Historia de la bioquímica

Se puede decir que la historia de la bioquímica comenzó con los antiguos griegos que estaban interesados ​​en la composición y los procesos de la vida, aunque la bioquímica como disciplina científica específica tiene sus inicios a principios del siglo XIX. Algunos argumentaron que el comienzo de la bioquímica pudo haber sido el descubrimiento de la primera enzima, la diastasa (hoy llamada amilasa), en 1833 por Anselme Payen, mientras que otros consideraron la primera demostración de Eduard Buchner de un complejo proceso bioquímico de fermentación alcohólica en extractos libres de células para ser el nacimiento de la bioquímica. Algunos también podrían señalar el influyente trabajo de Justus von Liebig de 1842, Química animal o Química orgánica en sus aplicaciones a la fisiología y la patología., que presentó una teoría química del metabolismo, o incluso antes de los estudios del siglo XVIII sobre la fermentación y la respiración de Antoine Lavoisier.

El término "bioquímica" en sí mismo se deriva de la forma combinada bio-, que significa "vida", y química. La palabra se registra por primera vez en inglés en 1848, mientras que en 1877, Felix Hoppe-Seyler usó el término (Biochemie en alemán) en el prólogo del primer número de Zeitschrift für Physiologische Chemie (Revista de química fisiológica) como sinónimo de química fisiológica. y abogó por la creación de institutos dedicados a sus estudios. Sin embargo, varias fuentes citan al químico alemán Carl Neuberg como quien acuñó el término para la nueva disciplina en 1903, y algunos lo atribuyen a Franz Hofmeister.

El tema de estudio en bioquímica son los procesos químicos en los organismos vivos, y su historia implica el descubrimiento y la comprensión de los componentes complejos de la vida y la aclaración de las vías de los procesos bioquímicos. Gran parte de la bioquímica se ocupa de las estructuras y funciones de los componentes celulares, como proteínas, carbohidratos, lípidos, ácidos nucleicos y otras biomoléculas; sus vías metabólicas y el flujo de energía química a través del metabolismo; cómo las moléculas biológicas dan origen a los procesos que ocurren dentro de las células vivas; también se enfoca en los procesos bioquímicos involucrados en el control del flujo de información a través de señales bioquímicas y cómo se relacionan con el funcionamiento de organismos completos.

Entre la gran cantidad de biomoléculas diferentes, muchas son moléculas complejas y grandes (llamadas polímeros), que se componen de subunidades repetitivas similares (llamadas monómeros). Cada clase de biomolécula polimérica tiene un conjunto diferente de tipos de subunidades. Por ejemplo, una proteína es un polímero cuyas subunidades se seleccionan de un conjunto de veinte o más aminoácidos, los carbohidratos se forman a partir de azúcares conocidos como monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos, los lípidos se forman a partir de ácidos grasos y gliceroles, y los ácidos nucleicos se forman de nucleótidos. La bioquímica estudia las propiedades químicas de importantes moléculas biológicas, como las proteínas, y en particular la química de las reacciones catalizadas por enzimas. La bioquímica del metabolismo celular y el sistema endocrino se ha descrito ampliamente.

Proto-bioquímica

En cierto sentido, se puede considerar que el estudio de la bioquímica comenzó en la antigüedad, por ejemplo, cuando la biología comenzó a interesar a la sociedad, ya que los antiguos chinos desarrollaron un sistema de medicina basado en el yin y el yang, y también en las cinco fases, que ambos resultaron de intereses alquímicos y biológicos. Su inicio en la antigua cultura india estuvo ligado al interés por la medicina, ya que desarrollaron el concepto de los tres humores que se asemejaban a los cuatro humores griegos (ver humorismo). También profundizaron en el interés de que los cuerpos estén compuestos por tejidos. La concepción de la "bioquímica" de los antiguos griegos estaba vinculada con sus ideas sobre la materia y la enfermedad, donde se pensaba que la buena salud provenía del equilibrio de los cuatro elementos y los cuatro humores en el cuerpo humano.Como en la mayoría de las ciencias tempranas, el mundo islámico contribuyó significativamente a los primeros avances biológicos, así como a los avances alquímicos; especialmente con la introducción de ensayos clínicos y farmacología clínica presentada en El Canon de la Medicina de Avicena.Por el lado de la química, los primeros avances se atribuyeron en gran medida a la exploración de intereses alquímicos, pero también incluyeron: la metalurgia, el método científico y las primeras teorías del atomismo. En tiempos más recientes, el estudio de la química estuvo marcado por hitos como el desarrollo de la tabla periódica de Mendeleev, el modelo atómico de Dalton y la teoría de la conservación de la masa. Esta última mención es la de mayor importancia de las tres debido a que esta ley entrelaza la química con la termodinámica de manera intercalada.

