La supervivència dels éssers vius depèn de la seva capacitat per portar a terme un seguit de reaccions químiques adreçades a l’intercanvi de matèria i energia amb el medi ambient i a la fabricació de les seves estructures vitals. La bioquímica estudia, per tant, totes aquelles reaccions que s’esdevenen tant a l’interior de la cèl·lula (cèl.lula) com al medi intern dels organismes pluricel·lulars. Aquestes bioreaccions no difereixen essencialment de les reaccions típiques de la química orgànica, bé que són caracteritzades específicament pel fet d’esdevenir-se totes a temperatures relativament baixes (en general, inferiors a 45°C) gràcies a l’ajut dels biocatalitzadors, anomenats enzims, i pel fet de funcionar acoblades les unes a les altres en una complexíssima xarxa d’interrelacions, que constitueix el metabolisme. El metabolisme consta de reaccions degradadores (catabolisme), que aporten la matèria i l’energia necessàries per l’organisme, i de reaccions biosintètiques (anabolisme), que utilitzen la matèria i l’energia per a la construcció de les macromolècules i d’altres estructures complexes de l’organisme. La bioquímica és una ciència nascuda de la convergència i l’encreuament de la química orgànica i la fisiologia, dues ciències molt desenvolupades al llarg del segle XIX, que han experimentat un progrés molt important durant els darrers cinquanta anys.
La història de la bioquímica
Hom troba les arrels de la bioquímica moderna ja al segle XVIII, en els clàssics estudis del químic suec Karl Wilhelm Scheele, que identificà l’àcid làctic en la llet, el cítric en la llimona, el màlic en les pomes i l’úric en l’orina, i en els del francès Antoine Laurent de Lavoisier, que demostrà que els éssers vius empren oxigen de l’aire per a la ‘combustió’ dels aliments, la qual produeix calor (energia). Durant la segona meitat del segle XIX i el començament del XX, l’activitat dels bioquímics s’orientà cap als estudis dels productes naturals continguts en els organismes vius. Foren dos els principals eixos vertebradors dels estudis bioquímics del segle XIX: la identificació de nous compostos naturals (foren descrits per primer cop les proteïnes, el glicogen, el DNA i molts aminoàcids) i l’estudi funcional de la fermentació alcohòlica. Els més grans avenços de la bioquímica durant el segle XIX van anar lligats a l’estudi de la fermentació, que fixà les bases de l’enzimologia, de la bioenergètica i de l’estudi del metabolisme. Destaquen els treballs dels científics de les escoles francesa i alemanya, com ara Anselme Payen, Jean-François Persoz, Carl Justus von Liebig, Louis Pasteur o Eduard Büchner. La bioquímica assolí un impuls decisiu amb els treballs sobre l’hemoglobina d’Ernst Felix Immanuel von Hoppe-Seyler o la síntesi dels sucres, els greixos i les proteïnes d’Emil Fischer. La nova ciència rebé definitivament el nom de bioquímica, proposat per Neuberg el 1903.
La primera meitat del segle XX comportà un canvi qualitatiu en el desenvolupament de la bioquímica, ja que l’interès dels bioquímics es desplaçà cap a l’estudi de les funcions, dins l’organisme, dels composts identificats al segle precedent i el significat biològic dels processos en què intervenen. Així, l’estudi de la fermentació iniciat al segle anterior va conduir a l’elucidació, per part dels bioquímics alemanys Gustav Embden, Otto Meyerhof i Jakob Parnass el 1933, de la primera ruta metabòlica identificada, la via glucolítica. Juntament amb la glucòlisi, es van descriure els altres dos processos principals per a l’obtenció d’energia a la cèl·lula, el cicle dels àcids tricarboxílics, per part de Hans Adolf Krebs el 1937 i la cadena respiratòria, que permet la reducció de l’oxigen i la síntesi de l’ATP, estudi que va aplegar molts dels principals bioquímics de l’època com ara Otto Warburg o Albert Lehninger. Durant la segona meitat del segle XX, la bioquímica ha experimentat un gran desenvolupament gràcies a noves i complexes tècniques analítiques (radioimmunoassaig, radioenzimoassaig, electroenfocament, ultracentrifugació) com també per la creixent aplicació de models fisicomatemàtics. També s’ha fet cada cop més palesa arreu del món la necessitat de dedicar més recursos humans i econòmics a la investigació en aquesta ciència.
