Bioquímica

A bioquímica é o estudo químico dos seres vivos, especialmente da estrutura e función dos seus compoñentes químicos específicos, como son as proteínas, carbohidratos, lípidos e ácidos nucleicos, ademais doutras pequenas moléculas presentes nas células. A bioquímica baséase no concepto de que todo ser vivo contén carbono e en xeral as moléculas biolóxicas están compostas principalmente de carbono, hidróxeno, osíxeno, nitróxeno, fósforo e xofre. É a ciencia que estuda a mesmísima base da vida: as moléculas que compón as células e os tecidos, que catalizan as reaccións químicas da dixestión, a fotosíntese e a inmunidade, entre outras.
A supervivencia dos seres vivos depende da súa capacidade para levar a cabo unha serie de reaccións químicas dirixidas ao intercambio de materia e enerxía co ambiente e a fabricación das súas estruturas vitais. A bioquímica estuda, xa que logo, todas aquelas reaccións que ocorren tanto no interior da célula como no medio interno dos organismos pluricelulares. Estas biorreaccións non se distinguen esencialmente das reaccións típicas da química orgánica, ben que son caracterizadas especificamente polo feito de ocorrer todas a temperaturas relativamente baixas (en xeral, inferiores a 45 °C) grazas á axuda dos biocatalizadores, chamados enzimas, e polo feito de funcionar axustadas unhas a outras nunha complexísima rede de interrelacións, que constitúe o metabolismo. O metabolismo consta de reaccións degradadoras (catabolismo), que achegan a materia a enerxía necesarias para o organismo, e de reaccións biosintéticas (anabolismo), que utilizan a materia e a enerxía para a construción das macromoléculas e doutras estruturas complexas do organismo. A bioquímica é unha ciencia nada da converxencia e o cruzamento da química orgánica e da fisioloxía, dúas ciencias moi desenvolvidas ao longo do século XIX, que experimentaron un progreso moi importante durante os últimos cincuenta anos.
Como todas as formas de vida da actualidade descenden do mesmo antepasado común, teñen unha bioquímica xeralmente similar. Descoñécese se as bioquímicas alternativas son posibles ou prácticas. Historia
Antigamente considerábase que os seres vivos non estaban suxeitos ás leis da ciencia do mesmo xeito que a materia inerte. Era amplamente aceptado que as moléculas da vida só podían ser producidas por seres vivos (teoría da forza vital. Probablemente unha das primeiras aplicacións da bioquímica foi a produción de pan usando lévedos, hai 5000 anos.
En 1828, Friedrich Wöhler publicou un artigo acerca da síntese de urea, probando que os compostos orgánicos poden ser creados artificialmente, en contraste coa crenza, comunmente aceptada durante moito tempo; de que a xeración destes compostos era posible só no interior dos seres vivos.
Atópanse as raíces da bioquímica moderna xa no século XVIII, nos clásicos estudos do químico sueco Karl Wilhelm Scheele, que identificou o ácido láctico no leite, o cítrico no limón, o málico nas mazás e a úrico na urina, e nos do francés Antoine Laurent Lavoisier, que demostrou que os seres vivos utilizan osíxeno do aire para a combustión dos alimentos, producindo calor (enerxía).
Foron dous os principais eixes vertebradores dos estudos bioquímicos do século XIX: A identificación de novos compostos naturais (foron descritos por primeira vez as proteínas, o glicóxeno, o ADN e moitos aminoácidos)
O estudo funcional da fermentación alcohólica.
Os maiores avances da bioquímica durante o século XIX foron ligados ao estudo da fermentación, que fixou as bases da enzimoloxía, da bioenerxética e do estudo do metabolismo. Destacan os traballos dos científicos das escolas francesa e alemá, como Anselme Payen que descubriu o 1833 a primeira enzima, a diastase (chamada hoxe amilase ), Jean-François Persoz, Carl Justus von Liebig, Louis Pasteur ou Eduard Buchner que contribuíu coa primeira demostración de complexos procesos bioquímicos fóra da célula en 1896: a fermentación alcohólica en extractos de lévedo.
A bioquímica alcanzou un impulso decisivo cos traballos sobre a hemoglobina de Ernst Felix Immanuel von Hoppe-Seyler ou a síntese dos glícidos, as graxas e as proteínas de Emil Fischer. A nova ciencia recibiu definitivamente o nome de bioquímica, proposto polo químico alemán Carl Neuberg, en 1903. Previamente, esta área chamouse química fisiolóxica.
