1.1 bioquimica ambiental

8/16/2019 1.1 Bioquimica Ambiental

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Blga. Sonia Pilar Yufra CruzMSc. Química AmbientalCdta. a Dr. Ciencias y Tecnologías Ambientales

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BIOQUIMICA AMBIENTAL

MSC. SONIA PILAR YUFRA CRUZ 1


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DEFINICIÓN DE BIOQUÍMICACiencia que estudia:Estudia la composición química de los seres vivos

Los fenómenos bioquímicos que se dan en los organismos vivosFenómenos bioquímicos que afectan a los organismos vivosEj. Una cianobacteria usa sustancias inorgánicas muy simples para a partirde ellas construir sus moléculas vitales

Esta materia busca aportar una formación científica enBioquímica aplicada a los problemas medio-ambientalesderivados de la contaminación química, procurando generar enlos alumnos una actitud crítica sobre la importancia de ladispersión universal de sustancias químicas ajenas a los procesosbiológicos, basada en una serie de conocimientos y actividadesque generen un criterio científico en los alumnos contrascendencia, tanto para la función profesional, como en elámbito de la vida cotidiana o personal.


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RELACIÓN CON OTRAS DICIPLINLa bioquímica es el punto de interacción con:

Biología

Química

Fisiología

Citología


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COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVLos seres vivos están caracterizados, entre otras cosas, por poseer unaorganización celular, es decir determinadas moléculas se organizan deuna forma particular y precisa e interactúan entre sí para establecer laestructura celular. Al estudiar químicamente estas moléculas observamos que las mismas estánconstituidas en:

98% por elementos tales como C, H, O, N, P y S;2 % Fe, Ca , Na, K, Cu, Mg, I, Cl. Etc.)

Aquellos compuestos en cuya composición interviene el carbono se losdenomina compuestos orgánicos; dentro de este grupo podemos mencionara los monosacáridos, polisacáridos, aminoácidos, proteínas, lípidos ,

nucleótidos y ácidos nucleicos, estos representan aproximadamenteel 30% dela composición química de los seres vivos.El 70% lo constituye el agua.También encontramos algunos iones tales como elNa, Fe, Ca, K, etc. enproporciones muy pequeñas.


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ÁTOMOS Y MOLÉCULAS Y UNIO A. UNIÓN IÓNICA

Algunos átomos tienden a ganar o a perder electrones con gran facilidad (debido a suconfiguración electrónica) formando partículas cargadas que se denominanIONES. Aquellosátomos que ganan con facilidad electrones se dice que son electronegativos , formaránentonces iones con carga negativa ( ANIONES).Si el átomopierde electrones predominaránlas cargas positivas del núcleo y por lo tanto se formarán iones con carga positiva

(CATIONES).En las uniones iónicas los átomos se mantienen unidos debido a lasfuerzas de atracción quesurgen por tener cargas opuestas (catión– anión).Los compuestos iónicos se caracterizan por un alto punto de fusión, alto punto deebullición, en general son solubles en agua, por lo tanto en solución acuosa conducenla corriente eléctricaUn ejemplo de este tipo de unión lo constituye elcloruro de sodio .

Fig. 1.1-Unión iónica : cloruro de sodioLas uniones iónicas son importantes desde el punto de vista biológico, ya queforman parte delas interacciones entre ácidos nucleicos y proteínas. Sin embargo este tipo de uniones no

las encontramos entre los átomos que predominan en la composición química de los seres vivos( C, H, O, N , S, y P)


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ÁTOMOS Y MOLÉCULAS Y UNIOUNIÓN COVALENTE Algunos átomos no tienen tendencia a ganar o perder

electrones, sino a compartir con otros átomos. Cuando ladiferencia de electronegatividad no existe o es muy baja, losátomos que intervienen comparten electrones.Cuando un átomo de H se une a otro átomo de H ambos tienenla misma capacidad de atraer electrones, por lo tanto el parcompartido se ubicará a igual distancia de ambos núcleos. Loselectrones compartidos pertenecen a ambos átomossimultáneamente.Muchos elementos de importancia biológica son diatómicos (H, O, F, Cl, N, etc.)

