LA VIDA ES METABOLISMO Y EL
METABOLISMO ES QUÍMICA
Valentín Vásquez
San Andrés Ixtlahuaca, Oaxaca,
México.
Introducción
Tanto
el origen de la vida, hace aproximadamente unos 3500 millones de años, unos
1000 millones de años cuando hizo su aparición nuestro planeta Tierra, así como
su continuidad hasta el presente, no pueden ser entendidos racionalmente sin el
concurso de la química. El fundamento de la química está miles de millones de
años antes del origen del sistema solar, cuando en las estrellas (soles) se
formaron las partículas primarias (principalmente protones, electrones y
neutrones) que luego se combinaron para formar los primeros átomos (hidrogeno y
helio) que por acción de la fuerza de gravedad (contracción) aumento la presión
y la temperatura del interior de las estrellas (15 millones de C°), lo que superó
las fuerzas de repulsión de los núcleos de hidrogeno y se produjo su fusión
nuclear, para formar helio y así sucesivamente se produjeron el carbono, el oxígeno
y el carbono; elementos fundamentales que posteriormente se combinaron para dar
origen a la vida. Desde luego faltaban otros elementos químicos más pesados, que,
aunque en pequeñas cantidades también participan en la química compleja que
caracteriza a la vida. Dichos elementos se generaron por la explosión violenta
de estrellas mayores que nuestro Sol y su dispersión, que por la fuerza de
gravedad dieron origen a estrellas de segunda generación, en las que están
presentes los 92 elementos químicos, como es el caso de la estrella más cercana
(sol). Así pues, en las estrellas incluido nuestro Sol, se formaron los átomos
que dieron origen a la cosmoquímica.
Al
igual que el Sol, la Tierra tiene los 92 elementos naturales y una vez formado
el sistema solar y con el descenso de la temperatura entró en acción la química
para formar las capas de la Tierra, particularmente la corteza primaria de tipo
basáltico, los océanos, la corteza continental de tipo granítico y la
atmósfera; todo ello, generó las condiciones necesarias para el origen químico
de la vida, para la combinación química de compuestos químicos de la atmósfera
(NH3, CH4, H2O) que por acción de la lluvia y los escurrimientos (ríos) se
depositaron en los océanos y con el concurso principalmente de la energía solar
y/o calor de las fuentes hidrotermales, reaccionaron con los compuestos
químicos dando origen a compuestos orgánicos simples (aminoácidos, nucleótidos,
lípidos) que por reacciones cada vez más complejas dieron origen a la primera
célula procariota (bacteria). Así, se produjo el tránsito químico cualitativo
de la materia inorgánica a la materia vida. 1000 millones de años después las
cianobacterias iniciaron la fotosíntesis y con esta el oxígeno molecular libre,
una vez que oxidó a los metales del océano se liberó a la atmósfera y se
convirtió en el actor principal de la respiración (contraparte de la
fotosíntesis). El oxígeno liberado a la atmósfera y en los océanos contribuyó
decisivamente a la formación de organismos más complejos basados en la célula
eucariota de mayor complejidad que la célula procariota que le antecedió. Las bases
para el desarrollo de organismos vivos cada vez más estaban listas. Las algas
invadieron los continentes y después de un prolongado proceso se convirtieron
en las plantas superiores. Los animales también se hicieron más complejos y al
igual que las plantas llegaron a los continentes: peces, anfibios, reptiles, aves,
mamíferos y primates. Estos de hábitat arborícola y después de muchos millones
de años se transformaron en homínidos, de los que se desprendieron los Australopithecus, que hace unos dos
millones de años evolucionaron a la especie humana primitiva (Homo habilis), que finalmente culminó en
el hombre moderno (Homo sapiens). En
resumen, la química ha sido crucial en el origen y continuidad de la especie
humana, de tal forma que se puede definir la vida como metabolismo, pero a la
vez el metabolismo es química.
