Bioquímica

La bioquímica ( química biológica o fisiológica ) es la ciencia de la composición química de las células y los organismos vivos , así como de los procesos químicos que subyacen a su actividad vital . El término “bioquímica” ha sido utilizado esporádicamente desde mediados del siglo XIX , en el sentido clásico fue propuesto e introducido en la comunidad científica en 1903 por el químico alemán Karl Neuberg [1] .

La bioquímica es una ciencia relativamente joven, que se encuentra en la intersección  de la biología y la química [2] .

Historial de desarrollo

Como ciencia independiente, la bioquímica se formó hace unos 100 años, pero la gente utilizó procesos bioquímicos en la antigüedad, sin darse cuenta, por supuesto, de su verdadera esencia. En los tiempos más lejanos ya se conocía la tecnología de producciones basadas en procesos bioquímicos como la panificación , la elaboración de quesos , la elaboración de vinos , el curtido de cueros . La necesidad de combatir las enfermedades nos obligó a pensar en las transformaciones de las sustancias en el organismo, a buscar explicaciones a las propiedades curativas de las plantas medicinales . El uso de plantas para alimentos , tintes y telas también condujo a intentos de comprender las propiedades de las sustancias vegetales . Los pensadores antiguos hablaban del papel que jugaban el aire y los alimentos en el soporte vital de los seres vivos, sobre lo que provoca el proceso de fermentación [3] .

El científico y médico persa del siglo X, Avicena , en su libro "El Canon de la Medicina " describió en detalle muchas sustancias medicinales [4] .

En el siglo XVII, van Helmont acuñó el término enzima para denotar un reactivo químico involucrado en el proceso de digestión [5] .

El siglo XVIII estuvo marcado por las obras de M. V. Lomonosov y A. L. Lavoisier . Sobre la base de la ley de conservación de la masa de las sustancias descubiertas por ellos y los datos experimentales acumulados a finales de siglo, se explicó la esencia de la respiración y el papel excepcional del oxígeno en este proceso [6] .

El estudio de la química de la vida ya en 1827 condujo a la hasta ahora aceptada división de las moléculas biológicas en proteínas , grasas y carbohidratos . El autor de esta clasificación fue el químico y médico inglés William Prout [7] . En 1828, el químico alemán F. Wöhler sintetizó urea : primero, a partir de ácido ciánico y amoníaco (evaporando una solución del cianato de amonio resultante), y luego, ese mismo año, a partir de dióxido de carbono y amoníaco . Así, por primera vez se demostró que las sustancias químicas de un organismo vivo pueden sintetizarse artificialmente, fuera del cuerpo. La obra de Wöhler asestó el primer golpe a las teorías de los representantes de la escuela vitalista , que asumían la presencia de una determinada “fuerza vital” en todos los compuestos orgánicos [6] . Los poderosos impulsos posteriores en esta dirección de la química fueron la síntesis de laboratorio de lípidos (en 1854  - M. Berthelot , Francia ) y carbohidratos a partir de formaldehído ( 1861  - A. M. Butlerov , Rusia ). Butlerov también desarrolló una teoría de la estructura de los compuestos orgánicos [8] .

El trabajo sobre el estudio de la fermentación iniciado por Louis Pasteur dio un nuevo impulso al desarrollo de la química biológica . En 1897, Eduard Buchner demostró que la fermentación del azúcar puede ocurrir en presencia de un extracto de levadura libre de células, y este proceso no es tanto biológico como químico [9] . A la vuelta de los siglos 19 y 20 , el bioquímico alemán E. Fischer trabajó . Formuló las principales disposiciones de la teoría peptídica de la estructura de las proteínas , estableció la estructura y propiedades de casi todos los aminoácidos que las componen . Pero no fue hasta 1926 que James Sumner logró obtener la primera enzima pura, la ureasa , y demostró que la enzima es una proteína [10] .

La bioquímica se convirtió en la primera disciplina biológica con un aparato matemático desarrollado gracias al trabajo de Haldane , Michaelis , Menten y otros bioquímicos que crearon la cinética enzimática , cuya ley básica es la ecuación de Michaelis-Menten [11] .

