El estudio de la bioquímica

    La bioquímica es la parte de la química que se encarga de la estructura y la función de los distintos componentes químicos de los seres vivos (proteínas, glúcidos, lípidos y ácidos nucleicos). Estudia además todos los procesos que ocurren en los microorganismos, en las plantas y en los animales, cambios químicos destinados principalmente a obtener energía y elementos básicos para la formación de sus componentes gracias a la transformación de los nutrientes. Estos procesos químicos, que reciben el nombre genérico de metabolismo, están controlados por una serie de sustancias orgánicas denominadas enzimas, elaboradas por las células.

    La bioquímica no sólo se encarga de investigar aspectos fundamentales de la nutrición o de la genética. También ayuda a entender muchos de los aspectos relacionados con la medicina como son los cambios químicos que ocurren en las enfermedades o el modo en que actúan los medicamentos.

    Es una ciencia estrechamente relacionada con otras como la química o la fisiología, con las que se entrelaza. A su vez tiene una gran influencia en áreas más especializadas como la biología celular, en la cual se estudia la célula, sus distintas partes y la relación de las células y con el entorno. También interviene en la genética, en la que se trabaja con la estructura del ADN y del ARN.

    Por su parte, la bioquímica clínica abarca el estudio de distintos parámetros sanguíneos (como la glucosa o el colesterol) que permiten valorar el estado de salud o de enfermedad, y la inmunología se interesa por la respuesta de los organismos frente a agentes externos (bacterias, virus, parásitos). Ambas están íntimamente relacionadas con la bioquímica general, como también la farmacología, ciencia y técnica que estudia los cambios en los procesos metabólicos del organismo, causados por el empleo de ciertas sustancias.

    Antecedentes históricos

    Hasta comienzos del siglo XX, la bioquímica no comenzó a considerarse una ciencia independiente. Sin embargo, sus orígenes se remontan mucho más atrás. Ya durante el Renacimiento, el genio polifacético Leonardo da Vinci sugirió la idea de que la nutrición animal es un proceso similar al de la combustión de un motor. Tal es probablemente una de las primeras ideas «bioquímicas»: la importancia del aire en el proceso de transformación de los alimentos dentro de los organismos vivos.

    Similarmente, antes de que la química tuviera una importancia clave en la medicina o en la agricultura, ya había desarrollado un campo de actuación independiente. Durante los siglos XVII y XVII, los trabajos precursores de diversos investigadores y pensadores cimentaron los principios de una futura química científica. En torno a 1780, el francés Antoine-Laurent de Lavoisier completó sus principales desarrollos, que han llevado a considerarle «padre de la química». Entre otras cosas, demostró que los animales necesitan oxígeno para sus funciones vitales y comprobó que la respiración es en realidad un proceso de oxidación química. Paralelamente, a finales del siglo XVIII, los científicos empezaron a investigar otro fenómeno biológico: la fotosíntesis. Para muchos historiadores, estos dos acontecimientos supusieron el verdadero inicio del pensamiento bioquímico.

    Estudio comparativo del cuero cabelludo y una cebolla, de Leonardo da Vinci. El interés del genial Leonardo por el cuerpo humano le llevó a concluir uno de los primeros principios bioquímicos: que el hombre necesita el aire no sólo para respirar sino también para transformar los alimentos en su interior.

    A pesar de este descubrimiento temprano, la bioquímica tuvo que esperar para su florecimiento al desarrollo de disciplinas como la química orgánica, uno de los principales avances científicos del siglo XIX. Un organismo vivo tiene miles de sustancias diferentes y era necesario el conocimiento previo de la estructura molecular de las sustancias presentes en las células para investigar los mecanismos por los cuales estas sustancias se elaboran y se destruyen. Es decir, era necesario realizar avances en la química orgánica para poder estudiar las transformaciones químicas que experimentan estos componentes en la célula. Las dos ciencias, química y bioquímica, guardan pues una relación muy estrecha, dado que la bioquímica utiliza métodos y teorías de la química orgánica estructural para resolver y entender conceptos fisiológicos.

    El conocimiento del cuerpo humano a sus niveles más complejos no sería posible sin la bioquímica. Ésta relaciona los compuestos químicos con el funcionamiento del cuerpo humano en todos sus niveles.

