Bioquímica, lo cuántico y la vida en la tierra.

En la dirección que sea, al lugar donde dirijamos la mirada, podríamos  encontrar algo que llamara nuestra atención, buscaremos un mayor detalle. Y con ello surgirá una nueva carga de conocimientos.

Nos apoyaremos en los avances obtenidos en el estudio de aquello que llamó nuestra atención. Las expectativas crecen, alcanzamos a desvelar un trozo mayor de la verdad escondida en lo infinitamente enorme, como el universo, o en lo muy diminuto, más allá de las células, o de los átomos y aún de las partículas subatómicas, infinitamente pequeño.

En la cercanía de nuestro organismo, o en la lejanía de los confines del planeta, o de los planetas vecinos, el Sol, en las orillas del sistema solar o de la”Vía Láctea” o más allá.

En todas las especialidades en que los humanos hemos ordenado el universo de las cosas que nos rodean, en la separación de materias en que subdividimos la sabiduría, por ejemplo la química.

Originalmente se pensaba que los compuestos químicos relacionados con la vida tenían una “fuerza especial” que les dotaba el hecho de provenir de la vida misma. Como consecuencia se concluyó que no sería posible reproducirles a partir de sustancias inorgánicas, aún cuando se intentara hacerlo en condiciones controladas como en el laboratorio.

La Ciencia nos ha enseñando que situaciones similares ocurrían a nivel celular y también en los organismos.

Ilustración Metabolismo: la transformación de la vida visión molecular. 

Tomada de Wikipedia

El grupo de reacciones bioquímicas y procesos físico químicos, que ocurren en una sola célula, o en los cuerpos de los seres vivos, le llamaron “Metabolismo”, y como su consecuencia las células llevan a cabo diversas actividades, como son: mantener su estructura, responder a estímulos, crecer y reproducirse.

Su significado es “transformación”, el cambio en conjunto de las sustancias y transformaciones de energía que se llevan a cabo en el interior de los seres vivos, para auxiliarles a cumplir sus funciones vitales.

Se comprobó que era factible obtener sustancias orgánicas en los laboratorios, además de carbono e hidrógeno se entremezclaban con otras sustancias, como: oxígeno, azufre, nitrógeno, fósforo, silicio, flúor, cloro, bromo, yodo, astato y ténesio.

La Química Orgánica, término introducido en 1807 por Jöns Jacob Berzelius (1779 - 1848), para designar la ciencia que estudia los compuestos químicos formados principalmente de carbono e hidrógeno, esto es, sus propiedades, sus síntesis y sus reactividades. La historia consigna que la primera síntesis orgánica se obtuvo en 1828 cuando Friedrich Wöhler (1800 - 1882), a partir de cianato amónico logró obtener urea (también conocida como carbamida). Esta es muy abundante en orina y materia fecal, pues es el principal producto terminal del metabolismo de las proteínas en mamíferos y por supuesto en Homo sapiens. 

Es el resultado de la degradación de sustancias nitrogenadas, su toxicidad hace necesaria su eliminación inmediata del organismo, en mamíferos también se da en el sudor. En los seres humanos se produce la urea en el hígado al descomponerse la proteína, el riñón la filtra de la sangre y la deriva a la orina primordialmente.

Un total de más de diez millones de compuestos orgánicos han sido sintetizados a partir de compuestos más simples, tanto orgánicos como inorgánicos. Se ha profundizado paulatinamente, el proceso ha sido muy largo, en 1880 se agruparon en dos tomos en una obra escrita en alemán, incluyó unos quince mil compuestos. Para 1938 fueron necesarios 37 volúmenes para abarcar a los compuestos encontrados.

Actualmente la información, es muy extensa, esta disponible en internet, en línea, su enorme número era difícil de imaginar y aún hoy es sorprendente, suman más de diez millones.

Pero no solamente el avance es cantidad, también la calidad de la información surgida del estudio de las funciones de los seres vivos se ha ampliado, se han complementado con las novedosas explicaciones teóricas.

Nos acerca a una comprensión más completa de los fenómenos bioquímicos que suceden en las células de los seres vivos, y aún en nuestros cuerpos humanos. Lo que lleva a mejorar la calidad de atención médica y prevenir los desordenes en la salud.

Se amplió el estudio durante el siglo diecinueve, el proceso llamado “metabolismo”, que es muy importante para el desarrollo de la vida, es decir, ese conjunto de reacciones químicas que producen moléculas mayores a partir de otras menores, conocido como el anabolismo; y descomponiéndolas en otras más pequeñas, que se conoce como el catabolismo.

Diagrama del Ciclo de la Urea. Tomado de Bioquímica.

Existen tres fases dentro del metabolismo: absorción, transformación y excreción.

El científico Hans Adolf Krebs (1900 – 1981) propuso en 1937 los elementos claves de la ruta metabólica. 

Él se había concentrado en superar el desconocimiento que rodeaba las distintas etapas en que se llevaba a cabo la oxidación celular de los hidratos de carbono. Con ello inicio una serie de descubrimientos, en el año 1932, en compañía de Kurt Henseleit (1908 – 1973): El “ciclo de la urea”.

Descubrir el mecanismo con el que estas sustancias se desplazan por el organismo hasta su salida: Asimilación, digestión y excreción. 