En 1928, Frederick Griffith fue el primero en demostrar que un extracto de bacterias causantes de enfermedades muertas por calor podía transferir el rasgo de patogenicidad a bacterias benignas . El estudio de la transformación bacteriana condujo además a la purificación del agente de la enfermedad que, contrariamente a lo esperado, resultó no ser una proteína, sino un ácido nucleico . El ácido nucleico en sí no es peligroso, solo lleva genes que determinan la patogenicidad y otras propiedades del microorganismo . En 1953, el biólogo estadounidense J. Watson y el físico inglés F. Crick, basándose en el trabajo de M. Wilkins y R. Franklin, describieron la estructura del ADN  , la clave para comprender los principios de la transmisión de información hereditaria . Este descubrimiento significó el nacimiento de una nueva dirección de la ciencia: la biología molecular [12] .

En 1958 , George Beadle y Edward Tatham recibieron el Premio Nobel por su trabajo sobre los hongos, que resultó en la hipótesis de un gen, una enzima [13] . En 1988 , Colin Pitchfork se convirtió en la primera persona en ser condenada por asesinato basándose en la toma de huellas dactilares de ADN de las pruebas y el primer criminal en ser atrapado como resultado de la toma masiva de huellas dactilares [14] . De los últimos hitos en el desarrollo de la bioquímica, cabe señalar que Andrew Fire y Craig Mello recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por "el descubrimiento de la interferencia del ARN : el efecto de apagar la actividad de ciertos genes " [15] [ 16] .

Disciplinas relacionadas

Originada como la ciencia de la química de la vida a fines del siglo XIX [2] , que fue precedida por el rápido desarrollo de la química orgánica , la bioquímica se diferencia de la química orgánica en que estudia solo aquellas sustancias y reacciones químicas que tienen lugar en organismos vivos, principalmente en una célula viva. De acuerdo con esta definición, la bioquímica también cubre muchas áreas de la biología celular e incluye la biología molecular [17] . Después de que esta última fuera señalada como una disciplina separada, la demarcación entre la bioquímica y la biología molecular se formó principalmente como un tema metodológico y de investigación. Los biólogos moleculares trabajan principalmente con ácidos nucleicos , estudiando su estructura y función, mientras que los bioquímicos se han centrado en las proteínas , especialmente en las enzimas que catalizan las reacciones bioquímicas. En los últimos años, los términos "bioquímica" y "biología molecular" se usan indistintamente [9] .

