez de
complejo, ¿qué efecto tendría eso sobre la velocidad de las
reacciones catalizadas por estas enzimas? ¿Por qué?

76


11. ¿Está usted de acuerdo en que la ribonucleasa ni la mioglobina tienen estructura cuaternaria? ¿Por qué sí o por

qué no?
12. ¿Cuántos tripéptidos diferentes son posibles? ¿Cuántos
carboxilos terminales están presentes en las cadenas de
polipéptidos de una moléula de hemoglobina?
13. Usted aisló un pentapéptido compuesto de cuatro residuos
de glicina y un residuo de lisina en el C terminal del péptido. Utilizando la información suministrada en el pie de la

figura 2-27, si el pK del grupo R de lisina es 10 y el pK
del grupo carboxilo terminal es 4, ¿cuál es la estructura del
péptido a pH 7? ¿A pH 12?
14. ¿Por qué sería de esperar que la histidina con pK 6.5 participe en muchas reacciones enzimáticas?
15. ¿Sería de esperar que una solución salina muy concentrada
fuera capaz de desnaturalizar ribonucleasa? En caso afirmativo, ¿por qué sí y en caso negativo por qué no?

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CAPITULO

3

Energía, enzimas
y metabolismo
3-1 Energía

Metabolismo

3-2 Enzimas

La vía experimental: Determinación del mecanismo de
acción de la lisozima

La perspectiva humana: El creciente problema de la
resistencia a los antibióticos

a relación entre estructura y función es evidente en todos los niveles de organización biológica, desde el molecular hasta el orgánico. En el capítulo precedente vimos
que las proteínas tienen una estructura tridimensaional intrincada que depende de los fragmentos particulares de la
molécula presentes precisamente en el sitio correcto. En
este capítulo consideraremos con más detalle un amplio
grupo de proteínas, las enzimas, y veremos cómo su compleja arquitectura les confiere la capacidad de acelerar
ampliamente la velocidad de las reacciones biológicas. Para
comprender de qué manera las enzimas pueden lograr esto
es necesario considerar el flujo de energía que ocurre durante una reacción química, lo que conduce al tema de la
termodinámica. Una breve revisión de los principios de
la termodinámica nos ayudará a explicar muchos de los
procesos celulares que analizaremos en éste y los siguientes capítulos, incluyendo el movimiento de iones a través
de las membranas, la formación de ATP y la síntesis de
rnacr o moléculas. Como veremos, el análisis termodíriámico de un sistema particular puede revelar si los acontecimientos pueden ocurrir o no de manera espontánea, y en
caso contrario suministra una medida de la energía que
la célula debe gastar para que tenga lugar el proceso. En la
última sección de este capítulo veremos cómo se vinculan
las reacciones individuales para formar vías metabólicas y
cómo se puede controlar el flujo de energía y de materia
prima a través de ciertas vías,

L

FIGURA ;-í-A. Modelo generado por computadora de. una versión modificada genéticamente de ¡a enzima superóxido dismutasa. La enzima se muestra en verde; los iones metálicos (cobre y zinc) del sitio activo se muestran
como esferas, la vía de llegada del sustrato (un radical superóxido) se muestra
en púrpura i/ el potencial electrostático que rodea al sitio activo se representa
mediante una rejilla. (Cortesía de Eüzabetli Gctzoff, J.Tainer y M. Pique, del
Scripps Researcli Institutc.)

3-1 Energía
Una célula viva hierve en actividad. Las rnacromoléculas
de todos los tipos son ensambladas a partir de materias
primas, se producen y excretan productos de desperdicio,
fluyen instrucciones genéticas desde el núcleo hacia el cito77

78

CAPITULO 3 • Energía, enzimas y metabolismo

plasma, las vesículas se mueven desde el complejo Golgi
hacia la membrana plasmática, los iones son bombeados a
través de las membranas celulares, y así sucesivamente.
Para mantener este elevado nivel de actividad, la célula
necesita energía. Por último, la energía empleada como
combustible para la vida se deriva de la energía luminosa
atrapada por las células vegetales y convertida en compuestos orgánicos ricos en energía. La mayor parte de los organismos obtiene su energía alimentándose de plantas o de
organismos que se alimentan de plantas.
Energía se define como la capacidad para hacer trabajo, o sea, capacidad para cambiar o mover alguna cosa. La
energía existe en dos estados alternativos: potencial y
cinética. La roca sostenida sobre el borde de un risco posee
energía potencial debido a que tiene la posibilidad de efectuar trabajo. Este potencial se debe a que se encuentra dentro de un campo de fuerzas, en este caso el campo gravitacional. Si se empuja la roca más allá de la orilla entonces la
fuerza puede actuar y hacerla caer. Durante la caída, la roca
tiene energía cinética y puede efectuar trabajo, por ejemplo, levantando otro objeto, como se muestra en la figura
3-1. De manera similar, una célula nerviosa en reposo tiene
energía potencial cuando mantiene una elevada concentración de iones sodio en el lado externo de su membrana
plasmática y una baja concentración de estos mismos iones
en su lado interno. Igual que el flujo de agua a través de una
presa, al abrirse conductos específicos en la membrana plasmática los iones sodio fluyen a través de la membrana hacia
el interior de la célula. El movimiento de iones sodio en
dirección al interior de la célula es una forma de energía
cinética que se puede emplear para realizar trabajo, como
ocurre cuando un impulso nervioso viaja a lo largo de la
membrana de una célula nerviosa.
En los dos casos descritos (la roca que cae y el movimiento de los iones sodio en dirección al interior de la célu-

La roca posee energía potencia!

CUADRO 3-1. Factores de potencia y capacidad
en las mediciones de energía
Tipo
de energía
Mecánica
Caída de una roca
Compresión
Estiramiento
Eléctrica
Movimiento de
iones
Osmótica
Movimiento de
agua hacia el
interior de una
célula
Energía no disponible
para efectuar trabajo

factor
de potencia

Altura
Presión
Tensión

Factor
de capacidad

Masa
Volumen
Longitud

Potencial eléctrico (voltaje)

Carga

Concentración
de solutos

Masa

Temperatura

Entropía

la), como siempre que se mide la energía durante el trabajo,
se deben considerar dos factores: un factor de potencia y un
factor de capacidad (cuadro 3-1). El factor de potencia es
proporcional a la intensidad del campo de fuerzas, en tanto
que el factor de capacidad suministra cierta medida de la
"magnitud" de la materia considerada. En el caso de la roca
que cae, el factor de potencia es la distancia que recorre y el
factor de capacidad es la masa de la roca. Para el movimiento de iones cargados, el factor de potencia es el voltaje y el
factor de capacidad es la carga de las partículas. El trabajo,
o energía liberada durante estos acontecimientos, es un
múltiplo de estos dos factores; conforme un factor crece,
también se incrementa la cantidad de energía.

Al caer, la roca tiene energía cinética

La roca ha realizado trabajo

FIGURA 3-1. Realización de trabajo, tn esta caprichosa composición fotográfica, la roca suspendida en lo alto de la muralla tiene energía
potencial. La energía disponible para efectuar trabajo es proporcional a la masa de la roca y a la distancia que puede caer. Una vez que abandona
el borde de la muralla, la roca posee energía cinética que se puede emplear para efectuar trabajo, en este caso elevando al pez.


Leyes de la termodinámica
y concepto de entropía
Termodinámica es el estudio de los cambios energéticos
que acompañan a los acontecimientos del universo. En las
siguientes páginas centraremos nuestra atención en un conjunto de conceptos que nos permitirán predecir la dirección
que seguirán los hechos y si un acontecimiento requiere o
no del ingreso de energía para que ocurra. Sin embargo, los
principios de la termodinámica no ayudan a determinar
con qué rapidez ocurrirá un proceso específico ni el mecanismo que la célula emplea para llevarlo a cabo.
Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica se refiere a la conservación de la energía. Afirma que la energía no se puede
crear ni destruir. Sin embargo, se puede convertir (transformar) de una forma a otra. La energía eléctrica se convierte
en energía mecánica cuando la aplicamos a un reloj, y la
energía química se convierte en energía térmica cuando sirve como combustible y se quema en un calentador de petróleo. Las células son capaces de transformar energía. La energía química presente en polisacáridos y grasas almacenados se emplea sobre todo para efectuar reacciones químicas
que requieren energía, pero también se convierte en energía
mecánica cuando los organelos se desplazan de un lugar
a otro dentro de la célula; a energía química cuando se libera calor durante la contracción muscular, o a energía eléctrica cuando fluyen iones a través de una membrana. La
transformación más importante de energía en el mundo
biológico es la conversión de energía solar en energía química: el proceso de la fotosíntesis, que suministra el combustible que de manera directa o indirecta constituye la
fuerza motriz para casi todas las formas de vida.1 Algunos
animales, incluyendo luciérnagas y peces luminosos, pueden convertir una parte de su energía química otra vez en
luz. Sin embargo, cualquiera que sea el proceso de transformación, la cantidad de energía total permanece constante
en el universo.
A fines del siglo XIX, la primera ley de la termodinámica se extendió a los organismos vivos a través de experimentos en los cuales se mantenía a sujetos en un ambiente
controlado y se llevaba el registro del consumo de energía.
Se observó que la energía consumida por estos individuos
en forma de nutrientes se equilibraba por la energía liberada en forma de productos de desperdicio y calor.
Para analizar las transformaciones de energía que afectan a la materia es necesario dividir el universo en dos
partes: el sistema bajo estudio y el resto del universo, al cual
nos referiremos como el entorno. Un sistema se puede definir de varias maneras. Puede ser cierto espacio en el universo o cierta cantidad de materia. Por ejemplo, el sistema
puede ser una célula viva. En la mayor parte de los siste-

1 Las únicas comunidades de organismos independientes de la fotosíntesis residen en los respiraderos de las fuentes termales en el fondo
del océano y dependen de la energía obtenida por quimiosíntesis
bacteriana.

79

mas termodinámicos es necesario estipular que no intercambia materia con su entorno; es un sistema cerrado. Por lo
contrario, el sistema puede intercambiar energía con su
entorno.
Los cambios de energía de un sistema que ocurren
durante un acontecimiento se manifiestan de dos maneras:
como cambio en el contenido de calor del sistema y en la
ejecución de trabajo. Aunque el sistema puede ganar o perder energía, la primera ley de la termodinámica indica que
la pérdida o ganancia debe ser equilibrada por una pérdida
o ganancia correspondiente en el entorno, de modo que la
cantidad total de energía en el universo permanezca constante. La energía del sistema se llama energía interna (E), y el
cambio de la energía interna durante una transformación es
AE. Una manera de describir la primera ley de la termodinámica es que AE = Q — W, donde Q es la energía calorífica
y Wes la energía de trabajo. Si durante el acontecimiento se
absorbe calor del entorno al interior del sistema, entonces Q
es positiva; si se pierde calor hacia el entorno, Q es negativa.
Si el sistema efectúa trabajo sobre el entorno (incrementando en volumen y comprimiendo el entorno), entonces W
es positiva; cuando se efectúa trabajo sobre el sistema, Wes
negativa.
La ecuación precedente indica que la cantidad de trabajo realizado y de calor intercambiado pueden variar durante una transformación particular (como la caída de la
roca de la figura 3-1), pero la diferencia entre estas dos cantidades cuantificables no varía. En el caso de la roca que
cae, el cambio de esa cantidad de masa a través de una
altura determinada da como resultado un cambio específico
de la energía interna del sistema; por ejemplo, no hace diferencia lo que ocurra a la roca durante el trayecto. Las diferencias de energía son independientes de la vía que sigue
el sistema conforme pasa desde el estado de energía inicial
hasta el estado de energía final (p. ej., desde el borde del
risco hasta abajo). Lo mismo es cierto para las transformaciones biológicas de la energía, como ocurre, por ejemplo,
cuando se convierte glucosa a CÜ2 y H2O. La misma cantidad de energía se libera cuando se quema la glucosa en una
llama como cuando se oxida paso a paso dentro de una célula. Esto es conveniente para los bioquímicos, ya que la
energía liberada durante la descomposición de la glucosa se
determina con mayor facilidad quemándola en una cámara
de laboratorio (calorímetro) que midiéndola dentro de la
célula.
Según el proceso, la energía interna del sistema al final
puede ser mayor, igual o menor que al principio, dependiendo de su relación con el entorno (fig. 3-2). En otras
palabras, AE puede ser positiva, cero o negativa. Consideremos que el sistema sea el contenido de un vaso de reacción (no diferente a una célula viva). Mientras no haya cambios de presión o de volumen del contenido, el sistema no
efectúa trabajo sobre su entorno, y viceversa. En este caso,
AE = AQ, y la energía al final de la transformación será
mayor que al principio si se absorbió calor (ganancia) y
menor si se liberó calor (pérdida). En condiciones de volumen y presión constantes, las reacciones que pierden calor
se denominan exotérmicas y las que ganan calor son endotérmicas. Hay muchas reacciones de ambos tipos. Puesto que
AE para un proceso particular puede ser positiva o negati-

80


(a)

(b)

FIGURA 3-2. Cambio en la energía interna del sistema. En este ejemplo, el sistema se define como la hoja particular de una planta, a) En
el día, pigmentos fotosintéticos de los cloroplastos de la hoja absorben la luz del sol y la emplean para convertir CO2 en carbohidratos, como
la molécula de glucosa que se muestra en el dibujo (la cual después se incorpora a sucrosa y almidón). Conforme la célula absorbe la luz, su
energía interna aumenta; la energía presente en el resto del universo tiene que disminuir, b) En la noche se invierte la relación energética entre
la célula y su entorno a medida que los carbohidratos producidos durante el día se oxidan para formar CC>2 en las mitocondrias y la energía
se emplea para poner en marcha las actividades nocturnas de la célula.

va, nos suministra información en cuanto a la probabilidad
de que ocurra cierto acontecimiento, Para determinar la
probabilidad de una transformación particular necesitamos
considerar algunos conceptos adicionales.
Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica expresa el concepto
de que los acontecimientos en el universo tienen una dirección; siempre proceden "cuesta abajo" desde un estado de
energía más alta a un estado de energía más baja. Así, en
una transformación energética cada vez hay menor energía
disponible para efectuar trabajo adicional. Las rocas que
caen desde el risco hasta el piso, una vez en el piso se reduce su capacidad para efectuar más trabajo; es muy poco
probable que puedan elevarse otra vez por sí mismas hasta
la cumbre del risco. De manera similar, las cargas opuestas
normalmente se mueven para unirse, no para separarse, y
el calor fluye desde los puntos más calientes a los cuerpos
más fríos, no a la inversa. Se dice que estos acontecimientos
son espontáneos, término que indica que la termodinámica
los favorece y pueden ocurrir sin el aporte de energía externa.
El concepto de la segunda ley de la termodinámica originalmente se formuló para máquinas operadas con calor y
lleva implícita la idea de que es termodinámicamente imposible construir una máquina de movimiento perpetuo.
En otras palabras, es imposible que una máquina rinda 100%
de eficacia, condición requerida si la máquina continúa funcionando sin ingreso de energía externa. Inevitablemente se
pierde algo de energía conforme la máquina efectúa su ac-

tividad. Una relación similar también es cierta para los organismos vivos. Por ejemplo, cuando una jirafa ramonea
las hojas de un árbol o un león atrapa a la jirafa, la mayor
parte de la energía química contenida en el alimento nunca
estará disponible para el anima! que lo comió. La energía
no disponible para efectuar trabajo adicional luego de un
acontecimiento tiene un factor de intensidad y un factor de
capacidad, igual que los otros términos energéticos (véase
cuadro 3-1). El factor de intensidad es la temperatura fen
grados) y el factor de capacidad es la entropía (S), que tiene
las dimensiones de energía por grado (o sea, calorías por
grado). El término para energía no disponible es TAS, donde AS es el cambio de entropía entre los estados inicial y
final.
La pérdida de energía disponible durante un proceso
es resultado de la tendencia del universo a incrementar el
azar o el desorden cada vez que se transfiere energía. La
entropía suministra una medida del desorden; se relaciona
con los movimientos al azar de las partículas de la materia,
los cuales, debido a que son al azar, no se pueden aprovechar para ejecutar un proceso dirigido de trabajo. Según la
segunda ley de la termodinámica, cada acontecimiento se
acompaña de un incremento en la entropía del universo.
Por ejemplo, cuando se deja caer un cubito de azúcar en
una taza de agua caliente hay un cambio espontáneo de las
moléculas, desde un estado ordenado en el cristal a una
condición de mucho mayor desorden cuando las moléculas
de azúcar se dispersan por toda la solución {fig. 3-3, a). A
medida que las moléculas del cubo de azúcar se disuelven


en la solución, su libertad de movimiento se incrementa
igual que la entropía del sistema. El cambio desde el estado
concentrado hasta el disperso es resultado de los movimientos al azar de las moléculas. Finalmente, la dispersión de las
moléculas de azúcar es igual en todo el volumen disponible
porque el estado de distribución uniforme es el estado más
probable.
La liberación de calor, como ocurre, por ejemplo, en la
oxidación de la glucosa dentro de una célula o por la fricción generada conforme la sangre fluye a través de un vaso,
es otro ejemplo de incremento de la entropía. La liberación
de energía térmica por organismos vivos sólo sirve para
incrementar la velocidad de los movimientos al azar de los
átomos y las moléculas; no se puede reorientar para efectuar trabajo adicional. La energía de los movimientos molecular y atómico aumenta con la temperatura y así también se incrementa la entropía. Sólo en el cero absoluto
(Q°K), cuando todo movimiento cesa, la entropía es igual a
cero.
Igual que con otros acontecimientos espontáneos, se
debe distinguir entre el sistema y su entorno. La segunda
ley de la termodinámica sólo indica que la entropía total del
universo debe incrementarse; el desorden dentro de una
parte del universo (sistema) puede disminuir a expensas de
su entorno. La entropía del azúcar disuelta puede disminuir; se puede recristaüzar evaporando el agua (fig. 3-3, b).
Sin embargo, la consecuencia de este proceso es un incremento en la entropía del entorno. El incremento de la libertad de movimiento de las moléculas de agua en fase gaseosa compensa con mucho la disminución de la libertad de las
moléculas en los cristales de azúcar.
La vida opera sobre un principio similar. Los organismos
vivos tienen capacidad para disminuir su propia entropía
incrementando la entropía de su ambiente. La entropía disminuye en un organismo cuando moléculas relativamente
simples, como los aminoácidos, se ordenan en moléculas
más complejas, como la proteína mioglobina de una célula
muscular. Sin embargo, al mismo tiempo, la entropía del
ambiente aumenta cuando moléculas complejas ordenadas
como el glucógeno almacenado en el hígado o en el tejido
muscular se convierten en calor y en compuestos más pequeños menos ordenados (como CC»2 y HjO} que se liberan
al ambiente. Esta característica del metabolismo es lo que
permite a los organismos vivos mantener un estado altamente ordenado e improbable,
Otra medida del estado energético de un organismo
vivo es la información contenida en sus macromoléculas.
La información es algo difícil de definir, pero fácil de reconocer. La información se puede medir en términos de la
disposición ordenada de las subunidades de una estructura. Por ejemplo, proteínas y ácidos nucleicos, en los cuales
la disposición lineal específica de las subunidades es muy
ordenada, es baja en entropía y alta en contenido de información. Conservar un estado con alto contenido de información
(baja entropía) requiere el ingreso de energía. Consideremos una sola molécula de DNA localizada en una célula
hepática. Esta célula tiene docenas de diferentes enzimas
cuya única función es determinar la aparición de daños
en el DNA y repararlos (sección 13-2). El daño a un nucleótido de una célula activa puede ser tan nocivo que sin este

81

(a)

FIGURA 3-3. Los acontecimientos se acompañan de un incremento en la entropía dei universo, a) Un cubo de azúcar contiene moléculas de sucrosa en disposición altamente ordenada, en la cual la
libertad de movimiento de las moléculas individuales está bastante
restringida. Conforme el cubo se disuelve, la libertad de movimiento
de las moléculas de sucrosa aumenta mucho y sus movimientos al
azar causan que al final sus moléculas se distribuyan uniformemente
en todo el espacio disponible. Una vez que esto ocurre, no hay tendencia adicional a la redistribución y la entropía del sistema está en un
máximo, b) Las moléculas de azúcar distribuidas al azar en toda la
solución pueden retornar a un estado de orden, pero sólo si la entropía
del entorno aumenta, como ocurre cuando las moléculas de agua ordenadas de la fase líquida se desordenan mediante evaporación.

gasto de energía el contenido de información del DNA rápidamente se deteriora.
Energía libre
En conjunto, las dos leyes de la termodinámica, primera y
segunda, indican que la energía del universo es constante
pero la entropía continúa aumentando hasta un máximo.
Los conceptos inherentes en las primeras dos leyes fueron
reunidos por el químico estadunidense }. Willard Gibbs, en
1878, en la expresión Afí = AG + TAS, donde AG es el
cambio en energía libre, o sea, el cambio de energía disponible durante un proceso para efectuar trabajo; AH es el
cambio en entalpia o contenido total de energía del sistema
(para nuestros propósitos equivalente a AE); T es la temperatura absoluta (°K = °C + 273); y AS es el cambio de
entropía del sistema. La ecuación afirma que el cambio total

82


de energía es igual a la suma de los cambios en energía útil
(AG) y la energía que no está disponible para hacer trabajo
adicional (TAS).
Despejando AT y volviendo a plantear la ecuación tenemos AG = AH - TAS; esta ecuación suministra una medida de la espontaneidad de un proceso particular. Nos
permite predecir 3a dirección en la cual procederá un proceso y la extensión de dicho proceso. Todas las transformaciones espontáneas de energía deben tener AG negativa; o sea,
el proceso debe proceder desde un estado de mayor energía
libre a un estado de menor energía libre. La magnitud de
AG indica la máxima cantidad de energía que se puede
liberar para emplear en otro proceso. Los procesos que pueden ocurrir espontáneamente, p. ej-, los favorecidos termodinámicamente, se decriben como exergónicos. Estos procesos tienen — AG. Por lo contrario, si AG para un proceso
dado es positiva, entonces no puede ocurrir de manera espontánea. Estos procesos son desfavorecidos en forma termodinámica y se describen como endergónicos. Como veremos, las reacciones normalmente endergónicas pueden
producirse acoplándolas a procesos que liberan energía.
Los signos AH y AS pueden ser positivos o negativos,
según la relación entre el sistema y su entorno. (AH será
positivo si el sistema gana calor y negativo si pierde calor;
AS será positivo si el sistema tiende a mayor desorden y
negativo cuando suele ser menos desordenado.) La interrelación entre AH y AS se ilustra en la transformación del
agua en hielo. La conversión del agua del estado líquido al
estado sólido se acompaña de disminución de la entropía
(AS es negativa, según se ilustra en la figura 3-4) y disminución en la entalpia (AH es negativa). Para que esta transformación ocurra (o sea para que AG sea negativa), AH debe
ser más negativa que TAS, condición que sólo ocurre bajo
0°C. Esta relación se puede observar en el cuadro 3-2, que
indica los valores para los diferentes términos sí un mol de

agua se convierte en hielo a 10°C, 0°C o -10°C. En todos los
casos, cualquiera que sea la temperatura, el nivel energético
del hielo es menor que el del agua líquida (AH es negativa).
Sin embargo, a temperaturas más elevadas, el término de la
ecuación correspondiente a la entropía (TAS) es más negativo que el término de la entalpia, y por lo tanto el cambio
de energía libre es positivo y el proceso no puede ocurrir
espontáneamente. A 0°C, el sistema se encuentra en equilibrio, en tanto que a — 10°C el proceso de solidificación es
muy favorecido; o sea, AG es negativa.
Cambios de energía libre en las reacciones químicas
Una vez analizado el concepto de energía libre en términos
generales, podemos aplicar la información a las reacciones
químicas que ocurren dentro de la célula. Todas las reacciones químicas dentro de la célula son reversibles y por lo
tanto consideraremos dos reacciones que ocurren en forma
simultánea, una hacia adelante y la otra en sentido inverso.
Según la ley de acción de las masas, la velocidad de una
reacción es proporcional a la concentración de los reactantes. Por ejemplo, consideremos esta reacción hipotética:
A + B==C + D
La velocidad de la reacción hacia adelante es directamente
proporcional al producto de las concentraciones molares de
A y B. Esto puede expresarse como velocidad de la reacción
hacia adelante igual a /¿i[A][B], donde ks una velocidad
constante para la reacción hacia adelante. La velocidad de
la reacción inversa es igual a ¿2[C][Dj. Sin embargo, todas
las reacciones proceden lentamente hacia un estado de equilibrio; o sea, un punto en el cual las velocidades de reacción
en uno y otro sentido son iguales. En el equilibrio, igual
número de moléculas A y B serán convertidas en moléculas
C y D por unidad de tiempo. Por lo tanto, en el equilibrio
*i[A][B]=* 2 [C][D]
ecuación que se puede replantear de la siguiente manera

En otras palabras, en el equilibrio hay una proporción predecible entre concentración de productos y concentración
de reactantes. Esta proporción, igual a ki/kz, se denomina
constante de equilibrio, K e q.
La constante de equilibrio permite predecir la dirección
favorecida (hacia adelante o inversa) de la reacción en un
conjunto de condiciones determinadas. Supongamos, por
ejemplo, que estudiamos la reacción de arriba y acabamos
de mezclar los cuatro componentes (A, B, C, D) de modo
que cada uno esté presente en concentración 0.5 M.
=

[API
FIGURA 3-4. Cuando el agua se congela su entropía disminuye
debido a que las moléculas de agua del hielo existen en estado más
ordenado, con menos libertad de movimiento que en el estado líquido. La disminución de entropía es particularmente notable en la formación de un cristal de nieve. (© Nuridsany and Perentwu/Photo
Researches.)

[0.5][0.51
[0.5] [0.5]

-i

La dirección de esta reacción depende de la constante de
equilibrio. Si la Keq es mayor que uno, la reacción procederá
a mayor velocidad en z dirección de formar los productos
C y D que en la dirección inversa. Por ejemplo, si Keq es 9.0,
entonces en el equilibrio la concentración de reactantes y


83

CUADRO 3-2. Termodinámica de la transformación hielo-agua
Temperatura
(°Q

AE
(cal/mol)

AH
(cal/mol)

AS
(cal/mol •"€)

TAS
(cal/mol)

AG
(cal/mol)

-10
0
+ 10

-1343
-1436
-1529

-1343
-1436
-1529

-4.9
-5.2
-5.6

-1292
-1436
-1583

-51
0
+5.4

FUENTE: I. M. Klotz, "Energy in Biochemical Reactions". Academic Press, 1967.

productos en esta mezcla particular de reacción será de 0.25
M y 0.75 M, respectivamente.
[C][D] = [0.75] [0.75]
[A][B] [0.25] [0.25]
Por otro lado, si Keq es menor que uno, la reacción inversa
procederá a mayor velocidad que la reacción hacia adelante, de modo que la concentración de A y B se elevará a
expensas de C y D. De esto se deduce que la dirección de
una reacción en cualquier momento depende de la concentración relativa de todas las moléculas en ese momento y
que puede predecirse por la Keq.
Retornemos al asunto de la energética. La proporción
entre reactantes y productos presentes en el equilibrio es
determinada por los niveles relativos de energía libre de las
sustancias en cada miembro de la ecuación. En tanto la
energía libre total de los reactantes sea mayor que la energía libre total de los productos, AG tendrá valor negativo y
la reacción procederá en la dirección de formar productos.
Cuanto mayor sea la AG, más alejada estará la reacción del
equilibrio. Conforme la reacción procede, la diferencia
del contenido de energía libre entre reactantes y productos
disminuye (AG se hace menos negativa), hasta que en el
equilibrio la diferencia es cero (AG = 0).
Puesto que AG para una reacción dada depende de la
mezcla de reacción presente en todo momento, no es un
término útil para comparar la energía de diferentes reacciones. Para obtener reacciones sobre bases comparables y efectuar varios tipos de cálculos, se adoptó una convención
considerando la diferencia de energía libre entre reactantes
y productos en un conjunto determinado de condiciones
estándar. Para reacciones bioquímicas, las condiciones se
establecen arbitrariamente usando una mezcla de reacción
a 25°C (298°K) y una atmósfera de presión con todos los
reactantes y productos a concentración 1.0 M, excepto el
agua, presente a 55.6 M y H + a 10~7 M (pH 7.0).2 La diferencia de energía libre estándar (AG°') describe la diferencia de
energía libre cuando un mol de cada reactante se convierte
en un mol de producto en esas condiciones. Recordemos
que en una célula no prevalecen condiciones estándar, y
por lo tanto hay que ser cauteloso al emplear valores para
diferencias de energía libre estándar en cálculos de energética celular.

La relación entre constante de equilibrio y diferencia de
energía libre estándar está dada por la ecuación
AG 0 ' = -RTlnK'eq
Si el logaritmo natural (In) se convierte a logio, la ecuación
se convierte en
AG 0 ' = -2.303 RTlogK'eq
donde R es la constante de los gases (1.987 ca!/mol*°K) y
T es la temperatura absoluta (298°K).3 Recordemos que el
log de 1.0 es cero. Por consiguiente, de la ecuación de arriba se deduce que las reacciones cuya constante de equilibrio es mayor que uno tendrán valores AG0' negativos, lo
que indica que pueden ocurrir espontáneamente en condiciones estándar. Las reacciones cuya constante de equilibrio es menor que uno tendrán valores AG 0 ' positivos y no
pueden ocurrir espontáneamente en condiciones estándar.
En otras palabras, en una reacción que se puede escribir:
A + B==C + D, si AG0' es negativo, la reacción ocurrirá
hacia la derecha cuando reactantes y productos estén presentes en concentración 1.0 M a pH 7. Cuanto más negativo sea el valor, la reacción ocurrirá en mayor extensión
hacia la derecha antes de alcanzar el equilibrio. En las mismas condiciones, si AG 0 ' es positiva, la reacción procederá
a la izquierda; o sea, se favorece la reacción inversa. La
relación entre AG or y K'eq se muestra en el cuadro 3-3.

3 El término a la derecha de esta ecuación equivale a la cantidad de
energía libre perdida conforme la reacción procede desde condiciones
estándar hasta el equilibrio.

CUADRO 3-.t. Relación entre AG 0 ' y K'eq a 25°C

K'eq
106
104
10=

101
10°

10-1
10-2

2 AG 0 ' indica condiciones estándar que incluyen pH 7, en tanto que
AG° indica condiciones estándar a 1 M H + (pH 0.0). La designación
K'eq también indica una mezcla de reacción a pH 7.

10-"
10~6

DG°'
(kcd/mol)
-8.2
-5.5
-2.7
-1.4
0.0
1.4
2.7
5.5
8.2

84


Cambios de energía libre en las reacciones
mctabólicas
Una de las reacciones químicas más importantes en la célula es la hidrólisis del ATP (fig. 3-5). En la reacción

la reacción dentro de la célula y qué tan cerca se encuentra
del equilibrio la reacción particular. Por ejemplo, la concentración celular típica de reactantes y productos en la hidrólisis de ATP puede ser [ATP] = 10 mM; [ADP] = 1 mM; [P¡]
= 10 mM. Sustituyendo estos valores en la ecuación,

ATP + H2O -> ADP + P¡

[ADP][Pi]
[ATP]
AG = -7.3 kcal/mol + (1.4 kcal/rnol) log

la diferencia de energía libre estándar entre productos y
reactantes es -7.3 kcai/mol. Con base en esta información,
es evidente que en condiciones estándar la hidrólisis de
ATP es una reacción muy favorecida (exergónica), o sea,
tiende a una proporción [ADP]/[ATP] mayor en el equilibrio. Hay varias razones por las cuales esta reacción es tan
favorecida; una es evidente en la figura 3-5. La repulsión
electrostática creada por las cuatro cargas negativas muy
próximas en el espacio situadas sobre ATP4" se liberan parcialmente por la formación de ADP3~.
Es importante tener muy clara la diferencia entre AG y
AG0'. AG 0 ' es un valor fijo que describe la dirección en la
cual procede una reacción cuando la mezcla reaccionante se
encuentra en condiciones estándar. Puesto que en la célula
no prevalecen condiciones estándar, los valores AG0' no
pueden emplearse para predecir la dirección de una reacción particular en un momento dado dentro de un compartimiento celular particular. Para esto, es necesario conocer
AG, determinada por la concentración de reactantes y productos para la reacción presente en ese momento.

AG = AG 0 ' + 2.303RTIog

[10-2]
AG = -7.3 kcal/mol + (1.4 kcal/mol} (-3)
AG = -11.5 kcal/mol
Por lo tanto, aunque AG 0 ' para la hidrólisis de ATP es -7.3
kcal/mol, en la célula la AG típica para esta reacción es de
casi —12 kcal/mol debido a que la célula mantiene una
elevada proporción [ATP]/ [ADP].
Las células efectúan muchas reacciones con valores AG0'
positivos porque son capaces de mantener condiciones que
favorecen el avance de las reacciones. Esto puede ocurrir de
dos maneras. La primera ilustra la importante diferencia
entre AG y AG0', y la segunda revela cómo pueden sustituirse reacciones con valor AG°' positivo por diferentes reacciones con valor AG 0 ' negativo empleando la energía
química almacenada en la célula.
Consideremos la reacción de la glucólisis (véase figura
3-23) en la cual el fosfato de dihidroxiacetona se convierte
en güceraldehido 3-fosfato. AG 0 ' para esta reacción es +1.8
kcal/mol, aunque la formación del producto esta reacción
ocurre en la célula. La reacción procede debido a que otras
reacciones celulares mantienen la relación entre reactante y
producto por arriba de la relación definida por la constante
de equilibrio. En tanto esta condición se mantiene, la AG 0 '
será negativa y la reacción continuará espontáneamente en
la dirección de formar gliceraidehido 3-fosfato. Esto revela

AG = AG 0 ' + 2.303RTlog

[AJ[B]
AG = AG 0 ' + 2.303 (1.987 cal/mol- 0 K) (298°K)
log

AG = AG 0 ' + (1.4 kcal/mol) log
donde [A], [B], [C] y [D] son las verdaderas concentraciones
en el momento dado. Los valores AG revelan la dirección de

H-C
0~
0~
I
I
"0-P-O-P-O

Adenina
AG" = -7. 3 kcal/mol
H,0 +

0-P-O-P-O-P-O

CH

CH

O

" = +7.3 kcal/mol

HJV.
OH

O

ty

OH

Rlbosa

0~

OH

Trifosfato de adenosma (ATP|

OH

Difosfato de adenosina [ADP]
+

T>-P-0~
I
O
Fosfato inorgánico (P,)

FIGURA 3-,». Hidrólisis del ATP. Como parte de muchos procesos Dirruírmeos se hidroliza el trifosfato de adenosina (ATP). En casi todas
las reacciones, como la que se muestra aquí, el ATP se hidroliza para formar ADP y fosfato inorgánico (P¡), pero en algunos casos (no mostrados]
se hidroliza para formar AMP, un compuesto con un solo grupo fosfato y pirofosfato (PPi). Ambas reacciones tienen prácticamente la misma
AG0' de -7.3 kcal/mol.

CAPITULO 3

una característica importante del metabolismo celular; a saber, las reacciones específicas no pueden considerarse de
manera independiente como si ocurrieran aisladas en un
tubo de ensaye. Cientos de reacciones ocurren de manera
simultánea dentro de una célula. Todas se relacionan entre
sí porque el producto de una reacción es el sustrato para la
siguiente reacción de la secuencia, y así sucesivamente a lo
largo de una vía metabólica y en las subsecuentes. Para
mantener la producción de gliceraldehido 3-fosfato a expensas del fosfato de dihidroxiacetona, la reacción debe
ocurrir de modo que la siguiente reacción de la secuencia
elimine el producto a una velocidad bastante rápida para
conservar una relación favorable entre las concentraciones
de estas dos moléculas.

85

de las células contienen concentraciones más altas de ATP
que de ADP. Este es un punto crucial; lo importante no es la
cantidad de ATP que una célula contiene, sino lo que interesa es su concentración relativa de ADP y de P¡. Si en el
equlibrio una célula contiene una mezcla de ATP, ADP y P¡,
no importaría cuánto ATP estuviera presente, sino la capacidad para ejecutar trabajo.
La hidrólisis del ATP se emplea para impulsar la mayor parte de los procesos endergónicos dentro de la célula,
incluyendo reacciones químicas como la que acabamos de
describir, separación de cargas a través de una membrana,
concentración de un soluto, movimiento de las fibrillas de
una célula muscular y generación de calor (fig. 3-6). En la

Acoplamiento de reacciones endergónicas
y exergónicas

Las reacciones con valor positivo alto AG 0 ', en condiciones
típicas se "inician" por ingreso de energía. Consideremos ¡a
formación del aminoácido glutamina a partir de ácido glutámico:
Acido glutámico + NHs ->
glutamina

AG or = +3.4 kcal/mol

Esta reacción aparentemente endergónica tiene lugar en la
célula porque la formación de glutamina a partir de ácido
glutámico ocurre en dos reacciones secuenciales, ambas favorecidas:
la. reacción:
2a. reacción:
Reacción total:

Acido glutámico + ATP —>
fosfato de glutamilo + ADP
Fosfato de glutamilo + NHs ->
glutamina + P¡
Acido glutámico + ATP + NH3 —>•
glutamina + ADP + P¡
AG°' = -3.9 kcal/mol

Se dice que la formación de glutamina está acoplada a la
hidrólisis de ATP. Puesto que AG para la hidrólisis de ATP
es más negativa en comparación con AG para la síntesis de
glutamina a partir de ácido glutámico, que es positiva, se
puede emplear la reacción de la hidrólisis de ATP "cuesta
abajo" para iniciar la síntesis "cuesta arriba" de glutamina.
Todo lo que se requiere para acoplar las dos reacciones
químicas es que el producto de la primera reacción se utilice como sustrato para la segunda. E' puente entre las dos
moléculas, fosfato de glutamilo en este caso, se denomina
intermediario común. Lo que en realidad ocurre es que la
hidrólisis exergónica del ATP se lleva a cabo en dos pasos.
En el primero, la glutamina actúa como aceptor del grupo
fosfato, en tanto que en el segundo el agua se convierte en
aceptor de fosfato y la hidrólisis se completa.
La hidrólisis del ATP puede usarse en las células para
iniciar reacciones que conducen a la formación de moléculas
como la glutamina, debido a que la concentración de ATP
se mantiene en cifras 108 veces aproximadamente más altas
(en relación con la concentración de ADP) de las que se
encontrarían en el equilibrio. Podría esperarse que la concentración de ADP en el equilibrio fuera mucho mayor que
la concentración de ATP, pero en realidad la mayor parte

ib)

Acido glutámico + NHa
Acido glutámico + ATP + NH3

Glutamina
Glutamina + ADP + P¡

(O

(d)

FIGURA 3-6. Algunas funciones de la hidrólisis del ATP. En la
célula, el ATP se puede usar para: a) separar cargas a través de una
membrana; b) concentrar un soluto particular dentro la célula; c) iniciar una reacción química desfavorecida; d) deslizar filamentos uno
sobre otro, como ocurre durante el acortamiento de una célula muscular; e) aumentar la temperatura de la célula como resultado de un
incremento de la velocidad de los movimientos moleculares.

86


mayor parte de las reacciones acopladas el grupo fosfato se
transfiere del ATP a un aceptor (como el ácido glutámico,
un azúcar, o a menudo una proteína) y después, en un
segundo paso, se elimina (como ejemplo, véase la fig. 4-42).

Estado estacionario

Equilibrio comparado con el metabolismo
en estado estacionario

En tanto las reacciones tiendan hacia el equilibrio, la energía libre disponible para hacer trabajo disminuye hasta un
mínimo y la entropía aumenta hasta un máximo. Por lo
tanto, cuanto más alejada se mantenga una reacción de su
estado de equilibrio, menor será la pérdida de su capacidad
para hacer trabajo causada por el incremento de entropía.
El metabolismo celular es prácticamente un metabolismo
en desequilibrio; o sea, se caracteriza por reacciones en desequilibrio de productos respecto de reactantes. Esto no significa ausencia de reacciones en equilibrio o cerca del mismo dentro de la célula. En realidad, muchas reacciones de
una vía metabólica pueden estar próximas al equilibrio (fig.
3-24). Sin embargo, cuando menos una y con frecuencia
varias reacciones de una vía se colocan lejos del equilibrio y
esto las hace prácticamente irreversibles. Son las reacciones
que conservan la vía al ir en una sola dirección.
Los principios básicos de la termodinámica se formularon utilizando sistemas cerrados, no vivos (sin intercambio de
materia entre el sistema y su entorno), bajo condiciones
de equilibrio reversible. Las características únicas del metabolismo celular requieren una perspectiva diferente. El
metabolismo celular se puede mantener por sí mismo en
condiciones irreversibles de desequilibrio debido a que, a
diferencia del medio en un tubo de ensaye, la célula es un
sistema abierto. Los materiales fluyen continuamente al interior de la célula procedentes de la corriente sanguínea o
de un medio de cultivo. Lo extenso del ingreso de materia
al interior de las células desde el exterior se manifiesta con
sólo contener la respiración durante un minuto o dos. Minuto a minuto dependemos de la fuente externa del oxígeno porque éste es un reactante muy importante en el metabolismo celular. Como consecuencia del flujo continuo de
oxígeno y de otros materiales hacia adentro y afuera de las
células y las relaciones entre las reacciones bioquímicas, se
dice que el metabolismo celular transcurre en estado estacionario (fig. 3-7). En estado estacionario la concentración
de reactantes y productos permanece prácticamente constante, aunque las reacciones individuales no necesariamente
se encuentren en equilibrio. Puesto que los productos de
una reacción se emplean como sustratos de la siguiente
reacción, la concentración de cada intermediario metabólico puede permanecer prácticamente constante en tanto
nuevos sustratos lleguen hacia adentro procedentes del exterior y se eliminen los productos terminales en el otro
extremo.

-2 Enzimas
Justo antes de iniciarse el presente siglo, comenzó un acalorado debate acerca de si el proceso de formación de etanol
requería o no la presencia de células intactas de levadura.
Por un lado se encontraba el químico orgánico Justus von

ADP ATP

(a)

Estado
estacionario

Equilibrio

AOP ATP

Equilibrio

FIGURA 3-7. Estado estacionario en comparación con equilibrio.
a) En tanto esta amiba pueda captar nutrientes procedentes del mundo exterior dispondrá de la energía necesaria para mantener la concentración de los compuestos en estado estacionario, que puede estar
bastante lejos del equilibrio. Las concentraciones de ATP y ADP en el
estado estacionario se indican por los puntos coloreados y el histograma. b) Cuando la amiba muere, las concentraciones de ATP y ADP (y
también otras sustancias bioquímicas) tienden hacia sus proporciones
de equilibrio.

Liebig, quien argumentaba que las reacciones de fermentación que producían alcohol no eran diferentes de las reacciones orgánicas estudiadas en un tubo de ensaye. Por otra
parte, el biólogo Louis Pasteur opinaba que el proceso de
fermentación sólo podía ocurrir en los confines de una célula viva intacta altamente organizada.
En 1897, dos años después de la muerte de Pasteur, el
bacteriólogo Hans Büchner y su hermano, el químico
Eduard, prepararon un "jugo de levaduras", extracto elaborado machacando células de levadura con granos de arena y luego filtrando la mezcla a través de papel filtro. Deseaban preservar el jugo de levaduras para uso posterior.
Luego de fallar en sus intentos de preservar el extracto con
antisépticos, intentaron proteger de la putrefacción la preparación añadiendo azúcar, el mismo procedimiento empleado para preservar jamones y compotas. En vez de preservar la solución, el jugo de levadura produjo gas a partir
del azúcar y siguió burbujeando durante varios días. Luego
de un nuevo análisis, Eduard descubrió que había ocurrido


una fermentación, produciendo etanol y burbujas de dióxido de carbono. Büchner había demostrado que la fermentación no requiere la presencia de células intactas. Sin
embargo, pronto se observó que ia fermentación era muy
diferente de los tipos de reacción efectuados por los químicos orgánicos. La fermentación requiere la presencia de un
conjunto único de catalizadores sin equivalentes en el mundo no vivo. A estos catalizadores se les denominó enzimas
(que significa en griego "en la levadura"). Las enzimas son
mediadoras del metabolismo encargadas prácticamente de
toda reacción que ocurra en una célula. Sin enzimas, las
reacciones metabólicas procederían tan lentamente que serían imperceptibles; en ausencia de enzimas, la vida sería
imposible.
La primera demostración de que las enzimas eran proteínas fue lograda por James Sumner en 1926, cuando cristalizó la enzima ureasa de frijoles saltarines y determinó su
composición. Aunque este dato no fue apreciado muy positivamente en aquella época, pronto se demostró que varias
enzimas eran proteínas, y en los siguientes decenios se aceptó
que todo catalizador biológico era una proteína. Sin embargo, recientemente se ha demostrado que ciertas reacciones
biológicas son catalizadas por moléculas de RNA. En aras
de ia claridad, todavía se reserva el término "enzima" generalmente para proteínas catalizadoras, en tanto que para los
catalizadores de RNA se emplea el término "ribozima".
Aunque las enzimas son proteínas, muchas son proteínas conjugadas; o sea, contienen elementos no proteínicos
denominados cofactores, que pueden ser inorgánicos (metales) u orgánicos (coenzimas). Los cofactores participan de
manera importante en la función de la enzima, y casi siempre cumplen tareas para las cuales los aminoácidos son inadecuados. Por ejemplo, como se analizó en el capítulo precedente, en la mioglobina el átomo de hierro del grupo hem
es eí sitio donde se une y almacena el oxígeno hasta que el
metabolismo celular lo requiera.
Propiedades de las enzimas
Como todo verdadero catalizador, las enzimas muestran
las siguientes propiedades: 1) presentes en pequeña cantidad; 2) no sufren alteraciones irreversibles en el curso de la
reacción, y por lo tanto cada molécula de enzima puede
participar en muchas reacciones individuales, y 3) no tienen efecto sobre la termodinámica de la reacción. Este último punto tiene particular importancia. Las enzimas no determinan si una reacción es termodinámicamente favorable
(exergónica) o desfavorable (endergónica) y tampoco determinan cuál es la relación en el equilibrio entre productos y
reactantes. Estas son propiedades inherentes de los reactantes químicos. Como catalizadores, las enzimas sólo pueden
acelerar la velocidad de una reacción química termodinámicamente favorecida.
No hay una relación necesaria entre la magnitud de AG
para una reacción particular y la velocidad de dicha reacción, La magnitud de AG sólo informa de la diferencia de
energía libre entre el estado inicial y el equilibrio. Es totalmente independiente de la vía o de! tiempo que toma la
reacción para alcanzar el equilibrio. Por ejemplo, considere-

87

mos la glucosa. La oxidación de este carbohidrato es un
proceso termodinámicamente muy favorecido, según se
puede determinar por la cantidad de energía liberada durante su combustión. Sin embargo, se pueden exponer al
ambiente cristales de glucosa indefinidamente sin que ocurra una conversión notable en materiales menos energéticos. En otras palabras, la glucosa es cinéticamente estable,
aunque sea inestable de manera termodinámica. Incluso si
el azúcar estuviera disuelta, en tanto la solución se mantenga estéril no se deteriora con rapidez. Sin embargo, si se
añaden unas pocas bacterias, en poco tiempo el azúcar sería
captado por las células y sometido a degradación enzimatica.
Las enzimas son catalizadores notablemente eficaces.
Los catalizadores empleados por los químicos en el laboratorio, como calor, ácido, platino y magnesio metálicos, por
lo general aceleran la reacción cien a mil veces en relación
con la velocidad no catalizada. Por lo contrario, las enzimas
incrementan típicamente la velocidad de una reacción un
millón a un trillón de veces (1012). Todavía más notable es
que esto se logra a temperaturas y pH sumamente bajos
presentes en la célula. Además, a diferencia de los catalizadores inorgánicos empleados por los químicos, la mayor
parte de las enzimas son muy específicas en relación con los
reactantes a los que pueden unirse y la reacción que catalizan.
Los reactantes que se unen a una enzima se denominan
sustratos. Por ejemplo, si la enzima hexocinasa está presente en una solución junto con cientos de compuestos de
bajo peso molecular además del sustrato, la glucosa y sólo
moléculas de glucosa se combinarán con la enzima y sufrirán la reacción (véase fig. 3-14). Para todo propósito práctico, las otras sustancias bien podrían estar ausentes. Este
tipo de especificidad, sea entre enzima y sustrato o con
otros tipos de proteínas y sustancias a las cuales se unen, es
crucia! para mantener el orden requerido para sustentar ¡a
vida.
Además de su elevado nivel de actividad y especificidad, las enzimas actúan como "directores del tráfico metabólico" en el sentido de que las reacciones catalizadas por
enzimas son rnuy ordenadas: los únicos productos formados son los apropiados. Esto es muy importante, ya que la
producción de compuestos no deseados rápidamente acabaría con la vida de una frágil célula. Por último, a diferencia de otros catalizadores, la actividad de las enzimas puede regularse para satisfacer necesidades particulares de la
célula en un momento determinado.
Venciendo la barrera de la energía
de activación
¿Cómo pueden las enzimas efectuar una catálisis tan eficaz? La primera cuestión que debe considerarse es porqué
las reacciones favorables en forma termodinámica no proceden por sí mismas a velocidades relativamente rápidas
en ausencia de enzimas. Incluso el ATP, cuya hidrólisis es
tan favorecida, de hecho es estable dentro de la célula en
tanto su descomposición ocurra en una reacción enzimática
controlada. Si éste no fuera el caso, el ATP sería de poca
utilidad para la célula.

CAPITULO 3 * Energía, enzimas j metabolismo

Las transformaciones químicas requieren romper ciertos enlaces covalentes dentro de los reactantes. Para esto los
reactantes deben contener suficiente energía cinética (energía de movimiento) que supere la barrera llamada energía
de activación. Esto se expresa en el diagrama de la figura
3-8, donde la energía de activación está representada por la
altura de la barrera. Con frecuencia la analogía es la de un
objeto situado en lo alto de una roca listo para caer hacia
abajo. SÍ depende de sus propios medios, es muy probable
que el objeto permanezca allí de manera indefinida. Sin
embargo, si ocurre algo que suministre al objeto energía
suficiente para superar la fricción o cualquier otro pequeño
obstáculo en su camino y que le ayude a alcanzar el borde
de la roca, espontáneamente caerá hacia abajo; una vez activado, el objeto tiene la posibilidad de caer hasta un estado
de menor energía.
En una solución a temperatura ambiente las moléculas existen en estado de movimiento al azar, y cada una
posee cierta cantidad de energía en un instante dado. Entre
la población de moléculas, su energía se distribuye siguiendo una curva en forma de campana (fig. 3-9), algunas poseen energía muy baja y otras muy alta. Las moléculas de
alta energía ("moléculas activadas") permanecen como tales sólo durante breves periodos y pierden su exceso de energía al chocar con otras moléculas. Consideremos una reacción en la cual una molécula reactante se desdobla en dos
moléculas de producto como en la figura 3-8. Si determinada molécula reactante adquiere suficiente energía para
rebasar la barrera de activación, entonces es posible que
se desdoble en dos moléculas de producto. La velocidad de
reacción depende del número de moléculas reactantes con
la energía cinética necesaria en cualquier momento dado.
Una forma de incrementar la velocidad de reacción es aumentar la energía de los reactantes. Esto se logra con mayor

rapidez en el laboratorio calentando la mezcla de reacción.
Por lo contrario, si se aplica calor a una reacción mediada
por enzimas rápidamente se inactiva la enzima debido a su
desnaturalización.
Cuando los reactantes se encuentran en la cresta de la
onda de energía y listos para convertirse en productos, se
dice que están en estado de transición. En este punto, los
reactantes han formado un "complejo activado" transitorio
en el cual se están formando y rompiendo enlaces. A diferencia de la energía libre estándar para una reacción, la
energía de activación no tiene valor fijo, sino más bien varía
con el mecanismo particular de reacción utilizado para alcanzar el estado de transición. Algunas vías requieren menos energía que otras; las enzimáticas son las que menos la
requieren. Por consiguiente, a diferencia de la catálisis por
calor, las enzimas aumentan grandemente la reactividad
del sustrato sin elevar demasidado los niveles de energía.
En otras palabras, las enzimas catalizan reacciones disminuyendo la magnitud de la barrera de energía de activación. En la figura 3-9 se compara el porcentaje de moléculas
capaces de reaccionar en una reacción catalizada por enzimas y en una reacción no catalizada.
Sitio activo y especificidad molecular
Como catalizadoras, las enzimas aceleran el proceso de formación y rompimiento de enlaces. Para cumplir esta tarea
las enzimas deben participar estrechamente en las actividades que tienen lugar entre los reactantes. Las enzimas forman un complejo con los reactantes, llamado complejo
enzima-sustrato (ES) (fig. 3-10, a). En muchos casos, la asociación entre enzima y sustrato es de naturaleza no covalente, aunque se conocen muchos ejemplos en los cuales se
forma un enlace covalente transitorio.

La enzima
baja la
energía de
activación
por esta
cantidad

Reactante

Productos

FK;l KA :{-í¡. Energía de activación y reacciones enzimáticas. Aunque una reacción
puede ser termodinámica mente favorecida,
los reactantes deben poseer suficiente energía
para alcanzar un estado de activación en el
cual pueda ocurrir el reordenamiento atómico
necesario para la reacción. La cantidad de
energía requerida se denomina energía de activación (E/n) y está representada por la altura
de la barrera. La energía de activación se reduce mucho cuando los reactantes se combinan con una enzima catalizadora.

Energía mínima en las
moléculas requerida
para una reacción
cafa/izada

25'C

Energía mínima en las
moléculas requerida para
una reacción no catalizada

Moléculas capaces de
reaccionar en presencia
de un catalizador
reaccionar a temperatura
elevada
reaccionar a temperatura
baja, sin catalizador

Energía —-»•

FIGURA 3-9. Efecto del descenso de energía de activación sobre
la velocidad de una reacción. Las curvas en forma de campana indican el contenido de energía de una población de moléculas presente
en una mezcla de reacción. El número de moléculas reactantes que
contienen energía suficiente para sufrir la reacción aumenta calentando la mezcla o añadiendo una enzima catalizadora. El calor aumenta
la velocidad de reacción incrementando el contenido de energía de las
moléculas, en tanto que la enzima hace lo mismo descendiendo la
energía de activación requerida para que ocurra la reacción.

La parte de la molécula de la enzima directamente
implicada en el enlace al sustrato se denomina sitio activo.
El sitio activo y el sustrato(s) tienen formas complementarias que les permiten unirse con alto grado de precisión,
como las piezas de un rompecabezas. Además de enlazarse
al sustrato, el sitio activo contiene un arreglo particular de
aminoácidos cuya presencia desciende la energía de activación requerida por el sustrato para sufrir la reacción (fig. 310, b).
Típicamente, el sitio activo se localiza en una hendidura o grieta que va del entorno acuoso a la profundidad de la
proteína. Los aminoácidos que constituyen el sitio activo de
ordinario se ubican en sitios distantes a lo largo de la cadena del polipéptido extendido, pero se reúnen en estrecha
proximidad cuando el polipéptido se pliega para adoptar
su estructura terciaria final. La estructura del sitio activo no
sólo explica la actividad catalizadora de la enzima, sino
también su especificidad (fig. 3-11). Como se hizo notar antes, la mayor parte de las enzimas tienen capacidad para
unirse sólo a uno o a un pequeño número de moléculas
estrechamente relacionadas desde el punto de vista biológico.
Mecanismos de catálisis enzimática
¿Cómo puede una enzima hacer que una reacción ocurra
miles de veces por segundo cuando esa misma reacción
sólo puede ocurrir a velocidad indetectable en ausencia de

89

la enzima? En un sentido, la participación de una macromolécula grande en las interacciones entre sustancias de
bajo peso molecular desplaza a estas sustancias fuera de la
solución y las mantiene sobre la superficie de las grandes
moléculas catalizadoras. Una vez allí, el sustrato puede ser
afectado de varias maneras, como se describe a continuacíon.
Orientación del sustrato
Supongamos que se coloca cierta cantidad de tuercas y tornillos en una bolsa y sacudimos la bolsa durante 15 minutos. Es muy poco probable que alguna de las tuercas se
enrosque firmemente en un tornillo al concluir el plazo. Por
lo contrario, si se toma un tornillo con una mano y una
tuerca con la otra rápidamente se puede guiar el tornillo
dentro de la tuerca. Lo mismo es cierto para enzimas y
sustratos. Una vez que la enzima forma un complejo con el
sustrato, las moléculas de sustrato pueden aproximarse
mucho justo con la orientación apropiada para facilitar la
reacción (fig. 3-12, a). A la inversa, lus reactantes en solución
son libres de sufrir movimientos de traslación y rotación e
incluso moléculas con suficiente energía no necesariamente
sufren una colisión que dé como resultado la formación de
complejos en estado de transición.
Modificación de la reactividad del sustrato

Las enzimas se componen de aminoácidos provistos de una
gran variedad de diferentes tipos de grupos R, desde aquellos con carga neta intensa hasta moléculas totalmente no
polares. Una molécula de sustrato enlazada a la superficie
de una enzima, inevitablemente sufrirá influencia de loa
grupos R vecinos de la enzima (fig. 3-12, &). El efecto es
activar al sustrato y estabilizar el complejo de transición. La
activación del sustrato se logra sin ingreso de energía externa, por ejemplo calor. Varios mecanismos generales pueden incrementar la reactividad del sustrato luego que se
asocia a una enzima. Estos mecanismos básicamente son
similares a los caracterizados por los químicos cuando estudian el mecanismo de una reacción orgánica en un tubo de
ensaye.
Por ejemplo, los cambios de pH pueden afectar intensamente la velocidad de reacción. Las enzimas poseen numerosos aminoácidos con cadenas laterales acidas o básicas
(grupos R) capaces de donar o aceptar protones del sustrato
y por lo tanto de alterar la carga del sustrato, haciéndolo
más reactivo. Puesto que el núcleo de las enzimas más solubles (situadas fuera de la membrana) consta principalmente
de residuos no polares (pág. 53), las cadenas laterales de
aminoácidos, acidas o básicas, se proyectan dentro de regiones hidrofóbicas y pueden efectuar interacciones iónicas
particularmente fuertes con los grupos polares del sustrato.
Los sitios activos de muchas enzimas contienen grupos
R con carga parcial positiva o negativa. Estos grupos tienen
capacidad de atacar químicamente a un sustrato y como
resultado se puede formar un enlace covalente transitorio
entre enzima y sustrato. La quimotripsina, una enzima que
digiere las proteínas de los alimentos dentro del intestino
delgado, actúa de esta manera. La serie de reacciones que
ocurren conforme la quimotripsina hidroliza un enlace
peptídico en una proteína sustrato se muestran en la figura

90


FIGURA 3-10. Sitio activo de una enzima, a) Modelo generado en una computadora de una
molécula de RNA enlazada al sitio activo localizado en una grieta de la enzima ribonuclcasa. b)
Representación diagramática del sitio activo de la enzima lácrate deshidrogenasa mostrando los
diferentes sitios de interacción entre el sustrato enlazado (mostrado en color marrón) y ciertas
cadenas laterales de aminoácidos de la enzima. Además de definir las propiedades del enlace al
sustrato sobre el sitio activo, estas interacciones no covalentes alteran las propiedades del sustrato
para acelerar la conversión a productos. (El sustrato aquí mostrado es una molécula sintética,
llamada S-lac-NAD+, parecida al verdadero sustrato que es ácido láctico y NAD + . El análogo
se empleó en estudios de difracción de rayos X de la enzima debido a que permanece enlazado
a dicha enzima.) (a: Cortesía de S. Koszelek; b: según J.J. Holbrook y cois., en P.D. Boyer, ed., The
Enzymes, 3a. ed., Vol. 11, p. 240, Academic Press, 1975.)

Tyr85

Asp53

Lis 58
Piruvato

H«—-N

His195

Lactato
deshidrogenasa
Arg171

(b)

Sustratos

FIGURA 3-11. Esquema de una reacción catalizada por
enzimas en la cual dos moléculas diferentes del reactante se
unen para formar una sola molécula de producto. El sitio
activo muestra una forma complementaria con las dos moléculas reactantes.

La enzima es reciclada

Enzima

91

Complejo
enzima-sustrato

Sitio activo

Modificación
del sustrato
Producto C

3-13. Los tres aminoácidos dentro del sitio activo de la enzima: serina, histidina y ácido aspártico, desempeñan un papel prominente. En la figura 3-13 se muestra la reacción en
dos pasos. En el primer paso, el átomo de oxígeno electronegativo de la cadena lateral de una serina de la enzima
ataca al átomo de carbono del sustrato. En consecuencia, el
enlace peptídico del sustrato se hidroliza y se forma una
unión covalente entre la serina y el sustrato desplazando el
resto del sustrato como uno de los productos. En el segundo
paso, una molécula de agua rompe el enlace covalente entre
enzima y sustrato, y la enzima retorna a su estado original
no enlazada y libera el resto del sustrato como un segundo
producto.
Induciendo tensión en el sustrato

Aunque el sitio activo de una enzima puede ser complementario con su sustrato(s), algunos estudios revelan un
cambio en la posición relativa de algunos de los átomos
de la enzima luego de la unión. Presumiblemente, una vez
que la enzima se une al sustrato apropiado ocurre un cambio
de conformación para mejorar la adaptación complementaria
entre enzima y sustrato (adaptación inducida) y los grupos
reactivos apropiados de la enzima se desplazan hacia el
lugar donde puede ocurrir la reacción. En la figura 3-14 se
da un ejemplo de cambio de conformación luego del enlace
del sustrato. Una vez "agarrados" por la enzima, ciertos
enlaces dentro de la molécula del sustrato sufren tensión
física o electrónica, lo que debilita los enlaces y desciende la
energía necesaria para romperlos (fig. 3-12, c). Un ejemplo
de este mecanismo se analiza en detalle en La vía experimental acerca de la enzima catalizadora lisozima, al final de
este capítulo.
La capacidad de las enzimas para cambiar de forma y
ejercer fuerzas sobre los sustratos ilustra una importante
característica de estas moléculas: no son rígidas e inflexibles, más bien muestran una capacidad considerable de
movimiento interno. Durante años se han descrito cambios
de conformación en las enzimas mediante técnicas de di-

fracción de rayos X en las cuales la estructura de la enzima
en estado no enlazado se compara con la estructura de la
enzima cuando se une al sustrato dentro del sitio activo.
Estas técnicas han producido ios modelos mostrados en la
figura 3-14. En años recientes se ha dispuesto de nuevas
técnicas que permiten a los investigadores seguir verdaderamente los movimientos de las moléculas de una enzima
conforme cataliza una reacción. Con una de estas técnicas
se puede determinar el contorno de la superficie atómica de
una sola molécula de enzima a medida que cataliza su reacción tomando "instantáneas" de la molécula cada 50 microsegundos mediante un microscopio de fuerza atómica
(MFA). Con otra técnica, los cristales de la enzima (que
todavía retiene actividad catalítica) se enfrían a temperaturas próximas a 40° del cero absoluto y luego se bombardean
con un haz sumamente intenso de rayos X. El enfriamiento
de los cristales hasta esta temperatura hace más lenta la
reacción por un factor mayor de 10 000 millones, lo que
alarga el proceso de unión y liberación del sustrato a segundos en vez de nanosegundos o microsegundos, como ocurre de ordinario. Empleando este nuevo tipo de cristalografía, los investigadores esperan obtener imágenes de la
molécula de la enzima en diferentes etapas de la reacción
catalítica. Las primeras películas de rayos X producidas por
esta técnica revelaron los cambios que ocurren conforme la
proteína mioglobina que capta oxígeno se enlaza y libera
una molécula de monóxido de carbono (véase fig. 2-39, b).
Cinética enzimática
Ya vimos que la velocidad de una reacción química no es
determinada por ia energía libre de reactantes y productos
(la AG de la reacción) sino por la capacidad de una enzima
particular para descender la barrera de la energía de activación. Diferentes tipos de reacción suministran distintos tipos de barreras y como consecuencia las enzimas varían
mucho en su capacidad para catalizar reacciones. La activi-

92

CAPITULO 3 * Energía, enzimas y metabolismo

Sustrato
alineado

(ni

FIGURA 3-12. Tres mecanismos enzimáticos para acelerar reacciones: a) mantener al sustrato en una orientación precisa; b) modificar la reactividad del sustrato alterando su estructura iónica; c) someter a los enlaces del sustrato a tensión física para desdoblarlos.

dad catalítica de una enzima puede conocerse estudiando
su cinética, o sea, la velocidad de reacción en diferentes
condiciones experimentales.
En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten publicaron
la relación matemática entre concentración de sustrato y
velocidad de reacción enzimática medida por la cantidad
de producto formado (o de sustrato consumido) en determinado tiempo. Esta relación se puede expresar mediante la
ecuación que genera una hipérbola, como se muestra en
la figura 3-15. En vez de considerar aspectos teóricos de la
cinética enzimática podemos obtener la misma curva de
manera práctica, como se hace con cada enzima estudiada.
Para determinar la velocidad de una reacción se incuba a la
temperatura deseada una mezcla que contenga todos los
ingredientes requeridos, excepto uno, el cual inicie la reacción cuando se añada. Si al inicio de la reacción no se

encuentran productos en la mezcla, entonces la velocidad
de aparición del producto suministra una medida de la
velocidad de reacción. Hay factores que pueden complicar
este procedimiento. Si el tiempo de incubación es muy prolongado, la concentración del sustrato se reduce en forma
cuantitativa. Además, conforme aparecen los productos
pueden volver a convertirse en sustrato mediante la reacción inversa, también catalizada por la enzima. En condiciones ideales, lo que se desea determinar es la velocidad
inicial, o sea, la velocidad en el instante en que aún no se
forma producto. Para obtener valores precisos de la velocidad inicial de la reacción se emplean periodos breves de
incubación y técnicas sensibles de medición.
Para generar una curva como la que se muestra en
la figura 3-15 se determina la velocidad inicial para una
serie de mezclas incubadas que contienen la misma cantidad de enzima pero una concentración creciente de sustrato. De esta curva se puede concluir que la velocidad inicial
de reacción varía notablemente con la concentración de sustrato. La base de este efecto reside en la capacidad de cada
molécula de la enzima. Cada reacción catalizada requiere
cierto tiempo que limita el número de reacciones que pueden catalizarse en determinado momento. Con concentraciones bajas de sustrato la enzima es capaz de trabajar a una
velocidad más rápida que el número de colisiones eficaces
a las cuales está sujeta. En otras palabras, la enzima "dispone de tiempo"; las moléculas del sustrato son ¡as limitantes
de la velocidad. Con concentraciones más altas de sustrato
la enzima trabaja a su máxima capacidad, y está sujeta a
más colisiones con moléculas de sustrato que puede convertir a producto. En concentraciones elevadas de sustrato
la enzima se convierte en limitante de la velocidad. Por lo
tanto, conforme crece la concentración de sustrato en la
mezcla de reacción, la enzima se aproxima a un estado de
saturación. En este punto teórico de saturación la velocidad
se denomina velocidad máxima (Vmáx)Si se conocen el peso molecular y la concentración de la
enzima en la mezcla de reacción, entonces se puede calcular
el número de recambios para la enzima a partir de VVnáx- Este
número de recambios es el número máximo de moléculas
de sustrato que una molécula de enzima puede convertir en
producto cada minuto. El número de recambio típico de las
enzimas es 1 000, aunque se conocen valores tan grandes
como 107 (para la anhidrasa carbónica). A partir de estos
valores se nota que unas pocas moléculas de enzima pueden convertir con suma rapidez una cantidad relativamente grande de moléculas de sustrato en producto.
El valor de Vm^x sólo es un término útil obtenido a
partir de una gráfica, como la mostrada en la figura 3-15;
otro valor útil es la constante de Michaelis (KM)/ que es
igual a la concentración de sustrato cuando la velocidad de
reacción corresponde a la mitad de Vmáx ffig- 3-15). En ciertos casos, según las velocidades relativas de formación y
desdoblamiento del complejo enzima-sustrato, el valor de
KM proporciona una medida de la afinidad de la enzima
por el sustratro. Cuanto mayor sea el valor, menor será la
afinidad; un valor típico de KM es cercano a 10~4 M. En el
cuadro 3-4 se consignan valores KM para varias enzimas.
Otros factores que influyen fuertemente en la cinética enzimática son pH y temperatura del medio de incubación. Cada


R-CH
*0>__ :t£
N')
H H

H

1

0-H
V

A
Agua

C=0

FIGURA 3-13. Mecanismo catalizador de la quimotripsina. La
reacción se divide en dos pasos, a) El átomo de oxígeno electronegativo de un residuo de serina (Ser 195) de la enzima, que posee carga
parcial negativa, efectúa un ataque (nucleofílico) sobre un átomo de
carbono carbonilo provisto de carga parcial positiva, rompiendo la
unión peptídica. La serina se vuelve más reactiva gracias a un residuo
de histidina en íntima aposición que separa el protón de la serina y
después dona el protón al átomo de nitrógeno del enlace peptídico
desdoblado. Parte del sustrato forma un enlace covalente transitorio
con la enzima por medio de la cadena lateral de serina, en tanto que
el resto del sustrato se libera. (Nótese que los residuos serina e histidina están separados en la secuencia primaria por 138 aminoácidos,
pero se juntan dentro de la enzima gracias al plegamiento del polipéptido. Un ácido aspártico, el residuo 102, que no se muestra, también desempeña un papel en la catálisis por influencia al estado iónico
de la histidina.) b) En el segundo paso, el átomo de oxígeno electronegativo de la molécula de agua desplaza el sustrato unido mediante
enlace covalente a la enzima y regenera la molécula de enzima no
enlazada. Igual que en el primer paso, la histidina participa para
transferir el protón; en este caso, el protón se elimina del agua y se
transfiere al residuo serina de la enzima.

H

PROTEINA
Ser 195

Ser 195

HC-R'
NH
I
R'-CH

|««

:-C:0-C-

PROTEINA

HC:

HC

93

Acil-enzima
intermedia

-N-CH

**N-C

CH2 y

r

PROTEINA
His57

I

PROTEINA

His57

Producto

O
H a

-C-C-OH
I
R
+
'•

/
H^

-C-C:0-C

PROTEINA
Ser 195

H
U

! ^
^ M M ™
^
«

Ser 195

Acil-enzima intermedia

HC

-N-CH
H.

f^
I

His57

(a)

PROTEINA
His 57

(b)

FIGL'IÍA 3-14. Ejemplo de adaptación inducida. El enlace de una molécula de glucosa a la enzima hexocinasa provoca un cambio de
conformación mediante el cual la enzima atrapa al sustrato con mayor firmeza; se asume que esto incrementa la reactividad del sustrato. (Cortesía
de Thomas A. Steitz.)

94


Reacción catalizada por enzimas

Reacción no catalizada
por enzimas

Concentración de sustrato [S]
FIGURA S-15. Relación entre la velocidad de una reacción catalizada por enzimas y la concentración del sustrato. Puesto que cada
molécula de enzima sólo tiene capacidad para catalizar cierto número
de reacciones en un tiempo determinado, la velocidad de la reacción
se acerca a su velocidad máxima conforme la concentración de sustrato aumenta. La concentración de sustrato en que la velocidad de reacción corresponde a la mitad de la velocidad máxima
(Vmáx/2) se denomina constante de Michaelis o KM-

enzima tiene un pH y temperatura óptimos en los cuales
opera con máxima actividad (fig. 3-16).
Para generar una hipérbola como en la figura 3-15 y
hacer determinaciones precisas de los valores Vmáx y KM se
debe graficar un número considerable de puntos. Se puede
lograr una descripción más fácil y más precisa graneando
los recíprocos de la velocidad y la concentración de sustrato
entre sí, según lo formuló Hans Lineweaver y Dean Burk.
Cuando se traza esta gráfica, la hipérbola se convierte en
una línea recta (fig. 3-17) cuya abscisa al origen x es igual a
-I/KM, la ordenada al origen y es igual a I/V máx y la pendiente es igual a KM/ V7m¿x. Por lo tanto, los valores de KM y
Vmáx se pueden determinar con rapidez extrapolando la
línea recta a partir de unos pocos puntos.
Inhibidores enzimáticos

Los inhibidores enzimáticos son moléculas con capacidad
para enlazarse a una enzima y disminuir su actividad. La

célula depende de inhibidores para regular la actividad
de gran parte de sus enzimas; los bioquímicos emplean
inhibidores para estudiar las propiedades de las enzimas y
muchas compañías bioquímicas producen inhibidores enzimáticos que actúan corno fármacos, antibióticos o plaguicidas. Los inhibidores enzimáticos se pueden dividir en
dos tipos: reversibles o irreversibles. A su vez, los inhibidores reversibles se pueden considerar competitivos o no
competitivos.
Los inhibidores irreversibles son aquellos que se enlazan fuertemente a una enzima, a menudo formando un
enlace covalente con alguno de sus residuos aminoácidos.
Algunos gases nerviosos, como el diisopropilfosfofluoridato
y los plaguicidas organofosforados actúan como inhibidores reversibles de acetilcolinesterasa, una enzima que desempeña un papel crucial para destruir acetilcolina, el neurotransmisor encargado de provocar la contracción muscular.
Con la enzima inhibida, el músculo sufre estimulación continua y permanece en estado de contracción prolongada.
Según se analiza en el ensayo La perspectiva humana, la penicilina debe su actividad antibiótica a su acción como inhibidor irreversible de una enzima clave para sintetizar la pared celular bacteriana.
Los inhibidores reversibles sólo se unen laxamente a la
enzima, lo que permite desplazarlos con facilidad. Los inhibidores competitivos compiten con el sustrato por el acceso al sitio activo de una enzima. Puesto que los sustratos
tienen estructuras complementarias para el sitio activo a!
cual deben enlazarse, los inhibidores competitivos deben
parecerse al sustrato para competir por el mismo sitio de
enlace, pero diferir de alguna manera para impedir que se
transforme en producto (fig. 3-18). El análisis de los tipos de
molécula que pueden competir con el sustrato por el sitio
de enlace sobre una enzima suministra una idea de la estructura interior del sitio activo y la naturaleza misma de la
interacción entre el sustrato natural y su enzima.
La eficacia de un inhibidor competitivo depende de su
afinidad relativa por la enzima. No obstante, la inhibición
competitiva se puede superar si la proporción sustrato/
inhibidor es bastante grande. En otras palabras, si el número de colisiones entre la enzima y el inhibidor es insignificante en comparación con las colisiones entre la enzima y
su sustrato, entonces el efecto inhibidor será mínimo. Con
una concentración de sustrato lo bastante grande todavía es

CUADRO 3-4. Valores de KM de varias enzimas
Enzima

Sustrato

Acetilcolinesterasa
Anhidrasa carbónica

Acetilcolina
CO2
HCO3H2O2
N-Acetilgücina etiléster
N-Acetilvalina etiléster
N-Acetiltirosina etiléster
Fumarato
Malato
Urea

Catalasa
Quimotripsina
.

Fumarasa
Ureasa

KM(M)
9.5
1.2
2.6
2.5
4.4
8.8
6.6
5.0
2.5
2.5

x 10-5
x 10-2
x 10-2
X 10-2
x 10-1
x 10-2
x 10-*
x 10-6
x 10-5
x 10-2


95

100

80

~

60 -

.>

40 -

20

60

•>

-

40

20

10

20

40

60

80

100

Temperatura de reacción, °C

(a)

(b)

FIGURA 3-16. Dependencia de la velocidad de una reacción catalizada por enzimas sobre: a) pH y b) temperatura. La forma de las curvas,
y el pH y la temperatura óptimos varían con la reacción particular. Los cambios del pH afectan las propiedades iónicas del sustrato y de la
enzima, y también la conformación de ésta. A temperaturas más bajas la velocidad de reacción se eleva con los incrementos de temperatura
debido al aumento de energía de los reactantes. A temperaturas más altas este aspecto positivo se contrarresta por la desnaturalización de la
enzima, (a: Tomado de E.A. Moelwyn-Hughes, en The enzymes, ].B. Sumner y K. Myrback, eds., vol. 1, Academic press, 1950; b: de K. Hayashi y cois.
}. Biochern. 64:93, 1968.)

teóricamente posible lograr la velocidad máxima de la enzima aun en presencia de un inhibidor competitivo.
En la inhibición no competitiva, sustrato e inhibidor
no compiten por un sitio de enlace disponible; por lo general e! inhibidor actúa en un sitio diferente del sitio activo
de la enzima. El nivel de inhibición sólo depende de la
concentración del inhibidor y no puede superarse incrementando la concentración del sustrato. Por lo tanto, en
presencia de un inhibidor no competitivo, cierta fracción de
las moléculas de la enzima están necesariamente inactivas
en cualquier instante dado y no es posible alcanzar máxima
velocidad en la población de moléculas de la enzima. Los
efectos de la presencia de inhibidores no competitivos y

Sustratos (S)
Inhibidor (I)

Complejo enzima-inhibidor
(bloqueo del sitio activo)

FIGURA 3-17. Gráfica de Burk-Lineweaver de los recíprocos déla
velocidad y concentración del sustrato a partir de la cual se calculan
con facilidad los valores Vm^ y KM.

FIGURA 3-18, Inhibición competitiva. Debido a su simílaridad
molecular, los inhibidores competitivos pueden competir con el sustrato por el sitio de enlace sobre la enzima. El efecto de un inhibidor
competitivo depende de las concentraciones relativas del inhibidor y
del sustrato.

96

Enzima no inhibida

.'

x
X

Inhibición
.-' x x
no competitiva , - ' " ,x
etitiva
Inhibición
_.-' x
competitiva
.-' x

' ^Inhibición competitiva

.•
•'

Inhibición
no competitiva

,-'

-'

x

X

X

X

x ^^"^

Enzima no inhibida

[S]

FIGURA 3-19. Efecto de los inhibidores sobre la cinética enzimática. El efecto de los inhibidores competitivos y los no competitivos se
muestra al hacer una gráfica de la cinética de la reacción como velocidad de reacción contra concentración del sustrato (a) o como la recíproca;
gráfica de Burk-Lineweaver (b). El inhibidor no competitivo reduce la Vmá)t sin afectar la KM, en tanto que el inhibidor competitivo asumenta
la KM sin afectar la Vm&x.

competitivos sobre la cinética de las enzimas se muestran
en la figura 3-19. En un caso, la Vmáx desciende y en el otro
la KM aumenta. En ambos tipos, la pendiente (KM/Vm&c)
aumenta.

3-3 Metabolismo
Metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que
ocurren dentro de una célula, el cual incluye gran diversidad de conversiones moleculares. Estas reacciones se pueden agrupar en vías metabólicas que contienen una secuencia de reacciones químicas, en las cuales cada reacción
es catalizada por una enzima específica.

Los compuestos formados en cada paso a lo largo de la
vía son intermediarios metabólicos (o metabolitos) que en
último término conducen a la formación de un producto
final. Los productos finales son moléculas con un papel
particular en la célula, como un aminoácido que puede incorporarse a un polipéptido, o un azúcar que se puede consumir por su contenido energético. Las vías metabólicas de
una célula están interconectadas en diferentes puntos,
de modo que un compuesto generado en una vía se puede
repartir en varias direcciones según las necesidades de la
célula en ese momento. En esta sección nos centraremos en
aspectos del metabolismo que conducen a la transferencia y
empleo de la energía química dentro de la célula, porque
insistiremos en este tema a lo largo de todo el libro.
Perspectiva general del metabolismo

Las enzimas que constituyen una vía metabólica de
ordinario se confinan a una porción específica de la célula,
como las mitocondrias y el citoplasma. Cada vez hay más
pruebas que sugieren que las enzimas de una vía metabólica están físicamente unidas entre sí, característica que permite entregar el producto de una enzima directamente como
sustrato al sitio activo de la siguiente enzima en la secuencia de reacciones.