Desde entón, a bioquímica avanzou, especialmente desde a metade do século XX co desenvolvemento de novas técnicas como a cromatografía, a difracción de raios X, marcaxe por isótopos, e o microscopio electrónico. Estas técnicas abriron o camiño para a análise detallada e o descubrimento de moitas moléculas e rutas metabólicas das células, como a glicólise e o ciclo de Krebs. Hoxe en día os avances da bioquímica son usados en centos de áreas, desde a xenética ata a bioloxía molecular, da agricultura á medicina. O alicerce fundamental da investigación bioquímica céntrase nas propiedades das proteínas, moitas das cales son enzimas. Por razóns históricas a bioquímica do metabolismo da célula foi intensamente investigado, importantes liñas de investigación actuais inclúen o código xenético (ADN, ARN, síntese de proteínas, dinámica da membrana celular e ciclos enerxéticos).
Tamén se fixo cada vez máis patente en todo o mundo a necesidade de dedicar máis recursos humanos e económicos á investigación nesta ciencia. Isto representou un novo cambio no obxectivo da bioquímica: durante este período, o principal interese foi o estudo dos mecanismos moleculares que controlan os procesos descritos nos anos anteriores. Así, descubrimentos como o da AMP cíclico por Earl Sutherland en 1957 ou a fosforilación das proteínas por Edwin G. Krebs e Emil Fischer en 1959 levaron ao nacemento de disciplinas novas como o endocrinoloxía molecular, que permitiu o estudo da regulación e a integración do metabolismo. Malia os importantes avances científicos alcanzados, aínda que se van descubrindo novos compostos bioquímicos (como é o caso do importante regulador metabólico frutosa-2, 6-difosfato), así como aspectos básicos (tales como vías metabólicas secundarias) do tramado de vías metabólicas que constitúen o metabolismo. Hoxe en día, os achados da bioquímica úsanse en diferentes áreas, desde a xenética ata a bioloxía molecular pasando pola agricultura e a medicina, entre outros campos. Categorías
O piar fundamental da investigación bioquímica clásica céntrase nas propiedades das proteínas, moitas das cales son encimas. Non obstante, hai outras disciplinas que se centran nas propiedades biolóxicas dos hidratos de carbono (glicobioloxía) e dos lípidos (lipobioloxía).
Por razóns históricas, investigouse intensamente a bioquímica do metabolismo celular, en importantes liñas de investigación actuais (como o Proxecto Xenoma, que ten como función identificar e rexistrar todo o material xenético humano), están dirixidas á investigación do ADN, ARN, síntese de proteínas, dinámica da membrana celular e ciclos de enerxía.
As ramas da bioquímica son moi amplas e diversas e variaron co paso do tempo e con avances na bioloxía, na química e na física. Bioquímica estrutural: é unha área da bioquímica que ten como obxectivo comprender a arquitectura química das macromoléculas biolóxicas, especialmente as proteínas e os ácidos nucleicos (ADN e ARN). Así, téntase coñecer as secuencias peptídicas, a súa estrutura e conformación tridimensional e as interaccións fisicoquímicas atómicas que fan posibles esas estruturas. Un dos seus maiores retos é determinar a estrutura dunha proteína coñecendo só a secuencia de aminoácidos, que sería a base esencial para o deseño racional das proteínas (enxeñaría de proteínas).
Química orgánica: é unha área da química que se encarga do estudo dos compostos orgánicos (é dicir, os que teñen enlaces covalentes carbono-carbono ou carbono-hidróxeno) que proveñen especificamente dos seres vivos. É unha ciencia estreitamente relacionada coa bioquímica clásica, xa que na maioría dos compostos biolóxicos participa o carbono. Mentres que a bioquímica clásica axuda a comprender os procesos biolóxicos baseados no coñecemento da estrutura, o enlace químico, as interaccións moleculares e a reactividade das moléculas orgánicas, a química bioorgánica tenta integrar os coñecementos de síntese orgánica, mecanismos de reacción, análise estrutural e métodos analíticos coas reaccións metabólicas primarias e secundarias, biosíntese, recoñecemento celular e diversidade química dos organismos vivos. De aí xorde a química dos produtos naturais (V. metabolismo secundario).
