Biología química para niños

La biología química es un campo de la ciencia que combina la química y la biología. Su objetivo es usar herramientas y métodos químicos para estudiar y manipular sistemas vivos. A diferencia de la bioquímica, que se enfoca en la química de las moléculas biológicas, la biología química aplica la química para entender mejor cómo funcionan los seres vivos. Esto incluye crear moléculas especiales para interactuar con las células o simular procesos biológicos.

¿Qué es la Biología Química?

La biología química busca responder preguntas sobre la vida explorando directamente los sistemas vivos a nivel químico. Imagina que quieres entender cómo funciona un motor: la bioquímica estudiaría las partes del motor, mientras que la biología química crearía herramientas especiales para ver cómo esas partes se mueven o interactúan mientras el motor está encendido.

En este campo, se usan pequeñas moléculas diseñadas para un propósito específico. Estas moléculas pueden ayudar a investigar lo que ocurre dentro de las células o en un tubo de ensayo. La biología química es una ciencia interdisciplinaria, lo que significa que combina conocimientos de varias áreas como la química médica, la farmacología y la genética.

Herramientas y Métodos en Biología Química

Los científicos en biología química desarrollan muchas técnicas para entender los sistemas biológicos. Aquí te contamos algunas:

Estudio de Proteínas: Proteómica

Los biólogos químicos trabajan para mejorar la proteómica, que es el estudio de todas las proteínas presentes en una célula o tejido. Las proteínas son como los "trabajadores" de las células y entenderlas es clave. A veces, hay muchas proteínas diferentes en una muestra, y encontrar la que interesa puede ser difícil. Los métodos de biología química ayudan a seleccionar y estudiar solo las proteínas que son importantes para una investigación específica.

Sondas para Enzimas

Las enzimas son proteínas especiales que aceleran las reacciones químicas en los seres vivos. Para saber qué están haciendo las enzimas, los científicos han creado "sondas" o herramientas que se unen a las enzimas activas. Esto les permite ver cómo funcionan y qué reacciones están llevando a cabo. Por ejemplo, algunas sondas pueden unirse a enzimas específicas y mostrar su actividad, lo que es muy útil para entender cómo se comunican las células.

Glicobiología: El Mundo de los Azúcares

Mientras que el ADN y las proteínas son como el "código" de la vida, los glicanos (que son cadenas de azúcares) no se codifican directamente en el ADN. Son muy importantes para muchas funciones celulares, pero son más difíciles de estudiar. La glicobiología es un área activa de la biología química que busca entender estos azúcares. Por ejemplo, se pueden dar a las células versiones sintéticas de azúcares naturales para ver cómo afectan su función. La científica Carolyn R. Bertozzi ha desarrollado métodos para que las moléculas en la superficie de las células reaccionen de forma específica usando azúcares sintéticos.

Química Combinatoria: Creando Muchas Moléculas

Los biólogos químicos usan la química combinatoria para crear rápidamente muchas moléculas pequeñas diferentes. Luego, prueban estas moléculas para ver cómo afectan los procesos biológicos. Esto puede llevar al descubrimiento de nuevas sustancias útiles, como los antibióticos, que combaten las bacterias. Es como hacer muchas llaves diferentes para ver cuál abre una cerradura específica en una célula.

Usando la Biología para la Química

Algunas investigaciones se centran en usar moléculas biológicas naturales para realizar tareas químicas o para desarrollar nuevos métodos. Por ejemplo, se ha demostrado que el ADN puede servir como un "molde" para crear nuevas moléculas, o que las proteínas pueden unirse para formar estructuras que sirvan como nuevos materiales. También se pueden crear moléculas sintéticas que unan dos proteínas dentro de las células, lo que puede generar nuevas funciones biológicas importantes, como la eliminación de proteínas específicas.

Síntesis de Péptidos: Construyendo Proteínas

La creación química de proteínas es una herramienta valiosa en la biología química. Permite añadir "ladrillos" (aminoácidos) que no se encuentran en la naturaleza o incorporar cambios específicos en las proteínas, como la adición de grupos fosfato o azúcares. Esto es útil para investigar cómo funcionan las proteínas y cómo se regulan. Aunque hay formas biológicas de hacer esto, la síntesis química a menudo es más sencilla para obtener pequeñas cantidades de una proteína específica.

Para construir proteínas grandes a partir de pequeños fragmentos, los biólogos químicos usan una técnica llamada ligadura química nativa. Esta técnica une los fragmentos de péptidos de una manera que forma un enlace natural, creando una proteína completa.