Las vías metabólicas se pueden dividir en dos tipos muy
amplios. Vías catabólicas, que conducen a la descomposición de moléculas complejas para formar productos más
simples. Las vías catabólicas tienen dos funciones: poner a
disponibilidad la materia prima a partir de la cual se pueden sintetizar otras moléculas y suministrar la energía química requerida para muchas actividades de la célula. Como
estudiaremos en mayor extensión, la energía liberada por
las vías catabólicas se almacena transitoriamente en dos
formas: como fosfatos de alta energía (sobre todo ATP) y
como electrones de alta energía (en particular en el NADPH).
Vías anabólicas, que conducen a la síntesis de compuestos
más complejos. Las vías anabólicas requieren energía y utilizan ía energía química almacenada que se libera en vías
catabólicas exergónicas.
La figura 3-20 muestra un perfil muy simplificado de la
interconexión entre las principales vías anabólicas y las catabólicas. La descomposición de los materiales biológicos
ocurre por pasos. Las macromoléculas primero se descom-


Aminoácidos

Hexosas-pentosas

Ácidos grasos,
glicerof

97

todas estas moléculas se convierten en una variedad de
pequeños compuestos (etapa II, figura 3-20) que se metabolizan de manera similar. Así, aunque las sustancias empiezan como macromoléculas con estructuras muy diferentes
a través de las vías catabólicas, se convierten en los mismos
metabolitos de bajo peso molecular. Por esta razón, se dice
que las vías catabólicas son convergentes.
Notablemente, las reacciones químicas y las vías metabólicas descritas en este capítulo se observan casi en toda
célula viva, desde la bacteria más simple hasta el animal o
vegetal más complejo. Es evidente que estas vías aparecieron muy pronto en la evolución de las células procariotas y
se han retenido durante todo el curso de la evolución biológica.
Oxidación y reducción:
cuestión de electrones
Ambas vías, catabólica y anabólica, incluyen reacciones clave en las cuales se transfieren electrones de un reactante al
otro. Las reacciones que implican cambios en el estado electrónico de los reactantes se denominan reacciones de
oxidorreducción (o redox). Los cambios de este tipo se acompañan de ganancia o pérdida de electrones. Consideremos
la conversión del hierro metálico (Fe°) al estado ferroso
(Fe2+). Esta conversión significa que el átomo de hierro pierde un par de electrones y por lo tanto alcanza un estado
más positivo; cuando un átomo pierde uno o más electrones se dice que se oxida. La reacción es reversible. Los iones
ferrosos se pueden convertir a hierro metálico, un estado
más negativo, adquiriendo un par de electrones; cuando un
átomo gana uno o más electrones se dice que se reduce.
Para que el hierro metálico se oxide debe haber alguna
sustancia que acepte los electrones liberados. Por lo contrario, para que los iones ferrosos se reduzcan debe haber alguna sustancia que done los electrones necesarios. En otras
palabaras, la oxidación de un reactante debe acompañarse
de la reducción simultánea de algún otro reactante, y viceversa. Una posible reacción en la cual participe el hierro
podía ser

o ile! ácido
tricarboxílico

íj

FIGURA 3-20. Las tres etapas del metabolismo. Las vías catabólicas (flechas verdes hacia abajo) convergen para formar metabolitos
comunes y conducen a la síntesis de ATP en la etapa III. Las vías
anabólicas (flechas azules hacia arriba) parten de unos cuantos
precursores en la etapa III y utilizan ATP para sintetizar una gran
variedad de materiales celulares. (Tomado de A.L. Lehninger, Biochemistry, 2a. ed., 1975 Worth Publishers, Nueva York.)

ponen (hidrólisis) en los bloques unitarios que las forman
(etapa I, figura 3-20). Una vez hidrolízadas las macromoléculas en sus componentes (aminoácidos, nucleótidos, azúcares y ácidos grasos), la célula puede reutilizar los componentes directamente para formar otras macromoléculas de
la misma clase, convertirlas en compuestos diferentes para
elaborar otros productos o descomponerlos aún más (etapas II y III, figura 3-20) y extraer una parte de su contenido
de energía libre. El curso que sigue depende de varios mecanismos reguladores sensibles a las necesidades de la célula en ese momento.
Las vías para la degradación de los diversos componentes de las macromoléculas varían según el compuesto
particular que debe catabolizarse. Sin embargo, finalmente

Fe°

Cu°

La sustancia que pierde electrones durante una reacción de
oxidorreducción, o sea, la que se oxida, se denomina agente
reductor, y la sustancia que gana electrones, o sea, la que se
reduce, se denomina agente oxidante.
La oxidación o reducción de metales, como el hierro o
el cobre, implica pérdida o ganancia de electrones íntegros.
La oxidación y la reducción de sustratos orgánicos durante
el metabolismo celular implica átomos de carbono enlazados en forma covalente a otros átomos. Según se analiza en
el capítulo 2, cuando dos átomos diferentes comparten un
par de electrones, los electrones por lo general son atraídos
con mayor fuerza hacia uno de los dos átomos del enlace
polarizado. En un enlace C — H, el átomo de carbono tira
con mayor fuerza de los electrones, por lo que se puede
decir que el átomo de carbono se encuentra en estado reducido. Por lo contrario, si un átomo de carbono está enlazado
a un átomo más electronegativo como en los enlaces C — O

98


El creciente problema de la resistencia a los antibióticos
No hace mucho tiempo era una idea
bastante extendida que la salud del ser
humano ya nunca más sería amenazada por infecciones bacterianas graves.
Las enfermedades bacterianas, como
tuberculosis, neumonía, gonorrea y docenas de otras más, ya no causarían más
muertes gracias a la administración de
cualquiera de numerosos antibióticos,
compuestos que destruyen selectivamente a las bacterias sin provocar daño
al huésped humano en el que se desarrollan dichas bacterias. En el decenio
pasado fue muy doloroso reconocer
que el anuncio del exterminio de las
bacterias infecciosas fue prematuro.
Bacterias alguna vez susceptibles a
varios antibióticos presentan resistencia cada vez mayor a esos fármacos. El
desarrollo de la resistencia bacteriana
suministra un excelente ejemplo de
selección natural; el uso ampliamente
extendido de estos fármacos destruyó
a las células susceptibles y dejó sobrevivir a los raros individuos capaces de
resistirlos para repoblar las colonias. El
resultado fue un notable cambio en la
ocurrencia y virulencia de muchas enfermedades, incluyendo neumonía,
tuberculosis y nuevas enfermedades
causadas por bacterias, estafilococos y
estreptococos. Los especialistas predicen que e¡ problema de las enfermedades infecciosas se agudizará en los
próximos años y las muertes por enfermedades alguna vez curables aumentarán notablemente. Aquí conside-

raremos brevemente el mecanismo de
acción de los antibióticos, en particular los orientados a enzimas, tema de
este capítulo, y al desarrollo de resistencia bacteriana.
Los antibióticos trabajan debido a
su capacidad para atacar actividades
bacterianas sin afectar a las de las células eucariotas. En las células bacterianas son vulnerables varias actividades
especificas. Entre éstas se incluyen:
1. Enzimas que participan en la
formación de la pared celular bacteriana. La penicilina y sus derivados
son análogos estructurales de los sustratos de una familia de transpeptidasas que catalizan la reacción final para
formar enlaces cruzados que confieren
a la pared celular sus propiedades protectoras. SÍ estas reacciones no ocurren,
la pared celular se destruye. La penicilina es un inhibidor irreversible de las
transpeptidasas; el antibiótico ocupa el
sitio activo de la enzima y forma un
complejo irreversible que no puede
desplazarse. La vancomicina, que induce poca resistencia en la mayor parte de las bacterias, inhibe a una enzima
que actúa en las primeras etapas de formación de la pared celular.
2. Elementos del sistema mediante los cuales la bacteria duplica, transcribe y traduce su información genética. Aunque las células procariotas y las
eucariotas presentan un sistema similar de almacenamiento y empleo de la
información genética, hay muchas di-

o C—N, los electrones son empujados con mayor fuerza
para separarse del átomo de carbono, que por lo tanto se encuentra en estado oxidado. Puesto que el carbono tiene cuatro electrones en su capa más externa que puede compartir
con otros átomos, puede existir en varios estados de oxidación. Esto se ilustra por el átomo de carbono en una serie de
moléculas con un solo carbono (fig. 3-21) que van desde el
estado completamente reducido en un metano (CH4) hasta
un estado completamente oxidado en el dióxido de carbono
(CC>2). El estado de oxidación relativo de una molécula orgánica por lo general se puede determinar contando el nú-

ferencias básicas entre los dos tipos de
células, de las cuales se aprovechan los
farmacólogos. Por ejemplo, la rifamicina es un antibiótico que inhibe selectivamente la RNA polimerasa, la enzima que transcribe el DNA en RNA. De
manera similar, la estreptomicina y las
tetraciclinas se enlazan a los ribosomas
procariotas, pero no a los ribosomas eucariotas.
3. Enzimas que catalizan reacciones metabólicas que ocurren específicamente en la bacteria. Por ejemplo,
las sulfas son antibióticos eficaces por
su gran parecido con el compuesto ácido p-aminobenzoíco (PABA),

COOH
PABA

S02-NH-R
Sulfas

que la bacteria convierte enzimáticamente en ácido fólico, una coenzima
esencial. Puesto que el hombre carece
de una enzima sintetizadora de ácido
fólico, deben obtener esta coenzima

mero de átomos de hidrógeno en comparación con los átomos de oxígeno y de nitrógeno por cada átomo de carbono.
Como pronto veremos, el estado de oxidación de los átomos de carbono en una molécula orgánica constituye una
medida del contenido de energía libre de la molécula.

Captación y consumo de energía
Los compuestos que utilizamos como combustibles químicos para poner en marcha nuestros hornos y automóviles


indispensable en la dieta y por consiguiente las sulfas no tienen efecto en el
metabolismo humano.
Las bacterias adquieren resistencia a los antibióticos mediante algunos
mecanismos diferentes, muchos de los
cuales se pueden ilustrar empleando
como ejemplo la penicilina. Igual que
la mayor parte de los antibióticos, la
penicilina es un compuesto natural, o
sea, producido normalmente por un
organismo vivo, en este caso un hongo. La penicilina protege al hongo de
bacterias patógenas de igual manera
que protege {o alguna vez protegió) al
ser humano. Las células bacterianas tal
vez se han expuesto a compuestos similares a la penicilina durante cientos
de millones de años, por lo que no es
sorprendente que hayan desarrollado armas para defenderse contra esos
compuestos.
La penicilina es un/?-Iactam, o sea,
contiene un anillo /í-lactam característico de cuatro miembros (mostrado por
la flecha).

c =o
CH

HX

c

'

N

CH

coc

Desde 1940, los investigadores
descubrieron que ciertas bacterias poseen una enzima llamada /í-lactamasa
(o penicilinasa) capaz de romper al

anillo lactam e inactivar al compuesto
en relación con su actividad contra la
bacteria. Durante la Segunda Guerra
Mundial, época en que se introdujo la
penicilina como antibiótico, ninguna
de las principales bacterias patógenas
poseía genes para sintetizar /í-lactamasa. Esto se verificó examinando
material genético de bacterias descendientes de cultivos de laboratorio iniciados en la era preantibiótica. En la
actualidad, el gen /í-lactamasa se encuentra en una gran variedad de bacterias infecciosas y la producción de
/3-1 acta masa por estas células es la
principal causa de su resistencia a penicilina.
La ocurrencia tan extendida de
genes /í-lactamasa ilustra con cuánta
rapidez se pueden propagar los genes
de una bacteria a otra, no sólo entre
células de una especie determinada,
sino entre diferentes especies. Hay varias formas en que esto puede ocurrir,
incluyendo conjugación (mostrada en
la figura 1-13), en la cual el DNA pasa
de una célula bacteriana a otra; transducción, en la cual un virus transporta
un gen bacteriano de una célula a otra;
y transformación, en la cual una célula
bacteriana es capaz de recoger del
medio que la rodea un DNA desnudo.
Los farmacólogos intentan contrarrestar la propagación de/3-lactamasa sintetizando derivados de penicilina más
resistentes a la enzima hidrolítíca.
Como es de esperarse, la selección natural rápidamente produce bacterias
cuya /í-lactamasa pueda inactivar las
nuevas formas del antibiótico. Como
hizo notar Julián Davies: "el cambio de
una sola base en un gen que codifica una /í-lactamasa bacteriana puede

son compuestos orgánicos altamente reducidos, como el gas
natural (CH^ y los derivados del petróleo. Cuando estos
compuestos se queman en presencia de oxígeno se libera
energía y los átomos se convierten a estados de mayor oxidación, como los gases dióxido y monóxido de carbono. El
grado de reducción de un compuesto también se mide a
partir de su capacidad para efectuar trabajo químico dentro
de la célula. Cuanto mayor sea el número de átomos de
hidrógeno que se puedan separar de una molécula "combustible", mayor será la cantidad de ATP que finalmente se
forma. Los carbohidratos son ricos en energía química debi-

99

causar pérdidas por 100 millones de dólares de esfuerzos en investigación farmacológica." Un método que alcanzó
éxito limitado fue tratar pacientes con
dos fármacos separados: un antibiótico
parecido a la penicilina para inhibir la
transpeptidasa y un inhibidor enzimatico separado (p. ej., ácido clavulánico)
para inhibir la /Mactamasa.
No todas las bacterias resistentes
a penicilina poseen un gen/Mactamasa.
Algunas son resistentes porque desarrollan modificaciones en su pared
celular para bloquear la entrada del antibiótico; otras son resistentes porque
tienen capacidad para expulsar selectivamente al antibiótico una vez que
ha penetrado a la célula; incluso otras
son resistentes debido a que poseen
transpeptidasas modificadas que no se
enlazan al antibiótico. Por ejemplo, la
meningitis bacteriana causada por
la bacteria Neísseria meningitidis todavía no ha demostrado que contiene /3lactamasa. Aun así, estas bacterias cada
vez son más resistentes a la penicilina
porque sus transpeptidasas van perdiendo su afinidad por los antibióticos.
Comparando los genes que codifican
transpeptidasas resistentes con genes
que codifican a las correspondientes
enzimas en cepas susceptibles (aisladas de cultivos iniciados en la era preantibiótica), se encuentran diferencias
mayores en las secuencias de nucleótídos.
Los datos anteriores indican que
las células bacterianas se vuelven resistentes a los fármacos, no como resultado de mutación genética, que produciría cambios genéticos mínimos, sino
más bien al adquirir nuevos genes de
otras especies.

do a que contienen hileras de unidades (H—C—OH). Las
grasas tienen mayor cantidad de energía por unidad de
peso debido a sus hileras de unidades (H—C—H) más reducidas. En el siguiente análisis nos centraremos en los carbohidratos.
Como único componente, tanto del almidón como del
glucógeno, la glucosa es una molécula clave en el metabo-

100

CAPITULO 3 » Energía, enzimas y metabolismo

HO

O
II

H — C — OH
H
Metano

H
Metanol
<CH3OH)

H — C ^^ O

Formaldehido
(CH20)

Acido fórmico
(HCOOH)

Estado

c=o
Dióxido de carbono
(CO2)
Estado
más
oxidado

más
reducido

— Unión envalente en la cual el átomo de carbono comparte más el par de electrones
Unión covalente en la cual el átomo de oxígeno comparte más el par de electrones
FIGURA 3-21. Estado de oxidación del átomo de carbono. El estado de oxidación de un átomo de carbono depende de los otros átomos a
los cuales está enlazado. Cada átomo de carbono puede formar un máximo de cuatro enlaces con otros átomos. Esta serie de moléculas simples
de un carbono ilustra los diferentes estados de oxidación en los cuales puede existir el átomo de carbono. En su estado más reducido, el carbono
se enlaza a cuatro hidrógenos (formando metano); en su estado más oxidado se enlaza a dos oxígenos (para formar dióxido de carbono).

lísmo energético tanto de plantas como de animales. La
energía libre que se libera por oxidación completa de la
glucosa es muy grande:
C6Hi2O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O

AG°' - -686
kcal/mol

En comparación, la energía libre requerida para formar ATP
a partir de ADP es relativamente pequeña:
ADP + PÍ -> ATP + H2O

AG°' = +7.3 kcal/mol

De estas cifras es evidente que la oxidación completa de
una molécula de glucosa para formar CC>2 y H2Ó puede
liberar bastante energía para formar ATP en gran cantidad.
Como se verá en el capítulo 5, en las condiciones presentes

en la mayor parte de las células se pueden formar hasta más
de 35 moléculas de ATP por molécula de glucosa oxidada.
Para que esto ocurra, la descomposición de las moléculas
de azúcar debe ocurrir en muchos pasos pequeños (f ig. 3-22).
Los pasos en los cuales la diferencia de energía libre entre
reactantes y productos es relativamente grande se pueden
acoplar a reacciones que conducen a la formación de ATP.
Básicamente hay dos etapas en el catabolismo de la
glucosa que son casi idénticas en todos los organismos aerobios. La primera etapa, glucólisis, ocurre en la fase soluble del citoplasma (el citosol) y conduce a la formación de
piruvato. La segunda etapa es el ciclo del ácido tricarboxílico (o ATC), que ocurre dentro de la mitocondria de las
células eucariotas y el citoplasma soluble de los procariotes
y que conduce a la oxidación final de átomos de carbono
para producir dióxido de carbono. La mayor parte de la
energía química de la glucosa se almacena en forma de
electrones de alta energía eliminados de las moléculas del
sustrato conforme se oxidan durante la glucólisis y el ciclo
del ácido tricarboxílico. La energía de estos electrones es la
que finalmente se conserva durante la formación de ATP.
En las siguientes páginas nos centraremos en los pasos de la
glucólisis, la primera etapa en la oxidación de la glucosa
que ocurre sin participación de oxígeno. Concluiremos la
historia de la oxidación de la glucosa en el capítulo 5, cuando estudiemos la estructura de las mitocondrias y su papel
en la respiración aerobia.
Glucólisis y formación de ATP

FIGURA 3-22. Formación de ATP durante el desdoblamiento oxidativo de la glucosa para formar COj y H2O. Esta figura ilustra la
naturaleza gradual de la liberación de energía libre conforme los átomos de carbono de la molécula original de glucosa se oxidan paso a
paso y por último se liberan como CO2- Una porción mayor de la
energía libre liberada por oxidación se conserva en el ATP.

Las reacciones de glucólisis y las enzimas que las catalizan
se muestran en la figura 3-23. Antes de analizar las reacciones específicas se debe puntualizar lo relativo a la termodinámica del metabolismo. En un análisis previo se subrayó
la diferencia entre AG y AG°'; la AG de una reacción particular determina su dirección en la célula. Mediciones reales
de la concentración de metabolitos en la célula pueden revelar el valor de AG para una reacción en cualquier momento dado. La figura 3-24 muestra valores típicos de AG


101

O

H
OH
Glucosa

H

OH

OH

Glucosa 6-fosfato

OH

H

H

Fructosa 1,6-d ¡fosfato

Fructosa 6-fosfato

O
Aldolasa

o

O
U

c-oHCOPOf

CH2OH
2-Fosfoglicerato

O
II

c-o-

Fosfogliceromutasa
<

¿G--+1.1

O
Fosfqglicerato

HCOH

CH2OPOf
3-Fosfoglicerato

0
II

ADP

/fi"--7li
£Ll
— /.J

PC^"

CH,

Fosfoenolpiruvato

Gliceraldehido fosfato
deshidrogenasa

' x^v.>
' ^l
ADP

ATP

1CH2OPOf

y '
¿c=o

NAD<

¿G" = -4.5

Piruvatocinasa

C-0i

C-0II

ATP

C—OPOf
|
HCOH

Gliceraldehido
3-fosfato

3! 2OH
CH
Fosfato de
dihidroxiacetona

0
II

c-o1
c=o
1
CH,

Piruvato
FIGURA 3-23. Pasos de la glucólisis.

medidos para reacciones de glucólisis. En contraste con los
valores AG°' de la figura 3-23, todas, menos tres reacciones,
tienen valores AG cercanos a cero; o sea, están casi en equilibrio. Las tres reacciones separadas del equilibrio, que las
hace prácticamente irreversibles en la célula, suministran la
"fuerza impulsora" que conduce a los metabolitos a través
de la vía glucolítica de manera determinada.
En 1905, dos químicos ingleses, Arthur Harden y
William Young, estudiaron la descomposición de la glucosa por células de levadura, proceso que genera las burbujas
del gas CO2- Harden y Young notaron que el burbujeo al
final se hacía más lento y se detenía, aun cuando hubiera
abundante glucosa para metabolízar. Aparentemente, algún otro componente esencial del caldo de cultivo se estaba
agotando. Luego de experimentar con algunas sustancias,
los químicos observaron que añadiendo fosfato inorgánico
la reacción se iniciaba otra vez. Concluyeron que la reacción agotaba el fosfato, primer indicio de que los grupos
fosfato participaban en las vías metabólicas. La importancia
del grupo fosfato se ilustra en la primera reacción de glucólisis.
La glucólisis se inicia con la unión del azúcar a grupos
fosfato (paso 1, figura 3-23) a expensas de una molécula de
ATP. El empleo de ATP en esta etapa se puede considerar
una inversión de energía, el costo de meterse al negocio de
la oxidación de la glucosa. La fosforilación activa el azúcar

y le confiere capacidad para participar en reacciones subsecuentes donde grupos fosfato lo rodean y lo transfieren a
otros aceptores. La glucosa 6-fosfato se convierte en fructosa
6-fosfato y en seguida a fructosa 1,6-bisfosfato a expensas
de una segunda molécula de ATP (pasos 2, 3). El difosfato de seis carbonos se separa en dos rnonofosfatos de tres
carbonos (paso 4), que constituye la primera etapa de las
reacciones exergónicas a las cuales se puede acoplar la formación de ATP.
El ATP se forma básicamente de dos maneras, ambas
ilustradas por una reacción química de glucólisis: la conversión de gliceraldehido 3-fosfato a 3-fosfoglicerato (pasos
6 y 7, figura 3-23). La reacción completa es la oxidación de
un aldehido para convertirlo en ácido carboxílico (como en
la figura 3-21) y ocurre en dos pasos catalizados por dos
enzimas diferentes (fig. 3-25). La primera de estas enzimas
requiere un cofactor no proteínico (una coenzima), denominado dinucleótido de adenina nicotinamida (NAD), para
catalizar la reacción. Como se verá en éste y en los siguientes capítulos, el dinucleótido de adenina nicotinamida desempeña un papel clave en el metabolismo energético porque acepta y dona electrones. La primera reacción (fig. 3-25,
a,b) es una oxidorreducción, en la cual dos electrones y un
protón (equivalente a un ion hidruro, :H~) se transfiere del
gliceraldehido 3-fosfato (que entonces se oxida) al NAD +
(que se reduce). La forma reducida de la coenzima es NADH

102


kcal

- 4.0 kcal

FHíl'RA 3-2 í Perfil de la energía libre de la glucólisis en el eritrocito humano. Todas las reacciones están en equilibrio o cerca del
mismo, excepto las catalizadas por hexocinasa, fosfofructocinasa y
piruvatocinasa, que muestran grandes diferencias de energía libre. En
la célula, todas las reacciones deben proceder con disminución de la
energía libre; el ligero incremento de energía libre mostrado aquí para
varios pasos debe considerarse como derivado de errores en las mediciones experimentales de la concentración de metabolitos. (Tomado
de A.L. Lehninger, Biochemistry, 2a. ed., 1975 Worth Publishers, Nueva
York.)

(fig. 3-26). La enzima que cataliza este tipo de reacción se
denomina deshidrogenasa; la que cataliza la reacción mencionada antes es la glíceraldehido fosfato deshidrogenasa. El
NAD+ derivado de la vitamina niacina actúa como coenzirna asociada laxamente a la deshidrogenasa en posición
para aceptar el ion hidruro (o sea, ambos electrones y el
protón). A continuación el NADH formado en la reacción
se libera de la enzima mediante intercambio con una molécula fresca de NAD+.
Volveremos a esta reacción en un momento, pero primero continuaremos con las consecuencias de la formación
de NADH. El NADH se considera un compuesto de "alta
energía" debido a la facilidad con que transfiere electrones
a otras moléculas que atraen electrones. (Se dice que el
NADH tiene potencial elevado para transferir electrones en
relación con aceptores de electrones de las células, véase
cuadro 5-2.) Los electrones se transfieren del NADH de ordinario mediante una serie de transportadores de electrones integrados a la membrana que constituyen una cadena
transportadora de electrones. Conforme los electrones se desplazan a lo largo de esta cadena descienden a un estado de
energía libre cada vez más bajo y por último pasan al oxígeno molecular reduciéndolo a agua. La energía liberada durante el transporte de electrones se utiliza para formar ATP
a través de un proceso denominado fosforilación oxidativa. El

transporte de electrones y la fosforilación oxidativa se estudiarán en detalle en el capítulo 5.
Además de la ruta "indirecta" para formar ATP, que
implica NADH y una cadena de transporte de electrones, la
conversión de gliceraldehido 3-fosfato a 3-fosfoglicerato
incluye una vía "directa" para sintetizar ATP. En el segundo paso de la reacción completa {fig. 3-25, c) se transfiere un
grupo fosfato del 1,3-dífosfoglicerato al ADP para formar
una molécula de ATP. La enzima fosfogliceratocinasa cataliza
la reacción. Esta ruta directa para formar ATP se conoce
como fosforilación a nivel de sustrato, debido a que se
transfiere un grupo fosfato del sustrato (en este caso, 1,3difosfoglicerato) al ADP. La fosforilación a nivel del sustrato debe distinguirse de la formación de ATP que requiere
una cadena de transporte de electrones.
La fosforilación de ADP a nivel de sustrato ilustra un
punto importante acerca del ADP. Su síntesis no es endergónica; en otras palabras, el ATP no es una molécula tan energética que no pueda formarse con rapidez mediante reacciones metabólicas. Hay numerosas moléculas fosforiladas
cuya hidrólisis tiene AG°' más negativa en comparación
con la de ATP. La figura 3-27 ilustra el AG°' relativo para la
hidrólisis de varios compuestos fosforilados. Se puede usar
cualquier donador de la parte más alta de la lista para formar cualquier molécula situada más abajo en la lista. El
AG°' de esta reacción será igual a la diferencia entre los dos
valores mostrados en la figura. Por ejemplo, AG°' para transferir un grupo fosfato del 1,3-difosfoglicerato al ADP y formar ATP es igual a -4.5 kcal/mol (-11.8 kcal/mol + 7.3
kcal/mol). Este concepto de potencial de transferencia es
útil para comparar cualquier serie de donadores y aceptores
independientemente del grupo que se transfiera, sean protones, electrones, oxígeno o grupos fosfato. Las moléculas
más altas de la lista, o sea aquellas con mayor energía libre
(—AG°' mayor) son moléculas con menos afinidad para el
grupo que se transfiere en comparación con las situadas
más abajo en la lista. Cuanto menor afinidad, mejor será el
donador; a mayor afinidad, mejor será el aceptor.
La formación de ATP no requiere tanta energía y puede formarse con rapidez mediante fosforilación a nivel de
sustrato (o transporte de electrones); de igual modo, las
reacciones metabólicas endergónicas, como la formación de
glutamina, no requieren tanta energía que no puedan acoplarse a la hidrólisis de ATP. Así como se pueden fragmentar las vías catabólicas en pasos sucesivos más pequeños
para conservar la energía en "paquetes" de ATP, de igual
manera las vías anabólicas se pueden dividir en una serie
de reacciones menos endergónicas que puedan iniciarse por
hidrólisis de ATP.
Una característica importante de la glucólisis es que
puede generar un número limitado de moléculas de ATP
incluso en ausencia de oxígeno. Ni la fosforilación a nivel
de sustrato del ADP por 1,3-difosfoglicerato, ni una reacción posterior por fosfoenolpiruvato (paso 10, figura 3-23)
requieren cadena transportadora de electrones y oxígeno.
Por lo tanto, la glucólisis se puede considerar una vía anaerobia para producir ATP, lo que significa que puede proceder
en ausencia de oxígeno y continuar suministrando ATP.
Durante la glucólisis, por cada molécula de gliceraldehido
3-fosfato oxidada a piruvato se producen dos moléculas de


Fijación del sustrato
a la enzima

.
H

C
.

103

O

Oxidación del aldehido
por transferencia de un
protón y un par de
_ electrones al NAD+
CH.OPOT
TWl W

Gliceraldehido
3-fosfato

Enzima

Liberación de NADH
por intercambio con IIADH

s —c=o
I

HCOH
I
r
CH2OPO

+

w£

Acilenzima
(enlace covalente)

(a)
C=0
I

HCOH

O
Ataque por P, sobre
la enzima acilada

C-OPOf
HCOH
I
T
CH2OPOf
1,3-Difosfoglicerato

Acilenzima

(b)
O

° «,
C-OPÓf
HCOH

Fosforilación a
nivel del sustrato

+ ADP

1,3-Difosfoglicerato

c-cr
HCOH
I
?_
CH2OPO^

ATP

3-Fosfoglicerato

(O
FIGURA 3-2.1.Transferencia de energía durante una oxidación química. La oxidación de gliceraldehido 3-fosfato a 3-fosfoglicerato, que es
un ejemplo de la oxidación de un aldehido a ácido carboxílico, ocurre en dos pasos catalizados por dos enzimas. La primera reacción (partes
a y b) es catalizada por la enzima gliceraldehido fosfato deshidrogenasa, que transfiere un par de electrones del NAD+ al NADH. Una vez
reducidas, las moléculas NADH son desplazadas por las moléculas NAD+ de la fase soluble del citoplasma, c) La segunda reacción, catalizada
por la enzima íosfogliceratocinasa, es un ejemplo de fosforilación a nivel de sustrato en la cual un grupo fosfato se transfiere desde la molécula
del sustrato, en este caso 1,3-difosfoglicerato, al ADP para formar ATP.

ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Puesto que cada
molécula de glucosa produce dos moléculas de gliceraldehido 3-fosfato, se generan cuatro moléculas de ATP
por molécula de glucosa oxidada a piruvato. Por otra parte,
se deben hidrolizar dos moléculas de ATP para iniciar la
glucólisis. Esto genera una ganancia neta para la célula de
dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa oxidada. La ecuación neta para la glucólisis se puede escribir

Glucosa + 2ADP + 2 P¡ + 2NAD+ ->
2 Piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O
El piruvato, producto final de la glucólisis, es un compuesto clave porque se sitúa en el punto donde se unen las
vías anaerobia (independeiente de oxígeno} y aerobia (dependiente de oxígeno). En ausencia de oxígeno, el piruvato
sufre fermentación; en presencia de oxígeno, se descompo-

104


FIGURA 3-26. Estructura del NAD+ y su reducción a
NADH. [Cuando el 2' OH del fragmento ribosa (indicado por
el recuadro de color púrpura) se enlaza en forma covalente al
grupo fosfato, la molécula es NADP+/NADPH, cuya función
se analiza posteriormente en este capítulo.]

ne por respiración aerobia. Continuaremos este análisis de
las vías metabólicas en el capítulo 5.
Poder reductor
La energía empleada para formar moléculas biológicas complejas, como proteínas, grasas y ácidos nucleicos, se deriva principalmente del ATP generado por la glucólisis y el
transporte de electrones. Pero gran parte de estos materiales, en particular grasas y otros lípidos, están más reducidos

Fosfoenolpiruvato

que los metabolitos a partir de los cuales se construyen. La
formación de grasas requiere la formación de metabolitos,
que se efectúa por transferencia de electrones de alta energía del NADPH, un compuesto de estructura similar al
NADH, pero que contiene un grupo fosfato adicional (descrito en el pie de la figura 3-26). La reserva de NADPH de
la célula representa su poder reductor, una importante
medida del contenido de energía aprovechable en la célula.
El empleo de NADPH se puede ilustrar por una de las reacciones clave de fotosíntesis:
O

O

CH
-12.5 _

1,3-Disfosfoglicerato
Fosfocreatina

Compuestos fosfato
de "alta energía"

Compuestos fosfato
de "baja energía"

Glucosa 6-fosfato
Glucosa 3-fosfato
FIGURA 3-27. Clasificación de compuestos según su potencial
para transferir fosfato. Los compuestos fosfato más altos en la escala
(con mayor AG DI de hidrólisis) tienen menor afinidad por su grupo
fosfato que los compuestos situados abajo en la escala. Como resultado, los compuestos más altos en la escala transfieren con rapidez su
grupo fosfato para formar compuestos situados rnás abajo en la escala.
Así, se pueden transferir grupos fosfato desde 1,3-difosfato o fosfoenolpiruvato al ADP durante la glucólisis. (Nota: 1 kcal - 4184 kj.)

HC—OH

+ NADPH

CH2OPCf"
1,3-difosfoglicerato

H—C—OH

+ NADP+

CH2OPO|Gliceraldehido 3-fosfato

En esta reacción se transfiere un par de electrones (junto con
un protón) del NADPH al sustrato 1,3-difosfoglicerato, reduciendo un átomo de carbono (indicado en rojo).
El NADP+, la forma oxidada del NADPH, se forma a
partir de NAD + en la siguiente reacción:
NAD+ + ATP = NADP+ + ADP
A continuación se puede formar NADPH mediante reducción de NADP+. Igual que el NADH, el NADPH es un
compuesto de "alta energía" debido a su elevado potencial
de transferencia de electrones; la pérdida de electrones a
partir de NADPH hacia un aceptor apropiado es una reacción muy favorecida. La transferencia de energía libre a
través de estos electrones eleva el aceptor a un estado más
energético, más reducido.
La separación del "poder reductor" en dos moléculas
distintas pero relacionadas, NADH y NADPH, refleja una


separación de su papel metabólico primario. Diferentes enzimas reconocen al NADH y al NADPH como coenzimas.
Las enzimas que tienen un papel reductor en las vías anabólicas reconocen al NADPH como su coenzima, en tanto
que las enzimas que actúan como deshidrogenasas en las
vías catabólkas reconocen al NAD+. Aunque se emplean
de manera diferente, las dos coenzimas son interconvertibles.
La enzima transhidrogenasa cataliza la reacción
NADH + NADP+==NAD+ + NADPH
Cuando la energía es abundante, la producción de NADPH
es favorecida, lo que suministra el aporte de electrones necesarios para la biosíntesis de nuevas macromolécuías esenciales para el crecimiento. Sin embargo, cuando los recursos
energéticos son escasos, la mayor parte de los electrones de
alta energía del NADH se "cambian a monedas circulantes"
de ATP y sólo se genera suficiente NADPH para satisfacer
los requerimientos mínimos biosintéticos de la célula. Como
resultado de esta regulación, un organismo integra sus procesos metabólicos a un "patrón de mercado" para satisfacer
las necesidades del momento.
Regulación metabólica
La cantidad de ATP presente en una célula en un momento
determinado es sorprendentemente pequeña. Por ejemplo,
una célula bacteriana contiene aproximadamente un millón
de moléculas de ATP cuya vida media es muy breve (entre
uno y dos segundos). Con tan limitado suministro es evidente que el ATP no es una molécula para almacenar gran
cantidad de energía libre. Las reservas energéticas de una
célula se almacenan como polisacáridos y grasas. Cuando
la concentración de ATP desciende se ponen en marcha las
reacciones para incrementar la formación del mismo a expensas de formas almacenadas ricas en energía. De manera
similar, cuando la concentración de ATP es alta se inhiben
las reacciones que normalmente producen ATP. Las células
tienen capacidad para regular estas importantes reacciones
que liberan energía mediante el control de ciertas enzimas
clave en algunas vías metabólicas.
Los cambios en la actividad de una enzima de ordinario se efectúan modificando la enzima de modo que se altere la forma de su sitio activo. Dos de los mecanismos más
comunes para lograrlo son la modificación covalente y la
modulación alostérica; ambas desempeñan un papel regulador clave en la oxidación de la glucosa.4
Alteración de la actividad de las enzimas
mediante modificación covalente

A mediados del decenio de 1950, Edmond Fischer y Edwin
Krebs, de la Universidad de Washington, estudiaron la/osforilnsa, una enzima presente en células musculares que
descompone el glucógeno en subunidades de glucosa. La
enzima podía existir en sus formas activa e inactiva. Fischer

4 También se puede regular el metabolismo controlando la concentración de las enzimas. La velocidad relativa de síntesis y la degradación
de enzimas se consideran en capítulos posteriores.

105

y Krebs prepararon un extracto crudo de células musculares y observaron que las moléculas de enzima inactiva del
extracto podían convertirse en activas simplemente añadiendo ATP al tubo de ensaye. Un análisis posterior reveló
una segunda enzima en el extracto, la "enzima convertidora", como ellos la llamaron, que transfiere un grupo fosfato
del ATP a uno de los 841 aminoácidos que constituyen la
molécula de la fosforilasa. La presencia del grupo fosfato
altera la forma del sitio activo en la molécula de la enzima
e incrementa su actividad catalítica. Una investigación subsecuente demostró que la modificación covalente de las enzimas, según se ilustra por la adición de fosfatos, es un
mecanismo general para activar (o inactivar) enzimas.
Las enzimas que transfieren grupos fosfato a otras proteínas se denominan proteincinasas y participan en la regulación de actividades tan diversas como la acción de hormonas, la división celular y la expresión de genes. Hay dos
tipos básicamente diferentes de proteincinasas: un tipo añade grupos fosfato a residuos específicos de tirosina en una
proteína de sustrato, el otro tipo añade fosfatos a residuos
específicos de serina o treonina en el sustrato. Como se analiza en la sección 15-2, la activación de fosforilasa por la
proteincinasa/os/ón/flSfl cinasa puede iniciarse incrementando la concentración de las hormonas glucagon y epinefrina
circulantes.
Alteración de la actividad ensimática
mediante modulación alostérica
La modulación alostérica es un mecanismo que puede inhibir o estimular la actividad de una enzima por medio de
un compuesto que se enlaza a un sitio alostérico, el cual
es un sitio especial distinto del sitio activo de la enzima.
Igual que el colapso secuencial de una fila de dominios, la
unión de un compuesto al sitio alostérico envía una "ondulación" a todo lo largo de la proteína que provoca un cambio definido en la forma del sitio activo, el cual puede localizarse en el lado opuesto de la enzima o incluso en un
polipéptido diferente dentro de la molécula de la proteína.
Según la enzima y el modulador alostérico particulares, el
cambio en la forma del sitio activo puede estimular o inhibir su capacidad para catalizar la reacción. La modulación
alostérica ilustra la íntima relación entre estructura molecular y función. Cambios muy pequeños en la estructura de la
enzima inducidos por el modulador alostérico pueden causar modificaciones notables en la actividad enzimática.
Las células son muy eficaces para fabricar plantas que
no desperdician energía ni materiales produciendo compuestos innecesarios. Uno de los principales mecanismos
que emplea la célula para interrumpir el ensamblado en las
líneas anabólicas es un tipo de modulación alostérica denominado inhibición por retroalimentación, en el cual la primera enzima de una vía metabólica se inactiva en forma
transitoria cuando la concentración del producto final de
dicha vía (por ejemplo, un aminoácido) se eleva. Esto se
ilustra en la simple vía mostrada en la figura 3-28, en la cual
dos sustratos, A y B, se convierten al producto final E. Conforme se eleva la concentración del producto E, éste se enlaza al sitio alostérico de la enzima BC y provoca un cambio
de conformación en el sitio activo, que disminuye la actividad de la enzima. La inhibición por retroalimentación pro-

106


porciona un medio para que la célula ejerza control inmediato y sensible sobre la actividad anabólica de la célula.
Separación de las vías catabólica y anabólica
Un breve examen de la vía anabólica que conduce a la formación de glucosa (gluconeogénesis) ilustra algunos aspectos importantes acerca de las vías sintéticas. ¿Cómo se puede sintetizar glucosa a partir de piruvato en una célula que
normalmente oxida glucosa como su principal fuente de
energía química? El primer punto importante es: aunque
las enzimas pueden catalizar una reacción en ambas direcciones, la formación de glucosa no puede iniciarse simplemente invirtiendo las reacciones de la glucólisis. La vía
glucolítica contiene tres reacciones termodinámicamente
irreversibles (fig. 3-24), y de alguna manera se deben superar estos pasos. Aun si se pudieran invertir todas las reacciones de la glucólisis, sería una manera indeseable de que
la célula ejecute sus actividades metabólicas, puesto que no
pueden controlarse por separado las dos vías. Así, una célula no puede disminuir la síntesis de glucosa y aumentar su
desdoblamiento porque las mismas enzimas estarían activas en ambas direcciones.

Si se comparan las vías para degradar la glucosa (glucólisis) con la vía para sintetizarla (gluconeogénesis), se observa que algunas reacciones son idénticas aunque ocurran
en direcciones opuestas, en tanto que otras son muy diferentes (pasos 1 a 3, figura 3-29). Empleando enzimas diferentes para catalizar distintas reacciones clave en dos vías
opuestas, la célula puede resolver los problemas termodínámicos y de regulación inherentes a su capacidad para
elaborar y degradar a las moléculas mismas.
Podemos ilustrar estos puntos considerando en mayor
detalle una de las enzimas clave de ambas reacciones, la
glucólisis y la gluconeogénesis. Como se indica en el paso 2
de la figura 3-29, la fosfofructocinasa, una enzima de la
glucólisis, cataliza la reacción
Fructosa 6-fosfato + ATP=Fructosa 1,6-difosf ato + ADP
que tiene una AG°' de -3.4 kcal/mol, que la convierte en
una reacción prácticamente irreversible. La reacción tiene
un -AG°' tan grande porque está acoplada a la hidrólisis
de ATP. En la gluconeogénesis, la formación de fructosa 6-

Sitio para
retroalirnentación
Sustratos
A

Enzima BC

Producto

Sitio
activo
ENZIMA ACTIVA
(Concentración elevada
de producto)

(Concentración baja
de producto}

Sitio para
retroalimentación

FIGURA 3-21t. Inhibición por retroalimentación. El flujo de metabolitos a lo largo de
una vía metabólica se detiene cuando la primera enzima de la vía (enzima BC) es inhibida
por el producto final de la vía (compuesto E) que se enlaza a un sitio alostérico de la
enzima. La inhibición por retroalimentación evita que una célula desperdicie recursos
continuando la producción de compuestos no necesarios y que incluso pueden ser tóxicos
si se permite que se acumulen.
Ciclo activo deformado
ENZIMA INACTIVA
la reacción se detiene)


fosfato es catalizada por la enzima fructosa
mediante la simple hidrólisis
Fructosa 1,6-difosfato + H2O==
Fructosa 6-fosfato + P¡

107

1,6-difosfatasa
Glucosa

ATP

AG°' = -3.9 kcal/mol

Las enzimas particulares de la glucólísis y la gluconeogénesís descritas antes son enzimas reguladoras clave
en sus respectivas vías. Aunque el ATP es un sustrato de la
fosfofructocínasa, también es un inhibidor alostérico, en
tanto que el ADP y el AMP son activadores alostéricos.
Cuando la concentración de ATP se eleva, la actividad de la
enzima disminuye de modo que no puede formarse ATP
adicional mediante glucólisis. Inversamente, cuando las concentraciones de ADP y AMP se elevan respecto de las de
ATP, la actividad de la enzima aumenta para promover la
formación adicional de ATP. Por lo contrario, la actividad
de la fructuosa 1,6-difosfatasa, una enzima clave de la gluconeogénesis, se regula por modificación covalente. Cuando la concentración de glucosa es alta, la enzima se inhibe
por fijación de un grupo fosfato a uno de sus residuos aminoácidos.
Como resultado de este tipo de regulación, la concentración de ATP por lo general no varía, pero permanece alta
a pesar de grandes variaciones en la demanda para su consumo. Es importante que la célula mantenga concentraciones altas de ATP en relación con las de ADP y AMP, porque
sólo de esa manera la ~AG de la hidrólisis de ATP permanece lo bastante grande para efectuar reacciones endergónicas. El descubrimiento y análisis de la modulación alosíérica y la modificación covalente reveló que los cambios en el
ambiente químico del interior de la célula pueden provocar
cambios de conformación y la consecuente actividad de una
macromolécula proteínica compleja.
En este capítulo nos concentramos en la conservación
de la energía química en forma de ATP y su consumo en e!
metabolismo. La energía almacenada en el ATP se emplea
en gran variedad de procesos (p. ej., figura 3-6). Analizaremos muchos a lo largo de este texto. Aquí subrayaremos
que el ATP no siempre se emplea para generar intermediarios fosforilados, como glutamilfosfato en la forma descrita
en este capítulo, En algunos casos, el fosfato se transfiere a
un residuo aminoácido de una proteína para inducir un
cambio de conformación, como ocurre, por ejemplo, durante el movimiento de iones sodio y potasio a través de la
membrana plasmática (véase figura 4-42). En otros casos, el
ATP se emplea sin formar moléculas fosforiladas; en lugar

i" = -4.0 kcal/mol

jG" = -2.9teal/mol

ADP'

Hexocinasa*

Glucosa 6-fosfatasa
Glucosa 6-fosfato

I t

Fructosa 6-fosfato

ATP

1

" = -3.4 kcal/mol ^
ADPr|
Fosfofructocínasa V

¿G" =-3.9 kcal/mol
Fructosa difosfatasa

Fructosa 1,6 difosfato

II
Í í
ií
Ií
it
Fosfoenolpiruvato
O

-GDP

JG"--7.5kcat,'mol

dG" = +0.2 kcal/mol
-GTP

Fosfoetiolpiruvato
carboxicinasa
Oxalacetalo

ADP
ATP

ADP
ATP Pimvato
carboxilasa

Pinivatocinasa

Píruvato

FIGUKA 3-2'). Glucólisis en comparación con gluconeogénesis.
La mayor parte de las reacciones son las mismas en las dos vías,
aunque corren en direcciones opuestas, pero las tres reacciones irreversibles de la glucólisis (pasos 1 al 3) en la vía de la gluconeogénesis
son reemplazadas por reacciones diferentes termodinámicamente
favorecidas.

de ello, el enlace del ATP (o liberación de ADP y P¡) a un
sitio de enlace dentro de una proíeína provoca el cambio de
conformación requerido (véase figura 9-62).

108



Determinación del mecanismo de acción de la lisozima
Un día de 1922, el bacteriólogo escocés Alexander Fleming,
quien sufría de catarro, descubrió que una gota de moco nasal
añadida a un cultivo de bacterias provoca lisis de las células.
Se descubrió que el agente del moco causante de la muerte de
las bacterias era una enzima a la cual Fleming denominó
lisozima. Los ensayos de Fleming para buscar sustancias con
actividad microbicida no eran casualidad. Luego de ver morir
a cientos de soldados por heridas infectadas durante la Primera Guerra Mundial, Fleming decidió dedicar su vida a la búsqueda de un agente microbicida eficaz y que al mismo tiempo
fuera relativamente no tóxico para el ser humano. A diferencia
de la penicilina, que Fleming descubrió en 1928, la lisozima no
tuvo aplicaciones clínicas. Sin embargo, desempeñó un papel
importante en el estudio de los mecanismos enzimáticos.
En 1966, David Phillips y sus colegas, de la Universidad
de Oxford, publicaron un detallado modelo de la estructura
terciaria de la lisozima, la primera enzima cuya estructura tridimensional se demostró utilizando cristalografía de rayos X.1'2 La lisozima se purificó de la clara del huevo de gallina, donde sirve para proteger de infecciones bacterianas al
embrión en desarrollo. La lisozima provoca lisis de bacterias
hidrolizando los enlaces glucosídicos dentro del polisacárido
de Ea pared celular bacteriana. La pared celular de las bacterias
sensibles (bacterias grampositivas) se compone de un copolímero en donde alternan dos aminoazúcares, N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico (fíg. VE 3-1).
Este sustrato normal para la lisozima es un polisacárido
polirnérico de gran tamaño. No es fácil estudiar la enzima en
tanto permanezca enlazada a su sustrato normal, de modo que
Phillips y sus colegas emprendieron la búsqueda de un inhibidor de bajo peso molecular parecido al sustrato pero que no
fuera hidrolizado. Encontraron que la cadena más larga de
azúcares que podía ocupar el sitio activo correspondiente a las
moléculas de lisozima en su forma cristalina consistía en tres
unidades unidas de Aí-acetilglucosamina, a ía cual nos referiremos como (NAG)s. Cuando se prepararon cristales de la

enzima en presencia de (NAGJs y luego se sometieron a
difracción de rayos X, se observó la molécula (NAGJs ocupando una hendidura oval dentro de la enzima llenando casi la
mitad de la longitud de la hendidura. También se observó que
el trisacárido se enlazaba a la enzima mediante enlaces de
hidrógeno y fuerzas de van der Waals. Según datos obtenidos
mediante la construcción de modelos del complejo enzimasustrato, Phillips extrapoló los resultados con (NAG)s a moléculas de mayor tamaño y propuso que el sitio activo de la
enzima contenía seis subsitios (A a F), cada uno unido a un
solo azúcar a lo largo de la cadena del polisacárido. En otras
palabras, la hendidura estaría normalmente ocupada por seis
unidades adyacentes de azúcar de la pared celular del polisacárido (fig. VE 3-2).
El análisis de la estructura del complejo enzima-(NAG)3
sugirió un mecanismo para explicar la actividad hidrolítica de
la enzima.2-3 Cuando se enlazan seis unidades adyacentes
de azúcar en la hendidura de la enzima, uno de los azúcares
(e! cuarto o azúcar D de la figura VE 3-2) no se acomoda con
facilidad en el espacio disponible. Para acomodar este azúcar
debía forzarse la conformación normal de silla fpág. 43) y aplanarla a una forma aproximada de media silla (fig. VE 3-3).
Debido a la tensión física a que está sujeta esta parte del sustrato, y por otras razones, Phillips propuso que el enlace glucosídico que une a los azúcares residentes en los subsitios D y E
(azúcares 4 y 5) sería el enlace hidrolizado.
Un examen más detallado de la región de la enzima vecina al enlace giucosídico reveló que los dos residuos aminoácidos se encontraban a una distancia del enlace de unos 0.3 nm
a cada lado. Uno de los residuos era ácido aspártico y el otro
ácido glutámico, ambos con cadenas laterales que contienen
carboxilos. Cuando se consideró el medio de estos dos residuos se esperaba que los estados de ionización de los dos
grupos carboxilo eran muy diferentes. El medio del ácido glutámico es no polar, lo cual debía impedir la disociación de su
protón, en tanto que el ácido aspártico es polar, lo cual debía

-OH

CH,

NAG

NAM

NAG

FIGURA VE 3-1. El polisacárido de la pared celular bacteriana, el sustrato de la lisozima, consta de residuos alternados de ácido N-acetilmurámico (NAM) y N-acetilglucosamina (NAG).


109

Principal cadena
de la lisozima

FIGURA VE 3-2. Modelo simplificado de una molécula de lisozima
que muestra un hexasacárido enlazado a la grieta de la enzima. Se
indica la ubicación de aminoácidos clave en la enzima.

promover la disociación del protón dejando el residuo aspartil
con carga negativa. Empleando esta información basada sólo
en la estructura de la proteína, Phillips propuso el siguiente
mecanismo catalítico (fig. VE 3-3).
En el primer paso del mecanismo de reacción propuesto,
la separación del enlace glucosídico se lleva a cabo por interacción del enlace con el ácido giutámico en íntima aposición.
Debido a la polaridad del enlace glucosídico, el átomo de oxígeno dei sustrato es suficientemente electronegativo para separar al protón desde su grupo carbonilo no disociado del
ácido glutámico y provocar hidrólisis acida del enlace con el
sustrato. El rompimiento del enlace por el protón deja al átomo de carbono del sustrato con exceso de carga positiva; un
carbono cargado positivamente se denomina ion carbonio. La
formación del ion carbonio se facilita por la deformación del
azúcar luego de su enlace a la enzima. Esta molécula deformada y con carga positiva corresponde a la molécula del sustrato
corno existe en el estado de transición (pág. 88). Se observó que
las enzimas actúan estabilizando el estado de transición, y por
lo tanto favoreciendo la formación de producto. En el caso de
la lisozima, el carbonio con carga positiva se estabiliza por la
presencia cercana de un ácido aspártico cargado negativamen-

FIGURA VE 3-3. Mecanismo de acción de la lisozima propuesto
por Phillips. El enlace entre los azúcares cuarto (D) y quinto (E) del
hexasacárido que reside en la hendidura de la molécula de la lisozima
se desdobla por hidrólisis acida utilizando un protón donado por el
grupo carboxilo del residuo de ácido glutámico en íntima aposición.
La formación del ion carbonio con carga positiva en la posición Cl del
azúcar D se facilita por la deformación del azúcar mostrada en la
figura y estabilizada por el residuo de ácido aspártico cercano de
la enzima. En el paso final el ion carbonio reacciona con un grupo
OH~ del solvente.

te en la enzima. La reacción del ion carbonio con el ion hidroxilo del solvente concluye la hidrólisis. Como es característico de todo buen modelo, con el mecanismo propuesto para la
lisozima se podían hacer muchas predicciones, las cuales pronto
fueron sometidas a prueba.
El análisis de la capacidad de la lisozima para atacar sustratos de diferente longitud suministró el primer apoyo para el
modelo.4 Los oligosacáridos compuestos de dos, tres o cuatro
unidades NAG no fueron hidrolizados por la enzima (cuadro
VE 3-1). Cuando se le ofreció un sustrato de cinco unidades se
observó hidrólisis lenta. Por lo contrario, un oligosacárido de
seis unidades (un hexámero) fue hidrolizado por la enzima

110


CUADRO VE 3-1. Velocidades relativas de hidrólisis
para el oligosacárido JV-acetilglucosamina
Sacando
(NAG}2
{NAG)4
(NAG)3
(NAG)6

Velocidad relativa
0.003

1.0
4000
30000

FUENTE: J.A. Rupley y V. Gates, Proc. Nati Acad. Sci. U.S.A. 57:500,
1967.

con eficacia comparable a la hidrólisis de una preparación de
polisacáridos de la pared celular. El oligosacárido de seis unidades es lo bastante grande para ocupar el sitio activo. Como
se predijo, el hexasacárido fue desdoblado entre el cuarto y el
quinto azúcares generando productos que constaban de cuatro y dos unidades de azúcar.
(NAG}6 -> (NAG)4 + {NAG)2
Un aspecto clave del modelo es la incapacidad del sustrato natural para enlazarse a la enzima sin sufrir deformación.
Esta última es resultado de la presencia de un voluminoso
grupo hidroximetilo (—Ct^OH) sobre el carbono seis del cuarto
azúcar del sustrato (fig. VE 3-3). En caso de eliminar el
hidroximetilo, el sustrato debe enlazarse a la enzima con mayor facilidad. Esto es precisamente lo que se observó cuando
se incubó la enzima con una versión modificada de (NAG)4 en
la cual el cuarto NAG se alteró suprimiendo el grupo CÜ2OH
(el cuarto grupo era una N-acetilxilosamina en vez de una Nacetilglucosamina). Según la predicción, este oligosacárido
modificado se enlazó a una fuerza 40 a 50 veces mayor que la
enzima con (NAG)4.5
Si el modelo de Phillips para la lisozima es correcto y sólo
el cuarto de los seis azúcares en el sitio activo está sujeto a
tensión física, entonces el enlace de este azúcar a su subsitio en
la enzima debe tener propiedades termodinámicas diferentes
en comparación con el enlace de otros azúcares. Mediante estudios de cinética en los cuales se enlazaron docenas de diferentes azúcares a la lisozima fue posible medir si la unión de
cada azúcar a! sustrato en su respectivo subsitio era favorecida
(-AG) o desfavorecida (+AG). 6 Cuando esto se llevó a cabo se
observó que sólo era desfavoracido el enlace del residuo de
azúcar al subsitio D (+2.9 kcal/mol como mínimo), lo cual,
una vez más, apoya el modelo propuesto. La energía requerida para enlazar el cuarto azúcar está más que compensada por
la energía liberada cuando los otros azúcares se enlazan a la
enzima.
En el modelo de Phillips, la distorsión del cuarto azúcar
en el sustrato pone a tensión el enlace glucosídico, lo que ayu-

da en la hidrólisis del enlace. Este azúcar deformado es un
elemento importante en la estructura propuesta para el sustrato durante el estado de transición. En 1948, Linus Pauling sugirió que "las enzimas son moléculas con estructura complementaria para los complejos activados de las reacciones que
catalizan". En otras palabras, no es el sustrato inicial con el
cual la enzima es más complementaria, sino con los estados de
transición de arta energía formados conforme los reactantes
están listos para convertirse en producto. Si esto es cierto, entonces los inhibidores parecidos a la molécula en estado de transición deben enlazarse a la enzima con mucha mayor fuerza
que los inhibidores parecidos al sustrato original. Los inhibidores de este tipo se denominan análogos del estado de transición
(AET).7 En 1972 se probó un análogo del estado de transición
para la lisozima denominado TACL (tetra-N-acetilquitotetrosa).8 E! análogo recuerda al (NAG)4, excepto porque su residuo azúcar terminal se oxida para formar una lactona delta,
CH2OH

NAG
(en estado de transición)

que por lo tanto simula la conformación deformada del azúcar
D propuesta por Phillips como estructura del estado de transición. El enlace de TACL a lisozima se cuantificó por su capacidad para inhibir la lisis catalizada por la lisozima de un cultivo
de células bacterianas sensibles. Cuando se probó a pH cercano al de ía enzima óptimamente activa se requirió una concentración 100 veces mayor de (NAG)4 (un inhibidor que recuerda al sustrato) en comparación con TACL (un inhibidor
parecido al estado de transición) para lograr el mismo grado
de inhibición de la lisis celular. Estos resultados apoyan la
sugerencia de que el sustrato deformado corresponde a un
estado de transición. Los cálculos efectuados a partir de los
datos indicaron que TACL se enlaza aproximadamente con
fuerza 3 600 veces mayor a la enzima que el tetrasacárido no
modificado (NAG)4. Estos investigadores concluyeron que la
tensión causada por el enlace al sustrato podía incrementar
la velocidad de catálisis por un factor de 103 a 104.
Otra predicción hecha por el modelo de Phillips es que
dos aminoácidos clave, Asp 52 y Glu 35, deben tener propiedades de ionización muy diferentes debido a diferencias en la


polaridad de su medio. La lisozima muestra actividad óptima
a pH 5. A ese pH el modelo propone que el grupo carboxilo de
Glu 35 debe permanecer sobre su protón, ya que es el protón
donado durante la catálisis acida. Sin embargo, a este mismo
pH, Asp 52 debe tener carga negativa y ser capaz de estabilizar
el ion carbonio con carga positiva. La mejor medida del estado
de ionización de estos dos grupos carboxilo se logra con una
técnica llamada dicroísmo circular, que depende de la absorción de luz poíarizada y es muy sensible a cambios en el estado de una proteína. El espectro del dicroísmo circular de la
lisozima muestra una fuerte banda de absorción en la longitud
de onda de 305 nm, que puede trazarse hasta un residuo de
triptófano específico (Trp 108) en la proteína. Trp 108 está muy
próximo a Glu 35, el cual a su vez está cercano a Asp 52.
Debido a esta proximidad, los cambios en el pH que alteran el
estado de ionización de los grupos carboxilo de Glu 35 o Asp
52 tienen efecto sobre el espectro de dicroísmo circular derivado de Trp 108. La comparación de los datos del dicroísmo
circular obtenidos con diferentes pH indican que el pK de Glu
35 (pH en el cual la mitad de los grupos están protonados y la
otra mitad ionizados) es de 6.1, inusitadamente alto (un valor
típico sería 4.4).9 Por lo contrario, el pK de Asp 52 es de casi
3.4. De conformidad con lo predicho por el modelo, el grupo
glutamilcarboxilo retiene su protón a pH 5, en tanto que el
aspartilcarboxilo está cargado negativamente.
Otros medios para estudiar aminoácidos clave es modificar selectivamente dichos residuos y medir el efecto sobre la
actividad catalítica de la enzima. La modificación química de
enzimas nos lleva de inmediato a considerar las técnicas con
las cuales han trabajado los químicos orgánicos en los últimos
150 años, justo para modificar cualquier residuo de aminoácidos. Una vez modificado el residuo y cuantificada la actividad
de la enzima se puede digerir la enzima en fragmentos y verificar ¡a modificación precisa. La primera publicación de la actividad de una íisozima modificada químicamente se publicó
en 1969.10 Estos investigadores encontraron que cuando trataban la lisozima con un agente (trietiloxonioflouroborato) que
"eliminó" el grupo carboxilo de Asp 52 (conviertiéndolo en un
etiléster), la enzima modificada perdía toda actividad catalítica
aunque seguía enlazada al sustrato con elevada afinidad. Experimentos subsiguientes en ¡os cuales se modificaron químicamente Asp 52 y Glu 35 confirmaron la expectativa de que
ambos residuos deben permanecer en su estado nativo para
que la enzima permanezca activa.11 En contraste, si los otros
grupos carboxilo de la enzima se esterifican aunque los grupos
carboxilo de Asp 52 y Glu 35 no se afecten (lo cual se logra
efectuando la esterificación mientras la enzima está unida al
sustrato), la enzima retiene su actividad.
Con el desarrollo de nuevas técnicas del DNA es posible
hacer delecciones, adiciones o sustituciones a cualquier polipéptido cuyo gen haya sido previamente aislado. Mediante
esta técnica, denominada mutagénesis dirigida al sitio (MDS),

111

se puede alterar específicamente la secuencia de nucleótidos
de modo que se reemplaza un aminoácido en el polipéptido
por otro aminoácido elegido por el investigador. Cualquier
aminoácido de la proteína se puede reemplazar y el investigador puede tener la certeza de que todas las moléculas
de proteínas producidas tienen la alteración. El primer uso de
MDS en el estudio de la lisozima se publicó en 1989.12 En este
trabajo se estudiaron los papeles de Asp 52 y Glu 35 probando
la actividad de proteínas mutantes en las cuales se habían
reemplazado estos residuos de aminoácidos. Como era de esperar de los estudios previos, las proteínas imitantes en las
cuales se reemplazaron ambos aminoácidos eran catalíticamente inactivas. En un estudio subsecuente se probó la importancia del residuo hidrofóbico en contacto con Glu 35 sustituyendo Trp 108 por un aminoácido polar (una asparagina,
pág. 52}. La enzima modificada perdió más de 98% de su actividad.13 Podemos concluir que el mecanismo de reacción propuesto por Phillips hace 30 años ha resistido la prueba del
tiempo de manera notablemente satisfactoria.

BIBLIOGRAFÍA
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13. Inoue, M. 1992. Múltiple role of hydrophobicity of Tryptophan108 in chicken lysozyme. Biochem. 31:5545-5553.

112


SINOPSIS
Energía es la capacidad para hacer trabajo. La energía puede
ocurrir en diferentes formas, incluyendo química, mecánica,
luminosa, eléctrica y térmica, que pueden convertirse una en
otra. Siempre que ocurre intercambio de energía, la cantidad
total de energía en el universo permanece constante, pero se
pierde energía libre, o sea, energía disponible para efectuar
trabajo. La energía utilizable perdida como entropía es resultado de incremento de los movimientos al azar y el desorden del
universo. Los organismos vivos son sistemas con poca entropía
y se mantienen gracias al ingreso constante de energía externa
derivada en último término del sol (p. 78),
Todas las transformaciones energéticas espontáneas (exergónicas) proceden desde un estado de mayor energía libre a
un estado de menor energía libre; la AG debe ser negativa.
En una reacción química, AG equivale a la diferencia en el
contenido de energía libre entre los reactantes y los productos.
Cuanto mayor sea AG más alejada se encuentra la reacción de
equilibrio. Conforme la reacción procede, AG disminuye y llega a cero en equilibrio. Para comparar los cambios de energía
que ocurren durante distintas reacciones químicas se determinan las diferencias de energía libre entre reactantes y productos en un conjunto de condiciones estándar denotadas como
AG 0 '. AG 0 ' = -2.303 RT log K'eq; las reacciones con constante
de equilibrio mayor que la unidad tienen valores AG 0 ' negativos. Debe recordarse que AG0' es un valor fijo que describe la
dirección en la cual procede una reacción cuando la mezcla de
reacción se encuentra en condiciones estándar. Esta no tiene
valor para determinar la dirección de una reacción que ocurre
en un momento particular en la célula, gobernada por AG y
que depende de la concentración de reactantes y productos en
ese momento. Las reacciones dentro de las células con valores
AG 0 ' positivos (como la reacción en la cual el fosfato de dihidroxiacetona se convierte en gliceraldehido 3-fosfato) pueden
ocurrir en la célula porque la relación entre reactantes y productos se mantiene en un valor mayor que el predicho por Keq

La hidrólisis de ATP es una reacción muy favorecida (DG01
= —7.3 kcal/mol) y se puede usar para efectuar reacciones
que de otro modo no serían favorables. El empleo de la hidrólisis de ATP para efectuar reacciones no favorables se ilustra
con la síntesis de glutamina a partir de ácido glutámico y NHs
(AG0' = +3.4 kcal/mol). La reacción ocurre por la formación de
un intermediario común, fosfato de glutamilo. La hidrólisis
de ATP puede participar en procesos como éstos debido a que
las células mantienen una elevada proporción [ATP]/[ADP]
bastante arriba del equilibrio, lo que indica que el metabolismo de ordinario opera bajo condiciones de no equilibrio. Esto
no significa que cada reacción deba mantenerse en equilibrio.
Más bien, ciertas reacciones clave en una vía metabólica ocurren con valores AG negativos grandes, que las hace esencialmente irreversibles dentro de la célula y permiten operar toda
la vía completa. La concentración de reactantes y productos
puede mantenerse en cifras relativamente constantes de no
equilibrio (estado estacionario) dentro de la célula debido a
que los materiales fluyen en forma continua al interior de la

célula desde el medio externo y los productos de desecho se
eliminan continuamente (p. 86).
Las enzimas son proteínas que aceleran mucho la velocidad
de reacciones químicas específicas al enlazarse a los reactantes e incrementando la posibilidad de que se conviertan en
productos. Como todo verdadero catalizador, las enzimas están presentes en pequeña cantidad, no se alteran de manera
irreversible en el curso de la reacción y no tienen efecto sobre
la termodinámica de la reacción. Por lo tanto, las enzimas no
pueden iniciar reacciones no favorables (+AG) para que procedan hacia delante, ni pueden cambiar la proporción entre
productos y reactantes en el equilibrio. Como catalizadores,
las enzimas sólo pueden acelerar la velocidad de reacciones
favorecidas que ocurren en las condiciones de temperatura y
pH leves observadas en las células. Las enzimas también se
caracterizan por un alto grado de especificidad respecto de sus
sustratos, catálisis muy eficaz prácticamente sin efectos indeseables, y la oportunidad de regular su actividad catalítica

Las enzimas actúan al descender la energía de activación
(EA)/ la energía cinética requerida por los reactantes para
someterse a la reacción. Como resultado, un porcentaje mucho mayor de las moléculas reactantes posee la energía necesaria para convertirse en productos en presencia de una enzima.
Las enzimas descienden EA por la formación de un complejo
enzima-sustrato. La parte de la enzima que se enlaza al sustrato se denomina sitio activo, que también contiene las cadenas
necesarias de aminoácidos, cofactores, o ambos, que influyen
en el sustrato de modo que facilite la transformación química.
Entre los mecanismos que facilitan la catálisis, las enzimas
tienen capacidad para mantener a los reactantes en la orientación apropiada, y también poseen la capacidad de hacer más
reactivos a los sustratos al influir en sus características electrónicas y ejercer tensión física que debilita ciertos enlaces dentro
del sustrato (p. 89).
Metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que
ocurren dentro de la célula. Estas reacciones se pueden agrupar en vías metabólicas que contienen una secuencia de reacciones químicas en la cual cada reacción es catalizada por una
enzima específica. Las vías metabólicas se dividen en dos tipos
muy amplios: vías catabólicas, en las cuales los compuestos se
descomponen y se libera energía, y vías anabólicas, que llevan
a la síntesis de compuestos más complejos empleando la energía almacenada en las células. Las macromoléculas de diversas
estructuras son degradadas por las vías catabólicas a metabolitos pequeños de peso molecular relativamente bajo que constituyen la materia prima para la vía anabólica divergente.
Ambos tipos de vías incluyen reacciones de oxidorreducción,
en las cuales se transfieren electrones de un sustrato a otro
incrementando el estado de reducción del recipiente y el estado de oxidación del donador (p. 96).
El estado de reducción de una molécula orgánica, según puede medirse por el número de hidrógenos por átomo de car-

CAPITULO 3 • Energía, enzimas i/ metabolismo

bono, regularmente suministra una medida del contenido
energético de la molécula. Un mol de glucosa completamente
oxidada hasta CC»2 y H^O libera 686 kcal, en tanto que la conversión de un mol de ADP en ATP sólo requiere 7.3 kcal. Por
lo tanto, la oxidación de una molécula de glucosa puede producir suficiente energía para generar numerosas moléculas de
ATP. La primera etapa del catabolismo de la glucosa es la

113

glucólisis, en la cual se convierte glucosa a piruvato con una
ganancia neta de dos moléculas de ATP y dos moléculas de
NADH. Las moléculas de ATP se producen por fosforilación a
nivel de sustrato mediante la transferencia de un grupo fosfato
del sustrato al ADP. En presencia de C>2, la mayor parte de las
células oxidan NADH mediante una cadena transportadora
de electrones, formando ATP por respiración aerobia (p. 100).

PREGUNTAS DE REPASO
1. Describa las diferencias entre la primera y la segunda ley
de la termodinámica y explique por qué, cuando se consideran juntas, pueden describir los acontecimientos que
ocurren en el universo.
2. ¿De qué manera concuerda la conservación del orden en el
estado vivo con la segunda ley de la termodinámica?
3. Describir dos ejemplos en los cuales la entropía de un sistema disminuye y dos ejemplos en los cuales la entropía
del sistema aumenta.
4. Analizar las diferencias entre AG y AG°'; entre AG° y AG°';
entre la velocidad de reacciones hacia adelante y a la inversa cuando AG es negativo, cero o positivo. ¿Cuál es la relación entre AG 0 ' y K' eq ? ¿Cómo puede una célula efectuar
una reacción que tiene +AG 0 ' ?
5. ¿Cómo puede una célula mantener una proporción [ATP]/
[ADP] mayor que uno? ¿Cómo difiere esta relación de la
esperada en el equilibrio?
6. ¿Por qué no se puede formar hielo a temperaturas mayores
de 0°C?
7. ¿Cuáles reacciones de glucólisis se acoplan a la hidrólisis
del ATP? ¿Cuáles reacciones implican fosforilación a nivel
de sustrato? ¿Qué reacciones dependen de fermentación
o de respiración aerobia para continuar?
8. ¿Cómo es posible lograr una reacción caracterizada por un
AG grande y una EA pequeña? ¿Una E A grande y una AG
pequeña?

9. Explicar cómo las enzimas pueden ser tan específicas en
relación con el sustrato al cual se unen.
10. Examinar una de las figuras que ilustran los pasos en una
reacción catalizada enzimáticamente y describir qué está
ocurriendo, sin leer el pie de la figura ni el texto correspondiente.
11. ¿Por qué se describen las vías catabólicas como convergentes, en tanto que las vías anabólicas se describen como
divergentes?
12. Comparar la energía obtenida por células que oxidan glucosa de manera anaerobia y de manera aerobia. ¿Cuál es la
diferencia en los productos finales de estos dos tipos de
metabolismo?
13. Explicar qué significa potencial de transferencia de fosfatos. ¿Cómo se compara el potencial de transferencia de
fosfatos del fosfoenolpiruvato contra el de ATP? ¿Qué significa esto termodinámicarnente (o sea, en términos de AG°'
relativa de hidrólisis)? ¿Qué significa en términos de afinidad para grupos fosfato?
14. ¿Por qué se considera el poder reductor como una forma
de energía?
15. Distinguir entre número de recambio y Vmáx.

1. ¿Cómo se espera que un descenso de pH afecte una reacción catalizada por quimotripsina? ¿Por lisozima? ¿Cómo
puede un incremento de pH afectar estas dos reacciones?
2. ¿Por qué esperaría usted que la inhibición por retroalirnentación en condiciones típicas altere la actividad de la primera enzima de una vía metabólica en vez de una de las
últimas enzimas de la vía?
3. Después de revisar las reacciones de la formación de
glutamina en la página 85, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es cierta en relación con la tercera reacción (o completa}? Explicar por qué su respuesta es verdadera o falsa.
a. Si la reacción se escribiera en sentido inverso, su AG0'
sería 4-3.9 kcal/mol.
b. Si todos los reactantes y productos se encontraran en
condiciones estándar al iniciar el experimento, luego de
cierto tiempo la proporción [NHjj/tADP] disminuiría.
c. Conforme la reacción procede, el AG°' se aproxima cada
vez más a cero.

d. En el equilibrio, ¡as reacciones hacia adelante y a la inversa son iguales y la proporción [ATP]/[ADP] se convierte en la unidad.
e. Es posible formar glutamina en la célula cuando la proporción [glutamina]/[ácido glutámico] es mayor que
uno.
4. Se acaba de aislar una nueva enzima y tiene determinada
velocidad de reacción para tres diferentes concentraciones
de sustratos. ¿Estaría usted de acuerdo en que la pendiente de la curva del producto contra el tiempo es igual para
las tres concentraciones? ¿Qué podría usted concluir acerca de las condiciones de la mezcla de reacción?
5. Clasifique los siguientes tres compuestos en relación con
su potencial para transferir fosfato: ATP, fosfoenolpiruvato,
glutamilfosfato.
6. En la reacción R-= P, si un mol de producto tiene la misma
energía libre que un mol de reactante, ¿cuál es el valor de
la fCgq de esta reacción? ¿Cuál es el valor de AG°7

114


7. ¿Qué se quiere decir en términos de relaciones de concentración cuando se expresa que la AG de la hidrólisis de
ATP es aproximadamente -12 kcal/mol, en tanto que la
AG 0 ' es -7.3 kcal/mol?
8. ¿Cuál es la fuente de los dos grupos fosfato en la molécula
1,3-difosfoglicerato, un intermediario merabóíico de la glucólisis?
9. Si en la reacción A ; =B se determinó que la K'eq es 103,
¿cuál sería la AG 0 ' para la reacción? ¿Cuál sería la AG 0 ' si
ía K'eq se hubiera determinado que es 10~3? ¿Cuál es la K' eq
de la reacción de hexocinasa indicada en la figura 3-23?
10. La AG 0 ' de la reacción acetilfosfato + ADP = acetato +
ATP es —2.8 kcal/mol. Molécula por molécula, el acetilfosfato tiene (mayor, menor, igual) energía libre que el ATP
en relación con su compuesto desfosforilado; el ADP tiene
(mayor, menor, igual) afinidad para el fosfato en comparación con el acetato). (Encerrar en un círculo las respuestas
correctas.)
11. Si la reacción XA + Y = XY + A tiene una AG 0 ' de +7.3
kcal/mol, ¿podría ocurrir esta reacción en la célula mediante acoplamiento a hidrólisis de ATP? ¿Por qué sí o por

qué no?

12. En una serie de reaciones, A -> B —> C —> D, se determinó
que la constante de equilibrio para la segunda reacción (B
a C) es de 0.1. En una célula viva, esperaría usted que la
concentración de C sea: 1) igual a B; 2) Un décimo de B; 3)
menos de un décimo de B; 4) 10 veces la de B; 5) más de 10
veces la de B? (Encerrar en un círculo todas las respuestas
correctas.)
13. La reacción del compuesto X con el compuesto. Y para producir el compuesto Z es una reacción no favorecida (AG D Í
= +5 kcal/mol). Escribir la reacción química que ocurriría
si se utiliza ATP para manejar la reacción.
14. El ATP evolucionó como la molécula central en el metabolismo energético. ¿Podría el 1,3-difosfoglicerato servir para
la misma función? ¿Por qué sí o por qué no?
15. Calcular la AG para la hidrólisis del ATP en una célula en
la cual la proporción [ATP]/[ADP] se ha elevado hasta
100:1, en tanto que la concentración de P¡ permanece igual
a 10 mM. ¿Cómo se puede comparar la proporción [ATP]/
[ADP] cuando la reacción está en equilibrio y la concentración de P¡ permanece en 10 mM? ¿Cuál será el valor para
AG cuando reactantes y productos se encuentren en condiciones estándar (1 M}?

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CAPITULO

4

Estructura y Junción
de la membrana plasmática
Resumen de las funciones de la membrana
Conceptos generales de la estructura de la membrana
plasmática
4-:i Lípidos y fluidez de la membrana
4-1 Naturaleza dinámica de la membrana plasmática

1-.", Movimiento de sustancias a través de membranas
celulares
La perspectiva humana: Fibrosis quística: importancia
clínica del transporte de membrana
Potenciales de membrana e impulsos nerviosos
La vía experimental: El receptor para acetÜcolina

as paredes
una casa o de un
Lhabitantes deexternas deexterno yimpredecibleautomóvila
constituyen una barrera fuerte rígida que protege
los
un mundo
y áspero.

FIGURA 4-A- Disposición tridimensional de los polipéptidos que constituyen el centro de reacción fotosintetica residente en ¡a membrana plasmática de una bacteria. Se muestran en amarillo, azul y verde los diferentes
pülipcptidos situados en el centro de reacción. (Tomado de G. Feher, J.P.
Alien, M..Y. Okamura y D.C. Ree$. Reimpreso, con permiso, de Nature
339:313, 1989. Copyright 1989, Macmülan Magazines Limited.)

Se podría esperar que el límite exterior de una célula viviente consistiera igualmente de una barrera dura e impenetrable, puesto que también debe proteger al delicado contenido interno contra los rigores de un inhóspito mundo no
viviente. Aun así, las células están separadas del ambiente
externo por una estructura denominada membrana plasmática, que sólo tiene unas cuantas moléculas de espesor (5
a 10 nm). Se necesitarían 1 000 membranas plasmáticas
apiladas una sobre otra para igualar el espesor de una sola
página de este libro.
Debido a su delgadez, cuando se examina un corte de
la célula con microscopio de luz no se descubre signo alguno de la membrana plasmática. En realidad, no fue sino
hasta finales del decenio de 1950 que las técnicas para preparar y teñir tejidos habían progresado hasta el punto que
permitieron observar con claridad la membrana plasmática
mediante microscopio electrónico. Las primeras micrografías electrónicas, como las logradas por J.D. Robertson, de la
Universidad Duke, mostraron la membrana plasmática
como una estructura de tres capas compuesta por-dos capas
de color oscuro orientadas hacia afuera y enmedio una
capa de color claro (fig. 4-1, a). Todas las membranas que se
examinaron con detalle, ya fueran plasmáticas, nucleares o
citoplásmicas (fig. 4-1, b], o las tomadas de plantas, animales o microorganismos, mostraron esta misma ultraestruCtura. Además de suministrar una imagen visible de está
importante y vital estructura celular, esas micrografías electrónicas generaron un acalorado debate respecto de la composición molecular de las diferentes capas de una membra115

116

CAPITULO 4 • Estructura y función de la membrana plasmática

na, discusión que llegó al punto medular del tema referente
a la estructura y función de la membrana. Más adelante
retornaremos a la estructura de la membrana, pero primero
examinaremos algunas de las principales funciones de la
membrana en una célula viva (fig. 4-2).

4-1 Resumen de las funciones
de la membrana
1. Compartamentalización. Las membranas son hojas
continuas, sin aberturas, como las que encierran los compartimientos intracelulares. La membrana plasmática rodea todo el contenido de la célula, en tanto que las membranas nuclear y citoplásmica incluyen varios espacios celulares
internos en los cuates tienen lugar actividades especializadas. Igual que el espacio dentro de un edificio debe dividirse para tener actividades de diferente tipo en sus compartimientos con un mínimo de interferencia externa, así
también debe dividirse la célula. En la célula, la compartamentalización es particularmente importante debido a que
los diferentes espacios están llenos de líquido, y si estos
líquidos se mezclaran sería desastroso.
2. Las membranas constituyen barreras selectivamente permeables. Las membranas impiden el libre intercam-

bio de materiales de un lado a otro, pero al mismo tiempo
proporcionan el medio para comunicar un espacio con otro.
La membrana plasmática debe garantizar que las sustancias
apropiadas penetren al citoplasma desde el espacio externo
y las sustancias ínapropiadas salgan de la célula. En esta
función, la membrana plasmática actúa como barrera selectivamente permeable.
3. Transporte de solutos. La membrana plasmática contiene los mecanismos para transportar físicamente sustancias de un lado al otro de la membrana, con frecuencia.de
una región donde un soluto se encuentra en baja concentración a otra donde dicho soluto muestra concentración más
alta. Los mecanismos de transporte de la membrana permiten que la célula acumule azúcares y aminoácidos, necesarios como energéticos de su metabolismo y para construir
sus macromoléculas. La membrana plasmática tiene otra
función relacionada con el transporte de solutos, que consiste en separar iones con carga opuesta y establecer gradientes
iónicos. Esta capacidad es crucial para las células nerviosas
y musculares, pero también puede desempeñar un pape! en
la respuesta de cualquier célula a su ambiente.
4. Respuesta a señales externas. La membrana plasmática tiene una función rnuy importante en la respuesta
de una célula a los estímulos externos, proceso conocido
como transducción de señales. Las membranas poseen re-

FIGURA 4-1. Aspecto trilaminar de las membranas, a) Micrografía
electrónica que muestra la estructura en tres capas (trilaminar) de la
membrana plasmática de un eritrocito. Las flechas indican los bordes
interno y externo, b) Borde externo de una célula muscular diferenciada
desarrollada en un cultivo que muestra la estructura trilaminar similar a
la de la membrana plasmática (MP) y la membrana del retículo endoplásmico liso (REL). (a: Cortesía de /.D, Robertson; b: según Ancirew R. Murks y
cois. J. Cell Biol. 114:307, 1991; con autorización de RockefeHer Univers'üy
Press.)

(a)

(b)


117

(4)

Hormona

FIGURA 4-2. Resumen de las funciones de la membrana en una célula vegetal. 1) Ejemplo de una membrana compartamentalizada en la
cual las enzimas hidrolíticas (hidrolasas acidas) quedan encerradas dentro de una vacuola rodeada por una membrana. 2) Ejemplo del papel
de las membramas como barrera selectivamente permeable. Las moléculas de agua pueden penetrar rápidamente a través de la membrana
plasmática llenando el espacio disponible dentro cíe la célula vegetal y ejerciendo presión contra su pared celular. 3) Ejemplo de transporte de
soluto. Los iones hidrógeno producidos por varios procesos metabólicos en el citoplasma son bombeados fuera de las células vegetales hacia
el espacio extracelular por una proteína de transporte localizada en la membrana plasmática. 4) Ejemplo de la participación de una membrana
en la transferencia de información de un lado a otro (transducción de señales). En este caso, una hormona (p. ej., ácido abscísico) se enlaza a
la superficie externa de la membrana plasmática y desencadena la liberación de un mensaje químico (como IPs) dentro del citoplasma. En este
caso, 1?3 provoca la liberación de Ca2+ de un almacén citoplásmico. 5) Ejemplo del papel de la membrana en la comunicación de célula a célula.
Los orificios entre células vegetales adyacentes, denominados plasmodesmata, permiten que los materiales se desplacen directamente del
citoplasma de una célula a sus vecinas. 6) Ejemplo del papel de las membranas citoplásmicas como sitio de localización de enzimas. La fijación
de CÜ2 por la célula vegetal es catalizada por una enzima que se relaciona con la superficie exterior de las membranas tilacoides del cloroplasto.
7) Ejemplo del papel de las membranas en la transducción de energía. La conversión de ADP a ATP ocurre en íntima conexión con la membrana
externa de la mitocondria.

ceptores que se combinan con moléculas específicas (ligandos) con estructura complementaria. Diferentes tipos de
células tienen membranas con distintos tipos de receptores,
y por lo tanto pueden reconocer y responder a diferentes
ligandos de su ambiente. Los ligandos mejor estudiados
son hormonas, factores de crecimiento y neurotransmisores, todos unidos a la membrana plasmática pero"qüe'hoTá"
atraviesan. La interacción de un receptor de membrana plasmática con un ligando externo a veces.provoca que la membrana genere una nueva señal que estimula o inhibe actividades internas. Por ejemplo, las señales generadas en la
membrana plasmática pueden indicar a la célula que elabore más glucógeno, se prepare para la división celular, se

desplace hacia los puntos de mayor concentración de un
compuesto particular, libere calcio de sus reservas internas
o posiblemente que se suicide.
5. Interacción intercelular. Situada en la frontera de
la célula viviente, la membrana plasmática media las interacciones que ocurren entre las células de un organismo
multicelular. La membrana también permite a las células
reconocerse entre sí, adherirse cuando es apropiado e intercambiar materiales e información.
6. Sitios para actividades bioquímicas. Las membranas proporcionan un medio para organizar las actividades
celulares. Puesto que los reactantes se encuentran en solución, sus posiciones no son estables y su interacción depen-

118


de de colisiones al azar. En la página 61 del capítulo 2 se
hizo notar que la unión de enzimas en complejos multienzimáticos facilita mucho la secuencia de una reacción, debido a que cada enzima se sitúa en el lugar correcto en el
momento adecuado. De igual manera, las membranas suministran a la célula una extensa armazón o andamiaje dentro del cual se pueden ordenar los componentes para una
interacción eficaz. Una parte significativa de los mecanismos enzimáticos de una célula se relaciona con sus diferentes membranas.
7. Transducción de energía. Las membranas participan
estrechamente en los procesos que convierten un tipo de
energía en otro (transducción de energía). La más fundamental transducción de energía ocurre durante la fotosíntesis,
cuando los pigmentos unidos a la membrana absorben energía de la luz solar, la convierten en energía química y la
almacenan en carbohidratos. Las membranas también
participan en la transferencia de energía química de grasas
y carbohidratos al ATP. En eucariotes, los mecanismos para
estas conversiones energéticas se encuentran dentro de las
membranas de los cloroplastos y las mitocondrias. Las membranas también sirven como sitios para almacenar energía
cuando mantienen concentraciones diferentes de iones
específicos o de otros solutos a través de su superficie. La
energía almacenada en estos gradientes es igual a la acumulada en una pila eléctrica y se emplea para ejecutar
muchas de las actividades más importantes de la célula.
Este capítulo se refiere principalmente a la estructura y
funciones de la membrana plasmática, con excepción de su
papel mediador en las interacciones intercelulares, que analizaremos en el capítulo 7. La estructura y funciones de las
membranas citoplásmicas se estudian en el capítulo 8.

Conceptos generales de la
estructura de la membrana plasmática
Desde hace más de 50 años se sabe que la membrana está
compuesta principalmente por lípidos y proteínas. El verdadero núcleo de la membrana consiste en una vaina de
fosfolípidos dispuestos un una capa bimolecular, una bicapa de lípidos (fig. 4-3). Las bicapas de lípidos sirven principalmente como armazón estructural para la membrana y
como barrera que impide movimientos desordenados de
materiales hidrosolubles hacia adentro y afuera de la célula. Las proteínas de la membrana, por otra parte, efectúan la
mayor parte de las funciones específicas resumidas en
la sección previa.
. Los primeros modelos de la estructura de la membrana, en particular el propuesto en 1935 por Hugh Davson,
del University College de Londres, y por James Danielli, de
la Universidad de Princeton, propusieron que las proteínas
de la membrana se encontraban en la superficie externa de
la bicapa de lípidos. Los experimentos efectuados a fines
del decenio de 1960 condujeron a un concepto radicalmente
diferente de la estructura de la membrana, según se detalló
en el modelo de mosaico fluido propuesto, en 1972, por S.
Jonathan Singer y Garth Nicolson, de la Universidad de
California. En el modelo de mosaico fluido, el "dogma cen-

Bicapa de lípidos. El centro de una membrana contiene una capa bimolecular de fosfolípidos orientada con sus grupos
hidrosolubles hacia el frente de la superficie externa y sus colas de
ácidos grasos hidrófobos hacia el interior.

tral" de la biología de la membrana durante más de dos
decenios, la bicapa de lípido se retiene como núcleo de la
membrana, pero se presta gran atención al estado físico de
los lípidos (fig. 4-4). En vez de consistir en una bicapa inmóvil estática, las moléculas de lípido se presentan en estado
líquido capaces de girar y efectuar desplazamientos laterales dentro de la membrana.
La estructura y disposición de las proteínas de la membrana en el modelo de mosaico fluido son notablemente
diferentes de las propuestas en modelos previos. Las proteínas del mosaico fluido se presentan como "un mosaico" de
partículas discontinuas que penetran profundamente hacia
el interior y atraviesan por completo la capa de lípidos (fig.
4-4). Pero lo más importante del modelo de mosaico fluido
es que considera las membranas celulares como estructuras
dinámicas cuyos componentes son movibles^ con capacidad para reunirse y participar en interacciones transitorias
o semipermanentes de diferentes tipos. En las siguientes
secciones examinaremos parte de las pruebas empleadas
para formular y apoyar este modelo dinámico de la estructura de la membrana y consideraremos algunos datos recientes que aún confirman este modelo.

