¿Qué significa bioquímica?
Si se utilizan como objetos diferentes organismos, la bioquímica se puede dividir en bioquímica animal, bioquímica vegetal, bioquímica microbiana, bioquímica de insectos, etc. Si se utilizan como objeto de investigación diferentes tejidos o procesos biológicos, se puede dividir en bioquímica muscular, neurobioquímica, inmunobioquímica, biomecánica, etc. Dependiendo de las sustancias estudiadas se puede dividir en ramas como química de proteínas, química de ácidos nucleicos y enzimología; la química que estudia diversas sustancias naturales se denomina química bioorgánica; la disciplina que estudia las funciones biológicas de diversas sustancias inorgánicas se denomina bioinorgánica; química o bioquímica inorgánica.
Desde la década de 1960, la bioquímica se ha integrado con otras disciplinas, dando lugar a algunas disciplinas de vanguardia, como la farmacología bioquímica, la paleontología, la ecología química, etc. O dependiendo del campo de aplicación, existen bioquímica médica, bioquímica agrícola, bioquímica industrial, bioquímica nutricional, etc.
Breve historia del desarrollo de la bioquímica
El término bioquímica apareció a finales del siglo XIX y principios del XX, pero sus orígenes se remontan a mucho más atrás. Su historia temprana es la fisiología temprana y parte de la historia de la química. Por ejemplo, en la década de 1880, Lavoisier demostró que la respiración es un proceso de oxidación similar a la combustión. Casi al mismo tiempo, los científicos descubrieron que la fotosíntesis es esencialmente el proceso inverso de la respiración animal. Otro ejemplo, en 1828, Waller sintetizó una sustancia orgánica, la urea, por primera vez en el laboratorio, lo que rompió la idea de que las sustancias orgánicas sólo pueden ser producidas por organismos vivos y asestó un duro golpe a la teoría de la vitalidad de la vida.
En 1860, Pasteur demostró que la fermentación es causada por microorganismos, pero creía que debía estar presente levadura viva para provocar la fermentación. En 1897, los hermanos Bishner descubrieron que los extractos de levadura libres de células pueden fermentar, demostrando que actividades vitales complejas como la fermentación pueden llevarse a cabo sin células vivas, y finalmente derribaron el "vitalismo".
El desarrollo de la bioquímica se puede dividir a grandes rasgos en tres etapas.
La primera etapa, desde finales del siglo XIX hasta la década de 1930, fue principalmente una etapa de descripción estática, que implicó el aislamiento, purificación, determinación de la estructura, síntesis e investigación de las propiedades físicas y químicas de diversos componentes biológicos. . Entre ellos, Fischer determinó las estructuras de muchos azúcares y aminoácidos, determinó la configuración de los azúcares y señaló que las proteínas están unidas por el abdomen. En 1926, Sumner preparó cristales de ureasa y demostró que se trataba de una proteína.
En los siguientes cuatro o cinco años, Northrop y otros cristalizaron varias enzimas que hidrolizaban proteínas, señalando que todas eran proteínas sin excepción, estableciendo el concepto de que las enzimas son proteínas. Se descubrieron una serie de vitaminas y se dilucidaron sus estructuras mediante análisis de alimentos y estudios nutricionales.
Al mismo tiempo, la gente reconoció otra sustancia, pequeña en cantidad pero de efecto poderoso: las hormonas. A diferencia de las vitaminas, no depende del suministro externo, sino que es producida por el propio animal y desempeña su función por sí solo. En esta etapa se descubren la adrenalina, la insulina y las hormonas esteroides contenidas en la corteza suprarrenal. Además, el bioquímico chino Wu Xian propuso el concepto de desnaturalización de proteínas en 1931.
La segunda etapa, de los años 1930 a los años 1950, se caracteriza principalmente por el estudio de los cambios de sustancias en los organismos, es decir, las rutas metabólicas, por lo que se denomina etapa bioquímica dinámica. El logro más destacado es la identificación de importantes vías catabólicas como la glucólisis, el ciclo del ácido tricarboxílico y la lipólisis. Se comprenden profundamente las funciones clave de la respiración, la fotosíntesis y el trifosfato de adenosina (ATF) en la conversión de energía.
Por supuesto, la división de esta etapa es relativa. La comprensión de las vías biosintéticas llegó mucho más tarde, y las vías biosintéticas de los aminoácidos, purinas, piridinas y ácidos grasos no se dilucidaron hasta las décadas de 1950 y 1960.
La tercera etapa se inició en la década de 1950 y se caracterizó principalmente por el estudio de la estructura y función de las macromoléculas biológicas. El desarrollo de la bioquímica en esta etapa, así como la penetración de la física, las ciencias técnicas, la microbiología, la genética, la citología y otras disciplinas, dieron origen a la biología molecular y se convirtió en el cuerpo principal de la bioquímica.
Contenido básico de la bioquímica
A excepción del agua y las sales inorgánicas, la materia orgánica de las células vivas está compuesta principalmente por átomos de carbono combinados con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Moléculas grandes y moléculas pequeñas.
