BIOQUÍMICA AMBIENTAL

Módulo 1.-Introducción a la bioquímica ambiental

Tema 1. Introducción

Definición de la Bioquímica Ambiental y conexión con otras áreas de conocimiento. Nociones de toxicidad. Composición química y ciclos biogeoquímicos de la Biosfera. Flujo de materia y energía en la biosfera: organismos autótrofos y heterótrofos. Fases de la Interacción de los organismos con los xenobióticos.

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.

La Bioquímica Toxicológica, rama científica constituida tiempo ha, estudia los hechos que ocurren a nivel molecular cuando los compuestos tóxicos interaccionan con los componentes de los organismos vivos y por lo tanto, provee las bases fundamentales para otras muchas ramas de la Toxicología (Ambiental, Forense, Económica).
Estudiar estas interacciones (compuesto químico-organismo) es fundamental para el entendimiento de los procesos tóxicos, tanto los agudos, como los crónicos y conocer dichas interacciones resulta esencial para el desarrollo de nuevas terapias, para la determinación de los riesgos tóxicos y para el desarrollo de nuevos biocidas (más específicos y con menores efectos secundarios) en áreas como la Agricultura, Ganadería, producción de alimentos, Farmacología y la Medicina, entre otros.

En el caso de la Bioquímica Ambiental se tratará de estudiar todos los aspectos bioquímicos relacionados con las interacciones que puedan producirse entre las suatancias 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 dinamica en ellos, incluyendo las transformaciones químicas que puedan derivarse de la acción enzimática y por otra parte se examinarán las alteraciones bioquímicas provocadas por la presencia de los xenobióticos con los diferentes efectos tóxicos derivadas de ellas.

Qué es un tóxico o veneno?
Historia de los venenos: veneno de serpiente, plantas venenosas y terapeúticas. Griegos (cicuta), romanos (asesinato político). Dioscórides (griego en la corte de Nerón) clasificó los venenos en su obra "Materia médica". El físico germánico Paracelso (XVI) alude a su carácter experimental y a la relación dosis-respuesta .

Características generales de los tóxicos:
- agente accidental o voluntario que provoca un efecto adverso o tóxico:
- toxicidad >aguda
(DL50) o crónica (carcinogénesis)
- dosis dependiente, tanto para compuestos exógenos como endógenos.
- ruta dependiente (oral, dérmica o pulmonar) y carácter experimental
- organismo y otros factores dependientes (sexo, edad, enfermedad, etc. ).

CLASES:

Físicos: radiación, ruido, temperatura.
Químicos:

endógenos: glucosa, tiroxina, Se, Vit A ------> Patología Molecular.
exógenos:
cloruro de vinilo: hepatotóxico A DOSIS o carcinógeno a dosis
aspirina: analgésico o ulcerogénico.
malation: insecticida muy tóxico y no tóxico para mamíferos.

Parámetros toxicológicos/ curvas dosis-respuesta y otros

La curva dosis-respuesta relaciona, para un efecto concreto asociado con un compuesto, el % de población afectada frente a la dosis aplicada.

Para representar la relación dosis-efecto mediante un número se acostumbra utilizar la dosis que produce una respuesta igual a la mitad del efecto máximo, Emax.

LC50 es la concentración letal de un compuesto en aire o agua que mata al 50% de los organismos estudiados en condiciones específicas.

LD50 es la dosis de un compuesto que mata al 50% de los organismos en condiciones específicas. Se expresa en peso del compuesto por unidad de peso corporal y el tóxico puede ser ingerido por vía oral (LD50 oral), aplicado en la piel (LD50 dermica), o administrado en forma de vapor (LD50 inhalatoria).

DL50. Cuando se quieren representar las curvas de efectos tóxicos y letales se usa la LD50 que es la dosis a la cual el 50% de la población que recibe esa dosis muere. La forma de calcular este parámetro es idéntico al utilizado para obtener la DE50, pero en este caso se usa la curva de efectos letales. La DL50 no es una constante biológica porque hay muchos factores que influyen en la toxicidad.

DE50. Si se trata de la curva dosis-efectos terapéuticos se le llama DE50 (Dosis Efectiva, nivel 50%). Cuando se midieron efectos graduales la DE50 es la dosis que produce una respuesta igual a la mitad de la respuesta máxima. Si se midieron efectos cuantales, entonces la DE50 es la dosis que produce una respuesta deseable determinada en el 50% de la población.
Este parámetro se obtiene trazando una línea horizontal del punto del 50% de respuesta en la región lineal de la curva de dosis-efectos deseables; en el punto de intersección con la curva se traza una línea vertical. El punto en el cual la línea intercepta la abcisa, es la DE50.

