Bioquímica
Representación esquemática de la molécula de ADN, la molécula portadora de la información genética.
Es la ciencia que estudia la base química de las moléculas que componen las células y los tejidos, que catalizan las reacciones químicas del metabolismo celular como la digestión, la fotosíntesis y la inmunidad, entre otras muchas cosas.
Podemos entender la bioquímica como una disciplina científica integradora que aborda el estudio de las biomoléculas y biosistemas.
Integra de esta forma las leyes químico-físicas y la evolución
biológica que afectan a los biosistemas y a sus componentes. Lo hace
desde un punto de vista molecular y trata de entender y aplicar su
conocimiento a amplios sectores de la medicina (terapia genética y biomedicina), la agroalimentación, la farmacología.
Constituye un pilar fundamental de la biotecnología, y se ha
consolidado como una disciplina esencial para abordar los grandes
problemas y enfermedades actuales y del futuro, tales como el cambio climático,
la escasez de recursos agroalimentarios ante el aumento de población
mundial, el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles, la
aparición de nuevas alergias, el aumento del cáncer, las enfermedades genéticas, la obesidad, etc.
La bioquímica es una ciencia experimental y por ello recurrirá al uso
de numerosas técnicas instrumentales propias y de otros campos, pero la
base de su desarrollo parte del hecho de que lo que ocurre en vivo a
nivel subcelular se mantiene o se conserva tras el fraccionamiento
subcelular, y a partir de ahí, podemos estudiarlo y extraer
conclusiones.
Índice
Historia
La historia de la bioquímica moderna como la conocemos ; desde el siglo se comenzó a direccionar una buena parte de la biología y la química a la creación de una nueva disciplina integradora: la química fisiológicao la bioquímica. Pero la aplicación de la bioquímica y su conocimiento,
probablemente comenzó hace 5000 años con la producción de pan usando
levaduras en un proceso conocido como fermentación.
Es difícil abordar la historia de la bioquímica, en cuanto que, es
una mezcla compleja de química orgánica y biología, y en ocasiones, se
hace complicado discernir entre lo exclusivamente biológico y lo
exclusivamente químico orgánico y es evidente que la contribución a esta
disciplina ha sido muy extensa. Aunque es cierto que existen datos
experimentales que son básicos en la bioquímica.
Se suele situar el inicio de la bioquímica en los descubrimientos en 1828 de Friedrich Wöhler
que publicó un artículo acerca de la síntesis de urea, probando que los
compuestos orgánicos pueden ser creados artificialmente, en contraste
con la creencia, comúnmente aceptada durante mucho tiempo, de que la
generación de estos compuestos era posible solo en el interior de los
seres vivos.
La diastasa fue la primera enzima descubierta. En 1833 se extrajo de la solución de malta por Anselme Payen y Jean-François Persoz, dos químicos de una fábrica de azúcar francesa.1
A mediados del siglo XIX, Louis Pasteur,
demostró los fenómenos de isomería química existente entre las
moléculas de ácido tartárico provenientes de los seres vivos y las
sintetizadas químicamente en el laboratorio. También estudió el fenómeno
de la fermentación y descubrió que intervenían ciertas levaduras, y por
tanto no era exclusivamente un fenómeno químico como se había defendido
hasta ahora (entre ellos el propio Liebig); así Pasteur escribió: «la
fermentación del alcohol es un acto relacionado con la vida y la
organización de las células de las levaduras, y no con la muerte y la
putrefacción de las células». Además desarrolló un método de
esterilización de la leche, el vino y la cerveza (pasteurización) y
contribuyó enormemente a refutar la idea de la generación espontánea de
los seres vivos.
En 1869 se descubre la nucleína y se observa que es una sustancia muy rica en fósforo. Dos años más tarde, Albrecht Kossel concluye que la nucleína es rica en proteínas y contiene las bases púricas adenina y guanina y las pirimidínicas citosina y timina. En 1889 se aíslan los dos componentes mayoritarios de la nucleína:
- Proteínas (70 %)
- Sustancias de carácter ácido: ácido nucleicos (30 %)
acuñó el término enzima para referirse a los componentes biológicos
desconocidos que producían la fermentación. La palabra enzima fue usada
después para referirse a sustancias inertes tales como la pepsina.
