El documento habla sobre procesos químicos en el cultivo de camarones. Explica brevemente la bioquímica y cómo se relaciona con la química orgánica. Luego describe el ciclo del agua, su estructura, propiedades y función en la estabilización del clima. Finalmente, resume los procesos de fotosíntesis y respiración en organismos autótrofos y heterótrofos.

1. Procesos Químicos en el Cultivo de Camarones 3. Bioquímica Luis Vinatea Arana, Ph.D.

2. BIOQUÍMICA La bioquímica, así como la química orgánica, trata de reacciones de moléculas que contienen carbono. Ambas disciplinas se basan en el comportamiento de grupos funcionales, pero difieren en el énfasis, pues algunos grupos funcionales importantes para la química orgánica no tienen función bioquímica y viceversa. En suma, la bioquímica es un área multidisciplinar que aborda cuestiones sobre la naturaleza molecular de los procesos vitales

3. Vida = H 2 O + C + N + H + O Ciclo del agua Ciclos biogeoquímicos

4. Agua 1s 2s 2p 2p 2p 1s sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 Estructura electrónica del oxígeno

5. (―) (+)

6. O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H Polímeros de Frank-Wen

8. 95,5% 2,3% 2,2% 0,035%

9. Propiedades del Agua Calor específico Tensión superficial Densidad Calor específico : cantidad de calor, en calorías, que se requiere para aumentar la temperatura en 1 o C de una unidad de peso de una sustancia. Cuanto mayor el calor específico, mayor la estabilidad de la sustancia = clima estable Tensión superficial : grado de cohesión y/o adhesión de las moléculas de agua entre si. Por definición, cohesión es la unión entre moléculas de una misma sustancia, y adhesión es la unión entre moléculas de sustancias distintas = poder humectante. Densidad : la densidad del hielo puro a 0 o C es 0,9168 g/ml, cerca de 8,5% más leve que el agua líquida a la misma temperatura, la cual es de 0,99987 g/ml. La densidad del agua puede incrementarse para un máximo de 1,0000 g/ml a 3,94 o C.

17. N O H Átomos -> Moléculas inorgánicas -> Moléculas orgánicas C + Célula

18. Presente en plantas verdes No hay, pero tienen cromatóforos Cloroplasto Presente Presente Ribosomas Presente No hay Retículo endoplasmático Presente No hay Mitocondria Presente Presente Membrana celular Presente Sin núcleo definido pero con ADN Núcleo Eucariontes Procariontes Organela

19. La célula bacteriana (procarionte)

20. La célula animal (eucarionte)

21. La célula vegetal (eucarionte)

22. No son organelas propiamente dichas porque no tienen membrana. Ribosomas Vesícula delimitada por membrana (células vegetales). Vacuolo central Camada exterior rígida de células vegetales y bacterias. Pared celular Separa el contenido de la célula del mundo exterior. Membrana celular Vesículas delimitadas por membrana que contienen enzimas hidrolíticas. Lisosomas Serie de membranas achatadas; responsable por la secreción de proteínas y reacciones que ligan azúcares a otros componentes celulares. Complejo de Golgi Membrana continua por toda la célula; la parte rugosa está cubierta de ribosomas (donde se realiza la síntesis proteica). Retículo endoplasmático Lugar donde se realiza la fotosíntesis en plantas verdes y algas; tiene su propio ADN Cloroplasto Lugar de reacciones de oxidación productoras de energía; tiene su propio ADN. Mitocondria Lugar donde se localiza el genoma. Sitio de la síntesis de la mayor parte del ADN y ARN. Núcleo Función Organela

23. Membrana celular (lipoproteica)

24. Pared celular (lipopolisacárido) Poro Lipoproteína Lipopolisacárido Membrana externa Membrana interna Espacio periplásmico y peptidoglucano peptidoglucano proteínas fosfolípidos

