XXV Congreso Nacional de Termodinámica LAS CALORÍAS NO SE COMEN. TERMODINÁMICA Y BIOQUÍMICA Jorge Arturo Reyes Bonilla Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. SEPI Programa de la Maestría en Ingeniería de Sistemas. Laboratorio de Multimedia. U. P. Zacatenco. 07738 México D. F. Email: troya1@prodigy,net.mx Uno de los momentos más importantes en la historia de la termodinámica, ha sido el experimento de horadación de cañones, realizado por Benjamin Thompson, pues marcó el paso al ostracismo de la teoría del calórico. Sin embargo, la suposición de un fluido sutil para explicar los fenómenos térmicos, parece mantenerse en la conciencia de la población, auspiciada por el poder económico de las empresas alimenticias y los más diversos publicistas de bebidas. Hoy en día, parece aceptarse como algo natural hablar de “alimentos” con muchas o pocas calorías, como si se tratara de algo parecido a una proteína, un carbohidrato o una vitamina. Ante ello, más de un físico calla porque no desea inmiscuirse en los asuntos que supone de índole filosófica, los cuales imagina no le atañen; por ello mismo al tener que confrontarse con los conceptos de energía y trabajo, de indagar en su contenido, evade esta labor prefiriendo pasarse en la práctica al campo de la teología, al tomar como acto de fe, sin discusión, lo que tradicionalmente se asume acerca de ellos. No ve pues las implicaciones que tiene para la comprensión de la naturaleza. Aunado a lo anterior, la dificultades que afrontó la investigación de los sistemas biológicos, explica por qué la actividad de los mismos, su bioquímica, fuera incluso a finales del siglo XIX, largamente justificada por la acción de una fuerza vital; después ha intentado explicarse por una llamada energía, la cual por la fotosíntesis ha de pasar a los carbohidratos o se esconde bajo la forma de ATP (Adenosin Trifosfato), sustancia generada en el transcurso de los procesos catabólicos de la glucólisis o de la respiración. Motivado por lo anterior, en este artículo, el autor discute críticamente la relación entre la bioquímica y termodinámica, al tratar los procesos en los que se involucra la energía, como la glucólisis (o glicólisis), respiración y se explica propiedades de proteínas, grasas y carbohidratos para su utilización en dichos procesos. Introducción Durante la segunda mitad del siglo XIX, la explicación de los fenómenos términos, basados en la existencia de una entidad física (material) denominada calórico, se va debilitando, a la par que en la mecánica y otras ramas del conocimiento, como en la ciencias biológicas, la terminología va dejando el concepto de G. W. Leibnitz de la “vis viva” y se va imponiendo en la ciencia, la palabra energía, aparecida en los trabajos del Dr. Thomas Young (1773-1829) del año de 1807 y proveniente de la ἴ de Aristóteles.1 John M. Rankine (1820-1872), introduce en el lenguaje de la ciencia el término “energía actual”, rebautizado por Kelvin como “energía cinética”, así como “energía latente” a lo que después se denominará energía potencial.2 Rankine recopila sus trabajos en una “Memoria Sobre Energética”, donde se explica que la energía es un “elemento imponderable considerando su transformación como algo real, pero dependiente de la materia que si es ponderable” [1]. Como se comprenderá Rankine se halla en la línea “material” de la caracterización de la energía; es decir de la sustantivación de ésta, pues no se trata de una propiedad de la materia, sino de algo que vive independiente de ella y lo cual servirá de sustento filosófico a las corrientes idealistas neokantianas, que tanto desarrollo tuvieron en Alemania y cuyo producto es el energetismo de Wilhelm Ostwald, y el cual pervive en la interpretación idealista de Einstein de la relación E = mc2. El energetismo de Rankine se confrontó con los que siguieron leales a la que llaman la explicación mecanicista del calor-movimiento. Esta concepción se encuentra ya en la filosofía aristotélica, pero Robert Hooke en 1672 en su Micrografía, define que “El calor es el movimiento continuo de las partes del cuerpo”, Benjamin Thompson en 1778, explica los resultados experimentales de la horadación de cañones, como resultado del movimiento; Joule, Kelvin y Helmholtz reforzarán