COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA
· Concepto:
Un ser vivo es aquel sujeto que se nutre, se relaciona, y se
reproduce.
Los seres vivos están sometidos por materia química
perfectamente organizada.
La materia que forma parte de los seres vivos se llama materia
viva (no tiene porque tener vida). Son por lo general biomoléculas
Las biomoléculas que forman los seres vivos pueden ser de dos
tipos: inorgánicas y orgánicas. La materia orgánica es exclusiva de los seres
vivos y sintetizada por ellos y en (presencia de óxigeno produce conbustión).
La inorgánica no es exclusiva de los seres vivos, aunque puede formar parte de
ellos, además no producen combustión.
1.1. Niveles de organización de los seres vivos.
Los seres vivos, para su estudio, se estructuran en niveles de
organización. Los dos grandes niveles son:
1.1.1. Niveles abióticos.
A)Nivel Atómico: Lo
constituyen los átomos que a su vez están formados por protones y electrones,
los cuales forman parte de la materia viva. Estos átomos son constituyentes de
uno de los elementos químicos mayoritarios (en los S.V. llamados bioelementos).
B)Nivel molecular: Los
bioelementos forman las biomoléculas (que también se llaman principios
inmediatos).
Principios inmediatos hay de dos tipos: P.I. inorgánicos (que no
son exclusivos de S.V. ejemplo las sales minerales) y los P.I. orgánicos (que
son exclusivos de los S.V., y además son sintetizados por ellos mismos) ,
dentro de los P.I. orgánicos hay tipos varios tipos: los glúcidos (glucosa), los lípidos (grasas en general),proteínas (pelo), ácidos nucleicos (A.D.N y A.R.N.).
Las biomoléculas se unen entre ellas formando macromoléculas
(moléculas grandes). Un ejemplo son las glucosas, que se unen entre ellas y
forman celulosa, glucógeno o almidón, otros son los aminoácidos que se unen
entre ellos y forman moléculas proteínas , y otro son los ácidos grasos que se
combinan con otras moléculas y forman fosfolípidos. Las distintas
macromoléculas se pueden combinar entre sí o con otros y forman agregados
macromoleculares , por ejemplo ciertas proteínas junto con los fosfolípidos van
a formar un agregado molecular que son las membranas moleculares (ejemplo:
proteínas + A.R.N. forman los ribosomas, así cuando los agregados moleculares
se especializan en funciones concretas forman orgánulos , estos orgánulos
coordinados y aislados del medio externo constituyen las células, las cuales
pertenecen al nivel celular del segundo gran grupo de nivel que es el biótico.
1.1.2 Niveles bióticos.
Son los niveles que ya tienen vida, las células, tejidos,
sistemas, organismos pluricelulares, poblaciones y ecosistemas.
A)Nivel celular: Las células son las unidades
anatómicas y fisiológicas de los S.V., todos los S.V. están formados por
células, y sean unicelulares o pluricelulares proceden de una célula inicial.
Según su complejidad y su grado de evolución encontramos dos
tipos celulares que dan lugar a dos tipos de seres vivos
A.1)Células procariotas: Son las menos evolucionadas, las más
sencillas actualmente , representan a las bacterias y a las algas cianofíceas.
Las células están formadas por una membrana celular o plasmática, muy pocos
orgánulos , ribosomas y un único cromosoma circular.
Son un grupo de S.V. muy poco evolucionados que constituyen el
Reino Monera, y son siempre unicelulares, nunca forman seres pluricelulares.
A.2)Células eucariotas: Son
más evolucionadas y bastante más complejas, tienen numerosos orgánulos
celulares, más de un cromosoma (cromosomas lineales, no circulares) y están
separados del resto de la célula por una membrana nuclear (cosa que no tienen
las procariontes.
Se pueden clasificar por su tipo de nutrición o por su forma de
encontrarlas:
Por su nutrición pueden ser autótrofas o heterótrofas:
·
Es autótrofa si obtienen su materia
orgánica a partir de materia inorgánica (CO ). Un ejemplo de célula eucarionte
con nutrición autótrofa son la de los vegetales.
·
Es heterótrofa cuando obtienen la materia
orgánica a partir de materia orgánica ya sintetizada. Un ejemplo de célula
eucarionte con nutrición heterótrofa son la de los animales.
Por su forma de encontrarlas pueden vivir solas o asociadas:
·
Viven solas cuando forman S.V.
unicelulares, estos constituyen el reino de los protistas. Los protistas pueden
ser protozoos (que son Heterótrofos , ejemplo: ameba, paramecio) o también
pueden ser protofitas (que son autótrofas, ejemplo: euglena).
·
Viven asociadas cuando hay más de una
células. En las eucariontes no hay división del trabajo (no forman téjidos), es
decir sin división de funciones celulares ,son colonias donde cada célula tiene
su propia identidad y realiza todas sus funciones.
Las cls. Eucariones pueden especializarse en una función
concreta, además se modifican morfológicamente para realizar dicha función (se
forman los tejidos, característicos de los S.V. pluricelulares).
B) Nivel pluricelular:
B.1)Nivel tisular: Alcanzan este nivel los S.V.
pluricelulares, que, presentan tejidos, que si están formados por:
·
cls. vegetales constituyen las metafitas:
algas pluricelulares
musgos
helechos
plantas superiores
·
cls. Animales constituyen los metazoos:
medusas y pólipos
lombrices
artrópodos- insectos
arañas
mediapodos
crustáceos
equinodermos(estrellas)
vertebrados
B.2)Nivel orgánico: Los
distintos tejidos que participan en una función fisiológica orgánica concreta
se agrupan formando órganos.
Ejemplo:
- Corazón: Tejido muscular - cls. musculares - contracción
Tejido nervioso - cls. nerviosas - impulsos nerviosos
Tejido adiposo - cls. adiposas protección mecánica
Tejido epiteial - cls. epiteliales- revestimiento
Sangre - cls. sanguíneas - oxigenación y nutrición
- Pulmón: Tejido granular - cls. granulares - segrega sustancias
Tejido epitelial - cls. epiteliales - revestimiento
Tejido nervioso - cls. nerviosa - impulso nervioso
Sangre - cls. sanguineas - oxigenación y nutrición
Los órganos que de forma coordinada participan en una función
constituyen un sistema de órganos o aparatos.
Ejemplo:
·
La boca, esófago, estómago, intestino,
recto y ano constituyen el sistema digestivo.
·
El corazón, los vasos sanguíneos y la
sangre constituyen el sistema nervioso.
EL conjunto de todos los sistemas coordinados forman un ser vivo
pluricelular.
B.3)Nivel de población: Los
S.V. no viven aislados ni en el vacío, viven en relación con otros S.V. de su
misma o distinta especie y en su medio físico con el que interaccionan. Se
llama población al conjunto de S.V de la misma especie y vive en un lugar
determinado durante un tiempo definido.
Ejemplo:
La población de buitres del parque de Monfragüe.
B.4)Nivel ecosistema: Este
nivel lo constituyen los ecosistemas, que son espacios naturales formados por
distintas poblaciones de S.V. que habitan en un área concreta y que se
relacionan entre ellos y con el medio que les rodea.
Ejemplo:
·
Un hayedo (bosque de hayas)
·
Una charca
·
Un desierto
B.5)Nivel de biosfera: Es
el conjunto de todos los ecosistemas del planeta Tierra.
La biosfera es la esfera de la vida, la capa imaginaria donde se
desarrolla la vida, tiene una altitud de unos 7000 m., y una profundidad de
unos 4000 m.
Esquema:
Concepto--Niveles de org. de los S.V.--Niveles Abióticos--Nivel
atómico
Nivel molecular
Niveles bióticos--Nivel celular--------Cls. procariotas
---------Cls. eucariotas
Nivel pluricelular---Nivel tisular
Nivel orgánico
Nivel población
Nivel ecosistema
Nivel de Biosfera
QUE ES LA BIOQUIMICA?
Ciencia que se ocupa del estudio de los compuestos químicos que forman parte de los seres vivos y de sus funciones y transformaciones durante los procesos vitales Esta ciencia se conoce también con los nombres de Química fisiológica y Química biológica.
1. Orígenes de la Bioquímica como ciencia. La B., como cualquier otra ciencia experimental, ha cobrado a lo largo del tiempo una personalidad propia, como consecuencia de resultados de la investigación que no sólo sirvieron para aumentar el caudal de conocimientos de disciplinas ya existentes, sino que además planteaban en su conjunto una nueva problemática con suficiente coherencia. En el origen de la B. están presentes de modo especial, por un lado, la Química orgánica y, por otro, la Fisiología.
En los primeros años del s. xix el concepto de Química órganica no era el mismo que se tiene en la actualidad. Su contenido correspondía más bien a lo que hoy entendemos como uno de los capítulos de la B. Por aquel entonces, el término Química orgánica hacía más bien referencia a la «materia organizada» o materia viva. Así, libros de texto de Química orgánica de aquella época, como los de Thomson y Berzelius (v.), dividen su contenido en Química vegetal y Química animal. En estas obras se describen los diversos constituyentes de las plantas y de los animales sin indicación alguna de su composición química. Pronto se vio que estas sustancias que formaban parte de la materia organizada, estaban constituidas por carbono e hidrógeno principalmente, y también oxígeno, azufre y nitrógeno. Esta situación inicial se refleja muy bien en la afirmación que el propio Berzelius hace en 1806 en sus Lecciones de Química animal: «la parte de la Fisiología que describe la composición de los seres vivos y de los procesos químicos que en ellos tienen lugar se conoce con el nombre de Química orgánica». Por aquellos años, algunos químicos como Vauquelin y Fourcroy dedicaban sus esfuerzos al aislamiento y purificación de sustancias extraídas de los seres vivos; pero estos trabajos estaban llenos de dificultades al no poderse conseguir su cristalización. La labor de análisis se encontraba en un estado muy primitivo.
Se creía en esa época que existía una diferencia esencial entre las sustancias encontradas en la materia inerte y las producidas por los seres vivos. Esta idea vitalista dominaba la mente de los químicos de entonces y así se pensaba que los compuestos orgánicos, resultado de la actividad de las fuerzas vitales, no podrían jamás sintetizarse a partir de sustancias inorgánicas. La síntesis de la urea, que Friedrich WShler logra en 1828, hizo tambalear las ideas vitalistas, y abrió nuevos e insospechados horizontes a la Ciencia. Este descubrimiento ocasional llena de euforia a los químicos que se lanzan a conseguir nuevas síntesis de compuestos no presentes en los seres vivos. Con esta nueva temática nace propiamente la moderna Química orgánica y comienzan a deslindarse los campos. Así, en 1859, August Kekulé escribe en su famoso texto de Química orgánica: «hemos llegado a la convicción de que no existe diferencia alguna entre compuestos a orgánicos e inorgánicos... Definimos la Química orgánica como la Química de los compuestos del carbono... Debemos destacar que la Química orgánica no se ocupa del estudio de los procesos químicos en las plantas y animales. Este estudio forma la base de la Química fisiológica». En estas palabras de Kekulé queda bien delimitado el campo de la Química orgánica, que es a partir de entonces la Química de los compuestos del carbono. Los compuestos presentes en los seres vivos siguen interesando al químico orgánico, pero sólo en cuanto compuestos químicos. El arrollador impulso de la Química orgánica hace que lo que había sido su cobran una dramática actualidad: «No puedo dejar de pensar que aquí se encuentra el papel fisiológico más esencial del fósforo en el organismo. Viene a mi mente el notable y bien conocido hecho de que en las plantas, el fósforo se acumula principalmente, o casi exclusivamente, en las partes en crecimiento... iJn conocimiento de las relaciones entre las sustancias del núcleo, proteínas y sus productos inmediatos de metabolismo ayudarán de modo gradual a levantar la cortina que en el presente vela por completo los procesos íntimos del crecimiento celular». Paralelamente a los trabajos citados en relación con la B. estática, se realizan investigaciones que van poniendo de manifiesto el estado dinámico de la materia viva. Para muchos autores el mérito de abrir este importante aspecto de la B., corresponde a AntoineLaurent Lavoisier (174394; v.). Durante el periodo 177593 da a conocer una serie de trabajos que son verdaderos ejemplos de rigor científico, de imaginación y de verificación experimental. En 1780 publica, en colaboración con Pierre Laplace, Mémoire sur la chaleur en «Mémoires de 1'Acad. des Sciences», donde muestra los resultados de sus estudios sobre la producción del calor animal con los mismos métodos cuantitativos que había aplicado a las reacciones químicas. «La respiración dice es, por tanto, una combustión semejante a la de un trozo de carbón». Estos hallazgos de Lavoisier tienen un gran valor y sirvieron de punto de partida a los innumerables estudios sobre metabolismo energético que se realizan durante el s. xix y comienzos del xx.
