LA VIDA
El término vida (latín: vita) desde el punto de vista de la
biología, hace referencia a aquello que
distingue a los reinos animal, vegetal, hongos, protistas, arqueas y bacterias del resto de realidades
naturales. Implica las capacidades de nacer, crecer, reproducirse y morir, y a lo largo de sucesivas generaciones, evolucionar. A pesar
de que no puede indicarse con precisión, la evidencia sugiere que la
vida en la Tierra ha existido por aproximadamente 3700 millones de años,
1 2 cuyas huellas fósiles mas antiguas datan hace 3,4 millardos
de años.
Científicamente, podría definirse como la capacidad de
administrar los recursos internos de un ser físico de forma adaptada a
los cambios producidos en su medio, sin que exista una correspondencia directa
de causa y efecto entre el ser que administra los recursos y el cambio introducido
en el medio por ese ser, sino una asíntota de aproximación al
ideal establecido por dicho ser, ideal que nunca llega a su consecución
completa por la dinamica del medio.
Abarca una serie de conceptos del ser humano y su entorno
relacionados, directa o indirectamente, con la existencia.
La bioquímica (vida)
Es una ciencia que estudia la composición química de los seres
vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y
acidos nucleicos, ademas 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
estan compuestas principalmente de carbono, hidrógeno,
oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. 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 génica y Biomedicina),
la agroalimentación, la farmacología.
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 climatico, 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 cancer, las enfermedades genéticas, la
obesidad…
La bioquímica es una ciencia experimental y por ello recurrira 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 oconserva tras el fraccionamiento subcelular, y a partir
de ahí, podemos estudiarlo y extraer conclusiones.
Historia
La historia de la bioquímica moderna como la conocemos
hoy en día es practicamente 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, en cuanto que,
es una mezcla compleja de química organica y biología, y
en ocasiones, se hace complicado discernir entre lo exclusivamente
biológico y lo exclusivamente químico organico y es
evidente que la contribución a esta disciplina
ha sido muy extensa. Aunque es cierto que existen hitos
experimentales que son basicos 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 organicos 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, aunque se desconoce en su
alimentación.
A mediados del
siglo XIX, Louis Pasteur, demostró los fenómenos de
isomería química existente entre las moléculas de
acido tartaricoprovenientes 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'. Ademas
desarrolló un método de
esterilización de la leche, el vino y la cerveza (pasteurización)
y contribuyó enormemente a refutar la idea de la generación
espontanea 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 mas
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 caracter acido:
acido 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
habíaelementos 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 cual era la naturaleza bioquímica de
esos biocatalizadores. El debate fue extenso, muchos como el
bioquímico aleman Richard Willstätter discrepaban de que la
proteína fuera el catalizador enzimatico, 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 mas 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 acidos biliares.
En la década de 1940, Melvin Calvin concluye el estudio del
ciclo de Calvin en la fotosíntesis.
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 mas basicas como la cromatografía, la
centrifugación, la electroforesis, las técnicas
radioisotópicas y la microscopía electrónica, y las
técnicas mas 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 detalleaspectos 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
farmacos y vacunas mas 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 bioinformatica 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
El pilar fundamental de la investigación bioquímica
clasica se centra en las propiedades de las proteínas, muchas de
las cuales son enzimas. Sin embargo, existen otras disciplinas que se
centran en las propiedades biológicas de carbohidratos
(Glucobiología y lípidos
(Lipobiología)2.
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 dinamica 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
area de la bioquímica que pretende comprender la arquitectura
química de las macromoléculas biológicas, especialmente de
las proteínas y de los acidos nucleicos (DNA y RNA). Así se intenta conocer las secuenciaspeptídicas, su
estructura y conformación tridimensional, y las interacciones
físico-químicas atómicas que posibilitan a dichas
estructuras.
•Química bioorganica: Es un
area de la química que se encarga del estudio de los compuestos
organicos (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 clasica, ya que
en la mayoría de los compuestos biológicos participa el carbono.
Los organismos vivos. De allí
surge la Química de Productos Naturales (V. Metabolismo secundario).
•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 catalisis, los procesos de
interacción de las enzimas-sustrato, los estados de transición
catalíticos, las actividades enzimaticas, la cinética de
la reacción y los mecanismos de regulación y expresión
enzimaticas, 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 muta génesis dirigida.
•Bioquímica metabólica: Es un area
de la bioquímica que pretende conocer los diferentes tipos de rutas
metabólicas a nivel celular, y su contexto organico. De esta forma son esenciales conocimientos de enzimología
ybiología celular. Estudia todas las reacciones
bioquímicas celulares que posibilitan la vida, y así como
los índices bioquímicos organicos 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) 4 y la bioquímica clínica (estudio de las
alteraciones bioquímicas en estado de enfermedad o traumatismo).
•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. 5 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 (Farmacos). 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.
•Inmunología: area 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 yfuncionamiento
del
sistema inmune de los seres vivos. Es esencial en esta
area el desarrollo de los estudios de producción y comportamiento
de los anticuerpos.
•Endocrinología: es el estudio 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.
•Quimio taxonomía: 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 quimio
taxonomía.
•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: area de la biología, que se dedica al
estudio de los biosistemas mas 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 farmacos y vacunas queeviten su
directa o preventivamente su expansión.
•Genética molecular e ingeniería genética: es un area 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.
•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
clasica 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 viv o por estas propiedades a nivel molecular.
•Biología celular: (antiguamente citología, de
citos=célula y logos=Estudio o Tratado ) es una
area 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, composiciónbioquímica,
funciones, organulos que contienen, su interacción con el
ambiente y su ciclo vital. Es esencial en esta area 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.
Expectativas y retos de la bioquímica
La bioquímica es una ciencia experimental que tiene un
presente y un futuro prometedor, en el sentido, que se yergue como base de la biotecnología y la
biomedicina.
La bioquímica es basica 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 traera, beneficiaran enormemente a la
humanidad, pero el hecho intrínseco de ser un
conocimiento tan poderoso lo puede hacer peligroso, en este sentido es
importante areas 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 cancer o el VIH,
desarrollar alimentos transgénicos mas eficientes, resistentes,
seguros y saludables, aplicar los conocimientos bioquímicos a la lucha
contra el cambio climatico y la extinción de especies, generar
nuevos farmacos mas eficientes, investigar y buscar dianas de las
enfermedades, conocer los patrones de expresión génica, generar
nuevos materiales, mejorar la eficiencia de la producción
industrial…
