Bases bioquímicas de la toxicología. Fundamentos.

1. FundamentosFundamentos
bioquímicos de labioquímicos de la
toxicologíatoxicología
Diego Losada Muñoz
Cali, Colombia, enero de 2014

2. Plan general por secciones.Plan general por secciones.
1. Química ambiental.
2. Bioquímica.
3. Procesos metabólicos.
4. Procesos biológicos ambientales y ecotoxicología.
5. Toxicología.
6. Química toxicológica.
7. Aspectos generales de la toxicología.
8. Aspectos genéticos de la toxicología.
9. Respuestas tóxicas.
10. Elementos tóxicos.
11. Compuestos inorgánicos tóxicos.
12. Compuestos organometálicos y organometaloides.
13. Compuestos orgánicos tóxicos e hidrocarburos.
14. Compuestos organo-oxigenados.
15. Compuestos organo-nitrogenados.
16. Organohaluros.
17. Compuestos organoazufrados.
18. Compuestos organofosforados.
19. Productos naturales tóxicos.
20. Análisis de xenobóticos.

3. SECCIÓN 1SECCIÓN 1
QUÍMICA AMBIENTAL.QUÍMICA AMBIENTAL.

4. POR QUÉ ANALIZAR LA RELACIÓN DEPOR QUÉ ANALIZAR LA RELACIÓN DE
LA QUÍMICA Y LA TOXICOLOGÍA.LA QUÍMICA Y LA TOXICOLOGÍA.
TOXICIDADTOXICIDAD
NATURALEZA DE
LOS TÓXICOS
REACCIONES DE
LAS SUSTANCIAS
TÓXICAS
MODIFICACIONES POR
BIOTRANSFORMACIÓN
NATURALEZA DE
LOS TÓXICOS
REACCIONES DE
LAS SUSTANCIAS
TÓXICAS
MODIFICACIONES POR
BIOTRANSFORMACIÓN
Requiere adecuada
comprensión de la
Química orgánica
PROPIEDADES DE
LAS SUSTANCIAS
QUÍMICAS TÓXICAS
Requiere adecuada
comprensión de la
Bioquímica
Requiere adecuada
comprensión de la
Química
SUBSTANCIAS
QUÍMICAS

5. Química ambiental: Contenidos.Química ambiental: Contenidos.
• Introducción a la química ambiental.
• El agua.
• Química acuática.
• La geosfera.
• El suelo.
• Geoquímica y química del suelo.
• La atmósfera.
• Química atmosférica.
• La biosfera.
• La antroposfera.
• Los procesos limpios.

6. Compartimientos del ambiente y susCompartimientos del ambiente y sus
relaciones.relaciones.
Hidrosfera
Biosfera
Atmósfera
Geosfera
Antroposfera
Nutrientes, materia orgánica.
Materialmineralparticulado,H2S,
CO2,H2O.
Precipitación, vapor de agua, ciclo
hidrológico, energía, CO2, O2.
Biomasa,nutrientes,H2O,CO2,O2.
Vapordeagua,CO2,
O2, Nitrógeno,
M
inerales,m
ateriales,
energía,residuos.
M
inerales,m
ateriales,
energía,residuos.
energía
H2O,sales,Ca2+
HCO
3-
,
NO
2 , N
fijo, CO
2 ,
O
2 , contam
inantes
NO
2 , N
fijo, CO
2 ,
O
2 , contam
inantes
Transporte, agua
industrial, materia
prima, procesos
Transporte, agua
industrial, materia
prima, procesos
Biopolím
eros,pesticidas,
tóxicos,ingenieríagenética.
Biopolím
eros,pesticidas,
tóxicos,ingenieríagenética.

7. QUÍMICA AMBIENTAL:QUÍMICA AMBIENTAL:
INTRODUCCIÓN.INTRODUCCIÓN.
La química ambiental es el estudio de las fuentes, reacciones,
transporte, efectos y destino de las especies químicas en los
diferentes compartimientos del ambiente (agua, aire, tierra y
biosfera), así como los efectos de las actividades humanas en los
mismos.
Factores que afectan las condiciones
químicas en el ambiente:
•Temperatura.
•Mezcla de masas.
•Intensidad de radiación solar.
•Entradas de materiales.
•Actividad biótica.
•Usos del ambiente.
•Otros…..

