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ELEMENTOS DE TERMODINÁMICA DE LOS SERES VIVOS

Entalpía

En las reacciones biológicas, la noción de “contenido de calor” o entalpía es

esencial. Así, podemos escribir:

H = H1 – H0

Siendo H0 la entalpía al estado inicial, y H1 al estado final. Cuando H es positivo

(o sea H1> H0), la reacción es endotérmica, puesto que el contenido calórico en el

estado final es mayor que en el inicial, y cuando es negativo (o sea H1< H0), exotérmica,

puesto que se desprende calor al ser el contenido calórico del estado final menor que el

del estado inicial. Así, en la degradación de la glucosa: H = –673 Cal.

Pero, si en lugar de referirnos al contenido de calor, analizamos las variaciones de

energía libre (donde 0 y 1 corresponden, respectivamente, a los estados inicial y final),

tendremos:

G = G1 – G0

Si G es positivo, se dice que la reacción es endorgónica (incorpora energía); si es

negativo, se dice que es exergónica (desprende energía). En el caso de la degradación de

la glucosa: G = –686 Cal. Escribimos:

H = G + Q

De donde:

Q = H - G

Y reemplazando valores:

Q = –673 Cal – (–686 Cal) = –673 Cal + 686 Cal = 13 Cal

En términos más simples: H (< 0) es el calor de reacción o calor total

desarrollado en la reacción; G (< 0) es el trabajo máximo obtenido durante la reacción;

y Q = TS, donde T: temperatura (en ºK) y S: la variación de entropía, o sea la

energía no aprovechable como trabajo.

Si se cambian las condiciones del experimento, y en lugar de trabajar a presión

atmosférica se lo hace a presión reducida, las magnitudes cambian. Vemos en el caso de

la glucosa:

Presión de oxígeno H < 0 G < 0 Q > 0

1 atmósfera –673 Cal –686 Cal 13 Cal

0,2 atmósfera –673 Cal –708 Cal 35 Cal

En este ejemplo se puede comprobar que hay aumento de energía utilizable, aun

cuando se mantiene constante el calor de reacción. En consecuencia, en los fenómenos

biológicos es necesario prestar atención al trabajo máximo1, y no a la variación de

entalpía, como pensaba Berthelot. 1O sea a G, es decir la variación de energía libre o de Gibbs, que es la parte de la energía “aprovechable” como

trabajo.

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Entropía

Acabamos de ver la importancia de la noción de entropía en las reacciones

bioquímicas. La entropía que corresponde a la energía desarrollada en una reacción, y

que no se convierte en trabajo, está sometida al siguiente principio, denominado

también Segundo Principio de la Termodinámica: «En todas las modificaciones de

estado irreversibles, sin intercambio de calor con el exterior, la entropía aumenta». Lo

que se puede traducir escribiendo:

S = S1 – S0

Dondesiempre: S1>S0 .·. S > 0

Abramos un breve paréntesis en relación a este segundo principio que tiene por

consecuencia, como lo acabamos de ver, la degradación de la energía; es decir, de hacer

siempre menor la porción de energía aprovechable en trabajo mecánico. Este principio puede,

entonces, conceptuarse como un «principio de muerte» (Ch. E. Guye), puesto que lleva nuestro

universo hacia la igualdad de la temperatura, y en nuestra escala, a la inmovilidad. Los seres

vivos y en particular las plantas, se oponen a esta degradación de la energía. Gracias a la

fotosíntesis, los vegetales clorofilianos, en presencia de energía solar, realizan reacciones

endotérmicas y almacenan, así, energía potencial. Se puede encontrar en este hecho un ejemplo

clásico de organismos que se oponen al principio de degradación de energía.

Lo que acabamos de ver nos lleva a estudiar la reacción energética de la

fotosíntesis:

6CO2 + 6H2O + energía solar → C6H12O6 + 6O2 + energía potencial

Los valores entrópicos de los elementos que participan en esta reacción son los

siguientes:

Sustancias S0 en Cal/grad.

