CLASE 1

5/12/2018 CLASE 1 - slidepdf.com

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Blg. Miguel AngelTalledo Rivera

CICLO 2011-I Módulo:

Unidad: 01 Semana: 01

BIOQUÍMICA AMBIENTAL



INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA AMBIENTAL –

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS



ORIENTACIONES

• El conocimiento de los principios básicos de la bioquímica ambientalnos da la capacidad de comprender todos los procesos mediadospor seres vivos y que ocurren en el entorno.

• Este tema permite reconocer a los elementos que participan en el

flujo de la materia y la energía en la biósfera.



CONTENIDOS TEMÁTICOS

• Definición de la Bioquímica Ambiental y su relación con otrasciencias.

• Flujo de materia y energía en la biosfera: Principalesorganismos implicados en los ciclos biogeoquímicos y en labiorremediación: organismos autótrofos y heterótrofos.

• Ciclo del oxígeno. Producción y consumo de oxígeno por losseres vivos: fotosíntesis y respiración. Metabolismoenergético aerobio. Fosforilación oxidativa y síntesis de ATP.

• Ciclo del carbono I. Relación con el ciclo del oxígeno. Fijaciónbiológica de CO2. Fase lumínica de la fotosíntesis. Ciclo de

Calvin. Fotorrespiración. Adaptaciones fotosintéticas: vía C4.



CONTENIDOS TEMÁTICOS

• Ciclo del carbono II. Ciclo del metano. Metanógenos: ruta bioenergética yruta biosintéticas. Metilotrofos y metanotrofos.

• Ciclo del nitrógeno. Fijación biológica del nitrógeno: complejo enzimáticonitrogenasa. Nitrificación. Reducción de nitratos. Asimilación del amonio ysíntesis de aminoácidos. Amonificación y desnitrificación.

• Ciclo del azufre y del fósforo. Bacterias del azufre. Reduccióndesasimilatoria de sulfatos. Reducción asimilatoria. Ciclo del fósforo.

• Ciclo del hierro. Reducción bacteriana del hierro férrico. Bacterias oxidantesdel hierro. Oxidación bacteriana de la pirita.



INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA AMBIENTAL



INTRODUCCIÓN A LA BIOQUIMICA AMBIENTAL

• Definición de bioquímica

– Estudia la composición química de los seres vivos

– Los fenómenos bioquímicos en los seres son diversos

– Una cianobacteria usa sustancias inorgánicas muy simples para a partirde ellas construir sus moléculas vitales

• Relación con otras disciplinas

– La bioquímica es el punto de interacción de 5 esferas:

o Atmósfera

o Hidrosfera

o Geósfera

o Antropósfera

o Biósfera



FLUJO DE MATERIA Y ENERGÍA EN LA BIOSFERA.ORGANISMOS AUTÓTROFOS Y HETERÓTROFOS

• Niveles tróficos

PRODUCTORES

CONSUMIDORES

DESCOMPONEDORES

Autótrofos

HerbívorosCarnívorosCarroñeros

Transformadores




• Cadenas tróficas




• Redes tróficas



• Flujo de materia y energía en la biósfera

– Las plantas usan la materia generada en la fotosíntesis para crecer

– Respiración, funciones vitales

– Herbívoros: crecimiento y respiración

– Los demás niveles tróficos hacen lo mismo – Hay ciclos

– El flujo de energía es unidireccional:

o La energía solar se transforma en energía química

o Se devuelve al medio en forma de energía calórica



LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS



EL CICLO DEL OXÍGENO

• El oxígeno se halla en la atmófera como O2 y como CO2

• CO2 se usa en la respiración aeróbica de plantas y animales

• Formación de agua metabólica

• Los átomos de oxígeno se incorporan a la materia orgánica

• CO2 también se usa en la fotosíntesis• Fuentes no biológicas de átomos de oxígeno:

– Oxígeno gaseoso (O2)

– Dióxido de carbono (CO2)

– Agua (H2O )