En 1897 Eduard Buchner
comenzó a estudiar la capacidad de los extractos de levadura para
fermentar azúcar a pesar de la ausencia de células vivientes de
levadura. En una serie de experimentos en la Universidad Humboldt de
Berlín, encontró que el azúcar era fermentado inclusive cuando no había
elementos vivos en los cultivos de células de levaduras. Llamó a la
enzima que causa la fermentación de la sacarosa, “zimasa”. Al demostrar
que las enzimas podrían funcionar fuera de una célula viva, el siguiente
paso fue demostrar cuál era la naturaleza bioquímica de esos
biocatalizadores. El debate fue extenso, muchos como el bioquímico
alemán Richard Willstätter discrepaban de que la proteína fuera el catalizador enzimático, hasta que en 1926, James B. Sumner
demostró que la enzima ureasa era una proteína pura y la cristalizó. La
conclusión de que las proteínas puras podían ser enzimas fue
definitivamente probada en torno a 1930 por John Howard Northrop y Wendell Meredith Stanley, quienes trabajaron con diversas enzimas digestivas como la pepsina, la tripsina y la quimotripsina.
En 1903 Mijaíl Tswett inicia los estudios de cromatografía para separación de pigmentos.
En torno a 1915 Gustav Embden y Otto Meyerhof realizan sus estudios sobre la glucólisis.
En 1920 se descubre que en las células hay ADN y ARN y que difieren en el azúcar que forma parte de su composición: desoxirribosa o ribosa.
El ADN reside en el núcleo. Unos años más tarde, se descubre que en los
espermatozoides hay fundamentalmente ADN y proteínas, y posteriormente
Feulgen descubre que hay ADN en los cromosomas con su tinción específica
para este compuesto.
En 1925 Theodor Svedberg demuestra que las proteínas son macromoléculas y desarrolla la técnica de ultracentrifugación analítica.
En 1928, Alexander Fleming descubre la penicilina y desarrolla estudios sobre la lisozima.
Richard Willstätter (en torno 1910) estudia la clorofila y comprueba la similitud que hay con la hemoglobina. Posteriormente Hans Fischer en torno a 1930, investiga la química de las porfirinas de las que derivan la clorofila o el grupo porfirínico de la hemoglobina. Consiguió sintetizar hemina y bilirrubina. Paralelamente Heinrich Otto Wieland
formula teorías sobre las deshidrogenaciones y explica la constitución
de muchas otras sustancias de naturaleza compleja, como la pteridina, las hormonas sexuales o los ácidos biliares.
En la década de 1940, Melvin Calvin concluye el estudio del ciclo de Calvin en la fotosíntesis y Albert Claude la síntesis del ATP en las mitocondrias.
En torno a 1945 Gerty Cori, Carl Cori, y Bernardo Houssay completan sus estudios sobre el ciclo de Cori.
En 1953 James Dewey Watson y Francis Crick, gracias a los estudios previos con cristalografía de rayos X de ADN de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, y los estudios de Erwin Chargaff sobre apareamiento de bases nitrogenadas, deducen la estructura de doble hélice del ADN. En 1957, Matthew Meselson y Franklin Stahl demuestran que la replicación del ADN es semiconservativa.
En la segunda mitad del siglo XX, comienza la auténtica revolución de
la bioquímica y la biología molecular moderna, especialmente gracias al
desarrollo de las técnicas experimentales más básicas como la cromatografía, la centrifugación, la electroforesis, las técnicas radioisotópicas y la microscopía electrónica, y las técnicas más complejas como la cristalografía de rayos X, la resonancia magnética nuclear, la PCR (Kary Mullis), el desarrollo de la inmuno-técnicas.
