XXVIII Congreso Nacional de Termodinámica

Las calorías no se comen II Jorge Arturo Reyes Bonilla Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. SEPI Programa de la Maestría en Ingeniería de Sistemas. Laboratorio de Multimedia. U. P. Zacatenco. 07738 México D. F. E-mail: troya1@prodigy,net.mx Resumen En este trabajo se continúa la crítica expuesta en un Congreso anterior, a la errónea creencia de que las calorías se comen, fomentado semejante absurdo por grandes empresas monopólicas, en su afán de continuar o incrementar sus niveles de ventas, logrando ya incidir en la conciencia de buena parte de la población. El suponer que las calorías se comen es una aberración que los medios pretendidamente académicos o científicos, parecen no darse cuenta, o serles irrelevante, actitud puesta de manifiesto con la elocuencia de su silencio. La Termodinámica puede ayudar a esclarecer el asunto, y evidenciar la perniciosa influencia de publicidad que induce tanto a las anoréxicas como al resto de la población desinformada, no a la elección de ciertas proporciones de proteínas, grasas y carbohidratos, sino más bien de algunas “pizcas” de calorías. Consecuencia de las suposiciones de la ingesta de calorías, se llega a la no menos absurda idea de comer alimentos con menos “contenido calórico”, desdeñando no digamos los carbohidratos sino principalmente las proteínas. En este trabajo la contribución de la Termodinámica se ve reforzado por otras ramas del conocimiento como es la bioquímica, así como de las ciencias de los alimentos, para evidenciar que la relación entre el calor y las sustancias base de la estructura de un organismo, no es directa, que se parte de una concepción errónea tanto del calor como de un sistema biológico al cual no se le puede equiparar con una máquina térmica. La discusión no sólo resulta valiosa en el sentido de poder contribuir a modificar conductas alimenticias de la población, sino también para la aplicación de la Termodinámica, la cual sus fundamentos conceptuales como entropía, podrían ayudar a profundizar en el debate.

I. Termodinámica de los sistemas biológicos Un organismo viviente no puede tratarse en su estudio termodinámico como en el modelo del gas contenido en un pistón. Ni tampoco concebirse que los alimentos que consume, sean tratados como el combustible de una máquina térmica; por ejemplo, en una locomotora de vapor, en la cual mediante la combustión de carbón o leña en una caldera externa, calienta agua, y el vapor resultado de su ebullición mediante un juego de bielas.

genera presión y mueve pistones que impulsan las ruedas

En la locomotora para poder paliar el efecto del vapor generado por la caldera cuando éste se enfría al dirigirse a los cilindros (donde impulsará los émbolos) o en ellos mismos, se puede “recalentar” ese vapor con lo que además se incrementa su volumen y capacidad expansiva [1]. En un ser humano la glucosa ingerida puede ser llevada al igual que la combustión del carbón hasta CO2 y agua como en la reacción, representada por la Ec.1 C6H12O6 + 6O2

6CO2 + 6H2O

(Ec. 1)

La reacción química se produce en el aire o en un aparato llamado calorímetro a presión y volumen constantes, en el que todo el “calor desprendido” se mide por evaluación de la variación de temperatura de una cierta cantidad de agua que rodea al calorímetro y “absorbe este calor”. Pero cuidado como entendemos este asunto, pues tal como se ha dicho es una reminiscencia de la vieja teoría del calórico, que de la manera más acrítica contamina la literatura y pensamiento científico. No es que de pronto en la combustión se desprenda el calórico (el “calor”) y se absorba por el agua en el calorímetro. Congruentes con la teoría cinética, el rompimiento de los enlaces en la glucosa y la reorganización de los mismos genera gases, cuyas moléculas avanzan a más velocidad, las cuales impactan las paredes del calorímetro. Es el movimiento térmico o caótico de las partículas que se comunica a las menos caóticas moléculas de agua que lo rodean, hasta que todo el sistema alcanza la misma temperatura. En las condiciones dadas, el proceso se produce a presión y volumen constante, el “calor absorbido” o movimiento térmico comunicado a las moléculas de agua y que provoca un cambio en la temperatura, se le conoce como entalpía H, la variación de la misma es representada por ∆H. Pero la reacción en el calorímetro o en el aire, aunque comparte con las reacciones realizadas mediante la oxidación y digestión en el cuerpo humano, el de realizarse a presión constante, no se produce en un solo acto. La reacción de oxidación de la glucosa (Ec. 1) en el humano tiene lugar mucho más lentamente que la combustión en el aire, ya que ocurre en una serie de etapas, “asegurando así la liberación lenta, controlada y gradual de la energía a los tejidos del cuerpo”. 1 La eficiencia de la combustión dentro del cuerpo es menor que en el aire, debido a que sólo una parte queda disponible como energía biológica, otra se “pierde” como calor que ayuda a mantener la temperatura del cuerpo.2

