HISTORIA E IMPORTANCIA DE LA BIOQUÍMICA

BIOQUIMICA: Ciencia que estudia la estructura, organización y función de los seres vivos, a nivel molecular. Ciencia que se ocupa del estudio de los constituyentes químicos de los seres vivos así como de las reacciones y procesos que en ellos ocurren y su regulación. Ciencia que estudia las bases químicas de la vida.

OBJETIVO

Describir y explicar en términos moleculares todos los procesos químicos de las células vivas, así como su funcionamiento integrado, en los organismos multicelulares

DIVISIÓN: Química estructural. Metabolismo. Genética Molecular o Genética Bioquímica INTERES FINAL: Llegar a comprender en forma completa, a nivel molecular, todos los procesos característicos de la vida, en todas sus formas.

QUE ES LA VIDA: Gran parte de la dificultad para delinear la naturaleza precisa de los seres vivos recae en la abrumadora diversidad del mundo vivo y en el solapamiento aparente de diversas propiedades de la materia viva y de la inanimada.

Entre las percepciones más importantes adquiridas gracias al trabajo de la bioquímica están las siguientes:

La vida es compleja y dinámica. Todos los organismos se encuentran constituidos por el mismo conjunto de elementos químicos, principalmente carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, azufre y fósforo.

La vida es organizada y se sustenta de forma autónoma. Los seres vivos son sistemas organizados jerárquicamente, es decir, constan de patrones de organización que van del más pequeño (átomo) al más grande (organismo).

La vida es celular. Las células se diferencian mucho en estructura y función, pero todas están rodeadas por una membrana que controla el transporte de algunas sustancias químicas al interior y al exterior de la célula.

La vida se fundamenta en la información. La organización requiere información. La información genética, que se almacena en las secuencias lineales de nucleótidos en el ácido desoxirribonucleico (DNA) denominadas genes, especifica a su vez la secuencia lineal de aminoácidos de las proteínas y de qué forma y cuándo se sintetizan esas proteínas.

La vida se adapta y evoluciona. Cuando un organismo individual en una población se autorreproduce, las modificaciones del DNA inducidas por las agresiones y los errores que tienen lugar cuando se copian las moléculas de DNA pueden dar lugar a mutaciones o cambios de la secuencia.

UN MUNDO VIVO: Los cálculos sobre el número de especies vivas actuales van desde varios millones hasta decenas de millones. Todas están formadas por células procariotas o eucariotas.

Procariota: células sin núcleo celular definido, cuyo material genético se encuentra disperso en el citoplasma, reunido en una zona denominada nucleoide.

Eucariotas: células con un núcleo celular delimitado dentro de una doble capa lipídica: la envoltura nuclear, además que tienen su material hereditario, fundamentalmente su información genética.

El análisis de las secuencias de nucleótidos del ácido ribonucleico (RNA), una clase de ácido nucleico que participa en la síntesis de proteínas, ha demostrado que existen dos grupos de procariotas bastante distintos: bacterias y archaea.

Las arqueas, como las bacterias, son procariotas que carecen de núcleo celular o cualquier otro orgánulo dentro de las células.

BIOMOLECULAS: Los seres vivos están formados por miles de clases diferentes de moléculas inorgánicas y orgánicas. El agua, una molécula inorgánica, puede constituir entre el 50 y el 95% del peso de una célula, y los iones como el sodio (Na+), el potasio (K+), el magnesio (Mg2+) y el calcio (Ca2+) pueden representar otro 1%. Casi todas las demás clases de moléculas de los seres vivos son orgánicas.

GRUPOS FUNCIONALES DE LAS BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS: Se puede considerar que la mayoría de las biomoléculas deriva de la clase más simple de moléculas orgánicas, que son los hidrocarburos. Estas son moléculas que contienen carbono e hidrógeno y que son hidrófobas, lo cual significa que son insolubles en agua. Todas las demás moléculas orgánicas se forman uniendo otros átomos o grupos de átomos al esqueleto de carbono de un hidrocarburo.

GRUPOS FUNCIONALES DE LAS BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS: Las propiedades químicas de estas moléculas derivadas están determinadas por la disposición específica de átomos denominados grupos funcionales. Por ejemplo, los alcoholes se producen cuando los átomos de hidrógeno se sustituyen por grupos hidroxilo (-OH). Así, el metano (CH4), un componente del gas natural, puede convertirse en metanol (CH30H), un líquido tóxico que se utiliza como solvente en muchos procesos industriales.

CLASES PRINCIPALES DE BIOMOLÉCULAS PEQUEÑAS: Muchos de los compuestos orgánicos que se encuentran en las células son relativamente pequeños, con pesos moleculares inferiores a 1000 daltones (D). Las células contienen cuatro familias de moléculas pequeñas: aminoácidos, azúcares, ácidos grasos y nucleótidos.

AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS: Los aminoácidos se clasifican como α, β y ɤ de acuerdo con la posición del grupo amino con respecto al grupo carboxilo.

La fórmula general de los aminoácidos α es:

AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS: Existen 20 aminoácidos α estándar en las proteínas. Algunos aminoácidos estándar tienen funciones únicas en los seres vivos. Por ejemplo, la glicina y el ácido glutámico actúan en los animales como neurotransmisores, moléculas señalizadoras liberadas por las células nerviosas:

AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS: Las moléculas de aminoácido se utilizan principalmente para la síntesis de largos polímeros complejos denominados polipéptidos. Las moléculas cortas, con una longitud inferior a 50 aminoácidos, se denominan péptidos u oligopéptidos. A los polipéptidos más largos se les suele denominar proteínas.

AZÚCARES Y CARBOHIDRATOS: Los azúcares contienen grupos funcionales alcohol y carbonilo. Se describen en función del número de carbonos y de la clase de grupo carbonilo que contienen. Los azúcares que poseen un grupo aldehído se denominan aldosas, y aquellos que poseen un grupo cetona se denominan cetosas. Por ejemplo, el azúcar glucosa de seis carbonos (una fuente de energía importante en la mayoría de los seres vivos) es una aldohexosa; la fructosa (azúcar de la fruta) es una cetohexosa.

ÁCIDOS GRASOS: Los ácidos grasos son ácidos monocarboxílicos que en general contienen un número par de átomos de carbono. Los ácidos grasos están representados por la fórmula química R-COOH, en la que R es un grupo alquilo que contiene átomos de carbono e hidrógeno. Existen dos tipos de ácidos grasos: los ácidos grasos saturados, que no contienen dobles enlaces carbono-carbono, y los ácidos grasos insaturados, que poseen uno o varios dobles enlaces.

ÁCIDOS GRASOS: Los lípidos son un grupo diverso de sustancias solubles en solventes orgánicos, como el cloroformo o la acetona, e insolubles en agua. Por ejemplo, Jos triacilgliceroles (grasas y aceites) son ésteres que contienen glicerol (un alcohol de tres carbonos con tres grupos hidroxilo) y tres ácidos grasos.

NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS: Los nucleótidos contienen tres componentes: un azúcar de cinco carbonos (bien ribosa o desoxirribosa), una base nitrogenada y uno o varios grupos fosfato.

NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS: Hay dos clases de bases: las purinas bicíclicas y las pirirnidinas monocíclicas.

NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS: (a) Vista esquemática del DNA. Los esqueletos de azúcar-fosfato de la doble hélice están representados por cintas coloreadas. Las bases unidas al azúcar desoxirribosa están en el interior de la hélice. (b) Vista ampliada de dos pares de bases. Obsérvese que las dos cadenas de DNA van en direcciones opuestas definidas por los grupos 5' y 3' de la desoxirribosa. Las bases en las cadenas opuestas forman pares debido a los enlaces de hidrógeno. La citosina siempre se aparea con la guanina y la ti mina siempre se aparea con la adenina.

HISTORIA DE LA BIOQUÍMICA

PRIMER PERÍODO: Desde los inicios, hasta 1900

SEGUNDO PERÍODO: Desde 1900 hasta la fecha

2. COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

Desafío: Determinar la composición química de los seres vivos.

Scheele, (1773-1786). Aisló:

Ácido cítrico a partir de limón, úrico a partir de orina, láctico a partir de leche agria, málico a partir de manzana, tartárico a partir de vino

Rovelle (1773): Aisló urea a partir de orina.

ESTUDIO DE PROCESOS:

CATALISIS: Kirchhoff, (1812), logra catalizar el pasaje de almidón a glucosa poniendo ácido diluido, donde ve que el ácido no se consume en la reacción ni se altera.

Dobereiner, (1817-1823) logra la transformación de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) en agua (H2O).

Brown (1872) sugiere que la fermentación alcohólica en presencia de levadura, se da a partir de un complejo fermento-sustrato.

CATALISIS: Kekulé (1859), un famoso químico que inicialmente fue estudiante de arquitectura y luego cambió de vocación dedicándose a la Química, dijo: “Hemos llegado a la convicción de que... no existe diferencia entre compuestos inorgánicos y compuestos orgánicos... Definimos, por tanto, la Química orgánica como la Química de los compuestos del carbono...”

Kulne (1878): Introduce la palabra enzima (fermentos desorganizados) para distinguirlos de los fermentos vivos o de la levadura.

Buchner, ( 1897) demuestra que puede haber

fermentación sin levaduras intactas.

Llama al portador de la actividad fermentativa, “ZIMASA”.

3 y 4. ESTRUCTURA Y FUNCION DE MACROMOLÉCULAS

Fuera del desarrollo de la enzimología, muy poco o nada desarrolladas en este período.

5. MECANISMOS Y DINÁMICA DE LOS PROCESOS: RESPIRACIÓN: Priestley, (1733-1804) Se le atribuye haber sido el descubridor del O2, el primero que lo obtuvo.

