Bioquímica

La bioquímica estudia la base molecular de la vida. En los procesos vitales interaccionan

un gran número de substancias de alto peso molecular o macromoléculas con compuestos

de menor tamaño, dando por resultado un número muy grande de reacciones

coordinadas que producen la energía que necesita la célula para vivir, la síntesis de todos

los componentes de los organismos vivos y la reproducción celular.

Al conjunto de reacciones que suceden dentro de los seres vivos se le llama metabolismo.

Actualmente se conoce a detalle la estructura tridimensional de las macromoléculas de

mayor importancia biológica, los ácidos nucleicos y las proteínas, lo que ha permitido

entender a nivel molecular sus funciones biológicas.

Gracias al conocimiento de la estructura de los ácidos nucleicos, se esclarecieron los

mecanismos de transmisión de la información genética de generación a generación, y

también los mecanismos de expresión de esa información, la cual determina las

propiedades y funciones de las células, los tejidos, los órganos y los organismos

completos.

Conocer a detalle la estructura de varias proteínas ha sido muy útil en la elucidación de los

mecanismos de las reacciones enzimáticas. Prácticamente todas las reacciones que

integran el metabolismo son reacciones enzimáticas.

El tipo de especie química y los mecanismos de acción que intervienen en el

almacenamiento, replicación y transferencia de la información genética, así como las

reacciones que forman el metabolismo son prácticamente idénticas, desde las bacterias

hasta los organismos superiores. No todas las células contienen y expresan la misma

información, pero las reacciones que sí llevan a cabo, utilizan enzimas practicamente

idénticas. De hecho las diferencias y similitudes entre ellas se han utilizado para establecer

la secuencia de aparición de las especies. Los virus tienen algunas variantes, por ejemplo;

los cromosomas de los retrovirus están constituidos por moléculas de ARN y en algunos

fagos (virus que atacan a las bacterias) tienen ADN de una sola cadena. Los virus no

cuentan con un metabolismo que les permita vivir en forma autónoma, sólo se pueden

reproducir y expresarse dentro de las células que invaden.

Las reacciones que constituyen el metabolismo están localizadas en determinadas

estructuras celulares que forman unidades discretas que se llaman organelos. Las

reacciones se llevan a cabo en los lugares en donde se encuentran las enzimas que las

catalizan. La célula no es un saco sin estructura, sino que es un sistema muy complejo y

altamente organizado. En la subsección 1.1.2, denominada Citología, se encontrará la

descripción de las estructuras celulares.

En seguida vamos a presentar la información más relevante, para la toxicología, sobre las

macromoléculas biológicas en lo que se refiere a su estructura y función. Frecuentemente

se mencionará la localización dentro de la célula de los sitios donde se sintetizan y actúan.

La bioquímica es la ciencia que estudia los componentes químicos de los seres vivos,

especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras

pequeñas moléculas presentes en las células. La bioquímica se basa en el concepto de que

todo ser vivo contiene carbono y en general las moléculas biológicas están compuestas

principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Es la ciencia

que estudia la mismísima base de la vida: las moléculas que componen las células y los

tejidos, que catalizan las reacciones químicas de la digestión, la fotosíntesis y la

inmunidad, entre otras.

Historia de la bioquímica

En 1828 Friedrich Wöhler publicó un artículo acerca de la síntesis de urea, probando que

los compuestos orgánicos pueden ser creados artificialmente, en contraste con la

creencia, comúnmente aceptada durante mucho tiempo, que la generación de estos

compuestos era posible sólo en el interior de los seres vivos. Desde entonces, la

bioquímica ha avanzado, especialmente desde la mitad del siglo XX con el desarrollo de

nuevas técnicas como la cromatografía, la difracción de rayos X, marcaje por isótopos y el

microscopio electrónico. Estas técnicas abrieron el camino para el análisis detallado y el

descubrimiento de muchas moléculas y rutas metabólicas de las células, como la glucólisis

y el ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido cítrico).

Hoy, los avances de la bioquímica son usados en cientos de áreas, desde la genética hasta

la biología molecular, de la agricultura a la medicina. Probablemente una de las primeras

aplicaciones de la bioquímica fue la producción de pan usando levaduras, hace 5.000 años.

