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Química biofísica

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de las proteínas a nanoescala para traducir el ARN en proteínas. La química biofísica es una ciencia física que util...

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Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de las proteínas a nanoescala para traducir el ARN en proteínas.

La química biofísica es una ciencia física que utiliza conceptos de física y fisicoquímica para el estudio de sistemas biológicos . [ 1 ] La característica más común de la investigación en este campo es buscar una explicación de los diversos fenómenos en sistemas biológicos en términos de las moléculas que componen el sistema o de la estructura supramolecular de estos sistemas. [ 2 ] Además de las aplicaciones biológicas, investigaciones recientes han mostrado avances también en el campo médico. [ 3 ]

Historia

Siglo XX

Alemania

El concepto más antiguo de química biofísica surgió de la curiosidad de Karl Friedrich Bonhoeffer , un químico físico que buscaba abordar problemas biológicos y fisiológicos con conocimientos de física y química. Un ejemplo de su trabajo es el estudio del efecto de la corriente eléctrica sobre el hierro para simular excitaciones nerviosas . [ 4 ] Tras el establecimiento de la química biofísica fundamental en Gotinga, Manfred Eigen , el premio Nobel alemán, la desarrolló aún más. En 1971, mejoró el enfoque de la investigación mediante la fusión de dos institutos: química física y espectroscopia. [ 5 ] Actualmente, la investigación en química biofísica en Gotinga tiene como objetivo descubrir procesos vitales utilizando el conocimiento combinado de la ciencia.

Países Bajos

El renombrado científico Herman Berendsen fundó un grupo de investigación en la Universidad de Groningen centrado en el uso de la RMN para monitorizar el agua y las proteínas en sistemas biológicos. [ 6 ] El estudio amplía la comprensión estructural de los enlaces del agua, lo que explica muchos fenómenos. [ 7 ]

Historia moderna

Los enfoques actuales de la investigación biofísica incluyen, entre otros, el estudio de canales iónicos , promotores , células madre y la detección y análisis de biomoléculas . [ 8 ] [ 1 ]

Técnicas

Los químicos biofísicos emplean diversas técnicas utilizadas en la química física para investigar la estructura de los sistemas biológicos. Estas técnicas incluyen métodos espectroscópicos como la resonancia magnética nuclear (RMN) y otras técnicas como la difracción de rayos X y la criomicroscopía electrónica . Un ejemplo de investigación en química biofísica es el trabajo por el que se otorgó el Premio Nobel de Química en 2009. El premio se basó en estudios cristalográficos de rayos X del ribosoma que ayudaron a desentrañar la base física de su función biológica como una máquina molecular que traduce el ARNm en polipéptidos. [ 9 ] Otras áreas en las que participan los químicos biofísicos son la estructura de las proteínas y la estructura funcional de las membranas celulares . Por ejemplo, la acción enzimática puede explicarse en términos de la forma de un bolsillo en la molécula de proteína que coincide con la forma de la molécula del sustrato o su modificación debido a la unión de un ion metálico. Las estructuras de muchos grandes complejos proteicos, como la ATP sintasa , también exhiben una dinámica similar a la de una máquina al actuar sobre sus sustratos. De manera similar, la estructura y la función de las biomembranas pueden comprenderse mediante el estudio de estructuras supramoleculares modelo, como liposomas o vesículas de fosfolípidos de diferentes composiciones y tamaños.

Aplicaciones

Existen varias aplicaciones biológicas y médicas que aplican el conocimiento de la química biofísica para el beneficio de la humanidad. [ 10 ]

Estudio de la membrana celular

La membrana de bicapa lipídica es un término que describe la composición de la membrana celular . Gracias al conocimiento actual y al avance de la instrumentación, es posible estudiar las propiedades de las bicapas lipídicas, como la viscosidad . El estudio aplicó la técnica de espectroscopia de fluorescencia para identificar que, incluso si solo existe una bicapa de fosfolípidos que construye el liposoma , aún podemos detectar diferentes niveles de viscosidad en la membrana. [ 11 ]