Marco de referencia
Todas
las ciencias particulares tienen como objetos de estudios fragmentos del
universo (física, química, biología, etc.) y como tales descubren verdades
parciales expresadas en principios o leyes. En este sentido, se trata de
verdades insuficientes que requieren el concurso de la filosofía que tiene como
objeto de estudio del universo como totalidad, para descubrir la verdad
universal, en la cual están contenidas parcialmente las verdades de las
ciencias particulares. Es decir, la filosofía es la ciencia universal que
generaliza o sintetiza los descubrimientos de las ciencias particulares. Esto
explica por que la filosofía griega antecedió a las ciencias particulares y
posteriormente se desprendieron las ciencias particulares, sobre todo después
de lo que se conoce como Renacimiento en el siglo XVI-XVII. Paralelamente la
filosofía ha contribuido con la generalización de los nuevos descubrimientos
científicos. Sin embargo, también han ocurrido generalizaciones de ciencias
específicas como la realizada por Nicolás Copérnico en su obra: Sobre la revolución de las órbitas celestes
(1543), en la que generalizó los conocimientos anteriores, principalmente del
geocentrismo griego de Ptolomeo expuestos en el Almagesto (siglo II a.C.). Otra
importante síntesis fue la realizada por Isaac Newton en su libro: Principios matemáticos de la filosofía
natural en 1687, en la que generaliza los descubrimientos de la física
aportados por Galileo Galilei y Juan Kepler. Casi un siglo después en 1789, Antoine
Lavoisier publica su Tratado elemental de
química en el que unifica los conocimientos dispersos que le antecedieron.
Ochenta años después (1869), el químico ruso Dimitri Mendeléiev publica la
Tabla periódica de los elementos químicos, en la que resume los conocimientos
químicos hasta su época. Otro avance significativo es el realizado por John
Dalton a principios del siglo XIX, en su obra de química: un nuevo sistema de
filosofía química, en el que sintetiza los principales aportes a la ciencia
química desde los griegos (los atomistas) hasta iniciado el siglo XIX y con
ello establece los fundamentos de la química moderna.
Un
cambio crucial en la síntesis filosófica de los conocimientos de las ciencias
particulares lo llevó a cabo el pensador alemán Friedrich Hegel entre 1812 y
1817, período en el que publico su ciencia de la lógica y la enciclopedia de
las ciencias filosóficas. Particularmente entre 1812-1816 publica su Ciencia de la lógica dividida en tres
doctrinas. En la doctrina del ser expone la ley del
tránsito recíproco de la cantidad y la cualidad, la cual establece que en el
pensamiento todos los procesos se mueven gradualmente –cuantitativamente- en un
rango conocido como medida y que si se rebasa se produce un cambio brusco
–salto-, con lo que la cantidad se transforma en una nueva cualidad; es decir,
la cualidad se mueve cuantitativamente en los límites de la medida, pero que si
se rebasa, la vieja cualidad es relevada por una nueva. La ley de la
contradicción la plantea en la doctrina de la esencia en polémica con la ley de
la identidad de la lógica aristotélica y afirma que en el universo todos los
procesos son contradictorios en sí mismos y es la contradicción la que mueve a
los procesos materiales y mentales. Finalmente, en la doctrina del concepto,
expone la tercera ley universal, la negación de la negación; la cual establece
que en el universo todos los procesos son cíclicos y que para completar el
ciclo el proceso tiene que pasar por dos negaciones, para retornar al punto de
partida, pero a un nivel superior. Además, en 1817 publica su Enciclopedia de las ciencias filosóficas,
la cual divide en tres grandes apartados: Lógica, filosofía de la naturaleza y
filosofía de espíritu. En la parte de la lógica hace un resumen de la Ciencia
de la lógica, en la filosofía de la naturaleza engloba la mecánica, la luz, el
aire, física orgánica (geología, plantas y animales) y en filosofía del
espíritu considera las ciencias sociales (antropología, psicología, el derecho)
y la ética y la moralidad.
Otra
generalización de trascendental importancia la realizó Federico Engels en la
segunda mitad del siglo XIX (1878) en su obra: El Anti-Dühring, en la que
polemizando con Dühring concluyó que la unidad del mundo no está en el ser como
lo concebía su oponente, si no en la materialidad del universo. Esta conclusión
tuvo consecuencias muy importantes para las ciencias particulares y para la
filosofía: primero la generalización de los conocimientos de las ciencias
particulares hasta el siglo XIX y la concepción de la materia (concepto) de
mayor generalidad y conceptos derivados, que son objetos de estudio de la
filosofía, con lo que desaparecieron las filosofías de menor generalidad que le
antecedieron (filosofía de la naturaleza, filosofía de la física, filosofía
química, etc.).