Composición de la membrana
Todas las membranas son estructuras de lípidos. y proteínas
cuyos componentes se mantienen unidos formando una
delgada capa por medio de enlaces no covalentes. Además


119

Proteína
integral

FIGURA - 1 - 1 Estructura de la membrana plasmática, a) Modelo del mosaico fluido de la estructura de la membrana según lo propusieron
inicialmente Singer y Nicolson, en 1972. A diferencia de modelos previos, las proteínas penetran y atraviesan la bicapa de lípidos. b) Representación actual de la membrana que muestra la misma organización básica propuesta por Singer y Nicolson. Ahora se sabe que la superficie externa
de la mayor parte de las proteínas de la membrana, y también un pequeño porcentaje de los fosfolípidos, contienen cadenas cortas de azúcares
(cadenas con cuentas amarillas y verdes) que constituyen glucoproteínas y glucolípidos. Estas porciones de las cadenas de polipéptidos se
extienden a través de todo el espesor de la bicapa de lípidos; en condiciones típicas se presentan como hélices alfa compuestas de aminoácidos
hidrófobos, (a: Reimpreso con permiso de S.). Singer y G.L. Nicolson, Science 175:720, 1972. American Association for Advancement of Science.)

de lípidos y proteínas, la membrana también contiene carbohidratos (fig. 4-4, b). La proporción entre lípidos y proteínas varía considerablemente (cuadro 4-1) según el tipo de
membrana celular (plasmática, reticuloendoplásmica, complejo Golgi), tipo de organismo (procaríote, vegetal, animal) y tipo de célula (cartilaginosa, muscular, hepática).
Por ejemplo, en la membrana interna de las mítocondrias,
la relación proteína/lípidos es muy alta en comparación
con la membrana plasmática del eritrocito, que a su vez es
alta comparada con las membranas de la vaina de mielina

que rodean una célula nerviosa. Estas diferencias pueden
correlacionarse en gran medida con la función particular de
estas membranas. La membrana interna de las mitocondrias contiene proteínas transportadoras de la cadena de
transporte de electrones y su contenido de lípidos es menor
en relación con otras membranas. La mejor manera de describir la vaina de mielina es como un aislante eléctrico que
envuelve la neurona (fig. 4-5),_juna función que es mejor
realizada por una gruesa capa de lípidos de resistencia eléctrica elevada y contenido mínimo de proteínas.

120

CUADRO 4-1. Contenido de lípidos y proteínas de las membranas
Membrana
Mielina
Membranas plasmáticas
Célula hepática
Ascitis de Ehrlich
Vellosidad intestinal
Fastasma de eritrocito
Retículo endoplásmico
Mitocondrias
Membrana externa
Membrana interna
Bastoncillos de la retina
Laminillas del cloroplasto
Bacterias
Grampositivas
Gramnegativas
Micoplasrna
Halófila

Proteína/lípidos
(peso/peso)

Colesterol/Iípidos polares
(mol/mol)

0.25

0.7-1.2

Cer, PE, PC

1.0-1.4

0.3-0.5

PC, PE, PS, Efm

2.2
4.6
1.5-4.0
0.7-1.2

0.5-1.2
0.9-1.0
0.03-0.08

Efm, PE, PC, PS
PC, PE, Efm

1.2
3.6
1.5
0.8

0.03-0.09
0.02-0.04
0.13
0

2.0-4.0

0
0
0
0

Principales lípidos polares*

DPG, PC, PE, Pías

2.3
1.8

PC, PE, PS
GalDG, SL, PS
DPG, PG, , PE, aaPG
PE, PG, DPG, AP
PGP análogo del éter

* Las abreviaturas son: Cer, cerebrósidos: DPG, difosfatidilglicerol, GalDG, galactosildiglicérido; AP, ácido
fosfatídico; PC, fosfatidilcolina; PE, fosfatidiletanolamina: aaPG, esteres aminoacil de fosfatidilglicerol; Pías,
plasmalógeno; SL, sulfolípido; Efm, esfingomielina.
FUENTE: E.D. Korn, Reproducido, con permiso, de ANNUAL REVIEW OF B1OCHEMISTRY, val 38, © 1969, por
Annual Reviews Inc.

Lípidos de la membrana

Las membranas contienen varios tipos de lípidos, todos
anfipáticos; o sea, contienen regiones hidrófilas e hidrófobas (como se ilustra en la figura 4-3). La mayor parte de los
lípidos de la membrana contienen un grupo fosfato, y las
principales excepciones son colesterol y glucolípidos. Puesto que casi todos los fosfolípidos de la membrana poseen un
esqueleto glicerol, se les denomina fosfoglicéridos (fig. 4-6).
A diferencia de los triglicéridos, que poseen tres ácidos grasos (pág. 47, cap. 2), los glicéridos de la membrana son
diglicéridos: sólo dos grupos hidroxilo del glicerol se esterifican para formar ácidos grasos; el tercero se esterifica para
formar un grupo fosfato. La molécula sin otras sustituciones, además del fosfato y las dos cadenas lípidas acilo, se
denomina ácido fosfatídico y prácticamente está ausente en la
membrana. En vez de esto, los diglicéridos de la membrana
contienen un grupo adicional unido al fosfato, por lo general en forma de colina (para formar la fosfatidilcolina), etanolamina (la fosfatidiletanolamina), serina (la fosfatidiíserina), o ínositol (el fosfatidilinositol). Cada uno de estos
grupos es pequeño e hidrófilo y, junto con el fosfato eléctricamente cargado al cual se unen, forman un dominio muy
hidrosoiuble en un extremo de la molécula denominado
grupo de la cabeza. Por lo contrario, las cadenas lípidas acilo
son largas, no ramificadas, formadas por hidrocarburos
hidrófobos (fig. 4-6). Un ácido graso de la membrana puede
estar completamente saturado (o sea, carecer de dobles
enlaces), monoinsaturado (un solo doble enlace) o poliinsaturado (más de un doble enlace). A menudo los fosfoglicéridos contienen una cadena lípida acilo insaturada y
una saturada.

FIGURA 4-5, Vaina de mielina. Micrografía electrónica del axón
de una célula nerviosa rodeada por una vaina de mielina que consta de capas concéntricas de membrana plasmática. La vaina de mielina aisla la célula nerviosa de su entorno y como resultado aumenta
la velocidad a la cual pueden viajar los impulsos a lo largo del axón
(analizado en la página 156). (Tomado de Leonard Napolitano, Francis
LeBaron y Joseph Scaletti, }. Cell Biol. 34:820, 1967. Con permiso de
Rockefeller University Press.)

CAPITULO 4
FIGURA 4-0. Estructura química de los lípidos de la membrana, a)
Estructura de ios lípidos derivados de glicerol, todos los cuales son fosfolípidos (véase también figura 2-22). b) Lípidos derivados de esfingosina. La
csfingomielina es un fosfolípido, los gangliósídos son glucolípidos. Un
tercer lípido de la membrana es el colesterol, que se muestra en la siguiente
figura (R = cadena lipoacil).

Un tipo menos abundante de lípidos de membrana,
denominados esfingolípidos, se derivan de esfingosina, un
alcohol aminadp que contiene una larga cadena de hidrocarburo (fig. 4-6). Los esfingolípidos contienen esfingosina
unida a un ácido graso (R en la figura 4-6, b) a través de su
grupo amino. Esta molécula es un ceramido. Los diferentes
lípidos formados por esfingosina contienen grupos adicionales esterificados en el alcohol terminal de la fracción esfingosina. Si el resultado de la sustitución es la introducción de un grupo fosforilcolina, entonces la molécula es una
esfingomielina, el otro fosfolípido de la membrana. La molécula será un glucolípido si la sustitución introduce un carbohidrato. Si el carbohidrato es un azúcar simple, el glucolípido se denomina cerebrósido; si es un oligosacárido, el
glucolípido se llama gangliósido. Puesto que todos los esfingolípidos tienen dos largas cadenas de hidrocarburos hidrófobas en un extremo y una región hidrófíla en el otro,
también son anfipáticos y con estructura total básicamente
similar a la de fosfoglicéridos.
Otro componente lípido de ciertas membranas es el
esterol colesterol (véase fig. 2-9), que en ciertas células animales puede constituir hasta 50% de las moléculas ¡ípidas
de la membrana plasmática. Las membranas plasmáticas de
la mayor parte de las células vegetales y de todas las células
bacterianas carecen de colesterol. El colesterol es más pequeño que los otros lípidos de la membrana y menos antipático. Como se muestra en la figura 4-7, las moléculas de
colesterol se orientan con sus grupos hidroxilo hidrófobos
hacia la superficie de la membrana y su extremo hidrófobo
integrado a la bicapa de lípidos. Más adelante analizaremos
el efecto de estas moléculas sobre las propiedades de la
bicapa. En el cuadro 4-2 se presentan los lípidos que componen diferentes membranas.
Bicapa de lípidos. En 1925, dos científicos holandeses,
E. Gorter y F. Grendel, propusieron por primera vez que las
membranas celulares podían contener una bicapa de lípidos. Estos investigadores extrajeron lípidos de eritrocitos
humanos y midieron la superficie cubierta por dichos lípidos al extenderlos sobre la superficie del agua (fig. 4-8, a).
Puesto que los eritrocitos de mamífero carecen de núcleo y
de organelds citoplásmicos, la membrana plasmática es la
única estructura que contiene lípidos; por lo tanto, se puede
asumir que todos los lípidos del eritrocito corresponden a la
membrana plasmática (página 140). La proporción entre
la superficie de agua cubierta por los lípidos extraídos de
eritrocitos y 3a superficie calculada para los eritrocitos
de los cuales se extrajeron dichos lípidos varió entre 1.8 y
2.2 a 1. Gorter y Grendel concluyeron que la verdadera
proporción era 2:1 y que la membrana plasmática contenía
una capa bimolecular de lípidos o simplemente una bicapa
de lípidos. También sugirieron que los grupos polares de
cada capa molecular (hoja) se dirigen al exterior de la bicapa (como se muestra en la figura 4-8, b). Esta sería la dispo-

c

.

J

H 2 C-0-O (CH;)7CH>CHíCH,),CH,
i
9
HC-0-C-(CH2)7CH.CH(CH;)7CH3

O--P-O-CH;
ó-

Acido dioleoil
fosfatídico
Acido
fosfatídico

H-

o

Fosfatidilcolina
(lecitina)

HjC-0-C-R
|

O

HC-O-C-R 1

Fosfatidilserina
Fosfatidiletanolamina
(cefalina)

COQ-

O-P-O-CH-,

<r

Hj-CH f CH r

Fosfatidilinositol
H

OH

o
H,C-0-C-R

!
!

9

HC-O-C-R

9

Difosfatidilg (i cero I
(cardiolipina)

CH;-0-P-0-CH,
i '
i
'
HO-O-H o0*

CH,-0-P-0-CH,
1
»
¡ '
O
HC-O-C-RI
O
C-O-C-RH,

(a)
H

Esfingosina

H

HO-CH,-C — C
NH, OH
H

Ceramida

H

HO-CHr¿ - CNH
OH
0*C - R
H

Esfingomielina
H H
0«C — R

Un cerebrósido
Un gangliósido
(Givra)

(b)

122


FIGURA 4-7. Las moléculas de colesterol de una membrana se
orientan con sus extremos hidrófilos pequeños hacia la superficie
externa de la bicapa y la masa de su estructura empacada dentro de
las colas de ácidos grasos de los fosfolípidos. La colocación de las
moléculas de colesterol impide el apretado empacamiento de los fosfolípidos, que tiende a incrementar la fluidez de la bicapa.

sición termodinámicamente favorecida, puesto que los grupos polares de la cabeza de los lípidos podían interactuar
con las moléculas de agua que los rodean, en tanto que las
cadenas hidrófobas de iípidos acilo estarían protegidas del
medio acuoso. Por lo tanto, los grupos de las cabezas polares enfrentan al citoplasma en un borde y el plasma sanguíneo en el otro. Aunque Gorter y Grendel efectuaron varios
cálculos erróneos (compensados entre sí por casualidad),
llegaron a la conclusión correcta de que las membranas naturales contienen una bicapa de lípidos.
La presencia en las membranas de una capa bimolecular de moléculas lípidas anfipáticas tiene consecuencias importantes para las propiedades fisiológicas de la membrana. Esto se manifiesta claramente cuando se comparan las
propiedades de una bicapa artificial de lípidos con las propiedades de una membrana celular verdadera. En el aparato cuyo diagrama se muestra en la figura 4-9, a, se puede

preparar con facilidad una bicapa artificial. Los lípidos empleados se recogen con la punta de un pincel fino y luego se
aplican en los pequeños agujeros de una hoja de plástico
que separa dos cámaras acuosas. Los líquidos colocados a
través de las aberturas forman una delgada película que
espontáneamente se adelgaza hasta un espesor menor de 10
nm (fig. 4-9, b). Muchos criterios demuestran que esta película es una bicapa de lípidos con la misma organización
mostrada en la figura 4-3. La formación espontánea de una
bicapa indica que esta disposición de las moléculas lípidas
es la organización termodinámicamente preferida.
Las bicapas artificiales también pueden adoptar la forma de vesículas esféricas llamadas liposomas; según el método de formación, pueden consistir en un nido de esferas
membranosas concéntricas o en una simple bicapa continua
de lípidos que rodea un compartimiento acuoso (fig. 4-10).
Los liposomas son invaluabies para investigar las propiedades de las membranas. Se pueden introducir proteínas de
la membrana en los liposomas y estudiar su función en un
ambiente mucho más simple que el de una membrana natural, También se han probado liposomas que contienen DNA
o diferentes fármacos dentro de su compartimiento central
como sistemas potencialmente transportadores para entregar
materiales a células específicas del cuerpo (página 153).
En el cuadro 4-3 se comparan las propiedades de una
bicapa artificial de lípidos con las de una membrana natural. Es evidente que son notablemente similares. Incluso el
aspecto de una bicapa artificial en el microscopio electrónico (fig. 4-9, c] revela la misma imagen de tres capas observada en las membranas naturales. Sin duda, gran parte de la
estructura y comportamiento de las membranas es resultado de la presencia de una bicapa de lípidos. Las propiedades no similares entre las dos, en particular de permeabilidad y resistencia eléctrica, se atribuyen a las proteínas de la
membrana.
La presencia de una bicapa de lípidos tiene muchas
consecuencias en la estructura y funcionamiento de ¡a célula. Debido a la cohesión y formación espontánea de las bicapas nunca se observan membranas con bordes libres; siempre son estructuras íntegras continuas. Como resultado, las
membranas forman extensas redes interconectadas que se

CUADRO l-'2. Composición de los lípidos de algunas membranas biológicas*
Lípido3

Acido fosfatídico
Jico
Fosfatidilcolina
na
lolamina
Fosfatidiletanol
?rol
Fosfatidilgliceroí
Fosfatidilserina
na
Cardiolipina
Esfingomielina
la
Glucolípidos
Colesterol

Eritrocito
humano

Mielina
humana

Mitocondrias de
corazón de ternera

1.5
19
18
0

0.5
10

8.5

8.5
0
8.5
26
26

0
39
27
'0
0.5

0
17.5

10
25

20
0

22.5
0
0

3

* Los valores expresados son porcentaje en peso de los lípidos totales.
FUENTE: C. Tanford, The Hydrophobic Effect, p. 109, Wiley, 1980.

E. coli
0
0

65
18
0
12
0

0
0

123

CAPITULO 4

FIGURA 4-íi Cálculo de la superficie de una preparación de lípidos.
a) Cuando se disuelve una muestra de fosfolípidos en un solvente orgánico, como el hexano, y se extiende sobre una superficie acuosa, las
moléculas de fosfolípidos forman una capa sobre el agua cuyo espesor es
de una sola molécula: capa monomolecular. En esta capa las moléculas se
orientan con sus grupos hidrófilos enlazados a la superficie del agua y sus
cadenas hidrófobas dirigidas al aire. Para estimar la superficie que los
lípidos cubrirían si fueran parte de una membrana, se comprimen las moléculas de dichos lípidos en el área más pequeña posible por medio de
barreras desplazables. Mediante este tipo de aparato, Gorter y Grendel
concluyeron que los eritrocitos contenían suficientes lípidos para formar
una capa sobre su superficie de dos moléculas de espesor: una bicapa. b)
Naturaleza de la bicapa de lípidos, según la propusieron Gorter y Grendel.
Los grupos polares se dirigen hacia afuera y las colas de ácidos grasos
hacia adentro.

Barrera
fija

Lípidos

a
e

Agua
limpia

(a)

(b)

Distribución
inicial de la
solución
de lípidos

Detalle de
la membrana

Procedimiento experimental para la preparación de bicapas artificiales, a) Los lípidos disueltos
en un solvente se aplican con una brocha a través de un
agujero practicado en una placa que separa dos cámaras
acuosas, b) Inicialmente, la capa de lípidos es gruesa pero
pronto se adelgaza de manera espontánea para formar la
bicapa. c) Micrografía electrónica de una bicapa artificial
de lípidos fijada con permanganato de potasio y nitrato de
lantano que muestra el aspecto trilaminar en ausencia
de proteínas. El borde oscuro y las líneas exteriores al
parecer son los sitios de las cabezas polares, (c: Cortesía de
Cien L. Decker.)

124

CAPITULO 4 • Estructura y fundón de ¡a membrana plasmática

moción (fig. 4-11, a) o la división celular (fig. 4-11, b). Se cree
que la bicapa de lípidos facilita la fusión o el desdoblamiento de las membranas. Por ejemplo, durante la secreción,
cuando las vesículas citoplásmicas se funden con la membrana plasmática, o la fertilización, cuando dos células se
unen para formar una sola célula {fig. 4-11, c], participan
procesos en los cuales dos membranas separadas se reúnen
para constituir una capa continua.
La formación espontánea de bicapas de lípidos también es importante en las teorías de la evolución celular.
Una capa externa que contiene lípidos proporciona la barrera necesaria para aislar el medio interno viviente cuyas
propiedades son muy diferentes a las del medio externo.
Según estudios de bicapas artificiales, puede esperarse que
dicha barrera se forme de manera espontánea. La formación de una'barrera alrededor del primer conjunto de moléculas autoduplicantes, al parecer fue el primer paso esencial en la evolución de las células.
Carbohidratos de la membrana

FIGURA 4-10. Un liposoma. Micrografía electrónica de un liposoma, que es una vesícula esférica cuya pared externa está compuesta
de una sola bicapa continua de lípidos que rodea una cámara llena de
líquido. Los liposomas se forman al suspender fosfolípidos en solución acuosa y luego sometiendo la suspensión a sonicación, lo que
provoca que los lípidos se autoensamblen formando esas vesículas
cerradas. (Cortesía de Walter Stoeckenius.)

ramifican a través de las células. Gracias a la flexibilidad de
la bicapa de lípidos, las membranas son deformables y pueden cambiar toda su forma, como ocurre durante la loco-

Las membranas plasmáticas de células eucariotas poseen
carbohidratos unidos mediante enlaces covalentes a los componentes lípidos y proteínicos (fig. 4-4, b). Según la especie
y el tipo de célula, el contenido de carbohidratos de la membrana plasmática varía entre 2 y 10% del peso. Por ejemplo,
la membrana plasmática del eritrocito, mostrada en la figura 4-1, a, contiene alrededor de 52% de proteína, 40% de
lípidos y 8% de carbohidratos. Del 8% de carbohidratos,
cerca de 7% se une a lípidos mediante enlaces covalentes
para formar glucolípidos, y el restante 93% se une a proteínas con enlaces covalentes para formar glucoproteínas.
Como se indica en la figura 4-4, b, todos los carbohidratos
de la membrana plasmática se enfrentan en el espacio extracelular. Los carbohidratos de las membranas celulares
internas también suelen alejarse del citosol (la razón de esta
orientación se ilustra en la figura 8-10).
En las glucoproteínas, el carbohidrato se presenta como
un oligosacárido corto ramificado que en condiciones típicas posee menos de 15 azúcares por cadena. Los azúcares

CUADRO 4-3. Propiedades físicas de las membranas biológicas
y de las bicapas de lípidos simples no modificadas
Propiedades
Espesor (Á):
Por microscopía electrónica
Por difracción de rayos X
Por método óptico
Por capacitancia y constante dieléctrica
Resistencia (Q/cm)
Capacitancia (wF/cm2)
Potencial de reposo fmV)
Voltaje de desintegración (mV)
índice de refracción
Tensión interfacial (ergios/cm2)
Permeabilidad al agua (10~4 cm/seg)

Membranas
biológicas
60-130
75-100
30-150
102-105
0.5-1.3
10-90
100
1.6
0.03-3.0
0.25-58

FUENTE: F. Vandenheuvel, Adv. Lipid Res. 9:173,1971.

Bicapa

60-90
40-80
40-130
10ñ-10R
0.3-1.3
0-140
100-550
1.56-1.66
0.2-6.0
2.3-24


125

-•-

(a)
FIGURA 4-11. Propiedades dinámicas de la membrana plasmática, a) El borde delantero de una célula en movimiento casi siempre contiene
sitios donde la membrana plasmática muestra surcos ondulantes, b) La división de una célula se acompaña de deformación de la membrana
plasmática conforme es tirada hacia el centro de la célula. A diferencia de la mayor parte de las células en etapa de división, el surco de
desdoblamiento de este huevo ctenóforo en división comienza en un polo y se desplaza unídireccionalmonte a través del huevo, c) Las membranas pueden fusionarse con otras membranas. Este espermatozoide se encuentra en el proceso de fusionar su membrana plasmática con la
del óvulo, (a: Cortesía de Jean Paul Revel; b: cortesía de Ganj Freeman; c: cortesía de A.L. y L.H. Colivin.)

observados con mayor frecuencia en estas cadenas de carbohidratos se muestran en la figura 4-12, a. El ácido siálico
por lo común es el azúcar terminal de los oligosacáridos y
confiere carga negativa a las cadenas de carbohidratos. Los
oligosacáridos pueden unirse a diferentes aminoácidos
mediante dos tipos principales de ligaduras (fig. 4-12, b). Se
piensa que estos carbohidratos ramificados participan en la
mediación de las interacciones de la céluía con otras células
y también con su entorno no viviente (esto se analiza en el
capítulo 7).
Todavía no se comprenden bien las funciones de los
glucolípídos de la membrana, aunque se les pueden asignar ciertas propiedades. Por ejemplo, los carbohidratos de
los glucolípidos de la membrana plasmática de eritrocitos
determinan si el grupo sanguíneo de una persona es A, B,
AB u O. Los determinantes ABO son cadenas cortas ramificadas de oligosacáridos (fig1. 4-13). La persona con tipo
sanguíneo A posee una enzima con una Ñ-acetilgalactosamina en el extremo de la cadena, en tanto que una persona
con sangre tipo B tiene una enzima que se une a galactosa
en la cadena terminal. Las personas con tipo sanguíneo AB
poseen ambas enzimas, en tanto que las personas con sangre tipo O carecen de enzimas capaces de unirse a cualquier azúcar terminal. También se ha demostrado que los
glucolípidos participan en ciertas enfermedades infecciosas; la toxina del cólera y el virus de la influenza penetran
en su célula específica uniéndose primero a los gangliósidos
de la superficie celular. Si los glucolípidos pueden funcionar
como "compuertas" para la entrada de patógenos, tal vez
tengan algún tipo de función receptora en las células normales. En contraste con la mayor parte de los carbohidratos de peso molecular elevado (como glucógeno, almidón
o celulosa), los cuales son polímeros de un solo azúcar, los
oligosacáridos unidos a proteínas y lípidos de la membra-

na muestran considerable variabilidad estructural. Por consiguiente, estas cadenas de oligosacáridos pueden mostrar
especificidad en sus propias interacciones y con otros tipos
de moléculas.
Proteínas de la membrana

Según el tipo de célula y el organelo particular del interior
de dicha célula, una membrana puede contener desde una
docena hasta más de 50 proteínas diferentes. Estas proteínas no se disponen al azar dentro de la membrana, sino que
cada una se localiza y orienta en una posición particular
respecto de la bicapa de lípidos. Es digno de notar que todas las proteínas de la membrana se sitúan asimétricamente de modo que las propiedades de la porción externa de la
membrana son muy diferentes a las de la porción interna.
Como resultado de esta "lateralidad" de la membrana, las
proteínas de partes de la membrana que interactúan con
otras células o con Hgandos extracelulares, como hormonas
o factores de crecimiento, se enfrentan al exterior, en tanto
que las proteínas de las partes de la membrana que interactúan con moléculas citoplásmicas, como proteínas G o proteincinasas (capítulo 15), enfrentan el interior de la célula.
Las proteínas de la membrana se pueden agrupar en tres
tipos distintos según la intimidad de su relación con la bicapa de lípidos (fig. 4-14). Estos grupos son:
1. Proteínas integrales, que penetran en la bicapa de lípidos. En realidad, prácticamente todas las proteínas integrales atraviesan por completo la bicapa de lípidos y
por lo tanto tienen dominios que sobresalen en ambos
lados de la membrana, el extracelular y el citoplásmico.
2. Proteínas periféricas, que se localizan por completo
fuera de la bicapa de lípidos, sobre la superficie extracelular o citopíásmica, pero todavía relacionadas con la

126


H

FHJL'KA -1-12. Carbohidratos de la membrana, a) Estructura química de
los azúcares predominantes en la membrana, b) Los dos tipos de enlace que
unen azúcares a una cadena de polipéptidos. La unión N-glucosídica entre
asparagina y N-acetilglucosamina es más común que la unión O-glucosídica entre serina o treonina y N-acetilgalactosamina.

CH2OH

CH2OH

OH

superficie de la membrana mediante enlaces no covalentes.
3. Proteínas ancladas a lípidos, localizadas fuera de la
bicapa de lípidos, pero unidas mediante enlaces cova1 en tes a una molécula ¡ípida situada dentro de la bicapa.

D-glucosa
CH2OH

HO

H

H

OH

OH

D-galactosa

H

l-fucosa

CH2OH

CH2OH

H

/V-acetil-D-glucosamina

NH

/V-acetil-D-galactosamina
CH2OH
CHOH

O
H CHOH
fi H | )
CH,-C-N

OH

Proteínas integrales de la membrana. Igual que los
fosfolípidos de la bicapa, las proteínas integrales de la membrana también son antipáticas y presentan porciones hidrófilas e hidrófobas. A diferencia de las proteínas solubles del
citoplasma, que tienden a presentar un núcleo hidrófobo y
una superficie hidrófila (fig. 2-28}, las proteínas integrales
de la membrana contienen residuos no polares en gran parte de su superficie expuesta. Estas regiones no polares de la
proteína se integran al interior de la bicapa de iípidos donde pueden sufrir interacciones hidrófobas con cadenas lípidas acilo (fig. 4-14}. La función de estos dominios hidrófobos para introducir proteínas en la "pared" lípida de la
membrana es muy parecida a la de ganchos que pueden
introducirse en los orificios de un perchero. El resto de una
proteína integral se compone principalmente de aminoácidos iónicos y polares no integrados a la bicapa que sobresa-

H

Acido /V-acetilneuramínico
(ácido siálico)

(a)

Antígeno O
Asparagina

CH2OH

L, O

NH

H u

i

N-C-CH2-CH

C=0

—O

H
H

Antígeno A
Esqueleto
poiipeptfdico

NHCOCH3

A/-acetilgíucosamina
Serina |X = H)

Treonina |X=CH 3 ]

Antigeno B
CH2OH

X

NH

0-¿H—CH

H
H

NHCOCH3

A/-acet¡lgalactosam¡na

(i')

c-o

FIGI'IÍA -1-13. Antígenos de los grupos sanguíneos. El tipo sanguíneo de una persona (A, B, AB u O) es determinado por una corta
cadena de azúcares unidos mediante enlace covalente a lípidos y
proteínas de la membrana del eritrocito. Aquí se muestran los oligosacáridos unidos a los lípidos de la membrana (que forman un gaiigliósido) que producen los tipos sanguíneos A, B y O. Una persona
con tipo sanguíneo AB tiene gangliósidos con ambas estructuras, A
yB.

CAPITULO 4
Tres clases de proteínas de la membrana, a) Proteínas
integrales que pueden contener una o más hélices que atraviesan la membrana, b) Proteínas periféricas de la superficie interna de la membrana que
mantienen uniones no covalentes con los grupos polares de la bicapa de
lípidos o con alguna proteína integral de la membrana, c) Proteínas ancladas en lípidos, las cuales pueden enlazarse en forma covalente a un fosfolípido o a un ácido graso integrado en la bicapa de lípidos.

len del borde de la bicapa en uno o ambos lados o forman
un canal acuoso a través de la misma. Estos dominios hidrófilos son las partes de una proteína integral que pueden
interactuar con sustancias hidrosolubles (iones, sustratos
de bajo peso molecular, hormonas y otras proteínas) en la
superficie de la membrana o dentro de un canal central.
Como veremos más adelante, no es necesario que las proteínas integrales sean estructuras fijas, sino más bien deben
tener capacidad para desplazarse lateralmente dentro de la
propia membrana.
Debido a su superficie hidrófoba, las proteínas integra¡es de la membrana son difíciles de extraer y de estudiar. La
extracción de estas proteínas de membrana de ordinario se
logra con ayuda de un detergente. Los detergentes son compuestos anfipáticos (fig. 2-20) con un extremo polar y una
cadena no polar de carbohidratos. Gracias a esta estructura,
los detergentes pueden sustituir a los fosfolípidos estabilizantes de las proteínas integrales en tanto mantienen su
solubilidad en solución acuosa. Una vez que las proteínas
se solubilizan por acción del detergente, se pueden efectuar
varios procedimientos analíticos para determinar los aminoácidos que componen a la proteína, su peso molecular, la
secuencia de aminoácidos, y algo más.
La orientación de una proteína dentro de la membrana
se puede determinar experimentalmente utilizando agentes no penetrantes, como marcadores o modificadores de
las proteínas. Consideremos lo que ocurre cuando se trata
una preparación de células intactas con una enzima proteolítica como la tripsina, demasiado grande para atravesar la
membrana plasmática (fig. 4-15, a, recuadro superior). Las
partes de las proteínas de membrana situadas en el lado
externo de la bicapa de lípidos serán digeridas por la enzima añadida, pero las partes situadas entre la bicapa o en la
cara de la membrana enfrentada al citoplasma no serán
afectadas. El efecto del tratamiento puede determinarse
extrayendo las proteínas y sometiéndolas a electroforesis
en gel de poliacrilamida y dodecilsulfato de sodio (fig. 4-15,
b). La proteína con parte de su estructura digerida se desplaza a una posición diferente en el gel cuando se compara
con la misma proteína de una membrana no tratada. Para
determinar si una parte de la proteína sobresale de la cara
citoplásmica de la membrana se puede incrementar la permeabilidad de las células mediante tratamiento con detergentes no iónicos o por choque osmótico {fig. 4-31, b). En
estas condiciones, la membrana plasmática ya no actúa como
barrera para la penetración de las enzimas proteolíticas, de
modo que las partes citoplásmicas de la proteína también
sufrirán la digestión enzimática (parte inferior de la figura
4-15, a,b).
Una manera alternativa de predecir la organización de
una proteína integral de membrana es a partir de la secuen-

(b)

(c)

127

128

CAPITULO 4 * Estructura y función de la membrana plasmática

Célula (
intacta I

J

Se añade
tripsina

Arriba

i Abajo
4

Exterior
Bicapa
de lípidos
Interior

I I

5

Í

I II
i

i

5

I

Testigo

1

I I ÍI

Tratamiento de la célula testigo con tripsina
3 2

II

il

Tratamiento de la célula
permeabilizada con tripsina

Célula
permeabilizada

Añadir
tripsina

(a)
FIGURA 4-15. Procedimiento experimental para determinar la orientación de las proteínas dentro de una membrana plasmática. La
hipotética membrana estudiada contiene cinco proteínas distintas, a) Las células intactas se tratan con tripsina, una enzima no penetrante, para
digerir las partes de la proteína proyectadas al medio externo. Por to contrario, si la célula se vuelve permeable (por extracción con detergentes
no iónicos o exposición a un medio hipotónico), las partes de las proteínas de membrana proyectadas al interior del citoplasma también son
accesibles a la digestión proteolítica. b) Esquema de los resultados de la electroforesis en gel de poliacrilamida con dodecilsulfato de sodio (EGPADSS) que muestra el patrón de bandas que se obtiene en el experimento descrito en a. La velocidad de migración de las proteínas durante la
electroforesis es inversamente proporcional a su peso molecular. Por lo tanto, las proteínas a las que se suprime una parte se desplazan con mayor
rapidez a través del gel. Al concluir el expsrirnento, estas proteínas están más cerca del borde inferior del gel, o sea, recorren una mayor distancia
en comparación con la que hubieran recorrido si no fueran tratadas con la enzima.

cía de aminoácidos de dicha proteína, que puede deducirse
de la secuencia de nucleótidos de un gen aislado. En condiciones típicas se puede predecir que los segmentos de una
proteína que atraviesan la membrana constan de una cadena de 20 a 25 aminoácidos no polares que tal vez formen
una hélice alfa. Esta suposición depende de numerosos estudios, üos cuales han demostrado que esos segmentos de
proteína que atraviesan la bicapa de lípidos, los segmentos
transmembrana, de ordinario consisten en aminoácidos no
polares organizados en conformación alfa helicoidal. La
glucoforina A, principal proteína de la membrana plasmática del eritrocito, es un ejemplo de proteína integral con
una sola hélice alfa hidrófoba transmembrana {fig. 4-16).
Sin embargo, hay una importante excepción a la regía
de las hélices transmembrana predominantemente hidrófobas. Muchas proteínas integrales de la membrana contienen un canal acuoso para permitir el paso de iones o de
solutos polares a través de la bicapa de lípidos. Se cree que
las paredes de estos canales acuosos contienen: 1) hélices

anfipáticas en las cuales una cara de cada hélice consta de
aminoácidos no polares enfrentados a la bicapa de lípidos,
en tanto que la cara opuesta contiene principalmente residuos polares enfrentados al poro (fig. 4-17), o 2) un borde
de láminas beta muy similar al barril beta ilustrado en la
figura 5-3.
Las proteínas integrales se pueden clasificar de la siguiente manera:
1. Proteínas monotópicas integradas a la bicapa de ¡ípidos y
expuestas en una sola superficie de la membrana. Estas
proteínas son raras, si en realidad existen. Se cree que el
citocromo b$, una proteina de las membranas citoplásmicas, es una proteína monotópica, pero no hay acuerdo unánime.
2. Proteínas bitópicas que poseen un segmento dentro de la
membrana y por lo tanto la atraviesan una sola vez y
están expuestas en ambos lados de la membrana (fig.
4-16). Esta clase incluye gran variedad de receptores de


129

Superficie exterior

FIGURA 4-16. Glucoforina A, una proteína integral
con un solo dominio transmembrana. La hélice a simple que atraviesa la membrana contiene predominantemente residuos hidrófobos. (Los aminoácidos de la hélice se muestran con un color codificado según el carácter de su grupo R, igual que en la figura 2-26.) Se cree
que los cuatro aminoácidos con carga positiva del dominio citoplásmico de la proteína de membrana forman
enlaces iónicos con grupos cargados negativamente en
las cabezas de los lípidos. Los carbohidratos están unidos a ciertos residuos de aminoácidos en la superficie
externa de la proteína. Todos los oligosacáridos, excepto
uno, mantienen enlaces O (la excepción es el oligosacárido unido al residuo de asparagina en la posición 26).
En la página 139 se analiza el papel de la glucoforina en
la membrana del eritrocito.

Bícapa

Pro ,

Ser'Lis t Lis 100

ArgiArg

Superficie interior
(citoplasma)

(eiileu--

la membrana plasmática que enlazan diferentes ligandos en su superficie externa (p. ej., un factor de
crecimiento, un péptido hormona o un antígeno) y transmiten un mensaje a través de la membrana hacia el
citoplasma por medio del segmento que atraviesa dicha membrana (fig. 15-25).
3. Proteínas politópicas que poseen más de un segmento
dentro de la membrana y por lo tanto se entrelazan
avanzando y retrocediendo a lo largo de la membrana.
Esta clase incluye las proteínas que forman canales para
el paso de iones y solutos a través de la membrana
plasmática y también proteínas con otras funciones (p.
ej., el receptor para la partícula señal del receptor del
retículo endoplásmico, el receptor adrenérgico que se
enlaza a la epinefrina, el pigmento fotosensible de los
bastoncillos de la retina, y los polipéptídos M y L del
centro de reacción fotosintética de las bacterias, que se
muestra en la página 115). El centro de reacción bacteriana contiene proteínas integrales cuya disposición
precisa dentro de la membrana fue descrita por primera vez mediante cristalografía de rayos X.
Proteínas periféricas de la membrana. Las proteínas
periféricas se unen a la membrana mediante débiles enlaces
electrostáticos, sea a grupos hidrófilos de la cabeza de los
lípidos o a porciones hidrófilas de las proteínas integrales
que sobresalen de la bicapa (fig. 4-14). Las proteínas periféricas de ordinario se solubilizan mediante extracción con
soluciones acuosas salinas concentradas o pH alcalino, En
realidad, la distinción entre proteínas integrales y periféricas es incierta, porque muchas proteínas de membrana contienen varios polipéptidos, algunos de los cuales penetran
en la bicapa de lípidos y otros permanecen en la periferia.

Las proteínas periféricas mejor estudiadas (principalmente de la familia espectrina) se localizan en la superficie
interna de la membrana plasmática (fig. 4-31). Estas proteínas forman una red fibrilar que actúa como "esqueleto"
flexible para suministrar apoyo mecánico a la membrana
cuando se producen cambios rápidos en la morfología celular y también para fijar las proteínas integrales de la membrana. Otras proteínas periféricas sobre la superficie interna
de la membrana funcionan como enzimas o factores transmisores de señales a través de la membrana. La superficie

FIGURA 4-] 7. Representación esquemática de cuatro hélices a
originadas como un haz dentro de la membrana. Los círculos pequeños en azul representan cadenas laterales polares (grupos R) asociadas al centro del complejo, en tanto que los pequeños círculos rojos
representan residuos no polares relacionados con la bicapa de lípidos
que los rodean. Nótese que las cadenas laterales en realidad se proyectan desde el esqueleto en toda lo longitud de cada hélice a diferentes niveles; para representarlos en la figura se reducen a un solo plano.

130


Exterior

Superficie
de fractura E
Superficie
de fractura P

Sin relieve —

Con relieve

Citoplasma

(a)

0.3 ¡om

FIGURA 4-18.Fractura por congelación: técnica para investigar la
estructura de la membrana celular, a) Cuando se golpea un bloque de
tejido congelado con una hoja cortante, el plano de fractura que atraviesa el tejido casi siempre pasa por enmedio de la bicapa de lípidos.
El plano de fractura rodea las proteínas en vez de romperlas a la mitad
y las separa en una de las dos mitades de la bicapa. b) Esta micrografía
muestra la superficie de un eritrocito congelado y luego fracturado,
pero en vez de preparar una réplica, se dejó derretir y el tejido se
coloreó con un marcador para los grupos carbohidratos que sobresalen en la superficie externa de la proteína integral glucoforina (fig.
4-16). Se puede observar que la glucoforina al separarse muestra preferencia por la mitad externa de la membrana, (b: Según Pedro Pinto da
Silva y María R. Torrisi, ]. Cell Biol. 93:467, 1982; con permiso de

extracelular de la membrana plasmática también puede contener proteínas periféricas, pero estas proteínas están menos bien definidas.
Proteínas de membrana ancladas a lípidos. Se distinguen dos tipos de proteínas de membrana ancladas a lípidos, según los tipos de anclaje al lípido y la superficie de la
membrana sobre la cual están expuestos. Varias proteínas
presentes en la cara externa de la membrana plasmática se
enlazan a ésta mediante un oligosacárido corto unido a una
molécula de glucofosfatidilinositol (GFI) integrada a la hoja
externa de la bicapa de lípidos (fig. 4-14, c). La presencia de
estas proteínas ancladas al GFI fue descubierta cuando se
demostró que ciertas proteínas de la membrana podían liberarse mediante una fosfolipasa que reconocía y rompía
específicamente a los fosfolípidos que contienen inositol.

FIfíl'RA 4 - l < > . Efecto de la técnica al "aguafuerte" sobre una
preparación de fractura por congelación, a) En tanto el procedimiento de fractura expone el interior de la membrana (las superficies de
fractura E y P, EF y PF), el proceso al aguafuerte expone una parte de
las superficies interna y externa de la membrana (superficies E y P, ES
y PS). b) Réplica de una parte del eritrocito humano tratado con la
técnica de fractura por congelación. Se observa que la superficie de
fractura P está cubierta con partículas de 8 nm de diámetro, aproximadamente. Un pequeño surco (flecha) marca el sitio cíe unión de la
superficie cubierta de partículas y el hielo que la rodea, c) Réplica de
un eritrocito fracturado por congelación y cuyo relieve se fijó con
técnica al "aguafuerte". Durante el proceso, la sublimación del hielo
expone una superficie lisa (S) claramente demarcada en la superficie
interna P de fractura, (a: Según Pedro Pinto da Silva y Daniel Branton, J.
Cell Biol. 45,599, 1970: b-c: según Tilomas W. Tillack y Vinccnt T.
Marchesi, J. Cell Biol. 45:649, 1970; con permiso de Rockefeller University
Press,)


Otro grupo de proteínas presentes en el lado dtoplnsmico de la membrana plasmática se encuentra anclado a la
membrana mediante largas cadenas de hidrocarburos integradas a la hoja interna de la bicapa de lípidos (fig. 4-14, c).
AI menos dos proteínas relacionadas en esta forma con la
membrana plasmática (Src y Ras) han sido implicadas en
la transformación de células normales a estados malignos.

131

m

Distribución de las proteínas integrales:
análisis de fracturas por congelación y
de imágenes por congelación "al aguafuerte"

El concepto de que las proteínas pueden atravesar todo el
espesor de la membrana en vez de limitarse simplemente al
exterior de la bicapa se originó principalmente de los resultados de una técnica llamada duplicación por fractura de
muestras congeladas (véase sección 17-2). En este procedimiento, el tejido se solidifica por congelación y luego se
golpea el bloque congelado con una hoja afilada para fracturarlo en dos pedazos. El plano de fractura se sitúa con mayor frecuencia entre las dos hojas de la bicapa de lípidos
(fig. 4-18). Una vez abierta la membrana en esta forma se
depositan metales sobre las superficies expuestas para formar una replica en relieve que puede observarse con el
microscopio electrónico. Como se muestra en la figura 4-19,
esta réplica parece un camino regado de grandes pedruzcos
llamados partículas relacionadas con la membrana. Puesto que el plano de fractura pasa a través del centro de la
bicapa, estas partículas corresponden a proteínas integrales
de la membrana extendidas cuando menos hasta la mitad
del espesor de la capa de lípidos situada en el centro de la
membrana. Cuando el plano de fractura alcanza a determinada partícula, la rodea en vez de romperla a la mitad. En
consecuencia, cada proteína (partícula) se separa unida a
una mitad de la membrana plasmática y deja el correspondiente "hoyuelo" en la otra mitad. En la figura 4-19, a, se
muestra la relación entre fracturas en la cara interna P (protoplásmica] y fracturas en la cara externa E (ectoplásmica). En
la figura 4-19, b, se muestra la naturaleza particular de la
cara con fracturas P en la membrana del eritrocito humano.
La técnica de fractura por congelación no sólo permite
visualizar las proteínas integrales de la membrana, sino que
también se puede modificar para revelar proteínas periféricas o partes de las proteínas integrales presentes en la superficie de las membranas interna (P) o externa (E). Para examinar las superficies de !a membrana se debe efectuar un paso
adicional en el procedimiento antes de cubrir las caras fracturadas con metal (sombreado) para observarlas en el microscopio electrónico. La muestra congelada y fracturada se
expone al vacío durante un corto tiempo, durante el cual
una delgada capa de hielo de ambas superficies, superior e
inferior, de la membrana se evapora sin pasar por el estado
líquido (sublimación) (fig. 4-19, n). Al cubrir esta superficie
con el metal se puede observar su textura en la réplica (porción marcada con S en la figura 4-19, c). Este procedimiento
de sublimación se denomina congelación al "aguafuerte".
El gran valor de las técnicas de fractura por congelación y
congelación al "aguafuerte" es que permiten investigar la
heterogeneidad microscópica de la membrana. En la réplica
aparecen y pueden identificarse diferencias localizadas en
partes de la membrana, como se muestra en la figura 4-20

FIGURA 4-20. Distribución heterogénea de las proteínas integrales de membrana. Cuando se expone la membrana plasmática del
flagelo de un espermatozoide de mamífero durante fractura por congelación, se puede observar que contiene una doble fila de partículas
denominadas "cierre automático" (flecha). La técnica de fractura por
congelación es ideal para revelar este tipo de heterogeneidad microscópica dentro de una membrana. En la figura 4-30 se muestra la distribución de proteínas específicas en la membrana del espermatozoide a una escala mayor. (Cortesía de Daniel 5. Friend.)

de una pequeña porción de! espermatozoide. A diferencia
del análisis bioquímico, las observaciones microscópicas no
promedian a todos los individuos de la población, sino que
los muestran tal como pueden apreciarse.

4-3 Lípidos y fluidez de la membrana
El estado físico de los lípidos de una membrana puede describirse por su fluidez (o viscosidad).1 Igual que muchas
otras sustancias, los lípidos pueden existir en fase sólida
cristalina o en fase líquida de viscosidad variable, según la
temperatura. Por ejemplo, consideremos una sencilla bicapa artificial hecha de fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina
cuyos ácidos grasos son principalmente insaturados. Si la
temperatura de la bicapa se mantiene relativamente alta (p.
ej., 37°C), el lípido existe en estado relativamente fluido,
1 Fluidez y viscosidad guardan relación inversa; la fluidez es una
medida de la facilidad para fluir y viscosidad es la resistencia a fluir,

132

CAPITULO 4 • Estructura y fundón de la membrana plasmática
(a) Arriba de la temperatura de transición

(b) Abajo de la temperatura de transición

FIGURA 4-21. La estructura de la bicapa de lípidos depende de la temperatura. La bicapa aquí mostrada se compone de dos fosfolípidos,
fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina. o) Arriba de la temperatura de transición, las moléculas de lípidos y sus extremos hidrófobos tienen
libertad de movimiento en ciertas direcciones, aunque retienen un grado de orden considerable, b) Por debajo de la temperatura de transición
el movimiento de las moléculas se restringe en forma notable y toda la bicapa puede describirse como un gel cristalino congelado. (Según R.N,
Robsrtson, The Lively Membranes, Cambridge University Press, 1983. Reimpreso con autorización de Cambridge ilniversity Press.)

semejante al líquido (fig. 4-21, a). A esta temperatura, la
bicapa de lípido se describe mejor como un cristal líquido
bidimensional. Igual que en un cristal, las moléculas aún
mantienen una orientación específica; en este caso, los ejes
longitudinales de las moléculas permanecen prácticamente
paralelos entre sí, pero los fosfolípidos individuales son
capaces de girar o desplazarse lateralmente en el plano de
la bicapa. Si la temperatura disminuye lentamente, se alcanza un punto donde ocurre un cambio distintivo en la
naturaleza de la bicapa (fig. 4-21, b). El lípido pasa de su
estado normal semejante a líquido a un gel cristalino "congelado" donde el movimiento de los fosfolípidos está muy
restringido. La temperatura a la cual ocurre este cambio se
denomina temperatura de transición.
La temperatura de transición de una bicapa particular
depende de los lípidos particulares que la constituyen. El
determinante de mayor importancia es el grado de insaturación de las cadenas acidas acilo de los fosfolípidos, o sea,
su contenido en dobles enlaces (específicamente enlaces cis).
La temperatura de transición y la fluidez son determinadas
por la capacidad de la molécula para compactarse. Aunque
los ácidos grasos saturados tienen forma de barras rectas
y los ácidos grasos cis insaturados presentan incurvaciones
en la cadena donde se localizan los dobles enlaces (figs. 2-19

CUADRO 4-4. Punto de fusión de los ácidos grasos comunes
con función lípída en el carbono 18
Acido graso

Dobles enlaces

Acido esteárico
Acido oleico
Acido «-linolcico
Acido Hnolénico

0
1

70°

2

13°
-9°

3

-17°

y 4-21), los fosfolípidos con cadenas saturadas pueden
compactarse más firmemente que los que contienen cadenas insaturadas. Cuanto mayor sea el grado de insaturación
de los ácidos grasos de la bicapa, menor será la temperatura
necesaria para que la bicapa pase al estado de gel (cuadro
4-4).
El límite dentro del cual los diferentes lípidos cambian
de fase es muy amplio. Por ejemplo, se pueden sintetizar
varias fosfatidilcolinas y emplearlas para formar bicapas
cuya temperatura de transición varía desde temperaturas
menores de 0°C hasta mayores de 60°C. Las moléculas de
colesterol alineadas con las cadenas lípidas acilo de los fosfolípidos de la bicapa (fig. 4-7) afectan la fluidez de la membrana al alterar la manera de compactarse de las cadenas de
hidrocarburos. Como resultado, el colesterol tiende a evitar
temperaturas de transición bruscas y también puede incrementar la estabilidad y disminuir la permeabilidad de la
membrana.

Importancia de la fluidez de la membrana
¿Qué papel representa el estado físico de la bicapa de lípidos en las propiedades biológicas de la membrana? Al parecer, la fluidez de la membrana corresponde a un compromiso perfecto entre estructura rígida ordenada sin posibilidad
de movimientos y líquido no viscoso totalmente fluido en el
cual los componentes de la membrana no pueden mantener
una orientación determinada y carecen de oportunidad para
organizarse y suministrar apoyo mecánico. La fluidez es
importante porque permite que ocurran interacciones dentro de la membrana. Por ejemplo, gracias a la fluidez de la
membrana algunas proteínas se ensamblan en un sitio particular de la membrana y forman estructuras especializadas como uniones intercelulares, compuestos que captan
luz y sinapsis. La transferencia de señales a través de la


Capa interna

133

Capa externa

Fosfolípidos
totales
Esfingomielina
FIGURA 4-22. Distribución asimétrica de
fosfolípidos en la membrana plasmática del
eritrocito humano.

Fosfatidilcolma
Fosfatidiletanolamina
Fosfatidilserina

50

membrana plasmática requiere de la interacción de receptores transmembrana que se unen a ligandos sobre la superficie externa de la membrana y estimulan enzimas situadas en la superficie interna de la misma. Debido a la fluidez
de la membrana, las moléculas que interactúan pueden reunirse, efectuar la reacción necesaria y separarse. La fluidez
también tiene relación con el ensamblado de la membrana,
tema que analizaremos en la sección 8-3. Las membranas
sólo se originan a partir de membranas preexistentes y crecen mediante un proceso que añade componentes lípidos y
proteínas a la matriz líquida de una hoja membranosa.
Muchos de los procesos celulares mas básicos, incluyendo
movimiento celular, crecimiento de la célula y división de
la misma, formación de uniones intercelulares, secreción y
endocitosis, dependen de movimientos de los componentes
de la membrana y tal vez no serían posibles si la membrana
fuera una estructura rígida no fluida.
Conservación de la fluidez de la membrana
La temperatura interna de la mayor parte de los organismos (que no sean aves ni mamíferos) varía con la temperatura ambiental. Para muchas actividades de la célula es
indispensable que la membrana permanezca en estado fluido, por tanto las células deben tener capacidad para regular
la fluidez de su membrana frente a condiciones variables
controlando el tipo de fosfolípidos que las constituyen. La
conservación de la fluidez de la membrana es un ejemplo
de homeostasis a nivel celular y puede demostrarse de varias maneras. Por ejemplo, cuando disminuye la temperatura de un cultivo de células, éstas responden metabólicamente. La respuesta inicial de "urgencia" está mediada por
enzimas capaces de "remodelar" las membranas y hacer la
célula más resistente al frío. Esta remodelación se lleva a
cabo por desaturación de enlaces simples en las cadenas
lípidas acilo para formar dobles enlaces y reordenamiento
(barajeo) de cadenas en las diferentes moléculas para formar fosfolípidos con dos ácidos grasos insaturados. El
reordenamiento se lleva a cabo mediante fosfolipasas, que
desdoblan al ácido graso del esqueleto glicerol, y aciltransferasas, que los transfieren a fosfolípidos diferentes. Ade-

40

30

20

10
O
10
Porcentaje del total

20

30

40

50

más, las células cambian el tipo de fosfolípidos que sintetizan en favor de otros que contengan más ácidos grasos
insaturados. Como consecuencia de la actividad de estas
diferentes enzimas, las propiedades físicas de una membrana celular coinciden con las condiciones prevalecientes en
su entorno. En diversos organismos se ha demostrado la
conservación de fluidez de las membranas mediante ajustes en la composición de las grasas acilo, incluyendo mamíferos en estado de hibernación, peces que viven en estanques y cuya temperatura corporal cambia notablemente del
día a la noche, plantas resistentes al frío y bacterias que
viven en aguas termales.
Para comprobar que la insaturación de los ácidos grasos contribuye a la tolerancia de bajas temperaturas, se han
efectuado experimentos empleando cianobacterias incapaces de efectuar ciertos tipos de desaturación. Cuando se
compara la velocidad de crecimiento de cepas nativas y de
las mutantes a 34°C, se observa poca diferencia, pero cuando la temperatura desciende a 22°C, el tiempo de duplicación de las células mutantes se eleva hasta 59 horas en
comparación con el tiempo de duplicación de las cepas nativas, que es de 22 horas. Si experimentalmente se introduce
en las células mutantes el gen que codifica la enzima (des
A), se restablece la tolerancia al frío.
Asimetría de los lípidos de la membrana
La bicapa de lípidos consta de dos hojas distintas y no hay
razón para suponer que la composición de los lípidos en
ambas mitades deba ser idéntica. De hecho, hay numerosas
pruebas que indican que los lípidos de la membrana plasmática se distribuyen en un patrón muy asimétrico. Una
serie de experimentos que han conducido a esta conclusión
tiene la ventaja de que las enzimas que digieren lípidos no
penetran la membrana plasmática y, por consiguiente, sólo
digieren los lípidos que residen en la hoja externa de la
bicapa. SÍ se somete un eritrocito humano a la acción de
una fosfolipasa que hidroliza fosfoglicéridos, casi 70% de la
fosfatidilcolina de la membrana se libera en el medio,
pero sólo se libera 20% de la fosfatidiletanolamina de la
membrana y menos de 10% de la fosfatidilserina de dicha

134

CAPITULO 4 • Estructura y función de ¡a membrana plasmática

membrana. Estos datos indican que, en comparación con la
hoja interna, la capa externa posee una concentración desproporcionadamente alta de fosfatidilcolina (y de esfingomielina) y una baja concentración de fosfatidiletanolamina
y de fosfatidilserina (fig. 4-22). De esto se deduce que la
bicapa de lípidos puede imaginarse como estructura compuesta de dos monocapas independientes, más o menos
estables, con diferentes propiedades físicas y químicas.
Dada la asimetría de los fosfolípidos, surge la pregunta: ¿hasta qué grado hay intercambio de fosfolípidos a través
de la bicapa? Mediciones de diferente tipo con fosfolípidos
marcados indican que la vida media de una molécula de
fosfolípido que permanece fija dentro de una capa, en oposición a la que se mueve a través de la otra capa, se mide en
horas o días. En contraste, un fosfolípido puede desplazarse
lateralmente dentro de la misma capa con bastante facilidad. Se estima que un fosfolípido puede difundir de un
extremo al otro de una bacteria en uno o dos segundos. Por
lo tanto, de todos los posibles movimientos que puede efectuar un fosfolípido, el paso desde un lado al otro de la
membrana (flip-flop) es el más restringido {fig. 4-23). Este
dato no es sorprendente, pues para que eso ocurra, el grupo de la cabeza hidrófila del lípido tendría que pasar a
través de la capa hidrófoba interna de la membrana, lo cual
es termo dinámicamente desfavorable. Sin embargo, hay células que contienen enzimas, llamad as flipasas, que mueven
activamente ciertos fosfolípidos desde una capa de la membrana a la otra. Estas enzimas pueden participar en el establecimiento de la asimetría de los lípidos y también revertir
la velocidad de los lentos movimientos pasivos que ocurren
a través de la membrana.

4-4 Naturaleza dinámica
de la membrana plasmática
A partir del análisis previo se deduce que la bicapa de lípidos puede existir en un estado relativamente fluido. La
movilidad de las moléculas individuales de lípidos dentro
de la bicapa de la membrana plasmática puede observarse
directamente uniendo partículas doradas a las Cabezas polares de los lípidos y siguiendo el movimiento de dichas
partículas con el microscopio (fig. 4-24). Puesto que los lípidos constituyen la matriz en la cual están embebidas las
proteínas integrales de las membranas, el estado físico de
estos lípidos también es un importante factor determinante
de la movilidad de dichas proteínas integrales. La demostración de que las proteínas integrales pueden moverse
dentro de la membrana plasmática fue una de las piedras
angulares para formular el modelo de mosaico fluido. Las
propiedades dinámicas de las proteínas de la membrana se
revelan de diferentes maneras.

Difusión cíe las proteínas de la membrana
luego de la fusión celular
La fusión celular es una técnica para unir dos células de
diferente tipo o células de dos especies distintas y producir
una célula con un citoplasma común y una sola membrana
plasmática continua. La fusión se logra haciendo "pegajosa" la superficie externa de las células, de modo que sus
membranas plasmáticas se adhieran entre sí. La fusión celular se puede inducir añadiendo ciertos virus inactivados

(a) Difusión transversa (flip-flop)

(b) Difusión lateral

13.2 seo

K H í l ' K A 4-2,'í. Movimientos posibles de los fosfolípidos en una
membrana, a) El movimiento de un fosfolípido de una capa de la
membrana a la otra (denominado "flip-flop") ocurre a una velocidad
muy lenta debido a que es necesario desplazar el grupo polar de la
cabeza a través de los ácidos grasos situados en el centro de la bicapa.
b) Dentro de una capa los fosfolípidos pueden difundir lateralmente
con rapidez.

FIGURA 1-2-1. Determinación experimental de la movilidad de
los fosfolípidos dentro de la bicapa de lípidos de la membrana plasmática. Un pequeño número de fosfolípidos de la capa externa de la
membrana plasmática de un fibroblasto viviente fueron marcados con
partículas de oro y sus movimientos se siguieron bajo microscopio en
una pantalla de video. Pudo demostrarse que los lípidos marcados se
mueven al azar dentro de la membrana según lo indican los rastros
trazados sobre la superficie de la célula. La barra representa 3 ftm.
(Según Greta, M. Lee y cois.: }. Cell Biol. 120:28, 1993; con permiso de


que se unen a la superficie de la membrana o agregando el
compuesto polietilenoglicol. La fusión de las células ha desempeñado un importante papel en biología celular y en la
actualidad es parte de la técnica para preparar anticuerpos
específicos (sección 17-13).
En los primeros experimentos para demostrar que las
proteínas de la membrana tenían capacidad de movimiento
en el plano de la membrana se empleó la fusión celular, y
fueron publicados en 1970 por L.D. Frye y Michael Edidin,
de la Universidad Johns Hopkins. En estos experimentos se
fusionaron células de ratón y de humanos, y luego se observó la localización de proteínas específicas de la membrana
plasmática una vez que las dos membranas se volvieron
continuas. Para seguir la distribución de las proteínas de la
membrana, de ratón o humanas, en diferentes momentos
después de la fusión se prepararon anticuerpos contra uno
u otro tipo de proteínas y se unieron mediante enlaces covalentes a colorantes fluorescentes. Los anticuerpos contra
proteínas de ratón formaron complejos con un colorante
que produce fluorescencia verde y los anticuerpos contra
proteínas humanas con uno que produce fluorescencia roja.
Cuando se añadieron los anticuerpos a las células fusiona-

Célula
humana

Adición del
virus
Sendai
(fusionante)

135

das se enlazaron a las proteínas humanas o de ratón y pudo
determinarse su localización bajo microscopio de fluorescencia (fig. 4-25, a). En el momento de la fusión, la membrana plasmática podía considerarse mitad humana y mitad
ratón; o sea, las dos proteínas permanecieron separadas en
su propio hemisferio (paso 3, fig. 4-25, a,b). Después de la
fusión, conforme transcurrió el tiempo, se observó que las
proteínas de la membrana se desplazan lateralmente dentro de la misma hacia el hemisferio opuesto. Unos 40 minutos después, las proteínas de cada especie estaban distribuidas uniformemente alrededor de toda la membrana celular
híbrida (paso 4, fig. 4-25, a). Cuando se efectúa el mismo
experimento a temperatura más baja, la viscosidad de la
bicapa de lípidos aumenta y la movilidad de las proteínas
de la membrana disminuye (fig. 4-25, c).
Restricciones a la movilidad de las proteínas
La fusión celular mostró por primera vez las características
dinámicas de las proteínas integradas a la membrana, pero
hay otras técnicas más adecuadas para medir la extensión y
velocidad de los movimientos de las proteínas. Las técnicas

40
minutos

Célula
de ratón

35

Temperatura de incubación (°C)

FIGURA 4-2,"). Con ayuda de la fusión celular se puede demostrar la movilidad de las proteínas de la membrana, a) Diseño de un
experimento en el cual se fusionaron células humanas y de ratón (pasos 1-2); posteriormente se siguió la distribución de las proteínas de cada
célula durante cierto tiempo en los híbridos (pasos 3-4). Las proteínas de la membrana de ratón se indican con círculos sólidos, las proteínas
de la membrana humana en círculos abiertos. En los híbridos, las proteínas humanas y de ratón se localizaron por su interacción con anticuerpos
fluorescentes rojos y verdes, respectivamente, b) Micrografía que muestra una célula fusionada en la cual las proteínas de ratón y humanas aún
se encuentran en sus respectivos hemisferios (equivalente al híbrido de la parte a, paso 3). c) El efecto de temperatura sobre la difusión de las
proteínas de la membrana pudo observarse examinando el porcentaje de células donde aparecen mezcladas las proteínas de las dos especies
(que forman un mosaico) 40 minutos después de la fusión. El porcentaje de células mosaico se incrementa de manera brusca cuando la
temperatura se eleva a más de 15°C, lo que sugiere que los lípidos sufren una fase de transición durante la cual pasan del estado de- gel al estado
líquido. (b,c; Según L.D. fnje j Michael Edidin, ]. Cell Sci. 328:334, 1970; con permiso de Tlie Company of Biologists Lid.)

136


Proteínas marcadas con
colorantes fluorescentes

Punto de fotosupresión
con rayo láser

Recuperación

(a)
Iluminado

Tiempo

(b)
FIGURA 4-26. Medición de la velocidad de difusión de las proteínas de membrana por recuperación de la fluorescencia después
de fotoblanqueamiento (RFDF). a) En esta técnica se marca un componente particular de la membrana con un colorante fluorescente
(paso 1). A continuación se irradia una pequeña región de la superficie
para blanquear las moléculas del colorante (paso 2) y se mide el tiempo para recuperar la fluorescencia en la región blanqueada (paso 3).
b) La velocidad de recuperación de la fluorescencia dentro del punto
iluminado puede variar dependiendo de la(s) proteína(s). Esta velocidad de recuperación se relaciona con el coeficiente de difusión de la
especie fluorescente.

empleadas comúnmente son recuperación de la fluorescencia
después de fotoblanqueamiento (RFDF) y seguimiento de partícula única (SPT). En la técnica RFDF (fig. 4-26 a), primero se
marcan los componentes de la membrana uniéndolos a un
colorante fluorescente. Las proteínas de la membrana pueden marcarse de manera indiscriminada tratando la célula
con un colorante inespecífico (p. ej., isotiocianato de fluoresceína) que reaccione con todas las moléculas de proteína
expuestas, o alternativamente se puede marcar una proteína particular de la membrana empleando sondas específicas,
como anticuerpos fluorescentes. Una vez marcadas, las células se colocan bajo el microscopio y se irradian individualmente empleando un delgado rayo láser enfocado con gran
precisión, el cual blanquea de manera irreversible las moléculas fluorescentes que encuentra en su camino y deja un
punto circular (típicamente de 1 ¿ím de diámetro) sobre la
superficie de la célula desprovista de fluorescencia. Si las
proteínas marcadas en la membrana son movibles, entonces los movimientos al azar de estas moléculas provocan la
reaparición gradual de la fluorescencia en el círculo radiado. La velocidad de recuperación de la fluorescencia {fig.
4-26, b) suministra una medida directa de la velocidad de
difusión (expresada como coeficiente de difusión) de las
moléculas movibles. El grado de recuperación de la fluorescencia (expresado como porcentaje de la intensidad original) proporciona una medida del porcentaje de moléculas
marcadas libres de difundir.
La técnica de recuperación de la fluorescencia después
de fotoblanqueamiento tiene sus inconvenientes. Se emplea
para seguir el movimiento de una extensa población de
moléculas marcadas conforme difunden a través de una
distancia relativamente grande. Por consiguiente, esta técnica no puede suministrar información acerca del trayecto
que siguen las proteínas individuales, ni tampoco si una
molécula se mueve en una región restringida (o dominio)
dentro de la membrana, pero no sobre una distancia lo bastante grande para entrar al círculo radiado y ser registrada
como movible. Para superar estas limitaciones se han desarrollado técnicas para seguir una sola partícula, en las cuales se marcan proteínas de la membrana con sustancias como
partículas de oro coloidal (diámetro de 15 a 40 nm), que
pueden observarse y seguir individualmente bajo microscopio, de la misma manera que las moléculas individuales
de lípidos se pudieron seguir en el experimento mostrado
en la figura 4-24.
La rapidez de difusión de las proteínas dentro de una
membrana depende de varios factores, incluyendo viscosidad de la matriz lípida a través de la cual debe desplazarse
la proteína: cuanto más fluida la bicapa, mayor la movilidad. Otro factor es la masa de la proteína: a mayor peso
molecular de la partícula menor será la velocidad de difusión.
Si la movilidad de la proteína dependiera estrictamente de estos parámetros físicos: viscosidad del lípido y tamaño de la partícula, podría esperarse que las proteínas se
desplazaran con coeficientes de difusión cercanos a 10~9
cm2/se8undo (en comparación con casi 10~8 cm2/segundo
para las moléculas de lípidos más pequeñas y más móviles
de la bicapa). Sin embargo, cuando se estudian los movimientos de las proteínas en una membrana natural median-


137

te técnicas RFDF y otras, de ordinario se observa que se
mueven con mayor lentitud que la pronosticada antes. Los
coeficientes de difusión típicos para las proteínas de la membrana varían de 10~10 a 10"12 cm2/segundo, según la especie de proteína y la membrana. En realidad, cierto porcentaje de las moléculas de la proteína parecen estar completamente inmóviles e incapaces de difusión alguna.
Control de la motilidad de la membrana

Es evidente que las proteínas de la membrana no son totalmente libres para moverse al azar en el "mar" lípido, sino
que están sujetas a influencias restrictivas que inhiben su
movilidad. Algo de la restricción puede ser resultado de
interacciones en la propia membrana. Por ejemplo, muchas
proteínas integrales existen como complejos oligoméricos
(como el centro de reacciones de fotosíntesis mostrado en la
página 115) cuyo peso molecular puede ser muy grande, y
en consecuencia su coeficiente de difusión pequeño. Otras
veces, las proteínas integrales se unen a materiales presentes en la superficie interna o la externa de la membrana.
Como se analizará después, las membranas plasmáticas de
muchas células poseen una cadena fibrilar o "esqueleto" de
proteínas periféricas situado en su superficie interna. Cierta
proporción de las proteínas integrales de la membrana parece estar fija e inmovilizada en el esqueleto de la membrana
(fig. 4-31). Aun si las proteínas integrales no estuviesen firmemente ancladas, las proteínas periféricas de la membrana pueden formar vallas alrededor de ciertas-partes de la
membrana y establecer dominios que restringen la distancia que puede recorrer una proteína (fig. 4-27). Al seguir la
movilidad de proteínas individuales se observa la presencia
de estas barreras. Los dominios de membrana pueden mantener combinaciones específicas de proteínas en estrecha
proximidad, lo suficiente para facilitar su interacción.
La movilidad de las proteínas integrales también puede ser restringida por materiales presentes en la superficie
externa de la membrana (fig. 4-28). Esto se demuestra con
mayor claridad en experimentos con células que poseen
genes que codifican proteínas de membrana alteradas. Por
ejemplo, si mediante manipulaciones se introduce a la célula un gen que codifica un polipéptido transmembrana que
carece de la porción que normalmente se proyecta fuera de
la membrana, la velocidad de difusión lateral de la proteína
¡ñútante puede ser mucho mayor que su contraparte normal. Este resultado sugiere que el movimiento de una proteína transmembrana a través de la bicapa puede ser más
lento por la presencia de materiales extracelulares que se
enredan en la porción más externa de la proteína.

FICURA 4-27. Restricción al movimiento de las proteínas de
membrana por las proteínas periféricas internas. La membrana plasmática de la célula a menudo contiene un esqueleto en su parte interna que puede restringir el movimiento de una proteína integral. La
membrana plasmática del eritrocito aquí mostrada contiene una disposición de moléculas fibrosas de espectrina (véase figura 4-31, d) que
puede actuar como valla para restringir el movimiento de las proteínas. En este dibujo, las tres proteínas (mostradas como círculos y trazos rojos) deben encontrar grietas en la red del esqueleto para desplazarse unos pocos cientos de nanómetros. (Según M. Edidin, Trends Cell
Biol. 2:378, 1992.)

do, la membrana plasmática apical, que absorbe selectivamente sustancias de la luz del túbulo, posee enzimas diferentes en comparación con la membrana plasmática de la
superficie lateral, que interactúa con células epiteliales veci-

Dominios de membrana y polaridad celular

Incluso entre membranas que se caracterizan por difusión
lateral extensa, hay muchos ejemplos en los cuales se mantiene una organización o disposición particular de las proteínas de membrana. Las diferencias topográficas son particularmente evidentes en células de tejidos organizados,
donde las diferentes superficies celulares tienen funciones
distintas. Por ejemplo, las células epiteliales que revisten la
pared intestinal o constituyen los microscópicos túbulos del
riñon son células muy polarizadas cuyas diferentes superficies efectúan distintas funciones (fig. 4-29). Como resulta-

FIGURA 4-28. Restricción al movimiento de las proteínas de
membrana por materiales extracelulares. La superficie externa de la
membrana plasmática contiene varias glucoproteínas y polisacáridos
extracelulares que pueden impedir el movimiento de las proteínas
integrales de la membrana al enredarse en el dominio extracelular de
la proteína.

138


Glucosa
Membrana plasmática apical
• regulación de la captación
de nutrientes y agua
• secreción regulada
• protección

FIGURA 4-29.Dif erentes funciones de la membrana plasmática de una célula epitelial, a) La
superficie apical de esta célula epitelial del intestino contiene proteínas integrales cuya función se
relaciona con transporte de iones e hidrólisis de
disacáridos, como sacarosa y lactosa; la superficie
lateral contiene proteínas integrales funcionalmente relacionadas con interacciones entre las células; y la superficie basa! contiene proteínas integrales que participan en la unión de la célula con
la membrana basal subyacente, b) Micrografía electrónica que muestra la localización de las enzimas
que separan sacarosa (invertina) en las microvellosidades de la célula epitelial intestinal. La localización de la enzima se manifiesta por la presencia de
anticuerpos marcados dirigidos contra la misma.
(b: Cortesía de J.A.M. Fransen y cois. J. Cell Biol.
115:50, 1991; con permiso de Rockefeller University
Press.)

Membrana plasmática lateral
• contacto y adherencia
de la célula
• comunicación celular

Membrana basal
• contacto de la célula
con el sustrato
• generación de gradientes
iónicos

(a)
entre las sinapsis (fig. 4-49) y los receptores para lipoproteíñas de baja densidad se concentran en placas de la membrana plasmática especializada para facilitar su penetración al
interior (véase sección 8-7).
De los diferentes tipos de células de mamífero, los espermatozoides tienen la estructura más altamente diferenciada. Un espermatozoide maduro se puede dividir en cabeza, cuerpo o pieza central y cola, cada uno con su propia
función especializada. Aunque dividido en varias partes
distintas, el espermatozoide está cubierto por una membrana plasmática continua que, según han revelado numerosas técnicas, consta de un mosaico de diferentes tipos de
dominios localizados. Por ejemplo, cuando el espermatozoide es tratado con varios anticuerpos específicos, cada
anticuerpo se combina con la superficie de la célula en un
patrón topográfico único que refleja la distribución única
del antígeno particular en la membrana plasmática (fig- 4-30).

Membrana plasmática de los eritrocitos

(b)

0.5 pm

ñas o de la superficie basal que se adhiere a un sustrato
extracelular subyacente (membrana basal) y cuya función es
intercambiar sustancias con el torrente sanguíneo. En otros
ejemplos, los receptores para neurotransmisores se concentran en regiones de la membrana plasmática localizadas

De todos los diferentes tipos de membrana, la membrana
plasmática del eritrocito humano (glóbulo rojo) es la más
estudiada y mejor comprendida (fig. 4-31, a). Hay varias
razones para la popularidad de esta membrana. Las células son poco costosas y rápidamente disponibles en cantidades enormes a partir de sangre completa. Ya se encuentran
aisladas como células únicas y no es necesario disociarlas
de un tejido complejo. Las células son extremadamente simples en comparación con otros tipos de ellas, carecen por
completo de membranas nuclear y citoplásmica, que inevi-


FIGURA 4-30. Diferenciación de la membrana plasmática del espermatozoide de mamífero según puede observarse con la técnica
de anticuerpos fluorescentes, n-c) Tres pares de
fotografías, cada una mostrando la distribución
de un antígcno particular en la superficie de la
célula revelada por el enlace a un anticuerpo
fluorescente. Los tres antígenos se localizan en
diferentes porciones de la membrana del espermatozoide. Cada par de fotografías muestra
el patrón de fluorescencia del anticuerpo enlazado y una micrografía de la misma célula con
contraste de fases, d) Diagrama que resume la
distribución de antígenos. (a-c: Según Diana
Cola Myles, Pan! Pnmakoffy Anthony R. Bellvé,
Cell 23:434, 1981: con permiso de Ce!! Press.)

139

Parte anterior de la cabeza
Parte posterior de la cabeza

Parte posterior de la cola

tablemente contaminan las membranas plasmáticas preparadas a partir de otras células. Además, se puede obtener la
membrana plasmática purificada intacta del eritrocito colocando simplemente las células en solución salina diluida
(hipertónica). Las células responden a este choque osmótico
captando agua e hinchándose, fenómeno denominado hemolisis. Conforme aumenta la superficie celular, su contenido, compuesto casi en su totalidad por hemoglobina disuelta, fluye hacia afuera de la célula y deja un "fantasma"
de la membrana plasmática intacta (fig. 4-31, b).
Una vez aislada la membrana plasmática del eritrocito
se pueden solubilizar y separar (fraccionar) las proteínas
para tener una mejor idea de su diversidad dentro de la
membrana. El fraccionamiento de las proteínas de membrana se efectúa mejor empleando electroforesis en gel de
poliacrilamida en presencia del detergente iónico dodecilsulfato de sodio (DSS). (En la sección 17-7 se estudia la técnica DSS-EGPA.) El DSS mantiene soluble la proteína integral y además añade gran número de cargas negativas a las
proteínas con las que se une. Aunque el número de moléculas DSS por unidad de peso de proteína tiende a ser relativamente constante, las moléculas se separan según su
propio peso molecular. Las proteínas de mayor tamaño se
desplazan más lentamente a través del tamiz molecular del
gel. Cuando se aplica la técnica DSS-EGPA, las principales
proteínas de la membrana del eritrocito se separan en casi
una docena de bandas (fig. 4-31, c).
Un examen más detenido de la membrana plasmática
del eritrocito ilustrará los tipos de funciones que pueden
desempeñar estas proteínas. Entre ellas se encuentran varias enzimas {incluyendo gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa, una enzima necesaria para producir energía duran-

te la glucólisis), proteínas de transporte (para iones, aminoácidos y azúcares) y proteínas esqueléticas (p. ej., espectrina). Las diferentes proteínas de la membrana plasmática
del eritrocito se pueden correlacionar con el papel de estas
células en el transporte de oxígeno y de dióxido de carbono
y con la resistencia física que estas células encuentran durante su circulación a través del cuerpo.
Proteínas integrales de la membrana del eritrocito

En la figura 4-31, d, se muestra un modelo de membrana
plasmática del eritrocito y sus principales proteínas. La
membrana contiene dos proteínas integrales principales;
ambas son proteínas que rodean a la membrana y que contienen carbohidratos, denominadas banda 3 y glucoforina
A. La banda 3, que ocurre como dímero compuesto de dos
subunidades idénticas, rodea a la membrana cuando menos una docena de veces y contiene una cantidad relativamente pequeña de carbohidratos (6 a 8% del peso de la
molécula). La banda 3 desempeña una función en el movimiento de aniones. Conforme la sangre circula a través de
los tejidos, el dióxido de carbono se disuelve en el líquido
del torrente sanguíneo (plasma) y luego se disocia según la
reacción
H2O -t- C02 -» H2CO3

H+

Los iones bicarbonato (HCC>3~) penetran a los eritrocitos
intercambiándose por iones cloro, los cuales salen de la célula. En los pulmones, donde se libera dióxido de carbono,
ocurre la reacción inversa y los iones bicarbonato abandonan el eritrocito intercambiándose por iones cloro. El movimiento recíproco de HCOs" y CI~ ocurre a través de un
canal situado en el centro de cada dímero de la banda 3.

140


PERIFÉRICA

INTEGRAL
Mayor

Menor

Espectrina
Anquirina
ATPasa
Banda 3
AChe
Glucoforina A

Banda 4.1
Banda 4.2

Actina
G3PD
Banda 7

(c)
Espectrina
a

Banda 3

Glucoforina A

(d)
FIGURA 4-31. Membrana plasmática del eritrocito humano, a) Gammagrafía electrónica
de eritrocitos humanos, b) Micrografía de la membrana plasmática de fantasmas de eritrocitos que fueron aislados al permitir que el eritrocito se hinchara y sufriera hemolisis, según
se describe en el texto, c) Resultado de la electroforesis en gel de poliacrilamida con dodecilsulfato de sodio (EGPA-DSS) empleada para fraccionar proteínas de la membrana
eritrocítica, identificadas en el lado correspondiente al gel. El gel se tino con azul Coumassie
para proteínas, d) Modelo de membrana plasmática del eritrocito vista desde la superficie
interna que muestra las proteínas integrales embebidas en la bicapa de lípidos y la disposición de las proteínas periféricas que constituyen el esqueleto interno de la membrana, c)
Micrografía electrónica que muestra la disposición de las proteínas del esqueleto interno de
la membrana (Ep - espectrina). (a: Según Francois M.M. Morel, Richard F. Baker y Harold
Wayland, J. Cell Biol. 48:91, 1971; b: cortesía de Josep/i F. Hoffmnn; c: rcpoducidn, con permiso, cíe
V.T. Marchesi, H. Furthmayr y M. Tomíta, Ann. Rev. Biochem., vol. 45, © 1976 por Annunl
Reviews Inc; e: según Shih-Chun Liu, Laura H. Dcrick y ¡iri Pnlck, ]. Cell Biol. 104:527, 1987; con
permiso de Rockefeller University Press.)


La glucoforína A fue la primera proteína de membrana
en la que se determinó la secuencia de aminoácidos. En la
figura 4-16 se presenta la disposición de la cadena de polipéptidos de la glucoforina A en la membrana plasmática.
(También se presentan otras tres glucoforinas relacionadas,
B, C y D, presentes en la membrana en concentración mucho menor.) A diferencia de la banda 3, la glucoforina A
rodea la membrana sólo una vez y contiene una porción
muy amplia de carbohidrato que consta de 16 cadenas de
oligosacáridos que en conjunto constituyen casi 60% del
peso de la molécula. Se cree que la función primaria de las
glucoforinas se deriva del gran número de cargas negativas
que se originan en los extremos de sus cadenas de carbohidratos. Debido a estas cargas, los eritrocitos se repelen
entre sí, evitando la formación de grumos conforme los eritrocitos circulan a través de los vasos de menor calibre. Es
digno de mencionar que las personas que carecen de las
glucoforinas A y B en sus eritrocitos no muestran efectos
patológicos por su ausencia, pero las proteínas de la banda
3 están más intensamente glucosiladas, lo que al parecer
compensa la ausencia de cargas negativas necesarias para
evitar la interacción de célula a célula.
El esqueleto de la membrana del eritrocito

Las proteína periféricas de la membrana del eritrocito se
localizan en su superficie interna y constituyen el esqueleto
fibrilar de la membrana ffig. 4-31, d,e) que actúa para mantener la forma del eritrocito y restringir el movimiento de
las proteínas integrales de la membrana. El principal componente del esqueleto es la espectrina, una proteína fibrosa
flexible de casi 100 nm de longitud compuesta de dos
subunidades: una a y una b enrolladas una sobre la otra. En
su estado nativo dentro de la membrana, dos moléculas
(cuatro subunidades) de espectrina se encuentran enlazadas cabeza con cabeza para formar un filamento de 200 nm.
La espectrina se fija a la superficie interna de la membrana
por medio de enlaces no covalentes a otra proteína periférica, la anquirina (esferas verdes de la figura 4-31, d), que
a su vez se une por enlaces no covalentes a la porción citoplásmica de una molécula de la banda 3. Las porciones
correspondientes a la cola de las moléculas de espectrina se
unen entre sí en disposición pentagonal o hexagonal mediante una batería de proteínas, incluyendo las proteínas
actína y tropomiosina, que en condiciones típicas participan en actividades contráctiles. Numerosas enfermedades
genéticas caracterizadas por eritrocitos frágiles de forma
anormal se atribuyen a mutaciones que alteran la estructura y función de la anquirina o de la espectrina.
Cuando se retiran las proteínas periféricas de los fantasmas de eritrocitos, las membranas se fragmentan y forman vesículas pequeñas, lo que Índica que la red interna de
proteínas es necesaria para mantener la integridad de la
membrana. Los eritrocitos son células circulantes que sufren considerable presión a! atravesar los microscópicos
capilares cuyo diámetro es mucho menor que el de los propios eritrocitos. Para atravesar estas vías tan estrechas, y
tener que hacerlo todos los días, el eritrocito debe ser muy
deformable, durable y capaz de resistir fuerzas de corte que
tienden a desintegrarlo. Se piensa que la red de espectrina
y actina confiere a la célula la resistencia, rigidez y plegabi-

141

lidad necesarias para efectuar la función que se le demanda. Cuando se descubrió por primera vez el esqueleto de la
membrana del eritrocito se pensó que era una estructura
única adecuada para la forma y necesidades mecánicas
únicas de este tipo de célula. Sin embargo, conforme se
examinaron otras células se observaron esqueletos de membrana de tipo similar que contenían miembros de la familia
de la espectrina y la anquirina, lo que indica que el esqueleto interno de la membrana es una estructura ampliamente distribuida.

4-5 Movimiento de sustancias
a través de membranas celulares
Puesto que el contenido de una célula está rodeado en toda
su extensión por la membrana plasmática, toda comunicación entre la célula y el medio extracelular debe ser a través
de esta estructura. En cierto sentido, la membrana plasmática tiene doble "responsabilidad". Por un lado, debe retener los materiales disueltos dentro de la célula, de modo
que no salgan de la misma por simple escurrimiento hacia
el medio; por otra parte, debe permitir el intercambio necesario de materiales hacia adentro y afuera de las células. La
bicapa de lípidos de la membrana es ideal para prevenir la
pérdida de solutos polares con carga eléctrica de una célula,
pero deben tenerse algunas precauciones en relación con el
ingreso de nutrientes y la salida de productos de desperdicio que pudieran ser bloqueados por la bicapa de ¡ípidos
relativamente impermeable. Como se describirá más adelante, la membrana plasmática es una barrera con permeabilidad selectiva; es decir, no es igualmente permeable a
todo tipo de solutos. Esta selectividad permite que la concentración de sustancias dentro de las células sea notablemente diferente de su concentración en el exterior, condición necesaria para la vida de una célula.
Para entender la naturaleza selectivamente permeable
de la membrana plasmática es necesario considerar cómo
atraviesan esta estructura las moléculas individuales. Básicamente hay dos medios para dicho movimiento: por difusión pasiva o por algún tipo de transporte activo acoplado
a energía. Ambos tipos de movimiento pueden producir
flujo neto de un ion o compuesto particular. El término flujo neto indica que el movimiento de la sustancia al interior
de la célula (flujo interno) y hacia afuera de la misma (flujo
externo) no está en equilibrio, sino que más bien uno excede
al otro.
Se conocen varios procesos mediante los cuales se desplazan sustancias a través de las membranas: difusión simple a través de la bicapa de lípidos; difusión simple a través
de un canal acuoso revestido de proteína; difusión facilitada, y transporte activo (fig. 4-32). Consideraremos cada uno
por separado, pero primero analizaremos la energética del
movimiento de solutos.