El primero incluye proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos unidos; el segundo incluye vitaminas, hormonas, diversos intermediarios metabólicos y aminoácidos, nucleótidos, azúcares, ácidos grasos y glicerol necesarios para la síntesis de macromoléculas biológicas. En diferentes organismos existen diversos metabolitos secundarios, como terpenos, alcaloides, toxinas, antibióticos, etc.
Aunque la identificación de componentes biológicos fue una característica del desarrollo temprano de la bioquímica, hasta el día de hoy se siguen descubriendo nuevas sustancias. Como el interferón, el monofosfato de nucleósido cíclico, la calmodulina, la mucina, la lectina, etc., se han convertido en importantes temas de investigación.
También se descubrirán nuevas funciones para compuestos que se conocen desde hace mucho tiempo. La carnitina se descubrió a principios del siglo XX y no fue reconocida como factor de crecimiento hasta la década de 1950 y como portador de oxidación biológica en la década de 1960. Se ha descubierto que la putrescina y la cadaverina, que durante muchos años se han considerado productos de descomposición, así como las poliaminas como la espermina y la espermidina, tienen diversas funciones fisiológicas, como participar en la regulación de la síntesis de ácidos nucleicos y proteínas, estabilizar Superenrollamientos del ADN y regulación de la diferenciación celular.
El metabolismo incluye el anabolismo y el catabolismo. El primero es el proceso en el que los organismos obtienen sustancias del medio ambiente y las transforman en nuevas sustancias en el cuerpo, también llamado asimilación; el segundo es el proceso en el que las sustancias originales del organismo se transforman en sustancias del medio ambiente, también llamado; alienación. El proceso de asimilación y disimilación consta de una serie de pasos intermedios. El metabolismo intermedio es el estudio de las vías químicas.
En el proceso del metabolismo material también se producen cambios en la energía. La conversión mutua y los cambios de energía mecánica, energía química, energía térmica, luz y electricidad en los organismos vivos se denominan metabolismo energético, y el ATP desempeña un papel central en este proceso. El metabolismo se desarrolla de manera ordenada bajo el control de los organismos. La mayoría de los procesos reguladores en los organismos vivos se logran mediante efectos alostéricos.
Las diversas funciones de las macromoléculas biológicas están estrechamente relacionadas con sus estructuras específicas. Las principales funciones de las proteínas son la catálisis, el transporte y almacenamiento, el soporte mecánico, el movimiento, la protección inmune, la recepción y transmisión de información, la regulación del metabolismo y la expresión genética. Con el desarrollo de la tecnología de análisis estructural, las personas pueden estudiar en profundidad sus diversas funciones a nivel molecular. La movilidad interna de las moléculas de proteínas es una base importante para que puedan realizar diversas funciones.
El Proyecto Proteína, que surgió a principios de los años 80, obtiene moléculas de proteínas modificadas en sitios designados cambiando los genes estructurales de las proteínas. Esta tecnología no sólo proporciona una nueva forma de estudiar la relación entre estructura y función de las proteínas, sino que también abre amplias perspectivas para sintetizar nuevas proteínas con funciones específicas según determinadas necesidades.
El estudio de la estructura y función de los ácidos nucleicos ayuda a aclarar la naturaleza de los genes y comprender el flujo de información genética biológica. El emparejamiento de bases es la principal forma de interacción entre los ácidos nucleicos y la base estructural de los ácidos nucleicos como moléculas de información.
La regulación de la expresión génica es un tema central en la investigación de genética molecular y una parte importante del estudio de la estructura y función de los ácidos nucleicos. Se sabe mucho sobre la regulación genética en procariotas. La regulación de genes eucariotas se está explorando desde muchos aspectos. Como la heterocromatinización y la activación de la cromatina; cambios conformacionales y modificaciones químicas del ADN; el papel de secuencias reguladoras como potenciadores y reguladores de la regulación del procesamiento y la traducción del ARN;
Los carbohidratos en los organismos vivos incluyen polisacáridos, oligosacáridos y monosacáridos. Entre los polisacáridos, la celulosa y la quitina son sustancias estructurales en plantas y animales, y el almidón y el glucógeno son nutrientes almacenados. Los azúcares simples son la principal fuente de energía para los organismos vivos. La importancia estructural y funcional de los oligosacáridos no fue reconocida hasta los años 1970. Los oligosacáridos y las proteínas o lípidos pueden formar glicoproteínas, proteoglicanos y glicolípidos.
Debido a la complejidad de las estructuras de las cadenas de azúcar, tienen una gran capacidad de información y juegan un papel importante en el reconocimiento celular específico y en la interacción de determinadas sustancias, afectando así al metabolismo celular. A juzgar por la tendencia de desarrollo, el azúcar se convertirá en los cuatro principales objetos de investigación de la bioquímica junto con las proteínas, los ácidos nucleicos y las enzimas.
Una vez determinada la estructura química de las macromoléculas biológicas, se puede sintetizar artificialmente en el laboratorio. La síntesis artificial de macromoléculas biológicas y sus análogos ayuda a comprender la relación entre su estructura y función. Algunos análogos pueden tener aplicaciones debido a su mayor actividad biológica. Los genes artificiales obtenidos mediante síntesis química de ADN pueden utilizarse en ingeniería genética para obtener proteínas y sus análogos con funciones importantes.