Konariov
(1987) comenta que Demócrito (420 a. C.) discípulo de Leucipo, concibe los
átomos como infinitamente pequeños, individuales y eternos. Como demostración
de su reflexión, menciona el siguiente ejemplo: al disolverse la sal
desaparece, disgregándose en átomos de sal, los cuales, al mezclarse con los
átomos del agua, le confieren a esta un sabor salado, aunque no podamos ver los
átomos de la sal. Al secarse el agua salada, los átomos del agua se evaporan, y
los átomos de la sal forman un fino sedimento. Por cuanto los átomos son
pequeños, los cuerpos parecen compactos, como un montón de arena visto de lejos
en el que no se distinguen los distintos granos. Los cuerpos homogéneos se
componen de átomos iguales, los heterogéneos de átomos distintos… Los átomos se
encuentran en un eterno movimiento desordenado. Al unirse se forman las
sustancias, al desunirse se destruyen las sustancias. Los átomos formados en la
destrucción se unen nuevamente y forman nuevos cuerpos. Los átomos del suelo,
entran en la planta y forman las hojas, tallos, etc. Los animales al comerse
las plantas forman su cuerpo a cuenta de los átomos de las plantas. Los
animales carnívoros, al devorar a los herbívoros, introducen en su organismo
los átomos de los segundos. Al morir los vegetales y los animales se
descomponen en átomos, que ingresan nuevamente en el suelo. De tal manera, en
todo el universo se realiza eternamente el movimiento de los átomos. Epicuro
(307 a.C.) discípulo de Demócrito explicada de la manera siguiente el estado
agregado de los cuerpos: si los átomos están relativamente separados unos de
otros, entonces se forman compuestos (cuerpos complejos) del tipo del aire y de
la luz solar, es decir, cuerpos gaseiformes, según la clasificación actual. Si
los átomos están próximos, entonces están unidos por un entrelazamiento y
forman cuerpos líquidos y sólidos, además, en los cuerpos sólidos, los átomos
están entrelazados directamente, y en los cuerpos líquidos hay insignificantes
espacios entre los átomos.
El
autor citado escribió la filosofía atomista grecorromana, culminó con la obra:
Acerca de la naturaleza de las cosas de Tito Lucrecio Caro en Roma (355 a. C.)
en la que concluye que la materia, está compuesta de átomos, y por eso los
propios átomos son eternos e indestructibles.
García
(2016) intuye al titular a su libro: Todo
es cuestión de química y en la conclusión, escribe que “la química es el paradigma de la ciencia que busca el orden, la que
agrupa elementos y tipos de enlaces, que se maravilla con los cristales, se
inquieta ante los fluidos y estudia con serenidad, las transformaciones de la
materia”; es decir, la química estudia las transformaciones cualitativas de
las sustancias materiales.
Química
Jodakov et al (1987) define a la química como la ciencia que estudia la transformación de
unas sustancias en otras, a través de reacciones químicas (fenómenos químicos).
Feynman
et al (2018) escribió que la física
es la ciencia más fundamental y general de las ciencias, y ha tenido un
profundo efecto en todo el desarrollo científico. En realidad, es el
equivalente de lo que anteriormente se llamaba filosofía natural, de la cual
provienen la mayoría de las ciencias modernas.
El
mismo autor concibe que la electrodinámica cuántica derivada de la mecánica
cuántica, es la que fundamenta toda la química y la química de la vida
(bioquímica); por consiguiente, en última instancia, la física es el pilar de
la química y de la biología.
