sábado, 13 de marzo de 2010

16.- EL CICLO DEL CARBONO (I)


1.- MOLÉCULAS

1.1.- Introducción

De siempre he sentido un marcado interés por conocer, con detalle, el proceso fotosintético; interés que se transformó en admiración cuando leí el libro Fotosíntesis, de Asimov, I. (1986). A través de su lectura pude comprobar cómo la Naturaleza logra, de forma tan sencilla pero eficiente, lo que los humanos aún no han logrado en sus laboratorios. Ello me ha impulsado a escribir estos temas sobre el Ciclo del carbono, en los que ha servido de base lo esencial del citado libro de Isaac Asimov.

Posiblemente, el proceso fotosintético sea una de las obras más maravillosas lograda por la Naturaleza, y para dar comienzo a su estudio haré una referencia al compendio que de este proceso hace Lawrence Krauss en su libro Historia de un átomo (2007).




“Cuando el oxígeno entra en la planta, como parte de una molécula de agua, absorbida por las raíces, esta molécula es bruscamente rota, gracias a la acción catalizadora de la clorofila, para ir en busca del valioso hidrógeno que la integra. Los dos hidrógenos, es decir, los dos protones y sus electrones acompañantes, son arrastrados lejos de las moléculas de agua como niños a quienes se separa de su madre. Son esclavizados temporalmente en campos de trabajo, en los que con la aportación del anhídrido carbónico de la atmósfera, formarán hidratos de carbono. Mientras, los electrones, impulsados por la energía absorbida de la luz solar, se mueven como en una cuerda de presos para atender las necesidades de energía del organismo vegetal. Bombean y aguijonean a sus parientes protónicos para, así, colaborar en la formación de moléculas de ATP. El oxígeno de la molécula de agua, separado de sus hidrógenos, será devuelto a la atmósfera para contribuir a la necesidad más imperiosa de los humanos y del resto de los animales aerobios; la respiración”


Antes de entrar en el ciclodel carbono , recordaremos algunos conceptos básicos de la química que nos veremos obligados a desarrollar a lo largo de su descripción; escribiré algo sobre las moléculas, sobre lo que se conoce como procesos bioenergéticos, resumido del libro Biología molecular, de Smith C.U.M. (1975) y sobre algunos conceptos básicos del Ciclo del carbono, que nos aclararán algo en relación con los procesos vitales que tienen lugar en todos los seres vivos .

Empecemos por hablar del electrón, básico en todos los procesos vitales. Lo que hace que los átomos de los distintos elementos aparezcan como son, con su química y sus reacciones, se debe a los electrones que rodean a los núcleos y en especial a los electrones de su capa externa, designada con el nombre de capa de valencia.

El electrón es la partícula de masa más ligera del universo. Su masa es prácticamente insignificante, podríamos quitarnos todos los electrones de nuestro cuerpo y no notaríamos diferencia al pesarnos. Sin embargo, a pesar de su insignificante masa es posible que los electrones sean las partículas más importantes de la Naturaleza, por lo menos para nosotros, porque determinan todos los aspectos observables de nuestra existencia.


1.2.- La molécula

La organización espacial de varios átomos para formar una unidad mayor recibe el nombre de molécula. La combinación de un átomo con otro u otros para formar una molécula, entraña intercambiar o compartir electrones de sus capas de valencia. Las propiedades de cada molécula son “derivadas”, y proceden, de una determinada organización espacial de los átomos que la integran. Una molécula, por decirlo de otro modo, es la unidad menor en que puede dividirse una sustancia. La mayoría de las moléculas son estables, por lo general es muy difícil romper una molécula en los átomos que la integran. Estos hechos implican claramente que los átomos en una molécula se hallan en estados de energía particularmente bajos, que son a los que tiende la Naturaleza en todos sus procesos, por lo que para poder fraccionar una molécula y extraer un átomo de los que la integran, es necesario suministrar energía. Recordemos ahora que un cuerpo que presenta dos estados alternativos de energía tiende siempre al estado en que la energía es menor (esta es una norma de la Naturaleza, que como todas sus normas, jamás incumple), también recordaremos, que los elementos químicos denominados gases nobles o gases inertes no entran en reacción con otros elementos porque su capa de valencia, al estar completa de electrones, se halla en un estado de energía particularmente bajo. Por lo regular, los átomos, en sus reacciones, para formar moléculas, tienden a que su capa de valencia se asemeje a la de los gases nobles (completa de electrones), que es la de más baja energía y, por lo tanto, estable.

Como comienzo del tema, consideremos lo que sucede si ponemos en contacto un átomo de cloro y un átomo de sodio. Una mirada a la tabla periódica de elementos nos muestra que el sodio (Na) tiene un solo electrón en su capa de valencia mientras el cloro (Cl) tiene siete, le falta uno para completar esta capa ya que, como sabemos, es de ocho electrones. Es fácil ver que si el sodio pierde un electrón, su capa de valencia se parecerá a la del neón y si el cloro gana un electrón su capa de valencia se parecerá a la de otro gas noble: el argón. Lo que ha sucedido al unir los átomos de cloro y sodio es que el átomo de sodio ha cedido su único electrón de la capa de valencia al átomo de cloro, por tanto, el resultado de dicha donación debe ser la disminución de la energía asociada a las capas de valencia de cada uno de los átomos. Se deduce de lo observado en esta reacción que si el cloro y el sodio entran en contacto tiene lugar una interacción de los electrones de la capa de valencia de ambos átomos. Una consecuencia ulterior de esta donación de un electrón al átomo de cloro, es que al poseer este elemento un electrón de más, tendrá, por tanto, una carga eléctrica negativa adicional y viceversa, el sodio, al haber perdido un electrón, es como si adquiriera una carga positiva, por lo que existirá una atracción eléctrica entre ellos que los mantiene unidos y el resultado es un cristal de sal común (ClNa ). Este tipo de enlace se denomina enlace electrovalente (o iónico).