esta posición, básica en la termodinámica. James Prescott Joule realiza una serie de experimentos, los cuales cada vez es más evidente que el calor es resultado de la resistencia al movimiento (rozamiento), llegando a establecer la relación entre el trabajo realizado y el calor (equivalente mecánico del calor), mediante un experimento en el cual en una vasija llena de agua que contenía un eje vertical giratorio con varias paletas fijas en él, el agua de la vasija no podía girar libremente al mismo tiempo que las paletas porque unas tablillas fijas en la pared de la vasija lo impedían y aumentaban la fricción. El movimiento del eje vertical era causado por la acción de dos pesas que actuaban simultáneamente a través de unas poleas atadas con un cordón alrededor del eje de rotación [1]. 1 2 Aristóteles, Metafísica. Libro Noveno (Th), capítulo 6. Porrúa México. 2004. Pág. 193 Rankine define “energía actual” como la capacidad de producir trabajo. I. La caloría. El físico francés Nicolas Clément (1799-1842) fue el primero en definir y utilizar la caloría como unidad de calor desde 1819 y en 1824 aparece en la publicación periódica Le Producteur. Su “caloría” era en realidad lo que hoy conocemos como kilocaloría. La caloría (cal), con c minúscula es la cantidad de calor en el sistema cgs, la caloría pequeña o caloría-gramo, es la cantidad de calor requerida a una presión de una atmósfera para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado centígrado. Esta cantidad varía con la temperatura, así que hay que especificar la temperatura a la cual se está definiendo, una elección tradicional es de 14.5° a 15.5° C. Con el experimento de James Prescott Joule, se demuestra la relación entre el trabajo mecánico y el movimiento térmico (el calor), manifestándose como el incremento de la temperatura. Al haberse establecido internacionalmente el joule (julio en castellano) como otra unidad de trabajo y energía,3 la caloría puede expresarse también en término de joules. En 1956 se definió la caloría IT, por el comité internacional, equiparándola a 4.1868 joules (1 caloría = 4.1868 joules). Por ser la caloría, una unidad muy pequeña en el estudio de los alimentos, se ha propuesto la kilocaloría (Caloría) es la cantidad de calor en el sistema mks y es la cantidad de calor requerido a la presión de una atmósfera para elevar la temperatura 1°C, un kilogramo de agua. A semejanza de la caloría, el joule (J) resulta demasiado pequeña para expresar el “valor energético” por ejemplo de los alimentos, por eso se utiliza el kilojoule (kJ) y en ocasiones el megaJoule (mJ).4 Es claro que la caloría no es una sustancia, no se le puede hallar en los alimentos, no existen ni como una estructura al modo que los carbohidratos se polimerizan para constituir almidón o los aminoácidos se combinan para constituir una proteína, ni nos puede definir el grado nutricional de un alimento; es decir, cuando el médico, el publicista o el funcionario de educación, nos recomiendan la ingesta de alimentos bajos en calorías, y nos muestran las etiquetas de sus productos, éstas sólo nos indica que la combustión de tal o cual “alimento” nos da por resultado x o y cantidad de movimiento térmico, lo cual bajo la experiencia de las máquinas térmicas, bajo condiciones controladas, al menos una parte podría ser utilizado para realizar trabajo, lo cual es otra forma de cuantificar el movimiento. A fin de comparar la energía de los diferentes alimentos (esto es su potencial para realizar trabajo), lo más sencillo es determinar la cantidad de “energía producida”, 3 Se trata en realidad de dos formas de expresar lo mismo: el movimiento, de un lado el provocado por otro cuerpo (trabajo) y el referido al movimiento propio de un cuerpo (energía). Un julio se define como el trabajo que se realiza cuando el punto de aplicación de una fuerza de 1 N (newton) se desplaza en la 7 dirección en que actúa la fuerza: 1 J = 1 N ∙ m = 10 ergios = 1 W ∙ s = 0.238845 calorías. 