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W2018_Bis2A_Lecture07_reading - Biología

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Materia y energía en biología

Materia y energía

Los conceptos de materia y energía son fundamentales para todas las disciplinas científicas. El término se usa en una variedad de contextos en la vida cotidiana:

  • “¿Podemos mover el sofá mañana? No tengo la energía ".
  • “¡Oye amigo! Apaga la luz. Necesitamos conservar energía ".
  • "Esta es una gran bebida energética".

En muchas clases de ciencias, se les dice a los estudiantes que la energía se presenta en diferentes formas (es decir, cinética, térmica, eléctrica, potencial, etc.), lo que dificulta entender exactamente qué “es” la energía. En clase, el concepto de energía también se asocia a multitud de ecuaciones distintas, cada una con distintas variables, pero que de alguna manera todas parecen acabar teniendo unidades de trabajo. ¡Esperar! ¿Trabaja? ¡¿Pensé que estábamos hablando de energía ?!

Dados todos los contextos diferentes y, a veces, tratamientos y definiciones aparentemente contradictorios, no es difícil entender por qué estos temas parecen desafiantes para muchos estudiantes y, en algunos casos, terminan alejándolos de los campos que hacen un uso intensivo de estas ideas. Si bien los conceptos de materia y energía se asocian con mayor frecuencia con la química y la física, no obstante son ideas centrales en biología y no rehuimos esto en BIS2A. Nuestras metas educativas, sin embargo, son ayudar a los estudiantes a desarrollar un marco conceptual que los ayudará a usar los conceptos de materia y energía para:

  • describir con éxito reacciones y transformaciones biológicas;
  • crear modelos e hipótesis sobre "cómo funcionan las cosas" en biología que incluyan explícitamente materia y energía;
  • Sea científicamente correcto y transfiera estas ideas a nuevos problemas así como a otras disciplinas.

Si bien puede haber un par de ecuaciones relacionadas con la energía para aprender y usar en BIS2A, el enfoque principal del curso será el desarrollo sólido de los conceptos de energía y materia y su uso en la interpretación de fenómenos biológicos.

Motivación para aprender sobre la materia y la energía

Las discusiones sobre la materia y la energía hacen que muchos, pero no todos, los estudiantes de BIS2A estén un poco preocupados. Después de todo, ¿no son estos temas que pertenecen a la química o la física? Sin embargo, las transformaciones de la materia y la transferencia de energía no son fenómenos reservados a los químicos y físicos o incluso a los científicos e ingenieros en general. Comprender, conceptualizar y hacer una contabilidad básica de las transformaciones de la materia y las transferencias de energía son habilidades fundamentales independientemente de la ocupación o la formación académica. El científico puede necesitar descripciones más rigurosas y sistemáticas de estas transformaciones que el artista, pero ambos hacen uso de estas habilidades en varios puntos de su vida personal o profesional. Tome los siguientes ejemplos:

Ejemplo 1: Transformación de materia y energía en el calentamiento global

Consideremos por un momento un tema que nos afecta a todos, el calentamiento global. En esencia, se encuentra un modelo relativamente simple que se basa en nuestra comprensión de la energía en la radiación solar, la transferencia de esta energía con la materia en la Tierra y el papel y el ciclo de los gases clave que contienen carbono en la atmósfera de la Tierra. En términos simples, la energía solar golpea la tierra y transfiere energía a su superficie, calentándola. Parte de esta energía se transfiere de regreso al espacio. Sin embargo, dependiendo de la concentración de dióxido de carbono (y otros llamados gases de efecto invernadero), diferentes cantidades de esta energía pueden quedar "atrapadas" en la atmósfera de la Tierra. Se atrapa muy poco dióxido de carbono y relativamente poca energía / calor: la Tierra se congela y se vuelve inhóspita para la vida. Se atrapa demasiado dióxido de carbono y demasiado calor: la Tierra se sobrecalienta y se vuelve inhóspita para la vida. Es lógico, por lo tanto, que los mecanismos (biológicos u otros) que influyen en los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera pueden ser importantes a considerar en la historia del calentamiento global y que desarrollar una buena comprensión de los fenómenos del calentamiento global requiere que uno rastree el el flujo del carbono y el oxígeno (materia) a través de sus diferentes formas y los mecanismos por los cuales la energía se transfiere hacia y desde los diferentes componentes del sistema.