Imaginemos ahora el átomo de hidrógeno (H), con un solo electrón. Si ponemos en contacto dos átomos de hidrógeno (cuyos electrones difieran en la dirección de su spin para evitar el principio de exclusión de Pauli), sucederá que los electrones que en principio pertenecían a cada átomo de hidrógeno ahora serán compartidos por los dos átomos de hidrógeno. En esta situación, al compartir los dos átomos de hidrógeno sus capas de valencia, la estructura electrónica resultante se asemeja a la del gas noble Helio (que tiene dos electrones en su capa de valencia) por lo que resulta particularmente estable. Así se ha constituido una molécula de hidrógeno (H2). Este tipo de enlace, que puede tener lugar entre otros átomos, se llama enlace covalente, y es uno de los más fuertes. La valencia de un átomo depende de los electrones que admita o ceda en su capa de valencia (que son los que le faltan o sobran para completar su capa de valencia). Así, el sodio que cede un electrón y el cloro que también admite uno, tienen valencia uno. El hidrógeno tiene valencia uno por tener un solo electrón. Pero el oxígeno que tiene en su capa de valencia seis electrones admitiría dos, por lo que tiene valencia dos. El carbono que tiene cuatro electrones en su capa de valencia y admitiría o cedería, por tanto, cuatro; tiene valencia cuatro. Por citar algunos de los átomos más significativos..


1.3.- El agua

El enlace covalente también tiene lugar en la formación de la molécula de agua. El agua, como hemos dicho, es la más dúctil y variable de las substancias y tiene unas características muy especiales en razón a la constitución de su molécula, lo que la hace, por ejemplo, que se mantenga líquida a la temperatura ambiente, mientras otras moléculas similares, incluso más pesadas, son gaseosas en condiciones normales, características, las del agua, de la máxima importancia para la vida en nuestro planeta. La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Hemos dicho que el átomo de oxígeno posee seis electrones en su capa de valencia. Por tanto, si se puede conseguir que comparta un electrón con cada uno de los dos átomos de hidrógeno, su capa de valencia obtendrá la estabilidad de la estructura del neón, mientras, al mismo tiempo, los dos átomos de hidrógeno conseguirán, por compartir orbitales entre si, poseer una capa de valencia similar a la del helio. Evidentemente, las energías potenciales de las tres capas de valencia de los tres átomos se reducirán y darán origen a un enlace estable (enlace covalente).

Convencionalmente, los enlaces covalentes se representan por segmentos de rectas que unen los átomos que intervienen en la constitución de la molécula. Así pues, la molécula de agua se simboliza así:


H – O – H

En ella, cada hidrógeno que está unido a un segmento de recta, significa que tiene valencia uno, y el oxígeno que está unido a dos segmentos de recta, significa que tiene valencia dos. En la figura 3, los carbonos que están unidos a cuatro segmentos de recta, significa que tienen valencia cuatro.

Hay otro tipo de enlace atómico conocido como los enlaces H (enlaces de hidrógeno), que no tienen la estabilidad ni consistencia de los enlaces covalentes y electrovalentes. Este tipo de enlaces de fuerzas de atracción débiles, son muy comunes en biología, precisamente, este tipo de enlace se presenta entre las moléculas de agua (hemos dicho moléculas de agua) y es el que confiere a esta sutancia (el agua) una de sus características más especial; su movilidad.


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Figura 1

En el tema 2 Los procesos bioenergéticos, señalamos que el átomo de oxígeno es intensamente electronegativo. Por tanto, en la molécula de agua los electrones que pertenecían previamente a los hidrógenos son “arrastrados” hacia el átomo de oxígeno. Los núcleos de los átomos de hidrógeno quedan como “desnudos” de sus electrones, de esto resulta que la parte de la molécula de agua donde se sitúan los hidrógenos presenta una cierta polaridad positiva que facilita los enlaces de estos hidrógenos con la cara del oxígeno de otra molécula próxima de agua, por presentar una polaridad negativa. De este modo, las moléculas de agua tienden a agruparse en formaciones suavemente unidas o masas flotantes, según la figura 1, que les dan la condición de líquidos. Las moléculas que presentan esta característica se denominan moléculas polares.


1.4.- El carbono

El carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia, y, por tanto, para formar una molécula estable necesita el aporte o la cesión de cuatro electrones, diremos pues, que el carbono es tetravalente. Uno de los compuestos de carbono más sencillo que se conoce es el metano, CH4, Fig. 2



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Una característica muy importante del átomo de carbono es su capacidad de combinarse con otros átomos, incluidos los de carbono. Ningún otro átomo posee este poder en tan alto grado y es, en gran parte, esta capacidad la que hace del átomo de carbono una unidad básica para la construcción de biomoléculas, por ello, la química del carbono se denomina también química orgánica. La razón es que al tener el átomo de carbono cuatro electrones en su capa de valencia, los átomos de carbono al ponerse en contacto, completarían sus capas de valencia y se formaría un enlace electrovalente. Así se pueden formar las largas cadenas de átomos de carbono, al combinarse entre si y con otros átomos, figura 3.



