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La termodinámica proviene de dos disciplinas separadas hasta el S.XIX, la termología y la mecánica. La primera se encargaba de los fenómenos exclusivamente térmicos y la segunda trataba el movimiento, la fuerza y el trabajo. La termodinámica es la parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.
Conceptos generales
Química orgánica
El modelo atómico de Dalton fue el primer modelo atómico con bases científicas, propuesto en varios pasos entre 1803 y 1808 por John Dalton. La teoría de Dalton marca que el universo está formado por compuestos generados por la unión de ciertos elementos, que a su vez están conformados por átomos los cuales se podrían seguir subdividiendo en quarks.
Gracias a esta teoría se puede ordenar la tabla periódica a partir de la masa atómica, la cual se compone del total de la masa de protones y neutrones, que su vez estarán determinados por ciertas propiedades periódicas que les otorgarán distintas particularidades (estructura electrónica, electronegatividad, radio atómico, y su potencial de ionización).
Cuando se habla de materia, lo primero que debe saberse es que la misma posee un volumen y una masa determinada. A su vez, cuando se habla de energía se puede observar que la materia tiene la capacidad de realizar trabajo o generar calor a partir de energía la cual puede transformarse (nunca de manera perfecta) en otro tipo de energía. Cuando se destina ATP (energía química) a un trabajo determinado, cierto porcentaje va a estar destinado al trabajo y otro se va a disipar en forma de calor.
Punto de vista de la termodinámica y bioenergética
Desde el punto de vista de la química orgánica, el átomo que cobra un papel fundamental es el carbono. Este sirve para utilizar una unidad de medida llamada mol, que es equivalente a 6,022 x 10 (23) moléculas dentro de 1g de carbono.
Por otra parte, se debe entender que cada elemento tendrá su propia identidad a partir de su número atómico, número de protones, los cuales se disponen dentro del núcleo junto a los neutrones que por ley de Coulomb atraerán a los electrones que se ubican en el orbital u orbitales atómicos. Sin embargo, aunque el número atómico marque la identidad del elemento, el número de neutrones puede variar dando a conocer distintas isoformas de este.
Es sumamente importante para entender las uniones que existen entre átomos adentrarse en los orbitales atómicos, que marcan cómo están distribuidos los electrones alrededor del átomo. Existen 7 niveles de energía o capas donde pueden situarse los electrones, numerados del 1, el más interno, al 7, el más externo.
A su vez, cada nivel tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f. En cada subnivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2 electrones cada uno. Así, hay 1 orbital tipo s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 del tipo f.
De esta forma el número máximo de electrones que admite cada subnivel es: 2 en el s; 6 en el p (2 electrones x 3 orbitales); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7) (figura 2). Los orbitales atómicos híbridos son los que se superponen en la formación de los enlaces, dentro de la teoría del enlace de valencia, y justifican la geometría molecular.
Grupos funcionales en la termodinámica y bioenergética
Los grupos funcionales son moléculas que se unen a un hidrocarburo y le dan propiedades únicas. Los mismos se ubican por orden de importancia, lo cual se refiere a la reactividad de estos. Por eso los ácidos son mucho más reactivos que los alcoholes, y estos que los éteres.
Enzimas
Antes de adentrar en las enzimas, es fundamental recordar ciertos conceptos de la termodinámica para poder profundizar en el tema. Dentro de la termodinámica existen dos leyes fundamentales, la primera dice que la energía no se cree ni se destruye, sino que se transforma, pero ¿por qué es importante entender esto? Porque la energía del universo tiende a tender a cero.
La energía interna de un sistema solo puede cambiar mediante el trabajo o los intercambios de calor. A partir de esto, el cambio en la energía libre de un sistema se puede mostrar mediante la siguiente ecuación: ΔE = q – w.
La segunda ley de la termodinámica habla de la entropía, la cual establece que el universo tiende al mayor grado de aleatorización. Este concepto está definido por el término entropía, S (S = klnW). Por este motivo es que se hace imposible convertir completamente un tipo de energía en otro sin obtener pérdidas, y al mismo tiempo que sea más difícil que esta conversión sea reversible.
La variación de entropía muestra la variación del orden molecular ocurrido en una reacción química. Si el incremento de la entropía es positivo, los productos presentan un mayor desorden molecular que los reactivos. En contraposición, cuando el incremento es negativo, los productos son más ordenados.
Existe una relación entre la entropía y la espontaneidad de una reacción química, que viene dada por la energía de Gibbs (G), y dado que todas las reacciones biológicas tienen lugar a presión y temperatura constantes, la función de estado de las reacciones definidas para dar cuenta del calor generado o absorbido, por un sistema, es la entalpía (H).
Reacciones en las células
En ocasiones, se pueden acoplar dos o más reacciones en una célula para que se combinen reacciones, termodinámicamente desfavorables y favorables, para conducir el proceso general en la dirección favorable. En esta circunstancia, la energía libre total es la suma de las energías libres individuales de cada reacción. Este proceso de reacciones de acoplamiento se lleva a cabo en todos los niveles dentro de las células.
La forma predominante de acoplamiento es el uso de compuestos con alta energía para generar reacciones desfavorables. La forma predominante de compuestos de alta energía en la célula es aquella que contiene fosfato. La hidrólisis del grupo fosfato puede producir energías libres en el rango de -2.4 kcal/mol a -14.8 kcal/mol (-10 kJ/mol a -62 kJ/mol). Volviendo a lo que incumbe, las enzimas son estructuras proteicas, catalizadores biológicos, responsables de sostener gran parte de las reacciones químicas que mantienen la homeostasis. Las mismas se encuentran dentro de todos los fluidos y tejidos del cuerpo.
Las enzimas intracelulares catalizan las reacciones de las vías metabólicas mientras que las de membrana celular regulan reacciones en las células como respuesta a señales extracelulares. Por otro lado, las enzimas de la circulación son responsables de la regulación de la coagulación sanguínea.
¿Cómo usar esta información en el ámbito profesional?
Es importante destacar que la termodinámica no solamente es utilizada en la física, como un termino más de la ciencia. A diario encontramos situaciones en donde la termodinámica resalta a flor de piel, y los deportistas lo saben. Por ellos los profesionales de estas áreas se preparan tanto práctica como teóricamente en ámbitos como este con el fin de potencializar sus habilidades.
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