Bioquímica
1. El concepto de bioquímica y su contenido de investigación
El fenómeno (proceso) de la vida de los organismos vivos es un proceso único de movimiento material. forma de una forma especial de movimiento es (metabolismo y autorreproducción). ¿Cuál es entonces la base material de esta forma especial de movimiento? Engels dijo hace mucho tiempo que "las proteínas son la encarnación de las actividades de la vida". Ahora se sabe que las proteínas por sí solas no son suficientes, sino también los ácidos nucleicos, azúcares, lípidos, vitaminas, hormonas, terpenos, fenoles, etc. Es la interacción coordinada entre estas sustancias vivas lo que forma los ricos y coloridos fenómenos de la vida. Entonces, ¿qué son estas sustancias vivas? ¿Cómo nacen y mueren, y cómo se transforman e interactúan entre sí? De esto se trata la bioquímica.
Intentemos entonces definir la bioquímica.
La bioquímica es una ciencia que estudia la composición material de los organismos y los cambios químicos en los procesos vitales. En otras palabras, la bioquímica es una ciencia que estudia la base material y los cambios químicos en los fenómenos de la vida. Para decirlo de manera más simple, la bioquímica es el estudio de la naturaleza química de los fenómenos de la vida. Algunas personas también llaman a la bioquímica la química de la vida.
La bioquímica es una rama de la biología que estudia la composición química y la estructura de las sustancias vivas y diversos cambios químicos durante los procesos de la vida.
Si se utilizan diferentes organismos como objeto de investigación, la bioquímica se puede dividir en bioquímica animal, bioquímica vegetal, bioquímica microbiana, bioquímica de insectos, etc. si se utilizan diferentes tejidos o procesos de organismos como objeto de investigación; , se puede dividir en bioquímica muscular, neurobioquímica, bioquímica inmune, biomecánica, etc., debido a las diferentes sustancias estudiadas, se puede dividir en ramas como la química de proteínas, la química de ácidos nucleicos, la enzimología, etc.; de diversas sustancias naturales se llama investigación bioinorgánica. El tema de las funciones biológicas de diversas sustancias inorgánicas se llama química bioinorgánica o bioquímica inorgánica;
Desde la década de 1960, la bioquímica se ha integrado con otras disciplinas para producir algunas disciplinas de vanguardia, como la farmacología bioquímica, la paleobioquímica, la ecología química, etc. o dependiendo del campo de aplicación, están la bioquímica de la medicina, la agrícola; bioquímica, bioquímica industrial, bioquímica nutricional, etc.
2. Métodos de investigación de la bioquímica
Lo anterior ha hablado sobre los objetos de investigación de la bioquímica, entonces, ¿qué hacen los bioquímicos modernos todo el día? Cuatro palabras; análisis de separación.
A partir de la observación de un fenómeno vital específico, se separa una determinada sustancia bioquímica desconocida (componente bioquímico) mediante extracción, filtración, centrifugación, cromatografía (cromatografía) y otras técnicas bioquímicas, como una nueva proteína desconocida. Luego se analizan componentes, nuevos fragmentos de genes o nuevos metabolitos secundarios,
1. Estructura y propiedades: utilice series de mediciones, difracción de rayos X, espectroscopia de ondas, espectrometría de masas, dispersión de dicroísmo circular y otras técnicas para analizar su estructura y función. La estructura es la base de la función, y su estructura debe tener su función.
2. Función: Fisiología, patología, transducción de letras, resistencia a enfermedades, resistencia a la sequía, tolerancia al agua y fertilizantes, obesidad, etc.
3. Metabolismo y su regulación celular: especificidad espaciotemporal de expresión, ¿cuándo se produce y destruye la sustancia y en qué tejidos se expresa? ¿De dónde viene, dónde va a parar y cómo se regula su metabolismo? (Latente, activa, silenciosa).
4 Transformación y utilización Comprender el mundo es transformar el mundo a través de la separación y el análisis, se pueden aclarar estos fenómenos de la vida y, finalmente, se puede prescribir la medicina adecuada: la terapia génica: hemofilia, cáncer, obesidad. etc. Medicamentos bioquímicos (medicamentos genéticamente modificados): eritropoyetina, sulfonamidas. Mejora genética: resistencia a insectos, resistencia a enfermedades, resistencia a virus, etc.