Energética del movimiento de solutos
Difusión es un proceso espontáneo mediante el cual una
sustancia se desplaza desde una región de concentración

142

Pasivo
No mediado

Activo
Mediado por transportadores

FIGURA -1-32. Cuatro mecanismos básicos para el desplazamiento de moléculas de soluto a través de membranas. El tamaño relativo
de las letras Índica la dirección de los gradientes de concentración, a)
Difusión simple a través de la bicapa, la cual siempre procede de los
sitios de mayor a menor concentración, b) Difusión simple a través de
un canal acuoso formado dentro de una proteína integral de membrana o un agrupamiento de dichas proteínas. Igual que en a, el movimiento siempre es a favor del gradiente de concentración, c) Difusión
facilitada en la cual las moléculas de soluto se enlazan específicamente a una proteína transportadora de la membrana, pero igual que en
a y b, el movimiento siempre es desde el punto de mayor al de menor
concentración, d) Transporte activo mediante una proteína transportadora con un sitio específico de enlace que sufre cambios de afinidad
gracias a la energía liberada por un proceso exergónico, como la
hidrólisis del ATP. El movimiento ocurre contra un gradiente de
concentración.

elevada a una región de menor concentración, y que por
último elimina la diferencia de concentración entre las dos
regiones. Como se analizó en la página 80 de¡ capítulo 3, la
difusión depende del movimiento al azar de solutos y es un
proceso exergónico debido al incremento de entropía representado por la distribución al azar de las moléculas. El
siguiente análisis se restringe a la difusión de sustancias a
través de membranas.
El cambio de energía libre que ocurre cuando un soluto
difunde a través de una membrana depende de la magnitud del gradiente de concentración, o sea, la diferencia de
concentración entre los dos compartimientos situados a cada
lado de la membrana. Si el soluto no es un electrólito {partícula sin carga eléctrica), se observa la siguiente relación
para el movimiento de una sustancia al interior de la célula:
AG = RT ln-

AG = 2.303 RT Iog10 [Q]

[c0;

donde AG es la diferencia de energía libre (sección 3-1), R es
la constante de los gases, T es la temperatura absoluta y
[Q]/[C0] es la relación entre las concentraciones del soluto
en las superficies interna (i) y externa (o) de la membrana.
A 25°C,
r i
AG = 1.4 kcal/mol-logK)
[C0]
(para los valores RT véase pág. 84)

Si la proporción entre [QJ/[C0] es menor de 1.0, entonces
el log de la proporción es negativo, AG es negativo y la
entrada neta de soluto es termo dinámicamente favorecida (exergónica). Por ejemplo, si la concentración externa
de soluto equivale a 10 veces la concentración interna, AG
- -1.4kca!/rnol. Por lo tanto, mantener una concentración
10 veces mayor de un lado es igual a almacenar 1.4 kcal/
mol. Conforme el soluto se desplaza al interior de la célula,
el gradiente de concentración disminuye y AG se reduce
hasta que en el equilibrio se convierte en cero. Para calcular
AG del movimiento de un soluto hacia afuera de la célula,
el término correspondiente a la proporción entre las concentraciones se convierte en [C0]/[Q].
Si el soluto es un electrólito fuña especie con carga neta),
también se debe considerar la diferencia total de carga entre
los dos compartimientos. Como resultado de la mutua repulsión entre iones con carga semejante, para un electrólito
es termodinámicamente desfavorable desplazarse de un
compartimiento a otro a través de una membrana con carga
total del mismo signo. A la inversa, si la carga del electrólito
es de signo opuesto a la del compartimiento hacia el cual se
desplaza, el proceso es termodinámicamente favorecido.
Cuanto mayor sea la diferencia de carga (diferencia de potencial o voltaje) entre los dos compartimientos, mayor será la
diferencia de energía libre. Por lo tanto, la capacidad de un
electrólito para difundir de un compartimiento a otro depende de dos gradientes: un gradiente químico determinado por la diferencia de concentración de la sustancia entre
los dos compartimientos y un gradiente de potencial eléctrico determinado por la diferencia de cargas. Estas diferencias en conjunto se combinan para formar un gradiente
electroquímico. La diferencia de energía libre para la difusión de un electrólito al interior de la célula es
AG = R T I n -

+ zFAEm

donde z es la valencia del soluto, F es la constante de Faraday
(23.06 kcal/V • equivalente, donde un equivalente es la
cantidad de electrólitos que posee un mol de carga), y AEm
es la diferencia de potencial (en voltios) entre los dos compartimientos.
La interrelación entre diferencias de concentración y de
potencial se observa en la difusión de iones potasio (K + )
hacia afuera de la célula. La salida del ion es favorecida por
el gradiente de concentración de K + , que corresponde a una
mayor concentración de K + dentro de la célula, pero impedida por el gradiente eléctrico que representa una carga
eléctrica negativa en el interior de la célula con relación al
exterior. Analizaremos este tema en detalle cuando se consideren los potenciales de membrana y los impulsos nerviosos, en la página 154.
Difusión de sustancias a través
de membranas
Un no electrólito debe satisfacer dos condiciones para difundir al interior de una célula a través de la membrana
plasmática. La sustancia debe estar presente en concentración más elevada fuera de la célula y la membrana debe ser


permeable a la sustancia. Una membrana puede ser permeable a un soluto determinado: 1) porque el soluto pasa
directamente a través de la bicapa de lípidos, o 2) porque
dicho soluto es capaz de atravesar un poro acuoso situado
en el espesor de la membrana que impide el contacto del
soluto con las moléculas lípidas de la bicapa. Consideraremos primero la ruta en la cual una sustancia se disuelve en
la bicapa de lípidos para atravesar la membrana. El análisis
de esta ruta obliga a considerar la polaridad de un soluto.
Una medida simple de la polaridad (o no polaridad) de
una sustancia es su coeficiente de partición, o sea la proporción entre su solubilidad en aceite y su solubilidad en agua.
El coeficiente de partición para un compuesto se mide disolviendo la sustancia en aceite y en agua por separado,
mezclando luego los dos solventes inmiscibles con la sustancia disuelta y agitándolos, lo que permite que se separen
en dos fases y se mida la concentración del soluto en cada
fase. El coeficiente de partición es la concentración en aceite
dividida entre la concentración en agua. La importancia de
la liposolubilidad para la permeabilidad se muestra en el
cuadro 4-5, donde se compara la penetración de una serie
de alcoholes con coeficiente de partición decreciente a través de la membrana del eritrocito. La figura 4-33 muestra la
relación entre coeficiente de partición y permeabilidad para
algunos compuestos. Es evidente que a mayor liposolubilidad la penetración es más rápida. A finales del siglo XIX,
observaciones de este tipo suministraron el primer indicio
de que la frontera externa de la célula podía contener una
capa de lípidos.
Otro factor que determina la velocidad de penetración
de un compuesto a través de una membrana es su tamaño.
Si dos moléculas tienen coeficientes de partición aproximadamente iguales, las moléculas de menor tamaño tienden a
penetrar en la bicapa de lípidos de una membrana con mayor
rapidez en comparación con la molécula más grande. Moléculas sin carga y muy pequeñas penetran rápidamente a
través de las membranas celulares. Por consiguiente, las
membranas son muy permeables a moléculas inorgánicas
pequeñas, como C>2, CÜ2, NO y ttjO, que parecen deslizarse entre fosfolípidos adyacentes.
En contraste, moléculas polares más grandes, como
azúcares, aminoácidos e intermediarios fosforilados, muestran poca penetrabilidad en la membrana. Por consiguiente, la bicapa de lípidos de la membrana plasmática suministra una eficaz barrera que evita la difusión de estos
metabolitos esenciales hacia el exterior de la célula. Puesto
CUADRO 4-5. Relación entre coeficiente de partición
y tasa de penetración de una sustancia
Coeficiente de partición (xlO 2 )
Alcohol metílico
Glicerol etil éter
Propilenglicol
Glicerol metil éter
Etilenglicol
Glicerol
Eritritol

Tasa relativa

0.78
0.74
0.57
0.26
0.049
0.007
0.003

0.99
0.077
0.087
0.043
0.043
0.00074
0.000046

143

10E
u

o.

io-3
io-

lo-4

io-3

io-2

lo-1

i

Coeficiente de partición
FIGURA 4-33. Determinación de la relación entre el coeficiente
de partición y la permeabilidad. El coeficiente de partición se expresa
como la solubilidad de un soluto en aceite y la solubilidad en agua.
La permeabilidad se expresa como penetrancia (P) en cm/hora. Los
valores se obtuvieron al estudiar la penetración de solutos en células
del alga Chara. El tamaño de los círculos suministra una medida relativa del peso molecular del compuesto. Es evidente la notable importancia de la solubilidad de lípidos.

que algunas de estas moléculas (p. ej., azúcares y aminoácidos) deben entrar a las células procedentes del torrente sanguíneo, al parecer no lo hacen por simple difusión. En vez
de eso deben disponer de mecanismos especiales para penetrar a través de la membrana plasmática. Estos mecanismos permiten a una célula controlar el movimiento de
sustancias a través de la barrera situada en su superficie.
Posteriormente volveremos a esta característica de las membranas.
Difusión de agua a través de las membranas

Las moléculas de agua se desplazan con mucha mayor rapidez a través de una membrana celular que los iones y
pequeños solutos polares comúnmente presentes en las células, los cuales son casi impenetrables. Debido a esta diferencia de penetrabilidad del agua en comparación con solutos se dice que las membranas son semipermeables. El agua
se mueve rápidamente a través de una membrana semipermeable desde una región de baja concentración hasta otra
de alta de concentración de soluto. Este proceso se denomina osmosis y puede demostrarse fácilmente colocando la
célula en una solución con una concentración de soluto diferente de la presente en el interior de la propia célula. ,
Cuando una membrana semipermeable separa dos compartimientos con concentración diferente de un soluto, se
dice que el compartimiento de concentración más alta es
hipertónico (o hiperosmótico) en relación con el compartimiento de concentración más baja de soluto, que se describe
como hipotónico (o hiposmótico). Si se coloca una célula
en una solución hipotónica, la célula gana agua con rapidez
por osmosis y se hincha (fig. 4-34, a). A la inversa, una
célula colocada en una solución hipertónica rápidamente
pierde agua por osmosis y se encoge (fig. 4-34, b). A partir
de estas sencillas observaciones es evidente que el control

144


(a) Solución hipertónica

(b) Solución hipertónica

(c) Solución isotónica

FIGURA 4-34. Efectos de la diferencia de concentración de solutos en lados opuestos
de la membrana plasmática, a) Una célula colocada en solución hipotónica (con menor concentración de soluto que la célula) se hincha debido
a ganancia neta de agua por osmosis.
b) Una célula en solución hipertónica se encoge
debido a pérdida neta de agua por osmosis.
c) Una célula colocada en solución isotónica mantiene un volumen constante debido a que el flujo
de agua por osmosis es igual al interior que al
exterior.
Ganancia neta de agua
Las células se hinchan

Pérdida neta de agua
Las células se encogen

No hay pérdida
ni ganancia netas

del volumen celular depende sobre todo de la relación entre
concentración de solutos en el interior de la célula en comparación con la concentración en el medio extracelular. La
mayor parte de las células mantienen un volumen apropiado al desplazar iones hacia adentro y afuera de la célula
hasta que la concentración interna del soluto (incluyendo
una concentración elevada de proteínas disueltas) sea igual
a la concentración del soluto externo. En estas condiciones,
los líquidos interno y externo son isotónicos (isosmóticos)
y no hay movimiento neto de agua hacia adentro o afuera
de la célula (fig. 4-34, c).
La osmosis es un factor importante para numerosas
funciones del cuerpo. Por ejemplo, el tubo digestivo secreta
varios litros de líquido que se reabsorbe osmóticamente en
las células que revisten el intestino. Si este proceso de reabsorción no ocurre, como en el caso de la diarrea intensa, se
corre el riesgo de una rápida deshidratación. Las plantas
aprovechan la osmosis de diferentes maneras. Cuando una
célula vegetal permanece en una solución hipotónica, gana
agua y se hincha, igual que una célula animal. La célula animal finalmente estalla en el medio hipotónico, pero la
célula vegetal, que posee una pared celular externa rígida,
alcanza un volumen máximo y en vez de estallar genera
presión interna (turgencia) aplicada contra la pared que la
rodea (fig. 4-35, u). Si la célula vegetal se coloca en un medio
hipertónico, su volumen disminuye conforme la membrana
plasmática tira de la pared celular que la rodea, proceso
conocido como plasmólisis ffig. 4-35, b}. La presión desarrollada gracias al fenómeno de la turgencia suministra apoyo
a las plantas no leñosas y a ciertas partes de las plantas
leñosas, como las hojas. La pérdida de agua por osmosis
hace que las plantas pierdan turgencia y se marchiten.
Difusión de iones a través de las membranas

La bicapa de lípidos que forma el centro de las membranas
biológicas es muy permeable a sustancias con carga eléctrica,
incluyendo iones pequeños como Na + , K + , Ca2+ y Cl~.
Incluso el movimiento (conductancia) de estos iones a través de las membranas desempeña un papel crítico en múltiples actividades celulares, que comprenden generación y
propagación de impulsos nerviosos, secreción de sustan-

cias hacia el espacio extracelular, contracción muscular, regulación del volumen celular y abertura de los poros de los
estomas situados en las hojas de la planta. Hace más de 40
años, Alan Hodgkin, Bernard Katz y Andrew Huxley, tres
fisiólogos ingleses, trabajando con un axón gigante de células nerviosas de calamar, propusieron por primera vez que
las membranas celulares contenían canales iónicos permeables a iones específicos.
En la actualidad, los biólogos han identificado un sorprendente número de canales iónicos, cada uno formado
por proteínas integrales de la membrana que rodean un
poro acuoso. La mayor parte de los canales iónicos son sumamente selectivos y sólo permiten el paso de un tipo particular de ion. Igual que en la difusión de otros tipos de
solutos a través de membranas, la difusión de iones por un
canal siempre es "cuesta abajo", o sea, desde un estado de
mayor energía a otro de menor energía (pág. 80, cap. 3). Los
canales iónicos son bidireccionales, permiten el paso de iones
en ambas direcciones y el flujo neto del ion depende del
gradiente electroquímico.
Nuestra comprensión de la estructura y la operación de
los canales iónicos se ha desarrollado más en años recientes
gracias al gran avance tecnológico, que incluye:
• Aislamiento y clonación de genes que codifican las proteínas que constituyen los canales.
• Deducción de la secuencia de aminoácidos de las proteínas codificadas y predicción subsecuente por computadora de la forma de organización de estas proteínas dentro de una membrana.
• Alteración por mutagénesis dirigida a un sitio de la
secuencia de nucleótidos en el gen para producir un
polipéptido selectivamente alterado cuyas propiedades
se pueden someter a prueba.
• Aislamiento de estas proteínas y reconstitución de las
mismas dentro de liposomas donde su actividad pueda
estudiarse aislada de otras proteínas de la membrana.
• Inyección de genes (o de los correspondientes RNA mensajeros) que codifican para las proteínas del canal a
células extrañas, como oocitos de anfibios, donde las
proteínas se sintetizan e integran a la membrana plas-


HIPOTONICO:
presión normal
de turgencia

H,O

HIPERTÓNICO:
no hay presión
de turgencia

FIGURA 4-35. Efecto de la osmosis sobre una célula vegetal, a)
Las plantas acuáticas que viven en agua dulce están rodeadas por un
medio hipertónico. Por lo tanto, el agua tiende a fluir al interior de las
células generando presión por turgencia, b) Si la planta se coloca en
solución hipertónica, como agua de mar, la célula pierde agua y la
membrana plasmática se separa de la pared celular. (Cortesía de Ed
Reschke.)

mática de la célula receptora y forman canales funcionales.
• Desarrollo de técnicas mediante las cuales se pueda
estudiar la conductancia de iones a través de un solo
canal iónico. Esto se lleva a cabo utilizando como electrodos micropipetas fabricadas con vidrio pulido que
se colocan en la superficie externa de la célula y sellan
la membrana por succión. El voltaje a través de la membrana se puede conservar (pinzar) en un valor determinado y medir la corriente originada en la pequeña porción de membrana que rodea a la pipeta (fig. 4-36).
Comparando la secuencia de aminoácidos en las proteínas que forman diferentes tipos de canales iónicos en

145

organismos tan diversos como bacterias, plantas y animales, sé observa que todos los canales iónicos pertenecen a un
pequeño número de superfamilias gigantes. Aunque los
miembros de una superfamilía dada pueden mostrar selectividad muy diferente para cada ion, todas muestran bastante similitud en la secuencia de aminoácidos y estructura
total al indicar que provienen de una sola proteína que alguna vez estuvo presente en un ancestro común que existió
hace miles de millones de años.
La mayor parte de estos canales iónicos que se han
identificado pueden tener conformación abierta o cerrada;
se dice que estos canales son las compuertas. El cambio de
conformación cerrada a abierta, o sea, la abertura de la compuerta, puede ser inducida por varios factores, que dependen del canal en particular. Se han identificado dos categorías principales:
1. Canales operados por voltaje cuyo estado de conformación depende de la diferencia de carga iónica en
ambos lados de la membrana.
2. Canales operados por sustancias químicas cuyo estado de conformación depende del enlace con una sustancia particular.
Algunos canales operados químicamente se abren (o cierran) luego del enlace de un ligando a la superficie externa
del canal, otros se abren (o cierran) luego que un ligando se
enlaza a la superficie interna del canal. Por ejemplo, los
neurotransmisores como acetilcolina actúan sobre la superficie exterior de ciertos canales catiónicos, en tanto que los
nucleótidos cíclicos como AMPc actúan sobre la superficie
interna de ciertos canales iónicos para calcio.
Aunque los biólogos todavía deben cristalizar la proteína de un canal iónico y por difracción de rayos X obtener
¡a imagen de su disposición tridimensional en la membrana, ya es mucho lo que se sabe acerca de la estructura de
estas moléculas. El siguiente análisis se centrará en los canales que median el paso del ion potasio. Se han aislado
genes que codifican diferentes canales para K + y se ha investigado la anatomía molecular de sus proteínas. La mayor
parte de estas proteínas poseen la estructura básica bidimensional ilustrada en la figura 4-37, a. Los dominios Nterminal y C-terminal se sitúan en el lado citoplásmico de la
membrana, en tanto que la porción media del polipéptido
contiene seis segmentos que rodean la membrana (SI a S6).
Un canal de K + único consta de cuatro polipéptidos homólogos (subunidades) dispuestos simétricamente alrededor
de un poro central conductor de iones, según se muestra en
la figura 4-37, b. Por lo contrario, los canales para Na + y
Ca2+ de la misma superfamilia constan de un solo polipéptido gigante con cuatro dominios hidrófilos separados, cada
uno con seis segmentos que rodean la membrana.
Los canales de potasio pueden existir en conformación
abierta o cerrada, según el voltaje a través de la membrana.
Alterando sistemáticamente la secuencia de aminoácidos
de la proteína mediante mutagénesis dirigida a un sitio,
Richard Aldrich y sus colegas, de la Universidad Stanford,
obtuvieron pruebas de que el canal se cierra por medio de
"una esfera atada a una cadena". Los 19 aminoácidos que
forman la porción N-terminal del polipéptido actúan como

146

FIGURA 4-36. Medición de la conductancia de un canal iónico por la
técnica de la pinza de voltaje, a) En esta técnica se coloca una micropipeta
de vidrio altamente pulido contra una porción de la superficie externa de
la célula y luego se aplica succión para sellar el borde de la micropipeta
contra la membrana plasmática. Puesto que la pipeta contiene un alambre
conductor que sirve como electrodo, se puede aplicar voltaje a través de la
porción de membrana incluida en la pipeta y medir la respuesta representada por el flujo de iones a través de !os canales de la membrana. Como se
indica en la figura, la micropipeta puede incluir una porción de membrana
que contenga un solo canal iónico, lo que permite a los investigadores
estudiar la abertura y cierre de las compuertas de un solo canal y también
su conductancia con diferentes voltajes aplicados, b) La mkrografía muestra el registro efectuado en la porción pinzada de una sola célula fotorreceptora de la retina de salamandra. Una parte de la célula se arrastra al
interior de la micropipeta-electrodo de vidrio mediante succión, en tanto
que una segunda micropipeta-electrodo (abajo a la derecha) está sellada
contra una pequeña porción de membrana plasmática en otra región de la
célula, (b: Según T.D. Lamb, H.R. Matthews y V. Torre, J. Physiology 372:319,
1986.)

(a)

"esfera" oscilante que puede cerrar la boca del canal y bloquear el paso de iones (fig. 4-37, b). Se cree que una hélice S4
transmembrana (fig. 4-37, a, recuadro) que contiene 7 residuos aminoácidos con carga positiva situados cada tercer
residuo a lo largo de la cadena del polipéptido regula la
abertura y cierre del canal. Se ha determinado que esta porción de la proteína actúa como sensor de voltaje. Los cambios de carga iónica a través de la membrana aíteran las

interacciones de los residuos cargados positivamente situados en la hélice S4 con residuos con carga negativa situados
sobre hélices vecinas, lo que provoca cambios de conformación en el polipéptido que conducen a liberar la "esfera" y
abrir la boca del poro. Una vez abierto el poro pueden pasar
a través del canal más de un millón de iones potasio por
segundo. Debido a este gran flujo iónico, la abertura de un
número relativamente pequeño de canales K+ puede tener
un impacto significativo sobre las propiedades eléctricas de
la membrana (página 156).
Algunos estudios indican que el canal K + mide alrededor de 3 A (0.3 nm) de diámetro en su punto más estrecho,
justo el calibre suficiente para permitir el paso de un solo
ion potasio (más o menos 2 A de diámetro) luego de despojarse de la capa de agua que lo rodea. Se cree que cada canal
tiene cuando menos tres sitios capaces de enlazarse selectivamente a un ion potasio. Estos sitios tal vez se localicen en
el segmento H5 del polipéptido (fig. 4-37, a], que puede
formar parte de la pared del poro hidrófilo. La repulsión
electrostática entre varios iones K + sumamente próximos
proporciona el mecanismo para impulsar los iones a través
del poro con tal rapidez.
Una sola célula puede poseer varios canales K + diferentes que se abren y cierran en respuesta a diversos voltajes. Además, el voltaje requerido para abrir o cerrar un canal K + particular puede variar según si la proteína del canal
está f osf orilada o no, lo que a su vez es regulado por hormonas y otros factores. Es evidente que la función del canal
iónico se encuentra bajo control de un complicado conjunto
de diversos agentes reguladores.
Nuestra mejor comprensión de la estructura tridimensional de un canal iónico se ha logrado por análisis con
microscopio electrónico de alta resolución del receptor nicotínico para acetilcolina, un canal operado por ligando,
que es el tema tratado en la sección La vía experimental, al
final de este capítulo.

Difusión facilitada
La difusión de una sustancia a través de una membrana
siempre ocurre desde una región de mayor concentración

FIGURA 4-37. El canal del K + . a) Figura tridimensional de un canal de ion
potasio que muestra los seis segmentos transrnembrana y una porción del
polipéptido (llamada H5) que se insinúa en la bicapa para formar parte de la
pared del canal. El recuadro muestra la secuencia de aminoácidos del segmento
transmembrana S4 del canal para ion K + de Drosophyla, el cual contiene siete
cadenas laterales con carga positiva que pueden servir como sensores de voltaje. Las cadenas laterales con carga positiva se sitúan cada tercer residuo a lo
largo de la hélice, b) Mecanismo propuesto para manejar la compuerta del canal
de K + en el cual una parte de la proteína actúa como una esfera sobre el extremo de una cadena para ocluir la abertura interna del canal. No se muestra uno
de los cuatro polipéptidos que constituyen el canal tetramérico.

147

H5

en un lado hacia otra de menor concentración en el otro
lado de la membrana, pero las sustancias no siempre difunden a través de la bicapa de lípidos o de un canal abierto. Se
conocen muchos ejemplos donde la sustancia que debe difundir primero se une selectivamente a una proteína que
atraviesa la membrana, denominada facilitador del transporte,2 encargada de facilitar el proceso de difusión. Se cree
que el enlace del soluto a un facilitador de transporte sobre
un lado de la membrana desencadena un cambio de conformación en la proteína que expone el soluto en la otra superficie de la membrana a partir de la cual puede difundir
cuesta abajo siguiendo su gradiente de concentración. En la
figura 4-38 se ilustra un ejemplo de este mecanismo. La
difusión facilitada, como se denomina a este proceso, se
asemeja en gran parte a una reacción catalizada por enzimas.
Igual que las enzimas, los facilitadores de transporte
son específicos para las moléculas que transportan, por ejemplo pueden discriminar entre los estereoisómeros D y L (pág.
43, cap. 2). Además, tanto las enzimas como los transportadores muestran cinética de tipo saturación (fig. 4-39). A diferencia de los canales iónicos, que pueden conducir millones de iones por segundo, la mayor parte de los facilitadores
de transporte sólo pueden desplazar a través de la membrana cientos o miles de moléculas de soluto por segundo.
Otra característica importante de los facilitadores de transporte es que, igual que las enzimas y los canales iónicos, su
actividad puede regularse para satisfacer las necesidades
de la célula en determinado momento. La difusión facilitada es particularmente importante para mediar la entrada y
la salida de solutos polares como azúcares y aminoácidos
que no pueden penetrar la bicapa de lípidos. Esto se ilustra
en la siguiente sección.
Debido a que los facilitadores de transporte operan
pasivamente, o sea, sin acoplarse a un sistema capaz de
liberar energía, pueden mediar el movimiento en forma

(b)
El término facilitador de transporte se emplea aquí para distinguir
estas proteínas de los transportadores activos estudiados más adelante en este capítulo y cuya actividad se acopla a la liberación de energía. Técnicamente, el término transportador se aplica a una proteína
de la membrana que sólo puede enlazarse cada vez a un soluto en un
lado de la membrana y en la cual un cambio de conformación actúa
como mecanismo para mover la sustancia a través de la membrana.
Esta definición distingue los transportadores de los canales, los cuales, cuando se abren, pueden unirse al mismo tiempo a solutos en
ambos lados de la membrana. Conforme se aprende más acerca de
estas proteínas, la diferencia entre canales y transportadores va
desapareciendo.
2

satisfactoria en ambas direcciones. La dirección del flujo
neto depende sólo de la concentración relativa de la sustancia en ambos lados de la membrana.
El transportador de glucosa: un ejemplo
de difusión facilitada

La glucosa es la principal fuente de energía directa para el
cuerpo, y la mayor parte de las células contienen una pro-

148

Glucosa

Enlace

Recuperación

FIGURA 4-38. Difusión facilitada. Esquema de un modelo para la
difusión facilitada de glucosa que implica un transportador con
conformación alternante para exponer el sitio de enlace a glucosa en
el lado interno o en el lado externo de la membrana. (Según S.A.
Bíildwin y G.G. lienhard, Trends in Biochem. Sci. 6:210, 1981.)

teína de membrana que facilita la difusión de glucosa desde
la corriente sanguínea al interior de la célula (como se muestra en la figura 4-38). El gradiente favorable para la difusión
continua de glucosa hacia el interior de las células se mantiene por fosforilación del azúcar luego que penetra al

citopolasma, por lo que desciende la concentración intracelular de glucosa. Los seres humanos y otros mamíferos
estudiados tienen cuando menos cinco proteínas relacionadas que actúan como facilitadoras del transporte de glucosa
(estas variantes genéticas se refieren como isoformns). Las
isoformas denominadas GLUT1-GLUT5 se diferencian por
los tejidos en los cuales se localizan y también por su cinética
y características reguladoras.
La insulina, hormona producida por las células endocrinas del páncreas, desempeña un papel clave para mantener una concentración apropiada de azúcar en la sangre.
Una de las principales acciones de la insulina es favorecer la
captación de glucosa proveniente de la sangre por las células musculares, en cuyo interior se almacena como glucógeno o se emplea directamente como combustible para la
actividad muscular y por las células adiposas donde la glucosa se convierte en grasa. Los músculos cardiaco y esquelético, y las células adiposas comparten una isoforma común de proteína facilitadora del transporte de glucosa, en
especial GLUT4, SÍ la concentración de insulina es baja, estas células contienen relativamente pocos transportadores
de glucosa en su superficie. Por lo contrario, dichos transportadores se encuentran en la membrana de las vesículas
citoplásmicas (ftg. 4-40). Cuando la concentración de insulina se eleva, esta hormona actúa sobre células específicas
para estimular la translocación de las vesículas desde el
citoplasma hasta la superficie celular. Como resultado, los
transportadores se incorporan a la membrana plasmática
donde pueden actuar para eliminar glucosa de la sangre.
La causa de la diabetes mellitus es un defecto de la
actividad de la insulina. En pacientes que sufren la enfermedad desde la infancia (diabetes tipo I), por lo general hay
deficiencia en la producción de insulina debido a destrucción de las células productoras de insulina por el propio
organismo. Por lo tanto, a los niños con diabetes tipo I de
ordinario se les trata mediante inyección diaria de insulina.
Por lo contrario, las personas que desarrollan diabetes en la
edad adulta (diabetes tipo II), en general muestran concentración normal de insulina; el problema estriba en la incapacidad de las células específicas para responder a la hormona, sea por deficiencia de los receptores de insulina o por
deficiencia de los transportadores GLUT4.

Transporte mediado por proteínas
(difusión facilitada)

Transporte activo

o

Difusión simple

(S)
FIGURA 4-39. Cinética de la difusión facilitada en comparación con
la simple difusión física.

En condiciones típicas, la concentración interna de K + en
las células de mamíferos es de casi 100 mM, en tanto que
fuera de la célula sólo es de unos 5 mM. En consecuencia,
hay un gradiente de concentración de K + muy pronunciado a través de la membrana plasmática que favorece la
difusión de K + hacia afuera de la célula. Los iones sodio
también se distribuyen de manera muy desigual a través de
la membrana plasmática, pero el gradiente se establece en
sentido opuesto: la concentración de Na + es de casi 150 mM
en el lado externo de la célula y de 10 a 20 mM en el lado
interno de la membrana plasmática. La diferencia de concentración para Ca 2+ todavía es mayor; la concentración
típica de 10~7 M en el citoplasma es 1 000 a 10 000 veces
menor que la concentración en e! exterior de la célula. La

Glucosa
Transportador
de glucosa

Membrana
plasmática
MGUKA I - 1 0 . La insulina regula la captación de glucosa en el
músculo y las células adiposas. Los transportadores de glucosa se
almacenan en las paredes de las vesículas citoplásmicas formadas por
gemación de la membrana plasmática (endocitosis). Cuando la concentración de insulina aumenta, !as vesículas citoplásmicas se desplazan hacia la periferia de la célula. Las vesículas se fusionan con la
membrana plasmática (exocitosis) y liberan los transportadores a
la superficie de la célula donde pueden captar glucosa.

capacidad de una célula para generar estos pronunciados
gradientes de concentración a través de su membrana plasmática no puede depender de difusión simple o facilitada.
Estos gradientes se generan más bien por transporte activo.
Igual que la difusión facilitada, el transporte activo
depende de proteínas integradas a la membrana capaces de
unirse selectivamente a un soluto particular y desplazar
dicha sustancia a través de la membrana impulsada por
cambios en la conformación de la proteína. Sin embargo, a
diferencia de la difusión facilitada, el movimiento de un
soluto contra un gradiente requiere acoplar el ingreso de
energía. En consecuencia, el movimiento endergónico
de iones o de otros solutos a través de la membrana contra un gradiente de concentración debe acoplarse a un proceso exergónico, como hidrólisis de ATP, absorción de luz,
transporte de electrones o flujo de otras sustancias a favor
de un gradiente.
Acoplamiento del transporte activo
a la hidrólisis de ATP

En 1957, el fisiólogo danés Jens Skou descubrió una enzima
que hidroliza ATP en las células nerviosas del cangrejo que

149

sólo era activa en presencia de iones sodio y potasio (y
también Mg 2+ , que actúa como cofactor). Skou propuso, y
estuvo en lo correcto, que esta enzima encargada de la hidrólisis de ATP era la misma proteína que actuaba en el
transporte activo de los dos iones; la enzima se denominó
ATPasa Na+-K + , o bomba sodio y potasio.
Los investigadores interesados en descubrir las propiedades de la ATPasa Na + -K + pronto volvieron su atención a
los fantasmas de eritrocitos. En la página 139 vimos que los
eritrocitos se hinchan en soluciones hipotónicas hasta que
la membrana plasmática es tan permeable que el contenido
interno de las células escurre al exterior. Estos fantasmas de
eritrocitos permeabilizados (hemolizado) se pueden colocar
en soluciones de diferente composición iónica, permitir que
se encojan a su tamaño original y entonces volverlos a sellar. Los fantasmas resellados pueden colocarse entonces en
diferentes tipos de medio y evaluar las actividades de transporte de la membrana. Utilizando este sistema se observó
que el transporte activo sólo ocurre cuando hay iones potasio fuera de la célula y iones sodio dentro de la misma.
También debe haber ATP disponible dentro del fantasma
restablecido; si el ATP se aplica externamente, la bomba no
puede operar. De igual manera se determinó que la uabaína,
un inhibidor del transporte activo de cationes ampliamente
estudiado, sólo era eficaz cuando se aplicaba de forma externa sobre los fantasmas recuperados. La uabaína es un
esferoide cardiotónico con estructura similar a la digital,
un esferoide obtenido de la digital y empleado durante más
de 200 años como tratamiento para insuficiencia cardiaca
congestiva. La digital aumenta la fuerza de contracción del
corazón inhibiendo la bomba de Na + -K + , lo que desencadena una serie de acontecimientos que incrementan la
disponibilidad de Ca2+ dentro de las células del músculo
cardiaco. En años recientes se han acumulado pruebas de
que las células normalmente contienen tipos similares
de compuestos denominados endouabaínas.
Los experimentos con fantasmas de eritrocitos ilustran
claramente la naturaleza asimétrica de la bomba de sodio y
potasio. Esta asimetría es una de las características más
importantes de todos los sistemas de transporte activo. A
diferencia del movimiento mediado por proteínas en los
sistemas de difusión facilitada, que pueden transportar la
sustancia igualmente bien en ambas direcciones, los sistemas de transporte activo se acoplan a una fuente de energía
de tal manera que sólo pueden impulsar el movimiento de
iones en una sola dirección. Numerosos estudios indican
que la proporción de Na + :K + bombeada por la ATPasa Na + K + no es de 1:1, sino de 3:2 (fig. 4-42). En otras palabras, por
cada ATP hidrolizado se bombean tres iones sodio afuera y
sólo dos iones potasio adentro de la célula. Debido a esta
proporción de bombeo, la ATPasa Na + -K + es electrógena, lo
que significa que contribuye directamente a separar cargas
eléctricas a través de la membrana.
La ATPasa N + -K + es un tetrámero que consta de dos
tipos de subunidades (fig, 4-41), una subunidad alfa de
mayor tamaño encargada de la actividad de transporte y
una subunidad beta más pequeña que al parecer funciona
sobre todo en la maduración y ensamblado de la bomba
dentro de la membrana. Ambas subunidades atraviesan la
membrana; la subunidad alfa contiene 8 a 10 segmentos

150

Carbohidratos
Sitios de enlace
de los asteroides
cardiotónicos

.

Interior
Sitios de enlace
para ATP
FIGURA 4-41. Modelo esquemático de ATPasa de Na + -K+. La
proteína de transporte consta de dos subunidades, una a y una /3. Se
indican los diferentes sitios funcionales sobre la subunidad alfa.

transmembrana semejantes, en tanto que la subunidad beta
sólo contiene uno.
La ATPasa Na + -K + es un ejemplo de bomba tipo P
para iones. La "P" significa "fosforilación" e indica que
durante el ciclo de bombeo la hidrólisis de ATP transfiere
un grupo fosfato a uno de los aminoácidos de la proteina de
transporte, lo que a su vez provoca un cambio de conformación esencial dentro de la proteína. Los cambios de conformación son necesarios para modificar la afinidad de la
proteína por los dos cationes que transporta. Consideremos
la situación que confronta la proteína. Debe captar iones
sodio o potasio en una región donde están presentes en
concentración baja, lo que significa que la proteína debe
poseer una afinidad relativamente alta por estos iones. A
continuación, la proteína debe liberar los iones en el otro
lado de la membrana frente a una concentración mucho
mayor de ion. Para esto, la afinidad de la proteína por dicho
ion debe disminuir. Por lo tanto, la afinidad para los iones
debe ser diferente en ambos lados de la membrana, lo cual
puede explicarse mejor mediante un cambio en la forma de
la molécula de la proteína.
En la figura 4-42 se muestra un esquema del ciclo de
bombeo de la ATPasa Na + -K + . Cuando la proteína se une
a tres iones Na + en el lado interno de la célula, sufre la
fosforilación y cambia de la conformación EI a la conformación £3. En ese momento, los sitios de enlace quedan expuestos al compartimiento extracelular y la proteína pierde
su afinidad por los iones Na + que entonces se liberan fuera
de la célula. Una vez liberados los tres iones de sodio, la
proteína capta dos iones potasio, se desfosforila y regresa a
su conformación original EI. En ese estado, el sitio de enlace
se abre en la superficie interna de la membrana y su afinidad por iones K + disminuye liberando estos iones dentro
de la célula. Entonces el ciclo puede repetirse. La importancia de la bomba de sodio y potasio es evidente si consideramos que consume alrededor de un tercio de la energía

producida por la mayor parte de las células animales y dos
tercios de la energía producida por células nerviosas.
Otros sistemas de transporte de iones

La bomba de sodio y potasio sólo se encuentra en células
animales. Se piensa que esta proteína evolucionó en los animales primitivos como principal medio para conservar el
volumen celular y como mecanismo para generar los pronunciados gradientes de Na+ y K + que desempeñan un
papel tan importante en la generación de impulsos en células nerviosas y musculares. Las células vegetales dependen
sobre todo del transporte de H + por medio de una bomba
tipo P situada en la membrana plasmática. Esta bomba de
protones desempeña en las plantas un papel clave en el
transporte secundario de solutos (analizado posteriormente),
en el control del pH del cítosol y tal vez en la regulación del
crecimiento celular mediante acidificación de la pared de
las células vegetales. Otro tipo de bomba P bien estudiado
es la ATPasa Ca2+ presente en la membrana plasmática y
las membranas del retículo endoplásmico. La función de
esta bomba Ca2+ es activar el transporte de iones calcio
hacia afuera del citoplasma, ya sea al espacio extracelular o
a la luz del retículo endoplasmico.
A diferencia de las bombas tipo P, las bombas tipo V
utilizan la energía del ATP sin formar una proteína intermedia fosforilada. Las bombas tipo V transportan activamente iones hidrógeno a través de las paredes de organelos
y vacuolas del citoplasma (de allí su nombre tipo V). Se
presentan en membranas de revestimiento de lisosomas,
granulos secretorios y vacuolas de las células vegetales.
Otro grupo distinto de proteínas que desempeñan una
función en el transporte activo de iones se clasifica como
transportadores del cartucho enlazado al ATP (CEA), debido a
que todos los miembros de este grupo comparten un dominio homólogo de enlace al ATP. El transportador CEA mejor estudiado se describe en La perspectiva humana: Fibrosís
quística: importancia clínica del transporte de membrana,
en este capítulo. Como se analiza en la siguiente sección, no
todas las bombas iónicas se acoplan directamente a la hidrólisis de ATP.
Aprovechamiento de la energía luminosa
para el transporte activo de iones

Las bacterias del genero Halobacterium viven en ambientes
extremadamente salinos, como el Gran Lago Salado. Cuando crecen en condiciones anaerobias, las membranas plasmáticas de estas bacterias adquieren color púrpura (fig. 4-43)
debido a la presencia de una proteína conjugada particular,
la bacteriorrodopsína, que contiene retinal, el mismo grupo
prostético presente en la rodopsina, la proteína conjugada
de los bastoncillos de la retina de los vertebrados. La bacteríorrodopsina funciona absorbiendo protones en lado interno de la membrana y liberándolos en el lado externo,
proceso que sólo ocurre cuando la bacteria crece en un ambiente iluminado. La absorción de energía luminosa por el
grupo retinal induce una serie de cambios de conformación
en la proteína que obliga a los protones a desplazarse a
través de la molécula desde un residuo aminoácido específico a otro, lo que genera un gradiente de protones a través
de la membrana.


151

Espacio extracelular

.111'.
ADP
Citoplasma
Conformación
Conformación Ei

d

O

FIGURA 4-42. Concepto esquemático del ciclo de transporte de la ATPasa de Na + -K + . Los iones sodio: 1) se enlazan a la proteína en el
lado interno de la membrana; 2) se hidroliza el ATP y el fosfato se transfiere a la proteína, 3) cambiando su conformación, y permitiendo que
los iones sodio sean
'sados hacia el espacio externo. A continuación 4) se enlazan iones potasio a la proteína, 5) en seguida se eliminan los grupos folíate,, y 6) IE* . -Jteína vuelve con rapidez a su conformación origina! desplazando iones potasio al interior de la célula. A
diferencia de la difusión faciliiada, los cambios en la forma de la proteína son inducidos por la energía liberada durante la hidrólisis de ATP,
lo que permite que el sistema de transporte pueda desplazar iones contra sus gradientes de concentración.

Acoplamiento del transporte activo a los gradientes
iónicos existentes

El establecimiento de gradientes de concentración, como
los de Na+, K+, H+, constituye un medio para almacenar
energía en las células. La célula emplea de varias maneras
la energía potencial almacenada en gradientes iónicos para
efectuar trabajo, incluyendo transporte de otros solutos.
Considérense las funciones del intestino. En su luz, las enzimas desdoblan polisacárídos de peso molecular elevado
para producir azúcares más simples, los cuales deben desplazarse a través de todo el espesor de las células epiteliales
que revisten al intestino y alcanzar la corriente sanguínea.
El movimiento de glucosa a través de la membrana plasmática apical (membrana de las células epiteliales frente a la
luz del intestino) contra un gradiente de concentración ocurre mediante cotransporte con iones sodio, según se ilustra
en la figura 4-44. La concentración de Na + se mantiene muy
baja dentro de las células por acción del sistema de transporte activo primario (ATPasa de Na + -K + ), localizado en la
membrana plasmática basal y lateral que bombea iones sodio
fuera de la célula contra un gradiente de concentración. La
tendencia de los iones sodio para difundir hacia adentro a

KIGDKA 4-43. El color púrpura del agua en este charco salino al
este del Sahara se debe a la presencia de numerosas bacterias púrpura
de los géneros Halobacterium. (Cortesía de Walter Stoeckenius, Universidad de California, San Francisco.)

152


Fibrosis quística: importancia clínica
del transporte de membrana
Una de cada 25 personas, en promedio, descendiente de ancestros del norte
de Europa posee una copia del gen causante de la fibrosis quística. En otras
palabras, estas personas son heterocigotas en ese locus genético. Puesto que
no presentan síntomas del gen mutante, la mayor parte de los heterocigotos
desconocen que son portadores (a menos que su UNA se someta a los procedimientos recientes de selección). En
consecuencia, alrededor de uno de
cada 2 500 lactantes de esa población
caucásica (1/25x1/25 x 1/4) son ho
mocigotos recesivos en este locus y
nacen con fibrosis quística.
La fibrosis quística es una enfermedad por secreción anormal de líquido. Aunque varios órganos están
afectados, incluyendo intestino, páncreas, glándulas sudoríparas y el conducto reproductor, de ordinario en el
sistema respiratorio es donde se observan los efectos más graves. Las víctimas de fibrosis quística producen moco
viscoso, resistente, muy difícil de expulsar de las vías respiratorias. Como
resultado, estos individuos sufren infección pulmonar crónica que progre-

sivamente daña la función respiratoria.
En 1984 se demostró que las células cultivadas procedentes de pacientes
con fibrosis quística muestran flujo externo anormalmente bajo de iones cloro, lo que sugiere que el defecto puede
residir en un gen que codifica un canal
o un transportador de iones. Puesto que
el movimiento de agua hacia afuera de
las células epiteliales por osmosis está
directamente afectado por el movimiento de sales, no es sorprendente que
una reducción del flujo externo de cloro conduzca a un incremento de la concentración y por lo tanto de la viscosidad de las secreciones corporales.
En 1989 se aisló el gen de la fibrosis quística. Por primera vez, las víctimas de esta enfermedad vieron un rayo
de luz al final de un largo y oscuro túnel: surgió la esperanza de encontrar
una cura para su incapacitante enfermedad. Una vez determinada la
secuencia de! gen de la fibrosis quística y la secuencia de aminoácidos
del correspondiente polipéptido se
comprobó que el polipéptido era un
transportador ABC. Igual que otros

transportadores de esta superfamilia,
el polipéptido contiene dos dominios
situados entre la bicapa de lípidos, cada
uno con seis segmentos que atraviesan
la membrana y dos dominios que unen
nucleótidos (DUN) proyectados al interior del citoplasma ffig. PH 4-1). A
diferencia de otros miembros de la
superfamilia, la proteína implicada en
la fibrosis quística incluye un dominio
regulador (R) que contiene varios residuos de serina que pueden ser fosforilados por una proteincinasa (denominada PKA) activada por un AMP
cíclico segundo mensajero (sección
15-2). Esta proteína recibió el nombre
de regulador de conductancia transmembrana de la fibrosis quística (RTFQ), término ambiguo que refleja el hecho de
que los investigadores aún no están seguros de su verdadera función, si es
un canal de cloro (a diferencia de otros
miembros de la superfamilia que son
transportadores activos) o una proteína que regula de alguna manera la conductancia del cloro a través de otros
canales de la membrana. El problema
se resolvió sólo después de purificar la
proteína, incorporarla a bicapas de lí-

C!

Membrana

DUN 1

FIGURA PH 4-1. Hipótesis para explicar el doble control del dímero RTFQ. El AMP cíclico activa la proteincinasa, que fosforila residuos
de serina del dominio K de la proteína (paso 1). El cambio de conformación inducido por la fosforilación facilita el enlace del ATP al dominio
que une nucleótidos (DUN) de la proteína (paso 2). La hidrólisis del enlace de ATP abre el canal de cloro (paso 3). (Reimpreso con permiso de F.S.
Collins, Science 256:776, 1992; © 1992 por American Assocititiou for thc Advancement of Science.)


pidos artificiales y demostrar que actúa como canal de cloro regulado por
AMP cíclico. Para abrir la compuerta
aparentemente se requieren dos hechos
independientes: la fosforilación del
dominio R dependiente de AMP cíclico y el enlace de ATP al dominio de
enlace con el nucleótido (fig. PH 4-1).
La razón para este doble control sobre
la conductancia del Cl~ todavía es incierta.
En años recientes los investigadores aislaron alrededor de 200 mutaciones diferentes que ocasionan fibrosis quística y se estudió el efecto de cada
una de estas alteraciones sobre la estructura y función de la proteína ffig.
PH 4-2). Como resultado, ahora se sabe
más acerca de las bases moleculares de
la enfermedad que de las bases fisiológicas de la patología acompañante en
tejidos y órganos. En Estados Unidos,
70% de los alelos causantes de fibrosis
quística contienen la misma alteración
genética (designada A508), y todos
ellos carecen de tres pares de bases de
DNA que codifican una fenilalanina en
la posición 508 dentro de uno de los
dominios de unión a nucleótidos del
polipéptido RTFQ. Investigaciones
subsecuentes han revelado que los po-

lipéptidos RTFQ que carecen de este
aminoácido particular no pueden procesarse normalmente dentro de las
membranas del retículo endoplásmico
y el complejo Golgi, y en realidad nunca alcanzan la superficie de las células
epiteliales. En consecuencia, los pacientes con fibrosis quística homocigotos
para el alelo A508 carecen por completo
del canal de cloro RTFQ y padecen una
forma grave de la enfermedad. Otros
pacientes con fibrosis quística con formas menos graves poseen alelos murantes que codifican una RTFQ capaz
de alcanzar la superficie de las células,
pero sólo pueden mediar una reducida conductancia al cloro. Las formas
más leves se caracterizan por infertilidad, con daño escaso o ausente a órganos mayores.
A partir del aislamiento del gen
causante de fibrosis quística, la meta
de los investigadores ha sido desarrollar una cura mediante geneterapia, o
sea, sustituir el gen defectuoso por un
gen normal. La fibrosis quística es buen
candidato para geneterapia debido a
que los peores síntomas de la enfermedad son causados en células que revisten las vías respiratorias y, por lo
tanto, son accesibles a sustancias sus-

an.
Exón
1 23

4 5 6a 6b

• • •T •
• •
• • > >

153

ceptibles de administrar por inhalación
en aerosol. Hasta ahora, los ensayos clínicos iniciados utilizan dos diferentes
sistemas de administración. En un grupo de análisis, el gen normal RTFQ se
incorporó al DNA de un adenovirus defectuoso, un tipo de virus que normalmente produce infección en vías respiratorias superiores. A continuación se
permite que las partículas del virus
recombinante infecten células de las
vías respiratorias y envíen el gen normal a células genéticamente deficientes. En otros ensayos, el DNA que
codifica al gen RTFQ normal se introduce a liposomas (página 124). Cuando se introducen en pulmones y vías
respiratorias, los liposomas se fusionan con las membranas plasmáticas de
células epiteliales y liberan su contenido de DNA en el interior del citoplasma. Hasta ahora, ambos métodos han
tenido éxito para corregir transitoriamente el defecto genético en las células de vías respiratorias. Quizá los
liposomas tengan ventaja sobre los virus como sistema de administración
por la menor probabilidad de estimular una respuesta inmunológica destructiva dentro del paciente luego de
tratamientos repetidos.

Dominio R

7 8 9 10 11 12
• >•
• ••
H> )
• >

13

14al4b 15 1617a 176 18 19 20212223

»• »•*»•••»*• ) > > > ) )• •
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•*
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•
«•
••**
•
• •• T

24

» ••

))

*•'••'• •

•*
í»
FIGURA I'H -I -2. Identificación de mutaciones causantes de fibrosis quística. Se indica la localización y naturaleza de más de 150 mutaciones
diferentes de FQ identificadas por el Cystic Fibrosis Genetic Analysis Consortium bajo el esquema de una proteína RTFQ. (A.) supresión de
estructura; (•) mutación en sentido equivocado; (•) mutación sin sentido; (O) mutación de cambio de estructura, y (T) mutación por empalme.
La mayor parte de estos tipos de mutación se analizan en el capítulo 11. Esta figura suministra una indicación de la variedad de alelos de un
gen que pueden existir dentro de una población. Los números corresponden a los segmentos codificantes (exones) que constituyen al gen. La
supresión A508, común en personas del norte de Europa, ocurre a nivel del décimo exón. (Reimpreso con permiso de F.S. Colíins, Science 256:775,
1992; © 1992 por American Association for the Advancement of Science.)

154

Intestino delgado

Luz
intestinal

Proteínas de la
membrana que
cotransportan
glucosa y Na+
Proteínas de la
membrana para
la difusión facilitada
de glucosa

Hacia la corriente sanguínea
FIGURA 4-44. Transporte secundario: empleo de energía almacenada en un gradiente iónico. La ATPasa de Na+-K+ residente en la
membrana plasmática de la superficie basal mantiene una concentración citoplásmica de Na + muy baja. El gradiente de Na+ a través de
la membrana plasmática representa un almacén de energía que puede liberarse para efectuar trabajo como en el cotransporte de glucosa por
un sistema símporte de Na*-glucosa localizado en la membrana plasmática apical. Una vez transportadas a través de la superficie apical al
interior de la célula, las moléculas de glucosa difunden a la superficie basal donde son llevadas por el transportador de glucosa, un sistema de
difusión facilitada, al exterior de la célula y hacia el torrente sanguíneo. El tamaño relativo de Gl y Na + indica la dirección de los respectivos
gradientes de concentración.

través de la membrana plasmática apical siguiendo su gradiente de concentración es "controlada" por las células epiteliales que dirigen el cotransporte de moléculas de glucosa
hacia adentro de la célula contra un gradiente de concentración. Se dice que las moléculas de glucosa son impulsadas
por un sistema de transporte activo secundario.
En este caso, la proteína de transporte se enlaza tanto al
sodio como a la glucosa en la superficie externa de la membrana plasmática apical. Cuando el ion sodio se libera en
la célula dentro de una solución de menor concentración, la
conformación de la proteína aparentemente cambia, de
modo que pierde su afinidad por la molécula de glucosa, la
cual entonces es liberada dentro de la célula. Una vez adentro, las moléculas de glucosa difunden por toda la célula y
se desplazan a través de la membrana basal mediante difusión facilitada.
El transporte activo secundario de glucosa al interior
de las células epiteliales del intestino (y al interior de las
células que revisten los túbulos del riñon mediante un sistema similar) es un ejemplo de simporte, en el cual las dos
especies transportadas (Na + y glucosa) se mueven en la
misma dirección. Se han aislado numerosas proteínas de
transporte secundario que participan en antipuerto, en el
cual las dos especies transportadas se mueven en direcciones opuestas (véase la fig. 5-28 como ejemplo). Gran número de células conservan el pH citoplásmico apropiado aco-

plando el movimiento hacia adentro del Na + con el movimiento hacia fuera del H+.

4-6 Potenciales de membrana
e impulsos nerviosos
Todos los organismos responden a los estímulos externos,
propiedad conocida como irritabilidad. Incluso cuando se
pica a una amiba unicelular con una fina aguja de vidrio,
responde retirando sus seudópodos y adopta forma esférica, desplazándose en otra dirección. Investigaciones acerca
de la base subyacente a la irritabilidad han demostrado que
su origen reside en actividades dentro de la membrana plasmática de células excitables. Se cree que la irritabilidad de
una amiba depende de las mismas propiedades básicas
de la membrana que conducen a la generación y propagación de impulsos nerviosos, tema que se trata en lo que
resta de este capítulo.
Cuando hay separación de cargas opuestas entre dos
puntos, como el interior y el exterior de la membrana plasmática, se genera una diferencia de voltaje o potencial
eléctrico entre dichos puntos. El voltaje a través de la membrana plasmática se puede medir introduciendo un fino electrodo de vidrio en el citoplasma de una célula, colocando
otro electrodo en el líquido extracelular fuera de la célula y

CAPITULO 4 • Estructura y fundón de ¡a membrana plasmática
+80

+30

Potencial de equilibrio de sodio

+60
+40

+40

tu +20
JS
o
o
> -20

+20

^0
-60

-60

-80

-80

-100

penetra a la célula

-20
-40

tivos para K + y con frecuencia se les denomina canales para
escurrimiento de K+. Utilizando la siguiente ecuación3 se
puede calcular el potencial de membrana (EK) que pudiera
medirse en el equilibrio si la membrana plasmática de una
célula nerviosa sólo fuera permeable a K+.

-100

EK = 2.303

Potencial de equilibrio del potasio

Tiempo

Tiempo

Voltímetro

Electrodo
de referencia

• + + + + -H

*****

*++++

+++++

Axón

(a)

+ + + ++

Axón

(b)

FIGURA 4-15. Medición del potencial de reposo de una membrana. El potencial se mide al determinar una diferencia de cargas entre
los electrodos de referencia y de registro, a) Ambos electrodos se sitúan fuera de la célula y no se mide diferencia de potencial (voltaje).
b) Conforme el electrodo penetra en la membrana plasmática del
axón, el potencial cae de inmediato a -70 mV (interior negativo), lo
cual se aproxima al potencial de equilibrio para iones potasio, o sea,
el potencial que resultaría si la membrana fuera impermeable a todos
los iones,, excepto al potasio.

conectando ambos electrodos a un voltímetro, instrumento
capaz de medir la diferencia de carga entre dos puntos (fig.
4-45). Cuando se realizó por primera vez este experimento
en un axón gigante de calamar, se registró una diferencia de
potencial de casi 70 milivoltios (mV), siendo el interior negativo respecto del exterior (indicado con signo menos, —70
mV). El potencial eléctrico no es exclusivo de las células
nerviosas; ocurre en todo tipo de célula y su magnitud varía
entre —15 y -100 mV. Para células no excitables, o sea,
diferentes de células nerviosas y musculares, este voltaje
simplemente se llama potencial de membrana. En la célula
nerviosa o muscular, este mismo potencial se denomina
potencial de reposo, sujeto a un cambio espectacular, como
analizaremos en la siguiente sección.
La magnitud y dirección del voltaje a través de la membrana plasmática se determina por la capacidad relativa de
diferentes iones para desplazarse de un lado al otro de la
membrana. Como se describió al principio del capítulo,
la ATPasa de Na + -K + bombea Na + fuera de la célula y K +
al interior de la misma, y por lo tanto establece un pronunciado gradiente de estos iones a través de la membrana
plasmática. Como resultado de su gradiente de concentración, podría esperarse que los iones potasio salieran de la
célula y los iones sodio entraran a la misma. Sin embargo,
la mayor parte de los canales iónicos abiertos en la membrana plasmática de una célula nerviosa en reposo son selec-

RT
zF

logio

[K-

Para un axón gigante de calamar, la [K+¡] interna es de casi
350 mM, en tanto que la [K+0] externa es de unos 10 mM;
por lo tanto, a 25°C (298°K) y z = +1 (para el ion K+
univalente)
EK = 59

Electrodo
de registro

155

0.028 = -91 mV

(Un calculo similar para el potencial de equilibrio de Na +
produciría un valor aproximado de +55 mV.) Puesto que
las mediciones de voltaje a través de la membrana de un
nervio en reposo son similares en signo y magnitud (-70
mV) al potencial de equilibrio del potasio que acabamos de
calcular, se presume que el movimiento de iones potasio a
través de la membrana es el factor más importante para
determinar el potencial de reposo. La diferencia entre el potencial de equilibrio calculado para K + (—91 mV) y el potencial de reposo medido (—70 mV, fig. 4-45) se debe a una
ligera permeabilidad de la membrana al Na + y al Cl~.
Potencial de acción
Según se mencionó, ios fisiólogos observaron por primera
vez el potencial de membrana en el decenio de 1930 a partir
de estudios sobre axones gigantes del calamar. Estos axones, que tienen aproximadamente 1 mm de diámetro, conducen impulsos a velocidad elevada, lo que permite al calamar escapar con rapidez de sus predadores. Cuando se
estimula la membrana en reposo de un axón de calamar
mediante piquetes con una aguja fina o sacudidas con una
corriente eléctrica de muy baja intensidad, el axón responde abriendo la compuerta de algunos canales de sodio y
permite que penetren a la célula un número limitado de
iones sodio. Este movimiento de cargas positivas al interior
reduce el potencial de membrana, que se vuelve menos
negativo. AI reducirse el voltaje disminuye la polaridad entre los dos lados de la membrana, lo que se denomina
despolarización.
Si el estímulo sólo despolariza la membrana unos pocos milivoltios, por ejemplo -70 a -60 mV, la membrana
rápidamente vuelve a su potencial de reposo tan pronto
como cesa el estímulo (fig. 4-46, recuadro izquierdo). Sin
embargo, cuando el estímulo es bastante intenso, la membrana se despolariza más allá de cierto punto, llamado
umbral, situado cerca de -50 mV. Cuando esto ocurre, se
desencadena una nueva serie de acontecimientos. El cambio de voltaje provoca que las compuertas de los canales de
sodio operados por voltaje se abran y los iones de sodio

3 Esta ecuación, llamada ecuación de Nernst, se deriva de la ecuación planteada en la página 142, fijando AG como cero, que es el caso
cuando los iones en movimiento están en equilibrio.

156


Potencial de reposo, las
compuertas de sodio están
cerradas, voltaje = -70 mV

Canal para el
escurrí miento
de potasio
(siempre abierto

Fase de despolarización,
Fase de repolarización,
las compuertas de sodio
las compuertas de potasio
se abren, voltaje = +50 mV se abren, voltaje = -80 mV

Tiempo Tiempo
1
2

Tiempo
3

Permeabilidad al

•n
«3

*
"i
ni

1
í
•

Permeabilidad al K+

O

1

2

Tiempo (ms)

FIGURA 4-4-6. Generación de un potencial de acción. Tiempo 1,
recuadro superior izquierdo: en esta región del nervio, la membrana
celular muestra el potencial de reposo en el cual sólo los canales para
escurrimiento de K+ están abiertos y el voltaje de la membrana se
aproxima a -70 mV. Tiempo 2, recuadro superior central: la membrana se ha despolarizado más allá del valor umbral, lo que provoca la
abertura de las compuertas de sodio reguladas por voltaje que causan
un flujo de Na + hacia adentro (indicado por el cambio de permeabilidad en la parte inferior del dibujo). El incremento de permeabilidad
al Na+ provoca que el voitaje de la membrana se invierta transitoriamente y alcance un valor de casi +50 mV (tiempo 2). Esta inversión del
potencial de membrana es lo que constituye el potencial de acción.
Tiempo 3, recuadro superior derecho: en una breve fracción de segundo la compuerta de sodio se cierra y se abren ahora las compuertas de
potasio, lo que permite que el ion potasio difunda a través de la
membrana (parte inferior del dibujo) y se establezca en ese sitio un
potencial incluso más negativo (—80 mV) que el potencial de reposo.
Casi tan pronto como se abren, las compuertas de potasio se vuelven
a cerrar y sólo permanecen abiertos los canales para escurrimiento de
potasio, como guía primaria para el movimiento de iones a través
de la membrana y el restablecimiento del potencial de reposo.

difundan al interior de la célula (fig. 4-46, recuadro central
siguiendo sus gradientes de concentración y eléctricos. Como
resultado del ingreso de Na + a través de los canales de
Na+, el potencial de membrana se invierte brevemente (fig.
4-46) y llega a ser un potencial positivo de casi +50 mV, que
se aproxima al potencial de equilibrio para Na + (fig. 4-45).
Luego de 1 mseg, aproximadamente, los canales de
sodio se cierran en forma espontánea e impiden mayor flujo

hacia adentro de Na + y los canales de potasio operados por
voltaje se abren (fig. 4-46, recuadro derecho). Como resultado, los iones potasio fluyen al exterior de la célula siguiendo su gradiente electroquímico y el potencial de membrana
vuelve al valor negativo cercano al potencial de equilibrio
de K + (fig. 4-46). El potencial de membrana negativo provoca que los canales de potasio operados por voltaje se cierren, dejando abiertos sólo los canales por donde escurre
K + , que retornan la membrana a su potencial de reposo. En
conjunto, estos cambios del potencial de membrana se denominan potencial de acción. Toda la serie de cambios durante un potencial de acción apenas dura 5 mseg en el axón
de calamar y menos aún en la célula nerviosa mielinizada
de un mamífero. Como los canales de sodio no pueden reabrirse durante algunos milisegundos después de que se
cierran, la membrana entra en un breve periodo refractario
después de un potencial de acción durante el cual no responde a nuevos estímulos.
El movimiento de iones a través de la membrana plasmática de células nerviosas es parte de la comunicación
neural. Ciertos anestésicos locales, como la procaína (o novocaína), actúan cerrando las compuertas de los canales
iónicos en la membrana de células nerviosas y sensoriales.
En tanto estos canales iónicos permanezcan cerrados, las
células afectadas son incapaces de generar potenciales de
acción y por lo tanto no pueden informar al cerebro lo que
ocurre en la piel o en los dientes.
Es digno de notar que cuando la membrana de una
neurona se despolariza hasta su valor umbral, se dispara
un potencial de acción "completo" sin estimulación adicional. Esta característica funcional de la célula nerviosa se
conoce como ley de todo o nada. No hay intermedios; la
despolarización subumbral es incapaz de desencadenar un
potencial de acción, en tanto que la despolarización umbral
automáticamente provoca una respuesta máxima. También
debe subrayarse que un potencial de acción no es un proceso que requiera energía, sino que es resultado del flujo de
iones que siguen sus respectivos gradientes electroquímicos.
La célula requiere energía para generar los pronunciados
gradientes iónicos a través de la membrana plasmática, pero
una vez establecidos, los diferentes iones fluyen a través de
la membrana tan pronto como se abren sus respectivas compuertas.
Propagación del potencial de acción
en forma de impulso
Hasta este punto hemos restringido el análisis a hechos que
ocurren en un sitio particular de la membrana de la célula
nerviosa, donde una despolarización experimental desencadena un potencial de acción. Una vez iniciado el potencial de acción no permanece localizado en un sitio particular, sino que se propaga a lo largo de la célula en forma de
impulso nervioso. En condiciones normales, el potencial
de acción se inicia en un extremo de la célula nerviosa (en el
punto donde surge el axón del cuerpo celular) y desde allí
se desplaza hacia el extremo opuesto de la célula. En condiciones experimentales, como las que acabamos de describir,
el potencial de acción se dispara en alguna parte a la mitad


de la neurona y desde ese sitio se desplaza en ambas direcciones.
Los impulsos nerviosos se propagan a lo largo de una
membrana debido a que el potencial de acción generado en
un sitio tiene efecto en el sitio adyacente. La gran despolarización que acompaña a un potencial de acción arrastra
iones positivos hacia ese sitio sobre la superficie externa de
la membrana y los aleja de dicho sitio sobre la superficie
interna (fig. 4-47). Como consecuencia de este flujo de corriente, la membrana también se despolariza en la región
situada justo por delante del potencial de acción. Puesto
que la despolarización que acompaña al potencial de acción
es muy grande, la membrana de la región adyacente se
depolaríza con rapidez hasta un nivel más allá del valor
umbral y las compuertas de sodio se abren en este nuevo
sitio generando otro potencial de acción. Así, una vez
desencadenado un potencial de acción, todo el trayecto de
la neurona será recorrido por una onda de potenciales
de acción, que sin perder nada de intensidad llega a su célula específica con igual intensidad a la del punto de origen.
Aunque el potencial de acción implica un cambio espectacular en el voltaje de membrana, sólo un mínimo porcentaje de los iones del axón participan en cualquier impulso determinado. Aunque la ATPasa de Na + -K + se inactiva,
con frecuencia la neurona continúa generando miles de
impulsos antes que se disipen los gradientes iónicos originalmente establecidos por la actividad de la bomba.

157

potencial de acción cuatro veces más rápido que uno que
tenga 30 //m de diámetro.
En la evolución de los vertebrados, el aumento de la
velocidad de conducción se logró envolviendo el axón en
una vaina de mielina formada por células accesorias denominadas células de Schwann (fig. 4-48, a). La vaina de mielina, compuesta casi exclusivamente por membranas que
contienen lípidos, es ideal para prevenir el paso de iones a
través de la membrana plasmática. Como resultado, los
potenciales de acción sólo pueden ocurrir en hendiduras
descubiertas, o nodulos de Ranvier, entre las células de
Schwann adyacentes que constituyen la vaina (fig. 4-48, a).
Un potencial de acción en un nodulo desencadena otro
potencial de acción en el siguiente nodulo (fig. 4-48, b), y

Núcleo de la
célula de Schwann
Dendritas

Núcleo
Axón
Cuerpo de
la célula
Axón

Lo esencial es la rapidez
Cuanto mayor sea el diámetro de un axón menor será la
resistencia al flujo de corriente local y un potencial de acción en un sitio con mayor rapidez puede activar regiones
adyacentes de la membrana. Los invertebrados sacan el
mayor provecho de esta relación desarrollando axones gigantes que facilitan el escape del animal cuando encuentra algún peligro. Sin embargo, hay un límite a este enfoque evolutivo. Puesto que la velocidad de conducción
aumenta con la raíz cuadrada del incremento de diámetro,
un axón con 480 /¿m de diámetro sólo puede conducir un

Vaina de mielina

Botón terminal

(a)
Nodulo subsecuente

Na

El Rujo de corriente
despolariza al siguiente
nodulo de Ranvier

Dirección de la propagación

Nodulo
de Ranvier
Región en
periodo
refractario

Hegion del
potencial
de acción

Región donae id aespoianzación
desencadena un
potencial de acción

FIGUKA 4-47. La propagación de un impulso ocurre como resultado del flujo local de iones. Un potencial de acción en un sitio de la
membrana despolariza la región adyacente de dicha membrana y
desencadena un segundo potencial de acción en ese sitio. El potencial de acción sólo puede avanzar hacia adelante debido a que la
porción de la membrana que acaba de experimentar un potencial de
acción permanece en periodo refractario.

Vaina
de mielina

(b)
FIGURA 4-4ít. Conducción saltatoria, a) Esquema de una neurona
con su axón mielinizado que muestra los nodulos de Ranvier: sitios
donde el axón carece de la envoltura de mielina. El recuadro muestra
la vaina de mielina compuesta de células de Schwann individuales
enrolladas alrededor del axón. b) Durante la conducción saltatoria,
sólo la membrana de la región nodal del axón se despolariza y es
capaz de generar un potencial de acción. Esto se logra conforme la
corriente fluye directamente desde un nodulo activado al siguiente
nodulo en reposo a lo largo del axón.

158


por lo tanto el impulso al viaje de nodulo en nodulo sin
necesidad de activar la membrana interpuesta. La propagación de un impulso por este mecanismo se denomina conducción saltatoria. Los impulsos conducidos a lo largo de
un axón mielinizado alcanzan velocidades de hasta de 120
metros por segundo, casi 20 veces más rápida que la velocidad de los impulsos en una neurona no mielinizada del
mismo diámetro.
La importancia de la mielinizacíón se ilustra notablemente en la esclerosis múltiple, enfermedad producida por
el deterioro gradual de la vaina de mielina que rodea los
axones en diferentes partes del sistema nervioso. Las
manifestaciones de la enfermedad de ordinario se inician
en el adulto joven; las víctimas experimentan debilidad en
las manos, dificultad para caminar o problemas de la vista.
El padecimiento se caracteriza por disfunción muscular progresiva y casi siempre culmina en parálisis permanente.

Neurotransmisión: salto
de la hendidura sináptica
Las neuronas se unen con sus células específicas en sitios
especializados denominados sinapsis. El examen cuidadoso de una sinapsis revela que las dos células no entran en
contacto directo, sino que están separadas entre sí por una
estrecha abertura de casi 20 a 40 nm. Esta abertura se denomina hendidura sináptica. Una célula presináptica (siempre
una neurona) conduce impulsos hacia la sinapsis, y una
célula postsináptica (ya sea célula nerviosa, muscular o glandular} siempre se sitúa en el "lado receptor" de una sinapsis. La figura 4-49 muestra algunas sinapsis entre las ramas
terminales de un axón y una célula de músculo esquelético;
la sinapsis de este tipo se denomina unión neuromuscular o
placa motora terminal.
¿Cómo puede el impulso de una neurona presináptica
"saltar" a través de la hendididura sináptica y afectar a la

Botón sináptico
de la neurona
presináptica
Vesículas sinápticas

a
de la célula específica
postsináptica

Axón de la
célula nervios

e
sináptica

FIGURA 4-49. La unión neuromuscular es un sitio donde las ramificaciones terminales de un axón motor establecen sinapsis con las fibras
musculares del músculo esquelético. El recuadro a la izquierda muestra las vesículas sinápticas residentes dentro del botón terminal del axón
y la estrecha hendidura sináptica entre el botón terminal y la célula específica. El recuadro de la derecha muestra el botón terminal oprimido
estrechamente contra la membrana plasmática de la célula muscular. (Según VufT. Reese y D.W. Faivcett/Visuals Unlimted; (recuadro) cortesía de
Lennart Nüsson.)


célula postsináptica? Estudios efectuados hace varios decenios indicaron la participación de una sustancia química en
la transmisión de un impulso de una célula a otra (fig. 4-50).
El examen de las ramificaciones terminales de un axón (botones terminales) mediante microscopio electrónico muestra
que contienen gran número de vesículas sinápticas (fig.
4-49, recuadro izquierdo) que almacenan moléculas del
transmisor químico que actúa en las células postsinápticas
adyacentes. Dos de los neurotransmisores mejor estudiados son acetilcolina y noradrenalina,
O

CH3— C— O— CH2— CH2— N(CH3)3
Acetilcolina (ACh)

QH

H

HO

C—CH,—NHs

159

la membrana plasmática de esta porción de la célula nerviosa presináptica (paso 2, fig. 4-50). Normalmente, dentro
de la neurona, igual que en todas las células, se encuentran
concentraciones muy bajas de ion calcio. Cuando se abren
las compuertas, los iones de calcio difunden desde el líquido extracelular al interior del botón terminal de la neurona,
donde provocan la fusión de algunas membranas vesiculares sinápticas con la membrana plasmática subyacente, liberando moléculas del neurotransmisor en la hendidura
sináptica (paso 3, fig. 4-50). (La fusión de las vesículas citoplásmicas con la membrana plasmática se estudia en la sección 8-4.)
Una vez liberadas de las vesículas sinápticas, las moléculas del neurotransmisor difunden a través de la estrecha
abertura y se enlazan selectivamente a moléculas receptoras presentes en la membrana de la célula postsináptica
(paso 4, fig. 4-50). Una molécula de neurotransmisor puede
tener uno de dos efectos opuestos según el tipo de receptor
sobre las membranas de la célula específica a la cual se
enlaza.

OH
Noradrenalina

que transmiten impulsos a los músculos cardiaco y esquelético.
La secuencia de acontecimientos que ocurre durante la
transmisión sináptica se puede resumir de la manera siguiente (fig. 4-50). Cuando un impulso alcanza un botón
terminal (paso 1, fig. 4-50), la despolarización acompañante
induce la abertura de canales Ca2+ operados por voltaje en

O

Hendidura
sináptica

1. El enlace del neurotransmisor puede inducir la abertura de canales catiónicos en la membrana provocando
flujo de iones sodio al interior de la célula con la consecuente disminución del potencial de membrana. La despolarización de la membrana postsináptica excita a la
célula y aumenta la posibilidad de que responda generando un potencial de acción (fig. 4-50, pasos 5a y 6).
2. El enlace del transmisor puede abrir canales de K + , lo
que provoca la salida de iones potasio de la célula, o la

Impulso
nervioso

O

Se abren las
compuertas
de Ca?+

Membrana
postsináptica

Impulso nervioso

Se abren las
compuertas
para Na+

Se abren las
compuertas
para K +

FIGURA 4-50. Secuencia de acontecimientos durante la transmisión sináptica cuando el neurotransmisor es acetilcolina. Durante los pasos
1-4, un impulso nervioso alcanza el botón terminal del axón, Jas compuertas de calcio se abren y provocan flujo de Ca2+ hacia adentro, se libera
acetilcolina de las vesículas sinápticas y se enlaza a los receptores situados en la membrana postsináptica. Si el enlace de las moléculas del
ncurotransmisor provoca despolarización de la membrana presináptica (como en 5a), se puede generar un impulso nervioso en ese punto (6).
Sin embargo, si se provoca hiperpolarización en la membrana presináptica (5b), la célula específica se inhibe y es más difícil generar un impulso
en dicha célula por otro estímulo excitatorio. No se muestra el desdoblamiento del neurotransmisor por acetilcolinesterasa.

160


abertura de canales Cl~, causando flujo de iones cloro al
interior de la célula. El movimiento de estos iones incrementa la negatividad en el lado interno de la membrana, y por lo tanto crece el potencial de membrana (hiperpolarización). La hiperpolarización de la membrana
postsináptica inhibe a la célula y reduce la probabilidad
de generar un potencial de acción {fig. 4-50, paso 5b).
Todos los botones terminales de determinada neurona
liberan la misma sustancia neurotransmisora, aunque dicha molécula puede tener efecto estimulador sobre una
membrana postsináptica particular y efecto inhibidor sobre
otra. Por ejemplo, la acetilcolina inhibe la contractilidad del

LA VIA

corazón, pero estimula la contractilidad del músculo esquelético. La estructura del receptor de acetilcolina y su función como canal iónico operado por ligandos se analiza con
detalle en La vía experimental.
La vida media de un neurotransmisor después de ser
liberado por una neurona presináptica debe ser corta, porque de otra manera el efecto de la sustancia se prolonga y la
neurona postsináptica no se recuperaría. Esto se puede evitar de dos maneras: mediante enzimas que destruyen las
moléculas del neurotransmisor en la hendidura sináptica o
por proteínas que transportan las moléculas del neurotransmisor de regreso a la neurona que originalmente las liberó,
proceso denominado recaptación. Debido a la destrucción o

EXPERIMENTAL

El receptor para acetilcolina
En 1843, a la edad de 30 años, Claudio Bernard se mudó de un
pequeño pueblo de Francia, donde era farmacéutico y aspirante a escritor de obras de teatro, a París, donde planeaba seguir
su carrera literaria. En vez de ello, Bernard se inscribió en la
escuela de medicina y llegó a ser el más notable fisiólogo del
siglo XIX. Entre sus muchas áreas de interés se hallaba el mecanismo por el cual los nervios estimulaban la contracción del
músculo esquelético. Sus estudios incluyeron el empleo
del curare, un fármaco muy" tóxico aislado de plantas tropicales y utilizado durante siglos por cazadores nativos de
Sudamérica para fabricar flechas envenenadas. Bernard observó que el curare podía paralizar un músculo esquelético sin
interferir con la capacidad de los nervios para conducir impulsos a dicho músculo o la capacidad del músculo para contraerse por estimulación directa. Bernard concluyó que el curare
actuaba sobre alguna estructura situada en la región de contacto entre nervio y músculo.
Esta conclusión fue confirmada y ampliada por John
Langley, fisiólogo de la Universidad de Cambridge. Langley
estaba estudiando la capacidad de la nicotina, otra sustancia
derivada de plantas, para estimular la contracción del músculo esquelético aislado de rana y el efecto del curare para inhibir
la acción de la nicotina. En 1906, Langley concluyó que "el
impulso nervioso no puede pasar de un nervio a un músculo
por medio de una descarga eléctrica, sino por la secreción de
una sustancia especial en el extremo del nervio".1 También
propuso que dicho "transmisor químico" se unía a una "sustancia receptora" sobre la superficie de la célula muscular, el
mismo sitio donde se enlazan nicotina y curare. Posteriormente se demostró que estas proposiciones fueron proféticas.
La sugerencia de Langley de que el estímulo se transmite
del nervio a¡ músculo por una sustancia química fue confirmada en 1921 en un ingenioso experimento efectuado por el fisiólogo austriaco Otto Loewi, el diseño del cual vino a su mente
durante un sueño. La frecuencia cardiaca de un vertebrado es

regulada por el equilibrio entre los impulsos de dos nervios de
acción opuesta (antagonista). Loewi aisló el corazón de la rana
junto con ambos nervios. La estimulación del nervio inhibidor
(vagó) liberó una sustancia química de la preparación de corazón a una solución salina que se permitió drenar hacia un
segundo corazón aislado. La frecuencia del segundo corazón
disminuyó de manera espectacular, como si su propio nervio
inhibidor se hubiera activado.2 Loewi llamó "Vagustoff" a la
sustancia procedente del corazón de rana. En pocos años, Loewi
demostró que las propiedades químicas y fisiológicas del
Vagustoff eran idénticas a las de acetilcolina, y concluyó que la
sustancia liberada en el extremo de las células nerviosas que
constituyen el nervio vago era acetilcolina.

Mantarrava eléctrica
*

0 0

Órganos
acumuladores
de electricidad

FIGURA VE 4-1. Los órganos eléctricos de Torpedo constan de pilas
de uniones neuromusculares modificadas que se localizan a cada lado
del cuerpo. (Según Z.W. Hall, An Induction to Neurobiology, Sinauer
Associates, Inc., Sunderíand, MA. © 1992.)


161

la recaptación de las moléculas del neurotransmisor, el efecto
de cada impulso no dura más de unos pocos milisegundos.
Las sinapsis son algo más que simples sitios de conexión
entre neuronas adyacentes; son determinantes clave para
orientar los impulsos a través del sistema nervioso. Los miles
de millones de sinapsis presentes en el sistema nervioso de
un mamífero complejo actúan como compuertas estáticas a
¡o largo de todas las diferentes vías, permitiendo que algunos segmentos de información codificada pasen de una
neurona a otra en tanto que retienen otras piezas o las reorientan hacia otra dirección. Hay muchas otras razones
para explicar la importancia que adquirió el estudio de las
sinapsis en años recientes. Por ejemplo, los cambios en la

estructura y actividad de las sinapsis desempeñan un papel
importante en aprendizaje y memoria. De manera similar,
varias enfermedades del sistema nervioso, incluyendo
miastenia grave, enfermedad de Parkinson, esquizofrenia e
incluso depresión, se cree que tienen sus raíces en el mal
funcionamiento de las sinapsis.
Durante muchos decenios se pensó que el estudio de la
transmisión sináptica implicaba un mecanismo de transferencia de información enteramente peculiar de las células
nerviosas. En los últimos dos decenios, la investigación reveló que los mecanismos mediados por receptores y señales
transmembrana controlan una gran variedad de procesos
celulares (analizados en el capítulo 15).

En 1937, David Nachmanson, neurofisiólogo en 3a Sorbona,
se encontraba de visita en la Feria Mundial de París, donde
observó varias especies vivas del pescado eléctrico Torpedo
marmarota que estaban en exhibición. Estas mantarrayas poseen órganos eléctricos capaces de producir fuertes descargas
(40 a 60 voltios), que pueden matar a una posible presa. En
aquel tiempo, Nachmanson estaba estudiando la enzima acetilcolinesterasa, que actúa para destruir la acetilcolina liberada
en los extremos de nervios motores. Nachmanson se dio cuenta de que los órganos eléctricos de estos peces derivaban de
tejido muscular esquelético modificado (fig. VE 4-1) y solicitó
que le suministraran un par de peces para estudiar luego de
concluida ía Feria. Los resultados de sus primeros experimentos mostraron que el órgano eléctrico era una fuente extraordinariamente rica de acetilcolinesterasa.3 También contenía gran
cantidad del receptor nicotínico para acetilcolina (nAChR),* el
receptor presente en ¡as membranas postsinápticas de las células musculares esqueléticas donde se unen las moléculas de
acetilcolina liberadas de las fibrillas terminales del nervio motor.
Encontró así un sistema "ideal" que demostró ser invaluable
en el estudio de aspectos particulares de estructura y función
de la célula. Como veremos en las siguientes páginas, los órganos eléctricos del pez fueron prácticamente el único material
para estudiar el nAChR.
El nAChR es una proteína integral de la membrana, y no
fue sino hasta el decenio de 1970 que se desarrollaron técnicas
para aislar estas proteínas. Como se analizará en el capítulo
17, ía purificación de una proteína particular requiere un procedimiento de ensayo adecuado capaz de determinar la cantidad presente de la proteína en cualquier fracción particular. El
ensayo ideal para nAChR es un compuesto capaz de enlazarse
de manera fuerte y selectiva a esta proteína particular. Este

compuesto fue descubierto en 1963 por Chen Yuan Lee y sus
colaboradores de la Universidad Nacional de Taiwán. El compuesto es la «-bungarotoxina, sustancia presente en el veneno
de una serpiente taiwanesa. La a-bungarotoxina provoca parálisis porque se enlaza fuertemente a los nAChR en la membrana postsináptica de la célula muscular esquelética y bloquea la respuesta del músculo a la acetilcolina.4'5
Disponiendo de a-bungarotoxina marcada como sustancia de ensayo, órganos eléctricos como fuente y un detergente
capaz de solubilizar las proteínas de la membrana, varios investigadores pudieron aislar los receptores para acetilcolina a
principios de los años 1970. En uno de estos estudios,6 las
membranas que contenían nAChR se aislaron homogenizando
los órganos eléctricos en una licuadora y centrifugando la suspensión para formar pequeñas esferas con fragmentos de la
membrana. Luego de probar varios procedimientos para
solubilizar las proteínas de la membrana, se observó que el
Tritón X-100 dio los mejores resultados. Tritón X-100 es un
detergente no iónico. Igual que otros detergentes, Tritón X-100
posee una porción hidrófoba larga capaz de reubicar los fosfolípidos que normalmente rodean la porción hidrófoba de una
proteína de membrana y un extremo hidrófilo hidrosoluble. A
diferencia de la mayor parte de los detergentes, que poseen un
grupo carboxilo con carga negativa, Tritón X-100 carece de
carga neta (por lo tanto es no iónico) y daña menos la estructura de la proteína. Las proteínas de membrana se extrajeron
de los fragmentos de membrana empleando el detergente
Tritón X-100, y la mezcla se pasó a través de una columna que
contenía pequeñas cuentas recubiertas con un compuesto sintético cuyo extremo posee semejanza estructural con acetilcolina {fig. VE 4-2, a). Conforme la mezcla de proteínas disueltas
pasa a través de la columna, dos de las proteínas, nAChR y
acetilcolinef terasa (AChE), con sitios de enlace para acetilcolina quedaron pegadas a las cuentas. El restante 90% de las
proteínas del extracto no se enlazó a las cuentas, simplemente
pasó a través de la columna y se recolectó (fig. VE 4-2, b).
Luego de las proteínas, se pasó a través de la columna una
solución 10~3 M de flaxedil que eliminó selectivamente los
nAChR de las cuentas, dejando como residuo AChE. Con este
procedimiento se purificó el receptor de acetilcolina cuantiricado según su enlace a bungarotoxina, con un rendimiento
mayor de 150 veces en un solo paso. Este tipo de procedimien-

* El receptor se describe como nicotínico debido a que la nicotina
puede activarlo igual que la acetilcolina. Esto contrasta con los receptores rnuscarínicos para acetilcolina de la sinapsis de los nervios
parasimpáticos, el cuai puede activarse por muscarina, pero no por
nicotina, e inhibirse con atropina, pero no con curare. Una persona
cuyo cuerpo está acostumbrado a niveles altos de nicotina debido a!
hábito de fumar experimenta síntomas de abstinencia cuando deja de
fumar, debido a que las neuronas postsinápticas que poseen nAChR
ya no se estimulan a su nivel acostumbrado.

