La bioquímica es el estudio de las moléculas y las reacciones químicas de la vida. Es la disciplina que emplea los principios y el lenguaje de la química a fin de explicar la biología a nivel molecular. Los bioquímicos descubrieron que los compuestos químicos y los procesos metabólicos centrales son los mismos que se encuentran en organismos tan distantes como las bacterias, plantas y humanos. Se sabe que los principios básicos de la bioquímica son comunes a todos los organismos vivos. Aunque en la práctica los científicos concentran sus esfuerzos de investigación en organismos particulares, sus resultados se pueden extrapolar a muchas otras especies.
La bioquímica es una ciencia moderna
La bioquímica surgió como ciencia dinámica tan sólo desde hace 100 años. No obstante, las bases para el campo de trabajo que dieron pie al surgimiento de la bioquímica como ciencia moderna fueron sentadas desde hace muchos siglos. El periodo anterior al siglo XX fue testigo de rápidos avances en la comprensión de los principios químicos básicos como la cinética de reacción y la composición atómica de las moléculas. Para fines del siglo XIX se habían identificado numerosas sustancias químicas producidas por los organismos vivos. Desde entonces, la bioquímica se ha convertido en una disciplina organizada y los bioquímicos dilucidaron muchos de los procesos químicos de la vida. El crecimiento de la bioquímica y su influencia en otras disciplinas seguirá su marcha durante el siglo XXI.
En 1828, Friedrich Wöhler sintetizó el compuesto orgánico urea al calentar el compuesto inorgánico cianato de amonio.
Este experimento mostró por primera vez que a partir de sustancias inorgánicas comunes era posible sintetizar los compuestos que se encuentran exclusivamente en los organismos vivos. Ahora se sabe que la síntesis y degradación de las sustancias biológicas obedecen a las mismas leyes químicas y físicas aplicables a procesos independientes de la biología. No se requieren procesos especiales o "vitalistas" para explicar la vida a nivel molecular. Muchos científicos ubican los principios de la bioquímica con la síntesis de la urea que realizó Friedfrich Wöhler; sin embargo, tuvieron que transcurrir otros 75 años antes de que los primeros departamentos de bioquímica se establecieran en las universidades.
Los dos descubrimientos más importantes en la historia de la bioquímica son especialmente notables: el descubrimiento de la función catalítica de las enzimas y la función de los ácidos nucleicos como moléculas transportadoras de información. El gran tamaño de las proteínas y los ácidos nucleicos dificultó su caracterización inicial debido a las técnicas disponibles en la primera parte del siglo XX. Con el desarrollo de la tecnología moderna, ahora se tiene acceso a una gran cantidad de información acerca del modo como se relacionan las estructuras de las proteínas y los ácidos nucleicos con sus funciones biológicas.
El primer descubrimiento -la identificación de las enzimas como catalizadores de reacciones biológicas- fue en parte resultado de la investigación de Eduard Buchner. En 1897, Buchner demostró que los extractos de levaduras libres de células podían catalizar la fermentación de la glucosa para convertirla en alcohol y dióxido de carbono. Antes de esto, los científicos creían que sólo las células vivas podían catalizar tales reacciones biológicas complejas.
El estudio de la naturaleza de los catalizadores biológicos fue investigada por Emil Fischer, un contemporáneo de Eduard Buchner. Fischer estudió el efecto catalítico de las enzimas de la levadura en una reacción simple, la hidrólisis (ruptura por agua) de la sacarosa (azúcar de mesa). Fischer propuso que durante la catálisis una enzima y su reactante, o sustrato, se combinan para formar un compuesto intermedio. También propuso que sólo una molécula con una estructura adecuada podía servir como sustrato de una determinada enzima. Fischer describió las enzimas como moldes rígidos o cerraduras, y a los sustratos como sus llaves correspondientes. Pronto los investigadores comprendieron que casi todas las reacciones de la vida eran catalizadas por enzimas; por ende, la teoría modificada de la llave y su cerradura de la acción enzimática sigue siendo el principio central de la bioquímica moderna.
La catálisis enzimática permite rendimientos muy altos con muy pocos subproductos, en el caso de haberlos. En contraste, muchas reacciones catalizadas en la química orgánica se consideran aceptables si obtienen rendimientos de 50 a 60%. Las reacciones bioquímicas deben ser eficientes dado que los subproductos pueden ser tóxicos para las células y su formación desperdiciaría energía preciosa. Por supuesto, la otra propiedad clave de la catálisis enzimática es que las reacciones biológicas ocurren con mucha mayor rapidez que sin un catalizador.