25. Pared celular de microalga

26. FOSFOLÍPIDOS Cabeza hidrofílica Cabeza hidrofóbica Región especial con fosfato Cola de ácido graso

28. Cloroplasto

29. Metabolismo de organismos heterótrofos (animales)

32. Trifosfato y difosfato de adenosina (ATP y ADP) ATP C 10 H 13 N 5 O 13 P 3 Na 3 ADP C 10 H 11 N 5 O 11 P 2 Na 2 ATP + H 2 O -> ADP + Pi + H + 30,5 kJ/mol 7,3 kcal/mol ADP + Pi + H + -> ATP + H 2 O 30,5 kJ/mol 7,3 kcal/mol

33. Receptores de electrones (NAD y FAD) -> recogen los electrones producto de la oxidación de los alimentos NAD + y NADP + (dinucleótido de nicotinamida adenina y dinucleótido fosfato de nicotinamida adenina) NAD + -> NADH forma oxidada (capaz de recibir H junto a un par de electrones) forma reducida (recibe los electrones y los transporta)

34. Dinucleótido de flavina adenina (FAD) Forma oxidada (FAD) Forma reducida (FADH 2 )

35. Fermentación alcohólica (bacterias y levaduras anaeróbicas) Sin oxígeno Metabolismo de los glúcidos

36. Metabolismo normal : no hay exceso de piruvato ya que poca glucosa ha sido consumida. El piruvato entonces sigue la vía aeróbica, que es el ciclo de Krebs. Metabolismo forzado : hay exceso de piruvato ya que mucha glucosa ha sido consumida. El piruvato entonces sigue la vía anaeróbica, para así formar lactato.

37. Citoplasma glucosa Entrada de energía GLUCÓLISIS Líquido Mitocondria piruvato Ciclo de Krebs oxígeno agua Fosforilación oxidativa Transporte de electrones

38. Sólo cuando hay exceso de piruvato Fermentación alcohólica En bacterias y levaduras anaeróbicas o aeróbicas facultativas

39. Coenzima A (tietanolamina do ácido pantoténico 3’-P-5’-ADP) β -alanina Grupo funcional sulfidrila 3’-P-5’-ADP Ácido pantoténico Tietanolamina ácido acético (acetato) CH 3 – COOH Acetil-CoA O II CH 3 – C – S – CoA + Ciclo de Krebs

40. EL CICLO DE KREBS GTP - Guanosinatrifosfato Citrato sintasa Acetil-CoA Iso-citrato α -cetoglutarato Succinil-CoA Succinato Fumarato Malato Citrato Oxalacetato

43. flujo de electrones energía libre con e - con e - sin e - sin e -

44. UQ: ubiquinona o coenzima Q10 FMN: Flavina mono nucleótido sin e - oxidado con e - reducido oxidado reducido reducido reducido reducido reducido reducido reducido reducido oxidado oxidado oxidado oxidado oxidado oxidado oxidado

45. Metabolismo de los ácidos grasos

47. Aminoácido derivado de la Lisina

48. β - OXIDACIÓN

51. METABOLISMO DE ÁCIDOS GRASOS DE CADENA IMPAR

52. Metabolismo de las proteínas

56. Metabolismo de organismos autótrofos (plantas y microalgas) La fotosíntesis es seguramente el proceso bioquímico más importante de la Biosfera por varios motivos: La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los diferentes seres vivos. Produce la transformación de la energía luminosa en energía química , necesaria y utilizada por los seres vivos En la fotosíntesis se libera oxígeno , que será utilizado en la respiración aerobia como oxidante. La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera primitiva , que era anaerobia y reductora. De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin la fotosíntesis. Se puede concluir que la diversidad de la vida existente en la Tierra depende principalmente de la fotosíntesis

