CLASE N° 1

BIOQUIMICA AMBIENTAL

Definición y perspectiva.

La Bioquímica es la ciencia que estudia las propiedades estructurales de los componentes celulares (biomoléculas) y las reacciones químicas (metabólicas) que los transforman y organizan para mantener a los organismos en su equilibrio fisiológico o condición vital.

Se tratará de estudiar todos los aspectos bioquímicos relacionados con las interacciones que puedan producirse entre las sustancias xenobióticas dispersas en el medio (contaminantes ambientales) y los organismos vivos que en él habitan. El enfoque será doble, en primer lugar se estudiará la entrada de los xenobióticos en los organismos y su dinámica en ellos, incluyendo las transformaciones químicas que puedan derivarse de la acción enzimática y por otra parte se examinará las alteraciones bioquímicas provocadas por la presencia de los xenobióticos con los diferentes efectos tóxicos derivadas de ellas.

FLUJO DE ENERGÍA EN LA BIOSFERA Y LOS SERES VIVOS

La energía es el origen de toda actividad. La energía transforma la materia, y la vida misma existe sólo porque obtiene y pierde energía.

El planeta se considera como un sistema abierto que recibe energía constantemente del Sol y la retorna al espacio en forma de calor.

La energía solar al llegar a la superficie, una parte es reflejada por la atmosfera hacia el espacio, otra calienta la superficie y es devuelta en forma de calor (onda larga), y otra es capturada por plantas y animales para el desarrollo de la vida.

La energía atraviesa los ecosistemas y durante este proceso establece cierto orden. Cuanto mayor sea la complejidad organizativa de un organismo, población o ecosistema, mayor será la cantidad de energía necesaria para mantener en sistema.

La primera ley de la termodinámica establece que la energía en el universo no se crea ni se destruye, tan solo se transforma.

La segunda ley de la termodinámica, siempre que la energía se transforma pasa (degrada) de una forma más organizada y concentrada, a otra menos organizada y más dispersa. Esta ley implica que la transferencia de energía nunca es muy eficaz y gran parte de la energía se torna tan dispersa que deja de ser útil.

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La energía "fluye" a través del ecosistema como enlaces carbono-carbono. Cuando ocurre respiración, los enlaces carbono-carbono se rompen y el carbono se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2). Este proceso libera energía, la que es usada por el organismo (para mover sus músculos, digerir alimento, excretar desechos, pensar, etc.) o perdida en forma de calor. Las flechas oscuras en el diagrama representa el movimiento de esta energía. Observe que toda la energía proviene del sol, y que el destino final de toda la energía es transformarse en calor. ¡La energía no se recicla en los ecosistemas! Los organismos pueden ser productores o consumidores en cuanto al flujo de energía a través de un ecosistema. Los productores convierten la energía ambiental en enlaces de carbono, como los encontrados en el azúcar glucosa. Los ejemplos más destacados de productores son las plantas; ellas usan, por medio de la fotosíntesis, la energía de la luz solar para convertir el dióxido de carbono en glucosa (u otro azúcar).

Los consumidores obtienen su energía de los enlaces de carbono originados por los productores. Otro término para un consumidor es heterótrofo.

NIVELES TRÓFICOS La energía fluye a través de la biosfera secuencialmente y de un organismo a otro. Esta secuencia de relaciones alimenticias se conoce como cadena alimenticia. En cada una de estas etapas la energía se transforma parcialmente en calor y sale del sistema. Las secuencias alimenticias no son aisladas, sino que se entrelazan para constituir relaciones alimenticias complejas conocidas como redes alimenticias.

LOS CICLOS BIOGEOQUIMICOS

El término Ciclo Biogeoquímico deriva del movimiento cíclico de los elementos que forman los organismos biológicos (bio) y el ambiente geológico (geo) e interviene un cambio químico. Gracias a los ciclos biogeoquímicos, los elementos se encuentran disponibles para ser usados una y otra vez por otros organismos; sin estos ciclos los seres vivos se extinguirían por esto son muy importantes. Estos son procesos naturales que reciclan elementos en diferentes formas

químicas desde el medio ambiente hacia los organismos, y luego a la inversa. Agua, carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y otros elementos recorren estos ciclos, conectando los componentes vivos y no vivos de la Tierra.

 La tierra es un sistema cerrado donde no entra ni sale materia. Las sustancias utilizadas por los organismos no se "pierden" aunque pueden llegar a sitios donde resultan inaccesibles para los organismos por un largo período. Sin embargo, casi siempre la materia se reutiliza y a menudo circula varias veces, tanto dentro de los ecosistemas como fuera de ellos.

