Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud (1) PDF

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01 Capitulo 01 8/4/05 09:35 Página 5 BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR: ORÍGENES Y DESARROLLO COMO CIENCIAS ESPECÍFICAS 1 1.1 INTRODUCCIÓN Molecular. Sus observaciones y conclusiones han propiciado un vertiginoso adelanto en el conocimiento que hoy tenemos La Bioquímica es una ciencia relativamente joven. El térmi- sobre las bases moleculares que subyacen a los procesos bio- no Bioquímica fue empleado por primera vez en 1858 por lógicos, tanto normales como en determinados estados de Kletzinsky en su libro Compendium der Biochemie, publica- patología. Según el Diccionario de la Real Academia Española do en Viena. En 1903, Neuberg fue pionero al crear la pri- de la Lengua, Bioquímica es «Parte de la Química que estudia mera Cátedra de Bioquímica (en Holanda). Sin embargo, los la composición y las transformaciones químicas de los seres orígenes son anteriores, pues era considerada una rama deri- vivos». En concreto, el objetivo fundamental de la Bioquímica vada de la Medicina y de la Química antes de ser aceptada, a consiste actualmente en estudiar la estructura, la organización finales del siglo XIX y principios del XX, como una ciencia y las funciones de los seres vivos desde el punto de vista mole- adulta con sus propios y poderosos métodos experimentales. cular. Según los aspectos tratados, la Bioquímica se puede Durante la segunda mitad del siglo XIX comenzaron a emplear- dividir en tres grandes apartados: se los términos de Química Fisiológica o Química Biológica para poder hacer referencia a «... otro capítulo de la Química a) Bioquímica estructural: estudia la composición, con- General que estudia las leyes que presiden a las incesantes formación, configuración y estructura de las molécu- transformaciones de la materia en las plantas y en los ani- las de la materia viva, relacionándolas con su función males, examinando los fenómenos de la organización», biológica. según consta en un texto de Química Biológica de la época b) Bioquímica metabólica o metabolismo: estudia las (H-Ardieta, Química Biológica aplicada a la higiene y la transformaciones, funciones y reacciones químicas patología humanas, Barcelona: M. Soler Ed., 1898). Era el que sufren o llevan a cabo las moléculas de la materia comienzo de lo que un siglo más tarde constituiría lo que hoy viva, así como los mecanismos de regulación de esas conocemos como Bioquímica y Biología Molecular. El libro transformaciones. de Ardieta es, quizás, el primer libro de Química Biológica c) Biología molecular o genética molecular: estudia la (o Bioquímica) en castellano, en cuyo prólogo el Decano de química de los procesos y las estructuras de las molé- la Facultad de Medicina de la Universidad de Barcelona, el culas implicadas en el almacenamiento, la transmi- Dr. Giné y Partagás, escribía «... Nada valdría la Fisiología, sión y la expresión de información genética, así como así en lo normal como en lo patológico, si no desentrañase la los mecanismos que los regulan. intimidad de los movimientos moleculares que especializan las funciones». Es decir, a partir del siglo XIX, el conoci- miento de la naturaleza molecular de los fenómenos biológi- cos era considerado imprescindible para conocer la fisiología 1.3 BREVE CRONOLOGÍA DE LA BIOQUÍMICA Y y la patología, al menos por una élite científica. BIOLOGÍA MOLECULAR Como en otras áreas de la Ciencia, la Bioquímica y 1.2 CONCEPTO DE BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA Biología Molecular, han progresado paso a paso. No podía MOLECULAR ser de otra forma, dada la propia naturaleza del quehacer científico, críticamente celoso de la acumulación de prue- Desde finales del siglo XVIII hasta nuestros días, muchos inves- bas experimentales antes de dar por establecida alguna teo- tigadores han contribuido desde distintos puntos de vista y ría. Los períodos explosivos de avance no son, en la mayo- enfoques experimentales, al nacimiento, desarrollo y expan- ría de los casos, más que la aceleración final de un tiempo sión de la Bioquímica y a la explosión de la Biología previo de largas y pausadas exploraciones. 01 Capitulo 01 8/4/05 09:35 Página 6 6 | El escenario bioquímico Para tener una visión rápida de los hallazgos que eleva- revolución científica no se produjo sólo en el campo de las ron a la Bioquímica y la Biología Molecular a ciencias inde- ideas sino también, en el de los métodos, instrumentos y for- pendientes y de su evolución hasta hoy, a continuación se mas de organizar la actividad científica y difundir sus resul- resaltan cronológicamente algunos de estos descubrimien- tados. Durante este período se desarrollaron los métodos tos. La lista de acontecimientos expuestos abarca el período cuantitativos que completaron y formularon las leyes funda- comprendido entre el siglo XVIII y la actualidad. Se han agru- mentales de las combinaciones químicas, a la vez que se ais- pado en cinco bloques que han delimitado un proceso de laban compuestos orgánicos de los seres vivos y se identifi- esclarecimiento histórico peculiar, que ha propiciado el caban componentes de los mismos, tratando de establecer asombroso avance de la Bioquímica y la Biología Molecular relaciones con funciones orgánicas, como la respiración, la hasta mostrárnoslas tal como hoy las conocemos. fermentación o la asimilación. Durante la segunda mitad del XIX, se elaboran las tres teorías que supondrán una revolución en la interpretación de los fenómenos biológicos: la teoría 1.3.1 Orígenes de la bioquímica celular, la teoría de la evolución y la de la herencia. Los prin- Los cimientos de la Bioquímica como ciencia independiente cipales hitos de este período fueron los que se detallan en la se forjan a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX. Esta Tabla 1-1. Tabla 1-1. Orígenes de la Bioquímica 1747 Margraff descubre la sacarosa en la remolacha. 1770-74 Priestley descubre el oxígeno y demuestra que los animales lo consumen y las plantas lo producen. 1770-86 Scheele aísla la glicerina y los ácidos cítrico, málico, láctico y úrico, a partir de fuentes naturales. 1773 Roulle aísla urea a partir de orina. 1779-96 Ingenhousz demuestra que la luz es imprescindible para que las plantas produzcan oxígeno. Observa que las plan- tas consumen CO2. 1780-89 Lavoisier postula que respiración equivale a oxidación y mide por primera vez el consumo de oxígeno de un indi- viduo. 1783 Spallanzani demuestra que la digestión de las proteínas es un proceso químico y no mecánico. 1786 Berthelot descubre la presencia de nitrógeno en tejidos animales. 1802 Lamarck propone, por primera vez, el término «biología». Proust aísla el azúcar de la uva. 1804 Dalton enuncia la teoría atómica. De Saussure hace el primer balance estequiométrico de los intercambios gaseosos durante la fotosíntesis. 1806 Vauquelin y Robiquet aíslan por primera vez un aminoácido, la asparragina. 1810 Gay-Lussac deduce la ecuación de la fermentación alcohólica. 1811 Berthelot mide la cantidad de amoníaco que se obtiene a partir de la carne y el queso. 1812 Kirchoff obtiene glucosa a partir de la hidrólisis del almidón. 1815 Biot descubre la actividad óptica. 1817 Pelletier y Caventou aíslan el pigmento verde de las hojas. 1827 Prout propone la división de los alimentos en azúcares, grasas y proteínas. 1828 Wöhler sintetiza un compuesto de naturaleza orgánica, urea, a partir de precursores inorgánicos, cianato de plomo y amoníaco. 1830-40 Liebig desarrolla técnicas de análisis cuantitativo, aplicables a sistemas biológicos para calcular su composición química. 1833 Payen y Persoz purifican la amilasa del trigo (diastasa). 1834-36 Eberle demuestra que el jugo gástrico digiere alimentos fuera del estómago y Schwann descubre la pepsina en el jugo gástrico. 1837 Berzelius sugiere el término proteína para ciertas sustancias nitrogenadas de células animales y vegetales. Además, propone la naturaleza catalítica de las fermentaciones. 