La bioquímica o química biológica (distinta de la biología química) es una rama de la ciencia que estudia las reacciones químicas que tienen lugar en los organismos vivos, especialmente en las células. La bioquímica se centra en comprender la base química que permite a las moléculas biológicas dar lugar a los procesos que ocurren dentro de las células vivas y entre ellas, lo que a su vez se relaciona estrechamente con la comprensión de los tejidos y los órganos, así como con la estructura y función de los mismos organismos. La complejidad de los procesos químicos biológicos se controla mediante la señalización celular y los procesos metabólicos: los que permiten la transferencia de energía (catabolismo) y los que generan biomoléculas propias (anabolismo).
Subdisciplina tanto de la química como de la biología, la bioquímica está estrechamente relacionada con la biología celular y la biología molecular —el estudio de los mecanismos moleculares de los fenómenos biológicos. Se suele dividir en tres campos principales: la biología estructural, que se centra en las relaciones entre las funciones bioquímicas de las moléculas y su estructura tridimensional; la enzimología, que estudia las enzimas y las reacciones que catalizan; y el metabolismo, que se ocupa del conjunto de procesos que permiten mantener la vida, reproducirse (dividirse), desarrollarse y responder a los estímulos de su entorno. Otros campo de estudio es la bioenergética, que estudia la transferencia de energía química dentro de los organismos vivos, y también se interesa por descifrar las funciones de la microbiota humana.
En el último medio siglo, la bioquímica ha logrado explicar un número considerable de procesos biológicos, hasta el punto de que prácticamente todas las áreas de las ciencias de la vida, desde la botánica hasta la medicina, participan actualmente en la investigación bioquímica e incluso biotecnológica. El principal objetivo de la bioquímica hoy en día es comprender, mediante la integración de datos obtenidos a nivel molecular, cómo las biomoléculas y sus interacciones generan las estructuras y los procesos biológicos observados en las células, allanando el camino para la comprensión de los organismos en su conjunto. Dentro de este marco, la química supramolecular se centra en complejos moleculares como los orgánulos, que constituyen un nivel intermedio de organización en la materia viva entre las moléculas y las células.
La bioquímica se interesa particularmente en las estructuras, funciones e interacciones de las macromoléculas biológicas, como los glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, que constituyen las estructuras celulares y desempeñan numerosas funciones biológicas. La química celular también depende de las moléculas más pequeñas y de los iones. Estos últimos pueden ser inorgánicos—como el ion hidronio H3O+, el hidroxilo OH− o los cationes metálicos—, u orgánicos, como los aminoácidos que componen las proteínas. Estas especies químicas se componen principalmente de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno; los lípidos y los ácidos nucleicos también contienen fósforo, mientras que las proteínas contienen azufre, y los iones y ciertos cofactores están compuestos, o los incluyen, por oligoelementos como hierro, cobalto, cobre, zinc, molibdeno, yodo, bromo y selenio.
Los descubrimientos de la bioquímica tienen aplicaciones en numerosos campos, como la medicina, la farmacología, la dietética o incluso la agricultura: en medicina, los bioquímicos estudian las causas de las enfermedades y los tratamientos que pueden curarlas, como la terapia genética y biomedicina; los nutricionistas utilizan los hallazgos bioquímicos para diseñar dietas saludables, mientras que la comprensión de los mecanismos bioquímicos ayuda a entender los efectos de las deficiencias nutricionales. Aplicada a la agronomía, la bioquímica permite el diseño de fertilizantes adaptados a diferentes tipos de cultivos y suelos, así como la optimización de los rendimientos de los cultivos, el almacenamiento de la cosecha y el control de plagas. En las últimas décadas, los principios y métodos bioquímicos se han combinado con enfoques de resolución de problemas propios de la ingeniería (la disciplina de la biotecnología) para manipular ciertos sistemas vivos con el fin de producir herramientas útiles para la investigación y los procesos industriales, para abordar los grandes problemas —cambio climático, escasez de recursos agroalimentarios ante el aumento de población mundial, agotamiento de las reservas de combustibles fósiles— y el diagnóstico y control de las enfermedades actuales y del futuro (aparición de nuevas alergias, aumento del cáncer, enfermedades genéticas, obesidad, etc.).