Si la diferencia de electronegatividad entre los átomos que haceque él o los pares de electrones compartidos están más cerca delátomo con mayor electronegatividad. Este tipo de unióncovalente recibe el nombre deunión covalente polar .Este tipo de unión es la que encontramos en lamayor parte delas moléculas biológicas . El carbono (C) se une con los otroselementos (H, O, N, P, S) por medio de uniones covalentes, asícomo también se une a otros átomos de carbono dando largascadenas.

Fig. 2.3- Ejemplo de unión covalente

Fig.2.4 - Cloruro de hidrógeno


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ÁTOMOS Y MOLÉCULAS Y UNIOUNIÓN PUENTE HIDRÓGENO

Cuando un átomo de hidrógeno se une a un átomo muyelectronegativo (como ser el O o el N) el par compartido sesitúa lejos del núcleo del hidrógeno, por lo tanto secrea unapequeña separación de cargas, quedando el hidrógenoligeramente positivo (d+) y el oxigeno o el nitrógenolevemente negativo (d-). (d Indica la separación parcial decargas). La d+ del hidrógeno es atraída por la d- del elementoelectronegativo de otra molécula, de manera que el H quedaformando un puente entre dos moléculas.La unión es sumamente lábil, formándose y destruyéndosecontinuamente, dependiendo su efecto estabilizador más a lacantidad de dichas uniones, que a la fuerza de atracción entrelos átomos. Es muy importante en los sistemas biológicos yaque contribuyen a dar estabilidad a macromoléculas talescomo las proteínas, los ácidos nucleicos, etc.El átomo de Nitrógeno de una molécula de amoniaco (NH3) estáunido a un átomo de hidrógeno de una molécula de agua (H2O)por un enlace de hidrógeno. En este último, un átomo de hidrógenocombinado con un átomo electronegativo en un enlace covalentepolar es compartido por otro átomo electronegativo por medio deuna atracción eléctrica débil.

Fig. 2.5- Enlace de hidrógeno.


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ÁTOMOS Y MOLÉCULAS Y UNIOFUERZAS DE VAN DER WAALS

Son fuerzas de atracción inespecíficas que ocurrencuando los átomos se encuentran a distancias pequeñas y cuando momentáneamente se forman diferencias decargas en torno al átomo debido a los movimientos delos electrones. Esta distribución de carga fluctuante daal átomo una polaridad: una parte de él tiene una cargaligeramente negativa respecto a las demás que quedanligeramente positivas de manera que una zona negativamomentánea de un átomo interactúa con una positivade otro.Estas interacciones son aproximadamente 100 veces másdébiles que las uniones covalentes; sin embargo son muyimportantes porque se pueden establecer cientos deinteracciones simultáneas, manteniendo a las moléculas juntas con bastante cohesión.Este tipo de interacción juega un papel muy importante

en la unión de los sustratos a las enzimas.


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ÁTOMOS Y MOLÉCULAS Y UNIOINTERACCIONES HIDROFÓBICAS

También son importantes en las propiedades biológicas dedistintas moléculas. Estas interacciones ocurren porque lasmoléculas no polares tienden a agruparse cuando están en un

medio acuoso para repeler el agua o“esconderse”

de ella.Ciertas moléculas presentan partes que se pueden intercalar conel agua (partes hidrofílicas) a parte de las porciones hidrofóbicas,de manera que las zonas hidrofílicas establecen contacto con elagua y las zonas hidrofóbicas quedan resguardadas en el interior(adoptan en general una forma esférica), este tipo deordenamiento estabiliza la estructura de la macromolécula,contribuyendo a mantener su conformación activa.Estas interacciones tiene importancia en el plegamiento de lasproteínas y en la asociación entre una enzima con su sustrato.


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOS Todas las células están gobernadas por los mismos principios

físicos y químicos de la materia inerte. Si bien dentro de lascélulas encontramos moléculas que usualmente no existen en lamateria inanimada, en la composición química de los seres vivosencontramos desde sencillos iones inorgánicos, hasta complejasmacromoléculas orgánicas siendo todos igualmente importantespara constituir , mantener y perpetuar el estado vivo.


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Cuadro 2. Composición química de la materia vivaTabla - Composición porcentual de la materia viva

Compuesto Porcentaje de peso

total

* Constituidoaproximadamente por 1% de

DN y 6% de ARN.