1838 Mulder realiza los primeros estudios sistemáticos sobre proteínas. 1840 Schwann y Schleiden proponen la teoría celular de los seres vivos. 1842 Mayer enuncia la primera ley de la termodinámica y propone su aplicabilidad a los organismos vivos. 1845 Kolbe sintetiza ácido acético a partir de sus elementos. (Continúa en la página siguiente) 01 Capitulo 01 8/4/05 09:35 Página 7 Bioquímica y biología molecular: orígenes y desarrollo como cien cias específicas | 7 1850 Virchow demuestra que toda célula viva deriva de otra. 1850-55 Bernard descubre que el jugo pancreático es capaz de degradar almidón, proteínas y grasas. Posteriormente com- prueba que el hígado de los animales sintetiza azúcares. 1852 Frakland propone la noción de la valencia y asigna la tetravalencia al carbono. 1854-64 Pasteur demuestra que la fermentación se debe a los microorganismos, e introduce los términos de «aerobiosis» y «anaerobiosis». 1857 Köelliker descubre las mitocondrias musculares. 1858 Kletzinsky utiliza por primera vez el término «bioquímica» en el título de su libro Compendium der Biochemie publicado en Viena. Virchow acuña el término de «patología celular». 1859 Darwin publica El origen de las especies para plasmar de forma resumida sus ideas acerca de la evolución por selección natural. 1862 Sachs comprueba que el almidón es un producto de la fotosíntesis. 1864 Hoppe-Seyler cristaliza por primera vez una proteína, la hemoglobina. 1866 Mendel publica sus experimentos relativos a la segregación independiente de los caracteres hereditarios. 1869 Meischer describe la presencia de un compuesto ácido en el núcleo celular, la «nucleína». 1871 Hoppe-Seyler descubre la invertasa, capaz de transformar sacarosa en glucosa y fructosa. 1872 Pfluger comprueba que no sólo la sangre y los pulmones consumen oxígeno, sino todos los tejidos animales. 1876 Hertwig postula que la «sustancia genética» de los progenitores se transmite en la fecundación. 1877 Kühne propone el término de «enzima» y consigue aislar la tripsina del jugo pancreático. 1879 Flemming postula la fusión de los gametos durante la fecundación y la separación posterior del zigoto en dos cé- lulas. 1881 Zacharias demuestra que los cromosomas contienen la «nucleína» descubierta por Meischer. 1882 Kossel descubre que la nucleína contiene guanina, hipoxantina y adenina. A partir de eritrocitos de ganso, poste- riormente aísla un material de tipo peptona al que demomina «histona». 1886 MacMunn descubre las «histohematinas», que más tarde se denominarían citocromos. Kiliani establece la fórmula estructural de la glucosa. 1889 Ramón y Cajal demuestra que la neurona es la unidad básica del sistema nervioso. En la imagen de la derecha, Santiago Ramón y Cajal con los materiales de laboratorio de la época. 1890 Altmann purifica ADN libre de proteínas, acuña el término de «ácido nucleico» y, ade- más, describe técnicas de tinción de mitocon- drias. Neumeister afirma que el triptófano es el compuesto indólico de las proteínas. 1893 Ostwald demuestra que las enzimas son cata- lizadores. 1894 Fischer demuestra la especificidad de las enzimas y postula la teoría de la «llave-cerra- dura». 1896 Alfred Nobel dona su fortuna para crear los premios que llevan su nombre, que se empiezan a conceder en 1901. 1897 Bertrand idea el término «coenzima» y descubre la lacasa y tirosinasa, las primeras enzimas implicadas en una vía biosintética hasta ese momento. Büchner descubre que extractos de levaduras prensadas exentas de células provocan la fermentación alcohólica. 1898 H-Ardieta publica el primer libro de Bioquímica en España: Química Biológica aplicada a la higiene y a la pato- logía humanas. 01 Capitulo 01 8/4/05 09:35 Página 8 8 | El escenario bioquímico 1.3.2 Comienzos del siglo XX: desarrollo de al desarrollo de una parte importante de esta área: la enzimo- la bioquímica logía. Durante la primera mitad del siglo XX y, en parte, debi- do a la sistematización de los métodos de extracción y mani- La Bioquímica inicia su andadura como ciencia independien- pulación de las muestras biológicas, así como a los avances en te a comienzos del siglo XX, ampliando los contenidos de la las técnicas científicas, comenzó el esclarecimiento de las Química fisiológica del momento a campos no incluidos den- principales vías metabólicas y las estructuras de muchos meta- tro de la Fisiología y la Patología. Su evolución estuvo asocia- bolitos. Al acabar este período de expansión, se abrió paso a la da a una andadura paralela de lo que conocemos como determinación de la secuencia de macromoléculas, como las Bioquímica estructural y como Bioquímica dinámica, gracias proteínas y los ácidos nucleicos (Tabla 1-2). Tabla 1-2. Desarrollo de la Bioquímica 1900 Correns, de Vries y Tschermak redescubren las leyes de Mendel. 1901-04 Takamine, Aldrich y Abel aíslan por primera vez una hormona, la adrenalina, y Stoltz consigue sintetizarla. 1902 Fischer y Hofmeister demuestran que las proteínas son polipéptidos. Sutton concluye que los genes están localizados en los cromosomas, dando una explicación citológica a las leyes de Mendel. Landsteiner postula que existen cuatro tipos de sangre humana, que denomina A, B, AB y O. Garrod observa que la alcaptonuria es una enfermedad heredable que sigue las leyes de Mendel. 1903 Neuberg crea la primera Cátedra de Bioquímica en Holanda. 1904 Bohr observa que el CO2 disminuye la afinidad de la hemoglobina por el O2. 1905 Harden y Young demuestran que la fermentación alcohólica requiere la presencia de fosfato. Concentran una coenzima, posteriormente identificada como NAD. 1906 Ramón y Cajal recibe el Premio Nobel por su trabajo sobre la estructura del sistema nervioso. 1907 Fletcher y Hopkins demuestran que durante la contracción muscular anaerobia se forma ácido láctico a partir de glucosa. 1908 Henderson desarrolla la ecuación aplicable a las disoluciones reguladoras, conocida como ecuación de Henderson-Hasselbach. 1909 Sörensen muestra el efecto del pH sobre la actividad enzimática. Johansen introduce el término gen para designar las unidades de la herencia con carácter transmisible. 1910 Kossel recibe el Premio Nobel por el estudio sobre la Química de las células. 1911 Funk aísla cristales de vitamina B1 y acuña el término de «vitamina». Morgan estudia las mutaciones genéticas, los rasgos ligados al sexo y la función de los cromosomas. Rous es el primero en establecer de manera fundamentada una relación entre virus y cáncer (fotografía de la derecha). 1912 Neuberg propone la ruta metabólica para la fermentación láctica. Batelli y Stern descubren las deshidrogenasas. Warburg postula la existencia de una enzima activadora del oxígeno en la respi- ración, inhibida por cianuro y que necesita hierro. 1913 Michaelis y Menten desarrollan su teoría cinética para las reacciones enzimáti- cas monosustrato. Willstätter y Stol aíslan y estudian la clorofila. 1914 Kendall aísla la tiroxina. 1916 Abderhalden sintetiza un péptido de 19 aminoácidos, récord de longitud que permaneció durante 30 años. 1917 McCollum obtiene vitaminas liposolubles de la yema del huevo y demuestra que la xeroftalmia de las ratas es debida a carencia de vitamina A. 1921 Hopkins aísla y caracteriza el glutatión. 1922 Ruzicka reconoce al isopreno como el sillar de muchos compuestos naturales. Warburg y Negelein llevan a cabo las primeras mediciones de la eficiencia cuántica de la fotosíntesis. McCollum aísla del aceite de hígado de bacalao la vitamina D y demuestra que la falta de vitamina D es la causa del raquitismo. (Continúa en la página siguiente) 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 9 Bioquímica y biología molecular: orígenes y desarrollo como cien cias específicas | 9 1925 Briggs y Haldane aportan importantes modificaciones a la teoría de cinética enzimática. 1925-30 Levine deduce la estructura de los mononucleótidos y demuestra su condición de sillares estructurales de los áci- dos nucleicos. Svedberg inventa la ultracentrífuga para determinar la velocidad de sedimentación de las proteínas y calcular masas moleculares. Recibe el Premio Nobel en 1926. 