57. En la fotosíntesis se diferencian dos etapas, con dos tipos de reacciones: Fase luminosa : en el tilacoide . En ella se producen transferencias de electrones. Fase oscura : en el estroma . En ella se realiza la fijación de carbono En la etapa clara la luz que "golpea" a la clorofila excita a un electrón a un nivel energético superior. En una serie de reacciones la energía se convierte (a lo largo de un proceso de transporte de electrones ) en ATP y NADPH. El agua se descompone en el proceso liberando oxígeno como producto secundario de la reacción. El ATP y el NADPH se utilizan para fabricar los enlaces C-C en la etapa oscura. En la etapa oscura, el anhídrido carbónico de la atmósfera (o del agua en los organismos acuáticos) es capturado y modificado por la adición de hidrógeno para formar carbohidratos. La transformación del anhídrido carbónico en un compuesto orgánico se conoce como fijación del Carbono. Los fotosistemas son los conjuntos de moléculas de clorofila y otros pigmentos empaquetados en los tilacoides. En el "corazón" del fotosistema se encuentra la clorofila que absorbe la luz para convertirse en una forma "activada". La energía contenida en esta clorofila activada se utiliza para hacer funcionar la maquinaria química de la cual depende gran parte de la vida.

58. Mg 2+

60. El fotosistema I usa la clorofila a en una forma denominada P700 . El fotosistema II usa una forma de clorofila conocida como P680 . Ambas formas "activas" de la clorofila a funcionan en la fotosíntesis debido a su relación con las proteínas de la membrana tilacoide.

61. Plastoquinona Plastocianina Ferredoxina

64. Proporciones (%) de CO 2 , HCO 3 - y CO 3 -2 del agua en función de diferentes valores de pH (Wetzel, 1975) ----------------------------------------------------------------------------------- pH CO 2 total HCO 3 - CO 3 -2 libre (bicarbonato) (carbonato) ------------------------------------------------------------------------------------ 4 0,996 0,004 1,25 x 10 -9 5 0,962 0,038 1,20 x 10 -7 6 0,725 0,275 0,91 x 10 -5 7 0,208 0,792 2,60 x 10 -4 8 0,025 0,972 3,20 x 10 -3 9 0,003 0,966 0,031 10 0,0002 0,757 0,243 ------------------------------------------------------------------------------------- ¿ DESCALSIFICACIÓN BIOGÉNICA O DESCARBOXILACIÓN ENZIMÁTICA DEL BICARBONATO?

65. pH 10 O II HCO 3 - + CH 3 – C - SCoA ATP ADP + PI Acetil CoA carboxilasa O II - OOC – CH 2 – C – SCoA + OH - Metil malonil CoA Biosíntesis de ácidos grasos acetil CoA

66. CO 2 + H 2 O  H 2 CO 3 pH = ácido Vía físico-química (hidrólisis del CO 2 ) 06 12 18 24 06 12 18 24 8.0 8.5 9.0 7.5 9.5 pH HCO 3 - + H 2 O  CO 2 + OH - pH = básico Vía biológica (hidrólisis del bicarbonato) CO 2

67. Nutrientes esenciales para las plantas y microalgas Cisteína, cistina, metionina y taurina. Glutatión, glucosidios y sulfolípidos, coenzimas. Grupo activo de enzimas y coenzimas Azufre (S) Clorofila Activación enzimática, estabilidad de ribosomas, fotosíntesis. Magnesio (Mg) Pectato de calcio, fitato, carbonato, oxalato. Activación enzimática, pared celular, permeabilidad. Calcio (Ca) Predomina en forma iónica, compuestos desconocidos. Abertura y cierre de estómatos, síntesis y estabilidad de proteínas, relaciones osmóticas, síntesis de carbohidratos. Potasio (K) Ésteres de carbohidratos, nucleótidos y ácidos nucleicos, coenzimas, fosfolípidos. Almacenamiento y transferencia de energía; componente estructural. Fósforo (P) Aminoácidos y proteínas, clorofila, amidas, aminas, aminoazúcares, purinas y pirimidinas, alcaloides. Importante para el metabolismo y como constituyente de compuestos. Nitrógeno (N) Compuestos Función Nutriente

