Termodinamica Celular

Termodinámica celular

La Termodinámica y física térmica están relacionadas con una gran cantidad de fenómenos los cuales son, literalmente, vitales para la estructura, el funcionamiento y la salud de las células. Algunos de estos incluyen la temperatura, la energía, la entropía, las concentraciones, los movimientos moleculares, la electroquímica, la presión osmótica, las velocidades de reacción, los cambios de agregación molecular de fase y mucho más. El artículo discutido en este ensayo explica estas ideas.

Toda célula viva para la realización de sus funciones vitales (reproducción, nutrición, relación) necesita energía. Definiremos de manera sencilla a la termodinámica como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo, por lo que podemos decir que la termodinámica es la ciencia de la energía; mientras que la energía se considera como la capacidad para causar cambios. La definición como tal no nos proporciona la magnitud de la importancia de la termodinámica en las funciones celulares pero nos da el punto de partida para empezar un análisis más detallado. El enfoque del artículo es presentar las ideas importantes y globales con ejemplos biológicos iniciando a nivel macromolecular para posteriormente centrarse en explicaciones a nivel molecular. Se tratan omitir algunas variables matemáticas que son comúnmente utilizadas en los libros de texto para facilitar su comprensión.

Para tratar de comprender la relación entre la termodinámica y los fenómenos en los cuales esta se relaciona iniciaremos definiendo algunos conceptos e ideas claves. Uno de los frecuentemente usados y que en mi opinión está presente condicionando una gran cantidad de fenómenos es el equilibrio que por definición es alcanzado cuando el correspondiente parámetro deja de variar con el tiempo. En algunos casos el equilibrio se alcanza por una proximidad. Así dos células adyacentes por lo general se encuentran muy cerca tanto del equilibrio térmico como hidráulico debido a su proximidad, si existiera una diferencia de temperatura entre ellas, el calor fluiría rápidamente de la más caliente a la más fría*. Del mismo modo el agua por lo general puede entrar y salir de las células de manera relativamente rápida, debido a la permeabilidad de las membranas al agua. Es importante mencionar que para alcanzar el estado de equilibrio o lo más cercano a este, algunos sistemas pasan por un estado estacionario, en estado estacionario, la energía y/o materia entrar en el sistema y deja el sistema a la misma velocidad. La energía puede dejar una forma diferente o una temperatura diferente, por ejemplo, una porción de la piel humana se aproxima estado estacionario con respecto a algunas variables: se pierde calor, agua y algunos compuestos volátiles por radiación y evaporación, pero los reciben mediante conducción, difusión y penetración. Un estado estacionario es una aproximación más cercana de las conductas biológicas que son de interés.

Ahora continuaremos comentando algunas ideas importantes sobre transmisión de calor y formas de energía. En un sentido, la radiación ultravioleta (UV) y la luz visible e infrarroja (IR) radiación (calor radiante) difieren sólo cuantitativamente, todas son ondas electromagnéticas, pero tienen diferente longitud de onda. En bioquímica, la diferencia es cualitativa, la luz visible y UV son energía útil ya sea para la fotosíntesis o fotorrecepción. Luz de un color dado tiene una cantidad mínima o quantum de energía. Este es transportado por un fotón. Un fotón puede ser imaginado como un minimo "paquete de energía", mientras está transita como la luz. Para el sol, la mayor parte de la energía se realiza por los fotones con longitudes de onda de típicamente 0.5 µm (luz visible) que da 250 kJ por 'mol de fotones'. Para los seres vivos, los valores correspondientes son 10 µm (infrarrojo lejano) que corresponde a 10 kJ por 'mol de fotones'. Los fotones con esta energía pueden activar muchas reacciones químicas directamente como la fotosíntesis y la visión. La energía cuántica de la radiación infrarroja de un cuerpo normalmente sólo puede activar una reacción indirectamente. La diferencia entre la energía química "útil" (luz o UV), y la energía "residuos" (calor infrarrojo) se puede cuantificar utilizando el concepto de entropía. Cuando una cantidad de calor ΔQ se transfiere a la temperatura T, el sistema gana el calor y su entropía aumenta por ΔQ / T. Así la luz solar es radiación con baja entropía (debido a que el sol tiene una temperatura de radiación muy elevada*). Este tema desde el punto de vista biológico es común, la energía se adquiere a partir de fuentes de baja entropía, y se utiliza en una variedad de diferentes mecanismos bioquímicos, fisiológicos y ecológicos.

Sin embargo aun con todos estos conceptos no se alcanza a esclarecer la importancia de la termodinámica en las funciones celulares, pero ahora tenemos una visión un poco más detallada sobre esta. Las visualizaciones macroscópicas y microscópicas nos ayudaran a profundizar un poco más. Una célula contiene quizás 10^14 moléculas, y nosotros podemos definir y medir parámetros tales como la temperatura, la presión dentro de una vacuola, la tensión en una membrana entre otros; esto es el dominio de la termodinámica, de ahí la importancia de esta disciplina que deriva del hecho de que a menudo se puede aplicar la termodinámica para el comportamiento global de los sistemas sin conocer los detalles moleculares, que en algunos sistemas microscópicos son desconocidos, Ya que algunos conceptos que son obvios a nivel macroscópico a nivel molecular no lo son. Esta ciencia se apoya en algunas otras para tratar de explicar el comportamiento de estos sistemas, de los pilares principales podemos mencionar la ley cero (equilibrio térmico), la 1ra ley (conservación de la energía), la 2da ley (entropía total de un sistema > ó = 0) y la 3ra ley (no 0 de temperatura). Estas leyes se aplican a los sistemas macroscópicos, donde la entropía y la temperatura tienen un significado claro y donde el calor se distingue claramente de otras formas de energía. A nivel microscópico, se pueden aplicar a un gran número de moléculas de una manera estadística, pero no a las moléculas individuales.

Hablando sobre la distribución de las moléculas y energía, en el equilibrio, esta dada generalmente por la distribución de Boltzmann que explica varios fenómenos importantes como el equilibrio iónico y químico, velocidades de reacción, presión osmótica y más. Se puede ver como un equilibrio que implique la energía y la entropía: un tema importante en la física celular y bioquímica. En el estado de entropía más alta, todas las moléculas

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