8. El ciclo del nitrógeno: Ilustración de lasEl ciclo del nitrógeno: Ilustración de las
interacciones entre compartimientos y cambiosinteracciones entre compartimientos y cambios
en las especies químicas.en las especies químicas.
Hidrosfera y geosfera
NH4
+
y NO3
-
disueltos. Nitrógeno ligado orgánicamente
en la biomasa muerta y los combustibles fósiles.
Biosfera
Nitrógeno ligado
biológicamente, como los amino
(NH2) en las proteínas
Antroposfera
NO, NO2, HNO3, NH3, nitratos
(inorgánicos), compuestos
órgano-nitrogenados
Atmósfera
N2, algo de N2O, trazas de NO,
NO2, HNO3, NH4, NO3
Fijación de N2 como NH3
Extracción de nitratos
Fertilizantes,
NH4
+
, NO3
-
Evolución de N2, N2O, NH3,
por microorganismos
Fijación de N2 molecular como amino
Emisión de
contaminantes, NO, NO2
Fertilizantes,
contaminantes,
compuestos nitrogenados
NH4
+
, NO3
-
, de la
descomposición
NO3
-
,NH4
+
disueltos,de
laprecipitación

9. Formación de ácido sulfúrico a partir del dióxidoFormación de ácido sulfúrico a partir del dióxido
de azufre generado por combustión. Ilustraciónde azufre generado por combustión. Ilustración
de un proceso de contaminación.de un proceso de contaminación.

10. EL AGUAEL AGUA

12. Estructura de los cuerpos de agua superficial:Estructura de los cuerpos de agua superficial:
Estratificación vertical de un lago (ClimasEstratificación vertical de un lago (Climas
templados).templados).
CO2O2
Fotosíntesis
CO2 + H2O + hv {CH2O} + O2
TermoclinaTermoclina
Zona de fuerte descenso de la temperatura.
O2 disuelto relativamente bajo. Aguas más frías. Especies
químicas en formas reducidas. Sedimentación de sólidos y
nutrientes minerales.
O2 disuelto relativamente bajo. Aguas más frías. Especies
químicas en formas reducidas. Sedimentación de sólidos y
nutrientes minerales.
HipolimnionHipolimnion
Estrato más profundo
del lago.
Intercambio de especies
químicas con los sedimentos
O2 disuelto relativamente alto. Aguas más cálidas. Especies
químicas en formas oxidadas.
O2 disuelto relativamente alto. Aguas más cálidas. Especies
químicas en formas oxidadas.
EpilimnionEpilimnion
Estrato más superficial del lago.

13. Estructura de los cuerpos de aguaEstructura de los cuerpos de agua
superficial: Estratificación horizontal de unsuperficial: Estratificación horizontal de un
río.río.
Cuenca del Río Dagua, Valle del Cauca,
Colombia.
Cordillera Occidental
(Nacimiento)
Altura
Longitud
Océano Pacífico
(Desembocadura)
Perfil de un río.Perfil de un río.
B
A
B: Zona
potamal o
potamon:
Parte
media y/o
baja.
Cuenca alta del Río Cauca, Cauca,
Colombia.
Cuenca media del Río Cauca, Valle del
Cauca, Colombia.
Temperatura > 20°C, ocasional baja [O2], flujo lento, lecho
arenoso o lodoso. Flujo más estable. Meandros, ciénagas.
A: Zona
ritral o
ritron:
Parte alta.
Temperatura < 20°C, alta [O2], flujo rápido y turbulento, lecho
rocoso, cantos o guijarros y con caídas. Flujo pulsante.

14. Química del agua: ProcesosQuímica del agua: Procesos
fundamentales.fundamentales.
CO2
O2
Intercambio de gases con la atmósfera
Reducción-Oxidación
NH4
+
NO3
-
Quelación
Cd2+
Consumo
Sedimento
Lixiviación
Agua subterránea
Precipitación 2{CH2O} + SO4
2-
+ 2H+
H2S (gas) +
2H2O + 2CO2 (gas)
Fotosíntesis
2HCO3
-
+ hv {CH2O} + O2(g) + CO3
2-
Ácido-base
CO3
2-
+ H2O HCO3
-
+ OH-
Acción
microbiana
Ca2+
+ CO3
2-
CaCO3 (sólido)
Precipitación

