HISTORIA DE LA BIOQUIMICA y LOGICA MOLECULAR

La bioquímica es una ciencia que estudia la composición química de los seres

vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos,

además de otras pequeñas moléculas presentes en las células y las reacciones

químicas que sufren estos compuestos (metabolismo) que 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 de

hidrógeno,carbono,oxigeno 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 lasreacciones químicas del metabolismo celular como la digestión,

la fotosíntesis y la inmunidad, entre otras.

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.

Historia

El comienzo de la bioquímica puede muy bien haber sido el descubrimiento de la

primera enzima, la diastasa, en 1893 por Anselme Payen. En 1828 Friedrich

Wöhler 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. Desde

entonces la bioquímica ha avanzado, especialmente desde la mitad del siglo XX,

con el desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía, la difracción de rayos

X, marcaje por isótopos y el microscopio electrónico. Estas técnicas abrieron el

camino para el análisis detallado y el descubrimiento de muchas moléculas y

rutas metabólicas de las células, como laglucólisis y el Ciclo de Krebs(denominado

así en honor al bioquímico Hans Adolf Krebs).

Hoy, los avances de la bioquímica son usados en cientos de áreas, desde la

genética hasta la biología molecular, de la agricultura a la medicina.

Alcance

Esquema de una célula típica animal con sus orgánulos y estructuras.

El pilar fundamental de la investigación bioquímica se centra en las propiedades

de las proteínas, muchas de las cuales son enzimas. Por razones históricas la

bioquímica del metabolismo de la célula ha sido intensamente investigado, en

importantes líneas de investigación actuales (como el Proyecto Genoma, cuya

función es la de identificar y registrar todo el código genético humano), se dirigen

hacia la investigación del ADN, el ARN, la síntesis de proteínas, la dinámica de

lamembrana celular y los ciclos energéticos.

Biología celular : Es una área de la biología que se dedica al estudio de la

célula, su comportamiento, la comunicación entre orgánulos al interior de la

célula y la comunicación entre células.

Genética : Es un área de la biología dónde se estudia principalmente el ADN y

ARN, para entender la función de cada una de sus partes y los procesos

asociados a su conservación.

Inmunología : Área de la biología, la cual se interesa por la reacción del

organismo frente a organismos como las bacterias y virus. Todo esto tomando

en cuenta la reacción y funcionamiento del sistema inmune de los seres vivos.

Farmacología : Área de la química que estudia cómo afectan ciertas

sustancias al funcionamiento celular en el organismo.

LA LOGIGA MOLECULAR DE LOS ORGANISMOS VIVOS

Los seres vivos están integrados por moléculas inanimadas que se ajustan a todas las leyes físicas y químicas que rigen el comportamiento de la materia inerte. Los organismos vivos poseen unos atributos que no se encuentran en la materia inanimada como son:

• Complejidad y organización:

Poseen estructuras internas complejas formadas por numerosas moléculas complejas.

• Cada una de las partes que componen la materia viva cumple un rol específico:

Esto se cumple no sólo para las estructuras intracelulares, sino también para los compuestos químicos de la célula (lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).

• Son capaces de extraer y transformar la energía de su entorno:

El ser vivo utiliza materias primas sencillas para producir o transformar energía, la cual es utilizada para edificar y mantener sus propias e intrincadas estructuras.

• Posee la capacidad de duplicarse:

El ser vivo posee la capacidad de reproducirse, elaborando copias exactas de si mismo, logrando así la persistencia del ser vivo en nuestro planeta.

BIOQUIMICA DEL ESTADO VITAL¿A qué se debe que moléculas inanimadas den origen a seres vivos?Los filósofos medievales hubieran apelado al vitalismo, doctrina superticiosa sin basamento científico. La bioquímica actual estudia de que modo el conjunto de materias inanimadas que constituyen los organismos vivos se influyen mutuamente para mantener y perpetuar el estado de vida. Como los seres vivos están constituidos por moléculas que ejercen entre sí interacciones específicas, debemos considerar el concepto de que la biología es química. La biología es una superquímica que comprende pero al mismo tiempo trasciende, los campos tradicionales de la química.Las moléculas que integran los organismos vivos no solamente se rigen por todos los principios físicos y químicos familiares que gobiernan el comportamiento de la materia inanimada, sino que, además ejercen acciones mutuas de acuerdo con otro modo colectivo como la lógica molecular de la vida.