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1.5.- Iones

Por su importancia en las reacciones químicas e incluso en los fenómenos eléctricos, hablaremos algo de los iones, que hacen posible las soluciones. Como vemos en la figura 4, la naturaleza polar de las moléculas del agua las obliga a acumularse en torno a los iones como el cloro (Cl-) y el sodio (Na+) y, por tanto, los mantienen seperados entre sí. De este modo son posibles las soluciones iónicas.



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Figura 4

Un ion es un átomo con carga eléctrica. El estado normal de un átomo es el estado neutro, al compensarse las cargas positivas de los protones que integran el núcleo con las negativas de los electrones que orbitan a su alrededor. Pero puede darse la circunstancia, como ya hemos visto anteriormente, que un átomo pierda o adquiera uno o más electrónes. En estos casos, al desequilibrarse la carga del núcleo con la de los electrones, el átomo, si pierde un electrón, presentará una carga positiva en exceso y si gana un electrón la carga en exceso será negativa; el átomo se ha convertido en un ión.




Como sabemos, el sodio tiene un electrón en su capa de valencia, mientras que el cloro tiene siete. Es fácil comprender que si el sodio pierde el electrón de su capa de valencia o el cloro gana uno en la suya, estos átomos ya no están en estado neutro, y aparecerán con una carga eléctrica, positiva el sodio y negativa el cloro; se han convertido en iones. Estos iones se expresan:


Na+ Cl-
ion sodio ion cloro


El ácido sulfúrico, cuya fórmula es SO4H2, tiene un comportamiento parecido al cloruro sódico.


Antes de seguir, diremos que hay agrupaciones de átomos que funcionan igual que los iones monoatómicos, por lo que se denominan radicales. Es el caso del grupo SO4 del ácido sulfúrico. Los iones que se formarían al disolverse una molécula de ácido sulfúrico en agua, serían:


SO4= + 2H+


El radical SO4= se denomina ion sulfato. Hay otros radicales, entre los que podemos citar: OH- (ion hidroxilo), NO3- (ion nitrato), NH+ (ion amonio).




1.6.- Soluciones


Dijimos al hablar del agua que el carácter polar de su molécula daba a este elemento unas características muy especiales, entre las que estaba el ser uno de los mejores disolventes, al facilitar la disociación de las moléculas de ácidos o sales que se ponen en su contacto.En el caso de la sal común o cloruro sódico (ClNa), al ponerse en contacto con el agua, sus moléculas se disocian en los iones correspondientes de cloro (Cl-) y sodio (Na+), a la vez que las moléculas polares del agua rodean a estos iones dejándolos, así, aislados unos de otros por lo que quedan como “flotando”; quedan disueltos en el agua. De este modo son posible las disoluciones iónicas. Ver figura 4, (tomada de libro biología molecular de C.U.M. Smith). Lo mismo sucedería, por ejemplo, con el ácido sulfúrico o con cualquier otro ácido o sal.


El agua pura no conduce la electricidad, pero si en ella hay disuelto un ácido o una sal, por la disociación que sufren en el agua estos elementos al transformarse en sus iones correspondientes, el agua se hace conductora debido a la movilidad que adquieren estos iones por el efecto de la corriente eléctrica.




1.7.- Molécula de oxígeno


La formación de la molécula de oxígeno (O2) se logra por medio de un enlace covalente entre los dos átomos, pero este enlace es un poco especial al igual que ocurre entre otros átomos , entre los que se encuentra el nitrógeno.


El átomo de oxígeno tiene seis electrones en su capa de valencia, le faltan dos para completar los ocho de esta capa. Los electrones de las distintas capas de los átomos se agrupa en orbitales de dos electrones con spin distintos, por lo que los seis electrones de la capa de valencia del átomo de oxígeno deberían ocupar tres orbitales, pero no es así, los dos orbitales más internos están ocupados, ambos, por dos electrones, pero los otros dos electrones ocupan orbitales diferentes ( cada uno un orbital de los dos más exteriores ). La razón es porque así están en un estado de menor energía. Estos dos electrones no apareados son los que intervienen en el enlace covalente, por lo que en la molécula de oxígeno O2 cada átomo tiene ocho electrones en su nivel exterior, al compartir entre los dos átomos los dos pares de electrones de los dos orbitales más externos.


En la molécula de oxígeno, al realizarse la unión compartiendo dos pares de electrones, el enlace se denomina covalente doble y se representa:


O = O


En el nitrógeno son tres los electrones despareados que tiene en los tres orbitales más externos y dos pareados en el orbital interno, por lo que el enlace covalente de dos átomos de nitrógeno para formar una molécula (N2) sería un enlace covalente triple, representado:






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El nitrógeno tiene gran importancia por ser uno de los componentes fundamentales de la materia viva.El compuesto más elemental del nitrógeno es el amoniaco, un gas incoloro, de olor fuerte y sofocante. Se parece mucho al agua en sus propiedades químicas. Su fórmula es NH3. Otro compuesto interesante del nitrógeno es el ácido nítrico, cuya fórmula es NO3H.Estos dos compuestos se utilizan para proporcionar a las plantas nitrógeno en forma mineral, que luego ellas transformarán en nitrógeno orgánico.


