¿Por qué algunas reacciones químicas requieren muchos pasos?

Question

He publicado la siguiente pregunta en Física SE y me han aconsejado que la traslade a Química SE.

---

Estudié física en la universidad hace diez años y hace poco empecé a aprender bioquímica. Me gusta descubrir que algunos conceptos conocidos de la física desempeñan un papel importante en la bioquímica, como la entropía y la energía libre de Gibbs.

Por ejemplo, como (ex)estudiante de física, me alegra saber que la energía libre de Gibbs determina las direcciones de las reacciones químicas. Creo que es un buen ejemplo en el que una especie de ley fundamental de la física determina cómo es un fenómeno.

Sin embargo, sigo sin entender por qué las reacciones químicas de un cuerpo tienen que ser tan complejas. Muchos sistemas químicos constan de más de varios pasos para lograr sus propósitos. Según Wikipedia La glicólisis tiene diez pasos en su proceso. ¿Por qué son necesarios tantos pasos?

He tratado de encontrar una ley física que prohíba que el proceso de glucólisis se realice en uno o dos pasos, pero no he podido encontrar una respuesta. Me gustaría saber (o discutir) si hay una ley física que hace que los sistemas químicos sean tan complejos (se requieren muchos pasos).

Mi suposición es que alguna ley física prohíbe la existencia de una enzima que realice un proceso de un solo paso de la glucólisis.

Answer 1

No hay ninguna ley fundamental que impida las reacciones químicas simples: las cosas son complejas debido a la complejidad combinatoria de los compuestos químicos

La complejidad de muchas reacciones químicas es un subproducto del hecho de que hay una variedad muy, muy grande de posibles sustancias químicas. Gran parte de esa complejidad se debe a la forma casi infinita en que incluso algunos elementos simples pueden combinarse para dar lugar a estructuras complicadas (el carbono es el ejemplo arquetípico). Teóricamente, por ejemplo (teórico porque no todos los ejemplos pueden existir en el espacio tridimensional) hay 366.319 formas de construir diferentes compuestos alcanos a partir de sólo 20 átomos de carbono y átomos de hidrógeno (véase esta pregunta aquí y esta entrada en la Enciclopedia de secuencias de números enteros). Y esta cifra subestima drásticamente la complejidad real, ya que ignora las imágenes en espejo y las formas más complicadas de unir los átomos de carbono (como en los anillos, por ejemplo). La complejidad es aún mayor si se añaden otros elementos a la mezcla.

Ninguna ley física nos impide hacer cualquier compuesto posible en un solo paso. Pero la enorme complejidad de los productos finales hace que las formas sencillas de llegar a muchos de ellos sean extraordinariamente improbables a partir de las leyes de la probabilidad por sí solas, por no hablar de las formas específicas en que los componentes químicos pueden unirse fácilmente para hacer cosas más complejas.

He aquí una sencilla analogía. Digamos que quieres montar un Modelo de Lego del arma de la Estrella de la Muerte de Star Wars . Hay 4.016 piezas de lego que hay que ensamblar en la combinación y el orden correctos. No hay físico ley que dice que no se puede hacer de alguna manera en un solo paso. Pero la intuición de ninguna persona en su sano juicio supondría que esto fuera fácil o probable. No es la ley física la que impide el montaje en un solo paso: es complejidad combinatoria . La química es, ¿realmente necesito decir esto, más complicado que Lego: entre otras cosas, porque los átomos pueden unirse de formas mucho más complejas que las simples clavijas físicas de tamaño estándar que unen los ladrillos de Lego.

Tanto la naturaleza como los químicos sintéticos han explorado muchas formas de conseguir determinados productos finales a partir de bloques de construcción más sencillos. A veces, los nuevos equivalentes químicos de la Estrella de la Muerte (como el hidrocarburo dodecaedrano, de gran belleza geométrica, que, por cierto, tiene 20 carbonos pero no se cuenta en la lista de alcanos de 20 carbonos) sólo se obtienen tras largas secuencias de reacciones. El síntesis original del dodecaedrano tardaron 29 pasos, pero otros encontraron rutas mejores, de mayor rendimiento, que sólo tardaron 20. Muchos fármacos importantes se sintetizan primero mediante largas secuencias de reacciones, pero luego se descubre que pueden obtenerse por rutas mucho más cortas (no hay nada como la economía del coste de fabricación para fomentar la creatividad).

Así que la razón por la que muchas reacciones químicas tienen varios pasos no es físico leyes sino la teoría de la probabilidad. Hay demasiadas sustancias químicas posibles y demasiadas formas de combinarlas para que las rutas de un solo paso hacia la mayoría de los productos dados tengan probabilidades de funcionar. Hacer una cosa a la vez (como si se construyera la Estrella de la Muerte de Lego) es la manera de conseguir lo que se quiere.

Answer 2

No creo que haya una fundamental ley que prohíbe que las reacciones complejas se produzcan en un solo paso, simplemente es extremadamente improbable.