Existe un conjunto de "Reglas Fundamentales" que gobiernan la naturaleza, la función y las interacciones de los tipos específicos de las moléculas presentes en los organismos vivos, y les dotan de la capacidad de organizarse y replicarse por si mismos.BIOMOLECULAS:La composición química de los seres vivos es, cualitativamente, muy diferente de la del entorno físico en que viven.La mayor parte de los componentes químicos de los organismos son compuestos orgánicos de carbono en los que el elemento se halla relativamente reducido o hidrogenado. Muchas biomoléculas orgánicas contienen también nitrógeno. Por el contrario, los elementos nitrógeno y carbono no son abundantes en la materia inerte y se encuentran en la atmósfera y en la corteza terrestre en formas inorgánicas sencillas, tales como, dióxido de carbono, nitrógeno molecular, carbonatos y nitratos.Los compuestos orgánicos presentes en la materia viva muestran enorme variedad y la mayor parte de ellos son extraordinariamente complejos; las mas sencillas de las células, las bacterias contienen gran número de distintas moléculas orgánicas. Las proteínas y los ácidos nucleicos son moléculas complejas y solamente se conoce la estructura de unas pocas.Si consideramos ahora organismos mayores y más complejos como son los animales y las plantas superiores hallaremos que también contienen proteínas y ácidos nucleicos y en mucha mayor variedad; cada especie de organismos posee su propio conjunto de moléculas proteicas y de ácidos nucleicos químicamente diferentes.Parecería una empresa sin esperanza que los bioquímicos intentaran aislar, identificar y sintetizar todas las diferentes moléculas orgánicas presentes en la materia viva. Constituye una paradoja, sin embargo, que la inmensa diversidad de moléculas orgánicas de los organismos vivos se puede reducir en último término, a una casi absurda complicidad.Sabemos ahora que las macromoléculas de la célula se hallan formadas por muchas moléculas sencillas, pequeñas unidades estructurales que se hallan ligadas constituyendo largas cadenas.En las proteínas sólo se encuentran 20 tipos de aminoácidos diferentes, pero están ordenados en muchas secuencias distintas, de modo que forman numerosos tipos de proteínas.Además, los 20 aminoácidos distintos constituyentes de las proteínas y los cinco nucleotidos diferentes que integran los ácidos nucleicos son idénticos en todas las especies vivientes. El reducido número de moléculas sencillas, sillares estructurales con que están construidas todas las macromoléculas, poseen otra sorprendente característica cada una de ellas desempeña diversas funciones en las células vivientes y algunas son extremadamente versátiles que realizan buen número de funciones. Los aminoácidos no sólo actúan como sillares de construcción de las

moléculas proteicas, sino también como precursores de las hormonas, los alcaloides, las porfirinas, los pigmentos y otras muchas biomoléculas. Las mononucleotidos no sólo constituyen las unidades fundamentales de los ácidos nucleicos sino que actúan también como coenzimas y moléculas transportadoras de energía. Podemos ver que en la organización molecular de la célula existe una simplicidad fundamental: Los millares de macromoléculas diferentes que la forma están construidas con sólo unas pocas moléculas sencillas, que son las sillares de su estructura. Podemos ver que la identidad de cada una de las especies de organismos está preservada por su posesión de un conjunto distintivos de ácidos nucleicos y de proteínas.TRANSFORMACIONES ENERGETICAS EN LAS CELULAS VIVASLa complejidad molecular y la ordenación estructural de los organismos vivos, en contraposición al azar que reina en la materia inerte, tiene unas implicaciones profundas para el físico científico. La segunda ley de la termodinámica establece que los procesos físicos y químicos tienden a aumentar el desorden o el caos, en el mundo es decir su entropía.La primera Ley de la Termodinámica establece que la energía no puede crearse ni destruirse. Los organismos vivos absorben una forma de energía que le es útil en las condiciones especiales de temperatura y presión en que viven y entonces devuelven al ambiente una cantidad equivalente de energía. La energía útil que toman las células se denomina energía libre y se define como el tipo de energía capaz de realizar trabajos a temperatura y presión constante.Los organismos vivos crean y mantienen su ordenación, esencial a expensas de su entorno, al que transforman haciéndolo cada vez más desordenado y caótico. Utilizando el lenguaje termodinámico, los organismos vivos son sistemas abiertos porque intercambian materia y energía con su entorno. La característica de los sistemas abiertos es que no se hallan en equilibrio con su entorno.Los organismos vivos se hallan en estado estacionario que es cuando un sistema abierto la velocidad de transferencia de materia y energía desde el entorno al sistema se halla compensado por la velocidad de transferencia de materia y energía hacia el exterior del sistema.Las células vivas son muy eficaces en la manipulación de la energía y de la materia.La maquinaria de transformación de energía de las células vivas está construida por entero con moléculas orgánicas relativamente frágiles e inestables, incapaces de resistir temperaturas elevadas, corrientes eléctricas intensas o concentraciones extremas de ácidos o de bases. La célula viva es por tanto, esencialmente isotérmica, en un instante determinado todas sus partes tienen prácticamente la misma temperatura. La célula viva es una máquina química isotérmica.