Estudio de las reacciones de las proteínas

Diversos métodos espectroscópicos permiten a los científicos modernos identificar los componentes cinéticos de las reacciones proteicas en sistemas biológicos. Además, es posible ajustar y manipular reacciones biológicas mediante la aplicación de radiación láser. Por ejemplo, podemos inducir el proceso de cristalización de proteínas utilizando la técnica denominada " trampa láser ". [ 11 ]

Síntesis de hidrogel

La riboflavina , o comúnmente vitamina B2, tiene la capacidad de convertirse en una especie reactiva que puede experimentar diversas reacciones en presencia de luz y oxígeno. [ 12 ] La reacción significativa implicó la síntesis de un hidrogel. El hidrogel es un material poroso que puede retener una gran cantidad de agua manteniendo su forma. Las aplicaciones del hidrogel incluyen la administración de fármacos, músculos artificiales, ingeniería de tejidos, etc. [ 13 ]

Mejora de las enzimas

Las enzimas son sustancias que pueden acelerar las reacciones químicas. [ 14 ] Sin embargo, el uso de enzimas en aplicaciones reales presenta muchas limitaciones, entre las que se incluyen, entre otras, la estabilidad, la compatibilidad y el coste. Mediante el concepto de química biofísica, es posible superar estas limitaciones y aumentar el rendimiento de las enzimas. [ 15 ]

Medicamentos contra el cáncer

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es la molécula que constituye la base de todos los seres vivos. Además, es un objetivo principal de los fármacos anticancerígenos. El estudio de la interacción entre los fármacos y el ADN permite a los investigadores desarrollar medicamentos que podrían tratar el cáncer de manera eficaz. [ 3 ]

Institutos

El instituto de química biofísica más antiguo y de mayor prestigio es el Instituto Max Planck de Química Biofísica en Göttingen . [ 16 ]

Revistas

Las revistas de química biofísica incluyen Biophysical Journal , Archives of Biochemistry and Biophysics (publicadas por Academic Press ), Biochemical and Biophysical Research Communications (Academic Press), Biochimica et Biophysica Acta ( Elsevier Science ), Biophysical Chemistry , An International Journal dedicated to the Physics and Chemistry of Biological Phenomena (Elsevier), Journal of Biochemical and Biophysical Methods (Elsevier), Journal of Biochemistry , Biology and Biophysics ( Taylor & Francis ) y Journal de Chimie Physique , Physico-Chimie Biologique ( EDP Sciences y la Société Française de Chimie ).