Desde 1950 a 1975 , se conocen en profundidad y detalle aspectos del metabolismo celular inimaginables hasta ahora (fosforilación oxidativa (Peter Dennis Mitchell), ciclo de la urea y ciclo de Krebs (Hans Adolf Krebs), así como otras rutas metabólicas), se produce toda una revolución en el estudio de los genes y su expresión; se descifra el código genético (Francis Crick, Severo Ochoa, Har Gobind Khorana, Robert W. Holley y Marshall Warren Nirenberg), se descubren las enzimas de restricción (finales de 1960, Werner Arber, Daniel Nathans y Hamilton Smith), la ADN ligasa (en 1972, Mertz y Davis) y finalmente en 1973 Stanley Cohen y Herbert Boyer producen el primer ser vivo recombinante, naciendo así la ingeniería genética,
convertida en una herramienta poderosísima con la que se supera la
frontera entre especies y con la que podemos obtener un beneficio hasta
ahora impensable.
De 1975 hasta principios del siglo XXI, comienza a secuenciarse el ADN (Allan Maxam, Walter Gilbert y Frederick Sanger), comienzan a crearse las primeras industrias biotecnológicas (Genentech), se aumenta la creación de fármacos y vacunas más eficaces, se eleva el interés por las inmunología y las células madres y se descubre la enzima telomerasa (Elizabeth Blackburn y Carol Greider). En 1989 se utiliza la biorremediación a gran escala en el derrame del petrolero Exxon Valdez en Alaska. Se clonan los primeros seres vivos, se secuencia el ADN de decenas de especies y se publica el genoma completo del hombre (Craig Venter, Celera Genomics y Proyecto Genoma Humano), se resuelven decenas de miles de estructuras proteicas y se publican en PDB, así como genes, en GenBank. Comienza el desarrollo de la bioinformática
y la computación de sistemas complejos, que se constituyen como
herramientas muy poderosas en el estudio de los sistemas biológicos. Se
crea el primer cromosoma artificial y se logra la primera bacteria con genoma sintético (2007, 2009, Craig Venter). Se fabrican las nucleasas con dedos de zinc. Se inducen artificialmente células, que inicialmente no eran pluripotenciales, a células madre pluripotenciales (Shin'ya Yamanaka). Comienzan a darse los primeros pasos.
Ramas de la bioquímica
Esquema de una célula típica animal con sus orgánulos y estructuras.
Por razones históricas la bioquímica del metabolismo de la célula ha sido intensamente investigada, en importantes líneas de investigación actuales (como el Proyecto Genoma, cuya función es la de identificar y registrar todo el material genético humano), se dirigen hacia la investigación del ADN, el ARN, la síntesis de proteínas, la dinámica de la membrana celular y los ciclos energéticos.
Las ramas de la bioquímica son muy amplias y diversas, y han ido
variando con el tiempo y los avances de la biología, la química y la
física.
- Bioquímica estructural: es un área de la bioquímica que
pretende comprender la arquitectura química de las macromoléculas
biológicas, especialmente de las proteínas y de los ácidos nucleicos
(DNA y RNA). Así se intenta conocer las secuencias peptídicas, su
estructura y conformación tridimensional, y las interacciones
físico-químicas atómicas que posibilitan a dichas estructuras. Uno de
sus máximos retos es determinar la estructura de una proteína conociendo
solo la secuencia de aminoácidos, que supondría la base esencial para
el diseño racional de proteínas (ingeniería de proteínas). - Química bioorgánica: es un área de la química que se encarga del estudio de los compuestos orgánicos
(es decir, aquellos que tienen enlaces covalentes carbono-carbono o
carbono-hidrógeno) que provienen específicamente de seres vivos. Se
trata de una ciencia íntimamente relacionada con la bioquímica clásica,
ya que en la mayoría de los compuestos biológicos participa el carbono.
