Componentes bioquímicos
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 macromoléculas y moléculas pequeñas. El primero incluye proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos unidos; el segundo incluye vitaminas, hormonas, diversos intermediarios metabólicos y aminoácidos, nucleótidos, azúcares, ácidos grasos y glicerol necesarios para la síntesis de macromoléculas biológicas. En diferentes organismos existen diversos metabolitos secundarios, como terpenos, alcaloides, toxinas, antibióticos, etc.
Aunque la identificación de componentes biológicos fue una característica del desarrollo temprano de la bioquímica, hasta el día de hoy se siguen descubriendo nuevas sustancias. Como el interferón, el monofosfato de nucleósido cíclico, la calmodulina, la mucina, la lectina, etc., se han convertido en importantes temas de investigación. Algunas moléculas simples, como la fructosa-2,6-bifosfato, se descubrieron en la década de 1980 como reguladores metabólicos. Por otro lado, es posible que se descubran nuevas funciones para compuestos que se conocen desde hace mucho tiempo. Descubierta a principios del siglo XX, la carnitina no se conoció como factor de crecimiento hasta la década de 1950, pero en la década de 1960 se conoció como portador de oxidación biológica. Se ha descubierto que la putrescina y la cadaverina, que durante muchos años se han considerado productos de descomposición, así como las poliaminas como la espermina y la espermidina, tienen diversas funciones fisiológicas, como participar en la regulación de la síntesis de ácidos nucleicos y proteínas, estabilizar Superenrollamientos del ADN y regulación de la diferenciación celular.
Control de la regulación del metabolismo
El metabolismo incluye el anabolismo y el 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. El proceso de asimilación y disimilación consta de una serie de pasos intermedios. El metabolismo intermedio es el estudio de las vías químicas. Por ejemplo, la disimilación de glucógeno, grasas y proteínas se descompone en glucosa, ácidos grasos y aminoácidos a través de diferentes vías, y luego se oxida en acetil-CoA, que ingresa al ciclo de los ácidos tricarboxílicos y finalmente produce dióxido de carbono.
En el proceso del metabolismo material también se producen cambios en la energía. La conversión mutua y los cambios de energía mecánica, energía química, energía térmica, luz y electricidad en los organismos vivos se denominan metabolismo energético, y el ATP desempeña un papel central en este proceso.
El metabolismo se desarrolla de forma ordenada bajo el control de los organismos vivos. Hay tres formas de esta regulación: ① Controlar la síntesis de enzimas mediante la inducción o represión de metabolitos. Esta es una enzima relacionada con la regulación del nivel de transcripción, como la síntesis de operón lactosa inducida por la lactosa; ② Mediante la interacción de las hormonas con las células diana, se desencadenan una serie de procesos bioquímicos, como la proteína quinasa activada por AMP cíclico mediante la fosforilación. reacciones Regulan el metabolismo del azúcar; ③ los efectores afectan directamente la actividad enzimática a través de efectos alostéricos, como la inhibición por retroalimentación de la primera enzima por el producto final en la vía metabólica. La mayoría de los procesos reguladores en los organismos vivos se logran mediante efectos alostéricos.
Estructura y Función
Las diversas funciones de las macromoléculas biológicas están estrechamente relacionadas con sus estructuras específicas. Las principales funciones de las proteínas son la catálisis, transporte y almacenamiento, soporte mecánico, movimiento, protección inmune, recepción y transmisión de información, regulación del metabolismo y expresión genética. Gracias a los avances en las técnicas de análisis estructural, se pueden estudiar en profundidad sus diversas funciones a nivel molecular. El estudio de los principios catalíticos de las enzimas es un ejemplo destacado de esto. La estructura de una molécula de proteína se puede dividir en cuatro niveles, en los que puede haber una estructura supersecundaria entre las estructuras secundaria y terciaria, y un dominio entre las estructuras terciaria y terciaria. Los dominios estructurales son regiones relativamente compactas con funciones especiales. Las cadenas peptídicas que conectan los dominios tienen un cierto espacio para el movimiento, lo que permite cierto movimiento relativo entre los dominios. Las cadenas laterales de las proteínas se mueven rápidamente y constantemente. La movilidad interna de las moléculas de proteínas es una base importante para que puedan realizar diversas funciones.