Indice terapéutico, IT y Margen de seguridad, MS. Son números útiles en estudios farmacológicos. El primero es el cociente que resulta de dividir la dosis requerida para producir un efecto letal por la dosis requerida para producir un efecto deseado, usualmente se hace la comparación de las dosis medias.
El segundo se calcula dividiendo la DL1 (efectos letales en el 1% de la población) por la DE99 (efectos deseables en el 99% de la población).

IT = DL50/DE50
MS =DL1/DE99

Efecto tóxico crítico

Este es un parámetro que se calcula después de recopilar la información experimental de buena calidad que se haya hecho con la substancia para una vía de exposición determinada.
Se conoce como estudio crítico al experimento o conjunto de experimentos que contienen los mejores datos de dosis-efecto de una substancia para una vía de exposición determinada. Para decidir cuál es el mejor, se toman en cuenta los siguientes atributos:
* Si existe algún buen estudio hecho en humanos, se selecciona como el estudio crítico.
* Si no se cuenta con buenos estudios en humanos, entonces se utiliza información obtenida con animales, prefiriéndose la que provienen de modelos en los que el metabolismo de la substancia es similar al que se observa en el hombre.
* En la ausencia de estudios, en especies que sea claramente relevantes, se asume que los humanos son tan sensible como los organismos más sensibles en los que se haya hecho experimentación. El estudio con la especie más sensible (la especie que muestra un efecto tóxico con la dosis administrada más baja) se selecciona como el estudio crítico.
El nivel experimental más bajo, en el estudio crítico, en el que se observa que se produce el efecto adverso, también llamado LOAEL (lowest observed adverse effect level), después de las conversiones dosimétricas para ajustar por las diferencias en especie, se conoce como efecto tóxico crítico.


NOAEL

NOAEL (Non Observed Adverse Effects Level) es el nivel de exposición experimental que representa el máximo nivel probado al cual no se observan efectos tóxicos. Para el propósito de evaluación de riesgos éste es el dato clave que se obtiene de los estudios de Dosis- Respuesta. Si las exposiciones experimentales fueron intermitentes, se corrige el valor del NOAEL para que representen exposiciones continuas.

Indices de toxicidad.
Los índices de toxicidad son los parámetros toxicológicos que se utilizan en la evaluación de riesgos y se obtienen de los estudios de dosis-respuesta.
Se estiman en forma diferente los índices para compuestos cancerígenos y los índices para no cancerígenos.
Los valores de estos parámetros son los que se comparan con las dosis suministradas que se estiman en los estudios de exposición a tóxicos ambientales.
La mayoría de los valores publicados de los índices de toxicidad se calcularon en base a efectos observados experimentalmente en exposiciones controladas de animales de laboratorio.

Efectos no-cancerígenos
Concepto de tolerancia. Como ya se presentó anteriormente, para que el tóxico llegue en forma activa a su blanco y cause un efecto permanente tiene que vencer una serie de obstáculos que le impone el organismo. Existe un nivel de dosis suministrada por debajo del cual no se manifiestan los efectos tóxicos no-cancerígenos. Como resultado de esto, existe un rango de valores de exposición, desde cero hasta un valor finito determinado, en el que el organismo puede tolerar la exposición sin manifestar ningún daño. El dato importante, en este caso, es el límite superior del rango de tolerancia para poblaciones sensibles.

Dosis de Referencia (DdR)
DdR es el índice de toxicidad que más se utiliza en la evaluación de riesgos por exposición a substancias no-cancerígenas. Es el nivel de exposición diaria que no produce un riesgo apreciable de daño en poblaciones humanas, incluyendo las subpoblaciones sensibles.
La DdR se deriva a partir del NOAEL o LOAEL aplicando en forma consistente una serie de Factores de Incertidumbre (FI) y un Factor Modificador (FM).
Cada uno de los FI representan una área de incertidumbre inherente a la extrapolación de los datos disponibles. Las bases para la aplicación de los FI son las siguientes:
* Se usa un FI de 10 cuando el NOAEL se obtuvo de experimentos con animales y se quiere extrapolar los resultados para determinar los niveles protectores para el hombre.
Este factor tiene por objeto tomar en cuenta las diferencias interespecies entre el hombre y los animales de estudio,
* Se usa un FI de 10 para tomar en cuenta la variabilidad en la población general. Tiene por objeto proteger a las subpoblaciones más sensibles (niños, ancianos)
* Se usa un FI de 10 cuando el NOAEL se obtuvo de un estudio subcrónico y se desea estimar la DdRc
* Se usa un FI de 10 cuando se usa el LOAEL en lugar del NOAEL. Este factor intenta considerar la incertidumbre asociada con la estrapolación de LOAEL a NOAEL
El FM se aplica como sigue:
* Se aplica un FM entre 0 y 10 para reflejar una evaluación cualitativa profesional de las incertidumbres adicionales en el estudio crítico y en la base de datos que no se hayan mencionado entre los FI precedentes. El valor normal del FM es 1.
Para calcular la DdR se divide el NOAEL (o LOAEL) por el producto de todos los FIs y FM.