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Peter Jomo Walla (8 de julio de 2014). Química biofísica moderna: detección y análisis de biomoléculas . Wiley. págs.  1–. ISBN 978-3-527-68354-3.
  2. ↑ Ball, Vincent; Maechling, Clarisse (28 de julio de 2009). "Microcalorimetría isotérmica para investigar interacciones no específicas en química biofísica" . International Journal of Molecular Sciences . 10 (8): 3283– 3315. doi : 10.3390/ijms10083283 . ISSN 1422-0067 . PMC 2812836. PMID 20111693 .   
  3. 1 2 Hmoud Alotaibi, Saad; Abdalla Momen, Awad (2020-02-19), "Interacciones de los fármacos anticancerígenos con el ácido desoxirribonucleico (ADN)" , en AA Khalid, Mohammed (ed.), Química biofísica: aplicaciones avanzadas , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.85794 , ISBN 978-1-78984-047-6, consultado el 2 de abril de 2023
  4. ↑ Bonhoeffer, KF (1948-09-20). "ACTIVACIÓN DEL HIERRO PASIVO COMO MODELO PARA LA EXCITACIÓN DEL NERVIO" . Journal of General Physiology . 32 (1): 69– 91. doi : 10.1085/jgp.32.1.69 . ISSN 1540-7748 . PMC 2213747. PMID 18885679 .   
  5. ↑ «Manfred Eigen» . www.mpinat.mpg.de . Consultado el 2 de abril de 2023 .
  6. ↑ Hemminga, Marcus A. (16 de marzo de 2023). "Química biofísica en Groningen: una nota personal" . The Protein Journal . 42 (3): 162– 164. doi : 10.1007/s10930-023-10097-6 . ​​ISSN 1875-8355 . PMID 36929053 .  
  7. ↑ Berendsen, Herman JC (1962-06-15). "Estudio de la hidratación del colágeno mediante resonancia magnética nuclear" . The Journal of Chemical Physics . 36 (12): 3297– 3305. Bibcode : 1962JChPh..36.3297B . doi : 10.1063/1.1732460 . hdl : 1721.1/4425 . ISSN 0021-9606 . 
  8. ↑ "Antiguo Departamento de Química Biofísica" . www.biophys.mpg.de . Consultado el 15 de abril de 2023 .
  9. ↑ Premio Nobel de Química 2009 - Comunicado de prensa
  10. ↑ Khalid, Mohammed AA (19 de febrero de 2020). aa Khalid, Mohammed (ed.). Química biofísica: aplicaciones avanzadas . doi : 10.5772/intechopen.73426 . ISBN 978-1-78984-048-3.
  11. 1 2 Iwata, Koichi; Terazima, Masahide; Masuhara, Hiroshi (2018-02-01). "Nuevos enfoques de química física en investigaciones biofísicas con aplicación avanzada de láseres: detección y manipulación" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Temas generales . Exploración biofísica del ordenamiento dinámico de sistemas biomoleculares. 1862 (2): 335– 357. doi : 10.1016/j.bbagen.2017.11.003 . ISSN 0304-4165 . PMID 29108958 .  
  12. ↑ Ionita, Gabriela; Matei, Iulia (19 de febrero de 2020), "Aplicación de las propiedades fotoquímicas de la riboflavina en la síntesis de hidrogeles" , en AA Khalid, Mohammed (ed.), Química biofísica: aplicaciones avanzadas , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.88855 , ISBN 978-1-78984-047-6, consultado el 2 de abril de 2023
  13. ↑ Fu, Jun; en het Panhuis, Marc (2019). "Propiedades y aplicaciones de los hidrogeles" . Journal of Materials Chemistry B. 7 ( 10): 1523– 1525. doi : 10.1039/C9TB90023C . ISSN 2050-750X . PMID 32254899 .  
  14. ↑ Berg, Jeremy M. (2002). Bioquímica . John L. Tymoczko, Lubert Stryer, Lubert Stryer (5.ª ed.). Nueva York: WH Freeman. ISBN  0-7167-3051-0OCLC 48055706​​ 
  15. ↑ Osbon, Yauheniya; Kumar, Manish (19 de febrero de 2020), "Biocatalisis y estrategias para la mejora de enzimas" , en AA Khalid, Mohammed (ed.), Química biofísica: aplicaciones avanzadas , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.85018 , ISBN 978-1-78984-047-6, consultado el 2 de abril de 2023
  16. ↑ "Fundación e historia del Instituto" . www.mpinat.mpg.de . Consultado el 1 de abril de 2023 .

Bibliografía

  • Cantor, Charles R.; Schimmel , Paul R. (1980). Química biofísica - Parte I: La conformación de las macromoléculas biológicas (1.ª  ed.). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711885.
  • Cantor, Charles R.; Schimmel , Paul R. (1980). Química biofísica - Parte II: Técnicas para el estudio de la estructura y función biológicas (1.ª  ed.). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711907.
  • Cantor, Charles R.; Schimmel , Paul R. (1980). Química biofísica - Parte III: El comportamiento de las macromoléculas biológicas (1.ª  ed.). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711923.
  • Bruce, Martin, R. Introducción a la química biofísica. Revista de educación médica: septiembre de 1964 - Volumen 39 - Número 9 - pág. 867 .{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  • Cooper, Alan (09/11/2015). Química biofísica . Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-78262-510-0.