Otro elemento indispensable para edificar la molécula viviente es el fósforo, de fórmula P. El fósforo es un elemento químicamente muy parecido al nitrógeno, se combina muy fácilmente con el oxígeno y puede formar dos óxidos: el trióxido, P2O3 y el pentóxido, P2O5, ambos se disuelven en el agua y forman los ácidos fosforoso, PO3H3 y fosfórico, PO4H3, como veremos más adelante, este último, representa un elemento muy importante en el “ciclo del carbono”.




2.- LOS PROCESOS BIOENERGÉTICOS.


2.1.- Generalidades


Este tema se apoya en el libro Biología molecular, de Smith, C.U.M. (1975) Todos los procesos vitales, como todo en la Naturaleza, tienen su origen en lo “ínfimo”, por lo que tendremos que escribir algo sobre el comportamiento y características de los átomos esenciales para que tengan lugar estos procesos estos procesos.


Como en todas las acciones vitales, el elemento fundamental es el agua y, por lo tanto, sus integrantes (oxígeno e hidrógeno), así como el carbono, aunque debemos destacar que los principales participantes en estos procesos son los electrones de estos átomos.


Diremos, en principio, que algunos átomos de los que integran una molécula tienen un poder mucho mayor que otros para atraer electrones de sus átomos vecinos. Se dice que estos átomos son electronegativos


Entre los átomos más electronegativos destaca el oxígeno, característica que marca su comportamiento en todas las reacciones que interviene. En el caso del agua (H2O), la constitución de su molécula supone un proceso de oxidación del hidrógeno por parte del oxígeno.


Como hemos señalado, el oxígeno es un átomo intensamente electronegativo, por lo que, en la molécula de agua, los dos electrones que pertenecían previamente al hidrógeno (uno a cada átomo) son arrastrados hacia el átomo de oxígeno, y los hidrógenos quedan como desnudos de su electrones, por eso la parte de la molécula de agua donde se sitúan los átomos de hidrógeno tiene una polaridad, en parte, positiva, por lo que puede formar enlaces, denominados de hidrógeno, con otras moléculas próximas de agua que presenten una cara con polaridad negativa donde se halla situado el átomo de oxígeno. Este proceso (robo de electrones por el oxígeno) se denomina oxidación.


Volvamos a las moléculas aisladas de oxígeno e hidrógeno. Tanto los dos átomos que constituyen la molécula de hidrógeno, como los dos que constituyen la de oxígeno, se mantienen unidos en un sistema estable que se conoce como enlace covalente. Para que los átomos de hidrógeno y oxígeno, de un gas formado por estas moléculas (gas oxhídrico), puedan reaccionar entre si (se combinen) para formar agua, deben antes romperse esos enlaces covalentes para que queden como átomos libres, para ello se requiere un aporte de energía. Esta energía la puede proporcionar una chispa eléctrica (o el encendido de una cerilla). La energía térmica suministrada por la chispa eléctrica separa los dos hidrógenos y los dos oxígenos de cada una de las moléculas en contacto con la chispa Los átomos así separados se unen entonces para formar un sistema de menor energía: el agua. En esta reacción se libera una gran cantidad de energía bajo forma de calor y luz (se produce lo que conocemos como una explosión, ya que se genera una reacción en cadena, y todas los átomos de hidrógeno y oxígeno que integraban el gas se unen de forma instantánea, en la proporción adecuada, para formar agua). Es lo que se conoce como una reacción exotérmica.


¿De donde proviene toda esta energía? Hemos dicho que al unirse los átomos de hidrógeno y oxígeno formaban un sistema de menor energía: el agua. Pues la energía que provoca la explosión es la diferencia entre la energía de los átomos de hidrógeno y oxígeno cuando existían de forma independiente que, como hemos señalado, era mayor que cuando se unen para formar agua.


Sabemos que la energía asociada a un electrón es función de su posición en la estructura del átomo. En el átomo de hidrógeno típico el electrón ocupa el orbital de energía más bajo. Sin embargo, si un electrón de un átomo con varios orbitales es excitado, será elevado a otro orbital (cuanto mayor sea la energía recibida más elevado será el orbital al que es lanzado) Desde esta altura tendrá que caer a su nivel básico, emitiendo, como efectivamente lo hace, la energía que recibió en forma de radiación electromagnética. Esto lo tendremos en cuenta más adelante porque esta energía que desprende el electrón al caer a su nivel básico es la que recoge la vida para desarrollar sus funciones energéticas.


Siempre que llego a este punto, detengo la lectura y me paro a meditar sobre su trascendencia y la forma tan simple y artificiosa, utilizada por la Naturaleza, para aprovechar la energía solar: Partiendo de las características de la estructura atómica, una estructura a nivel tan elemental, se consigue transformar la energía radiante del Sol en otra forma de energía que, como decimos, pueda ser recogida por la vida para desarrollar sus funciones energéticas. Pero además, para alcanzar este fin, ha sido preciso diseñar la complejidad de procesos posteriores que deben tener lugar para que la vida pueda utilizar esta energía transformada en beneficio propio; como así es. ¡Y todo obra de la Naturaleza! Permitidme que repita ¡Que maravilla!