Una visión dinámica del organismo vivo se va perfilando poco a poco. Claude Bernard demuestra experimentalmente que en el hígado tiene lugar, no sólo la degradación de los azúcares, sino también la síntesis del glucógeno. Esto le hace considerar al hígado como un «verdadero laboratorio vital». Un concepto íntimamente ligado a la B. dinámica es el de metabolismo (v.), es decir, el conjunto de cambios químicos que acaecen en los seres vivos. Este concepto, tan usado en la moderna Biología, es tan antiguo en su planteamiento como la teoría celular propuesta por Schleiden y Schwann hacia 1839. En efecto, Schwann introdujo también por primera vez una nueva idea sobre los seres vivos, una idea «organísmica», según la cual, tanto el crecimiento como los demás fenómenos vitales dependen de la totalidad del organismo. Postuló al mismo tiempo la existencia en cada célula de dos «capacidades distintas». En primer lugar una capacidad que hace relación a la combinación de moléculas para formar una célula, teniendo lugar lo que 61 llamó «fenómenos plásticos de la célula». Y, en segundo lugar, aquella capacidad cuya expresión son los cambios químicos acaecidos en las partículas componentes de las células o en el medio circundante, fenómenos a los que dio el nombre de metabólicos, indicando con ello «lo que es susceptible de ocasionar o experimentar un cambio». Los conceptos de anabolismo y catabolismo aparecen algo después. Para llegar al establecimiento de estos dos conceptos se necesitaba hacer una distinción clara entre la ela, boración de moléculas complejas a partir de otras más sencillas, y los procesos mediante los cuales las moléculas complejas se convierten en otras más simples. Los términos anabolismo y catabolismo aparecen por vez primera en un trabajo de W. H. Gaskell.
Sin duda alguna, uno de los factores que más contribuyeron al desarrollo de este aspecto dinámico de la B. se debe a los descubrimientos realizados en una de sus áreas más interesantes, la Enzimología. Las observaciones realizadas por Reaumur y por Spallanzani en el s. xvin sobre la acción del jugo gástrico pusieron claramente de manifiesto que la digestión es un proceso químico más que un proceso puramente mecánico. En los primeros años del s. xix Kirchhoff describe Ciencia que se ocupa del estudio de los compuestos químicos que forman parte de los seres vivos y de sus funciones y transformaciones durante los procesos vitales Esta ciencia se conoce también con los nombres de Química fisiológica y Química biológica.
1. Orígenes de la Bioquímica como ciencia. La B., como cualquier otra ciencia experimental, ha cobrado a lo largo del tiempo una personalidad propia, como consecuencia de resultados de la investigación que no sólo sirvieron para aumentar el caudal de conocimientos de disciplinas ya existentes, sino que además planteaban en su conjunto una nueva problemática con suficiente coherencia. En el origen de la B. están presentes de modo especial, por un lado, la Química orgánica y, por otro, la Fisiología.
En los primeros años del s. xix el concepto de Química órganica no era el mismo que se tiene en la actualidad. Su contenido correspondía más bien a lo que hoy entendemos como uno de los capítulos de la B. Por aquel entonces, el término Química orgánica hacía más bien referencia a la «materia organizada» o materia viva. Así, libros de texto de Química orgánica de aquella época, como los de Thomson y Berzelius (v.), dividen su contenido en Química vegetal y Química animal. En estas obras se describen los diversos constituyentes de las plantas y de los animales sin indicación alguna de su composición química. Pronto se vio que estas sustancias que formaban parte de la materia organizada, estaban constituidas por carbono e hidrógeno principalmente, y también oxígeno, azufre y nitrógeno. Esta situación inicial se refleja muy bien en la afirmación que el propio Berzelius hace en 1806 en sus Lecciones de Química animal: «la parte de la Fisiología que describe la composición de los seres vivos y de los procesos químicos que en ellos tienen lugar se conoce con el nombre de Química orgánica». Por aquellos años, algunos químicos como Vauquelin y Fourcroy dedicaban sus esfuerzos al aislamiento y purificación de sustancias extraídas de los seres vivos; pero estos trabajos estaban llenos de dificultades al no poderse conseguir su cristalización. La labor de análisis se encontraba en un estado muy primitivo.
Se creía en esa época que existía una diferencia esencial entre las sustancias encontradas en la materia inerte y las producidas por los seres vivos. Esta idea vitalista dominaba la mente de los químicos de entonces y así se pensaba que los compuestos orgánicos, resultado de la actividad de las fuerzas vitales, no podrían jamás sintetizarse a partir de sustancias inorgánicas. La síntesis de la urea, que Friedrich WShler logra en 1828, hizo tambalear las ideas vitalistas, y abrió nuevos e insospechados horizontes a la Ciencia. Este descubrimiento ocasional llena de euforia a los químicos que se lanzan a conseguir nuevas síntesis de compuestos no presentes en los seres vivos. Con esta nueva temática nace propiamente la moderna Química orgánica y comienzan a deslindarse los campos. Así, en 1859, August Kekulé escribe en su famoso texto de Química orgánica: «hemos llegado a la convicción de que no existe diferencia alguna entre compuestos a orgánicos e inorgánicos... Definimos la Química orgánica como la Química de los compuestos del carbono... Debemos destacar que la Química orgánica no se ocupa del estudio de los procesos químicos en las plantas y animales. Este estudio forma la base de la Química fisiológica». En estas palabras de Kekulé queda bien delimitado el campo de la Química orgánica, que es a partir de entonces la Química de los compuestos del carbono. Los compuestos presentes en los seres vivos siguen interesando al químico orgánico, pero sólo en cuanto compuestos químicos. El arrollador impulso de la Química orgánica hace que lo que había sido su preocupación primaria: la materia «organizada», quede como un mero apéndice dentro del conjunto de datos, cada vez más amplio, sobre los nuevos productos de síntesis. La Química fisiológica se va individualizando así como una rama del saber, nacida a la sombra de la Química orgánica.
Por otro lado, las técnicas de análisis se han ido introduciendo entre los fisiólogos que las aplican a los materiales relacionados con las funciones fisiológicas. Un interés especial despiertan los líquidos del organismo, como los jugos digestivos, la sangre, el líquido cefalorraquídeo y las excretas y así se van conociendo no sólo su composición química, sino también la alteración de sus valores en casos de enfermedad. Vemos, pues, cómo en los comienzos de la B. se hallan presentes, por un lado la Química y por otro la Fisiología. Muy pronto el conjunto de conocimientos sobre la química de los seres vivos se va haciendo más amplio. De día en día, se van sistematizando compuestos cada vez mejor caracterizados; se llega de este modo al nacimiento gradual de una nueva ciencia independiente, que, finalmente, encuentra reconocimiento académico con la creación de la primera cátedra de Química fisiológica en la Univ. de Estrasburgo en 1863, y el profesor alemán Félix von HoppeSeyler llega a ser el primer catedrático de B de la Historia. Unos años más tarde, en 1877, el propio HoppeSeyler funda la primera revista de B., la «Zeitschrift für Physiologische Chemie». También por aquellos mismos años, en 1874, la Univ. de Yale en EE. UU. crea una cátedra de B. que ocupa Russell Chittenden. A partir de ese momento numerosas universidades europeas y americanas siguen el ejemplo y se van creando nuevas cátedras de esta disciplina.
2. Evolución de su temática. El desarrollo alcanzado por la B. en las últimas décadas ha sido tan extraordinario que, a partir de un modesto apéndice de la Química orgánica, vemos surgir una disciplina autónoma en la que podemos distinguir tres grandes áreas, si bien estrechamente relacionadas entre sí: B. descriptiva de las sustancias biológicas, designada por algunos B. estática; B. dinámica y Biología molecular. Los comienzos de la investigación bioquímica tienen lugar en la última parte del s. xviii y comienzos del xix. Los químicos de aquella época hacen un esfuerzo decidido por conocer la naturaleza de los materiales constituyentes de los seres vivos. Sin embargo, sus estudios se ven obstaculizados por la carencia de medios adecuados a la complejidad de estos problemas. El desarrollo de las técnicas analíticas en Química se hace pronto sentir y se comienza a abordar con éxito el conocimiento de la composición química de los seres vivos. Los trabajos del gran químico sueco Carl Wilhelm Scheele (174286) sobre diversas sustancias animales y vegetales dieron como resultado el aislamiento de un gran número de productos naturales como los ácidos cítrico, málico, láctico y tartárico. El mismo Scheele descubrió también el glicerol y la caseína. Las investigaciones de Michel Chevreul (17861879) sobre los lípidos abren un nuevo capítulo de la B. estática. Gran parte de sus trabajos están recogidos en sus publicaciones Recherches chimiques sur les corps gras d'origine animal aparecido en 1823 y en sus Considérations générales sur Panalyse organique et sur ses applications en 1824. Pero la obra más significativa en el desarrollo de la B. estática corresponde, sin duda, al químico alemán Emil Fischer (18521919), cuyas investigaciones revolucionaron los conocimientos existentes sobre glúcidos, lípidos y proteínas.
En 1868 tiene lugar un acontecimiento importante para la B. Friedrich Miescher descubre los ácidos nucleicos en los núcleos de las células del pus, e inicia una serie de trabajos relativos a la distribución y propiedades de estos compuestos. Y son palabras del propio Friedrich Miescher en 1871, las que hoy cobran una dramática actualidad: «No puedo dejar de pensar que aquí se encuentra el papel fisiológico más esencial del fósforo en el organismo. Viene a mi mente el notable y bien conocido hecho de que en las plantas, el fósforo se acumula principalmente, o casi exclusivamente, en las partes en crecimiento... iJn conocimiento de las relaciones entre las sustancias del núcleo, proteínas y sus productos inmediatos de metabolismo ayudarán de modo gradual a levantar la cortina que en el presente vela por completo los procesos íntimos del crecimiento celular». Paralelamente a los trabajos citados en relación con la B. estática, se realizan investigaciones que van poniendo de manifiesto el estado dinámico de la materia viva. Para muchos autores el mérito de abrir este importante aspecto de la B., corresponde a AntoineLaurent Lavoisier (174394; v.). Durante el periodo 177593 da a conocer una serie de trabajos que son verdaderos ejemplos de rigor científico, de imaginación y de verificación experimental. En 1780 publica, en colaboración con Pierre Laplace, Mémoire sur la chaleur en «Mémoires de 1'Acad. des Sciences», donde muestra los resultados de sus estudios sobre la producción del calor animal con los mismos métodos cuantitativos que había aplicado a las reacciones químicas. «La respiración dice es, por tanto, una combustión semejante a la de un trozo de carbón». Estos hallazgos de Lavoisier tienen un gran valor y sirvieron de punto de partida a los innumerables estudios sobre metabolismo energético que se realizan durante el s. xix y comienzos del xx.
Una visión dinámica del organismo vivo se va perfilando poco a poco. Claude Bernard demuestra experimentalmente que en el hígado tiene lugar, no sólo la degradación de los azúcares, sino también la síntesis del glucógeno. Esto le hace considerar al hígado como un «verdadero laboratorio vital». Un concepto íntimamente ligado a la B. dinámica es el de metabolismo (v.), es decir, el conjunto de cambios químicos que acaecen en los seres vivos. Este concepto, tan usado en la moderna Biología, es tan antiguo en su planteamiento como la teoría celular propuesta por Schleiden y Schwann hacia 1839. En efecto, Schwann introdujo también por primera vez una nueva idea sobre los seres vivos, una idea «organísmica», según la cual, tanto el crecimiento como los demás fenómenos vitales dependen de la totalidad del organismo. Postuló al mismo tiempo la existencia en cada célula de dos «capacidades distintas». En primer lugar una capacidad que hace relación a la combinación de moléculas para formar una célula, teniendo lugar lo que 61 llamó «fenómenos plásticos de la célula». Y, en segundo lugar, aquella capacidad cuya expresión son los cambios químicos acaecidos en las partículas componentes de las células o en el medio circundante, fenómenos a los que dio el nombre de metabólicos, indicando con ello «lo que es susceptible de ocasionar o experimentar un cambio». Los conceptos de anabolismo y catabolismo aparecen algo después. Para llegar al establecimiento de estos dos conceptos se necesitaba hacer una distinción clara entre la ela, boración de moléculas complejas a partir de otras más sencillas, y los procesos mediante los cuales las moléculas complejas se convierten en otras más simples. Los términos anabolismo y catabolismo aparecen por vez primera en un trabajo de W. H. Gaskell.