DdR = NOAEL/ FIs x FM
Donde FIs es el producto de todos los FI, FM es el factor modificador.


Dosis equivalentes para humanos.
Cuando se utilizan datos obtenidos con animales experimentales como base para la extrapolación, hay que calcular la dosis para humanos que es equivalente a las dosis utilizadas en los estudios. Para calcular las dosis equivalentes se supone que los organismos son igualmente susceptibles al agente, si absorben la misma cantidad de tóxico por unidad de superficie corporal. La superficie corporal es aproximadamente proporcional al peso corporal elevado a la potencia 2/3.

DEH = DSA(H/A)2/3

La dosis equivalente para humanos, en mg/día, se calcula multiplicando la dosis experimental por el factor (peso hombre/peso animal)2/3.
Donde DEH es la Dosis Equivalente para Humanos en mg/día

DSA es la dosis suministrada en el estudio experimental con animales, expresada en las mismas unidades.
H es la masa corporal del hombre y A es la masa corporal del animal, ambas expresadas en las mismas unidades.

Para dosis experimentales expresadas en mg/(Kg.xdía), la dosis humana equivalente se calcula multiplicando la dosis con animales por la relación de peso de hombre a animal elevada a la potencia 1/3.
Donde DEH , DSA, A y H tienen el mismo significado que en la ecuación anterior pero están expresadas en mg/Kgxdía.

DEH = DSA(H/A)1/3

 

LA BIOQUÍMICA Y LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL

Este esquema representa los problemas medio-ambientales mas acuciantes en Europa.

Los gases de invernadero: CO2
El anhídrido carbónico es el gas de invernadero que más participa en el calentamiento global del planeta; contribuye con un 63% del total. Le sigue el metano con un 16%, los CFCs con 11%, los óxidos de nitrógeno con 5% y otros gases diversos, el resto.
El es el gas que ha tenido el mayor incremento en la atmósfera. Actualmente aumenta a razón de 5% por década y se piensa que en los últimos 200 años se ha incrementado en un 25%. La primera causa es el uso masivo de petróleo, gas y carbón para satisfacer las demandas de fuentes energéticas de la sociedad moderna. La quema de combustibles fósiles libera anualmente alrededor de 20 billones de toneladas de ese gas a la atmósfera.

El uso de los CFCs
El 80% del cloro estratosférico ha provenido de las actividades del hombre. ( National Geographic Junio, 1999)
En 1930 se cambia el amonio empleado en la refrigeración por el CFC , elemento excelente por sus propiedades de no toxicidad ni inflamabilidad y por su estabilidad química.
- En 1950: se inicia la producción de espuma plástica (poliuretano).
- En 1960: profusión de producción de aerosoles
- Desde 1970 en adelante, empleo masivo de solventes para limpieza
- Desde 1970 en adelante, empleo masivo en equipos de refrigeración.

Carbono tetracloro:
- Solvente industrial
- Fumigaciones agrícolas
- Refinación petroquímica
- Lavado en seco

Metilcloroformo:
- Solvente industrial
- Limpiador de metales
Actualmente se han reemplazado los CFCs por HCFCs, debido a que son menos nocivos debido a su contenido en hidrógeno, lo que facilita su destrucción en la troposfera.

Halones:
Se utilizan fundamentalmente en extintores
Contribuyen en un 5 % a la destrucción de la capa de ozono; aumentan anualmente en 10%.

Metilbromo (bromuro de metilo): ampliamente usado desde 1991, especialmente en pesticidas.

Contaminantes atmosféricos: CO, SO2, SO3, NO2, NO, hidrocarburos no saturados y aromáticos, CFH, clorofluorometanos, m-partículas (Si, Be, As, Cr, Pb, asbesto, humos, etc.). Lluvia ácida, reacciones fotoquímicas y radicales libres, agentes oxidantes y ozono.

La puesta de sol a través de humos y la capa de ozono mermada

Contaminación química es muy variada y está presente en muchos sustratos:


Ejemplos de contaminantes químicos

fármacos, plaguicidas y compuestos de uso industrial son los xenobióticos que, por su riesgo de toxicidad, van a ser tratados en esta materia.

