HISTORIA DE LA BIOLOGÍA VI

Hacia la unidad de la Biología

Segunda parte: Fisiología, Bioquímica, Microbiología

Ramón Muñoz-Chápuli

enero-marzo 2013

En el primer tercio del siglo XIX cambia radicalmente el marco cientifico en el que se desarrolla la fisiología El nuevo marco está caracterizado por la teoría atómica, el concepto de reacción química y la teoría del calor. Se generaliza el concepto de fuerza y se descubre la relación entre electricidad y magnetismo Se sintetiza la urea, con lo que cae la frontera orgánico/inorgánico

Friedrich Wöhler (1800 – 1882) Descubre o participa en el descubrimiento del aluminio, berilio, itrio o titanio Sintetiza urea a partir de cianuro amónico

Johannes Muller 1801-1858

• Su Handbuch der Physiologie des Menschen (1833 - 1840) representa la convergencia de la anatomía comparada, la química y la física en un nuevo paradigma fisiológico, nuevos conceptos y nuevos métodos experimentales

• Establece que la información sensorial diversa (luz, sonido, calor) se codifica como impulsos nerviosos de similar naturaleza

• Maestro de Haeckel, His, Liebig, Schwann, Henle, Helmholz, Du Bois-Reymond, Reichert o Ludwig

• Medalla Copley

Justus von Liebig (1803-1873) • Renovador en la enseñanza de la ciencia

(prácticas de laboratorio) • Inventa y comercializa el extracto de

carne • Establece el requerimiento de nitrógeno

para las plantas e introduce los abonos químicos

• Junto con Wohler afirma que no existen diferencias esenciales entre lo orgánico y lo inorgánico y señala que los procesos biológicos son, básicamente, reacciones químicas

Theodore Schwann (1803-1873) Como fisiólogo descubre la pepsina y propone que la fermentación es un proceso biológico producido en el interior de las levaduras

Jan Purkinje (1787-1869) • Introduce el concepto de plasma

sanguíneo • Descubre las glándulas sudoríparas,

las células de Purkinje en el cerebelo y las fibras de Purkinje en el corazón

• Introduce el microtomo en histología

Claude Bernard (1813-1878)

• Estudia la función digestiva del páncreas, la función glicogénica del hígado

• Establece los principios generales de la farmacodinamia

• Establece las funciones del sistema nervioso (nervios sensitivos y motores)

• Descubre la vasomotricidad • Estudia el sistema nervioso simpático, su función

vasomotora, y su acción sobre la temperatura corporal, sobre las secreciones y sobre la glicemia

• Trata la diabetes y la anemia (lactato de hierro) • Inicia la oxigenoterapia y la inyección intravenosa

de suero fisiológico • Establece el concepto de homeostasis y medio

interno • Da a la vida un enfoque positivista moderado

(fenómeno vital soportado por procesos físico químicos)

François Magendie (1783-1855) Maestro y Jefe de Claude Bernard Primero en distinguir entre nervios sensoriales y motores (polémica con Charles Bell)

La Introducción a la Medicina Experimental de Bernard supone una de las mayores revoluciones conceptuales y metodológicas en la Medicina de todos los tiempos

Lección de Claude Bernard por León Lhermitte (1889)

Emil du Bois-Reymond (1818 –1896) • Sucedió a su maestro J. Muller en

Berlín • Estudia los fenómenos eléctricos en los

seres vivos y es el pionero de la electrofisiología

• Descubre el potencial de acción nervioso

• Famoso por sus “ignorabimus” (lo que nunca podremos conocer:

•La naturaleza de la materia y la fuerza

•El origen del movimiento

•El origen de las sensaciones simples

Carl Ludwig (1816 –1895) • Inventa el quimógrafo (primer registro gráfico de la

actividad fisiológica, en este caso la presión sanguínea)

• Descubre el control nervioso de la secreción • Estudia la excreción renal y el intercambio de gases

entre la sangre y los tejidos

Hermann von Helmholtz (1821–1894)

• Aplica el principio de conservación de la energía a la fisiología muscular

• Inventa el oftalmoscopio y estudia la fisiología de la percepción (colores, sonidos, etc.)