Sin duda alguna, uno de los factores que más contribuyeron al desarrollo de este aspecto dinámico de la B. se debe a los descubrimientos realizados en una de sus áreas más interesantes, la Enzimología. Las observaciones realizadas por Reaumur y por Spallanzani en el s. xvin sobre la acción del jugo gástrico pusieron claramente de manifiesto que la digestión es un proceso químico más que un proceso puramente mecánico. En los primeros años del s. xix Kirchhoff describe por primera vez el fenómeno de la catálisis al descubrir la existencia de un factor presente en el trigo que posee la capacidad de digerir el almidón. Pocos años después, en 1833, Payen y Persoz intentaron el aislamiento de este principio activo al que dieron el nombre de diastasa. Es digno de mención el esfuerzo de estos investigadores que, sin un conocimiento de la naturaleza química de esta sustancia y sin otro medio para seguir su purificación que su efecto digestivo sobre el almidón, reconocieron muchas de las propiedades de las enzimas, como, p. ej., su termolabilidad y la escasa concentración en que se encuentran. Como medio de purificación emplearon la precipitación fraccionada con alcohol y con acetato de plomo, o el calentamiento controlado, medios que aún hoy se siguen usando con éxito para la purificación de muchas enzimas. Plantearon estos investigadores su trabajo con una gran visión de futuro y, así, aseguran: «Este nuevo principio, más o menos puro, será especialmente útil en el análisis de almidones, harina, pan y otras sustancias amiláceas. Es éste uno de los procedimientos más elegantes en el análisis orgánico». También supieron apreciar la importancia teórica de la diastasa en problemas relacionados con el metabolismo vegetal, tales como la síntesis, almacenamiento y traslocación de las reservas glucídicas. Y añaden: «Se abre ante nosotros un vasto campo de problemas de investigación a resolver, tales como la existencia de la diastasa en las diferentes partes de la organización vegetal, su peso molecular, su composición elemental, sus combinaciones, y los productos de su reacción marcadamente específica sobre los vegetales que contienen almidón».
En 1836, Schwann describió la acción de la pepsina y sus propiedades. En 1839, CagniardLatour atribuye el proceso de fermentación a la acción de las levaduras y, en 1857, Pasteur demuestra que la fermentación láctica se debe a la presencia del lactobacilo. Liebig en cambio, frente a Pasteur, recalcaba el hecho de que la fermentación era un proceso puramente químico, abriéndose así una de las grandes controversias de la Biología, que llena gran parte del siglo pasado; mecanicistas frente a vitalistas. Pasteur (v.) había demostrado que los cambios químicos que acompañan a la fermentación sólo ocurrían en presencia de organismos vivos. Sin embargo, se había reconocido también que un gran número de reacciones bioquímicas eran mediadas por enzimas extracelulares, como la diastasa, la pepsina o la tripsina. Los vitalistas defendían su punto de vista distinguiendo entré dos tipos de sustancias catalíticamente activas: de un lado, los fermentos «organizados» y, de otro, los fermentos «no organizados», estando los primeros necesariamente vinculados a la presencia de organismos vivos. Un descubrimiento accidental de los hermanos Hans y Eduard Büchner puso de manifiesto la incorrección de este dualismo en lo que se refería a la naturaleza de los fermentos. En el curso de una serie de experimentos encaminados a examinar el valor medicinal de varios extractos de levaduras, estos dos investigadores encontraron que cuando trataban de conservar sus extractos mediante el típico método casero de añadir grandes cantidades de azúcar, los extractos libres de células provocaban la fermentación (v.). Estaba claro, pues, que no eran las levaduras las causantes directas de la fermentación, sino un principio separable de ellas, hidrosoluble y termolábil al que dieron el nombre de zimasa. Con este hallazgo de lbs hermanos Büchner quedaba zanjada la controversia entre defensores del vitalismo a ultranza y del mecanicismo.
En los primeros años de nuestro siglo, Harden y Young introducen el concepto de coenzima al aislar un material orgánico, termoestable, dializable, imprescindible para la fermentación, en contraposición con la zimasa, material termolábil y no dializable. Estudios posteriores fueron poniendo de manifiesto que la fermentación se producía por la acción sobre el azúcar de un sistema multienzimático, juntamente con varias coenzimas. En 1902, V. Henri postuló la existencia de un complejo enzimasustrato para explicar la acción enzimática y se inician así los estudios sobre cinética de las reacciones enzimáticas. Posteriormente, en 1913, Michaelis y Menten hicieron el análisis matemático del efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad de la reacción enzimática. El conocimiento de las enzimas (v.) puso en movimiento el ímpetu investigador de muchos laboratorios hacia el esclarecimiento de las principales vías metabólicas. Los trabajos de Harden y Young, de Embden y de Meyerhoff son dignos de mención a este respecto. Otro hecho de gran importancia para la B. se produce en 1926 cuando Sumner logra cristalizar la primera enzima, la ureasa. Unos años más tarde Northrup cristaliza la pepsina y poco después el mismo Northrup y Kunitz consiguen cristalizar la tripsina. Recientemente, en 1960, Spackman, Hirs, Stein y Moore logran determinar la secuencia completa de los aminoácidos de la ribonucleasa. Rudolf Schoenheimer y D. Rittenberg introducen en 1935 la técnica del marcado con isótopos. Estos autores abren con sus trabajos la puerta a una nueva concepción de las actividades metabólicas del organismo. Estas nuevas ideas se recogen en la obra de Schoenheimer The dynamics of body constituents. En. una serie de brillantes experimentos pone de manifiesto que los componentes estructurales del organismo, considerados hasta entonces como estables, están sujetos a un recambio continuo.
La idea de la célula, como un sistema intensamente dinámico, con su metabolismo constituido por numerosos ciclos relacionados entre sí, y con una armonía entre procesos anabólicos y catabólicos, tuvo que aguardar a los grandes descubrimientos que dan origen a la Biología molecular ya muy entrado el s. xx. Entendemos por Biología molecular (v.) aquella parte de la Biología que se ocupa de dar cumplida explicación de morfología y función en términos moleculares. Con toda justicia puede considerarse como iniciador de esta nueva rama el clásico trabajo de Avery (v.), Macleod y McCarty publicado en 1944 en el que se describe el fenómeno de transformación del neumococo, es decir, la inducción in vitro de una mutación específica que puede conseguirse con la adición de un ácido nucleico obtenido de otra cepa de neumococo. Los avances en este campo de la Biología molecular se van sucediendo a ritmo creciente en los últimos años. En 1953, James Watson y Francis Crick proponen la estructura de doble helicoide del ácido desoxirribonucleico y, posteriormente, los trabajos de Kornberg, Ochoa, Nirenberg, Pauling, Kendrew, Perutz, van dando forma a una nueva visión de la Biología, en la que la B. es su soporte fundamental.
3. Concepción actual de la Bioquímica. Ya hemos visto cómo la temática de la B. se ha ido enriqueciendo en un lento avance en el siglo pasado y primeros años del s. xx. En los últimos 20 6 30 años el desarrollo ha sido realmente espectacular y sus campos de interés se han extendido de tal modo que las fronteras de la $. con otras disciplinas químicas o biológicas han ido borrándose lentamente.
De una primera fase de la B. en que la determinación de la composición química dé las biomoléculas era su principal cometido, pasó después por un periodo en que se investigaron intensamente los procesos del metabolismo intermediario, con el fin de conocer al máximo las diferentes vías metabólicas y sus ramificaciones, en el orden secuencial en que se encadenan las distintas transformaciones químicas y las características energéticas de cada una de ellas, lo que ha llevado a apreciar el importante significado biológico de la síntesis y utilización de compuestos con enlaces ricos en energía. Para la mejor comprensión del metabolismo ha adquirido singular relieve el desarrollo de la Enzimología; prácticamente, en todas las reacciones que tienen lugar en los seres vivos interviene como catalizadora una enzima o grupo de enzimas. Por esta razón algunos han llegado a referirse a la B. como la Química orgánica de las reacciones catalizadas por enzimas. Son, en efecto, las enzimas las que hacen posibles las distintas vías metabólicas, hasta el punto de que el metabolismo de una célula queda condicionado por la potencialidad que tenga para sintetizar enzimas, lo que a su vez depende de la información genética que posea. Pero para comprender la actividad biológica no basta con conocer las potencialidades existentes, sino que es preciso averiguar los procedimientos por los que esas potencialidades adquieren una expresión adecuada a las necesidades de cada momento, dentro de una ordenación temporal y espacial característica de la naturaleza organizada del ser vivo. Efectivamente, el ser vivo, y la misma célula, no es un sistema homogéneamente disperso como el que puede darse en el tubo de ensayo, sino que posee una elevada organización en múltiples niveles, caracterizada por una acusada compartimentación, que lleva a una localización espacial de determinados grupos de reacciones, entre los que existen barreras que sólo permiten una restringida y selectiva comunicación.
En los últimos años se ha despertado extraordinario interés por el conocimiento de los mecanismos de la regulación del metabolismo, bien sea a nivel de la actividad enzimática, o de la síntesis de distintas enzimas, así como por la regulación de las barreras que pueden separar a las enzimas de sus respectivos sustratos. Los grandes avances conseguidos en el conocimiento de la estructura de las proteínas y de los ácidos nucleicos, y de los procesos de su biosíntesis,, han abierto la posibilidad de penetrar en la intimidad de la información genética y de su expresión, lo que llevará a explicar las diferencias entre distintos organismos y las posibilidades de regular esa misma expresión. Esta concepción de la moderna B. a que ha llevado la misma evolución de su temática, nos hace pensar en unas palabras del bioquímico español Alberto SoIs: K... no es que en los seres vivos hay Química: es que la vida es Química. La vida es la máxima complejidad química».
De una mera descripción de compuestos químicos asociados con los seres vivos, la B. ha trascendido últimamente al intento de dar una explicación de la propia naturaIeza de la vida. A la luz de los conocimientos que hoy tenemos, V. R. Potter ha llegado a proponer una definición b. de la vida en que sitúa a las moléculas del ADN como base de las distintas formas en que la vida puede presentarse. «La vida, dice, consiste en las actividades químicas y físicas de grupos de desoxirribonucleoproteínas y ribonucleoproteínas con capacidad de autoduplicación que: operan en el interior de sistemas limitados por membranas formadas por proteínas asociadas a otros materiales; controlan la producción de enzimas, cuyas actividades metabólicas hacen posible la reproducción de todo el sistema, dentro de un entorno químico adecuado, al acoplar las síntesis que requieren energía con otras reacciones que la producen; permiten, al mismo tiempo, suficiente variación entre las nucleoproteínas individuales para dar lugar a un mecanismo que permita cambios evolutivos al sobrevivir las variantes más aptas, organizadas de tal manera que son susceptibles de cambios inducidos por mecanismos que alteran la producción y la actividad de los sistemas enzimáticos, para dar el máximo de supervivencia posible dentro de los límites impuestos por la población de moléculas de ADN heredadas y por el medio en que se encuentren». Esta definición b. de la vida que hace Potter lleva implícita, además, la explicación de la existencia de una clara y notoria «unidad bioquímica» de los seres vivos, a la vez que el entendimiento de esa otra realidad que es su «diversidad bioquímica».
4. Relaciones de la Bioquímica con otras Ciencias. Las íntimas relaciones de la B. con las demás áreas de la Biología son innegables, y sólo a modo de ejemplo citaremos brevemente algunas.