68. NADH NAD + FAD FADH 2 2Mo +5 2Mo +6 NO 3 - NO 2 - H + 2H + 2H + H 2 O Ciclo de la nitrato redutasa para la obtención de nitrito a partir de nitrato como fertilizante NADPH NADP + Ferrodoxina reducida Ferrodoxina oxidada NO 2 - NH 4 + Redutasa de nitrito LUZ Reducción del nitrito por medio de la nitrito redutasa, para la obtención de amonio

70. Crecimiento bacteriano - Las bacterias presentes en las piscinas de cultivo se reproducen por fisión binaria. El tiempo entre cada división se llama tiempo de generación. - El número de bacterias presentes después de un determinado tiempo (N t ) puede ser calculado a partir del número inicial de bacterias (N 0 ) y el número de generaciones (n): N t = N 0 x 2 n Ejercicio N 0 = 10 5 para 48 h N 0 = 10 6 para 72 h 48/4 = 12 n -> 10 5 x 2 12 = 4,1 x 10 8 72/4 = 18 n -> 10 6 x 2 18 = 2,6 x 10 11 Ejemplo : Un suelo de piscina de camarón que contiene 10 3 células bacterianas por gramo recibe un aporte de materia orgánica que estimula su crecimiento. Sabiendo que la población de bacterias por lo general dobla a cada 4 horas, cuántas células bacterianas tendremos después de 36 h? Número de generaciones (n) = 36/4 = 9 Número de bacterias después de 36 h (N t ) = 10 3 x 2 9 = 512 x 10 3 = 5,12 x 10 5

71. Cuando la materia orgánica se deposita en el fondo de la piscina, las bacterias en poco tiempo se ajustan a la nueva cantidad de nutrientes. Al principio, las bacterias de adaptan al la nueva cantidad de nutrientes (fase de adaptación), para luego aumentar la población rápidamente (fase logarítmica). Cuando ya casi todo el sustrato (materia orgánica) ha sido utilizado, el crecimiento poblacional disminuye (fase estacionaria). Ya cuando todo el substrato ha sido usado o existe una elevada acumulación de subproductos metabólicos, el número de células bacterianas decrece (fase de declinio). Número de bacterias Tiempo Fase adaptación Fase logarítmica Fase estacionaria Fase de declinio

72. El tiempo de generación (g) de las bacterias puede ser calculado con base al número de bacterias durante la fase logarítmica y por medio de la substitución de la fórmula N t : N t = N 0 x 2 n log N t = log N 0 + n log 2 0,301n = log N t - log N 0 log N t - log N 0 n = 0,301 Así, el tiempo de generación (g) se calcula con base al intervalo de tiempo (t) en el que se da un determinado número de generaciones: g = t/n 0,301t g = log N t - log N 0 Ejemplo : los vibrios de una piscina de camarones crece de 10 4 células/ml para 10 8 células/ml en un período de 12 horas. Calcular el tiempo de generación. 0,301(12) g = = 0,903 h = 54 minutos 8 – 4

74. Para que las bacterias produzcan proteínas , se necesita de carbono. Las bacterias usan más eficientemente el C que el N. Una forma de eliminar el N inorgánico (NH 3 y NO 2 - ) del agua de cultivo es adicionando C orgánico (glúcidos) para favorecer el metabolismo bacteriano. Para esto se necesita de una relación C:N mínima de 20 para 1. C : N 20 : 1

75. C:N = 20:1 Adición de glucosa Carbon/nitrogen ratio as a control element inaquaculture systems. Yoram Avnimelech, Aquaculture, 176 (1999).