Ejemplo 2: Contracción muscular

Consideremos ahora un ejemplo más personal, la flexión de un brazo comenzando desde una posición extendida y terminando en una posición flexionada. Como la mayoría de los procesos, éste se puede describir y comprender en varios niveles de detalle: desde el punto de vista anatómico, donde el sistema consta de músculos, piel y huesos, hasta el molecular, donde el sistema se compone de biomoléculas individuales que interactúan. En cualquier nivel de detalle, si queremos crear una historia que describa este proceso, sabemos que: (a) la descripción debe incluir una explicación de lo que sucedió con la materia en el sistema (esto incluye el cambio en la posición de las moléculas que componen las diversas partes del brazo y el combustible "quemado" para moverlo) y (b) que se quemó algo de combustible para iniciar el movimiento y, por lo tanto, que cualquier descripción del proceso también debe incluir un cambio contable en la energía del sistema . En términos más simples, esto en realidad es solo decir que si desea describir un proceso en el que ha sucedido algo, debe describir qué sucedió con las "cosas" en el sistema y qué sucedió con la energía en el sistema para que el proceso suceda. .

No podemos cubrir todos los ejemplos de transferencia de materia y energía en BIS2A. Sin embargo, exploraremos estos problemas a menudo y practicaremos la descripción de las transformaciones que ocurren en la naturaleza con una atención estructurada y explícita a lo que está sucediendo con la materia y la energía en un sistema a medida que cambia. Haremos este ejercicio en diferentes niveles estructurales de la biología, desde el nivel molecular (como una reacción química única) hasta modelos abstractos y de mayor escala como el ciclo de nutrientes en el medio ambiente. Practicaremos esta habilidad mediante el uso de una herramienta pedagógica que llamamos "La historia de la energía". ¡Prepárate para participar!

Energía

La energía es un concepto central en todas las ciencias. La energía es una propiedad de un sistema. Si bien no se puede crear ni destruir, comprender la transferencia de energía alrededor de los sistemas físicos es un componente clave para comprender cómo y por qué cambian las cosas. En las siguientes secciones, vamos a explorar algunos conceptos básicos asociados con las transformaciones comunes en biología y química: la solubilidad de varias biomoléculas, la formación y ruptura de enlaces químicos, la transferencia de electrones, la transferencia de energía hacia y desde la luz, y la transferencia de energía en forma de calor. En clase, muchas de las discusiones se llevarán a cabo en el contexto de la Historia de la energía rúbrica, por lo que cuando consideremos una reacción de transformación, nos interesará definir con precisión el sistema en cuestión y tratar de dar cuenta de todas las diversas transferencias de energía que ocurren dentro del sistema, asegurándonos de que cumplimos con las Ley de la conservación de la energía.

Hay muchos ejemplos en los que usamos el concepto de energía en nuestra vida cotidiana para describir procesos. Un ciclista puede ir en bicicleta al campus para la clase. El acto de moverse ella misma y su bicicleta del punto A al punto B se puede explicar hasta cierto punto examinando las transferencias de energía que tienen lugar. Podemos ver este ejemplo a través de una variedad de lentes, pero, como biólogos, lo más probable es que queramos comprender la serie de eventos que explican cómo se transfiere la energía de las moléculas de los alimentos a la actividad coordinada de las biomoléculas en el músculo flexionado de un ciclista. , y finalmente, al movimiento de la bicicleta desde el punto A al punto B. Para hacer esto, necesitamos poder hablar sobre varias formas en las que la energía se puede transferir entre las partes de un sistema y dónde se almacena o se transfiere. del sistema. En la siguiente sección, también veremos la necesidad de considerar cómo se distribuye esa energía entre los muchos microestados (estados moleculares) del sistema y su entorno.

¿Cómo abordaremos la conceptualización de la energía?

En BIS2A pensaremos en la energía con una metáfora de "cosas". Sin embargo, tenga en cuenta que la energía es NO una sustancia, es más bien una propiedad de un sistema. Pero lo consideraremos, en cierto sentido, como una propiedad que puede almacenarse en una parte de un sistema físico y transferirse o "trasladarse" de un lugar de almacenamiento a otro. La idea es reforzar la idea de que la energía mantiene su identidad cuando se transfiere, no cambia de forma per se. Esto, a su vez, también nos anima a asegurarnos de que la energía siempre tenga un hogar y que contabilicemos toda la energía de un sistema antes y después de una transformación; no solo se "hace" o se "pierde" (ambas ideas contradicen la Ley de Conservación de la Energía). Cuando se transfiere energía, por lo tanto, debemos identificar de dónde proviene y hacia dónde se dirige, ¡todo! Una vez más, no podemos simplemente perder algunos. Cuando se transfiere energía, debe haber algún mecanismo asociado con esa transferencia. Pensemos en eso para ayudarnos a explicar algunos de los fenómenos que nos interesan. Ese mecanismo es parte del "cómo" que a menudo nos interesa comprender. Finalmente, si hablamos de transferencia, debemos darnos cuenta de que ambos componentes, la parte del sistema físico que cedió energía y la parte del sistema que recibió esa energía, han cambiado de sus estados iniciales. Debemos asegurarnos de que estamos mirando todos los componentes de un sistema en busca de cambios en la energía al examinar una transformación.