Las ciencias morfológicas, y muy en especial la Citología (v. CÉLULA), utilizan progresivamente los conocimientos bioquímicos. Toda estructura observable al nivel visual, de microscopía óptica o electrónica, tiene su explicación en la manera de disponerse y relacionarse entre sí las moléculas de diversos materiales. La estructura de las moléculas y las posibilidades de asociarse unas con otras estáíi en la base. de las más elementales unidades morfológicas. La explicación de lo morfológico a nivel molecular ha dado lugar al sugestivo campo de la Morfología submicroscópica o ultraestructura biológica. La Citología moderna, en su esfuerzo por profundizar en la resolución de estructuras y funciones, se ha hecho campo común de morfólogos, fisiólogos y genéticos, hasta tal punto que hoy día no se comprende un citólogo que no participe de todas esas especialidades. La localización de las enzimas en el seno de la célula, la adscripción de procesos metabólicos a los distintos orgánulos intracelulares, la interpretación b. de la célula y de la vida celular en suma, es uno de esos terrenos de frontera que abre gran porvenir a esta nueva concepción de la Citología b. en que armónicamente se funden dos ramas de la Biología, fruto del esfuerzo de unos investigadores que se decidieron a abandonar unos moldes clásicos y a derribar una barrera que separaba física y emocionalmente a los cultivadores de ambas ciencias. Los nombres de Martin Behrens, Robert Bensley, Albert Claudé y George Gomori, están íntimamente ligados a estos esfuerzos pioneros. Las técnicas de homogeneización, de separación de los orgánulos intracelulares por centrifugación diferencial y la microscopía electrónica han sido piezas clave para un esclarecimiento de la composición química y funciones de las distintas regiones de la célula y al mismo tiempo de un entendimiento de las implicaciones fisiológicas de la compartimentación intracelular.
Ya hemos visto antes al hablar del nacimiento de la B., la estrecha relación que tiene con la Fisiología (v.). Pero además de esta vinculación por su origen, siempre que la Fisiología trata de explicar una función, al interpretar la intimidad de un fenómeno fisiológico cualquiera, en plantas, animales o microorganismos, se encuentra necesariamente con los procesos bioquímicos subyacentes, siendo muy difícil distinguir en qué momento se deja la Fisiología para pasar a la B. Si bien es cierto que la Fisiología atiende a las funciones del organismo entero o de determinados órganos, mientras que la B. se ocupa de los mecanismos moleculares de esas funciones.
Una continua e importante contribución a la B. procede de la Microbiología (v.) Los organismos unicelulares ofrecen indudables ventajas para el estudio de las múltiples y complejas reacciones b. y ésta ha sido una poderosa razón para que muchos b. hayan centrado su atención en ellos. Las investigaciones sobre los organismos unicelulares han contribuido por otra parte al desarrollo de la B. comparada; los trabajos de Kluyver y de Van Niel, entre otros, representaron un estímulo inicial de este aspecto comparativo de la B., y sus trabajos y escritos han acentuado un hecho claro, como es el de que los procesos b. son muy a menudo semejantes aún en organismos muy alejados entre sí.
La Genética (v.) se ha enriquecido extraordinariamente cuando una buena parte de su problemática ha podido abordarse con técnicas bioquímicas; y así, los recientes descubrimientos en este campo han hecho posible dar una explicación a nivel molecular de la transmisión de los caracteres hereditarios. Los trabajos de Watson y Crick y de Nirenberg, Kornberg y Ochoa han contribuido al gran desarrollo que hoy ha llegado a alcanzar la Genética tras esta fértil confluencia con la B.
Los estudios de Zoología y Botánica, de ser fundamentalmente descriptivos, van adquiriendo un mayor carácter experimental y fisiológico. En esta línea, la Anatomía y la Fisiología comparadas se continúan también en la B. comparada, que ofrece una imagen muy sugestiva de lo que Florkin llama la «unidad del plan bioquímico», dentro de la diversidad que también ofrecen los seres vivos a nivel molecular. Con ello, la B. aporta datos de gran significado para la comprensión de los procesos evolutivos, así como para justificar muchos de los condicionamientos ecológicos que se observan en plantas y animales. Como dice Florkin, se puede considerar «una especie como constituida por grupos de individuos provistos de secuencias más o menos similares de purinas y pirimidinas en el seno de sus moléculas de ADN... La definición de una especie se confunde con la de los factores que conducen a la síntesis de una colección similar, en los diferentes miembros de esta especie, de secuencias similares de aminoácidos, cuya interpretación conduce a estructuras y características funcionales similares, adaptadas al nicho ecológico en el que la especie se mantiene».
También con la Patología médica tiene la B. una relación interesante. En un buen número de casos ha podido establecerse un nexo causal entre lesión b. y enfermedad. Así, p. ej., los individuos que padecen la enfermedad hereditaria anemia falciforme poseen una hemoglobina estructuralmente distinta de la de los individuos normales, al no poseer la información genética correcta para la síntesis de una molécula normal. Muchos otros ejemplos de este tipo han sido descritos como «errores innatos del metabolismo», término introducido por Garrod. Aparte de estos trastornos hereditarios debidos a causas genéticas, cuanto más se profundiza en el conocimiento de la patogenia y en el desarrollo de la enfermedad, se hace másevidente el nexo entre la expresión patológica y la alteración del funcionalismo b. normal, sea en una parcela limitada del organismo o con carácter más general.
Con la Química tiene la B. una necesaria relación de dependencia, ya que los métodos que emplea el bioquímico para abordar el estudio de la materia viva son en su mayor parte métodos químicos. Por tanto, muchos de los avances de la Química redundan inmediatamente en un perfeccionamiento de las técnicas que el bioquímico tiene a su disposición. Por otra parte, éste necesita poseer una amplia gama de conocimientos de Química orgánica y QuímicaFísica para comprender mejor los mecanismos de las reacciones enzimáticas y la estructura y comportamiento de las macromoléculas.
5. Componentes químicos de la materia viva. El análisis químico de la materia viva ha conducido al hallazgo de que su constituyente más abundante es el agua, y en ella se encuentran en disolución o en suspensión una gran variedad de compuestos. Desde un punto de vista cualitativo, la composición química de la materia viva es muy semejante, independientemente de su procedencia. Es decir, suelen encontrarse casi siempre los mismos tipos de sustancias y que en líneas generales pueden incluirse en los siguientes grupos: proteínas, glúcidos, lípidos, ácidos nucleicos y sales; existe también un número elevado de sustancias orgánicas derivadas de aquéllas y auñque algunas de ellas se encuentren en cantidades muy pequeñas desempeñan importantes funciones en el organismo. A título de ejemplo, podemos citar aquí la distribución porcentual aproximada de los distintos componentes químicos del cuerpo humano: Agua, 6080% y materias sólidas, 2040%. Estas últimas se distribuyen del siguiente modo: proteínas, 1520%; lípidos, 320%; glúcidos, 115%; ácidos nucleicos, 4%; moléculas orgánicas de bajo peso molecular, 1%; sales, 1%.
Las proteínas (v.) son moléculas de elevado peso molecular, formadas por unidades más sencillas, que son los aminoácidos (v.), compuestos que tienen, al menos, un grupo carboxilo 000H y un grupo amino NH2. La presencia de ambos grupos funcionales en su molécula hace posible la unión entre el grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino de otro, perdiendo una molécula de agua. Se establece de este modo un enlace péptídico CN. Mediante estos enlaces puede formarse una cadena de muchos aminoácidos, dando lugar a compuestos que se conocen con el nombre de polipéptidos. Las proteínas simples están constituidas por cadenas polipeptídicas. Las proteínas complejas contienen además otro componente, como iones metálicos pesados (metaloproteínas), fosfato (fosfoproteínas), lípidos (lipoproteínas), glúcidos (mucoproteínas).
Los glúcidos (v. HIDRATOS DE CARBONO) son compuestos ternarios de carbono, hidrógeno y oxígeno. Las unidades más simples se conocen con el nombre de monosacáridos; su estructura química corresponde a aldehídos o tetonas, con varios grupos alcohol en su molécula. Entre los monosacáridos más importantes se encuentran la glucosa, la galactosa y la fructosa. Los monosacáridos pueden unirse entre sí con pérdida de agua, y pueden llegar a formarse polímeros de elevado peso molecular. En los vegetales se encuentran polímeros de la glucosa, como el almidón (v.) y la celulosa (v.). En los animales se encuentra también un polímero de la glucosa conocido por glucógeno. Los lípidos comprenden un grupo muy heterogéneo de sustancias, caracterizadas todas ellas por su insolubilidad en agua y su solubilidad en los disolventes orgánicos. A este grupo de sustancias pertenecen las grasas neutras, entre las que se encuentran los triglicéridos, que son ésteres de ácidos grasos y glicerol, y las ceras, que son ésteres de un ácido graso y un alcohol de cadena larga. Los fosfolípidos contienen en su molécula fosfato; entre éstos se encuentran los glicerofosfolípidos y los fosfoesfingolípidos. Dentro de los lípidos se incluyen también los esteroides, entre los que figuran el colesterol, los ácidos biliares y muchas hormonas (v.), en especial las de las glándulas sexuales.
Los ácidos nucleicos son macromoléculas formadas por largas cadenas de unidades estructurales llamadas nucleótidos. Según su estructura química se distinguen dos tipos de ácidos nucleicos: el ARN (ácido ribonucleico) y el ADN (ácido desoxirribonucleico). Las unidades constitutivas de los ácidos nucleicos, los nucleótidos, están a su vez formados por moléculas más sencillas; fosfato, el azúcar ribosa, en el caso del ARN, o desoxirribosa en el ADN, y una base púrica o pirimidínica. Las bases púricas son la adenina y la guanina; las pirimidínicas son la citosina, el uracilo y la timina. El uracilo se encuentra exclusivamente en el ARN, mientras que la timina está presente sólo en el ADN. Las demás bases se encuentran en ambos tipos de ácidos nucleicos. El ADN presente en la célula está formado por dos cadenas de polinucleótidos que se disponen en forma de un doble helicoide. Las bases de los nucleótidos correspondientes a ambas cadenas se encuentran a su vez dispuestas de tal modo que frente a la adenina se coloca siempre la íimina y, frente a la guanina, la citosina. De esta manera puede decirse que cada una de las cadenas es complementaria de la otra.
Durante el proceso de división celular cada una de las cadenas de polinucleótidos va a servir como molde para la síntesis de su correspondiente cadena complementaria. De esta forma queda asegurada la constancia de la transmisión de toda la información genética que se halla contenida precisamente en las moléculas de ADN.
6. Vías metabólicas. El hecho de que la composición química de los seres vivos permanezca relativamente constante dentro de ciertos límites, no significa que los distintos compuestos que forman parte de las células se encuentren en una situación estática. Por el contrario, una de las características más acusadas de los seres vivos es su incesante dinamismo químico y con razón ha llegado a compararse la célula con un activo laboratorio. En su interior tienen lugar simultáneamente múltiples reacciones. Reacciones degradativas por un lado, mediante las cuales moléculas complejas se transforman en otras más sencillas; muchas de estas reacciones degradativas van a proporcionar a la célula la energía necesaria para sus funciones vitales. Por otro lado tienen lugar reacciones biosintéticas, que sirven para reponer en la célula las sustancias degradadas. Este flujo continuo de reacciones degradativas y biosintéticas se conoce con el nombre de metabolismo. Por regla general, la degradación de las moléculas va a hacer disponible la energía química encerrada en ellas. En cambio, las reacciones biosintéticas, es decir, aquellas mediante las cuales se sintetizan moléculas complejas a partir de otras más sencillas, requieren de ordinario un aporte energético. Estos dos tipos de procesos, degradativos y biosintéticos, se denominan respectivamente catabolismo y anabolismo; la secuencia de reacciones que tienen lugar en el organismo originando distintos compuestos constituyen las vías metabólicas.
La energía química producida se acumula en el interior de la célula en el adenosintrifosfato, compuesto que abreviadamente se conoce como ATP. Este mismo compuesto es el que cede la energía en todos aquellos procesos que requieren un aporte energético. Las células adquieren la mayor parte de la energía mediante oxidaciones de distintos compuestos. Estas oxidaciones tienen lugar mediante el arrancamiento de hidrógeno a través de reacciones catalizadas por enzimas específicas llamadas deshidrogenasas; el hidrógeno es cedido a sustancias aceptoras como la nicotinamida adenindinucleótido (NAD) o el flavinadenindinucleótido (FAD). Después sigue una serie de reacciones en que el átomo de hidrógeno se escinde en un protón W y un electrón e. Los electrones se ceden sucesivamente a distintas proteínas específicas, los citocromos, y de ellas al oxígeno, que a su vez acepta los protones para dar agua. Esta cadena transportadora de electrones está acoplada con la producción de ATP, con lo cual se aprovecha la energía de las oxidaciones.