1926 Sumner cristaliza por primera vez una enzima, la ureasa, demostrando que es una proteína. Jansen y Donath aíslan la vitamina B1 (tiamina) de la cáscara de arroz. 1927-28 Muller y Stadler demuestran el carácter mutagénico de los rayos X sobre los genes. Windaus descubre que el ergosterol es el precursor de la vitamina D. Euler aísla el caroteno, demostrando su actividad vitamínica A. 1928 Griffith demuestra el proceso de transferencia de ácidos nucleicos a las bacterias (transformación bacteriana). Szent-Györgyi y, más tarde, Waugh y King aíslan el ácido ascórbico. Warburg deduce la naturaleza ferroporfirínica del fermento respiratorio. 1929 Fiske y Subbarow aíslan ATP y fosfocreatina de extractos musculares. 1930 Lundsgaard demuestra que los músculos pueden contraerse sin producir ácido láctico. Landsteiner recibe el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por descubrir y tipificar los grupos sanguíneos humanos. 1930-33 Northrop aísla la pepsina y la tripsina cristalizadas, demostrando su naturaleza proteica. 1930-35 Edsall y von Muralt aíslan la miosina del músculo. 1931 Engelhardt descubre que la fosforilación va acoplada a la respiración. Warburg recibe el Premio Nobel por su estudio sobre la respiración celular. 1932 Lohmann descubre la relación ATP-fosfocreatina. Se detalla la estructura anular del colesterol y los ácidos biliares, que sirven de punto de partida para determinar la estructura de las hormonas esteroides. 1933 Keilin aísla el citocromo c y reconstituye el transporte electrónico en preparados particulados de corazón. Krebs y Henseleit descubren el ciclo de la urea. Embden y Meyerhof identifican varios productos intermedios de la glicólisis y la fermentación láctica. Morgan recibe el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por su contribución sobre la función de los cromoso- mas como portadores de la herencia. 1934 Fölling describe la fenilcetonuria, una enfermedad congénita del metabolismo de aminoácidos. Bernal y Crowfoot realizan el primer estudio de una proteína, la pepsina, mediante difracción de rayos X. 1935 Williams y colaboradores establecen la estructura de la vitamina B1. Cumming Rose descubre el último de los aminoácidos esenciales, la treonina. Schoenheimer y Rittenberg utilizan por primera vez isótopos como trazadores para el estudio del metabolismo de los glúcidos y lípidos. Stanley cristaliza por primera vez un virus, el del mosaico del tabaco. Szent-Györgyi demuestra el efecto catalítico de algunos ácidos dicarboxílicos en la respiración. 1936 Evans y Doisy aislan la vitamina E y determinan la estructura de la vitamina K, respectivamente. 1937 Krebs postula el ciclo del ácido cítrico. Lohman y Schuster demuestran que la tiamina es un componente de la enzima piruvato carboxilasa. Los Cori establecen la secuencia completa de reacciones de la vía glicolítica. Waldeström describe la macroglobulinemia y la primera variedad de porfiria, la cutánea tardía. 1937-38 Warburg observa cómo la formación de ATP en la glicólisis va acoplada con la deshidrogenación de gliceralde- hído-3-fosfato. 1937-41 Kalckar y Belitser realizan de forma independiente los primeros estudios cuantitativos sobre la fosforilación oxi- dativa. 1938 Braunstein y Kritzmann descubren las reacciones de transaminación. Caspersson, Schultz y Behrens demuestran que existen ácidos nucleicos de tipo ribopentosa en el citosol ce- lular. 1939-41 Lipmann postula el papel central del ATP como moneda de cambio de energía. 1939-42 Engelhardt y Lyubimova descubren la actividad ATPasa de la miosina. 1939-46 Szent-Györgyi descubre la actina y la actomiosina. 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 10 10 | El escenario bioquímico 1.3.3 La bioquímica alcanza su madurez descubrimiento de un sinnúmero de proteínas y enzimas y se localizaron estas vías en los distintos orgánulos celulares. Durante el segundo tercio del siglo XX, el avance experimentado Además, el descubrimiento de receptores hormonales, neuro- por la bioquímica fue espectacular. Utilizando los poderosos transmisores, bombas y canales iónicos permitió esbozar y, en métodos recién descubiertos, ultracentrífuga, microscopio elec- algunos casos, delinear las vías de señalización celular. Estos trónico, espectrofotómetros, polarímetros y los isótopos radiacti- adelantos permitieron sentar las bases para la profundización en vos, se detallaron las vías anabólicas y catabólicas, gracias al el conocimiento del crecimiento normal y patológico (Tabla 1-3). Tabla 1-3. La Bioquímica alcaza su madurez 1941 Beadle y Tatum postulan su teoría sobre un gen-una enzima. 1941-44 Martin y Synge desarrollan la cromatografía de reparto para aplicarla al análisis de aminoácidos. 1942 Bloch y Rittenberg descubren que el acetato es el precursor del colesterol. Brachet identifica gránulos de ribonucleoproteínas como promotores de la síntesis proteica. 1943 Chance aplica, por primera vez, métodos espectrofotométricos sensibles para el estudio de las interacciones enzi- ma-sustrato. Green y Cori cristalizan la fosforilasa muscular. Ochoa demuestra el acoplamiento entre la fosforilación asociada a la generación de ATP y la cadena de transpor- te electrónico. Hevesy recibe el Premio Nobel por sus estudios sobre la aplicación de los isótopos radiactivos a las reacciones metabólicas. Astbury obtiene el primer patrón de difracción de rayos X de ADN. 1943-47 Avery, MacLeod y McCarty muestran que el ADN causa transformaciones pato- génicas en cepas bacterianas normales. En la fotografía de la derecha, Avery en su laboratorio. Leloir y Muñoz demuestran la oxidación de ácidos grasos en sistemas acelulares. Lehninger demuestra el requerimiento de ATP y la estequiometría de la oxidación de ácidos grasos. 1945 Brand describe por primera vez el análisis completo de aminoácidos de una pro- teína, la β-lactoglobulina, utilizando métodos químicos y microbiológicos. 1946 Takahara identifica un trastorno congénito del metabolismo, la acatalasemia o deficiencia de catalasa. Muller recibe el Premio Nobel por sus estudios de difracción de rayos X. 1947-50 Lipmann y Kaplan aíslan y caracterizan la coenzima A. 1948 Leloir y colaboradores descubren el papel de los nucleótidos uridínicos en la biosíntesis de glúcidos. Hogeboom, Schneider y Palade perfeccionan el método de centrifugación diferencial para el fraccionamiento subcelular. Calvin y Benson descubren que el ácido fosfoglicérico es un intermediario de la fijación fotosintética del CO2. 1948-50 Kennedy y Lehninger descubren que el ciclo del ácido cítrico, la fosforila- ción oxidativa y la oxidación de los ácidos grasos transcurren en las mitocon- drias. Barr y Bertram descubren la cromatina sexual en células de animales hem- bra. 1949-50 Sanger y Edman desarrollan dos métodos químicos para la identificación de residuos N-terminales de proteínas y péptidos, sentando las bases para su secuenciación. 1950 Pauling y Corey proponen la estructura de la hélice α para las α-queratinas y descubren la base molecular de la anemia falciforme. En la fotografía de la derecha, Linus Pauling con su modelo estructural de la hélice α polipeptídica. McClintock demuestra que los genes pueden cambiar de lugar en el cromosoma. 1950-53 Chargaff establece las reglas de la equivalencia de bases en el ADN. Hers estudia algunas enfermedades lisosomales. (Continúa en la página siguiente) 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 11 Bioquímica y biología molecular: orígenes y desarrollo como cien cias específicas | 11 1950-65 Se elucida la mayoría de las etapas de las vías enzimáticas de la biosíntesis y degradación de aminoácidos, purinas, pirimidinas, ácidos grasos, lípidos, terpenos y glúcidos complejos. 1951 Franklin y Wilkins dan los primeros datos precisos sobre la estructura del ADN. En la fotografía de la derecha, Rosalind Franklin en el laboratorio de Maurice Wilkins, en la Universidad de Cambridge. Lynen postula el papel de la coenzima A en la oxidación de los ácidos grasos. Inmediatamente después, Lynen, Green y Ochoa, separadamen- te, aíslan las enzimas implicadas en la oxidación de los ácidos grasos. 