Los caminos del NITRÓGENO en los PROCESOS BIOLÓGICOS: importancia biológica, fuentes naturales, formas utilizables y fijación abiótica

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Hola amigos. Gracias por leer y por su apoyo. Desde hoy comenzamos a recorrer los caminos biológicos del nitrógeno:

Fig. 1. Nitrógeno molecular. Elaborado por:

@josedelacruz

Los elementos químicos que forman o constituyen a los seres vivos son llamados bioelementos. Con ellos, los seres vivos, fabrican o construyen todas las sustancias o moléculas necesarias para el mantenimiento de la vida.

Sin embargo, no todos se utilizan en la misma cantidad. Los más utilizados son el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre por lo que son llamados elementos primarios. De estos seis elementos, realmente, los más utilizados son los cuatro primeros constituyendo el 95% de la materia que forma a los seres vivos.

El resto de los elementos químicos (hierro, calcio, potasio, cloro, sodio, etc) son utilizados en menor proporción por lo que son llamados elementos secundarios.

Hagamos una representación de los bioelementos tomando en cuenta la cantidad utilizada:

Fig. 2. Bioelementos. De los elementos primarios el carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno (recuadro azul) son los más utilizados para formar la materia viviente constituyendo un 95 % de ella. Elaborado por:

@josedelacruz

Todos los bioelementos siguen rutas o caminos en la naturaleza que se entrecruzan. Esas rutas o caminos son llamadas comúnmente ciclos biogeoquímicos. De ellos nos interesa el de los elementos primarios y más específicamente el del nitrógeno.

No obstante, en este post, les vamos a llamar LOS CAMINOS DEL NITRÓGENO EN LOS PROCESOS BIOLÓGICOS.

Para recorrer esos caminos biológicos del nitrógeno tomaré en cuenta los siguientes puntos:

• Importancia biológica.

• Fuentes naturales.

• Formas utilizables.

• Fijación abiótica.

• Fijación biótica.

• Efectos de la intervención humana.

Comencemos.

La utilidad biológica del nitrógeno radica en que es un elemento necesario para la formación de importantes biomoléculas orgánicas de los seres vivos. El nitrógeno presente en estas biomoléculas es conocido como nitrógeno orgánico .

Veamos algunas de las biomoléculas orgánicas que contienen nitrógeno.

En las proteínas (biomoléculas de funciones estructurales, enzimáticas, hormonales, inmunológicas, etc) forman parte de los aminoácidos haciendo presencia en su grupo amino (Fig. 3). Recordemos que una proteína puede estar constituida por centenares o miles de aminoácidos.

Fig. 3. Estructura de un aminoácido. Obsérvese la presencia del nitrógeno en el grupo amino (en verde). Imagen de Basquetteur en Wikimedia Commons (CC BY- SA 3.0).

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En los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son piezas fundamentales de los nucleótidos ya que forman parte de las bases nitrogenadas(Fig. 4). Recordemos que los ácidos nucleicos contienen la información genética por lo que están presentes en todas las células. Por otro lado, un ácido nucleico puede llegar a estar formado por millones de bases nitrogenadas.

Fig. 4. Bases nitrogenadas. Nótese la cantidad de nitrógeno en cada base nitrogenada. Imagen de Alejandro Porto en Wikimedia Commons (CC BY- SA 3.0). Modificada en Paint por:

josedelacruz

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Debe señalarse que los nucleótidos y los nucleósidos (sin el ácido fosfórico), y con ellos las bases nitrogenadas, cumplen con otras funciones dentro de los seres vivos. Entre ellas destaca la función transportadora (acepta y cede energía) de energía del nucleótido conocido como ATP (adenosín trifosfato).

En las clorofilas, biomoléculas indispensables para la realización de la fotosíntesis, forman parte del anillo de porfirina (Fig. 5) que es el encargado de absorber la energía luminosa.