Tabla 1.1.- CLASIFICACIÓN RECOMENDADA de PLAGUICIDAS por su ÍNDICE de PELIGROSIDAD (P)
    LD50 para rata (mg de sustancia / kg de peso corporal)
   
ORAL
DERMICA
Clase  
Sólido
Líquido
Sólido
Líquido
1a extremadamente P
< 5
< 20
< 10
< 40
1b altamente P
5-50
20-200
10-100
40-400
2 moderadamente P
50-500
200-2000
100-1000
400-4000
3 ligeramente P
> 500
> 2000
> 1000
> 4000

3+
desconocido el P
> 2000
> 3000
------
------

 

El Medio Ambiente es ese lugar donde se producen las interacciones entre los organismos vivos y los componentes de su entorno; cualquier componente del medio físico (ECOSFERA) o del medio biótico (BIOSFERA) puede contener diversos tipos de compuestos químicos ajenos a los componentes naturales (XENOBIÓTICOS).

 

Composición química y ciclos biogeoquímicos de la Biosfera.

Composición química de la corteza terrestre y de la Biosfera: La corteza representa el uno por ciento del volumen y de la masa de la Tierra, siendo la capa mejor conocida del planeta. Su componentes mayoritarios son Si, O, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti, P, Mn; en contacto con ella se encuentra la Biosfera.

Los elementos de la vida: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS
Todos los seres vivos están constituidos, cualitativa y cuantitativamente por los mismos elementos químicos. De todos los elementos que se hallan en la corteza terrestre, sólo unos 25 son componentes de los seres vivos . Esto confirma la idea de que la vida se ha desarrollado sobre unos elementos concretos que poseen unas propiedades físico-químicas idóneas acordes con los procesos químicos que se desarrollan en los seres vivos.


Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos. De los aproximadamente 100 elementos químicos que existen en la naturaleza, unos 70 se encuentran en los seres vivos. De éstos, sólo unos 22 se encuentran en todos en cierta abundancia y cumplen una cierta función. Atendiendo a su abundancia (no importancia) se pueden agrupar en tres categorías:

Bioelementos primarios: O, C, H, N, P y S.

Representan en su conjunto el 96,2% del total.

Bioelementos primarios o principales: C, H, O, N
Son los elementos mayoritarios de la materia viva, constituyen el 95% de la masa total.
Las propiedades físico-químicas que los hacen idóneos son las siguientes:
- Forman entre ellos enlaces covalentes, compartiendo electrones
- El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual les dota de una gran versatilidad para el enlace químico
- Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlace covalente, por lo que dichos enlaces son muy estables.
- A causa de la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes .
- Esta conformación espacial es responsable de la actividad biológica.

Naturaleza de los enlaces C-C y de los grupos funcionales mas frecuentes en los componentes biológicos.


Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc., permiten la aparición de una gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas. Estos presentan características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas orgánicas propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades de creación de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos.
Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples (C - C), dobles (C = C) o triples; lo que permite que puedan formarse cadenas más o menos largas, lineales, ramificadas y anillos.


Bioelementos secundarios: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-. Se encuentran en menor proporción que los primarios, son también imprescindibles para los seres vivos. En medio acuoso se encuentran siempre ionizados.

Bioelementos secundarios: S, P, Mg, Ca, Na, K, Cl
Los encontramos formando parte de todos los seres vivos, y en una proporción del 4,5%.
Azufre Se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina) , presentes en todas las proteínas. También en algunas sustancias como el Coenzima A
Fósforo Forma parte de los nucleótidos, compuestos que forman los ácidos nucléicos. Forman parte de coenzimas y otras moléculas como fosfolípidos, sustancias fundamentales de las membranas celulares. También forma parte de los fosfatos, sales minerales abundantes en los seres vivos.
Magnesio Forma parte de la molécula de clorofila, y en forma iónica actúa como catalizador, junto con las enzimas , en muchas reacciones químicas del organismo.
Calcio Forma parte de los carbonatos de calcio de estructuras esqueléticas. En forma iónica interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea y transmisión del impulso nervioso.
Sodio Catión abundante en el medio extracelular; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular
Potasio Catión más abundante en el interior de las células; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular
Cloro Anión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y fluído intersticial.


TABLA 1.2.- Clasificación de los elementos químicos que forman parte de los organismos vivos.

BIOELEMENTOS OLIGOELEMENTOS
Primarios Secundarios Indispensables Variables
O
Na+
Mn
B
C
K+
Fe
Al
H
Mg2+
Co
V
N
Ca2+
Cu
Mo
P
Cl- Zn I
S     Si


Oligoelementos o elementos vestigiales:

Son aquellos bioelementos que se encuentran en los seres vivos en un porcentaje menor del 0.1%. Algunos, los indispensables, se encuentran en todos los seres vivos, mientras que otros, variables, solamente los necesitan algunos organismos.

