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BIOQUÍMICA CLÍNICA“ Debemos reconocer y, así me lo parece, que el hombre con todas sus notables cualidades...... acarrea todavía en su estructura física el sello indeleble de su humilde origen”Charles Darwin, The descent of man, 1871La Bioquímica es la ciencia que estudia las diversas moléculas, rea...

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Bioquímica clínica

BIOQUÍMICA CLÍNICA “…la vida sólo puede comprenderse en su esencia mediante el lenguaje de la química” Phillips Handler

Las enfermedades, también desde el punto de vista bioquímico, son consideradas “como manifestaciones de anormalidades de las moléculas, las reacciones químicas o los procesos que se realizan en el organismo”. Los principales factores causantes de enfermedad en los seres vivos afectan a una o más reacciones químicas o moléculas esenciales en el organismo, así por ejemplo:

“Debemos reconocer y, así me lo parece, que el hombre con todas sus notables cualidades…… acarrea todavía en su estructura física el sello indeleble de su humilde origen” Charles Darwin, The descent of man, 1871 La Bioquímica es la ciencia que estudia las diversas moléculas, reacciones químicas y procesos que ocurren en las células y organismos vivos. Cualquier circunstancia más allá de la comprensión superficial de la vida, en todas sus manifestaciones, requiere del conocimiento de la bioquímica. En consecuencia se considera que “el campo de la Bioquímica es tan extenso como la vida misma y donde quiera que haya vida ocurren procesos químicos”.

Agentes físicos, traumatismo mecánico, cambios súbitos en la presión atmosférica, temperatura extrema, etc. Agentes quimios y medicamentosos como drogas y otras sustancias tóxicas. Agentes biológicos, virus, riquetsias, bacterias, hongos, parásitos, etc. Carencia de oxígeno, pérdida de sangre, disminución de la capacidad de la sangre para transportar oxígeno, envenenamiento de las enzimas oxidativas, etc. Agentes genéticos, anomalías congénitas, defectos moleculares. Reacciones inmunológicas, como la anafilaxis y la enfermedad autoinmunitaria. Desequilibrios nutricionales, deficiencias y excesos alimenticios.

El estudiante de ciencias biomédicas debe desplegar un interés muy particular en la Bioquímica de los animales inferiores y superiores y del hombre, sin embargo podría mostrar falta de previsión si excluye una apreciación de la Bioquímica de algunas otras formas de vida, que en muchos casos resultan esenciales para la comprensión de situaciones de importancia directa para el hombre.

Los usos prácticos de las investigaciones bioquímicas con relación a la enfermedad pueden resumirse de la siguiente manera:

El propósito principal de la bioquímica consiste en la comprensión integral, en términos moleculares, de todos los procesos químicos vinculados con las células vivas. Para alcanzar este objetivo, los bioquímicos han procurado aislar las diversas moléculas presentes en las células, para determinar sus estructuras y analizar como funcionan.

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Adquirir un conocimiento profundo de la Bioquímica dota al individuo de la capacidad para enfrentarse a los dos intereses fundamentales de las ciencias biomédicas, como son:

Pueden revelar sus causas. Idear pruebas de escrutinio para el diagnóstico temprano de la enfermedad. Sugerir tratamientos eficaces y racionales. Ayudar en la valoración de la respuesta terapéutica.

Los siguientes ejemplos ilustrarán la relación que existe entre la Bioquímica, la prevención y el tratamiento de la enfermedad. Sabemos que para conservar la salud, debemos ingerir vitaminas que por lo general son convertidas en el organismo a moléculas más complejas que se llaman coenzimas, que tienen papeles esenciales en numerosas reacciones celulares. Si en la dieta existe déficit de determinada vitamina, puede desarrollarse una enfermedad por deficiencia como el escorbuto o el raquitismo, por ingestión insuficiente de vitaminas C y D respectivamente.