15. Procesos químicos en el agua:Procesos químicos en el agua:
Oxidación – Reducción.Oxidación – Reducción.
Reacciones de oxidación-reducción (Redox) en el agua, implican la transferencia de
electrones entre especies químicas, por lo general a través de la acción de bacterias. Las
tendencias de oxidación-reducción relativas de un sistema químico dependen de lala
actividad del electrón eactividad del electrón e--
. Cuando la actividad de electrones es relativamente alta las
especies químicas, incluyendo el agua, tienden a aceptaraceptar electrones y se dice que se
reducenreducen. Cuando la actividad de electrones es relativamente baja, el medio es oxidanteoxidante, y
especies químicas tales como H2O se pueden oxidaroxidar por la pérdida de electronespérdida de electrones.
O2 (gas) + 4H+
+ 4e-
2H2O
Oxidación
H2 (gas) + 2OH-
2H2O + 2e-
Reducción
La tendencia relativa hacia la oxidación o la reducción se puede expresar por el potencial del
electrodo, E, que es más positivo en un medio oxidante y más negativo en un medio reductor.

16. Procesos químicos en el agua:Procesos químicos en el agua:
Formación de complejos yFormación de complejos y
quelación.quelación.
El producto de la reacción se denomina complejocomplejo (complejo de iones) y el ion cianuro se
llama ligandoligando. Algunos ligandos, llamados agentes quelantesquelantes, pueden unirse con un ión
metálico en dos o más lugares, formando complejos particularmente estables. Los agentes
quelantes casi siempre son moléculas orgánicas o aniones.
CdCN+
Cd2+
+ CN-
Además de los complejos metálicos y quelatos, otra especie importante de importancia ambiental:
compuestos organometálicoscompuestos organometálicos. La porción orgánica está unida al metal mediante un enlace carbono-
metal; el ligando orgánico generalmente no puede existir como una especie separada estable.
Además de los complejos metálicos y quelatos, otra especie importante de importancia ambiental:
compuestos organometálicoscompuestos organometálicos. La porción orgánica está unida al metal mediante un enlace carbono-
metal; el ligando orgánico generalmente no puede existir como una especie separada estable.
Los iones metálicos en el agua siempre están unidos a moléculas de agua en forma de iones
hidratados, representados por la fórmula general M(H2O)X
n+
; con frecuencia se omite el agua por
razones de simplicidad. Pueden estar presentes otras especies que se unen al ion metálico con más
fuerza que el agua. Ej: Reacción de los iones disueltos Cadmio y Cianuro:
Formación de complejos,
quelatos y compuestos
organometálicos.
Influencia sobre los
iones metálicos • Los disuelven y los hacen disponibles o…
• Los inmovilizan.

17. Interacciones del agua con otrasInteracciones del agua con otras
fases.fases.
SedimentosSedimentos: Depósitos de una
amplia variedad de especies
químicas; medio donde se
producen muchos procesos
químicos y bioquímicos.
Sumideros de muchos compuestos
orgánicos peligrosos y sales de
metales pesados que han entrado​​
en el agua.
Coloides:Coloides: Partículas muy pequeñas
(0,001 a 1 um de diámetro,) con
fuerte influencia en la química
acuática. Tienen proporciones muy
elevadas de superficie a volumen,
por lo que sus actividades físicas,
químicas y biológicas pueden ser
altas. Pueden ser muy difíciles de
eliminar durante el tratamiento del
agua.
Coloides:Coloides: Partículas muy pequeñas
(0,001 a 1 um de diámetro,) con
fuerte influencia en la química
acuática. Tienen proporciones muy
elevadas de superficie a volumen,
por lo que sus actividades físicas,
químicas y biológicas pueden ser
altas. Pueden ser muy difíciles de
eliminar durante el tratamiento del
agua.
Intercambio de especies de soluto entre el agua y los sedimentos, intercambio de gases entre el
agua y la atmósfera y efectos de la película orgánica superficial. Las sustancias de otras fases se
disuelven en agua, se desprenden gases y se precipitan sólidos como resultado de los fenómenos
químicos y bioquímicos en el agua.