La última mitad del siglo XX presenció tremendos avances en el área de la biología estructural, en especial en lo referente a la estructura de las proteínas. En las décadas de 1950 y 1960, científicos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) dirigidos por John C. Kendrew y Max Perutz explicaron las primeras estructuras de las proteínas. Desde entonces, se han determinado las estructuras tridimensionales de más de 1000 proteínas diferentes y la comprensión de la compleja bioquímica de las proteínas se ha incrementado de manera significativa. Estos rápidos avances fueron posibles gracias al acceso a computadoras más grandes y rápidas, y a nuevos programas de computación capaces de realizar los numerosos cálculos que antes se acostumbraba efectuar a mano o por medio de calculadoras sencillas. Gran parte de la bioquímica moderna depende de las computadoras, por lo que se ha creado una nueva subdisciplina denominada bioinformática.
El segundo gran descubrimiento en la historia de la bioquímica -la identificación de los ácidos nucleicos como moléculas de información- se suscitó medio siglo después de los experimentos de Fischer y Buchner. En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty extrajeron ácido desoxirribonucleico (ADN) de una cepa tóxica de la bacteria Streptococcus pneumoniae y lo mezclaron con una cepa no tóxica del mismo microorganismo. Como resultado, la cepa no tóxica se transformó de manera permanente en una cepa tóxica. Este experimento proporcionó la primera evidencia concluyente de que el ADN es el material genético. En 1953, James D. Watson y Francis H.C. Crick dedujeron la estructura tridimensional del ADN. La estructura del ADN sugirió de inmediato a Watson y Crick un método por el que el ADN pudiera reproducirse a sí mismo, o autorreplicarse, y por lo tanto transmitir información biológica a sus sucesivas generaciones. Las investigaciones posteriores demostraron que la información codificada en el ADN se transcribía al ácido ribonucleico (ARN) y después se traducía en la proteína.
El estudio de la genética en el contexto de las moléculas de ácido nucleico es parte de la biología molecular y, a su vez, la biología molecular es parte de la bioquímica.
Como predijo Crick en 1958, el flujo normal de información del ácido nucleico a la proteína es irreversible. Él se refirió a este flujo de información unidireccional como el Dogma central de la biología molecular. El término "Dogma central" muchas veces es malentendido. En términos estrictos, no se refiere al flujo general de información al que antes se hizo referencia, sino al hecho de que una vez que la información en los ácidos nucleicos se transfiere a la proteína está no puede fluir de nuevo hacia los ácidos nucleicos.
La bioquímica es una ciencia moderna
La bioquímica surgió como ciencia dinámica tan sólo desde hace 100 años. No obstante, las bases para el campo de trabajo que dieron pie al surgimiento de la bioquímica como ciencia moderna fueron sentadas desde hace muchos siglos. El periodo anterior al siglo XX fue testigo de rápidos avances en la comprensión de los principios químicos básicos como la cinética de reacción y la composición atómica de las moléculas. Para fines del siglo XIX se habían identificado numerosas sustancias químicas producidas por los organismos vivos. Desde entonces, la bioquímica se ha convertido en una disciplina organizada y los bioquímicos dilucidaron muchos de los procesos químicos de la vida. El crecimiento de la bioquímica y su influencia en otras disciplinas seguirá su marcha durante el siglo XXI.
En 1828, Friedrich Wöhler sintetizó el compuesto orgánico urea al calentar el compuesto inorgánico cianato de amonio.
Este experimento mostró por primera vez que a partir de sustancias inorgánicas comunes era posible sintetizar los compuestos que se encuentran exclusivamente en los organismos vivos. Ahora se sabe que la síntesis y degradación de las sustancias biológicas obedecen a las mismas leyes químicas y físicas aplicables a procesos independientes de la biología. No se requieren procesos especiales o "vitalistas" para explicar la vida a nivel molecular. Muchos científicos ubican los principios de la bioquímica con la síntesis de la urea que realizó Friedfrich Wöhler; sin embargo, tuvieron que transcurrir otros 75 años antes de que los primeros departamentos de bioquímica se establecieran en las universidades.
Los dos descubrimientos más importantes en la historia de la bioquímica son especialmente notables: el descubrimiento de la función catalítica de las enzimas y la función de los ácidos nucleicos como moléculas transportadoras de información. El gran tamaño de las proteínas y los ácidos nucleicos dificultó su caracterización inicial debido a las técnicas disponibles en la primera parte del siglo XX. Con el desarrollo de la tecnología moderna, ahora se tiene acceso a una gran cantidad de información acerca del modo como se relacionan las estructuras de las proteínas y los ácidos nucleicos con sus funciones biológicas.
