Desde las primeras civilizaciones se planteaba la participación de la energía en los procesos vitales; se hablaba de la "fuerza vital", o prana de los alimentos, y su relación con la vida. Esta idea, en gran parte mágica, persistió hasta muy avanzada nuestra civilización. El precursor de las ideas verdaderamente modernas y científicas sobre la energía fue Lavoisier. Los enlaces químicos de las moléculas de nuestros alimentos deben convertirse en los del adenosintrifosfato, o como se conoce en lenguaje bioquímico, ATP, moneda universal de las células para el manejo de la energía.
- CONCEPTOS GENERALES
Como cualquier proceso natural, el fenómeno de la vida, para mantenerse, requiere una gran cantidad de energía. Es frecuente oír hablar de la necesidad de ingerir alimentos para tener "más fuerzas", "más energía", "potencia", etc., pero estos términos habitualmente son vagos, y se les utiliza más como sinónimos de actividad que en su verdadera aceptación. Es importante que definamos primero algunos términos:
Fuerza: la definición más antigua nos dice que es aquello capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. Pude ser desde la desarrollada por una mesa que sostiene pasivamente un cuerpo, como la máquina de escribir o un cuaderno, hasta la representada por el empuje de un tractor.
El trabajo y la energía: son dos términos equivalentes. El trabajo resulta de aplicar una fuerza sobre un cuero y de producir su movimiento a lo largo de un espacio cualquiera, y se cuantifica tomando en cuenta la magnitud de la fuerza y el espacio recorrido. La energía es la capacidad, aunque no se haya ejercido, de hacer trabajo; por ejemplo un coche en movimiento lleva una cantidad de energía que le permite, si se encuentra con algún objeto, moverlo de cierta forma, según la velocidad y la masa o peso que tenga.
Potencia: es la capacidad de realizar cierto trabajo, pero en relación al tiempo. Un coche que es capaz de subir una cuesta en cinco minutos es mucho más potente que otro que tarda diez o quince minutos.
Si los conceptos de fuerza, trabajo-energía y potencia son diferentes, hay tambien diferencias en las unidades en que se expresa. La caloría representa la cantidad de calor que se requiere para elevar en un grado la temperatura de un gramo de agua. El joule es igual a poco más de cuatro calorías, y fue así denominada en honor al gran científico James Joule. La kilocaloría o caloría grande, o Caloría (con C mayúscula), es igual a 1 000 calorías pequeñas.
- EN QUÉ SE "UTILIZA" LA ENERGÍA
Existe aun cierta confusión en cuanto a la energía, y tiene que ver precisamente con los términos que se emplean para expresar que en tal o cual proceso "interviene" la energía, se "utiliza" o "se gasta". Es de gran importancia señalar que la energía de un sistema no se crea ni se destruye, sino que se transforma. En a naturaleza nunca se puede hablar ni de utilización ni de gasto de energía, sino de su transformación de unas formas en otras las cuales son:
- Energía química
- Energía eléctrica
- Energía mecánica
- Energía calorífica
Los seres vivos manifiestan ser transformadores de energía de diferentes maneras. Una muy clara es la capacidad de generar calor. Otra de las manifestaciones claras es el movimiento, que es una clara conexión entre la ingestión de los alimento y el movimiento. Hay transformaciones de energía en funciones que son aun más complejas que el movimiento mismo, es el caso de las funciones realizadas por algunos de nuestros órganos, como el corazón, el intestino, nuestro aparato respiratorio, etc. Hay otras más en las cuales no se observa movimiento, sin embargo tambien implican transformaciones de energía; tales como el funcionamiento de nuestros riñones y glándulas.
Las funciones más complicadas son las realizadas por el sistema nervioso, que en última instancia comprenden al pensamiento mismo. Las células nerviosas aunque inmóviles requieren energía, poseen una enorme serie de funciones las cuales requieren energía. Otra de las transformaciones de energía que no vemos, pero que se realiza con gran intensidad está dada por el movimiento de sustancias a través de membranas. El paso de los materiales nutritivos por la pared del intestino para ser aprovechados por las células. Todas deben nutrirse y desechar aquello que no quieren o no necesitan (los materiales alimenticios, el agua y las sales minerales). Todos los organismos utilizan buena parte de la energía de los materiales que se alimentan en este proceso de transporte continuo y muy activo de sustancias de unos lugares a otros y hacia dentro o fuera de las células.
Por último existe otra transformación o uso de energía de gran importancia en los seres vivos, la renovación constante de las moléculas que los componen. Nosotros no apreciamos ningún cambio aparente de un día a otro pero las moléculas de los organismos vivos se están renovando; aunque unas lo hacen a mayor velocidad que otras, a fin de cuentas todas se cambian constantemente por moléculas nuevas. La renovación significa por una parte que las moléculas grandes o complejas deben ser destruidas, o convertidas en componentes más sencillos. Al romperlas, la energía química de sus enlaces se transforma en calor. La otra fase se denomina síntesis (formación) de las moléculas nuevas, lo que requiere de otra forma de energía diferente al calor, la cual debe provenir de los alimentos y sus transformaciones.
