Suplemento de Física.

Un de las entradas pasadas era el suplemento de química orgánica, para proporcionar cierta base sobre los grupos orgánicos más habituales en las biomoléculas. No era nada complicado y si era necesario para los que tengan la materia olvidada o aparcada. La de hoy es una actualización breve pero que está dedicada a revisar unas partes fundamentales de la física que opera en la biología.

Termodinámica.

La primera parte es la Termodinámica, que, a pesar de las descripciones tradicionales, se puede entender como la rama de la física que estudia los procesos químico-físicos y los flujos de la energía durante las reacciones químicas. La parte que nos atañe concierne a una parte pequeña de la termodinámica, concretamente, la que hace referencia a uno de sus potenciales: la Energía Libre de Gibbs. La Energía Libre de Gibbs determina, como valor, la probabilidad de que una reacción o sistema de reacciones químicas ocurran en la naturaleza. La ecuación de la Energía Libre de Gibbs es:

En esta ecuación, H es la entalpía, la Energía disponible dentro de un sistema (la reacción a la que atañe) para realizar Trabajo (en este caso sería el curso de la reacción en el sentido indicado, por ejemplo: 2 H2 + O2 --> 2 H2O tendría un valor de H); T es la temperatura; y S es la Entropía del sistema (que mide el caos a nivel molecular y el desgaste de la energía para producir un trabajo útil). El valor resultante en G puede ser positivo, negativo o cero, y ahí está el punto clave de lo que nos importa: las reacciones con G negativa ocurren espontáneamente en el sentido en que han sido escritas; las que tienen valor cero se hallan en equilibrio; y las que tienen valor positivo no ocurren en el sentido indicado de forma espontánea (claro que pueden ser forzadas aportando energía desde fuera, ya que ese es el significado de la temperatura en este caso).

Todo lo indicado sobre termodinámica es importante porque se aplica en bioquímica tanto para reacciones entre moléculas como para el cálculo de la probabilidad de que se establezcan enlaces intermoleculares no covalentes. Esta expresión que parece complicada hace sólo referencia a los enlaces entre moléculas basados en las fuerzas electrostáticas generadas por la carga eléctrica resultante en los átomos de las diferentes moléculas. Por ejemplo, los enlaces de hidrógeno son las fuerzas que sostienen la estructura del agua y son claro ejemplo del resultado de electronegatividad y electropositividad pero también abundan las fuerzas de Van der Waals. Esta relación entre las fuerzas electrostáticas no covalentes intermoleculares y el cálculo de su espontaneidad mediante la energía libre de Gibbs es la base del cálculo de la probabilidad de las estructuras bidimensionales y tridimensionales en proteínas, ácidos nucléicos e incluso estructuras más complejas, como las membranas biológicas.

Difusión y Ósmosis.

La difusión es el tránsito de moléculas de una substancia, líquida, en disolución o gaseosa, de un punto del espacio a otro de acuerdo con la termodinámica y el espacio disponible. Es un fenómeno que ocurre de forma natural de acuerdo con un gradiente de concentración, es decir, desde donde está más acumulada (concentrada) la substancia a donde lo está menos. La difusión, en términos de física, sigue la ecuación de la Ley de Fick:

En esta ecuación, J es el flujo en cantidad de materia (por ejemplo moles, o sea el Número de Avogadro de moléculas de la substancia) dividido por unidad de superficie y unidad de tiempo; D es el coeficiente de difusión (en unidades de superficie divididas por unidad de tiempo); Phi/Fi es la concentración (en unidades de materia divididas por unidades de volumen); y x es la posición. Básicamente, lo que ocurre es que, naturalmente, las moléculas de los líquidos, gases o sólidos en disolución tienden a ocupar el espacio disponible de forma uniforme (es decir, el mismo número por unidad de volumen) de forma natural (termodinamicamente espontánea).

Lo relativo a la difusión es de gran importancia en el fenómeno biológico de la ósmosis. Normalmente se habla de la ósmosis en noticias y de forma más o menos coloquial y supone, aproximadamente, lo mismo que difusión. No, no es así del todo. La ósmosis es la difusión de agua a través de una membrana semipermeable, es decir, una membrana que es selectiva respecto a las moléculas que pueden traspasarla. Es un concepto clave en la biología y que se aplica, sobre todo, a solutos iónicos a ambos lados de una membrana. En general, como ya relataré, las membranas biológicas son permeables a agua y gases pero son más selectivas frente a los iones por las propiedades derivadas de su composición, lo que hace que un determinado ión o molécula esté en concentraciones diferentes a ambos lados de la membrana. Eso, en el caso de los iones, tiene como consecuencia principal la generación de una diferencia de carga y el consecuente potencial eléctrico, una de las características intrínsecas de los seres vivos.

A la vez, como consecuencia de la semipermeabilidad de las moléculas, ocurre que las diferentes concentraciones de iones se intenten igualar con ese tránsito de agua también de forma termodinamicamente positiva (y por lo tanto espontáneamente). El agua, así, circulará desde el lado de la membrana con menor concentración (hipotónico) al lado con mayor concentración (hipertónico), hasta alcanzar la igualdad de concentraciones a ambos lados (isotonía). Es cierto que aún así los solutos transitan en el sentido de difundir e igualar las concentraciones (salvo aquellos que físicamente no pueden superar la membrana porque requerirían energía para el transporte) pero en el caso biológico es siempre más rápido el tránsito del agua.

Todo esto no se termina aquí, muchos de los procesos biológicos a bastantes niveles tienen una relación clave con la ósmosis y a medida que los expliquemos se podrá referir la importancia de este fenómeno físico.