El estado de la química en las ciencias biológicas;
Las dos primeras décadas del siglo XX fueron una era en la que dominaron los microorganismos. Posteriormente, su prominencia fue suplantada por las vitaminas durante dos décadas. En las décadas de 1940 y 1950, las enzimas estaban en auge. En las dos décadas anteriores a la década de 1980, hubo una locura genética. Las dos últimas décadas del siglo pasado presenciaron rápidos avances en los proyectos del genoma neuronal y humano. Durante este período histórico, una disciplina médica tras otra cambió su dominio como una linterna, mientras que la investigación y la enseñanza se llevaban a cabo en un número cada vez mayor de disciplinas independientes.
Hace sesenta años, las facultades de medicina sólo tenían departamentos de anatomía, bacteriología, fisiología, bioquímica y farmacia. Además los departamentos están lejos y no hay contacto. En aquel momento, los departamentos de genética y neurobiología de las facultades de medicina aún no habían surgido. Louis Pasteur, el maestro médico y microbiólogo del siglo pasado, nació en la química. La ingeniería genética actual incorpora bioquímica, genética, microbiología y fisiología. El valor de esta química genética emergente es tan grande que merece el título de "progreso revolucionario".
Las disciplinas de la medicina básica moderna están estrechamente relacionadas principalmente porque comparten un lenguaje común, es decir, el lenguaje de la química. La anatomía, la más descriptiva de estas disciplinas, y la genética, la más abstracta, están ahora impregnadas de muchas teorías y técnicas químicas. La anatomía actual es un cuadro progresivo que incluye moléculas de tamaño mediano, agregados de macromoléculas, orgánulos y tejidos. Son estas moléculas, grandes y pequeñas, las que forman los organismos funcionales. La genética varía aún más. Fue hace sólo sesenta años cuando se planteó como una cuestión seria la cuestión de si los fenómenos genéticos estaban gobernados por principios físicos conocidos. Y hoy entendemos y estudiamos los genes, los fenómenos genéticos y la evolución de un vistazo a través de sus expresiones químicas. Los cromosomas y los genes se pueden analizar, sintetizar y reorganizar. También se pueden crear nuevas especies a voluntad. Una vez que comprendamos mejor la estructura y función de los cromosomas, el impacto en la medicina y la industria será mucho mayor de lo que se puede lograr económica y exitosamente con los métodos genéticos que ahora utilizamos para producir en masa hormonas raras, vacunas, interferones, y enzimas. Aunque los biólogos sabían que las enzimas determinaban la forma, la función y el destino de las células, su importancia y complejidad química los desanimó, por lo que intentaron eludir la bioquímica. Esto se refiere a hace sesenta años.
"Better to Live on Chemistry" es un eslogan que DuPont viene utilizando en sus campañas publicitarias desde hace varios años. El lema no significa más que decirle al público que los plásticos, los herbicidas y otros productos químicos industriales tienen un papel que desempeñar en nuestro bienestar individual y social. Gracias al genio de Louis Pasteur aparecieron por primera vez colecciones de ciencia médica. Pasteur era químico. Cuando era joven, aclaró que el ácido tartárico, que tiene la misma estructura química, se divide en dos moléculas, los enantiómeros especulares, debido a diferentes estructuras físicas. La "Germología de las enfermedades" de Pasteur lleva la huella de sus fundamentos químicos y sus métodos de pensamiento. Trató de reducir el problema de la enfermedad a sus componentes esenciales. Su enfoque experimental consistió en purificar primero los factores que causan la enfermedad en una sola forma y luego utilizar los factores purificados para reproducir la enfermedad. Por tanto, se puede decir que la microbiología y la inmunología fundadas por Pasteur nacieron de la química. De hecho, la biografía autorizada de la vida de Pasteur publicada en la edición de 19165438 de la Enciclopedia Británica lo llama un químico francés reconocido como el mayor líder del movimiento químico en ese momento.
Hubo un grave error en la carrera científica de Pasteur: aclaró que las células de levadura provocan la fermentación alcohólica, la conversión de sacarosa en etanol y dióxido de carbono en condiciones anaeróbicas. Más tarde, intentó utilizar extracto de levadura para realizar la misma función, pero fracasó. Así que llegó a la conclusión de que sólo las células vivas podían llevar a cabo esta reacción química extremadamente compleja. Precisamente debido a la confianza, la capacidad de persuasión y la influencia de Pasteur, los esfuerzos por estudiar más a fondo la fermentación del etanol en sistemas libres de células fracasaron en gran medida. Desde entonces, la teoría de la vitalidad ha quedado profundamente arraigada en los corazones de las personas, lo que retrasó 30 años el surgimiento de la bioquímica moderna.