4 1 kcal = 4.19 x 103 J = 4.19 kJ = 4.19 x 10-3 mJ calculada como calor, como movimiento térmico que se manifiesta con un cambio de temperatura del agua presente en un calorímetro, cuando un gramo de la sustancia se oxida totalmente por ignición en una pequeña cámara llena de oxígeno a presión. El resultado obtenido representa el calor de combustión del alimento, el cual se expresa por lo general como kcal o kJ por gramo; aunque para los químicos resulta más común de pensar en kcal o kJ por mol. Un valor de referencia en la bioquímica es el calor de combustión de la glucosa, aproximadamente de 2 803 kJ/mol ≈ 669.4850 kcal/mol ≈ 3.72 kcal/gr,5 representada mediante la reacción química C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 2 803 kJ/mol La “energía de combustión” de los nutrientes difiere de la energía realmente disponible (“energía disponible”), debido a pérdidas dentro del cuerpo, por la absorción incompleta y por la oxidación parcial. Considerando a las proteínas, carbohidratos y grasas,6 como nutrientes básicos, comparten el que no se absorben completamente, pero además la oxidación de las proteínas, no es completa. La Tabla 1, muestra las diferencias entre el calor de combustión y la energía disponible. Tabla 1. Valor energético de los nutrientes por gramo (datos redondeados)7 Calor de combustión Nutriente Grasas Proteínas Carbohidratos Valor de la energía disponible kcal kJ kcal kJ 9.4 5.7 4.1 39 24 17 9 4 4 37 17 17 Debe observarse que los carbohidratos son un conjunto de compuestos aldehídicos o cetónicos polihidroxilados (triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas), por lo que calor de combustión tanto de los llamados carbohidratos, como el de proteínas y grasas es un promedio.8 5 1 mol de glucosa son aprox. 180 gr. Las grasas son un caso particular de los lípidos saponificables, otros son ceras, los fosfoglicéridos, y esfingolìpidos. Las grasas pueden utilizarse como material de reserva, como fuente de obtención de ATP mediante su degradación o para la obtención de triglicéridos. Las grasas de acuerdo con su estado físico se denominan grasas sólidas, semisólidas y líquidas (aceites). 7 Tomado de Fox, A. Brian; Cameron, Allan G. Ciencia de los alimentos y salud. Limusa México 2006. Pág. 17 8 Los aldehídicos o cetónicos polihidroxilados (glúcidos), conocidos como carbohidratos (hidratos de carbono), se pueden escribir con la fórmula (C[H2O])n, lo que hace aparecer presencia de una molécula de 6 Con los datos de la Tabla 1 es posible realizar cálculos del supuesto contenido energético de un alimento, por ejemplo la leche; si esta contiene por 100 gramos, 4.7 de carbohidratos, 3-8 de grasas y 3.3 de proteínas (asumamos el resto como agua), podemos utilizar los datos de la tabla I, para obtener la “energía total” de 100 gramos de leche (Tabla 2). Tabla 2. Cálculo del contenido energético de 100 gramos de leche Nutrientes Grasas Proteínas Carbohidratos Cantidad en 100 kcal/g gramos de leche 3.8 gramos 9 3.3 gramos 4 4.7 gramos 4 Total Energía por cada 100 gramos de leche 34.2 13.2 18.8 66.2 kcal/100 g Las proteínas y grasas como se muestra en la Tabla 1, tienen un “mayor contenido energético” por gramo que los carbohidratos (glúcidos); cuyo significado no debe olvidarse, está en relación al calor generado en la combustión. ¿Cómo se puede entonces entender, qué se quiere decir, cuando a la población se le conmina a consumir alimentos con pocas calorías? ¿Querrán acaso decir que no consumamos proteínas? ¿Si un organismo requiere energía, porque no consumimos los alimentos “más ricos en calorías”? II. Los nutrientes Examinando la tabla 1, considerando los datos del calor de combustión, a primera vista pareciera que si se trata de tener “más energía”, un organismo, debiera echar mano primero de las grasas, después la proteínas y por último los carbohidratos, algo parecido puede concluirse de la columna de “energía disponible”. ¿Por qué el organismo humano y de cientos de otros seres vivientes, tienen entonces, más propensión a utilizar carbohidratos en la obtención de la llamada “energía”? Las proteínas son más “energéticas” que los glúcidos; sin embargo, su consumo para este fin se realiza sólo en casos extremos, de inanición; las proteínas tienen un papel fundamentalmente estructural, no sólo en el tejido muscular, sino también en las inmunoglobulinas, constituyendo enzimas, el material de los cromosomas (la cromatina también contiene proteínas llamadas histonas), asimismo diversas hormonas se integran por proteínas polipeptídicas. agua por átomo de carbono. Cuando un compuesto o un átomo fija una molécula de agua se dice que se trata de un hidrato. Esta forma aparente había hecho creer en su naturaleza de hidrato de carbono.