1.3.4 Nacimiento y desarrollo de ción. Los avances espectaculares de la ingeniería genética y la biología molecular los nuevos métodos de visualización de las estructuras mole- culares complejas, que aparecieron en este último cuarto de La Biología Molecular ha adquirido, sin lugar a duda, un siglo, han retroalimentado a la química de las proteínas y a la peso específico dentro de la Bioquímica. Tras los primeros bioquímica estructural y funcional. Juntas, se han aliado para datos acerca de la doble hélice del ADN, la tecnología del desvelar los mecanismos moleculares de los procesos bioló- ADN recombinante ha experimentado una tremenda evolu- gicos normales y, por extensión, patológicos (Tabla 1-4). Tabla 1-4. Nacimiento y desarrollo de la Biología Molecular 1952-53 Palade, Porter y Sjostrand perfeccionan el método de fijación de las estructuras intracelulares para microscopía electrónica. Chase y Hershey confirman que en los virus, el ADN es el porta- dor de la información genética. 1952-54 Zamecnik y colaboradores descubren las partículas ribonucleo- proteicas, los ribosomas, como el lugar donde se sintetizan las pro- teínas. Braggs, Kendrew y Perutz dilucidan, mediante difracción de rayos X, la estructura de la mioglobina y la hemoglobina. 1953 Watson y Crick postulan el modelo estructural de la doble hélice del ADN. En la fotografía, los dos investigadores con su modelo estructural del ADN. Sanger y Thompson terminan la secuenciación de las cadenas A y B de la insulina. Dos años más tarde, Sanger y colaboradores publican las posiciones de los puentes disulfuro. Horecker, Dickens y Racker elucidan la ruta del 6-fosfogluco- nato. 1954 Arnon y colaboradores descubren la fosforilación fotosintética. Pauling recibe el Premio Nobel de Química por sus estudios sobre la estruc- tura de α-hélice de las proteínas. 1954-58 Kennedy describe la vía de síntesis de triacilglicéridos y fosfoacilglicéridos y postula el papel de los nucleótidos de citidina. 1955 Ochoa y Grunberg-Manago descubren la polinucleótido fosforilasa. Kornberg descubre la enzima ADN polimerasa (fotografía de la derecha). Levan y Tjio proponen que hay 46 cromosomas humanos. (Continúa en la página siguiente) 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 12 12 | El escenario bioquímico 1956 Umbarger publica que el producto final de una vía (la isoleucina) inhibe la primera enzima de la ruta de la bio- síntesis a partir de treonina. Jacob y Monod postulan la existencia de genes reguladores y estructurales. Ingram demuestra que la diferencia de un solo aminoácido en la cadena de la hemoglobina altera su función. 1956-58 Anfinsen y White postulan que la conformación tridimensional de las proteínas viene dictada por su secuencia de aminoácidos. 1957 Vogel y Magasanik describen la represión génica de la síntesis de las proteínas. Sutherland descubre el AMPc. Hoagland, Zamecnik y Stephenson aíslan el ARN de transferencia. Skou descubre la ATPasa Na+/K+ y postula su papel en el transporte transmembrana de iones. 1958 Crick enuncia el dogma central de la genética molecular. Messelson y Stahl proporcionan la confirmación experimental del modelo de replicación semiconservativa del ADN de Watson y Crick. En la fotografía, Max Delbrück en su lugar de trabajo, hacia 1970. Stein, Moore y Spackman describen el analizador automático de aminoácidos. Beadle, Tatum y Lederberg reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus estudios de recombinación génica y organización del material genético en bacterias. Sanger recibe el Premio Nobel de Química por su contribución ines- timable a la secuenciación de las proteínas. 1958-59 Weiss, Hurwitz y otros descubren la ARN polimerasa dependiente de ADN. 1959 Kornberg y Ochoa reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus trabajos pioneros de síntesis de polinucleótidos de ADN y ARN. Gautier, Lejeune y Turpin postulan que el mongolismo está causado por un cromosoma en exceso. 1960 Hirs, Moore y Stein determinan la secuencia de la ribonucleasa. Anfinsen hace importantes aportaciones acerca del plegamiento de las proteínas. Kendrew publica el análisis de rayos X de alta resolución de la estructura de la mioglobina del esperma de ballena. 1961 Wyman, Monod y Changeux proponen una teoría para explicar el comportamiento de las proteínas alostéricas. Mitchell postula la teoría quimiosmótica. Brenner, Jacob y Monod plantean la hipótesis del modelo operón y proponen la función del ARNm. Dintzis demuestra que la traducción transcurre en sentido 5’→3’ del ARNm y desde el amino terminal al carboxi- lo terminal de la proteína. Guthrie establece un método para el diagnóstico neonatal de la fenilcetonuria. 1961-65 Los grupos de Nirenberg, Khorana y Ochoa identifican el código genético. Racker y colaboradores aíslan la fracción F1 de la ATPasa. 1962 Crick, Watson y Wilkins reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por la dilucidación de la estructura molecular del ADN. Brenner demuestra que el aminoacil-ARNt se incorpora en la síntesis proteica, según la especificidad de su anticodón. Arber demuestra la existencia de endonucleasas de restricción. 1963 Se funda en España la Sociedad Española de Bioquímica. Cairns demuestra la síntesis simultánea de ambas hebras durante la replicación del ADN. 1964 Roger consigue por primera vez implantar un gen en una célula heteróloga. Setlow y otros descubren el mecanismo de reparación de lesiones del ADN. 1965 Holley determina la primera secuencia polinucleotídica de una molécula natural, el ARNtAla, trabajo que le mere- ce el Premio Nobel en 1968. Benzer elabora el primer mapa detallado de un gen. Jacob, Lwoof y Monod reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus trabajos de regulación genéti- ca de la síntesis de enzimas en bacterias. (Continúa en la página siguiente) 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 13 Bioquímica y biología molecular: orígenes y desarrollo como cien cias específicas | 13 1966 Crick propone la hipótesis del balanceo de la base 5’ del anticodón. Rous recibe el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus hallazgos relativos a la inducción viral del cáncer en gallinas. Blake publica la estructura tridimensional de la lisozima. 1967 Se inicia en España la investigación en Biología Molecular, gracias al empuje de investigadores como García- Bellido, Salas, Vázquez y Viñuela y desde el extranjero, de Ayala, Grisolía y Ochoa. 1968 Holley, Khorana y Nirenberg reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en reconocimiento a su aporta- ción al descifrado del código genético. Smith y Wilcox aíslan la primera enzima de restricción. 1969 Delbrück, Hershey y Luria reciben el Nobel de Medicina y Fisiología por el estudio de la replicación y estructu- ra genética de los bacteriófagos. Huebner y Todaro postulan la hipótesis del oncogén como causa del cáncer producido por virus ARN. Nathans realiza el primer mapa de restricción del fago SV40. 1970 Johnson y Rao sugieren los puntos de control del ciclo celular (G1/S y G2/M). Baltimore y Temin demuestran que los virus ARN transfieren información genética a su huésped. Blobel y Sabatini proponen la hipótesis de la señal para el tráfico de las proteínas. 1971 Sutherland recibe el Premio Nobel por sus estudios sobre el mecanismo de acción de las hormonas. Darnell y otros descubren la existencia de la cola poli A en el extremo 3’ de los ARNm de eucariotas. 1972 Edelman y Porter reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus estudios sobre la estructura de las inmunoglobulinas. Anfinsen recibe el Premio Nobel de Química por sus aportaciones sobre las relaciones entre la estructura prima- ria y terciaria de las proteínas. Berg Cohen y Boyer obtienen las primeras moléculas de ADN recombinante. Singer y Nicholson proponen el modelo del mosaico fluido de biomembranas. Kerr, Wyllie y Curie descubren la apoptosis. 