Secciones de bioquímica

• La bioquímica estática ( química bioorgánica ) es la ciencia de la composición química de los organismos y las estructuras de sus moléculas constituyentes (proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos, nucleótidos, carbohidratos y sus derivados, lípidos, vitaminas, hormonas). Sus objetos principales son los biopolímeros , cuyas transformaciones constituyen la esencia química de los procesos biológicos, y los biorreguladores , que regulan químicamente el metabolismo.
  • La bioquímica de aminoácidos es la ciencia de la composición química de los aminoácidos [18] .
  • La bioquímica de proteínas es la ciencia de la composición química de las proteínas [19] .
  • La bioquímica enzimática es la ciencia de la composición química de las enzimas [20] .
  • La bioquímica de los carbohidratos es la ciencia de la composición química de los carbohidratos [21] .
  • La bioquímica de ácidos nucleicos es la ciencia de la composición química de los ácidos nucleicos [22] [23] .
  • La bioquímica de nucleótidos es la ciencia de la composición química de los nucleótidos [24] [25] .
  • La bioquímica de lípidos es la ciencia de la acción de los lípidos, sus efectos biológicos, los trastornos bioquímicos en caso de deficiencia o exceso en el cuerpo [26] .
  • La bioquímica de las vitaminas es la ciencia de la acción de las vitaminas, sus efectos biológicos, los trastornos bioquímicos en caso de deficiencia o exceso en el cuerpo [27] [28] .
  • La bioquímica de las hormonas es la ciencia de la acción de las hormonas, sus efectos biológicos, alteraciones bioquímicas en caso de deficiencia o exceso en el cuerpo [29] [30] .
• Bioquímica dinámica : estudia las reacciones químicas que representan el metabolismo (metabolismo), es decir, las formas de transformación de las moléculas y los mecanismos de las reacciones que ocurren entre ellas [31] [32] .
  • La biología molecular es una ciencia que tiene como objetivo comprender la naturaleza de los fenómenos de la vida mediante el estudio de objetos y sistemas biológicos a un nivel cercano al nivel molecular y, en algunos casos, llegando a este límite.
  • La bioenergía es una rama de la bioquímica dinámica que estudia los patrones de formación, acumulación y consumo de energía en los sistemas biológicos.
• La bioquímica funcional es una rama de la bioquímica que estudia las transformaciones químicas que subyacen a las funciones de los órganos, tejidos y el organismo en su conjunto [33] .
  • La bioquímica de los microorganismos ( Bioquímica de las bacterias ) es la ciencia de la composición y transformaciones de las sustancias en los microorganismos [34] .
  • La bioquímica vegetal es la ciencia de los procesos moleculares que ocurren en un organismo vegetal [35] [36] .
  • La bioquímica animal es la ciencia de los procesos moleculares que ocurren en las células de los organismos vivos [37] .
  • La bioquímica humana es una rama de la bioquímica que estudia los patrones de metabolismo en el cuerpo humano [38] .
    • La bioquímica de la sangre es la ciencia de las leyes del metabolismo en la sangre humana [39] [40] .
    • La bioquímica tisular es la ciencia de los patrones de metabolismo en los tejidos humanos [41] .
    • La bioquímica de los órganos es la ciencia de las leyes del metabolismo en los órganos humanos.
    • La bioquímica médica es una rama de la bioquímica que estudia los patrones de metabolismo en el cuerpo humano en las enfermedades [42] .
    • La bioquímica de la actividad muscular es una rama de la bioquímica que estudia los patrones de metabolismo en el cuerpo humano durante la actividad muscular [43] [44] [45] .
      • La bioquímica deportiva es una ciencia que revela los patrones de metabolismo en el cuerpo humano con el volumen y/o intensidad limitante de la actividad muscular [46] [47] [48] .

Métodos de estudio

La metodología bioquímica se basa en el fraccionamiento, análisis, estudio de la estructura y propiedades de los componentes individuales de la materia viva. Los métodos de bioquímica se formaron predominantemente en el siglo XX; las más comunes son la cromatografía , inventada por M. S. Tsvet en 1903 [49] , la centrifugación ( T. Svedberg , 1923, Premio Nobel de Química 1926) y la electroforesis ( A. Tiselius , 1937, Premio Nobel de Química 1948) [50] [51 ] .

De finales del siglo XX en bioquímica, los métodos de biología molecular y celular se utilizan cada vez más , especialmente la expresión artificial y la desactivación de genes en células modelo y organismos completos (ver ingeniería genética , biotecnología ). La determinación de la estructura de todo el ADN genómico humano ha revelado aproximadamente tantos genes previamente desconocidos y sus productos no estudiados como los que ya se conocían a principios del siglo XXI gracias a medio siglo de esfuerzos de la comunidad científica. Resultó que el análisis químico tradicional y la purificación de enzimas a partir de biomasa permiten obtener solo aquellas proteínas que están presentes en la materia viva en cantidades relativamente grandes. No es casualidad que la mayor parte de las enzimas fueran descubiertas por bioquímicos a mediados del siglo XX y, a finales de siglo, se extendió la creencia de que todas las enzimas ya habían sido descubiertas. Los datos de la genómica refutan estas ideas, pero el mayor desarrollo de la bioquímica requirió un cambio en la metodología. La expresión artificial de genes previamente desconocidos ha proporcionado a los bioquímicos nuevo material para la investigación, a menudo inaccesible por los métodos tradicionales. Como resultado, ha surgido un nuevo enfoque para la planificación de la investigación bioquímica, que se denomina genética inversa o genómica funcional [52] . En las últimas décadas se ha producido un gran desarrollo en el campo de la simulación por ordenador . Esta técnica permite estudiar las propiedades de biomoléculas donde es imposible (o muy difícil) realizar un experimento directo. La técnica se basa en programas informáticos que permiten visualizar la estructura de biomoléculas, establecer sus propiedades esperadas y observar las interacciones resultantes entre moléculas, como enzima - sustrato , enzima- coenzima , enzima- inhibidor [51] .