El pilar fundamental de la investigación bioquímica se centra en las propiedades de las

proteínas, muchas de las cuales son enzimas. Por razones históricas la bioquímica del

metabolismo de la célula ha sido intensamente investigado, en importantes líneas de

investigación actuales (como el Proyecto Genoma, cuya función es la de identificar y

registrar todo el código genético humano), se dirigen hacia la investigación del ADN, el

ARN, la síntesis de proteínas, la dinámica de la membrana celular y los ciclos energéticos.

Proteínas

Las proteínas son macromoléculas que tienen múltiples funciones en el organismo;

controlan las condiciones fisicoquímicas dentro de la célula, forman parte de las

estructuras celulares y sobre todo catalizan prácticamente todas las reacciones que tienen

lugar en la célula, y en este caso se les denomina Enzimas.

La presencia de una enzima y su concentración en un compartimento biológico dado,

determina la capacidad de ese compartimento de llevar a cabo una reacción bioquímica y

la velocidad a la cual tiene lugar.

Se conoce a detalle la estructura de varias proteínas, así como la relación que existe entre

esa estructura y la función de varias de ellas. Se conoce también la cinética y los

mecanismos de un número considerable de reacciones enzimáticas.

Estructura. Las unidades estructurales de las proteínas son los aminoácidos. Todas las

proteínas están construidas a partir del mismo conjunto de 20 aminoácidos. El carbono

alfa, enmarcado en azul en la figura que sigue, de todos los aminoácidos sostiene un

grupo amino, un grupo carboxilo y el residuo característico de cada aminoácido.

Figura 1.1.1.A- Estructura de un Aminoácido.

Ácidos nucleicos

De acuerdo a la composición química, los ácidos nucleicos se clasifican en ácidos

desoxiribonucleicos (ADN) que se encuentran residiendo en el núcleo celular y algunos

organelos, y en ácidos ribonucleicos (ARN) que actúan en el citoplasma. Se conoce con

considerable detalle la estructura y función de los dos tipos de ácidos.

Estructura. El conocimiento de la estructura de los ácidos nucleicos permitió la elucidación

del código genético, la determinación del mecanismo y control de la síntesis de las

proteínas y el mecanismo de transmisión de la información genética de la célula madre a

las células hijas.

A las unidades químicas que se unen para formar los ácidos nucleicos se les denomina

nucleótidos y al polímero se le denomina polinucleótido o ácido nucleico.

Los nucleótidos están formados por una base nitrogenada, un grupo fosfato y un azúcar;

ribosa en caso de ARN y desoxiribosa en el caso de ADN.

Las bases nitrogenadas son las que contienen la información genética y los azúcares y los

fosfatos tienen una función estructural formando el esqueleto del polinucleótido.

En el caso del ADN las bases son dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A (Adenina)

y G (Guanina). Las pirimidinas son T (Timina) y C (Citosina) . En el caso del ARN también

son cuatro bases, dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A y G y las pirimidinas son

C y U (Uracilo).

Figura 1.1.1.D.-Estructura de las Bases Nitrogenadas.

Las bases se unen al carbono 1' del azúcar y el fosfato en el carbón 5' para formar el

nucleótido.

Figura 1.1.1.E.-Estructura de un Nucleótido.

Metabolismo

Todas las formas de vida están basadas en prácticamente las mismas reacciones

bioquímicas. Cada uno de los compuestos que se generan en este conjunto de reacciones

se le denominan compuestos endógenos o metabolitos y al conjunto de todas las

reacciones que suceden en una célula se le denomina metabolismo.

Las bacterias y los animales superiores usan:

• básicamente las mismas reacciones para producir la energía que necesitan para

sostener los procesos vitales,

• los mismos tipos de compuestos y mecanismos para construir sus macromoléculas

y

• los mismos conjuntos de reacciones para sintetizar los compuestos que

intervienen en las diferentes reacciones bioquímicas.

Se puede generalizar diciendo que todas las células tienen básicamente el mismo

metabolismo, aunque obviamente hay diferencias entre ellas.