REACCIONES QUIMICAS EN LAS CELULAS VIVAS

Las células pueden actuar como máquinas químicas, porque poseen enzimas, catalizadoras capaces de aumentar mucho la velocidad de reacciones químicas específicas. Las enzimas son moléculas proteicas muy especializadas elaboradas por las células a partir de aminoácidos sencillos. Cada enzima solamente puede catalizar un tipo específico de reacción química. En milésimas de segundo pueden catalizar secuencias de reacciones muy complejas, las cuales requerirían días, semanas o meses de funcionamiento en el laboratorio químico.Las reacciones catalizadas enzimaticamente tienen lugar con un rendimiento del 100% y no hay subproductos.Los organismos vivos pueden llevar a cabo de modo simultáneo, muchas reacciones individuales diferentes sin perderse en un mar de subproductos inútiles.EL PRINCIPIO DE LA COMPLEMENTARIDAD ESTRUCTURALLas moléculas enzimáticas tienen que combinarse con sus sustratos durante el ciclo catalítico, y el centro activo de la molécula de la enzima solamente aceptará como sustratos aquellas moléculas que se adapten a él, con una complementariedad casi perfecta. Los centenares de reacciones químicas, catalizadas enzimaticamente no se realizan de modo independiente unas de otras sino que están relacionadas entre sí y constituyen muchas secuencias diferentes de reacciones consecutivas que poseen intermediarios comunes, de modo que el producto de la primera reacción se convierte en el sustrato o reactante de la segunda y así sucesivamente. Esta ordenación determina diversas consecuencias biológicas importantes.Una de ellas consiste en que tales sistemas de reacciones químicas se canalicen por rutas específicas; otra es que las reacciones secuenciales hacen posible la transferencia de energía química en condiciones isotérmicas.Las células vivas pueden dividirse en dos grandes clases según el tipo de energía que obtienen de su entorno. Las células fotosintéticas utilizan la luz solar como principal fuente de energía: la energía radiante es absorbida por el pigmento clorofila y transformada en energía química. Las células heterotróficas aprovechan la energía de las moléculas orgánicas muy reducidas, ricas en energía, que obtienen de su entorno, como la glucosa.El trifosfato de adenosina o A.T.P.; el cual actúa como el transportador de energía más importante en las células de todas las especies vivientes. La función biológica específica del sistema A.T.P.-A.D.P. como nexo de unión entre dos grandes redes de reacciones enzimáticas en la célula, es posible gracias a una serie consecutiva de reacciones químicas.AUTORREGULACION DE LAS REACCIONES CELULARESLa conexión de reacciones catalizadas por enzimas, en secuencias de reacciones consecutivas, hace posible canalizar ordenadamente los millones de reacciones químicas que se suceden en las células, de modo que las biomóleculas específicas necesarias para la estructura y función celulares tengan lugar en cantidades y velocidades adecuadas para mantener el estado estacionario normal. La velocidad

de una reacción específica en una porción de la compleja red de reacciones enzimáticas de la célula puede ser controlada o modulada por las velocidades de las reacciones de otra parte de la red. Algunas enzimas de la célula, especialmente las que se hallan al comienzo de una secuencia de reacciones o en un punto de ramificación de la secuencia, actúan como enzimas "reguladores"; son inhibidas por el producto final de la secuencia reaccional.Las células vivas poseen, además, la capacidad de regular la síntesis de sus propios catalizadores.Tales propiedades de autoajuste y autoregulación son fundamentales para mantener el estado estacionario de la célula viva y son esenciales para su eficacia en la transformación de la energía.AUTOREPLICA DE LOS ORGANISMOS VIVOS La propiedad más notable de las células vivas es su capacidad de reproducirse con fidelidad casi perfecta, no solamente una o diversas, lo que ya sería bastante notable sino por centenares y millares de generación. Los símbolos en que está codificada la información poseen las dimensiones de partes de simples moléculas de A.D.N.La notable capacidad de las células vivas para preservar su información genética es el resultado de la complementariedad estructural.Una hebra de A.D.N. actúa como patrón par ala réplica enzimática de otra hebra de A.D.N. estructuralmente complementaria.La molécula de A.D.N. puede escindirse con frecuencia, pero es reparada con rapidez y automáticamente. No es frecuente que se produzcan errores o mutaciones.La información unidimensional del A.D.N. es transferida a la información tridimensional inherente a los componentes macromoleculares de los organismos, gracias a la traslación de la estructura del A.D.N. a la estructura proteica. Una célula es un sistema abierto isotérmico que se ensambla, ajusta y perpetua por si misma. El sistema está constituido por muchas reacciones orgánicas consecutivas y ligadas, promovidas por unos catalizadores orgánicos producidos por la célula; opera según el principio de máxima economía y procesos.