162


CH2-CH2-N-C2HS

o

H H

o

II

W

NH(CH2I. -N-C-C-CH2-CH2-S-CH2-C-N-f VO-I
NH
I
0=C
I
CH 3

SEFAROSA
2B

FIGURA VE 4-2..a) Estructura de un
compuesto sintético CT5263 unido a cuentas de Sefarosa y empleado para formar
una columna de afinidad. Los extremos
del compuesto que sobresalen de las cuentas son similares a la acetilcolina y esto da
lugar a que tanto la acetilcolinesterasa
(AChE) como el receptor nicotínico para
acetilcolina (nAChR) se unan a las cuentas, b) Pasos para aislar el nAChR. Cuando
el extracto Tritón X-100 pasa a través de la
columna, ambas proteínas enlazadas a
la acetilcolina se fijan a las cuentas, en tanto que el resto de la proteína disuelta (casi
90% de la proteína total en el extracto)
pasa directamente a través de la columna.
El paso subsecuente de una solución 10~3
M de flaxedii a través de la columna liberó
el nAChR enlazado, sin alterar la AChE
enlazada (que posteriormente se eludió
con una solución 1 M de NaCl). (Según
R.W. Olsen, /.-C. Meunier y /.-P. Changeux,
FEBS Lett. 28:99, 1972.)

(a)

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flaxedii

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(b)

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20

30

¿O

50

60

70

80

90

Número de f r a c c i ó n (2 m i )

to se conoce como cromatografía por afinidad y su empleo genera) se estudia en ía sección 17-7.
El siguiente paso fue determinar con mayor precisión la
estructura del receptor de acetilcolina. Los estudios efectuados
en-el laboratorio de Arthur Karlín, en la Universidad Columbia, determinaron que el receptor era un pentámero, una proteína que consta de cinco subunidades. Cada receptor contiene
dos copias de una subunidad llamada a, y una copia de cada
una de las subunidades /3, y y ó. Las subunidades se pueden
distinguir extrayendo proteínas de la membrana en Tritón,
purificando los nAChR mediante cromatografía por afinidad
y luego sometiendo la proteína purificada a electroforesis a
través de un gel de poliacrilamida (EGPA-DSS, según se estudia en la sección 17-7) que separa los polipéptidos individuales según su tamaño, como se muestra en la figura VE 4-37
Otro punto importante en el estudio de los nAChR fue
demostrar que el receptor purificado actúa tanto como sitio de
enlace para acetilcoíina como canal para el paso de cationes.
Años antes, Jean-Pierre Changeux, del Instituto Pasteur en
París, postuló que el enlace de acetilcolina a¡ receptor provoca
un cambio de conformación que abre un canal iónico dentro
de la proteína. El flujo de iones Na + hacia el interior a través
del canal despolariza la membrana y activa la célula muscular.
En la última mitad del decenio de 1970, Changeux y sus cole-

gas lograron1 incorporar moléculas purificadas de nAChR en
vesículas artificiales de lípidos.8'9 Empleando vesículas con
diferentes concentraciones de iones sodio y potasio marcados,
demostraron que el enlace de acetilcolina a receptores de
la bicapa de lípidos inicia un flujo de cationes a través de la
"membrana". Es evidente que "la proteína pura contiene todos los elementos estructurales necesarios para la transmisión
química de la señal eléctrica; a saber: un sitio para enlace de
acetilcolina, un canal iónico y un mecanismo para acoplar su
actividad".
En el decenio de 1980, los investigadores se dedicaron a
determinar la estructura del nAChR y el mecanismo por el
cual se concentran en una pequeña porción de la membrana
muscular, la porción adyacente a ías fibrillas termínales de la
neurona motora. El análisis de la estructura ha tomado diferentes caminos. Un método emplea genes purificados, determinación de las secuencias de aminoácidos y mutagénesis dirigida a un sitio para determinar las partes específicas de los
polipéptidos que atraviesan la membrana, se unen al neurotransmisor o forman el canal iónico. Estos estudios acerca de la
anatomía molecular de una proteína son similares en principio
a los descritos en la página 147 para el canal iónico K + .
Otro método emplea microscopía electrónica. Las primeras imágenes del nAChR se observaron en micrografías elec-


58,000 X

163

/48000

,39000

Mil
20-

ío-

20

40

60

80

100

Número de corte
FIGURA VE 4-3. La parte superior de la figura muestra un gel de poliacrilamida de dodecilsulfato de sodio luego de electroforesis de una
preparación de nAChR purificada. Se observa que el receptor consta de cuatro subunidades diferentes cuyos pesos moleculares se indican. Antes
de la electroforesis, la preparación de receptor purificado se incubó con un compuesto radiactivo (3H-MBTA) parecido a la acetilcolina y que
se enlaza al sitio de unión para acetilcolina del nAChR. Luego de la electroforesis se practicaron cortes de 1 mm en el gel y se determinó la
radiactividad de cada rebanada. Toda la radiactividad se encontraba unida a la subunidad de 39 000 daltons, indicando que esta subunidad
contiene el sitio de enlace para acetilcolina. La línea punteada indica la absorbancia de luz de cada fracción, la cual suministra una medida de
!a cantidad total de proteína presente en dicha fracción. La altura de los picos proporciona una medida de la cantidad relativa de cada una
de las subunidades en la proteína. Todas las subunidades ocurren en igual cantidad, excepto la subunidad más pequeña (subunidad a, que
contiene el sitio de enlace para ACh), de la cual hay un número doble de copias. (Según C.L. Weill, M.G. McNamee y A. KarJin, Bioch. Biop. Res.
Comm. 61:3002, 3974 J

trónicas de la membrana de órganos eléctricos (fig. VE 4-4) .10
Los receptores aparecen como estructuras anulares, no diferentes a donas, con un diámetro de 8 nm y una depresión
central de 2 nm que sobresale de la bicapa de lípidos hacia el
espacio externo. En los últimos años ha ido apareciendo una
imagen cada vez más detallada del nAChR como resultado del
trabajo de Nigel Unwin y sus colegas, del Medical Research
Council of Engíand.11"12 Utilizando un análisis matemático de
micrografías electrónicas de membranas congeladas procedentes de órganos eléctricos, Unwin describió la disposición de las
cinco subunidades que rodean al canal central (fig. VE 4-5). El
canal iónico consta de un estrecho poro que atraviesa la bicapa
rodeado por paredes que se extienden 6 nm hacia la hendidura sináptica sobre un lado de la membrana y 2 nm hacia el
citoplasma por el otro lado. Se cree que una bolsa situada
sobre el dominio externo de cada subunidad a corresponde a
un sitio de enlace para acetilcolina. Esta descripción del nAChR
se encuentra entre las mejores para cualquier proteína integral
de la membrana de una célula eucariota.
Ya vimos cómo pueden disecarse las propiedades de un
segmento particular de una proteína mediante la preparación
de mutantes portadores de aminoácidos sustituidos específicamente. Otra manera para disecar funcionalmente una proteína es construir un gen que codifique parte de dos proteínas
diferentes, introducir el gen en una célula huésped y permitir
al gen que dirija la formación de una protema híbrida (quimérica). Este método se utiliza para estudiar ciertas propiedades
del nAChR. En estos experimentos13 se produjo una proteína
quimérica funcional que contiene el dominio N-terminal del
nAChR unido a los dominios transmembrana de un receptor
diferente de la misma superfamiüa: el receptor para 5-hidroxi-

triptamina (SHTs). Las células que poseen este receptor quimérico generan una corriente como respuesta a la acetilcolina
y no a 5HT3, lo cual confirma la predicción de que el sitio de
enlace para acetiícolina se sitúa en el dominio N-terminal de la
pro teína residente sobre la cara extraceíular de la membrana.

0.1 ftm

FIGURA VE 4-4. Micrografía electrónica de una membrana teñida
en negativo rica en receptores procedente del órgano eléctrico de un
pez eléctrico que muestra la densa disposición de las moléculas
nAChR. (Según Wcnier Schicbler y Ferdinand Hucho, Eur. J. Biochem.
85:53, 1978.)

164


smapsis
-•--a) Mapa de densidad electrónica en un corte transversal
del nAChR obtenido mediante análisis de la imagen al microscopio electrónico de los cristales tubulares de membranas del órgano eléctrico de Torpedo
embebidas en hielo. Este análisis permite a los investigadores reproducir el
aspecto tridimensional de una sola proteína nAChR que reside dentro de la
membrana. El contorno continuo indica líneas de densidad similar mayores
que las del agua. Las dos líneas oscuras en forma de barra representan
hélices a que revisten el canal en su punto más estrecho, b) Esquema del
nAChR que muestra la disposición de ¡as subunidades y la representación
de un corte transversal de la proteína. (Según P.N.T. Unwin, J. Mol. Biol.
229:1118, 1993; b: tomado de Chemical Signaling in the Brain, por }.-P.
Changeux. © Noviembre 1993 por Scientific American, Jnc. Todos los derechos
reservados.)

Canal iónico
Citoplasma

citoplasma
(a)

El estudio también demuestra que el cambio de conformación
que ocurre cuando la ACh se enlaza al receptor quimérico es
capaz de abrir el poro que conduce al interior de un canal
SHTs; esto sugiere que a pesar de diferencias mayores en las
secuencias de aminoácidos, los dos canales operan por un
mecanismo de compuerta de tipo similar.
En la página 137 vimos cómo el movimiento de las proteínas integrales de la membrana por lo general está restringido
por otros componentes situados sobre la cara citoplásmica o
extracelular de la membrana. Esta observación está particularmente bien ilustrada por el nAChR. Durante las primeras etapas del desarrollo de una célula del músculo esquelético, los
receptores de acetilcolina pueden distribuirse más bien de
manera uniforme a través de toda la membrana plasmática
de la célula. Sin embargo, con la maduración de la célula muscular y la estrecha aproximación de las fibrillas terminales de
la neurona motora, estas mismas moléculas receptoras se desplazan dentro de la membrana para concentrarse extremada-

»1

Ion polasio

(b)

mente en las regiones de la sinapsis que sólo representa una
fracción muy pequeña de la superficie de (a célula muscular.
Se estima que más de 90% de las moléculas nAChR se concentran en menos de 0.1% de la membrana plasmática de la célula.
Probablemente haya varios factores que expliquen el agrupamiento espectacular de estas proteínas integrales en un
ambiente lípido relativamente fluido, pero una proteína ha
sido el tema de particular interés. En 1981 se demostró que el
tratamiento con álcali fpH 11) de las membranas postsinápticas del tejido eléctrico de Torpedo produce la liberación de una
proteína específica {peso molecular de 43 000 daltons) procedente de la cara interna de la membrana postsináptica. La
liberación de esta protema periférica interna se acompaña de
una dispersión de las moléculas receptoras dentro de la membrana, como si la proteína 43K sirviera para anclar los receptores dentro de la región postsináptica.14
El papel de la proteína 43K como medio para fijar los
nAChR se demostró de manera convincente en experimentos


165

FIGURA VE 4-6. <*) Se inyectaron oocitos con transcriptos RNAm de ratón codificando todas las subunidades receptoras de nAChR y se determinó la distribución de las moléculas receptoras sobre la superficie del
oocito mediante su eniace a a-bungarotoxina fluorescente marcada, b) Se siguió el mismo procedimiento
que el descrito en a, excepto que junto con los transcriptos para las subunidades receptoras se inyectaron
transcriptos RNAm para ¡a proteína 43K. Sólo se observa agrupamiento del receptor sobre la superficie
del oocito cuando se inyecta conjuntamente RNAm
que codifica la proteína 43K y RNAm que codifica las
subunidades receptoras. (Según Stanley C. Froehner y
cois. Neuron 5:404, 1990; con permiso de Cell Press.)

Wfim

en los cuales se inyectan oocitos de anfibios.15 Cuando se inyecta RNA mensajero que sólo codifica las subunidades nAChR
dentro de un oocito, el RNAm se traduce al receptor, el cual se
incorpora a la membrana plasmática del oocito. Cuando subsecuentemente se tratan estas células con bungarotoxina marcada, se observa que la toxina se enlaza de manera uniforme a
la superficie de la célula, lo que indica la distribución pareja
del nAChR dentro de la membrana plasmática (fig. VE 4-6, a).
Por lo contrario, si el RNAm para las subunidades nAChR se
inyecta conjuntamente con RNAm que codifique la proteína
43K, los receptores ya no se distribuyen uniformemente en la
membrana, sino que aparecen en agrupamientos (fig. VE 4-6,
fc). Estos agrupamientos también contienen la proteína 43K
sobre la superficie interna de la membrana. La proteína 43K tal
vez desempeñe un papel importante en causar el agrupamiento de las moléculas nAChR durante la formación de la sinapsis
neuromuscular en el embrión y la fijación de las moléculas del
receptor en esas sinapsis a partir de entonces. También se ha
implicado a una segunda proteína denominada agrina como
factor fijador de los nAChR a la membrana sináptica.revisada en 16
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166


SINOPSIS
Las membranas plasmáticas son estructuras delicadas notablemente delgadas, pero desempeñan un papel clave en
muchas de las funciones más importantes de la célula. La
membrana plasmática separa la célula viviente de su entorno;
suministra una barrera selectivamente permeable que permite
intercambiar ciertas sustancias, en tanto que evita el paso de
otras; contiene el mecanismo que físicamente transporta sustancias de un lado al otro de la membrana; también contiene
receptores que se unen a ligandos específicos en el espacio
externo y transmiten información de los compartimientos internos de la célula; media interacciones con otras células; suministra un armazón en el cual se pueden organizar componentes; es un sitio transductor de energía de un tipo a otro
(p. 116).
Las membranas son ensamblados de lípidos y proteínas en
los cuales los componentes se mantienen reunidos en una
delgada capa por enlaces no covalentes. La membrana se
mantiene unida en una lámina mediante una bicapa de lípidos
que consta de una capa bimolecular de lípidos anfipáticos cuyos grupos polares enfrentan el exterior y colas lípidas acil
hidrófobas enfrentadas al interior. Entre los lípidos se incluyen
fosfoglicéridos, como fosfatidilcolina; lípidos a base de esfingosina, como el fosfolípido esfingomielina, y cerebrósidos
que contienen carbohidratos y gangliósidos (glucolípidos), y
colesterol. Las proteínas de la membrana se pueden dividir en
tres grupos: proteínas integrales que penetran y atraviesan la
bicapa de lípidos con porciones expuestas sobre ambas superficies de la membrana: citoplásmica y extracelular; proteínas
periféricas presentes por completo en el lado externo de la
bicapa de lípidos, pero unidas mediante enlaces no covalentes
con los grupos polares de la bicapa de lípidos o con la superficie de una proteína integral; y proteínas ancladas a los lípidos externos de la bicapa de lípidos pero unidas mediante
enlace covalente a un lípido que forma parte de la bicapa. En
condiciones típicas, los segmentos transmembrana de una proteína integral se presentan como hélices alfa, que pueden ser
predominantemente hidrófobas cuando simplemente atraviesan la bicapa o anfipáticas si revisten un canal acuoso interno
(p. 118).
Las membranas son estructuras muy asimétricas cuyas dos
hojas tienen propiedades diferentes. Por ejemplo, todas las
cadenas de carbohidrato de la membrana se apartan del citoplasma; muchas proteínas integrales poseen sitios sobre su
superficie extracelular que interactúan con ligandos extracelulares, y sitios sobre su superficie interna que interactúan con
proteínas periféricas que forman parte del esqueleto interno
de la membrana; el contenido de fosfolípidos de las dos mitades de la bicapa es altamente asimétrico. La organización de
las proteínas dentro de la membrana se observa mejor en réplicas de fracturas por congelación en las cuales se congelan células, sus membranas se separan a través del centro de la bicapa por un plano de fractura y la superficie interna expuesta
se visualiza mediante la formación de una réplica metálica
(p. 131).

El estado físico de una bicapa de lípidos tiene consecuencias
importantes en la movilidad lateral de fosfolípidos y proteínas integrales. La viscosidad de la bicapa y la temperatura a la
cual sufre ía transición de fase depende del grado de insaturación y longitud de la cadena lipoacil de los fosfolípidos. Para
muchas actividades celulares es importante mantener la fluidez de la membrana, incluyendo transducción de señales, división celular y formación de regiones especializadas en la
membrana. La difusión lateral de proteínas dentro de la membrana se demostró originalmente mediante fusión de la célula
y se puede cuantificar con técnicas que siguen el movimiento
de proteínas marcadas con compuestos fluorescentes o marcadores electrónicamente densos. La medición del coeficiente de
difusión de proteínas integrales sugiere que la mayor parte
son sometidas a influencias restrictivas que inhiben su motilidad. Las proteínas pueden ser restringidas por su asociación a
otras proteínas integrales o a proteínas periféricas localizadas
en ambas superficies de la membrana. Debido a estos diferentes tipos de restricción las membranas pueden lograr un grado
considerable de estabilidad de organización, gracias a la cual
se pueden diferenciar entre sí regiones particulares de la membrana (p.
La membrana plasmática del eritrocito contiene dos proteínas integrales principales, banda 3 y glucoforina, y un esqueleto interno bien definido compuesto de proteínas periféricas. Cada subunidad de la banda 3 atraviesa la membrana
cuando menos una docena de veces y contiene un canal interno a través del cual se intercambian aniones bicarbonato y
cloro. La glucoporfirina es una proteína altamente glucosilada de función desconocida que contiene un solo dominio
transmembrana consistente en una hélice a hidrófoba. El principal componente del esqueleto de la membrana es la proteína
fibrosa espectrina que interacíúa con otras proteínas periféricas, como la anquirina, para suministrar apoyo a la membrana
y restringir la difusión de sus proteínas integrales (p. 139).
La membrana plasmática es una barrera selectivamente permeable que permite el paso de solutos por diferentes mecanismos, incluyendo difusión simple a través de la bicapa de
lípidos o de los canales de la membrana, difusión facilitada
y transporte activo. La difusión es un proceso independiente
de energía en el cual un soluto se mueve a favor de un gradiente electroquímico, disipando la energía libre almacenada en el
gradiente. Pequeños solutos inorgánicos, como Ü2, CÜ2 y t^O
penetran con facilidad en la bicapa de lípidos, igual que los
solutos con coeficiente de partición elevado (liposolubilidad
elevada). Iones y solutos orgánicos polares, como azúcares y
aminoácidos, requieren transportadores especiales para entrar
o salir de la célula (p- 141).
El agua se desplaza por osmosis directamente a través de la
bicapa de lípidos de una membrana semipermeable desde
una región con baja concentración de soluto (compartimiento hipotónico) a otra con concentración elevada de soluto

CAPITULO 4 • Estructura y función de. la membrana plasmática

(compartimiento hipertónico). La osmosis desempeña un papel clave en gran número de actividades fisiológicas. Por ejemplo, en plantas, el ingreso de agua genera presión por turgencia contra la pared celular que ayuda a apoyar los tejidos no
leñosos. Los iones difunden a través de una membrana plasmática por medio de canales especiales revestidos de proteína que con frecuencia son específicos para iones particulares.
Los canales iónicos de ordinario son abiertos y controlados
por voltaje o ligandos químicos, como los neurotransmisores
(p. 143).

Difusión facilitada y transporte activo implican proteínas
integrales de membrana que se combinan específicamente
con el soluto que transportan. Los facilitadores del transporte
actúan sin aporte de energía y tienen capacidad para desplazar solutos en ambas direcciones a través de la membrana,
siguiendo su gradiente de concentración. Se cree que actúan
cambiando su conformación, la cual expone el sitio de unión al
soluto alternativamente en ambos lados de la membrana. El
transportador de glucosa es un facilitador del transporte cuya
presencia en la membrana plasmática se estimula incrementando la concentración de insulina. Los transportadores activos requieren aporte de energía y mueven iones y solutos contra un gradiente de concentración. Los transportadores activos
tipo P, como la ATPasa Na + -K + , son operados por la transferencia de un grupo fosfato del ATP al transportador, lo que
cambia su afinidad hacia el ion transportado. Los sistemas
secundarios de transporte activo aprovechan la energía almacenada en un gradiente iónico para transpotar un segundo
soluto contra un gradiente. Por ejemplo, el transporte activo
de glucosa a través de la superficie apical de una célula epitelial del intestino es operado por el cotransporte de Na + a favor
de su gradiente electroquímico (p. 147).

167

El potencial de reposo a través de la membrana plasmática se
debe principalmente a la limitada permeabilidad de la membrana al K + y está sujeto a cambios espectaculares. El potencial de reposo de una célula típica, nerviosa o muscular, es de
casi - 70 mV (interior negativo). Cuando se despolariza la membrana de una célula excitable más allá de un valor umbral, se
inician acontecimientos que abren las compuertas de los canales de Na + y permiten el ingreso de Na + al interior, lo que
provoca inversión del voltaje a través de la membrana. Después de que se abren las compuertas del Na + se cierran en
cuestión de milisegundos y entonces se abren los canales de
potasio, lo que provoca la salida de K + al exterior y el restablecimiento del potencial de reposo. La serie de cambios espectaculares en el potencial de membrana luego de la despolarización
constituye un potencial de acción (p. 155).
Una vez iniciado un potencial de acción, se convierte en un
proceso de autopropagación. La propagación se debe a la
despolarización que acompaña al potencial de acción generado en un sitio de la membrana suficiente para despolarizar la
membrana adyacente, donde a su vez se inicia un potencial de
acción, En un axón mielinizado, el potencial de acción producido en un nodulo de la vaina es capaz de despolarizar la
membrana en el siguiente nodulo, lo que permite que el potencial de acción salte rápidamente de un nodulo a otro. Cuando
el potencial de acción alcanza los botones terminales de un
axón se abren las compuertas de calcio en la membrana plasmática y permiten el flujo hacia adentro de Ca2+, el cual desencadena la fusión de membranas de las vesículas secretorias
que contienen el neurotransmisor con la membrana plasmática situada por arriba. El neurotransmisor difunde a través de
la hendidura sináptica, donde se enlaza a receptores en la
membrana postsináptica induciendo la despolarización o la
hiperpolarización de células específicas (p. 156).

PREGUNTAS DE REPASO
1. Elaborar una lista de algunas funciones importantes de las
membranas para la vida de las células eucariotas.
2. Describir la estructura y propiedades de una bicapa artificial de lípidos.
3. ¿Por qué se requieren detergentes para solubilizar ¡as proteínas de la membrana? ¿Cómo se puede determinar la
diversidad de ¡as proteínas integrales que residen en una
fracción purificada de membrana?
4. ¿Cuál es la importancia de la insaturación de los ácidos
grasos sobre la fluidez de la membrana? ¿De las enzimas
capaces de insaturar ácidos grasos?
5. Describir la asimetría de la membrana plasmática en términos de cada uno de sus principales elementos: proteínas,
lípidos y carbohidratos.
6. Describir las propiedades de los tres tipos de proteínas de
membrana (integral, periférica y anclada a lípidos) en que
difieren una de la otra y corno varían entre sí.
7. ¿Qué significa réplica por fractura de congelación? ¿En qué
difiere la réplica de una fractura por congelación y una
réplica lograda mediante la técnica de congelación al agua-

fuerte respecto de la información que suministran de la
membrana plasmática?
8. Comparar la velocidad de difusión lateral de un lípido con
la de flip-flop. ¿Cuál es la razón de esa diferencia?
9. ¿Por qué es importante la fluidez de la membrana para la
célula?
10. ¿Cómo puede existir una carga iónica diferente en ambos
lados de una bicapa de lípidos?
11. Describir las tres técnicas que pueden emplearse para medir la velocidad de difusión de una proteína de membrana
específica.
12. Comparar y contrastar las cuatro diferentes maneras básicas de desplazamiento de una sustancia a través de una
membrana plasmática (según se indica en la figura 4-32).
13. Comparar las diferencias energéticas entre la difusión de
un electrólito en comparación con la de un no electrólito a
través de la membrana.
14. Describir la relación entre coeficiente de partición y tamaño de partícula en relación con la permeabilidad de la
membrana.

168


15. Explicar los efectos de colocar una célula en un medio
hipertónico, uno hipertónico o uno isotónico.
16. Describir dos maneras de aprovechar la energía para desplazar iones y solutos contra un gradiente de concentración.
17. ¿De qué manera ilustra la ATPasa de Na + -K + la lateralidad de la membrana plasmática?
18. ¿Cuál es el papel de la fosforilación en el mecanismo de
acción de la ATPasa de Na+-K + ?

19. ¿Cuál es el papel de la vaina de mielina en la conducción
de un impulso?
20. Describir ios pasos entre el momento en que un impulso
alcanza el botón terminal de una neurona presináptica y la
generación de un potencial de acción en una célula postsináptica.

1. ¿Qué tipo de proteínas integrales podría esperarse que residan en la membrana plasmática de una célula epitelial
que estuvieran ausentes en la de un eritrocito? ¿Cómo se
relacionan estas diferencias con las actividades de estas
células?
2. Muchos tipos diferentes de células poseen receptores que
se unen a hormonas esteroides. ¿En qué sitio de la célula
piensa usted que podrían residir esos receptores? ¿En qué
sitio de la célula podría esperarse que resida el receptor de
insulina? ¿Por qué?
3. Cuando se publicó por primera vez el aspecto trilaminar
de la membrana plasmática, las imágenes se tomaron como
evidencia que apoya el modelo de Davson-Danielli de la
estructura de la membrana plasmática. ¿Por qué piensa
usted que esas micrografías se interpretaron de esa manera? ¿Qué evidencia se podría emplear para argüir contra
esa interpretación?
4. Supongamos que usted planea utilizar liposomas para tratar de administrar fármacos a un tipo particular de célula
del cuerpo, por ejemplo, células adiposas o musculares.
¿Hay alguna forma de construir el liposoma para incrementar su especificidad?
5. ¿Cómo es que polisacáridos diferentes, como almidón y
glucógeno, y los oligosacáridos sobre las superficies de la
membrana plasmática pueden participar en interacciones
específicas? ¿Cómo se ilustra esta característica al determinar el tipo sanguíneo de una persona antes de administrarle una transfusión?
6. La tripsina es una enzima que puede digerir las porciones
hidrófilas de las proteínas de membrana, pero no puede
atravesar la bicapa de lípidos y entrar a las células. Debido
a estas propiedades, se emplea la tripsina junto con EGPADSS para determinar cuáles proteínas tiene un dominio
extracelular. Describir un experimento utilizando tripsina
para determinar la lateralidad de las proteínas de la membrana del eritrocito.
7. ¿Describiría usted el segmento transmembrana S4 del canal iónico K + como una hélice hidrófoba, una hélice antipática o de algún otro tipo? ¿Por qué?
8. Supongamos que usted cultiva una población de bacterias
a 15°C y luego eleva la temperatura del cultivo a 37°C.
¿Qué efecto podría tener sobre la composición de los ácidos grasos de la membrana? ¿Sobre la temperatura de transición de la bicapa de lípidos? ¿Sobre la actividad de las
desaturasas de la membrana?
9. Obsérvese la figura 4-6. ¿Qué lípidos sería de esperar que
tuvieran la mayor velocidad de flip-flop? ¿Cuáles tendrían

la menor? ¿Por qué? Si experimentalmente se determinara
que la fosfatidilcolina muestra realmente la mayor velocidad flip-flop, ¿cómo explicaría usted este dato?; ¿cuál sería
la expectativa si se compara la velocidad flip-flop de fosfolípidos contra una proteína integral?; ¿por qué?
10. SÍ usted leyera que la administración de uabaína bloquea
la captación de glucosa en el intestino de un animal de
laboratorio, ¿concluiría que la uabaína debe ser un inhibidor del simporte de Na+-glucosa? ¿Por qué sí o por qué
no?
11. Si se inyecta al axón gigante del calamar un pequeño volumen de solución que contenga 0.1 M NaCl y 0.1 M KC1, en
la cual ambos iones Na + y K + están marcados con isótopos
radiactivos, ¿cuál de los iones marcados cree usted que
aparecería con mayor rapidez en el medio (agua de mar)
en tanto la neurona permanece en reposo? ¿Después de
estimular la neurona para generar algunos potenciales
de acción?
12. Cuando se trata a eritrocitos con neuraminidasa, una enzima que elimina el ácido siálico de las gíucoproteínas, y
luego se inyectan al animal del cual se extrajeron, los estudios indican que el bazo elimina los eritrocitos de la corriente sanguínea. ¿Puede usted elaborar una hipótesis para
explicar lo que ocurre?
13. ¿Por qué los coeficientes de difusión medidos para lípidos
dentro de la membrana tienden a estar más próximos a los
valores esperados para difusión libre que los medidos para
proteínas integrales en las mismas membranas?
14. Asumiendo que la membrana plasmática de una célula de
pronto fuera permeable en igual magnitud tanto a iones
Na + comoK+ y que cada ion respondiera a su gradiente de
concentración en igual magnitud, ¿podría esperarse que
estos dos iones se movieran a través de la membrana a la
misma velocidad? ¿Por qué sí o por qué no?
15. La mayor parte de los invertebrados marinos no pierden ni
ganan agua por osmosis, en tanto que casi todos los vertebrados marinos sufren pérdida continua de agua en un
ambiente salino concentrado. Suponer las bases de esta
diferencia y por qué puede reflejar diferentes vías de evolución de los dos grupos.
16. ¿Corno se compara la concentración de solutos dentro de
una célula vegetal con la de los líquidos extracelulares?
¿Sería de esperar que lo mismo fuera cierto para las células
de un animal?
17. ¿Cuáles serían las consecuencias de conducir un impulso si
los canales de Na+ fueran capaces de reabrirse de inmediato luego de cerrarse durante el potencial de acción?


169

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Estructura y función de la membrana
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CAPITULO

5

Respiración aerobia
y mitocondrias
5-1 Estructura y función de las mitocondrias

5-5 Mecanismo para la formación de ATP

5-2 Metabolismo oxidativo en el citoplasma y las
mitocondrias

5-6 Importación de las proteínas rnitocondriales
5-7 Peroxisomas

5-3 Papel de las mitocondrias en la formación de ATP

La vía experimental: Acoplamiento de oxidación a
fosforilación

La perspectiva humana: Papel del metabolismo anaerobio y aerobio en el ejercicio
5-4 Translocación de protones y establecimiento de
una fuerza motriz de protones

E

FIGURA 5-A. Gammagrama seudocoloreaáo de un hepatocito fracturado
que muestra las formas y la estructura interna de las mitocondrias. (Cortesía
de Lennart Nüsson.)

n los primeros 2 000 millones de años de vida en el
planeta, la atmósfera consistió principalmente en moléculas reducidas, como hidrógeno molecular (H^), amoniaco
(NHs) y H^O. En ese periodo la Tierra estuvo poblada por
anaerobios, microorganismos que captan y utilizan la energía por medio de un metabolismo independiente de oxígeno (anaerobio), como la glucólísis y ¡a fermentación. Luego
aparecieron las cianobacterias, un nuevo tipo de microorganismos que efectúan una forma diferente de proceso fotosintético en el cual se separan moléculas de agua y se
libera oxígeno molecular (02). Las cianobacterias tuvieron
gran éxito, y los océanos, los lagos y la atmósfera rápidamente se llenaron del nuevo gas.
Según se analiza en la página 34, el oxígeno puede ser
una sustancia muy tóxica que capta electrones extra y reacciona con gran variedad de moléculas biológicas. La primera vez que apareció el oxígeno debió haber provocado la
muerte por oxidación a todos los microorganismos, menos
a unos cuantos tipos. Sin embargo, con el tiempo evolucionaron especies que no sólo estaban protegidas de los efectos
dañinos del oxígeno molecular, sino que poseían vías metabólícas que utilizan esas moléculas con gran provecho. En
ausencia de oxígeno, los microorganismos sólo pueden extraer una limitada cantidad de energía de sus nutrientes,
excretando productos como ácido láctico y etanol, incapaces de metabolismo adicional. Por lo contrario, los microorganismos que incorporan Ü2 en su estrategia metabólica
pueden oxidar por completo compuestos como CÜ2 y H^O,
y en el proceso extraer un porcentaje mucho mayor del

171

172

CAPITULO 5 • Respiración aerobia y mitocondrias

contenido energético de dichos compuestos. Esos microorganismos que se convirtieron en dependientes de oxígeno
fueron los primeros aerobios sobre la tierra y finalmente
dieron lugar a todos los procariotes y eucariotes dependientes de oxígeno que viven en la actualidad. En los eucariotes,
el aprovechamiento de oxígeno para extraer energía tiene
lugar en organelos especializados, las mitocondrias.

Estructura y función
de las mitocondrias
A diferencia de la mayor parte de los organelos citoplásmicos, las mitocondrias son lo bastante grandes para observarse con el microscopio de luz (fig. 5-1, a) y su presencia dentro de la célula se conoce desde hace algunos cientos de
años. Aun antes de que empezara este siglq ya se habían
aislado mitocondrias de tejidos disecando las células con
una aguja fina, y se describieron algunas de las propiedades
de estos organelos. Por ejemplo, se demostró que las mitocondrias eran osmóticamente activas; o sea, que se hinchan
en un medio hipotónico y se encogen en un medio hipertónico. Esta propiedad sugiere que las mitocondrias están rodeadas por una membrana semipermeable parecida a la que
rodea a la propia célula.
Igual que muchos otros organelos, la mitocondria posee características morfológicas reconocibles, pero muestra
gran variabilidad en su apariencia. Las mitocondrias típicas
tienen forma de salchicha (fig. 5-1, b), aproximadamente 0..2
^ajLO_iwm_de_diá.m_etro_. en corte transversal y 1 -a 4 ¿¿m de
longitud. El hecho de que las mitocondrias tengan un tamaño similar al de las bacterias es algo más que una simple
coincidencia, puesto que numerosas pruebas sugieren_que
estos organelos evolucionaron a partir de bacterias que vi-

vían en simbiosis-dentro de otras células. En algunas células", como las del embrión inicial, las mitocondrias tienen
forma casi esférica, en tanto que en otros, como los fibroblastos, son estructuras alargadas fibrinosas (fig. 5-1, a).
En concordancia con su función principal de.poner_la
''Ienergía a disponibilidad de la célula¿fel tamaño y número
de las mitocondrias y_su localización dentro de la célula
"varían efe un tipo de célula a otro. Un hepatocito promedio
de mamífero contiene casi 1 500 mitocondrias, que corresponde o 15 o 20% del volumen celular. Las mitocondrias
sgn_io_ddvíajnás.abundantes en las-células musculares^que
requieren gran_cantidad de_ATPj:omo combustible para la
contracción. Las mitocondrias a menudo se relacionan con
gotas oleosas que contienen ácidos grasos y de las cuales
obtienen !a materia prima que deben oxidar. En las células
del espermatozoide se observa una disposición particularmente notable de las mitocondrias, donde se localizan en la
"porción medía" de la célula, justo por detrás del núcleo
(fig. 5-1, c). Los movimientos del espermatozoide pueden
efectuarse gracias a la energía suministrada por el ATP de
estas mitocondrias. Las mitocondrias también son prominentes en muchas células vegetales, donde proporcionan el
suministro primario de ATP a tejidos que no efectúan fotosíntesis, y también son fuente de ATP para las células de
hojas fotosintéticas durante periodos de oscuridad.
En la micrografía de la figura 5-2, a, se muestra la estructura interna de una mitocondria, y en la figura 5-2, b, se
presenta esquemáticamente. El papel de la mitocondria
cqmp_ tramdjicJOT cle^
a las
membranas.tan prominentes de las micrografías electrónicas de estos organelos. Cada mitocondriajzontiene una_
jnembrana exterrj^L.unxoBiple|o-sis.tema de membranas
_intemas;JLa. membrana externa envuelve gpr~ccjmpteto._a
la mitocondria y sirve como frontera exterior. Una parte de

Mitocondria

(b)

(c)

I''«;ri¡A .">- • Mitocondria. a) Fibroblasto viviente observado con microscopio de contraste de fases. Las mitocondrias se ven como corpúsculos oscuros alargados, b) Micrografía electrónica de transmisión de una delgada sección a través de una mitocondria que revela la estructura
interna del organelo, particularmente los pliegues membranosos (crestas) de la membrana interna, c) Localización de las mitocondrias en la pieza
media del espermatozoide que rodea la porción proximal del flagelo, (a: Cortesía de Norman K. Wcssels; b: K.R. Portcr/Photo Researchers; c: cortesía
de Don W. Fawcett.)


173

la membrana interna _se_sitúa_jus_to poj^dentro_de_la menv
brana externa, pero gran parte de ella forma_pliegues^rofundqs ojnyagínaciones llamadascrggtas (figs. 5-1, b, y 5-2).
En algunas células, como el hepatocito de mamífero, las
crestas son hojas anchas que ocupan todo el diámetro transversal de la mitocondria. En la mayor parte de las células
vegetales, las crestas tienen forma más tubular. En los pliegues de la membrana interna aumenta mucho la superficie
disponible para alojar el mecanismo necesario para la respiración aerobia.
Las membranas de la mitocondria dividen_el. organelo
en dos compartimientos acuosos, uno_entre eo de la
mitocondria Denominado matriz y otro compartimiento
entre las membrañêxterná ejnterna, dgngminado_espacînter_membrana^La matriz tiene consistencia parecida a
un gel por la presencia de una elevada concentración de
proteínas hidrosolubles (hasta 500 mg/ml). En las micrografías y diagramas de las figuras 5-1 y 5-2 el espacio intermembrana aparece más bien limitado, pero durante la respiración activa este compartimiento puede ser muy extenso.

Membranas mitocondriales
Las membranas externa e interna tienen propiedades muy
diferentes. La membrana externa contiene casi 50% de lípi. dos en pesoyima curiosa mezda de enzimas quejparticipan
en actividades tan diversas como oxidación de adrenalina,
descornp^sjaón^detriptófô_yjalargamiento dejácidos gra^
.ggsjórlo contrario, Tá_ membrana interna tiene una relación
q.ue corresponde _a .una-m&lécula-.de_prpteína gor cada 15
fpsfolígjdos, aproximadamente). Dentro de la compleja estructura de esta membrana se encuentran cuando menos .6.0. poiipépüdos diferentes. La membrana interna casiêstá desprovista dejrolesterol y es rica en UTI fosfolípjdp_.p_gcqâ:
jnújn^la cardioUgiria (difosfatidilglicerol, cuya estructura se
muestra en la figura 4-6); ambas características corresponden a la membrana plasmática de las bacterias, de la cual se
presume que durante la evolución se derivó la membrana
mitocondrial interna. Se cree que la membrana mitocondrial
externa proviene de una membrana externa observada como
parte de la pared celular de ciertas células bacterianas (fig.
5-3); ambas contienen porinas, proteínas integrales quefor.-^
man grandes gánales ncTseléctivos en la membrana. Gracias
a las_porínas,_la^ membrana externa es especialmente permeabjeyp^rmiieqúélñoléculasma^^g^g'e IfJQQfJ daltons
pasen libremente hacia el_espacio intermembrana.. Por lo
tanto, para la mayor parte de los solutos el espacio intermembrana se continúa con el citoplasma. Forjo contrario,
la membrana interna es bastante impermeable; casi todas
las molé^üTa^yTDTies^reqüíeren transportadores espécialessituados_en_ dicha membrana- interna para tener acceso a la
matriz.___
Como analizaremos en la siguientes secciones, la composición y la organización de la membrana interna son la
clave de las actividades bioenergéticas del organelo. Además, por contener una gran variedad de sistemas de transporte, en la membrana mitocondrial interna reside la mayor parte del mecanismo necesario para la síntesis de ATP.

Crestas

Membrana interna

Partículas de ATP-sintasa

FIGL'KA 5-2. Estructura de una mitocondria. a) Gammagrama de
una mitocondria congelada, fracturada y tratada al "aguafuerte" para
resaltar los relieves que muestran la matriz interna encerrada por los
pliegues de la membrana interna, b) Esquema que muestra la estructura interna de una mitocondria. (a: Según K. Tanaka, Int. Rev. Cytol.
68:111, 1980.)

La arquitectura de la membrana interna y la aparente fluidez de su bicapa facilitan la interacción de los componentes
requeridos para la formación de ATP.

La matriz mitocondrial
Además de las diferentes enzimas, la matriz mitecondriaL
también contiene.ribosomas (de tamaño mucho menor que

174

CAPITULO 5 " Respiración aerobia y mitocondrias

Membrana
externa

Pepíidoglicano
Membrana
plasmática

0.4 /ím

FIGURA 5-4. Fisión mitocondrial. Micrografía electrónica de las
mitocondrias de las células de un insecto fijadas durante el proceso de
desdoblamiento. (Según W.¡. Larsen, J. Cell Biol. 47:379, 1970, con permisa de RockefeUer University Press.)
Proteína de transporte
FIGURA 5-3. Porinas. Las bacterias gramnegativas poseen una
membrana externa que contiene lípidos por fuera de la membrana
plasmática como parte de su pared celular. Esta membrana externa
contiene proteínas, denominadas porinas, que constan de una hoja fi
como barril y forman una abertura a través de la cual puedan penetrar
moléculas de tamaño moderado. Las porinas también se observan en
la membrana mitocondrial externa de células eucariotas.

!os encontrados en el citoplasma) y_mo_léculas de DNA circular; de doble cadena (fig-. 5-2, b). Por lo tanto, la mitocoñ"
^
_ _ .
el mecanismo para elaborar RÑA y proteínas propias. Este
DNA no cromosómico~es~írnporTante porque" codifica un
pequeño número de polipéptidos mitocondriales (13 en el
hombre) integrados a la membrana mitocondrial interna
junto con polipéptidos codificados por genes residentes en
el núcleo e importados desde el sitio donde se sintetizan
en el citoplasma (véase sección 5-7).
La observación de células vivientes desarrolladas en
cultivo ha demostrado que las mitocondrias son organelos
dinámicos que cambian su forma, se desplazan de un sitio
a otro dentro del citoplasma y sufren ramificaciones. Además, se puede observar que las mitocondrias se fusionan
entre sí y también pueden sufrir fisión. Igual que las membranas se originan de membranas previas y las células de células anteriores, las mitocondrias se originan por fisión de
mitocondrias ya existentes (fig. 5-4). Además de un sistema
genético, la matriz mitocondrial con frecuencia contiene filamentos y granulos densos. Un tipo de granulos contiene
una reserva de iones calcio en forma de fosfato de calcio
precipitado. Las mitocondrias son acumuladores activos de
ion calcio, aunque su papel para regular la concentración

citoplásmica de este importante ion aún está sujeta a controversia.
En breve retornaremos el análisis de la estructura y función de las mitocondrias, pero primero es útil considerar el
papel de estos organelos en las vías oxidativas básicas de las
células eucariotas (resumido en la figura 5-5).

5-2 Metabolismo oxidativo
en el citoplasma y las mitocondrias
En el capítulo 3 se describieron las etapas iniciales de la
oxidación de carbohidratos. Las enzimas de la glucólisis
efectúan los primeros pasos del proceso de oxidación de la
glucosa; estas enzimas se localizan en el citoplasma (fig.
5-5). En la figura 3-23 se ilustraron las 10 reacciones que
componen la vía glucolítica, y en la figura 5-6 se resumen
los principales pasos de la vía. La glucólisis se inicia con la
activación de una molécula de glucosa por fosforilación de
dos átomos de carbono dei azúcar a expensas de dos moléculas de ATP. El producto, fructosa 1,6-difosfato, es un difosfato de seis carbonos, que a continuación se desdobla en
dos monofosfatos de tres carbonos. En reacciones subsecuentes, el aldehido de tres carbonos se oxida a un ácido de
tres carbonos y genera una molécula de NADH, y los dos
grupos fosfato se transfieren sucesivamente al ADP, generando dos moléculas de ATP por fosforilación a nivel sustrato. La eliminación del segundo fosfato genera piruvato,
uno de los productos de la glucólisis.
Durante la glucólisis, la célula sólo puede aprovechar
una pequeña fracción de la energía libre disponible en la
glucosa, suficiente para sintetizar dos moléculas de ATP
por cada molécula oxidada de glucosa (fig. 5-6). La mayor


175

Glucosa

Membrana
plasmática

Oxigeno ausente

C

ATP

Dióxido de
carbono y agua

.^Cadena
transporte

NAO4

Lactato

FIGURA ;>-;>. Diagrama del metabolismo de carbohidratos en células eucariotas. Las reacciones de glucólisis generan piruvato y NADH
en el citoplasma. En ausencia de C>2, el piruvato se reduce a lactato (u otro producto de fermentación, como etanol en las levaduras), que se
excreta, en tanto que el NAD+ se vuelve a utilizar para continuar la glucólisis. En presencia de O^ el piruvato se desplaza al interior de la matriz
(facilitado por un transportador de membrana), en donde se descarboxila y se une a la coenzirna A (CoA), una reacción que genera NADH. El
NADH producido durante la glucólisis dona sus electrones de alta energía a un compuesto que atraviesa la membrana mitocondrial interna,
llevando los electrones a FAD (o NAD+) para formar FADH2 (o NADH). La acetil-CoA ingresa al ciclo del ácido tricarboxílico (como se muestra
en la figura 5-8), que genera GTP, NADH y FADH2. Los electrones de estas moléculas de NADH y FADH2 viajan a lo largo de la cadena
transportadora de electrones, constituida por portadores integrados en la membrana mitocondrial interna, hasta el O2 molecular. La energía
liberada durante el transporte de electrones se emplea para la síntesis de ATP mediante un proceso analizado en detalle posteriormente en este
capítulo. Si toda la energía del transporte de electrones fuera utilizada para la síntesis de ATP se podrían generar aproximadamente 36 ATP
(incluyendo GTP) a partir de una sola molécula de glucosa.

parte de la energía permanece almacenada en el piruvato.
Cada molécula de NADH sintetizada durante la oxidación
de gliceraldehido 3-fosfato también transporta un par de
"electrones de alta energía". Los dos productos de la glucólisis, piruvato y NADH, se pueden metabolizar siguiendo
dos vías muy diferentes, según el tipo de célula en la cual se
generan y la presencia o ausencia de oxígeno. Aunque el
tema principal de este capítulo es la respiración aerobia (o
sea, dependiente de oxígeno) y el papel de la mitocondria,
es importante considerar de manera breve una vía alterna
mediante la cual las células pueden continuar produciendo
ATP en ausencia de oxígeno.
Oxidación anaerobia del piruvato:
proceso de fermentación
Es evidente que la glucólisis puede suministrar a la célula
una pequeña cantidad neta de ATP por cada molécula de
glucosa oxidada. Sin embargo, como se analiza en La perspectiva humana, en la página 182, ¡as reacciones glucolíticas
ocurren a gran velocidad, de modo que por esta vía una

célula puede producir una cantidad significativa de ATP.
En realidad, algunas células, incluyendo células de levadura, células tumorales y células musculares, dependen mucho de la glucólisis para la síntesis de ATP. Sin embargo,
estas células deben confrontar un problema. Uno de los
productos de la oxidación del gliceraldehido 3-fosfato es
NADH. La formación de NADH ocurre a expensas de uno
de los reactantes, NAD+, cuyo suministro es escaso para la
célula. Puesto que en este importante paso de la glucólisis
se requiere NAD + como reactante, éste debe regenerarse a
partir de NADH. Cuando esto no ocurre, la reacción no
tiene lugar ni pueden proseguir las reacciones de la glucólisis que dependen de ese producto. Sin embargo, en ausencia de oxígeno no puede oxidarse NADH a NAD + por medio
de la cadena transportadora de electrones, puesto que el
oxígeno es el aceptor final de electrones en la cadena. Las
células también pueden regenerar NAD+ por fermentación
transfiriendo electrones del NADH al piruvato, producto
final de la glucólisis, o a un compuesto derivado de piruvato (fig. 5-7). Igual que la glucólisis, la fermentación tiene
lugar en el citoplasma de la célula eucariota (fig. 5-5). En la
mayor parte de los microorganismos que dependen de O^

176


CH2OH

Glucosa
OH N£

£OH

H

OH

K1ATP

O

^ 1 ADP

K

0
c

2

1 ADP

3

o—
PLJ opo£

x 0

Fructosa
1,6-difosfato

1ATP

La glucosa es fosforilada a expensas de un ATP, sufre redistribución
estructural para formar fosfato de fructosa, y luego es fosforilada una vez
más a expensas de un segundo ATP. Los dos grupos fosfato se sitúan en los
dos extremos (C1, C6) de la cadena de fructosa.

2

3

|
f

i n
H

OH

o

T

El difosfato de seis carbonos se desdobla en dos monofosfatos de tres
carbonos.

t

0

H

2

Gliceraldehido
3-fosfato

oo

1
HCOH
i

CH2OPOf

2P

0

1

; s 2 NAD+
^. /
. " ^ 2 NADH + 2 H

2
1 ,3-difosfoglicerato

2
3-fosfoglicerato

0

El aldehido de tres carbonos se oxida para formar un ácido conforme se
emplean los electrones eliminados del sustrato para reducir la coenzima
NAD+ a NADH. Además, el ácido C1 se fosforila para formar un acilfosfato, el
cual posee un potencial elevado para transferir grupos fosfato (denotado por
el sombreado amarillo).

C-OP023

1

HCOH
i

CH2OPOf
s 2 ADP
(
0 V 2ATP
II

El grupo fosfato de C1 se transfiere a ADP para formar ATP por fosforilación a
nivel de sustrato. Por cada glucosa oxidada se forman dos ATP.

c-oHCOH
i

CH2OPOf

0

Estas reacciones dan como resultado la redistribución y deshidratación del
sustrato para formar un enolfosfato en la posición C2, que tiene un elevado
notencial de transferencia.de grupos fosfato.

t

0
2
Fosfoenolpiruvato

I
0 *
c-o-

C-O-PC^
II
H
CH2

®

í¡ /
f
0

2
Piruvato

2 ADP

^2 ATP

El grupo fosfato se transfiere al ADP formando ATP por fosforilación a nivel
de sustrato, generando una cetona en la posición C2. Por cada glucosa
oxidada se forman dos ATP.

lo-

REACCIÓN NETA:

c=o
1

Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P;

CH,

2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H20

177

CAPITULO 5
FIGURA 5-6. Esquema de la glucólisis que muestra alguno de tos
pasos clave. Incluye las dos reacciones de transferencia de grupos
fosfato del ATP al azúcar de seis carbonos para formar fructosa 1,6difosfato (pasos 1 y 3); la oxidación y la fosforilación de glíceraldehido
3-fosfato para formar 1,3-difofosglicerato y NADH (paso 6), y la transferencia de grupos fosfato desde los sustratos fosforilados de tres
carbonos al ADP para formar ATP por fosforilación de sustratos (pasos 7 y 10).

O

U
¿-0
CH3
Piruvato
Piruvato
Láclalo
d es ca rb ox i I as a ,;-7 d esh id rog ena s a

la fermentación es un subterfugio para regenerar NAD +
cuando la concentración de C>2 es baja, de modo que la glucólisis pueda continuar y mantener la producción de ATP.
El producto de la fermentación varía de un tipo de célula o microorganismo a otro. Cuando se requiere contracción
repetida de las células musculares, el suministro de oxígeno
no tiene capacidad para mantener el paso con las demandas
metabólicas de la célula. En esas condiciones, ciertos tipos
de células musculares esqueléticas regeneran NAD + convirtiendo piruvato a lactato (véase La perspectiva humana en
este capítulo). Al disponer otra vez de oxígeno en cantidad
suficiente, el lactato puede convertirse de nuevo a piruvato
para continuar la oxidación. Las células de las levaduras
han enfrentado el desafío de la vida anaerobia con una solución metabólica diferente: convierten el piruvato a etanol,
según se ilustra en la figura 5-7.
En muchos microorganismos la fermentación es un proceso coadyuvante necesario para el metabolismo, y en algunos anaerobios es la única fuente de energía metabólica,
aunque la energía obtenida sólo por glucólisis es escasa en
comparación con la oxidación completa de la glucosa hasta
dióxido de carbono y agua. De las 686 kilocalorías que pueden liberarse en la oxidación completa de 1 mol de glucosa,
sólo se liberan 57 cuando se convierte a etanol y nada más 47
cuando se convierte a lactato en condiciones estándar. En
cualquier caso sólo se sintetizan dos moléculas de ATP por
molécula de glucosa oxidada mediante glucólisis o fermentación; más de 90% de la energía simplemente se descarta en
el producto de fermentación (según lo demuestra la inflamabilidad del alcohol etílico).
En las primeras etapas de la vida sobre la Tierra, cuando todavía no aparecía el oxígeno, la glucólisis y la fermentación tal vez fueron las vías metabólicas primarías de las
células procariotas primitivas para extraer azúcares. Con la
evolución de las cianobacterias, la atmósfera se llenó de oxígeno molecular permitiendo la evolución de una nueva estrategia metabólica, en la cual los productos de la glucólisis
podían oxidarse por completo y producir mucho más ATP.

La vía aerobia para la oxidación de piruvato
Los aerobios emplean oxígeno molecular para extraer gran
cantidad de energía a partir de los dos productos de la glucólisis, piruvato y NADH, suficiente para sintetizar más de
30 moléculas adicionales de ATP. Este proceso tiene lugar
en las mitocondrias (fig. 5-5). Iniciaremos con el piruvato y
más tarde volveremos a considerar el destino del NADH.
Cada molécula de piruvato producida por glucólisis se transporta a través de la membrana mitocondrial interna hacia el
interior de la matriz, donde es descarboxilada para formar

HS-CoA

deshidrogenasa

NADH
NAO'

NADH-<-H

O

S-CoA

f-oHCOH

, , ,
Acetaldehido
NADH
„

f
CH3

Alcohol
deshídrogenasa

CH3

Acetil CoA

Lactato

N

CH2OH
CH3

Oxidación aerobia
vía ciclo del ácido
tricarboxílico

Alcohol etílico
Oxidación anaerobia del NADH

FIGl'RA 5-7. Fermentación. La mayor parte de las células efectúan respiración aerobia dependiente de oxígeno. Si el suministro de
oxígeno disminuye, como ocurre en las células del músculo esquelético sometido a contracción extrema o en las células de las levaduras
vivientes en condiciones anaerobias, estas células pueden regenerar
NAD+ por fermentación. Las células musculares efectúan la fermentación formando lactato, en tanto que ias células de las levaduras lo
hacen mediante la formación de etanol.

un grupo acetilo de dos carbonos (—CHsCOO"). A continuación, el grupo acetilo forma un complejo con la coenzima
A (un compuesto orgánico complejo derivado de la vitamina ácido pantoténico) para formar acetil-CoA.
Piruvato + HS—CoA + NAD+ ->•
Acetil CoA + CO2 + NADH + H +
La descarboxilación de piruvato y la transferencia del grupo
acetilo a la CoA (figs. 5-5 y 5-8) es catalizada por el complejo
multienzimático gigante piruvato deshidrogenasa, cuya estructura se mostró en la figura 2-41. El descubrimiento de la
acetil-CoA por Fritz Lipmann, en 1961, fue la última pieza
en el enigma de la oxidación de la glucosa.
Ciclo del ácido tricarboxílico (ATC)

Una vez formada, la acetil-CoA se introduce a la vía cíclica
denominada ciclo del ácido tricarboxílico (ATC), donde
oxida al sustrato y conserva su energía. Con excepción de la
succinato deshidrogenasa, enlazada a la membrana interna,
todas las enzimas del ciclo del ácido tricarboxílico residen
en la fase soluble de la matriz (fig. 5-15). El ciclo del ácido

178


o

l"
!c-o2c=o
3CH3

Piruvato
HS-CoA

®

NAO'

coo-

Acetil-CoA

(;00~

3I

Malato
deshidrogenasa

HOl =H

A^?-'

H20A
xc=o
1

,

HOC-COOr—^ ^ ^ ^
•

( i2

yCH2

®

(;ooMa ato

coo'- •' ^" '

^
Oxalacetato

C ¡trato
sintasa
AG" = -7.5

zcoo-

Citrato

i

f
¡ Aconitasa

Fumarasa
AG" = -0.9

^ H20

coo^^

2coo-

^

Cinco pares

coo-

I

de electrones
(procedentes de
átomos de hidrogeno
del sustrato) para
emplear en la
producción

CH
II
HC
I

coo-

Fumarato

HC-WCOOyl
HOCH

'cooIsocitrato

de ATP
NAO'

Ispcitrato
deshidrogenasa
¿G-1 = -2.0

..;FADH?_;
Succínato
deshidrogenasa
FAD

HS-CoA

coo3CH2

cooNAD' HS-CoA3CH2

xl
CH^

Succinato

Succinil-CoA
sintetasa
AG" = -0.8

Yf°
Succinil-CoA

X

CH,

ct-cetogli
•

C1 ~~

deshidrogenasa

a-cetoglutarato

FIGURA 5-8. Ciclo del ácido tricarboxílico, también llamado ciclo de Krebs, nombre del investigador que lo formuló, o ciclo del ácido cítrico
por el primer compuesto que se forma en el ciclo. El ciclo se inicia con la condensación de oxalacetato (OAA) y acetil-CoA (reacción 12). Los
carbonos de estos compuestos están marcados con números o letras. Los dos carbones que se pierden durante el paso por el ciclo se derivan
del oxalacetato. También se índica la energía libre estándar y el nombre de las enzimas. Los cinco pares de electrones eliminados de las moléculas del sustrato por la piruvato deshidrogenasa y las enzimas del ciclo del ácido tricarboxílico y transieridas a NAD+ o FAD pasan a lo largo
de la cadena transportadora de electrones y se emplean para producir ATP. Las reacciones aquí mostradas empiezan en el número 11 debido
a que la vía continúa donde se separa de la reacción de glucólisis (10 de la figura 3-23).


tricarboxílico también se refiere como ciclo de Krebs, por el
bioquímico inglés Hans Krebs, quien trabajó en esta vía en
los años de 1930. Irónicamente, cuando Krebs obtuvo por
primera vez datos suficientes para apoyar la idea de un ciclo
metabóHco, escribió un artículo acerca de su investigación y
lo envió a la revista británica Nature. Varios días después le
regresaron el manuscrito acompañado de una carta de rechazo. El editor concluyó que carecía de la suficiente importancia para publicarse en esa revista.
El primer paso del ciclo del ácido tricarboxílico es la
condensación del grupo acetilo de dos carbonos con un
oxalacetato de cuatro carbonos para formar una molécula
de citrato de seis carbonos (fig. 5-8). Durante el ciclo, la
molécula de citrato disminuye la longitud de su cadena, un
átomo de carbono cada vez, y regenera la molécula de
oxalacetato de cuatro carbonos, la cual se condensa con otra
acetil-CoA. Estos dos carbonos eliminados durante el ciclo
del ácido tricarboxílico (que no son los mismos unidos al
grupo acetilo) se oxidan por completo hasta dióxido de carbono. Durante el ciclo del ácido tricarboxílico pueden ocurrir cuatro reacciones, en las cuales se transfiere un par de
electrones de un sustrato a una coenzima aceptora de electrones. Tres de las reacciones utilizan NAD+ para formar
NADH, una reacción emplea FAD (derivada de la vitamina
riboflavina) para formar FADH2- La ecuación neta para la
reacción del ciclo del ácido tricarboxílico se puede escribir:
Acctil-CoA + 2H2O + FAD + 3NAD+ + GDP + P¡ ->
2CO2 + FADH2 + 3NADH + 3H+ + GTP + HS—CoA
El ciclo del ácido tricarboxílico es la vía central de las
células. Si consideramos la posición de dicho ciclo en el
metabolismo total de la célula (figs. 5-9 y 3-20), se observa
que los metabolitos de este ciclo son los mismos compuestos generados por la mayor parte de las vías catabólicas de
la célula. Por ejemplo, acetil-CoA es un producto final importante de un gran número de vías catabólicas, incluyendo la descomposición de ácidos grasos, desdoblados cada
vez a unidades de dos carbonos (fig. 5-9, a). Estos compuestos de dos carbonos entran al ciclo del ácido tricarboxílico
como acetil-CoA. Hasta ahora se conoce el papel de las mitocondrias en la descomposición de polísacáridos y grasas;
pero estos organelos también son importantes en el desdoblamiento de proteínas. Aunque los aminoácidos que constituyen las proteínas forman un conjunto heterogéneo de
moléculas, su descomposición también genera metabolitos
del ciclo del ácido tricarboxílico (fig. 5-9, b) que llegan a la
matriz por medio de sistemas especiales de transporte. Es
evidente que todas las macromoléculas que suministran
energía a la célula (polisacáridos, grasas y proteínas) se descomponen en metabolitos del ciclo del ácido tricarboxílico.
Por lo tanto, las mitocondrias se convierten en el centro
donde ocurren los procesos que conservan la energía final
del metabolismo, cualquiera que sea la naturaleza del material con el cual se inicia.
Importancia de las coensimas
reducidas en la formación de ATP

A partir de la ecuación neta del ciclo del ácido tricarboxílico
es evidente que los productos primarios de las reacciones

179

del ácido tricarboxílico son las coenzimas reducidas FADH2
y NADH, que contienen los electrones tomados de diferentes sustratos oxidados. NADH también es un producto primario de la glucólisis. Las mitocondrias no tienen capacidad
para importar el NADH formado en el citoplasma mediante
glucólisis. En vez de eso, los electrones de NADH se emplean para reducir un metaboíito de bajo peso molecular,
que entonces: 1) puede entrar a las mitocondrias (a través de
una vía denominada vía alterna entre malato y aspartato) y
reducir NAH+ a NADH, o 2) transferir sus electrones a FAD
(a través de una vía denominada vía alterna entre glicerol y
fosfato, que se muestra en la figura 5-10) para producir
FADH2.
Ahora que podemos explicarnos la formación de NADH
y FADH2 por la glucólisis y el ciclo del ácido tricarboxílico,
volveremos a los pasos que siguen estas coenzimas reducidas para producir ATP. El proceso total se puede dividir en
dos etapas distintas.
Etapa 1. Los electrones pasan desde FADJÍ2 o NADH a
una serie de portadores de electrones que constituyen la
cadena de transporte localizada en la membrana mitocondrial interna. El aceptor terminal de electrones de la cadena
respiratoria es el oxígeno molecular (02), el cual se reduce
para formar agua. Conforme los electrones avanzan a lo
largo de la cadena respiratoria, los cambios de conformación en los portadores desplazan protones hacia afuera a
través de la membrana mitocondiral interna, estableciendo
por lo tanto un gradiente de protones a través de dicha
membrana.
Etapa 2. El movimiento controlado de los protones
(H+) los regresa a través de la membrana por medio de una
enzima sintetizadora de ATP que suministra la energía necesaria para efectuar la reacción endergónica que conduce a
la síntesis de ATP.
La importancia de los movimientos de protones en la
formación de ATP fue propuesta por primera vez en 1961
por Peter Mitchell, de la Universidad de Edinburgo. Los
experimentos que condujeron a la aceptación del mecanismo
quimiosmótico, como lo llamó Mitchell, se analizan en La vía
experimental al final de este capítulo; en lo que resta del mismo se hará un análisis más detallado de las dos etapas resumidas antes.
Cada par de electrones transferidos del NADH al oxígeno por medio de la cadena transportadora de electrones libera suficiente energía para formar unas tres moléculas de
ATP. Cada par donado por FADH2 libera bastante energía
para formar casi dos moléculas de ATP. Si se suman todas
las moléculas de ATP formadas a partir de una molécula de
glucosa completamente catabolizada por medio de glucólisis y el ciclo del ácido tricarboxílico, la ganancia neta máxima es de 36 ATP (que incluye el GTP formado en cada vuelta del ciclo, fig. 5-8). Recordemos que la verdadera cantidad
de ATP formado por las moléculas oxidadas de glucosa
depende de la relación [ATP]/[ADP] dentro de la célula y
las actividades particulares en las cuales participa la célula.
La importancia relativa de la glucólisis en comparación con
el ciclo del ácido tricarboxílico, o sea, del metabolismo oxidativo anaerobio comparado con el aerobio en la función

180

NADH + HOH

-CH2-C-CH2-C-S-CoA

•CH^-C ~S-CoA

Alanina
Cisterna
Glicina
Serina
Treonina

-CH2-CH=CH-C-S-CoA

Fenilalanina
Tirosina
Leucina
Usina
Triptófano

Piruvato

CICLO DE UN
ACIDO GRASO

Acetoacetil CoA

FADH,

Acetil-t
R-CH2-CH2-CH2-C- S-CoA

Leucina
Isoleucina
Triptófano

(a)
Arginina
Histidina
Glutamina
Prolina

Aspartato
Asparagina
Ma'ato

CICLO ACIDO
TRICARBOXÍLICO

co,
Ls^Glutamato

o
Fuma rato

Í

Succinato

>C<3=====1 Isoleucina
Succinil-CoA
Metionina
Valina

Tirosina
Fenilalanina

ÍW
FIGURA 5-9. Las vías catabólicas generan compuestos que ingresan al ciclo del ácido tricarboxílico. a) Oxidación de ácidos grasos. El
primer paso en la oxidación de un ácido graso es su activación por unión al grupo tiol (—SH) de la coenzima A, que ocurre luego que el grupo
lipoacil es transportado a través de la membrana mitocondrial interna en asociación a una proteína transportadora. En la mitcondria, la molécula
lipoacil-CoA sufre disección gradual, durante la cual se elimina una molécula de acetil-CoA de la cadena de ácido graso con cada vuelta del
ciclo. Además de la molécula de acetil-CoA que ingresa al ciclo del ácido tricarboxílico, en cada vuelta del ciclo del ácido graso se produce una
de NADH y una FADH.2. Del examen de esta serie de reacciones es evidente la razón por la cual las grasas constituyen un rico almacén de energía
química, b) Ingreso de aminoácidos al ciclo del ácido tricarboxílico.

del músculo esquelético humano, se analiza en La perspectiva humana.

5-3 Papel de las mitocondrias
en la formación de ATP
Con frecuencia se describe a las mitocondrias como "plantas
en miniatura generadoras de energía", Igual que dichas plantas generadoras, las mitocondrias extraen energía de materiales orgánicos y la almacenan en forma de energía eléctrica. Más específicamente, la energía extraída de los sustratos
se emplea para generar un gradiente iónico a través de la
membrana mitocondrial interna. Este gradiente iónico re-

presenta una forma de energía que puede liberarse para
efectuar diferentes tipos de trabajo. En el capítulo 4 se vio
cómo las células intestinales emplean un gradiente iónico a
través de su membrana plasmática para transportar azúcares y aminoácidos fuera de la luz intestinal, en tanto que las
células nerviosas utilizan un gradiente similar como base
para generar impulsos nerviosos. El uso de gradientes iónicos como forma de intercambiar energía requiere varios
componentes, incluyendo un sistema para generar el gradiente, una membrana capaz de mantener el gradiente y el
mecanismo para liberar el gradiente de modo que pueda
efectuar trabajo.
Las mitocondrias utilizan un gradiente iónico a través
de su membrana interna para efectuar gran número de acti-

Membrana
mitocondrial
Citoplasma
interna
IV
Fosfato de
dihidroxiacetona
H2C— OH

1
i
Cadena
." transportadora
de electrones

C=O

H++NADH

CH2OPOf

r,

t

2e^
3

3-fosfoglicerol
deshidrogenasa

NAD

FIGURA 5-10. Intercambio de glicerol fosfato. El NADH producido en el citosol no puede atravesar la membrana mitocondrial interna. En el intercambio de glicerol fosfato que aquí se muestra, los electrones se transfieren al fosfato de dihidroxiacetona para formar 3fosfoglicerol, que a continuación transfiere los electrones a una molécula de FAD dentro de la membrana mitocondrial interna. El FADH2
formado en la reacción puede pasar los electrones a través de la cadena transportadora de electrones.

vidades que requieren energía, principalmente síntesis de
ATP. Cuando la formación de ATP se realiza por la energía
liberada de los electrones eliminados durante la oxidación
del sustrato, el proceso se denomina fosforilación oxidativa. La fosforilación oxidativa se puede comparar con la fosforilación a nivel de sustrato, según se estudia en la página
102, en la cual el ATP se forma directamente por transferencia de un grupo fosfato procedente de una molécula del
sustrato al ADP. Desentrañar el mecanismo básico de la
fosforilación oxidativa ha sido uno de los logros más significativos en el campo de la biología celular; las brechas de
conocimiento que todavía falta por llenar aún constituyen
un área activa de investigación. Para comprender el mecanismo de la fosforilación oxidativa primero es necesario
considerar de qué manera la oxidación del sustrato puede
liberar energía libre.
Potenciales de oxidorreducción
Si se comparan varios agentes oxidantes, pueden clasificarse
en series según su afinidad por los electrones: cuanto mayor
sea la afinidad, más fuerte será el agente oxidante. También
los agentes reductores se pueden clasificar según su afinidad para electrones: a menor afinidad (los electrones se liberan más fácilmente), rnás fuerte será el agente reductor. Para
poner esto en términos cuantitativos, los agentes reductores
se clasifican según su potencial de transferencia de electro-

181

nes; las sustancias que tienen un potencial elevado para
transferir electrones, como el NADH, son agentes reductores
fuertes, en tanto que aquéllas con bajo potencial para transferir electrones, como H^O, son agentes reductores débiles.
Los agentes oxidantes y reductores se presentan en pares,
como NAD + y NADH. Los agentes reductores fuertes se
unen a los agentes oxidantes débiles, y viceversa. Por ejemplo, NAD+ (del par NADH-NAD+) es un agente oxidante
débil, en tanto que el otro miembro del par H2Ü, o sea el
oxígeno (en realidad ¿ 02), es un agente oxidante fuerte.
Puesto que el movimiento de electrones genera separación de cargas, la afinidad de las sustancias por los electrones se puede medir con instrumentos que detectan voltaje
(fig. 5-11). En cada par se mide su potencial de oxidorreducción (o potencial redox) para relacionarlo con el potencial
de algún par estándar. Arbitrariamente se eligió el hidrógeno corno par estándar. Igual que para cambios de energía
libre, donde el cambio estándar de energía libre es AG°,
para los pares redox se emplea una nomenclatura similar. El
potencial redox estándar, EO, para un par dado se designa
como el voltaje producido por una media celdilla (sólo están
presentes los miembros de un par), en la cual cada miembro
del par se encuentra en concentración y condiciones estándar (como en la figura 5-11). Las concentraciones estándar
son 1.0 M para solutos y iones y 1 atm de presión para gases
(p. ej., H2) a 25°C El potencial redox estándar para una
reacción de oxidorreducción que implique hidrógeno (2H+
+ 2 electrones -> ty es 0.00 V. La asignación de un signo
(positivo o negativo) a pares diferentes del par hidrógeno es
arbitraria y varía entre las diversas disciplinas. Consideraremos la asignación de la siguiente manera. Aquellos pares

Voltímetro

Puente de KCI

1MH*

1M/L.

1 atmH;

Media celda de referencia

Media celda de registro

FIGURA 5-11. Medición del potencial estándar de oxidorreducción. La media celda de muestra contiene los miembros oxidados y
reducidos del par, ambos presentes a 1 M. La media celda de referencia contiene una solución 1 M de H+ en equilibrio con el gas hidrógeno a una atmósfera de presión. El circuito eiéctrico se forma conectando las medias celdas a través de un voltímetro y un puente salino.
Si los electrones fluyen preferencialmente desde la medía celda de
muestra a la media celda de referencia, entonces el potencial redox
estándar (AEo) del par muestra es negativo; si los electrones fluyen en
la dirección opuesta, el potencial redox estándar del par muestra es
positivo. El puente salino consiste en una solución saturada de KCI;
proporciona una vía para que los contraiones se muevan entre las
medias celdas y conserven la neutralidad eléctrica en los dos compartimientos.

182

CAPITULO 5 " Respiración aerobia y mitocondrias

Papel del metabolismo anaerobio
j aerobio en el ejercicio
La contracción muscular requiere una
gran cantidad de energía. La mayor
parte de esta energía se emplea para
lograr que los filamentos que contienen
actina y miosína se deslicen uno sobre
otro, como analizaremos en el capítulo
9. La energía necesaria para la contracción muscular se deriva del ATP. La
velocidad de hidrólisis del ATP aumenta más de 100 veces en un músculo
esquelético sometido a contracción
máxima, en comparación con el mismo
músculo en reposo. Se estima que en
promedio el músculo esquelético humano tiene suficiente ATP "a la mano"
para consumir durante una contracción
vigorosa de 2 a 5 segundos de duración. Aunque el ATP se hidroliza, es
importante producir al mismo tiempo
ATP adicional; de otra manera, la proporción ATP/ADP desciende y también se reduce la energía libre disponible para sostener la contracción. Las
células musculares contienen una reserva de fosfato de creatina (CrP), uno
de los compuestos con potencial para
transferir fosfatos mayor que el del ATP
(fig. 3-27) y que por lo tanto puede utilizarse para generar ATP en la siguiente
reacción.
CrP + ADP -» Cr + ATP
En condiciones típicas, el músculo esquelético tiene suficiente reserva de
fosfato de creatina para mantener una
concentración elevada de ATP durante
casi 15 segundos. Puesto que las células musculares tienen un suministro
muy limitado tanto de ATP como de
fosfato de creatina, se deduce que la
actividad muscular intensa o sostenida
requiere de la síntesis de cantidades
adicionales de ATP, que deben obtenerse mediante metabolismo oxidativo.
El músculo esquelético humano
consta de dos tipos generales de fibras
{fig. PH 5-1): fibras de "contracciónrá-

F1GURA PH 5-1. El músculo esquelético
contiene una mezcla de fibras de contracción
rápida (teñidas en color oscuro) y fibras de
contracción lenta (teñidas en color claro).
(Cortesía de Duncan MacDougaU.)

pida", que se contraen con gran rapidez (p. ej., 15 a 40 mseg) y fibras de
"contracción lenta" que se contraen
más lentamente (p. ej., 40 a 100 mseg).
El microscopio electrónico revela que
las fibras de contracción rápida están
casi desprovistas de mitocondrias, lo
que indica que dichas células no pueden producir mucho ATP mediante respiración aerobia. Por otra parte, las fibras de contracción lenta contienen un
gran número de mitocondrias. Estos
dos tipos de fibras del músculo esquelético son adecuadas para actividades
de diferentes tipos. Por ejemplo, levantar pesas o correr a gran velocidad
depende principalmente de las fibras
de contracción rápida, capaces de generar nías fuerza que sus contrapartes de
contracción lenta. Las fibras de contracción rápida producen casi todo su ATP
por la vía anaerobia como resultado de
la glucólisis. Aunque la glucólisis sólo
tiene capacidad para producir cerca de
5% de ATP por molécula de glucosa oxidada en comparación con la respiración
aerobia, las reacciones de la glucólisis

ocurren con mayor rapidez que las del
ciclo del ácido tricarboxílico y el transporte de electrones, por lo que la velocidad de producción de ATP por la vía
anaerobia es en realidad nías alta que
la lograda en la respiración aerobia. Los
problemas de producir ATP por glucólisis son el desgaste rápido de la
glucosa disponible en la fibra (almacenada en forma de glucógeno) y la producción de un producto final indeseable, el ácido láctico. Consideraremos
este último aspecto con mayor detalle.
Debemos recordar que la glucólisis sólocontinúa si el NAD+ se regenera
y que eso ocurre por fermentación. Las
células musculares regeneran NAD + al
reducir piruvato, el producto final de
la gíucólisis, a ácido láctico. La mayor
parte del ácido láctico difunde fuera de
las células musculares activas hacia la
sangre circulante, donde es transportado al hígado para convertirse de nuevo en glucosa. La glucosa producida
en el hígado se libera al torrente sanguíneo y por lo tanto puede regresar al
músculo activo y continuar suministrando energía para efectuar la glucólisis acelerada. Sin embargo, la formación de ácido láctico se acompaña de
un descenso de pH dentro del tejido
muscular (desde pH 7.0 hasta 6.35), lo
que a veces produce el dolor y los calambres que acompañan al ejercicio
intenso. El incremento de la acidez junto con el agotamiento de las reservas
de glucosa tal vez explique la sensación de fatiga muscular característica
del ejercicio anaerobio.
Si en lugar de emplear los músculos para levantar pesas o efectuar carreras se participa en un ejercicio
"aerobio", como montar bicicleta o caminar con rapidez, la actividad puede
prolongarse durante periodos mucho
más largos sin la sensación de dolor
muscular o de fatiga. Los ejercicios aerobios, como su nombre implica, están

183

CAPITULO 5

disenados para permitir que los músculos trabajen por la vía aerobia, o sea,
continuar la producción del ATP necesario mediante el transporte de electrones. Los ejercicios aerobios dependen
principalmente de la contracción de fibras lentas del músculo esquelético, capaces de generar menos fuerza, pero
que pueden continuar funcionando
durante largos periodos debido a la
producción aerobia continua de ATP
sin la formación correspondiente de
ácido láctico.
El ejercicio aerobio recibe su combustible inicial de las moléculas de glucosa almacenadas como glucógeno en
los propios músculos, pero luego de
unos pocos minutos los músculos dependen más y más de los ácidos grasos
libres liberados en la sangre por el tejido adiposo (grasa). Cuanto mayor sea
el periodo de ejercicio, mayor la dependencia de ácidos grasos. Se estima

que casi 50% de las calorías consumidas por los músculos en 20 minutos de
ejercicio aerobio intenso se derivan
de la grasa. Ejercicios aerobios como
trotar, caminar rápido, nadar o montar bicicleta constituyen una de las
mejores formas de reducir el contenido de grasa del cuerpo.
La proporción entre fibras de contracción rápida y fibras de contracción
lenta varía de un músculo a otro. Por
ejemplo, los músculos posturales de la
espalda, necesarios para que una persona permanezca en posición erecta,
contienen una mayor proporción de fibras de contracción lenta en comparación con los músculos del brazo empleados para tirar o levantar objetos. La
proporción precisa entre fibras de contracción rápida y fibras de contracción
lenta en un músculo particular está genéticamente determinada y es muy variable de una persona a otra: factores

cuyos agentes reductores son mejores donadores de electrones en comparación con H2, o sea, con menor afinidad por
sus electrones en comparación con HZ, se les asigna potenciales redox negativos. Por ejemplo, ei potencial redox estándar para el par NADH-NAD+ es de -0.32 V (cuadro

CUADRO 5-1. Potenciales redox estándar de reacciones
seleccionadas en un sentido
Ecuación de electrodo

Acetato + 2H+ + 2e~ = acetaldehido
2H+ + 2e- = H2
a-cetogfutarato + COj + 2H+ + 2e- = isocitrato
Acetoacetato + 2H+ + 2c- = ^-hidroxibutirato
NAD+ + 2H+ + 2e- — NADH + H+
NADP+ + 2H+ -I- 2e- = NADPH + H +
Acetaldehido + 2H+ + 2e~ — etanol
Piruvato + 2H+ + 2e~ = lactato
Oxalacetato + 2H+ + 2e~ = malato
FAD + 2H+ + 2e~ = FADH2 (en flavoproteínas)
Fumarato + 2H+ + 2e~ — succinato
2 ciíocromo Í>K(<IX) + 2e~ = 2 citocromo i>K(red)
Ubiquinona + 2H+ + 2e~ = ubiquinol
2 citocrorno cox + 2e~ = 2 citocromo crc¿
2 citocromo fl3|ax + 2e~ = 2 citocromo
fl^md)
2
2 + 2H+ + 2e- = HO

E'

-0.58
-0.421
-0.38
-0.346
-0.320
-0.324
-0.197
-0.185
-0.166
+0.031
+0.031
+0.030
+0.10
+0.254
+0.385
+0.816

que desempeñan un importante papel
para permitir que un individuo alcance la excelencia en ciertos tipos de actividad física. Por ejemplo, los corredores de velocidad y los levantadores de
pesas mundiales suelen tener mayor
proporción de fibras musculares de
contracción rápida en comparación con
los corredores de distancias largas.
Además, el entrenamiento para deportes como levantamiento de pesas conduce a un crecimiento desproporcionado de las fibras de contracción rápida.
El tejido del músculo cardiaco también debe incrementar su grado de actividad durante el ejercicio intenso,
pero a diferencia del tejido del músculo esquelético, el músculo cardiaco sólo
puede producir ATP por metabolismo
aerobio. En realidad, casi 40% del espacio citoplásmico de una célula muscular cardiaca humana está ocupado
por mitocondrias que producen ATP.

5-1). Los pares cuyos agentes oxidantes sean mejores aceptores de electrones que H + , o sea, que presenten mayor
afinidad para electrones en comparación con H + , tienen
potenciales redox positivos. En el cuadro 5-1 se muestran
los potenciales redox de algunos pares biológicamente importantes. En dicho cuadro el valor del par hidrógeno no es
0.00, sino -0.42V. Esta cifra representa el valor cuando la
concentración de H+ es 10~7 M (pH 7.0) en vez de 1.0 M
(pH 0.0), que sería poco empleada en fisiología. Si el potencial redox estándar se calcula a pH 7, entonces se indica por
el símbolo EQ en vez de EQ.
Así como cualquier otra reacción espontánea se acompaña de pérdida de energía libre, lo mismo ocurre con las
reacciones de oxidorreducción. El cambio de energía libre
estándar durante una reacción de este tipo
=A

(ox)

se puede calcular a partir de los potenciales redox estándar
de los dos pares implicados en la reacción según la ecuación
AG°' = -

donde n es el número de electrones transferidos, F es la
constante de Faraday (23.063 kcal/V*mol) y A£¿ es la diferencia en voltios entre el potencial redox estándar de los
dos pares. Cuanto mayor sea la diferencia de potencial redox
estándar entre los dos pares, más tiempo procederá la reacción para formar productos en condiciones estándar antes
de alcanzar un estado de equilibrio.

184


Para la oxidación de NADH por oxígeno molecular,
NADH + 2 + H+ -> H2O + NAD+
los potenciales redox estándar de los dos pares se pueden
escribir de la siguiente manera
±O 2 + 2H+ + 2e~ -*• H2O

£ó = +0.82 V

NAD+ + 2H+ + 2e- -> NADH + H+

EQ = -0.32 V

El cambio de voltaje para la reacción total es igual a la diferencia entre los dos valores EQ (AEó):
AE'o = +0.82 V - (-0.32 V) = +1.14 V
que es una medida de la energía libre liberada cuando se
oxida NADH por oxígeno molecular en condiciones estándar. Sustituyendo este valor en la ecuación anterior,
AG°' = (-2)(23.063 kcal/V-mol)(1.14 V) -52.6 kcal/mol
La diferencia de energía libre estándar (AG° f ) es -52.6 kcal/
mol. Igual que con otras reacciones, el verdadero valor AG
depende de las concentraciones relativas de reactantes y
productos (formas oxidadas y reducidas de los compuestos)
presentes en la célula en un momento dado. No obstante,
pareciera que el descenso de energía libre de un par de
electrones conforme pasan de NADH a oxígeno molecular
(AG0' = -52.6 kcal/mol) es suficiente para formar varias
moléculas de ATP (AG0' = +7.3 kcal/mol) incluso cuando
la relación ATP/ADP dentro de la célula es mucho más alta
que en condiciones estándar. En las mitocondrias, la transferencia de energía del NADH al ATP ocurre de manera gradual y será el principal tema que se exponga en el resto de
este capítulo.
Dentro de las mitocondrias, los electrones se transfieren al NAD + (o al FAD) a partir de varios sustratos del ciclo
del ácido tricarboxílico, principalmente isocitrato, a-cetoglutarato, malato y succinato. Los primeros tres de estos intermediarios poseen potenciales redox de valor negativo relativamente alto (cuadro 5-1), lo suficientemente alto para
transferir electrones a NAD + en las condiciones prevalecientes
en la célula.1 En contraste, la concentración de succinato a
fumarato, que tiene un potencial redox más positivo, procede por la reducción de FAD, una coenzima con mayor afinidad por electrones en comparación con NAD + .