Tsvetkov
(1987) explica la admirable
propiedad de los átomos de carbono de combinarse unos con otros formando
cadenas largas está relacionada con su estructura y con la posición de este
elemento en la tabla periódica. El carbono está en el segundo período corto y encabeza
el subgrupo principal del cuarto grupo de los elementos. El radio de su átomo
es relativamente pequeño y en su capa electrónica exterior tiene cuatro
electrones. En el curso de las reacciones químicas es difícil arrancar al átomo
de carbono por completo sus cuatro electrones de valencia, igualmente que unir
a éste la misma cantidad de electrones procedentes de otros átomos para formar
un octeto pleno. Como consecuencia de esto el carbono no forma compuestos
iónicos. Sin embargo, el carbono forma con facilidad enlaces covalentes. Por
cuanto las propiedades de ceder y atraer electrones al formar enlaces
covalentes se manifiestan aproximadamente en igual medida, estos enlaces se
forman también entre los átomos de carbono
Herrera
(2016) escribe los dos tipos de enlace que desempeñan un papel fundamental en
la química de la vida son el covalente y el iónico. Estos son también los casos
extremos de enlace químico que existen. El enlace covalente que une a los
átomos de cadenas largas es un enlace fuerte en el que los átomos comparten
electrones. El enlace iónico, es débil y ocurre cuando los átomos han perdido o
ganado electrones convirtiéndose en iones cargados eléctricamente. Cuando en el
enlace iónico está presente el hidrógeno de una molécula y un átomo muy
electronegativo de otra molécula, se le conoce como puente de hidrógeno. Este
es muy importante en la vida, de tal forma que es el que mantiene unidas las
dos cadenas en del ADN, que regula la síntesis de RNA y la síntesis de proteínas,
así como la reproducción celular. La composición química de los seres vivos es
muy parecida a la de los océanos y muy diferente a la corteza terrestre en la
que predomina el silicio. Químicamente el carbono y el silicio son similares al
tener ambos una valencia de 4; sin embargo, por su tamaño son diferente, ya que
el carbono tiene un número atómico de 6 y el silicio de 14, lo cual tiene
repercusiones importantes en la formación de compuestos químicos en los que
participan. Lo anterior. El carbono al ser más pequeño, tiene mayor
flexibilidad para formar enlaces y de mayor extensión en las cadenas de los
compuestos orgánicos. Contrastando con el carbono, el silicio es más grande por
lo que sus átomos no pueden acercarse para fusionarse, y por esto mismo el bióxido
de carbono (CO2) es una molécula pequeña de gas que contiene dos
oxígenos y un átomo de carbono, a diferencia del bióxido de silicio que es un
agregado gigantesco de átomos de oxígeno alternados con silicio (S1O2).
En suma, la vida puede definirse brevemente como la química del carbono.
Vlasov
y Trifonov (1978) explican que muchos metales manifiestan valencias
completamente insólitas. La cantidad de valencias complementarias que puede
manifestar un metal está determinada por la magnitud del índice de
coordinación, que puede variar desde un valor mínimo de 2 y un máximo de 12. El
enigma de las valencias insólitas de los metales en los compuestos complejos
fue resuelto. Surgió un nuevo apartado de la química inorgánica, de los
compuestos complejos. Sin los compuestos complejos no puede existir la vida. Así
lo confirman dos moléculas vitales: la hemoglobina de la sangre, cuya
estructura química tiene como átomo central el hierro (Fe) que retiene el
oxígeno para transportarlo a todas las células del cuerpo animal y humano para
la respiración, así como en las plantas la clorofila tiene en su estructura al
magnesio (Mg) que participa en la fotosíntesis. Además, existen muchas enzimas
(proteínas catalizadoras) y vitaminas que están constituidas a lo complejo. En
los compuestos complejos a los iones de los metales se unen moléculas neutras
y, además en diferentes cantidades. Por esta razón, en la química de los
complejos no se utiliza el concepto de valencia, sino el de índice de
coordinación. Este indica cuantas moléculas, átomos o iones complejos están
ligados con el átomo central. En este sentido se expresa Asimov (1975) cuando
escribe que Wemer desarrolló una teoría de la coordinación de la estructura
molecular. Esencialmente esta teoría sustenta que las relaciones estructurales
entre los átomos no tienen porque estar restringidas a los enlaces ordinarios
de valencia, sino que -particularmente en ciertas moléculas inorgánicas
relativamente complejas-los grupos de átomos podrían distribuirse alrededor de
algún átomo central, de acuerdo con ciertos principios geométricos que no
parecen tener en cuenta el enlace de valencia ordinario. Respecto a los grupos
funcionales de la química orgánica, el autor dice que se trata de grupos de dos
o más átomos que permanecen combinados al pasar de una molécula a otra y se
denominan radicales, cuyo vocablo proviene de la palabra latina que significa “raíz”.