(25ºC; 1 atm)

Oxígeno…………………………………………………

Anhídrido carbónico……………………………………

Agua…………………………………………………….

Glucosa………………………………………………….

49,02

51,08

16,75

50,50

Y si consideramos igual a cero la entropía de la radiación solar, podemos escribir:

S = (50,50 + 6×49,02) – (6×51,08 + 6×16,75) = 344,62 – 406,98 = –62,36

Si la reacción se desarrollara de acuerdo con el Segundo Principio, la variación de

entropía debería ser igual o mayor que cero; observamos que S es negativo, lo cual

confirma lo que hemos señalado más arriba (la fotosíntesis almacena energía potencial).

Sin embargo, no todos los investigadores están de acuerdo con este punto de vista.

Si, por ejemplo, hacemos intervenir la relación S = S’ = 0 y S’ = W/T (podemos

hacerlo, dado que el proceso es reversible), veremos que es necesario que S’ sea al

menos igual a +62,36, y si trabajamos a 25ºC (o sea una temperatura de 298º Kelvin), W

deberá ser igual a 18,6 Cal (Borsook). Pero ahora debemos hacer intervenir la noción de

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rendimiento, y como sabemos que la entalpía H para las reacciones fotosintéticas es

igual a +673 Cal, podemos reemplazar en la fórmula de rendimiento R, los valores

encontrados:

R = W ·H = 673; para W = 18,6 Cal, tendremos R = 97%

H + W

Este rendimiento del 97% es el máximo compatible con el Segundo Principio.

Pero determinaciones experimentales dan valores más reducidos (del 5 al 58%), lo que

prueba que el valor atribuido a W (de 18,6 Cal) era demasiado pequeño, pero es

imposible determinar esta magnitud experimentalmente. Por otra parte, los cálculos de

termodinámica aplicados a los procesos biológicos son extremadamente delicados, y

con frecuencia han llevado a los biofísicos a conclusiones erróneas. Veamos un

ejemplo, que tomamos de la formación de nitratos por las bacterias que se encuentran en

las nudosidades de las leguminosas:

N2 + 5/2O2 + H2O → 2H+ + NO3

–

Se observa que la variación de energía libre utilizable G = 185 Cal. Como es un

valor positivo, se puede deducir que la energía libre ha aumentado (Burdick, Freed); en

realidad, en los tejidos vegetales las condiciones son completamente diferentes: el

oxígeno actúa a presiones más reducidas que la atmosférica (0,2 atm, por ejemplo). Ya

vimos que el factor presión influye marcadamente en el proceso de degradación de la

glucosa; esto vale también para la síntesis de nitratos, y un nuevo cálculo (Burk) nos da

un G = –7,8 Cal, desarrollándose la reacción por sí misma, pues la energía libre

disminuye a medida que se elaboran los nitratos. Se ha introducido (Schrödinger) una

noción interesante en los procesos biológicos, la denominada entropía negativas. Así

tenemos:

s = –S = K·lnD-1

Donde S = entropía; K, una constante de proporcionalidad; D, la probabilidad que

representa el desorden, siendo su inversa D-1

la correspondiente al orden, y ln el

logaritmo natural.

Llegamos, así, a una concepción moderna del equilibrio termodinámico del

organismo vivo. Mientras está con vida, trata de mantener el orden en la materia que lo

compone, y debe tomar entonces, del medio donde se encuentra, esa entropía negativa.

Para los biofísicos de hoy, esos cambios de entropía son fundamentales, y consideran

que el intercambio de materia es, para el metabolismo celular, un fenómeno de segundo

orden. La absorción de entropía negativa permite al ser vivo luchar contra la aparición

de la entropía. Pero, al envejecer, disminuye la captación de entropía negativa, y el

máximo de entropía se hace posible, lo que significa la muerte del organismo.