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Fox, Brian A.; Cameron, Allan G. Ciencia de los alimentos, Nutrición y salud. Limusa México 2006. Pág.15. Debe tenerse cuidado en esta forma de expresarnos, no hay tal calor (una sustancia), liberad sino movimiento de materia que afecta a sus alrededores, en la célula, fundamentalmente un medio acuoso. 2

Si en los seres vivos las reacciones como la indicada en la Ec. 1 no se realizaran del modo expuesto, éstos terminarían si no incendiándose, inactivando de forma permanente muchas de sus funciones. El organismo es un sistema termodinámico abierto, en el cual se desarrollan las reacciones químicas, el cambio de entropía se expresa en tal sistema como la suma de la entropía producida en el interior del sistema diS y la entropía, procedente del exterior o que sale al medio externo deS: dS = diS + deS En el estado estacionario dS = 0, deS = -diS

El organismo no obedece del todo el segundo principio de la termodinámica en el sentido que Clausius dio a la entropía: de que todos los fenómenos físicos y químicos evolucionan hacia el estado que produce el estado más desordenado de energía compatible con las condiciones del sistema. El conjunto de fenómenos termodinámicos físicos que se producen espontáneamente en el Universo tienden a hacer aumentar la entropía. Pero los fenómenos fundamentales de la vida hacen aumentar el orden y organización de la materia, con la consiguiente disminución de la entropía; hecho que es compensado con los desechos que eliminan. La energía libre de Gibbs (G), vincula entalpía y entropía y representa el trabajo máximo utilizable ∆G = ∆H - T∆S. Dada la ecuación química aA + bB ↔ cC + dD a temperatura y presión constantes, su relación con la concentración de reactivos la da la relación

∆G° es la variación de energía libre en condiciones estándar (1 mol/litro a 25°C), cuando la reacción se desarrolla a pH 7, se agrega por convención el signo prima ∆G°’. R es la constante de los gases ideales cuyo valor es aproximadamente 8.3 J;3 el paréntesis cuadrado representa la concentración molar. En condiciones específicas de temperatura y presión, el valor ∆G fluctúa según los cambios en las concentraciones de reactivos y productos, mientras que ∆G°’ es constante y cambia cuando se altera la temperatura, la presión o ambas.4 En el equilibrio podemos propones que ∆G = 0 y entonces

El término exergónica caracteriza a una reacción que se acompaña de una variación negativa de energía libre, al igual que el término exotérmico a una variación de entalpía negativa; en cambio si ∆G es positiva la reacción no se produce por sí misma, es endergónica, requiere se dice, de “aporte de

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Borel, Jaques-Paul; et al. Bioquímica dinámca. Panamericana Buenos Aires. 1989. Pág.36 Bohinski. Bioquímica. Person educación. México 5ª edición 1991. Pág. 469

energía”, que podría ser calor, pero en un sistema biológico como el ser humano, esto alteraría la temperatura lo cual contradice su constancia en condiciones normales.