Fuentes de energia

En última instancia, la fuente de energía para muchos procesos que ocurren en la superficie de la Tierra proviene de la radiación solar. Pero, como veremos, la biología ha sido muy inteligente al aprovechar una variedad de formas de energía para construir y mantener seres vivos. A medida que avanzamos en este curso, exploraremos una variedad de fuentes de energía y las formas en que la biología ha diseñado para transferir energía de estos combustibles.

Energía en reacciones químicas

Las reacciones químicas implican una redistribución de energía dentro de las sustancias químicas que reaccionan y con su entorno. Entonces, nos guste o no, necesitamos desarrollar algunos modelos que puedan ayudarnos a describir dónde está la energía en un sistema (tal vez cómo se "almacena" / distribuye) y cómo se puede mover en una reacción. Los modelos que desarrollemos no serán demasiado detallados en el sentido de que satisfarían a un químico o físico empedernido con su nivel de detalle técnico, pero esperamos que aún sean técnicamente correctos y no formen modelos mentales incorrectos que lo hagan. difícil de entender los "refinamientos" más tarde.

En este sentido, uno de los conceptos clave a entender es que vamos a pensar en la transferencia de energía entre las partes de un sistema. Intentaremos no pensar que se está transformando. La distinción entre "transferir" y "transformar" es importante. Este último da la impresión de que la energía es una propiedad que existe en diferentes formas, que se reforma de alguna manera. Un problema con el lenguaje de la "transformación" es que es difícil reconciliarse con la idea de que la energía se conserva (de acuerdo con la primera ley de la termodinámica) si cambia constantemente de forma. ¿Cómo se puede conservar la entidad si ya no es lo mismo? Además, la segunda ley de la termodinámica nos dice que ninguna transformación conserva toda la energía en un sistema. Si la energía se "transforma", ¿cómo se puede conservar?

Entonces, en cambio, vamos a abordar este problema transfiriendo y almacenando energía entre diferentes partes de un sistema y, por lo tanto, pensaremos en la energía como una propiedad que puede redistribuirse. Con suerte, eso facilitará la contabilidad de la energía.

PRECAUCIÓN:

Si vamos a pensar en transferir energía de una parte de un sistema a otra, también debemos tener cuidado con NO tratar la energía como una sustancia que se mueve como un fluido o "cosa". Más bien, necesitamos apreciar la energía simplemente como una propiedad de un sistema que se puede medir y reorganizar, pero que no es una "cosa" ni algo que está en un momento en una forma y luego en otra.

Dado que a menudo nos ocuparemos de transformaciones de biomoléculas, podemos comenzar pensando en dónde se puede encontrar / almacenar energía en estos sistemas. Comenzaremos con un par de ideas y luego les agregaremos más.

Propongamos que un lugar donde se puede almacenar energía es en el movimiento de la materia. Para abreviar, le daremos un nombre a la energía almacenada en movimiento: energía cinética. Las moléculas en biología están en constante movimiento y, por lo tanto, tienen una cierta cantidad de energía cinética (energía almacenada en movimiento) asociada a ellas.

Propongamos también que hay una cierta cantidad de energía almacenada en las biomoléculas mismas y que la cantidad de energía almacenada en esas moléculas está asociada con los tipos y números de átomos en las moléculas y su organización (el número y tipos de enlaces entre ellos). La discusión de exactamente dónde se almacena la energía en las moléculas está más allá del alcance de esta clase, pero podemos aproximarnos sugiriendo que un buen proxy está en los enlaces. Se pueden asociar diferentes tipos de enlaces con el almacenamiento de diferentes cantidades de energía. En algunos contextos, este tipo de almacenamiento de energía podría etiquetarse energía potencial o energía química. Con este punto de vista, una de las cosas que sucede durante la formación y ruptura de enlaces en una reacción química es que la energía se transfiere alrededor del sistema en diferentes tipos de enlaces. En el contexto de una historia energética, teóricamente se podría contar la cantidad de energía almacenada en los enlaces y el movimiento de los reactivos y la energía almacenada en los enlaces y la energía de los productos.