Transporte de electrones
La mayor parte de las enzimas del ciclo del ácido tricarboxílico se encuentran libres dentro de la matriz fluida de la
mitocondria. El NADH formado en la matriz se disocia de
1 Según se indica en el cuadro 5-1, el potencial redox estándar (Eó)
del par oxalacetato-malato es más positivo que el del par NAD+NADH. Por lo tanto, la oxidación de malato a oxalacetato sólo puede
proceder a la formación de oxalacetato cuando la relación de productos reactantes se conserva por debajo de las condiciones estándar. La
AG de esta reacción se conserva negativa manteniendo elevadas las
concentraciones de malato o de NAD+ en relación con las de oxalacetato o NADH en la región que rodea al sitio activo de la enzima. La
situación es análoga a la observada en la formación de gliceraldehido
3-fosfato a partir de dihidroxiacetona fosfato fpág. 84).

su respectiva deshidrogenase y transfiere sus electrones a
otros transportadores relacionados con la membrana mitocondrial interna. Cada uno de los casi 20 transportadores de
electrones que constituyen la cadena transportadora puede
existir en su estado reducido u oxidado. Cada transportador
se reduce sucesivamente porque gana electrones procedentes del transportador precedente en la cadena y a continuación se oxida porque dona sus electrones al transportador
subsecuente (fig. 5-14). Por lo tanto, los electrones pasan de
un transportador al siguiente hasta que el aceptor final se
reduce. El aceptor final de esta "cadena de cubetas" de electrones es el C»2, el cual se reduce para formar agua. A lo
largo de la línea cada transportador de electrones tiene un
potencial redox más positivo que el transportador previo, y
en cada transferencia sucesiva los electrones pierden energía libre adicional. La energía libre liberada por la transferencia de electrones se emplea para generar un gradiente de
protones, el cual se utiliza posteriormente para efectuar la
síntesis endergónica de ATP.
Tipos de transportadores

La cadena de transporte de electrones (o cadena respiratoria) de la membrana mitocondrial interna se compone de
cuatro tipos de transportadores de electrones enlazados a la
membrana: flavoproteínas, citocromos, ubiquinona, y proteínas de hierro y azufre. Con excepción de la ubiquinona,
todos los centros redox dentro de la cadena respiratoria que
aceptan y donan electrones son grupos prostéticos (componentes no aminoácidos) relacionados con proteínas.
Las flavoproteínas constan de un polipéptido fuertemente enlazado a uno de los grupos prostéticos relacionados, sea dinucleótido de adenina flavina (FAD) o mononucleótido de flavina (FMN) (fig. 5-12, a). Los grupos prostéticos
de las flavoproteínas se derivan de la riboflavina (vitamina
62) y cada uno puede aceptar y donar dos protones y dos
electrones. El estado de oxidación de la flavoproteína puede determinarse por métodos espectroscópicos midiendo la
cantidad de luz absorbida a diferentes longitudes de onda.
Las proteínas totalmente oxidadas muestran un máximo de
absorción a 370 y 450 nm, en tanto que los grupos reducidos
sólo tienen un máximo a 370 nm. Las principales flavoproteínas de las mitocondrias son la NADH deshidrogenasa de
la cadena transportadora de electrones y la succinato deshidrogenasa del ciclo del ácido tricarboxílico.
Los citocromos son proteínas que contienen grupos hem
(como el descrito para la mioglobina en la página 58). El
átomo de hierro de un hem puede sufrir una transición
reversible entre los estados de oxidación Fe3+ y Fe2+ como
consecuencia de la aceptación y pérdida de un solo electrón
(fig. 5-12, b). Hay cuando menos cinco especies de citocromos
presentes en la cadena transportadora de electrones, a, «3, b,
c y c que difieren entre sí por ¡as sustituciones efectuadas
en el grupo hem (indicada por las porciones sombreadas de
la figura 5-12, fc) y también por la secuencia de aminoácidos
de la cadena del polipéptido. Los grupos hem de la citocromo oxidasa también se relacionan con iones cobre que pueden desempeñar un papel clave en la transferencia de electrones a O2 (fig. 5-19).
La ubiquinona (UQ, o coenzima Q) es una molécula
Hposoluble que contiene una larga cadena hidrófoba com-


C-CH,

CH,OC
II
CH,OC

c=o

185

CH,

Unidad ¡soprenoide
H3C

Forma oxidada de ubiquinona
(estado quinona)

Forma oxidada de FMN
(estado quinona)

,^c- C-CH3

_ H'_ e-

C'
II

C

Forma oxidada de hem

N-H
I

II
C-R

T

coo-

0

CHrC" "
3 I

" I
CH3OC^

CHrC^ ^C^ ^ C ^ W ^C=0

Radical ubre intermedio
(estado semiquinona)

Radical libre intermedio
(estado semiquinona)

OH
""

CH-CH,
CH,-C

N-H
I
C=0

C-CH,
II
C-R

Forma reducida de ubiquinona
(estado hidroquinona]

(O
Forma reducida de FMN
(estado hidroxiquinona)

(a)
Forma reducida de hem

(b)
FICUlíA 5-12. Estructura de las formas oxidada y reducida de los tres tipos de transportadores de electrones, a) FMN de la NADH
deshidrogenasa; b) el grupo hem del citocromo c, y c) ubiquinona (coenzima Q). Los grupos hem de los diferentes citocromos de la cadena
transportadora de electrones difieren en sus grupos sustituidos sobre el anillo porfirina (indicados por el sombreado) y la naturaleza del enlace
a la proteína. Los citocromos sólo pueden aceptar un electrón, en tanto que FMN y quinonas pueden aceptar dos electrones y dos protones y
pueden hacerlo en reacciones sucesivas, como se muestra en la figura. FAD difiere de FMN en que contiene un grupo adenosina unido al fosfato.

puesta por unidades isoprenoides de cinco carbonos (fig.
5-12, c), Igual que las flavoproteínas, cada ubiquinona puede aceptar y donar dos electrones y dos protones. Similar
a flavoproteínas y citocromos, la ubiquinona se puede detectar espectroscópicamente debido a que posee una banda
de absorción a 280 nm que desaparece en el estado reducido.
A principios del decenio de 1960 se descubrió un nuevo
grupo de transportadores de electrones en la membrana interna. Estos componentes, llamados proteínas de hierro y
azufre, se descubrieron mediante resonancia electrónica de
giro (el hierro reducido tiene un electrón impar que da lugar
a una señal electrónica de giro). Los átomos de hierro de las
proteínas de hierro y azufre no se localizan en un grupo
hem, sino que están íntimamente unidos a átomos de azufre

inorgánico como parte de un centro de hierro y azufre. Los
centros más comunes contienen dos o cuatro átomos de
hierro y de azufre, designados [2Fe-2S] y [4Fe-4S], unidos a
la proteína en los residuos de cisterna (fig. 5-13). Un solo
centro puede tener varios átomos de hierro, pero todo el
complejo sólo puede aceptar y donar un electrón. El potencial redox de un centro de hierro y azufre depende mucho
de los residuos aminoácidos que constituyen su entorno
local; como grupo, las proteínas de hierro y azufre presentan potenciales que varían de -400 mV hasta +300 mV,
correspondiendo a una mayor porción del espacio en el que
ocurre el transporte de electrones. Se ha identificado más de
una docena de proteínas de hierro y azufre dentro de las
mitocondrias y todas están íntimamente relacionadas con
otros portadores de electrones.

186

-0.4

-0.2

-0.0

Cvs

(a)

-

-

E0 +0-2 |-

[2Fe-2S]
+0.4

+0.6

Cvs
+0.8

Cvs

FIGURA 5-13. Centros de hierro y azufre. Estructura de un centro
de hierro y azufre: a) [2Fe-2S] y b) [4Fe-4S], Los átomos de azufre se
muestran en color amarillo. Ambos tipos de centros de hierro y azufre
están unidos a la proteína por medio de un enlace entre un átomo de
azufre (mostrados en color amarillo brillante) y un residuo de cisteína.
Los dos tipos de centros de hierro y azufre sólo aceptan un electrón,
cuya carga se distribuye entre los diferentes átomos de hierro.

FIGURA 5 - H . Disposición de varios portadores en la cadena
transportadora de electrones. El diagrama ilustra el potencial redox
aproximado de los portadores y la disminución de energía libre conforme los pares de electrones se desplazan a ¡o largo de la cadena
respiratoria hasta el oxígeno. El gran número de centros de hierro y
azufre no se indica en la figura, para simplificar. Como analizaremos
más adelante en el capítulo, cada uno de los tres segmentos marcados
por flechas rojas produce suficiente energía para mover los protones
a través de la membrana mitocondrial interna, la cual a su vez suministra la energía requerida para generar ATP a partir de ADP. (Según
A.L Lehninger, Biochemistry, 2a. edición, 1975, Worth Piibüshers, Nueva
York.)

Punto de inhibición

Los portadores de la cadena de transporte de electrones
se disponen espacialrnente en orden decreciente de potencial iónico, asegurando que los electrones pasen a través de
toda la cadena conforme fluyen de NADH o FADÜ2 hacia
Ü2 (fig. 5-14). La secuencia específica de los portadores que
constituyen la cadena para el transporte de electrones fue
estudiada por Britton Chance y sus colaboradores, en la
Universidad de Pennsylvania, empleando varios inhibidores que bloquean el transporte de electrones en sitios específicos a lo largo de la vía. Durante el bloqueo, los portadores
sobre el lado NADH incrementan componentes en estado
reducido, en tanto que los portadores sobre el lado del oxígeno ios acumulan en estado oxidado. Mediante análisis
espectroscópico de la naturaleza de los componentes reducidos y oxidados en presencia de diferentes inhibidores se
pudo determinar la secuencia de los portadores. En la figura
5-15 se muestra una analogía del concepto de los experimentos con inhibidores. La secuencia de los portadores determinada experimentalmente concuerda bastante bien con las
predicciones teóricas basadas en el potencial redox de pares
individuales, indicados en el cuadro 5-1.
La velocidad de transferencia de electrones desde un
portador a un aceptor depende de la distancia entre los dos
centros redox y la vía particular utilizada. Los estudios in-

NAD

o-

FMN

Bloqueo con antimicina A

v

FIGURA 5-15. Uso experimental de inhibidores para determinar
la secuencia de portadores en la cadena de transporte de electrones.
En esta analogía hidráulica, el tratamiento de las mitocondrias con el
inhibidor antimicina A interrumpe el transporte, y a partir del punto
de inhibición los portadores del lado NADH permanecen en estado
totalmente reducido y los portadores del lado 02 en estado completamente oxidado. Comparando el efecto de varios inhibidores se pudo
establecer el orden de los portadores dentro de la cadena. (Según A.L.
Lehninger, Biochemistry, 2a. edición, 1975, Worth Pvblishers, Nueva
York.)

CAPITULO 5

187

dican que los electrones pueden viajar distancias considerables (10 a 20 A) entre centros redox adyacentes y los que
fluyen a través de "túneles" especiales constituidos por una
serie de enlaces covalentes y puentes de hidrógeno que amplían transversalmente algunas partes de diferentes residuos
de aminoácidos. Un ejemplo de la vía propuesta se refiere al
citocromo c y se muestra en la figura 5-16.
Transportadores complejos de electrones

Cuando la membrana mitocondrial interna se rompe pueden aislarse los diferentes portadores de electrones que forman parte de cuatro complejos asimétricos distintos que
rodean a la membrana, identificados como complejos I, II,
III y IV (fig. 5-17). Dos componentes de la cadena de transporte de electrones, citocromo c y ubiquinona, no forman
parte de alguno de los cuatro complejos, sino que existen de
manera independiente en la membrana. La ubiquinona ocurre como un grupo de moléculas disueltas en la bicapa de
lípidos y el citocromo c como una proteína periférica de la
membrana. Se piensa que el citocromo c y la ubiquinona se
desplazan dentro de la membrana o a lo largo de la misma
transportando electrones entre los grandes complejos proteínicos relativamente inmóviles. Una vez dentro de uno de
los grandes complejos multiproteínas se cree que los electrones viajan a lo largo de vías definidas (del tipo ilustrado
en la figura 5-16) entre centros redox adyacentes cuyas posiciones están en sus respectivos lugares.
Si el donador de electrones es NADH, los electrones
entran a la cadena respiratoria por la vía del complejo I, que
transfiere electrones a la ubiquinona (fig. 5-17). Cuando el
donador es FADH2, los electrones pasan directamente de la
succinato deshidrogenasa del ciclo del ácido tricarboxílíco
(que constituye el complejo II) a la ubiquinona, pasando
por alto el extremo "izquierdo" de la cadena que posee un
potencial redox demasiado negativo para aceptar los electrones menos energéticos del nucleótido de flavina.
Si se examinan los potenciales redox de portadores sucesivos en la figura 5-14, es evidente que hay tres sitios en
los cuales la transferencia de electrones se acompaña de
mayor liberación de energía libre (del orden de 200 mV).
Cada uno de estos sitios se encuentra entre portadores que
son parte de uno de los tres complejos, I, III y IV. La energía
libre liberada en forma de electrones que pasa a través de
estos tres sitios se conserva mediante translocación de protones desde la matriz a través de la membrana interna al espacio intermembrana. La translocación de protones por estos
complejos transportadores de electrones establece el gradiente de protones que efectúan la síntesis de ATP. La capacidad
de los complejos I, III y IV para actuar como unidades independientes transportadoras de protones se puede demostrar
purificando cada uno de ellos e incorporándolos individualmente en vesículas artificiales de lípidos. Cuando se
les suministra el donador apropiado de electrones, estas
vesículas que contienen proteínas son capaces de aceptar
electrones y translocar protones a través de la membrana
vesicular. El mecanismo de la translocación de protones
(H+) se analiza en las páginas 190 y 200. Examinaremos
brevemente cada uno de los cuatro complejos.
Complejo I (NADH-UQ oxirreductasa o NADH deshidrogenasa). El complejo I, que cataliza la transferencia de

FIGURA 5-16. Vías semejantes a túneles para los electrones del
complejo levadura-citocromo c-citocromo c peroxidasa. El grupo hem
del citocromo c peroxidasa (que no es un portador de la cadena
mitocondrial para transporte de electrones, pero que constituye un
aceptador análogo de electrones y del cual se conoce su estructura
cristalina con estudios de alta resolución) se observa en rojo. Existen
varias vías definidas (amarillas) para el movimiento de electrones de
un grupo hem al otro. (Por ¡effrey ]. Regan, según David N. Bcrntnn y
cois., reimpreso con autorización de Science 258:1741, 1992. © 1992 por
American Assodation for íhe Advancement of Science.)

un par de electrones del NADH a la ubiquinona (UQ), es
enorme, contiene hasta 30 polípéptidos distintos y representa una masa de casi un millón de daltons. El complejo I
incluye hasta nueve centros distintos de hierro y azufre
además de flavoproteína. El paso de electrones a través del
complejo I se acompaña de la translocación de protones al
interior del espacio intermembrana; la estequiometría tal
vez sea de 3 a 4 H + por cada par de electrones transferidos.
Se piensa que seis de los polipéptidos que constituyen el
complejo I de la mitocondria humana son codificados por
genes mitocondriales.
Complejo II (succinato-UQ oxidorreductasa o succinato deshidrogenasa). El complejo II consta de varios polipéptidos, dos de los cuales están compuestos de succinato
deshidrogenasa, enzima que contiene FAD enlazada a membrana que cataliza una reacción clave del ciclo del ácido
tricarboxílico. Todos son codificados por genes nucleares.
El complejo II proporciona una vía para introducir electrones de "baja energía" (próximos a O mV) del succinato al
FAD o a la ubiquinona. La transferencia de electrones a
través del complejo II no se acompaña de translocación de
protones.
Complejo III (UQH2-citocromo c oxidorreductasa o
citocromo bci). El complejo III cataliza la transferencia de
electrones desde la ubiquinona reducida (UQH/?) al citocromo c, que es una proteína periférica de membrana y no parte
integral de alguno de los complejos de la cadena respiratoria. Se calcula que cuatro H + se translocan a través de la
membrana por cada par de electrones transferidos por medio de la ubiquinona al complejo III. El complejo III contiene casi 10 polipéptidos, uno codificado por el genoma mito-

188


Espacio intermembrana

1/20,+2H1

10 nm

Complejo 1
NADH-UQ
Oxidorreductasa
SUBUN1DADES
mtDNA
nDNA
TOTAL

6
-22
-28

Complejo III

Complejo II

Complejo IV

UQH2_
Citocromo c
oxidorreductasa

Succinato-UQ
oxidorreductasa

Citocromo c
oxidasa

1
-9
-10

3
10
13

FIGURA 5-17. Esquema de la disposición de los componentes de una cadena transportadora de electrones de la membrana mitocondrial
interna. La cadena respiratoria consta de cuatro complejos de portadores de electrones y otros dos portadores (ubiquinona y citocromo c)
situados de manera independiente. Los electrones ingresan a la cadena procedentes del NADH (vía complejo I) o FADH? (una parte del complejo
II). En seguida pasan de los complejos 1 o II a la ubiquinona (UQ), un grupo dentro de la bicapa de lípidos. A continuación se transfieren de
la ubiquinona al complejo III y luego a la proteína periférica citocromo c, la cual se piensa que es móvil; después los electrones pasan del
citocromo c al complejo IV (citocromo oxidasa) y luego al Oí para formar H2Ü. Se indican los sitios de translocación de protones desde la matriz
al citoplasma. El número preciso de protones translocados en cada sitio aún es tema de controversia.

Citocromo c

FIGI IRA 5- i ít. Citocromo oxidasa. El número preciso de subunidades en una molécula de citocromo oxidasa varía entre las especies, pero en los mamíferos puede ser hasta de 13. Se cree que la
proteína existe en la membrana mitocondrial en forma de un
dímero. Aquí se muestra la disposición de siete de los polipéptidos
de un solo monómero. Se piensa que el monómero contiene dos
copias diferentes de la subunidad VII localizadas en diferentes sitios.

Matriz
VI, 9 kD
IV, 17 kD

CAPITULO D • Respiración aerobia y

condrial, e incluye varios grupos hem y centros de hierro y
azufre.
Complejo IV (citocromo c-O2 oxidorreductasa o citocromo c oxidasa). El paso final del transporte de electrones
en la mitocondria es la transferencia de cuatro electrones del
riíocromo c (c. íí c) aJ oxígeno según la reacción
4cÍt

O2 + 4H+ -» 4cit

2H2O

catalizada por el complejo IV, un enorme ensamblamiento
de polipéptidos comúnmente denominado citocromo oxidasa. Además de reducir el 02, la citocromo oxidasa también
transloca protones a través de la membrana interna.
En la figura 5-18 se muestra un modelo de la molécula
de citocromo oxidasa. De los casi 13 polipéptidos que constituyen la enzima del mamífero, tres de ellos, las subunidades I, II y III, son los polipéptidos más grandes del complejo
y contienen todos los centros redox. Estas tres subunidades
son codificadas en el genoma mitocondrial. La citocromo
oxidasa de la cadena respiratoria de la mayor parte de las
bacterias aerobias sólo contiene tres subunidades. Como

sería de esperar, si la mitocondria evolucionó a partir i¿
bacterias, las tres subunidades codificadas por el DNA mitocondrial son homologas de las tres subunidades que constituyen toda la enzima de las células bacterianas.
Se ha estudiado de manera intensiva el mecanismo de
Iransterenáa áe electrones a tra vés del complejo IV. El principal desafío para los investigadores es explicar de qué manera los portadores que sólo son capaces de transferir electrones simples pueden reducir una molécula de O2 a dos
moléculas de Ü2O, proceso que requiere cuatro electrones.
Se cree que la reacción ocurre paso a paso, como se muestra
en la figura 5-19. Primero se transfieren electrones, uno cada
vez, del citocromo c a través de un ion cobre (CUA) de la
subunidad II al hem (hem o) de la subunidad I (fig. 5-19, a).
Desde ahí, los electrones pasan, uno cada vez, a un centro
redox (binuclear) localizado en la subunidad I que contiene
un segundo hem (hem «3) y a un segundo ion cobre (Cug)
situado a una distancia menor de 5Á. Una vez que el centro
en «3-CuB acepta su segundo electrón (paso 3, fig. 5-19, b),
una molécula de O2 se une al centro y acepta el par de elec-

+* Fe3'Cu1*

Fe3* Cu2*
1er. e~

2o. e-

2H20

2H

D

OH-Cu 2 *

<D
Fe 3 '-OH

05

-Cu"

4the

-Cu 2 *

Fe1*

o
(a)

(b)

FIGURA 5-19. Mecanismo de acción de la citocromo oxidasa. a) Modelo que muestra el flujo de electrones a través de cuatro centros redox
de la citocromo oxidasa. Se piensa que los electrones pasan uno cada vez desde el citocromo c al primer ion cobre (CUA) y luego al grupo hem
(Fea) del citocromo a, después al centro redox binuclear que consta de un segundo ion hierro (del grupo hem del citocromo 113) y un ion cobre
(Cus), b) Mecanismo propuesto para la reducción de O2 molecular para formar agua en el centro redox binuclear de la citocromo oxidasa, según
se describe en el texto. Cuatro electrones en total ingresan al complejo hem a^-Cu^, uno a la vez, desde el grupo hem del citocromo a. También se han propuesto otras vías para el flujo de electrones, (a: Según M.W. Calhoun, }.W. Thomas y R.B. Gennis, Trends Biochem. Sci. 19:327, 1994;
b: según un modelo propuesto pro G.T. Babcock y M. Wikstram en Nature 356:306, 1992; © 1992 por Mncmillan Magazines Ltd.)

190

CAPÍTULOS • Respiración aerobia y mitocondrías
Matriz

Citoplasma

Matriz

un análisis estructural de alta resolución de todo el complejo. De alguna manera, el paso de electrones a través de
las partes del complejo citocromo oxidasa induce cambios
de conformación como el ilustrado en la figura 5-20, que
causa que los protones se desplacen desde la matriz al interior del espacio intermembrana.
La transferencia de electrones del citocromo c al C>2 ocurre por un gran descenso del potencial redox (cuando monos
300 mV). Un descenso de cuatro electrones en este potencial
puede explicar la translocación de hasta seis H + a través de
la membrana, además de los cuatro protones derivados de la
matriz que se consumen en la conversión de Ü2 a agua. La
verdadera proporción tal vez se aproxime más a los cuatro
H + bombeados por molécula de Q-¿ reducida, pero aún es un
tema de considerable debate.2

5-4 Translocación de protones
y establecimiento de una fuerza
motriz de protones
H+
Citoplasma

FIGURA 5-20. Esquema de un modelo que muestra cómo puede
actuar la citocromo oxidasa como bomba de protones operada por el
potencial redox. En la figura 5-19, a, se mostró que los electrones
pasan del citocromo c a través de Cu^ al citocromo a. En el modelo
que aquí se muestra, la transferencia de un electrón al citocromo a se
acompaña de un protón que se une a un sitio sobre la enzima. Cuando
el electrón se transfiere del citocromo a al centro redox binuclear del
citocromo «3-CuB, hay un cambio de conformación que libera el protón en el otro lado de la membrana. Este movimiento de protones
ocurre en adición a los protones retirados de la matriz que se emplean
para reducir O2. (Según THE VITAL FORCÉ: A STUDY OF BIOENERGETICS por F.M. Harold. © 1986 por W.H. Freeman and Company.
Reimpreso con autorización.)

trones, formando un peroxianión O22~ (paso 5, fig. 5-19, b).
Para impedir su liberación, el ion peróxido reactivo se mantiene en su sitio como un puente entre los componentes con
carga positiva ¿13 y CUB. En el siguiente paso se transfiere un
tercer electrón al centro binuclear, que acepta un protón
procedente de la matriz y rompe el enlace covalente O-O
para reducir uno de los átomos O (paso 7, fig. 5-19, b). El
paso de un cuarto electrón y la entrada de tres protones
adicionales procedentes de la matriz (pasos 8-11, fig. 5-19, b)
conduce a la formación de dos moléculas de agua. Por cada
protón eliminado de la matriz queda detrás un exceso de
carga negativa (en forma de un OH~), y por lo tanto contribuye directamente al gradiente iónico a través de la membrana mitocondrial interna. Algunos venenos respiratorios potentes, incluyendo monóxido de carbono (CO), acida (Na")
y cianuro (CN~), producen su efecto tóxico por enlace al sitio catalítico de la citocromo oxidasa. (El monóxido de carbono también se enlaza al grupo hem de la hemoglobina.)
Además de actuar como agente reductor de Oí, la citocromo oxidasa es una bomba de protones. La determinación del mecanismo para la translocación de protones por
medio de la citocromo oxidasa, y de qué manera la transferencia de electrones realiza este proceso, todavía esperan

Ya hemos visto que la energía libre liberada en forma de
electrones pasa de NADH o de FADH2 al oxígeno molecular y se emplea para desplazar protones de la matriz al
espacio intermembrana. La translocación de protones a través de la membrana interna es electrógena (o sea, produce
voltaje), debido a que proviene de un mayor número de
cargas positivas en el espacio intermembrana y el citoplasma, y un mayor número de cargas negativas dentro de la
matriz. Por lo tanto, se deben considerar dos componentes
en el gradiente de protones. Uno es la diferencia de concentración entre los iones hidrógeno a un lado de la membrana
en comparación con el otro lado; éste es un gradiente de pH
(ApH). El otro componente es el voltaje (1/1) que resulta de la
separación de cargas a través de la membrana. Un gradiente con un componente de concentración (químico) y un componente eléctrico (voltaje) es un gradiente electroquímico (pág.
190). La energía presente en ambos componentes del gradiente electroquímico de protones se puede combinar y
expresar como fuerza motriz de protones (Ap), que se mide
en milivoltíos. Por lo tanto,

Ap = V - 2.3 RT/F ApH
Ya que 2.3 RT/F es igual a 59 mV a 25°C, la ecuación3 se
puede replantear como
2 Con el tiempo se dio gran importancia al número particular de
protones translocados por electrón transferido por molécula de oxígeno reducida a agua por molécula de ATP sintetizada. Estas diferentes proporciones son importantes para determinar el mecanismo preciso de síntesis de ATP, pero aún hay gran desacuerdo respecto de las
verdaderas cifras. Para no añadir complejidad innecesaria a un tema
de por sí complicado, tratamos de evitar el análisis de las diferentes
proporciones. Las estimaciones actuales sugieren que se translocan
casi 10 protones por cada par de electrones que viajan desde el NADH
al O2 y se utilizan tres protones en la síntesis de una molécula de ATP
por la ATP sintasa.
3 En otras palabras, una diferencia de pH de una unidad representa
una diferencia 10 veces mayor o menor en la concentración de H+ a
través de la membrana y equivale a una diferencia de potencial de 59
milivoltios, que es igual a una diferencia de energía libre de 1.37 kcal/
mol.

CAPITULO 5 • Respiración aerobia y initocondrias

191

del Ap está representada por el componente de voltaje y el
otro 20% por la diferencia de concentración de protones (cerca
de 0.5 cuando la diferencia de pH es de una unidad). Si la
fuerza motriz de protones fuera principalmente el gradiente
H+, todo el citoplasma sería muy ácido, propiedad que puede afectar la actividad de las enzimas citoplásmicas. La presencia de voltaje transmembrana se puede demostrar visualmente utilizando colorantes liposoíubles con carga positiva
que se distribuyen a través de la membrana en proporción al
potencial eléctrico (fig. 5-21).
Hace varios decenios se descubrió que ciertos agentes,
sobre todo 2,4-dinitrofenol (DNF), eran capaces de desacoplar el proceso de oxidación de la mucosa y la desfosforilación del ATP. Cuando se trata a células con DNF siguen
oxidando sustratos pero ya no generan ATP. El fármaco
actúa como desacoplador de la fosforilación oxidativa porque vuelve permeable la membrana mitocondrial a protones.
Para mantener una fuerza motriz de protones, la membrana
mitocondrial interna debe ser muy impermeable a protones.
En caso contrario, el gradiente establecido por,el transporte
de electrones se disipa de inmediato por la difusión de
protones de regreso al interior de la matriz.
Los experimentos que condujeron a aceptar la fuerza
motriz de protones como intermediario en la formación de
ATP se analizan en La vía experimental, al final del capítulo.

5-5 Mecanismo para la formación

de ATP
7)jm
FIGURA 5-21. Visualización de la fuerza motriz de protones.
Micrografía por fluorescencia de una célula cultivada y teñida con el
compuesto catiónico fluorescente JC-1. Cuando la célula está activa,
el voltaje generado a través de la membrana mitocondrial interna
(interior negativo) produce acumulación de la sustancia liposoluble
dentro de la miíocondria y provoca fluorescencia de los organelos.
Con potenciales de membrana altos, JC-1 forma agregados que cambian sus propiedades de fluorescencia. En el estado monomérico, el
colorante muestra fluorescencia verde, en tanto que en el estado agregado muestra fluorescencia de color rojo. Se observa que la célula
contiene organelos fluorescentes de color naranja y de color verde, lo
que sugiere la presencia de dos poblaciones diferentes de mitocondrias con distintos potenciales de membrana. (Cortesía de Lan Bo Chen.)

Ya vimos cómo el transporte de electrones genera un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana
mitocondrial interna; ahora podemos regresar al mecanismo molecular que utiliza la energía almacenada en este
gradiente para la fosforilación de ADP.

Ap = V - 59 ApH
donde ApH se expresa con valor negativo en tanto [H+] sea
mayor en el espacio intermembrana que en la matriz.
La contribución del potencial eléctrico a la fuerza motriz de protones en comparación con el gradiente de pH
depende de las propiedades de permeabilidad de la membrana interna. Por ejemplo, si durante el transporte de electrones el movimiento de protones hacia fuera se acompaña
de iones cloro con carga negativa, entonces el potencial
eléctrico (i/;) se reduce sin afectar el gradiente de protones
(ApH). Mediciones efectuadas en diferentes laboratorios
fpág. 200) sugieren que una mitocondria que respira activamente genera una fuerza motriz de protones de unos 220
mV a través de su membrana interna. Se estima que en la
mitocondria de mamíferos cerca de 80% de la energía libre

10 nm

KIGURA 5-22. Mecanismo de la síntesis de ATP. Micrografía
electrónica de una pequeña porción de la mitocondria del corazón de
ternera secada al aire y teñida en negativo. Con una amplificación
aproximada de medio millón, se observan partículas esféricas unidas
por un pequeño tallo a la superficie de las crestas de la membrana
interna. (Según Humberto Fcrnandez-Moran y cois. J. Cell Bíol. 22.71,
1974, con permiso de Rockefeller University Press.)

192


A principios del decenio de 1970, Humberto FernándezMorán, del Hospital General de Massachussetts, estaba examinando mitocondrias aisladas por medio de la técnica recién desarrollada de tinción negativa, y descubrió una capa
de esferas unidas al lado interno (lado de la matriz) de la
membrana interna que se proyectaban desde la membrana
y se unían a la misma por medio de tallos (fig. 5-22). Pocos
años después, Efraim Racker, de la Universidad Cornell,
aisló las esferas de la membrana externa, a las cuales llamó
factor 1 de acoplamiento, o simplemente FI. Racker descubrió que las esferas FI se comportaban como una enzima
que hidroliza ATP, o sea una ATPasa. A primera vista este
parece ser un hallazgo muy peculiar. ¿Por qué la mitocondria
debe poseer una enzima para hidrolizar a la sustancia que
se supone produce? Cuando se considera que la hidrólisis
del ATP es la reacción inversa de su síntesis, puede ser más
evidente la función de la esfera FI; ésta contiene el sitio
catalítico en el cual ocurre normalmente la formación de
ATP. Recordemos que
1. Las enzimas no afectan la constante de equilibrio de la
reacción que catalizan.
2. Las enzimas pueden catalizar las reacciones en ambas
direcciones.
Por consiguiente, la dirección de una reacción catalizada
por enzimas depende en todo momento de las condiciones
prevalecientes. Esto se demostró elegantemente en experimentos con otras ATPasas, como la ATPasa de Na + -K + de
la membrana plasmática (pág. 149). Cuando se estudió esta
enzima en el capítulo 4, se describió como una enzima que
aprovecha la energía obtenida en la hidrólisis del ATP para
exportar Na + e importar K + contra sus respectivos gradientes. Esta es la única función de la enzima en la célula. Sin
embargo, en condiciones experimentales esta enzima puede catalizar la formación de ATP en vez de su hidrólisis (fig.
5-23). Para lograr dichas condiciones se prepararon fantasmas de eritrocitos (pág. 139) con concentración interna de
K + y concentración externa de Na + muy elevadas, más altas
de las que normalmente existen en la célula. En estas
condiciones, el K + sale de la "célula" y el Na+ entra a la
misma. Ambos iones se mueven siguiendo sus respectivos
gradientes y no en contra de los mismos, como ocurre normalmente en una célula viviente. Si dentro del fantasma
hay ADP y P¡, el movimiento de los iones produce síntesis
de ATP en vez de hidrólisis. Experimentos como éste ilustran lo que sería de esperar con base en la reversibilidad
teórica de las reacciones catalizadas por enzimas. También
ilustran cómo se puede utilizar un gradiente iónico para
efectuar una reacción en la cual se fosforila ADP para formar ATP, que es precisamente lo que ocurre en la mitocondria. La fuerza empleada es la fuerza motriz de protones establecida por el transporte de electrones.

Estructura de la ATP sintasa
La esfera FI es la porción catalítica de la enzima que sintetiza
ATP en la mitocondria, pero ésta no es la historia completa.
La enzima sintetizadora de ATP (fig. 5-24), denominada

ATPasa de Na+-K+

FIGURA 5-23. Experimento para efectuar la síntesis de ATP en
vesículas de membrana reconstituidas con ATPasa de Na+-K+. Al
ocasionar en estas vesículas una concentración interna muy elevada
de K + y una concentración externa muy elevada de Na + , la reacción
tiene lugar en dirección opuesta a la que sigue en su curso normal
dentro de la membrana plasmática. En este proceso se forma ATP a
partir de ADP y P¡. El tamaño de las letras indica la dirección de los
gradientes de concentración.

ATP-sintasa (o complejo V), se compone de dos elementos
principales: la pieza cabeza FI y una sección basal, llamada
FQ, integrada a la membrana interna. Las dos porciones están conectadas por un estrecho tallo. Se estima que una
mitocondria típica de hígado de mamífero posee regularmente 15 000 copias de ATP-sintasa. En la membrana plasmática de bacterias aerobias, la membrana tilacoides de
células vegetales y la membrana interna de las mitocondrias se observan versiones homologas de la ATP-sintasa.
Puesto que la ATP-sintasa de la bacteria E. coli es la mejor
caracterizada, emplearemos esta versión particular como
centro del siguiente análisis.
La pieza cabeza FI tiene un peso molecular de casi
360 000 daltons y contiene cinco polipéptidos diferentes (fig.
5-24). En la enzima mitocondrial, los polipéptidos homólogos son codificados por el DNA nuclear, sintetizados en el
citoplasma e importados después de la traducción. La porción FQ de la ATP-sintasa bacteriana consta de tres polipéptidos diferentes y se cree que uno de ellos (el polipéptido b)
se proyecta afuera de la membrana para formar el tallo. En
células de mamífero, los homólogos mitocondriales de estos tres polipéptidos son codificados por DNA mitocondrial, en tanto que varios polipéptidos adicionales no presentes en la enzima bacteriana son codificados por DNA
nuclear. En las mitocondrias, la pieza basal Foestá integrada a la membrana mitocondrial interna y forma un canal a
través del cual se conducen protones desde el espacio intermembrana al interior de la pieza cabeza FI.
La presencia de un canal en la pieza basal FO puede
apreciarse mejor en experimentos donde la membrana mitocondrial interna se fragmenta y forma vesículas membranosas llamadas partículas submitocondriales (fig. 5-25). Las partículas submitocondriales intactas pueden oxidar sustratos,
generar un gradiente de protones y sintetizar ATP. Sin embargo, si se eliminan las esferas FI de las partículas mediante


193

FIGURA 5-24. Estructura de la ATP sintasa. a) Micrografía electrónica de la enzima aislada, b) Esquema de la ATP sintasa. La enzima consta de dos porciones principales: la pieza
cabeza FI, que consta de cinco subunidades diferentes en proporción 3a:3/?:l<5:ly:l.e y la pieza basal FO, la cual se integra a la membrana y consta de tres subunidades diferentes en la
relación la:2b:12c. Las subunidades b de FO se extienden hacia adentro de la pieza cefálica para
formar un tallo, (a: Según J.W. Soper, G.L. Decker y P.L. Pederson, J. Biol. Chem. 254:11173, 1979.)

tratamiento con urea, la membrana de la vesícula ya no puede
mantener un gradiente de protones a pesar de que continúa
oxidando sustrato y transportando electrones. Los protones
translocados a través de la membrana simplemente retornan a través de la ATP-sintasa "decapitada" y la energía se
disipa.

Mecanismo de la formación de ATP
En la actualidad hay acuerdo prácticamente unánime acerca
de que el movimiento de electrones a lo largo de la cadena
respiratoria produce un gradiente de protones, y que el
movimiento de protones que cruzan de regreso la membrana a través de la ATP-sintasa actúa para conducir a la formación de ATP. El mecanismo para que esto ocurra es menos
claro. Una hipótesis formulada por Paul Boyer y sus colegas, de la UCLA, continúa ganando aceptación. En la hipótesis de Boyer, el movimiento de protones a favor de un
gradiente electroquímico a través de los canales en la base FO
y en la cabeza FI induce cambios de conformación que alteran la afinidad de la proteína para ADP, P¡ y ATP. Consideremos con mayor atención esta hipótesis.
De ordinario se piensa en reacciones celulares que ocurren en un medio acuoso en el cual la concentración de agua
es 55 M, y los reactantes y productos simplemente están
disueltos en el medio. En estas condiciones se requiere energía para formar enlaces covalentes que unan el ADP con
fosfato inorgánico para formar ATP. Sin embargo, se ha
demostrado que una vez que ADP y P¡ se unen firmemente
en el sitio catalítico de la ATP-sintasa, los dos reactantes

enlazados se condensan con facilidad para formar una molécula de ATP enlazada sin ingreso de energía adicional. En
otras palabras, aunque la reacción
ADP soluble + P¡ soluble -> ATP soluble + H2O
puede requerir el ingreso de una cantidad considerable de
energía (7.3 kcal/mol en condiciones estándar), la reacción
enzima-ADP enlazado + enzima-Pi enlazado ->
enzima-ATP enlazado + H2O
posee una constante de equilibrio cercana a 1 (AG° = 0), y
por lo tanto puede ocurrir espontáneamente sin el ingreso
de energía (pág. 83). Esto no significa que se pueda sintetizar ATP a partir de ADP sin consumir energía; más bien
indica que la energía se requiere para enlazar los sustratos
al sitio activo, para liberar el producto del sitio activo o para
ambos procesos, y no para la fosforilación en sí. Se cree que
este proceso ocurre de la siguiente manera.
Según la hipótesis de Boyer de "cambio de enlace", cada
pieza cabeza FI contiene tres sitios catalíticos (uno por cada subunidad fi} que varían progresivamente a través de
tres diferentes conformaciones, según se refleja en su afinidad por nucleótidos. Estas tres conformaciones pueden describirse corno la conformación "apretada" o T, en la cual los
nucleótidos (ADP + P¡ o ATP) están firmemente unidos; la
conformación "laxa" o L, en la cual ADP y P¡ están laxamente
unidos; y la conformación "abierta" u O, la cual debido a su
muy escasa afinidad por nucleótidos se considera que está
vacía. Estos tres sitios se ilustran en el diagrama de la figura
5-26. Los pasos descritos en seguida se refieren a hechos que
ocurren en el sitio catalítico, coloreado en rojo en esa figura.

194

Membrana externa
Los sustratos se oxidan
pero no se forma ATP

Los sustratos se
oxidan y se forma ATP
ATP-

Matriz

Vesícula de
membrana interna
Membrana interna

Vesícula de
la membrana

Partículas F

Líneas de desdoblamiento
durante la sonicación
Mitocondria

50 nm

FIGURA 5-25. Formación de ATP en experimentos con partículas submitocondriales. a) Micrografía
electrónica de partículas submitocondriales que son fragmentos de la membrana mitocondrial interna
convertidas en vesículas cerradas y con las esferas F] proyectándose hacia afuera en el centro, b) Esquema
de un experimento que muestra que las partículas submitocondriales intactas son capaces de oxidar el
sustrato y sintetizar ATP, en tanto que las partículas "decapitadas" son capaces de oxidar sustrato pero
incapaces de formar ATP. (a: Cortesía de Efraim Racker.)

En e) paso 1 de la figura 5-26, ADP y PÍ se enlazan
laxamente al sitio catalítico en la conformación L. A continuación los protones se enlazan a la enzima en los sitios
alostéricos que enfrentan el espacio intermembrana donde
la concentración de H + es alta. Una vez enlazados, los protones inducen cambios de conformación que aumentan
la afinidad del sitio catalítico para ADP y PÍ, provocando
que estos reactantes se unan con mucho mayor firmeza a la
enzima (esto se indica con los sustratos unidos a la conformación T en el paso 2 de la figura 5-26). A continuación los
reactantes se condensan en forma espontánea para formar
ATP, que permanece fuertemente enlazado al sitio activo en
la conformación T (paso 3, fig. 5-26). En seguida, la enzima

ADP

Los protones
se enlazan a
las enzimas

sufre un cambio de conformación que expone el sitio alostérico de enlace a protones al lado de la membrana correspondiente a la matriz, donde la concentración de H + es baja. La
disociación de los protones de la enzima en la matriz cambia
la conformación del sitio catalítico, disminuye su afinidad
por el ATP enlazado y se libera el producto dentro de la
matriz (paso 4, fig. 5-26). La reacción total neta llevaría a
la síntesis de ATP a expensas de los protones que se mueven siguiendo su gradiente desde el espacio intermembrana hacia la matriz.
Se cree que los cambios de conformación del sitio activo se acompañan de la rotación de la pieza cabeza FI en
relación con su tallo, llevando los sitios catalíticos a posi-

Formación
espontánea
de ATP

Liberación de
los protones
de la matriz

ATP

O

FIGURA 5-26. Hipótesis de "cambio de enlace" como mecanismo por el cual el gradiente de protones efectúa la síntesis de ATP. Los pasos
numerados se refieren a la secuencia de acontecimientos que ocurren en la subunidad de color rojo, según se describe en el texto. Lo más
importante es que el enlace de protones a la enzima en el lado citoplásmico de la membrana provoca un cambio de conformación (desde el paso
1 hasta el 2), que da como resultado el eniace firme de ADP y de P¡ en el sitio catalítico de la enzima. A continuación, la formación de ATP ocurre
de manera espontánea. La liberación subsecuente de protones al interior de !a matriz causa un segundo cambio de conformación (pasos 3 a 4)
que libera el ATP recién formado.


Citoplasma

ministró fuerte apoyo a la hipótesis de cambio de enlace
así como a la proposición de que la pieza cabeza gira sobre
su tallo.

rp
ADR3"

195

^7 ATP4-

Otras funciones para la fuerza motriz
de protones además de la síntesis de ATP

Matriz
FIGURA 5-27. Empleo de la fuerza motriz de protones para desplazar ADP al interior de la matriz y ATP al espacio intermembrana
(y por lo tanto citoplásmico).

clones sucesivas para interactuar con los protones que vienen a través del canal FQ. Un trabajo publicado en 1994 acerca de la estructura atómica de la porción mayor de la pieza
cabeza FI de las mitocondrias del corazón de ternera su-

C02

FIGURA 5-28. Resumen de las principales actividades que ocurren durante la respiración aerobia en una mitocondria.

Aunque la actividad más importante de las mitocondrias
puede ser la producción de ATP, estos organelós participan
en muchas otras actividades que requieren ingreso de energía. A diferencia de la mayor parte de los organelós que
dependen principalmente de la hidrólisis de ATP para obtener la energía necesaria en sus actividades, las mitocondrias
dependen de una reserva alterna de energía: la fuerza motriz de los protones. Por ejemplo, una investigación de los
transportadores situados entre la membrana mitocondrial
interna revela varios ejemplos en los cuales el movimiento
de solutos es gobernado por la energía libre almacenada en
el gradiente iónico a través de esta membrana "energizada".
Un punto de discusión es la ADP-ATP tmnslocasa que transporta ADP al interior de la matriz, donde sirve como reactante para la síntesis de ATP, intercambiándolo por ATP, el
cual se desplaza hacía afuera de las mitocondrias. Las moléculas de ATP llevan una carga negativa extra en comparación con sus contrapartes ADP (ATP4" en comparación con

C4

7
I

Ciclo del ácido
tricarboxíüco
*^o pirúvico

Espacio .,
intermembrana

c4

196

CAPÍTULO 5 • Respiración aerobia y mitocondrias

FIGURA 5.29. Importación de proteínas al interior de una mitocondria. a) Micrografía electrónica c!e una mitocondria que importa proteínas precursoras mitocondriales in vitro. Los sitios por donde penetran las
proteínas se revelan marcando las proteínas con partículas de oro visibles
al microscopio electrónico. Las partículas se localizan en sitios donde las
membranas interna y externa están en contacto, b) Pasos propuestos seguidos por una proteína importada al interior de la matriz mitocondrial.
El polipéptido se dirige a la mitocondria gracias a la secuencia orientadora en el N-terminal, que finalmente es eliminado en la matriz. Hsp70
y mHsp70 son chaperones moleculares. El Hsp70 citoplásmico facilita el
desplegamiento del polipéptido antes de penetrar a la mitocondria, en
tanto que el mHsp70 mantiene la proteína importada en un estado de
plegamíento laxo dentro de la matriz antes de transferirla al chaperón
HspóO donde ocurre el plegamiento. Hsp60 es una cámara de doble capa
cuya estructura y función son similares al GroEL bacteriano descrito en
la página 74. (a: Según Martin Schwaiger, Volker Herzog y Walter Neupert,
J. Cell Biol. 105:243, 1987; con permiso de Rockefellcr Uniuersity Press.)

(a)

Secuencia
orientadora
1. Precursor de
proteína desplegada
•náir

^^

ATP

Precursor de ">"*"
proíeína
{
mitocondriaL

ADP + P¡

2. La proteína desplegada se
enlaza al receptor y pasa
a través de ambas membranas

Proteína
madura

Hsp60
ADP + P; ATP

4. La secuencia de orientación
es eliminada

1

3. La proteína
se pliega y se
ensambla

3,

Proteína parcialmente
plegada

(b)


ADP3 ). Debido a esta carga negativa adicional, se cree que
el potencial eléctrico a través de la membrana interna (lado
exterior positivo) (fig. 5-27) "tira" de las moléculas de ATP
hacia afuera de la matriz. Un transportador separado de la
membrana interna capta el fosfato junto con un protón y
suministra la energía para la reacción. Así pues, la fuerza
motriz de protones no sólo se emplea para la formación de
ATP, sino también para exportar el producto nucleótido
fuera de la mitocondria e importar ¡os reactantes al interior
de la matriz. Estas diferentes actividades se resumen en la
figura 5-28; la mayor parte de ellas se relacionan de manera
directa o indirecta con la síntesis de ATP.
En otros ejemplos, la fuerza motriz de protones se puede utilizar como fuente de energía para "tirar" de los iones
calcio hacia el interior de la mitocondria; para iniciar la reacción transhidrogenasa que produce NADPH, que constituye el poder reductor de la célula (pág. 104); y para obligar a
poiipéptidos específicos a penetrar a la mitocondria procedentes de la matriz (esto se analiza posteriormente).

5-6 Importación de las proteínas
mitocondriales
Muchas de las proteínas de la mitocondria se distinguen
por estar ensambladas a partir de poiipéptidos sintetizados
en regiones totalmente diferentes de la célula, característica
que confiere especial interés al estudio de la biogénesis mitocondrial. Los poiipéptidos codificados por el genorna mitocondrial y sintetizados en la matriz de la mitocondria son
introducidos a la membrana mitocondrial interna como parte
de proteínas integrales de la membrana (fig. 5-17). Los restantes poiipéptidos de la mitocondria son codificados por el
genoma nuclear y sintetizados en el citoplasma. ¿Cómo puede este último grupo de poiipéptidos encontrar su camino
dentro de las diferentes partes de la mitocondria? La vía
mejor estudiada conduce del citoplasma a la matriz, el compartimiento mitocondrial más interno.
Los poiipéptidos importados a la matriz contienen un
segmento de 20 a 70 aminoácidos adicionales a su N-termi~
nal que dirige la molécula hacia la matriz. Esta secuencia
orientadora contiene algunos aminoácidos hidroxilados con
carga positiva que son la señal reconocida y enlazada por un
complejo receptor en la superficie externa mitocondrial. La
translocación del polipéptido desde el citoplasma al interior
de la matriz mitocondrial ocurre en sitios donde las membranas mitocondriales externa e interna forman contactos
especializados (fig. 5-29, a). El movimiento a través de la
membrana interna es gobernado por el potencial eléctrico a
través de la membrana que actúa sobre la secuencia orientadora con carga positiva; cuando se disipa el potencial añadiendo un desacoplador, la translocación se interrumpe y el
polipéptido permanece "atrapado" dentro de la membrana.
La evidencia indica que aunque una proteína mitocondrial puede sufrir plegamiento en el citoplasma, se desdobla como resultado de su asociación a un chaperón citoplásmico denominado Hsp70 (fig. 5-29, b). (El papel de los
chaperones se analiza en la página 71.) La proteína desdoblada es liberada al receptor mitocondrial y entonces pasa a
través de un poro situado en la membrana mitocondrial en

197

su estado extendido, desplegado. Una vez dentro de la matriz, el segmento orientador N-terminal es eliminado por
una proteasa y el polipéptido ínteractúa con nuevos chaperones moleculares (fig. 5-29, b) que facilitan el plegamiento
y ensamblado final.
La ruta que siguen las proteínas destinadas a la membrana interna y al espacio intermembrana está menos bien
definida. Algunos poiipéptidos aparentemente penetran a
la matriz por la vía ya mencionada y luego son exportados
de la matriz hacia la membrana interna o la atraviesan por
completo hacia el interior del espacio intermembrana. Otras
pueden pasar del citoplasma, a través de la membrana externa, y dirigirse a su destino final. Como se hizo notar
antes, varias proteínas de la membrana interna deben ensamblarse a partir de poiipéptidos sintetizados en la mitocondria y el citoplasma. Los poiipéptidos sintetizados en la
matriz mitocondrial tal vez sean elaborados por un mecanismo similar al que opera en el retículo endoplásmico rugoso (pág. 287). Los ribosomas mitocondriales se unen a la
superficie interna de la membrana interna y el polipéptido
naciente se transloca al interior de la membrana conforme
se sintetiza (o sea, cotranslación).

5-7 Peroxisomas
En 1954, el examen con microscopio electrónico de las células de los túbulos renales reveló una partícula con apariencia granular densa de 0.5 a 1.0/im de diámetro, aproximadamente, enlazada a la membrana. Nada se sabía acerca de la
función de esta estructura y se le denominó microcorpúsculo.
Posteriormente se encontraron organelos similares en varias
células eucariotas. Conforme se conoció más acerca de su
función se le dividió en dos tipos principales: peroxisomas,
presentes tanto en plantas como en animales, y glioxisomas,
que sólo se observan en las plantas. Los microcorpúsculos se
consideran en el presente capítulo debido a que comparten
dos propiedades con las mitocondrias: participan en el metabolismo oxidativo e importan sus proteínas después de
ser traducidas.
Los peroxisomas son vesículas simples rodeadas por
una membrana (fig. 5-30, a) y con frecuencia contienen un
núcleo cristalino denso consistente en una enzima oxidativa (fig. 6-25). Los peroxisomas son "fábricas" metabólicas
muy versátiles, con enzimas que participan en actividades
tan diversas como oxidación de ácidos grasos de cadena
muy larga (AGCML, una de cuyas cadenas contiene más
de 18 carbonos); síntesis hepática de colesterol y ácidos biliares; y síntesis de plasmalógenos, un tipo importante de
fosfolípidos del tejido cerebral, en los cuales un ácido graso se une al glicerol mediante una unión éter en vez de una
unión éster. La enzima luciferasa, que genera la luz emitida por las luciérnagas, también es una enzima peroxisómica.
Estos organelos se denominaron "peroxisomas" debido
a que se encuentran en los sitios donde se forma peróxido de
hidrógeno (H2C>2), un agente oxidante tóxico y muy reactivo. El peróxido de hidrógeno se sintetiza por acción de varias enzimas, incluyendo urato oxidasa, glucolato oxidasa y
aminoácido oxidasas, que utilizan el oxígeno molecular para

198


2H2^2
?0
RH;

Oxidasa

H2u2
?0

Catalasa

2H,0

(b)

FIGURA 5-30. Estructura y función de los peroxisomas. a) Micrografía electrónica de peroxisomas purificados, aislados por centrifugación a
través de un gradiente de densidad
de sacarosa, b) Los peroxisomas contienen enzimas que efectúan la reducción del oxígeno molecular en dos
pasos para formar agua. En el primer
paso, una oxidasa elimina electrones
de varios sustratos (RH2), como ácido
úrico o aminoácidos. En el segundo
paso, la enzima catalasa convierte en
agua el peróxido de hidrógeno formado en el primer paso, (a: Según Y.
Fujiki y cois., ]. Cell Biol. 93:305, 1982;
con permiso de Rockefeller University
Press.)

0.5 fim


Acoplamiento de oxidación a fosforilación
El vínculo entre oxidación y fosforilación fue propuesto por
primera vez por el bioquímico ruso Vladimir Engelhardt, en
1932, quien observó que las células colocadas en condiciones
anaerobias rápidamente agotan sus reservas de ATP. Cuando
se restablecen las condiciones aerobias, el ATP se resintetiza
con rapidez.1 El acoplamiento de dos procesos biológicos básicos; la oxidación de sustratos y la fosforilación de ADP, se
convirtió en una de las áreas más importantes y debatidas de
la investigación en biología celular. Una de las preguntas básicas que debe responderse es de qué manera se almacena la
energía liberada a lo largo de la cadena respiratoria como consecuencia del movimiento de electrones, de modo que pueda
aprovecharse para la síntesis de ATP.
La primera hipótesis importante para explicar el acoplamiento de fosforilación a oxidación se basó en la experiencia
obtenida de investigaciones acerca de reacciones acopladas a
energía. En 1953, E.C. Slater propuso que la energía liberada
por el transporte de electrones queda atrapada en un intermediario químico de alta energía, el cual subsecuentemente se
emplea en una reacción para formar ATP.2 En la figura 3-27
se hizo notar que numerosos compuestos biológicos tienen
potencial elevado para transferir fosfatos en comparación con
ATP. Cualquier compuesto de este tipo puede servir para almacenar energía que subsecuentemente se utilice en ía síntesis
de ATP transfiriendo un fosfato al ADP. Esta es la esencia de
la fosforilación a nivel sustrato {pág. 102). La búsqueda del

intermediario químico de alta energía en la fosforilación oxidativa ocupó la actividad de un gran número de laboratorios
cuando menos durante 10 años, pero no se descubrió dicho
compuesto.
En 1961, Peter Mitchell, de la Universidad de Edinburgo,
propuso un mecanismo radicalmente diferente para explicar
el acoplamiento de oxidación a fosforilación, al cual denominó
quimiosmosis. Casi todos los primeros investigadores en el
campo de la bioenergética eran bioquímicos acostumbrados a
estudiar las reacciones que ocurren en un medio soluble, sea
en el tubo de ensaye o en la fase líquida de la célula. Pero se
había demostrado que la fosforilación oxidativa estaba íntimamente relacionada con membranas celulares, ya fuese la membrana interna de la mitocondria o la membrana plasmática de
bacterias aerobias. Mitchell pensó que la estructura de la membrana debía ser un factor clave en cualquier hipótesis para
explicar la fosforilación oxidativa. Las primeras investigaciones de Mitchell acerca del transporte de membrana lo llevaron
a apreciar el hecho de que las sustancias (electrones, iones,
azúcares u otros compuestos) se desplazaban en una dirección
específica (vectoríalmente) de un lado de la membrana hacia el
otro. Algunos de los primeros trabajos de Mitchell que lo llevaron a considerar movimientos vectoriales como clave de la
fosforilación oxidativa fueron revisados por R.N. Robertson.3
En la teoría de la quimiosmosis, Mitchell propuso que el
movimiento de los electrones a lo largo de la cadena respirato-


199

oxidar sus respectivos sustratos (fig. 5-30, b). El HjOz generado en estas reacciones rápidamente se descompone por
acción de la enzima catalasa, presente en elevada concentración en estos organelos. Igual que en la mitocondria, las
proteínas encontradas entre los peroxisomas se sintetizan
en el citoplasma y luego son importados al organelo después de su traducción.
El otro tipo principal de microcorpúsculos, los glioxisomas, contienen algunas de las mismas enzimas encontradas
en los peroxisomas (como catalasa y enzimas para la oxidación de ácidos grasos), pero además contienen otras enzimas. Los glioxisomas son más prominentes en las plantas
de semilla, que dependen de los ácidos grasos almacenados
para obtener energía y materiales para iniciar la formación
de una nueva planta (fig. 5-31). Una de las actividades metabólicas primarías en estas semillas germinantes es convertir
los ácidos grasos almacenados en carbohidratos (gluconeogénesis). El desdoblamiento de los ácidos grasos almacenados genera acetil-CoA, que puede condensarse con oxalacetato para formar citrato, el cual a su vez puede convertirse
en glucosa mediante una serie de enzimas localizadas en el
glioxisoma.

FIGURA 5-31. Localización del glioxisoma en semillas de planta.
Micrografía de luz de una sección a través de los cotiledones de semillas de algodón embebidas. Los glioxisomas, que se observan como
pequeñas estructuras oscuras (flecha), son visibles gracias a un procedimiento citoquímico que tiñe la enzima catalasa. (Según Kent D.
Chapman y Richard N. Trelease, J. Cell Biol. 115:998, 1991; con permiso
de Rockefeller University Press.)

ria da como resultado la translocación de protones de un lado
de la membrana rnitocondrial interna al otro.4'5 Mitchell llegó
a esta conclusión luego de considerar la naturaleza de los portadores de electrones (pág. 184). La cadena respiratoria está
constituida por dos tipos de portadores: unos que aceptan
protones y electrones y otros que sólo pueden aceptar electrones. En la hipótesis quimiosmótica, Mitchell recalcó la importancia de la disposición espacial de los diferentes portadores
entre la membrana transductora de energía. Sugirió que los
portadores que se enlazan a protones y electrones (corno las
flavoproteínas) podrían estar en el lado interno de la membra-

na rnitocondrial de modo que pudieran eliminar protones de
la matriz. Para liberar estos protones en el otro lado, deben
pasar electrones a los portadores del lado externo de la membrana que no aceptan protones (como los citocromos). Dada la
organización apropiada de los portadores dentro de la membrana, se pueden pasar electrones a todo lo largo de la cadena
hasta llegar al oxígeno, en tanto que los protones simplemente
serían cambiados a través de la membrana en una sola dirección. El paso de un electrón desde un portador del lado interno a uno del lado externo y su regreso al lado interno constituye una asa redox (fig. VE 5-2, a). Inicialmente, la hipótesis

Matriz
NADH

NAD+

2H+

2H+

l/202 + 2H+

H20
FIGURA VE 5-1. Modelo que muestra las tres asas
redox propuestas por Mitchell antes de 1970. En cada asa,
un portador que transloca átomos de hidrógeno capta un
par de protones en la superficie de la matriz. Cuando el
portador del átomo de hidrógeno pasa su carga a un portador que sólo acepta electrones (p. ej., citocromos y proteínas Fe-S), los protones se descargan en el espacio intermembrana (y el citoplasma). Por consiguiente, cada asa
transloca dos protones desde la matriz al interior del espacio intermembrana. Z es un portador hipotético de hidrógeno propuesto para mover protones, el cual permitiría que
la citocromo oxidasa quedara como brazo transportador de
electrones de la tercera asa redox. (Según THE VITAL FORCÉ: A STUDY OF BIOENERGETICS por KM. Harold. ©
1986 por W.H. Freeman and Company. Reimpreso con autorización.)

2H+

2H+

Citoplasma

200

CAPITULO 5 • Respiración aerobia y mitocondrías

1. La oxidación del sustrato y el subsecuente transporte de
electrones debe acompañarse de la liberación de protones.
2. Los portadores de electrones deben disponerse dentro de la
membrana interna para formar asas redox que capten protones en un lado de la membrana y los liberen en el otro
lado.
3. La membrana mitocondrial interna debe ser .muy impermeable a protones. Además, agentes desacopladores, como
el dinitrofenol, pueden actuar haciendo la membrana más
permeable a protones, suprimiendo el gradiente electroquímico y por lo tanto suprimiendo la capacidad de los organelos para generar ATP.
4. Las mitocondrias que respiran activamente deben mostrar,
a través de su membrana interna, un gradiente cuantificable de protones, un potencial eléctrico, o ambas cosas.
5. La presencia de un gradiente electroquímico de protones a
través de la membrana mitocondrial interna suministra la
energía requerida para la fosforilación del ADP.

(a)

AH2 + B
Bomba
con canal

ÍW
FIGT'RA VE 5-2. Modelos de asa (a) y de bomba (b) para translocación de protones. (Según Y. Kagawa, Biochim. Biop. Acta 505:76,
1978.)

quimiosmótica predijo la existencia de tres de tales asas, como
se muestra en la figura VE 5-1. En la primera asa, por ejemplo,
FMNÜ2 porta un par de átomos de hidrógeno; los electrones
serían transferidos a una proteína de hierro y azufre, en tanto
que los protones se descartan en el lado externo de la membrana (citoplásmico).
Según la hipótesis quimiosmótica, el moviminto de protones a través de la membrana conduce al establecmiento de un
gradiente electroquímico que representa el enlace de un intermediario de alta energía, procedente de la oxidación del sustrato, con la fosforilación del ADP. Para mantener el gradiente,
Mitcheíl propuso que la membrana mitocondrial interna era
bastante impermeable a protones y también a otras especies
iónicas. Al mismo tiempo, reconoció que, según los tipos de
sistema de transporte dentro de la membrana, la translocación
de protones podría establecer un gradiente de pH, un gradiente eléctrico, o una combinación de ambos (pág. 190).
Una buena hipótesis debe hacer predicciones específicas
que puedan probarse en forma experimental. La hipótesis
quimiosmótica hizo algunas predicciones que estimularon un
notable esfuerzo de investigación en el campo de la bioenergética. Entre las predicciones de la hipótesis quimiosmótica se
incluyen las siguientes:

Consideremos brevemente algunos de los experimentos efectuados que apoyaron o refutaron estas predicciones.
A mediados del decenio de 1960, una serie de experimentos efectuados por Mitcheíl y Jennifer Moyíe utilizando varios
tipos de técnicas de titulación demostraron que la oxidación
del sustrato por mitocondrias aisladas de hígado de rata se
acompañaba de la expulsión de protones.6'7 En estos experimentos, las mitocondrias aisladas de hígado de rata se mantuvieron en condiciones anaerobias, lo cual desenergiza la
membrana mitocondrial. Cuando se inyectó la suspensión de
mitocondrias mediante un pulso breve de solución salina saturada de C>2, Mitcheíl y Moyle pudieron descubrir acidificación
del medio. Cuando los electrones se suministraron por el sustrato /3-hidroxibutirato, que introduce electrones a la cadena
respiratoria por la vía NADH, los cálculos de titulación sugirieron que se liberaban seis H + en el medio por cada átomo de
O reducido por un par de electrones. Cuando se empleó
succinato como sustrato, el cual transfiere electrones a FAD,
sólo se generaron cuatro H+/O. La adición de dinitrofenoi a la
preparación mitocondrial inhibió la acidificación del medio.
La hipótesis quimiostática original predijo que los electrones transportados del NADH al C>2 atraviesan tres asas redox,
en tanto que los transportados de FADH2 atraviesan dos asas
redox (fig. VE 5-1). Puesto que cada asa redox debe translocar
dos protones por cada par de electrones transportados, los
datos obtenidos por Mitcheíl y .Moyle para la expulsión de
protones se interpretaron como apoyo de la hipótesis. Otros
laboratorios efectuaron experimentos similares utilizando diferentes técnicas para medir ¡a concentración de protones y
con frecuencia obtuvieron cifras diferentes, desencadenando
una gran controversia acerca de la existencia de las asas redox
translocadoras de protones.
Mitcheíl y Moyle efectuaron experimentos subsecuentes
para medir hasta qué grado el gradiente electroquímico de
protones estaba representado por el gradiente de protones en
comparación con la diferencia de potencial eléctrico.8 La estimación de la diferencia de potencial a través de la membrana
se efectuó midiendo la distribución de iones potasio a través
de la membrana mitocondrial en presencia de valinomicina,


un compuesto que deja la membrana libremente permeable a
iones K + . Cuanto mayor sea el voltaje a través de la membrana
(interior negativo), mayor el número de iones K + que fluye al
interior de la matriz como respuesta a la separación de carga
antes de alcanzar el equilibrio. La diferencia de pH a través de
la membrana mitocondrial se estimó a partir de la potencia
amortiguadora de los compartimientos mitocondriales interno y externo, y a partir del cambio de pH del medio que ocurrió cuando se destruyó la membrana mitocondrial con detergente. Empleando estas técnicas, Mitchell y Moyle estimaron que la fuerza motriz total de protones era de casi 230 mV,
y que el principal componente estaba representado por el potencial eléctrico. Estos valores aproximados fueron confirmados repetidamente.
Aunque Mitchell continuó apoyando la existencia de asas
redox dentro de la cadena respiratoria,9-10 el consenso cambió
a bombas de protones como mecanismo primario para la formación de un gradiente electroquímico de protones. A diferencia
del asa redox, que requiere alternancia de transportadores de
protones y de transportadores de no protones dentro de la
membrana, una bomba de protones sólo requiere la presencia
de una proteína que pueda mover protones a través de la
membrana en respuesta al flujo de electrones. Las bombas de
protones son como los otros tipos de transportadores de iones
(sección 4-5) capaces de translocar iones como resultado de
cambios de conformación que ocurren dentro de la proteína,
según se describió para la ATPasa de Na + -K + en la página
150. En la figura VE 5-2 se presenta un perfil esquemático de ¡a
diferencia entre un asa redox y una bomba de protones. Es
importante observar que las asas y las bombas no son mecanismos mutuamente excluyentes. Es posible que algunos protones sean translocados como consecuencia de un asa redox y
otros por una bomba de protones.
La demostración más directa de la existencia de las bombas de protones dentro de la cadena respiratoria proviene de
la investigación de laboratorio de Marten Wikstróm, de la
Universidad de Helsinki, iniciada a principios del decenio de
1970. Wikstróm enfocó su atención en la citocrorno oxidasa,
que según la hipótesis quirniostática original constituye el
miembro transportador de electrones de la tercera asa redox
(fig. VE 5-1). Puesto que la citocromo oxidasa consta de centros
redox (hem y iones cobre) que sólo transportan electrones,

201

sería imposible, según la hipótesis quirniostática original, que
este componente de la cadena respiratoria translocara protones.
Pero Wikstróm y sus colegas demostraron que en realidad la
citocromo oxidasa desplaza protones a través de la membrana,
tanto si se encuentra dentro de la membrana mitocondrial como
si se incorpora a vesículas artificiales.11'12 Para incorporar la
enzima a las vesículas se dispersó citocromo oxidasa purificada en un medio que contenía fosfolípidos solubilizados con
detergente. Cuando se eliminaron las moléculas del detergente mediante diálisis, las vesículas formadas contenían citocromo oxidasa integrada a la bicapa de lípidos. Cuando se añadió
citocromo c reducido a una preparación de estas vesículas, se
transfirieron electrones de las moléculas de citocromo c al Oj.
Si la citocromo oxidasa sólo actúa para transferir electrones, se
podría esperar que el entorno se alcalinice debido al consumo
de protones conforme se reduce el Ü2 para producir H2Ü. En
vez de eso, el medio se volvió ácido (fig. VE 5-3), lo que indica
expulsión de protones desde las vesículas. La tasa de acidificación es paralela a la tasa del flujo de electrones desde el citocromo c hasta el C>2 y fue suprimida por desacopladores, como
el dinitrofenol. Estos resultados suministran una fuerte prueba de la capacidad inherente de la citocromo oxidasa para
translocar protones a través de una membrana.
Mitchell no aceptó la conclusión de que la citocromoxidasa
era una bomba de protones, sino que ofreció una versión modificada del modelo quimiosmótico, en el cual el segundo complejo podía transiocar protones por medio de un "ciclo Q", en
el cual las moléculas de ubiquinona captan protones en un
lado de la membrana y los translocan al otro lado, donde los
liberan. Según la proposición revisada de Mitchell, la citocromo oxidasa permanece como el miembro transportador de electrones de la última asa redox (fig. VE 5-4). La operación de un
ciclo Q que mueve protones a través del complejo III ha recibido
considerable apoyo,.pero la demostración de que la citocromo
oxidasa funciona como bomba de protones también es casi
indiscutible.
La característica más importante de la hipótesis quimiosrnótica propuesta por Mitchell en 1961 fue la idea de que la
energía liberada por el transporte de electrones se almacenaba
como un gradiente electroquímico de protones a través de la
membrana interna. Hemos descrito algunos de los experimentos que apoyan esta propuesta, en la actualidad aceptada casi

pH
FIGURA VE 5-3. Expulsión de protones desde vesículas membranosas que contienen
citocromo c oxidasa. Las vesículas se suspendieron en 0.1 M de KC1 sin amortiguar.
Luego de cinco minutos de preincubación se añadieron 10 fíe una suspensión del
donador de electrones ferrocitocromo c (o sea, citocromo c reducido) hasta lograr una
concentración final de 2/íM. La adición de ferrocitocromo produjo una expulsión inicial
de protones, aumentando la acidez del medio. Esta expulsión fue contrarrestada por
agentes desacopladores. La cantidad de protones expulsados inicialmente excede la concentración de citocromo oxidasa por casi dos órdenes de magnitud, lo que indica que los
protones expulsados se derivan del espacio acuoso interno de las vesículas y que la
función transportadora de protones de la citocromo oxidasa tal vez sea una propiedad
intrínseca del complejo. (Según M.K.F. Wikstrom y H.T. Saari, Biochim. Biop. Acta 462:354,
1977.)

Ferrocitocromo
7.12

Acido

í

1

7.13
7.14

7.15

^-^—_ T

7.16

7.17

-H30 seg
3*-

202

CAPITULO 5 • Respiración aerobia y mitocondrías

Matriz
NADH

NAD+

2H'

Citoplasma
FIGURA VE 5-4. Este modelo, propuesto por Mitchell a finales del decenio de 1960, introdujo ¡a idea de un ciclo Q capaz de translocar cuatro
protones y prescindir de una tercera asa que implique citocromo oxidasa. El ciclo Q, cuyos detalles no se analizan, fue ampliamente adoptado
para explicar la translocación de protones a través de la porción ubiquinona-complejo III de la cadena respiratoria. (Según THE VITAL FORCÉ:
A STUDY OF BIOENERGETICS por FM. Harold. © 1986 por W.H. Freetnan and Company. Reimpreso con autorización.)

por toda la comunidad científica; los restantes argumentos se
relacionan con detalles del mecanismo para generar y utilizar
el gradiente. Antes de abandonar el tema de la quimiosmosis,
es digno mencionar un par de experimentos clave que establecieron que el gradiente de protones generado por el transporte de electrones pueda efectuar la síntesis de ATP.
Según la hipótesis quimiosmótka, el gradiente electroquímico de protones constituye por sí mismo un estado de alta
energía capaz de efectuar la fosforilación del ATP. Si esta interpretación es correcta, entonces el establecimiento de dicho
gradiente por medios artificiales, o sea, transporte no relacio-

f

Transferencia
de cloroplastos
tratados con
ácido al tubo
que contiene
amortiguador
a pH 8.0

*

60 segundos
de incubación
*IIIJIP
Cloroplastos
de espinaca
recién aislados
_ _ _ Amortiguador pH .4.0

--——*^
(pH »J7)

nado con electrones, también debe servir como fuerza impulsora para la formación de ATP. Esta predicción fue probada en
1966 en un ingenioso experimento efectuado por Andre
Jagendorf y Ernest Uribe, de la Johns Hopkins University (fig.
VE 5-5).i3
Como se analiza en el siguiente capítulo, los cloroplastos
generan ATP mediante un proceso denominado fotofosforilación, que utiliza el mismo mecanismo básico que gobierna la
fosforilación oxidativa en las mitocondrias. Por lo tanto, la hipótesis quimiosmótica también se aplica a cloroplastos (y a la
membrana plasmática de bacterias aerobias), igual que a las

jriHfek

(^9¡p

Amortiguador
V^J7
pH4.0
Cloroplastos
ahora con pH 4

•j

Amortiguador
pHS.O
+ ADP + 32P04
+ •*'& -"¿
MeClo
x

«32P~ATP —*

FIGURA VE 5-5. Producción de ATP en
cloroplastos aislados mediante el establecimiento de un gradiente artificial de pH.


CUADRO VE 5-1. Cinética de la disminución alcalina
y la fosforilación del ADP
Rendimiento de ATP en el tiempo (seg)
Reacción
Disminución de pH 8
ADP + P -» ATP

30
41
3

7
27

1.7
48

1.1
47

60

0.4
42

—
47

FUENTE: A. Jagendorf y E. Uribe, Proc. Nat'l Acad. Sci. U.S.A. 55:
173,1966.
CUADRO VE 5-1. El ATP se expresa en nmol/mg de clorofila. La
disminución de la alcalinidad (renglón 1) se midió inyectando los
cloropiastos ácidos en un medio amortiguado a pH 8 y esperando
luego el número indicado de segundos antes de añadir ADP, Mg2+,
y fosfato marcado con 32P, seguido por un lapso de 15 segundos estándar con estos reactivos antes de interrumpir la reacción por adición
de ácido tricloracético. E¡ segundo renglón muestra e! tiempo de fosforilación determinado inyectando cloropiastos acidificados en toda
la mezcla de reacción de fosforiiación y esperando el número indicado
de segundos antes de interrumpir la reacción con ácido tricarboxílico.
En el renglón de arriba es evidente que cuanto más larga sea la espera
antes de añadir los cloropiastos, menor será el ATP sintetizado, debido a que el gradiente de pH se disipa. En el segundo renglón, la
cantidad de ATP sintetizada aumenta conforme el tiempo de incubación de la mezcla de reacción con el isótopo marcado aumenta hasta
un punto cercano a seis segundos, cuando ya no se observó incremento adicional debido, una vez más, a que el gradiente de pH se disipa
durante el periodo de síntesis de ATP.

mitocondrias. Jagendorf demostró desde el principio que la
iluminación de cloropiastos aislados genera un gradiente de
protones a través de las membranas del cloroplasto, de modo
que el lado interno es ácido en relación con el externo. Para
establecer un gradiente "artificial" a través de las membranas
del cloroplasto, Jagendorf y Uribe prepararon cloropiastos aislados de células de espinaca y los suspendieron en la oscuridad
en un tubo que contenía un amortiguador a pH 4 durante casi
60 segundos {ftg. VE 5-5), tiempo requerido para que los
protones del medio crucen la membrana del cloroplasto de
modo que desciendan el pH dentro de dicho compartimiento.
Luego que el pH de los compartimientos internos del cloroplasto descendió a 4 aproximadamente, se inyectaron en ia
oscuridad los cloropiastos acidificados dentro de un segundo
tubo que contenía un medio amortiguado a pH 8 junto con las
sustancias necesarias para sintetizar ATP radiactivo. La transferencia de los cloropiastos al amortiguador alcalino generó un
gradiente transitorio de H+ 10 000 veces mayor (10~8 M [H+]
en comparación con 10~4 M [H+]) a través de las membranas
internas del cloroplasto. Unos cuantos segundos después de ía
transferencia se pudo descubrir ATP recien sintetizado (línea 2,
cuadro VE 5-1). Los resultados indican que un gradiente de pH,
por sí mismo, puede efectuar la fosforilación del ADP.
En 1974, Efraim Racker y Walter Stoeckenius14 efectuaron
un segundo experimento ingenioso que ilustró la potencia
de un gradiente de protones para formar ATP. Recordemos de
la página 150, capítulo 4, que las bacterias púrpura del género
Hdobacterium poseen una proteína denominada bacteriorrodopsina, la cual actúa como bomba de protones operada por luz.

203

Cuando se incorpora bacteriorrodopsina en vesículas artificiales de fosfolípidos, esta proteína establece un gradiente de
protones a través de ía membrana vesicular después de ser
iluminada. Si se prepararon vesículas artificiales que contenían tanto bacteriorrodopsina como ATP-sintasa mitocondrial
purificada, la iluminación de las vesículas en presencia de ADP
y P¡ se acompaña de la síntesis de ATP. Claramente, el gradiente de protones generado por una bomba bacteriana operada por luz fue capaz de efectuar la fosforilación del ADP utilizando la maquinaria enzimática de la mitocondria.
Los resultados de estos dos últimos experimentos son
importantes por muchas razones. No sólo demostraron que
un gradiente electroquímico puede suministrar energía Ubre
para formar ATP, sino también indican qué transporte de electrones y síntesis de ATP no necesitan estar directamente acoplados. En estos experimentos no hubo transporte alguno de electrones; por lo tanto, se puede concluir que la fosforilación puede
ocurrir independientemente del transporte de electrones. En
condiciones normales, el transporte de electrones genera un
estado de alta energía empleado para la fosforilación, pero no
hay condiciones particulares para que ese estado de alta energía no pueda satisfacerse con un gradiente generado de otra
manera.
BIBLIOGRAFÍA
1. Engelhardt, V.A. 1932. Biochemische. Zeitsch. 251:343-368. (Descrito por E.C. Slater en Trenas in Biochem. Sci. 6:226-227,1981,)
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oxidase in artificial phospholipid veskles. Bioch. Biop. Acta
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204

CAPITULO 5 * Respiración aerobia y mitocondrias

SINOPSIS
Las mitocondrias son grandes organelos constituidos por una
membrana porosa externa y una membrana interna altamente permeable y plegada (cresta) que contiene gran parte del
mecanismo requerido para la respiración aerobia. La porosidad de la membrana externa es resultado de la presencia de
proteínas integrales denominadas porinas. La arquitectura
de la membrana interna y la aparente fluidez de su bicapa
facilitan la interacción de los componentes requeridos durante
el transporte de electrones y la formación de ATP. La membrana interna rodea una matriz parecida a un gel que contiene,
además de proteínas, un sistema genético que incluye DNA,
RNA, ribosomas y todos los mecanismos necesarios para transcribir y traducir información genética. Muchas de las propiedades de la mitocondria se pueden explicar al asumir que evolucionaron a partir de antiguas bacterias simbióticas (p. 172).
La mitocondria es el centro del metabolismo oxidativo de
la célula que convierte los productos del catabolismo de
carbohidratos, grasas y proteínas en energía química almacenada en ATP. Piruvato y NADH son los dos productos de
la glucólisis. El piruvato es transportado a través de la membrana mitocondrial interna, donde sufre descarboxüación y
se combina con la coenzima A para formar acetil-CoA, que se
condensa con oxalacetato para formar citrato, el cual ingresa
al ciclo del ácido tricarboxílico. Conforme el citrato sufre las
reacciones del ciclo del ácido tricarboxílico, dos de sus carbonos son eliminados y liberados en forma de CÜ2, que representa el estado más altamente oxidado de los átomos de
carbono. Los electrones eliminados de los sustratos se transfieren a FAD y NAD+ para formar FADH2 y NADH. Los
ácidos se descomponen en acetil-CoA, que ingresa al ciclo
del ácido tricarboxílico, y todos los 20 aminoácidos se desdoblan para piruvato, acetil-CoA o intermediarios del ciclo del
ácido tricarboxílico. Por lo tanto, dicho ciclo es el camino en
el cual convergen las principales vías metabóücas de la célula
(p. 175).
Los electrones transferidos desde los sustratos a FADH2 y
NADH siguen a lo largo de una cadena portadora de electrones hacia O^ liberando energía que se emplea para generar
un gradiente electroquímico a través de la membrana mitocondrial interna. El movimiento controlado de protones que
regresan a través de la membrana por medio de una enzima
sintetizadora de ATP se emplea para la formación de ATP en
el sitio catalítico de la enzima. Cada par de electrones de NADH
libera suficiente energía para formar casi tres ATP, en tanto
que la energía liberada de un par electrones de FADH2 explica
la formación de casi dos ATP (p. 179).
La cantidad de energía liberada en forma de electrones se
transfiere de un donador (agente reductor) a un aceptor (agente oxidante) y puede calcularse a partir de la diferencia del
potencial redox entre dos pares. El potencial redox estándar
de un par se mide en condiciones estándar y se compara con el
par FÍ2-H+. El potencial redox estándar del par NADH-NAD+
es -0.32 V, que refleja el hecho de que NADH es un agente
reductor fuerte, o sea, uno que transfiere con rapidez sus elec-

trones. El potencial redox estándar del par H2O/O2 es +0.82
V, que refleja el hecho de que O2 es un fuerte agente oxidante,
o sea, uno que tiene gran afinidad por electrones. La diferencia
entre estos dos pares, equivalente a 1.14 V, proporciona una
medida de la energía libre liberada (52.6 kcal/mol) cuando un
par de electrones pasa del NADH a lo largo de toda la cadena
transportadora de electrones hasta el Ü2 (p- 181).
La cadena transportadora de electrones contiene cuatro tipos
diferentes de transportadores: citocromos que contienen hem,
flavoproteínas que contienen nucleótidos con flavina, proteínas de hierro y azufre, y quinonas. Flavoproteínas y
quinonas pueden aceptar y donar átomos de hidrogeno, en
tanto que citocromos y proteínas de hierro y azufre sólo aceptan y donan electrones. Los portadores de la cadena de transporte de electrones están dispuestos espacialmente en orden
decreciente de potencial redox. Los diferentes transportadores
se organizan en cuatro grandes complejos de multiproteínas.
Citocromo c y ubiquinonas son portadores movibles que intercambian electrones entre los complejos más grandes. Conforme los pares de electrones pasan a través de los complejos I, III
y IV, se transloca un número específico de protones desde la
matriz a través de la membrana al interior del espacio intermembrana. La translocación de protones por estos complejos
transportadores de electrones establece el gradiente de protones en el cual se almacena la energía. El último de los complejos es la citocromo oxidasa, que transfiere electrones desde el
citocromo c al Q¿ y lo reduce para formar agua, un paso que
también elimina protones de la matriz y contribuye al gradiente de protones (p. 184).
La translocación de protones genera separación de cargas a
través de la membrana, además de una diferencia en la concentración de protones. Por consiguiente, el gradiente de protones tiene dos componentes: un gradiente de voltaje y uno de
pH; la magnitud de éstos depende del movimiento de otros
iones a través de la membrana. Los dos componentes juntos
constituyen una fuerza motriz de protones {Ap). En mitocondrias de mamíferos se estima que casi 80% de la energía libre
de la Ap está representada por el gradiente de voltaje, y 20%
por el gradiente de pH (p. 185).
La enzima que cataliza la formación de ATP es un complejo
grande de múltiples proteínas denominado ATP sintasa que
contiene dos partes diferentes: una pieza cabeza FI que se
proyecta al interior de la matriz e incluye un sitio catalítico,
y una pieza basal FQ integrada a la bicapa de lípidos y que
forma un canal a través del cual se conducen protones desde
el espacio intermemhrana hasta la enzima. Se cree que el
movimiento controlado de protones a través de la ATP sintasa
induce cambios de conformación para la formación de ATP.
La hipótesis aceptada en la actualidad propone que cada uno
de los tres sitios catalíticos de la porción FI de la enzima se
encuentra en estados de conformación diferentes, designados
firme, laxo y abierto. Cada sitio se mueve de una conformación a la siguiente en respuesta a la unión y liberación de
protones. Las pruebas indican que el paso que requiere ener-


gía no es en realidad la fosforilación del ADP, sino la unión de
nucleótidos al sitio activo, la liberación del sitio activo del ATP
producido, o ambos. Se cree que los cambios de conformación
son gobernados por el movimiento de protones a través de la
enzima y estos pasos se efectúan mediante cambios de afinidad del sitio activo hacia los nucleótidos. Además de la formación de ATP, la fuerza motriz de protones también suministra
la energía necesaria para algunas actividades de transporte,
incluyendo captación de ADP en la mitocondria durante los
cambios para liberar ATP del citoplasma, captación de iones
fosfato y calcio, e importación de proteínas mitocondriales
(p. 291).