Encimoloxía: estuda o comportamento dos catalizadores ou encimas biolóxicas, como algunhas proteínas e certos ARN catalíticos, así como de coencimas e cofactores como metais e vitaminas. Así, cuestiónanse os mecanismos de catálise, os procesos de interacción encima-substrato, os estados de transición catalítica, as actividades encimáticas, a cinética das reaccións e os mecanismos de regulación e expresión das encimas, todo desde un punto de vista bioquímico. Estudar e tratar de comprender os elementos esenciais do centro activo e os que non participan, así como os efectos catalíticos que se producen na modificación dos devanditos elementos; neste sentido, adoitan empregar técnicas como a mutaxénese dirixida.
Bioquímica metabólica: é unha área da bioquímica que ten como obxectivo coñecer os diferentes tipos de rutas metabólicas a nivel celular e o seu contexto orgánico. Así, o coñecemento da enzimoloxía e da bioloxía celular é esencial. Estuda todas as reaccións bioquímicas celulares que fan posible a vida, así como os índices bioquímicos orgánicos saudables, as bases moleculares de doenzas metabólicas ou os fluxos de intermediarios metabólicos a nivel global. Desta disciplina académica xorden como a bioenerxética (estudo do fluxo de enerxía nos organismos vivos), a bioquímica nutricional (estudo dos procesos nutricionais asociados ás vías metabólicas) e a bioquímica clínica (estudo das alteracións bioquímicas nas enfermidades ou traumas do estado). A metabolómica é o conxunto de ciencias e técnicas dedicadas ao estudo completo do sistema constituído polo conxunto de moléculas que constitúen os intermediarios metabólicos, metabolitos primarios e secundarios, que se poden atopar nun sistema biolóxico.
Xenobioquímica: é a disciplina que estuda o comportamento metabólico de compostos cunha estrutura química que non é propia do metabolismo regular dun determinado organismo. Poden ser metabolitos secundarios doutros organismos (por exemplo, micotoxinas, velenos de serpe e fitoquímicos cando entran no corpo humano) ou compostos raros ou inexistentes na natureza. A farmacoloxía é unha disciplina que estuda xenobióticos que benefician ao funcionamento celular no corpo polos seus efectos terapéuticos ou preventivos. A farmacoloxía ten aplicacións clínicas cando se empregan substancias no diagnóstico, prevención, tratamento e alivio dos síntomas dunha doenza, así como no desenvolvemento racional de substancias menos invasivas e máis eficaces contra obxectivos biomoleculares específicos. Por outra banda, a toxicoloxía é o estudo que identifica, estuda e describe a dose, a natureza, a incidencia, a gravidade, a reversibilidade e, xeralmente, os mecanismos de efectos adversos (efectos tóxicos) producidos polos xenobióticos. A toxicoloxía tamén estuda o mecanismo dos compoñentes endóxenos, como os radicais libres de osíxeno e outros intermedios reactivos, xerados por xenobióticos e endobióticos.
Inmunoloxía: está interesada na reacción do organismo contra outros organismos como bacterias e virus. Todo isto tendo en conta a reacción e o funcionamento do sistema inmunitario dos seres vivos. Nesta área é esencial o desenvolvemento de estudos de produción e comportamento de anticorpos.
Endocrinoloxía: é o estudo das secrecións internas chamadas hormonas, que son substancias producidas por células especializadas cuxo propósito é afectar a función doutras células. A endocrinoloxía ocúpase da biosíntese, almacenamento e función das hormonas, as células e tecidos que as segregan, así como os mecanismos de sinalización hormonal. Hai subdisciplinas como a endocrinoloxía médica, a endocrinoloxía vexetal e a endocrinoloxía animal.
Neuroquímica: é o estudo de moléculas orgánicas que participan na actividade neuronal. Este termo adoita empregarse para referirse a neurotransmisores e outras moléculas como drogas neuroactivas que inflúen na función neuronal.
Quimiotaxonomía: é o estudo da clasificación e identificación dos organismos segundo as súas diferenzas e similitudes demostrables na súa composición química. Os compostos estudados poden ser fosfolípidos, proteínas, péptidos, heterósidos, alcaloides e terpenos. John Griffith Vaughan foi un dos pioneiros da quimiotaxonomía. Exemplos de aplicacións de quimiotaxonomía inclúen a diferenciación das familias Asclepiadaceae e Apocynaceae segundo o criterio da presenza de látex; a presenza de agarofuranos na familia das Celastraceae; as sesquiterpenlactonas cun esqueleto de xermacrano que son características da familia das Asteraceae ou a presenza de abietanos nas partes aéreas das plantas do xénero Salvia do Vello Mundo fronte ás do Novo Mundo que presentan principalmente neoclerodanos.