1. Conocer y conservar la salud. 2. Conocer las enfermedades y sus tratamientos eficaces. La Bioquímica en el proceso salud-enfermedad La OMS define salud como “Un estado de bien estar físico, mental y social y no solamente como la ausencia de enfermedad e inseguridad”. Pero, desde el punto de vista estrictamente bioquímico, la salud puede ser considerada como “la situación en la que, las miles de reacciones intra y extracelulares que ocurren en el organismo están procediendo bajo condiciones y a un ritmo compatible con la máxima supervivencia en el estado fisiológico” (como opuesto a lo patológico).

La fibrosis quística, enfermedad hereditaria de causa desconocida, que afecta a las glándulas exocrinas y sudoríparas. Es uno de los padecimientos genéticos más comunes en los EE.UU. Se caracteriza por secreciones muy viscosas que obstruyen los conductos secretorios del páncreas y bronquiolos. Las personas que padecen de esta enfermedad a menudo mueren en edades tempranas debido a infecciones pulmonares. Es

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probable que en un futuro no muy lejano, con ayuda de las técnicas del DNA recombinante, se descubra por lo menos parcialmente, su base molecular y entonces se establecerá un tratamiento eficaz.

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El análisis de los mecanismos de acción de la toxina del Vibrión Cholarae, causante del cólera, proporcionó avances importantes para conocer cómo se originan las manifestaciones clínicas de la enfermedad.

La Bioquímica estructural es el estudio de la composición química de la materia viva, de la estructura y propiedades de las sustancias que ingresan o salen de ella, sin tener en cuenta los cambios químicos y energéticos que estas experimentan.

Este capítulo de la bioquímica se encuentra muy relacionado con la química orgánica e inorgánica ya que en los estudios de los organismos vivos, con frecuencia se emplean principios y procedimientos que son propios de estas ramas de la ciencia.

La diabetes mellitus o diabetes sacarina prevalece en muchos países del mundo. Un aspecto fundamental de esta enfermedad es una anormalidad del metabolismo de la glucosa, que lleva a un aumento de la concentración sanguínea de la glucosa (hiperglucemia). Para comprender la diabetes mellitus y tratarla eficazmente, el médico debe familiarizarse con el metabolismo de la glucosa y los múltiples efectos de la insulina en el organismo humano.

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Bioquímica metabólica, estudia el conjunto de procesos físicos y químicos que dan como resultado un continuo intercambio de materia y energía entre el ser vivo y su medio ambiente lo que permite su crecimiento, reparación y conservación.

Este capítulo es de gran importancia para el fisiólogo y el médico, de hecho la Bioquímica y la Fisiología se superponen y confunden, por lo que prácticamente, son inseparables. Por otra parte la Bioquímica está produciendo un impacto creciente en la medicina, por ejemplo, los trastornos patológicos en el cuerpo suelen deberse a alteraciones en la composición química y en el funcionamiento de los tejidos y órganos, y muchos de los problemas patológicos se resuelven de manera más útil si se los enfoca desde el punto de vista bioquímico. Los ensayos de la actividad enzimática representan una valiosa ayuda en el diagnóstico clínico, ya que la concentración plasmática de ciertas enzimas suele tomarse como indicador para saber si un paciente ha sufrido anteriormente, por ejemplo, de un infarto de miocardio.

DEFINICIÓN. El término bioquímica (“Biochemie”, en alemán) fue acuñado por Félix Von Hoppe-Seyler , quien detentara la primera cátedra de Bioquímica Fisiológica creada en el mundo científico, en la Universidad de Tübingen (Alemania) en el año 1866. Desde entonces la aproximación a esta ciencia ha sido realizada desde distintos enfoques y ello ha redundado en múltiples definiciones, es así que el diccionario de la Real Academia de la Lengua Española la define como “Parte de la química que estudia la composición y transformaciones de los seres vivos”. Por otro lado, el vocabulario científico y técnico editado por la Real Academia Española de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales refleja que la bioquímica se ocupa del “estudio de la estructura y función de los compuestos químicos constituyentes de los seres vivos”.