3. Una breve historia del desarrollo de la bioquímica
El término bioquímica apareció a finales del siglo XIX y principios del XX, pero sus orígenes se remontan a mucho tiempo atrás. Además, su Historia temprana es parte de la historia temprana de la fisiología y la química. Por ejemplo, en la década de 1880, Lavoisier demostró que la respiración es un proceso de oxidación similar a la combustión. Casi al mismo tiempo, los científicos descubrieron que la fotosíntesis es esencialmente el proceso inverso de la respiración animal. Otro ejemplo es que en 1828, Waller sintetizó por primera vez en el laboratorio una sustancia orgánica, la urea, rompiendo la idea de que las sustancias orgánicas sólo pueden ser producidas por seres vivos y asestando un duro golpe al "vitalismo".
En 1860, Pasteur demostró que la fermentación era causada por microorganismos, pero creía que se necesitaba levadura viva para provocar la fermentación. En 1897, los hermanos Büchner descubrieron que se pueden fermentar extractos de levadura libres de células, demostrando que actividades vitales complejas como la fermentación pueden llevarse a cabo sin células vivas, y finalmente derribaron la "teoría de la vitalidad".
El desarrollo de la bioquímica se puede dividir a grandes rasgos en tres etapas.
La primera etapa, desde finales del siglo XIX hasta la década de 1930, fue principalmente una etapa descriptiva estática, que implicó el estudio del aislamiento, purificación, determinación de la estructura, síntesis y propiedades físicas y químicas de diversos componentes. de organismos. Entre ellos, Fischer determinó las estructuras de muchos azúcares y aminoácidos, determinó la configuración de los azúcares y señaló que las proteínas están conectadas por enlaces. En 1926, Sumner cristalizó la ureasa y demostró que era una proteína.
En los siguientes cuatro o cinco años, Northrop y otros cristalizaron sucesivamente varias enzimas que hidrolizan proteínas, señalando que todas eran proteínas sin excepción, y establecieron el concepto de que las enzimas son proteínas. Mediante análisis de alimentos e investigaciones nutricionales se descubrieron una serie de vitaminas y se dilucidaron sus estructuras.
Al mismo tiempo, se ha reconocido otro tipo de sustancia, pequeña en cantidad pero con efectos importantes: las hormonas. A diferencia de las vitaminas, no depende del suministro externo, sino que es producida por el propio animal y desempeña su función por sí mismo. En esta etapa se descubren la epinefrina, la insulina y las hormonas esteroides contenidas en la corteza suprarrenal. Además, el bioquímico chino Wu Xian propuso el concepto de desnaturalización de proteínas en 1931.
La segunda etapa es alrededor de los años 1930 a 1950. La característica principal es el estudio de los cambios en las sustancias en los organismos, es decir, las rutas metabólicas, por eso se le llama etapa bioquímica dinámica. Entre ellos, el logro más destacado es la identificación de importantes vías catabólicas como la glucólisis, el ciclo del ácido tricarboxílico y la lipólisis. Tener una comprensión más profunda de la respiración, la fotosíntesis y las posiciones clave del trifosfato de adenosina (ATP) en la conversión de energía.
Por supuesto, esta división de etapas es relativa. La comprensión de las vías biosintéticas llegó mucho más tarde, en las décadas de 1950 y 1960, se aclararon las vías biosintéticas de los aminoácidos, purinas, piridinófilos y ácidos grasos.
La tercera etapa se inició en la década de 1950 y se caracterizó principalmente por el estudio de la estructura y función de las macromoléculas biológicas. El desarrollo de la bioquímica en esta etapa, así como la penetración de otras disciplinas como la física, las ciencias técnicas, la microbiología, la genética, la citología, etc., dieron origen a la biología molecular y se convirtió en el cuerpo principal de la bioquímica.