18. Contaminantes del agua.Contaminantes del agua.
Inorgánicos
Orgánicos
Biológicos
• Tóxicos, en bajas concentraciones (Ej.: Cadmio)
• No tóxicos, pero perturban la calidad del agua.
Ej: Materia orgánica biodegradableMateria orgánica biodegradable:
Generalmente no tóxica, pero perturba la
calidad del agua por su alto consumo de
oxígeno disuelto.
Ej: Cloruro de sodioCloruro de sodio (sal, NaCl), normal en el
agua, puede ser dañino a altas
concentraciones.

19. LA GEOSFERALA GEOSFERA
Componente sólido de
la Tierra, conformada
por rocas en diverso
grado de consolidación
y por el suelo, donde
viven los seres
humanos y del cual se
extrae la mayor parte
los alimentos,
minerales
combustibles.

20. El suelo.El suelo.

21. Geoquímica.Geoquímica.
La GeoquímicaGeoquímica se relaciona con las especies químicas, las reacciones y los procesos
químicos en la litosfera y sus interacciones con la atmósfera y la hidrosfera.
Geoquímica ambiental:Geoquímica ambiental: explora las complejas interacciones entre la vida, el agua, las
rocas, el aire y la sociedad, todos éstos sistemas que determinan las características
químicas del ambiente superficial.
Geoquímica ambiental:Geoquímica ambiental: explora las complejas interacciones entre la vida, el agua, las
rocas, el aire y la sociedad, todos éstos sistemas que determinan las características
químicas del ambiente superficial.
Campos de estudio de la geoquímica:Campos de estudio de la geoquímica:
Composición química de los componentes principales de la geosfera, incluyendo magma y diversos
tipos de rocas sólidas.
Procesos por los cuales se movilizan los elementos y se movieron y depositaron en la geosfera a
través de los ciclos geoquímicos.
Procesos químicos que ocurren durante la formación de las rocas ígneas a partir del magma.
Procesos químicos que ocurren durante la formación de las rocas sedimentarias.
Química de la meteorización de las rocas.
Química de los fenómenos volcánicos.
Papel del agua y soluciones en los fenómenos geológicos, tales como la deposición de minerales de
soluciones salinas.
Comportamiento de las sustancias disueltas en aguas salinas.

22. Aspectos físicos y químicos de laAspectos físicos y químicos de la
meteorización.meteorización.
Mecanismos químicos involucradosMecanismos químicos involucrados: disolución y precipitación, reacciones ácido-base,
formación de complejos, hidrólisis y oxidación-reducción. Agua: compuesto
fundamental.
Mecanismos químicos involucradosMecanismos químicos involucrados: disolución y precipitación, reacciones ácido-base,
formación de complejos, hidrólisis y oxidación-reducción. Agua: compuesto
fundamental.
MeteorizaciónMeteorización: Transformación (fragmentación, por ej.) de las rocas por acción de
elementos del ambiente: humedad – sequía, lluvias, viento, temperatura, reacciones
químicas, etc. y que termina con la formación de suelo.
Intervienen en la meteorización las siguientes
sustancias disueltas:
•CO2, O2, ácidos orgánicos, ácido sulfúrico (H2SO4, SO2
acuoso), ácidos de nitrógeno (HNO3, HNO2), ion H+
.
Ejemplo de meteorización química: disolución del
carbonato de calcio en agua lluvia, ligeramente
ácida:
CaCO3 (sólido) + H2O + CO2 (acuoso)
Ca2+
(acuoso) + 2HCO3
-
(acuoso)

23. Química del suelo.Química del suelo.
Solución de sueloSolución de suelo: porción acuosa que
contiene los materiales en solución de
los procesos, reacciones e intercambios
con otras fases.
Amortiguación del pHAmortiguación del pH: El suelo actúa como buffer, su
capacidad amortiguadora depende del tipo de suelo, de dos
factores importantes, la acidez y la alcalinidad.
Intercambio de cationesIntercambio de cationes: mecanismo por el cual el potasio,
el calcio, el magnesio y los metales traza esenciales se
hacen disponible para las plantas. Cuando las plantas
absorben iones nutrientes metálicos por las raíces de las
plantas, los iones de hidrógeno se cambian por iones
metálicos.
Oxidación – reducciónOxidación – reducción: Principalmente mediadas por
microrganismos. La más corriente: degradación de la
biomasa:
{CH2O} + O2 CO2 + H2O
Así, la degradación de la biomasa produce CO2 que se
incorpora a la atmósfera y participa en la disolución del
carbonato de calcio en el agua subterránea.
HumusHumus: Constituyente orgánico más significativo. Proviene
de la degradación microbiológica de los residuos vegetales.
Puede hacer quelación de metales.