En algunos casos, puede encontrar que cuando suma la energía almacenada en los productos y la energía almacenada en los reactivos, estas sumas no son iguales. Si la energía de los reactivos es mayor que la de los productos, ¿adónde se fue esta energía? Tuvo que ser transferido a otra cosa. Algunos seguramente se habrán trasladado a otras partes del sistema, almacenados en el movimiento de otras moléculas (calentando el medio ambiente) o quizás en la energía asociada con los fotones de luz. Un buen ejemplo de la vida real es la reacción química entre la madera y el oxígeno (reactivos) y su conversión en dióxido de carbono y agua (productos). Al principio, la energía en el sistema está en gran parte en los enlaces moleculares del oxígeno y la madera (reactivos). Todavía queda energía en el dióxido de carbono y el agua (productos) pero menos que al principio. Todos apreciamos que parte de esa energía se transfirió a la energía en luz y calor. Esta reacción en la que la energía se transfiere al medio ambiente se denomina exotérmico. Por el contrario, en algunas reacciones, la energía se transferirá desde el medio ambiente. Estas reacciones son endotérmico.

La transferencia de energía dentro o fuera de la reacción del medio ambiente NO es lo único que determina si una reacción será espontánea o no. Hablaremos de eso pronto. Por el momento, es importante sentirse cómodo con la idea de que la energía se puede transferir entre los diferentes componentes de un sistema durante una reacción y que debería poder visualizar su seguimiento.

Termodinámica

La termodinámica se ocupa de describir los cambios en los sistemas antes y después de un cambio. Esto generalmente implica una discusión sobre las transferencias de energía y su dispersión dentro del sistema. En casi todos los casos prácticos, estos análisis requieren que el sistema y su entorno estén completamente descritos. Por ejemplo, cuando se habla del calentamiento de una olla de agua en la estufa, el sistema puede incluir la estufa, la olla y el agua, y el medio ambiente o los alrededores pueden incluir todo lo demás. Los organismos biológicos son los que se denominan sistemas abiertos; la energía se transfiere entre ellos y su entorno.

La primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica se ocupa de la cantidad total de energía en el universo. Afirma que esta cantidad total de energía es constante. En otras palabras, siempre ha habido, y siempre habrá, exactamente la misma cantidad de energía en el universo.

Según la primera ley de la termodinámica, la energía puede transferirse de un lugar a otro, pero no puede crearse ni destruirse. Las transferencias de energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Las bombillas transfieren energía de las centrales eléctricas en calor y fotones de luz. Las estufas de gas transfieren la energía almacenada en los enlaces de los compuestos químicos en calor y luz. (El calor, por cierto, es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro debido a una diferencia de temperatura).

Las plantas realizan una de las transferencias de energía biológicamente más útiles en la tierra: transfieren energía de los fotones de la luz solar a los enlaces químicos de las moléculas orgánicas. En cada uno de estos casos, la energía no se produce ni se destruye, y debemos tratar de dar cuenta de todos de la energía cuando examinamos algunas de estas reacciones.

La primera ley y la historia de la energía

La primera ley de la termodinámica es engañosamente simple. Los estudiantes a menudo comprenden que la energía no se puede crear ni destruir. Sin embargo, al describir la historia energética de un proceso, a menudo cometen el error de decir cosas como "la energía se produce a partir de la transferencia de electrones del átomo A al átomo B". Si bien la mayoría de nosotros entenderemos el punto que el estudiante está tratando de hacer, se están usando las palabras equivocadas. La energía no se hace ni se produce; simplemente se transfiere. Para ser consistente con la primera ley, al contar una historia de energía, asegúrese de intentar rastrear explícitamente todos los lugares donde TODA la energía en el sistema al comienzo de un proceso pasa al final de un proceso.

La segunda ley de la termodinámica

Un concepto importante en los sistemas físicos es el de entropía. La entropía está relacionada con las formas en que la energía se puede distribuir o dispersar dentro de las partículas de un sistema. La Segunda Ley de la Termodinámica establece que la entropía siempre está aumentando en un sistema. y su entorno (es decir, todo lo que está fuera del sistema).

Esta idea ayuda a explicar la direccionalidad de los fenómenos naturales. En general, la noción es que la direccionalidad proviene de la tendencia de la energía en un sistema a moverse hacia un estado de máxima dispersión. La Segunda Ley, por lo tanto, implica que en cualquier transformación, debemos buscar un aumento general en la entropía (o dispersión de energía), en algún lugar. A medida que aumenta la dispersión de energía en un sistema o sus alrededores, disminuye la capacidad de la energía para dirigirse hacia el trabajo.