Otro punto importante que debemos recordar es una de las características de los gases nobles. Los gases nobles tiene su capa externa (capa de valencia) completa de electrones, por lo que, como ya hemos indicado no pueden intervenir en reacciones químicas. La razón es que la capa de valencia de estos gases, por su estado, posee una cantidad mínima de energía. En otras palabras, son especialmente estables. De esto, se deduce que los átomos que intervienen en reacciones químicas, al imitar, como hemos dicho, la estructura de los gases nobles en su capa de valencia, puedan alcanzar estados de energía particularmente bajos (estables).


Después de esta breve digresión, estamos en condiciones de analizar el porque se produce la explosión al unirse hidrógeno y oxígeno para formar agua. El oxígeno posee seis electrones en su capa de valencia, le faltan dos para completar esta capa y tener esta capa con la misma estructura que la del neon (un gas noble). Cuando se combina con los dos átomos de hidrógeno para formar agua, va a compartir cada uno de los electrones de los dos hidrógenos por lo que su capa de valencia obtendrá la estabilidad de la estructura del neon, mientras, y al mismo tiempo, los dos átomos de hidrógeno conseguirán poseer una capa de valencia similar al helio. Evidentemente, las energías potenciales de las capas de valencia de los tres átomos quedarán reducidas. Esta reducción de energía es la que hemos señalado más arriba como causante de la explosión.




2.2.- Los procesos bioenergéticos


Volvamos a nuestro tema fundamental. De todos es conocido que la vida depende de la energía radiante del Sol. El bombardeo constante de fotones solares sobre nuestro planeta es la principal fuente de toda la actividad vital, por lo que para poder aprovechar esta inacabable energía, se precisa que los organismos dispongan de procedimientos adecuados para atrapar fotones. La Naturaleza, como siempre, ha desarrollado los métodos precisos para ello.


Como veremos más adelante, el fundamento básico para el desarrollo de estos procesos es el que ya ha sido mencionado en el escrito Materia y vida.. Allí decíamos: “Cuando un fotón golpea a un electrón de un átomo constitutivo de una molécula, el electrón aumenta su energía y es arrancado de su orbital para situarse en otro superior en su giro alrededor del núcleo, para caer luego, por regla general, dentro de una cienmillonésima de segundo, a su estado básico inicial. En este descenso pierde la energía que había adquirido al ser golpeado por el fotón, energía que recoge la molécula para la realización de sus procesos vitales”.


Debemos mencionar, en especial para destacar la importancia de la fuente de energía solar, que la vida en la superficie de nuestro planeta no es un fenómeno a pequeña escala. La masa total de la materia viva en la biosfera es del orden de 1017 gramos (cien mil millones de toneladas) y que la cantidad de carbono utilizado para formar la materia de las plantas verdes desde el comienzo de la historia de la Tierra es alrededor de 1.026 gramos (cien trillones de toneladas), que se aproxima a una cincuentava parte del peso de todo el globo terrestre. A esta escala colosal en que se desarrolla la vida, hace tiempo que se habría agotado la gigantesca demanda de energía que se precisa si no fuera por el horno de fusión inagotable, para nuestra temporalidad, que es el Sol.


Para que la vida adquiriese una posición firme y permanente mientras exista el Sol, fue preciso que la Naturaleza “inventara” la molécula de clorofila. Así la vida tuvo libertad para salir de las profundidades marinas a la superficie y extenderse por todo el planeta.


No vamos a entrar en la estructura de la clorofila, pero si diremos que existe cierta semejanza entre la clorofila y la hemoglobina de la sangre. Quizás, la diferencia más señalada entre ellas es que en la clorofila se ha sustituido el átomo de hierro que tiene la hemoglobina por el de magnesio.


Diremos, también, que la absorción de energía solar por las plantas tiene lugar dentro del espectro visible (de ahí el color verde de las plantas que tienen clorofila). Esto no es una casualidad, ya que la mayor parte de la energía radiante de origen solar que alcanza la superficie de nuestro planeta se encuentra en dicha parte del espectro (repito, ¡esto no debe ser una casualidad!).


Como hemos señalado anteriormente, los electrones que han salido de su orbital a otro más elevado y caen a su estado básico, en su caída generan energía. Esta energía se aprovecha para sintetizar enlaces químicos en los que quedará acumulada esta energía para poder ser utilizada posteriormente. La molécula más importante poseedora de esta particularidad de acumular energía, es el fosfato ATP, conocido como fosfato rico en energía. Así, pues, una de las funciones importantes que realiza la energía liberada por los electrones al caer de orbitales es la síntesis de ATP a partir de ADP [1]. Esta energía será utilizada por los organismos para realizar gran parte de las actividades que la requieren en sus procesos vitales.

Señalaremos que el mecanismo en el proceso fotosintético, por el cual se sintetiza el ATP y que se asocia, como hemos dicho, a la caída orbital de electrones, se llama fosforilización fotosintética (al ATP se le denomina también fosfato rico en energía). Este proceso, relatado de forma muy sucinta, es el siguiente: Cuando una molécula de clorofila recibe un fotón solar, de energía conveniente, sobre uno de sus electrones, éste es elevado a un nivel excitable. En su caída al nivel básico que ocupaba en la molécula de clorofila, sufre una serie de procesos, en los que la energía que desprende es aprovechada para sintetizar el ATP, a partir del ADP, que es un fosfato de menos energía. En resumen, el electrón ha sido engranado en un mecanismo en el que produce enlaces de fosfatos de alta energía

Estos enlaces de fosfatos ricos en energía, son como la moneda que utilizan los organismos vivos para adquirir la energía que necesitan, por lo fácilmente que pueden liberar la energía que en ellos se almacena. Debido a esta facilidad de los fosfatos para liberar la energía, la Naturaleza, sensatamente, como hacemos los humanos con nuestro dinero, la mayor parte de la energía la atesoran de otra forma menos frágil que la anterior, para así tenerla de reserva. Para ello, aprovechan la energía que acumulan los enlaces covalentes que unen las moléculas de los hidratos de carbono, y, entre ellos, muy especialmente, la glucosa.