• Más adelante se pasa a la física (es maestro de Hertz)

La fotosíntesis: el misterio del crecimiento de las plantas

• Joseph Priestley (1733-1804) había descubierto que el aire

contenido en una campana era empobrecido por la combustión y la respiración, pero que esto podía ser remediado por una planta

• Jan Ingenhousz (1730 - 1799) demostró que esta “regeneración” del aire dependía de la luz, e identificó como oxígeno el gas producido por las plantas

• Jean Senebier (1742 - 1809) mostró que las plantas absorben dióxido de carbono (“aire fijado”), y que el carbono de las plantas procede del aire

• El químico suizo Nicolas de Saussure (1767 - 1845) demostró que el incremento de masa en una planta no podía explicarse sólo por la absorción de dióxido de carbono, por lo que la planta debería incorporar también agua

• Julius von Sachs, discípulo de Purkinje, establece el cultivo hidropónico, la formación del almidón, la función de la clorofila y (con Schleiden) la ecuación fotosintética:

dióxido de carbono + agua + luz = glucosa + oxígeno ¡Lo orgánico procede de lo inorgánico!

Julius von Sachs (1832 - 1897)

• Bajo la dirección del químico sueco Jakob Berzelius (1779-1848), el holandés Johannes Mulder (1802- 1880) estudia la composición química de las “sustancias albuminoides” y descubre que todas tienen más o menos la misma composición (4 partes de carbono, 6 de hidrógeno, 1 de nitrógeno y 1 de oxígeno), aunque sus propiedades son muy variables

• Berzelius, en una carta de 1838, las llama “proteínas”, por su carácter de “nutriente primitivo”

• Su estructura (cadena de aminoácidos) no se desvela hasta 1902 (Hofmeister y Fischer)

El término “Bioquímica” se generaliza en el siglo XX (Neuberg, 1903) En el siglo XIX se habla de “Química fisiológica”, como una especialidad dentro de la Fisiología

Berzelius

Mulder

Felix Hoppe-Seyler (1825 –1895) • Ayudante de Virchow en Berlín • Descubre la fijación de oxígeno por

la hemoglobina • Aisla y clasifica diferentes proteínas • Uno de los fundadores de la

Bioquímica

Laboratorio de Hoppe-Seyler en Estrasburgo

Friedrich Miescher (1844 - 1895) Aisló varias moléculas ricas en fosfatos, a las cuales llamó nucleínas (actualmente ácidos nucleicos), a partir del núcleo de los glóbulos blancos en 1869

Albrecht Kossel (1853 -1927) Separa la nucleína en proteínas y ácidos nucleicos. Describe las bases, adenina, citosina, guanina, timina y uracilo Premio Nobel en 1910

Los discípulos de Hoppe-Seyler

Anselme Payen (1795 - 1871)

Químico industrial. Descubre en 1833 la primera enzima: la diastasa (amilasa) que

hidroliza el almidón liberando glucosa

Wilhelm Kühne (1837 - 1900) Acuña el término “enzima”, sustancia capaz de producir reacciones similares a las que ocurren en los seres vivos (p.e. Pepsina) Maestro de la norteamericana Ida Henrietta Hyde (1857-1945), la primera doctora en ciencias por Heidelberg y primera investigadora en Harvard

Emil Fischer (1852 - 1919) Concepto de la especificidad de las enzimas (llave-cerradura) Premio Nobel 1902

Eduard Buchner (1860 –1917) En 1897 descubre que la fermentación del azúcar y su transformación en alcohol es posible con un extracto de levadura (zimasa) ¡La fermentación (un proceso biológico) no precisa de la “vida”! Los procesos biológicos revelan su naturaleza fisicoquímica. Este es un golpe definitivo al vitalismo Buchner recibe el Premio Nobel en 1907. Oficial médico en la primera guerra mundial, fallece a consecuencia de heridas de guerra en 1917 Aunque se sospecha de la relación de las enzimas y las proteínas, la naturaleza proteica de las enzimas no se demuestra hasta el siglo XX (Sumner, 1926)

Frasco de Buchner

• El gran problema de la Biología de finales del siglo XIX fue la imposibilidad de conectar los conocimientos del mundo microscópico (células, cromosomas, núcleos, etc.) y los de la Química Fisiológica (proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, etc.)

• Muchos microscopistas consideraban que los estudios químicos eran inútiles (“de nada sirve conocer la composición química de un reloj para comprender su funcionamiento”).