    No obstante, el desarrollo enlazado de ambas disciplinas se vio frenado por un concepto erróneo. Se pensaba que las transformaciones y los procesos que ocurrían en los seres vivos no estaban sujetos a las mismas leyes físicas y químicas que se aplicaban a las sustancias inanimadas. Por ello el fenómeno de la vida no podía describirse en los términos químicos o físicos habituales. Esta idea era mantenida por quienes creían que los componentes naturales que forman parte de los seres vivos jamás podrían sintetizarse por procesos químicos rutinarios. Sin embargo, en 1828, Friedrich Wöhler fue capaz de obtener en el laboratorio el primer compuesto orgánico, la urea. El éxito de los químicos orgánicos en la síntesis de numerosos productos naturales tuvo gran repercusión y de hecho, la bioquímica moderna se apoya en la idea básica de que las leyes químicas que sirven para los compuestos inanimados son igualmente válidas para los procesos que ocurren en los seres vivos.

    En el siglo XIX, médicos, agricultores y quienes comenzaban a trabajar con la posibilidad de que determinadas sustancias externas pudieran emplearse para modificar procesos internos (inicio de la actual farmacología) sirvieron de estímulo para la aplicación de los nuevos descubrimientos químicos. También propiciaron la aparición de nuevas necesidades de investigación.

    En aquella época vivieron dos personajes claves en la aplicación a la biología de los avances químicos. Justus von Liebig se convirtió en uno de los primeros profesores e investigadores que usó las nuevas ideas químicas en el terreno de la biología. Además, se erigió en figura de referencia para centenares de estudiantes y científicos, después de describir los ciclos químicos naturales más importantes.

    Determinó, por ejemplo, que los animales necesitan para su alimentación compuestos orgánicos complejos que solamente pueden ser sintetizados por las plantas mediante fotosíntesis. Para este proceso, las plantas solamente necesitan minerales, dióxido de carbono y luz solar. Supo ver asimismo que este proceso se completa cuando los productos de desecho que producen los animales, e incluso el cuerpo de éstos después de su muerte, se transforman por mecanismos de degradación en compuestos simples aprovechables únicamente por las plantas.

    Por otra parte, el francés Louis Pasteur demostró en 1860 que las bacterias producen determinadas sustancias que provocan procesos químicos responsables de la putrefacción y, en algunos casos, son responsables de enfermedades. Observó también la importancia de estudiar estos organismos mediante métodos químicos.

    En 1833, Anselme Payen, compatriota del anterior, había sido el primero en descubrir que algunas sustancias, posteriormente denominadas enzimas, favorecen la transformación de un compuesto en otro. En 1926 se aisló sintéticamente la primera enzima y desde entonces se sucedieron los descubrimientos esenciales. Se comprobó que la estructura compleja de las proteínas está formada por pequeños eslabones denominados aminoácidos y que muchas vitaminas son esenciales para la vida, ya que participan como enzimas en numerosas reacciones químicas a escala celular.

    Desde la mitad del siglo XX y merced al desarrollo de nuevas técnicas de investigación, los avances han sido espectaculares. Algunos de ellos de especial interés fueron la síntesis química de la primera proteína y el conocimiento detallado de un amplio número de mecanismos de regulación metabólica.

    Estudios bioquímicos

    Los trabajos actuales en bioquímica parten de la idea de que las capacidades y los procesos que tienen lugar en un organismo multicelular pueden explicarse mediante el estudio de lo que ocurre en cada una de las células. El comportamiento de cada célula debe entenderse en relación a su estructura y a los cambios químicos que suceden en ella.

    Louis Pasteur puede ser considerado como uno de los padres de la bioquímica al descubrir el papel que juegan algunos organismos vivos (bacterias) en procesos químicos como la putrefacción.

    Los bioquímicos actuales intentan pues realizar una descripción de la vida a escala molecular. Procesos como la reproducción, el crecimiento o la herencia también están siendo estudiados desde el punto de vista bioquímico. Cuando se conozcan en profundidad los cambios químicos que tienen lugar en las células, se tendrá un conocimiento extenso del proceso de la vida. Sin embargo, este proceso es lo suficientemente complejo como para pensar que la ciencia no será capaz de resolverlo en un futuro cercano.

    Composición química de la materia viva

    Uno de los principales campos de estudio de la bioquímica es el de la composición química de la materia viva. Todas las células vivas contienen agua, minerales y sustancias o compuestos orgánicos. Estos últimos pueden dividirse en cuatro grandes grupos: proteínas, glúcidos (hidratos de carbono), lípidos (o grasas) y ácidos nucleicos. Cada uno de los grupos está formado a su vez por una gran variedad de sustancias y existen algunos compuestos que no pueden encuadrarse dentro de ninguno de los apartados descritos.

