Bioquímica

Introducción

La bioquímica es una ciencia experimental que tiene un presente y un futuro prometedor, en el sentido de 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 (proceso que consiste en el empleo de organismos biológicos para resolver problemas medioambientales como la contaminación, en la que por lo general se utilizan bacterias que reducen los agentes contaminantes) 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 la presencia de 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, etc.

En este trabajo intentaré mantener un enfoque integral sobre esta ciencia, abarcando las áreas de mayor relevancia a modo de introducción a la misma, al mismo tiempo en que abordo este tema por primera vez, lo que me significará un aprendizaje.

Definición y concepto

El prefijo “bio” procede de “bios”, término griego que significa “vida”. Su objetivo principal es el conocimiento de la estructura y comportamiento de las moléculas biológicas. La definición más acertada es la que expresa que la bioquímica es una rama multidisciplinaria de la química y la biología: las fusiona y se encarga tanto del estudio de las sustancias que se encuentran presentes en los organismos vivos, como de las reacciones químicas fundamentales para los procesos vitales. Esas sustancias pueden ser especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células. Las reacciones químicas que sufren estos compuestos (metabolismo) les permiten obtener energía (catabolismo) y generar biomoléculas propias (anabolismo). La bioquímica se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y en general las moléculas biológicas están compuestas principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Es la ciencia que estudia la base química de la vida: 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. Conceptualmente, La bioquímica pretende dar explicación desde el punto de vista molecular al funcionamiento de los seres vivos, entenderlos y poder aplicar ese conocimiento en medicina, farmacología, ingeniería genética o cualquier ámbito donde intervenga la vida.

La Bioquímica 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 formas de alergias, el aumento del cáncer, las enfermedades genéticas, la obesidad, etc. 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 conserva tras el fraccionamiento subcelular. A partir de ahí se puede estudiarlo y extraer conclusiones.

Historia

La historia de la bioquímica como la conocemos hoy en día es prácticamente moderna, desde el siglo XIX se comenzó a direccionar una buena parte de la biología y la química a la creación de una nueva disciplina integradora: la química fisiológica o 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, puesto 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. Aunque es cierto que existen hitos experimentales que son básicos en la bioquímica.

Se suele situar el inicio de la bioquímica en los descubrimientos en 1828 de Friedrich Wöhler, quien 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 sólo en el interior de los seres vivos.

En 1833, Anselme Payen aísla la primera enzima (la diastasa, enzima de origen vegetal que se encuentra en determinadas semillas germinadas y otras plantas), aunque se desconoce en su alimentación.

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, por lo que no era exclusivamente un fenómeno químico como se había defendido hasta ahora (entre ellos por 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 1878 el fisiólogo Wilhelm Kühne 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 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%).

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 glucolisis.

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 a 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

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