Historia de la bioquimica y la logiga molecular de los organismos vivos

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Historia de la bioquimica y la logiga molecular de los organismos vivos

  1. 1. HISTORIA DE LA BIOQUIMICA y LOGICA MOLECULARLa bioquímica es una ciencia que estudia la composición química de los seresvivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos,además de otras pequeñas moléculas presentes en las células y las reaccionesquímicas que sufren estos compuestos (metabolismo) que les permiten obtenerenergía (catabolismo) y generar biomoléculas propias (anabolismo). La bioquímicase basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y en general lasmoléculas biológicas están compuestas principalmente dehidrógeno,carbono,oxigeno nitrógeno, fósforo y azufre. Es la ciencia que estudia labase química de la vida: las moléculas que componen las células y los tejidos, quecatalizan lasreacciones químicas del metabolismo celular como la digestión,la fotosíntesis y la inmunidad, entre otras.La bioquímica pretende dar explicación desde el punto de vista molecular alfuncionamiento de los seres vivos, entenderlos y poder aplicar ese conocimientoen medicina, farmacología, ingeniería genética o cualquier ámbito dondeintervenga la vida.HistoriaEl comienzo de la bioquímica puede muy bien haber sido el descubrimiento de laprimera enzima, la diastasa, en 1893 por Anselme Payen. En 1828 FriedrichWöhler publicó un artículo acerca de la síntesis de urea, probando quelos compuestos orgánicos pueden ser creados artificialmente, en contraste con lacreencia, comúnmente aceptada durante mucho tiempo, de que la generación deestos compuestos era posible sólo en el interior de los seres vivos. Desdeentonces la bioquímica ha avanzado, especialmente desde la mitad del siglo XX,con el desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía, la difracción de rayosX, marcaje por isótopos y el microscopio electrónico. Estas técnicas abrieron elcamino para el análisis detallado y el descubrimiento de muchas moléculas yrutas metabólicas de las células, como laglucólisis y el Ciclo de Krebs(denominadoasí en honor al bioquímico Hans Adolf Krebs).Hoy, los avances de la bioquímica son usados en cientos de áreas, desde lagenética hasta la biología molecular, de la agricultura a la medicina.
  2. 2. AlcanceEsquema de una célula típica animal con sus orgánulos y estructuras.El pilar fundamental de la investigación bioquímica se centra en las propiedadesde las proteínas, muchas de las cuales son enzimas. Por razones históricas labioquímica del metabolismo de la célula ha sido intensamente investigado, enimportantes líneas de investigación actuales (como el Proyecto Genoma, cuyafunción es la de identificar y registrar todo el código genético humano), se dirigenhacia la investigación del ADN, el ARN, la síntesis de proteínas, la dinámica delamembrana celular y los ciclos energéticos. Biología celular: Es una área de la biología que se dedica al estudio de la célula, su comportamiento, la comunicación entre orgánulos al interior de la célula y la comunicación entre células. Genética: Es un área de la biología dónde se estudia principalmente el ADN y ARN, para entender la función de cada una de sus partes y los procesos asociados a su conservación. Inmunología: Área de la biología, la cual se interesa por la reacción del organismo frente a organismos como las bacterias y virus. Todo esto tomando en cuenta la reacción y funcionamiento del sistema inmune de los seres vivos. Farmacología: Área de la química que estudia cómo afectan ciertas sustancias al funcionamiento celular en el organismo. LA LOGIGA MOLECULAR DE LOS ORGANISMOS VIVOS
  3. 3. Los seres vivos están integrados por moléculas inanimadas que se ajustan a todaslas leyes físicas y químicas que rigen el comportamiento de la materia inerte. Losorganismos vivos poseen unos atributos que no se encuentran en la materiainanimada como son: • Complejidad y organización: Poseen estructuras internas complejas formadas por numerosas moléculas complejas. • Cada una de las partes que componen la materia viva cumple un rol específico: Esto se cumple no sólo para las estructuras intracelulares, sino también para los compuestos químicos de la célula (lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). • Son capaces de extraer y transformar la energía de su entorno: El ser vivo utiliza materias primas sencillas para producir o transformar energía, la cual es utilizada para edificar y mantener sus propias e intrincadas estructuras. • Posee la capacidad de duplicarse: El ser vivo posee la capacidad de reproducirse, elaborando copias exactas de si mismo, logrando así la persistencia del ser vivo en nuestro planeta.BIOQUIMICA DEL ESTADO VITAL¿A qué se debe que moléculas inanimadas den origen a seres vivos?Los filósofos medievales hubieran apelado al vitalismo, doctrina superticiosa sinbasamento científico. La bioquímica actual estudia de que modo el conjunto dematerias inanimadas que constituyen los organismos vivos se influyen mutuamentepara mantener y perpetuar el estado de vida. Como los seres vivos estánconstituidos por moléculas que ejercen entre sí interacciones específicas, debemosconsiderar el concepto de que la biología es química. La biología es unasuperquímica que comprende pero al mismo tiempo trasciende, los campostradicionales de la química.Las moléculas que integran los organismos vivos no solamente se rigen por todoslos principios físicos y químicos familiares que gobiernan el comportamiento de lamateria inanimada, sino que, además ejercen acciones mutuas de acuerdo conotro modo colectivo como la lógica molecular de la vida.