La razón de este nombre estaba en la creencia de que las moléculas podían
construirse a partir de un número limitado de combinaciones de átomos pequeños.
Los radicales serían entonces las “raíces” a partir de las cuales la molécula
crecería. En resumen, comenzó a verse que para resolver el problema estructural
de las grandes moléculas había que resolver primero las estructuras de
determinado número de radicales diferentes. Las moléculas podrían después
construirse sin mucha dificultad a partir de los radicales o grupos
funcionales. La importancia de los grupos funcionales (radicales) estriba en
que representan la identidad de las moléculas orgánicas y son centrales en las
reacciones químicas en los organismos vivos.
Koolman
y Röhm (2012) escriben que las reacciones químicas son procesos en los que los
electrones o grupos de átomos (radicales) son incorporados a una molécula,
intercambiados entre moléculas o desplazados dentro de una misma molécula. Entre
las reacciones químicas más relevantes, están las reacciones: a) redox, b) ácido-base,
c) adiciones/eliminaciones y d) sustituciones nucleofílicas. Las del grupo a
hay transferencia de electrones de una molécula (el agente reductor) a otra (el
agente oxidante). En este proceso frecuentemente también se transfieren uno o dos
protones, pero el criterio decisivo para hablar de una reacción redox es la
transferencia de electrones. Durante la reacción el agente reductor es oxidado
y el agente oxidante es reducido. Las reacciones químicas del grupo b
(ácido-base) a diferencia de las reacciones redox, no se transfieren electrones
sino protones (iones H+). En la disociación de un ácido el agua actúa
como aceptor de protones y se convierte en ion hidronio (H3O+).
En la reacción inversa, ocurre la protonización de la base conjugada, el agua
actúa como ácido. Por ejemplo, si la base NH3 (amoniaco) reacciona
con agua (H2O), se genera un ion hidróxido (HO-) y como
ácido conjugado, un ion amonio (NH4+). La reacción de
adición es una reacción en la que átomos o moléculas se incorporan a un enlace
múltiple y se denomina de adición. La reacción inversa de eliminación, consiste
en la ruptura de moléculas con formación de un enlace doble. Finalmente, las
reacciones del grupo d, se caracterizan por el reemplazo (sustitución) de un
grupo funcional por otro. Las sustituciones nucleofílicas comienzan con la
adición de una de las moléculas a la otra, seguida de la eliminación del grupo
de salida. En las transposiciones (isomerizaciones) se transfieren grupos
dentro de una misma molécula.
Fotoquímica
Comprender la naturaleza de la radiación solar (luz) es de trascendental
importancia, ya que es la fuente de energía de muchos procesos físicos,
químicos y biológicos. Del conocimiento científico de su naturaleza depende la
explicación de los procesos en los que participa. La concepción de su
naturaleza está condicionada por el contexto histórico de sus autores. Así a
fines del siglo XVII y principios del siglo XVIII, cuando la Mecánica era la
ciencia más desarrollada, la doctrina que predominó fue la de la naturaleza
mecánico-corpuscular formulada por Newton, a tal grado que desplazó durante un
siglo a la teoría ondulatoria expuesta por primera vez por Huygens a fines del
siglo XVII. Pero el conocimiento científico se mueve gradualmente y a saltos y
es así como en 1865, se produce un salto revolucionario con la formulación de
la teoría electromagnética de Maxwell, la cual negó a la teoría corpuscular de
Newton. El conocimiento siguió moviéndose y es a principios del siglo XX,
cuando se da otro salto en el desarrollo del conocimiento acerca de la
naturaleza de la luz, con la Mecánica cuántica de Plank y el efecto
fotoeléctrico de Einstein, descubrimientos que probaron la naturaleza
corpuscular de la luz, con lo que se retornó al punto de partida, pero a un nivel
muy superior, ya que la negación no es absoluta, implica la conservación de lo
positivo de cada doctrina. En este sentido, la naturaleza de la luz tiene que
ser contradictoria (partícula vs onda); es decir, es onda y es partícula a la
vez. Específicamente se trata de micropartículas, llamadas fotones que tienen
un movimiento ondulatorio con una velocidad de 300,000 kilómetros por segundo.