Se atribuye a Carl Neuberg la introducción del término «bioquímica» en 1903, utilizando raíces griegas, aunque el término ya circulaba en Europa desde finales del siglo XIX.
Siglo XIX y primera mitad del XX
La historia de la bioquímica como la conocemos hoy en día es prácticamente moderna; desde el siglo XIX se comenzó a direccionar una buena parte de la biología y la química a la creación de una nueva disciplina integradora: la química fisiológica o la bioquímica. Pero la aplicación de la bioquímica y su conocimiento probablemente comenzó hace 5000 años, con la producción de pan usando levaduras, en un proceso conocido como fermentación.
Es difícil abordar la historia de la bioquímica, en cuanto que, es una mezcla compleja de química orgánica y biología, y en ocasiones, se hace complicado discernir entre lo exclusivamente biológico y lo exclusivamente químico orgánico y es evidente que la contribución a esta disciplina ha sido muy extensa. Aunque es cierto que existen datos experimentales que se consideran básicos en la bioquímica.
Se suele situar el inicio de la bioquímica en los descubrimientos en 1828 de Friedrich Wöhler que publicó un artículo acerca de la síntesis de urea, probando que los compuestos orgánicos pueden ser creados artificialmente, en contraste con la creencia comúnmente aceptada durante mucho tiempo, de que la generación de estos compuestos era posible solo en el interior de los seres vivos.
La diastasa fue la primera enzima descubierta. En 1833 se extrajo de la solución de malta por Anselme Payen y Jean-François Persoz, dos químicos de una fábrica de azúcar francesa.
A mediados del siglo XIX, Louis Pasteur demostró los fenómenos de isomería química existente entre las moléculas de ácido tartárico provenientes de los seres vivos y las sintetizadas químicamente en el laboratorio. También estudió el fenómeno de la fermentación y descubrió que intervenían ciertas levaduras, y por tanto no era exclusivamente un fenómeno químico como se había defendido hasta ahora (entre ellos el propio Liebig); así Pasteur escribió: «la fermentación del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organización de las células de las levaduras, y no con la muerte y la putrefacción de las células». Además desarrolló un método de esterilización de la leche, el vino y la cerveza (pasteurización) y contribuyó enormemente a refutar la idea de la generación espontánea de los seres vivos.
En 1869 se descubre la nucleína y se observa que es una sustancia muy rica en fósforo. Dos años más tarde, Albrecht Kossel concluye que la nucleína es rica en proteínas y contiene las bases púricas adenina y guanina y las pirimidínicas citosina y timina. En 1889 se aíslan los dos componentes mayoritarios de la nucleína:
Sustancias de carácter ácido: ácidos nucleicos (30 %)
En 1878 el fisiólogo Wilhelm Kühne acuñó el término enzima para referirse a los componentes biológicos desconocidos que producían la fermentación. La palabra enzima fue usada después para referirse a sustancias inertes tales como la pepsina.
En 1897 Eduard Buchner comenzó a estudiar la capacidad de los extractos de levadura para fermentar azúcar a pesar de la ausencia de células vivientes de levadura. En una serie de experimentos en la Universidad Humboldt de Berlín, encontró que el azúcar era fermentado incluso cuando no había elementos vivos en los cultivos de células de levaduras. Llamó a la enzima que causa la fermentación de la sacarosa, “zimasa”. Al demostrar que las enzimas podrían funcionar fuera de una célula viva, el siguiente paso fue demostrar cuál era la naturaleza bioquímica de esos biocatalizadores. El debate fue extenso; muchos, como el bioquímico alemán Richard Willstätter, discrepaban de que la proteína fuera el catalizador enzimático, hasta que en 1926, James B. Sumner demostró que la enzima ureasa era una proteína pura y la cristalizó. La conclusión de que las proteínas puras podían ser enzimas fue definitivamente probada en torno a 1930 por John Howard Northrop y Wendell Meredith Stanley, quienes trabajaron con diversas enzimas digestivas como la pepsina, la tripsina y la quimotripsina.