Fig. 5. Estructura de la molécula de clorofila a. Obsérvese el nitrógeno existente en el anillo de porfirina (en verde). Imagen de Yikrazuul en Wikimedia Commons (Dominio Público). Modificada en Paint por:

@josedelacruz

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Cabe destacar que las porfirinas forman parte de otras biomoléculas de gran importancia como hemoglobinas y citocromos.

Todo lo anterior pone en evidencia el papel fundamental que juega el nitrógeno en los procesos biológicos.

Hagamos un esquema que nos muestre algunas de las biomoléculas orgánicas donde está presente el nitrógeno:

Fig. 6. Algunas de las biomoléculas orgánicas que contienen nitrógeno. Elaborado por:

@josedelacruz

La fuente natural y principal del nitrógeno es la atmósfera de la cual constituye el 78 % de su composición (Fig. 7). Esto ocasiona que el resto de nitrógeno existente en la naturaleza dependa de esta fuente.

Fig. 7. Proporción de gases de la atmósfera. El nitrógeno constituye aproximadamente el 78 % de la atmósfera. Imagen de Nicolás Lichtmaier en Wikimedia Commons (Dominio Público). Modificada en Paint por:

@josedelacruz

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Además de la atmósfera, en la naturaleza se encuentra nitrógeno en las rocas, el suelo, los cuerpos de agua (océanos, lagos, lagunas, etc) y en todos los seres vivos y sus restos y desechos.

El nitrógeno circula por todas esas fuentes partiendo de la atmósfera para recorrerlas a todas siguiendo diversos caminos para regresar de nuevo a la atmósfera y emprender de nuevo el camino una y otra vez.

Esos diversos caminos son los que presentaremos más adelante.

Hemos señalado que la atmósfera es la fuente principal de N2. Sin embargo, el N2 no es utilizable por gran parte de los seres vivos. Solo algunos organismos, como veremos más adelante, son capaces de hacerlo y pasarlo a una forma que puede ser utilizada en primer lugar por los vegetales y posteriormente por el resto de los seres vivos.

¿Pero cuáles son estas formas utilizables por los vegetales?

Las formas de nitrógeno más utilizables por los vegetales son el amoníaco (NH3), el amonio (NH4) y el nitrato (NO3-). Estas son incorporadas por los vegetales y utilizadas, como ya vimos, en la elaboración de proteínas, aminoácidos, etc, llamándose ahora nitrógeno orgánico. Existen otras formas de nitrógeno que pueden utilizadas por los vegetales como la urea pero en menor cantidad que los anteriores.

Representemos gráficamente estas diversas formas del nitrógeno en la naturaleza:

Fig. 8. Diversas formas como puede presentarse el nitrógeno en la naturaleza. Elaborado por:

@josedelacruz

Ahora bien ¿De dónde salen? ¿Cómo llega el N2 a convertir en ellos?

A esos caminos, desde el N2 hasta las formas utilizables, se les conoce como fijación del nitrógeno.

Pero existen dos tipos de fijación del nitrógeno: la abiótica y la biótica. En este post nos dedicaremos a desarrollar la fijación abiótica dejando para el próximo la fijación biótica.

El nitrógeno atmosférico (N2) por la acción de la energía de rayos, relámpagos, incendios, etc, puede reaccionar con el oxígeno y formar nitratos. Este proceso se conoce como fijación abiótica del nitrógeno. Estos nitratos, formados de esta manera, son llevados por la lluvia al suelo y a los cuerpos de agua.

Representemos gráficamente este hecho tomando como ejemplo a los rayos:

Fig. 9. Formación de nitratos por acción de los rayos. La energía de los rayos permite la unión del nitrógeno (N2) con el oxígeno (O2) formándose nitrato (NO3-). El nitrato formado es llevado por las lluvias al suelo y a los cuerpos de agua. Elaborado por:

@josedelacruz

Los nitratos, obtenidos por cualquier vía, pueden ser absorbidos por los vegetales y ser incorporados como nitrógeno orgánico. Una vez incorporados a los vegetales pasan a los animales (herbívoros) y de estos a otros animales (carnívoros).