• Oxígeno en la atmósfera

– CO2, NO2, SO2




• Las transformaciones del oxígeno pasan por reservorios:

– Atmósfera

– Océano

– Corteza terrestre

• Principal forma de producción: fotosíntesis• Consumo: respiración

• La cantidad producida excede a la consumida en 30 veces

• Fotólisis:

2H2O + energía –> 4H+ + O2

• Respiración:

{CH2O} + O2 –> CO2 + H2O




• Aspecto generales de la fotosíntesis

– Es un proceso mediante el que los seres vivos con clorofila captanenergía lumínica del sol y la transforman en energía química ycompuestos reductores

– La energía y el poder reductor generado en la fotosíntesis hacen posiblela reducción y la asimilación de los bioelementos para formar materia

– Organismos autótrofos

6 CO2 + 6 H2O + E (luz) → C6H12O6 (glucosa) + 6 O2



EL CICLO DEL OXIGENO

• Luz y pigmentos

– La radiación llega en forma de cuantos o fotones.

– Los autótrofos captan luz mediante pigmentos fotosensibles (clorofilas y

carotenos)

– Un pigmento es cualquier sustancia que absorbe luz. – La clorofila absorbe todas las longitudes de onda de la luz visible

excepto el verde.

– El pigmento blanco o colores claros reflejan todo o casi todas las

longitudes de onda.



El cloroplasto




• Etapas de la fotosíntesis:

– Fase luminosa: en lamembrana del tilacoide.

– Fase oscura: en elestroma del tilacoide




• Fotosistemas

– Sistemas quepermiten laliberación deloxígeno en forma

fotosintética – Procariontes: 1

fotosistema

– Eucariontes: 2fotosistemas

P680 P700




• Una vez que la clorofila absorbe luz:

1. la energía es atrapada y convertida en energía química

2. La energía se disipa como calor

3. La energía se emite inmediatamente como una longitud de onda mayor



CICLO DEL OXÍGENO

• Fase lumínica

– Fotolisis delagua.

– Síntesis de ATPo fotofosfori-

lación que puedeser acíclica oabierta, y cíclicao cerrada.

– Síntesis de poderreductor(NADPH).



CICLO DEL OXIGENO

• Fase oscura (Ciclo de Calvin y Benson)

– Se forman los azúcares requeridos por la planta

– Se usa lo sintetizado en la fase lumínica

– No depende directamente de la luz

– Se produce en tres fases:o 1. Carboxilativa: el CO2 se fija a una molécula de 5C formando un compuesto

inestable de 6C, que se divide en dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico.

o 2. Reductiva: el ácido 3-fosfoglicérico se reduce a gliceraldehido-3-fosfatoutilizándose ATP y NADPH.

o 3. Regenerativa / Sintética: de cada seis moléculas de gliceraldehido-3-

fosfato, cinco se usan para regenerar la ribulosa-1,5-difosfato y una seráempleada para sintetizar glucosa.



Ciclo de Calvin y Benson (Fase oscura de la fotosíntesis)



CICLO DEL OXIGENO

• Regulación de la fotosíntesis

– La tasa a la que ocurre la fotosíntesis depende de:

o Concentración de dióxido de carbono

o Intensidad de luz

o Abundancia de clorofila

o Temperatura del ambiente



CICLO DEL OXÍGEO

• Fotosíntesis C4

– En las plantas C4 y CAM existe la fosfenolpiruvato carboxilasa.

– Esta enzima no sustituye a la RUBISCO

– La fijación de CO2 sigue siendo por el ciclo de Calvin.

– La enzima fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC). cataliza laincorporación de bicarbonato al fosfoenolpiruvato (PEP) formandooxalacetato (OAA).

– El bicarbonato se obtiene del CO2 en disolución.

– Al ser el oxalacetato muy inestable se forma malato o aspartato enfunción de si ocurre una reducción o una transaminación.

– El 3% de las plantas tienen fotosíntesis C4,



Fotosíntesis C4



Respiración Celular

• Proceso en el que las células degradan moléculas combustibles paraobtener energía.