**Incluyen los bloque deconstrucción para generarmacromoléculas y otrasmoléculas en los procesos desíntesis o degradación

gua 70 Macromoléculas: • Proteínas 15 • Ácidos Nucleicos 7* • Polisacáridos 3 • Lípidos 2 • Molécula s orgánicas

pequeñas 2**

Iones inorgánicas 1


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AGUA AGUA

La química de la vida ocurre en el agua. Dehecho, todas las reacciones que ocurren en elcitoplasma de una célula tiene lugar en unmedio acuoso.El agua es el solvente biológico ideal, pero nosolo es el medio en el que se desarrollan lasreacciones químicas sino que también enmuchos casos participa activamente de ellas yasea como reactivo o producto de una reacción.Por todo esto no resulta sorprendente que laspropiedades del agua sean un factor clave paracomprender la bioquímica.La molécula de agua consta dedos átomos dehidrógeno y uno de oxígeno, unidoscovalentemente. Debido a la diferencia deelectronegatividad entre los mismos se creauna distribución asimétrica de cargas lo quellega a la formación de unamolécula polar.Como hemos visto anteriormente esapolaridad permite la aparición de los puentesde hidrógeno entre las moléculas de agua.

Fig. (a) Estructura de la molécula de agua. (b) Lasmoléculas de agua en disolución interactúan entresi a través de los puentes de hidrógeno.


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOAGUA

AGUA (CONTINUACIÓN)Muchas de las propiedades del agua seexplican debido al gran número depuentes de hidrógeno que existen entresus moléculas. El agua es líquida en unamplio intervalo de temperaturas que vadesde los 0 °C a los 100 °C, lo que indicaque no solo debemos entregarle calor paraque ocurra el cambio de estado sino parapoder romper los puentes de hidrógeno. Elcalor de evaporación del agua es muysuperior al de otros líquidos por lo quemuchos organismos utilizan estapropiedad para el mantenimiento de latemperatura corporal.

Fig. 2.7- Las moléculas de agua facilitan laseparación de los iones en disolución.Cada ion está "recubierto" de moléculas deagua.


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AGUA (CONTINUACIÓN)El hielo flota en el agua, es decir que el agua al estado sólido es más liviana queal estado liquido, (debido a que por la acción de los puentes de hidrógeno en elestado sólido se forma una verdadera red cristalina por lo que el agua alcongelarse se dilata, disminuyendo así su peso específico). Esta propiedadpermite que la capa de hielo que cubre un río o un lago, flote sirviendo entoncescomo aislante, permitiendo que la vida acuática continúe.


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AGUA (CONTINUACIÓN)El agua actúa como disolvente paramoléculas polares, principalmente paraaquellas con las que puede formar puentesde hidrógeno. La alta polaridad del aguafavorece también a la célula porque fuerzaa las sustancias no polares a agregarse ypermanecer juntas, contribuyendo así a laestructura de las membranas. Como veremos más adelante las membranasbiológicas están constituidasprincipalmente por sustancias no polares(lípidos) los cuales se agregan y cumplenuna función de barrera selectiva. Fig. 2.8- En general las proteínasglobulares tienen un interior hidrofóbico

y residuos hidrofílicos de aminoácidos enla superficie. que interactúan con eldisolvente acuoso que las rodea.


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AGUA (CONTINUACIÓN)INFORMACIÓN GENERAL: PROPIEDADESQUÍMICAS DEL AGUA

Moléculas hidrofóbicas y estructuras acuosas.Las moléculas que son no polares y no puedenformar enlaces de hidrógeno (por ej.Hidrocarburos) sólo tienen una limitadasolubilidad en agua, y se denominanhidrofóbicas.Cuando estás moléculas se encuentran conagua, las moléculas de agua se disponen a sualrededor de manera ordenada, como bloques

de hielo. Estas estructuras son más ordenadasque el agua libre y por lo tanto generan unadisminución de la entropía del medio. En lafigura contigua, se muestra estas estructuras(gris) rodeando al hidrocarburo (negro) en elcentro.


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOAGUA Ácidos y bases

Un ácido es una molécula que, en solución,cede un ion H+ (protón).