205

Las proteínas que constituyen una mitocondria pueden ser:
1) codificadas en el DNA mitocondrial y sintetizadas en el
organeio, o 2) sintetizadas en el citoplasma e importadas
al organelo luego de la traducción. Las proteínas mitocondriales sintetizadas en el citoplasma contienen una secuencia
orientadora con carga positiva en su N-terminal, que provoca
la unión del polipéptido con su receptor en la superficie externa de la mitocondria; esto da lugar al transporte del polipéptido a través de la membrana mitocondrial hacia el interior de
la matriz. La importación puede auxiliarse mediante chaperones situados tanto en el citoplasma como en la matriz micondrial (p. 197).

PREGUNTAS DE REPASO
1. Describir los cambios en el metabolismo oxidativo que debieron haber acompañado a la evolución y el éxito de las
cianobacterias.
2. Comparar las propiedades de las membranas mitocondriales interna y externa; e! espacio intermembrana y la matriz.
3. ¿Cómo se conectan los productos de la glucólisis a las
reacciones del ciclo del ácido tricarboxílico?
4. ¿Por qué se considera el ciclo del ácido tricarboxílico como
la vía central del metabolismo energético de una célula?
5. Describir el mecanismo mediante el cual el NADH producido por glucólisis puede ingresar electrones al ciclo del
ácido tricarboxílico.
6. Describir de qué manera el transporte de electrones a lo
largo de la cadena respiratoria establece un gradiente de
protones.
7. ¿Cuáles son algunas de las principales actividades de los
peroxisomas? ¿Cuál es el papel de la catalasa en esas actividades?
8. ¿Cómo algunas proteínas, como las enzimas del ciclo del
ácido tricarboxílico, pueden llegar a ía matriz mitocondrial?

9. Observar la figura 5-12 y describir en qué son similares los
estados semiquinona de la ubiquinona y la FMN.
10. ¿Qué debe entenderse por centro binuclear de la citocromo
oxidasa? ¿Corno funciona en la reducción de C>2?
11. ¿Cuáles son las dos maneras diferentes en que contribuye
la citocromo oxidasa al gradiente de protones?
12. ¿En qué difiere el transporte de electrones de uno de los
grandes complejos de la cadena transportadora de electrones del transporte de electrones entre los complejos?
13. ¿Por qué la transferencia de algunos electrones da como
resultado mayor liberación de energía en comparación con
otros tipos de transferencia?
14. ¿Cuáles son los dos componentes de la fuerza motriz de
protones y cómo pueden sus contribuciones relativas variar de una célula a otra?
15. ¿Cuál es el efecto del dinitrofenol sobre la síntesis de ATP
en la mitocondria? ¿Qué es lo que ocurre? ¿Cómo se vincula el gradiente de protones a la síntesis de ATP?
16. Describir la estructura básica de la ATP-sintasa y el mecanismo para sintetizar ATP.

1. Considerar la reacción A:H + B = B:H + A. Si en el equilibrio la proporción [B:H]/[B] es igual a 2.0, se puede concluir que: 1) B:H es el agente reductor más fuerte de los
cuatro compuestos; 2) el par {A:H, A) tiene el potencial
redox más negativo en comparación con el par (B:H, B); 3)
ninguno de los cuatro compuestos son citocromos; 4) los
electrones relacionados con B son de más alta energía que
los relacionados con A. ¿Cuáles de las afirmaciones previas son ciertas? Dibujar la reacción en uno de los sentidos
de esta reacción redox.
2. La vesícula membranosa de una partícula submitocondrial,
luego de eliminar las esferas Fj, sería capaz de: 1) oxidar
NADH; 2) producir H^O a partir de Oa; 3) generar un gradiente de protones; 4) fosforilar ADP. ¿Cuáles de las afirmaciones previas son ciertas? ¿En qué serían diferentes
estas respuestas, si es que hay alguna diferencia, si los
objetos estudiados fueran partículas submitocondriales
intactas tratadas con dinitrofenol?

3. La proteína A es una flavoproteína con potencial redox de
-0.2 V. La proteína B es un citocromo con potencial redox
de +0.1 V.
a. Dibujar las reacciones en ambos sentidos para cada uno
de los dos portadores de electrones.
b. Escribir la reacción que ocurriría si se añadieran a la
mezcla moléculas A reducidas y moléculas B oxidadas.
c. ¿Cuál de los dos compuestos en la reacción de la parte b
estaría presente en concentración más alta cuando la
reacción alcanzara el equilibrio?
4. De las siguientes sustancias: ubiquinona, citocromo c,
NAD+, NADH, C>2, H2O, ¿cuál es el agente reductor más
fuerte?; ¿cuál es el agente oxidante más fuerte?; ¿cuál tiene
mayor afinidad por electrones?
5. Si se determina que la membrana mitocondrial interna es
libremente permeable a iones cloro, ¿qué efecto tendría
esto sobre la fuerza motriz de protones a través de la membrana mitocondrial interna?

206


6. Observar el descenso de energía durante el transporte de
electrones mostrado en la figura 5-14. ¿Ese perfil sería diferente si el donador original de electrones fuera FADÜ2 en
vez de NADH?
7. ¿Sería de esperar que la importación de sustancias como
ADP o P¡ disminuyera la fuerza motriz de protones? ¿Por
qué?
8. En los potenciales redox estándar del cuadro 5-1, el par
oxalacetato-malato es menos negativo que el par NAD+NADH. ¿Cómo pueden ser estos valores compatibles con
la transferencia de electrones de malato a NAD+ en el ciclo
del ácido tricarboxílico?
9. ¿Cuántos fosfatos de alta energía se forman mediante
fosforilación a nivel de sustrato durante cada vuelta del
ciclo del ácido tricarboxílico {considerar sólo reacciones de
este ciclo)? ¿Cuántos se forman como resultado de la fosforilación oxidativa? ¿Cuántas moléculas de CC>2 se liberan?
¿Cuántas moléculas de FAD se reducen? ¿Cuántos pares
de electrones se extraen de los sustratos?
10. Los protones se mueven en ambas direcciones a través de
la membrana mitocondrial interna. Se mueven en una dirección corno resultado del transporte de electrones. ¿Cuál
es la causa de que se muevan en la dirección opuesta?

11. El descenso en AG°' de un par de electrones es -52.6 kcal/
mol y la AG°' de la formación de ATP es +7.3 kcal/mol. Si
se forman tres ATP por cada par de electrones eliminados
de un sustrato, ¿se puede concluir que la fosforilación oxidativa es de 21.9/52.6, o 42% eficiente? ¿Por qué sí o por
qué no? (No basta afirmar que la célula no opera en condiciones estándar.)
12. ¿Es de esperar que mitocondrias aisladas, metabólicamente activas., acidifiquen o alcalinicen el medio en el cual están suspendidas? ¿Sería la respuesta diferente si estuviera
trabajando con partículas submitocondriales en vez de
mitocondrias? ¿Por qué?
13. A veces se requiere el movimiento de tres protones para la
síntesis de una molécula de ATP (fig. 5-28). Calcular
la energía liberada por el paso de protones al interior de la
matriz (véase página 191 para información).
14. ¿Por qué sería de esperar que el movimiento de protones al
interior del espacio intermembrana tuviera efecto sobre las
enzimas del citoplasma?
15. Calcular la energía libre liberada cuando FADH/z se oxida
mediante Ü2 molecular en condiciones estándar.

BIBLIOGRAFÍA
Estructura y función de la mitocondria
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CAPITULO

6

Fotosíntesis
y cloroplastos
6-1 Estructura y función del cloroplasto
6-2 Revisión del metabolismo fotosintético

* 6-6 Fijación de dióxido de carbono y formación de
carbohidratos
La perspectiva humana: "Mejores" plantas por medio
de ingeniería genética

6-3 Absorción de luz
6-4 Unidades fotosintéticas y centros de reacción

La vía experimental: Organización de la membrana
tilacoíde

6-5 Fotofosforilación

L

FIGURA 6-A. Cloroplastos en una hoja de Arabidopsis thaliana, miembro de la familia de las mostazas, vistos con criorrastreo mediante microscopio electrónico. (Cortesía de Richard ]. Howard, DuPojit Company.)

as formas primitivas de vida sobre la Tierra debieron
haber obtenido sus materias primas y energía a partir
de moléculas orgánicas simples disueltas en su ambiente
acuoso. Estas moléculas orgánicas con certeza se formaron
a partir de procesos abióticos, o sea, como resultado de reacciones químicas no biológicas que ocurrían en los mares
primitivos. Por lo tanto, así como nosotros sobrevivimos de
nutrientes tomados de nuestro ambiente, así también debieron haberlo hecho las formas originales de vida. Los organismos que dependen de una fuente externa de compuestos orgánicos se llaman heterotrofos.
Así como todos los organismos vivientes fueron heterotrofos, la oportunidad de la biomasa sobre la Tierra para
aumentar estaba gravemente restringida, ya que la producción espontánea de moléculas orgánicas era muy lenta. El
desarrollo de la vida sobre la Tierra recibió un tremendo
impulso con la evolución de organismos que emplearon
una nueva estrategia metabólica que les permitió sobrevivir a partir de moléculas que eran mucho más abundantes
que la escasa variedad orgánica. Este nuevo tipo de organismos tenía capacidad de elaborar sus propios nutrientes
orgánicos a partir de moléculas de los tipos más simples,
como el dióxido de carbono (CO¿) y el sulfuro de hidrógeno
(H2S). Los organismos capaces de sobrevivir con CC^como
principal fuente de carbono se denominan autotrofos.
La elaboración de moléculas complejas a partir de CC>2
requiere el ingreso de grandes cantidades de energía. En el
curso de la evolución se desarrollaron dos tipos principales
de autotrofos que pueden distinguirse por su fuente de
energía. Los quimioautotrofos utilizan energía almacena-

207

208

CAPITULO 6 • Fotosíntesis y cloroplastos

da en moléculas inorgánicas (como amonio, sulfuro de hidrógeno o nitritos) para convertir CO2 en compuestos orgánicos, en tanto que los fotoautotrofos emplean la energía
radiante del sol para efectuar esa tarea. Puesto que todos los
quimioautotrofos son bacterias y su contribución relativa a
la formación de biomasa sobre la Tierra es pequeña, no consideraremos más sus actividades metabólicas. Por otro lado,
los fotoautotrofos se encargan de capturar la energía que
sirve como combustible para las actividades de casi todos
los organismos sobre la Tierra. Los fotoautotrofos incluyen
plantas evolutivamente organizadas y algas eucariotas;
varios protistas flagelados, y una variedad de procaríotes,
incluyendo bacterias púrpura azufrosas y no azufrosas,
bacterias verdes y cíanobacterias. Todos estos organismos
efectúan fotosíntesis, proceso en el cual la energía de la luz
solar se transforma en energía química, la cual se utiliza en
la formación de carbohidrato y otros metabolitos orgánicos.
Como analizaremos en detalle en este capítulo, la fotosíntesis es un proceso en el cual los electrones de energía
relativamente baja son eliminados de un compuesto donador y convertidos en electrones de alta energía como resultado de la absorción de luz. Estos electrones de alta energía
pueden utilizarse entonces en vías anabólicas en las cuales
se sintetizan moléculas biológicas reducidas, como almidón y aceites. Es probable que los primeros grupos de
fotoautotrofos que dominaron el planeta durante casi 2 000
millones de años utilizaran sulfuro de hidrógeno como fuente de electrones para la fotosíntesis, efectuando la reacción
total
CO2 + 2H2S -i^> (CH20) + H2O + 2S
donde (CH2O) representa una unidad de carbohidrato.
En la actualidad hay numerosas bacterias vivientes que
efectúan este mismo tipo de fotosíntesis, pero el sulfuro de
hidrógeno ya no es abundante ni extenso, y en consecuencia los organismos que dependen de este compuesto como
fuente de electrones están inevitablemente restringidos en
cuanto a importancia y distribución.
Hace aproximadamente 2 500 millones de años apareció un nuevo tipo de procariote fotosintético sobre la Tierra
capaz de utilizar una fuente mucho más abundante de electrones, es decir, el agua. El empleo del agua no sólo permitió a estos organismos, o cíanobacterias, explotar una mayor diversidad de hábitats sobre la Tierra, sino que también
produjo un material de desperdicio de enormes consecuencias para todas las formas de vida. El producto de desperdicio fue el oxígeno molecular (02) formado en la reacción
total:
CO2 + H2O -^> (CH2O) + O2
La evolución de un tipo de fotosíntesis que libera oxígeno
(oxigénica) no sólo abrió el camino para que las cianobacterias
se convirtieran en la forma dominante de vida sobre la tierra, sino que también suministró la oportunidad a los organismos para evolucionar hacia un metabolismo aerobio.
Como veremos en el último capítulo, la respiración aerobia
permite a los organismos extraer una cantidad mucho mayor de energía de los nutrientes en comparación con la que
se puede obtener por vías anaerobias, como glucólisis y
fermentación. El cambio de H2S a H2O como "combustible"

para la fotosíntesis es más complicado que cambiar una
letra del alfabeto por otra. El potencial redox del par S-H2S
es de -0.25 V en comparación con +0.816 V para el par
|O2-H2O (pág. 190). En otras palabras, el átomo de azufre
en una molécula de H2S tiene mucha menor afinidad por
sus electrones (y por lo tanto los dona con mayor rapidez)
que el átomo de oxígeno en una molécula de H^O. Por lo
tanto, cuando un organismo debe adquirir electrones del
agua tiene que generar un agente oxidante muy fuerte como
parte de su metabolismo fotosintético. El cambio de H2S
a H2O como fuente de electrones para la fotosíntesis requirió una transformación completa del mecanismo fotosintético.
Iniciaremos nuestro análisis de la fotosíntesis examinando brevemente los organelos en los cuales ocurre el proceso.

6-1 Estructura y función
del cloroplasto
La fotosíntesis comparte muchas características con !a respiración aerobia, incluyendo un sistema de transporte de
electrones que consta de citocromos, quinonas y proteínas
de hierro y azufre; el establecimiento de un gradiente electroquímico de protones, y el empleo de este gradiente para
efectuar la síntesis de ATP a través de una ATP-sintasa
homologa. Por lo tanto, no es sorprendente que, como en la
respiración aerobia, los sucesos de la fotosíntesis estén íntimamente vinculados a la membrana celular. La fotosíntesis
no oxigénica del tipo efectuado por la bacteria púrpura se
realiza en componentes que residen en la membrana plasmática o en vesículas derivadas de la membrana plasmática
por invaginación (fig. 6-1, a). Por lo contrario, el mecanismo
fotosintético oxigénico de las cianobacterias reside en una
elaborada disposición de verdaderas membranas citoplásmicas que forman vallas o laminillas, como se muestran en
la figura 6-1, b.
En las células eucariotas, la fotosíntesis tiene lugar en
un organelo citoplásmico especializado, el cloroplasto, localizado predominantemente en las células mesófilas de las
hojas. En la figura 6-2 se muestran la estructura de una hoja
y la disposición de los cloroplastos alrededor de la vacuola
central de una célula mesófila. Los cloroplastos de plantas
evolutivamente elevadas por lo general tienen forma lenticular (fig. 6-3), unos 2 a 4 /fm de ancho y 5 a 10 ¿fin de
largo, y en condiciones típicas su número varía entre 20 y 40
por cada célula. Estas dimensiones colocan al cloroplasto
como gigante entre los organelos, de igual tamaño que el
eritrocito completo estudiado en el capítulo 4. Los cloroplastos se identificaron como sitio de la fotosíntesis en 1881
en un ingenioso experimento efectuado por el biólogo
alemán Theodor Engelmann, quien demostró que cuando
se iluminan las células del alga verde Spyragyra, algunas
bacterias se desplazan activamente para agruparse en e!
exterior de las células cerca del sitio correspondiente a los
grandes cloroplastos acintados. Las bacterias estaban utilizando las mínimas cantidades de oxígeno liberadas en el
cloroplasto por la fotosíntesis para estimular su respiración
aerobia,


209

Células
- rnesófilas
de la hoja

0.4/ím
Sección
transversal ,- .
de la hoja Estomas t
Cloroplasto
Vacuola

Núcleo

Tilacoides

FIÍJURA 6-1. Dos tipos diferentes de bacterias fotosíntéticas. a)
Bacteria Rhodopseudomonas spheroides cuyo mecanismo de fotosíntesis
está contenido en vesículas derivadas por invaginación de la membrana plasmática, b) Cianobacteria Anacystis nidulans, cuyo aparato fotosintético se aloja en las laminillas discoides, (a. Según K. Menke, en
T.W. Goodwin, ed., Biochemistry oí Chloroplasts, vol. I , Academic Press,
1966; b: según Norma ]. Lang y B.A. Whitton, eds. Biology of the BlueGreen Algae, Blackwell Science Ltd., 1973.)

Vista
amplificada
de las células
en palizada
con los
cloroplastos

FIGURA 6-2. Organización funcional de una hoja. La sección
transversal de una hoja muestra varias capas de células, incluyendo
células en palizada, un tipo de células mesófilas que contienen los
cloroplastos encargados de efectuar la fotosíntesis y suministrar la
materia prima y energía química para toda la planta.

La cubierta externa del cloroplasto consta de una envoltura compuesta de dos membranas separadas por un
espacio estrecho (fig. 6-3). Igual que la membrana externa
de las mitocondrias, la membrana externa del cloroplasto
contiene porinas (pág. 173) que hacen a esta membrana permeable a solutos de peso molecular tan alto como 10 000
daltons. En contraste, la membrana interna de dicha envoltura es relativamente impermeable; las sustancias que se
mueven a través de dicha membrana interna lo hacen con
ayuda de varios transportadores.
Gran parte del mecanismo de síntesis de los cloroplastos, incluyendo pigmentos que absorben luz, una compleja
cadena transportadora de electrones y un aparato sintetizador de ATP, se localiza en un sistema de la membrana Ínter-

210

CAPITULO 6 • Fotosíntesis y doroplastos

Tilacoides
2 ¿mi

(b)

FIGURA 6-3. Estructura interna de un cloroplasto. a) Micrografía de transmisión electrónica a través de un solo cloroplasto. La membrana
interna está dispuesta en pilas de tilacoides en forma de discos físicamente separados de la membrana externa, b) Esquema de un cloroplasto
que muestra la doble membrana externa y la membrana tilacoide que se divide en tilacoides de los grana apilados y tilacoides del estroma no
apilado (o laminillas de estroma). (a: Cortesía de Lester K. Shumway.)

na físicamente separado de la doble capa de la envoltura.
La membrana interna del cloroplasto, que contiene el mecanismo transductor de energía, está organizada en sacos
membranosos aplanados denominados tilacoides. Los
tilacoides se disponen ordenadamente en unas estructuras
llamadas grana, que recuerdan una pila de monedas {figs.
6-3 y 6-4). El tratamiento de cloroplastos aislados en un
medio salino diluido dispersa los tilacoides que se reapilan
cuando se incrementa la fuerza iónica del medio. El espacio
dentro de un tilacoide es ¡a luz, y el espacio fuera del tilacoide
pero dentro de la envoltura externa se denomina estroma.
Las cisternas membranosas aplanadas, llamadas estroma
tilacoide (o estroma laminar), conectan algunos tilacoides
de una grana con los de otra (fig. 6-4). La diferencia en
estructura y función entre grana tilacoides y estroma
tilacoide se analiza en La vía experimental, al final del capítulo.
Igual que la matriz de una mítocondria, el estroma de
un cloroplasto contiene pequeñas moléculas circulares
de DNA en doble cadena y ribosomas semejantes a los de
células procariotas, que junto con algunas enzimas forman
una reserva de información genética y el medio para utilizarla. Se estima que en las membranas tilacoides hay casi 60
polipéptidos diferentes relacionados con sistemas para conversión de energía, y casi la mitad están codificados en el
DNA del cloroplasto.
Los lípidos que componen la membrana tilacoide son
poco comunes porque contienen una cantidad relativamente escasa de fosfolípidos y un elevado porcentaje de glucolípidos neutros monogalactosil y digalactosil diacigliceroles.
Los ácidos grasos de estos lípidos son abrumadoramente
insaturados y la bicapa de lípidos es muy fluida. Los cloroplastos son organelos semiautónomos, capaces de autoduplicarse, y se piensa que evolucionaron a partir de un procariote fotosintético capaz de producir oxígeno (al parecer
una cianobacteria) que adoptó una existencia simbiótica
dentro de una célula huésped primitiva no fotosintética.
Como resultado, los cloroplastos y las bacterias fotosintéticas

comparten muchas propiedades, incluyendo la presencia
de porinas en las membranas externas, el tipo de DNA y de
ribosomas en el estroma, y la naturaleza de su mecanismo
fotosintético, que analizaremos en detalle en las siguientes
páginas.

6-2 Revisión del metabolismo
fotosintético
Uno de los mayores avances para entender las reacciones
químicas de la fotosíntesis provino de una hipótesis pro-

Grana
.s .- -»" •
tilacoides "*->"",.;-.•- Esfrorna S2§
ilacdide

0.3 ¿¿m

FIGURA 6-4. Membranas tilacoides. Micrografía electrónica de un
corte a través de una porción de un cloroplasto de espinaca mostrando los grana tilacoides apilados y l°s estromas tilacoides no apilados.
(Según LA. Staehelín, en LA. Staehelin, ed., Encyclopedia of Plant
Physiology, vd. 19, p. 23, Sprhiger-Veríag, 1986.)


puesta por C.B. van Niel a principios del decenio de 1930,
quien entonces era estudiante graduado de la Universidad
Stanford. Consideremos la ecuación total propuesta para la
fotosíntesis:
CO2 + H2O -^ (CH2O) + 02
En 1930, la idea prevaleciente era que la energía de la luz se
empleaba para desdoblar el CO2, liberando oxígeno molecular (Ü2) y transfiriendo el átomo de carbono a una molécula de agua para formar una unidad de carbohidrato
(CH2O). En 1931, van Niel propuso un esquema alterno
basado en su trabajo con sulfobacterias. Se había demostrado de manera concluyente que estos organismos tenían capacidad para reducir CO2 a carbohidratos empleando la
energía de la luz sin producción simultánea de O2 molecular. Se propuso que la reacción para la sulfobacteria era:
CO2 + 2H2S -^ (CH2O) + H2O + 2S
Reconociendo la semejanza básica en el proceso fotosintético de todos los organismos, van Niel propuso una reacción
general para incluir todas estas actividades:
CO2 + 2H2A

presenta un resumen total que contrasta la termodinámica
de estas dos actividades metabólicas.
Los sucesos de la fotosíntesis se pueden dividir en dos
series de reacciones. En la primera etapa, reacciones dependientes de luz, se absorbe energía de la luz solar para
convertirla en energía química, la cual se almacena en el
ATP y el NADPH. Durante la segunda etapa, reacciones
independientes de luz (o "reacciones en la oscuridad"), se
sintetizan carbohidratos a partir de dióxido de carbono
empleando la energía almacenada en el ATP y el NADPH
formado en las reacciones dependientes de luz. Se estima
que cada año la vida vegetal sobre el planeta convierte
aproximadamente 600 trillones de kilogramos de CO2 en
carbohidratos y libera casi 400 trillones de kilogramos de
O2. La mayor parte de esta actividad se efectúa en el
fitoplancton, una delgada y sensible capa de algas unicelulares vivientes que cubre los océanos del mundo cada vez
más contaminados.
Iniciaremos nuestro análisis con las reacciones que dependen de luz, que son complejas y todavía incompletamente definidas.

H2O + 2A

Para la producción de una hexosa, como la glucosa, la reaccón sería
6CO2 + 12H2A

211

C6Hi2O6 + 6H2O + 12A

Van Niel reconoció que la fotosíntesis es un proceso
esencialmente de oxidorreducción. En la reacción precedente, H2A es un donador de electrones (agente reductor) y se
puede representar por H2O, H2S, o algún otro sustrato reducido. Sin embargo, CO2 es un agente oxidante, que en
una célula vegetal se reduce para formar hexosa en la siguiente reacción:
6CO2 + 12H2O -^ C6H12O6 + 6H2O + 6O2
En este esquema cada molécula de oxígeno se forma a
partir del desdoblamiento de dos moléculas de H2O, proceso causado por absorción de luz. El papel del agua en la
formación de oxígeno molecular fue claramente establecido
en 1941 por Samuel Rubén y Martin Kamen, de la Universidad de California, quienes efectuaron un experimento utilizando un isótopo de oxígeno 18O especialmente marcado
en vez del isótopo común 16O. En su experimento marcaron
un grupo de plantas con C[18O2] y agua "regular", en tanto
que otro grupo se marcó con dióxido de carbono "regular"
y H2[18O] marcado. Los investigadores plantearon una pregunta sencilla: ¿cuál de estos dos grupos de plantas libera
18O2? Los resultados mostraron que las plantas con agua
marcada produjeron oxígeno marcado, en tanto que las plantas con dióxido de carbono marcado produjeron oxígeno
"regular". Contrario a lo que se pensaba, no es el dióxido de
carbono el que se desdobla en sus dos elementos atómicos, sino el agua. La hipótesis de van Niel se había confirmado.
La proposición de van Niel colocó a la fotosíntesis en
una perspectiva diferente; en esencia vino a ser lo inverso
de la respiración. En la respiración, las mitocondrias reducen oxígeno para formar agua y en la fotosíntesis el cloroplasto oxida agua para formar oxígeno. En la figura 6-5 se

6-3

Absorción de

luz

La energía de la luz se transporta en paquetes llamados
fotones. El contenido energético de un fotón depende de la
longitud de onda de la luz según la ecuación

,. ,
he
E~hv- —
A

donde h es la constante de Planck (1.58 x 10"34 cal • seg), v
es la frecuencia de la radiación, c es la velocidad de la luz en
el vacío y A es la longitud de onda de la luz. Cuanto más
corta sea la longitud de onda, mayor será el contenido de
energía. Un mol (6.02 X 1023) de fotones de luz roja (longitud de onda 635 nm) contiene aproximadamente 45 kcal de
energía.
La absorción de luz es el primer paso en cualquier proceso fotoquímico. Cuando se absorbe un fotón, un electrón
adquiere suficiente energía para pasar de un orbital interno
a otro más externo. Se dice que la molécula ha cambiado de
un estado basal a un estado excitado. Puesto que hay un
número limitado de orbitales en los cuales puede existir
un electrón y cada orbital tiene un nivel energético específico, se deduce que cualquier átomo o molécula sólo puede
absorber luz de longitud de onda específica.
Una molécula en estado excitado es inestable y podría
esperarse que sólo dure alrededor de 10~9 segundos. A un
electrón excitado pueden ocurrirle varias cosas, según las
circunstancias. Consideremos una molécula de clorofila, el
pigmento fotosintético más importante que absorbe luz. Si
el electrón de una molécula de clorofila excitada retorna a
su orbital de menor energía, la energía absorbida debe liberarse. Si la energía de excitación se libera en forma de calor
o de luz (fluorescencia), la clorofila ha retornado al estado
basal original y la energía absorbida del fotón se desperdicia. Esto es precisamente lo que se observa cuando se ilumina una preparación de clorofila aislada: la solución emite una
fluorescencia intensa debido a que la energía absorbida se

212


Fotosíntesis

Respiración aerobia

Cloroplasto

M ¡tocón dría

C02 + H20

C02 + H20

/
NADPH

Carbohidrato
,• (contiene electrones de alta energía)
íf| ff]

; [£j [jl [p

NADH

NADH
energía química
(ATP)

Energía
luminosa
12U

e-

(contiene electrones de baja energía)

H90

FIGURA 6-5. Comparación entre la energética total de la fotosíntesis y la respiración aerobia.

emite de nuevo con una longitud de onda más larga (o sea,
menor energía). Sin embargo, si este mismo experimento se
ejecuta con una preparación de doroplastos aislados, sólo
se observa una débil fluorescencia, lo que Índica que se
disipa muy poca de la energía absorbida. En vez de ello, los
electrones energéticos son transferidos a aceptores antes que
tengan oportunidad de retornar a sitios vacíos en los orbitales más internos de las moléculas de clorofila. Se estima
que la transferencia del electrón puede ocurrir en menos
de 10~12 segundos.
Pigmentos foto sintéticos
Los pigmentos son moléculas que contienen un cromó/oro,
grupo químico capaz de absorber luz de una longitud de
onda particular del espectro visible. Las hojas de las plantas
son verdes porque contienen gran cantidad del pigmento
clorofila que absorbe luz con mayor intensidad entre el azul
y el rojo y deja que las longitudes de onda verdes intermedias
se reflejen a nuestros ojos. La estructura básica de la clorofila se muestra en la figura 6-6. Cada molécula consta de
dos partes principales: 1) un anillo de porfirina cuya función es absorber luz, y 2) una cadena fitol hidrófoba (derivada de una unidad isoprenoide repetitiva, cuya estructura
se muestra en la página 185) que mantiene la clorofila integrada al interior de la membrana fotosintética. A diferencia
de las porfirinas rojas de la hemoglobina y la mioglobina
que contienen fierro (grupos hem), la porfirina de la molécula de clorofila contiene un átomo de magnesio. Enla-

ces dobles y sencillos alternos a lo largo del borde del anillo de porfirina actúan deslocalizando electrones que forman una nube alrededor de dicho anillo (fig. 6-6). Sistemas conjugados de este tipo son fuertes absorbedores de
luz, y dicha absorción es causa de una redistribución de la
densidad de electrones en la molécula favoreciendo la pérdida de un electrón hacia un aceptor adecuado. Además,
los sistemas de uniones conjugadas amplifican los picos de
absorción causando que las moléculas individuales absorban intervalos de longitudes de onda. Estas características
son evidentes en un espectro de absorción de moléculas
purificadas de clorofila (fig. 6-7), que es una gráfica de la
intensidad de la luz absorbida en relación con su longitud
de onda. El intervalo de longitudes de onda que pueden
absorber los pigmentos fotosintéticos situados dentro de la
membrana tilacoide aumenta adicionalmente por la presencia de varios tipos de especies de pigmento (estudiadas
en el siguiente párrafo), presencia de varios polipéptidos a
los cuales se unen los pigmentos mediante enlaces no covalentes y diferencias locales en el entorno (fluidez, estado de
agregación, etc.), en el cual residen los pigmentos.
Entre los organismos fotosintéticos (fig. 6-6) se encuentran varias clases de clorofila, que se distinguen entre sí por
los grupos laterales unidos al anillo de porfirina. La clorofila a está presente en todos los organismos fotosintéticos
productores de oxígeno, pero está ausente en las diferentes
sulf o bacterias. Además de la clorofila a, la clorofila b se
encuentra en todas las plantas evolutivamente elevadas y
en las algas verdes, y una tercera variedad, la clorofila c,
ocurre en algas de color marrón, diatomeas y ciertos proto-

O
C

^r En la bacterioclorofila a

CH3

CH3

213

CH3

Cri3

^^En la clorofila f
CHO^

Í2

CH3

CH3

CH3

CH3

/J-caroteno
i
j
i
/"VNAc ^~riyjr-3
CHCH

Vc

CH2

HC

CH2

C=0

C=0

C=0

O

O

CH3

CH2
CH

:
H3C — HC

H3C — HC

Los carotenoides absorben luz de longitudes de onda
azul al verde (fig. 6-7). Las longitudes de onda amarillo,
naranja y rojo son reflejadas por los carotenoides, lo que
produce los colores característicos naranja y rojo de zanahorias, naranjas y hojas de algunas plantas durante el otoño. A
medida que las hojas cesan de producir clorofila durante el
frío clima invernal, los carotenoides dorados y rojos son
más visibles; esto explica los brillantes y coloridos paisajes
del otoño. La función más importante de los carotenoides
puede ser proteger el mecanismo de fotosíntesis contra daños causados por especies reactivas de oxígeno, y no la de
absorber luz para la fotosíntesis. Por ejemplo, células mutantes de algas que carecen de carotenoides no pueden sobrevivir en un ambiente aerobio debido a la destrucción
mediada por oxígeno de su mecanismo de fotosíntesis.
La luz que incide sobre una hoja se compone de una
gran variedad de longitudes de onda, por lo que la presencia de pigmentos con diferentes propiedades de absorción
garantiza que un mayor porcentaje de los fotones incidentes tengan oportunidad de estimular la fotosíntesis. Esto se
putde comprobar al examinar un espectro de acción (fig.
6-8), que es una gráfica de la eficiencia total de la fotosíntesis a diferentes longitudes de onda. Es importante la diferencia entre un espectro de acción y un espectro de absorción. El espectro de absorción mide las longitudes de onda
capaces de suministrar la energía de transición apropiada
para que una sustancia específica eleve los electrones a orbitales más altos, en tanto que el espectro de acción indica

UP
riL.

CH3
Clorofila a

FIGURA 6-6. Estructura de la clorofila a. La molécula consta de un
anillo de porfirina {a su vez formado por cuatro anillos pirrol más
pequeños) con un ion magnesio en su centro y una larga cola hidrocarbonada. En la clorofila b, el grupo —CH3 sobre el anillo II es reemplazado por un grupo —CHO. El área sombreada que rodea al borde
de la porfirina indica la deslocalización de electrones para formar una
nube. La estructura de la porfirina de la clorofila que contiene magnesio se puede comparar a la porfirina que contiene hierro de un
grupo hem mostrado en la figura 5-12.
350

400

450

500

550

600

650

750

Longitud de onda (nm)

zoarios. La bacterioclorofila sólo se observa en bacterias
verdes y púrpuras, organismos en los cuales la fotosíntesis
no se acompaña de la formación de oxígeno.
Los pigmentos accesorios más importantes de la fotosíntesis en plantas evolutivamente elevadas son los carotenoides, por ejemplo el /3-caroteno.

FIGURA 6-7. Espectro de absorción para varios pigmentos fotosintéticos de plantas evolutivamente avanzadas. El trasfondo muestra los colores percibidos para longitudes de onda del espectro visible.
La clorofila absorbe con mayor intensidad en las regiones violeta-azul
y rojo del espectro, en tanto que los carotenoides (o sea, beta-carotenos) absorben también en la región verde. Las algas rojas contienen
pigmentos adicionales (ficobilinas) que absorben en las bandas intermedias del espectro.

214

Clorofila a
Espectro de acción

•
SJ
3

"*-•

SO
£D

O"
O

='>2

r£ ra
«'ü
o =
u 33

500

600

700

Longitud de onda, nm
FIGURA 6-8. Espectro de acción para la fotosíntesis. El espectro de
acción (representado por la línea de color rojo) indica la eficacia de la
luz de diferente longitud de onda para promover la fotosíntesis en las
hojas de una planta. Las líneas medias indican el espectro de absorción de cada uno de los principales pigmentos fotosintéticos. La línea
verde muestra el espectro de absorción combinado de todos los pigmentos.

las longitudes de onda verdaderamente eficaces para efectuar una respuesta fisiológica determinada. El espectro de
absorción para la fotosíntesis sigue bastante bien el patrón
del espectro de absorción de clorofilas y carotenoides, lo
que indica la importancia de estos pigmentos en la absorción de luz.

6-4 Unidades fotosintéticas
y centros de reacción
En 1932, Robert Emerson y William Arnold, del California
Institute of Technology, efectuaron un experimento que
sugiere que no todas las moléculas de clorofila del cloroplasto participan activamente en la conversión de energía
luminosa a energía química. Empleando suspensiones del
alga Chlorella y luz intermitente de muy corta duración (p.
ej., 10 jMseg) e intensidad de saturación, determinaron la
cantidad mínima de luz necesaria para producir el máximo
de oxígeno en un ciclo de fotosíntesis. Según el número de
moléculas de clorofila presentes en la preparación, calcularon que durante un breve destello de luz se libera una
molécula de oxígeno por cada 2 500 moléculas de clorofila
presentes. Posteriormente se demostró que se absorbe un
mínimo de ocho fotones (quantum) de luz para producir
una molécula de C»2; por lo tanto, se puede concluir que los
cloroplastos contienen aproximadamente 300 veces más
moléculas de clorofila de lo que al parecer se requiere para
la fotosíntesis.
Una posible interpretación de este dato es que sólo un
pequeño porcentaje de las moléculas de clorofila participan
en la fotosíntesis. Sin embargo, éste no es el caso. Más bien,
las 300 moléculas de clorofila actúan juntas como una unidad fotosintética en la cual sólo un miembro del grupo, la

clorofila del centro de reacción, tiene realmente la capacidad de transferir electrones a un aceptor de los mismos.
Aunque la masa de las moléculas del pigmento no participa
directamente en la conversión de energía luminosa a energía química, todas se encargan de absorber luz; forman una
especie de antena, un sistema para captar luz que atrapa
fotones de diferentes longitudes de onda y transfiere esta
energía de excitación con gran rapidez a la molécula del
pigmento situada en el centro de reacción. El sistema antena no sólo incrementa la variedad de las longitudes de onda
que pueden absorberse, sino también incrementa la eficiencia de la fotosíntesis. Se estima que incluso con luz brillante
un fotón incidente golpea una molécula de pigmento a una
frecuencia de casi una vez por segundo. En contraste, en el
centro de reacción el pigmento tiene capacidad para transferir electrones a un aceptor adyacente con una frecuencia
mayor de 200 por segundo. El agrupamiento de varios cientos de moléculas de pigmento captador de luz alrededor de
un solo centro de reacción aumenta notablemente el número de electrones que el pigmento del centro de reacción
puede transferir en una unidad de tiempo.
La transferencia de la energía de excitación de una
molécula de pigmento a otra es muy sensible a la distancia
entre las moléculas. La estrecha proximidad de los pigmentos se facilita gracias a su elevada concentración y su asociación a los polipéptidos de la membrana que los mantiene en
posición fija, lo que favorece la transferencia de energía.
Una "regla" importante que opera entre los pigmentos antena es que la energía de excitación nunca puede transferirse a una molécula que requiera mayor energía. En otras

Moléculas de pigmento antena

Fotón

Centro de reacción
FIGURA 6-9. Transferencia de la energía de excitación. La energía
de excitación se transfiere al azar a pigmentos que absorben luz de
longitud de onda crecientemente mayor hasta que alcanza la clorofila
del centro de reacción que transfiere un electrón excitado a un aceptor
primario, corno se describe posteriormente en el capítulo.

CAPITULO 6 • Fotosíntesis y dowplastos

palabras, la energía de excitación no puede transmitirse a
una molécula de pigmento que absorbe luz de longitud de
onda más corta (mayor energía) que la absorbida por la
molécula donadora. Por consiguiente, corno la energía que
pasa a través de una unidad fotosintética (fig. 6-9) cada vez
se transfiere a una molécula de pigmento que absorbe una
longitud de onda mayor, la naturaleza de las transferencias
subsecuentes está muy restringida. La clorofila del centro
de reacción es la única que tiene un pico máximo de absorción a la longitud de onda mayor, y por lo tanto actúa como
una especie de "trampa" o "pozo" hacía el cual inevitablemente se dirigen todas las moléculas del pigmento antena
captadoras de energía. La diferencia en el contenido de
energía entre el fotón originalmente absorbido por un pigmento antena y la energía transferida finalmente al centro
de reacción se libera en forma de calor. Se estima que la
energía de excitación tarda unos 200 X 10~12 segundos en
viajar desde el sitio de absorción hasta el centro de reacción
del pigmento. Una vez que la energía es recibida en el centro de reacción, el electrón excitado puede transferirse al
aceptor "en espera".

215

táneamente en los pigmentos antena de ambos PSII y PSI, y
pasa a los centros de reacción de ambos fotosistemas. Los
electrones de los pigmentos de ambos centros de reacción
son impulsados a un orbital más externo y cada electrón
fotoexcitado es transferido a un aceptor primario de electrones. La transferencia de electrones afuera de los fotosistemas deja los pigmentos de los dos centros de reacción
con un electrón menos, y por lo tanto con carga positiva.
Luego de perder sus electrones, los centros de reacción de
PSII y PSI se pueden denominar P680+ y P700+, respectivamente. Los centros de reacción positivamente cargados
atraen electrones, lo que establece la etapa de flujo de electrones entre transportadores. En la fotosíntesis oxigénica,
donde actúan dos fotosistemas en serie, el flujo de electrones ocurre a lo largo de tres ramas: entre agua y PSII, entre
PSII y PSI, y entre PSI y NADP+, disposición descrita como
esquema Z. En la figura 6-10 se muestra una amplia representación del esquema Z; explicaremos el nombre de los
diferentes componentes conforme examinemos por separado cada una de las principales partes de la vía.
Operaciones PSII: obtención de electrones
por separación de agua

Evolución del oxígeno: coordinación
de la actividad de dos sistemas
foto sintéticos diferentes
La evolución de organismos capaces de utilizar HjO como
fuente de electrones requirió innovaciones en el mecanismo
de fotosíntesis, razón por lo cual puede entenderse si se
considera la energética de la fotosíntesis oxigénica (liberadora de 03). El par C^-HjO tiene un potencial redox estándar de +0.82 V, en tanto que el del par NADP+-NADPH es
-0.32 V. La diferencia entre estos dos valores (1.14 V,
que equivale a 52.6 kcal/mol) proporciona una medida de
la energía que debe suministrarse a un par de electrones
para eliminarlos de H^O y pasarlos a NADP+ en condiciones estándar. Un fotón de luz roja no contiene suficiente
energía para elevar un electrón al nivel energético requerido (pág. 211). Este problema se resolvió con la evolución
de dos diferentes reacciones fotoquímicas que ocurren
en dos fotosistemas espacialmente separados.
Cada fotosístema es "responsable" de impulsar los electrones una parte del camino sobre la cuesta energética (fig.
6-10), de manera no muy diferente a como una silla elevadora de dos pasos levanta a los esquiadores para pasar un
plano inclinado particularmente largo. Un fotosistema, denominado fotosistema II (PSII), impulsa los electrones desde un nivel energético menor que el del agua en el extremo de baja energía hasta un punto a mitad del camino
donde el otro fotosistema, denominado fotosistema I (PSI),
eleva los electrones hasta un nivel energético por arriba de
NADP + . Se dice que los dos fotosistemas actúan en serie, o
sea, uno después del otro.
El centro de reacción del fotosistema II se denomina
P680: "P" por "pigmento" y "680" por la longitud de onda
de la luz que la molécula de clorofila absorbe con mayor
intensidad. El centro de reacción del fotosistema I se denomina F700 por razones similares. Cuando la luz del sol incide sobre la membrana tilacoide, se absorbe energía simul-

PSII es un complejo de más de 20 polipéptidos diferentes, la
mayor parte codificados por el genoma del cloroplasto de
una célula vegetal. Nuestra comprensión de los sucesos que
ocurren en los centros de reacción PSII recibió un gran impulso en el decenio pasado cuando se comprobó que PSII
posee estructura y función muy similares a un centro de
reacción fotosintético (CRF) de la bacteria púrpura no sulfurosa Rhodopseiidomonas viridis. A mediados de los años 1980,
Johann Deisenhofer, Robert Huber y Helmut Michel, del
Max Planck Institute de Alemania, describieron la estructura del CRF bacteriano a nivel de resolución atómica. Estos
datos suministraron la primera imagen tridimensional de
una proteína de membrana (o complejo proteínico de membrana) en la forma que reside dentro de la bicapa del lípido
de una membrana celular (fig. 6-11, a). El CRF de esta bacteria púrpura contiene dos proteínas hidrófobas, denominadas subunidad L y subunidad M, unidas a varios pigmentos y centros redox (indicados en color en la figura 6-11, a,
y mostradas por separado de la proteína en la figura 6-11,
b}. Los centros redox se requieren para absorber luz y transferir electrones lejos de los pigmentos de los centros de reacción, como se describe en el pie de figura. En vez de analizar el mecanismo que emplea esta bacteria retornaremos al
fotosistema II, que efectúa una serie similar de reacciones
con una excepción importante: los sucesos en PSII dan como
resultado la separación del agua.
Una vez obtenida la secuencia de las subunidades L y
M del centro del CRF bacteriano se determinó su estructura
tridimensional, comprobándose que el PSII de la cianobacteria y de plantas evolutivamente elevadas contiene dos
proteínas pequeñas, denominadas DI y D2 (fig. 6-12, a),
cuya secuencia de aminoácidos mostró notable homología
con las dos subunidades bacterianas. Estudios subsecuentes demostraron que DI y D2 se-enlazan a la molécula de
clorofila P680 y a los centros redox del fotosistema para
efectuar las complejas actividades fotoquímicas requeridas
para oxidar el agua.

216

Aceptor de electrones
NADP+ +

"Fi -

-400

Sistema de
transporte
de electrones

-200
Aceptor de electrones

O

Sistema de
transporte de
electrones

+200
Moléculas
antena
Centro de reacción (P700)

+400

Fotón
incidente

Fotolisis

+600
2H+ i/202 e
e

Moléculas
antena

Fotosistema

Luz

Centro de reacción (P68Q)

+800
H30

Fotosistema II
H < ; i : R A f>-! Panorama del flujo de electrones durante las reacciones fotodependientes de la fotosíntesis. Los sucesos mostrados en este
esquema se describen en detalle en las siguientes páginas. Los diferentes portadores implicados en el transporte de electrones para la fotosíntesis
se indican en la figura 6-18.

Recolección de luz. El primer paso en la activación de
PSII es la absorción de luz por un pigmento antena. La
mayor parte de los pigmentos antena que recolectan luz
para PSII residen en un complejo pigmento-proteína separado, denominado complejo II captador de luz, o simplemente LHCII, el cual puede situarse fuera del propio f otosistema (fig. 6-12, a). Se ha aislado LHCII de cloroplastos de
plantas de guisantes en forma de un trímero que consta
de tres polipéptidos integrales de membrana (fig. 6-12, a).
Cada polipéptido mantiene enlaces no covalentes que lo
unen a casi 12 moléculas de clorofila (7 moléculas de clorofila a y 5 moléculas de clorofila b; fig. 6-12, b) y dos carotenoídes (mostrados en amarillo en la figura 6-12, b). Las
clorofilas cuelgan de las hélices del polipéptido a dos niveles diferentes respecto de la bicapa de lípidos; por esta razón, la disposición de las clorofilas se compara con ropa
colgada al aire para secar en dos cuerdas a diferente nivel.
Los carotenoides protegen el complejo de las especies reactivas de oxígeno.
Los pigmentos de LHC se encuentran en estrecho contacto entre sí, facilitando la rápida transferencia de energía

hacia el centro de reacción. Los complejos LHCII son muy
abundantes en las membranas tilacoides; se estima que casi
50% de todas las moléculas de clorofila sobre el planeta
están presentes como parte de un complejo LHCII. Según se
analiza en La vía experimental al final del capítulo, LHCII no
siempre se une a PSII, y en condiciones apropiadas puede
desplazarse a través de la membrana tilacoide y unirse a
PSI sirviendo como complejo captador de luz para el centro
de reacción PSI.
Transferencia de electrones dentro de PSII. La energía de excitación se transfiere de LHCII a un complejo antena interno situado en el plano central de la membrana y que
consta de proteínas íntimamente unidas a clorofila relacionadas con el centro de reacción PSII. En la figura 6-13 se
ilustra la secuencia de acontecimientos que ocurren en el
centro de reacción. Cuando se transfiere la energía de los
pigmentos antena centrales a P680, los pigmentos del centro de reacción responden (en unos 3 a 4 picosegundos)
transfiriendo un electrón fotoexcitado a una molécula de
feofitina, semejante a clorofila, con la que están íntimamente relacionados (paso 1, fig. 6-13), que es el aceptor primario

Lado

217

Lado L
BChl
(P)

BChl

BPh

200ps

(a)

(b)

r

-

QA

Fe

FI<;iHtl ' Estructura del centro de reacción fotosintético deK. viridis. a) Las cadenas de proteínas se representan por trazos de esqueletos
lisos: el citocromo se muestra en verde, la subunidad M en azul, la subunidad L en marrón y la subunidad H en púrpura. Los átomos de los
cofactores redox se dibujan en colores brillantes: carbonos en amarillo, nitrógenos en azul, oxígenos en rojo, magnesio en verde, b) La vía que
siguen los electrones a través del centro de reacción de R. viridis está indicada por la flecha ancha de color amarillo. Aunque hay dos conjuntos
de cofactores, la transferencia de electrones es muy asimétrica y ocurre casi exclusivamente a lo largo de la rama L mostrada a la derecha. Durante
la fotosíntesis, una molécula del pigmento (P) de bacterioclorofila absorbe la luz (molécula azul en la parte superior), que responde transfiriendo
un electrón excitado a un aceptor cercano (A) provocando la formación de un donador de electrones con carga positiva (P + ) y un aceptar de
electrones con carga negativa (A~). En R. viridis, A es la bacteriofeofitina (molécula roja), una molécula parecida a la clorofila que carece de ion
Mg 2+ . P + es deficiente en electrones y busca electrones; o sea, es un agente oxidante. Por lo contrario, A~ tiene un electrón extra que puede perder
con facilidad; o sea, es un agente reductor. Puesto que las especies con carga positiva y negativa muestran una atracción mutua evidente, es
esencial estabilizar las dos cargas separadas. La estabilización se logra transfiriendo electrones a una molécula de quinona (QA/ molécula
púrpura) situada en un punto lejano de la bacterioclorofila original. Los electrones excitados pasan subsecuentemente a la ubiquinona (UQ) para
formar un UQHi, que es un fuerte agente reductor. Por último, los electrones fluyen de un UQH2 de nuevo al pigmento del centro de reacción
deficiente de electrones generando un gradiente de protones a través de la membrana que se emplea en la síntesis de ATP. ps = picosegundo.
(a: Según Johann Deisenhofer y Helmut Michel, EMBO J. 8:2154, 1989, con permiso de Oxford University Press.)

de electrones. Esta transferencia de un electrón genera un
donador con carga positiva (P680+) y un aceptor con cargta
negativa (Feo~). La importancia de la formación de dos
especies con carga opuesta, P680+ y Feo~ puede ser más
evidente si consideramos la capacidad de oxidorreducción
de estas dos especies. P680+ es deficiente en electrones y
anda en busca de ellos, convirtiéndose así en un agente
oxidante. En contraste, Feo~ tiene un electrón extra que
puede perder con facilidad y por lo tanto es un agente reductor. Este hecho, la formación de un agente oxidante y un
agente reductor operado por la luz, que tarda menos de una
milmillonésima de segundo, es la esencia de la fotosíntesis.

P680+ es un agente oxidante fuerte, en tanto que Feo~
es un agente reductor débil. Se estima que el potencial redox
de la forma oxidada de P680 es alrededor de +1.1 V, lo
bastante fuerte para atraer con gran intensidad (baja energía) a los electrones del agua (potencial redox de +0.82 V)
y separar la molécula. La separación del agua durante la
fotosíntesis se denomina fotolisis.
Debido a su carga opuesta, P680+ y Feo~ muestran
notable atracción mutua. Igual que en el CRF bacteriano
ilustrado en la figura 6-11, la separación de cargas se estabiliza separando cargas que finalmente quedan en lados opuestos de la membrana. En PSII, Feo~ transfiere su electrón

218


LHC

(b)
FIGURA 6-12. Organización molecular del fotosistema II. a) El fotosistema II consta de varios polipéptidos, incluyendo DI y D2, unidos
a la clorofila del centro de reacción y los componentes redox relacionados. El centro de reacción está rodeado por complejos captadores de luz
(LHCII) cuya estructura trimérica se muestra en el recuadro, b) Vista lateral del monómero LHCII en la forma que reside dentro de la bicapa de lípidos {indicada por las bandas azules). El monómero contiene tres hélices alfa que rodean a toda la membrana, marcadas A, B y C, además de 12 moléculas de clorofila. Las porfirinas de la clorofila están dispuestas en dos niveles, correspondiendo regularmente a las dos hojas
de la bicapa (clorofila a, verde oscuro; clorofila b, verde claro; caroíenoides, amarillo; átomos de magnesio, esferas de color rosa), (a: Según G.
Renger, en Topics in Photosynthesis, /. Barber, ed., vol. 11, Elsevier, 1992; b: reimpreso con autorización deWernerKühlbrandt, Da NengWangy Yoshinori
Fujiyoshi, Nature 367:618, 1994, copyright 1994, Macmiüan Magazines Ltd.)

(paso 2, fig. 6-13) a una molécula de plastoquinona (designada QA) enlazada a la proteína DI en el lado externo (del
estroma) de la membrana. La plastoquinona (PQ) es una
molécula Hposoluble (fig. 6-14) de estructura similar a la
ubiquinona (fig. 5-12, c). El electrón de la plastoquinona
QA se transfiere (paso 3, fig. 6-13) a una segunda plastoquinona (designada QB), generando una forma semirreducida
de la molécula (Qé~) que permanece firmemente enlazada a la proteína DI del centro de reacción. Con cada una de
estas transferencias, los electrones se aproximan cada vez
más al lado del estroma de la membrana.
Conforme ocurren los acontecimientos descritos antes,
el agujero del electrón en el pigmento con carga positiva
(P680+) se llena mediante la transferencia de un electrón
(paso A, fig. 6-13) procedente de un residuo específico de
tirosina (designado Tirz) de la proteína DI, formando Tirz+
y P680 neutro. A su vez, Tir^"1" se reduce al aceptar electrones suministrados por el agua (paso B, fig. 6-13), según
analizaremos más adelante.
La absorción de un segundo fotón por P680 envía un
segundo electrón a lo largo de la vía, de feofitina a QA, a
Q B ~ para formar QB 2" (paso 4, fig. 6-13), que se combina
con dos protones para formar QsH2 (PQH2) (paso 5, figs. 613 y 6-14). Los protones empleados en la formación de PQHi
se derivan del estroma, lo que provoca disminución de la
concentración de H + del estroma (elevación de su pH). La
molécula PQH2 reducida se disocia de la proteína y es sus-

tituida por una nueva molécula QB recien oxidada procedente de la reserva de plastoquinona de la bicapa (paso 6,
fig. 6-13). En la siguiente sección seguiremos el destino de
los electrones (y protones) transportados por PQHj.
Flujo de electrones del agua a PSII
La parte menos conocida de toda la cadena que se extiende
desde el agua hasta NADP+ es el primer segmento entre
H2O y PSII. El desdoblamiento del agua es altamente
endergónico debido a la asociación estable del hidrógeno
con los átomos de oxígeno. Consideremos que en el laboratorio el desdoblamiento del agua requiere el empleo de una
fuerte corriente eléctrica o temperaturas que se aproximan
a 2 000°C. Aun así, una célula vegetal puede efectuar esta
hazaña en una montaña nevada utilizando la pequeña cantidad de energía procedente de la luz visible.
Se cree que la formación de una molécula de oxígeno
durante la fotolisis requiere la pérdida simultánea de cuatro
electrones procedentes de dos moléculas de agua, según la
reacción
2H2O -> 4H+ + O2 + 4eIncluso un centro de reacción PSII sólo puede generar a la
vez una carga positiva (P680+), o un equivalente oxidante.
En PSII se asocian cuatro iones manganeso (Mn) (fig. 6-13)
que desempeñan un papel vital en la formación de oxígeno.
Los cuatro iones reunidos acumulan cuatro cargas positi-


0
:

219

2H* (del estroma)

DESTELLO

Luz tilacoide

FIGURA 6-13. Organización funcional del fotosistema II. El dibujo muestra un modelo estructural de PSII, incluyendo los principales
componentes redox que se analizan en el texto. La vía que siguen los electrones está indicada por la flecha amarilla. Los acontecimientos
comienzan con la absorción de luz por P680, lo que provoca la excitación de un electrón y su transferencia (paso 1) a la feofitina (Feo), aceptar
primario de electrones de PSII. Subsecuentemente, el electrón pasa a QA (fase dos) y luego a Qg (paso tres) para formar un radical libre con carga
negativa (Qg~). La absorción de un segundo fotón envía un segundo electrón a lo largo de la misma vía convirtiendo en aceptor a Qs2~ (paso
cuatro); A continuación entran dos protones del estroma (paso cinco) generando QB!"^ (que en realidad es plastoquinona reducida, PQI-y, la
cual se libera en la bicapa de lípidos y es sustituida por una nueva molécula QB oxidada (paso seis). Conforme ocurren los sucesos anteriores,
los electrones se desplazan desde H2Ü por la vía Tirz al pigmento del centro de reacción con carga positiva (pasos B y A).

vas sucesivas que en el estado de oxidación proceden desde
O hasta +4. El grupo Mn alcanza el estado de oxidación +4
(o 64) transfiriendo cuatro electrones, uno a la vez, al P680+
cercano (vía Tirz+)- Después de transferir cada electrón a
P680+ para regenerar P680, el pigmento vuelve a oxidarse
(regresando a P680+) luego de absorber otro fotón. Por lo
tanto, la acumulación de cuatro cargas positivas (equivalentes oxidantes) en el grupo Mn se efectúa gracias a la
absorción sucesiva de cuatro fotones en el centro de reacción PSII. Una vez logrado esto, el oxígeno liberado en el
complejo PSII puede catalizar la eliminación de 4e~ de las
moléculas 2H2Ü, generando un O2 y regenerando al grupo
Mn completamente reducido (estado SQ). Este proceso se
puede escribir como

4H++O 2 2H2O

)

4ehv-

hv.

hv-

La reacción requiere la presencia de iones cloro y iones calcio; la razón de estos cofactores todavía no es clara.
Los protones producidos en la reacción de fotolisis se
desplazan a la luz del tilacoide donde contribuyen al gradiente de protones. La demostración de la acumulación de
equivalentes oxidantes sucesivos se obtuvo por primera vez
exponiendo células de algas a destellos muy breves de luz
(1 /fseg). Después de 1 o 2 destellos prácticamente no se
libera oxígeno. Las células deben iluminarse varias veces
para que detecten una cantidad cuantificable de Ü2, lo que
indica que para liberar O2 debe acumularse el efecto de
fotorreacciones individuales (fig. 6-15).
De PSII a PSI
Anteriormente se describió cómo la absorción de dos fotones sucesivos en el centro de reacción PSII conduce a la
formación de una molécula de plastoquinona totalmente
reducida (PQH2) que se libera en el interior de la reserva de
PQ en la bicapa de lípidos. PQH2 es un transportador
de electrones movibles cuya estructura y función es similar

220


CH3
(CH,-CH=C-CrU,-H

FIGURA 6-16. Transporte de electrones entre PSII y PSI. El flujo
de electrones está indicado por la flecha amarilla. Los pasos se describen en el texto.

CH 3
~ CH= C
OH

Plastoquinol
FIGURA 6-14. Plastoquinona. La aceptación de dos electrones y de
dos fotones reduce PQ (plastoquinona) a PQH2 (plastoquinol).

a UQH2 de la cadena respiratoria de las mitocondrias (pág.
184). Durante la fotosíntesis, los electrones procedentes de
PQH2 se transfieren a un complejo multiproteínico denominado citocromo b$f(paso 1, fig. 6-16), en tanto que los protones se liberan en el interior de la luz tilacoide (paso 2, fig.
6-16). Puesto que estos protones originalmente se derivan
del estroma, su liberación en la luz constituye una translocación de protones a través de la membrana tilacoide (fig.
6-18). Los electrones procedentes del citocromo í^/se trans-

i i i i i i i i i i i I
12

16

Destello número
FIGURA 6-15. Medición de la cinética de liberación de C>2. La
gráfica muestra la respuesta de doroplastos aislados que se mantuvieron en la oscuridad a destellos sucesivos de muy breve duración. La
cantidad de oxígeno liberada es máxima cada cuatro destellos de luz.
El primer máximo ocurre después de tres destellos (en vez de cuatro)
debido a que la mayor parte de las proteínas que contienen manganeso se presentan en el estado M1+ cuando se mantienen en la oscuridad.

fieren a otro transportador de electrones móviles, una proteína hidrosoluble que contiene cobre denominada plastocianina, situada en el lado luminal de la membrana tilacoide
(paso 3, fig. 6-16). La plastocianina transporta electrones al
lado luminal de PSI, donde se transfieren a P700+, el pigmento con carga positiva del centro de reacción PSI (paso 4,
fig. 6-16).
Operación PSI y reducción de NADP+
Los sucesos fotoquímicos que tienen lugar en PSI se inician
con la absorción de fotones por un complejo captador de
luz (denominado LHCI) que contiene moléculas antena
de clorofila formando un complejo de varios polipéptidos
diferentes. La energía de la excitación pasa de los pigmentos antena al centro de reacción PSI, una multiproteína compleja grande que contiene varios centros redox diferentes
(fig. 6-17). El pigmento del centro de reacción es una molécula de clorofila a, P700, que al aceptar la energía de la
excitación se convierte en P700+ oxidado. La oxidación del
pigmento ocurre conforme se transfiere un electrón a una
segunda molécula de clorofila a (designada AO), que actúa
como aceptor primario de electrones (paso 1, fig. 6-17). La
separación de cargas en PSI que acompaña a la absorción
de un fotón da como resultado la formación de un agente
oxidante débil (P700+) y un agente reductor fuerte (Ao~). El
agente reductor formado en PSI debe tener un potencial
redox suficientemente negativo (estimado en —0.7V) capaz
de reducir NADP+ (potencial redox de -0.324 V).
La separación inicial de cargas se estabiliza por la transferencia del electrón de AQ~ a través de varias "manos",
incluyendo un tipo de quinona denominadofiloquinona(designado Aj) y tres centros de hierro y azufre (designados
FX, FB y FA), todos formando parte del centro de reacción
PSI (pasos 2-4, fig. 6-17). La formación de P700+ ocurre en
el lado luminal de la membrana y el electrón que pierde el
aceptor primario pasa a través de la membrana hasta los
centros de hierro y azufre del lado del estroma. A continuación, el electrón se transfiere a una pequeña proteína periférica de hierro y azufre denominada ferredoxina (paso 5, fig.
6-17). De la ferredoxina, el electrón pasa al NADP+ junto
con un protón, formando NADPH (paso 6, fig. 6-17). Esta
reacción es catalizada por una enzima grande denominada
ferredoxina-NADP+ reductasa (FNR). Puesto que necesita
dos electrones para formar NADPH y una molécula indivi-

CAPITULO 6 • Fotosíntesis y dorophstos
H + + NADP +

221

NADPH

FIGURA 6-17. Organización funcional del
fotqsistema I. El dibujo muestra un modelo estructural de PSI, incluyendo los principales componentes redox analizados en el texto. Los sucesos se inician con la absorción de luz por P700, lo
que provoca la excitación de un electrón y su
transferencia (paso uno) a AQ, el aceptor primario
de electrones de PSI. Posteriormente el electrón
pasa a A; (paso dos) y luego a un centro de hierro
y azufre denominado FX (paso tres) y después a
través de dos centros más de hierro y azufre (FA
y FE), y por último a la ferredoxina, una proteína
pequeña de hierro y azufre (paso cinco). Cuando
dos moléculas diferentes de ferrodoxina han
aceptado un electrón, actúan juntas para reducir
una molécula NADP+ a NADPH (paso seis). El
pigmento deficiente en electrones se reduce por
medio de un electrón donado por plastocianina
(paso A).

Luz tilacoide

dual de ferredoxina sólo puede aceptar un electrón, durante la reducción deben actuar juntas dos ferredoxinas:
2 Ferredoxinare(j + H +
NADP+

ferredoxina-NADP + reductasa

2 ferredoxinaov + NADPH

La eliminación de un protón del estroma aumenta el gradiente de protones a través de la membrana tilacoide.
No todos los electrones que pasan a la ferredoxina terminan inevitablemente en NADPH; pueden tomar rutas
alternas, según el organismo particular y las condiciones
del momento. Por ejemplo, los electrones procedentes de
PSI pueden pasar a varios aceptares inorgánicos, que por lo
tanto se reducen. Estas vías para electrones a veces conducen a la reducción final de nitrato (NOs") a amonio (NHs)
o de sulfato (SO42~) a sulfhidrilo (—SH), reacciones que
convierten "desperdicios" inorgánicos en compuestos necesarios para la vida. Por lo tanto, la energía de la luz solar
se emplea no sólo para reducir los átomos de carbono
más oxidados (del COa), sino también para reducir formas
altamente oxidadas de nitrógeno y también átomos de
azufre.
Si reconsideramos todo el proceso de transporte de electrones que tiene lugar durante la fotosíntesis oxigéníca (resumida en la figura 6-18), podemos observar que los elec-

trones viajan del agua al NADP+ por acción de dos f otosistemas que absorben luz que generan C>2 y NADPH. Además,
se establece un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide como resultado de la eliminación de H + del
estroma y liberación de H + en la luz tilacoide. La contribución al gradiente de protones (fig. 6-18) tiene su origen en:
1) separación del agua; 2) adición de 2H+ a Qe2~ para formar QeH2 y la liberación subsecuente de los protones por el
citocromo b^f, y 3) reducción del NADPH. Es necesario absorber cuando menos ocho fotones (cuatro por cada fotosistema) para la formación de una molécula de Ü2 y dos
moléculas de NADPH.

6-5

Fotofosforilación

La conversión de un mol de CC>2 a un mol de carbohidrato
(CH2Ü) requiere el ingreso de una cantidad considerable
de energía; específicamente, tres moles de ATP y dos de
NADPH (fig. 6-22). El mecanismo para la síntesis de ATP
en un cloroplasto es prácticamente idéntico al de la mitocondria y la membrana plasmática de las bacterias aerobias.
Igual que en otros casos, la ATP sintasa (fig. 6-18) consta de
una pieza cabeza (denominada CFi en los cloroplastos), que
contiene el sitio catalítico de la enzima, y una pieza basal
(CFo) integrada en la membrana, que forma un canal para

222


Estroma
CF
P, + ADP

¡U.

ATP :

Luz
tilacoide

2NADPH
2H 4 +2NADP1

FIGURA 6-1 íi. Resumen de las reacciones fotodependientes. a) Resumen del flujo de electrones procedentes de H2O hacia NADPH a través de los tres complejos transmembrana. Se muestra el menor número
de protones translocados a través de la membrana como resultado de
la oxidación de dos moléculas de agua. Se pueden translocar otros
protones como resultado de la reducción de moléculas adicionales de
plastoquinona, la acción de una bomba de protones, o ambos. También
se muestra la ATP sintasa de la membrna tilacoides que se analiza en
la siguiente sección. Los experimentos sugieren que se requieren tres
protones para sintetizar cada molécula de ATP. b) Versión detallada del
esquema Z que muestra la energética de los dos fotosistemas y los diferentes transportadores de electrones implicados en las reacciones
fotodependientes.

cit bsf

Reserva PQ

(a)
P700'
<-flx
',BVH FNR
f ' F d •—

-400 i-

-200

O

P680*

Feo

X

+200
'-Fe-S

1 P700 |

+400

+600

+800

+1000

HA
O,

Ttr 2
.

(b)

protones. Las dos partes están conectadas por un tallo. Las
diferentes partes de la ATP-sintasa se construyen a base de
polipéptidos homólogos a los encontrados en las enzimas
bacterianas y mitocondriales.

Los grandes complejos ATP-sintasa no se distribuyen
uniformemente a través de la membrana tilacoide, pero se
localizan de manera preferencia! en las laminillas del estroma y en las regiones expuestas de las grana (fig. VE 6-4).


Las piezas cabeza, CFi, se proyectan por fuera al interior
del estroma conservando la orientación del gradiente de
protones, cuya concentración más alta está en la luz tilacoide. Por lo tanto, los protones se desplazan desde el sitio
de mayor concentración en la luz por medio de la ATPsíntasa al interior del estroma, y por lo tanto opera el proceso de fosforilación.
Cuando la fotosíntesis se lleva a cabo con cloroplastos
aislados, el medio en el cual se encuentran inmersos se
alcaliniza conforme los protones son translocados a través
de las membranas tilacoides al interior de la luz del tilacoide.
Las mediciones efectuadas durante periodos de síntesis
máxima de ATP sugieren que hay diferencias de concentración de H + de 1 000 a 2 000 veces a través de las
membranas tilacoides, lo que corresponde a un gradiente
de pH (ApH) de 3 a 4 unidades. El movimiento de protones
dentro de la luz durante el transporte de electrones se compensa por el movimiento de otros iones, de modo que no se
establece un potencial de membrana significativo. Por lo
tanto, a diferencia de las mitocondrias, la fuerza motriz de
protones (Ap) que actúa en los cloroplastos se debe principal o exclusivamente a un gradiente de pH. Puesto que la
luz de los tilacoides está prácticamente desprovista de enzimas, el pH bajo de este compartimiento (pH 4.5) no tiene
efecto nocivo sobre la actividad celular.
Fosforilación no cíclica en comparación
con la cíclica
La formación de ATP durante el proceso de fotosíntesis
liberadora de oxígeno se denomina fotofosforilación no
cíclica debido a que los electrones se desplazan en una vía
lineal (o sea, no cíclica) desde H2O a NADP+ (fig, 6-18).
Durante el decenio de 1950 se demostró que cloroplastos
aislados eran capaces de formar ATP en ausencia de NADP+
o de CÜ2- Todo lo que se necesita es luz, cloroplastos, ADP
y Pj. El proceso descubierto posteriormente se llamó fotofosforilación cíclica y se ilustra en la figura 6-19. PSI lleva a
cabo la fotofosforilación cíclica de manera independiente
de PSII. El proceso se inicia con la absorción de un quantum

223

de luz en PSI y la transferencia de un electrón de alta energía al aceptor primario. A partir de allí, el electrón se transfiere a lo largo de la ferredoxina, como siempre es el caso,
pero en vez de transferirse al NADP+ el electrón pasa de
nuevo al centro de reacción deficiente en electrones, para
completar el ciclo. Durante el flujo de electrones en este
trayecto se libera suficiente energía libre para translocar
protones a través de la membrana por medio del complejo
citocromo bg/ y para establecer un gradiente de protones
capaz de efectuar la síntesis de ATP. La preponderancia de
fotofosforilación cíclica en comparación con la no cíclica en
un cloroplasto particular refleja presumiblemente las necesidades de la célula de ATP, NADPH y carbohidratos en
ese momento.

6-6 Fijación de dióxido de carbono
y formación de carbohidratos
Después de la segunda guerra mundial, Melvin Calvin y
sus colegas, de la Universidad de California, en Berkeley,
iniciaron lo que se conoció como el decenio largo del estudio de las reacciones enzimáticas mediante las cuales se
asimila dióxido de carbono en las moléculas orgánicas de
las células. Armados con el recientemente disponible isótopo radiactivo de carbono (14C) de vida media prolongada, y
la nueva técnica de cromatografía bidimensional en papel,
emprendieron la tarea de identificar todas las moléculas
marcadas formadas donde se permite a las células utilizar
[14C]C>2. Los estudios comenzaron con hojas de plantas, pero
pronto se cambió a un sistema más sencillo, el alga Clordla.
Las algas cultivadas crecieron en cámaras cerradas en presencia de CC>2 no marcado y luego se introdujo CC>2 radiactivo (en forma de gas disuelto) mediante inyección en el
medio de cultivo. Luego de determinado tiempo de incubación con CÜ2 marcado, se drenó de líquido la suspensión de
algas y se pasó a un contenedor con alcohol caliente para
matar las células de inmediato, deteniendo la actividad
enzimática, y para extraer moléculas solubles. A continuación se colocaron los extractos de las células como puntos
sobre papel cromatográfico y sujetados a cromatografía bidimensional. Para identificar el sitio de los compuestos radiactivos al final del procedimiento, se comprimió un pedazo de película de rayos X contra el cromatógrafo y las
placas se mantuvieron en la oscuridad para exponer la película. Después de revelar las fotografías, los compuestos
radiomarcados se identificaron comparando los estándares
conocidos y también por análisis químicos.

La vía Cg

FIGURA 6-1 <J. Esquema simplificado de la fotofosforilación cíclica. La absorción de luz por PSi excita un electrón que se transfiere a
la ferredoxina (paso 1) y al citocromo b¿f (2), a plastocianina (3), y
regresa a P700+ (4). En el proceso, el complejo citocromo transloca
protones.

Se encontró que la conversión de CÜ2 marcado a compuestos orgánicos reducidos ocurre de manera muy rápida. Si el
periodo de incubación es muy breve (unos pocos segundos), predomina un punto de radiactividad sobre el cromatograma (fig. 6-20). Se determinó que el compuesto es un 3fosfoglicerato (PGA), uno de los intermediarios de la glucólisis. Puesto que el primer intermediario que se identificó fue
la molécula PGA de tres carbonos, estas reacciones se cono-

224


•5 segundos de fotosíntesis cor
Chlorel la
Azúcar iJ1 fosfato;

FIGURA 6-20 Cromatograma que muestra los resultados de un
experimento en el cual células de algas se incubaron durante cinco
segundos con 14COz antes de sumergirlas en alcohol. Un punto, que
corresponde a 3-fosfoglicerato (PGA marcado) contiene la mayor
parte de la radiactividad. (Cortesía de James Bassham y Melvin Calvin.)

cieron como vía €3. Inicialmente, Calvin sospechó que el
CÜ2 se unía por enlaces covalentes (o se fijaba) a un compuesto de dos carbonos. Sin embargo, luego de una investigación considerable se descubrió que el aceptor inicial era
un compuesto de cinco carbonos, ríbulosa 1,5-difosfato
(RuBP), el cual al condensarse con CÜ2 forma una molécula
de seis carbonos. Este compuesto de seis carbonos se fragmenta de inmediato en dos moléculas de PGA, una de las
cuales contiene el átomo de carbono recién añadido.
El papel de la ribulosa 1,5-difosfato como aceptor de
CÜ2 se demostró en varios experimentos, como el ilustrado
en la figura 6-21. Es bien sabido que cuando se administra
CÜ2 marcado a las células, luego de cierto periodo cada uno
de los puntos presenta máxima radiactividad; o sea, se saturan de radiactividad. Se ha observado que las células expuestas durante suficiente tiempo a [14C]Ü2 en la luz para
saturar de radiactividad a los intermediarios presentan ele-

Oscuridad

Luz

I

20-

Fosfoglicerato
•s

10

Ribulosa difosfato
—..~.
o,

100

200

300

Tiempo (segundos)

Luz apagada

FIGURA 6-2 ]. Datos en apoyo de la hipótesis de que RuBP es el
compuesto al cual se fija el CÓ2- Cuando se apagaron las luces que
iluminaban un cultivo de algas con una cantidad máxima de isótopos
marcados, hubo un descenso casi inmediato de la concentración de
RuBP y la correspondiente elevación de la concentración de PGA. Esto
sería de esperar si se consumiera RuBP durante la fijación de CO2,
paso que conduce a la formación de PGA.

vacióh inmediata de radiactividad en PGA y descenso inmediato de radiactividad en ribulosa 1,5-disfosfato (fig. 6-21)
cuando se apaga la luz. La razón de este resultado se demuestra al considerar la necesidad de ATP y NADPH sintetizados en las reacciones de luz para la síntesis de RuBP
(fig. 6-22, &). En ausencia de ATP y de NADPH, el PGA
marcado no puede convertirse a otros intermediarios ni
pueden formarse nuevas moléculas de RuBP. En contraste,
la condensación de CC>2 con RuBP y la subsecuente conversión a PGA pueden continuar debido a que esta reacción no
depende de productos de alta energía formados en las
reacciones con luz. Por consiguiente, la radiactividad de
PGA se eleva, en tanto que la radiactividad de RuBP desciende.
Tanto la condensación de RuBP con CÜ2 como la separación del producto de seis carbonos (fig. 6-22, a) tienen
lugar en el estroma por medio de una enzima grande de
múltiples subunidades, ribulosa difosfato carboxilasa. Esta
enzima, conocida comúnmente como "Rubisco", sólo es
capaz de fijar tres moléculas de CC>2 por segundo, y por lo
tanto debe estar presente en gran cantidad dentro del cloroplasto. En realidad, Rubisco constituye la proteína más abundante sobre la Tierra, y equivale a casi la mitad de la proteína de la mayor parte de las hojas o cerca de 10 kg por cada
ser humano del planeta.
Conforme se determinó la estructura de varios intermediarios, junto con la posición de los átomos de carbono
marcados, cada vez fue más aparente que la vía para convertir CC-2 en carbohidratos es básicamente circular. En la
figura 6-22, b, se muestra una versión "abreviada" de la vía.
El círculo comprende tres partes principales: 1) carboxilación
para formar PGA; 2) reducción de PGA a gliceraldehido 3fosfato (GAP) utilizando el NADPH y el ATP formados por
transporte de electrones en las reacciones dependientes de
luz, y 3) la regeneración de RuBP, que requiere ATP adicional. En la figura 6-22, b, se puede observar que por cada seis
moléculas fijadas de CÜ2 se producen 12 moléculas de GAP
(GAP es el punto marcado como triosa fosfato sobre el
cromatograma de la figura 6-20). Los átomos en 10 de estas
moléculas GAP de tres carbonos se redisponen para regenerar seis moléculas del aceptor de cinco carbonos de CC>2,
RuBP (fig. 6-22, b). Las otras dos moléculas GAP se pueden considerar como productos. Estas moléculas GAP
pueden exportarse al citoplasma, donde se convierten en el
disacárido sacarosa o se oxidan por medio de glucólisis y
el ciclo del ácido tricarboxílico para suministrar ATP en el
citoplasma. Alternativamente, GAP puede permanecer en
el cloroplasto, donde se convierte en almidón.
Las moléculas de sacarosa formadas en el citoplasma a
partir del GAP de la vía Cs se transportan fuera de las células de la hoja y dentro de la corteza, donde se transfieren a
los diferentes órganos no fotosintéticos de la planta. Así
como la glucosa sirve como fuente de energía y unidad
orgánica de construcción en la mayor parte de los animales,
la sacarosa tiene un papel análogo en casi todas las plantas.
Por otra parte, el almidón se almacena dentro de las células
vegetales en forma de granulos (fig. 2-16, b}. De la misma
manera que el glucógeno almacenado suministra a los animales una glucosa rápidamente disponible en tiempos de
necesidad, el almidón almacenado en las hojas proporciona


azúcares a la planta durante la noche cuando cesa la fotosíntesis.
De las reacciones de la figura 6-22, b, es evidente que la
formación de carbohidratos es una actividad costosa. La
conversión de seis moléulas de CÜ2 a una molécula de azúcar de seis carbonos y la regeneración de RuBP requiere 12

225

moléculas de NADPH y 18 moléculas de ATP. Este gran
consumo de energía refleja el hecho de que CC>2 es la forma
más altamente oxidada de la cual se puede obtener carbono. Las reacciones que constituyen la vía C^ (también denominada ciclo Calvin o ciclo de reducción de la pentosa
fosfato) ocurren en cianobacterias y en todas las células fo-

CH2OPO f

C

CH?OPO
I ¿
C-OH

CJ

ChLOPOr
I ¿
C^OH H

c=o
I

O

HC-OH

HC-OH
1

CH2OPO P

HC-OH

o
I

o=c-oI

H

HC-OH

CH2OPO f

CH2OPO f

Intermediario

3-PGA

(Forma ene-diol)

(a)
HO-C-COC

6 (C02)

C-0
I
HCOH

SEPARACIONES

6 carboxilasa intermediaria

12(PGA)

HCÍOH

6 (RuBP)
HCOH
I
HCOH

Ciclo de Calvin-Benson

CH2OPOf

12ADP + 12P¡

0
6ADP + 6P

10 (GAP)
H
I
C=0

CH2OPOf

rx

HCOH
I
_
CH2OPO

cH2opor 2 NADPH
12 NADP+
2 GAP

»> Fructosa —-*-Sacarosa
1,6-difosfato

(b)
FIGURA 6-22. Conversión de COz en carbohidrato, a) Reacción catalizada por ribulosa difosfato carboxilasa para fijar CO2 por unión a RuBP.
El producto se desdobla rápidamente en dos moléculas de 3-fosfoglicerato. b) Una versión abreviada del ciclo de Calvin que muestra el destino
de seis moléculas de CC>2 fijadas por combinación con seis moléculas de RuBP. (Se han borrado numerosas reacciones.) La fijación de CX>2 se
indica en el paso 1. En el paso 2 se fosforilan las 12 moléculas PGA para formar 12 moléculas de 1,3-difosfoglicerato, que en el paso 3 sufren
reducción por electrones suministrados por NADPH para formar 12 moléculas de gliceraldehido 3-fosfato (GAP). En el caso que aquí se muestra,
se eliminan dos moléculas GAP (paso 4) para emplear en la síntesis de sacarosa en el citosol, que se puede considerar el producto de las reacciones
independientes de luz. Las otr^s 10 moléculas se convierten en seis moléculas de RuBP (paso 5), que pueden actuar como aceptares de seis
moléculas más de CÜ2. La regeneración de 6 RuBP requiere la hidrólisis de seis moléculas de ATP. NADPH y ATP empleados en la formación
de carbohidratos en el ciclo de Calvin son los dos productos de alta energía de las reacciones foto-dependientes.