Mientras que la bioquímica clásica ayuda a comprender los procesos
biológicos con base en conocimientos de estructura, enlace químico,
interacciones moleculares y reactividad de las moléculas orgánicas, la
química bioorgánica intenta integrar los conocimientos de síntesis
orgánica, mecanismos de reacción, análisis estructural y métodos
analíticos con las reacciones metabólicas primarias y secundarias, la
biosíntesis, el reconocimiento celular y la diversidad química de los
organismos vivos. De allí surge la Química de Productos Naturales (V. Metabolismo secundario).4 - Enzimología: estudia el comportamiento de los catalizadores
biológicos o enzimas, como son algunas proteínas y ciertos RNA
catalíticos, así como las coenzimas y cofactores como metales y vitaminas.
Así se cuestiona los mecanismos de catálisis, los procesos de
interacción de las enzimas-sustrato, los estados de transición
catalíticos, las actividades enzimáticas, la cinética de la reacción y
los mecanismos de regulación y expresión enzimáticas, todo ello desde un
punto de vista bioquímico. Estudia y trata de comprender los elementos
esenciales del centro activo y de aquellos que no participan, así como
los efectos catalíticos que ocurren en la modificación de dichos
elementos; en este sentido, utilizan frecuentemente técnicas como la
mutagénesis dirigida. - Bioquímica metabólica: es un área de la bioquímica que pretende conocer los diferentes tipos de rutas metabólicas
a nivel celular, y su contexto orgánico. De esta forma son esenciales
conocimientos de enzimología y biología celular. Estudia todas las
reacciones bioquímicas celulares que posibilitan la vida, y así como los
índices bioquímicos orgánicos saludables, las bases moleculares de las
enfermedades metabólicas o los flujos de intermediarios metabólicos a
nivel global. De aquí surgen disciplinas académicas como la Bioenergética (estudio del flujo de energía en los organismos vivos), la Bioquímica nutricional (estudio de los procesos de nutrición asociados a rutas metabólicas)5 y la bioquímica clínica (estudio de las alteraciones bioquímicas en estado de enfermedad o traumatismo). La metabolómica
es el conjunto de ciencias y técnicas dedicadas al estudio completo del
sistema constituido por el conjunto de moléculas que constituyen los
intermediarios metabólicos, metabolitos primarios y secundarios, que se
pueden encontrar en un sistema biológico. - Xenobioquímica: es la disciplina que estudia el
comportamiento metabólico de los compuestos cuya estructura química no
es propia en el metabolismo regular de un organismo determinado. Pueden
ser metabolitos secundarios de otros organismos (P. ejemplo las
micotoxinas, los venenos de serpientes y los fitoquímicos cuando
ingresan al organismo humano) o compuestos poco frecuentes o
inexistentes en la naturaleza.6 La Farmacología
es una disciplina que estudia a los xenobióticos que benefician al
funcionamiento celular en el organismo debido a sus efectos terapéuticos
o preventivos (Fármacos).
La farmacología tiene aplicaciones clínicas cuando las sustancias son
utilizadas en el diagnóstico, prevención, tratamiento y alivio de
síntomas de una enfermedad así como el desarrollo racional de sustancias
menos invasivas y más eficaces contra dianas biomoleculares concretas.
Por otro lado, la Toxicología es el estudio que identifica,
estudia y describe, la dosis, la naturaleza, la incidencia, la
severidad, la reversibilidad y, generalmente, los mecanismos de los
efectos adversos (efectos tóxicos) que producen los xenobióticos.