En la degradación de los glúcidos y lípidos se forma acetilcoenzima A, compuesto que va a reaccionar con el ácido oxaloacético dando ácido cítrico. Sigue a continuación una serie de reacciones en que intervienen aceptores de hidrógeno, NAD y FAD, que a su vez están en relación con la cadena transportadora de electrones para producir agua y energía en forma de ATP. En otros pasos se producen reacciones de descarboxilación, desprendiéndose COz; con ello se llega de nuevo a la molécula de ácido oxaloacético, que puede reaccionar con una nueva molécula de acetilcoenzima A. Esta serie de reacciones se conoce con el nombre de ciclo de los ácidos tricarboxílicos, o ciclo de Krebs, en honor a Sir Hans Krebs, que lo descubrió en Sheffield en 1937. Al degradarse los aminoácidos pueden entrar también en relación con el ciclo de Krebs, después de perder su grupo amino (NH2). La eliminación del nitrógeno presente en los aminoácidos se hace en su mayor párte también mediante un proceso cíclico, el ciclo de la urea, cuyo descubrimiento se debe también, en sus líneas fundamentales, a Hans Krebs.
Las vías biosintéticas pueden tener como punto de partida ciertos compuestos del ciclo de Krebs, y así, glúcidos y algunos aminoácidos pueden sintetizarse a partir de ellos. La biosíntesis de los lípidos comienza a partir de la acetilcoenzima A. La síntesis del glucógeno, el azúcar de reserva en los animales, se hace a partir de la glucosa, mediante una serie de reacciones que fueron esclarecidas por el bioquímico argentino Luis Leloir. La biosíntesis de las proteínas es una de las actividades sintéticas más importantes de la célula. Se hace a partir de los aminoácidos mediante un complicado proceso que ha de asegurar el orden preciso en que éstos van a unirse para dar lugar a la ca(lena polipeptídica. De este orden de los aminoácidos, distinto para cada una de las proteínas, va a depender en gran manera su actividad biológica. Este proceso comienza con la síntesis de ARN que utiliza como molde las moléculas de ADN presentes en el núcleo. El orden en que están colocadas las bases púricas y pirimidínicas en el ADN queda reflejado en el ARN sintetizado. Este ARN, que se conoce con el nombre de ARN mensajero (v. CÓDIGO GENÉTICO) emigra del núcleo al citoplasma y allí se adosa a los ribosomas, unas pequeñas partículas distribuidas por el interior de la célula. Es precisamente sobre los ribosomas donde tiene lugar la síntesis de las proteínas. Para ello hace falta que los aminoácidos hayan sido activádos por ATP y una enzima específica. Los aminoácidos activados se transfieren a una molécula relativamente pequeña de ARN, el ARN soluble, distinto para cada uno de los aminoácidos. Este ARN soluble, mediante tres de sus bases, el anticodón, reconoce a sus tres bases complementarias, codón, sobre el ARN mensajero. Un nuevo ARN soluble, también con su correspondiente aminoácido, se coloca mediante su anticodón sobre el codón que forman las tres bases siguientes del ARN mensajero. Se efectúa sobre el ribosoma la unión peptídica entre ambos aminoácidos, al mismo tiempo que el ARN mensajero se desliza sobre el ribosoma para dejar un nuevo codón dispuesto a recibir un nuevo ARN soluble con su correspondiente aminoácido y dar lugar a un nuevo enlace peptídico; una vez realizado éste, se desprende el ARN soluble y la cadena de ARN mensajero sigue deslizándose sobre el ribosoma hasta haber completado la síntesis de una molécula de proteína. V. t.: BIOLOGÍA MOLECULAR; BIOFÍSICA; ENZIMAS; FERMENTACIÓN I y II; METABOLISMO' AMINOÁCIDOS; QUÍMICA ORGÁNICA.
1. Orígenes de la Bioquímica como ciencia. La B., como cualquier otra ciencia experimental, ha cobrado a lo largo del tiempo una personalidad propia, como consecuencia de resultados de la investigación que no sólo sirvieron para aumentar el caudal de conocimientos de disciplinas ya existentes, sino que además planteaban en su conjunto una nueva problemática con suficiente coherencia. En el origen de la B. están presentes de modo especial, por un lado, la Química orgánica y, por otro, la Fisiología.
En los primeros años del s. xix el concepto de Química órganica no era el mismo que se tiene en la actualidad. Su contenido correspondía más bien a lo que hoy entendemos como uno de los capítulos de la B. Por aquel entonces, el término Química orgánica hacía más bien referencia a la «materia organizada» o materia viva. Así, libros de texto de Química orgánica de aquella época, como los de Thomson y Berzelius (v.), dividen su contenido en Química vegetal y Química animal. En estas obras se describen los diversos constituyentes de las plantas y de los animales sin indicación alguna de su composición química. Pronto se vio que estas sustancias que formaban parte de la materia organizada, estaban constituidas por carbono e hidrógeno principalmente, y también oxígeno, azufre y nitrógeno. Esta situación inicial se refleja muy bien en la afirmación que el propio Berzelius hace en 1806 en sus Lecciones de Química animal: «la parte de la Fisiología que describe la composición de los seres vivos y de los procesos químicos que en ellos tienen lugar se conoce con el nombre de Química orgánica». Por aquellos años, algunos químicos como Vauquelin y Fourcroy dedicaban sus esfuerzos al aislamiento y purificación de sustancias extraídas de los seres vivos; pero estos trabajos estaban llenos de dificultades al no poderse conseguir su cristalización. La labor de análisis se encontraba en un estado muy primitivo.
Se creía en esa época que existía una diferencia esencial entre las sustancias encontradas en la materia inerte y las producidas por los seres vivos. Esta idea vitalista dominaba la mente de los químicos de entonces y así se pensaba que los compuestos orgánicos, resultado de la actividad de las fuerzas vitales, no podrían jamás sintetizarse a partir de sustancias inorgánicas. La síntesis de la urea, que Friedrich WShler logra en 1828, hizo tambalear las ideas vitalistas, y abrió nuevos e insospechados horizontes a la Ciencia. Este descubrimiento ocasional llena de euforia a los químicos que se lanzan a conseguir nuevas síntesis de compuestos no presentes en los seres vivos. Con esta nueva temática nace propiamente la moderna Química orgánica y comienzan a deslindarse los campos. Así, en 1859, August Kekulé escribe en su famoso texto de Química orgánica: «hemos llegado a la convicción de que no existe diferencia alguna entre compuestos a orgánicos e inorgánicos... Definimos la Química orgánica como la Química de los compuestos del carbono... Debemos destacar que la Química orgánica no se ocupa del estudio de los procesos químicos en las plantas y animales. Este estudio forma la base de la Química fisiológica». En estas palabras de Kekulé queda bien delimitado el campo de la Química orgánica, que es a partir de entonces la Química de los compuestos del carbono. Los compuestos presentes en los seres vivos siguen interesando al químico orgánico, pero sólo en cuanto compuestos químicos. El arrollador impulso de la Química orgánica hace que lo que había sido su cobran una dramática actualidad: «No puedo dejar de pensar que aquí se encuentra el papel fisiológico más esencial del fósforo en el organismo. Viene a mi mente el notable y bien conocido hecho de que en las plantas, el fósforo se acumula principalmente, o casi exclusivamente, en las partes en crecimiento... iJn conocimiento de las relaciones entre las sustancias del núcleo, proteínas y sus productos inmediatos de metabolismo ayudarán de modo gradual a levantar la cortina que en el presente vela por completo los procesos íntimos del crecimiento celular». Paralelamente a los trabajos citados en relación con la B. estática, se realizan investigaciones que van poniendo de manifiesto el estado dinámico de la materia viva. Para muchos autores el mérito de abrir este importante aspecto de la B., corresponde a AntoineLaurent Lavoisier (174394; v.). Durante el periodo 177593 da a conocer una serie de trabajos que son verdaderos ejemplos de rigor científico, de imaginación y de verificación experimental. En 1780 publica, en colaboración con Pierre Laplace, Mémoire sur la chaleur en «Mémoires de 1'Acad. des Sciences», donde muestra los resultados de sus estudios sobre la producción del calor animal con los mismos métodos cuantitativos que había aplicado a las reacciones químicas. «La respiración dice es, por tanto, una combustión semejante a la de un trozo de carbón». Estos hallazgos de Lavoisier tienen un gran valor y sirvieron de punto de partida a los innumerables estudios sobre metabolismo energético que se realizan durante el s. xix y comienzos del xx.
Una visión dinámica del organismo vivo se va perfilando poco a poco. Claude Bernard demuestra experimentalmente que en el hígado tiene lugar, no sólo la degradación de los azúcares, sino también la síntesis del glucógeno. Esto le hace considerar al hígado como un «verdadero laboratorio vital». Un concepto íntimamente ligado a la B. dinámica es el de metabolismo (v.), es decir, el conjunto de cambios químicos que acaecen en los seres vivos. Este concepto, tan usado en la moderna Biología, es tan antiguo en su planteamiento como la teoría celular propuesta por Schleiden y Schwann hacia 1839. En efecto, Schwann introdujo también por primera vez una nueva idea sobre los seres vivos, una idea «organísmica», según la cual, tanto el crecimiento como los demás fenómenos vitales dependen de la totalidad del organismo. Postuló al mismo tiempo la existencia en cada célula de dos «capacidades distintas». En primer lugar una capacidad que hace relación a la combinación de moléculas para formar una célula, teniendo lugar lo que 61 llamó «fenómenos plásticos de la célula». Y, en segundo lugar, aquella capacidad cuya expresión son los cambios químicos acaecidos en las partículas componentes de las células o en el medio circundante, fenómenos a los que dio el nombre de metabólicos, indicando con ello «lo que es susceptible de ocasionar o experimentar un cambio». Los conceptos de anabolismo y catabolismo aparecen algo después. Para llegar al establecimiento de estos dos conceptos se necesitaba hacer una distinción clara entre la ela, boración de moléculas complejas a partir de otras más sencillas, y los procesos mediante los cuales las moléculas complejas se convierten en otras más simples. Los términos anabolismo y catabolismo aparecen por vez primera en un trabajo de W. H. Gaskell.
Sin duda alguna, uno de los factores que más contribuyeron al desarrollo de este aspecto dinámico de la B. se debe a los descubrimientos realizados en una de sus áreas más interesantes, la Enzimología. Las observaciones realizadas por Reaumur y por Spallanzani en el s. xvin sobre la acción del jugo gástrico pusieron claramente de manifiesto que la digestión es un proceso químico más que un proceso puramente mecánico. En los primeros años del s. xix Kirchhoff describe Ciencia que se ocupa del estudio de los compuestos químicos que forman parte de los seres vivos y de sus funciones y transformaciones durante los procesos vitales Esta ciencia se conoce también con los nombres de Química fisiológica y Química biológica.
1. Orígenes de la Bioquímica como ciencia. La B., como cualquier otra ciencia experimental, ha cobrado a lo largo del tiempo una personalidad propia, como consecuencia de resultados de la investigación que no sólo sirvieron para aumentar el caudal de conocimientos de disciplinas ya existentes, sino que además planteaban en su conjunto una nueva problemática con suficiente coherencia. En el origen de la B. están presentes de modo especial, por un lado, la Química orgánica y, por otro, la Fisiología.
En los primeros años del s. xix el concepto de Química órganica no era el mismo que se tiene en la actualidad. Su contenido correspondía más bien a lo que hoy entendemos como uno de los capítulos de la B. Por aquel entonces, el término Química orgánica hacía más bien referencia a la «materia organizada» o materia viva. Así, libros de texto de Química orgánica de aquella época, como los de Thomson y Berzelius (v.), dividen su contenido en Química vegetal y Química animal. En estas obras se describen los diversos constituyentes de las plantas y de los animales sin indicación alguna de su composición química. Pronto se vio que estas sustancias que formaban parte de la materia organizada, estaban constituidas por carbono e hidrógeno principalmente, y también oxígeno, azufre y nitrógeno. Esta situación inicial se refleja muy bien en la afirmación que el propio Berzelius hace en 1806 en sus Lecciones de Química animal: «la parte de la Fisiología que describe la composición de los seres vivos y de los procesos químicos que en ellos tienen lugar se conoce con el nombre de Química orgánica». Por aquellos años, algunos químicos como Vauquelin y Fourcroy dedicaban sus esfuerzos al aislamiento y purificación de sustancias extraídas de los seres vivos; pero estos trabajos estaban llenos de dificultades al no poderse conseguir su cristalización. La labor de análisis se encontraba en un estado muy primitivo.
