Bioquímica

La bioquímica es una ciencia que estudia la composición química de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos, ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células y las reacciones químicas que sufren estos compuestos que les permiten obtener energía y generar biomoléculas propias. Esta ciencia se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono. Es la ciencia que estudia la base química de la vida: 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, etc.

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 climático, la escasez de recursos agroalimentarios ante el aumento de población mundial, el agotamiento de las reservas de combustible fósil, la aparición de nuevas formas de alergias, el aumento del cáncer, las enfermedades genéticas, la obesidad.

La historia de la bioquímica moderna es relativamente joven: 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 su aplicación probablemente comenzó hace unos 5000 años con la producción de pan usando levaduras en un proceso conocido como fermentación anaeróbica.


Se suele situar el inicio de la bioquímica con dos descubrimientos en 1827 de Friedrich Wöhler, quien 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 solo en el interior de los seres vivos.

• En 1833 Anselm Payen aísla la primera enzima, la distasa, aunque se desconocía su funcionalidad y el mecanismo subyacente.
• En 1840, Justus von Liebing, mejoró las técnicas de análisis químico orgánico y concluyó que las plantas necesitaban nitrógeno y dióxido de carbono en su alimentación.

A mediados del siglo XIX, Louis Pasteur demostró los fenómenos de isomería química existente entre las moléculas de ácido tartárico provenientes de los seres vivos y las sintetizadas químicamente en el laboratorio. También estudió el fenómeno de la fermentación y descubrió que intervenían ciertas levaduras, por lo tanto no se lo podía ser únicamente un fenómeno químico. 

• En 1878 el fisiólogo Willhelm Kühne acuñó el término enzima para referirse a los componentes biológicos desconocidos que producían la fermentación. La palabra enzima fue posteriormente utilizada 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 más tarde, Albrecht Kossel concluye que la nucleína es rica en proteínas. En 1889 se aíslan sus dos componentes mayoritarios: Proteína (70%) y Sustancias de carácter ácido (ácidos nucleicos) (30%)
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En 1920 se descubre que en las células hay DNA y RNA y que difieren en el azúcar que forma parte de su composición. El RNA reside en el núcleo. Unos años más tarde se descubre que en los espermatozoides hay fundamentalmente DNA 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 macromoleculares y desarrolla la técnica de ultracentrifugación analítica
• En 1928, Alexander Fleming descubre la penicilina y desarrolla estudios sobre la  lisozima
• En la década de 1940 Melvill Calvin  concluyó el estudio del ciclo de Calvin en la fotosíntesis
• En torno a 1945 Getty Cori, Carl Cori y Bernardo Houssay completan sus estudios sobre el Ciclo de Cori
• En 1953 James Watson y Francis Crick, gracias a los estudios previos  con crisalografía de rayos X de DNA de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins y los estudios de Erwin Chargaff sobre apareamiento de bases nitrogenadas, deducen la estructura del doble hélice  de DNA. 

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 más básicas como la cromatografía, la centrifugación, las técnicas radioisotópicasy la microscopía electrónica, y las más complejas técnicas como la crisalografía de rayos X, la resonancia magnética nuclear, el desarrollo de las inmuno-técnicas, etc.

Desde 1950 a 1975 se conocen en profundidad y en detalle aspectos del metabolismo celular inimaginables hasta entonces (entre otros se encuentra la fosforilación oxidativa), se produce toda una revolución en el estudio de los genes  y su expresión, se descifra el códgo genético (Francis Crick, Severo Ochoa, Har gobind Khorana, Robert Holley y Marshall Warren Nierenberg), se descubren las enzimas de restricción, la DNA ligasa, y, finalmente, en 1973 Stanley Cohen y Herbert Boyer producen el primer ser vivo recombinante, dando lugar al nacimiento de la ingeniería genética, convertida en una herramienta poderosísima con la que se supera la frontera entre especies.

De 1975 hasta principios del siglo XXI comienza a secuenciarse el DNA (Allan Maxam, Walter Gilbert y Frederick Sanger), comienzan a crearse las primeras industrias biotecnológicas (Genetech), se aumenta la creación de fármacos y vacunas más eficaces que elevan el interés por la inmunología y las células madres y se descubre la enzima teomerasa (Elizabeth Blackburn y Carol Greider). Se secuencia el DNA de decenas de especies y se publica  el PDB (Banco de Datos de las Proteínas), así como genes. Comienza el desarrollo de la bioinformática y la computación de sistemas complejos, que se constituyen como herramientas muy poderosas  en el estudio de los sistemas biológicos. 

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. Fundamentalmente se dividen en:

Biología Celular: es un área de la biología que se dedica al estudio de la morfología y la fisiología de las células. Trata de conocer los orgánulos celulares, su composición bioquímica y su función en el contexto celular. Es un área esencialmente de observación y experimentación en cultivos celulares que frecuentemente tienen como objetivo la identificación y separación de poblaciones celulares y el reconocimiento de orgánulos celulares.

Química orgánica: Es un área de la química que se ocupa del estudio de los compuestos orgánicos. Se trata de una ciencia íntimamente relacionada con la bioquímica.

Genética molecular e ingeniería genética: Es un área 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. También estudia la inserción de genes, el silenciamiento genético y la expresión diferencial de genes y sus efectos. Constituye un pilar esencial en todas las disciplinas biocientíficas, especialmente en biotecnología.

Inmunología: Área de la biología la cual se interesa por la reacción del organismo frente a otros organismos como las bacterias y los virus. Todo ello tomando en consideración la reacción y funcionamiento del sistema inmune de los seres vivos. 

Virología: Área de la biología que se dedica al estudio de los biosistemas más elementales: los virus. Pretende reconocer dianas para la actuación de posibles fármacos y vacunas que eviten su directa o preventinamente su expansión. 


Farmacología: Área de la bioquímica que estudia como afectan o benefician ciertas sustancias químicas al funcionamiento celular del organismo. Pretende conocer el comportamiento cinético químico de ciertas reacciones metabólicas, los mecanismos de catálisis y los procesos de actuación de las enzimas, así como su modificación.


Enzimología: Área de la bioquímica muy ligada a la farmacología. Estudia el comportamiento de los catalizadores biológicos o enzimas, como algunas proteínas y ciertos RNA catalíticos. Se cuestionan los mecanismos de catálisis, los procesos de interacción de las enzimas -sustrato, las actividades enzimáticas y la cinética de la reacción, todo ello desde un puno de vista bioquímico.


Estructura de macromoléculas o bioquímica estructural: Es un área de la bioquímica que pretende comprender la arquitectura química de las moléculas biológicas, especialmente de las proteínas y de los ácidos  nucleicos (DNA y RNA). Uno de sus máximos retos es determinar la estructura de una proteína conociendo solamente la secuencia de aminoácidos, que supone la base esencial para el diseño racional de proteínas.


Metabolismo y su regulación: Es un área de la bioquímica que pretende conocer los diferentes tipos de rutas metabólicas a nivel celular y su  contexto orgánico. Estudia todas las reacciones bioquímicas celulares que posibilitan la vida, así como los índices bioquímicos orgánicos saludables, las bases moleculares de las enfermedades metabólicas, etc.