  4. 4. Existe un conjunto de "Reglas Fundamentales" que gobiernan la naturaleza, lafunción y las interacciones de los tipos específicos de las moléculas presentes enlos organismos vivos, y les dotan de la capacidad de organizarse y replicarse por simismos.BIOMOLECULAS:La composición química de los seres vivos es, cualitativamente, muy diferente dela del entorno físico en que viven.La mayor parte de los componentes químicos de los organismos son compuestosorgánicos de carbono en los que el elemento se halla relativamente reducido ohidrogenado. Muchas biomoléculas orgánicas contienen también nitrógeno. Por elcontrario, los elementos nitrógeno y carbono no son abundantes en la materiainerte y se encuentran en la atmósfera y en la corteza terrestre en formasinorgánicas sencillas, tales como, dióxido de carbono, nitrógeno molecular,carbonatos y nitratos.Los compuestos orgánicos presentes en la materia viva muestran enorme variedady la mayor parte de ellos son extraordinariamente complejos; las mas sencillas delas células, las bacterias contienen gran número de distintas moléculas orgánicas.Las proteínas y los ácidos nucleicos son moléculas complejas y solamente seconoce la estructura de unas pocas.Si consideramos ahora organismos mayores y más complejos como son losanimales y las plantas superiores hallaremos que también contienen proteínas yácidos nucleicos y en mucha mayor variedad; cada especie de organismos poseesu propio conjunto de moléculas proteicas y de ácidos nucleicos químicamentediferentes.Parecería una empresa sin esperanza que los bioquímicos intentaran aislar,identificar y sintetizar todas las diferentes moléculas orgánicas presentes en lamateria viva. Constituye una paradoja, sin embargo, que la inmensa diversidad demoléculas orgánicas de los organismos vivos se puede reducir en último término, auna casi absurda complicidad.Sabemos ahora que las macromoléculas de la célula se hallan formadas pormuchas moléculas sencillas, pequeñas unidades estructurales que se hallan ligadasconstituyendo largas cadenas.En las proteínas sólo se encuentran 20 tipos de aminoácidos diferentes, pero estánordenados en muchas secuencias distintas, de modo que forman numerosos tiposde proteínas.Además, los 20 aminoácidos distintos constituyentes de las proteínas y los cinconucleotidos diferentes que integran los ácidos nucleicos son idénticos en todas lasespecies vivientes. El reducido número de moléculas sencillas, sillares estructuralescon que están construidas todas las macromoléculas, poseen otra sorprendentecaracterística cada una de ellas desempeña diversas funciones en las célulasvivientes y algunas son extremadamente versátiles que realizan buen número defunciones. Los aminoácidos no sólo actúan como sillares de construcción de las
  5. 5. moléculas proteicas, sino también como precursores de las hormonas, losalcaloides, las porfirinas, los pigmentos y otras muchas biomoléculas. Lasmononucleotidos no sólo constituyen las unidades fundamentales de los ácidosnucleicos sino que actúan también como coenzimas y moléculas transportadorasde energía. Podemos ver que en la organización molecular de la célula existe unasimplicidad fundamental: Los millares de macromoléculas diferentes que la formaestán construidas con sólo unas pocas moléculas sencillas, que son las sillares desu estructura. Podemos ver que la identidad de cada una de las especies deorganismos está preservada por su posesión de un conjunto distintivos de ácidosnucleicos y de proteínas.TRANSFORMACIONES ENERGETICAS EN LAS CELULAS VIVASLa complejidad molecular y la ordenación estructural de los organismos vivos, encontraposición al azar que reina en la materia inerte, tiene unas implicacionesprofundas para el físico científico. La segunda ley de la termodinámica estableceque los procesos físicos y químicos tienden a aumentar el desorden o el caos, en elmundo es decir su entropía.La primera Ley de la Termodinámica establece que la energía no puede crearse nidestruirse. Los organismos vivos absorben una forma de energía que le es útil enlas condiciones especiales de temperatura y presión en que viven y entoncesdevuelven al ambiente una cantidad equivalente de energía. La energía útil quetoman las células se denomina energía libre y se define como el tipo de energíacapaz de realizar trabajos a temperatura y presión constante.Los organismos vivos crean y mantienen su ordenación, esencial a expensas de suentorno, al que transforman haciéndolo cada vez más desordenado y caótico.Utilizando el lenguaje termodinámico, los organismos vivos son sistemas abiertosporque intercambian materia y energía con su entorno. La característica de lossistemas abiertos es que no se hallan en equilibrio con su entorno.Los organismos vivos se hallan en estado estacionario que es cuando