En suma las grandes funciones en que se realizan las principales transformaciones de energía en los seres vivos son:
- El movimiento,
- El transporte de nutrientes, y
- La síntesis de nuevas moléculas.
LAS FUENTES DE LA ENERGÍA
La gran fuente de energía de la que dependemos todos los seres vivos es el Sol. No es que las plantas "utilicen" la energía del Sol para fabricar ciertas moléculas simples; la verdad es que las plantas toman una pequeña parte de la energía luminosa que llega del Sol a la Tierra y la transforma en la energía química de diferentes sustancias. El caso más simple es el de los azúcares, que se transforman según la reacción:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6
En el proceso de la fotosíntesis hay que "utilizar" o transformar una parte de la energía luminosa que viene del Sol en la energía química que mantiene unidos los átomos en ese azúcar. Esta situación convierte entonces a los vegetales en los organismos más importantes en el camino de la utilización de la energía del Sol, como transformadores de la energía luminosa en energía de enlaces químicos, fundamentalmente de la glucosa. Las plantas tambien pueden elaborar a partir de la glucosa otros azúcares, grasas y proteínas o al menos los componentes de estas, los aminoácidos, tambien producen constantemente el oxigeno indispensable para la vida, según se le conoce hoy en día.
Una vez transformada la energía del Sol en la de los enlaces de los azúcares y otras sustancias, son los animales los que las ingieren. En ellos, el proceso es un tanto al contrario; ahora se trata de convertir esa energía de los enlaces de las moléculas provenientes de la luz del Sol, en otra que puedan aprovechar sus células y tejidos a fin de funcionar. Las células deben convertir la energía en otra forma directamente aprovechable y para eso se utiliza una sustancia llamada ADP, o adenosín difosfato, que en su estructura contiene dos fosfatos. Esta molécula se puede convertir en ATP (adenosintrifosfato), que entonces contiene tres fosfatos, como resultado de un complicado proceso que supone que la energía de los enlaces de la glucosa se convierta en energía de los enlaces del ATP.
El combustible universal de las transformaciones de la energía de los seres vivos es el ATP, y se puede utilizar para muchísimos procesos. Lavoisier, a finales del siglo XVIII observó que si se quemaba glucosa en presencia de aire, se producía calor. Pensando que comemos glucosa y que nuestro organismo produce calor, propuso que en nuestro organismo tambien se utiliza la glucosa por un camino que lleva finalmente a su oxidación y a la producción de bióxido de carbono y agua, pero que la energía del azúcar es de alguna forma aprovechada o transformada, en alguna ora forma de energía aprovechable por el organismo.
A finales de 1933, Fritz Lohman, descubrió el adenosintrifosfato (ATP); como la moneda energética de las células y su distribución universal en los seres vivos. Otro de los grandes descubrimientos fue el de la molécula conocida como nicotín adenín dinucleótido (NAD) y la definición de su estructura por el científico alemán Otto Warburg. Esta molécula participa en las transformaciones de energía de los seres vivos, en un proceso conocido como óxido-reducción, en el cual está implicada una cantidad importante de energía. Cuando las moléculas como la glucosa, los ácidos grasos o las proteínas se degradan, se produce una energía en la forma de ATP, o poder reductor mejor conocido como moléculas de NAD, que pueden reducirse con la incorporación de átomos de hidrogeno para dar NADH y reoxidarse cuando estos hidrógenos se pierden.
En 1948, dos investigadores, Schneider y Hogeboom, describieron que las mitocondrias eran responsables de la respiración de las células y que al mismo tiempo que respiraban, realizaban la síntesis de ATP a partir del ADP y el fosfato inorgánico. Se descubrieron los componentes moleculares del sistema que transporta los electrones provenientes originalmente del NADH hacia el oxigeno, y los mecanismos generales de formación del agua en este complicado proceso. Los cloroplastos de las plantas, son el equivalente de las mitocondrias de las células animales, y se demostró que estos otros "organelos" son los responsables de "capturar" la energía del Sol y los procesos que la acompañan, y que llevan finalmente a la síntesis de la glucosa y otros azúcares utilizando bióxido de carbono, agua y energía luminosa.
Hasta 1961 Peter Mitchell integró los conocimientos que se habían acumulado para postular mecanismos generales. Uno de sus grandes méritos fue no solo proponer, sino haber demostrado la universalidad de los mecanismos generales de transformación de la energía tanto en las mitocondrias y cloroplastos como en bacterias y todo organismo vivo, en cada caso con sus respectivas particularidades.
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