PRINCIPIOS DE BIOQUÍMICA

COMENTARIO INTRODUCTORIO El objetivo principal de la colección de ciencias de “Resúmenes Inteligentes” es el de introducir la ciencia a una persona interesada, facilitando introducciones asequibles y amenas a la física, química, astronomía, y matemáticas, así como a las ciencias de la vida. El sujeto de estas ciencias, la vida, es muy complejo; tanto así que son muchos los campos especializados que se dedican a su estudio; empezando por la bioquímica y la biología. La primera, la bioquímica, se centra en el estudio de las células, la unidad básica de la vida, y las reacciones químicas que las mantienen vivas, las permiten reproducirse, y las destruyen de forma programada. La segunda, por su parte, estudia organismos complejos, sus componentes, y la composición y fisiología de esos componentes, así como del organismo completo, ya sea unicelular, o pluricelular, y en este caso, tanto de organismos vegetales, como animales. Pienso que es conveniente conocer primero la estructura y funcionamiento de los componentes básicos de la materia animada, las células, antes de adentrarse a estudiar organismos completos, por lo que he decidido ofrecer primero el resumen de la magnífica obra de Nelson y Cox “Principios de Bioquímica”. “Principios de Bioquímica”, es un compendio moderno de bioquímica, maravillosamente ilustrado y minuciosamente explicado. Sus autores David L. Nelson y Michael M. Cox, son profesores de Bioquímica de la Universidad de Wisconsin-Madison, y su obra no es sino una actualización total del libro del mismo título de Albert Lehninger, que también fue profesor de bioquímica de esa Universidad. La obra de Lehninger publicada hace 25 años con el mismo título , ha sido posiblemente el libro de texto de introducción a la bioquímica más utilizado por estudiantes de esta ciencia en todo el mundo. Tanto es así, que el libro de Nelson y Cox sigue llevando el nombre de Lehninger en su portada, con lo que muchos siguen refiriéndose a su libro como “El Lehninger”. Pero, para un lego, el Lehninger es un libro francamente aterrador, lo que he tenido muy en cuenta al resumirlo, añadiendo explicaciones donde me pareció necesario, y eliminando descripciones excesivamente técnicas, y prescindibles en una primera aproximación al tema. En este sentido pienso que el lector encontrará útil, el “símil de la piscina”, que incluyo en este comentario introductorio, para presentar a un lego la fisiología celular de una forma aproximada, así como otras explicaciones y comentarios que contiene el resumen, que lo convierten en un texto mucho más asequible que el del propio libro; a costa claro está de reducir el alcance del tema tratado, pero esto puede remediarlo el lector una vez asimilado este resumen, adquiriendo la obra. También me he permitido completar el primer capítulo con ilustraciones y citas de otro texto clásico, el “Biología” de Helena Curtis, que, como la “Introducción a la Bioquímica” de Nelson y Cox, ha sido, y es, una obra utilizada por estudiantes en todo el mundo, que se refieren a ella como “el Curtis”. Obra que, como en el caso del “Lehninger”, ha sido magníficamente actualizada, en este caso por las profesoras Adriana Schenck y Alicia Massarini de la Universidad de Buenos Aires.

Después de estos comentarios sobre el libro que resumo, paso a continuación a hacer otros sobre el tema tratado, comentarios que espero faciliten la comprensión del resumen.