un sistemaabierto la velocidad de transferencia de materia y energía desde el entorno alsistema se halla compensado por la velocidad de transferencia de materia yenergía hacia el exterior del sistema.Las células vivas son muy eficaces en la manipulación de la energía y de lamateria.La maquinaria de transformación de energía de las células vivas está construidapor entero con moléculas orgánicas relativamente frágiles e inestables, incapacesde resistir temperaturas elevadas, corrientes eléctricas intensas o concentracionesextremas de ácidos o de bases. La célula viva es por tanto, esencialmenteisotérmica, en un instante determinado todas sus partes tienen prácticamente lamisma temperatura. La célula viva es una máquina química isotérmica.REACCIONES QUIMICAS EN LAS CELULAS VIVAS
  6. 6. Las células pueden actuar como máquinas químicas, porque poseen enzimas,catalizadoras capaces de aumentar mucho la velocidad de reacciones químicasespecíficas. Las enzimas son moléculas proteicas muy especializadas elaboradaspor las células a partir de aminoácidos sencillos. Cada enzima solamente puedecatalizar un tipo específico de reacción química. En milésimas de segundo puedencatalizar secuencias de reacciones muy complejas, las cuales requerirían días,semanas o meses de funcionamiento en el laboratorio químico.Las reacciones catalizadas enzimaticamente tienen lugar con un rendimiento del100% y no hay subproductos.Los organismos vivos pueden llevar a cabo de modo simultáneo, muchasreacciones individuales diferentes sin perderse en un mar de subproductos inútiles.EL PRINCIPIO DE LA COMPLEMENTARIDAD ESTRUCTURALLas moléculas enzimáticas tienen que combinarse con sus sustratos durante elciclo catalítico, y el centro activo de la molécula de la enzima solamente aceptarácomo sustratos aquellas moléculas que se adapten a él, con unacomplementariedad casi perfecta. Los centenares de reacciones químicas,catalizadas enzimaticamente no se realizan de modo independiente unas de otrassino que están relacionadas entre sí y constituyen muchas secuencias diferentesde reacciones consecutivas que poseen intermediarios comunes, de modo que elproducto de la primera reacción se convierte en el sustrato o reactante de lasegunda y así sucesivamente. Esta ordenación determina diversas consecuenciasbiológicas importantes.Una de ellas consiste en que tales sistemas de reacciones químicas se canalicenpor rutas específicas; otra es que las reacciones secuenciales hacen posible latransferencia de energía química en condiciones isotérmicas.Las células vivas pueden dividirse en dos grandes clases según el tipo de energíaque obtienen de su entorno. Las células fotosintéticas utilizan la luz solar comoprincipal fuente de energía: la energía radiante es absorbida por el pigmentoclorofila y transformada en energía química. Las células heterotróficas aprovechanla energía de las moléculas orgánicas muy reducidas, ricas en energía, queobtienen de su entorno, como la glucosa.El trifosfato de adenosina o A.T.P.; el cual actúa como el transportador de energíamás importante en las células de todas las especies vivientes. La función biológicaespecífica del sistema A.T.P.-A.D.P. como nexo de unión entre dos grandes redesde reacciones enzimáticas en la célula, es posible gracias a una serie consecutivade reacciones químicas.AUTORREGULACION DE LAS REACCIONES CELULARESLa conexión de reacciones catalizadas por enzimas, en secuencias de reaccionesconsecutivas, hace posible canalizar ordenadamente los millones de reaccionesquímicas que se suceden en las células, de modo que las biomóleculas específicasnecesarias para la estructura y función celulares tengan lugar en cantidades yvelocidades adecuadas para mantener el estado estacionario normal. La velocidad
  7. 7. de una reacción específica en una porción de la compleja red de reaccionesenzimáticas de la célula puede ser controlada o modulada por las velocidades delas reacciones de otra parte de la red. Algunas enzimas de la célula, especialmentelas que se hallan al comienzo de una secuencia de reacciones o en un punto deramificación de la secuencia, actúan como enzimas "reguladores"; son inhibidaspor el producto final de la secuencia reaccional.Las células vivas poseen, además, la capacidad de regular la síntesis de suspropios catalizadores.Tales propiedades de autoajuste y autoregulación son fundamentales paramantener el estado estacionario de la célula viva y son esenciales para su eficaciaen la transformación de la energía.AUTOREPLICA DE LOS ORGANISMOS VIVOSLa propiedad más notable de las células vivas es su capacidad de reproducirse confidelidad casi perfecta, no solamente una o diversas, lo que ya sería bastantenotable sino por centenares y millares de generación. Los símbolos en que estácodificada la información poseen