Actualmente la toxicología también estudia el mecanismo de los
componentes endógenos, como los radicales libres de oxígeno y otros
intermediarios reactivos, generados por xenobióticos y endobióticos. - Inmunología: área de la biología, la cual se interesa por la
reacción del organismo frente a otros organismos como las bacterias y
virus. Todo esto tomando en cuenta la reacción y funcionamiento del
sistema inmune de los seres vivos. Es esencial en esta área el
desarrollo de los estudios de producción y comportamiento de los
anticuerpos. - Endocrinología: es el estudio de las secreciones internas llamadas hormonas,
las cuales son sustancias producidas por células especializadas cuyo
fin es de afectar la función de otras células. La endocrinología trata
la biosíntesis, el almacenamiento y la función de las hormonas, las
células y los tejidos que las secretan, así como los mecanismos de
señalización hormonal. Existen subdisciplinas como la endocrinología médica, la endocrinología vegetal y la endocrinología animal. - Neuroquímica: es el estudio de las moléculas orgánicas que
participan en la actividad neuronal. Este término es empleado con
frecuencia para referir a los neurotransmisores y otras moléculas como las drogas neuro-activas que influencian la función neuronal. - Quimiotaxonomía: es el estudio de la clasificación e
identificación de organismos de acuerdo a sus diferencias y similitudes
demostrables en su composición química. Los compuestos estudiados pueden
ser fosfolípidos, proteínas, péptidos, heterósidos, alcaloides y
terpenos. John Griffith Vaughan fue uno de los pioneros de la
quimiotaxonomía. Entre los ejemplos de las aplicaciones de la
quimiotaxonomía pueden citarse la diferenciación de las familias Asclepiadaceae y Apocynaceae según el criterio de la presencia de látex; la presencia de agarofuranos en la familia Celastraceae; las sesquiterpenlactonas con esqueleto de germacrano que son características de la familia Asteraceae o la presencia de abietanos en las partes aéreas de plantas del género Salvia del viejo Mundo a diferencia de las del Nuevo Mundo que presentan principalmente neo-clerodanos.7 - Ecología química: es el estudio de los compuestos químicos de
origen biológico implicados en las interacciones de organismos vivos.
Se centra en la producción y respuesta de moléculas señalizadoras (semioquímicos), así como los compuestos que influyen en el crecimiento, supervivencia y reproducción de otros organismos (aleloquímicos). - Virología: área de la biología, que se dedica al estudio de
los biosistemas más elementales: los virus. Tanto en su clasificación y
reconocimiento, como en su funcionamiento y estructura molecular.
Pretende reconocer dianas para la actuación de posibles de fármacos y
vacunas que eviten su directa o preventivamente su expansión. También se
analizan y predicen, en términos evolutivos, la variación y la
combinación de los genomas víricos, que podrían hacerlos eventualmente,
más peligrosos. Finalmente suponen una herramienta con mucha proyección
como vectores recombinantes, y han sido ya utilizados en terapia génica. - Genética molecular e ingeniería genética: es un área de la
bioquímica y la biología molecular que estudia los genes, su herencia y
su expresión. Molecularmente, se dedica al estudio del DNA y del RNA
principalmente, y utiliza herramientas y técnicas potentes en su
estudio, tales como la PCR y sus variantes, los secuenciadores masivos,
los kits comerciales de extracción de DNA y RNA, procesos de
transcripción-traducción in vitro e in vivo, enzimas de restricción, DNA
ligasas… Es esencial conocer como el DNA se replica, se transcribe y se
traduce a proteínas (Dogma Central de la Biología Molecular), así como
los mecanismos de expresión basal e inducible de genes en el genoma.
También estudia la inserción de genes, el silenciamiento génico y la
expresión diferencial de genes y sus efectos. Superando así las barreras
y fronteras entre especies en el sentido que el genoma de una especie
podemos insertarlo en otro y generar nuevas especies. Uno de sus máximos
objetivos actuales es conocer los mecanismos de regulación y expresión
genética, es decir, obtener un código epigenético. Constituye un pilar
esencial en todas las disciplinas biocientíficas, especialmente en
biotecnología. - Biología Molecular: es la disciplina científica que tiene
como objetivo el estudio de los procesos que se desarrollan en los seres
vivos desde un punto de vista molecular. Así como la bioquímica clásica
investiga detalladamente los ciclos metabólicos y la integración y
desintegración de las moléculas que componen los seres vivos, la
Biología molecular pretende fijarse con preferencia en el comportamiento
biológico de las macromoléculas (ADN, ARN, enzimas, hormonas, etc.)