1. La uniformidad de la vida a nivel celular El lego en bioquímica que, como yo, pletórico de curiosidad y de imprudencia, decide abrir el melón de esta ciencia, se lleva unas cuantas sorpresas importantes. La primera es la uniformidad de la vida, vista a nivel celular. Estamos rodeados por infinitas variedades de organismos vivos, plantas, árboles, flores, algas, peces, moluscos, insectos , pájaros, cactus , tortugas, ballenas, serpientes, delfines , tiburones, leones, chinches, lagartos, arañas etc. etc.; así como de una inmensa variedad de microbios y bacterias. Ello nos lleva a la preconcepción, por lo menos así ha sido en mi caso, que todas estas formas de vida diferentes, estas adaptaciones evolucionadas al medio exterior , requieren forzosamente diferentes soluciones y adaptaciones de sus estructuras y procesos internos, inclusive a nivel celular; soluciones específicas para cada especie, en armonía con las soluciones que han adoptado sus configuraciones exteriores. Pues, como dicen los castizos, va a ser que no. Las células musculares de un cangrejo, de un hombre, de una sardina, de una araña, de un león, o por ampliar el espectro hacia el pasado, de un Tiranosaurio Rex, son casi idénticas en su estructura, y en su funcionamiento. Todas tienen núcleo, mitocondrias, ribosomas, citoplasma, y demás componentes básicos, y están estructuradas en base a las mismas macromoléculas de proteínas, glúcidos, o lípidos .Además, todas siguen idénticos procesos químicos utilizando los mismos componentes obtenidos de su dieta, procesos que incluyen las mismas reacciones en cadena por las mismas moléculas, para obtener la energía con que poder moverse y fabricar, ( sintetizar como decimos los bioquímicos y simpatizantes), sus componentes estructurales. Energía que todas las células, bacterianas, animales o vegetales, almacenan, siguiendo procesos comunes y disponen de ella, también a través de los mismos procesos. Una uniformidad impresionante dada la inmensa diversidad de los tejidos y organismos a los que pertenecen las células. Todos los seres vivos, bacterias, vegetales y animales, sean a o no aeróbicos (es decir respiren o no oxígeno), sintetizan a partir de su dieta, (o en el caso de las plantas, de la fotosíntesis), moléculas de un compuesto conocido como ATP que almacena energía, siendo estas moléculas la única fuente de energía primaria de todos los seres vivos, desde que aparecieron las primeras células. Las plantas, los humanos, los insectos, y las bacterias, nos alimentamos y respiramos para fabricar ATP, y los dinosaurios y sus predecesores también lo hicieron. Gracias al ATP, las células disponen de energía para facilitar los innumerables y continuos procesos químicos que soportan nuestras vidas. Pues la vida, querido lector o lectora, no es sino química, química que estamos llegando a conocer en detalle; química silenciosa y sutil, impresionante en su velocidad, rigor, y complejidad.

Mucha química, pero la misma, con pocas variantes, para todas las células, y por tanto para todos los organismos. Una química de “café para todos”, prácticamente desde el principio de la vida. Esta primera realidad, sorprendente novedad para el lego, arroja una nueva luz sobre la evolución; a nivel celular, incluso a nivel interno de los vertebrados, por escoger una familia biológica, no habido prácticamente evolución, desde mucho antes que aparecieran los antecesores de los peces, hace más de 600 millones de años. La evolución que nos desveló Darwin, realmente es la cola del proceso evolutivo; un dinosaurio ya tenía cuatro patas, ojos, nariz, oídos, dientes etc. etc. En términos automovilísticos su “equipamiento”, (que espanto de palabrita), y sus capacidades, salvo la intelectual, no eran sustancialmente diferentes de las nuestras. La evolución fundamental, es la que convirtió la célula en organismo multicelular, de organismo multicelular a organismo pluricelular; de este, a organismo pluricelular automotriz, capaz de reproducirse sexualmente….; esa si que es evolución de verdad!

2. La evolución de la vida Sabemos que la vida, las primeras células, aparecieron en el agua hace 3.600 millones de años, y a partir de ahí comenzó la primera parte de la evolución, esa evolución fundamental, sobre la que sabemos muy poco, por no decir nada. Esa evolución es la que sigue los pasos de las células primarias, desprovistas de núcleo, conocidas como células procariotas, (de las que descienden todas las bacterias actuales), en células con núcleo y otros orgánulos, conocidas como células eucariotas. Estas células eucariotas, dotadas con una mayor capacidad de absorción de energía, desarrollaron estructuras más eficientes, y se asociaron con otras en organismos multicelulares. Esos primeros organismos multicelulares, fueron mutando a través de millones años para obtener cada vez mas energía de su entorno, construyendo diferentes sistemas internos a base de células que se fueron diferenciando de las otras, lo que les permitió un eficiencia energética cada vez mayor. Con el paso de los siglos, algunos de esos organismos perfeccionaron un sistema fotosintético, que les permitió, en un entorno marino, crear nutrientes a partir de la energía solar y moléculas inorgánicas,( moléculas de agua y dióxido de carbono), las proto-plantas; y otros un sistema digestivo que les permitía obtener esos nutrientes de la ingestión de organismos fotosintéticos,(proto-animales), así como un sistema circulatorio capaz de distribuir esos nutrientes a todas sus células según los requerimientos de estas. Cuando estos primitivos organismos, tanto proto-plantas, como proto-animales, desarrollaron la capacidad de reproducirse sexualmente, al combinar los genes de cada uno de los dos progenitores, en la simiente de su vástago, el aumento de posibilidades de variación y adaptación de los organismos a diferentes entornos, creció dramáticamente. Al combinar genes de dos individuos, el nuevo organismo recibía características de cada progenitor, cada uno de los cuales estaba adaptado a su entorno, pero de forma ligerísimamente diferente. Si esos progenitores, combinaban sus genes en una gran cantidad de descendientes, por ejemplo a través de la fertilización de huevos, cada vez hay más individuos mejor adaptados a diferentes entornos, produciéndose lo que Darwin llamó “The survival of the fittest”, es decir la supervivencia del mejor adaptado.