La enorme velocidad con que se mueven los fotones, es natural y lógica, ya que
en realidad se trata de “micro proyectiles” nucleares emitidos o “disparados”
por el Sol, por la explosión de “bombas” termonucleares de hidrógeno en su
interior.
Una
vez conocida la naturaleza de la luz solar, es evidente que tiene la capacidad
de iniciar una serie de reacciones fotoquímicas, entre las que destacan: ionización
de átomos y moléculas (N, O, N2, O2, etc.) disociación (ruptura)
de moléculas inorgánicas (H2O, O3) y orgánicas (cloro-fluoro
carbonos), entre otros. Sin embargo, tal como lo documenta detalladamente. Asimov
(1985) el proceso biológico más importante en el que participa la radiación
solar es la fotosíntesis, proceso químico que se produce en las plantas,
particularmente en los cloroplastos de las hojas, a través de una molécula
compleja que tiene como átomo central al magnesio (Mg) llamada clorofila, en la
que la energía solar rompe la molécula de agua proveniente del suelo, en
hidrogeno (H) y oxígeno molecular (O2). Con la concurrencia de energía también
aportada por el sol (almacenada), el hidrogeno se combina químicamente con el
bióxido de carbono (CO2) de la atmósfera para luego formar glucosa y liberación
de O2 libre en la atmósfera. Así es, como la energía solar participa en la producción
primaria de carbohidratos, que por medio de reacciones químicas sucesivas forman
también proteínas, grasas, etc., alimentos que serán vitales para el
metabolismo de los organismos heterótrofos (principalmente animales y especie
humana) y, complementada la fotosíntesis con la respiración (oxidación) de sus
productos (alimentos) se generara la energía (ATP) para todas las funciones
vitales de los organismos vivos. Así pues, la fotosíntesis realizada por los
organismos autótrofos (ciano-bacterias, algas y plantas superiores) con el
concurso de la energía solar, constituye el primer eslabón de la cadena
alimenticia de la que dependen los organismos heterótrofos.
Conclusiones
La química es la ciencia
que estudia la transformación cualitativa de las sustancias materiales
La Química es la ciencia
que estudia el movimiento (interacción) de los electrones atómicos.
La fotoquímica: luz
(fotones) à
rotura de átomos y moléculas à química
La vida es metabolismo y
el metabolismo es química
La radiación solar es la
fuente primaria de energía que hace posible la vida
En síntesis, la sucesión
química que originó la vida y la sigue haciendo posible es la siguiente:
cosmoquímica (átomos) à fotoquímica à
geoquímica à
bioquímica
Referencias
bibliográficas
Asimov Isaac. 1975. Breve
historia de la química. Introducción a las ideas y conceptos de la química. Alianza
Editorial, S.A. Madrid, España.
Asimov Isaac. 1985. Fotosíntesis.
Ediciones Orbis, S.A. Barcelona, España.
Herrera Corral Gerardo. 2016. Universo. La
historia más grande jamás contada. Penguin Random House Grupo Editorial, S.A.
de C.V. México, D.F.
Feynman et al. 2018. Lecciones de física de Feynman: Mecánica, radiación y calor. Fondo de Cultura Económica. Ciudad de México.
Fidrierich Hegel. 1812-1816. Ciencia de la lógica. Traducción Mondolfo Rodolfo (1960). Buenos Aires, Argentina.
Fidrierich Hegel.1817. Enciclopedia de las ciencias filosóficas. Editorial Porrúa, S.A. 1980. México, D.F.
Konariov B. 1987. Que es la química inorgánica. Ediciones Quinto Sol, S.A. de C.V. México, D.F.
Tsvetkov L.A. Química orgánica. Editorial MIR, Moscú, URSS.
Vlasov I. y Trifonov D. 1978. Química recreativa. Ediciones Quinto Sol, S.A. de C.V. México, D.F.
Koolman Jan y Klaus-Heinrich Röhm.2012. Bioquímica humana. Editorial Médica Panamericana. México, D.F.
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