1973 Se clona por primera vez un gen de rana en E. coli. 1974 Kornberg demuestra que el nucleosoma es la subunidad básica de empaquetamiento del ADN. Claude, de Duve y Palade reciben el Premio Nobel por sus aportaciones al conocimiento de la estructura y orga- nización funcional de la célula. 1975 Southern desarrolla la técnica que lleva su nombre de hibridación de ácidos nucleicos. O’Farrell desarrolla el sis- tema bidimensional de análisis de proteínas; y Hogness y Grunstein el método de hibridación de colonias. Sanger propone el primer método de secuenciación del ADN. Poco después, Maxam y Gilbert proponen otra aproximación para la secuenciación del ADN. Dozy, Golbus, Kan y Mitchell hacen el primer diagnóstico prenatal de una enfermedad genética, la α-talasemia. Baltimore, Dulbecco y Temin reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus trabajos de genética molecular de los virus tumorales. 1976 Blumberg y Gajdusek reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología como reconocimiento a los nuevos mecanismos sobre el origen y diseminación de enfermedades infecciosas. Maniatis y otros obtienen ADNc a partir de ARNm de la β-globina. 1977 Roberts y Sharp descubren los intrones en los genes eucariotas. Flawell y Jeffreys describen las secuencias características de los intrones. Arber, Nathans y Smith son galardonados con el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por el descubrimiento de las endonucleasas de restricción. Cooper, Weinberg y Wigler descubren los oncogenes. 1979 White y Wyman identifican los polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (RFLP) de regiones hipervariables del genoma. Lane y Levine descubren la proteína p53, producto de un gen oncosupresor. 1980 Berg es galardonado también con el Premio Nobel por sus aportaciones bioquímicas al estudio del ADN recom- binante. Gallo demuestra la estrecha relación que existe entre determinados virus y algunos tipos de cáncer humanos. Gordon, Ruddle y otros obtienen los primeros ratones transgénicos. (Continúa en la página siguiente) 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 14 14 | El escenario bioquímico Gilbert y Sanger reciben el Premio Nobel de Química por sus méto- dos de secuenciación del ADN. (A la derecha Walter Gilbert; abajo Fred Sanger.) 1982 La empresa privada comercializa la insulina recombinante humana. Laskey localiza la primera señal que dirige las proteínas al núcleo celular. Klug recibe el Premio Nobel de Química por sus trabajos de análi- sis por microscopía electrónica de los complejos proteína-ácido nucleico. Barbacid, Notario y Santos demuestran la relación entre oncogenes humanos y el cáncer. 1983 Mullis ingenia la técnica de PCR. Gusella descubre un marcador genético para la enfermedad de Huntington. McClintock recibe el Premio Nobel por su descubrimiento de los transposo- nes. Cech y Altman descubren el ARN catalítico. 1.3.5 De la era genómica a nuestros días rrollo de proporciones asombrosas, en cuanto al conoci- miento de los procesos fisiológicos complejos y de los tras- Durante la última década del siglo XX se propone y com- tornos multigénicos. De hecho, los descubrimientos rela- pleta el «Proyecto Genoma Humano (PGH)», que, a gran- cionados con la base molecular de las enfermedades des rasgos, consistía en la obtención de los datos relativos humanas se están comunicando a una velocidad sin prece- al mapa genético y físico completo del genoma humano, así dentes, abriendo la ventana de par en par a algunos síndro- como de la primera versión de la secuencia completa del mes complejos cuyas bases moleculares eran hasta hoy des- mismo. La consecución parece que va a conducir a un desa- conocidas (Tabla 1-5). Tabla 1-5. De la era genómica a nuestros días 1985 Jeffreys desarrolla el método de la huella genética para la identificación de individuos, basado en las investigaciones de White y Wyman (foto- grafía de la derecha). Se automatiza la secuenciación del ADN. Brown y Goldstein reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus descubrimientos sobre la regulación del metabolismo del coles- terol. 1986 Roderick acuña el término de Genómica: ciencia y métodos para loca- lizar genes y hallar su secuencia. Se descubre un aminoácido no estándar, la selenocisteína. Cohen y Levi-Montalcini reciben el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus descubrimientos relativos a los factores de crecimiento. Rechsteiner descubre el proteasoma. McKusick recopila unas 4000 alteraciones genéticas hereditarias distintas. Se identifica por clonación posicional el primer gen responsable de una enfermedad genética humana. 1987 Clarck y sus colaboradores obtienen una oveja transgénica que produce una proteína humana en la leche. Se descubre que la metilación del ADN en eucariotas es un mecanismo para silenciar la transcripción. Se desarrollan los cromosomas artificiales de levaduras. (Continúa en la página siguiente) 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 15 Bioquímica y biología molecular: orígenes y desarrollo como cien cias específicas | 15 Tonegawa recibe el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus investigaciones sobre las bases genéticas de la diversidad de los anticuerpos. Cech y Altman reciben el Premio Nobel de Química por sus estudios sobre el papel de las ribozimas en el proce- so de corte y empalme de los ARN. Bishop y Varmus son galardonados con el Premio Nobel por sus descubrimientos sobre retrovirus y el papel de los oncogenes en el cáncer. Se descubren los microsatélites. 1990 Venter desarrolla una estrategia para localizar las EST (etiquetas de secuencias expresadas). Se propone el inicio del Proyecto Genoma Humano (PGH). 1991 King asocia un gen del cromosoma 17 con la aparición de cáncer de mama familiar. 1992 Fischer y Krebs reciben el Premio Nobel por sus aportaciones sobre la fosforilación reversible de proteínas, como mecanismo biológico de regulación. Se obtienen los primeros mapas físicos del cromosoma 21 y del cromosoma Y, gracias a los trabajos de Cohen y Page. Noller demuestra que la actividad peptidiltransferasa está localizada en un ARNr del ribosoma. 1993 Sharp y Roberts son galardonados con el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus observaciones sobre el procesamiento del ARN de genes discontinuos. Mullis recibe el Premio Nobel de Química por el desarrollo de la PCR. Smith lo recibe también el mismo año por sus métodos de mutagénesis dirigida con oligonucleótidos. 1994 Gilman y Rodbell reciben el Nobel de Medicina y Fisiología por sus descubrimientos sobre proteínas G y su papel en la transducción de señales. 1995 Se presenta el primer mapa genético humano detallado. Ese año, se secuencian los genomas completos de la bacteria más pequeña (Micoplasma genitalium) y de Haemophilus influenzae. Megan y Morag obtienen corderos clónicos. Se obtiene el primer mapa físico completo del genoma humano. Se acuña el término de «proteoma». 1996 Nace Dolly, la primera oveja clónica obtenida de núcleos de células adultas. Se obtiene la secuencia del genoma completo de Saccharomyces cerevisae. Se comercializa un biochip para analizar las mutaciones del virus del SIDA. Se completa el mapa genético del ratón y se secuencia el genoma de arqueas y levaduras. Comienza la secuencia- ción a gran escala del ADN humano. 1997 Prusiner recibe el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por el descubrimiento de los priones, un nuevo agente biológico de infección. Se obtiene la secuencia completa del genoma de E. coli. 1998 Se completa la secuencia del genoma del gusano Caenorhabditis elegans. 1999 Blobel recibe el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por su hipótesis de la señal en el tráfico de las proteínas en la célula. 2000 Se completa la secuencia del genoma de Drosophila melanogaster. Se descifra el mapa genético de los cromosomas 5, 16 y 19 humanos. Se secuencia el cromosoma 21. Se presenta un primer borrador de la secuencia completa del genoma humano. 