Això ha representat un nou canvi en l’objectiu de la bioquímica: durant aquest període, el principal interès ha estat l’estudi dels mecanismes moleculars que controlen els processos descrits els anys anteriors. Així, descobriments com ara el de l’AMP cíclic per E.W. Sutherland el 1957 o la fosforilació de les proteïnes per E.A. Krebs i E. Fischer el 1959 han portat al naixement de disciplines noves com l’endocrinologia molecular, que ha permès l’estudi de la regulació i la integració del metabolisme. Malgrat els importants avenços científics assolits, encara es van descobrint nous composts bioquímics (com és el cas de l’important regulador metabòlic fructosa-2,6-bisfosfat), com també aspectes bàsics (com ara vies metabòliques secundàries) de l’entrellat de vies metabòliques que constitueixen el metabolisme. Actualment, la bioquímica té quatre línies principals d’estudi: la bioquímica estructural se centra en l’estructura de composts i agregats moleculars cada cop més complexos, per tal d’arribar a comprendre el seu mecanisme d’actuació i poder dissenyar fàrmacs específics per modificar la seva acció en casos de disfuncionalitat; la regulació del metabolisme té com a objectiu l’estudi global i integrat del metabolisme, la seva regulació i la seva adaptació a diferents situacions fisiològiques, analitzant el control de l’activitat dels enzims (especialment pel que fa a la variació d’activitat amb relació al grau de fosforilació i l’expressió dels gens que codifiquen pels enzims) i el mecanisme d’acció de les hormones (endocrinologia molecular); la bioquímica cel·lular estudia, a escala molecular, els diferents processos que permeten la supervivència de la cèl·lula, que fins ara s’havien limitat als mecanismes d’obtenció i aprofitament de matèria i energia i actualment s’estenen a tots els esdeveniments cel·lulars, com ara el cicle de divisió de la cèl·lula o la mort cel·lular; finalment, la bioquímica clínica es planteja l’estudi de les bases moleculars que condueixen a situacions patològiques.
Gràcies al gran desenvolupament que han tingut les metodologies, especialment amb l’arribada de les tècniques de biologia molecular, la bioquímica s’ha constituït en la ciència biològica bàsica per excel·lència, ja que els coneixements derivats dels estudis bioquímics troben aplicació en totes les altres branques de la biologia, des de la fisiologia (bioquímica fisiològica i bioquímica de la nutrició) fins a la microbiologia (bioquímica de microorganismes), la genètica (biologia molecular), la citologia (biologia cel·lular), la taxonomia (bioquímica comparada) i, fins i tot, l’ecologia (bioquímica ecològica). A més, l’espectacular progrés de la bioquímica en anys recents ha permès la seva aplicació al cada vegada més extens camp de les ciències biomèdiques, com ara la farmacologia (bioquímica farmacològica i bioquímica toxicològica) o la medicina (bioquímica clínica), atès que la bioquímica proporciona les claus moleculars per a la comprensió de moltes malalties, incloses les tres de més gran incidència social, com són el càncer, la SIDA i les malalties cardiovasculars. Darrerament, ha anat guanyant importància la bioquímica industrial, que tracta de l’obtenció en grans quantitats de determinats composts (per exemple, d’insulina humana per cultiu de bacteris sotmesos a manipulació genètica), com també de l’aplicació a processos industrials dels resultats obtinguts en estudis bioquímics (com la utilització industrial d’enzims, com ara la cel·lulasa, enzim que degrada la cel·lulosa). El 1992 hom establí llicenciatures en bioquímica a la Universitat de Barcelona i la Universitat Autònoma de Barcelona, primeres en aquesta disciplina a l’Estat espanyol.
Taula cronològica dels principals avenços de la bioquímica
- 1770-74 J. Priestley descobreix l’oxigen i demostra que és consumit pels éssers vius i produït per les plantes.
- 1770-86 K.W. Scheele aïlla el glicerol i els àcids làctic, cítric, màlic i úric de diferents fonts orgàniques.
- 1773 G.F: Rouelle aïlla la urea de l’orina.
- 1779-96 J. Ingen-Housz demostra que les plantes requereixen llum per a fabricar oxigen.
- 1780-89 A. Lavoisier demostra que la respiració és una oxidació que utilitza oxigen.
- 1810 L.J. Gay-Lussac dedueix l’equació correcta per a la fermentació alcohòlica.
- 1833 A. Payen i J.F. Persoz purifiquen la diastasa, primer enzim identificat com a catalitzador de la fermentació del midó.
- 1837 J.J. Berzelius postula la naturalesa catalítica de la fermentació.
- 1838 G. Mulder descriu un nou compost vital que conté nitrogen, anomenat proteïna per Berzelius.
- 1840-50 C.J. von Liebig estudia el procés catalític de la fermentació.
- 1850 C. Bernard descobreix el glicogen.
- 1854-64 L. Pasteur postula la teoria vitalista de la fermentació.
- 1864 E.F. von Hoppe-Seyler cristal·litza per primer cop una proteïna, l’hemoglobina.
- 1869 F. Mescher descobreix l’àcid desoxiribonucleic (DNA).
- 1877 W.F. Kühne proposa el terme enzim per a designar els catalitzadors que participen en la fermentació.
- 1894 E. Fischer demostra l’especificitat dels enzims (teoria de la clau i el pany)
- 1897 E. Büchner demostra que la fermentació pot ser realitzada per extractes de llevat.
- 1901 J. Takamine aïlla per primera vegada una hormona, l’adrenalina.
- 1902 E. Fischer i F. Hofmeister demostren que les proteïnes són polipèptids.
- 1903 C. Neuberg introdueix el terme “bioquímica”.
- 1905 A. Harden i W. Young demostren la participació de làcid fosfòric en la fermentació. F. Knoop dedueix la via de la β-oxidació dels àcids grassos.