24. La atmósfera.La atmósfera.

25. Procesos en la atmósfera.Procesos en la atmósfera.
Los procesos químicos en la
atmósfera pueden ocurrir en la
fase gaseosa en o sobre partículas
y en las superficies de la tierra o el
agua en contacto con la
atmósfera. Una característica
particular de la química
atmosférica: las reacciones
fotoquímicas inducidas por la
absorción de fotones energéticos
de la luz del sol.
Reacción fotoquímica significativa
- producción de ozono en la
estratosfera:
O2 + hv O + O

26. Óxidos gaseosos en laÓxidos gaseosos en la
atmósfera.atmósfera.• COCO22: Dióxido de carbono. El más abundante; constituyente esencial, requerido para el crecimiento
de las plantas. En incremento acentuado, se constituye en el más importante gas de invernadero,
responsable del calentamiento global.
• COCO: Monóxido de carbono. Riesgo para la salud, por presentar afinidad con la hemoglobina.
• NONOxx ( NO + NO2): Óxidos de nitrógeno. Puede formar sales de nitrato (corrosivas) y ácido nítrico.
Por disociación fotoquímica, produce átomos de O altamente reactivos, primera etapa de la
formación de smog fotoquímico.
• SOSO22: Dióxido de azufre. Producido por uso de combustibles que contienen azufre. Parte se convierte
en H2SO4 (Ácido sulfúrico) responsable de la precipitación ácida.

27. Hidrocarburos y secuencia deHidrocarburos y secuencia de
formación deformación de smogsmog fotoquímico.fotoquímico.
NO + RO2
.
NO2 + RO2
.NO + RO2
.
NO2 + RO2
.
Re-oxidación del NORe-oxidación del NO
NO2 + hv NO + ONO2 + hv NO + O
Óxidos de nitrógenoÓxidos de nitrógeno
Puede presentarse de nuevo foto-Puede presentarse de nuevo foto-
disociación y promoción de la formacióndisociación y promoción de la formación
de smog fotoquímico.de smog fotoquímico.
R-H + O HO.
+ R.R-H + O HO.
+ R.
HidrocarburosHidrocarburos
Producción de radicales libres.Producción de radicales libres.
R.
+ O2 RO2
.R.
+ O2 RO2
.
Reacción en cadenaReacción en cadena
Radical oxidante fuertemente reactivo.Radical oxidante fuertemente reactivo.

28. Material particulado.Material particulado.
Rango de tamañoRango de tamaño: Agregados de pocas moléculas a partículas visibles de polvo.
AerosolesAerosoles: Partículas de tamaño coloidal. Las formadas por material a granel
triturado se conocen como aerosoles de dispersiónaerosoles de dispersión; otras más pequeñas,
derivadas de reacciones químicas de los gases son los aerosoles deaerosoles de
condensacióncondensación.
Núcleos de condensaciónNúcleos de condensación: Partículas muy pequeñas sobre las cuales se
condensa el vapor de agua. Son esenciales para la formación de las lluvias.
Las partículas más pequeñas son nocivas: Tienen mayor tendencia a dispersar la luz
y entran con mayor facilidad a los pulmones.
Las partículas más pequeñas son nocivas: Tienen mayor tendencia a dispersar la luz
y entran con mayor facilidad a los pulmones.
Gran parte de la materia en partículas minerales
en una atmósfera contaminada está como óxido;
otros compuestos se producen erupciones
volcánicas y durante la quema de combustibles
fósiles (cenizas flotantes o suspendidas); esas
cenizas hacen el mayor daño a la salud humana y
a las plantas y afectan la visibilidad.