Tenga en cuenta: encontrará muchos ejemplos en los que la entropía de un sistema disminuye en la zona. Sin embargo, de acuerdo con la Segunda Ley, la entropía de todo el universo puede Nunca disminución. Esto debe significar que hay un aumento igual o mayor de entropía en algún otro lugar de los alrededores (muy probablemente en un sistema estrechamente conectado) que compensa la disminución local.

La entropía de un sistema puede aumentar cuando:

  1. el sistema gana energía;
  2. se produce un cambio de estado de sólido a líquido a gas;
  3. se produce una mezcla de sustancias;
  4. el número de partículas aumenta durante una reacción.

Nota: posible discusión

¿La segunda ley dice que se conserva la entropía?

Nota: posible discusión

Los sistemas biológicos, en la superficie, parecen desafiar la Segunda Ley de la Termodinámica. No lo hacen. ¿Por qué?

Figura 1. Un aumento del trastorno puede ocurrir de diferentes maneras. Un cubo de hielo que se derrite en una acera caliente es un ejemplo. Aquí, el hielo se muestra como un copo de nieve, con moléculas de agua organizadas y estructuradas que forman el copo de nieve. Con el tiempo, el copo de nieve se derretirá en un charco de moléculas de agua desorganizadas que se mueven libremente. (Fuente)

Nota: posible discusión

Un buen punto. La Figura 1 anterior analiza el orden y el desorden y muestra que esto está relacionado de alguna manera con un cambio en la entropía (ΔS). Es común describir la entropía como una medida de orden como una forma de simplificar la descripción más concreta que relaciona la entropía con el número de estados en los que la energía se puede dispersar en un sistema. Si bien la idea de medir el orden para definir la entropía tiene algunos defectos, a veces es un proxy útil, aunque imperfecto. Considere la figura de arriba. Aquí, el orden sirve como un buen proxy para aproximar el número de formas de distribuir energía en el sistema. ¿Puede describir por qué es así?

Si consideramos la primera y la segunda leyes juntas, llegamos a una conclusión útil. Siempre que la energía se transfiere o redistribuye dentro de un sistema, la entropía debe aumentar. Este aumento de entropía está relacionado con lo "útil" que es la energía para realizar un trabajo. Recuerde nuevamente que esta energía generalmente se vuelve cada vez menos disponible a medida que aumenta la entropía.

Concluimos que si bien toda la energía debe conservarse, si el cambio requerido aumenta la entropía, significa que parte de la energía se distribuirá de una manera que la hará menos útil para el trabajo. En muchos casos, particularmente en biología, parte del aumento de la entropía puede atribuirse a una transferencia de energía al calor en el medio ambiente.

Energía gratis

Si queremos describir transformaciones, es útil tener una medida de (a) cuánta energía hay en un sistema, (b) la dispersión de esa energía dentro del sistema y, por supuesto, (c) cómo estas cambian entre los inicio y final de un proceso. El concepto de energía gratis, a menudo referida como energía libre de Gibbs o entalpía libre (abreviada con la letra G), en cierto sentido, hace precisamente eso. La energía libre de Gibbs se puede definir de varias formas interconvertibles, pero una útil en el contexto de la biología es la entalpía (energía interna) de un sistema menos la entropía del sistema escalada por la temperatura. La diferencia de energía libre cuando tiene lugar un proceso a menudo se informa en términos del cambio (Δ) de entalpía (energía interna) denotado H, menos el cambio escalado de temperatura (Δ) en entropía, denotado S. Consulte la ecuación a continuación.

ΔG = ΔH − TΔS

La energía de Gibbs a menudo se interpreta como la cantidad de energía disponible para realizar un trabajo útil. Con un poco de movimiento de la mano, podemos interpretar esto invocando la idea presentada en la sección sobre entropía, que establece que la dispersión de energía (requerida por la Segunda Ley) asociada con un cambio positivo en la entropía de alguna manera hace que parte de la energía que es transferido menos útil para hacer el trabajo. Se puede decir que esto se refleja en parte en el término T∆S de la ecuación de Gibbs.