2001 Hartwell, Hunt y Nurse son galardonados con el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus contribuciones sobre la regulación del ciclo celular. 2002 Chan y Krzycki descubren el aminoácido número 22. Se publica la secuencia del genoma del ratón, del mosquito Anopheles y del Plasmodium falciparum. Se presenta el borrador del genoma del arroz. Brenner, Horvitz y Sulston reciben el Premio Nobel de Medicina por sus descubrimientos sobre la regulación genética del desarrollo. 2003 Se celebra el cincuentenario del descubrimiento de la estructura de la doble hélice. Lauterbur y Mansfield reciben el Premio Nobel de Medicina en reconocimiento a su participación en el desarro- llo de los equipos de imágenes de resonancia magnética. 2004 Se publica el genoma completo del perro. 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 16 16 | El escenario bioquímico Bioquímica y Biología Molecular Se obtienen las primeras secuencias genómicas de organismos superiores 2000 2000 Se secuencia el nematodo Caenorhabditis elegans Se establecen las bases moleculares del cáncer Se secuencia la bacteria Mycoplasma genitalium Comienzo del Proyecto Genoma Humano Se descubren los mecanismos de regulación génica en los eucariotas Se establece la estructura de la cromatina 1975 1975 Berg, Cohe y Boyer: clonan ADN Perutz: mediante difracción de rayos X, determina la estructura de la primera proteína ó Ochoa, Niremberg, Khorana, Holley: descifran el código genético Sanger: secuencia, por primera vez, una proteína Watson y Crick: establecen el modelo de doble hélice del ADN Hershey y Chase: demuestran que el ADN es el material genético 1950 1950 Avery y col.: demuestran que el ADN es el agente de la transformación genética ó Claude: aisla fracciones mitocondriales Krebs: dilucida el ciclo del citrato Invención del microscopio electrónico í Svedberg: desarrolla la ultracentrífuga 1925 Morgan y col.: estudian la genética de Drosophila 1925 Sumner: cristaliza la ureasa Feulgen: desarrolla un método de tinción del ADN Embden y Meyerhof: describen la glucólisis Correns y col.: redescubren las leyes de Mendel Buchner: demuestra la existencia de fermentación Sutton: establece la teoría cromosómica de la herencia 1900 con extractos celulares 1900 Bioquímica Chevreul: investiga la estructura Genética de los lípidos Cajal: la neurona es Roux y Weismann: descubren que los cromosomas Fischer: establece la estructura la unidad básica del S.N. transportan la información genética 1875 de los glúcidos 1875 Se desarrollan tinciones Pasteur: demuestra la inexistencia de la para la biología celular generación espontánea de los organismos Meischer: aisla los ácidos nucleicos Flemming: identifica los cromosomas Klertzinsky: emplea por primera vez el término Bioquímica í Mendel: establece las leyes fundamentales de la herencia Hoppe-Seyler: cristaliza la Virchow: afirma que toda célula 1850 hemoglobina procede de otra célula 1850 Scheiden y Schwann: Berzelius: acuña el proponen la teoría celular Eberle: descubre que el jugo gástrico témino Química Orgánica digiere los alimentos 1825 Brown: descubre los núcleos 1825 Wöhler: sintetiza la urea en el laboratorio Biot: descubre la actividad óptica Dalton: enuncia la Lamarck: propone el témino Biología 1800 teoría atómica 1800 Lavoisier: relaciona algunos procesos fisiológicos y químicos 1700 Van Leeuwenhoek: mejora las lentes ópticas 1700 Hooke: describe las cellulae del corcho 1600 1600 Química Biología Física Fisiología Figura 1-1. La Bioquímica y Biología Molecular, una disciplina joven, se nutre y desarrolla con aportaciones realizadas desde diver- sas perspectivas, físicas, químicas, biológicas, fisiológicas y genéticas. 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 17 Bioquímica y biología molecular: orígenes y desarrollo como cien cias específicas | 17 RESUMEN La Bioquímica es una ciencia que surgió a finales del la información genética entre las distintas generaciones, siglo XIX, derivada de la Química, la Biología y la así como cuáles eran los mecanismos de almacena- Medicina, para estudiar a nivel molecular la estructura y miento, transmisión y expresión de la misma. Además, función de los componentes celulares. se inicia el período de la ingeniería genética, tras la A finales del siglo XIX se realizan las primeras síntesis obtención de la primera molécula de ADN recombinan- de compuestos orgánicos sencillos, otros se extraen de te, en la década de los setenta. fuentes naturales y se purifican las primeras proteínas. Desde la última década del siglo XX hasta nuestros días, Durante el comienzo del siglo XX se formularon las teo- se han secuenciado los genomas de varios organismos, rías celulares, de la herencia y la evolución. desde bacterias hasta el ser humano. Paralelamente, se A lo largo del primer tercio del siglo XX, gracias al avan- han obtenido diversos animales transgénicos, para su ce de los métodos de extracción y purificación, así como uso como herramienta científica, pero también con apli- a la sistematización de los procedimientos, la cación directa en campos como la agroalimentación y la Bioquímica estructural y la dinámica experimentan un medicina. desarrollo paralelo, apoyado en gran medida en los ade- En la transición del milenio, ganan auge disciplinas lantos de la enzimología. como la proteómica, ciencia y métodos encargados del Durante el segundo tercio del siglo XX, contando con la estudio de todas las proteínas de las diferentes células y ayuda de la tecnología científica recién desarrollada, se especies, así como las interacciones que establecen consigue detallar las vías anabólicas y catabólicas, gra- entre ellas y sus estructuras tridimensionales. Otras dis- cias al descubrimiento de un sinnúmero de proteínas y ciplinas asociadas, relacionadas con la exploración a enzimas, y se localizan estas vías en los distintos orgá- gran escala de genes y proteínas mediante el uso de nulos celulares. métodos robotizados, están comenzando su andadura. La Biología Molecular surge a partir del descubrimien- Actualmente, la Bioquímica se considera dividida en to de la estructura de la doble hélice del ADN a mitad tres grandes apartados, según el objeto de estudio: del siglo XX. Gracias a ella, se dilucidaron cuáles eran Bioquímica estructural, Bioquímica metabólica y las estructuras celulares encargadas de la transmisión de Biología molecular. 01 Capitulo 01 8/4/05 09:36 Página 18 18 | El escenario bioquímico BIBLIOGRAFÍA Ardieta H: Química Biológica aplicada a la higiene y a la patología humanas. Barcelona, Soler M, 1898. Lozano JA: Perspectivas de la Genética Bioquímica. Publicaciones de la Universidad de Murcia, 1975. Manchester KL: Biochemistry comes of age: a century of endeavour. Endeavour 2000; 24: 22-27. Pace NR: The universal nature of biochemistry. Proc Natl Acad Sci USA 2000; 98: 805-808. Santesmases MJ y Muñoz E: Hacia la institucionalización de la bioquímica en España: origen y fundación de la Sociedad Española de Bioquímica. LLULL 1993; 16: 549-585. Sols A: Hacia una Patología Molecular. Boletín de Educación Bioquímica (México) 1982; 1: 9-15. Watson JD: La doble hélice, Barcelona, Plaza y Janés, 1978. 