• Se pensaba que la clave de la vida estaba en esta “zona oscura”

• Las dos principales escuelas que especulaban sobre esta zona oscura eran los partidarios de la Teoría coloidal (que hacían énfasis en las propiedades físicas de la materia orgánica) y los partidarios de la Teoría macromolecular, que consideraban la vida como una interacción química entre moléculas de gran tamaño.

Thomas Graham (1805 –1869) había descubierto los coloides en 1860. Es también el descubridor de la diálisis

La Microbiología se desarrolla en el siglo XX, pero tiene dos grandes precursores en el XIX, Louis Pasteur y Robert Koch

Pasteur realiza en 1861 el experimento definitivo para refutar la generación espontánea de los microbios. Estos no se desarrollan en caldos esterilizados y en frascos abiertos si la forma del frasco impide la entrada de partículas

Louis Pasteur (1822-1895) Químico de formación, investiga las propiedades ópticas de los tartratos (¡Legión de Honor a los 26 años!) A pesar de que Liebig pensaba que las fermentaciones eran procesos de “putrefacción”, Pasteur propone que se trata de una actividad natural (metabólica) de determinados microorganismos A partir de 1860 investiga la producción del vino, demostrando que la fermentación alcohólica, láctica y butírica están producidas por diferentes microorganismos Propone la “pasteurización” como tratamiento para evitar la fermentación láctica en los mostos. Esto salva la industria del vino en la región de Lille y representa el origen de la Microbiología Industrial

Retrato del padre de Louis Pasteur hecho por su hijo

Pasteur, por Albert Edelfeldt (1885)

En 1865

En 1865 se le solicita que investigue una epidemia de pebrina que mata a los gusanos de seda en el sur de Francia Descubre que la enfermedad está producida por un microbio (en realidad un parásito) y establece medidas de aislamiento y cuarentena Esto le lleva a pensar que las enfermedades humanas pueden estar causadas por microbios

La idea lleva a Joseph Lister (1827-1912) a proponer en 1867 medidas de asepsia en cirugía (ácido fénico)

Robert Koch (1843-1910) Médico rural y microscopista aficionado Estudia los bacilos que aparecen en los animales enfermos de Ántrax Logra aislarlos, cultivarlos y provocar la enfermedad en ratones inyectados con ellos. Establece los Postulados de Koch Demuestra experimentalmente por primera vez el origen microbiano de una enfermedad animal y humana Publica sus resultados en 1876

• En 1880 es llamado a Berlín donde prosigue sus trabajos

• En 1881 propone que todo el material quirúrgico se esterilice con calor

• Desarrolla nuevas técnicas de cultivo (agar y placas de Petri)

• En 1882 identifica el agente de la tuberculosis y en 1883 el del cólera, acabando con la teoría del “miasma”

• En 1891 es director del Instituto Prusiano de Enfermedades Infecciosas (hoy Instituto Koch)

• Premio Nobel en 1905

Mycobacterium tuberculosis

• Pasteur se propone, con casi 60 años de edad, prevenir o curar las enfermedades infecciosas.

• Después de un afortunado descubrimiento trabajando con bacilos atenuados del cólera de las gallinas, en 1881 consigue inmunizar un grupo de 25 ovejas en un experimento público, con una enorme repercusión

• Junto con Emile Roux, en 1885 obtiene un tratamiento efectivo contra la rabia, a pesar de no haber sido capaz de aislar el agente (era un virus). Robert Koch criticó el método usado

Inmunización de ovejas en Poully-le-Fort

Frasco de Roux, con un trozo de médula espinal de perro

Emile Roux (1853-1933) Descubridor del suero contra la difteria

El primer Instituto Pasteur

La cripta de Pasteur

Inmunidad natural y quimioterapia Paul Ehrlich (1854 – 1915) • Descubre la “inmunidad humoral”,

cómo células de la sangre reconocen los microbios y fabrican toxinas contra ellos

• Desarrolla los primeros tratamientos químicos contra los microbios (salvarsán)

Iliá Méchnikov (1845 – 1916) • Descubre la fagocitosis y Afirma que

la inmunidad se debe a la acción de células fagocíticas (“inmunidad celular”)

• Introduce el yogur en Europa

Ambos comparten el Premio Nobel en 1908