• Es una reacción exergónica: parte de la energía es utilizada por la célulapara sintetizar ATP. Otra parte se disipa en forma de calor.

• Es una combustión biológica.

• La respiración y la combustión son reacciones exergónicas.

• Es una serie de reacciones de óxido-reducción por las que las moléculascombustibles son oxidadas y degradadas liberando energía.

• La primera etapa, la glucólisis, ocurre en el citoplasma y no requiere laparticipación del oxígeno.

• La segunda etapa dependerá de la presencia o ausencia de O2 ; en elprimer caso es la respiración aeróbica (en mitocondrias), y en el segundocaso la respiración anaeróbica o la fermentación (en el citoplasma).



La célula



Glucólisis

• Reacciones de degradación de glucosa hasta dos moléculas de ácidopirúvico.

• Esto ocurre en el citoplasma.

• Es un proceso anaerobio: no necesita oxígeno

– Reactivos

Glucosa + 2ATP + 4ADP + 2Pi + NAD+

– Productos

2 ácido pirúvico + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O



Glucólisis (I)



Glucólisis (II)



Significado biológico de la glucólisis

• Significado biológico de la glucólisis:

– Ocurre en procariotas como en eucariotas.

– Eucarionte: en el citoplasma

– Es un proceso anaerobio: no participa el O2. La cantidad de energíaobtenida es escasa.

• Vías del catabolismo del pirúvico

– Para evitar que la glucolisis se detenga por un exceso de ácido pirúvico(PYR) y NADH+H+ o por falta de NAD+, se necesitan otras vías queeliminen los productos obtenidos y recuperen los substratosimprescindibles. Esto va a poder realizarse de dos maneras:

• Respiración aerobia – Cuando hay oxígeno, el pirúvico es degradado completamente

obteniéndose dióxido de carbono (CO2). El NADH+H+ y otras coenzimasreductoras obtenidas son oxidadas y los electrones transportados haciael oxígeno (O2), recuperándose el NAD+ y obteniéndose H2O. Este

proceso se realiza en los eucariotas en las mitocondrias.



• Fermentación

– En ausencia de oxígeno el ácido pirúvico se transforma a CO2 y H2O.

– Objetivo rcuperara NAD+.

– En los eucariotas se realiza en el citoplasma.

– Dos procesos:

o Descarboxilación.

o Oxidación.

– Se forman 2 nuevas moléculas de NADH+H+ y se originan las primeras2 moléculas de CO2.



La mitocondria



Ciclo de Krebs

Balance del ciclo:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD → 2 CO2 + 3NADH + FADH2 + ATP

Balance de una molécula de glucosa:

1 glucosa + 38 ADP + 38 P i → 6 CO2 + 38 ATP

2 de los NADH son formados en el citoplasma durante la glicólisis



Cadena de transporte de electrones

• Transporte de electrones desde las coenzimas reducidas, NADH+H+

o FADH2, hasta el oxígeno

• Membrana de las crestas mitocondriales.

• Del NADH se obtendrán 3 ATP por cada molécula.

• Del FADH2 se generan 2 ATP.• Los electrones serán cedidos al oxígeno que junto con dos protones

del medio darán una molécula de H2O:

2H

+

+ 1/2O2 + 2e

-

→ H2O



Fosforilación oxidativa

• Es la síntesis de ATP por transferencia de electrones hacia el O2.

• Se caracteriza por:

1. Los protones pasan por la membrana, desde la matriz de la mitocondriaal espacio intermembranal. La continua producción de protones crea ungradiente.

2. La ATP sintetasa es un complejo proteico que permite la re-entrada deprotones.

3. La síntesis de ATP se produce por el flujo de protones a través de lamembrana:

ADP + Pi → ATP



Cadena transportadora de electrones



EL CICLO DEL CARBONO



Generalidades

• Su ciclo puede subdividirse en: ciclo geológico y ciclo biológico.