¿Qué distingue a los organismos vivos de la materia inanimada?

1. 1. Grado de complejidad Química y organización. Las células están formadas

por miles de moléculas complejas

Figura. Una célula ciliada. Las rocas y el agua por el contrario, están formadas por moléculas muy sencillas.

Figura. Los puentes de Hidrógeno de un compuesto en agua.

2. 2. Los organismos vivos extraen, transforman y utilizan energía de sus

alrededores, que usualmente está almacenada en forma de nutrientes químicos en el alimento, o bien gracias a la energía contenida en la luz solar en los organismos fotosintéticos. Esta energía les permite a los seres vivos construir y mantener sus complicadas estructuras y hacer todo tipo de trabajo (mecánico, eléctrico, osmótico, etc.). La materia inanimada tiende a estar en equilibrio con el entorno, generalmente decayendo su energía. Los seres vivos tenemos que mantener ciertos flujos de energía constantes para vivir.

3. 3. Autoreplicación y autoensamblaje. Toda la información necesaria para dar

origen a la progenie se encuentra en el material genético contenido en la célula original.

Cada componente de los organismos vivos tiene una función específica, desde la parte intracelular de cualquier tipo de célula, hasta la organización de tejidos y órganos en organismos multicelulares.

El estudio de la Bioquímica muestra cómo la colección de moléculas inanimadas que constituyen a los seres vivos interactúa para mantener y perpetuar la vida basándose en las leyes que gobiernan a la materia inanimada.

La Bioquímica describe en términos moleculares las estructuras, mecanismos y procesos químicos compartidos por todos los seres vivos y provee de los principios de organización que agrupan a todos los organismos vivientes. Estos principios se denominan como la lógica molecular de la vida.

Aunque la Bioquímica provee de importantes conocimientos para muchas

aplicaciones prácticas como la medicina o la agricultura, en realidad está involucrada directamente con el proceso de la vida misma.

La mayoría de las moléculas que constituyen a los seres vivos están

compuestas de átomos de Carbono (C) unidos covalentemente entre ellos y generalmente con átomos de Hidrógeno (H), Oxígeno (O) y Nitrógeno (N). Las moléculas orgánicas de tamaño pequeño como los aminoácidos, los nucleótidos y los monosacáridos sirven como las unidades monoméricas de las macromoléculas en este caso proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos respectivamente. Una molécula de proteína puede contener desde varias decenas de aminoácidos y un ácido nucleico puede tener millones de nucleótidos.

En cada una de las células de este mundo, existen miles de cada una de

las macromoléculas que forman a los seres vivos o biomoléculas, muchas de ellas son copias idénticas de una misma, pero a cada una de las categorías pertenecen múltiples tipos de cada una de las biomoléculas. Esto se debe a que las subunidades monoméricas de cada una de estas macromoléculas pueden ser unidas covalentemente en una variedad ilimitada de secuencias, exactamente como sucede con las letras del alfabeto que pueden ser arregladas en un ilimitado número de palabras que se pueden arreglar en un ilimitado número de frases para formar un ilimitado número de textos.

Para explicar el número de secuencias diferentes posibles (S) que

dependen de un número diferente de tipos de subunidades (N) hay que tomar en cuenta la longitud (L) de la cadena que forman de la siguiente manera:

LNS = Para palabras en español de ocho letras, recordar que el alfabeto tiene 27

letras, se tiene:

278 ó 2.8 x 1011. Para secuencias de ocho desoxiribonucleotidos (A, G, C, T) en el ADN =

48 ó 65,536. Para secuencias de ocho aminoácidos (de 20) en las proteínas:

208 ó 2.56 x 1010.