Bioquímica - Historia, Ramas, Métodos de Estudio e Importancia

La bioquímica es la ciencia encargada del estudio de la composición química de los seres vivos y de las reacciones esenciales para los procesos vitales. Tiene su enfoque en los componentes orgánicos, en las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, así como en otras moléculas más complejas presentes en la célula. Esta disciplina se basa en el estudio de las reacciones químicas protagonizadas por estos compuestos, es decir, en la metabolización de los mismos.

Estas reacciones, a su vez, pueden clasificarse como catabólicas o anabólicas. Las reacciones catabólicas son aquellas caracterizadas por la transformación de moléculas complejas en otras más simples con el fin de producir energía, la cual luego es almacenada en forma de ATP (Adenosín Trifosfato o Trifosfato de Adenosina).

Por su parte, las reacciones anabólicas se caracterizan por la síntesis de componentes celulares molecularmente complejos  a partir de precursores de bajo peso molecular, siendo un proceso que en lugar de producir, consume energía, es decir, ATP. El proceso de creación de moléculas complejas a partir de otras más simples también se conoce con el nombre de biosíntesis.

Con base en la idea de que todos los seres vivos están compuestos principalmente por carbono, aunque además por moléculas como hidrógeno, nitrógeno, azufre y fósforo; la bioquímica estudia la base químico-molecular de los seres orgánicos y los tejidos que integran su estructura. Es en los tejidos donde la bioquímica encuentra verdaderamente su campo de estudio, pues es en éstos donde tienen lugar los procesos catabólicos enzimáticos y las reacciones químicas que forman parte del metabolismo celular, como la fotosíntesis de las plantas, la digestión celular o los procesos inmunológicos de los animales.

Desde su campo de trabajo molecular, y gracias a que es una ciencia integradora cuyo enfoque es el estudio de las biomoléculas y los biosistemas que éstas constituyen, la bioquímica aporta muchos de sus conocimientos a diferentes áreas de las ciencias de la salud.

Entre las ramas médicas que más se han visto afectadas por los hallazgos de la bioquímica se encuentran la genética, la anatomía patológica, la oncología y la inmunología. Además, el estudio de esta ciencia ha cambiado el paradigma de la medicina en muchas de sus áreas fundamentales, como lo son la fisiología, la fisiopatología, la histología y la farmacología.

No sólo la medicina se ha visto afectada por el estudio de la bioquímica, otras ciencias también han incluido los conocimientos de esta ciencia a sus prácticas e investigaciones, como la biología, la agronomía (especialmente en el área de la agroalimentación), la biofísica, la biología celular y la microbiología, por ejemplo.

El origen etimológico del término “bioquímica” parte del punto de que éste está compuesto a su vez por dos vocablos: “bios”, vida en griego, y química. La palabra “química” probablemente deriva de “alquímia”, y ésta a su vez, del vocablo árabe “al-kīmīā”, el cual tiene un origen egipcio y cuyo significado es “fusionar”. Así, en sentido estrictamente etimológico, el término bioquímica significaría “fusión de la vida”, reflejando así su interés en las reacciones químico-biológicas que ocurren en los seres orgánicos.

Historia de la Bioquímica

La bioquímica tiene sus raíces en el siglo XIX, cuando buena parte de los estudios químicos y biológicos encontraron semejanza y se entrelazan para formar esta disciplina integradora. No obstante, la aplicación de la bioquímica como tal probablemente date de hace más de 5000 años, cuando se inició la producción de pan utilizando levaduras, a través de la fermentación (proceso catabólico de oxidación incompleta que produce un compuesto orgánico sin requerir oxígeno).

Sin embargo, el origen de la bioquímica como ciencia se remonta al año 1828, cuando el científico alemán Frederik Wohler descubrió que la urea, una molécula biológica, puede ser sintetizada por un elemento sin vida, por medio del calentamiento de un compuesto inorgánico como lo es el cianato amónico. Este hallazgo abrió las puertas para el análisis de las reacciones metabólicas y así, al estudio posterior de los procesos bioquímicos in vitro.

A partir de entonces, a lo largo del siglo XX se realizaron diversos descubrimientos de gran importancia para el avance de las biociencias en particular. Por ejemplo, en 1933, los químicos franceses Anselme Payen y Jean-François Persoz descubrieron la primera enzima: la diastasa, una sustancia proteica con función catalizadora, es decir, de aceleración de los procesos químicos.

Durante la segunda mitad de este siglo, el interés científico se centró fuertemente en los estudios bioquímicos. Entre 1950 y 1975 se determinaron con mayor precisión ciertas características del metabolismo celular, como la fosforilación oxidativa para la producción de ATP, descrita por Peter Dennis Mitchell; o el ciclo de Krebs, que consiste en una sucesión de reacciones químicas oxidativas sobre la enzima acetil-CoA con la finalidad de producir la liberación de energía almacenada, el cual fue descrito por el científico Hans Aldolf Krebs.