Contenido básico de la bioquímica
A excepción del agua y las sales inorgánicas, la materia orgánica de las células vivas está compuesta principalmente por átomos de carbono combinados con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, y se divide en Hay dos categorías principales: macromoléculas y moléculas pequeñas. El primero incluye proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos en estado combinado; el segundo incluye vitaminas, hormonas, diversos intermediarios metabólicos y aminoácidos, nucleótidos, azúcares, ácidos grasos y glicerina necesarios para la síntesis de macromoléculas biológicas. En diferentes organismos también existen diversos metabolitos secundarios, como terpenos, alcaloides, toxinas, antibióticos, etc.
Aunque la identificación de la composición de los organismos vivos fue una característica del desarrollo temprano de la bioquímica, hasta el día de hoy se siguen descubriendo nuevas sustancias. Por ejemplo, los interferones, los nucleósidos fosfatos cíclicos, la calmodulina, las proteínas de adhesión, las lectinas, etc. se han ido descubriendo uno tras otro y se han convertido en importantes temas de investigación.
Los compuestos que se conocen desde hace mucho tiempo también encontrarán nuevas funciones. La carnitina, que fue descubierta a principios del siglo XX, sólo se supo que era un factor de crecimiento en la década de 1950 y se supo que era un portador. oxidación biológica en la década de 1960; se ha descubierto que la putrescina y la cadaverina, que durante muchos años se han considerado productos de descomposición, junto con la espermina, la espermidina y otras poliaminas, tienen diversas funciones fisiológicas, como participar en la regulación de la síntesis de ácidos nucleicos y proteínas, estabilización de superenrollamientos de ADN y regulación de la diferenciación celular, etc.
El metabolismo se compone de anabolismo y catabolismo. El primero es el proceso en el que los organismos obtienen sustancias del medio ambiente y las transforman en nuevas sustancias en el cuerpo, también llamado asimilación; el segundo es el proceso en el que las sustancias originales del organismo se transforman en sustancias del medio ambiente, también llamado; alienación. Los procesos tanto de asimilación como de disimilación constan de una serie de pasos intermedios. El metabolismo intermedio estudia las vías químicas implicadas.
El proceso de metabolismo de las sustancias también va acompañado de cambios en la energía.
La conversión mutua y los cambios de energía mecánica, energía química, energía térmica, luz, electricidad y otras energías en los organismos vivos se denomina metabolismo energético y desempeña un papel central en este proceso. El metabolismo se desarrolla de manera ordenada bajo el control regulatorio de los organismos. La mayoría de los procesos reguladores en los organismos vivos se logran mediante efectos alostéricos.
Las diversas funciones de las macromoléculas biológicas están estrechamente relacionadas con sus estructuras específicas. Las principales funciones de las proteínas incluyen catálisis, transporte y almacenamiento, soporte mecánico, movimiento, protección inmune, recepción y transmisión de información, regulación del metabolismo y expresión genética, etc. Gracias al progreso de la tecnología de análisis estructural, las personas pueden realizar un estudio en profundidad de sus diversas funciones a nivel molecular. La movilidad interna de las moléculas de proteínas es una base importante para que puedan realizar diversas funciones.
La ingeniería de proteínas, que surgió a principios de los años 80, obtiene moléculas de proteínas que han sido modificadas en partes determinadas cambiando los genes estructurales de las proteínas. Esta técnica no sólo proporciona una nueva forma de estudiar la relación entre la estructura y la función de las proteínas, sino que también abre amplias perspectivas para sintetizar nuevas proteínas con funciones específicas según determinados requisitos.
El estudio de la estructura y función de los ácidos nucleicos ha contribuido a dilucidar la naturaleza de los genes y comprender el flujo de información genética en los organismos. El emparejamiento de bases es la principal forma de interacción entre las moléculas de ácido nucleico, que es la base estructural de los ácidos nucleicos como moléculas de información.
La regulación y control de la expresión génica es un tema central en la investigación en genética molecular y una parte importante del estudio de la estructura y función de los ácidos nucleicos. Se sabe mucho sobre la regulación genética de los procariotas; la regulación de los genes eucariotas se está explorando desde muchos aspectos. Como la heterocromatinización y la activación de la cromatina; cambios conformacionales y modificaciones químicas del ADN; el papel de las secuencias reguladoras del ADN, como potenciadores y moduladores, la regulación del procesamiento y la traducción del ARN, etc.