[5,6] Una primera observación, es que la degradación de las proteínas, no se completa hasta el producto final que sería amoniaco, sino que se queda en otros productos, ya que el amoniaco es tóxico para la célula. Eliminar el nitrógeno supone “gastar energía” (ATP): Los mamíferos eliminan el nitrógeno porque lo transforman en urea y la disuelven en agua formando orina, esto es posible mediante el aparato excretor. Por lo que “quemar” proteínas produce en un organismo “menos calorías” que los glúcidos y mucho menos que las grasas [7]. Las grasas, también tienen funciones estructurales: componentes de membranas, precursores de diversos compuestos bioquímicos como la esfingiomielina presente en las membranas celulares y el encéfalo; aislantes que previenen choques térmicos, eléctricos y físico; recubrimientos protectores que evitan infecciones y pérdidas o entradas excesivas de agua; vitaminas y hormonas en algunos casos. Las ceramidas derivados de los lípidos, mediante acción enzimática se constituyen en cerebrócidos y gangliósidos al fijarse un grupo de carbohidratos (de ahí el nombre de glicolípidos o glicoesfingolípido). Pero lo que puede ser más interés aquí es que las grasas son también reserva o almacenamiento de carbono y de “energía” [3]. Los carbohidratos también pueden tener funciones estructurales en plantas, como es el caso de la celulosa, y aunque ya se ha mencionado que se pueden integrar a proteínas y lípidos, su principal papel es la de ser fuente de carbono y “energía”, así el almidón en plantas y el glucógeno en animales, son materiales de reserva. Las vías metabólicas fundamentales conducen a la utilización de carbohidratos, como recurso fundamental para obtener carbono o “energía”.9 poderosa razón de utilizar glúcidos, antes que proteínas y grasas, es la sencillez de los monosacáridos como la glucosa, la cual puede fácilmente servir de sustrato a enzimas. Una Existe toda una adaptación de los organismos, particularmente los mamíferos para la digestión y asimilación de los carbohidratos, todo comienza en la boca: Suponiendo la ingesta de un polisacárido como el almidón, la función más importante de la saliva es humedecer y lubricar el bolo alimenticio, desde el punto de vista digestivo es importante por contener a la amilasa salival o ptialina, enzima que hidroliza diversos tipos de polisacáridos. El pH de la saliva es cercano a la neutralidad, por lo que en el estómago esta enzima se inactiva totalmente, de tal suerte que los carbohidratos no sufren modificaciones de importancia en este órgano. Es hasta el intestino donde los disacáridos y los polisacáridos deben ser hidrolizados en sus unidades monoméricas para poder atravesar la pared intestinal y tomar así el torrente sanguíneo para llegar a las células e ingresar al interior para ser utilizados en cualquiera de las funciones en que participan (energética, de 9 Como se discute más adelante no hay tal “energía”, lo que se produce son moléculas con cierto nivel de inestabilidad que las hace muy reactivas. reconocimiento, estructural o como precursor de otras moléculas). En el duodeno se vierte el jugo pancreático que contiene entre otras sustancias amilasa pancreática (Su pH óptimo es de 7.1 y rompe al azar los enlaces alfa, 1-4 del almidón), diastasa o amilopepsina, esta última muy parecida a la enzima salival. En la digestión de los carbohidratos intervienen diferentes enzimas que desempeñan cada una funciones diferentes y que por tanto, tienen especificidades diferentes [4]. El resultado es la liberación de un monómero que es transportado por la pared intestinal por medio de proteínas. De ahí cuando es necesario se procede a su degradación. Una segunda observación es que la degradación de los carbohidratos no procede en los sistemas biológicos como en un calorímetro, ello provocaría la muerte celular, por el aumento de la temperatura,10 el proceso de degradación puede ser parcial (glicólisis) o completa (ciclo de Krebs), desde luego que hay movimiento térmico; sin embargo, la llamada energía al modo del calórico no existe. III. La