Se creía en esa época que existía una diferencia esencial entre las sustancias encontradas en la materia inerte y las producidas por los seres vivos. Esta idea vitalista dominaba la mente de los químicos de entonces y así se pensaba que los compuestos orgánicos, resultado de la actividad de las fuerzas vitales, no podrían jamás sintetizarse a partir de sustancias inorgánicas. La síntesis de la urea, que Friedrich WShler logra en 1828, hizo tambalear las ideas vitalistas, y abrió nuevos e insospechados horizontes a la Ciencia. Este descubrimiento ocasional llena de euforia a los químicos que se lanzan a conseguir nuevas síntesis de compuestos no presentes en los seres vivos. Con esta nueva temática nace propiamente la moderna Química orgánica y comienzan a deslindarse los campos. Así, en 1859, August Kekulé escribe en su famoso texto de Química orgánica: «hemos llegado a la convicción de que no existe diferencia alguna entre compuestos a orgánicos e inorgánicos... Definimos la Química orgánica como la Química de los compuestos del carbono... Debemos destacar que la Química orgánica no se ocupa del estudio de los procesos químicos en las plantas y animales. Este estudio forma la base de la Química fisiológica». En estas palabras de Kekulé queda bien delimitado el campo de la Química orgánica, que es a partir de entonces la Química de los compuestos del carbono. Los compuestos presentes en los seres vivos siguen interesando al químico orgánico, pero sólo en cuanto compuestos químicos. El arrollador impulso de la Química orgánica hace que lo que había sido su preocupación primaria: la materia «organizada», quede como un mero apéndice dentro del conjunto de datos, cada vez más amplio, sobre los nuevos productos de síntesis. La Química fisiológica se va individualizando así como una rama del saber, nacida a la sombra de la Química orgánica.
Por otro lado, las técnicas de análisis se han ido introduciendo entre los fisiólogos que las aplican a los materiales relacionados con las funciones fisiológicas. Un interés especial despiertan los líquidos del organismo, como los jugos digestivos, la sangre, el líquido cefalorraquídeo y las excretas y así se van conociendo no sólo su composición química, sino también la alteración de sus valores en casos de enfermedad. Vemos, pues, cómo en los comienzos de la B. se hallan presentes, por un lado la Química y por otro la Fisiología. Muy pronto el conjunto de conocimientos sobre la química de los seres vivos se va haciendo más amplio. De día en día, se van sistematizando compuestos cada vez mejor caracterizados; se llega de este modo al nacimiento gradual de una nueva ciencia independiente, que, finalmente, encuentra reconocimiento académico con la creación de la primera cátedra de Química fisiológica en la Univ. de Estrasburgo en 1863, y el profesor alemán Félix von HoppeSeyler llega a ser el primer catedrático de B de la Historia. Unos años más tarde, en 1877, el propio HoppeSeyler funda la primera revista de B., la «Zeitschrift für Physiologische Chemie». También por aquellos mismos años, en 1874, la Univ. de Yale en EE. UU. crea una cátedra de B. que ocupa Russell Chittenden. A partir de ese momento numerosas universidades europeas y americanas siguen el ejemplo y se van creando nuevas cátedras de esta disciplina.
2. Evolución de su temática. El desarrollo alcanzado por la B. en las últimas décadas ha sido tan extraordinario que, a partir de un modesto apéndice de la Química orgánica, vemos surgir una disciplina autónoma en la que podemos distinguir tres grandes áreas, si bien estrechamente relacionadas entre sí: B. descriptiva de las sustancias biológicas, designada por algunos B. estática; B. dinámica y Biología molecular. Los comienzos de la investigación bioquímica tienen lugar en la última parte del s. xviii y comienzos del xix. Los químicos de aquella época hacen un esfuerzo decidido por conocer la naturaleza de los materiales constituyentes de los seres vivos. Sin embargo, sus estudios se ven obstaculizados por la carencia de medios adecuados a la complejidad de estos problemas. El desarrollo de las técnicas analíticas en Química se hace pronto sentir y se comienza a abordar con éxito el conocimiento de la composición química de los seres vivos. Los trabajos del gran químico sueco Carl Wilhelm Scheele (174286) sobre diversas sustancias animales y vegetales dieron como resultado el aislamiento de un gran número de productos naturales como los ácidos cítrico, málico, láctico y tartárico. El mismo Scheele descubrió también el glicerol y la caseína. Las investigaciones de Michel Chevreul (17861879) sobre los lípidos abren un nuevo capítulo de la B. estática. Gran parte de sus trabajos están recogidos en sus publicaciones Recherches chimiques sur les corps gras d'origine animal aparecido en 1823 y en sus Considérations générales sur Panalyse organique et sur ses applications en 1824. Pero la obra más significativa en el desarrollo de la B. estática corresponde, sin duda, al químico alemán Emil Fischer (18521919), cuyas investigaciones revolucionaron los conocimientos existentes sobre glúcidos, lípidos y proteínas.
En 1868 tiene lugar un acontecimiento importante para la B. Friedrich Miescher descubre los ácidos nucleicos en los núcleos de las células del pus, e inicia una serie de trabajos relativos a la distribución y propiedades de estos compuestos. Y son palabras del propio Friedrich Miescher en 1871, las que hoy cobran una dramática actualidad: «No puedo dejar de pensar que aquí se encuentra el papel fisiológico más esencial del fósforo en el organismo. Viene a mi mente el notable y bien conocido hecho de que en las plantas, el fósforo se acumula principalmente, o casi exclusivamente, en las partes en crecimiento... iJn conocimiento de las relaciones entre las sustancias del núcleo, proteínas y sus productos inmediatos de metabolismo ayudarán de modo gradual a levantar la cortina que en el presente vela por completo los procesos íntimos del crecimiento celular». Paralelamente a los trabajos citados en relación con la B. estática, se realizan investigaciones que van poniendo de manifiesto el estado dinámico de la materia viva. Para muchos autores el mérito de abrir este importante aspecto de la B., corresponde a AntoineLaurent Lavoisier (174394; v.). Durante el periodo 177593 da a conocer una serie de trabajos que son verdaderos ejemplos de rigor científico, de imaginación y de verificación experimental. En 1780 publica, en colaboración con Pierre Laplace, Mémoire sur la chaleur en «Mémoires de 1'Acad. des Sciences», donde muestra los resultados de sus estudios sobre la producción del calor animal con los mismos métodos cuantitativos que había aplicado a las reacciones químicas. «La respiración dice es, por tanto, una combustión semejante a la de un trozo de carbón». Estos hallazgos de Lavoisier tienen un gran valor y sirvieron de punto de partida a los innumerables estudios sobre metabolismo energético que se realizan durante el s. xix y comienzos del xx.
Una visión dinámica del organismo vivo se va perfilando poco a poco. Claude Bernard demuestra experimentalmente que en el hígado tiene lugar, no sólo la degradación de los azúcares, sino también la síntesis del glucógeno. Esto le hace considerar al hígado como un «verdadero laboratorio vital». Un concepto íntimamente ligado a la B. dinámica es el de metabolismo (v.), es decir, el conjunto de cambios químicos que acaecen en los seres vivos. Este concepto, tan usado en la moderna Biología, es tan antiguo en su planteamiento como la teoría celular propuesta por Schleiden y Schwann hacia 1839. En efecto, Schwann introdujo también por primera vez una nueva idea sobre los seres vivos, una idea «organísmica», según la cual, tanto el crecimiento como los demás fenómenos vitales dependen de la totalidad del organismo. Postuló al mismo tiempo la existencia en cada célula de dos «capacidades distintas». En primer lugar una capacidad que hace relación a la combinación de moléculas para formar una célula, teniendo lugar lo que 61 llamó «fenómenos plásticos de la célula». Y, en segundo lugar, aquella capacidad cuya expresión son los cambios químicos acaecidos en las partículas componentes de las células o en el medio circundante, fenómenos a los que dio el nombre de metabólicos, indicando con ello «lo que es susceptible de ocasionar o experimentar un cambio». Los conceptos de anabolismo y catabolismo aparecen algo después. Para llegar al establecimiento de estos dos conceptos se necesitaba hacer una distinción clara entre la ela, boración de moléculas complejas a partir de otras más sencillas, y los procesos mediante los cuales las moléculas complejas se convierten en otras más simples. Los términos anabolismo y catabolismo aparecen por vez primera en un trabajo de W. H. Gaskell.
Sin duda alguna, uno de los factores que más contribuyeron al desarrollo de este aspecto dinámico de la B. se debe a los descubrimientos realizados en una de sus áreas más interesantes, la Enzimología. Las observaciones realizadas por Reaumur y por Spallanzani en el s. xvin sobre la acción del jugo gástrico pusieron claramente de manifiesto que la digestión es un proceso químico más que un proceso puramente mecánico. En los primeros años del s. xix Kirchhoff describe por primera vez el fenómeno de la catálisis al descubrir la existencia de un factor presente en el trigo que posee la capacidad de digerir el almidón. Pocos años después, en 1833, Payen y Persoz intentaron el aislamiento de este principio activo al que dieron el nombre de diastasa. Es digno de mención el esfuerzo de estos investigadores que, sin un conocimiento de la naturaleza química de esta sustancia y sin otro medio para seguir su purificación que su efecto digestivo sobre el almidón, reconocieron muchas de las propiedades de las enzimas, como, p. ej., su termolabilidad y la escasa concentración en que se encuentran. Como medio de purificación emplearon la precipitación fraccionada con alcohol y con acetato de plomo, o el calentamiento controlado, medios que aún hoy se siguen usando con éxito para la purificación de muchas enzimas. Plantearon estos investigadores su trabajo con una gran visión de futuro y, así, aseguran: «Este nuevo principio, más o menos puro, será especialmente útil en el análisis de almidones, harina, pan y otras sustancias amiláceas. Es éste uno de los procedimientos más elegantes en el análisis orgánico». También supieron apreciar la importancia teórica de la diastasa en problemas relacionados con el metabolismo vegetal, tales como la síntesis, almacenamiento y traslocación de las reservas glucídicas. Y añaden: «Se abre ante nosotros un vasto campo de problemas de investigación a resolver, tales como la existencia de la diastasa en las diferentes partes de la organización vegetal, su peso molecular, su composición elemental, sus combinaciones, y los productos de su reacción marcadamente específica sobre los vegetales que contienen almidón».
En 1836, Schwann describió la acción de la pepsina y sus propiedades. En 1839, CagniardLatour atribuye el proceso de fermentación a la acción de las levaduras y, en 1857, Pasteur demuestra que la fermentación láctica se debe a la presencia del lactobacilo. Liebig en cambio, frente a Pasteur, recalcaba el hecho de que la fermentación era un proceso puramente químico, abriéndose así una de las grandes controversias de la Biología, que llena gran parte del siglo pasado; mecanicistas frente a vitalistas. Pasteur (v.) había demostrado que los cambios químicos que acompañan a la fermentación sólo ocurrían en presencia de organismos vivos. Sin embargo, se había reconocido también que un gran número de reacciones bioquímicas eran mediadas por enzimas extracelulares, como la diastasa, la pepsina o la tripsina. Los vitalistas defendían su punto de vista distinguiendo entré dos tipos de sustancias catalíticamente activas: de un lado, los fermentos «organizados» y, de otro, los fermentos «no organizados», estando los primeros necesariamente vinculados a la presencia de organismos vivos. Un descubrimiento accidental de los hermanos Hans y Eduard Büchner puso de manifiesto la incorrección de este dualismo en lo que se refería a la naturaleza de los fermentos. En el curso de una serie de experimentos encaminados a examinar el valor medicinal de varios extractos de levaduras, estos dos investigadores encontraron que cuando trataban de conservar sus extractos mediante el típico método casero de añadir grandes cantidades de azúcar, los extractos libres de células provocaban la fermentación (v.). Estaba claro, pues, que no eran las levaduras las causantes directas de la fermentación, sino un principio separable de ellas, hidrosoluble y termolábil al que dieron el nombre de zimasa. Con este hallazgo de lbs hermanos Büchner quedaba zanjada la controversia entre defensores del vitalismo a ultranza y del mecanicismo.
