La química biofísica es una ciencia física que utiliza los conceptos de la física y la química física para el estudio de los sistemas biológicos . [1] La característica más común de la investigación en esta materia es buscar una explicación de los diversos fenómenos en los sistemas biológicos en términos de las moléculas que componen el sistema o de la estructura supramolecular de estos sistemas. [2] Aparte de las aplicaciones biológicas, las investigaciones recientes también han mostrado avances en el campo médico. [3]
El concepto más antiguo de química biofísica surgió de la curiosidad de Karl Friedrich Bonhoeffer , un químico físico que quería 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] Después del 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 fusionando dos institutos, química física y espectroscopia. [5] Hoy en día, la investigación en química biofísica en Gotinga tiene como objetivo descubrir los procesos de la vida utilizando el conocimiento combinado de la ciencia.
El reconocido científico Herman Berendsen puso en marcha un grupo de investigación en la Universidad de Groningen centrado en el uso de la RMN para monitorear el agua y las proteínas en sistemas biológicos. [6] El estudio amplía la comprensión estructural de los enlaces de agua, lo que explica muchos fenómenos. [7]
Los enfoques actuales de la investigación biofísica incluyen, entre otros, el estudio de los canales iónicos , los promotores , las células madre y la detección y el análisis de biomoléculas . [8] [1]
Los químicos biofísicos emplean varias 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 microscopía crioelectrónica . Un ejemplo de investigación en química biofísica incluye el trabajo por el cual se otorgó el Premio Nobel de Química de 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 se involucran los químicos biofísicos son la estructura de las proteínas y la estructura funcional de las membranas celulares . Por ejemplo, la acción de las enzimas se puede explicar en términos de la forma de un bolsillo en la molécula de proteína que coincide con la forma de la molécula de sustrato o su modificación debido a la unión de un ion metálico. Las estructuras de muchos conjuntos de proteínas grandes, como la ATP sintasa , también exhiben una dinámica similar a la de una máquina cuando actúan sobre sus sustratos. De manera similar, la estructura y función de las biomembranas se puede comprender a través del estudio de estructuras supramoleculares modelo como liposomas o vesículas de fosfolípidos de diferentes composiciones y tamaños.
Existen varias aplicaciones biológicas y médicas que aplican el conocimiento de la química biofísica en beneficio de la humanidad. [10]
La membrana de bicapa lipídica es un nombre para describir la composición de la membrana celular . Con el conocimiento actual y el avance del instrumento, 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 hay una única bicapa de fosfolípidos que construye el liposoma , aún podemos detectar un nivel diferente de viscosidad existente en la membrana. [11]
Existen varios métodos espectroscópicos que permiten a los científicos modernos identificar los componentes cinéticos de las reacciones proteínicas en los sistemas biológicos. Además, es posible ajustar y manipular las reacciones biológicas aplicándoles radiación láser. Por ejemplo, podemos inducir el proceso de cristalización de proteínas utilizando la técnica denominada " trapping láser ". [11]
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 más importante implicó la síntesis de un hidrogel. El hidrogel es un material poroso que puede contener una gran cantidad de agua manteniendo su forma. Las aplicaciones del hidrogel incluyen la administración de fármacos, músculos artificiales, ingeniería de tejidos, etc. [13]
Las enzimas son sustancias que pueden acelerar las reacciones químicas. [14] Sin embargo, el uso de enzimas en aplicaciones reales tiene muchas limitaciones, incluidas, entre otras, la estabilidad, la compatibilidad y el costo. Al utilizar el concepto de química biofísica, es posible mejorar esas limitaciones, así como aumentar el rendimiento de las enzimas. [15]
El ácido desoxirribonucleico (ADN) es la molécula que constituye la base de todos los seres vivos. Además, es uno de los principales objetivos de los fármacos contra el cáncer. El estudio de la interacción entre los fármacos y el ADN permite a los investigadores desarrollar fármacos que podrían tratar eficazmente el cáncer. [16]
El instituto de química biofísica más antiguo y de mayor reputación es el Instituto Max Planck de Química Biofísica en Gotinga . [17]
Las revistas de química biofísica incluyen Biophysical Journal , Archives of Biochemistry and Biophysics (publicada por Academic Press ), Biochemical and Biophysical Research Communications (Academic Press), Biochimica et Biophysica Acta ( Elsevier Science ), Biophysical Chemistry , An International Journal dedicado a la física y la química de los fenómenos biológicos (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 ).
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