29. La biosfera.La biosfera.
Importancia de la biosfera desde la perspectiva química.Importancia de la biosfera desde la perspectiva química.
El blanco final del efecto de
cualquier contaminante o
fenómeno ambiental, son los
organismos que se encentran
en los ecosistemas.
El blanco final del efecto de
cualquier contaminante o
fenómeno ambiental, son los
organismos que se encentran
en los ecosistemas.
• ToxicologíaToxicología química.
Desarrollo de transformaciones
que hacen parte de los sistemas
químicos ambientales.
Desarrollo de transformaciones
que hacen parte de los sistemas
químicos ambientales.
• Fotosíntesis: Producción de biomasa
a partir de carbono inorgánico.
• Degradación microbiológica de la
biomasa.
• Mediación en los cambios de estado
de oxidación de elementos
químicos. Ej: NO3
-
a NH4
+
, SO4
2-
a
H2S.

30. La antroposfera.La antroposfera.
La antroposfera está íntimamente entrelazada con las otras esferas ambientales.La antroposfera está íntimamente entrelazada con las otras esferas ambientales.
GeosferaGeosfera:
•Cultivo de áreas
importantes para
producir alimentos.
GeosferaGeosfera:
•Cultivo de áreas
importantes para
producir alimentos.
BiosferaBiosfera:
•Explotación de recursos bióticos.
•Afectación de organismos por
deterioro de los hábitats.
•Modificación de los organismos a
través de la ingeniería genética.
BiosferaBiosfera:
•Explotación de recursos bióticos.
•Afectación de organismos por
deterioro de los hábitats.
•Modificación de los organismos a
través de la ingeniería genética.
HidrosferaHidrosfera:
•Represamiento de ríos –
alteración de los flujos
hídricos normales.
•Explotación de aguas
subterráneas en riego
agrícola.
HidrosferaHidrosfera:
•Represamiento de ríos –
alteración de los flujos
hídricos normales.
•Explotación de aguas
subterráneas en riego
agrícola.
Mayor preocupación actual:Mayor preocupación actual:
•Emisión de CO2 y otros gases de invernadero, con consecuencias sobre:
• El cambio climático y
• La acidificación de los océanos.

31. Los procesos limpios.Los procesos limpios.
El desafío que enfrentan los seres humanos hoy en día es el uso de su inteligencia
y su capacidad tecnológica creciente, para integrar la antroposfera con el resto del
ambiente de la Tierra, de manera que minimiza el impacto ambiental adverso y, de
hecho, se mejore la calidad del medio ambiente en su conjunto.
El desafío que enfrentan los seres humanos hoy en día es el uso de su inteligencia
y su capacidad tecnológica creciente, para integrar la antroposfera con el resto del
ambiente de la Tierra, de manera que minimiza el impacto ambiental adverso y, de
hecho, se mejore la calidad del medio ambiente en su conjunto.
Ecología industrialEcología industrial: Prestación de bienes y servicios por parte de la industria con procesos que
interactúan de manera análoga a los organismos en los ecosistemas naturales: Mejorar eficiencia
en el uso de materiales y energía, mayor reciclaje y reutilización de materiales, ciclos de vida más
largos en los productos y menor producción de residuos nocivos para el ambiente.
Ecología industrialEcología industrial: Prestación de bienes y servicios por parte de la industria con procesos que
interactúan de manera análoga a los organismos en los ecosistemas naturales: Mejorar eficiencia
en el uso de materiales y energía, mayor reciclaje y reutilización de materiales, ciclos de vida más
largos en los productos y menor producción de residuos nocivos para el ambiente.
Impulso de la química verdequímica verde, definida como la práctica de la química y la fabricación de bienes de
manera sostenible, segura y no contaminante, con un mínimo consumo de materiales y energía y
muy baja o ninguna producción de materiales de desecho.
Impulso de la química verdequímica verde, definida como la práctica de la química y la fabricación de bienes de
manera sostenible, segura y no contaminante, con un mínimo consumo de materiales y energía y
muy baja o ninguna producción de materiales de desecho.
La química toxicológica cobra gran importancia en el contexto de la
química verde.

32. Lecturas suplementarias.Lecturas suplementarias.
Baird, C. Química ambiental. Editorial Reverté S.A., Barcelona, MA,
2001.
Colonna, P. La química verde. Acribia Editorial, 7ª edición.
Zaragoza, 2010.
Domenech, X. Química ambiental: El impacto ambiental de los
residuos. Miraguano Ediciones, Madrid, 1993.
Manahan, S.E. Introducción a la química ambiental. Editorial
Reverté - UNAM, Barcelona, 2007.