Posteriormente tuvo lugar la revolución científica que conllevó el descifrado del código genético, lo cual permitió entender de mejor manera las consecuencias de la expresión de los genes. Así, a finales de los años 60, los científicos Werner Arber, Daniel Nathans y Hamilton Smith descubren las enzimas de restricción, las cuales intervienen en la traducción genética al reconocer una secuencia específica de nucleótidos dentro del ADN (llamada sitio de restricción) para cortarlo en un punto exacto.

Luego, en 1972, los investigadores Mertz y Davis descubren la enzima ADN ligasa, cuya función es la unión de polinucleótidos a través de la creación de enlaces covalentes entre éstos. Entre 1975 y principios del siglo XXI, los avances científicos crecieron a paso acelerado: inició la secuenciación del ADN, se crearon vacunas y fármacos más eficaces, empezó el estudio de las células madre, y se descifraron muchos de los procesos que median la acción del sistema inmunológico. Otros avances fueron más revolucionarios, como la duplicación del genoma humano o la clonación exitosa del primer animal.

La bioquímica como ciencia estuvo presente en cada uno de los hechos históricos científicos antes descritos, siendo parte fundamental del alcance de los mismos. Sin embargo, esta ciencia continuó su avance en la historia, y ha sido protagonista en temas científicos de vanguardia, como el desarrollo de la bioinformática o la computación de sistemas complejos, una herramienta de gran importancia para el estudio de la conducta de los sistemas biológicos.

Otros hitos científicos modernos que involucran a la bioquímica son la creación artificial del primer cromosoma y de la primera bacteria con genoma sintético, así como la inducción de la conversión de una célula diferenciada a una célula madre pluripotencial.

Por supuesto que los antes mencionados no son los únicos avances científicos en los que ha colaborado la bioquímica, no obstante están entre los más resaltantes y sirven para ilustrar el impacto que ha tenido esta ciencia en la historia científica.

Ramas de la Bioquímica 

La bioquímica es una ciencia muy diversa, aplicable a una gran variedad de ramas científicas, y que ha ido evolucionando con el pasar del tiempo y al ritmo que marcan los avances de otras áreas, como la biología, la química y la física. La bioquímica clásica se enfoca en el estudio de las propiedades de las proteínas, muchas de las cuales son de carácter enzimático.

Sin embargo, existen disciplinas asociadas a la bioquímica que se dedican al estudio de moléculas específicas que nada tienen que ver con las proteínas, como la glucobiología y lipobiología, por ejemplo, las cuales se centran en el análisis de las propiedades biológicas de los carbohidratos y los lípidos respectivamente.

Actualmente, la bioquímica es mucho más diversa que en sus inicios, incluyendo la investigación de ácidos nucleicos (ADN y ARN), de la síntesis de proteínas, de los ciclos energéticos y de la dinámica de la membrana celular (o membrana plasmática), por ejemplo.

Entre las ramas más destacadas de esta ciencia se encuentran la bioquímica estructural, la química bioorgánica, la enzimología y la bioquímica metabólica. La bioquímica estructural está centrada en el estudio de la estructura química de las macromoléculas biológicas, prestando particular interés a los ácidos nucleicos y las proteínas para permitir la interpretación de las secuencias peptídicas, la determinación de su conformación tridimensional y conocer las posibles interacciones físico-químicas de los átomos que constituyen estas estructuras.

Por su parte, la química bioorgánica es la rama de la química que abarca el estudio de los compuestos orgánicos (que son aquellos que poseen en su estructura molecular enlaces covalentes tipo carbono-carbono y carbono-hidrógeno).

La química bioorgánica integra los principios de síntesis orgánica, de las reacciones metabólicas primarias y secundarias, de los mecanismos de reacción y reconocimiento celular, así como la biosíntesis y la diversidad química de todos los organismos vivos.

A su vez, la enzimología estudia el comportamiento de las enzimas, las cuales pueden ser proteicas o a partir de nucleótidos como el ARN. Finalmente, la bioquímica metabólica incluye el análisis de las diversas rutas metabólicas celulares, así como todas las reacciones bioquímicas vitales para la célula.

Aunque la inmunología no puede considerarse como una rama de la bioquímica, las influencias que recibe de ésta son innegables. La inmunología estudia el funcionamiento y las reacciones mediadas por el sistema inmunológico en los seres vivos, así como también las consecuencias de la interacción entre el organismo y agentes externos, generalmente patógenos, como los virus y las bacterias, aunque lo referente a estos organismos específicamente es campo de dos disciplinas asociadas a la inmunología y a la microbiología, como lo son la bacteriología y la virología respectivamente.

Relación de la Bioquímica con otras áreas

La bioquímica ejerce una gran influencia sobre otras ramas de la medicina además de la inmunología, principalmente sobre la endocrinología y la neurología. La endocrinología es la especialidad médica que estudia las secreciones internas de los seres vivos, llamadas hormonas, las cuales son producidas por células especializadas y tienen por finalidad ejercer algún tipo de influencia sobre la función de otras células y tejidos.