Se deduce que si el organismo vivo tiene que almacenar su energía en forma de los enlaces covalentes de las moléculas de hidratos de carbono, el carbono, el hidrógeno y el oxígeno que las forman deben ser asimilados, de algún modo, a partir del medio ambiente. ¿Cómo soluciona este problema la Naturaleza? Sin entrar en detalles, diremos que la solución es sorprendentemente sencilla: El bióxido de carbono del aire es reducido (desoxidado). Para efectuar esta reducción se utiliza el hidrógeno del agua, que es el elemento que más abunda en la Tierra. Estos procesos fotosintéticos que tienen lugar en las plantas verdes se desarrollan en el escrito Ciclo del carbono II (apartado 1.3 Fotosíntesis), donde se detalla el proceso de síntesis de la glucosa.

Debemos recordar que dijimos que en la molécula de agua los dos electrones del hidrógeno, uno de cada átomo, se encuentran en un nivel inferior al que se encontraban en la molécula aislada de hidrógeno. Por el contrario, en la molécula de glucosa, de fórmula C6H12O6, los electrones de los hidrógenos que la forman están a un nivel considerablemente mayor que en la molécula de agua, por lo que pueden ser utilizados para obtener energía.

Una vez que las moléculas de glucosa se encuentran dentro del animal, el organismo extrae energía de ellas tratando la glucosa a través del proceso respiratorio, para desalojar al electrón de su posición elevada en la molécula de glucosa y permitirle descender de nuevo, mediante un complicado proceso, a su estado básico en la molécula de agua que se forma en ese mismo proceso después de aprovechar la energía que libera el electrón en su descenso.

Para terminar con este tema sobre los procesos bioenergéticos, diremos que la energía es transformada de una forma a otra en numerosos puntos del organismo. En los vegetales, como hemos visto, la energía de los fotones solares es transformada en la energía almacenada en los enlaces fosfato de alta energía (ATP). En los animales, los vegetales y los microorganismos, es la energía del potencial redox (oxidaciones y reducciones) la que se acumula en los mismos enlaces fosfato de alta energía, para posteriormente ser utilizada para la realización de todos sus procesos metabólicos.

Entre otros casos de utilización de energía por los organismos está la transformación de la energía de los enlaces fosfato en energía mecánica en el interior de las microfibrillas que constituyen las fibras musculares, aunque a pesar de investigaciones proseguidas durante mucho tiempo aun no está lo suficientemente claro como actúa la energía de estos fosfatos en los mecanismos contráctiles de las microfibrillas (la Naturaleza lo tenía solucinado desde el principio). Otro caso es la utilización de la energía de los fotones incidentes para crear impulsos en los nervios ópticos. El proceso de fotorrecepción es algo más conocido, no obstante, se sabe que la fotorrecepción es un proceso extraordinariamente sensible, pero continúa siendo un misterio como se consigue esta gran sensibilidad.


2.3.- Potencial redox

Al principio del punto 2.1. se dice que la constitución de una molécula de agua supone un proceso de oxidación del hidrógeno por el oxígeno. Este proceso es causado por el potencial redox.

El potencial redox (oxidaciones y reducciones) es la cesión o toma de electrones entre los átomos que constituyen una molécula. El agente reductor es el átomo que cede electrones de su estructura y el agente oxidante es el que tiende a captar estos electrones. En las reacciones químicas el átomo que pierde electrones decimos que ha sido oxidado. Por norma, siempre que se oxida la materia se libera energía. La prueba más contundente está en la combustión. En lo que respecta al agua. como al hidrógeno le gusta ceder electrones, y el oxígeno, por el contrario, tiene apetencia por aceptarlos, cuando se forma una molécula de agua por la combinación de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, decimos que el hidrógeno ha sido oxidado por el oxígeno y como en todo proceso de oxidación se genera energia. En este proceso, la energía generada por la formación de cada moléculs de agua es de 2’25 ev.


3.- EL CICLO DEL CARBONO
3.1.- Introducción al ciclo
En los escritos anteriores sobre la vida, hemos señalado que la glucosa es el alimento inmediato del tejido orgánico humano y, en general, de todos los tejidos vivos, por lo que la glucosa es un componente clave desde el punto de vista de producción de energía en estos organismos.

El Ciclo del Carbono se refiere a la formación de glucosa en las plantas verdes (fotosíntesis) y a su aprovechamiento por los organismos vivos para generar energía (respiración).

El proceso fotosintético podríamos escribirle, sintetizado, de la forma siguiente:

Energíasolar+agua + bióxido de carbono + (fotosíntesis)
[2] = oxígeno + glucosa

Y el proceso respiratorio:

Glucosa + oxígeno+(respiración)
[3]= bióxidodecarbono + agua + energía

Como podemos ver estos dos procesos se complementan; el bióxido de carbono que se consume en el proceso fotosintético es reemplazado por el proceso respiratorio, a la vez que el proceso fotosintético restituye a la atmósfera oxígeno para, así, compensar el que se consume en la respiración y poder mantener la proporción de estos dos gases en la atmósfera.