energía La energía obtenida de los alimentos no es exclusivamente de naturaleza térmica, los seres vivos son capaces de producir luz (bioluminiscencia) como en algunos insectos y peces de aguas profundas; corriente eléctricas en la raya torpedo y anguilas, mecánica de los músculos en los animales; la energía química puesta de manifiesto en las diversas reacciones bioquímicas. El trasfondo de todas estas formas de energía es el movimiento, desde el nivel cuántico, (donde la partícula portadora del movimiento es el fotón), hasta la acción y reacción muscular, pasando por los diversos movimientos de cargas eléctricas. Los procesos bioquímicos se hallan mediados por la molécula de Adenosin Trifosfato (ATP), incluso cuando esta es un producto de la reacción. La molécula de ATP se asume por un gran número de académicos e investigadores ¨no filosóficos”, como el receptáculo de la energía hipostasiada, sustantivada a lo calórico; pero en realidad no hay ningún ente que se le haya adherido o impregnado a lo largo de los enlaces, para después tras su degradación (hidrólisis) ser liberado y mantener así una existencia independiente al más puro estilo idealista del energetismo y de los que nos hablan de los “granos de energía”.11 10 Las principales fuentes de producción basal del calor son a través de la termogénesis tiroidea y la acción de la trifosfatasa de adenosina (ATPasa) de la bomba de sodio de todas las membranas corporales. La actividad de la musculatura esquelética tienen también una gran importancia en el aumento de la producción de calor 11 Desde luego quienes nos hablan de esos “granos de energía”, no aluden a fotones; es decir partículas con masa en reposo nula. Lo que sucede en la formación del ATP, es que al incorporarse un radical fosfato, sobre la parte de la molécula en estado de resonancia, éste tiene por efecto bloquear la distribución eléctrica en una de las posiciones límite [5]. Para más claridad debe recordarse que algunas moléculas pueden estar representadas por varias fórmulas desarrolladas que difieren por la naturaleza y la disposición de las uniones entre átomos constitutivos, cada estado particular es un mesómero. Los electrones en estas moléculas están dispuestos en orbitales comunes (electrones π), estas moléculas existen bajo varias formas límite isómeras, correspondiente a esa fórmulas desarrolladas que oscilan permanentemente; se dice que la molécula mesomérica está en estado de resonancia. La resonancia da estabilidad a la molécula. En moléculas orgánicas, la introducción de un radical durante una reacción química, en una molécula en estado de resonancia, bloquea la disposición de electrones en una posición límite, volviendo a la estructura creada menos estable En el caso del fosfato, cuando dos moléculas de ortofosfato se reúnen por una unión anhídrido para formar un pirofosfato, el estado electrónico de los dos fosfatos es bloqueado en una de las configuraciones por la unión anhídrido. El resultado es que la energía potencial de pirofosfato es mayor que la de los fosfatos que la constituyen y tiende a liberarlos. Por ello el ATP es la molécula con inestabilidad debida a su estructura, pues concentra cargas negativas provocando repulsiones eléctricas (Fig.1), así como también debe considerarse la fuerte ionización de los productos de la reacción. Fig.1 Adenosintrifosfato (ATP), forma ionizada. Las reacciones en que interviene el ATP se dice liberan energía, pero se trata de energía química, lo cual implica reorganización de los átomos de los compuestos que intervienen para dar lugar a una entidad química más estable; la llamada “energía liberada” no es simplemente calor (movimiento térmico) de las moléculas en solución o desplazamiento de moléculas en un músculo, lo cual ya es una gran diferencia con lo que sucede en un a máquina térmica. Cuando en un sistema no biológico se produce una reacción química ésta puede dar lugar al incremento de temperatura, se dice que se “libera calor” y la reacción entonces se le denomina exotérmica, en caso contrario endotérmica. En los sistemas biológicos las reacciones “exotérmicas” (“liberadoras de calor”), esencialmente liberan “energía química”, de ahí que se hable de reacciones exergónicas, en tanto aquellas que