INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA

La bioquímica tiene como objetivo más importante el estudio de la estructura, organización y funciones de la materia viva desde el punto de vista molecular.

Según los aspectos tratados, esta puede dividirse en 3 bloques:

1.- bioquímica estructural

2.- bioquímica metabólica o metabolismo

3.- biología molecular

La bioquímica estructural estudia la composición, conformación, configuración y estructura de las moléculas de la materia viva, relacionándolas con su función bioquímica.

El metabolismo estudia las transformaciones, funciones y reacciones químicas que sufren o llevan a cabo las moléculas de la materia viva.

La biología molecular estudia la química de los procesos y moléculas implicadas en la transmisión y el almacenamiento de la información biológica.

La bioquímica, fundamentalmente extrae conocimientos de biología, química y genética, y usa técnicas que ha importado de la física.

Origen de la bioquímica

El origen del término “bioquímica” se remonta a los comienzos del siglo XIX, cuando imperaba una teoría conocida como “vitalismo” que sostenía que las sustancias existentes en la materia viva eran cualitativamente diferentes de la materia no viva, y que no se comportaban según las leyes conocidas de la física y la química.

Esto se derrumbó a raíz de los trabajos de un bioquímico alemán (Whöler en 1828), que sintetizó en un laboratorio urea a partir de cianato amónico. Hasta entonces se pensaba que solo se podía sintetizar en los animales, en el riñón.

La corriente vitalista aún persistió porque se creía que las reacciones de la materia viva solo podían realizarse en células vivas. Según el vitalismo, las reacciones biológicas se producían por una fuerza vital de naturaleza misteriosa pero no por procesos químicos o físicos.

Se encargaron de echar esto abajo los hermanos “Buchner” en 1897, observando que extractos de células de levaduras rotas y por lo tanto muertas, eran capaces de llevar a cabo la fermentación del azúcar hasta etanol. Esto abrió el camino al estudio de las reacciones y procesos bioquímicos “in vitro”. A partir de aquí se avanzó más rápidamente en el conocimiento de las diferentes rutas metabólicas.

A finales del siglo XIX todavía persistían científicos vitalistas sosteniendo que la naturaleza de la catálisis biológica (las enzimas) y sus estructuras eran demasiado complejas para describirlas en términos químicos.

Este último postulado se derrumbó en 1926, cuando Sumner fue capaz de cristalizar una proteína (ureasa purificada de la judía) demostrando que aunque las proteínas tienen unas estructuras grandes y complejas, es posible sintetizarlas como otro compuesto inorgánico cualquiera y que sus estructuras pueden determinarse con los métodos de la física y química.

A partir de aquí, la contribución más importante consistió en establecer las estructuras químicas básicas de las sustancias biológicas, identificar las reacciones de cada ruta metabólica y localizar éstas en el interior de la célula.

Esto es apoyado por el avance en las técnicas de la biología celular.

En la mitad del siglo XX se desarrolla la biología molecular, aunque la idea de gen ya  había sido propuesta en el siglo XIX por Mendel.

A mediados del siglo XX todavía nadie había aislado un gen ni se había determinado su composición química. La mayoría de los científicos pensaban que los ácidos nucleicos tenían una función meramente estructural, y que tan solo las proteínas eran lo suficientemente complejas estructuralmente para ser portadoras de la información genética.

En los años 40 y 50 se demostró que esto era erróneo, y que el ADN era el portador de la información genética.

Watson y Crick publicaron la estructura en doble hélice del ADN, así como todos lo descubrimientos posteriores relacionados con los mecanismos de la transmisión de la información biológica.

Esto dio lugar a una nueva rama de la biología, la biología molecular.

La bioquímica también nutre de conocimientos a otras ramas de la biología como la biofísica, la nutrición, investigación médica o biotecnología entre otros.

PROPIEDADES, ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LAS BIOMOLÉCULAS

Bioelementos o elementos biogenéticos:

Casi todos los bioelementos se sitúan en la primera mitad del sistema periódico. La composición en elementos de casi todos los seres vivos es básicamente similar, aunque constan de diferencias como el caso del yodo, que es imprescindible para los vertebrados pero no para otros animales.

En el hombre se han identificado al menos 30 que son indispensables en proporciones muy diversas. Según su abundancia, se clasifican en 3 grandes grupos:

Bioelementos primarios

Secundarios

Oligoelementos

Los bioelementos primarios son H, O, C, N. Son los más abundantes en todo el organismo. En el caso del hombre, el 99% del total.

Los bioelementos secundarios son Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe. Son mucho menos abundantes, pero también están presentes en todos los organismos. En el cuerpo humano constituyen el 0,7% del total de átomos.

Los oligoelementos son el grupo más numeroso: Mn, I, Co, Cu, Zn, F, Mo, Se.

Aparecen tan solo en cantidades trazas, y la diferencia con los anteriores es que algunos no son esenciales en todos los organismos.

La ausencia de estos bioelementos determina la aparición de enfermedades.

La razón por la cual los primarios están en mayor proporción se debe a que son los elementos más pequeños del sistema periódico que pueden formar enlaces covalentes.