En los primeros años de nuestro siglo, Harden y Young introducen el concepto de coenzima al aislar un material orgánico, termoestable, dializable, imprescindible para la fermentación, en contraposición con la zimasa, material termolábil y no dializable. Estudios posteriores fueron poniendo de manifiesto que la fermentación se producía por la acción sobre el azúcar de un sistema multienzimático, juntamente con varias coenzimas. En 1902, V. Henri postuló la existencia de un complejo enzimasustrato para explicar la acción enzimática y se inician así los estudios sobre cinética de las reacciones enzimáticas. Posteriormente, en 1913, Michaelis y Menten hicieron el análisis matemático del efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad de la reacción enzimática. El conocimiento de las enzimas (v.) puso en movimiento el ímpetu investigador de muchos laboratorios hacia el esclarecimiento de las principales vías metabólicas. Los trabajos de Harden y Young, de Embden y de Meyerhoff son dignos de mención a este respecto. Otro hecho de gran importancia para la B. se produce en 1926 cuando Sumner logra cristalizar la primera enzima, la ureasa. Unos años más tarde Northrup cristaliza la pepsina y poco después el mismo Northrup y Kunitz consiguen cristalizar la tripsina. Recientemente, en 1960, Spackman, Hirs, Stein y Moore logran determinar la secuencia completa de los aminoácidos de la ribonucleasa. Rudolf Schoenheimer y D. Rittenberg introducen en 1935 la técnica del marcado con isótopos. Estos autores abren con sus trabajos la puerta a una nueva concepción de las actividades metabólicas del organismo. Estas nuevas ideas se recogen en la obra de Schoenheimer The dynamics of body constituents. En. una serie de brillantes experimentos pone de manifiesto que los componentes estructurales del organismo, considerados hasta entonces como estables, están sujetos a un recambio continuo.
La idea de la célula, como un sistema intensamente dinámico, con su metabolismo constituido por numerosos ciclos relacionados entre sí, y con una armonía entre procesos anabólicos y catabólicos, tuvo que aguardar a los grandes descubrimientos que dan origen a la Biología molecular ya muy entrado el s. xx. Entendemos por Biología molecular (v.) aquella parte de la Biología que se ocupa de dar cumplida explicación de morfología y función en términos moleculares. Con toda justicia puede considerarse como iniciador de esta nueva rama el clásico trabajo de Avery (v.), Macleod y McCarty publicado en 1944 en el que se describe el fenómeno de transformación del neumococo, es decir, la inducción in vitro de una mutación específica que puede conseguirse con la adición de un ácido nucleico obtenido de otra cepa de neumococo. Los avances en este campo de la Biología molecular se van sucediendo a ritmo creciente en los últimos años. En 1953, James Watson y Francis Crick proponen la estructura de doble helicoide del ácido desoxirribonucleico y, posteriormente, los trabajos de Kornberg, Ochoa, Nirenberg, Pauling, Kendrew, Perutz, van dando forma a una nueva visión de la Biología, en la que la B. es su soporte fundamental.
3. Concepción actual de la Bioquímica. Ya hemos visto cómo la temática de la B. se ha ido enriqueciendo en un lento avance en el siglo pasado y primeros años del s. xx. En los últimos 20 6 30 años el desarrollo ha sido realmente espectacular y sus campos de interés se han extendido de tal modo que las fronteras de la $. con otras disciplinas químicas o biológicas han ido borrándose lentamente.
De una primera fase de la B. en que la determinación de la composición química dé las biomoléculas era su principal cometido, pasó después por un periodo en que se investigaron intensamente los procesos del metabolismo intermediario, con el fin de conocer al máximo las diferentes vías metabólicas y sus ramificaciones, en el orden secuencial en que se encadenan las distintas transformaciones químicas y las características energéticas de cada una de ellas, lo que ha llevado a apreciar el importante significado biológico de la síntesis y utilización de compuestos con enlaces ricos en energía. Para la mejor comprensión del metabolismo ha adquirido singular relieve el desarrollo de la Enzimología; prácticamente, en todas las reacciones que tienen lugar en los seres vivos interviene como catalizadora una enzima o grupo de enzimas. Por esta razón algunos han llegado a referirse a la B. como la Química orgánica de las reacciones catalizadas por enzimas. Son, en efecto, las enzimas las que hacen posibles las distintas vías metabólicas, hasta el punto de que el metabolismo de una célula queda condicionado por la potencialidad que tenga para sintetizar enzimas, lo que a su vez depende de la información genética que posea. Pero para comprender la actividad biológica no basta con conocer las potencialidades existentes, sino que es preciso averiguar los procedimientos por los que esas potencialidades adquieren una expresión adecuada a las necesidades de cada momento, dentro de una ordenación temporal y espacial característica de la naturaleza organizada del ser vivo. Efectivamente, el ser vivo, y la misma célula, no es un sistema homogéneamente disperso como el que puede darse en el tubo de ensayo, sino que posee una elevada organización en múltiples niveles, caracterizada por una acusada compartimentación, que lleva a una localización espacial de determinados grupos de reacciones, entre los que existen barreras que sólo permiten una restringida y selectiva comunicación.
En los últimos años se ha despertado extraordinario interés por el conocimiento de los mecanismos de la regulación del metabolismo, bien sea a nivel de la actividad enzimática, o de la síntesis de distintas enzimas, así como por la regulación de las barreras que pueden separar a las enzimas de sus respectivos sustratos. Los grandes avances conseguidos en el conocimiento de la estructura de las proteínas y de los ácidos nucleicos, y de los procesos de su biosíntesis,, han abierto la posibilidad de penetrar en la intimidad de la información genética y de su expresión, lo que llevará a explicar las diferencias entre distintos organismos y las posibilidades de regular esa misma expresión. Esta concepción de la moderna B. a que ha llevado la misma evolución de su temática, nos hace pensar en unas palabras del bioquímico español Alberto SoIs: K... no es que en los seres vivos hay Química: es que la vida es Química. La vida es la máxima complejidad química».
De una mera descripción de compuestos químicos asociados con los seres vivos, la B. ha trascendido últimamente al intento de dar una explicación de la propia naturaIeza de la vida. A la luz de los conocimientos que hoy tenemos, V. R. Potter ha llegado a proponer una definición b. de la vida en que sitúa a las moléculas del ADN como base de las distintas formas en que la vida puede presentarse. «La vida, dice, consiste en las actividades químicas y físicas de grupos de desoxirribonucleoproteínas y ribonucleoproteínas con capacidad de autoduplicación que: operan en el interior de sistemas limitados por membranas formadas por proteínas asociadas a otros materiales; controlan la producción de enzimas, cuyas actividades metabólicas hacen posible la reproducción de todo el sistema, dentro de un entorno químico adecuado, al acoplar las síntesis que requieren energía con otras reacciones que la producen; permiten, al mismo tiempo, suficiente variación entre las nucleoproteínas individuales para dar lugar a un mecanismo que permita cambios evolutivos al sobrevivir las variantes más aptas, organizadas de tal manera que son susceptibles de cambios inducidos por mecanismos que alteran la producción y la actividad de los sistemas enzimáticos, para dar el máximo de supervivencia posible dentro de los límites impuestos por la población de moléculas de ADN heredadas y por el medio en que se encuentren». Esta definición b. de la vida que hace Potter lleva implícita, además, la explicación de la existencia de una clara y notoria «unidad bioquímica» de los seres vivos, a la vez que el entendimiento de esa otra realidad que es su «diversidad bioquímica».
4. Relaciones de la Bioquímica con otras Ciencias. Las íntimas relaciones de la B. con las demás áreas de la Biología son innegables, y sólo a modo de ejemplo citaremos brevemente algunas.
Las ciencias morfológicas, y muy en especial la Citología (v. CÉLULA), utilizan progresivamente los conocimientos bioquímicos. Toda estructura observable al nivel visual, de microscopía óptica o electrónica, tiene su explicación en la manera de disponerse y relacionarse entre sí las moléculas de diversos materiales. La estructura de las moléculas y las posibilidades de asociarse unas con otras estáíi en la base. de las más elementales unidades morfológicas. La explicación de lo morfológico a nivel molecular ha dado lugar al sugestivo campo de la Morfología submicroscópica o ultraestructura biológica. La Citología moderna, en su esfuerzo por profundizar en la resolución de estructuras y funciones, se ha hecho campo común de morfólogos, fisiólogos y genéticos, hasta tal punto que hoy día no se comprende un citólogo que no participe de todas esas especialidades. La localización de las enzimas en el seno de la célula, la adscripción de procesos metabólicos a los distintos orgánulos intracelulares, la interpretación b. de la célula y de la vida celular en suma, es uno de esos terrenos de frontera que abre gran porvenir a esta nueva concepción de la Citología b. en que armónicamente se funden dos ramas de la Biología, fruto del esfuerzo de unos investigadores que se decidieron a abandonar unos moldes clásicos y a derribar una barrera que separaba física y emocionalmente a los cultivadores de ambas ciencias. Los nombres de Martin Behrens, Robert Bensley, Albert Claudé y George Gomori, están íntimamente ligados a estos esfuerzos pioneros. Las técnicas de homogeneización, de separación de los orgánulos intracelulares por centrifugación diferencial y la microscopía electrónica han sido piezas clave para un esclarecimiento de la composición química y funciones de las distintas regiones de la célula y al mismo tiempo de un entendimiento de las implicaciones fisiológicas de la compartimentación intracelular.
Ya hemos visto antes al hablar del nacimiento de la B., la estrecha relación que tiene con la Fisiología (v.). Pero además de esta vinculación por su origen, siempre que la Fisiología trata de explicar una función, al interpretar la intimidad de un fenómeno fisiológico cualquiera, en plantas, animales o microorganismos, se encuentra necesariamente con los procesos bioquímicos subyacentes, siendo muy difícil distinguir en qué momento se deja la Fisiología para pasar a la B. Si bien es cierto que la Fisiología atiende a las funciones del organismo entero o de determinados órganos, mientras que la B. se ocupa de los mecanismos moleculares de esas funciones.
Una continua e importante contribución a la B. procede de la Microbiología (v.) Los organismos unicelulares ofrecen indudables ventajas para el estudio de las múltiples y complejas reacciones b. y ésta ha sido una poderosa razón para que muchos b. hayan centrado su atención en ellos. Las investigaciones sobre los organismos unicelulares han contribuido por otra parte al desarrollo de la B. comparada; los trabajos de Kluyver y de Van Niel, entre otros, representaron un estímulo inicial de este aspecto comparativo de la B., y sus trabajos y escritos han acentuado un hecho claro, como es el de que los procesos b. son muy a menudo semejantes aún en organismos muy alejados entre sí.
La Genética (v.) se ha enriquecido extraordinariamente cuando una buena parte de su problemática ha podido abordarse con técnicas bioquímicas; y así, los recientes descubrimientos en este campo han hecho posible dar una explicación a nivel molecular de la transmisión de los caracteres hereditarios. Los trabajos de Watson y Crick y de Nirenberg, Kornberg y Ochoa han contribuido al gran desarrollo que hoy ha llegado a alcanzar la Genética tras esta fértil confluencia con la B.
Los estudios de Zoología y Botánica, de ser fundamentalmente descriptivos, van adquiriendo un mayor carácter experimental y fisiológico. En esta línea, la Anatomía y la Fisiología comparadas se continúan también en la B. comparada, que ofrece una imagen muy sugestiva de lo que Florkin llama la «unidad del plan bioquímico», dentro de la diversidad que también ofrecen los seres vivos a nivel molecular. Con ello, la B. aporta datos de gran significado para la comprensión de los procesos evolutivos, así como para justificar muchos de los condicionamientos ecológicos que se observan en plantas y animales. Como dice Florkin, se puede considerar «una especie como constituida por grupos de individuos provistos de secuencias más o menos similares de purinas y pirimidinas en el seno de sus moléculas de ADN... La definición de una especie se confunde con la de los factores que conducen a la síntesis de una colección similar, en los diferentes miembros de esta especie, de secuencias similares de aminoácidos, cuya interpretación conduce a estructuras y características funcionales similares, adaptadas al nicho ecológico en el que la especie se mantiene».