Oligoelementos
Se denominan así al conjunto de elementos químicos que están presentes en los organismos en forma vestigial, pero que son indispensables para el desarrollo armónico del organismo.
Se han aislado unos 60 oligoelementos en los seres vivos, pero solamente 14 de ellos pueden considerarse comunes para casi todos, y estos son: hierro, manganeso, cobre, zinc, flúor, iodo, boro, silicio, vanadio, cromo, cobalto, selenio, molibdeno y estaño. Las funciones que desempeñan, quedan reflejadas en el siguiente cuadro:

Hierro Fundamental para la síntesis de clorofila, catalizador en reacciones químicas y formando parte de citocromos que intervienen en la respiración celular, y en la hemoglobina que interviene en el transporte de oxígeno.
Manganeso Interviene en la fotolisis del agua , durante el proceso de fotosíntesis en las plantas.
Iodo Necesario para la síntesis de la tiroxina, hormona que interviene en el metabolismo
Flúor Forma parte del esmalte dentario y de los huesos.
Cobalto Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina .
Silicio Proporciona resistencia al tejido conjuntivo, endurece tejidos vegetales como en las gramíneas.
Cromo Interviene junto a la insulina en la regulación de glucosa en sangre.
Zinc Actúa como catalizador en muchas reacciones del organismo.
Litio Actúa sobre neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis adecuada puede prevenir estados de depresiones.
Molibdeno Forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte de las plantas.

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS
El hecho de que los bioelementos primarios sean tan abundantes en los seres vivos se debe a que presentas ciertas características que los hacen idóneos para formar las moléculas de los seres vivos. Así:
Aunque no son de los más abundantes, todos ellos se encuentran con cierta facilidad en las capas más externas de la Tierra (corteza, atmósfera e hidrosfera).


Composición porcentual de la corteza terrestre. Proporción en la composición química de la corteza terrestre y su comparación con la proporción de los elementos químicos presentes en los organismos vivos.

TABLA 1.3.- Los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre y en los seres vivos (en % en peso).

Elementos Corteza (%) Elementos Seres vivos (%)
Oxígeno
47
Oxígeno
63
Silicio
28
Carbono
20
Aluminio
8
Hidrógeno
9,5
Hierro 5 Nitrógeno 3

* Sus compuestos presentan polaridad por lo que fácilmente se disuelven en el agua, lo que facilita su incorporación y eliminación.
* El C y el N presentan la misma afinidad para unirse al oxígeno o al hidrógeno, por lo que pasan con la misma facilidad del estado oxidado al reducido. Esto es de gran importancia, pues los procesos de oxidación-reducción son la base de muchos procesos químicos muy importantes y en particular de los relacionados con la obtención de energía como la fotosíntesis y la respiración celular.
* El C, el H, el O y el N son elementos de pequeña masa atómica y tienen variabilidad de valencias, por lo que pueden formar entre sí enlaces covalentes fuertes y estables. Debido a esto dan lugar a una gran variedad de moléculas y de gran tamaño. De todos ellos el carbono es el más importante. Este átomo es la base de la química orgánica y de la química de los seres vivos.

BIOMOLÉCULAS: CLASIFICACIÓN

Los bioelementos se unen entre sí para formar moléculas que llamaremos biomoléculas: Las moléculas que constituyen los seres vivos. Estas moléculas se han clasificado tradicionalmente en los diferentes principios inmediatos, llamados así porque podían extraerse de la materia viva con cierta facilidad, inmediatamente, por métodos físicos sencillos, como : evaporación, filtración, destilación, disolución, etc.

Los diferentes grupos de principios inmediatos son:

Inorgánicos Orgánicos
-Agua
-Glúcidos
-CO2
-Lípidos
-Sales minerales -Prótidos o proteínas
  -Ácidos nucleicos


LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS DE LOS SERES VIVOS

Son compuestos orgánicos los compuestos de carbono. Esto es, aquellos en los que el átomo de carbono es un elemento esencial en la molécula y forma en ella la cadena básica a la que están unidos los demás elementos químicos. Los seres vivos contienen compuestos orgánicos. Son éstos los que caracterizan a la materia viva y la causa de las peculiares funciones que realiza. La gran variedad de compuestos orgánicos que contienen los seres vivos no se clasifican desde un punto de vista químico, sino a partir de criterios muy simples, tales como su solubilidad o no en agua, su estructura,etc. Siguiendo estos criterios se clasifican en :
-Glúcidos o hidratos de carbono esencialmente funciones energéticas y estructurales
-Lípidos esencialmente funciones energéticas y estructurales
-Prótidos (proteínas) enzimáticas y estructurales
-Ácidos nucleicos son los responsables de la información genética
Algunas sustancias son de gran importancia para los seres vivos, las necesitan en muy pequeña cantidad y no tienen funciones energéticas ni estructurales. Son biocatalizadores las enzimas, las vitaminas y las hormonas.