Si en lugar del nombre de los componentes que intervienen en estos procesos colocamos sus fórmulas respectivas, tendríamos, para la respiración;

C6H12O6 + 6O2 + (respiración) = 6CO2 + 6H2O + energía

Para la fotosíntesis el proceso sería inverso.

Energía + 6H2O + 6CO2 + fotosíntesis = 6O2 + C6H12O6

En la realización de ambos procesos tienen lugar muy variadas y complejas reacciones químicas que vamos a detallar en el desarrollo de este escrito.

En principio hablaremos de algunos conceptos básicos que debemos conocer para mejor comprender las reacciones que tienen lugar en estos procesos.

Naturalmente, la cantidad de energía producida por una sustancia en combustión dependerá de la cantidad total de sustancia que se quema. En vez de emplear un gramo de sustancia como unidad patrón, los químicos utilizan un número fijo de moléculas, y para ello decidieron emplear como patrón el número de átomos de carbono contenidos en 12 gramos de carbono (sus razones tendrían). Este número es naturalmente enorme. Es igual a 6 por 10 elevado a 23 (un 6 seguido de 23 ceros). Este número de átomos (o de moléculas) de cualquier sustancia se denomina mol.

El empleo del mol permite diferenciar la masas de las moléculas. Por ejemplo, un mol de agua tiene una masa de 18 g, y un mol de glucosa posee una masa de 180g. Esto significa que el mol de glucosa tiene una masa diez veces mayor que el mol de agua, porque la molécula individual de glucosa tiene una masa diez veces mayor que la molécula individual de agua
[4]. Por consiguiente, el empleo del mol permite diferenciar la masa de las moléculas.

También diremos que la oxidación completa de un mol de glucosa produciría 686 kilocalorías. Esto resumido se puede expresar diciendo: El calor de combustión de la glucosa es de 686 kilocalorías por mol, o, en abreviatura, 686 kcal/mol. Esta es la situación que se produce cuando la glucosa se combina bien con el oxígeno (la reacción suele producirse con explosiva rapidez). Sin embargo, no se produce así en el organismo En los tejidos vivos, la glucosa no se mezcla nunca con oxígeno puro ni reacciona con rapidez explosiva. En vez de esto, se transforma, lenta y gradualmente, mediante un gran número de pasos, en bióxido de carbono y agua. (¡inteligente Naturaleza!).

Como todos sabemos, la fórmula de la glucosa es C6H12O6, pero en algunos procesos actuaremos con un sexto de glucosa, (CH2O o lo que es lo mismo HCOH) ello nos hará más fácil la comprensión del fenómeno químico, pero realmente esto es falso, ¡no ocurre ni puede ocurrir!
Estos datos nos permiten entrar en el estudio del ciclo del carbono.

Podemos, pues, escribir la ecuación de la respiración (para una molécula entera de glucosa) operando con un mol.

C6H12O6 + 6O2 – 686 kcal/mol = 6CO2 + 6H2O
(Ecuación 1)
Esta ecuación escrita con un sexto de glucosa sería


HCOH + O2 – 114 kcal/mol = CO2 + H2O
(Ecuación 2)

(El signo menos de 686 en la ecuación 1 significa que en esta reacción quedan 686 kilocalorías de energía libre por mol que abandonan el sistema y pasan al mundo exterior)

Para facilitar el cálculo conviene pasar de kilocalorías/mol a ev (electrón voltios). Para ello, consideraríamos, en principio, la energía desprendida por una sola molécula de glucosa. Si operemos con un sexto de glucosa, y como sabemos que el número de moléculas de un mol es 6 por 10 elevado a 23, tendremos:

114 dividido entre 6 por 10 elevado á 23 = 2 por 10 elevado a menos 22 Kcal. (por aproximación) < Si damos por sabido que 1 Kcal equivale a 2’6 por 10 elevado á 22 ev, tendremos que las Kcal emitidas por un sexto de molécula de glucosa, (2 por 10 elevado a menos 22 ), equivalen a 2 por 10 elevado a menos 22 por 2’6 por 10 elevado á 22 = 5’2 ev (por aproximación podemos tomar el valor de 5ev).

La fórmula 2 podemos escribirla, expresada para 1/6 de molécula de glucosa

HCOH + O2 – 5 ev = CO2 + H2O
(Ecuación 3)
La ecuación 3 puede expresarse, con la misma validez, pasando el componente de energía libre a la derecha de la ecuación. En este caso (como en las ecuaciones algebraicas), el signo debe pasar de menos a más, y la ecuación se convierte en:

HCOH + O2 = CO2 + H2O + 5 ev
(Ecuación 4)
Si nos refiriéramos a una molécula de glucosa en lugar de a un sexto de molécula, la energía libre sería 5 ev por 6 = 30 ev

En la ecuación 3 se representa que, cuando la glucosa y el oxígeno se combinan y se convierten en una mezcla de bióxido de carbono y agua, además, el universo exterior al sistema gana energía libre, que en el caso de los tejidos vivos será aprovechada en los distintos procesos que se requieran.