Casi todas las reacciones químicas de los organismos vivos están catalizadas por enzimas. La función de las enzimas se caracteriza por una alta eficiencia catalítica y una fuerte especificidad. Estas características dependen de la estructura de la enzima.
La relación entre la estructura y función de las enzimas, la cinética y el mecanismo de las reacciones y la regulación de la actividad enzimática son los contenidos básicos de la investigación enzimológica. Las enzimas están estrechamente relacionadas con la vida humana y las actividades productivas, por lo que su aplicación en la producción industrial y agrícola, la defensa nacional y la medicina ha recibido amplia atención.
Las membranas biológicas están compuestas principalmente por lípidos y proteínas, y generalmente contienen azúcares. Su estructura básica se puede representar mediante un modelo de mosaico fluido, es decir, las moléculas de lípidos forman una membrana de doble capa y las proteínas de la membrana interactúan con los lípidos en diversos grados y pueden moverse lateralmente. Las biopelículas están estrechamente relacionadas con la conversión de energía, la transferencia de material e información, la diferenciación y división celular, la conducción nerviosa, la respuesta inmune, etc. Es un área activa de investigación en bioquímica.
Las hormonas son importantes reguladores del metabolismo. El sistema hormonal y el sistema nervioso constituyen los dos principales sistemas de comunicación de los organismos y están estrechamente relacionados. Desde la década de 1970, el alcance de la investigación hormonal se ha ampliado cada vez más y se han determinado las estructuras químicas de muchas hormonas, principalmente péptidos y compuestos esteroides. También se comprenden algunos mecanismos de acción hormonales, algunos son la permeabilidad alterada, algunos son enzimas que activan las células y algunos son factores que afectan la expresión genética. Las vitaminas también tienen un impacto importante en el metabolismo y se pueden dividir en dos categorías: solubles en agua y solubles en grasa. La mayoría de ellos son grupos auxiliares o coenzimas de enzimas que están estrechamente relacionados con la salud de los organismos.
Según la teoría de la evolución biológica, millones de especies de organismos en la tierra tienen el mismo origen y se fueron formando gradualmente durante un proceso evolutivo de unos 4 mil millones de años. Los avances en bioquímica proporcionaron pruebas sólidas de esta teoría a nivel molecular.
En el desarrollo de la bioquímica, muchos avances importantes se deben a avances metodológicos. Desde la década de 1990, la tecnología informática ha penetrado amplia y rápidamente en diversos campos de la bioquímica, no solo mejorando en gran medida la automatización y la eficiencia de muchos instrumentos analíticos, sino también proporcionando análisis estructural, predicción de estructuras e investigación de la relación estructura-actividad de macromoléculas biológicas. nuevo método. El desarrollo continuo de la bioquímica en el futuro sin duda se beneficiará de las innovaciones en tecnología y métodos.
El profundo impacto de la bioquímica en otras disciplinas biológicas se refleja primero en los campos de la citología, la microbiología, la genética, la fisiología y otros campos estrechamente relacionados con la bioquímica. A través de una investigación en profundidad sobre la estructura y función de los biopolímeros, se han revelado muchos misterios como la generación de biomasa, la conversión de energía, la transmisión de información genética, la fotosíntesis, la conducción nerviosa, la contracción muscular, la acción hormonal, la inmunidad y la comunicación intercelular, lo que permite a las personas entender la vida. La comprensión de la esencia ha saltado a un nuevo nivel.
Algunas disciplinas de la biología que parecen tener poco que ver con la bioquímica, como la taxonomía, la ecología, etc., incluso necesitan partir de la biología cuando se discuten cuestiones sociales como el control de la población, el suministro mundial de alimentos y la protección del medio ambiente. Considerar y estudiar desde una perspectiva química.
Además, la bioquímica sirve de puente entre la biología y la física, presentando a la física cuestiones importantes y complejas planteadas en el mundo vivo, dando lugar a disciplinas de vanguardia como la biofísica y la bioquímica cuántica, enriqueciéndolas así. el contenido de la investigación de la física y promover el desarrollo de la física y la biología.
Las prácticas de producción en medicina, agricultura, algunas industrias y sectores de defensa promovieron el desarrollo de la bioquímica, que a su vez impulsó el desarrollo de prácticas de producción en estos sectores.
La bioquímica ha demostrado un gran poder en la industria fermentativa, alimentaria, textil, farmacéutica, del cuero y otras. Por ejemplo, el curtido y la depilación del cuero, el desgomado de la seda y el encolado de la tela de algodón utilizan métodos enzimáticos para reemplazar los antiguos procesos. La moderna industria de la fermentación, los productos biológicos y la industria farmacéutica, incluidos los antibióticos, los disolventes orgánicos, los ácidos orgánicos, los aminoácidos, las preparaciones enzimáticas, las hormonas, los hemoderivados y las vacunas, han creado un valor económico considerable, especialmente la aplicación de enzimas inmovilizadas y tecnología de células inmovilizadas. lo que promovió el desarrollo de la industria de enzimas y la industria de fermentación.