TABLA 1.4.- DISTRIBUCIÓN DE LOS COMPONENTES MOLECULARES DE LA CÉLULA (en % sobre masa total)

Principios inmediatos PROCARIOTAS EUCARIOTAS
Glúcidos

3

3

Lípidos

2

4,5

Prótidos

15

18

Ácidos Nucleicos
ARN
6
1,25
ADN
2
0,25
Precursores
1
2
Agua
70
70
Sales minerales 1 1


Todos los componentes de los seres vivos, biomoléculas, bioelementos, etc., están sometidos a un reciclaje continuo, en función de la actividad metebólica de los organismos y del flujo de energía, que en la Biosfera esta bien definido:

Flujo de energía y ciclos de materia en la Biosfera:

 

En función de la forma de energía que son capaces de utilizar los organismos pueden ser:

Organismos autótrofos (productores) y heterótrofos (consumidores).

Cada año llega a la superficie de la Tierra una energía equivalente a 60 billones de toneladas de petróleo, 15.000 veces más que el actual consumo energético de toda la humanidad. De esta cantidad, la mitad se absorbe y se convierte en calor, el 30% se vuelve a reflejar hacia el espacio, y una quinta parte sirve para poner en marcha los ciclos hidrológicos que caracterizan el clima de nuestro planeta. Sólo una pequeña fracción de la radiación solar (0,06%) es utilizada por el mundo vegetal para accionar un mecanismo de autoalimentación (la fotosíntesis) que da origen a la vida y a los combustibles fósiles.

Los principales componentes de la materia viva en la Biosfera están sometidos a continuos reciclados, fruto principalmente de la actividad biológica.

Ciclo del carbono
Este ciclo está directamente relacionado al CO2. Depende por lo tanto de los procesos naturales y antrópicos que lo generan, y de aquellos que implican su absorción y transformación en el suelo. La generación de dicho gas y su ingreso a la atmósfera se debe a factores muy diversos.


De tipo natural, son la descomposición por bacterias aeróbicas de organismos muertos, tanto animales como vegetales. También contribuye la respiración de los seres vivos y la emanación del gas durante actividades volcánicas o incendios forestales espontáneos o no.La generación antrópica del CO2 se produce principalmente durante los procesos industriales, los que obtienen la energía necesaria quemando combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural); el transporte motorizado también contribuye fuertemente a la generación de dicho gas.

La absorción del dióxido de carbono en la biosfera se produce durante el día en el proceso de fotosíntesis de las plantas, con la clorofila como catalizador. Asimismo, es retenido en las aguas continentales y marinas, especialmente en las superficiales. El suelo también posee capacidad de absorción del gas, la que es más notoria en presencia algunos sustratos con formación de calizas.

En todo caso, el balance final entre la emisión de dióxido de carbono hacia la atmósfera y su absorción en la superficie terrestre está fuertemente desplazado hacia la primera, con las conocidas consecuencias en el efecto invernadero y el calentamiento climático global.

Ciclo del nitrógeno

El ciclo de este elemento es bastante más complejo que el del carbono, dado que está presente en la atmósfera no sólo como N2 (80%) sino también en una gran diversidad de compuestos. Se puede encontrar principalmente como N2O, NO y NO2, los llamados NOx. También forma otras combinaciones con oxígeno tales como N2O3 y N2O5 (anhídridos), "precursores" de los ácidos nitroso y nítrico. Con hidrógeno forma amoníaco (NH3),compuesto gaseoso en condiciones normales.

En el suelo hay importantes cantidades naturales de sales relacionadas al nitrógeno, entre otros los nitratos y nitritos (inorgánicos) y la urea (orgánica); esta última, junto al nitrato de amonio se sintetiza en grandes cantidades para su utilización como abono. Todos estos productos son solubles en agua, y se lixivian con el regadío y la lluvia, siendo arrastrados hacia los ríos y lagos, y luego al mar.


Es importante destacar que la retención de este elemento en organismos vivos tanto animales como vegetales, no se realiza como N2, dada su nula reactividad en condiciones normales, sino como sus derivados orgánicos (aminas, amidas, bases nitrogenadas, etc) e inorgánicos.

Ciclo del Azufre

 

EL HOMBRE INTERACCIONA CON EL MEDIO AMBIENTE

 

INTERACCIONES DE LOS XENOBIÓTICOS CON LOS ORGANISMOS VIVOS:

La Bioquímica Ambiental trata de estudiar las interacciones que se producen entre los xenobióticos (compuestos químicos) ambientales con los componentes bioquímicos y los procesos metabólicos de los seres vivos, así como las posibles alteraciones o malfunciones derivadas de su presencia y/o interacción. Su contenido es muy análogo al de la Bioquímica Toxicológica.