    Presencia de compuestos orgánicos e inorgánicos (minerales) en el cuerpo masculino y femenino.

    Proteínas. Las proteínas son fundamentales para la vida. Tienen funciones estructurales (por ejemplo, el colágeno presente en la piel, los tendones o los huesos) y defensivas frente a agentes infecciosos (los anticuerpos son proteínas) y participan en la mayor parte de las reacciones químicas del organismo (enzimas, hormonas).

    A finales del siglo XIX, Hermann Emil Fischer demostró que las proteínas son moléculas muy grandes formadas por pequeños eslabones llamados aminoácidos. Hoy se sabe que existen 24 aminoácidos diferentes. Las proteínas tienen tamaños muy variables, y algunas pueden ser hasta 200 veces mayores que otras.

    La primera proteína cuya secuencia de aminoácidos fue descifrada completamente fue la insulina. Durante la segunda mitad del siglo XX, muchos estudios bioquímicos, algunos de ellos merecedores del Premio Nobel de fisiología o medicina, se han dirigido al estudio de la estructura interna de las proteínas, aspecto fundamental en la actividad biológica de estas moléculas.

    Glúcidos. Dentro de los glúcidos, también llamados hidratos de carbono o carbohidratos, se incluyen sustancias como la glucosa, el almidón o la celulosa. El metabolismo de estas sustancias comenzó a comprenderse en la primera mitad del siglo XX. Se estudiaron sus ciclos químicos en los cuales se produce su degradación con la consiguiente obtención, utilización y almacenamiento de energía (ciclo de Krebs, por ejemplo). Asimismo se descubrió la implicación de los azúcares en los procesos de respiración y en la contracción muscular.

    Lípidos. Los lípidos o grasas están formados por un grupo complejo de sustancias. Ya en la mitad del siglo XIX se conocía que el cuerpo transforma los glúcidos en grasa. Más tarde se demostró este hecho y se comprobó que se trata de un proceso que sucede continuamente.

    El principal órgano que participa en el metabolismo de los lípidos es el hígado, lo que lo ha convertido en objeto de estudio de muchos bioquímicos aunque no en el único. Las alteraciones en el metabolismo de los lípidos pueden provocar obesidad o arterioesclerosis, por ejemplo, lo que ha llevado a no pocos bioquímicos a estudiar los procesos de absorción de las grasas en el intestino, la función del páncreas, etcétera.

    Ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos son moléculas de gran tamaño que se encuentran en todas las células de los organismos vivos, incluidos los virus. Resultan imprescindibles en la síntesis de proteínas y en el paso de la información hereditaria de una generación a otra.

    En un principio se pensaba que los ácidos nucleicos sólo estaban presentes en el núcleo de la célula, y de ahí su nombre. Sin embargo, hacia la mitad del siglo XIX se comprobó que existían dos tipos diferentes de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN), que se encuentra en el núcleo de la célula y en algunos virus, y el ácido ribonucleico (ARN) localizado en el citoplasma de todas las células y en gran parte de los virus. En la parte final del siglo XX, el estudio de estos componentes y su manipulación en el laboratorio han permitido, entre otros, la fecundación de embriones in vitro.

    Nutrición y digestión

    Otro campo que ha suscitado gran interés dentro del terreno de la bioquímica es el de cómo los compuestos químicos de los alimentos se transforman para permitir a los organismos vivos desarrollar sus funciones vitales. Es decir, el ser humano, por ejemplo, necesita agua, minerales y materia orgánica en su dieta; ésta debe ser suficiente y equilibrada para satisfacer las necesidades energéticas y tanto los glúcidos como los lípidos y las proteínas pueden utilizarse para este fin.

    No obstante, los alimentos no sólo deben aportar energía ya que los organismos también tienen necesidades específicas frente a determinados compuestos orgánicos. Así, muchos animales requieren ciertos ácidos grasos, algunos aminoácidos (llamados aminoácidos esenciales, que no pueden sintetizarse) y ciertas vitaminas. Las necesidades nutricionales de las distintas especies son similares, pero no siempre iguales; por ejemplo, el ser humano y la cobaya necesitan vitamina C, al contrario que la rata. Las plantas verdes, por otra parte, pueden sintetizar todos los materiales necesarios para sus células a partir de sustancias simples, dióxido de carbono, agua, minerales y una fuente de nitrógeno mediante el proceso de fotosíntesis.

    Proceso metabólico de transformación de alimentos ingeridos en energía útil para el cuerpo humano.