 Existen varios tipos de ciclos biogeoquímicos como el del fósforo y del azufre que son de tipo sedimentario (los nutrientes circulan principalmente en la corteza terrestre) y del carbono, nitrógeno y oxígeno que son de tipo gaseoso (los nutrientes circulan principalmente entre la atmósfera y los organismos vivos). Para el caso particular del ciclo del agua o hidrológico, esta circula entre el océano, la atmósfera, la tierra y los organismos vivos; este ciclo además distribuye el calor solar sobre la superficie del planeta.

 Los ciclos biogeoquímicos incluyen transformaciones Físicas:

Disolución

Precipitación

Volatilización

Fijación

Y transformaciones químicas:

Biosíntesis

Biodegradación

Biotransformaciones oxido-reductivas

LOS MATERIALES QUE FORMAN LOS ECOSISTEMAS

Componentes Mayoritarios de los organismos:

•C •H •O •N •P •S

Componentes minoritarios de los organismos:

•Mg •K •Na •Halógenos •Fe •Mn •Ca

Elementos traza:

•B •Co •Cr •Cu •Mo •Ni •Se •Sn •V •Zn •Si

CICLO DEL AGUA O CICLO HIDROLÓGICO

El ciclo hidrológico se define como el "proceso integrante de los flujos de agua, energía y algunas sustancias químicas". En la figura se resumen cualitativamente los principales elementos componentes del ciclo hidrológico.

El ciclo hidrológico es la sucesión de estados que atraviesa el agua al pasar de la atmósfera a la tierra y volver a la atmósfera: evaporación del suelo, del mar, o de superficies de aguas continentales; condensación para formar nubes, precipitación, acumulación en el suelo y en superficies de agua y re evaporación.

 - El ciclo hidrológico externo es la componente del ciclo hidrológico tal que el vapor de agua evaporado de la superficie del mar se condensa bajo la forma de precipitación, la cual cae sobre los continentes.

- El ciclo hidrológico interno es la componente del ciclo hidrológico limitado a una cierta superficie continental: el vapor de agua evaporado por esta superficie se condensa bajo la forma de precipitación dentro de los límites de esta misma región. (En realidad, parte del agua evaporada no entra dentro de la circulación interna porque es arrastrada por los vientos fuera de los límites del territorio dado).

BIORREMEDIACIÓN Y ECOLOGÍA

En las últimas décadas, la liberación de contaminantes al ambiente, producida principalmente como consecuencia del desarrollo industrial, ha superado con creces los mecanismos naturales de reciclaje y autodepuración de los ecosistemas receptores. Este hecho ha conducido a una evidente acumulación de contaminantes en los distintos ecosistemas hasta niveles preocupantes. Por ello, amén de reducir en todo lo posible la liberación de contaminantes, hoy en día existe la necesidad de indagar en la búsqueda de procesos que aceleren la degradación de los contaminantes presentes en el ambiente. Así, se reducirían de forma progresiva los efectos perniciosos que producen sobre los ecosistemas y la salud humana.

En este contexto, la biorremediación, proceso que utiliza las habilidades catalíticas de los organismos vivos para degradar y transformar contaminantes tanto en ecosistemas terrestres como acuáticos, presenta un enorme potencial en la mitigación de la contaminación ambiental. La biorremediación se ha centrado en la explotación de la diversidad genética y versatilidad metabólica que caracteriza a las bacterias para transformar contaminantes en productos inocuos o, en su defecto, menos tóxicos, que pueden entonces integrarse en los ciclos biogeoquímicos naturales. No obstante, existen casos aislados de utilización de otros tipos de organismos como, por ejemplo, los hongos y, más recientemente, las plantas (la llamada "fitorremediación" es un campo altamente prometedor).

Tradicionalmente, el campo de la biorremediación ha estado dominado por un enfoque característico de trabajos de ingeniería. En este enfoque subyace una filosofía más preocupada por cuestiones tales como el estudio de equilibrios de masa y ecuaciones aplicadas al funcionamiento de reactores de tanque agitado, entre otros, que por los principios ecológicos que gobiernan los procesos naturales de selección natural, idoneidad y adaptación a los nichos ecológicos, especificidad, y diversidad biológica, entre otros. Estos procesos, en último término, son los responsables de que una bacteria degrade un contaminante, ya sea para utilizarlo como sustrato de crecimiento (con el consiguiente beneficio energético que ello conlleva para el microorganismo) o, simplemente, para transformarlo en una sustancia inocua o menos tóxica mediante un mecanismo de destoxificación.