Lavoisier, en 1780 dice ”la respiración es por tanto, una combustión, lenta, es cierto, pero por lo demás perfectamente similar a la combustión del carbono.

UBICACIÓN: Lavoisier, 1780 en los pulmones, Liebig (1803-1873), en la sangre., Pfluger (1872) en todos los tejidos

5. MECANISMOS Y DINÁMICA DE LOS PROCESOS: FERMENTACION: Lavoisier, Fue el primero en caracterizarla como un proceso químico.

Cagniard-Latour,Kützing y Schwann: la levadura está formada por células.

Pasteur, (1860) afirmó “el acto químico de la fermentación es, esencialmente, un fenómeno correlativo con el acto vital. Definió dos tipos de fermentos: desorganizados y organizados (dependían de la integridad del organismo vivo).

Buchner, en 1897 “ se establece que un aparato tan complicado como la célula de levadura NO se requiere para que la fermentación ocurra...”

Así concluye el siglo XIX, en el que de alguna manera se consolidó la idea de que el método reduccionista podría llevar a obtener información importante sobre los procesos que ocurren en la célula.

II.- de 1900 a la fechaLA BIOQUIMICA DEL SIGLO XX (primera mitad

I. Avances Científicos:

1. Fermentación en Sistemas libres de células (SLC). Invención de la ultracentrífuga. Fraccionamiento celular.

2. Introducción del uso de radioisótopos en la experimentación. Desarrollo de la dinámica de los procesos. Dilucidación de vías metabólicas.

3. Uso de microorganismos como sujetos de experimentación.

4. Separación y caracterización de macromoléculas.

5. Aplicación de la Cristalografía de Rayos X al estudio de la estructura de macromoléculas.

6. Influencia recíproca Medicina-Bioquímica.

7. Desarrollo de métodos diagnósticos.

8. Estructura de la doble hélice para el DNA. (1953). Función de los genes.

9. Teoría del alosterismo.

10. Planteamiento del modelo básico de interacción Proteína-Ligando y su aplicación a la farmacoterapia. (Competencia-Bloqueo).

11. Era Genética. Desarrollo de la tecnología del DNA Recombinante.

Se inicia el Proyecto Genoma Humano

II. Científicos destacados:

* Buchner (SLC) *Arber, Nathans y

* J.Kendrew (Mb) *Smith ( End.Rest,)

* M. Perutz (Hb) *Kari Mullis (PCR)

* F.Crick (DNA) * J. Baltimore (DNA ligasa)

* H. Krebs *F. Jacob Reg.de

*J. Monod Sint.P *J.Watson (DNA)

*P. Michell(T. Q.)

LA BIOQUIMLICA DEL SIGLO XXI ERA POST-GENÓMICA

Se concluye el proyecto Genoma Humano. Se definen nuevas subáreas: Genómica, Proteómica, etc

Promete avanzar rápidamente en áreas tales como: Diferenciación celular y morfogénesis. (Reg. de la síntesis de proteínas en eucariotes). Funcionamiento del Sistema Nervioso. Se avanza hacia la comprensión TOTAL de muchas enfermedades.

IMPORTANCIA DE LA BIOQUÍMICA EN LA CARRERA DE MEDICINA

Como estudiantes de Medicina, la carrera les exigirá fuertes conocimientos de Bioquímica para poder alcanzar los dos principales objetivos de la Medicina:

1. Mantener la Salud.

2. Tratar la enfermedad en forma eficaz.

IMPORTANCIA(cont.) La Bioquímica esta haciendo impacto en otras áreas de la ciencia.

En la actualidad prácticamente no hay rama de la Biología en donde la Bioquímica no haya hecho impacto. Algunas de ellas son:

- Inmunología - Medicina Clínica

- Fisiología - Nutrición

- Farmacología - Agricultura y

- Biotecnología - Microbiología

- Tecnología de alimentos

Al profundizar en estas áreas nos encontramos con análisis puramente bioquímicos, de manera que las barreras que han existido entre las diferentes ciencias biológicas han ido cayendo, y notamos que la Bioquímica se ha convertido en su lenguaje común.

En los últimos años la Bioquímica ha experimentado un progresivo y considerable auge, y en la actualidad, de todas la ciencias básicas, es la UNICA capaz de ofrecer una explicación molecular de la etiología de la enfermedad.

“Los médicos deben tratar al paciente como un TODO, tomando en cuenta aspectos sociales, culturales, psicológicos, económicos y otros, pero SIEMPRE apoyados en el conocimiento SÓLIDO de los mecanismos BIOQUÍMICOS, tanto fisiológicos como patológicos.”

R.K.Murray

“Los avances en Bioquímica son la raíz del progreso en Medicina, y la ciencia de la Bioquímica es componente esencial de una educación humanista”

Arthur Kornberg