También con la Patología médica tiene la B. una relación interesante. En un buen número de casos ha podido establecerse un nexo causal entre lesión b. y enfermedad. Así, p. ej., los individuos que padecen la enfermedad hereditaria anemia falciforme poseen una hemoglobina estructuralmente distinta de la de los individuos normales, al no poseer la información genética correcta para la síntesis de una molécula normal. Muchos otros ejemplos de este tipo han sido descritos como «errores innatos del metabolismo», término introducido por Garrod. Aparte de estos trastornos hereditarios debidos a causas genéticas, cuanto más se profundiza en el conocimiento de la patogenia y en el desarrollo de la enfermedad, se hace másevidente el nexo entre la expresión patológica y la alteración del funcionalismo b. normal, sea en una parcela limitada del organismo o con carácter más general.
Con la Química tiene la B. una necesaria relación de dependencia, ya que los métodos que emplea el bioquímico para abordar el estudio de la materia viva son en su mayor parte métodos químicos. Por tanto, muchos de los avances de la Química redundan inmediatamente en un perfeccionamiento de las técnicas que el bioquímico tiene a su disposición. Por otra parte, éste necesita poseer una amplia gama de conocimientos de Química orgánica y QuímicaFísica para comprender mejor los mecanismos de las reacciones enzimáticas y la estructura y comportamiento de las macromoléculas.
5. Componentes químicos de la materia viva. El análisis químico de la materia viva ha conducido al hallazgo de que su constituyente más abundante es el agua, y en ella se encuentran en disolución o en suspensión una gran variedad de compuestos. Desde un punto de vista cualitativo, la composición química de la materia viva es muy semejante, independientemente de su procedencia. Es decir, suelen encontrarse casi siempre los mismos tipos de sustancias y que en líneas generales pueden incluirse en los siguientes grupos: proteínas, glúcidos, lípidos, ácidos nucleicos y sales; existe también un número elevado de sustancias orgánicas derivadas de aquéllas y auñque algunas de ellas se encuentren en cantidades muy pequeñas desempeñan importantes funciones en el organismo. A título de ejemplo, podemos citar aquí la distribución porcentual aproximada de los distintos componentes químicos del cuerpo humano: Agua, 6080% y materias sólidas, 2040%. Estas últimas se distribuyen del siguiente modo: proteínas, 1520%; lípidos, 320%; glúcidos, 115%; ácidos nucleicos, 4%; moléculas orgánicas de bajo peso molecular, 1%; sales, 1%.
Las proteínas (v.) son moléculas de elevado peso molecular, formadas por unidades más sencillas, que son los aminoácidos (v.), compuestos que tienen, al menos, un grupo carboxilo 000H y un grupo amino NH2. La presencia de ambos grupos funcionales en su molécula hace posible la unión entre el grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino de otro, perdiendo una molécula de agua. Se establece de este modo un enlace péptídico CN. Mediante estos enlaces puede formarse una cadena de muchos aminoácidos, dando lugar a compuestos que se conocen con el nombre de polipéptidos. Las proteínas simples están constituidas por cadenas polipeptídicas. Las proteínas complejas contienen además otro componente, como iones metálicos pesados (metaloproteínas), fosfato (fosfoproteínas), lípidos (lipoproteínas), glúcidos (mucoproteínas).
Los glúcidos (v. HIDRATOS DE CARBONO) son compuestos ternarios de carbono, hidrógeno y oxígeno. Las unidades más simples se conocen con el nombre de monosacáridos; su estructura química corresponde a aldehídos o tetonas, con varios grupos alcohol en su molécula. Entre los monosacáridos más importantes se encuentran la glucosa, la galactosa y la fructosa. Los monosacáridos pueden unirse entre sí con pérdida de agua, y pueden llegar a formarse polímeros de elevado peso molecular. En los vegetales se encuentran polímeros de la glucosa, como el almidón (v.) y la celulosa (v.). En los animales se encuentra también un polímero de la glucosa conocido por glucógeno. Los lípidos comprenden un grupo muy heterogéneo de sustancias, caracterizadas todas ellas por su insolubilidad en agua y su solubilidad en los disolventes orgánicos. A este grupo de sustancias pertenecen las grasas neutras, entre las que se encuentran los triglicéridos, que son ésteres de ácidos grasos y glicerol, y las ceras, que son ésteres de un ácido graso y un alcohol de cadena larga. Los fosfolípidos contienen en su molécula fosfato; entre éstos se encuentran los glicerofosfolípidos y los fosfoesfingolípidos. Dentro de los lípidos se incluyen también los esteroides, entre los que figuran el colesterol, los ácidos biliares y muchas hormonas (v.), en especial las de las glándulas sexuales.
Los ácidos nucleicos son macromoléculas formadas por largas cadenas de unidades estructurales llamadas nucleótidos. Según su estructura química se distinguen dos tipos de ácidos nucleicos: el ARN (ácido ribonucleico) y el ADN (ácido desoxirribonucleico). Las unidades constitutivas de los ácidos nucleicos, los nucleótidos, están a su vez formados por moléculas más sencillas; fosfato, el azúcar ribosa, en el caso del ARN, o desoxirribosa en el ADN, y una base púrica o pirimidínica. Las bases púricas son la adenina y la guanina; las pirimidínicas son la citosina, el uracilo y la timina. El uracilo se encuentra exclusivamente en el ARN, mientras que la timina está presente sólo en el ADN. Las demás bases se encuentran en ambos tipos de ácidos nucleicos. El ADN presente en la célula está formado por dos cadenas de polinucleótidos que se disponen en forma de un doble helicoide. Las bases de los nucleótidos correspondientes a ambas cadenas se encuentran a su vez dispuestas de tal modo que frente a la adenina se coloca siempre la íimina y, frente a la guanina, la citosina. De esta manera puede decirse que cada una de las cadenas es complementaria de la otra.
Durante el proceso de división celular cada una de las cadenas de polinucleótidos va a servir como molde para la síntesis de su correspondiente cadena complementaria. De esta forma queda asegurada la constancia de la transmisión de toda la información genética que se halla contenida precisamente en las moléculas de ADN.
6. Vías metabólicas. El hecho de que la composición química de los seres vivos permanezca relativamente constante dentro de ciertos límites, no significa que los distintos compuestos que forman parte de las células se encuentren en una situación estática. Por el contrario, una de las características más acusadas de los seres vivos es su incesante dinamismo químico y con razón ha llegado a compararse la célula con un activo laboratorio. En su interior tienen lugar simultáneamente múltiples reacciones. Reacciones degradativas por un lado, mediante las cuales moléculas complejas se transforman en otras más sencillas; muchas de estas reacciones degradativas van a proporcionar a la célula la energía necesaria para sus funciones vitales. Por otro lado tienen lugar reacciones biosintéticas, que sirven para reponer en la célula las sustancias degradadas. Este flujo continuo de reacciones degradativas y biosintéticas se conoce con el nombre de metabolismo. Por regla general, la degradación de las moléculas va a hacer disponible la energía química encerrada en ellas. En cambio, las reacciones biosintéticas, es decir, aquellas mediante las cuales se sintetizan moléculas complejas a partir de otras más sencillas, requieren de ordinario un aporte energético. Estos dos tipos de procesos, degradativos y biosintéticos, se denominan respectivamente catabolismo y anabolismo; la secuencia de reacciones que tienen lugar en el organismo originando distintos compuestos constituyen las vías metabólicas.
La energía química producida se acumula en el interior de la célula en el adenosintrifosfato, compuesto que abreviadamente se conoce como ATP. Este mismo compuesto es el que cede la energía en todos aquellos procesos que requieren un aporte energético. Las células adquieren la mayor parte de la energía mediante oxidaciones de distintos compuestos. Estas oxidaciones tienen lugar mediante el arrancamiento de hidrógeno a través de reacciones catalizadas por enzimas específicas llamadas deshidrogenasas; el hidrógeno es cedido a sustancias aceptoras como la nicotinamida adenindinucleótido (NAD) o el flavinadenindinucleótido (FAD). Después sigue una serie de reacciones en que el átomo de hidrógeno se escinde en un protón W y un electrón e. Los electrones se ceden sucesivamente a distintas proteínas específicas, los citocromos, y de ellas al oxígeno, que a su vez acepta los protones para dar agua. Esta cadena transportadora de electrones está acoplada con la producción de ATP, con lo cual se aprovecha la energía de las oxidaciones.
En la degradación de los glúcidos y lípidos se forma acetilcoenzima A, compuesto que va a reaccionar con el ácido oxaloacético dando ácido cítrico. Sigue a continuación una serie de reacciones en que intervienen aceptores de hidrógeno, NAD y FAD, que a su vez están en relación con la cadena transportadora de electrones para producir agua y energía en forma de ATP. En otros pasos se producen reacciones de descarboxilación, desprendiéndose COz; con ello se llega de nuevo a la molécula de ácido oxaloacético, que puede reaccionar con una nueva molécula de acetilcoenzima A. Esta serie de reacciones se conoce con el nombre de ciclo de los ácidos tricarboxílicos, o ciclo de Krebs, en honor a Sir Hans Krebs, que lo descubrió en Sheffield en 1937. Al degradarse los aminoácidos pueden entrar también en relación con el ciclo de Krebs, después de perder su grupo amino (NH2). La eliminación del nitrógeno presente en los aminoácidos se hace en su mayor párte también mediante un proceso cíclico, el ciclo de la urea, cuyo descubrimiento se debe también, en sus líneas fundamentales, a Hans Krebs.
Las vías biosintéticas pueden tener como punto de partida ciertos compuestos del ciclo de Krebs, y así, glúcidos y algunos aminoácidos pueden sintetizarse a partir de ellos. La biosíntesis de los lípidos comienza a partir de la acetilcoenzima A. La síntesis del glucógeno, el azúcar de reserva en los animales, se hace a partir de la glucosa, mediante una serie de reacciones que fueron esclarecidas por el bioquímico argentino Luis Leloir. La biosíntesis de las proteínas es una de las actividades sintéticas más importantes de la célula. Se hace a partir de los aminoácidos mediante un complicado proceso que ha de asegurar el orden preciso en que éstos van a unirse para dar lugar a la ca(lena polipeptídica. De este orden de los aminoácidos, distinto para cada una de las proteínas, va a depender en gran manera su actividad biológica. Este proceso comienza con la síntesis de ARN que utiliza como molde las moléculas de ADN presentes en el núcleo. El orden en que están colocadas las bases púricas y pirimidínicas en el ADN queda reflejado en el ARN sintetizado. Este ARN, que se conoce con el nombre de ARN mensajero (v. CÓDIGO GENÉTICO) emigra del núcleo al citoplasma y allí se adosa a los ribosomas, unas pequeñas partículas distribuidas por el interior de la célula. Es precisamente sobre los ribosomas donde tiene lugar la síntesis de las proteínas. Para ello hace falta que los aminoácidos hayan sido activádos por ATP y una enzima específica. Los aminoácidos activados se transfieren a una molécula relativamente pequeña de ARN, el ARN soluble, distinto para cada uno de los aminoácidos. Este ARN soluble, mediante tres de sus bases, el anticodón, reconoce a sus tres bases complementarias, codón, sobre el ARN mensajero. Un nuevo ARN soluble, también con su correspondiente aminoácido, se coloca mediante su anticodón sobre el codón que forman las tres bases siguientes del ARN mensajero. Se efectúa sobre el ribosoma la unión peptídica entre ambos aminoácidos, al mismo tiempo que el ARN mensajero se desliza sobre el ribosoma para dejar un nuevo codón dispuesto a recibir un nuevo ARN soluble con su correspondiente aminoácido y dar lugar a un nuevo enlace peptídico; una vez realizado éste, se desprende el ARN soluble y la cadena de ARN mensajero sigue deslizándose sobre el ribosoma hasta haber completado la síntesis de una molécula de proteína. V. t.: BIOLOGÍA MOLECULAR; BIOFÍSICA; ENZIMAS; FERMENTACIÓN I y II; METABOLISMO' AMINOÁCIDOS; QUÍMICA ORGÁNICA.