226


íosintéticas eucariotas; forman la única vía significativa para
que el carbono inorgánico presente en la atmósfera se convierta en las complejas moléculas biológicas necesarias para
la vida. La mayor parte de las enzimas del ciclo Calvin
también se encuentran en otras vías, incluyendo la glucólisis. Una vez más, es evidente la importancia de las membranas en la compartamentalización celular. Aunque muchos
de los intermediarios formados en el ciclo Calvin también
son sustratos en otras vías, su formación dentro del estroma
del cloroplasto los aisla de las enzimas del citoplasma.
Fotón'espiración

Un punto de los que aparecieron en los primeros cromatogramas de los trabajos de Calvin con células de algas se
identificó como el compuesto glucolato, el cual fue ignorado (correctamente) al formular la vía C$ de la figura 6-22.
Aunque el glucolato no forma parte de la vía Cs, es producto de una reacción catalizada por Rubisco. Casi 20 años
después de observar que Rubisco cataliza la unión de CÜ2
a RuBP se descubrió que Rubisco también cataliza una segunda reacción, en la cual se une C>2 a RuBP para formar 2fosfoglucolato (fig. 6-23), el cual subsecuentemente se convierte dentro del estroma a glucolato mediante la acción de
una enzima. El glucolato formado en el cloroplasto se transfiere a la mitocondria y finalmente conduce a la liberación
de CC>2, como describiremos posteriormente (fig. 6-25).
Esta serie de reacciones implica captación de Oj y liberación de CC>2, por lo que se denomina f otorrespiración. La
fotorrespiración libera moléculas de CÜ2 recién fijadas y
por esa razón se considera un desperdicio de la energía de

la planta. En realidad, la fotorrespiración puede explicar la
pérdida hasta de 50% del dióxido de carbono recién fijado
por plantas cultivadas que crecen en condiciones de iluminación muy intensa. Por lo tanto, como sería de esperar,
desde hace varios decenios se desarrrolla un esfuerzo concertado para desarrollar plantas con menor probabilidad de
efectuar la fotorrespiración. Hasta ahora, estos esfuerzos
prácticamente han sido infructuosos, como se analiza en
detalle en el ensayo La perspectiva humana: "Mejores" plantas
por medio de ingeniería genética.
Estudios de la actividad enzimática de Rubisco purificado muestran que la enzima no tiene preferencia por CÜ2
como sustrato en comparación con C*2. La razón de esta
falta de especificidad es que al parecer ni el CÜ2 ni el C»2 se
unen al sitio activo de la enzima. Más bien, la enzima se une
a RuBP, que adopta la forma enediol mostrada en la figura
6-23. Esta forma de RuBP puede entonces ser atacada por
CÜ2 o por C>2 para formar PGA o fosfoglucolato, respectivamente. Considerada de esta manera, la fotorrespiración
parece ser una consecuencia inevitable de las propiedades
químicas de RuBP. Puesto que C»2 y CÜ2 compiten entre sí,
la dirección predominante de la reacción es determinada
por la proporción CÜ2/O2 disponible para la enzima. SÍ las
plantas crecen en ambiente cerrado con concentración elevada de CÜ2, tienen capacidad para crecer con mucha mayor rapidez en virtud de su elevada tasa de fijación de CC>2.
Por lo contrario, cuanto mayor sea la concentración relativa
de C>2 en comparación con la de CC>2, la planta participa
más en la fotorrespiración y es menor la fijación de dióxido
de carbono. Dos grupos de plantas, denominadas 04 y MAC,

0 2 CO ;

H2C-OP032-

oc=o
H-C-OH
H2C-OP032Oxigenasa intermedia
H2C-OP032~
I
C=0
I
H-C-OH
H-C-OH
H2C-OP032~
RuBP

H2C-OP032~
3-PGA

O
II

+

2HH

c-o-

H2C-OP0322-fosfogl¡colato

H2C-OPQ32HO-C-COOI
C=0
I
H-C-OH
H2C-OP032Carboxilasa intermedia

FIGURA 6-23. Reacciones de la fotorrespiración. El Rubisco puede catalizar dos reacciones diferentes con RuBP como sustrato (mostradas
en estado enediol dentro del plano). Si RuBP reacciona con O2 (paso Ib) se produce una oxigenasa intermedia (paso 2b) que se desdobla en 3PGA y 2-fosfoglicoíato (paso 3b). Las reacciones subsecuentes de fosfoglicolato se muestran en la figura 6-25. El resultado final de estas reacciones
es la liberación de CO2, una molécula de la que la célula gasta previamente energía para fijarla. En contraste, si la molécula RuBP reacciona con
CO2 (paso la), se produce una carboxilasa intermedia (paso 2a) que se rompe en dos moléculas de PGA (paso 3a), la cual continúa a través del
ciclo de Calvin.


han superado los efectos negativos de la fotorrespiración
desarrollando una innovación evolutiva que incrementa la
proporción CÜ2/O2 a la cual se exponen las moléculas de
la enzima Rubisco.
Plantas €4
En 1965, Hugo Kortschak publicó que cuando se suministra [14C]Ü2 a la caña de azúcar, la radiactividad aparece
primero en los compuestos orgánicos que contienen un esqueleto de cuatro carbonos y no en la molécula PGA de tres
carbonos, como se observa en otros tipos de plantas. Un
análisis más detallado reveló que los compuestos de cuatro
carbonos (predominantemente malato y oxalacetato) son
resultado de la combinación de CÜ2 con fosfoenolpiruvato
(PEP), y por lo tanto representan un segundo mecanismo
de fijación del dióxido de carbono atmosférico (fig. 6-24). La
enzima encargada de unir CÜ2 a PEP se denominó fosfoenolpiruvato carboxilasa y cataliza el primer paso de la vía €4 (o
Hatch-Slack). Las plantas que utilizan esta vía se conocen
como plantas C^ y están representadas principalmente por
las hierbas tropicales. Antes de considerar el destino de estos átomos de carbono recién fijados es útil examinar las
razones de la evolución de una vía alternativa para fijar
CO2.

227

Cuando se colocan plantas en una cámara cerrada y se
vigila su actividad fotosintética, una vez que la concentración de CÜ2 en la cámara disminuye a casi 50 partes por
millón (ppm), en la mayor parte de los casos se observa que
la fotosíntesis prácticamente se detiene. En contraste, una
planta que utiliza la vía C¿ continúa la fotosíntesis hasta
que la concentración de CÜ2 ha descendido a 1 o 2 ppm. La
razón de esta diferencia es que la PEP carboxilasa puede
seguir operando con concentraciones mucho más bajas de
CC>2 en comparación con la enzima Rubisco, pero ¿cuál es el
valor de que una planta pueda fijar COj a concentraciones
tan bajas cuando la atmósfera invariablemente contiene CÜ2
en concentraciones muy superiores a 200 ppm? El problema se complica todavía más cuando se comprueba que: 1)
el empleo de PEP requiere un consumo adicional de ATP, y
2) las plantas no tienen una vía biosintética directa que conduzca de malato o de oxalacetato a carbohidrato.
El valor de la vía €4 es evidente cuando se colocan
plantas C^ en un ambiente seco y caliente, similar al de
donde viven muchas de ellas. El problema más grave al que
hacen frente las plantas que viven en un clima seco y caliente es la pérdida de agua, llamada transpiración, que invariablemente acompaña a la captación de CÜ2. El dióxido de
carbono entra a las hojas de las plantas a través de orificios
situados en la superficie, denominados estomas, y por los
cuales el agua también puede escapar. Las plantas C4 se

FIGURA 6-24. Estructura y función de las plantas Cj. Micrografía electrónica de un corte transversal a través de la hoja de una planta €4
que muestra la relación espacial entre las células mesófllas y los haces de células de las vainas. Superpuestas en la micrografía se encuentran
las reacciones de fijación de COi que ocurren en cada tipo de célula. En el paso 1, la enzima carboxilasa PEP une COi a PEP en una célula mesófila
localizada cerca de! exterior de la hoja. Los compuestos de cuatro carbonos formados se transportan a las células más centrales localizadas en
el haz de la vaina (paso 2), donde se libera CO2- El COi se concentra mucho en las células de las vainas, lo que favorece la fijación de CO2 por
la enzima carboxilasa RuBP (Rubisco) para formar 3-PGA (paso 3), el cual puede circular a través del ciclo de Calvin. El piruvato formado cuando
se- libera COi se envía de regreso a la célula mesófila (paso 4), donde se convierte en PEP. Aunque el proceso requiere la hidrólisis de ATP {paso
5), la elevada proporción de CÜ2/O2 en las células de las vainas reduce al mínimo el efecto de la fotorrespiración. (Micrografía electrónica cortesía
de S. Craig.)

228


adaptan a los ambientes calientes y áridos debido a que
tienen la capacidad de cerrar sus estomas para prevenir la
pérdida de agua e incluso también pueden mantener una
captación suficiente de CC»2 para suministrar combustible a
su actividad fotosintética a tasa máxima. Se dice que son
fotosintetizadores de "elevada eficiencia" debido al alto
grado de fotosíntesis por unidad de agua perdida. Por esta
razón, las hierbas silvestres, plantas ¿4, tienden a invadir
los terrenos, desplazando a las hierbas domésticas Cj originalmente plantadas. La caña de azúcar, el maíz y el sorgo
son las plantas cultivadas más importantes que utilizan la
vía C<j. Puesto que las plantas C4 se desarrollan escasamente
en temperaturas frías, su distribución está muy limitada a
latitudes al sur y al norte.
Como se mencionó anteriormente, no hay vía directa
de malato o de oxalacetato a carbohidrato. Cuando se sigue
el destino del CC>2 fijado por medio de la vía C^, se observa
que el grupo COj pronto se libera sólo para ser capturado
por Rubisco y convertido en un intermediario metabólico
de la vía Cs (fig. 6-24). La razón para que las plantas C4
participen en este metabolismo aparentemente paradójico
es evidente cuando se examina la anatomía de sus hojas. A
diferencia de las plantas Cs, las hojas de las plantas C4 contienen dos cilindros concéntricos de células. El cilindro exterior está formado por células mesó/Has y el cilindro interno
por haces de células envainadas (fig. 6-24). La fijación de CC»2
a PEP ocurre en las células mesófilas externas. La actividad
de la PEP carboxilasa puede continuar, incluso cuando los
estomas de las hojas están casi enteramente cerrados y la
concentración de CÜ2 en las células es muy baja. Una vez
formados, los productos C4 se transportan a los haces de
células envainadas, sellados a gases atmosféricos. Una vez
dentro de las células envainadas, el CC»2 puede separarse
del C4 transportador, de manera que se produce una concentración elevada de CÜ2 en estas células interiores, concentración adecuada para la fijación efectuada por Rubisco. La
concentración del dióxido de carbono en las células envainadas puede ser 100 veces mayor en comparación con la
mesófila. Por lo tanto, ta vía C4 suministra un mecanismo
para controlar la fijación de CC>2 efectuada por la vía menos
eficiente C$ bombeando CC>2 en el haz envainado. Una vez
separado el CÜ2 del compuesto de cuatro carbonos, el
piruvato formado retorna a las células mesófilas para volverse a cargar como PEP (fig. 6-24). Además de ahorrar
agua, las plantas que utilizan la vía C4 tienen capacidad
para generar una proporción de CÜ2/O2 elevada en el
ambiente local de Rubisco, y por lo tanto favorecen el proceso de formación de CC>2 de preferencia al de fotorrespiración. En realidad, de ordinario fracasan todos los intentos
para demostrar fotorrespiración en las hojas intactas de C4.

Plantas MAC
Menos de 5% de las plantas poseen otra adaptación bioquímica que les permite sobrevivir en habitat muy calientes y
secos, como los desérticos. Estas plantas, denominadas plantas MAC, incluyen las suculentas (cactus), utilizan PEP
carboxilasa para fijar el CC»2 atmosférico igual que las plantas
C4, pero efectúan las reacciones que dependen de luz y la

fijación de CC>2 en momentos diferentes del día, en vez de
hacerlo en diferentes células de la hoja. (MAC significa metabolismo ácido de las crasuláceas, por las plantas de la familia
Crassulaceae, en las cuales se descubrió por primera vez.)
Las plantas Cs y Cí abren sus estomas y fijan CÜ2 durante
el día, pero las plantas MAC mantienen sus estomas fuertemente cerrados durante las horas diurnas de mayor calor y
sequedad. Luego, durante la noche, cuando la tasa de pérdida de vapor de agua se ha reducido mucho, abren sus
estomas y fijan CÜ2 por medio de la PEP carboxilasa. Conforme se fija más y más dióxido de carbono durante la noche,
el ácido málico generado se transporta a través de la membrana del tonoplasto al interior de las vacuolas de la célula.
La presencia de este ácido C4 se manifiesta por el "sabor
matinal" agrio de la planta. Durante las horas del día, los
estomas se cierran y el ácido málico se desplaza al interior
del cloroplasto. En ese sitio cede su COz- el cual puede ser
fijado a RuBP por el Rubisco en las condiciones de baja
concentración de C»2 que existen cuando los estomas están
cerrados. Los carbohidratos se forman utilizando ATP y
NADPH generados por las reacciones dependientes de luz.
Peroxisomas y f o torr espiración
Los peroxisomas son organelos citoplásmicos cuyo papel
en el mecanismo oxidativo de las células animales se analizó en la sección 5-7 del capítulo anterior. Los peroxisomas
también están presentes en ciertas células vegetales. Estudios
acerca de peroxisomas de células de hojas muestran un
notable ejemplo de interdependencia entre diferentes organelos. La micrografía electrónica de la figura 6-25 muestra
un peroxisoma de la célula de una hoja en estrecha aposición
a las superficies de dos cloroplastos adyacentes y en íntima
proximidad a una mitocondria cercana. Esta disposición no
es fortuita, sino que refleja una relación bioquímica subyacente en donde los productos de un organelo sirven como
sustratos en otro organelo. Las reacciones que tienen lugar
en los diferentes organelos se superponen en la micrografía
de la figura 6-25, y más adelante se presenta un resumen.
Anteriormente se hizo notar que los cloroplastos participan en un proceso denominado fotorrespiración, que se
inicia cuando RuBP reacciona con Ü2 en vez de CÜ2 para
formar un compuesto de dos carbonos, el fosfoglicolato.
Una vez formado, el fosfoglicolato se convierte a glicolato,
el cual se transfiere fuera del cloroplasto en el interior de un
peroxisoma donde la enzima glicolato oxidasa lo convierte
en glioxilato, el cual puede convertirse entonces a glicina
por transaminación. La glicina formada en el peroxisoma
puede transferirse a una mitocondria, donde se convierte
en serina. La serina producida en la mitocondria se transfiere de regreso al peroxisoma, donde se convierte en glicerato,
el cual puede transportarse al cloroplasto y utilizarse en la
síntesis de carbohidratos a través de la formación de ácido
3-fosfoglicérico.
Fotoinhibición
La fotosíntesis es un proceso complejo y finamente controlado. Así como demasiado oxígeno puede disminuir el ren-

CAPITULO 6 - Fotosíntesis y cloroplastos

229

. :..GIfctna «£
• Ocii

Mitocondria

FIGLllA 6-2, Bases celulares de la fotorrespiración. Micrografía electrónica de una porción de una hoja de células mesófilas de la planta
del tabaco que muestra un peroxisoma (identificado por su centro cristalino) comprimido contra un par de cloroplastos y cerca de una mitocondria. Las reacciones de fotorrespiración que ocurren en cada uno de estos organelos se describen en el texto y se muestran superpuestas en
los organelos, en los cuales ocurren. (Micrografía cortesía de Sue Ellen Frederíck y Eldon H. Newcomb.)

dimiento de la fotosíntesis, también el exceso de luz puede
hacerlo. El efecto negativo de la luz muy intensa sobre la
fotosíntesis se denomina fotoinhibición y se cree que es
resultado principalmente del daño infligido al fotosistema
II por la absorción de un exceso de luz. PSII opera con el
potencial de oxidación más alto de todos los sistemas biológicos conocidos. La formación de un agente fuertemente
oxidante y el peligro siempre presente de la formación de
radicales oxígeno sumamente tóxicos confiere a PSII una

posibilidad de autodestrucción como resultado de sobreexcitación del sistema. Todo el daño parece dirigido al polipéptido (DI) que une casi todos los centros redox activos
del fotosistema. Los cloroplastos contienen un mecanismo
para la descomposición proteolítica selectiva de DI y reemplazarlo por una molécula de polipéptido recién sintetizada. Este proceso de reciclamiento de DI, cuya tasa se incrementa al aumentar la intensidad de la luz, parece ser la
respuesta primaria de la fotoinhibición inducida por luz.

230


"Mejores" plantas por medio de ingeniería genética
El ser humano ha tratado de modificar
el material genético de las plantas durante miles de años mediante selección
de cultivos e hibridación. Con el desarrollo de la tecnología del DNA recombinante, los genetistas de plantas lograron modificar selectivamente genes
específicos que codifican características de interés para la agricultura, de
modo que se desarrollaron nuevas especies con mejores características. Entre los rasgos que los genetistas de plantas les gustaría modificar está el grado
de resistencia a sustancias químicas
que matan plantas (herbicidas) y el nivel de resistencia a la fotorrespiración;
ambos incluyen temas que analizaremos en este capítulo.
Algunos de los herbicidas comunes, incluyendo diurón, atrazina y
terbutrina, actúan enlazándose a la proteína DI de PSII. En la página 218 vimos cómo la absorción de la luz por
PSII conduce a producir una molécula
PQÜ2, que posteriormente se libera de
un sitio (el sitio QB) de la proteína DI y
es sustituido por una PQ de la reserva.
Los herbicidas mencionados antes actúan enlazándose al sitio QB abierto
luego de liberar PQFÍ2, al bloquear el
transporte de electrones a través de
PSII.
Recordemos que el centro de reacción fotosintético (CRF) de las bacterias púrpura se parece mucho al de
PSII, tanto en estructura como en mecanismo de operación. La operación del
CRF bacteriano normalmente es inhibida por el herbicida terbutrina,
causando la muerte de las células. La
difracción por rayos X de estas preparaciones revela una bolsa en la proteína del centro de reacción, a la cual se
une la molécula de terbutrina. Se han
aislado algunas bacterias mutantes resistentes a terbutrina. Inversamente,
una bacteria muíante (el mutante T4)

es sensible a los herbicidas f enólico y de
tipo urea, agentes que normalmente actúan sobre las plantas pero que no tienen efectos sobre bacterias púrpura. El
mapeo genético de los sitios de estas
diferentes mutaciones ha puntualizado las partes de la proteína bacteriana
implicadas en el enlace con el herbicida. Puesto que la proteína DI de los
fotosístemas vegetales presenta una homología estrecha con las proteínas bacterianas, estos datos abrieron la puerta
a modificaciones selectivas del gen DI
para alterar la resistencia de las plantas a estos herbicidas.
Los agrónomos tienen la esperanza de emplear técnicas de ingeniería
genética para incrementar la sensibilidad de las plantas no deseadas (p. ej.,
maleza) a los herbicidas, en tanto se
aumenta la resistencia a los herbicidas
en plantas de valor en horticultura o
agricultura. Si se pudiera lograr esto,
la utilidad de los herbicidas aumentaría mucho. En años recientes se han
aislado de plantas o de microorganismos varios inhibidores PSII, como
gramidol, estigmatolina, auraquinas y
cianobacterinas. Un estudio más detallado de estos "herbicidas" naturales
puede llevar a la producción de nuevos exterminadores de maleza menos
peligrosos para el ambiente.
Una de las metas más difíciles de
lograr para los biólogos moleculares
de plantas es diseñar una versión del
Rubisco, la enzima fijadora del CÜ2 de
todas las plantas, que sea menos susceptible a la fotorrespiración (página
226). En el texto se hizo notar que el
Rubisco actúa como oxigenasa (enzima fijadora de 02) y como carboxilasa
(enzima fijadora de CC>2). El Rubisco
sería menos susceptible a la fotorrespiración si se pudiera alterar su estructura, de modo que su actividad oxigenasa
disminuyera en relación con su activi-

dad carboxilasa. Aunque los intentos
para modificar la enzima e incrementar su capacidad de fijación de CÜ2 a
expensas de la fotorrespiración no tuvieron éxito en el pasado, estudios recientes acerca de microorganismos han
aumentado el optimismo de que puede lograrse este objetivo.
Los organismos más útiles en esta
tarea han sido: 1) la bacteria no sulfurosa púrpuraR. rubrum, cuyo Rubisco funcional requiere la expresión de
un solo gen sencillo en vez de dos, como
en las plantas, y 2) el alga verde Chíamydomonas reinhardtü, que tiene capacidad de fotosíntesis pero puede crecer en ausencia de fotosíntesis tanto
como su entorno contenga nutrientes
orgánicos.
Se han aislado cepas mutantes de
estos microorganismos que expresan
mayor actividad carboxilasa y menor
actividad oxigenasa en comparación
con el tipo nativo. Por consiguiente, el
crecimiento de estas cepas en presencia de concentraciones elevadas de Ü2
no inhibe la fotosíntesis hasta un grado cercano a lo que normalmente ocurriría. En la actualidad se están efectuando estudios para determinar la
razón de que estos mutantes muestren
menor actividad oxigenasa. Una hipótesis es que la sustitución de aminoácidos altera el canal por el cual los
gases atmosféricos llegan al sitio activo de la enzima, y por lo tanto el canal
es menos accesible a Ü2. Puesto que la
fotorrespiración desempeña un papel
importante en la reducción de la productividad de la mayor parte de las
cosechas de vegetales, cualquier éxito
para desarrollar cepas de plantas menos susceptibles a C>2 tendría mayor
impacto en la producción de alimentos.


LA VIA

231

EXPERIMENTAL

Organización de la membrana tilacoide
Con el descubrimiento de que la fotosíntesis requiere la cooperación de dos fotosistemas distintos conectados por una cadena transportadora de electrones, se asumió que todos los componentes que participan en el transporte de electrones residen
en muy estrecha proximidad en la membrana tilacoide. Como
se indica en la figura 6-4 y se analiza en el texto acompañante,
los tilacoides normalmente ocurren como parte de pilas ínterconectadas (o grana). La membrana del estroma tilacoide (laminillas que interconectan las grana) se conoce como membrana no comprimida debido a que reside en contacto con el
estroma, más bien que comprimida contra otra membrana. En
contraste, la mayor parte de las grana de la membrana tilacoide
se conocen como membrana comprimida debido a que su superficie externa está comprimida contra la superficie externa de
un tilacoide adyacente. Las excepciones son los bordes laterales y las superficies superior e inferior de las grana tilacoides,
que también están en contacto con el estroma (fig. VE 6-1).
En los años de 1960 y 1970, varios laboratorios intentaron
determinar la distribución en las membranas tilacoides de diferentes componentes implicados en la fotosíntesis. En los primeros estudios se trató de fraccionar la membrana tiíacoide en
regiones de grana y estromatosas mediante centrifugación diferencial de las vesículas de la membrana formadas luego de
romper los cloroplastos por fuerzas mecánicas de corte, vibraciones de ultrasonido de alta frecuencia o tratamiento con detergentes.l-$ Los estudios se complementaron con el examen
microscópico de las partículas visibles en la membrana tilacoide mediante fracturas por congelación (fig. 4-18).4 Los resultados de estos primeros estudios condujeron a formular el
modelo de la membrana tilacoide mostrado en la figura VE
6-2, en el cual los complejos PSII se restringen a las membranas

Grana tilacoides

Estroma tilacoide

Membrana terminal de los grana

CC

Márgenes
J

c=j Membranas comprimidas
BB Membranas expuestas
FIGURA VE 6-1. La superficie externa de la membrana tiíacoide se
puede dividir en dos regiones estructuralmente diferentes: membranas comprimidas de los grana tilacoides cuya superficie está en contacto con otras membranas, y membranas no comprimidas del estroma tilacoide (o estroma laminar), y !os extremos y bordes de los grana
tilacoides que también están expuestos al estroma. (Según }.M.
Anderson, FEBS Lett. 124:1, 1981.)

comprimidas de fas grana, los complejos PSI están presentes
en las regiones comprimidas y no comprimidas de las grana,
las moléculas de ATP-sintasa se proyectan hacia afuera de las
regiones no comprimidas, y las moléculas Rubisco se encuentran laxamente enlazadas a la superficie externa de la membrana no comprimida.
Estos datos establecieron el concepto de que la membrana
comprimida de las grana contiene ambos fotosistemas y representa el sitio de transporte de electrones para la fotosíntesis no
cíclica. Se pensó que la membrana no comprimida era el sitio
de fosforilación cíclica (la cual sólo requiere la participación de
PSI) y de la síntesis de ATP (gobernada por el gradiente
de protones y que por lo tanto no tiene que estar físicamente relacionada con otra parte del mecanismo de fotosíntesis).
En 1980, el concepto de una íntima relación entre los dos
fotosistemas de la membrana tilacoide de las grana fue motivo
de controversia. Se desarrollaron mejores técnicas para distinguir entre membranas comprimidas y no comprimidas. Por
ejemplo, se descubrió que cuando los cloroplastos se rompen
mecánicamente utilizando presión o fuerza a través de un
pequeño orificio, los segmentos de membrana tilacoide adyacentes a las regiones comprimidas de ías grana se funden entre
sí para formar vesículas cuya superficie externa corresponde a
la superficie interna de la membrana tilacoide (fig. VE 6-3). Las
vesículas de este tipo se describen como "vesículas con lo de
adentro por afuera". 5 El resto de la membrana (estroma
tilacoide, membranas de granos terminales, y bordes de los
granos) forma vesículas, en las cuales la superficie externa de
los tilacoides se convierte en la superficie externa de la vesícula (denominadas "vesículas con el lado correcto hacia afue-

ra").
Los dos tipos de vesículas se pueden separar, dependiendo de la diferencia de las propiedades de superficie, como
carga e hidrofobicidad. Las vesículas con lo de adentro hacia
afuera ejecutan las actividades características de PSII con poca
contribución de PSI. Si los tilacoides de! cloroplasto fueran
tratados en un medio escaso en sal antes de romperlos, tratamiento que desapila los tilacoides de los granos y por lo tanto
elimina las membranas comprimidas, no se formarían las vesículas con el lado interno hacia afuera. Estos datos condujeron
al modelo propuesto por Bertil Andersson y Jan Anderson, de
la Universidad de Lund, en Suecia,6 en el cual PSI y ATP sintasa
se localizan casi exclusivamente en la membrana no comprimida, en tanto que PSII se segrega en las regiones comprimidas
(fig. VE 6-4). El único complejo mayor de proteínas distribuido
regularmente entre los dos tipos de regiones de la membrana
es el complejo citocromo b(f, que se sitúa en la cadena transportadora de electrones que conecta PSII con PSI (fig. 6-16).7
Las proteínas no son los únicos elementos de las membranas tilacoides que muestran heterogeneidad lateral; también
los lípidos. En el texto se hizo notar que las membranas

232


PS I + pigmento captador de luz relacionado

PS II + complemento íntegro de
chl a/b LHCP

Í J Factor de acoplamiento
PS II + complemento parcial de
chl a/b LHCP

. J RuBP carboxilasa

Modelo de membrana tilacoide de finales de! decenio de 1970, en el cual se propuso que la membrana tilacoide comprimida
contiene ambos fotosistemas. Se propuso que las regiones no comprimidas contienen PSI, ATP-sintasa (factor de acoplamiento 1, o CF'i) y Rubisco
(LHCP, proteínas del complejo de captación de luz). (Según LA. Staehelin y C.}. Arntzsn, Ciba Found. Symp. 61:166, 1979.)

tilacoides contienen dos tipos predominantes de lípidos:
monogalactosildiacilglicerol (MGDG) y digalactosildiacilglicerol (DGDG). La comparación de las vesículas a partir de las
fracciones comprimidas y no comprimidas indicó que la proporción MGDG/DGDG es de casi 3:1 en las regiones comprimidas, pero sólo de 1:1 en las regiones no comprimidas,8 dato
que sugiere que las bicapas de las membranas comprimidas y
no comprimidas pueden tener diferentes propiedades físicas.
La confianza generada con el empleo de fracciones purificadas de membrana como base para determinar la heterogeneidad lateral condujo a sugerir que el procedimiento de rotura y purificación introducía artefactos y que las vesículas no
corresponden a las partes de la membrana tilacoide interna de

Presión
mecánica

(c

2)

C
Resellado
Hinchazón

D
• Mecanismo propuesto para la formación de vesículas de membranas tilacoides fragmentadas con la parte interna
hacia afuera. (Según E. Andersson y cois. Bioc. Biop. Acta 599:392,1980.)

las cuales se asumía que eran. Estas objeciones fueron superadas cuando se demostró visualmente la localización de los
diferentes componentes con el uso de anticuerpos marcados
con oro.9'10 Utilizando esta técnica no invasiva, los investigadores demostraron que las proteínas PSII habían sido excluidas de las membranas tilacoides no comprimidas, en tanto que
las proteínas PSI fueron excluidas de las regiones comprimidas (fig. VE 6-5). Por lo contrario, el complejo citocromo fcg/se
distribuye regularmente a todo lo largo del sistema de membranas, como se muestra en el modelo de la figura VE 6-4.
La demostración de que los dos fotosistemas estaban
espacialmente separados entre sí dentro de la membrana
tilacoides condujo al punto de vista actual de la naturaleza
dinámica de la membrana fotosintética, en la cual los transportadores movibles, como plastoquinona y plastocianina, tienen
capacidad para difundir dentro de la membrana y transportar
electrones de un complejo proteínico al otro. El alto grado de
fluidez de la membrana tilacoide, necesario para facilitar tales
movimientos laterales, se demostró al medir el coeficiente de
difusión de moléculas de plastoquinona marcadas con colorantes fluorescentes dentro de la bicapa de lípidos mediante la
técnica de recuperación de la fluorescencia después de fotoblanqueamiento (pág. 136, cap. 4).11 Se han medido coeficientes para PQ en las membranas tilacoides con cifras tan elevadas como 10~6 cm2/seg (en comparación con 10~8 cm2/seg
para los lípidos de la mayor parte de las membranas), lo que
sugiere que estas membranas fotosintéticas pueden ser las más
fluidas de todas las principales membranas biológicas. En ese
estudio se calculó que la distancia promedio entre PSII y el
complejo citocromo b¿f más próximo es de casi 73 nm. Según
el coeficiente de difusión mencionado antes, se calculó que
una molécula PQ debe poder difundir casi 2 800 nm en 20


Membranas no apiladas
(estroma laminar)

233

Complejo PSII
ATP sintasa
Complejo PSI /

Citocromo b6f

Membranas
apiladas
(grana)
. Modelo revisado de la organización de la membrana tilacoide propuesto en 1981; los dos fotosistemas están espacialmente
separados: PSII se localiza en la región de las membranas comprimidas y PSI en la región de las membranas no comprimidas. (Según J.M Anderson
y B. Andersson, Trends Biochem. Sci. 7:291, 1982.)

mseg, lo que corresponde a la vida media calculada para la
reducción del citocromo b$f luego de una serie de destellos
luminosos saturantes. Por lo tanto, incluso si una molécula PQ
sigue un camino muy desviado para la difusión entre los dos
complejos de proteínas, éste debe ser capaz de hacer la conexión en el tiempo permitido.
En 1977, John Bennett, de la Universidad de Warwick, en
Inglaterra, hizo un descubrimiento que posteriormente demostró tener importantes implicaciones en el estudio de la mem-

(a)

brana tilacoides. Bennett incubó cloroplastos iluminados en
un medio que contenía fosfato marcado con isótopo radiactivo
(32P¡), a continuación extrajo las proteínas de los cloroplastos y
fraccionó la mezcla de proteínas utilizando electroforesis en
gel de poliacrilamida con dodecilsulfato de sodio.12 Durante la
incubación varias proteínas resultaron marcadas con rapidez,
una de las cuales se identificó como la principal proteína que
enlaza la clorofila a/b captadora de luz (referida como LHCII
en el texto, página 215). Estudios subsecuentes revelaron la

(b)

Micrografías electrónicas de cortes delgados de las células mesófilas tilacoides del maíz marcadas con anticuerpos para: a)
subunidad D del centro de reacción PSI, y b) citocromo Í7-559 del centro de reacción PSII. Los centros de reacción PSI se localizan casi exclusivamente en los tilacoides del estroma y en las membranas terminales de los grana tilacoides, en tanto que los centros de reacción PSII se hallan
casi por completo en membranas comprimidas de los grana tilacoides. (Cortesía de O. Vaüon.)

234


presencia en la membrana tilacoides de una proteincinasa encargada de la fosforilación de LHCII.13 La atención se volvió al
mecanismo de regulación de la cinasa y la importancia de la
fosforilación de proteínas captadoras de luz.
Normalmente, LHCII no sufre fosforilación cuando los
cloroplastos se incuban en la oscuridad. Sin embargo, la actividad de la proteincinasa no es estrictamente dependiente de
luz, debido a que se puede activar incubando cloroplastos en
la oscuridad en un medio que contenga un agente fuertemente
reductor, como la ferredoxina reducida.14 Estos resultados
sugieren que uno de los transportadores de electrones de la
cadena de fotosíntesis debe estar reducido antes de que se
active la proteincinasa. Varias piezas sugieren que el componente clave es la plastoquinona.revisada en 15 La plastoquinona
es el aceptor terminal de electrones del centro de reacción PSII
(fig. 6-13). Sería de esperar que el fondo común de moléculas
de plastoquinona de la membrana se acumule en su estado
reducido (PQH2) conforme los electrones se transfieren a PQ,
pero que no pasen a los subsecuentes transportadores. Podría
esperarse que esta condición ocurriera en los momentos cuando PSII está operando a un nivel más alto que PSI, o sea, cuando la actividad de los dos fotosisternas está fuera de equilibrio.
Según los diferentes datos, se propuso que la fosforilación
de LHCII por la proteincinasa activada sirve para corregir el
desequilibrio resultante de la superexcitación de PSII en relación con PSI. Por ejemplo, se demostró que la fosforilación de
LHCII incrementa la transferencia de energía de excitación a
PSI a expensas de PSII.16 La explicación molecular más simple
para estos datos es que la fosforilación disocia LHCII de PSII
en los sitios donde normalmente reside de las regiones comprimidas de ¡a membrana tilacoide, El complejo LHCII fosforilado tendría entonces que emigrar a las regiones no comprimidas
de la membrana, donde se pone en estrecho contacto con PSI,
y por lo tanto permite la transferencia de la energía de excitación al centro de reacción PST.

Esta conclusión concuerda con los resultados de los análisis de las fracturas por congelación, en las cuales partículas de
8.0 nm pueden representar los complejos captadores de luz
que en la membrana tilacoide de los cloroplastos de guisantes
se redistribuyen de las regiones comprimidas a las no comprimidas después de la fosforilación.17 También es consistente
con el dato de que las proteínas captadoras de luz en las fracciones de membrana aisladas de las regiones no comprimidas
están 10 veces más intensamente fosforiladas que las mismas
proteínas en las regiones comprimidas.18 Las regiones comprimidas de la membrana son sitios donde las proteínas de las
membranas adyacentes entran en estrecho contacto entre sí.
La fosforilación de ¡as proteínas captadoras de luz añadiría
cargas negativas a la superficie de la proteína, lo que puede
causar que la proteína experimente repulsión electrostática por
parte de las proteínas vecinas. Este tipo de repulsión fue sugerido como la mayor fuerza que aparta el LHCII fosforilado de
las porciones comprimidas del tilacoide.19'20 Estudios subsecuentes indican que en la mayor parte de las situaciones sólo
la reserva exterior de LHCII que contiene los pofipéptidos rápidamente fosforilados se desplaza al interior del estroma
tilacoide después de la fosforilación, dejando que la reserva
interna de proteínas LHCII permanezca con PSII.21
El desplazamiento de los complejos LHCII de una parte
del tilacoide a la otra puede desempeñar varías funciones en la
fotosíntesis, además de corregir el desequilibrio entre los dos
fotosisternas. Por ejemplo, casi todo el daño al aparato de fotosíntesis causado por luz de alta intensidad lo experimenta PSII
(pág. 228). Puesto que la exposición a luz brillante conduce a la
fosforilación de LHCII y a separarlo de PSII, este fenómeno
podría limitar el daño a PSII por sobreexcitación. La migración
de LHCII también puede servir para regular el equilibrio entre
la fosforilación cíclica y la no cíclica. Algunos de los primeros
estudios indicaron que la proteincinasa tilacoide también es
sensible a la proporción NADP+/NADPH del cloroplasto.

SINOPSIS
Se presume que las primeras formas de vida fueron heterotrofos que dependían de moléculas orgánicas formadas por
procesos abióticos; con el tiempo, estas formas fueron superadas por autotrofos, organismos capaces de sobrevivir con
CC>2 como fuente principal de carbono. Se cree que los primeros autotrofos efectuaban fotosíntesis no oxigénica en la cual
compuestos como H2S eran oxidados como fuente de electrones. La evolución de la fotosíntesis oxigénica, en la cual se
oxida agua y se libera Ü2, permitió a las cianobacterias aprovechar un número mucho mayor de habitat y preparar el escenario para la respiración aerobia (p. 207).
Los cloroplastos son organelos grandes enlazados a membrana que tal vez evolucionaron a partir de procariotes fotosintéticos que contenían un sistema interno de membranas
tilacoides, el cual aloja al mecanismo fotosintético. Los cloroplastos están enlazados por una doble membrana porosa gra-

cias a la inclusión de porinas en la bicapa de lípidos. Los
tilacoides son sacos membranosos aplanados dispuestos en
filas ordenadas o grana. Los tilacoides están rodeados por un
estroma fluido que contiene DNA, ribosomas y el mecanismo
requerido para la expresión del gen (p. 208).
Las reacciones dependientes de luz de la fotosíntesis empiezan con la absorción de fotones por los pigmentos fotosintéticos, suceso que impulsa los electrones a los orbitales externos, desde los cuales pueden ser referidos a un aceptor de
electrones. Los principales pigmentos que absorben luz en las
plantas son las clorofilas y los carotenoides. Cada molécula de
clorofila consta de un anillo de porfirina que contiene Mg2+
que actúa en la absorción de la luz, y una cola hidrocarbonada
(un fitol) que conserva el pigmento integrado a la bicapa. La
clorofila absorbe con mayor intensidad en la región azul y roja
del espectro visible y con menor fuerza en la región verde. Las


Conforme esta proporción disminuye y la concentración relativa de NADPH aumenta, se reduce la necesidad de transporte
no cíclico de electrones. Sería de esperar que la fosforilación de
LHCII concentre más energía de excitación .en PSI, la cual podría utilizarse para estimular la fosforilación cíclica, proceso
que permite al cloroplasto seguir produciendo ATP sin formación de NADPH adicional.
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longitudes de onda específicas que absorbe una molécula dependen de los polipéptidos con los cuales está relacionada y
las propiedades físicas de la bicapa. Los carotenoides absorben con mayor intensidad en la región azul y verde y con
menor intensidad en la roja y naranja. El espectro de acción de
la fotosíntesis, que proporciona una medida de la longitud
de onda capaz de estimular la fotosíntesis, sigue muy estrechamente el espectro de absorción de los pigmentos. Los pigmentos fotosintéticos se organizan en unidades funcionates en
las cuales sólo una molécula, el centro de reacción de la clorofila, tiene capacidad para transferir electrones a un aceptor de
los mismos. La masa de las moléculas de pigmento forma un
sistema antena captador de luz que atrapa fotones de diferentes longitudes de onda y transfiere la energía de excitación de
la molécula del pigmento al centro de reacción (p. 211).
La transferencia de un par de electrones de H2O a NADP+ en
condiciones estándar requiere el ingreso de cuando menos
52.6 kcal por mol, que es más energía de la que un mol de

235

10. Vallon, O., Wollman, F.A. y Olive, J. 1986. Lateral distribution of
the main protein complexes of the photosynthetic apparatus in C.
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fotones puede suministrar. El impulso energético necesario se
logra mediante dos fotosistemas separados, cada uno de los
cuales impulsa la energía de los electrones una parte del camino para rebasar fa cuesta energética. El fotosistema II (PSII)
impulsa los electrones desde un nivel de energía más bajo que
el del agua hasta el punto medio, donde el fotosistema I (PSI)
eleva los electrones hasta el tope, por arriba de NADP+. Conforme los fotones se absorben en cada fotosistema, la energía
pasa a los pigmentos en el centro de reacción respectivo (P680
para PSII y P700 para PSI). La energía absorbida por la clorofila del centro de reacción sirve para impulsar un electrón hacia un orbital externo, donde puede transferirse a un aceptor
primario, produciendo un pigmento con carga positiva (P680+
yP700+)fp. 235).
La vía no cíclica de flujo de electrones del agua a PSII y
luego a PSI y NADP+ se denota por medio de una Z. La
primera rama de la Z va de H2Ü a PSII. La mayor parte de los
pigmentos antena que recolectan luz para PSII residen dentro

236


de un complejo separado, denominado LHCII. La energía fluye de LHCII hacia el centro de reacción PSII, donde se transfiere un electrón P680 a un aceptor primario, una molécula de
feofitina similar a clorofila. Esta transferencia de electrones
genera un agente fuertemente oxidante (P680+) y un agente
débilmente reductor (Feo~). La separación de cargas en PSII se
estabiliza separando moléculas con carga opuesta; esto se logra conforme se transfieren electrones de feofitina a la quinona
QA y luego a QB- La absorción sucesiva de dos fotones por PSII
conduce a la transferencia de dos electrones a Qg para formar
Qs2~, que entonces capta dos protones del estroma formando
QgH2 (la cual se reduce verdaderamente a plastoquinona). La
plastoquinona reducida abandona el centro de reacción y es
sustituida por una plastoquinona oxidada capaz de recibir electrones adicionales. El movimiento de electrones a través del
centro de reacción PSII sigue una vía similar a la que se observa en el centro de reacción de las bacterias púrpura no azufradas
cuya estructura cristalina ya se ha determinado. Conforme cada
electrón se transfiere desde P680 al aceptor primario y de allí
a QB, el agujero en el pigmento del centro de reacción con
carga positiva (P680+) se llena con un electrón procedente de
un residuo tirosina específico (Tirz). Tirz, a su vez, recibe electrones, uno cada vez, de una proteína que contiene cuatro
iones manganeso. Conforme cada electrón se transfiere a Tirz,
la proteína que contiene Mn acumula una carga positiva. Una
vez que la proteína acumula cuatro cargas positivas tiene capacidad para eliminar cuatro electrones del agua, una reacción
que genera C>2 y suministra cuatro H + a la luz tilacoide, que
contribuye al gradiente de protones (p. 216).
Los electrones de la plastoquinona reducida se transfieren al
complejo citocromo multiproteínico b{/, en tanto que los protones son liberados a la luz tilacoide y por lo tanto contribuyen al gradiente de protones. Los electrones procedentes de
citocromo b$f pasan a la plastocianina localizada en el lado
luminal de la membrana tilacoide y a P700+, el pigmento del
centro de reacción PSI que ha perdido un electrón luego de
absorber un fotón. Conforme se absorbe cada fotón en P700 el
electrón se transfiere a un aceptor primario QA y luego a través
de varios centros de hierro y azufre del centro de reacción PSI
a la ferredoxina. Los electrones se transfieren de la ferredoxina
a NADP+ formando NADPH, que requiere un protón del estroma, contribuyendo al gradiente de protones. En resumen,
el flujo no cíclico de electrones produce la oxidación de H2Ü
a C>2 con transferencia de electrones a NADP+, formando
NADPH y estableciendo un gradiente de H + a través de la
membrana
El gradiente de protones establecido durante las reacciones
dependientes de luz proporciona la energía requerida para
formar ATP en el cloroplasto, proceso denominado fotofosforilación. El mecanismo para la síntesis de ATP en el cloroplasto es prácticamente idéntico al de la mitocondria; la ATP
sintasa consta de una pieza cabeza CFi que se proyecta dentro
del estrorna y una pieza basal CFo integrada a la membrana
tilacoide. Los protones efectúan la síntesis de ATP a medida
que se desplazan a los sitios de mayor concentración de la luz
tilacoide por medio de la ATP sintasa y en el interior del estroma, en donde disipan el gradiente H + . La síntesis de ATP
puede ocurrir en ausencia de oxidación de H^O por medio de

un proceso de fosforilación cíclica que no implica PSII. La luz
es absorbida por P700 de PSI, pasa a la ferredoxina y retorna al
centro de reacción PSI deficiente en electrones a través del
citocromo b¿f. Conforme los electrones se mueven en la vía
cíclica, los protones se translocan a la luz tilacoide y posteriormente sintetizan ATP (p. 221).
Durante las reacciones independientes de luz, la energía
química almacenada en NADPH y ATP se emplea para la
síntesis de carbohidratos a partir de CÜ2. El CC»2 se convierte
en carbohidratos en la vía Cs (o ciclo de Calvin), en la cual se
fija CC>2 por medio de la RuBP carboxilasa {Rubisco) a un
compuesto RuBP de cinco carbonos, formando un intermediario inestable de seis carbonos que se separa en dos moléculas
de ácido 3-fosfoglicérico. NADPH y ADP se emplean para
convertir moléculas PGA a glicer al debido 3-fosfato (GAP). Por
cada seis moléculas de CC>2 fijadas se pueden orientar dos
moléculas de GAP a la formación de sacarosa o de almidón, en
tanto que ías 10 moléculas restantes de GAP pueden utilizarse
para generar RuBP para un ciclo adicional de fijación de COj
(p. 223).
Rubisco también puede catalizar una reacción en la cual O^
en vez de CO^ se une a RuBP en forma covalente. Este proceso, que se denomina fotorrespiración, conduce a la formación de compuestos rnetabolizados en reacciones en las cuales
se pierde CÜ2- Puesto que la fotorrespiración implica captación de C>2 y liberación de CÜ2, representa un desperdicio de
la energía de la planta. La tasa de fotorrespiración en comparación con la fijación de CC>2 depende de la proporción CC>2/
C*2 establecida por Rubisco. Dos grupos de plantas, denominadas plantas C4 y MAC, poseen mecanismos que aumentan esta
proporción p. 225).
Las plantas €4 y MAC poseen una enzima adicional fijadora
de CÜ2 denominada PEP carboxilasa, capaz de operar con
concentraciones muy bajas de CÜ2- Las plantas C4 poseen
hojas de estructura única que contienen un cilindro externo de
células mesófilas y un cilindro interno de haces de células
envainadas selladas a los gases atmosféricos. La PEP carboxilasa
opera en las células mesófilas, donde se fija CC>2 al compuesto
de tres carbonos fosfoenolpiruvato (PEP) para formar un ácido
de cuatro carbonos, el cual se transporta a los haces envainados donde se descarboxila. El CC>2 liberado en el haz envainado se acumula en concentración elevada favoreciendo la
fijación de CC>2 a RuBP y la formación de PGA y de GAP por
medio del ciclo de Calvin. Las plantas MAC efectúan reacciones dependientes de luz e independientes de la misma en diferentes horas del día. Las plantas mantienen estrechamente
cerrados sus estomas durante las horas calientes y secas del
día, lo que evita la pérdida de agua. A continuación, durante
la noche, abren sus estomas y fijan CÜ2 por medio de la PEP
carboxilasa. El ácido málico producido en estas reacciones se
almacena en la vacuola hasta las horas del día cuando el compuesto se desplaza de nuevo al cloroplasto. Allí cede su CÜ2,
que puede entonces fijarse por Rubisco en condiciones de baja
concentración de C>2 y convertirse a carbohidrato usando ATP
y NADPH generados por las reacciones dependientes de luz
(p. 2;

CAPITULO 6 • Fotosíntesis y doropíastos

237

PREGUNTAS DE REPASO
1. Describir el efecto que se cree que tuvo la aparición de
cianobacterias en el metabolismo de los organismos.
2. ¿En qué son similares la fotosíntesis no oxigénica que emplea Ü2S como fuente de electrones y la fotosíntesis oxigénica que utiliza H2O como fuente de electrones? ¿En qué son
diferentes?
3. Describir la organización de las membranas del cloroplasto, incluyendo la disposición de la ATP sintasa. ¿En qué
difiere esta organización de la observada en las rm'tocondrias?
4. ¿Cómo puede una célula vegetal emplear electrones de baja
energía procedentes del agua para reducir NADP+?
5. En términos generales, ¿en qué difieren las reacciones
independientes de luz de las reacciones dependientes de
luz? ¿Cuáles son los productos primarios de los dos grupos de reacciones?
6. ¿Cómo se compara el centro de reacción de una bacteria
púrpura no azufrosa R. viridis con el centro de reacción
fotosintético del cloroplasto de una planta?
7. ¿Cuál es la relación entre el contenido energético de un
fotón y la longitud de onda de la luz? ¿De qué manera
determina la longitud de onda de la luz si puede o no
estimular la fotosíntesis? ¿Cuáles son algunos de los factores que determinan las propiedades de absorbancia de la
molécula de clorofila? ¿Cómo determinan las propiedades
de absorbancia de los pigmentos fotosintéticos la dirección
en la cual se transfiere la energía de excitación dentro de
una unidad de fotosíntesis?
8. ¿Cuál es el papel de los pigmentos antena que captan luz
en la fotosíntesis?

9. ¿Cuál es la diferencia entre un espectro de absorción y un
espectro de acción?
10. Describir la secuencia de acontecimientos que ocurren después de la absorción de un fotón por el pigmento del centro de reacción del fotosistema II. Describir los sucesos comparables en el fotosistema I. ¿Cómo se enlazan los dos
fotosis temas entre sí?
11. Describir la diferencia de los potenciales redox de los pigmentos del centro de reacción de los dos fotosistemas.
12. Describir el proceso mediante el cual se separa el agua
durante la fotolisis. ¿Cuántos fotones debe absorber PSII
para que esto ocurra?
13. ¿Cuáles son los pasos en las reacciones dependientes de
luz encargadas de generar un gradiente electroquímico
de protones a través de la membrana tilacoide? ¿En qué
grado este gradiente se refleja en el gradiente de pH en
comparación con el voltaje? ¿Cómo puede el gradiente de
protones conducir a la formación de ATP?
14. Describir el plan básico del ciclo de Calvin, indicando las
reacciones que requieren ingreso de energía. ¿Por qué se
decribe como ciclo? ¿Por qué se tiene que conseguir energía en este tipo de vía? ¿Cuáles son los productos finales de
la vía?
15. Describir las principales diferencias estructurales y bioquímicas entre las plantas Cs y las plantas C,}. ¿Cómo afectan
estas diferencias la capacidad de estos dos tipos de plantas
para crecer en climas secos y calientes?

1. ¿Cuál de los dos fotosistemas opera con el potencial redox
más negativo? ¿Cuál genera el agente reductor más fuerte?
¿Cuál debe absorber cuatro protones durante cada vuelta
de la fosforilación no cíclica?
2. ¿Qué tipo de plantas (Cg, C4 o MAC) esperaría usted que
funcionen mejor si se exponen a luz diurna continua bajo
condiciones de calor y sequedad?
3. De las siguientes sustancias: PQH2, citocromo reducido b¿,
ferredoxina reducida, NADP+, NADPH, O2, H2O, Tirz+,
¿cuál es el agente reductor más fuerte?; ¿cuál es el agente
oxidante más fuerte?; ¿cuál tiene mayor afinidad por electrones?; ¿cuál posee los electrones más energéticos?
4. Supongamos que se desea añadir el desacoplador dinitrofenol (DNF) a una preparación de cloroplastos que efectúan
la fotosíntesis. ¿Cuál de las siguientes actividades esperaríamos que fuera afectada? 1) Absorción de luz; 2) fosforilación cíclica; 3) transporte de electrones entre PSII y PSI;
4) fotofosforilación no cíclica; 5) síntesis de PGA; 6) reducción de NADP+.
5. Calcular la fuerza motriz de protones que se formaría a
través de la membrana tilacoide para mantener una diferencia de 10 000 veces la [H+] sin diferencia de potencial

eléctrico. (La ecuación para la fuerza motriz de protones se
encuentra en la página 191.)
6. ¿En qué condiciones se esperaría que una planta participara más intensamente en la fotofosforilación cíclica?
7. Contrastar el cambio de pH del medio que ocurre cuando
cloroplastos aislados efectúan la fotosíntesis en comparación con mitocondrias aisladas que efectúan respiración
aerobia.
8. En eí capítulo precedente se hizo notar que la mayor parte
de la fuerza motriz en las mitocondrias se expresa como
voltaje. Por lo contrario, la fuerza motriz de protones generada durante la fotosíntesis se expresa casi exclusivamente
como gradiente de pH. ¿Cómo se pueden explicar estas
diferencias?
9. ¿Cómo se comparan !as propiedades redox de los centros
de reacción de una bacteria púrpura no azufrosa con los de
una planta PSII?
10. ¿Estaría usted de acuerdo en que una planta Cs tenga que
gastar más energía por CÜ2 convertido a carbohidrato en
comparación con una planta C-4? ¿Por qué sí o por qué no?
11. En la fotosíntesis, la captura de energía luminosa da como
resultado liberación y subsecuente transferencia de elec-

238


trones. ¿De qué molécula se derivan originalmente los
electrones? ¿En qué moléculas residen finalmente dichos
electrones?
12. ¿Cuántas moléculas de ATP y NADPH se requieren en la
vía Cs para sintetizar un azúcar de seis carbonos? Si la
síntesis de una molécula de ATP requiriera tres protones,
¿esperaría usted que este requerimiento relativo para ATP
y NADPH pudiera satisfacerse por fotofosforilación no cíclica en ausencia de fotofosforilación cíclica?

13. Si feofitina y AQ {una molécula de clorofila a) son aceprores
primarios de electrones en PSII y PSI, respectivamente,
¿cuáles son los donadores primarios de electrones de cada
fotosistema?
14. Contrastar el papel de tres diferentes átomos metálicos en
las reacciones fotodependientes de la fotosíntesis.
15. ¿Sería de esperar que el efecto invernadero (incremento
del contenido de CC>2 de la atmósfera) tuviera mayor efecto en las plantas C4 o en las plantas Cj? ¿Por qué?

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CAPITULO

7

Interacciones entre las células
y su entorno
7-1 El espacio extracelular
7-2 Adherencia de células a sustratos no celulares
7-3 Adherencia de células a otras células

7-5 Uniones de abertura y plasmodesmosomas: mediación de la comunicación celular
7-6 Paredes celulares
La vía experimental: Papel de las uniones de abertura
en la comunicación intercelular

La perspectiva humana: Papel de la adherencia celular
en la inflamación y la metástasis
7-4 Uniones herméticas: sellado del espacio extracelular

A

unque la frontera entre una célula viviente y su entorno
no viviente es la membrana plasmática, los materiales
presentes por fuera de dicha membrana desempeñan un
papel muy importante en la vida de la célula. En un animal
o planta multicelulares, la mayor parte de las células se
organizan en tejidos claramente definidos cuyas células componentes mantienen una relación predecible entre sí y con
los materiales extracelulares situados entre las células. Aun
células sin relación fija dentro de un tejido sólido, como los
leucocitos de la sangre que viajan por todo el cuerpo, deben
interacruar de manera muy específica con otras células y los
materiales extracelulares con los cuales se ponen en contacto. Estas interacciones regulan actividades tan diversas como
migración celular, crecimiento y diferenciación de la célula,
y organización tridimensional de los tejidos y órganos que
aparecen durante el desarrollo embrionario. Este capítulo
se refiere principalmente al entorno extracelular y las diferentes interacciones en las que participan las células.

7-1 El espacio extracelular
FIGURA 7-A. Fibroblasto de piel humana teñido y cultivado con anticuerpos contra fibronectina (mostrados en rojo). El núcleo está teñido con
colorante azul que se enlaza a DNA. Se observa la fibronectina localizada en
el citoplasma, donde se sintetiza, y en el espacio extracelular, donde aparece
más difusa. (Según Nancy Kedersha, Immunogen.)

Desplazándose hacia afuera de la membrana plasmática se
pueden examinar los elementos extracelulares que rodean
los diferentes tipos de células. En capítulos previos se hizo
notar que casi todas las proteínas integrales de membrana,
y también los lípidos, poseen cadenas cortas de azúcares
239

240

CAPITULO 7 • Interacciones entre las células y su entorno

proyectadas hacia afuera de la membrana plasmática (fig.
4-4). Estos carbohidratados forman parte de una capa íntimamente aplicada sobre la superficie exterior de la membrana
plasmática denominada glucocáliz (o cubierta celular) (fig.
7-1, a). Además de los carbohidratos de la membrana, el
glucocáliz por lo general contiene otros materiales extracelulares secretados por la célula hacia el espacio externo,
donde permanecen íntimamente relacionados con la superficie celular. Este material extracelular es muy prominente
en algunos tipos de células, como las epiteliales que revisten el conducto digestivo de los mamíferos (fig. 7-1, b).
Además de desempeñar un papel clave en las interacciones
célula-célula y célula-sustrato, el glucocáliz puede suministrar protección mecánica a la célula y servir como barrera
contra las partículas que llegan hasta la membrana plasmática.

GC

(a)

0.5 Jim

Muchos tipos de células contienen una matriz extracelular (MEC), red organizada de materiales extracelulares
que se halla más lejos de la vecindad inmediata de la membrana plasmática. A veces, la matriz extracelular consta de
una mezcla amorfa mal definida de proteínas y polisacáridos, como se puede observar en el espacio extracelular del
tejido conectivo laxo, o puede tomar la forma de una estructura distinta cuyo contorno puede observarse con el microscopio de luz (fig. 7-2). La MEC es algo más que un material
pasivo protector inerte; puede desempeñar un papel clave
en la morfología y actividades de la célula. Por ejemplo, la
digestión enzimátíca de la MEC que rodea células cultivadas de cartílago o células epiteliales de la glándula mamaria provoca notable disminución de la actividad secretoria
y de síntesis de las células. Si se añade otra vez al cultivo el
material de la matriz extracelular se restablece e! estado de
diferenciación celular y la capacidad para producir los productos habituales.
Una de las matrices extracelulares mejor definida es la
membrana basal (o lámina basal), capa engrosada de unos
50 a 200 nm que rodea a las células musculares y adiposas
y que cubre la superficie basal de tejidos epiteliales, como la
piel (fig. 7-3, a), el revestimiento interno de los conductos
digestivo y respiratorio, y de los vasos sanguíneos. Se piensa que la membrana basal puede participar en el mantenimiento de la polaridad de las células epiteliales; en definir
la vía de migración celular; en separar tejidos adyacentes,
ayudando así a compartamentalizar un órgano en desarrollo, y en actuar como barrera al paso de las macromoléculas. En esta última función, la membrana basal desempeña
un papel importante al evitar que las proteínas salgan de la
sangre cuando fluyen a través de los poros de las paredes

(b)
FIGl'RA 7 - 1 El glucocáliz. a) Superficie basa] de una célula
ectodérmica de un embrión de pollo en sus primeras etapas. Se pueden distinguir dos estructuras distintas íntimamente aplicadas a la
superficie externa de la célula; un glucocáliz interno (GC) y una lámina basal (LB) externa (o membrana basal). El glucocáliz incluye las
porciones carbohidrato de las proteínas y lípidos de la membrana, en
tanto que la membrana basal es una estructura extracelular organizada distinta de la membrana celular, b) Micrografía electrónica de la
superficie apical de una célula epitelial del revestimiento del intestino que muestra el glucocáliz, que se ha teñido con la proteína ferritina
que contiene hierro, (a: Según A. Martinez-Paiomo, Int. Rev. Cytol.
29:64, 1970; b: según S. Ito y D.W. Fawcett/Photo Researchers.)

FIGURA 7-2. Determinación experimental del espesor de la matriz extracelular. Cuando se desarrollan en cultivo células cartilaginosas (condrocitos), producen una matriz extracelular cuyo contorno se
puede observar añadiendo una suspensión de pequeñas partículas,
como eritrocitos fijos, como aquí se muestra. Lo extenso de la matriz
extracelular que rodea a cada célula se puede medir por el espesor del
espacio que queda sin penetrar por la partícula (cabeza de la flecha).
La barra representa 10 /ím. (Cortesía de Greta M. Lee, Brian Johnstone,
Ken Jacobson y Bruce Caterson.)

CAPITULO 7

241

estroma de Ja córnea. En estos tejidos, las células que secretan la MEC sólo equivalen a una fracción del volumen tisular. La matriz extracelular, más bien que las propias células,
es la que confiere a estos tejidos sus propiedades identificables: dureza para la matriz ósea, resistencia y flexibilidad
para la matriz del cartílago, resistencia a la tensión para la
matriz del tendón y transparencia para la matriz del estroma corneal.
Aunque la matriz extracelular puede adoptar diferentes formas en diversos tejidos y organismos, los materiales
que constituyen la MEC pertenecen a un número relativamente pequeño de familias moleculares; cada una de dichas familias puede contener varias moléculas relacionadas.
Iniciaremos aquí con una de las moléculas más importantes
y ubicuas de la MEC, la glucoproteína colágena.

Colágena

FIGURA 7-3. La membrana basal (lámina basal). a) Gammagrafía
electrónica de piel humana. La epidermis se ha separado de una parte
de la membrana basal, que se puede observar por debajo de las células
epidérmicas, b) Una membrana basal de espesor poco común se forma
entre los vasos sanguíneos del glomérulo y el extremo proximal de los
túbulos renales del riñon. Esta capa extracelular desempeña un papel
importante para filtrar el líquido expulsado de los capilares hacía el
interior de los túbulos renales durante la formación de orina. Los
puntos negros dentro de la membrana basal glomerular (MBG) son
partículas de oro fijas en los anticuerpos enlazados a moléculas de
colágena IV en la membrana basal (LC, luz capilar; P, podocito del
túbulo). La barra representa 0.5/ím. (a: Cortesía de K. Hollbrook; b: según
Michael Desjardins y M. Bendayan, J. Cell Biol. 113:695, 1991; con autorización de Rockefeller University Press.)

capilares. Esto tiene particular importancia en el riñon, donde
la sangre se filtra a través de la doble membrana basal que
separa los capilares del glomérulo de las paredes del túbulo
renal (fig. 7-3, b). En la diabetes prolongada, la insuficiencia renal puede producir engrasamiento anormal de la membrana basal que rodea al glomérulo. La membrana basal
también sirve como barrera contra la invasión de tejidos
por células cancerosas errantes.
Las matrices extracelulares más extensas se observan
en tejidos conectivos como cartílago, hueso, tendones y el

Las colágenas son una familia de glucoproteínas fibrosas
que forman parte exclusivamente de matrices extracelulares a las que confieren sus propiedades funcionales. Se observan en todo el reino animal y son notables por su alta
resistencia a la tensión, que puede medirse como resistencia
a fuerzas de tracción. Las colágenas constituyen la proteína
simple más abundante en el cuerpo humano (más de 25%
de toda la proteína), hecho que refleja la importancia y
amplia distribución de las matrices extracelulares.
La colágena se produce principalmente en los fibroblastos, células presentes en diferentes tipos de tejidos conectivos y en células epiteliales. Hasta ahora se han identificado más de 15 tipos distintos de colágena, algunos
descritos en el cuadro 7-1. Cada tipo de colágena se restringe a un sitio particular dentro del cuerpo, pero a menudo
hay dos o más diferentes tipos reunidos en la misma MEC.
Aunque hay grandes diferencias entre los miembros de la
familia de la colágena, todos comparten ciertas características estructurales importantes. Toda molécula de colágena
es un trímero que consta de tres cadenas de polipéptidos
denominadas cadenas a (fig. 2-33, a). Algunos tipos de
moléculas de colágena contienen tres cadenas a idénticas,
en tanto que otros son heterotrímeros que contienen dos o
tres cadenas diferentes. Por ejemplo, una molécula de colágena tipo I consta de dos cadenas al(I) y una cadena a2(II).
Cuando menos en una parte de su longitud, las tres cadenas
de polipéptidos que forman una molécula de colágena se
enredan sobre sí mismas formando una triple hélice característica (estudiada en la página 57).
Numerosas colágenas, incluyendo los tipos I, II y III,
se describen como colágenas fibrüares debido a que se ensamblan en fibrillas semejantes a cables, que a su vez se
ensamblan a fibras más gruesas, de ordinario lo bastante
grandes para observarlas con el microscopio de luz. En la
figura 2-33, b, se muestra el empaque lado a lado de las filas
de moléculas de colágena I dentro de una fibrilla de colágena. Las moléculas individuales de colágena no se alinean al
mismo nivel en una fibrilla, sino que se escalonan más o
menos a la altura de la cuarta parte de la longitud de sus
vecinas. Esta disposición escalonada de las moléculas componentes incrementa la resistencia mecánica del complejo y

242

CAPITULO 7 • interneciones entre ¡as células y sw entorno
CUADRO 7-1. Tipos de colágena
Tipo

I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII

Cadenas
al(I), a2{I)
al(II)
Cfl(IIl)

al (IV), a2(IV)
al(V), a2(V), o3(V)
al(VI), a2(VI), a3{VI)
«l(VII)
al (VIII)
al(IX), a2(IX), a3(IX)
al(X)
trl(XI), a2(XI), a3(XI)
al (XII)

Estructura

Localizarían

Fibrilar
Fibrilar
Fibrilar
No fibrilar
Fibrilar
Fibrilar
No fibrilar
?
?
?

Piel, tendón, hueso, etc.
Cartílago, humor vitreo
Piel, músculo, etc.
Todas las membranas básales
La mayor parte de los tejidos intersticiales
La mayor parte de los tejidos intersticiales
Fijación de fibrillas
Algunas células endoteliales
Cartílago
Cartílago hipertrófico y en etapa de mineralización
Cartílago
Piel, tendón

Fibrilar
?

Según K. Kuhn, en R. Mayne y R.E. Burgeson, eds. Stmcture and Function o/Collagen Types, Academic
Press, 1987, p. 2.

produce los patrones de banda característicos de las fibrillas de colágena (fig. 2-33, c). Las fibrillas aumentan todavía
más su resistencia mediante uniones covalentes transversales formadas entre lisina e hidroxilisina de moléculas adyacentes de colágena. Cuando se rompen estos enlaces intermoleculares cruzados, como a veces ocurre en animales que
ingieren /3-aminopropionitrilo, una sustancia tóxica presente en semillas de chícharos dulces, el tejido conectivo puede
debilitarse mucho.
Entre los diferentes componentes de la MEC, las moléculas de colágena proporcionan el armazón insoluole que
determina muchas de las propiedades mecánicas de la matriz. En realidad, las propiedades de un tejido particular
con frecuencia se pueden correlacionar con la organización
tridimensional de sus moléculas de colágena. Por ejemplo,
los tendones, que conectan los músculos a los huesos, deben resistir tremendas fuerzas de tracción durante los momentos de la contracción muscular. Los tendones contienen
una MEC en que las fibras de colágena se alinean paralelas
al'eje mayor del tendón, y por lo tanto paralelas a la dirección de las fuerzas de tracción. La córnea también es un
tejido notable; debe servir como capa protectora durable en
la superficie del globo ocular, pero también ser transparente para permitir el paso de la luz a través del cristalino en
dirección a la retina. La gruesa capa media de la córnea es
el estroma, que contiene fibrillas de colágena relativamente
cortas organizadas en distintas capas. La estructura en capas del estroma es similar a la corteza de un árbol; las fibrillas de cada capa son paralelas a las otras fibrillas de la
misma capa, pero perpendiculares a las fibrillas de las capas situadas en ambos lados (fig. 7-4). Esta estructura parecida a la corteza de un árbol suministra resistencia a este
delicado tejido, en tanto que la uniformidad de tamaño y la
disposición de las fibras favorece la transparencia del tejido.
No todas las colágenas forman fibrillas. Una de las colágenas no fibrilares es el tipo IV, cuya distribución se restringe a las membranas básales (pág. 240). Las membranas
básales son láminas de apoyo muy delgadas y las molécu-

las de colágena tipo IV se organizan formando una red aplanada que sirve como estructura para el depósito de otros
materiales extracelulares. A diferencia de la colágena I, que
consta de una triple hélice larga ininterrumpida, los trímeros
de la colágena IV contienen segmentos no helicoidales interpuestos a lo largo de la molécula y de los dominios globulares en cada extremo. Los segmentos no helicoidales
confieren a la molécula flexibilidad, en tanto que los extremos globulares sirven como sitios de interacción entre moléculas que dan al complejo su carácter tipo reticular (fig.
7-5).
Proteoglicanos
Además de la colágena, las matrices extracelulares típicamente contienen una gran cantidad de un tipo distintivo de

1 pm

FKÍURA 7-4. Estroma corneal. Consta principalmente de capas de
fibras de colágena en las cuales las moléculas de capas alternas se
disponen en ángulos rectos entre sí, lo que recuerda la estructura de
la madera laminada (triplay). (Cortesía de M. Takus.)

CAPITULO 7 • Interacciones entre !as células y su entorno

50 nm

FIGURA 7-5. Red de colágena tipo IV de la membrana basal.
Mkrografía electrónica de una membrana basal del tejido amníótico
humano extraído mediante una serie de soluciones salinas para eliminar los materiales no colagenosos. El tratamiento deja una red poligonal muy ramificada de fibras que forman una estructura irregular. Las
pruebas indican que esta estructura consta de moléculas de colágena
tipo IV entrelazadas en disposición tridimensional compleja. En la
figura 7-11 se muestra un modelo del armazón de la membrana basal.
(Según Peter D. Yurchenco y George C. Rubén,}. Cell Biol. 105:2561,1987;
© por Tíw Rockefeller University Press.)

complejo proteinicopolisacárido denominado proteoglicano. Un proteoglicano (fig. 7-6, a) consta de una molécula
proteínica central a la cual se unen cadenas de glucosaminglicanos (GAG) (mostradas en rojo en la figura). Cada cadena de glucosaminglicano se compone de un disacárido
repetitivo; o sea, posee una estructura A-B-A-B-A, donde A
y B representan dos azúcares diferentes. Los GAG son muy
ácidos debido a la presencia de grupos sulfato y carboxilo
unidos a los anillos de los azúcares (fig. 7-6, b).
El papel de la colágena y de los proteoglicanos en la
estructura y función de la matriz extracelular se puede ilustrar en el tejido cartilaginoso. El cartílago consta principalmente de una matriz extracelular secretada por condrocitos
vivientes que quedan aprisionados en sus propias secreciones (fig. 7-7, a). Las moléculas de colágena forman fibrillas
distintas, en tanto que los proteoglicanos constituyen un
material amorfo a su alrededor que llena el espacio extracelular (fig. 7-7, b,c). Los proteoglicanos de la matriz cartilaginosa están ensamblados en un complejo gigantesco por la
unión de las proteínas centrales a una molécula de ácido
hialurónico, un GAG no sulfatado (fig. 7-6, b). En la figura
7-6, c, se muestra el aspecto microscópico de uno de estos
complejos que puede ocupar un volumen equivalente a una
célula bacteriana.
Debido a las cargas negativas generadas sobre los GAG,
los proteoglicanos pueden enlazarse a numerosos cationes,

243

que a su vez arrastran abundantes moléculas de agua. Como
resultado, los proteoglicanos forman un gel poroso hidratado que actúa como "material de empaque" para resistir
fuerzas de compresión (aplastamiento). Esta propiedad complementa a la de las moléculas adyacentes de colágena que
resisten fuerzas de tracción, y suministran un bastidor de
apoyo para los proteoglicanos. En conjunto, colágenas y
proteoglicanos suministran al cartílago, y a otras matrices
extracelulares, fuerza y resistencia a la deformación. (Se
puede obtener una "sensación" de las propiedades mecánicas del cartílago comprimiéndose una oreja o el puente de
la nariz.) La matriz extracelular del hueso también se compone de colágena y proteoglicanos, pero se endurece por
impregnación de sales de fosfato de calcio.
Una familia de proteoglicanos, los hepamn sulfato proteoglicanos (HSPG), además de ser el principal componente de
la MEC, también desempeñan algunas funciones en la superficie celular (fig. 7-8, a). Los miembros de esta familia
incluyen sindecanos, betaglicanos y el CD44. La proteína
central de estos proteoglicanos rodea la membrana plasmática, en tanto que los GAG se unen al dominio extracelular
de la proteína (fig. 7-8, &). Se cree que el dominio citoplásmico de la proteína central interactúa con el citoesqueleto, y
que el dominio extracelular (particularmente el GAG unido
a ese extremo de la proteína} interactúa con varias proteínas de la MEC. Además de fijar las células a la MEC, el
dominio extracelular del HSPG puede enlazarse a una gran
variedad de moléculas difusibles, incluyendo enzimas y factores de crecimiento (fig. 7-8, b).
El HSPG es uno de los diferentes tipos de macromoléculas que forman un puente entre los medios externo e
interno de la célula. Como tal, esta molécula se encuentra
en posición ideal para transmitir señales a través de la membrana plasmática. Dichas señales pueden influir en muchos
aspectos de la conducta de la célula, incluyendo cambios en
la morfología celular, motilidad, adherencia, crecimiento y
diferenciación de la célula. El papel de los receptores de la
superficie celular para transmitir mensajes será explorado
con mayor detalle en la página 258 y en el capítulo 15.

Fibronectina, laminilla y otras proteínas
de la MEC
El término "matriz" implica una estructura formada por
una red de elementos que interactúan. Este término es muy
adecuado para la matriz extracelular, que además de colágena y proteoglicanos contiene varias proteínas que interactúan entre sí con mucha precisión y de manera definida.
La f ibronectina es una de las proteínas extracelulares mejor
estudiadas y revela muchas de las características observadas en la mayor parte de los componentes de otras matrices.
Por ejemplo, la fibronectina, igual que otras proteínas de la
MEC, contiene una cantidad de dominios distintos, cada
uno con funciones particulares (fig. 7-9, a). Cada cadena de
polipéptido que forma una molécula de fibronectina contiene:
1. Sitios de enlace para otros componentes de la MEC,
incluyendo colágenas y glucosaminoglicanos específi-

244


o.

Proteína
central

Acido
hialurónico p

HJ

Hivi
OH

Condroitiiv
sulfato

Y"

H

NHCOCH,

Proteína central
Condroitinco°sulfato

H

CH?°H
Queratansulfaío

o,

HO .
H

H

OH

Queratansulfato
....

HJ

CH2oso30. ,0'

?-':••••
OH

H

NHCOCH,

(c)

(a)

0.5 p

flGURA 7-6. Estructura de un complejo proteoglicano. a) Representación esquemática de un proteoglicano simple que consta de una
molécula central de proteína a la cual se unen numerosas cadenas de glucosarninglicanos (GAG). Los proteoglicanos procedentes de una matriz
cartilaginosa contienen cadenas de queratansulfato y de condroitinsulfato cuyas estructuras se muestran en la parte b. b) En la matriz del
cartílago, los proteoglicanos están unidos a un GAG no sulfatado, llamado ácido hialurónico, para formar un complejo gigante. En esta figura
se muestran las estructuras de los disacáridos repetitivos que constituyen cada uno de los GAG. Todos los GAG poseen numerosas cargas
negativas (indicadas por el sombreado azul), c) Micrografía electrónica de un complejo proteoglicano comparable al ilustrado en la parte b,
aislado de la matriz del cartílago, (c: Cortesía de Laivrence C. Rosenberg.)

(b)

Fibrillas de
colágena

(O
FIGURA 7-7. Estructura del cartílago, a) Micrografía electrónica de una sola célula cartilaginosa (condrocito) rodeada por la matriz extracelular que secretan las células (N, núcleo; M, mitocondria; ER, retículo endoplásmico; V, vacuola citoplásmica; MV, vesícula extracelular;
C, colágena), b) Micrografía de alta resolución que muestra la matriz extracelular. La matriz contiene delgadas fibrillas de colágena tipo II y
pequeñas condensaciones electrónicamente densas de proteoglicanos. Los materiales más oscuros y de mayor tamaño son organelos vesiculares
que presuntamente contienen materiales de la matriz extracelular. c) Diagrama esquemático de la organización aparente de la colágena y del
proteoglicano de la matriz del cartílago. (a,b: Según Louis C. Gerstenfeld y William /. Landis, J. Cell Biol. 112:508-9, 1991; con permiso de Rockefeller
University Press.)

CAPITULO 7 • Interacciones entre las células j su entorno

245

Condroitinsulfato

Citoplasma
Filamento de actina

(b)
FIGURA 7-8. Proteoglicanos que rodean la membrana, a) El sindecano, un proteoglicano que contiene beparansulfato, se localiza en la
superficie celular de esta célula de Schwann, según lo revela la unión con anticuerpos antisindecano. b) Dibujo esquemático de una molécula
sindecano compuesta de una proteína central que abraza a la membrana, en la cual se unen ei heparansulfato y los glucosaminglicanos
condroitinsulfato extracelulares. Se cree que el dominio citoplásmico de la molécula sindecano interactúa con microfilamentos que contienen
actina, en tanto que los GAG extracelulares interactúan con ligandos específicos, como el factor de crecimiento de fibroblastos (FCF). (a: Según
David ]. Carey y cois. }. Celi Biol. 124:169, 1994; con permiso de Rockefeller University Press.)

eos, que ayudan a unir estas diversas moléculas en una
red estable interconectada.
2. Sitios de enlace para receptores situados sobre toda la
superficie de la célula, que sirven para mantener una
unión estable entre la MEC y la célula (fig. 7-13).
Desde hace mucho tiempo se emplea fibronectina purificada en cultivo de células para proporcionar a éstas una
superficie donde adherirse y crecer.
La importancia de la fibronectina en la MEC es muy
evidente cuando los tejidos participan en actividades dinámicas, como las observadas durante el desarrollo embrionario. El desarrollo se caracteriza por oleadas de migración
celular que obligan a las células a seguir diferentes rutas
de una a otra parte del embrión (fig. 7-10). Muchos estudios
indican que las fibrillas con fibronectina a menudo se sitúan en las vías que las células prefieren para desplazarse
ffig. 7-9, b). Por ejemplo, las células de la cresta neural, que
se desplazan afuera del sistema nervioso en desarrollo hacia el interior de casi todas las partes del embrión (fig.
7-10), atraviesan vías ricas en fibronectina. Estos movimientos celulares pueden inhibirse si se inyectan anticuerpos al
embrión, que se enlazan a sitios de reconocimiento de las
moléculas de fibronectina y los bloquean. La importancia
de la fibronectina en el desplazamiento de las células de la
cresta neural puede demostrarse fácilmente in vitro (fig.

7-9, c). No es sorprendente que los ratones que carecen de
un gen funcional para fibronectina sean incapaces de sobrevivir después de las primeras etapas del desarrollo embrionario.
Otra glucoproteína de la MEC es la laminina, cuyos
polipéptidos, igual que los de fibronectina, contienen dominios distintos con sitios de enlace específicos. Además de
enlazarse fuertemente a los receptores de la superficie celular, la laminina se puede enlazar a otras moléculas de laminina, a heparansulfato proteoglicanos y a colágena tipo IV,
un componente ubicuo de las membranas básales (pág. 242).
Se cree que la laminina y las moléculas de colágena del tipo
IV se entrelazan con una armazón porosa, como se muestra
en la figura 7-11.
Además de su papel estructural, la laminina puede actuar en la capacidad reguladora e influir en el potencial de
crecimiento y diferenciación de la célula. La laminina ha
sido mejor estudiada en relación con su papel como guía
del trayecto de los axones conforme crecen fuera del sistema nervioso central durante el desarrollo embrionario. La
laminina está presente a lo largo de muchas de estas vías en
el embrión, y cuando aparece sobre la superficie de un cultivo de neuroblastos promueve activamente el desarrollo
del axón. El posible papel de la laminina en la diseminación
de las células cancerosas se estudia en La perspectiva humana, en la página 260.

246


RGD

Dominio
Dominio Dominio
Dominio
para el
para el
para el
para el
enlace de enlace de enlace efe enlace de
heparina colágena
fibrina
células
(a) y fibrina

Sitio
Sitio
para el
para el
enlace de enlace de
heparina
fibrina

(C)

FIGURA 7-9. Estructura y función de la fibronectina. a) Una molécula de fibronectina humana consta de dos polipéptidos similares, pero
no idénticos, unidos por un par de enlaces disulfuro localizados cerca del C terminal. Cada polipéptido se pliega en algunos dominios estructuralmente distintos que también poseen propiedades funcionales distintas. Lo más importante es que cada dominio contiene uno o más
sitios de enlace para componentes específicos de la matriz extracelular o para la superficie de otras células. Algunas de las actividades de enlace
se indican por los letreros de los dominios. Se indica el sitio dentro de! dominio de enlace celular que contiene la secuencia (arg-gli-asp, o RGD).
Según se analiza después en el capítulo, esta secuencia se enlaza específicamente a un tipo particular de proteínas integrales de la membrana
plasmática (integrinas) que participan en la unión celular y en la transducción de señales, b) Corte a través de un embrión de pollo en etapa
temprana tratado con anticuerpos fluorescentes contra fibronectina. La fibronectina se concentra en las membranas básales (sitios rojo oscuro)
situadas por debajo del epitelio embrionario y suministran un sustrato sobre el cual migrarán las células, c) En esta micrografía, las células de
la cresta neural emigran desde una porción del sistema nervioso de pollo en desarrollo (a la izquierda de la fotografía) a un plato de vidrio
de cultivo que contiene tiras de una superficie recubierta de fibronectina que alterna con tiras de vidrio descubiertas. La región revestida de
fibronectina está indicada por las líneas blancas. Es evidente que las células permanecen exclusivamente sobre las regiones cubiertas de fibronectina. Las células que llegan al sustrato de vidrio (flechas) tienden a redondearse y a perder su capacidad migratoria. La flecha indica la
dirección de la migración, (b: Cortesía de ¡ames W. Lash; c: según Ciovanni Levi, Jean-Loup Ditband y ¡ean Paul Tliiery, Int. Rev. Cytol. 123:213, 1990.)

Entre otras proteínas de la MEC se incluyen tenascina,
entactina y trombospondina. La tenascina es una glucoproteína oligomérica grande que se observa principalmente
sobre !a superficie de las células embrionarias y varias células tumorales. A diferencia de la fibronectina, que promueve la adherencia celular, la tenascina parece que actúa principalmente como componente antiadherente (fíg. 7-2). Sin
embargo, los ratones que se desarrollan sin copias de genes
funcionales para tenascina no parecen mostrar efectos patológicos por la ausencia de la proteína. La entactina, componente de la membrana basal donde se enlaza a la laminina,
puede desempeñar un papel importante en la adherencia y
penetración del embrión primitivo de mamífero en el revestimiento del útero durante la implantación. Una gran
variedad de células secretan trombospondina en la MEC, y
es particularmente prominente en la matriz que rodea el

revestimiento de vasos sanguíneos maduros. En este sitio,
la trombospondina parece inhibir la neoformación de vasos
sanguíneos (angiogénesis).
La combinación única de los diferentes componentes de
la MEC contribuye a las características específicas de cada
tipo de tejido. La mayor parte de los componentes de la
MEC son grandes macromoléculas compuestas de subunidades con estructura modular y poseen sitios de enlace entre
sí. Por consiguiente, las interacciones entre los materiales de
la MEC pueden ser muy complejas. Incluso algunas moléculas pueden poseer sitios de enlace con actividades opuestas,
por ejemplo, un sitio que promueve la adherencia celular y
otro que la inhibe. En estos casos, la organización supramolecular de los diferentes componentes puede determinar en
último término el efecto sobre la conducta de la célula, efecto dinámico que puede cambiar de un momento a otro.


247

Células de la
cresta neural

MC
7S

Col-IV

Lm

Células
linfoides
Células del
primordio germinal
(CPG)
FIGURA 7-10. Resumen de algunos desplazamientos celulares
que ocurren durante el desarrollo de un mamífero. Los movimientos
más extensos son efectuados por las células de la cresta neural que
migran por fuera de la placa neural hacia la línea media dorsal del
embrión y originan todas las células pigmentadas de la piel (P), los
ganglios simpáticos (SpG), la médula suprarrenal (AdM) y el cartílago
del cráneo embrionario (Mx, Md para los arcos maxilar y mandibular). Las células del primordio germinal (CPG) migran desde el saco
vitelino al sitio donde se forman las gónadas (G) dentro del embrión.
Los progenitores de células linfoides se transportan al hígado (L),
médula ósea (Mo), timo (Ti), ganglios linfáticos (GL) y bazo (Ba).
(Nota: Las "vías" aquí mostradas conectan los puntos donde se originan las células con su destino; no muestran con precisión la verdadera
ruta de las células.) (Según Aaron A. Moscona y R.E. Hausman, en Cell
and Tissue Interactions, J.W. Lash y M.M.. Burger, eds., Raven Press,
1977.)

7-2 Adherencia de células
a sustratos no celulares
En el análisis previo hicimos notar que ciertos componentes
de la MEC, incluyendo fibronectina, laminina y colágena,
tienen capacidad para enlazarse a receptores situados sobre
la superficie de la célula. El grupo más importante de receptores que fijan la célula a su microambiente extracelular son
las integrinas.

Integrinas
Las integrinas son una superf amilia de proteínas integrales
de membrana compuestas de cadenas de polipéptidos que
abrazan toda la membrana, una cadena a y una cadena j$
unidas mediante enlaces no covalentes (fig. 7-13). Cuando
menos se han identificado 15 diferentes subunidades a y
ocho diferentes subunidades /3. Teóricamente, pueden existir más de 100 pares posibles de subunidades a y/3 en forma
de heterodímeros, aunque el verdadero número está bastante restringido. En la superficie de la célula sólo se han
identificado unas 20 integrinas diferentes, cada una con
distribución tisular específica predecible.

FIGURA 7-11. Modelo de armazón de membrana basal. La disposición de moléculas de colágena tipo IV del armazón de la membrana
basal se muestra en la figura 7-5. Aquí también se incluyen otras
moléculas que constituyen la membrana basal, principalmente la
proteína laminina (Lm), indicada por moléculas engrosadas en forma
de cruz, y la entactina (En). (Según Peter D. Yurchenco, Yi-Shan Cheng
y Hoüy Colognato, J. Cell Biol. 117:1132, 1992; con permiso de Rockefeller
University Press.)

Ambas subunidades de integrina, a y /?, poseen una
gran porción extracelular donde se encuentran los sitios de
enlace para ligandos específicos; un segmento corto, único,
que rodea a la membrana, y un pequeño dominio citoplásmico (40 a 50 aminoácidos de largo)1 que contiene sitios de
enlace para componentes del citoesqueleto (fig. 7-18). Por lo
tanto, las integrinas tienen capacidad para enlazarse a sustancias en ambos lados de la membrana plasmática. De
hecho, el nombre "integrína" concuerda con el concepto de
que estas proteínas pueden transmitir señales entre los compartimientos extracelular e intracelular como una manera
de "integrar" sucesos externos e internos. Este aspecto de la
función de las integrinas se analiza con mayor detalle en
la página 258.
En el cuadro 7-2 se presenta una lista de las integrinas
conocidas y de los ligandos claves que se unen a ellas. Puesto que las células individuales pueden expresar varias integrinas diferentes en su superficie, dichas células tienen capacidad de enlazarse a distintos componentes extracelulares.
En muchos casos, una combinación de integrinas que reconocen diferentes dominios de un ligando extracelular puede ser la que determine el efecto de la MEC sobre la conducta de la célula. Por ejemplo, las células situadas en la capa
inferior de la epidermis contienen las integrinas a^, a^fii y
a$,

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