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Herrera señala que señala que “La bioquímica es la ciencia que estudia los constituyentes químicos de los seres vivos, sus funciones y transformaciones, así como los procesos que controlan estas”.

Biología molecular o genética molecular. Estudia la química de los procesos y las estructuras de las moléculas implicadas en el almacenamiento, la transmisión y la expresión de información, así como los mecanismos que los regulan

En cualquier caso, lo que queda claramente expresado en las distintas definiciones es que la bioquímica puede y debe ser considerada como la ciencia de la vida, fenómeno muchas veces inexplicable, y a cuya elucidación molecular esta ciencia dirige sus esfuerzos.

BREVE RESEÑA HISTÓRICA La Bioquímica es una ciencia relativamente joven, podemos afirmar que la investigación en el campo de la Bioquímica moderna se inicia recién hace unos 200 años atrás. Desde finales del siglo XVIII hasta nuestros días, muchos investigadores han contribuido, desde distintos puntos de vista y enfoques experimentales, al nacimiento, desarrollo y expansión de la Bioquímica y a la explosión de la Biología Molecular. Sus observaciones y conclusiones han propiciado un vertiginoso adelanto en el conocimiento que hoy tenemos sobre las bases moleculares que subyacen a los procesos biológicos, tanto normales como en determinados estados patológicos.

DIVISION. Tradicionalmente la Bioquímica fue dividida en varias ramas, como: bioquímica general, fisiológica, médica, patológica, etc. Actualmente esta ciencia se divide en 3 grandes e importantes capítulos que son la bioquímica estructura, la bioquímica metabólica y la biología molecular

Como en otras áreas de la ciencia, la Bioquímica y Biología Molecular, han progresado paso a paso. No podía ser de otra forma, dada la propia naturaleza del quehacer científico, críticamente celoso de la acumulación de pruebas experimentales antes de dar por establecida alguna teoría

Se sabe que la célula es la base estructural de los seres vivos, la consideración de este concepto conduce a una definición alternativa y actual, como “La ciencia que se ocupa del estudio de la estructura y composición química de los organismos vivos, así como de los procesos químicos y cambios energéticos que experimentan”.

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En esa época dominaban tres teorías que retrasaron el avance de la ciencia: 1. 2. 3.

por ser considerado criatura de Dios, fue la que más obstaculizo el avance de la ciencia. Los cimientos de la Bioquímica como ciencia independiente se forjan a finales del siglo XVIII y comienzos del siglo XIX. Esta revolución científica se produjo no solo en el campo de las ideas sino también, en el de los métodos, instrumentos y formas de organizar la actividad científica y difundir sus resultados. El siguiente cuadro, en forma resumida y cronológica se enuncia algunos de los principales hitos que marcan la historia de la Bioquímica.

Teoría de la piedra filosofal, que sostenía la existencia de una piedra especial que transformaba en oro todo lo que tocaba. Teoría del elixir de la larga vida, toda persona que lo bebía, gozaría de la juventud eterna. Teoría de la fuerza vital o vitalismo, sostenía que una fuerza misteriosa y divina, presente en los seres vivos, era lo que les hacía fundamentalmente

1747 1770 -74 1770-86 1779-96 1780-89 17883. 1892. 1806 1812 1827 1828 1833 1834-36 1837 1838 1845 1850 1850-55 1852 1854-64 1857 1862 1864 1866 1869 1872 1876 1882 1886 1889 1890 1894 1900 1902,