Con respecto a la neurología, la bioquímica interviene específicamente en una subdivisión de ésta, la neuroquímica, que se encarga del análisis y el estudio de los neurotransmisores, las moléculas orgánicas que intervienen en el funcionamiento y la comunicación neuronal.

Finalmente, la bioquímica tiene un papel protagónico en gran parte de las ramas biológicas de la ciencia. Encuentra aplicación en la biología celular (que indaga sobre la morfología y fisiología de las células eucariotas y procariotas) y es pilar fundamental de la biología molecular (que estudia los resultados de las interacciones de las macromoléculas intracelulares). En general, la bioquímica es una ciencia indispensable para el avance de casi todas las biociencias y cuyos conocimientos y estudio han sido invaluables para los grandes descubrimientos científicos desde el siglo XX hasta la actualidad.

Métodos de Estudio de la Bioquímica

Debido a que el campo de estudio de esta ciencia es a escala subcelular y, así mismo, que ésta es una ciencia experimental, la bioquímica se vale de numerosas técnicas, algunas propias y otras ajenas, para posibilitar su desarrollo y facilitar su aplicación.

Una de las diversas técnicas que utiliza la bioquímica es la centrifugación. Este método se realiza a través de una centrifugadora, una máquina capaz de separar los componentes sólidos de distinto peso molecular por medio de una fuerza giratoria (fuerza centrífuga).

Otra de las técnicas de uso frecuente en esta ciencia es la espectrofotometría, que consiste en la medición de cuánta luz es capaz de absorber una sustancia química al determinar cuánta luz logra atravesar, un parámetro que varía según la composición de la sustancia y que puede ser cuantificado. La cromatografía también es un método frecuente en la bioquímica, y se basa en la separación de los componentes de una sustancia (líquida o gaseosa) gracias al principio de adsorción selectiva y al hecho de que los fluidos se mueven a velocidades distintas a través de una sustancia porosa.

En el mismo sentido que las anteriores, la electroforesis permite la separación de las moléculas según su movilidad dentro de un campo eléctrico, siendo una técnica de gran utilidad en el estudio de esta ciencia.  Por su parte, la citometría de flujo es un método de estudio que utiliza tecnología biofísica al emplear una luz láser para clasificar células según sus características estructurales y la presencia de biomarcadores.

Finalmente, la espectrometría de masas es una técnica que, en función de la masa, permite el análisis de la distribución de las moléculas de una sustancia. Estas técnicas se encuentran entre las más destacadas en la práctica y la investigación de la bioquímica y aunque, por supuesto, no son las únicas, sirven para ilustrar la vasta cantidad de métodos de los que se vale esta ciencia para obtener sus conocimientos y llevar a cabo su investigación.

Importancia de la Bioquímica

La bioquímica es un pilar fundamental para el desarrollo de otras ciencias, como la medicina, por ejemplo, donde actualmente cumple un papel protagónico en la resolución de los problemas de mayor interés, como el aumento en la incidencia del cáncer, el alza en la epidemiología de las alergias, la obesidad descontrolada y la profundización en el estudio de las enfermedades genéticas.

El resolver los objetivos que la bioquímica moderna se ha planteado dentro de la medicina y otras ciencias biológicas, representaría un inmenso beneficio para la raza humana en general. Entre estos objetivos se encuentra: realizar progresos en la terapia genética contra enfermedades como el cáncer y la infección por VIH, el desarrollo y perfeccionamiento de alimentos transgénicos para hacerlos más eficientes, saludables, resistentes y seguros; intervenir en la creación de medidas terapéuticas farmacológicas más eficaces y con menos efectos adversos y toxicidad, contribuir en la reducción del impacto climático, el cual ha conllevado a la extinción de diversas especies sobre el planeta como consecuencia del desarrollo industrial; entre otras.

Preguntas relacionadas

La bioquímica es una disciplina integradora que interviene en el estudio de las biomoléculas y los biosistemas, en términos de componentes y de cómo éstos se ven afectados por las leyes físico-químicas. El estudio molecular de la bioquímica ha cambiado el paradigma de la medicina moderna, fomentando en ésta además el desarrollo de diversos sectores, como la terapia genética, la farmacología y la biomedicina.

¿Cómo se emplean los estudios de la bioquímica?

En su aplicación, la bioquímica se vale de las leyes y principios de ciencias como la química y la física para estudiar los  procesos biológicos. A través de métodos como la centrifugación, cromatografía y electroforesis se pueden separar o aislar las distintas moléculas que componen a una sustancia. De igual manera, otros métodos como la citometría de flujo y la espectrometría, son aplicados para la clasificación de las células y la distribución molecular dentro de las mismas.

¿Cuál es la importancia de la bioquímica?

La bioquímica tiene una importancia fundamental a la hora del estudio de los organismos, representando un foco de esperanza para aquellos que tratan de solventar los grandes problemas de la raza humana. Así, esta ciencia aporta conocimientos más complejos sobre la formación de los organismos, desde una perspectiva celular y molecular. Finalmente, la bioquímica intenta proponer variantes para la nutrición de los individuos a través de sus contribuciones en el campo del desarrollo de la medicina y la formación de transgénicos.