dentro de la célula y explicar las funciones biológicas del ser vivo por
estas propiedades a nivel molecular. - Biología celular: (antiguamente citología, de citos=célula y logos=Estudio
o Tratado ) es un área de la biología que se dedica al estudio de la
morfología y fisiología de las células procariotas y eucariotas. Trata
de conocer sus propiedades, estructura, composición bioquímica,
funciones, orgánulos que contienen, su interacción con el ambiente y su
ciclo vital. Es esencial en esta área conocer los procesos intrínsecos a
la vida celular durante el ciclo celular, como la nutrición, la
respiración, la síntesis de componentes, los mecanismos de defensa, la
división celular y la muerte celular. También se deben conocer los
mecanismos de comunicación de células (especialmente en organismos
pluricelulares) o las uniones intercelulares. Es un área esencialmente
de observación y experimentación en cultivos celulares, que,
frecuentemente, tienen como objetivo la identificación y separación de
poblaciones celulares y el reconocimiento de orgánulos celulares.
Algunas técnicas utilizadas en biología celular tienen que ver con el
empleo de técnicas de citoquímica, siembra de cultivos celulares,
observación por microscopía óptica y electrónica, inmunocitoquímica,
inmunohistoquímica, ELISA o citometría de flujo. Está íntimamente ligada
a disciplinas como histología, microbiología o fisiología.
Técnicas bioquímicas básicas
Al ser una ciencia experimental la bioquímica requiere de numerosastécnicas instrumentales que posibilitan su desarrollo y ampliación,
algunas de ellas se usan diariamente en cualquier laboratorio y otras
son muy exclusivas.
- Fraccionamiento subcelular, incluyen multitud de técnicas.
- Espectrofotometría
- Centrifugación
- Cromatografía
- Electroforesis
- Técnicas radioisotópicas
- Citometría de flujo
- Inmunoprecipitación
- ELISA
- Microscopio electrónico
- Cristalografía de rayos X
- Resonancia magnética nuclear
- Espectrometría de masas
- Fluorimetría
- Espectroscopia de resonancia magnética nuclear
Expectativas y retos de la bioquímica
La bioquímica es una ciencia experimental que tiene un presente y unfuturo prometedor, en el sentido, que se yergue como base de la
biotecnología y la biomedicina.
La bioquímica es básica para la formación de organismos y alimentos
transgénicos, la biorremediación o la terapia génica, y se constituye
como faro y esperanza de los grandes retos que plantea el siglo XXI. No
cabe duda de que los cambios que traerá, beneficiarán enormemente a la
humanidad, pero el hecho intrínseco de ser un conocimiento tan poderoso
lo puede hacer peligroso, en este sentido es importante áreas como la
bioética que regulan la moralidad y guían el conocimiento biológico
hacia el beneficio humano sin transgresiones morales.
El conocimiento bioquímico tiene grandes objetivos como progresar en
la terapia génica, por ejemplo contra el cáncer o el VIH, desarrollar
alimentos transgénicos más eficientes, resistentes, seguros y
saludables, aplicar los conocimientos bioquímicos a la lucha contra el
cambio climático y la extinción de especies, generar nuevos fármacos más
eficientes, investigar y buscar dianas de las enfermedades, conocer los
patrones de expresión génica, generar nuevos materiales, mejorar la
eficiencia de la producción industrial…
Importantes bioquímicos españoles
- Severo Ochoa
- Eladio Viñuela
- Margarita Salas
- María Antonia Blasco Marhuenda
- Mariano Barbacid
- Jesús Ávila de Grado
Véase también
- Biología molecular
- Biotecnología
- Biomedicina
- Genoma humano
- Farmacia
- Industria farmacéutica
- Ingeniería genética
- Biomolécula
- Metabolismo
- Metabolismo secundario
- Bioquímica clínica
Referencias
- The chemotaxonomy of plants. Series of student texts in contemporary biology (Contemporary biology) (1976) Smith, P.M. Elsevier.
Enlaces externos
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