FERNANDO MERINO RAFAEL

CICLO 2013-3 Módulo: 2

Unidad: 01 Semana: 01

BIOQUÍMICA AMBIENTAL

INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA AMBIENTAL –CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

ORIENTACIONES

• El conocimiento de los principios básicos de la bioquímica ambiental nos da la capacidad de comprender todos los procesos mediados por 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 otras ciencias.

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

• Ciclo del oxígeno. Producción y consumo de oxígeno por los seres vivos: fotosíntesis y respiración. Metabolismo energético aerobio. Fosforilación oxidativa y síntesis de ATP.

• Ciclo del carbono I. Relación con el ciclo del oxígeno. Fijación biológica 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 y ruta biosintéticas. Metilotrofos y metanotrofos.

• Ciclo del nitrógeno. Fijación biológica del nitrógeno: complejo enzimático nitrogenasa. Nitrificación. Reducción de nitratos. Asimilación del amonio y síntesis de aminoácidos. Amonificación y desnitrificación.

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

• Ciclo del hierro. Reducción bacteriana del hierro férrico. Bacterias oxidantes del 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 vivos son variados– Una cianobacteria usa sustancias inorgánicas muy simples para a partir

de ellas construir sus moléculas vitales

• Relación con otras disciplinas– La bioquímica es el punto de interacción de 5 esferas:

o Atmósferao Hidrósferao Geósferao Antropósferao Biósfera

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

• Niveles tróficos

PRODUCTORES

CONSUMIDORES

DESCOMPONEDORES

Autótrofos

HerbívorosCarnívorosCarroñeros

Transformadores

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

• Cadenas tróficas

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

• 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 químicao 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

EL CICLO DEL OXÍGENO

• 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

EL CICLO DEL OXÍGENO

EL CICLO DEL OXÍGENO

• Aspecto generales de la fotosíntesis– Es un proceso mediante el que los seres vivos con clorofila captan

energía lumínica del sol y la transforman en energía química y compuestos reductores

– La energía y el poder reductor generado en la fotosíntesis hacen posible la 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

EL CICLO DEL OXÍGENO

• Etapas de la fotosíntesis: – Fase luminosa: en la

membrana del tilacoide. – Fase oscura: en el

estroma del tilacoide

EL CICLO DEL OXÍGENO

• Fotosistemas– Sistemas que

permiten la liberación del oxígeno en forma fotosintética

– Procariontes: 1 fotosistema

– Eucariontes: 2 fotosistemas

P680 P700

EL CICLO DEL OXÍGENO

• Una vez que la clorofila absorbe luz:

1. la energía es atrapada y convertida en energía química2. La energía se disipa como calor 3. La energía se emite inmediatamente como una longitud de onda mayor

CICLO DEL OXÍGENO

• Fase lumínica– Fotolisis del

agua. – Síntesis de ATP

o fotofosfori-lación que puede ser acíclica o abierta, y cíclica o cerrada.

– Síntesis de poder reductor (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-fosfato utilizándose 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 será empleada para sintetizar glucosa.

Ciclo de Calvin y Benson (Fase oscura de la fotosín tesis)

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 la

incorporación de bicarbonato al fosfoenolpiruvato (PEP) formando oxalacetato (OAA).

– El bicarbonato se obtiene del CO2 en disolución.– Al ser el oxalacetato muy inestable se forma malato o aspartato en

función de si ocurre una reducción o una transaminación.– El 3% de las plantas tienen fotosíntesis C4,

Planta CAM: no hace fotosíntesis, toma CO2 y cierra estomas, luego lo convierte en ácido málico. Durante el día convierte ácido málico en azúcares (Crasulñaceas)Planta C4: via de Hatch-Slack. Fijan CO2, este reacc iona con el fosfoenolpiruvato y producen oxalacetato; este se convierte en malato ( maíz, caña de azúcar, amaranto)

Fotosíntesis C4

Respiración Celular

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

• Es una reacción exergónica: parte de la energía es utilizada por la célula para 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 moléculas

combustibles son oxidadas y degradadas liberando energía. • La primera etapa, la glucólisis, ocurre en el citoplasma y no requiere la

participación del oxígeno. • La segunda etapa dependerá de la presencia o ausencia de O2 ; en el

primer caso es la respiración aeróbica (en mitocondrias), y en el segundo caso la respiración anaeróbica o la fermentación (en el citoplasma).