Para proporcionar una base para comparaciones justas de cambios en la energía libre de Gibbs entre diferentes transformaciones o reacciones biológicas, el cambio de energía libre de una reacción se mide bajo un conjunto de condiciones experimentales estándar comunes. El cambio de energía libre estándar resultante de una reacción química se expresa como una cantidad de energía por mol del producto de reacción (ya sea en kilojulios o kilocalorías, kJ / mol o kcal / mol; 1 kJ = 0.239 kcal), cuando se mide a un estándar Condiciones de pH, temperatura y presión. Las condiciones estándar de pH, temperatura y presión generalmente están estandarizadas a pH 7.0, 25 grados Celsius y 100 kilopascales (1 atm de presión), respectivamente. Es importante tener en cuenta que las condiciones celulares varían considerablemente de estas condiciones estándar, por lo que la ∆G real dentro de una celda diferirá considerablemente de las calculadas en condiciones estándar.

Reacciones endergónicas y exergónicas

Para reacciones con ∆G <0, los productos de la reacción tienen menos energía libre que los reactivos. Dado que ∆G es la diferencia entre los cambios de entalpía y entropía en una reacción, un ∆G negativo neto puede surgir de diferentes maneras. El panel izquierdo de la Figura 1 a continuación muestra una representación gráfica común de un exergónico reacción. La energía libre se traza en el eje y, y el eje x en unidades arbitrarias muestra el progreso de una reacción. Este tipo de gráfico se llama diagrama de coordenadas de reacción. En el caso de una reacción exergónica, la figura indica dos cosas clave: (1) la diferencia entre la energía libre de los reactivos y los productos es negativa y (2) el progreso de la reacción requiere alguna entrada de energía libre (mostrada como un colina de energía). Este gráfico no nos dice cómo se redistribuyó la energía en el sistema, solo que la diferencia entre entalpía y entropía es negativa. Las reacciones que tienen un ∆G negativo se denominan reacciones exergónicas. Se dice que estas reacciones ocurren espontáneamente. Comprender qué reacciones químicas son espontáneas es extremadamente útil para los biólogos que están tratando de comprender si es probable que una reacción "desaparezca" o no.

Es importante señalar que el término "espontáneo", en el contexto de la termodinámica, NO implica nada acerca de la rapidez con la que avanza la reacción. El cambio en la energía libre solo describe la diferencia entre los estados inicial y final, NO la rapidez con la que se produce la transición. Esto es algo contrario al uso cotidiano del término, que generalmente conlleva la comprensión implícita de que algo sucede rápidamente. Por ejemplo, la oxidación / oxidación del hierro es una reacción espontánea. Sin embargo, un clavo de hierro expuesto al aire no se oxida instantáneamente; puede llevar años.

Una reacción química con un ∆G positivo significa que los productos de la reacción tienen una energía libre más alta que los reactivos (vea el panel derecho de la Figura 1). Estas reacciones químicas se denominan reacciones endergónicas, y NO son espontáneos. Una reacción endergónica no se producirá por sí sola sin la transferencia de energía a la reacción o el aumento de entropía en otro lugar.

Figura 1. Las reacciones exergónicas y endergónicas dan como resultado cambios en la energía libre de Gibbs. En una reacción exergónica, la energía libre de los productos es menor que la de los reactivos; mientras tanto, en una reacción endergónica, la energía libre de los productos es mayor que la de los reactivos. Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

La construcción de moléculas complejas, como los azúcares, a partir de moléculas más simples es un proceso anabólico y endergónico. Por otro lado, el proceso catabólico, como la descomposición del azúcar en moléculas más simples, es generalmente exergónico. Al igual que en el ejemplo de la oxidación anterior, si bien la descomposición de las biomoléculas es generalmente espontánea, estas reacciones no necesariamente ocurren instantáneamente (rápidamente). Recuerde, los términos endergónico y exergónico solo se refieren a la diferencia de energía libre entre los productos y los reactivos; no le informan sobre la velocidad de la reacción (qué tan rápido ocurre). El tema de la tasa se discutirá en secciones posteriores.

Un concepto importante en el estudio del metabolismo y la energía es el de equilibrio químico. La mayoría de las reacciones químicas son reversibles. Pueden avanzar en ambas direcciones, a menudo transfiriendo energía a su entorno en una dirección y transfiriendo energía del entorno en la otra dirección. Lo mismo es cierto para las reacciones químicas involucradas en el metabolismo celular, como la descomposición y acumulación de proteínas hacia y desde aminoácidos individuales, respectivamente. Los reactivos dentro de un sistema cerrado sufrirán reacciones químicas en ambas direcciones hasta que se alcance un estado de equilibrio. Este estado de equilibrio es uno de los estados de energía libre más bajos posibles y es un estado de máxima entropía. Equilibrio en una reacción química es el estado en el que tanto los reactivos como los productos están presentes en concentraciones que no tienen más tendencia a cambiar con el tiempo. Por lo general, este estado se produce cuando la reacción directa avanza a la misma velocidad que la reacción inversa. ¡TENGA EN CUENTA ESTA ÚLTIMA DECLARACIÓN! Equilibrio significa que las concentraciones relativas de reactivos y productos no cambian con el tiempo, PERO NO significa que no hay interconversión entre sustratos y productos; solo significa que cuando los reactivos se convierten en productos, ese producto (s) se convierten en reactivo (s) a la misma velocidad (ver Figura 2).