No fue hasta principios de este siglo que Eduardo Busina de Munich descubrió accidentalmente el fenómeno de fermentación de la fragmentación de las células de la levadura. Originalmente usaba azúcar para proteger el extracto de levadura de reacciones inmunes repetidas, pero inesperadamente descubrió un molesto fenómeno de burbujeo. Investigaciones adicionales lo llevaron a identificar los productos de la descomposición del azúcar en el líquido de levadura: etanol y dióxido de carbono. Pasteur tuvo mala suerte. La levadura París que utilizó tenía deficiencia de sacarasa, una enzima que cataliza la reacción inicial en el metabolismo de la sacarosa. Por suerte para Busina, todavía hay una buena cantidad de esta enzima en su extracto de levadura de Munich.
La bioquímica no se deriva de la química orgánica como algunas personas creen. Aunque los productos de reacciones entre azúcares y aminoácidos y enzimas se preparan e identifican mediante química orgánica. Para ser precisos, la bioquímica nació de los departamentos de fisiología y nutrición de las facultades de agricultura y facultades de medicina. Con la ayuda de la bioquímica, se pueden comprender muchos genes químicos de funciones celulares como la fermentación, la fotosíntesis, la contracción muscular, la digestión y la visión.
El origen de la ingeniería genética
¿Cuál es el origen de la química genética, es decir, la ingeniería genética? El aislamiento, análisis, síntesis y reordenamiento del ADN, genes y cromosomas generalmente se consideran logros y campos de la biología molecular. Aun así, ¿qué es la biología molecular? ¿Cuál es su origen? Si me concentro en la biología molecular del ADN, puedo enumerar aquí algunas fuentes diferentes: El primer origen proviene de la medicina. Oswald Avery pasó su vida explorando el control de la neumonía neumocócica y demostró por primera vez en la historia que el ADN es una molécula que almacena información genética. El segundo origen proviene de la genética biológica. Los microbiólogos, algunos de los cuales eran físicos desertores, eligieron los bacteriófagos (virus bacterianos) como objetos de investigación para dilucidar las funciones de las principales macromoléculas biológicas DAN, ARN y proteínas. Un tercer origen proviene de la química de estructura fina de las biomoléculas. Los patrones de difracción de rayos X de las proteínas revelan su estructura tridimensional. El patrón de difracción del ADN nos permite comprender su estructura helicoidal así como su replicación y función. El cuarto origen proviene de la bioquímica, es decir, la enzimología, análisis y síntesis de ácidos nucleicos. Las nucleasas cortan el ADN en genes y los descomponen en sus partes componentes. La polimerasa los une y la ligasa une las cadenas de ADN en genes, que luego unen los genes en los cromosomas. Precisamente gracias a estas enzimas es posible la ingeniería genética. Estas enzimas se utilizan para catalizar la replicación, reparación y reordenamiento de genes y cromosomas en las células. Así pues, en última instancia, los resultados de la biología molecular moderna todavía pertenecen a la química. La mayoría de los biólogos moleculares operan con esta forma particular de química sin darse cuenta de que eso es la química.
Sin embargo, a pesar de sus impresionantes logros, la biología molecular sigue sin poder responder algunas preguntas profundas sobre la función y el desarrollo celular. Por ejemplo, ¿qué controla los reordenamientos genéticos para producir anticuerpos? ¿Qué determina si una célula primitiva se convierte en cerebro o esqueleto? ¿Cuáles son las bases del crecimiento celular y la senescencia? La investigación actual en biología molecular comienza a fallar una vez que se ignora la química de los productos del modelo del ADN, las enzimas que representan los órganos y la estructura de las células y las proteínas. Deberíamos prestar suficiente atención al estudio de los elementos químicos del cerebro, ya sea en animales o humanos, normales o enfermos.
En definitiva, el lenguaje de la química es el vínculo entre la física y la biología, la astronomía y las ciencias de la tierra, la medicina y la agronomía. El lenguaje de la química es extremadamente rico y colorido y produce las imágenes más bellas. Debemos enseñar y aplicar el repaso de química. Es el ADN de nuestro presente y futuro, y la piedra angular de la prosperidad biológica y médica de este siglo.