Sin embargo, también pueden seguir otros caminos. Muchos de ellos son sometidos a la acción de bacterias desnitrificantes las cuales, a través de varios procesos, lo convierten de nuevo en nitrógeno atmosférico (N2).

Otros pueden ser arrastrados por el agua a capas más profundas del suelo donde quedan fuera del alcance de los vegetales. Este proceso se conoce como lixiviación y constituye un problema para la producción agrícola.

Representemos estos nuevos caminos:

Fig. 10. Fijación abiótica del nitrógeno y sus caminos. La energía de los rayos, relámpagos, erupciones, etc, permiten la combinación de N2 y el O2 formándose nitratos. Parte de estos nitratos, una vez en el suelo y en los cuerpos de agua, son utilizados e incorporados por los vegetales para luego pasar a los herbívoros y luego a los carnívoros. Otra parte es convertida en N2 por las bacterias desnitrificantes volviendo a la atmósfera y otra, por lixiviación, pasa a suelos más profundos. Elaborado por:

@josedelacruz

En la Fig. 10 se observa que el N2 realiza el siguiente recorrido:

El nitrógeno, pasa de la atmósfera al suelo en forma de nitrato, luego es convertido de nuevo en N2 por las bacterias desnitrificantes y es devuelto a la atmósfera. Este es uno de los recorridos en ciclo que realiza el nitrógeno en la naturaleza y que se complementa con el que sucede en la fijación biótica. Tema del próximo post.

Debe señalarse en este punto que la disolución de las rocas también aporta nitratos al ambiente. Este nitrato una vez en suelo o en los cuerpos de agua sigue los mismos caminos del nitrato formado por la acción de los rayos.

Lecturas recomendadas:

• Ácido Nucleico. Wikipedia

• Amonio. Wikipedia

• Ciclo biogeoquímico. Wikipedia

• El ciclo del Nitrógeno. cK-12

• Fijación del nitrógeno. Wikipedia

• García Flores Eduardo. Los bioelementos básicos de la vida. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo

• González Carlos (Ing. Agr.). Ácidos Nucleicos

• Introducción a las proteínas y los aminoácidos. Khan Academy

• Ion Amonio. EcuRed

• Molina C. Javier A. Nitrógeno y fertilizantes nitrogenados. Monografías.com

• Nitrato. Wikipedia

• Nitrógeno. Wikipedia

• Nitrógeno y medio ambiente – Lixiviación, Volatización y óxidos de nitrógeno. AgroES.es

• Pereira Marcia. Fijación del nitrógeno. SlideShare

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• Ser vivo. Wikipedia

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Es muy interesante el estudio de estos ciclos biogeoquimicos. Me llama mucho la atención la referencia que se hace en cuanto al aporte de nitratos al ambiente que puede hacer la roca en su proceso de descomposición, puesto que desde la parcela del conocimiento de la Mecánica de Suelos, nos enfocamos en ver la descomposición de la roca como ese paso que antecede a la formación del suelo. Excelente publicación compañero @josedelacruz, éxitos y bendiciones!

Hola amigo @eliaschess333. La descomposición de las rocas aporta muchos minerales que son arrastrados por las corrientes de agua. Por ello. cuando los ríos se desbordan y cubren mucho territorio expanden estos minerales lo que hace a estos terrenos muy fértiles. El ser humano se ha beneficiado de este hecho por muchísimo tiempo. Saludos.




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Saludos @josedelacruz. Ciertamente el nitrógeno es uno de los elementos esenciales para el sustento de la vida, es interesante la gran cantidad de elementos nitrogenados que podemos encontrar formando parte de nuestro sistema, solo por mencionar los aminoácidos como bien reseñas, además de la importancia que tiene la fijación de nitrógeno por su contribución a la nutrición de las plantas. Excelente aporte!