Algunas células tienen mayor capacidad bioquímica que otras:

• hay bacterias que sintetizan todos sus metabolitos a partir de compuestos

inorgánicos y se les denomina autótrofos. Las células vegetales también pueden

vivir a base de solo precursores inorgánicos.

• hay microorganismos que necesitan que en el medio de cultivo existan fuentes de

carbono orgánico (azúcares) y se les denomina heterótrofos,

• otros microorganismos necesitan que se les suministren además otros compuestos

orgánicos que ellos no tienen la capacidad de sintetizar (a estos compuestos se les

denomina factores de crecimiento)

• las células de los animales necesitan un gran número de compuestos preformados

los cuales deben estar en la dieta (se le denominan vitaminas, aminoácidos

esenciales o ácidos grasos esenciales).

En el proceso de diferenciación celular, durante la formación de un nuevo organismo, las

distintas células que constituyen el embrión se especializan y sólo expresan parte de la

información genética que contienen pasando a formar los distintos tejidos y órganos.

El conjunto de reacciones que suceden en forma secuencial y que dan lugar a un

compuesto o a una función integran un camino metabólico y se le da un nombre

específico. Por ejemplo, 1) la glicólisis, es el camino metabólico por medio del cual se

oxidan los azúcares produciendo piruvato y equivalentes reducidos NADH; 2) la

transformación de la acetil-coenzima A, proveniente de la descarboxilación del piruvato o

de la beta-oxidación de los ácidos grasos, en anhídrido carbónico y equivalentes reducidos

se le denomina ciclo de Krebs; 3) la transferencia de electrones de los equivalentes

reducidos hasta el oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP, se le llama cadena

de transporte de electrones o fosforilación oxidativa. Este último proceso está formado

por un conjunto de enzimas complejas que catalizan varias reacciones de óxido-reducción,

donde el oxígeno es el aceptor final de electrones.

Figura 1.1.1.J.- Metabolismo Energético.

Citología

Las células son las unidades funcionales de todos los organismos vivos. Contienen una

organización molecular y sistemas bioquímicos que son capaces de:

• almacenar información genética,

• traducir esa información en la síntesis de las moléculas que forman las células

• producir la energía para llevar a cabo esta actividad a partir de los nutrimentos que

le llegan

• reproducirse pasando a su progenie toda su información genética.

Las células son capaces de adaptarse a cambios en su ambiente alterando su metabolismo

y cuando esos cambios son mayores que los tolerables se pueden producir daños

permanentes llegando hasta producir la muerte celular. Ejemplos de estos cambios

permanentes son los daños ocacionados por los tóxicos.

Algunas células viven en forma independiente, llevan a cabo todas las actividades vitales y

se les conoce como organismos unicelulares. Ejemplos de organismos unicelulares son las

bacterias, los protozoarios, algunas algas y hongos unicelulares (como las levaduras).

En otros casos las células se agrupan en conjuntos especializados, los tejidos y órganos, los

cuales realizan determinadas funciones específicas y en su conjunto constituyen un

individuo multicelular. Los organismos multicelulares superiores, como las plantas y los

animales, pueden estar formados por miles de millones de células (Figura 1.1.2.A.)

El tamaño de las células de los organismos unicelulares puede variar desde cilindros o

esferas con dimensiones en el rango de una micra, como las bacterias, hasta glóbulos de

varios centímetros de diámetro, como los huevos de aves que son una sola célula.

Las células de los animales superiores tienen diámetros en el orden de decenas de micras

y en el caso de las plantas hay células de más de 100 micras de longitud. Las células del

sistema nervioso pueden tener filamentos de hasta un metro de longitud.

Las células de los organismos multicelulares que se reproducen sexualmente provienen de

una sola célula, el huevo fecundado. Todas las células tienen la misma información

genética. Durante el período embrionario, cuando entran en el proceso de diferenciación

celular, en algunas células sólo se expresa parte de esa información y cambian de

morfología y bioquímica, dando lugar a los diferentes órganos que conforman el

organismo. Son muy diferentes las células que forman el sistema nervioso, de las células

del hígado o las de los músculos o el corazón aunque contengan exactamente la misma

información genética.

Figura 1.1.2.A.- Representación Esquemática de una Célula.