Una perspectiva química de la vida
El profesor Wu Xian (1893-1959) es un destacado bioquímico y nutricionista en mi país y goza de una gran reputación a nivel internacional. Fue pionero en bioquímica clínica, especialmente en análisis de sangre, equilibrio entre gases y electrolitos, bioquímica de proteínas, especialmente la teoría de la desnaturalización de proteínas, inmunoquímica, metabolismo de aminoácidos y nutrición.
Complejidad de la estructura de la materia
La complejidad de la materia se divide ligeramente en cinco niveles. (1) La complejidad de los átomos se denomina primer orden. (2) Los átomos se combinan para formar moléculas, siendo el hidrógeno el más pequeño y las macromoléculas biológicas las más grandes. El nivel de complejidad molecular se llama segundo nivel. (3) La misma molécula o diferentes moléculas se combinan para formar agregados moleculares. El tipo no está limitado y el estado no se parece a las moléculas. La complejidad de los agregados moleculares se denomina tercer nivel. (4) Diferentes agregados moleculares se combinan para formar una unidad material morfológica, y su forma a menudo puede observarse con un microscopio. Esto es lo que los biólogos llaman célula. Hay tantos tipos de células que ni siquiera podemos contarlas. El nivel de complejidad de las células se llama nivel 4. (5) Las células se unen para formar objetos multicelulares, que pueden ser plantas o animales. El más complejo es el cuerpo humano. La complejidad de los objetos multicelulares se denomina quinto nivel.
Por un lado, los límites entre los cinco niveles anteriores no son igualmente claros. Por otro lado, la complejidad de las estructuras de las sustancias que pertenecen al mismo nivel puede variar mucho, por lo que sus fenómenos (propiedades). ) Bastante diferente también.
Por tanto, cuanto mayor es la complejidad de una sustancia, menor es la estabilidad de su estructura y sus fenómenos (propiedades) se vuelven cada vez más complejos.
Estructura y Propiedades
La estructura y propiedades de la materia son dos aspectos de la materia. Conociendo su estructura, es posible comprender sus propiedades. Es cierto que a veces conocer sus propiedades no significa necesariamente conocer su estructura. Sin embargo, antes de que podamos comprender su naturaleza, primero debemos tener conocimiento estructural. Los anatomistas y científicos médicos conocen muy bien la estructura general del cuerpo humano. Podemos entender el movimiento de las extremidades debido a la expansión y contracción de los músculos, el flujo de sangre debido a la presión de bombeo del corazón y cómo se recopilan las imágenes en la retina, todo porque conocemos la estructura de estos órganos.
La estructura y propiedades de la materia son dos aspectos de la materia. Conociendo su estructura, es posible comprender sus propiedades. Es cierto que a veces conocer sus propiedades no significa necesariamente conocer su estructura. Sin embargo, antes de que podamos comprender su naturaleza, primero debemos tener conocimiento estructural. Los anatomistas y científicos médicos conocen muy bien la estructura general del cuerpo humano. Podemos entender el movimiento de las extremidades debido a la expansión y contracción de los músculos, el flujo de sangre debido a la presión de bombeo del corazón y cómo se recopilan las imágenes en la retina, todo porque conocemos la estructura de estos órganos. Podemos comparar el riñón con un filtro y los pulmones con un saco de aire porque hemos visto su organización al microscopio. Sin embargo, todavía no entendemos cómo los nervios conducen la conducción porque no sabemos prácticamente nada sobre la estructura interna de las células. Cuando comprendamos plenamente los detalles estructurales de las células vivas, comprender los procesos de la vida será tan fácil como comprender el movimiento de las manecillas de un reloj.
¿Qué fue primero, el ácido nucleico o la proteína?
En el mundo biológico, siempre ha habido tres puntos de vista sobre el origen de la vida, a saber:
(1) Las células primitivas eran activas, no tenían ácido nucleico ni sistemas genéticos, y fueron adquiridos posteriormente.
(2) Los ácidos nucleicos aparecieron primero, proporcionando información para la evolución de las proteínas.
(3) Los ácidos nucleicos y las proteínas deben combinarse para formar el primer verdadero precursor de las células vivas.
En la actualidad, la mayoría de los estudiosos tienden a favorecer la segunda opinión, es decir, el ARN fue primero y las proteínas después. Pero todavía hay controversia.