Teoría de la colisión

Gases

Esto es especialmente relevante en los gases, pero lo relacionaré con la glucólisis más adelante. La teoría cinético-molecular simplifica los gases a puntos adimensionales que se mueven de forma constante, aleatoria y en línea recta y que colisionan de forma 100% elástica entre sí. Aunque nada de esto es exactamente cierto, es un buen modelo.

Para que los gases reaccionen químicamente, las moléculas deben chocar con la orientación adecuada y con suficiente energía. Veamos la siguiente reacción.

$$\ce{CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl}$$

Aunque teóricamente es posible que estas partículas colisionen, lo más probable es que confundan el sistema en lugar de crear los productos deseados. Permítanme proponer un mecanismo.

$$\ce{Cl2 -> 2Cl}$$

$$\ce{CH4 + Cl -> CH3+ + HCl}$$

$$\ce{CH3+ + Cl2 -> CH3Cl + Cl}$$

$$\ce{2Cl -> Cl2}$$

Al utilizar dos intermedios (sustancias inestables creadas durante una reacción que reaccionan rápidamente) y cuatro pasos, he dividido una reacción compleja en una serie de colisiones unimoleculares y bimoleculares (favorecidas por la probabilidad). Además, es mucho más fácil que las moléculas de estos pasos colisionen con una orientación adecuada. Veamos el segundo paso. El metano tiene una geometría tetraédrica de pares de electrones, y cuando un cloro monoatómico colisiona con suficiente energía 180 grados frente a un hidrógeno, las nubes de electrones pueden solaparse, formando simultáneamente un $\ce{C-Cl}$ y la ruptura de un $\ce{C-H}$ lazo.

Google Imágenes

Glucólisis

Simplificando demasiado, pero la glucólisis convierte una molécula de glucosa en dos moléculas de G3P y dos de ATP. Si el metano es complicado con sus cinco átomos, la glucosa lo es mucho más con sus veinticuatro. No sólo sería casi imposible que una sola reacción dividiera este robusto anillo de azúcar, sino que además rehacer los productos en sus formas comparables con el ciclo de Krebs, etc. requeriría una suerte demencial. En cambio, un proceso cuidadosamente controlado hace que la reacción esencial sea fiable.

Además, las enzimas se "inventan" mediante mutaciones aleatorias, por lo que una enzima que lleve a cabo este proceso puede ser factible, pero la evolución probablemente no la inventaría. E incluso si lo hiciera, probablemente no conferiría una gran ventaja de supervivencia y saldría del acervo genético.

Espero que esto ayude.

Answer 3

Nota de los autores: Aunque ya hay algunas buenas respuestas, quiero ayudar a entender explicando de una manera diferente. Estoy de acuerdo con los otros posts en que no hay ninguna ley física o química que impida un proceso diferente y más sencillo.

Razón del proceso de glucólisis

La razón por la que este proceso es como es, es la eficiencia para alcanzar la meta. Y el objetivo no es descomponer la glucosa en moléculas más pequeñas. El objetivo es almacenar energía en un soporte que puede mover a través del cuerpo y es compatible con otros procesos biológicos.

Las tres palabras en negrita son la clave aquí. El cuerpo necesita energía para realizar diversas tareas, como las contracciones musculares (respiración, latidos del corazón), el crecimiento celular, la lucha contra las bacterias y muchas más. No está a mano generar siempre la energía necesaria en el lugar donde se necesita. En su lugar, tenemos portadores de energía (sobre todo ATP) que se produce en ciertas partes de nuestro cuerpo y luego se distribuye a través de la sangre.

Energía en el cuerpo

Antes de continuar, hay que entender un poco sobre la energía libre de Gibbs. Como has mencionado, determina el camino más eficiente energéticamente para un proceso desde el estado inicial hasta el estado final. Sin embargo, si proporcionas energía, el proceso puede ir en la dirección inversa sin problemas. Así que mirar la energía libre de Gibbs sólo muestra el proceso que es más probable que ocurra espontáneamente en circunstancias normales, pero no en todas las circunstancias.

La segunda información de fondo es que la energía en el cuerpo se transporta usando adenosina tri fosfato (ATP) y la adenosina di fosfato (ADP). La adición de un grupo fosfato al ADP (que luego se convierte en ATP) cuesta energía que posteriormente puede extraerse mediante el proceso inverso.

La tercera es que la disponibilidad de energía en el cuerpo es limitada. Tenemos dos fuentes principales de energía: El ATP y el calor corporal. Una molécula de ATP siempre proporcionará una cantidad específica de energía, mientras que el calor corporal puede proporcionar desde 0 hasta un cierto límite, dependiendo de la temperatura corporal (este máximo es inferior a la energía del ATP). Cualquier proceso que necesite más energía de la que puede proporcionar el ATP tendrá que dividirse en pasos más pequeños separados.