En este primitivo proceso evolutivo, que como señalo arriba, tuvo lugar en un medio acuoso, los organismos antecesores de los peces desarrollaron sistemas respiratorios, circulatorios, digestivos, nerviosos, esqueléticos y musculares, cada uno estructurado por tejidos diferentes, para lo cual, esos organismos fueron adaptando conjuntos de células diferentes para cada tipo de tejido, lo que implica inmensas modificaciones a su codificación genética, modificaciones que requieren mucho tiempo. El esqueleto de los primeros peces era más o menos articulado, y dotado de un sistema muscular que permitía al organismo impulsarse en dirección al alimento. Ello fue acompañado del desarrollo de un primitivo sistema nervioso, al través del cual, el organismo pudiera detectar el alimento, y actuar sobre el sistema muscular para moverse hacia él; de nuevo enormes modificaciones de la codificación genética del organismo primitivo. Ese sistema nervioso fue desarrollando un centro de análisis y decisión, (centro que, con los siglos, evolucionaría a un cerebro), lo que permitió al proto-pez decidir si quería a no desplazarse, y en que dirección. Con el tiempo, ese sistema nervioso desarrolló sensores en la parte anterior del protopez, que evolucionaron y se convirtieron en ojos, mientras que el sistema esquelético-muscular desarrolló aletas, que terminaron de convertir al protopez en un precursor de los peces actuales. Estos pasos, de organismo unicelular a organismo multicelular capaz de ver, reaccionar, y desplazarse, representan la verdadera evolución, la evolución fundamental de la vida animal, que según datos geológicos y fósiles empezó con la aparición de la primera célula individual hace unos 3.600 millones de años (1.000 millones de años después de la formación de la tierra), completándose hace unos 700 millones de años con la aparición de los primeros organismos pluricelulares. A partir de ahí la evolución continuó a nivel de adaptación externa, pero no aparecieron nuevas estructuras celulares, ni nuevos procesos a nivel celular. En esta última fase evolutiva, la evolución secundaria, hace unos 700 millones algunas plantas subacuáticas, consiguieron establecerse fuera del agua, en una atmósfera rica en su alimento fundamental, el CO2, mucho más abundante que en el agua , con lo que en algunos millones de años la tierra se cubrió de un rico manto vegetal; y hace 300 millones de años, algunos de protopeces empezaron a buscar su alimento fuera del agua, y con el tiempo desarrollaron pulmones, y sus aletas se transformaron en patas. Es importante señalar que en esos 400 millones de años que van desde la aparición de las primeras plantas fuera del agua, hasta la aparición de los primeros animales terrestres, la composición de la atmósfera cambió sustancialmente, incrementando su contenido de oxígeno hasta los niveles actuales, es decir un 20% aproximadamente, lo que guió la evolución de los animales tanto terrestres como marinos, hacia el aerobismo, haciendo del oxígeno el elemento fundamental de su respiración. Así la evolución secundaria, inundó la tierra con especies de infinitas conformaciones exteriores, pero de una aplastante uniformidad interior, definida hace miles de millones de años. Desde esta perspectiva, la diferencia entre hombre y dinosaurio, y no digamos ya entre hombre y perro, o mono, es trivial. Ello no quiere decir que la teoría evolucionista de Darwin no haya aportado valor, que lo ha hecho y mucho, solo que lo importante, desvelar los pasos y procesos de la evolución fundamental, está por hacer, y lo estará por mucho tiempo.