Química física en bioquímica
Hoy en día, la bioquímica ha pasado de dilucidar las propiedades estructurales de la bioquímica a discutir las interacciones y funciones entre biomoléculas. ¿Por qué las biomoléculas pueden llevar a cabo una serie de reacciones químicas específicas y estrictamente ordenadas en organismos a una velocidad asombrosa en condiciones suaves? ¿Cómo cambia la energía antes y después de la reacción? ¿Qué factores afectan las reacciones entre estas biomoléculas? El mecanismo de las reacciones enzimáticas y la relación entre la estructura y función de las biomoléculas hacen que la química física sea cada vez más importante en la bioquímica.
La química física analiza principalmente la relación entre la estructura de la materia y sus propiedades, la posibilidad, velocidad y límite de las reacciones químicas, los mecanismos de reacción y la relación entre los cambios de energía durante el proceso de reacción. Es la base teórica. de toda la disciplina química. Las investigaciones actuales muestran que las interacciones entre biomoléculas también siguen diversas leyes físicas y químicas, es decir, este conjunto de leyes químicas básicas también gobierna las propiedades, funciones e interacciones de varios tipos de biomoléculas.
(1) Termodinámica química en bioquímica
(2) Cinética química en bioquímica
(3) Electroquímica en bioquímica
En resumen , las teorías de diversas ramas de la química física pueden aclarar muchos problemas de la bioquímica, y los métodos de investigación de la química física tienen aplicaciones muy importantes en la bioquímica. Las reacciones de las biomoléculas siguen las leyes químicas del mundo no vivo y existe una estrecha conexión entre la química física y la bioquímica. Es previsible que diversas teorías y métodos de investigación en química física se utilicen ampliamente en bioquímica, y el desarrollo de la bioquímica enriquecerá aún más el contenido de la química física.
Bioquímica e identificación forense
Bioquímica en los fenómenos de lesión y muerte;
1. Inferencia del momento de la muerte: En casos penales de homicidio, puede basarse en Los cambios en ciertas sustancias bioquímicas en el cadáver se utilizan para inferir el momento de la muerte. Por ejemplo, el contenido de ADN en el hígado disminuye con la prolongación de la muerte dentro de las 7 horas posteriores al desarrollo, el contenido de ADN en el bazo aumenta; El músculo y el músculo esquelético permanecen sin cambios durante 7 horas. Al trazar la proporción de cambios en el contenido de ADN en el hígado y el bazo en función del momento de la muerte, se obtiene una línea recta. El error al estimar la hora de la muerte utilizando esta línea recta es de 16 minutos. Si pudiéramos lograr la misma precisión en humanos, seríamos capaces de emitir juicios acertados en la acelerada sociedad actual.
2. Bioquímica en la muerte violenta:
(1) Las actividades de succinato deshidrogenasa y citocromo oxidasa y el contenido de glucógeno del miocardio mecánicamente muerto después del combate aumentarán significativamente. Alto, disminuirá significativamente. después de 20 horas.
(2) La asfixia mecánica (ahorcamiento, estrangulamiento) hará que el contenido de enzima fibrinolítica en la sangre del fallecido sea superior al de la muerte normal, por lo que la sangre no se coagulará. La sangre del difunto no se ha coagulado, por lo que se deben combinar otros métodos con el juicio.
(3) La actividad de la peroxidasa en los pulmones de pacientes que se están ahogando cambia significativamente. Debido a que el agua entrante penetra profundamente en el sistema respiratorio de los pulmones, los órganos secretarán algunas sustancias después de ser estimulados por el agua, provocando que se forme una espuma en forma de hongo entre la boca y la nariz, que no desaparecerá en un corto período de tiempo. . Esto no ha sido reportado.
3. Delitos sexuales que causan la muerte: Durante el proceso de identificación, se puede encontrar esperma en el cuerpo y la ropa de la víctima y otras escenas del crimen, o se puede encontrar actividad de fosfolipasa ácida en las manchas, incluso en el caso de delincuentes que han sufrido la muerte. cirugía de esterilización.