las dimensiones de partes de simples moléculasde A.D.N.La notable capacidad de las células vivas para preservar su información genéticaes el resultado de la complementariedad estructural.Una hebra de A.D.N. actúa como patrón par ala réplica enzimática de otra hebrade A.D.N. estructuralmente complementaria.La molécula de A.D.N. puede escindirse con frecuencia, pero es reparada conrapidez y automáticamente. No es frecuente que se produzcan errores omutaciones.La información unidimensional del A.D.N. es transferida a la informacióntridimensional inherente a los componentes macromoleculares de los organismos,gracias a la traslación de la estructura del A.D.N. a la estructura proteica. Unacélula es un sistema abierto isotérmico que se ensambla, ajusta y perpetua por simisma. El sistema está constituido por muchas reacciones orgánicas consecutivasy ligadas, promovidas por unos catalizadores orgánicos producidos por la célula;opera según el principio de máxima economía y procesos. ¿Qué distingue a los organismos vivos de la materia inanimada?1. 1. Grado de complejidad Química y organización. Las células están formadas por miles de moléculas complejas
  8. 8. Figura. Una célula ciliada.Las rocas y el agua por el contrario, están formadas por moléculas muy sencillas. Figura. Los puentes de Hidrógeno de un compuesto en agua.2. 2. Los organismos vivos extraen, transforman y utilizan energía de sus alrededores, que usualmente está almacenada en forma de nutrientes químicos en el alimento, o bien gracias a la energía contenida en la luz solar en los organismos fotosintéticos. Esta energía les permite a los seres vivos construir y mantener sus complicadas estructuras y hacer todo tipo de trabajo (mecánico, eléctrico, osmótico, etc.). La materia inanimada tiende a estar en equilibrio con el entorno, generalmente decayendo su energía. Los seres vivos tenemos que mantener ciertos flujos de energía constantes para vivir.3. 3. Autoreplicación y autoensamblaje. Toda la información necesaria para dar origen a la progenie se encuentra en el material genético contenido en la célula original. Cada componente de los organismos vivos tiene una función específica,desde la parte intracelular de cualquier tipo de célula, hasta la organización detejidos y órganos en organismos multicelulares.
  9. 9. El estudio de la Bioquímica muestra cómo la colección de moléculasinanimadas que constituyen a los seres vivos interactúa para mantener yperpetuar la vida basándose en las leyes que gobiernan a la materia inanimada. La Bioquímica describe en términos moleculares las estructuras,mecanismos y procesos químicos compartidos por todos los seres vivos y proveede los principios de organización que agrupan a todos los organismos vivientes.Estos principios se denominan como la lógica molecular de la vida. Aunque la Bioquímica provee de importantes conocimientos para muchasaplicaciones prácticas como la medicina o la agricultura, en realidad estáinvolucrada directamente con el proceso de la vida misma. La mayoría de las moléculas que constituyen a los seres vivos estáncompuestas de átomos de Carbono (C) unidos covalentemente entre ellos ygeneralmente con átomos de Hidrógeno (H), Oxígeno (O) y Nitrógeno (N). Lasmoléculas orgánicas de tamaño pequeño como los aminoácidos, los nucleótidos ylos monosacáridos sirven como las unidades monoméricas de las macromoléculasen este caso proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos respectivamente. Unamolécula de proteína puede contener desde varias decenas de aminoácidos y unácido nucleico puede tener millones de nucleótidos. En cada una de las células de este mundo, existen miles de cada una delas macromoléculas que forman a los seres vivos o biomoléculas, muchas de ellasson copias idénticas de una misma, pero a cada una de las categorías pertenecenmúltiples tipos de cada una de las biomoléculas. Esto se debe a que lassubunidades monoméricas de cada una de estas macromoléculas pueden serunidas covalentemente en una variedad ilimitada de secuencias, exactamentecomo sucede con las letras del alfabeto que pueden ser arregladas en un ilimitadonúmero de palabras que se pueden arreglar en un ilimitado número de frases paraformar un ilimitado número de textos. Para explicar el número de secuencias diferentes posibles (S) quedependen de un número diferente de tipos de subunidades (N) hay que tomar encuenta la longitud (L) de la cadena que forman de la siguiente manera:
  10. 10. S=N L Para palabras en español de ocho letras, recordar que el alfabeto tiene 27letras, se tiene: 278 ó 2.8 x 1011. Para secuencias de ocho desoxiribonucleotidos (A, G, C, T) en el ADN = 48 ó 65,536. Para secuencias de ocho aminoácidos (de 20) en las proteínas: 208 ó 2.56 x 1010.

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