utilizan esta forma de movimiento son endergónicas; además en los sistemas biológicos la reacción exergónica no ocurre por sí misma, pues la energía química liberada se disiparía en forma de calor (movimiento térmico), pero si ocurre en presencia de una reacción endergónica la energía química liberada por la reacción exergónica servirá para dar lugar al proceso endergónico, Tal forma de vinculación de las reacciones exegónicas y endergónicas se llama acoplamiento de energía, lo cual es característico de las reacciones bioquímicas. Entonces lo que sucede en el calorímetro está muy lejos de lo que sucede en un sistema biológico, la combustión o degradación de la molécula de glucosa hasta CO2 y HeO, no se realiza en una sola reacción, sino en una cadena de reacciones, que involucran ATP, enzimas del tipo de deshidrogenasas dependientes del NAD (Nicotinamida Adenin Nucleótido), FAD y FMN (nucleótidos de flavina), quinonas de la coenzima Q y una familia de citocromos proteínicos y proteínas ferrosulfuradas. La glucosa fragmentada da lugar a dos moléculas de ácido láctico, que pasa a la vía metabólica del ciclo de Krebs (también denominado del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos), el cual se halla acoplado a una serie de reacciones de óxido-reducción que son la principal fuente de de producción de ATP : La glicólisis consume 2 ATP, pero genera 4 ATP, el ciclo del ácido cítrico acoplado a la cadena respiratoria, 34 ATP y 2 de GTP (Guanidín Trifosfato) equivalentes termodinámica y metabólicamente a 2 ATP, en total (34 - 2 + 4 + 2), el balance total es de 38 moléculas de ATP. El ATP existe sin embargo en pequeñas cantidades en el organismo, no pueden constituir reservas de energía, pues es inestable, la energía química que aportan en reacciones endergónicas, transfiriendo sus grupos fosfato, la fijación de éstos en las moléculas orgánicas, las vuelve activas y capaces de continuar sus vías metabólicas. Conclusiones La incomprensión de los fenómenos bioquímicos, así como el ambiguo uso del término “energía”, lo cual muchas veces pone en evidencia la pervivencia de concepciones que ya se creerían superadas, como la existencia del calórico, explican porque se llegue a creer que los alimentos son “ricos en calorías”, como si éstas fueran entidades que acompañaran a las proteínas, grasas y glúcidos. Lo paradójico es recomendar alimentos “bajos en calorías”, desdeñando aquéllos que podrían ser fuentes de proteínas e incluso lípidos esenciales. En la confusión que se ha creado con el uso poco científico del término energía como un simple sustituto de la “fuerza vital”, no se explica por qué no saturarnos de grasas, si éstas son más “energéticas“ (liberan más energía en la combustión). La conclusión más importante de este trabajo es que las reacciones bioquímicas nos pueden ser concebidas al modo de las reacción en un calorímetro, que produce movimiento térmico y no energía hipostasiada; en los organismos las reacciones utilizan ATP, pero aquí la llamada “energía”, se refleja en el movimiento de las moléculas y las reacciones de óxido reducción, que conducen al rompimiento y formación de enlaces, favorecidos por las moléculas que se han activado por los radicales fosfato; esto es el trasfondo de la llamada energía química. Referencias Bibliográficas [1] Hernández, Morales Francisco. 1989. James Prescott Joule. Col. Metrología Técnica. Serie los científicos y el Sistema Internacional de Unidades. Conalep. Limusa-Noriega. México. 37, 85 [2] Fox, A. Brian; Cameron, Allan G. 2006 Ciencia de los alimentos y salud. Limusa México. [3] Bohinski, Robert C. 1998. Bioquímica. Prentice Hall. 5a. Edición. México 418 [4] Vázquez, Contreras Edgard. Bioquímica y Biología Molecular en línea. Instituto de Química UNAM. (consultado junio 2010). http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/digestion%20de%20carbohidratos.html [5] Borel, Jaques-Paul; et al. 1987. Bioquímica dinámica. Ed Médica Panamericana. Buenos Aires. 238 [6] Glúcidos. Wikipedia. http://es.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BAcido. (Consultado junio 2010) [7] ¿Por qué los mamíferos son animales de sangre caliente? http://www.botanicalonline.com/animales/produccioncalormamiferos.htm. (Consultado junio de 2010)