1904 1907 1909 1911

Margraff descubre la sacarosa en la remolacha. Priestley descubre el oxígeno y demuestra que los animales lo consumen y las plantas lo producen. Scheele aísla la glicerina y los ácidos cítrico, málico, láctico y úrico a partir de fuentes naturales. Ingenhousz demuestra que la luz es imprescindible para que las plantas produzcan oxígeno, observa que las plantas consumen dióxido de carbono. Lavoisier postula que respiración equivale a oxidación y mide el O2 consumido por un individuo Spallanzani demuestra que la digestión de las proteínas en un proceso químico y no mecánico. Lamarck propone por primera vez el término “Biología” y Proust aísla el azúcar de la uva. Vauquelin y Robiquet aíslan por primera vez un aminoácido, la asparagina Kirchoff obtiene glucosa a partir de la hidrolisis del almidón. Prout propone la división de los alimentos en azucares grasas y proteínas Wöhler sintetiza la urea a partir de isocianato de amonio, demostrando que esta sustancia poseía las mismas características y propiedades que la urea proveniente del ser vivo. Este hecho constituyó un un duro golpe al vitalismo. Payen y Persoz purifican la amilasa del trigo (diastasa). Eberle demuestra que el jugo gástrico digiere alimentos fuera del estómago y Schwann descubre la pepsina en el jugo gástrico. Berzelius propone el término proteína para ciertas sustancias nitrogenadas de células animales y además propone la naturaleza catalítica de las fermentaciones. Mulder realiza los primeros estudios sobre las proteínas Kolbe sintetiza el ácido acético. Virchow demuestra que toda célula viva deriva de otra. Bernard descubre que el jugo pancreático es capaz de degradar el almidón, proteínas y grasas. Posteriormente demuestra que el hígado de los animales sintetiza azúcares. Frakland propone la noción de valencia y y asigna la tetravalencia del carbono Pasteur demuestra que la fermentación se debe a microorganismos, introduce los términos aerobiosis y anaerobiosis. Köelliker descubre las mitocondrias en las células musculares. Sachs comprueba que el almidón es un producto de la fotosíntesis. Hoppe-Seyler cristaliza por primera vez una proteína, la hemoglobina. Mendel, publica sus experimentos relacionados a la segregación de los caracteres hereditarios. Meischer, describe la presencia de un compuesto ácido en el núcleo celular la nucleina. 2 Pfluger, demuestra que no sólo la sangre y los pulmones consumen O sino todos los tejidos animales Hertwig, postula que la sustancia genética de los progenitores se trasmite en la fecundación. Kossel, descubre que la nucleina contiene guanina, hipoxantina y adenina, y aísla la histona. Mac Munn descubre las histohematinas, que más tar5de se denominarían citocromos. Kiliani, establece la fórmula estructural de la glucosa. Ramón y Cajal demuestra que la neurona es la unidad básica del sistema nervioso. Altmann purifica AND libre de proteínas, acuña el termino ácido nucleico. Neumeister afirma que el triptófano es el compuesto indólico de las proteínas. Fischer demuestra la especificidad de las enzimas y postula la teoría de la “llave y la cerradura”. Correns de Vries y Tschermak redescubren las leyes de Mendel Fischer y Hofmeister demuestran que las proteínas son polipéptidos. Landsteiner postula que existen 4 tipos de sangre humana, que denomina A, B, AB y O. Sutton concluye que los genes están localizados en los cromosomas, dando una explicación citológica a las leyes de Mendel. Bohr observa que el CO2 disminuye la afinidad de la hemoglobina por el O2 Fletcher y Hopkins demuestran que durante la contracción muscular anaerobia se forma ácido láctico a partir de la glucosa. Sörensen muestra el efecto del pH sobre la actividad enzimática. Funk aísla cristales de vitamina B1 y acuña el término “vitamina”

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1913 1914 1916 1922 1926 1927-28 1930 1933 1937 1939-41 1939-46 1942 1943 1947-50 1948-50 1950 1950 1951