En el caso concreto del C, este presenta la característica de que además de formar enlaces de este tipo con otros átomos de otros elementos, también puede formar enlaces covalentes consigo mismo, dando lugar a cadenas de átomos de carbono que pueden tener más de 100 átomos de C y que pueden ser lineales, ramificadas o cíclicas.

Los enlaces pueden ser dobles, lo que da lugar a la aparición de una gran variedad de grupos funcionales.

También los enlaces pueden ser triples, aunque son muy raros.

El silicio es un átomo que también puede formar cadenas consigo mismo, pero estos enlaces se oxidan y se rompen por lo que en una atmósfera de como la nuestra, éstos son inestables.

Las funciones desempeñadas por los bioelementos son muy variadas, y las agruparemos en 3 tipos fundamentales: plásticas / estructurales, catalíticas y osmóticas.

Hay elementos que desempeñan funciones plásticas o estructurales ya que forman parte de huesos, tejidos fibrosos, tegumentos, etc Dentro de este grupo están C, O, H, N, pero también S, P, Ca.

En segundo lugar, muchos desempeñan funciones catalíticas. Un ejemplo es el caso del Fe, que participa en el transporte de oxígeno y electrones, o el caso del Zn que es cofactor de muchas encimas, o el I, que forma parte de las hormonas tiroideas o el Co, que forma parte de la vitamina .

En tercer lugar hay bioelementos con funciones osmóticas. Destacan el Na, K, Cl, que en forma iónica intervienen en procesos como la distribución del agua en compartimentos intra y extracelulares en procesos como el mantenimiento de potenciales de membrana, así como otros relacionados.

Del mismo modo que los bioelementos, definimos las biomoléculas o principios inmediatos como aquellas constituyentes de los seres vivos, que según su naturaleza las clasificamos en 2 grupos, inorgánicas y orgánicas.

Dentro de las inorgánicas, tenemos el , gases como y , sales inorgánicas como aniones (como fosfato, bicarbonato) o como cationes (como el amonio).

Dentro de las moléculas orgánicas tenemos además de glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, otras amplias variedades de biomoléculas que se conocen en conjunto como “metabolitos”, intermediarios de etapas de rutas metabólicas, como el piruvato, ácido cítrico, urea, etc.

Aunque existe una gran variedad según los distintos tipos de células, el principal componente celular siempre es el , que representa el 75% aproximadamente. El 2s componente celular en abundancia son las proteínas, con un 15%. El 10% restante se reparte entre las demás biomoléculas. Aproximadamente, un 2% de azúcares, 3% de lípidos, un 2% de ARN, un 0,5% de ADN, un 1,5% de metabolitos intermediarios y un 1 % de sales. Hay ciertos grupos de células que se salen de esta generalidad debido a sus funciones, como las células adiposas, que contienen un % mayor en lípidos, o las células hepáticas, con un % mayor en azúcares. Estos porcentajes también pueden variar según el estado fisiológico de la célula. Por ejemplo, si la célula se encuentra en mitosis, el % será mayor en ácidos nucleicos, que si estuviese madura.

Tipos de enlaces entre biomoléculas

Intramoleculares: unen los átomos para formar la biomolécula. Pueden ser covalentes o iónicos.

Intermoleculares : las moléculas interaccionan formando asociaciones supramoleculares que pueden llegar a ser bastante complejas. Las fuerzas intermoleculares son más débiles que las covalentes. Entre estas, tenemos las electrostáticas, puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones hidrofóbicas y polares.

Ejemplos típicos de estas estructuras supramoleculares son los ribosomas, la cromatina, las membranas

Modelos moleculares

Son modelos creados que usamos para representar la estructura en 3D de las biomoléculas. Esta la podemos representar por 3 tipos de modelos: espaciales, de esferas y varillas, y esqueléticos.

Los primeros son los más realistas, ya que en ellos el tamaño y configuración de un átomo en concreto viene determinado por las propiedades del enlace y por los radios de Van der Waals.

Ejemplos de espacial

Los modelos de esferas y varillas son menos realistas ya que los átomos están representados por esferas más pequeñas de lo que les correspondería según los radios de Van der Waals, pero en ellas se aprecia más fácilmente la disposición de  los enlaces, representados por las varillas.

 

Ejemplos del modelo de representación con esferas y varillas

Los esqueléticos nos proporcionan la imagen más simple ya que solo muestran la disposición molecular. Los átomos no están indicados explícitamente sino que la disposición de estos se deducen en los sitios de unión de los enlaces y sus términos. Estos modelos se usan sobre todo para representar grandes moléculas que pueden tener varios miles de átomos.

Los átomos de H solo se suelen representar en el primer tipo de modelos.

Además de estos 3 modelos también se suelen utilizar representaciones esquemáticas de estructuras extensas como sucede con la clásica representación del ADN como 2 cintas en

espiral o como sucede también en el caso de las proteínas en sus modelos de cintas. Las cintas representarían las regiones de la proteína en hélice , las flechas en lámina , y los cordones como estructuras enrolladas al azar.