    Pese a las diferencias en los requerimientos nutricionales entre las plantas y los animales, los procesos químicos que tienen lugar en las células son muy similares. La única diferencia reside en que las plantas son capaces de elaborar todas las sustancias que necesitan y los animales no; sin embargo, una vez formadas se procesan de modo semejante.

    Estas cuestiones y las referentes a la composición de los alimentos y su posterior transformación han sido investigadas por los bioquímicos. Así se sabe que los alimentos están formados por moléculas y que éstas, en el aparato digestivo, se descomponen para obtener sus componentes básicos. Las proteínas se convierten en aminoácidos y los azúcares complejos en unidades sencillas. A partir de estas unidades básicas, los organismos superiores elaboran sus propias estructuras.

    Composición de la sangre humana. Las enzimas ayudan a degradar los alimentos ingeridos en componentes que luego serán transportados por la sangre hasta las células. Allí, estos componentes serán utilizados para generar energía que permita llevar a cabo distintas actividades vitales.

    Ahora bien, en este proceso, es necesario que el alimento sólido se transforme en sustancias solubles para su absorción; para conseguir dicha transformación es necesario que operen enzimas, sustancias encargadas de acelerar los procesos bioquímicos. Una vez triturado el alimento y separado en sus componentes básicos, es absorbido por los vasos del intestino y distribuido por la sangre y la linfa por todo el organismo. Todo este proceso se basa en transformaciones bioquímicas cuya comprensión es necesaria para la aplicación práctica de especialidades como la medicina.

    Otros campos de interés

    Además de los ya reseñados, existen otros campos que son de especial interés para la bioquímica. Entre ellos, cabe destacar las hormonas y la genética.

    Hormonas. Se llama hormonas a las sustancias encargadas de regular el metabolismo. El estudio bioquímico de las hormonas se encamina en tres direcciones principales: conocer sus efectos fisiológicos, definir su estructura química y explicar su mecanismo de actuación. Las investigaciones actuales han permitido determinar la función exacta de cada una de ellas mientras que en el plano estructural, se ha logrado establecer la forma espacial de gran parte de las hormonas humanas. En cuanto a los mecanismos de acción, hoy en día se sabe que algunas modifican la permeabilidad de las membranas, otras controlan la síntesis de determinadas enzimas y unas más modifican la actividad de determinados genes.

    Genética. La genética, aunque habitualmente considerada como una rama de la medicina, en realidad no puede ser desasociada de la bioquímica. Uno de los acontecimientos más importantes de la investigación biológica reciente ha sido el descubrimiento, precisamente, de la estructura química de los genes. Se ha determinado cómo se realizan copias o duplicados de los mismos y el modo en que el ADN del núcleo provoca la síntesis de ARN, que tiene entre sus funciones el control de la síntesis de proteínas y enzimas.

    Por otra parte, durante la segunda mitad del siglo XX se empezó a comprender el mecanismo químico de la transmisión de las características genéticas. Así, ya es posible conocer más acerca de la evolución de las especies mediante el estudio comparativo de la estructura de determinadas proteínas, como de la hemoglobina. Gracias a ello, es posible que los estudios bioquímicos puedan ayudar a esclarecer la cuestión del origen de la vida.

    Bioquímica aplicada

    Evidentemente, como toda ciencia, la bioquímica no puede permanecer como un campo meramente teórico sino que debe trasladar sus conocimientos a la práctica. Esto se ha realizado a lo largo de todo el siglo XX, siendo de especial interés sus aplicaciones médicas. De hecho, uno de los primeros objetivos de la bioquímica fue el de aportar una serie de métodos científicos que permitieran determinar las concentraciones de ciertos componentes de la sangre, comprobándose posteriormente que los niveles alterados de estos componentes tienen una correspondencia con enfermedades metabólicas.

    Actualmente, las pruebas bioquímicas realizadas en los laboratorios a partir de muestras de sangre o de orina constituyen un elemento fundamental para los médicos en el diagnóstico y tratamiento de numerosas enfermedades siendo una disciplina indispensable en los hospitales. Por ejemplo, la determinación de las concentraciones de glucosa en sangre es fundamental en el diagnóstico y control de la diabetes; los valores de urea reflejan la funcionalidad del riñón o los niveles de bilirrubina pueden estar alterados en enfermedades hepáticas.

    Una vez descubiertas las enzimas, su determinación en sangre también ayuda en numerosos diagnósticos clínicos: la fosfatasa alcalina está incrementada en enfermedades óseas o hepáticas y la amilasa, en inflamaciones del páncreas. Las distintas proteínas de la sangre pueden separarse y cuantificarse, lo que ayuda al diagnóstico de algunos tipos de tumores.