Las sustancias sacáridas en los organismos vivos incluyen polisacáridos, oligosacáridos y monosacáridos. Entre los polisacáridos, la celulosa y la quitina son sustancias estructurales de plantas y animales, mientras que el almidón y el glucógeno son nutrientes almacenados. Los azúcares simples son la principal fuente de energía para los organismos. La importancia estructural y funcional de los oligosacáridos no comenzó a reconocerse hasta los años 1970. Los oligosacáridos y las proteínas o lípidos pueden formar glicoproteínas, proteoglicanos y glicolípidos.
Debido a la complejidad de la estructura de la cadena de azúcar, tienen una gran capacidad de información y juegan un papel importante en las células reconociendo específicamente determinadas sustancias e interactuando con ellas para afectar el metabolismo celular. A juzgar por la tendencia de desarrollo, los carbohidratos se convertirán en los cuatro principales objetos de investigación de la bioquímica, junto con las proteínas, los ácidos nucleicos y las enzimas.
Una vez determinada la estructura química de las macromoléculas biológicas, se puede sintetizar artificialmente en el laboratorio. La síntesis artificial de macromoléculas biológicas y sus análogos ayuda a comprender la relación entre su estructura y función. Algunos análogos pueden tener valor de aplicación debido a su mayor actividad biológica. Los genes artificiales obtenidos mediante síntesis química de ADN se pueden utilizar en ingeniería genética para obtener proteínas y sus análogos con funciones importantes.
Casi todas las reacciones químicas de los organismos vivos están catalizadas por enzimas. La función de las enzimas se caracteriza por una alta eficiencia catalítica y una fuerte especificidad. Estas características dependen de la estructura de la enzima. La relación entre la estructura y función de las enzimas, la cinética de reacción y el mecanismo de acción, y la regulación y control de la actividad enzimática son los contenidos básicos de la investigación enzimológica. Las enzimas están estrechamente relacionadas con la vida humana y las actividades productivas, por lo que su aplicación en la producción industrial y agrícola, la defensa nacional y la medicina siempre ha recibido amplia atención.
Las membranas biológicas están compuestas principalmente de lípidos y proteínas, y generalmente también contienen azúcares. Su estructura básica se puede representar mediante un modelo de mosaico de flujo, es decir, las moléculas de lípidos forman una membrana de doble capa y las proteínas de la membrana. interactúan con los lípidos en diversos grados. Interactúan y se mueven lateralmente. Las biopelículas están estrechamente relacionadas con la conversión de energía, la transmisión de materiales e información, la diferenciación y división celular, la conducción nerviosa, la respuesta inmune, etc., y son un campo de investigación activo en bioquímica.
Las hormonas son importantes reguladores del metabolismo. El sistema hormonal y el sistema nervioso constituyen los dos principales sistemas de comunicación de los organismos y existen estrechas conexiones entre los dos. Desde la década de 1970, el alcance de la investigación hormonal se ha ampliado cada vez más y se han determinado las estructuras químicas de muchas hormonas. Se trata principalmente de polipéptidos y compuestos esteroides.
También se comprenden los principios de funcionamiento de algunas hormonas. Algunas cambian la permeabilidad, otras activan los sistemas enzimáticos celulares y otras afectan la expresión genética. Las vitaminas también tienen un impacto importante en el metabolismo y se pueden dividir en dos categorías: solubles en agua y solubles en grasa. La mayoría de ellos son grupos protésicos o coenzimas de enzimas y están estrechamente relacionados con la salud de los organismos.
La teoría de la evolución biológica cree que millones de especies de organismos en la Tierra tienen el mismo origen y se formaron gradualmente durante el proceso evolutivo de unos 4 mil millones de años. El desarrollo de la bioquímica ha proporcionado pruebas sólidas de esta teoría a nivel molecular.