El término Ciclo Biogeoquímico deriva del movimiento cíclico de los elementos que forman los organismos biológicos (bio) y el ambiente geológico (geo) e interviene un cambio químico. Gracias a los ciclos biogeoquímicos, los elementos se encuentran disponibles para ser usados una y otra vez por otros organismos; sin estos ciclos los seres vivos se extinguirían por esto son muy importantes. Estos son procesos naturales que reciclan elementos en diferentes formas químicas desde el medio ambiente hacia los organismos, y luego a la inversa. Agua, carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y otros elementos recorren estos ciclos, conectando los componentes vivos y no vivos de la Tierra.

 La tierra es un sistema cerrado donde no entra ni sale materia. Las sustancias utilizadas por los organismos no se "pierden" aunque pueden llegar a sitios donde resultan inaccesibles para los organismos por un largo período. Sin embargo, casi siempre la materia se reutiliza y a menudo circula varias veces, tanto dentro de los ecosistemas como fuera de ellos.

Existen varios tipos de ciclos biogeoquímicos como el del fósforo y del azufre que son de tipo sedimentario (los nutrientes circulan principalmente en la corteza terrestre) y del carbono, nitrógeno y oxígeno que son de tipo gaseoso (los nutrientes circulan principalmente entre la atmósfera y los organismos vivos). Para el caso particular del ciclo del agua o hidrológico, esta circula entre el océano, la atmósfera, la tierra y los organismos vivos; este ciclo además distribuye el calor solar sobre la superficie del planeta.

HETERÓTROFOS Y AUTÓTROFOS

La energía que produjeron las primeras moléculas orgánicas provino de una variedad de fuentes existentes en la Tierra primitiva y en su atmósfera: calor, radiaciones ultravioletas y perturbaciones eléctricas. Cuando aparecieron las primeras células § primitivas, o estructuras semejantes a células, requirieron un aporte continuo de energía para mantenerse, crecer y reproducirse. El modo como estas células obtuvieron la energía actualmente es objeto de una discusión vivaz.

Los organismos modernos y las células de las cuales están compuestos pueden satisfacer sus requerimientos energéticos en una de dos formas. Los heterótrofos § son organismos que dependen de fuentes externas de moléculas orgánicas para obtener su energía y sus moléculas estructurales. Todos los animales y los hongos, así como muchos organismos unicelulares, son heterótrofos.

Los autótrofos §, por contraste, se "autoalimentan". No requieren moléculas orgánicas procedentes de fuentes externas para obtener su energía o para usarlas como pequeñas moléculas de tipo estructural; en cambio, son capaces de sintetizar sus propias moléculas orgánicas ricas en energía a partir de sustancias inorgánicas simples. La mayoría de los autótrofos, incluyendo las plantas y varios

tipos diferentes de organismos unicelulares, realizan fotosíntesis §, lo que significa que la fuente de energía para sus reacciones de síntesis es el Sol. Ciertos grupos de bacterias, sin embargo, son quimiosintéticas §; estos organismos capturan la energía liberada por reacciones inorgánicas específicas para impulsar sus procesos vitales, incluyendo la síntesis de las moléculas orgánicas necesarias.

Tanto los heterótrofos como los autótrofos parecen estar representados entre los microfósiles más antiguos. Se ha postulado durante largo tiempo que la primera célula viva fue un heterótrofo extremo. Sin embargo, descubrimientos recientes han planteado la posibilidad de que las primeras células hayan sido autótrofas, quimiosintéticas o fotosintéticas antes que heterótrofas. Se han descubierto varios grupos diferentes de bacterias quimiosintéticas que hubieran sido muy adecuadas para las condiciones que prevalecían en la joven Tierra.

Algunas de estas bacterias son habitantes de los pantanos, mientras que otras se han encontrado en profundas trincheras oceánicas, en áreas donde los gases escapan por las fisuras de la corteza terrestre. Hay evidencia de que estas bacterias representan los sobrevivientes de grupos muy antiguos de organismos unicelulares.

Aunque los biólogos aún no han podido resolver el problema acerca de si las primeras células fueron heterótrofas o autótrofas, es seguro que sin la evolución de los autótrofos la vida en la Tierra pronto habría llegado a su fin.

En los más de 3.500 millones de años transcurridos desde que apareció la vida, los autótrofos más exitosos (o sea, aquellos que han dejado la mayor cantidad de descendencia y se han diversificado en la mayor variedad de formas) han sido los que desarrollaron un sistema para hacer uso directo de la energía solar en el proceso de fotosíntesis. Con el advenimiento de la fotosíntesis, el flujo de energía en la biosfera asumió su forma dominante moderna: la energía radiante del Sol, canalizada por medio de los autótrofos fotosintéticos pasa a todas las otras formas de vida.