Pruebas de identidad personal y paternidad
1. Inmunoensayo e identificación de proteínas polimórficas
2. Las huellas dactilares de ADN se utilizan para las pruebas de identidad personal y paternidad.
3. Identificar a los individuos en función de sus características.
Bioquímica en la investigación criminal
1. Huellas dactilares: Las excreciones de la piel de los dedos no solo contienen iones inorgánicos, sino también compuestos de vitamina B2 y B6, aminoácidos y compuestos proteicos. Utilizando las propiedades de fluorescencia de las vitaminas B2 y B6 producidas por irradiación láser, las huellas dactilares se extraen mediante fotografía láser con película en color.
2. Visualización in situ de manchas de sangre: Rocíe luminol en el lugar en el exterior y luego busque puntos luminosos en la oscuridad. Esta mancha suele ser sangre. Incluso si la escena se limpia en general, no se puede descartar que se puedan encontrar manchas de sangre con este método.
Bioquímica y Estética
La ley periódica de Mendeleev revela la conexión esencial entre los elementos químicos en la naturaleza. La ley periódica es extremadamente simétrica y coordinada en forma y contenido, conectada vertical y horizontalmente, de manera exquisita e ingeniosa, formando un todo unificado, dando a las personas una sensación de belleza. Este tipo de belleza es en realidad una manifestación de la belleza científica (principalmente la belleza teórica, que es la expresión de la belleza natural en las teorías científicas).
Si observamos el cuerpo humano desde un nivel molecular, la estructura molecular y la función de las macromoléculas biológicas, como las proteínas y los ácidos nucleicos, se encuentran en un estado de comprensión tácita y unidad de los opuestos, lo que proporciona requisitos previos materiales para completar las funciones fisiológicas. y cambios metabólicos en el proceso de las actividades de la vida. Por ejemplo, un tetrámero compuesto por cuatro subunidades de hemoglobina y cuatro moléculas de hemo es la estructura fina de la hemoglobina que une o libera moléculas de oxígeno. Se refleja teóricamente en la teoría unificada de la estructura y función de las proteínas, la catálisis enzimática de sustratos, la especificidad y la coincidencia inducida. de enzimas a moléculas de sustrato se reflejan en la teoría del emparejamiento inducido de la acción enzimática. La estructura formada por las dos cadenas de polinucleótidos de la molécula de ADN que se entrelazan entre sí es teóricamente el modelo estructural de la doble hélice de la molécula de ADN.
El famoso biólogo molecular francés Monod también admiraba la "elegancia" de este modelo: simplicidad, simetría y armonía. Este modelo también es un modelo precioso desde el punto de vista estético. Hay muchos ejemplos de esto en los campos de la bioquímica y la biología molecular. Estas teorías (hipótesis, modelos) no sólo reflejan las leyes objetivas del movimiento de la vida desde el nivel molecular, sino que también tienen un gran valor científico. Las teorías mismas también dan a las personas un poder estético conmovedor y tienen un valor y una importancia estéticos que no se pueden ignorar.
Por supuesto, cabe señalar que la ciencia no es igual al arte. La tarea de la ciencia (incluidas las ciencias de la vida) es buscar la verdad, es decir, revelar fielmente las leyes objetivas del movimiento en la naturaleza. incluido el mundo vivo La objetividad y la autenticidad ocupan el primer lugar. Una "teoría" que viola la verdad objetiva, por hermosa que sea su forma, no tiene valor científico. Sin embargo, también deberíamos ver que será beneficioso para un trabajador científico hacer preguntas y pensar sobre los problemas desde una perspectiva estética, lo que contribuirá a nuestro pensamiento científico y a nuestra creación científica.
Marx dijo una vez: "El hombre todavía es creado según las leyes de la belleza." (Manuscrito Económico y Filosófico de 1844) La gente suele elogiar el método científico de Einstein como "esencialmente estético e intuitivo", "Puede ser dijo que es un científico y un artista científico" (Obras completas en memoria de Einstein). En el campo de las ciencias de la vida, como el establecimiento de la teoría del código genético y el nacimiento del modelo de doble hélice del ADN, se basa principalmente en el apoyo de suficientes hechos experimentales y una argumentación lógica estricta. Sin embargo, cabe señalar que los métodos intuitivos son ilógicos. y la intuición estética no son efectivas para estos trabajos pioneros. No carece de sentido para la nueva teoría del sexo.
Aunque la ciencia y el arte, la bioquímica y la estética son dos categorías diferentes, no existe entre ellas una brecha absolutamente insalvable. A menudo pueden convertirse en socios codo a codo en el proceso del pensamiento creativo.