La cantidad de energía libre que se precisa para la formación de los distintos enlaces químicos que tienen lugar en los procesos que vamos a analizar, varían de unos a otros, pero podemos aceptar como valor medio el de 0’1 ev.


3.2.- Intermediarios del Ciclo
Hay un elemento que representa un importante papel en el ciclo del carbono. Este elemento es el “fósforo”. El compuesto más conocido entre los que contienen fósforo es el ácido fosfórico, H3PO4. Adviértase que contiene la combinación de fósforo y oxígeno “PO4”, denominada “grupo fosfato”, que se halla presente en todos los compuestos de fósforo relacionados con los tejidos vivos. Vamos a representar a este grupo fosfato como Ph, por lo que el ácido fosfórico será H3Ph.

Uno, dos o los tres átomos de hidrógeno de la molécula de ácido fosfórico pueden ser sustituidos por otros átomos o grupos de átomos, y de ello resulta un “fosfato”. Si el sustituto contiene átomos de carbono, como es natural, el resultado es un “fosfato orgánico”.

Hay ciertos fosfatos orgánicos en que el grupo fosfato está unido al resto de la molécula de una manera bastante inestable. Es como si el enlace precisase una mayor sujeción, por decirlo así, para que el grupo fosfato quedara sujeto. Naturalmente, la formación de semejante fosfato requiere una mayor inversión de energía libre, y, si ésta es desprendida, como es lógico, también será en mayor cantidad cuando se rompe el enlace. Estos fosfatos se conocen como “fosfatos de alta energía”.

Los fosfatos de alta energía almacenan cantidades de energía que pueden alcanzar los 0’5 ev, y resultan ser los intermediarios clave en la utilización de energía por el organismo.

Cuando cualquier proceso aporta energía libre, parte de ésta es empleada para formar fosfatos de alta energía, donde queda almacenada para su posterior utilización por el organismo en la formación de nuevos enlaces químicos, como síntesis de proteínas, así como en la formación de compuestos especiales requeridos para procesos tales como la conducción nerviosa, la contracción muscular, etc. Para que esto pueda producirse, el grupo fosfato de alta energía no se separa simplemente de su componente orgánico. Si lo hiciera así, la energía desprendida se perdería en forma de calor, por el contrario, el fosfato de alta energía entrega su grupo fosfato a otro compuesto, el cual se convierte, a su vez, en fosfato. El segundo compuesto requiere una aportación de energía para convertirse realmente en un fosfato, pero como el fosfato de alta energía , al soltar su grupo fosfato, produce más energía libre que la necesaria para la formación del segundo fosfato, el exceso lo toma el organismo para cubrir sus necesidades de energía. El fosfato de alta energía
[5] es como si desapareciera, y en su lugar surge un fosfato de “baja energía”

Naturalmente, los fosfatos de alta energía tienen que ser repuestos a medida que se consumen para que el organismo no los agote en un abrir y cerrar de ojos. En realidad, estos fosfatos de alta energía se producen, como veremos, gracias a la energía desprendida por otros procesos, que así. garantizan su existencia en el organismo.

Hasta 1929 no fue descubierto el más conocido de todos los fosfatos de alta energía, denominado trifosfato de adenosina, universalmente conocido como ATP. Cuando este fosfato transfiere el grupo fosfato más externo, queda una adenosina con dos grupos fosfato, denominado difosfato de adenosina ADP, también conocido como fosfato de baja energía.

Cuando el ATP pierde su fosfato de alta energía y se convierte en ADP, desprende aproximadamente 0’3 ev, cantidad más que suficiente para formar enlaces ordinarios que suelen requerir 0`1 ó 0’2 ev.

Como es lógico, los fosfatos ATP y ADP, sólo se generan y utilizan en el proceso respiratorio de los organismos vivos, ya que la energía necesaria para el proceso fotosintético de las plantas verdes procede del Sol, que, como hemos dicho, supone una fuente inagotable de energía. (cuando esta forma de energía desaparezca, momento que llegará, la vida desaparecerá de la Tierra).


[1] El ATP y el ADP se denominan, respectivamente, adenosintrifosfato, adenosindifosfato (Rehusamos especificar las fórmulas por lo simplificado de estas notas).[2] El proceso fotosintético (creación de glucosa) tiene lugar en los cloroplastos de las células de clorofila de las plantas verdes.[3] El proceso respiratorio de oxidación de la glucosa tiene lugar en las mitocondrias, gránulos que existen en el citoplasma de todas las células capaces de respirar.[4] Como dato, por si se quiere tener en cuenta, diremos que las masas atómicas redondeadas del hidrógeno, oxígeno y carbono son, respectivamente, 1, 16 y 12.[5] El fosfato de alta energía se denomina ATP (adenosintrifosfato) y el de baja energía ADP (denosindifosfato)

BIBLIOGRAFÍA

Asimov, I. (1986). La fotosíntesis, (Ferrer, J. Trad.). Barcelona: Ed. Plaza y Janés. (Trabajo original publicado en 1968).

Krauss, L. (2007). Historia de un átomo. Una odisea desde el Big Bang hasta la vida en la Tierra...y más allá, (Páez, F. Trad.) (4ª ed.). Navarr: Ed. Laetolli. (Trabajo original publicado en 2001).

Smith, C.U.M. (1975). Biología molecular, (Arnedo, E. Trad.) (2ª ed.). Madrid: Ed. Alianza Editorial. (Trabajo original publicado en 1968).