En el desarrollo de la bioquímica, muchos avances importantes se deben a avances en los métodos. Desde la década de 1990, la tecnología informática ha penetrado amplia y rápidamente en todos los campos de la bioquímica, lo que no sólo ha mejorado enormemente la automatización y eficiencia de muchos instrumentos analíticos, sino que también ha proporcionado nuevos medios para el análisis estructural, la predicción de estructuras y la investigación de las relaciones estructura-función de macromoléculas biológicas. El desarrollo continuo de la bioquímica en el futuro sin duda se beneficiará de las innovaciones en tecnología y métodos.
El profundo impacto de la bioquímica en otras disciplinas biológicas se refleja primero en los campos de la citología, la microbiología, la genética, la fisiología y otros campos estrechamente relacionados con ella. A través de una investigación en profundidad sobre la estructura y función de los biopolímeros, se han revelado muchos misterios como el metabolismo material, la conversión de energía, la transmisión de información genética, la fotosíntesis, la conducción nerviosa, la contracción muscular, la acción hormonal, la inmunidad y la comunicación intercelular. la naturaleza de la vida ha saltado a una nueva etapa.
Algunas disciplinas de la biología que parecen tener poco que ver con la bioquímica, como la taxonomía y la ecología, incluso deben tenerse en cuenta al discutir cuestiones sociales como el control de la población, el suministro mundial de alimentos y la protección del medio ambiente. considerado y estudiado desde una perspectiva bioquímica.
Además, la bioquímica sirve de puente entre la biología y la física, presentando las principales y complejas cuestiones planteadas en el mundo vivo frente a la física, dando como resultado la biofísica, la bioquímica cuántica, etc. investigar contenidos de la física y promover el desarrollo de la física y la biología.
La bioquímica surgió y, a su vez, contribuyó al desarrollo de prácticas de producción en la medicina, la agricultura, ciertas industrias y los sectores de defensa.
La bioquímica ha demostrado un gran poder en la industria fermentativa, alimentaria, textil, farmacéutica, del cuero y otras. Por ejemplo, el curtido y la depilación del cuero, el desgomado de la seda y el encolado del algodón son sustituidos por métodos enzimáticos. La moderna industria de la fermentación, los productos biológicos y la industria farmacéutica, incluidos los antibióticos, disolventes orgánicos, ácidos orgánicos, aminoácidos, preparaciones enzimáticas, hormonas, productos sanguíneos y vacunas, han creado un valor económico considerable, especialmente la tecnología de enzimas inmovilizadas y células inmovilizadas. Promovió aún más el desarrollo de la industria de enzimas y la industria de fermentación.
5. La bioquímica y las perspectivas de las ciencias de la vida en el siglo XXI
1. La bioquímica y la biología molecular son las disciplinas líderes de las ciencias de la vida en el siglo XXI. Puntos calientes del tema: genoma, proteoma, clonación biológica
2. Bioquímica y agricultura Agricultura primitiva: recolección y caza, estilo nómada; Agricultura tradicional: plantación y cría de animales primitivas: fertilizantes químicos, pesticidas; revolución (vigor híbrido), control biológico, mejoramiento molecular. ; Agricultura molecular (agricultura industrial): salida de la tierra, industria de procesamiento bioquímico a nivel celular o incluso molecular, basada en los principios de la biónica. ; Plantas: fotosíntesis → cultivo de células inmovilizadas, cloroplasto → aparato fotosintético. ;Animales: cultivo celular.
3. Bioquímica y protección del medio ambiente. Purificación biológica:; Biosensores: enzimas, células, plantas indicadoras;
4. Bioquímica e industria ligera: antibióticos, aminoácidos. Industria alimentaria y de piensos: enzimas, aditivos, aromas, curtiduría e industria papelera: bioelectrónica: almacenamiento de ADN.
5.Bioquímica y medicina. Fármacos bioquímicos: vacunas, fármacos de ingeniería genética: terapia génica:
6. Oportunidades y retos de la bioquímica. (1) Oportunidades: el surgimiento de métodos de investigación y métodos de investigación; (2) Desafíos: muchas cuestiones teóricas importantes no se han resuelto
Fotosíntesis, bioenergética, expresión y regulación genética.