Una Base es una molécula que, en solución,acepta un ion H

+ (protón).

El agua por si misma tiene una débiltendencia a ionizarse, actuando tanto comoácido débil y como base débil. Cuando actúacomo ÁCIDO DÉBIL libera un protón,

generando un ion hidroxilo. Como BASEDÉBIL acepta un protón formando ionhidronio. En solución acuosa la mayoría deprotones están como iones hidronio.


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pHEste pasaje del agua desdeuna solución hipotónica a

una hipertónica, puedeprovocar un aumento de lapresión hidrostática en elcompartimiento hipertónico.Cuando las dos soluciones seequilibran, teniendoconcentraciones idénticas desolutos, se dice que sonisotónicas.


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVO

AGUA ÓSMOSISSi dos soluciones acuosas están separadas por unamembrana que únicamente permite el paso de lasmoléculas de agua, dichas moléculas pasaran hacia lasolución que contiene la mayor concentración demoléculas solubles, denominándose a dicho procesoósmosis.


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOMoléculas Orgánicas y Macromoléculas

EL ÁTOMO DE CARBONOLa química de los compuestos que contienencarbono se denominaquímica orgánica .Los compuestos orgánicos se basan en elcarbono combinado con otros átomos de

carbono y con otros elementos como elhidrógeno, el nitrógeno, el azufre, etc.Forman grandes estructuras con distintacomplejidad y diversidad, el átomo de carbonopuede unirse a otros átomos de carbonoformando largas cadenas las cuales pueden serlineales, ramificadas o bien cíclicas.Se han aislado miles de compuestos de carbonode varios sistemas biológicos, aquí algunosejemplos:


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Fig. - Los átomos de carbono pueden unirse con otros átomos de carbono y con muchos de otro tipo para formar una gran variedad de compuestosorgánicos. Las mismas fuerzas que mantienen unido al metano (CH4) también permiten la formación de moléculas extremadamente complicadaspero estables. En diversas estructuras, como los triacilgliceroles. predominan las cadenas lineales. En otras, como el azúcar glucosa. son anillos. Lmuscona, el atrayente sexual del venado almizclero del Tibet, también se basa en un anillo de carbonos. Otras moléculas vitales como la clorofila y

la vitamina B12 contienen cadenas, anillos e iones metálicos.


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOMoléculas Orgánicas y Macromoléculas El átomo de carbono tiene seis protones y seis electronesubicados en dos niveles de energía, en la capa internaencontramos dos y en la más externa cuatro. Dada estaconfiguración el carbono tiene poca tendencia a ganar operder electrones , sino que tiende a compartirlos conotros átomos, por lo tanto se forman uniones covalentes.

Los electrones que participan de dichas unionescovalentes son los cuatro que se ubican en el nivelexterior y son conocidos como electrones de valencia.Estos cuatro electrones de valencia se ubican hacia los vértices de un tetraedro equilátero, es decir que losángulos de unión no son en 90° (de lo que resultaría unaestructura plana) si no que son superiores a los 100°.

Como resultado de está estructura tetraédrica lasmoléculas tienen entonces estructuras tridimensionales.Cuando el carbono se une a cuatro átomos distintos,éstos se pueden unir a él de dos maneras distintas.


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Fig. (a) Cuando un átomo de carbono forma enlaces covalentes con otros cuatro átomos, loselectrones de su nivel de energía exterior forman nuevos orbitales. Estos nuevos orbitales, queson todos de la misma configuración, se orientan hacia los cuatro vértices de un tetraedro. Así,los cuatro orbitales e encuentran separados tanto como es posible. (b) Cuando un átomo decarbono reacciona con cuatro átomos de hidrógeno, cada uno de los electrones en su nivel deenergía exterior forma un enlace covalente con el único electrón de un átomo de hidrógeno,produciéndose una molécula de metano. (c) Cada par de electrones se mueve en un orbitalmolecular nuevo. La molécula adopta configuración de un tetraedro.