• Geológico: constituido por reservorios de carbono: atmósfera,biosfera terrestre, océanos y sedimentos.

• Los movimientos entre reservorios ocurren debido a varios procesosquímicos, físicos, geológicos y biológicos.

• Carbono en atmósfera:

– En forma de dióxido de carbono (CO2). En la atmósfera hay 750gigatoneladas de carbono.

– La atmósfera es el almacén de carbono más pequeño.

– Tiene el mayor porcentaje de circulación de carbono a causa deprocesos bioquímicos.



Generalidades

• Carbono en océanos:

– 36000 gigatoneladas de carbono: ion bicarbonato.

– 0.05% del carbono total de la Tierra.

– El carbono se intercambia entre atmósfera y océano.

– CO2

en el océano:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3 (ácido carbónico)

– Para el control de cambios de pH en los océanos:

H2CO3 ⇌ H+ + HCO3−

– El Bicarbonato puede combinarse con el calcio



Generalidades

• Carbono en biósfera

– 1900 gigatoneladas de carbono – Los autótrofos usan dióxido de carbono del aire o del agua

– El carbono se transfiere cuando los heterótrofos se alimentan de otros

organismos o de sus partes.

– La mayor parte del carbono deja la biosfera por respiración.

– Cuando el oxígeno está presente, se produce la respiración aeróbica:C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

– En ausencia de oxígeno, la respiración anaerobia libera metano que

sigue hacia la atmósfera o la hidrósfera

– La combustión de biomasa también puede transferir carbono a la

atmósfera. – El almacenamiento de carbono en la biosfera está bajo la influencia de

varios procesos en escalas de tiempo diferentes

o El carbono puede ser almacenado hasta varios cientos de años en losárboles y hasta miles de años en los suelos.



Ciclo geológico del carbono

• Desde hace 4,55 miles de millones de años

• Origen: planetesimales y meteoritos portadores de carbono.

• 99% de carbono terrestre: litósfera

• Carbono inorgánico en rocas sedimentarias.

• Carbono orgánico depósitos de combustibles fósiles.• A escala geológica el dióxido de carbono de la atmósfera forma el

ácido carbónico, que reacciona con calcio y magnesio de la cortezaterrestre, formando carbonatos.

• Por erosión son arrastrados a los océanos, donde se acumulan o son

asimilados por organismos que luego de morir se depositan en elfondo del mar. Estos sedimentos forman rocas calizas.



Ciclo geológico del carbono

• Las rocas sedimentarias del lecho marino son arrastradas hacia elmanto por subducción

• Las rocas sedimentarias se derriten y reaccionan con otrosminerales, liberando CO2.

• El CO2

es devuelto a la atmósfera por erupciones volcánicas.

• Durante la última era glacial las concentraciones de CO2 eranaproximadamente la mitad que en la actualidad.

• El carbono orgánico que dio origen a la hulla, el petróleo y el gasnatural, también se libera a partir de hace 200 años, con el inicio de

la Revolución Industrial y la explotación de combustibles fósiles, queempezó a liberar el carbono en forma de CO2.



http://www.bigelow.org/foodweb/carbon_cycle.jpg



CICLO DEL NITROGENO



Generalidades

• El nitrógeno es base para la síntesis de proteínas y ácidosnucleicos.

• Es ¾ de la atmósfera terrestre

• Usado por bacterias fijadoras del nitrógeno

N2 + 8e− + 8H+ + 16ATP →2NH4+ + 16ADP + 16Pi



Complejo Nitrogenasa

• Es responsable de la reacción de fijación de N

• Aparece en la atmósfera libre de oxígeno.

• Azotobacter usa oxígeno, inactivando a la nitrogenasa

• Las cianofitas (azul-verdes) fijan nitrógeno en heteroquistes

• Rhizobium infecta raíces de plantas leguminosas• Forman nódulos

• Las cianobacterias son los principales microorganismos fijadores denitrógeno en el agua.