Hoy sabemos que tiene que cumplir cinco etapas, la primera de ellas ocurre en la matriz mitocondrial de las células del hígado. Después mediante la acción de enzimas se deposita en el interior de la célula, dentro del cytosol, donde otras enzimas producen la transformación de la “citrulina”, en “fumarato” y “arginina”, en la quinta etapa se hidroliza y produce la “urea” y la “ornitina”.

El “Ciclo del ácido cítrico” o “Ciclo de Krebs”, es también conocido como de los ácidos tricarboxílicos, tiene fundamental importancia para todas las células que utilizan oxígeno durante el proceso de respiración celular. Como antes se dijo fue en 1937 que continuó los trabajos emprendidos por Carl Cori (1896 – 1984) y su esposa Gerty Theresa Radnitz (1896 – 1957), sobre la transformación del glucógeno en el cuerpo y la consiguiente generación de ácido láctico, que se conoce como “Ciclo de Cori”.

El matrimonio Cori, en contra del pensamiento existente, en mayor grado que hoy, sobre la capacidad femenina, ganaron conjuntamente el premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1947, compartido con él fisiólogo Bernardo Houssay (1887 - 1971).

Diagrama del Ciclo de Cori (del Ácido Láctico). Tomado de Bioquímica

Al analizar el proceso (en concreto, en el músculo pectoral de una paloma), Krebs fue capaz de integrar todos los elementos reconocidos del proceso en un único esquema coherente conocido como el “Ciclo del ácido cítrico” y después como “Ciclo de Krebs”. 

Éste da cuenta de la formación de la reserva de energía química de la célula a partir del ácido láctico procedente del catabolismo glucídico y lipídico. Con posterioridad, el también bioquímico Fritz Albert Lipmann (1899 - 1986), completaría detalladamente el ciclo

Ambos científicos ganaron Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1953.

Diagrama del Ciclo del Ácido Cítrico o Krebs. Tomado de Wikipedia

Es el anillo de conjunción de las rutas metabólicas responsables de la degradación y desasimilación de los carbohidratos, las grasas y las proteínas en anhídrido carbónico y agua con la formación de energía química.

La degradación química puede tomar alguna de tres formas, la “primaria”: implica un cambio estructural en el compuesto primario, resultando en una biodegradabilidad mejorada; “aceptable”: la que ocurre hasta un punto donde la toxicidad es reducida; “última”: que es completa a bioxído de carbono y a agua y otros compuestos orgánicos.

La desasimilación es un proceso de tipo metabólico que consiste en la alteración de las biomoléculas complejas en algo sencillo y en el almacenamiento apropiado que la energía química se puede desprender y formar un enlace de alta energía en molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP) y así mismo en la degradación de los compuestos.

El ácido Cítrico es una molécula de seis carbonos que completa el ciclo regenerándose en oxalacetato, y se obtienen en las nueve etapas del ciclo, la mayoría de las moléculas de adenosina trifosfato (ATP) que se requieren. Cada ciclo de Krebs produce: tres moléculas de nicotinamida adenina dinucleótido (NADH), una molécula de trifosfato de adenosina (ATP) y dos moléculas dedinocleótido de flavina – adenina (FADH2).

Pero el ciclo se produce en dos ocasiones y por tanto se tienen: 6 NADH, dos ATP y dos FADH2, que equivalen respectivamente a 18, 2 y 4 moléculas de trifosfato de adenosina (ATP), esto es, 24 de 38. Las 14 restantes se producen por medio de la glucólisis y de la oxidación del piruvato.

La aportación de ATP es la mayor fuente de energía que propicia, se puedan efectuar las funciones celulares, incluyendo la síntesis de macro moléculas como los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y de las proteínas, así como su transporte a través de las membranas celulares en los procesos llamados exocitosis (hacia afuera) y endocitosis (hacia dentro).

Integra las cadenas transportadoras de electrones, aunque la molécula de glucosa, después de la glucólisis y del ciclo de Krebs, se ha oxidado completamente y ha producido energía en forma de ATP, la mayor parte de la energía se encuentra en los electrones que aceptaron el “dinucleótido de nicotinamida y adenina”, también conocido como “nicotin adenin dinucleótido” o “nicotinamida adenina dinucleótido” (NAD+) abreviado en su forma oxidada (NADH) en su forma reducida; y el "dinocleótido de flavina – adenina" (FAD) en su estado oxidado y (FADH2 en su forma reducida), que se reducen a NADH y FADH2, para almacenar altos estados electrónicos.

El NADH y FADH2 tienen un gran poder reductor, y transfieren sus electrones al oxígeno molecular (O2) a través de una cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria. En el transporte de estos electrones se libera gran cantidad de energía que se utiliza para formar ATP (fosforilación oxidativa).

Van pasando por las moléculas, se reducen y oxidan, aceptan electrones y los ceden a la molécula siguiente, los electrones descienden de niveles altos al inmediato inferior posible y con ello van liberando energía, pasan pues por muchas moléculas hasta llegar a las de doble Oxígeno, que son el aceptor final de electrones.

Y el proceso es constante en las células de los seres vivos, la velocidad de transmisión es impactante, se lleva a cabo en todos lados la cadena respiratoria celular, es un truco impresionante. Estamos acostumbrados a los macroscópico, pero en lo microscópico hay hechos que nos mantienen en equilibrio, y no lo sabemos.

Esto es un viaje muy rápido y superficial, la maravilla de la vida se mantiene mayoritariamente en secreto, nos asomamos muy apenas, la bioquímica es formidable reto.