Se requiere un reequilibrio de las concentraciones de sustrato o producto (mediante la adición o eliminación de sustrato o producto) o un cambio positivo en la energía libre, típicamente por la transferencia de energía desde fuera de la reacción, para sacar una reacción de un estado de equilibrio. En una célula viva, la mayoría de las reacciones químicas no alcanzan un estado de equilibrio; esto requeriría que alcanzaran su estado de energía libre más bajo. Por lo tanto, se requiere energía para mantener las reacciones biológicas fuera de su estado de equilibrio. De esta manera, los organismos vivos están en una batalla cuesta arriba constante, que requiere energía, contra el equilibrio y la entropía.

Figura 2. En equilibrio, no piense en un sistema estático e inmutable. En cambio, imagina moléculas moviéndose en cantidades iguales de un área a otra. Aquí, en equilibrio, las moléculas todavía se mueven de izquierda a derecha y de derecha a izquierda. Sin embargo, el movimiento neto es igual. Todavía habrá alrededor de 15 moléculas en cada lado de este matraz una vez que se alcance el equilibrio. Fuente: https://courses.candelalearning.com/...apter/entropy/

Empecemos a pensar un poco en la velocidad de una reacción. Incluso las reacciones exergónicas (espontáneas) generalmente requieren un pequeño aumento de energía libre antes de que puedan comenzar a convertir los reactivos en productos. Este cambio positivo inicial en la energía libre se llama energía de activación (o energía libre de activación) y a veces se abrevia miA.

Nota: posible discusión

La oxidación de la gasolina es muy exergónica. A pesar de esto, ¿por qué los autos no explotan espontáneamente en los estacionamientos?

¿Por qué casi todas las reacciones químicas, incluso aquellas con un ∆G negativo muy grande, requieren primero un aumento de energía libre para continuar? La razón radica en los pasos que tienen lugar durante una reacción química. Las reacciones químicas, casi por definición, requieren que se rompan y / o formen algunos enlaces químicos. Por ejemplo, cuando se descompone una molécula de glucosa, los enlaces glucosídicos se rompen, los enlaces dentro del agua se rompen y se forman nuevos enlaces entre el agua "desmontada" y los átomos que estaban involucrados en el enlace glucosídico. Si bien la reacción general (la combinación del costo de energía de romper enlaces, la energía obtenida al hacer enlaces y el cambio de entropía entre los reactivos y los productos) puede ser negativa, la ruptura de los enlaces requiere un aporte de energía que aumenta la energía libre del sistema. El estado de la reacción a la máxima energía libre de una reacción a menudo se denomina estado de transición. Se considera que este estado es relativamente inestable en el que la reacción puede volver a relajarse al estado reactivo o pasar a los productos. La altura de la "barrera" de energía de activación tiene una relación directa con la velocidad de una reacción. Cuanto mayor sea la barrera, más lenta será la reacción.

Nota: posible discusión

¿Puede proponer un análogo físico (o modelo) que pueda ayudar a explicar por qué la barrera de energía de activación está relacionada con la velocidad de la reacción, mientras que la diferencia de energía libre entre el sustrato y el producto no lo está?

Figura 1. La energía de activación es la energía requerida para que prosiga una reacción, y es menor si la reacción es catalizada. El eje horizontal de este diagrama describe la secuencia de eventos en el tiempo.

¿De dónde proviene la energía libre requerida para superar la barrera de energía de activación? Las fuentes varían. Una fuente es la energía transferida como calor desde el entorno. Esta transferencia cambia la energía cinética de las moléculas en el sistema, aumentando la frecuencia y la fuerza con la que chocan y, por lo tanto, la frecuencia con la que reaccionarán. En otros casos, la energía puede transferirse de otras reacciones.