Evolución Dirigida: Diseñando Proteínas

Un objetivo importante en la ingeniería de proteínas es diseñar nuevas proteínas con una estructura y actividad química deseadas. Como es difícil predecir cómo una secuencia de aminoácidos se convierte en una proteína funcional, los científicos usan la evolución dirigida. Este método imita la selección natural en el laboratorio: se crean muchas versiones ligeramente diferentes de una proteína, se seleccionan las que tienen la función deseada y luego se repite el proceso.

Existen varios métodos para crear estas "bibliotecas" de proteínas variantes, como exponer el ADN a luz UV o usar técnicas de PCR. Una vez que se tienen muchas variantes, se usan técnicas de selección para encontrar las que funcionan mejor. Este trabajo fue reconocido con el Premio Nobel de Química en 2018 para Frances Arnold, George P. Smith y Gregory Winter.

Reacciones Bio-ortogonales: Química en Seres Vivos

Para estudiar moléculas específicas dentro de un ser vivo, los científicos necesitan reacciones químicas que no interfieran con los procesos normales de la célula. Imagina que quieres pintar una parte de un coche mientras está en movimiento sin que la pintura afecte el motor. Las reacciones bio-ortogonales son reacciones químicas que ocurren de forma específica y rápida dentro de un sistema vivo sin ser tóxicas o reaccionar con otras moléculas.

Un ejemplo famoso es la "química clic", que permite unir dos moléculas de forma rápida y eficiente. Aunque algunas reacciones clic necesitan cobre, que puede ser tóxico, los científicos han desarrollado versiones que no lo necesitan, como las que usan alquinos cíclicos. Esto permite "etiquetar" moléculas dentro de las células para ver dónde están o qué están haciendo.

Descubrimiento de Biomoléculas con Metagenómica

Gracias a los avances en la secuenciación de ADN, los científicos pueden estudiar el ADN de comunidades enteras de organismos en su entorno natural, sin tener que cultivarlos en el laboratorio. Esto se llama metagenómica. Permite investigar una gran variedad de organismos que antes eran difíciles de estudiar.

Los científicos usan la metagenómica para buscar moléculas biológicamente activas, como los antibióticos. Pueden buscar genes que producen estas moléculas o buscar características específicas que se asocian con ellas. Este método ha llevado al descubrimiento de muchas proteínas y moléculas nuevas.

Visión general de los métodos metagenómicos

Kinasas: Reguladores Celulares

Las cinasas son enzimas que añaden grupos de fosfato a las proteínas, un proceso clave para regular casi todos los sistemas biológicos. Cuando una proteína es fosforilada (se le añade un fosfato) o desfosforilada (se le quita un fosfato), su actividad puede cambiar, activándose o desactivándose. Estos eventos son cruciales para entender cómo funcionan las células.

Los biólogos químicos usan pequeñas moléculas para estudiar las cinasas y entender mejor cómo la fosforilación afecta las proteínas. Por ejemplo, han desarrollado compuestos que pueden bloquear la acción de ciertas cinasas, lo que ayuda a entender sus funciones. También han creado formas químicas de añadir "imitaciones" de fosfatos a las proteínas para estudiar sus efectos sin alterar la célula de forma drástica.

Las técnicas de imagen también han mejorado. Por ejemplo, los biosensores peptídicos, que son péptidos con fluoróforos (moléculas que brillan), permiten ver la acción de las cinasas en tiempo real. La técnica FRET también se usa para detectar cambios en las proteínas cuando son fosforiladas, lo que se ve como un cambio en la luz que emiten.

Fluorescencia Biológica: Iluminando la Vida

Los biólogos químicos a menudo estudian las moléculas biológicas usando técnicas de fluorescencia. La fluorescencia es muy útil porque es muy sensible, no daña las células y permite ver las cosas con seguridad. El descubrimiento de la proteína verde fluorescente (GFP) por Roger Y. Tsien y otros, ha revolucionado la forma en que los científicos pueden ver dónde están las proteínas y qué hacen.

Se usan tres tipos principales de moléculas fluorescentes: pequeños tintes orgánicos, proteínas fluorescentes (como la GFP) y puntos cuánticos. Los tintes orgánicos y los puntos cuánticos necesitan ayuda (como anticuerpos) para unirse a la proteína de interés. Las proteínas fluorescentes, en cambio, pueden unirse directamente a la proteína que se quiere estudiar.

Las técnicas fluorescentes se usan para muchas cosas, como seguir el movimiento de las proteínas, ver cómo cambian de forma, estudiar cómo interactúan entre sí, y observar la actividad de las enzimas. Por ejemplo, se puede "marcar" una proteína con luz intensa en una parte de la célula y luego ver a dónde se mueve. También se puede usar la fluorescencia para ver si una enzima está activa, lo que ayuda a entender mejor los procesos celulares.

Véase también

En inglés: Chemical biology Facts for Kids

• Genética química
• Quimiogenómica