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 19 ARGUMENTO Y ACTORES: VIDA, ÁTOMOS Y MOLÉCULAS 2 Uno de los atributos que caracterizan a la materia viva, es 3. Oligoelementos o bioelementos traza: Mn, I, Cu, Co, decir, a la vida, es la capacidad de constante renovación de una Cr, Zn, F, Mo, Se y otros. Aunque aparecen sólo en trazas o estructura muy bien ordenada. Los organismos vivos poseen en cantidades ínfimas, su presencia es esencial para el un perfecto orden molecular muy complejo, que se encuentra correcto funcionamiento del organismo. Su ausencia deter- en continua creación y que es transmitido a sus descendientes. mina la aparición de enfermedades carenciales, o síntomas Estos procesos de creación y transmisión de orden se realizan de déficit, que se definirán en el siguiente apartado. en un entorno caótico o muy poco ordenado. La creación de Otro criterio de clasificación de los bioelementos es la orden y complejidad en la materia debe ser compensada con función que desempeñan en el organismo. Así, se pueden un aporte continuo de energía, con lo que no se contraviene el establecer diferentes grupos, con distintas funciones: segundo principio de la Termodinámica. Otro de los atributos fundamentales de la materia viva es 1. Plástica o estructural: H, O, C, N, P, S. Colaboran en su capacidad de autorreproducción. La información que des- el mantenimiento de la estructura del organismo. cribe la estructura de un organismo se transfiere de una gene- 2. Esquelética: Ca, Mg, P, F, Si. Confieren rigidez. ración a la siguiente y, de esta forma, la vida puede perpe- 3. Energética: C, O, H, P. Forman parte de las moléculas tuarse. energéticas. Para describir y estudiar este fascinante fenómeno de la 4. Catalítica: Fe, Mn, I, Cu, Co, Zn, Mo, Se. Forman vida, se han de considerar las reacciones y transformaciones parte de las enzimas, que catalizan reacciones y pro- químicas que la hacen posible. En estos procesos del de- cesos bioquímicos. sarrollo del argumento de la vida, los actores básicos son los 5. Osmótica y electrolítica: Na+, K+ y Cl–, principalmen- átomos y las moléculas que forman parte de los seres vivos y te. Mantienen y regulan los fenómenos osmóticos y de constituyen los denominados bioelementos y biomoléculas. potencial químico y electrónico. Como la Bioquímica pretende estudiar y explicar la vida 2.1 BIOELEMENTOS desde el punto de vista molecular, el conocimiento de las biomoléculas o moléculas de los seres vivos es un punto de Debido al origen evolutivo común de la materia viva, su quí- partida necesario, ya que la vida se nos presenta como el mica es similar en toda la escala filogenética. En la compo- resultado de las propiedades e interacciones de tales biomo- sición de los seres vivos aparecen una veintena de elementos léculas. químicos que son esenciales para el desarrollo de la vida. A En el origen, el universo estaba formado fundamental- estos elementos químicos que constituyen los seres vivos se mente por hidrógeno y helio. Durante millones de años se les denomina bioelementos. También reciben el nombre de produjeron reacciones termonucleares que condujeron a la elementos biogénicos o biogenésicos. Se pueden clasificar, aparición de los otros elementos químicos más pesados. según su abundancia, en tres grandes grupos: Estos elementos se distribuyeron por todo el universo, dando 1. Bioelementos primarios: H, O, C, N. Son los más lugar, con el paso del tiempo, a la composición química abundantes. Representan un 99.3% del total de átomos del actual de la materia. Los elementos más abundantes en la cuerpo humano. Con diferencia, el hidrógeno es el más actualidad siguen siendo hidrógeno y helio, y a continua- importante, junto con el oxígeno, ya que ambos forman parte ción, oxígeno, neón, carbono y nitrógeno. de la biomolécula más abundante de los organismos, el agua. Hace unos 5000 millones de años, posiblemente, apare- 2. Bioelementos secundarios: Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe. cieron sobre la Tierra las primeras formas primitivas de vida. Constituyen prácticamente el 0.7% del total de átomos del Desde entonces, el proceso evolutivo ha transcurrido hasta cuerpo humano. alcanzar el grado actual de diversidad y diferenciación, lo 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 20 20 | El escenario bioquímico que ha significado un alto grado de adaptación y selección. 2.1.1 Enfermedades carenciales Es interesante saber que aunque se conocen más de 100 ele- Es lógico que la deficiencia de cualquiera de los bioelemen- mentos químicos diferentes, en la corteza terrestre son ocho tos encuadrados en los grupos primario y secundario, deter- los más abundantes en cuanto a número de átomos, repre- mine alteraciones patológicas importantes en el organismo sentando más del 98% de los átomos totales (O, Si, Al, Fe, humano. Un ejemplo típico es el de la anemia producida por Ca, Na, K, Mg). carencia o deficiencia de Fe. Por otra parte, si consideramos la abundancia relativa de Sin embargo, se podría pensar que el déficit de alguno los átomos que actualmente constituyen las biomoléculas, en de los oligoelementos no debería representar un problema concreto las del ser humano, nos encontramos con que sólo importante, dada la mínima cantidad de estos oligoelemen- cuatro elementos representan más del 99% de todos los áto- tos que el organismo necesita. Nada más lejos de la realidad, mos (H, O, C, N). Es un hecho llamativo que ninguno de ya que la expresión enfermedad carencial adquiere verdade- ellos, excepto el oxígeno, se encuentre entre los ocho ele- ra importancia en lo que se refiere a estos elementos, debi- mentos más abundantes en la corteza terrestre. do a la importancia de su función. En la Tabla 2-1 se pueden ¿Por qué han sido precisamente estos cuatro elementos observar algunas disfunciones producidas por la escasez o los que han conformado las biomoléculas? De su pequeño ausencia de estos elementos (Recuadro 2-1). tamaño y de su estructura electrónica, se pueden deducir las siguientes posibilidades: 2.2 BIOMOLÉCULAS 1. La facilidad de formar enlaces covalentes entre ellos, compartiendo electrones. Estos enlaces son muy esta- Análogamente a lo que ocurre con los bioelementos, las bio- bles, ya que su fuerza es inversamente proporcional a moléculas son las moléculas constituyentes de los seres la masa de los átomos unidos. vivos. Atendiendo a su naturaleza química, las biomoléculas 2. La disponibilidad de los átomos de carbono para la se pueden clasificar en dos grandes grupos: formación de esqueletos carbonados tridimensionales (ejemplo del carbono tetraédrico). 1. Biomoléculas inorgánicas: agua (la biomolécula más 3. El que se favorezca la multiplicidad de enlaces abundante), gases (oxígeno, dióxido de carbono), (dobles y triples) entre algunos de esos átomos, así sales inorgánicas (aniones, como fosfato y bicarbona- como la formación de enlaces que facilitan a su vez la to, y cationes, como amonio). formación de estructuras lineales, ramificadas, cícli- 2. Biomoléculas orgánicas: glúcidos (como glucosa o cas, heterocíclicas, etcétera. glucógeno), lípidos (como triglicéridos o colesterol), 4. El hecho de que, con muy pocos elementos, se puede proteínas (como la hemoglobina o las enzimas), áci- dar lugar a una gran variedad de grupos funcionales, dos nucleicos (como ADN [ácido desoxirribonuclei- que confieren propiedades características a las dife- co] o ARN [ácido ribonucleico]), metabolitos (como rentes biomoléculas. ácido pirúvico o ácido láctico), etcétera. Tabla 2-1. Oligoelementos y alteraciones carenciales Cinc Retraso del crecimiento, diarrea, alopecia, dermatitis, disfunción inmunitaria, espermatogénesis defectuosa. Cobalto Anemia, retraso en el crecimiento. Cobre Anemia, defectos esqueléticos, desmielinización, degeneración del sistema nervioso, lesiones cardiovasculares, hipopigmentación. Cromo Trastornos en la tolerancia a la glucosa, encefalopatías, neuropatías. Flúor Caries, alteraciones en la estructura ósea. Manganeso Retraso del crecimiento, defectos en la coagulación, dermatitis. Molibdeno Síntomas similares al bocio. Selenio Miocardiopatías, disfunción muscular. Yodo Bocio (Recuadro 2-1). 