• Ejemplos: Anabaena , Nostoc , Calothrix .



Complejo Nitrogenasa

• El amoníaco es asimilado como aminoácidos, forma proteínas yparticipa en síntesis de nucleótidos (2 en la figura siguiente).

• El nitrógeno orgánico de plantas y animales muertos masexcrementos regresa al entorno y se mineraliza (3, figura) pormicroorganismos (Clostridium , Acetobacter ), con desaminación de

los aminoácidos• La mineralización ocurre aeróbica o anaeróbicamente

• En el proceso de nitrificación: el amoníaco se oxida hasta nitrito(Nitrosomonas ) y luego hasta nitrato (Nitrobacter ) (4 y 5, figura).

• El nitrato puede usarse como receptor de electrones en la

respiración anaerobia, reduciéndose hasta nitrógeno (6, figura). Estoocurre en condiciones anaeróbicas (Bacillus, Pseudomonas)

• Se puede reducir una vez más hasta amoníaco y de allí se puedeconvertir en nitrógeno orgánico (7, figura).



Ciclo (continuación)

• La vía final: anammox (oxidación de amoníaco anaeróbico)

• Ocurre por bacterias Gram-negativas (Planctomycetes).

• Reacción:

NH4+ + NO2− = N2 + 2H2O (8, figura)



Ciclo del Nitrógeno



CICLO DEL AZUFRE



Ciclo del azufre• Se encuentra en aminoácidos, coenzimas y vitaminas.

• El azufre elemental no es utilizable ara la mayoría de seres vivos• Acidithiobacillus puede oxidarlo hasta sulfato (1, figura)

• Forma en que es más utilizable por los organismos:

2S + 3O2 + 2H2O → H2SO4

• Las bacterias reductoras de sulfato convierten el sulfato a sulfuro dehidrógeno gaseoso (2, figura) usando a un compuesto orgánico o alhidrógeno gaseoso como donador de electrones:

8H+ + SO4

2- → H2S + 2H

2O + 2OH−

• Son bacterias anaerobias estrictas que realizan la reduccióndesasimiladora de sulfatos.



Ciclo del azufre

• Las plantas utilizan sulfato, incorporándolo a los aminoácidosmetionina y cisteína (3, figura) en la reducción asimiladora desulfato.

• Al morir, las plantas liberan estos compuestos por descomposición,liberando sulfuro de hidrógeno (4, figura).

CISTEINA PIRUVATO



Ciclo del azufre

• Las bacterias fotosintéticas verdes y púrpura y las bacteriasquimioautótrofas usan al sulfuro de hidrógeno como donador deelectrones para reducir al dióxido de carbono, para la producción deazufre elemental:

H2S + CO2 → (CH

2O)n + S0



Ciclo del azufre



CICLO DEL FOSFORO



Ciclo del fósforo

• Determina si las plantas y otros organismos pueden crecer en unárea.

• Existe como iones fosfato (PO43 -)

• Pocos cambios en su estado de oxidación.

• Implica cambios de formas solubles a formas insolubles

• Cambios de fosfato orgánico a fosfato inorgánico• Fosfato de rocas es solubilizado por bacterias como

Acidithiobacillus .

• No hay producto volátil fosforado que devuelva fósforo a laatmósfera

• Se acumula en los mares.

• Se recupera por erosión de sedimentos de mares antiguos

• Las aves marinas retiran fósforo del mar al alimentarse



Ciclo del fósforo



CICLO DEL HIERRO



Ciclo del Hierro

• El Hierro es el cuarto elemento en abundancia

• En ligandos orgánicos y citocromos

• Cofactor de enzimas metabólicas y proteínas reguladoras.

• Dos estados de oxidación, (Fe2+) ferroso y férrico (Fe3+).

• El Fe2+

es soluble en condiciones reducidas• El Fe2+ es insoluble en condiciones aeróbicas

• Ciclos entre los estados de oxidación biótica y abiótica.

• Los microorganismos han desarrollado sideróforos para solubilizar yabsorber hierro.