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Willstätter y Stol aíslan y estudian la clorofila. Kendall aísla la tiroxina. Abderhalden sintetiza un péptido de 19 aminoácidos, record de longitud durante 30 años. Mc Collum aísla del aceite de hígado de bacalao la vitamina D o calciferol y demuestra que su deficiencia ocasiona el raquitismo. Summer cristaliza por primera vez la enzima ureasa y demuestra que es una proteína. Muller y Stadler demuestran el carácter mutagénico de los rayos X sobre los genes. Euler aísla el caroteno, demostrando su actividad vitamínica A. Lundsgaard demuestra que los músculos pueden contraerse sin producir ácido láctico. Krebs y Henseleit descubren el ciclo de la urea. Krebs postula el ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Los Cori establecen la secuencia completa de las reacciones de la vía glucolítica. Lipmann postula el papel central del ATP como moneda de cambio de energía. Szent-Györgyi descubre la actina y la actomiosina. Bloch y Rittenberg descubren que el acetato es el precursor del colesterol. Ochoa demuestra el acoplamiento entre la fosforilación asociada a la generación de ATP y la cadena de transporte electrónico. Lipmann y Kaplan aíslan y caracterizan la coenzima A (CoA). Kennedy y Lehninger descubren que el ciclo del ácido cítrico, la fosforilación oxidativa y la oxidación de los ácidos grasos se realizan en las mitocondrias. Barr y Bertram descubren la cromatina sexual en células de animales hembras. Pauling y Corey proponen la estructura de la hélice alfa para las alfa queratinas y descubren la base molecular de la anemia falciforme. Se elucida la mayoría de las etapas de las vías enzimáticas de la biosíntesis y degradación de los aminoácidos, purinas, pirimidinas, ácidos grasos, lípidos y glúcidos complejos. Franklin y Wilkins dan los primeros datos precisos sobre la estructura del ADN.

NACIMIENTO Y DESARROLLO DE LA BIOLOGIA MOLECULAR La Biología molecular ha adquirido, sin lugar a duda, un peso específico dentro de la Bioquímica. Tras los primeros datos acerca de la doble hélice del DNA, la tecnología del DNA recombinante m ha experimentado una tremenda evolución. Los avances espectaculares de la ingeniería genética y los nuevos métodos de 1952- 53 1952-54 1953 1954-58 1955 1956 1957 1958 1959 1966 1969 1973 1977 1980 1982

visualización de las estructuras moleculares complejas, que aparecieron en este último cuarto de siglo, han retroalimentado a la química de las proteínas y a la bioquímica estructural y funcional. Juntas se han aliado para desvelar los mecanismos moleculares de los procesos biológicos normales y, por extensión, patológicos.

Chase y Hershey confirman que en los virus, el DNA es el portador de la información genética. Zamecnik y colaboradores descubren las partículas ribonucleoproteícas, los ribosomas, como el lugar donde se sintetizan las proteínas. Watson y Crick postulan el modelo estructural de la doble hélice del DNA. Sanger y Thompson terminan la secuenciación de las cadenas A y B de la insulina. Kennedy describe la vía sintética de los tracilglicéridos y fosfoacilglicéridos y postula el, papel de los nucleótidos de citidina. Ochoa y Grunberg-Manago descubren la polinucleótido fosforilasa. Kornberg descubre la enzima DNA polimerasa. Levan y Tjio proponen que hay 46 cromosomas humanos. Ingram demuestra que la diferencia de un solo AA en la cadena de la hemoglobina altera su función. Sutherland descubre el adenosina monofosfato cíclico (AMPc). Hoagland, Zamecnik y Stephenson aíslan el RNA de transferencia (RNAt ), Crick postula el dogma central de la genética molecular. Messelson y Stahl proporcionan la confirmación experimental del modelo de replicación Semiconservativa de DNA de Watson y Crick. Gautier, Lejeune y Tuirpin postulan que el mongolismo es causado por u n cromosoma en exceso. Rous recibe el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por sus hallazgos relativos a la inducción viral del cáncer en gallinas. Huebner y Todaro postulan la hipótesis del oncogén como causa del cáncer producido por virus ARN Se clona por primera vez un gen de rana en Escherichia coli. Cooper, Weinberg y Wigler descubren los oncogenes. Gallo demuestra la estrecha relación entre determinados virus y algunos tipos de cánceres humanos. Gordon, Ruiddle y otros obtienen los primeros ratones transgénicos. Se comercializa la insulina recombinante humana. Barbacid, notariop y Santos demuestran la relación entre los onco...