Elementos químicos requeridos

De los 90 elementos químicos que se encuentran naturalmente en la naturaleza, se necesita poco más de una cuarta parte para sustentar la vida. La mayoría de los elementos raros no son esenciales para sustentar la vida (las excepciones son el selenio y el yodo ). La mayoría de los organismos vivos tampoco utilizan dos elementos comunes, aluminio y titanio . Las listas de elementos necesarios para los organismos vivos difieren al nivel de los taxones superiores. Todos los animales necesitan sodio , y algunas plantas prescinden de él. Las plantas necesitan boro y silicio , pero los animales no (o lo necesitan en cantidades ultramicroscópicas). Solo seis elementos (los llamados macronutrientes , u elementos organogénicos ) componen hasta el 99% de la masa del cuerpo humano. Estos son el carbono , el hidrógeno , el nitrógeno , el oxígeno , el calcio y el fósforo . Además de estos seis elementos básicos, una persona necesita cantidades pequeñas o microscópicas de otros 19 elementos: sodio , cloro , potasio , magnesio , azufre , hierro , flúor , zinc , silicio , cobre , yodo , boro , selenio , níquel , cromo , manganeso , molibdeno , cobalto [53] y, como se mostró en 2014, bromo [54] .

Biomoléculas

Los cuatro tipos principales de moléculas que estudia la bioquímica son los carbohidratos , los lípidos , las proteínas y los ácidos nucleicos , así como sus híbridos , los proteoglicanos , las glicoproteínas , las lipoproteínas , etc. Muchas biomoléculas son polímeros ( macromoléculas ), cuyos componentes básicos son biomoléculas más simples. . Por ejemplo, los polisacáridos se componen de azúcares simples, mientras que las proteínas se componen de aminoácidos . Los polímeros biológicos a menudo forman complejos cuya estructura está dictada por su función biológica [55] . En la jerarquía de la complejidad química de los sistemas vivos, las macromoléculas están por encima de los elementos químicos, los grupos funcionales y las biomoléculas simples, y en los siguientes pasos de esta jerarquía se encuentran las vías metabólicas , las células , los organismos multicelulares y los ecosistemas [56] .

Carbohidratos

Los carbohidratos están formados por monómeros llamados monosacáridos , como la glucosa (C 6 H 12 O 6 ), la fructosa (C 6 H 12 O 6 ) [57] y la desoxirribosa (C 5 H 10 O 4 ). Durante la síntesis de una molécula de disacárido, se forma una molécula de agua a partir de dos moléculas de monosacárido. Los polisacáridos sirven para acumular energía ( almidón en plantas, glucógeno en animales) y como moléculas formadoras de estructuras (por ejemplo, el componente principal de las paredes celulares de las plantas es el polisacárido de celulosa , y la quitina es un polisacárido estructural de plantas inferiores, hongos e invertebrados (principalmente las córneas de los artrópodos - insectos y crustáceos) [58] .

Lípidos

Los lípidos (grasas), por regla general, se componen de una molécula de glicerol , a la que se unen de uno ( monoglicéridos ) a tres ( triglicéridos ) ácidos grasos mediante un enlace éster. Los ácidos grasos se dividen en grupos según la longitud de la cadena hidrocarbonada y según el grado de saturación (presencia y número de dobles enlaces en la cadena). Los lípidos son las principales moléculas consumidoras de energía en los animales. Además, tienen diversas funciones relacionadas con la señalización celular y el transporte de moléculas lipofílicas [59] .