La célula

Glucólisis

• Reacciones de degradación de glucosa hasta dos moléculas de ácido pirúvico.

• 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 energía

obtenida 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 que eliminen los productos obtenidos y recuperen los substratos imprescindibles. 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 coenzimas reductoras obtenidas son oxidadas y los electrones transportados hacia el 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 primeras 2 moléculas de CO2.

La mitocondria

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 Pi → 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 mitocondria al espacio intermembranal. La continua producción de protones crea un gradiente.

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

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

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 procesos

químicos, físicos, geológicos y biológicos.• Carbono en atmósfera:

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

– La atmósfera es el almacén de carbono más pequeño.– Tiene el mayor porcentaje de circulación de carbono a causa de

procesos 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 diferenteso El carbono puede ser almacenado hasta varios cientos de años en los

árboles 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 corteza terrestre, formando carbonatos.

• Por erosión son arrastrados a los océanos, donde se acumulan o son asimilados por organismos que luego de morir se depositan en el fondo del mar. Estos sedimentos forman rocas calizas.

Ciclo geológico del carbono

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

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

• El CO2 es devuelto a la atmósfera por erupciones volcánicas.• Durante la última era glacial las concentraciones de CO2 eran

aproximadamente la mitad que en la actualidad.• El carbono orgánico que dio origen a la hulla, el petróleo y el gas

natural, también se libera a partir de hace 200 años, con el inicio de la Revolución Industrial y la explotación de combustibles fósiles, que empezó 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 ácidos nucleicos.

• 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 de

nitrógeno en el agua.• Ejemplos: Anabaena, Nostoc, Calothrix.

Complejo Nitrogenasa

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

• El nitrógeno orgánico de plantas y animales muertos mas excrementos regresa al entorno y se mineraliza (3, figura) por microorganismos (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). Esto ocurre en condiciones anaeróbicas (Bacillus, Pseudomonas)

• Se puede reducir una vez más hasta amoníaco y de allí se puede convertir 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 de hidrógeno gaseoso (2, figura) usando a un compuesto orgánico o al hidrógeno gaseoso como donador de electrones:

8H+ + SO42- → H2S + 2H2O + 2OH−

• Son bacterias anaerobias estrictas que realizan la reducción desasimiladora de sulfatos.

Ciclo del azufre

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

• 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 bacterias quimioautótrofas usan al sulfuro de hidrógeno como donador de electrones para reducir al dióxido de carbono, para la producción de azufre elemental:

H2S + CO2 → (CH2O)n + S0

Ciclo del azufre

CICLO DEL FOSFORO

Ciclo del fósforo

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

• 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 la

atmósfera • 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 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 y

absorber 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 neutras hasta alcalinas (la mayor parte de Hierro en la biósfera en forma oxidada).

Ciclo del Hierro

• Reducción de hierro férrico (Fe 3+ Fe2+)

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

– Bacterias heterótrofas:o Bacilluso Pseudomonaso Proteuso 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

INTERACCIÓN CON EL CICLO DEL AZUFRE

• 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, produce

hierro ferroso (Fe2+), el cual luego se oxida espontáneamente hacia hierro férrico (Fe3+); a medida que el pH disminuye la oxidación del hierro es llevada a cabo por A. ferrooxidans termofílica.

INTERACCIÓN CON EL CICLO DEL AZUFRE

• 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 marrón oscuro (hidróxido ferroso).

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

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

INTERACCIÓN CON EL CICLO DEL AZUFRE

• 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+)

INTERACCIÓN CON EL CICLO DEL AZUFRE

• 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 DE INVESTIGACIÓN 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

GRACIAS