Conexiones con otras ciencias: Biología, Ecología, Genética, Química y Bioquímica; Medicina Toxicológica, Agricultura, Tecnología de los Alimentos, etc, Bioquímica Clínicas, Patología Molecular.
La bioquímica de la acción tóxica es polifacética y multifásica, cubriendo todos los aspectos desde el inicio del contacto ambiental de un organismo con un xenobiótico hasta su excrección de nuevo al medio ambiente, pasando por todas las posibles interacciones del xenobiótico con los componentes del sistema biológico. La interacción xenobiótico-organismo, con proceso tóxico (envenenamiento) o no, tiene lugar a través de varias fases y la Bioquímica Ambiental está implicada en el estudio de la mayoría de ellas.

El destino de un compuesto en el medio es muy complejo y su interacción con los organismo dependerá de un gran número de parámetros, que afectarán según en la fase en la que se encuentre dicha interacción (entre la sustancia y el organismo).

Fases de la Interacción de los organismos con los xenobióticos

0. EXPOSICION: Relación de los organismos con el medio ambiente del que forman parte; es propiamente dominio para el estudio de otras áreas, como la epidemiología e higiene industrial.

1. ENTRADA o VIAS DE PENETRACION: piel, tracto gastrointestinal y pulmones.
Depende de la estructura bioquímica de las membranas biológicas (membranas, epicutícula en insect., cutícula y estromas en plant.) y de la naturaleza físico-química de xenobióticos; la relación entre las propiedades estructurales de los xenobióticos y el proceso de su absorción es un tema del programa. La mayoría de los xenobióticos entran en los organismos a causa de su lipofibilidad.

2. DISTRIBUCION: Transporte a través del organismo de los XBs (proteínas plasmáticas, lipoproteínas) y su distribución entre los tejidos según las propiedades del compuesto y la actividad metabólica de los órganos implicados.
Los estudios toxicocinéticos de distribución por tejidos se ajustan a modelos matemáticos para establecer el comportamiento de los tóxicos, o de los fármacos, etc., dentro de un organismo.

3. METABOLISMO: comprende el estudio de las actividades enzimáticas que modifican la estructura química del xenobiótico y puede tener lugar en el tejido de entrada o en otros órganos.
La modificación enzimática puede conllevar un aumento de la toxicidad y a veces una disminución de la misma. Se pueden producir toda una serie de reacciones enzimáticas que se catalogan en dos fases. (I y II). Destaca el hígado como órgano muy activo metabólicamente, seguido del tracto gastrointestinal, pulmones, riñón, etc. Como orgánulos subcelulares se pueden destacar: el núcleo por la información que contiene, la mitocondria porque soporta la producción energética y el retículo endoplásmico por su actividad oxidativa.

4. MODO DE ACCION: tanto los compuestos tóxicos intrínsecamente, como los metabolitos activos pueden interaccionar con compuestos o estructuras celulares con actividad biológica y pertubarla, desencadenando así el efecto tóxico.
El estudio de los mecanismos del modo de acción de los xenobióticos corresponde a un área de mucho interés en la Bioquímica Toxicológica o Ambiental.
Los tóxicos agudos suelen afectar al sistema nervioso central (sinapsis) o periférico (uniones neuromusculares). La toxicidad crónica se manifiesta a muchos niveles, es muy importante la actividad carcinogenética de muchos de los xenobióticos.

5. EXCRECION: fase en la que los productos metabólicos, los propios xenobióticos o sus metabolitos de transformación, salen del organismo generalmente como derivados conjugados. Primordialmente los riñones, la vesícula biliar y los pulmones son los encargados de este proceso, aunque hay otras vías de eliminación minoritarias (glándulas sudoríparas y sebáceas, cabello) y otras ligadas a la actividad sexual o reproductiva (leche, huevos, feto, etc.).

 

 

Enlaces de interés
contaminacion
www.laneta.apc.org/ emis/sustanci/retc/Image28.gif
ares.unimet.edu.ve/.../ Fuentes_contaminantes.jpg
www.iieh.com/.../ doc200210070300marea_negra.jpg
www-ni.laprensa.com.ni/ archivo/2003/enero/21/...

contaminacion atmosferica
www.epa.gov/oar/oaqps/
www.sagan-gea.org/ hojared/poisn.jpg
www.grida.no/geo/geo3/ spanish/images/fig212s.gif

contaminacion agua
www.science.oas.org/.../ gif/cap4_amb_Pic3.gif

en el medio laboral
www.siafa.com.ar/notisiafa/ 12/valoracion_quim...

hongos contaminantes:
www.telmeds.org/.../ Penicillium_1.jpg

 

PAGINA DE MUCHO INTERES GUIA ACADEMICA
http://www.mty.itesm.mx/dia/deptos/iq/iq95-248/cuestionario1.html

imagenes
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ciclos bio-geo-quimicos
fai.unne.edu.ar/biologia/ images/wcycle.gif

Ejercicios de autoevaluación


El tema de la exposición a xenobioticos, está directamente relacionado con la entrada o absorción de los xenobióticos en los organismos. Aqui se recogen conceptos básicos.