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 21 Argumento y actores: vida, átomos y moléculas | 21 Recuadro 2-1. señalaba, ya en 1927, que «el bocio es un bociógenas las plantas del género BOCIO problema de civilización, y su remedio, Brassica (col, coliflor, rábanos, coles de caminos». En España, esta enfermedad Bruselas) o las nueces. Se denomina bocio al aumento de volu- presentó una alta prevalencia en zonas El bocio está epidemiológicamente men de la glándula tiroides (tiroidomega- aisladas y deprimidas económicamente, asociado con el cretinismo y ciertas for- lia). La glándula tiroides suele pesar unos como Las Hurdes (Extremadura). mas de sordomudez y de deficiencia 20-30 g, pero en casos de bocio puede lle- Las necesidades diarias de yodo se mental. Las formas más graves son las gar a alcanzar hasta 1 kg. De diferentes cifran en 100-150 mg, que se aportan que comienzan durante el desarrollo causas, bocio vascular, enfermedad de por los alimentos de la dieta. Con carác- fetal, por lo que el déficit de yodo es Graves, etcétera, la más frecuente es oca- ter preventivo, se pueden suplementar peligroso en mujeres en edad fecunda. sionada por una captación insuficiente con yodo ciertos alimentos de consumo En algunas ocasiones, un exceso de del yodo en la dieta. Aunque puede apa- general, como pan y aceite, pero lo más yodo puede originar la existencia de un recer en cualquier localización, es endé- generalizado es la utilización de sal bocio endémico. Es el caso de la isla de mico en las zonas geográficas montaño- yodada en la dieta. Además de la esca- Hokkaido, en el archipiélago japonés. sas (Andes, Himalaya) donde el escaso sez de yodo en la alimentación, se han Un excesivo consumo de yodo bloquea aporte de yodo tiene su origen en el pre- descrito ciertos elementos cuya presen- la liberación de las hormonas tiroideas y dominio de determinados cultivos, las cia dificulta la correcta captación del la organificación del elemento. En otras propiedades químicas del suelo o la difi- yodo por el tiroides. Son las denomina- situaciones, la administración de ciertos cultad de las comunicaciones, que impi- das sustancias o elementos bociógenos. medicamentos (sulfonilureas, ácido den diversificar el origen de los alimen- Entre ellos se encuentran el calcio, el paraaminosalicílico, etc.) puede produ- tos. A este respecto, el Dr. Marañón litio, el flúor y el cobalto; asimismo, son cir bocio (iatrogénico). Según la especialización de cada tejido, existe una dife- cos para alcanzar el estado de mayor estabilidad electrónica rente distribución celular cualitativa y cuantitativa de las bio- (cumpliendo la ley del octete, es decir, la existencia de ocho moléculas, aunque, en general, la más abundante es el agua, electrones en su última capa). Ello determina que los átomos seguida de las proteínas. implicados se conviertan en iones de signo contrario por lo Las biomoléculas de los seres vivos se caracterizan por su que sufren entre sí una atracción mutua de naturaleza elec- no gratuidad, es decir, por poseer siempre una función cuya trostática. Ejemplos típicos son los enlaces que se establecen naturaleza puede ser diversa: estructural, catalítica, de trans- entre los metales alcalinos o alcalinotérreos y los halógenos. porte, de defensa, señalizadora, de almacenamiento energéti- Así, en el NaCl, el ion negativo o anión Cl– se une por enla- co, entre otras. Su gran diversidad interespecie (en el caso de ce iónico con el ion positivo o catión Na+. las proteínas y los ácidos nucleicos) se puede lograr a partir de El enlace covalente se establece entre átomos que com- unas pocas unidades estructurales elementales diferentes, o parten electrones de sus orbitales periféricos, para alcanzar el sillares: veinte aminoácidos en las proteínas y cinco nucleóti- estado de mayor estabilidad electrónica. Este tipo de enlace dos en los ácidos nucleicos. Ello contrasta con la gran simili- es el más frecuente en las biomoléculas y es más fuerte y tud molecular intraespecie. Las propiedades de las biomolécu- resistente que el enlace iónico. las condicionan sus interacciones, lo que, en conjunto, da lugar Como se ha mencionado anteriormente, una de las razo- a las características de los seres vivos: autoensamblaje de las nes que han determinado que H, O, N y C sean los bioele- estructuras moleculares (organización), funciones característi- mentos primarios y representen más del 99% del total de áto- cas propias, uso de la energía y autorreplicación. mos en el ser humano, es su capacidad para establecer enlaces covalentes. El hidrógeno es capaz de establecer un enlace covalente; el oxígeno puede formar dos; tres, el nitró- 2.2.1 Enlaces químicos en las biomoléculas geno y cuatro, el carbono. Además, al tratarse de átomos Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos para consti- pequeños, la fuerza de los enlaces en los que participan es tuir las biomoléculas reciben el nombre de enlaces químicos. elevada. Los dos tipos de enlace químico utilizados son el enlace ióni- Estos bioelementos pueden establecer, además de enlaces co o electrovalente y el enlace covalente. covalentes sencillos, otros enlaces dobles y triples, depen- El enlace iónico o electrovalente se establece entre áto- diendo del número de electrones que se comparten en cada mos que ceden o aceptan electrones en sus orbitales periféri- enlace. Mención especial merece el átomo de carbono que 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 22 22 | El escenario bioquímico debido a su estructura electrónica (hibridación sp3) y la con- ellos, el grupo hidroxilo (R—OH) es típico de los alcoholes comitante disposición tetraédrica de los enlaces, constituye y glúcidos; el grupo carbonilo, característico de los aldehídos la base estructural tridimensional de los compuestos carbo- (R—CHO) y las cetonas (R—CO—R’), aparece en los glú- nados y, por tanto, de la gran mayoría de las biomoléculas cidos; el grupo carboxilo (R—COOH), característico de los (Véase la Fig. 5-1). ácidos, se encuentra en los aminoácidos, las proteínas y los ácidos grasos; el grupo amino (R—NH2) aparece en los aminoácidos y las proteínas (Recuadro 2-2). 2.2.2 Grupos funcionales Los átomos de carbono se enlazan entre sí por enlace cova- 2.2.3 Interacciones moleculares no covalentes lente, originando cadenas lineales, ramificadas o estructuras circulares. En ellas, los átomos de carbono también estable- Aunque los enlaces covalentes son fundamentales para la cen enlaces covalentes sencillos con átomos de hidrógeno. A existencia de las biomoléculas, se necesita la existencia de estas moléculas se les conoce con el nombre genérico de otros tipos de fuerzas, mucho más débiles, para la existen- hidrocarburos. cia de la vida. Estas interacciones no covalentes, que se A esas estructuras carbonadas se les puede añadir otros pueden establecer entre iones, moléculas y partes de molé- átomos o grupos de átomos que les confieren propiedades culas, están implicadas en el mantenimiento de las estruc- químicas específicas y que reciben el nombre de grupos fun- turas tridimensionales de las biomoléculas. En la debilidad cionales. El grupo funcional es el responsable del comporta- de la fuerza de estas interacciones radica su importancia, miento físico y químico característico de cada tipo de bio- puesto que permiten la continua formación y rotura de molécula. estos enlaces, permitiendo la plasticidad, lo que es un En la Tabla 2-2 se recogen algunos de los grupos funcio- requisito necesario para el desarrollo de los procesos vita- nales más importantes presentes en las biomoléculas. Entre les. Tabla 2-2. Grupos funcionales más frecuentes en las biomoléculas. La naturaleza del grupo funcional determina las propiedades del compuesto en el que se encuentra Compuestos Estructura del grupo Nombre de grupo Alcoholes R—OH Hidroxilo O — — Aldehídos Carbonilo R—C—H O Cetonas Carbonilo — — R—C—R′ O Ácidos carboxílicos Carboxilo — — R—C—OH Aminas R—NH2 Amino O — — Amidas Amido R—C—NH2 Tioles o mercaptanos R—SH Tiol o mercapto O — — Ésteres Éster R—C—O—R′ 02 Capitulo 02 8/4/05 09:37 Página 23 Argumento y actores: vida, átomos y moléculas | 23 Recuadro 2-2. donar sus electrones, se oxida, mientras desplazados hacia el átomo de C. Esto ESTADO DE OXIDACIÓN que el oxidante, al aceptar electrones, se es lo que ocurre en el grupo metilo ter- DEL CARBONO EN reduce. minal de los alcanos (—CH3). En el LAS BIOMOLÉCULAS Puesto que el átomo de carbono es caso de un enlace C—O, el átomo de fundamental en la estructura de las oxígeno es más electronegativo que el La gran mayoría de los procesos bioquí- biomoléculas orgánicas, es interesante de carbono, por lo que los electrones mic