El Proyecto Proteína, que surgió a principios de los años 80, obtiene moléculas de proteínas modificadas en sitios designados cambiando los genes estructurales de las proteínas. Esta tecnología no sólo proporciona una nueva forma de estudiar la relación entre estructura y función de las proteínas, sino que también abre amplias perspectivas para sintetizar nuevas proteínas con funciones específicas según determinadas necesidades.
El estudio sobre la estructura y función de los ácidos nucleicos ayuda a aclarar la naturaleza de los genes y comprender el flujo de información genética biológica. El emparejamiento de bases es la principal forma de interacción entre los ácidos nucleicos y la base estructural de los ácidos nucleicos como moléculas de información. La estructura de doble hélice del ADN tiene diferentes conformaciones.
J.D. Watson y F.H.C. Crick descubrieron la hélice derecha de la estructura B y más tarde descubrieron la hélice izquierda conocida como estructura Z. El ADN también tiene una estructura superhelicoidal. Estas diferentes conformaciones tienen su significado funcional. El ácido ribonucleico, incluido el ácido ribonucleico mensajero (ARNm), el ácido ribonucleico de transferencia (ARNt) y el ácido ribonucleico ribosómico (ARNr), desempeña un papel importante en la biosíntesis de proteínas. Recientemente se descubrió que un único ARN funciona como enzima.
La regulación de la expresión génica es un tema central en la investigación de genética molecular y una parte importante del estudio de la estructura y función de los ácidos nucleicos. Se sabe mucho sobre la regulación genética en procariotas. La regulación de 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 secuencias reguladoras como potenciadores y reguladores de la regulación del procesamiento y la traducción del ARN;
Fórmula estructural de la glucosa
Los carbohidratos en los organismos vivos incluyen polisacáridos, oligosacáridos y monosacáridos. Entre los polisacáridos, la celulosa y la quitina son sustancias estructurales en plantas y animales, y el almidón y el glucógeno son nutrientes almacenados. Los azúcares simples son la principal fuente de energía para los organismos vivos. La importancia estructural y funcional de los oligosacáridos no fue reconocida hasta los años 1970. Los oligosacáridos y las proteínas o lípidos pueden formar glicoproteínas, proteoglicanos y glicolípidos. Debido a la complejidad de las estructuras de las cadenas de azúcar, tienen una gran capacidad de información y desempeñan un papel importante en el reconocimiento y la interacción celular específicos de determinadas sustancias, afectando así al metabolismo celular. A juzgar por la tendencia de desarrollo, el azúcar se convertirá 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 aplicaciones debido a su mayor actividad biológica. Los genes artificiales obtenidos mediante síntesis química de ADN pueden utilizarse en ingeniería genética para obtener proteínas y sus análogos con funciones importantes.
Investigación enzimática
Casi todas las reacciones químicas en los organismos vivos son catalizadas por enzimas. La función de las enzimas se caracteriza por una alta eficiencia catalítica y una fuerte especificidad. Estas características
Laboratorio de Bioquímica
dependen de la estructura de la enzima. La relación entre la estructura y función de las enzimas, la cinética y el mecanismo de las reacciones y la regulación de la actividad enzimática son los contenidos básicos de la investigación enzimológica. Mediante análisis cristalográficos de rayos X, modificaciones químicas y estudios cinéticos, se han aclarado los principios de acción de algunas enzimas representativas. Los inhibidores irreversibles específicos desarrollados en la década de 1970, como los reactivos de marcado por afinidad y los sustratos suicidas, se han convertido en herramientas eficaces para explorar los sitios activos de las enzimas. El efecto sinérgico de varias enzimas en sistemas multienzimáticos, la interacción entre enzimas y macromoléculas biológicas como proteínas y ácidos nucleicos, y la aplicación de la ingeniería de proteínas para estudiar la estructura y función de las enzimas son varias direcciones nuevas en 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 ha recibido amplia atención.
Membranas biológicas y biopoder
Las membranas biológicas están compuestas principalmente por lípidos y proteínas, y generalmente contienen azúcares. Su estructura básica se puede representar mediante un modelo de mosaico fluido, 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 y pueden moverse lateralmente. Las biopelículas están estrechamente relacionadas con la conversión de energía, la transferencia de material e información, la diferenciación y división celular, la conducción nerviosa, la respuesta inmune, etc. Es un área activa de investigación en bioquímica.