76. 0,8 kg/m 2 Penaeus monodon 40% proteína – 2% del peso Entra 0,96 g N/m 2 /día Excreta 0,31 g NH 3 /m 2 /día

77. 1 kg de ración con 30% de proteína tiene 46,5 g de N, y viene con 10,75:1 de C/N 1 kg de azúcar tiene casi 500 g de Carbono C : N 20 : 1 20 – 10,75 = 9,25 : 1 430,1 g : 46,5 g 0,86 kg de azúcar : 1 kg ración Necesidad de carbohidrato = W ración x 0,86 Sugestión de disminuir el % de proteínas de la ración

80. Melaza " hight - test " Melaza Normal de Caña 1,4 0,9 0,7 5,0 3,6 2,6 0,03 0,02 0,01 0,10 0,07 0,03 0,30 0,10 0,03 1,1 0,5 0,1 0,6 0,3 0,2 1,2 0,9 0,6 3 2,25 2 11 9 7 0,20 0,10 0,07 1,5 0,7 0,4 79 75 72 65 56 52 86 83 81 84 81 77 19 17 14 23 19 16 --- 6,0 --- 6,0 5,55 4,5 1,45 1,43 1,42 1,44 1,42 1,39 Máximo Medio Mínimo Máximo Medio Mínimo Peso específico pH (2:1) Agua (%) Materia seca (%) Azúcar total (%) N-total (%) Cenizas (%) P 2 O 5 (%) CaO (%) MgO (%) K 2 O (%)

81. Fertilizante fosfatado (roca fosfórica) Cadmio Cadmio en la melaza

83. ¿ Por qué carbohidratos y no proteínas o grasas, que también contienen carbono? El RQ de los glúcidos, tales como la glucosa, es igual a 1,0. Cuanto más oxidado esté un compuesto orgánico, mayor será su RQ (>1); y cuanto más reducido, menor su RQ (<1). El grado de reducción de un compuesto orgánico se incrementa cuanto mayor es el porcentaje de carbono. El grado de reducción de los ácidos grasos > proteínas > carbohidratos. Cuanto más reducido el compuesto orgánico (con más hidrógeno y menos oxígeno) mayor será su valor calórico (kcal/g). 9,3 5,5 4,1 kcal/g 11,4 11,4 77,2 Ácido graso 22,0 7,0 53,0 Proteína 53,3 6,7 40,0 Carbohidrato % O % H % C Cociente respiratorio (RQ) Tasa de moles de CO 2 producido en relación a los moles de O 2 consumido por las bacterias: CO 2 RQ = O 2

84. Efecto del grado de reducción de la materia orgánica sobre el consumo de oxígeno Las plantas típicamente tienen un valor calórico de 4 a 4,5 kcal/g, reflejo de su alto contenido de carbohidratos. Ya los compuestos de origen animal, por su mayor concentración de grasas y proteínas, poseen un valor calórico mayor que las plantas. Ejemplo : Calcular la cantidad de oxígeno requerido para oxidar completamente 1 gramo de carbohidrato, proteína y ácido graso, considerando que cada gramo de compuesto posee 0,4 ; 0,53 y 0,772 g de carbono, respectivamente: C + O 2 = CO 2 g C O 2 usado = 12 32 32(g C) O 2 usado = 12 O 2 usado (32)(0,4) (carbohidrato) = = 1,07 g O 2 12 O 2 usado (32)(0,53) (proteína) = = 1,41 g O 2 12 O 2 usado (32)(0,772) (ácido graso) = = 2,06 g O 2 12

85. Metabolismo de ácidos nucleicos (todos) De acuerdo a la composición química, los ácidos nucleicos se clasifican en ácidos desoxiribonucleicos (ADN) que se encuentran residiendo en el núcleo celular y algunos organelos, y en ácidos ribonucleicos (ARN) que actúan en el citoplasma. Generalidades A las unidades químicas que se unen para formar los ácidos nucleicos se les denomina nucleótidos y al polímero se le denomina polinucleótido o ácido nucleico. Los nucleótidos están formados por una base nitrogenada, un grupo fosfato y un azúcar; ribosa en caso de ARN y desoxiribosa en el caso de ADN. Las bases nitrogenadas son las que contienen la información genética y los azúcares y los fosfatos tienen una función estructural formando el esqueleto del polinucleótido. En el caso del ADN las bases son dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A (Adenina) y G (Guanina). Las pirimidinas son T (Timina) y C (Citosina) . En el caso del ARN también son cuatro bases, dos purinas y dos pirimidinas. Las purinas son A y G y las pirimidinas son C y U (Uracilo).