Ecoloxía química: é o estudo de compostos químicos de orixe biolóxica implicados nas interaccións de organismos vivos. Céntrase na produción e resposta de moléculas de sinalización (semiquímicos), así como nos compostos que inflúen no crecemento, supervivencia e reprodución doutros organismos (aleloquímicos).
Viroloxía: dedícase ao estudo dos biosistemas máis elementais, os virus. Tanto na súa clasificación e recoñecemento, como no seu funcionamento e estrutura molecular. Pretende recoñecer obxectivos para a acción de posibles medicamentos e vacinas que impidan a súa expansión directa ou preventivamente. A variación e combinación de xenomas virais, que ao final poderían facelos máis perigosos, tamén son analizados e preditos en termos evolutivos. Finalmente, representan unha ferramenta con moita proxección como vectores recombinantes e xa se empregaron na terapia xénica.
Xenética molecular e enxeñaría xenética: é unha área de bioquímica e bioloxía molecular que estuda os xenes, a súa herdanza e a súa expresión. Molecularmente, dedícase principalmente ao estudo do ADN e ARN e emprega ferramentas e técnicas poderosas no seu estudo, como a PCR e as súas variantes, secuenciadores masivos, kits de extracción de ADN e ARN comerciais, procesos de tradución de transcrición in vitro e in vivo, encimas de restrición, ADN ligases. .. É esencial saber como o ADN se replica, transcribe e traduce en proteínas ("dogma central da bioloxía molecular"), así como os mecanismos de expresión basais e inducibles de xenes no xenoma. Tamén estuda a inserción xénica, o silenciamento xénico e a expresión xenética diferencial e os seus efectos, superando así as barreiras e límites entre as especies no sentido de que o xenoma dunha especie pode inserirse noutra e xerar novas especies. Un dos seus principais obxectivos é coñecer os mecanismos de regulación e expresión xenética, é dicir, obter un código epixenético. Constitúe un piar esencial en todas as disciplinas biocientíficas, especialmente na biotecnoloxía. A biotecnoloxía moderna ten múltiples e variadas aplicacións e inclúe, ademais da fabricación de medicamentos, alimentos ou papel, a mellora de animais e plantas de interese agronómico.
Bioloxía molecular: é a disciplina científica que ten como obxectivo estudar os procesos que se desenvolven nos seres vivos dende un punto de vista molecular. Así como a bioquímica clásica investiga en detalle os ciclos metabólicos e a integración e desintegración das moléculas que forman os seres vivos, a bioloxía molecular pretende centrarse preferentemente no comportamento biolóxico das macromoléculas (ADN, ARN, encimas, hormonas etc. ) dentro das célula e explica as funcións biolóxicas do ser vivo por estas propiedades a nivel molecular.
Bioloxía celular, anteriormente chamada citoloxía, de citos ("célula") e logos ("estudo"): é unha área da bioloxía que se dedica ao estudo da morfoloxía e fisioloxía das células procariotas e eucariotas. Intenta coñecer as súas propiedades, estrutura, composición bioquímica, funcións, orgánulos que conteñen, a súa interacción co ambiente e o seu ciclo de vida. Nesta área é esencial coñecer os procesos intrínsecos á vida celular durante o ciclo celular, como a nutrición, a respiración, a síntese de compoñentes, os mecanismos de defensa, a división celular e a morte celular. Tamén se deben coñecer os mecanismos de comunicación celular (especialmente nos organismos pluricelulares) ou as unións intercelulares. É unha área esencialmente para a observación e experimentación en cultivos celulares, que frecuentemente teñen como obxectivo a identificación e separación de poboacións celulares e o recoñecemento de orgánulos celulares. Algunhas técnicas empregadas na bioloxía celular teñen que ver co uso de técnicas citoquímicas, a sementeira de cultivos celulares, a observación por microscopia óptica e electrónica, a inmunocitoquímica, a inmunohistoquímica, a ELISA ou a citometría de fluxo.