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Fig. 2.11 - Como las valencias del carbono están ordenadas en forma tetraédrica, la molécula tridimensional que se muestrapuede construirse en dos formas que son imágenes especulares una de la otra. Esto se aplica a cualquier átomo de carbono quetenga cuatro grupos distintos unidos a él. Aunque las propiedades químicas de estos pares de compuestos son similares, suspropiedades biológicas suelen ser muy distintas. Esto se debe a que el reconocimiento biológico funciona por interaccionesentre moléculas que tienen formas complementarias. Generalmente una de las moléculas tendrá actividad biológica y la otraserá totalmente inactiva.La molécula tridimensional se puede construir en dos formas que son imágenes especulares una de la otra (como observamosen la fig.) y aunque estos compuestos tengan propiedades físico-químicas muy semejantes, su comportamiento en los seres vivos es bastante diferente. Mientras que uno de los compuestos es aceptado con facilidad por un sistema biológico, el otropuede ser ignorado, o hasta resultar tóxico. Esto se debe a que los sistemas biológicos trabajan reconociendo las formas o lasconfiguraciones moleculares, que son las posiciones relativas precisas que los átomos y grupos de átomos guardan entre sí.Esto es de importancia en compuestos tales como monosacáridos y aminoácidos.


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOMoléculas Orgánicas y Macromoléculas GRUPOS FUNCIONALES

Grupofuncional

Fórmulaestructura

Clase decompuestos Ejemplo

Descripción

Hidroxilo Alcoholes

Etanol

Compuesto polar porque eloxígeno electronegativo captaelectrones de átomo covalentes

Amino Aminas Aminoácido

Iónico, el grupo amino actúacomo base.

Carboxilo

Ácidos

carboxílicos(orgánicos) Aminoácido

Iónico, el hidrógeno puededisociarse como hidrogenión

Estér Esteres

Metilacetato

Relacionado con el grupocarboxilo, pero tiene un grupoen lugar del hidrógeno delhidroxilo; polar


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOSMoléculas Orgánicas y Macromoléculas GRUPOS FUNCIONALES

Grupofuncional

Fórmulaestructura

Clase decompuestos Ejemplo

Descripción

Carbonilo

Aldehídos Formaldehído

Carbono de carbonilo enlazadocon al menos un átomo dehidrógeno; polar

Cetonas

Acetona

Grupo carbonilo enlazado conotros dos átomos de carbono;

polar

Metilo Componente de

muchos compuestosorgánicos.

Metano

No polar

Fosfato Fosfatos orgánicos

Ester de fosfato

Forma disociada del ácidofosfórico, el ion fosfato se enlazaen forma covalente, por medio deuno de sus átomos de oxigeno,con uno de los átomos decarbono; iónico.

Sulfidrilo Tioles

Ayuda a estabilizar la estructura

interna de las proteínas


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOMoléculas Orgánicas y Macromoléculas MONÓMEROS, POLÍMEROS Y MACROMOLÉCULAS

Los monómeros son unidades moleculares sencillas agrupadas de acuerdo asus propiedades químicas; podemos mencionar a los: monosacáridos,aminoácidos y los nucleótidos. Cuando los monómeros de un mismo grupo seunen entre sí en forma covalente obtenemos un polímero que es una

molécula de gran tamaño. Las cadenas pueden ser ramificadas o sinramificaciones. Cuando las unidades son idénticas reciben el nombre de homopolímero; si las unidades son distintas se denominanheteropolímero,pero siempre hablando de unidades diferentes pero dentro de un mismo grupo,por ejemplo aminoácidos distintos, o azúcares distintos, nunca vamos aencontrar un polímero formado simultáneamente por distintos grupos de

monómeros.La mayoría de las biomoléculas que utilizan los organismos en sufuncionamiento son polímeros.


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COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOMoléculas Orgánicas y Macromoléculas MONÓMEROS, POLÍMEROS Y MACROMOLÉCULAS

El término macromolécula se usa para designar amoléculas de“ gran tamaño”, sin embargo no define que seentiende por gran tamaño, muchas macromoléculassonpolímeros (polisacáridos, ácidos nucleicos, proteínas)pero otros no (esteroides, triglicéridos, etc.)Se han identificado en los sistemas vivientes unos 30.000compuestos orgánicos diferentes, sin embargo un pequeñogrupo de ellas son las que cumplen funciones principalesen los organismos.

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