87. Las bases se unen al carbono 1 del azúcar y el fosfato en el carbón 5 para formar el nucleótido.

88. Los nucleótidos se unen para formar el polinucleótido por uniones fosfodiester entre el carbono 5 de un nucleótido y el carbono 3 del siguiente.

89. El ADN está formado por dos cadenas muy largas de polinucleótidos unidas entre sí por puentes de hidrógeno específicos entre las bases de las dos cadenas. La base de una cadena que se une por los puentes de hidrógeno con la base de la otra cadena se dice que forman un par de bases. A se parea con T y G con C. Las dos cadenas se encuentran arregladas en una estructura helicoidal alrededor de un eje común por lo que recibe el nombre de doble hélice. Las bases se encuentran acomodadas hacia el eje de la doble hélice, mientras que el azúcar y los fosfatos se encuentran orientados hacia el exterior de la molécula.

92. El ARN es un filamento de una sola cadena, no forma doble hélice. La presencia de un oxígeno en la posición 2' de la ribosa impide que se forme la doble cadena de la manera en que se forma en el ADN. El filamento de ARN se puede enrollar sobre sí mismo mediante la formación de pares de bases en algunas secciones de la molécula. Existen varios tipos de ARN cada uno con función distinta. Los que forman parte de las subunidades de los ribosomas se les denomina ARN ribosomal (rARN), los ARN que tienen la función de transportar los aminoácidos activados, desde el citosol hasta el lugar de síntesis de proteínas en los ribosomas, se les conoce por ARN de transferencia (tARN), y los ARN que son portadores de la información genética y la transportan del genoma (molécula de ADN en el cromosoma) a los ribosomas son llamados ARN mensajero (mARN).

94. Transcripción es el proceso de fabricación ARN usando el ADN como molde . Traducción es la construcción de una secuencia de aminoácidos (polipéptido) con la información proporcionada por la molécula de ARN .

95. Transcripción Traducción Liberación Ejemplo : los virus

96. PCR La técnica de amplificación de ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica que consiste en la amplificación in vitro de un fragmento de ADN específico. Para llevar a cabo el experimento de amplificación es necesario conocer, al menos parcialmente, la secuencia del fragmento a amplificar. Básicamente, se trata de replicar una y otra vez un mismo fragmento de ADN y, para ello, se debe realizar in vitro lo que hacen las células in vivo para replicar su ADN.

99. La amplificación dura unas dos horas y es un proceso cíclico (entre 20 y 40 ciclos). Cada ciclo dura entre un minuto y medio y cinco minutos. Cuantos más ciclos se realicen, más se amplificará el ADN. Cada ciclo consta de tres etapas: Replicación , o elongación, o polimerización: es la fase en la que el ADN se amplifica. Dura entre uno y tres segundos, a una temperatura de unos 75º C. La replicación de esa secuencia se realiza en sentido 5' -> 3'. Termina cuando lee toda la hebra molde, o hasta que empieza el siguiente ciclo. Hibridación , o templado: se induce a un enfriamiento brusco de la mezcla, lo que genera la unión de los cebadores con las hebras de ADN. Esta fase dura entre 10 y 120 segundos y se realiza a una temperatura entre 37 y 65ºC. Desnaturalización : consiste en separar las dos hebras de ADN. Para ello, esta etapa se realiza a una temperatura superior a la temperatura de fusión . Es una fase corta, que dura entre 30 y 120 segundos.