- 1909 A.E. Garrod proposa que les malalties metabòliques hereditàries són causades per errors en la informació genètica.
- 1912 O. Warburg postula l’existència d’un “enzim respiratori” que activa l’oxigen durant la respiració cel·lular.
- 1913 L. Michaelis i L. Menten desenvolupen la primera teoria cinètica de l’acció enzimàtica.
- 1922 F.G. Banting, C. Best, J.B. Collip i J.J.R. MacLeod descobreixen la insulina.
- 1926 A. Szent-György aïlla l’àcid ascòrbic (vitamina C).
- 1929 C. Fiske, I. Subarow i, independentment, K. Lohmann, aïllen l’ATP.
- 1931 W.A. Engelhardt descobreix que la respiració cel·lular és acoblada a la fosforilació.
- 1933 H.A. Krebs i K. Henseleit descobreixen el cicle de la urea. G. Embden, O. Meyerhoff, J. Parnass i O. Warburg proposen una via metabòlica per a la degradació de la glucosa, la glucòlisi.
- 1935 W.M. Stanley aïlla el primer virus cristal·litzat, el virus del mosaic del tabac.
- 1937 H. A. Krebs proposa el cicle dels àcids tricarboxílics (o de l’àcid cítric).
- 1939-41 F. Lippmann descobreix el paper central de l’ATP en el metabolisme energètic.
- 1940 A.Fleming aïlla per primera vegada la penicil·lina, descoberta per ell el 1928. G. Beadle i E. Tatum proposen la teoria “un gen: un enzim”.
- 1942 K. Bolch descobreix la síntesi del colesterol
- 1944 O.T. Avery, C. MacLeod i M. McCarty demostren que l’agent causant de la transformació bacteriana és el DNA.
- 1947 F. Lipmann i N.O. Kaplan aïllen el coenzim A.
- 1948 M. Calvin descobreix la ruta de fixació de CO2 durant la fotosíntesi.
- 1950 C.L. Pauling i R. Corey proposen l’estructura helicoidal de les proteïnes fibroses i M. Perutz, l’estructura de les proteïnes globulars.
- 1951 A. Lehninger descobreix la cadena respiratòria (respiració cel·lular al mitocondri per cessió dels electrons del NADH a l’oxigen).
- 1953 F. Sanger determina la seqüència d’aminoàcids d’una proteïna, la insulina. J.D. Watson i F. Crick postulen l’estructura en doble hèlix del DNA.
- 1954 D. Arnon descobreix la fotofosforilació.
- 1956 A.Kornberg descobreix la DNA polimerasa. H.E. Umbarger descriu la regulació per retroinhibició
- 1957 E.W. Sutherland descobreix l’AMP cíclic.
- 1958 C.B. Afinsen determina que la conformació tridimensional de les proteïnes ve especificada en la seva seqüència d’aminoàcids.
- 1959 E. Krebs i E. Fischer descobreixen la funció reguladora de la fosforilació de les proteïnes.
- 1961 F. Jacob, J. Monod i P. Changeux proposen el primer model d’acció dels enzims al·lostèrics. P. Mitchell postula la teoria quimiosmòtica per explicar l’acoblament de la cadena respiratòria i la fosforilació oxidativa. F. Jacob i J. Monod proposen el model de control negatiu de l’operó i postulen la funció de l’RNA missatger.
- 1961-64 E. Englesberg proposa el model de control positiu de l’expressió gènica.
- 1961-65 M. Niremberg, H.G. Korana i S. Ochoa identifiquen el codi genètic.
- 1965 R.W. Holley aconsegueix la primera seqüència completa d’un àcid
- 1970-75 P. Berg, S.N. Cohen, H. Boyer i F. Southern creen les bases de la tecnologia del DNA recombinant.
- 1977 A. Gilman descobreix les proteïnes reguladores amb activitat GTPàsica (proteïnes G).
- 1978-80 H. Varmus, J.M. Bishop, R.A. Weinberg i M. Barbacid demostren que les còpies mutades dels oncogens causen diversos processos tumorals.
- 1978 C. Milstein obté anticossos monoclonals
- 1980 T. Cech descobreix el primer RNA autocatalític.
- 1980-82 T. Hunt, P. Nurse i D. Beach, independentment, identifiquen els primers agents reguladors del cicle de divisió cel·lular.
- 1982 R.M. Evans realitza els primers assaigs per a obtenir animals transgènics.
- 1984 K. Mullis perfecciona la reacció en cadena de la polimerasa (PCR), tècnica creada per ell mateix (1984).
- 1989 S'inicia el Projecte Genoma Humà, per a la descripció completa de la seqüència del material genètic humà.
- 1990 R.M. Blaese i W.F. Anderson realitzen el primer experiment de teràpia gènica en humans.
- 1993 M. Perucho explica les mutacions del càncer de colon.
- 1994 I. Hershkowitz i J. Massagué descobreixen les primeres proteïnes inhibidores del cicle celular.
- 1994-95 És descrit el primer gen causant d’un càncer de mama hereditari.