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| Las enzimas son catalizadores biológicos, esenciales para la vida. |
El primer descubrimiento -la identificación de las enzimas como catalizadores de reacciones biológicas- fue en parte resultado de la investigación de Eduard Buchner. En 1897, Buchner demostró que los extractos de levaduras libres de células podían catalizar la fermentación de la glucosa para convertirla en alcohol y dióxido de carbono. Antes de esto, los científicos creían que sólo las células vivas podían catalizar tales reacciones biológicas complejas.
El estudio de la naturaleza de los catalizadores biológicos fue investigada por Emil Fischer, un contemporáneo de Eduard Buchner. Fischer estudió el efecto catalítico de las enzimas de la levadura en una reacción simple, la hidrólisis (ruptura por agua) de la sacarosa (azúcar de mesa). Fischer propuso que durante la catálisis una enzima y su reactante, o sustrato, se combinan para formar un compuesto intermedio. También propuso que sólo una molécula con una estructura adecuada podía servir como sustrato de una determinada enzima. Fischer describió las enzimas como moldes rígidos o cerraduras, y a los sustratos como sus llaves correspondientes. Pronto los investigadores comprendieron que casi todas las reacciones de la vida eran catalizadas por enzimas; por ende, la teoría modificada de la llave y su cerradura de la acción enzimática sigue siendo el principio central de la bioquímica moderna.
La catálisis enzimática permite rendimientos muy altos con muy pocos subproductos, en el caso de haberlos. En contraste, muchas reacciones catalizadas en la química orgánica se consideran aceptables si obtienen rendimientos de 50 a 60%. Las reacciones bioquímicas deben ser eficientes dado que los subproductos pueden ser tóxicos para las células y su formación desperdiciaría energía preciosa. Por supuesto, la otra propiedad clave de la catálisis enzimática es que las reacciones biológicas ocurren con mucha mayor rapidez que sin un catalizador.
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| Algunos ejemplos de estructuras tridimensionales de proteínas. |
La última mitad del siglo XX presenció tremendos avances en el área de la biología estructural, en especial en lo referente a la estructura de las proteínas. En las décadas de 1950 y 1960, científicos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) dirigidos por John C. Kendrew y Max Perutz explicaron las primeras estructuras de las proteínas. Desde entonces, se han determinado las estructuras tridimensionales de más de 1000 proteínas diferentes y la comprensión de la compleja bioquímica de las proteínas se ha incrementado de manera significativa. Estos rápidos avances fueron posibles gracias al acceso a computadoras más grandes y rápidas, y a nuevos programas de computación capaces de realizar los numerosos cálculos que antes se acostumbraba efectuar a mano o por medio de calculadoras sencillas. Gran parte de la bioquímica moderna depende de las computadoras, por lo que se ha creado una nueva subdisciplina denominada bioinformática.
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| Fotografía 51, obtenida por Rosalind Franklin al "iluminar" hebras de ADN con rayos X. |
El segundo gran descubrimiento en la historia de la bioquímica -la identificación de los ácidos nucleicos como moléculas de información- se suscitó medio siglo después de los experimentos de Fischer y Buchner. En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty extrajeron ácido desoxirribonucleico (ADN) de una cepa tóxica de la bacteria Streptococcus pneumoniae y lo mezclaron con una cepa no tóxica del mismo microorganismo. Como resultado, la cepa no tóxica se transformó de manera permanente en una cepa tóxica. Este experimento proporcionó la primera evidencia concluyente de que el ADN es el material genético. En 1953, James D. Watson y Francis H.C. Crick dedujeron la estructura tridimensional del ADN. La estructura del ADN sugirió de inmediato a Watson y Crick un método por el que el ADN pudiera reproducirse a sí mismo, o autorreplicarse, y por lo tanto transmitir información biológica a sus sucesivas generaciones. Las investigaciones posteriores demostraron que la información codificada en el ADN se transcribía al ácido ribonucleico (ARN) y después se traducía en la proteína.
El estudio de la genética en el contexto de las moléculas de ácido nucleico es parte de la biología molecular y, a su vez, la biología molecular es parte de la bioquímica.
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| James Watson y Francis Crick junto a un modelo de lámina y cartón de la molécula de ADN. |
Como predijo Crick en 1958, el flujo normal de información del ácido nucleico a la proteína es irreversible. Él se refirió a este flujo de información unidireccional como el Dogma central de la biología molecular. El término "Dogma central" muchas veces es malentendido. En términos estrictos, no se refiere al flujo general de información al que antes se hizo referencia, sino al hecho de que una vez que la información en los ácidos nucleicos se transfiere a la proteína está no puede fluir de nuevo hacia los ácidos nucleicos.
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