Volver a la glucólisis

Teniendo en cuenta estos antecedentes, podemos explicar mejor el motivo del (complejo) proceso de glucólisis. Desde el punto de vista de la energía libre de Gibbs, no necesitamos pasar de la glucosa de alta energía al piruvato de baja energía lo más rápido posible . Por el contrario, tenemos que hacerlo de manera la mayoría de los pasos que proporcionan la cantidad exacta de energía necesario para transformar el ADP en ATP.

Como puedes ver en la imagen de la página de la glucólisis que enlazaste, necesitamos 1 glucosa + 2 ATP, para generar 4 ATP. ¿Por qué se necesita el ATP inicial? Para conseguir la cadena de descomposición específica que permite 2*2 pasos de extracción de energía a lo largo del proceso. Necesitamos la inversión de energía inicial para permitir que los pasos intermedios sucedan, químicamente hablando. Sin esta inversión, no se podrán formar las moléculas intermedias necesarias para dar la energía suficiente para almacenarla en $\ce{ADP\bond{->}ATP}$ .

Comparación con la fusión/fisión nuclear

Normalmente no me gusta hacer comparaciones con temas no relacionados, pero creo que este encaja lo suficientemente bien como para mencionarlo y espero que lo entiendas mejor con tu formación de físico. En la fisión y la fusión nucleares, se determinan las posibles desintegraciones y fusiones nucleares observando la energía disponible y los niveles de energía de un átomo. Y si hacemos tu pregunta original aquí, obtendremos las mismas respuestas que en química.

• ¿Hay algo que impida la fusión de 6 átomos de hidrógeno en un átomo de carbono?
• ¿Hay algo que impida que el U-235 se divida en 20 átomos diferentes en un solo paso?

A la primera: no, pero es muy poco probable que 6 átomos se encuentren exactamente al mismo tiempo y con la cantidad de energía adecuada. Y aunque lo hicieran, el carbono no es un átomo estable sin neutrones, así que ¿de dónde salen? Usted Necesito múltiples pasos para pasar del hidrógeno al carbono

A la segunda: No, nada lo impide. Pero la división de los átomos pasa por un conjunto de reglas estrictas relativas a la estabilidad y la energía de los átomos y sus productos de radiación. El punto de partida y el final pueden estar claros, pero casi siempre hay múltiples pasos intermedios (ejemplo: cadena de decadencia de torio . Del mismo modo, la química tiene muchas reglas para las reacciones y los reordenamientos de átomos y electrones dentro de una molécula, lo que limita la forma en que las moléculas pueden separarse o combinarse.

La parte en la que esta comparación se equivoca es que la biología no siempre se inclina por las soluciones más eficientes desde el punto de vista energético. A veces la naturaleza toma una ruta compleja y poco eficiente para un propósito diferente, como en la glucólisis.

Answer 4

Las reacciones químicas que se aprenden en las clases de química están diseñadas por el ser humano. Aunque a veces pueden ser bastante complicadas, hay una fuerte tendencia a diseñar reacciones que puedan ser racionalizadas por el cerebro humano. Las redes de reacciones encontrado por la evolución no están limitados por lo que los humanos pueden entender y, por tanto, pueden parecer más complejos.

De hecho, la evolución en algunos casos puede favorecer las reacciones complejas, porque pueden ser más eficientes. Echa un vistazo al ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido cítrico), que convierte la mayor parte de la energía utilizada por tu cuerpo de los azúcares a una forma más utilizable (como ATP, donde la energía se almacena en enlaces de fosfato). El RCSB Protein Data Bank tiene una buena descripción ( descripción del ciclo de Krebs con las estructuras de las enzimas ) de los pasos que se dan. El ciclo es más eficiente energéticamente que otras opciones más simples para convertir la energía de la oxidación del acetato en ATP ( documento de Krebs sobre la eficiencia del ciclo ).

Answer 5

Otra cosa sobre la que hay que reflexionar es sobre cómo surgieron estos procesos. La evolución es el progenitor de básicamente todos los procesos bioquímicos. La evolución no se preocupa [necesariamente] por la eficiencia, sino por ser eficaz (es decir, que la criatura siga viva). Claro que puedo atravesar el patio de alguien para cruzar el barrio, pero tomar la acera evita que los vecinos suelten a los sabuesos sobre mí.

Luego está la energía. Todo en la química se reduce a ser favorecido energéticamente. Usted parece entender que con la energía libre de Gibbs. Aunque no es necesariamente el caso de la glicólisis, pero algunas sustancias químicas mantendrán sus enlaces igual porque es muy estable, a menos que se le arroje mucha energía. Ahí es donde entran las proteínas. Las proteínas doblan o retuercen las moléculas para que la energía de activación sea mucho menor y se favorezcan ciertas reacciones. (A un carbono tetraédrico no le gustará tener ángulos de enlace significativamente inferiores a 109,5 grados, por lo que es probable que se produzca un cambio en el enlace para volver a esa estabilidad energética).