    Se han desarrollado numerosas técnicas especializadas, con sus aparatos correspondientes, que permiten la determinación rutinaria y automática de muchos de los componentes de la sangre. Ello ha permitido avances médicos muy importantes.

    Cristales de hemoglobina. El análisis estructural de la hemoglobina, una proteína, permite el estudio de la evolución de las especies.

    También el desarrollo de fármacos necesita apoyarse en estudios bioquímicos. Las nuevas sustancias deben ser ensayadas en animales y en personas para observar tanto los efectos beneficiosos como aquéllos potencialmente perjudiciales o tóxicos. Los conocimientos bioquímicos permiten diseñar fármacos concretos y específicos para obtener acciones determinadas, controlando que no alteren otros procesos metabólicos.

    Sin embargo, la bioquímica no sólo está relacionada con el campo de la medicina. Sus métodos analíticos también se han aplicado a la industria de los alimentos y un buen número de investigaciones, por ejemplo, se centran en encontrar mecanismos para mantener las vitaminas, el color y el sabor de los alimentos conservados que, con frecuencia, se pierden con el paso del tiempo.

    Técnicas bioquímicas

    En muchas ocasiones, las investigaciones bioquímicas necesitan instrumentos y técnicas complejos. En un principio, el estudio de los procesos que tienen lugar en los organismos vivos consistía en el análisis de las sustancias que entran en el organismo (oxígeno y alimentos) y las que salen (productos de desecho, dióxido de carbono).

    Posteriormente, los estudios adoptaron formas más complejas para intentar observar los productos de entrada y salida de un órgano concreto. Hoy en día, es relativamente sencillo mantener y estudiar fragmentos de un determinado tejido en medios fisiológicos artificiales fuera del organismo, en los llamados cultivos celulares. Incluso en muchos trabajos e investigaciones se aíslan las distintas partes de la célula (núcleos, membranas, mitocondrias, etc.) y se llega al conocimiento de la estructura y función de las enzimas y de otras sustancias químicas en un intento de describir con mucho más detalle todo el proceso químico. A continuación se describirán sucintamente varias técnicas bioquímicas comunes. Éstas reciben los nombres de centrifugación, electroforesis, cromatografía y empleo de isótopos.

    Proceso de la electroforesis. Tras aplicarse un gel a un cultivo (en este caso con ADN), se aplica un campo eléctrico, provocando la separación de los fragmentos del ADN según su tamaño molecular. Dichos fragmentos adoptan entonces una disposición en bandas de color brillante que permiten su estudio.

    Centrifugación. Es una de las técnicas más empleadas en bioquímica y consiste en aplicar fuerzas de giro muy intensas a una mezcla de sustancias con el fin de separar sus distintos componentes basándose en sus diferentes pesos. Con esta técnica, por ejemplo, en la sangre se pueden separar los glóbulos rojos del plasma. Si se aplica una fuerza centrífuga todavía mayor (ultracentrifugación) se pueden distinguir unas proteínas de otras en una mezcla compleja.

    Electroforesis. Esta técnica se basa en la propiedad de las moléculas biológicas de poseer una carga eléctrica, un hecho útil para su separación y análisis. Así, las proteínas tienen cargas positivas o negativas dependiendo de las características del medio en el cual se encuentren disueltas. Si al medio se le aplica un campo eléctrico, las distintas proteínas se moverán hacia el lado positivo o negativo de modo diferente, lo que permitirá su separación. Con este método también se puede determinar la pureza de una proteína, observando si una solución sólo contiene una proteína o una mezcla.

    Cromatografía. Algunas sustancias pueden disolverse en agua mientras que otras lo hacen en otros compuestos (por ejemplo, alcohol). Tal es la base de la cromatografía, una técnica que aprovecha la diferente solubilidad de las sustancias para su análisis. Con este principio físico y complejos aparatos se han conseguido separar e identificar sustancias orgánicas muy similares. Por ejemplo, se ha identificado la composición exacta de los aminoácidos de determinadas proteínas. A diferencia de la electroforesis, la cromatografía puede aplicarse a compuestos biológicos muy diferentes, lo que ha contribuido de modo muy notable a las investigaciones bioquímicas.

    Isótopos. Quizá el uso de isótopos (elementos radiactivos) haya sido la técnica más importante para descifrar la gran complejidad y dificultad de los procesos metabólicos. Los isótopos se usan para «marcar» distintos compuestos biológicos y así seguir sus pasos en las distintas rutas metabólicas.