Enzimas

Ya a fines del siglo XVIII y principios del XIX, se conocía la digestión de la carne por las secreciones estomacales y la conversión del almidón en azúcares por medio de extractos de plantas y saliva. Sin embargo, el mecanismo por el cual esto ocurrió no había sido identificado.

En el siglo XIX, al estudiar la fermentación del azúcar en alcohol por la levadura, Louis Pasteur concluyó que esta fermentación estaba catalizada por una fuerza vital contenida dentro de las células de levadura llamadas fermentos, que pensaba que funcionaban solo dentro de los organismos vivos. Escribió que "la fermentación alcohólica es un acto relacionado con la vida y organización de las células de levadura, no con la muerte o putrefacción de las células".

En 1833 Anselme Payen descubrió la primera enzima, la diastasa, y en 1878 el fisiólogo alemán Wilhelm Kühne (1837-1900) acuñó el término enzima, que proviene del griego ενζυμον "en levadura", para describir este proceso. La palabra enzima se usó más tarde para referirse a sustancias no vivas como la pepsina, y la palabra fermento se usó para referirse a la actividad química producida por organismos vivos.

En 1897, Eduard Buchner comenzó a estudiar la capacidad de los extractos de levadura para fermentar el azúcar a pesar de la ausencia de células vivas de levadura. En una serie de experimentos en la Universidad de Berlín, descubrió que el azúcar se fermentaba incluso cuando no había células vivas de levadura en la mezcla. Llamó a la enzima que provocó la fermentación de la sacarosa "zimasa". En 1907 recibió el Premio Nobel de Química "por su investigación bioquímica y su descubrimiento de la fermentación libre de células". Siguiendo el ejemplo de Buchner; Las enzimas generalmente se nombran de acuerdo con la reacción que llevan a cabo. Por lo general, el sufijo -asa se agrega al nombre del sustrato (p. ej., la lactasa es la enzima que escinde la lactosa) o al tipo de reacción (p. ej.,, la ADN polimerasa forma polímeros de ADN).

Habiendo demostrado que las enzimas podían funcionar fuera de una célula viva, el siguiente paso fue determinar su naturaleza bioquímica. Muchos de los primeros investigadores notaron que la actividad enzimática estaba asociada con las proteínas, pero varios científicos (como el premio Nobel Richard Willstätter) argumentaron que las proteínas eran simplemente portadoras de las enzimas verdaderas y que las proteínas per se eran incapaces de catalizar. Sin embargo, en 1926, James B. Sumner demostró que la enzima ureasa era una proteína pura y la cristalizó; Sumner hizo lo mismo con la enzima catalasa en 1937. La conclusión de que las proteínas puras pueden ser enzimas fue definitivamente probada por Northrop y Stanley, quienes trabajaron en las enzimas digestivas pepsina (1930), tripsina y quimotripsina. Estos tres científicos fueron galardonados con el Premio Nobel de Química de 1946.

Este descubrimiento, que las enzimas podían cristalizarse, significó que los científicos finalmente podrían resolver sus estructuras mediante cristalografía de rayos X. Esto se hizo primero para la lisozima, una enzima que se encuentra en las lágrimas, la saliva y las claras de huevo y que digiere la cubierta de algunas bacterias; la estructura fue resuelta por un grupo dirigido por David Chilton Phillips y publicada en 1965. Esta estructura de lisozima de alta resolución marcó el comienzo del campo de la biología estructural y el esfuerzo por comprender cómo funcionan las enzimas a un nivel atómico de detalle.

Metabolismo

Interés metabólico temprano

El término metabolismo se deriva del griego Μεταβολισμός - Metabolismos para "cambio" o "derrocamiento". La historia del estudio científico del metabolismo abarca 800 años. El más antiguo de todos los estudios metabólicos comenzó a principios del siglo XIII (1213-1288) por un erudito musulmán de Damasco llamado Ibn al-Nafis. al-Nafis afirmó en su obra más conocida Theologus Autodidactus que "ese cuerpo y todas sus partes están en un estado continuo de disolución y nutrición, por lo que inevitablemente están experimentando un cambio permanente". Aunque al-Nafis fue el primer médico documentado en interesarse por los conceptos bioquímicos, los primeros experimentos controlados en el metabolismo humano fueron publicados por Santorio Santorio en 1614 en su libroArs de statica medecina. Este libro describe cómo se pesó antes y después de comer, dormir, trabajar, tener relaciones sexuales, ayunar, beber y excretar. Descubrió que la mayor parte de la comida que ingería se perdía a través de lo que llamó "transpiración insensible".