Ardillas

Las proteínas suelen ser moléculas grandes, macrobiopolímeros. Sus monómeros son aminoácidos. La mayoría de los organismos sintetizan proteínas a partir de 20 tipos diferentes de aminoácidos. Los aminoácidos difieren entre sí por el llamado grupo R, cuya estructura es de gran importancia en el plegamiento de una proteína en una estructura tridimensional. Los aminoácidos forman enlaces peptídicos entre sí, mientras construyen una cadena: un polipéptido. La comparación de la secuencia de aminoácidos en las proteínas permite a los bioquímicos determinar el grado de homología de dos (o más) proteínas [60] .

Las funciones de las proteínas en las células de los organismos vivos son más diversas que las funciones de otros biopolímeros : polisacáridos y ácidos nucleicos . Por lo tanto, las proteínas enzimáticas catalizan el curso de las reacciones bioquímicas y juegan un papel importante en el metabolismo. Algunas proteínas tienen una función estructural o mecánica, formando un citoesqueleto que mantiene la forma de las células. Las proteínas también juegan un papel clave en los sistemas de señalización celular , en la respuesta inmune y en el ciclo celular . Muchas proteínas, tanto enzimas como proteínas estructurales, forman complejos con biomoléculas no proteicas. Los complejos con oligosacáridos se denominan (dependiendo de la proporción relativa de proteína y polisacárido en el complejo) glicoproteínas o proteoglicanos. Los complejos con lípidos se denominan lipoproteínas [61] .

Ácidos nucleicos

El ácido nucleico  es un complejo de macromoléculas que consta de cadenas de polinucleótidos. La función principal de los ácidos nucleicos es el almacenamiento y codificación de la información genética. El ácido nucleico se sintetiza a partir de trifosfatos de mononucleósidos macroérgicos (ATP, GTP, TTP, CTP, UTP), uno de los cuales es el trifosfato de adenosina (ATP), y también es la principal molécula de alto consumo energético de todos los organismos vivos. Los ácidos nucleicos más comunes son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Los ácidos nucleicos se pueden encontrar en todas las células vivas, desde arqueas hasta eucariotas , así como en virus [62] .

El nombre de "ácidos nucleicos" se le dio a este grupo de biopolímeros debido a su ubicación principal en el núcleo celular. Los monómeros de estas moléculas se denominan nucleótidos . Los nucleótidos se componen de tres componentes: una base nitrogenada ( purina o pirimidina ), un monosacárido tipo pentosa y un grupo fosfato . El ADN y el ARN difieren en el tipo de pentosa (en el ADN es 2 - desoxirribosa , y en el ARN es ribosa ), así como en la posible composición de bases nitrogenadas (mientras que la adenina , la guanina y la citosina están presentes tanto en el ADN como en el ARN, la timina está presente exclusivamente en el ADN y el uracilo , exclusivamente en el ARN) [63] .

Véase también

• bioquímica cuántica

Notas

1. ↑ Vasudevan, 2013 , pág. 3.
2. ↑ 1 2 Severin, 2003 , pág. 6.
3. ↑ Zubairov D. M. Hitos en la historia del primer departamento de química médica y física en Rusia (2007) Copia de archivo del 23 de diciembre de 2014 en Wayback Machine
4. ↑ Avicena "The Canon of Medicine " [1] Archivado el 24 de mayo de 2013 en Wayback Machine .
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6. ↑ 1 2 Berezov, 1998 , pág. dieciséis.
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9. ↑ 1 2 Berezov, 1998 , pág. 17
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Enlaces

• Jan Kolman, Klaus-Heinrich Roehm, Jurgen Wirth Bioquímica demostrativa
• Berg et al. bioquímica
• Lodis et al. Biología Celular Molecular
• Video conferencias sobre Bioquímica
• Vídeos de bioquímica
• Gerhard Michal, Dietmar Schombur. Vías bioquímicas: un atlas de bioquímica y biología molecular . - Hoboken, Nueva Jersey: Wiley, 2012. - 401 p. — ISBN 9780470146842 .

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