Como se señaló, la energía de activación de una reacción en particular determina la velocidad a la que procederá. Cuanto mayor sea la energía de activación, más lenta será la reacción química. El ejemplo de la oxidación del hierro ilustra una reacción inherentemente lenta. La conversión de diamante en grafito es otra reacción espontánea que lleva MUCHO tiempo. Estas reacciones ocurren lentamente a lo largo del tiempo debido a las altas barreras de energía de activación. La quema (oxidación) de muchos combustibles fósiles, que es un proceso exergónico, tendrá lugar a un ritmo insignificante a menos que su energía de activación sea superada por el calor suficiente de una chispa. Sin embargo, una vez que estos combustibles comienzan a arder, las reacciones químicas liberan suficiente calor para ayudar a superar la barrera de energía de activación para la combustión del resto del combustible. Al igual que estas reacciones fuera de las células, la energía de activación para la mayoría de las reacciones celulares es demasiado alta para que la energía térmica la supere a un ritmo eficiente. Por cierto, esto es algo muy bueno en lo que respecta a las células vivas. Las macromoléculas importantes, como las proteínas, el ADN y el ARN, almacenan una energía considerable y su descomposición es exergónica. Si las temperaturas celulares por sí solas proporcionaran suficiente energía térmica para que estas reacciones exergónicas superen sus barreras de activación, los componentes esenciales de una célula se desintegrarían. Por lo tanto, para que se produzcan reacciones celulares importantes a velocidades apreciables (número de reacciones por unidad de tiempo), sus energías de activación deben reducirse (ver figura 4). Algo que ayuda a reducir la barrera de energía de activación se conoce como catálisis.

Nota: posible discusión

Si no se necesitara energía de activación para descomponer la sacarosa (azúcar de mesa), ¿podría almacenarla en un azucarero?

Ejercicio 1: energía de activación

Reducir la energía de activación:

  1. Hace que la reacción sea más rápida.
  2. Reduce el nivel de energía del estado de transición.
  3. Se logra agregando un catalizador a la reacción.
  4. Siempre hace que se produzca más producto.
  5. Solo reduce el nivel de energía del estado de transición en una dirección (de reactivos a productos).
  6. a, b y c
  7. byc
  8. Todo lo mencionado es cierto.

Ejercicio 2

¿Cuáles de las siguientes comparaciones o contrastes entre reacciones endergónicas y exergónicas son falsas?

  1. Las reacciones endergónicas tienen un + ∆G y las reacciones exergónicas tienen un -∆G.
  2. Las reacciones endergónicas consumen energía y las reacciones exergónicas liberan energía.
  3. Tanto las reacciones endergónicas como las exergónicas requieren una pequeña cantidad de energía para superar una barrera de activación.
  4. Las reacciones endergónicas ocurren lentamente y las reacciones exergónicas ocurren rápidamente.

Ejercicio 3

¿Cuál de las siguientes es la mejor manera de juzgar las energías de activación relativas entre dos reacciones químicas dadas?

  1. Compare los valores de ∆G entre las dos reacciones.
  2. Compare sus velocidades de reacción.
  3. Compare sus condiciones ambientales ideales.
  4. Compare la espontaneidad entre las dos reacciones.

Apéndice: unidades de energía

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de trabajo o energía es la Joule (J). Para cantidades muy pequeñas de energía, a veces se usa el erg (erg). Un ergio es una diez millonésima parte de un julio:

1 julio = 10,000,000 ergios (1)

Poder es la tasa a la que se utiliza la energía. La unidad de poder es la Vatio (W), llamado así por James Watt, quien perfeccionó la máquina de vapor:

1 vatio = 1 julio / segundo (2)

El poder a veces se mide en caballo de fuerza (CV):

1 caballo de fuerza = 746 Watts (3)

Energía eléctrica se expresa generalmente en kilovatios-hora (kWh):

1 kilovatio-hora = 3.600.000 Julios (4)

Es importante darse cuenta de que un kilovatio-hora es una unidad de energía, no de potencia. Por ejemplo, una plancha de 2000 Watts consumiría 2x3.6x106 J de energía en una hora.

La energía térmica a menudo se mide en calorías. Uno caloría (cal) se define como el calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5 a 15,5 ºC:

1 caloría = 4,189 Julios (5)

Una unidad de calor vieja pero todavía usada es la Unidad Térmica Británica (BTU). Se define como la energía térmica necesaria para elevar la temperatura energética de una libra de agua de 63 a 64 ° F.

1 BTU = 1055 Julios (6)

tabla 1. Unidades de energía
Cantidad físicaNombreSímboloUnidad SI
FuerzaNewtonnortekg * m / s2
EnergíaJouleJkg * m / s2
PoderVatioWkg * m / s3