3. Procesos vitales La segunda novedad para el lego en bioquímica es la inmensa cantidad, velocidad, y sutileza de las reacciones químicas que nos mantienen vivos. Es imposible replicar, incluso en los más modernos laboratorios, la velocidad de reacción de los procesos que tienen lugar cotidiana y silenciosamente en nuestras células, velocidad que se debe a la acción de unas moléculas asombrosas llamadas enzimas, moléculas que nuestras células producen continuamente según nuestras necesidades. La siguiente frase de Principios de Bioquímica del Nelson y Cox ,(Pág.142), da una idea de lo que hablamos: En las células vivas, las proteínas se forman a partir de aminoácidos a gran velocidad. Por ejemplo las células bacterianas E.Coli, a 37ºC, pueden producir una molécula de proteína entera, y biológicamente activa, a partir de 100 aminoácidos, en aproximadamente 5 segundos.

4. La ciencia Bioquímica La tercera novedad que sorprende al lego, es lo joven que es esta ciencia, y lo rápidamente que se ha desarrollado. Los principales procesos celulares se han ido desvelando a partir de la segunda mitad del siglo XX; la estructura del DNA, la mayor y mas importante molécula celular, se desveló en la década de 1950; los ribosomas y su función, se identificaron en la década de1960; muchas de las funciones del ATP también se descubrieron en esa década. Aunque, como verá el lector que tenga el valor de adentrarse en el siguiente resumen, muchos de los procesos fundamentales de la biología celular se conocen hoy con gran precisión, resultado del magnífico esfuerzo de muchos científicos, y de los medios cada vez mayores que se dedican a la investigación bioquímica. La complejidad de todos los procesos involucrados, (a nivel atómico, molecular, celular, e intercelular), en la vida del ser humano y de los demás organismos, ha hecho muy difícil su comprensión. La bioquímica es la ciencia que más ha tardado en desarrollarse, y aunque hace su aparición estructurada a principios del siglo XX, las contribuciones principales que ayudaron a desvelar la mecánica de las diversas funciones celulares (microscopios electrónicos etc.), se hicieron en el último tercio de ese siglo. Desde entonces los progresos han sido espectaculares, quedando pocos aspectos de la fisiología celular por desvelarse. Hoy, año 2012, la frontera del conocimiento de esta ciencia está en los procesos de replicación celular, y sus patologías, especialmente el cáncer; y en los mecanismos químicos y electrónicos que posibilitan el pensamiento humano.

5 Química inalcanzable en el laboratorio Seguramente mi valiente lector, o lectora, está leyendo esto sin saber que cada ser humano es una colección ambulante de más de 100 billones, (es decir cien millones de millones), de células, pequeños organismos autónomos que se agrupan en equipos, y trabajan frenéticamente día y noche para que podamos seguir viviendo. Para ponerlo en perspectiva, recordemos que esa es la cifra aproximada de galaxias que contiene nuestro universo, y también es 16.000 veces la población humana actual. Una cifra bastante apabullante, y más si consideramos que estas células no paran de trabajar, son verdaderos ejércitos de pequeños cuerpecillos que se integran con una disciplina y una

precisión pasmosa en nuestros corazones, huesos, músculos, y demás órganos que configuran nuestras respectivas individualidades. De una forma tan discreta y eficaz, que solo sabemos que están ahí cuando fallan. Estos cuerpecillos van a lo suyo, colaborando con disciplina militar con las demás células de su sistema, sistemas que a su vez colaboran con los demás sistemas del organismo. Para vivir y hacer su trabajo, las células humanas piden tres cosas; -una atmósfera con oxígeno, pero diluido para no quemarse, tal cual está en la atmósfera terrestre; -calor ambiental suficiente, para facilitar las reacciones químicas, (falta de calor suficiente, es decir frío, las dificulta, con lo que la célula puede llegar a morir); pero no demasiado, pues en ese caso esas reacciones se disparan consumiendo agua, y sin ella la célula también muere; -y un suministro continuo de agua y alimentos, tales como los que les procuramos. En cada organismo, cada célula se alimenta, respira, evacua, se regenera, se reproduce y muere, cumpliendo funciones específicas al servicio del organismo al que pertenece. Todo ello a través de numerosísimas y muy prolijas reacciones químicas, que se suceden a velocidades vertiginosas, muchas de las cuales los bioquímicos no pueden explicar completamente todavía hoy, (2012), y prácticamente ninguna de las cuales se conocía antes del siglo XX.

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