Tomemos como ejemplo la conversión de energía en la oxidación biológica, los metabolitos se oxidan mediante la transferencia de electrones en la cadena respiratoria y la energía generada se almacena en el compuesto de alta energía ATP mediante la fosforilación oxidativa para satisfacer las necesidades de los seres humanos. Contracción muscular y otros consumos. Ser capaz de responder a las necesidades. La membrana mitocondrial interna alberga el sistema de fosforilasa oxidativa de la cadena respiratoria y sirve como central eléctrica en la célula. En la fotosíntesis, el ATP se produce por fotofosforilación en la membrana del cloroplasto. Estos estudios constituyen el contenido principal de la biomecánica.
Hormonas y Vitaminas
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 están estrechamente relacionados. Desde la década de 1970, el alcance de la investigación hormonal se ha ampliado. Si se encuentran, las células del tracto gastrointestinal y del sistema nervioso también pueden secretar hormonas; algunos factores de crecimiento y neurotransmisores también están incluidos en las hormonas. Se han determinado las estructuras químicas de muchas hormonas, principalmente péptidos y compuestos esteroides.
También se comprende el mecanismo de acción de algunas hormonas. Algunas cambian la permeabilidad de la membrana, 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 auxiliares o coenzimas de enzimas que están estrechamente relacionados con la salud de los organismos.
El origen y evolución de la vida
La teoría de la evolución biológica cree que millones de especies en la tierra tienen el mismo origen y se formaron gradualmente durante un proceso evolutivo de unos 4 mil millones de años. . Los avances en bioquímica proporcionaron pruebas sólidas de esta teoría a nivel molecular. Por ejemplo, el ADN de todas las especies contiene los mismos nucleótidos. Existen muchas enzimas y otras proteínas en varios microorganismos, plantas y animales, con secuencias de aminoácidos similares y estructuras tridimensionales similares. El grado de similitud es consistente con la relación genética entre especies. Los errores en la replicación del ADN podrían explicar cómo se producen las mutaciones que subyacen a la evolución. A medida que los organismos evolucionan de niveles inferiores a superiores, necesitan más enzimas y otras proteínas. Los reordenamientos y mutaciones genéticas brindan la posibilidad de adaptarse a esta necesidad. Puede verse que la investigación bioquímica sobre la evolución proporcionará información más esencial y cuantitativa para dilucidar el mecanismo de la evolución.
Sin embargo, aún no se comprende bien cómo se originan los propios sistemas bioquímicos y no se menciona en los libros de texto de bioquímica. De hecho, la formación de sistemas bioquímicos significa el nacimiento de la vida. Recientemente, algunos estudiosos han propuesto que la vida primitiva comenzó con la evolución del sistema fotosintético. La conversión y utilización de la energía (energía luminosa, la fuente de energía más común y permanente en la tierra) es el núcleo del funcionamiento del sistema bioquímico. y el ATP es el núcleo de la fotosíntesis, las vías metabólicas y el puente de información genética es también la clave para el origen del código genético (hipótesis central del ATP).
El ATP tiende un puente entre la fotosíntesis, el metabolismo y la genética.
Metodología
En el desarrollo de la bioquímica, muchos avances importantes se deben a avances metodológicos. Por ejemplo, la tecnología de rastreo de isótopos se utiliza para estudios metabólicos y análisis estructurales; la cromatografía, especialmente la cromatografía líquida de alto rendimiento, ha mejorado enormemente el rendimiento del sistema desde la década de 1970, y se han utilizado diversas técnicas de electroforesis para el aislamiento y la purificación de proteínas y ácidos nucleicos. determinación de la estructura primaria. la tecnología de difracción de rayos X se utiliza para determinar la estructura cristalina de proteínas y ácidos nucleicos; la tecnología de resonancia magnética nuclear bidimensional de alta resolución se utiliza para analizar la conformación de macromoléculas biológicas en solución; se utilizan métodos enzimáticos para determinar secuencias de ADN; Se utilizan tecnología de anticuerpos e hibridomas. Se utiliza para la separación y purificación de proteínas y el estudio de determinantes antigénicos en moléculas de proteínas. Desde la década de 1970, la tecnología informática ha penetrado amplia y rápidamente en diversos campos de la bioquímica, no solo mejorando en gran medida la automatización y la eficiencia de muchos instrumentos analíticos, sino también proporcionando análisis estructural, predicción de estructuras e investigación de la relación estructura-actividad de macromoléculas biológicas. nuevo método. El desarrollo continuo de la bioquímica en el futuro sin duda se beneficiará de las innovaciones en tecnología y métodos.