5.2: Reacciones: favorables, desfavorables y su dinámica
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Como veremos, los sistemas biológicos son extremadamente complejos; tanto sus elementos estructurales generales como muchos de sus componentes moleculares (incluido el ADN) son productos de procesos y reacciones termodinámicamente desfavorables. ¿Cómo ocurren estas reacciones en los sistemas vivos? La respuesta proviene del acoplamiento de reacciones termodinámicamente favorables a reacciones termodinámicamente desfavorables. Este es un tipo de trabajo, aunque no en el modelo estándar de física macroscópica del trabajo (w) = fuerza x distancia. En el caso del acoplamiento de reacción (química), el trabajo involucrado impulsa reacciones termodinámicamente desfavorables, típicamente la síntesis de moléculas grandes y complejas y macromoléculas (es decir, moléculas muy grandes). Aquí consideraremos la termodinámica de estos procesos.
Pensando en la energía: La termodinámica está en su núcleo sobre la energía y los cambios en la energía. Esto lleva a la pregunta no trivial, ¿qué es la energía? La energía viene en muchas formas. Hay energía asociada al movimiento y vibraciones de objetos con masa. A nivel atómico y molecular hay energía asociada con el estado (cuántico) de los electrones. Hay energía asociada a campos que depende de la naturaleza de un objeto (por ejemplo, su masa o carga eléctrica) y su posición dentro del campo. Existe la energía asociada a la radiación electromagnética, la forma más familiar es la luz visible, pero la radiación electromagnética se extiende desde las microondas hasta los rayos X. Finalmente, está la energía que está presente en la naturaleza misma de la materia, tal energía es descrita por la ecuación:
e (energía) = m (masa) x c 2 (c = velocidad de la luz)
Para ilustrar este principio, podemos recurrir a nuestras experiencias del día a día. La energía puede ser utilizada para hacer que algo se mueva. Imagina un sistema de una caja sentada en un piso áspero. Empujas la caja para que se mueva y luego dejes de empujar — la caja recorre una distancia corta y luego se detiene. La primera ley de la termodinámica es que la energía total en un sistema es constante. Entonces la pregunta es ¿a dónde se ha ido la energía? Una respuesta podría ser que la energía fue destruida. Esto está mal. Las cuidadosas observaciones nos llevan a deducir que la energía aún existe pero que se ha transformado. Un cambio obvio es la transformación de la energía de una fuerza mecánica a otra forma, entonces, ¿cuáles son esas otras formas? Es poco probable que la masa de la caja haya aumentado, así que tenemos que mirar formas más sutiles —lo más probable es el calor. La fricción generada al mover la caja representa un aumento en los movimientos de las moléculas de la caja y el piso sobre el que se movió la caja. A través de colisiones y vibraciones, esta energía, con el tiempo, se distribuirá por todo el sistema. Este movimiento térmico se puede ver en lo que se conoce como movimiento browniano. En 1905, Albert Einstein explicó el movimiento browniano en términos de la existencia, tamaño y movimientos de las moléculas 148.
En el sistema que hemos estado considerando, la energía concentrada utilizada para mover la caja se ha extendido por todo el sistema. Si bien uno podría usar el empuje para mover algo (para trabajar), la termoenergía difusa no se puede usar para hacer el trabajo. Si bien se conserva la cantidad total de energía, su capacidad para hacer las cosas ha sido decreciente (casi abolida). Esto implica el concepto de entropía, al que pasaremos a continuación.