Ciclo del Hierro

• Oxidación de hierro ferroso

2Fe2+ + ½ O2 + 2H+ → 2Fe3+ + H2O

• Ocurre en aerobiosis y acidez

• Participan bacterias acidófilas: – Acidithiobacillus ferrooxidans

– Leptospirillum ferrooxidans,

– Bacterias quimiolitotróficas

• También puede ocurrir en forma abiótica en condiciones neutrashasta alcalinas (la mayor parte de Hierro en la biósfera en formaoxidada).



Ciclo del Hierro

• Reducción de hierro férrico (Fe3+ Fe2+)

– Anaerobiosis: suelos anegados, sedimentos marinos o de agua dulce,hipolimnion (agua fría al fondo de lagos)

– Bacterias heterótrofas:

o Bacillus

o Pseudomonas

o Proteus

o Alcaligenes

– Si se compara con otros elementos en la torre de oxidorreducción:debajo del O2 y el NO3

-

– La reducción del hierro genera más energía que la del sulfato o el CO2.



INTERACCIÓN CON EL CICLO DEL AZUFRE

• Corrosión de metales – Mediada por microorganismos

– En cascos de naves,

– En tuberías de tratamiento de aguas

– En tuberías acuáticas de gas/petróleo

– Las bacterias reductoras de sulfato producen H2S,

– Este reacciona con el Fe2+ y forma precipitados de FeS e Fe(OH)2




• Drenaje ácido de minas – La pirita (FeS2) se expone al oxígeno y la humedad:

4FeS2 + 15O2 + 14 H2O → 4Fe(OH)3 - + 8H2SO4

– Bacterias participantes: Acidithiobacillus ferrooxidans (quimioautótrofa)

– Arqueas termofílicas Sulfolobus y Acidianus

– El proceso de oxidación de pirita empieza en forma abiótica, producehierro ferroso (Fe2+), el cual luego se oxida espontáneamente haciahierro férrico (Fe3+); a medida que el pH disminuye la oxidación del

hierro es llevada a cabo por A. ferrooxidans termofílica.




• Drenaje ácido de minas (cont.): – Al acumularse Fe3+ favorece la oxidación adicional de la pirita:

FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O →15Fe2+ +2SO42- +16H+

– Se generan hierro ácido y ferroso, oxidados de nuevo por A. ferrooxidans .

– El lixiviado que se produce es muy ácido y precipita en color marrónoscuro (hidróxido ferroso).

– Lo que sobre del hierro férrico puede reaccionar con el sulfato y elpotasio

– El producto (amarillo marrón) se vierte en corrientes o arroyos.




• Recuperación de metales y desulfuración de carbón – A. ferrooxidans en la producción de cobre y uranio

– Ocurre lixiviación directa e indirecta:

– Directa:

2Cu2S (chalcocita) + O2 +4H+ → 2CuS + 2Cu2++ 2H2O

– Indirecta:

Cu2S + 2Fe2(SO4)3 →2CuSO4 + 4FeSO4 + S°(cobre oxidado por presencia de Fe3+)




• Recuperación de metales y desulfuración de carbón (cont.)

2FeSO4 + ½ O2 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + H2O(Fe2+ reoxidado por A. ferrooxidans hasta Fe3+)

Cu2+ + Fe → Fe2+ + Cu°(iones decobre removidos de la solución por precipitación en presencia de

hierro)

• Desulfurización del carbón – Lixivia azufre inorgánico desde pirita por medio de A. ferrooxidans



Torre Redox



Ciclo del Hierro



CONCLUSIONES Y/O ACTIVIDADES DEINVESTIGACIÓN SUGERIDAS

• Revisar los ciclos biogeoquimicos en:• http://platea.pntic.mec.es/~cmarti3/CTMA/BIOSFERA/ciclos.htm

• http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema12/index.htm

http://platea.pntic.mec.es/~cmarti3/CTMA/BIOSFERA/ciclos.htm

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema12/index.htm







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