EXPOSICION AMBIENTAL Y RIESGO DE TOXICIDAD.

EXPOSICION:
Consiste en la condicion por la que un compuesto se pone en contacto con un organismo y penetra en él. La interfase entre el medio y el organismo presenta varios aspectos cualitativos y cuantitativos que son los que determinan el nivel de exposición.

1.- Fase de producción o de origen FUENTES o emisores
2.- Fase de cinética en el medio. TRANSPORTE Y TRANSFORMACIONES
3.- Fase de exposicion cuantificar el NIVEL DE EXPOSICION

FORMAS Y RUTAS DE EXPOSICION:
Rutas naturales: Alimentos, agua, aire, piel, huevo, yema y placenta.
Rutas artificiales. Aplicaciones.
Puede haber procesos y factores externos que afectan a la exposición
ESPECIACIÓN QUÍMICA Y EXPOSICIÓN
Relación entre la estructura química , la forma de exposición y el posible efecto a producido.

SIGNIFICADO TOXICOLOGICO DE LAS RUTAS DE EXPOSICION
- Indican qué factores y procesos determinan que un grupo de población sea de alto riesgo.
La severidad del efecto dependerá de la magnitud de la carga y de la sensibilidad del individuo expuesto.
- Factores y condiciones que diferencian las sensibilidades entre especies o entre individuos y que pueden definir el concepto de “hipersensibilidad”.

ASPECTOS CUANTITATIVOS
Causas de la exposición
Relación exposición-respuesta
Nivel de exposición: SISTEMAS DE MONITIRIZACIÓN.

ANÁLISIS DE RIESGOS Y PREVENCIÓN DE LA EXPOSICIÓN
Una vez efectuado el análisis de riesgos, la prevención a la exposición habrá que realizarla tomando medidas para limitar la exposición a sustancias tóxicas.
La valoración de la toxicidad de las sustancias tendrá en cuenta las Fases toxicocinética y toxicodinámica en los organismos: ABSORCIÓN, DISTRIBUCIÓN, EXCRECCIÓN, BIOTRANSFORMACIONES Y EFECTOS TOXICOS, que serán el objetivo de estudio en esta materia.

RIESGOS
Riesgo ambiental, se valora a muy largo plazo.
Riesgo sobre población trabajadora, se evalúa mas rápido.
Intoxicaciones alimentarias: botulismo, salmonelosis, colza.
Efectos macroecológicos y microecológicos.
RIESGO
El riesgo que la salud de los organismos pueda soportar como consecuencia de la presencia de sustancias xenobióticas en el medio ambiente depende de 2 factores:
a- la capacidad de entrada de una sustancia en el medio y en el organismo.
b- la toxicidad de dicha sustancia
a.- La capacidad de entrada en el medio determina la ruta y la extensión de exposición para los organismos.
a.- La capacidad de entrada en el organismo determinará si habrá o no efecto manifiesto.
b.- La citotoxicidad y la relación dosis-respuesta son los factores que definen fundamentalmente la toxicidad de las sustancias.

UNIDADES DE MEDIDA DEL EFECTO TOXICO Y DE RIESGO AMBIENTAL
Toma: cantidad que se ingiere una vez
Dosis: cantidad / 24 horas. Clases: inútil y terapeútica. Cantidad: total recibido en el tratamiento.
Efecto Tóxico: efecto perniciosos en el cuerpo: reversible e irreversible.
Dosis letal: causa la muerte Dosis letal 50: causa la muerte del 50 % de individuos.
Concentración letal: igual que dosis pero referido al medio.
Maxima concentración admisible (MAC): No debe sobrepasarse.
Valores límites biológicos: (BLV): ponen de manifiesto la absorción de un xenobiótico por un ser vivo. Sirven como criterios para valorar el º de afectación.
Tipos de BLV:
a.- [ ] de tóxico o sus metabolitos en fluidos o tejidos biológicos.
b.- modificación de parámetros biológicos o bioquímicos (células sanguineas, glucosa, glucógeno, actividades enzimáticas).
c.- alteraciones de funciones fisiológicas (capacidad respiratoria,, conductividad nerviosa, reflejos, reacc. muscular, diuresis).

INDICE DE CALIDAD AMBIENTAL [ICA]

1 - Admisible
2 - Alerta- percepción.
3 - Alarma - inducción de patplogías crónicas
4 - Peligro - inducción de patologías agudas.

Ingesta diaria admisible (IDA o DDA) máximo de ingesta / día.
Factores de tiempo: tiempo de latencia, tiempo letal (TL50), tiempo de aparición efecto, efecto máximo, tiempo de permanencia o desaparición.