Metabolismo: siglo XX - presente

Uno de los más prolíficos de estos bioquímicos modernos fue Hans Krebs, quien hizo enormes contribuciones al estudio del metabolismo. Krebs fue alumno del extremadamente importante Otto Warburg y escribió una biografía de Warburg con ese título en la que presenta a Warburg educado para hacer en química biológica lo que Fischer hizo en química orgánica. Lo cual hizo. Krebs descubrió el ciclo de la urea y más tarde, trabajando con Hans Kornberg, el ciclo del ácido cítrico y el ciclo del glioxilato. Estos descubrimientos llevaron a que Krebs recibiera el Premio Nobel de fisiología en 1953, que compartió con el bioquímico alemán Fritz Albert Lipmann, quien también co-descubrió el cofactor esencial coenzima A.

Absorción de glucosa

En 1960, el bioquímico Robert K. Crane reveló su descubrimiento del cotransporte sodio-glucosa como mecanismo de absorción intestinal de glucosa. Esta fue la primera propuesta de un acoplamiento entre los flujos de un ion y un sustrato que se ha visto como la chispa de una revolución en biología. Este descubrimiento, sin embargo, no habría sido posible si no fuera por el descubrimiento de la estructura y composición química de la molécula de glucosa. Estos descubrimientos se atribuyen en gran medida al químico alemán Emil Fischer, quien recibió el Premio Nobel de química casi 60 años antes.

Glucólisis

Dado que el metabolismo se centra en la descomposición (procesos catabólicos) de las moléculas y la construcción de moléculas más grandes a partir de estas partículas (procesos anabólicos), el uso de la glucosa y su participación en la formación de trifosfato de adenosina (ATP) es fundamental para esta comprensión. El tipo más frecuente de glucólisis que se encuentra en el cuerpo es el tipo que sigue la Vía Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), que fue descubierta por Gustav Embden, Otto Meyerhof y Jakob Karol Parnas. Estos tres hombres descubrieron que la glucólisis es un proceso fuertemente determinante para la eficiencia y producción del cuerpo humano. La importancia de la vía que se muestra en la imagen adyacente es que al identificar los pasos individuales en este proceso, los médicos e investigadores pueden identificar los sitios de mal funcionamiento metabólico, como la deficiencia de piruvato quinasa, que puede provocar anemia grave. Esto es muy importante porque las células, y por lo tanto los organismos, no son capaces de sobrevivir sin vías metabólicas que funcionen correctamente.

Avances instrumentales (siglo XX)

Desde entonces, la bioquímica ha avanzado, especialmente desde mediados del siglo XX, con el desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía, la difracción de rayos X, la espectroscopia de RMN, el marcaje radioisotópico, la microscopía electrónica y las simulaciones de dinámica molecular. Estas técnicas permitieron el descubrimiento y análisis detallado de muchas moléculas y rutas metabólicas de la célula, como la glucólisis y el ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico). El ejemplo de un instrumento de RMN muestra que algunos de estos instrumentos, como el HWB-NMR, pueden tener un tamaño muy grande y pueden costar desde unos pocos miles de dólares hasta millones de dólares ($16 millones para el que se muestra aquí).

Reacción en cadena de la polimerasa

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es la principal técnica de amplificación de genes que ha revolucionado la bioquímica moderna. La reacción en cadena de la polimerasa fue desarrollada por Kary Mullis en 1983.Hay cuatro pasos para una reacción en cadena de polimerasa adecuada: 1) desnaturalización 2) extensión 3) inserción (del gen a expresar) y finalmente 4) amplificación del gen insertado. Estos pasos con ejemplos ilustrativos simples de este proceso se pueden ver en la imagen de abajo y a la derecha de esta sección. Esta técnica permite amplificar la copia de un solo gen en cientos o incluso millones de copias y se ha convertido en la piedra angular del protocolo de cualquier bioquímico que desee trabajar con bacterias y expresión génica. La PCR no solo se usa para la investigación de la expresión génica, sino que también es capaz de ayudar a los laboratorios a diagnosticar ciertas enfermedades, como linfomas, algunos tipos de leucemia y otras enfermedades malignas que a veces pueden desconcertar a los médicos. Sin el desarrollo de la reacción en cadena de la polimerasa,El desarrollo de la teoría y el proceso de la reacción en cadena de la polimerasa es esencial, pero la invención del termociclador es igualmente importante porque el proceso no sería posible sin este instrumento. Este es otro testimonio más del hecho de que el avance de la tecnología es tan crucial para ciencias como la bioquímica como lo es la investigación minuciosa que conduce al desarrollo de conceptos teóricos.