II. Calor y constancia de la temperatura en sistemas biológicos La reacciones en un sistema biológico son tanto endotérmicas como exotérmicas, pero se realizan a temperatura constante, el incremento anormal de la temperatura corresponde a mecanismos de defensa contra la invasión de agentes patógenos, por ejemplo bacterias, con la finalidad de eliminarlas, pero puede poner en riesgo uno de los más delicados subsistemas que lo componen, el cual representa el centro de mando de información el sistema nervioso central. El calentamiento deteriora las moléculas de los seres vivientes, al menos cuando se supera cierto límite, de 60°C a 100°C: Una proteína puede desnaturalizarse, adoptando una conformación totalmente diferente de la de su conformación fisiológica, perdiendo así su funcionalidad. Muchas proteínas conforman enzimas, que son catalizadores biológicos pues aumentan la velocidad de la reacción reduciendo la energía de activación y por el aumento de la temperatura podrían inactivarse, si no existieran mecanismos de regulación de la temperatura. Los diversos procesos fisicoquímicos que se efectúan en el ser humano se realizan en un medio acuoso, estas condiciones facilitan el cambio de forma de las moléculas; por ejemplo la glucosa puede estar en tres formas isoméricas,5 reversibles la forma alifática que permanece siempre en cantidades muy bajas (trazas), la forma β que es la más estable con una proporción del 64% y la forma α en un 36% (Fig, 1). Las dos últimas son formas de isomería particulares de las osas (carbohidratos) llamada anomería.6

Fig. 1 Isómeros de la glucosa 5

Un isómero son moléculas con igual proporción de átomos en su fórmula condensada, pero difieren en su formula desarrollada; es decir, presentan estructuras moleculares distintas que les confieren diferentes propiedades. 6 Un anómero difiere por la posición en el espacio de los sustituyentes del carbono hemiacetálico y por su acción sobre la luz polarizada.

Moléculas como la glucosa no se hallan estáticas, sino que se mueven adoptando estructuras isoméricas, lo cual no puede realizar sin actuar sobre su entorno intercelular acuosos o sanguíneo; incrementando la temperatura, contribuyendo con al movimiento térmico global, también el movimiento de grandes grupos celulares como en el tejido muscular, al realizar trabajo contribuye en la “generación de calor”. El trabajo del músculo cardiaco es evidente con el movimiento de la sangre la cual lleva el oxígeno y nutrientes a todo el organismo, su movimiento también es reforzado por la acción de los músculos, la sangre mantiene la constancia de la temperatura por procesos de transmisión del movimiento de partículas (calor) por convección. Son pues dos grandes procesos lo que producen calor: el metabolismo basal y el metabolismo muscular. El metabolismo basal resulta de funciones básicas vinculadas a la respiración ya la digestión, ésta última relacionada con diversos procesos catabólicos. Se trata de procesos inconscientes y automáticos. El metabolismo muscular, se realiza en tejido que componen los músculos, durante las actividades cotidianas o atléticas del ser humano [4]. El modelo termorregulador más simple divide al cuerpo en un zona central o núcleo que produce calor y la zona periférica que regula su pérdida. En condiciones de reposo, la producción de calor depende especialmente de la actividad metabólica de los órganos internos como el cerebro y los órganos de la cavidad abdominal y torácica [5].

III. ¿Moléculas ricas en energía? Los procesos catabólicos (degradación de glucosa, grasa o proteínas) y anabólicos (síntesis proteica, glucógeno, grasas, etc.), a nivel celular se hallan vinculados a moléculas que de manera abusiva o resultado del uso acrítico, se les llama “ricas en energía” o con “uniones ricas en energía”. La realidad es la existencia de enlaces entre los átomos constitutivos, cuyos electrones se hallan dispuestos en orbitales comunes o electrones π, eso crea una variación continua de la distribución de electrones que se expresa en varias fórmulas desarrolladas para una misma molécula que difieren por la naturaleza y disposición de las uniones entre los átomos constitutivos, cada estado particular se denomina mesómero. La molécula mesomérica cambia rápidamente de una forma a otra como si a ella correspondieran fórmulas desarrolladas diferentes que oscilan permanentemente y de forma muy rápida entre ellas; se dice que están en estado de resonancia. Un ejemplo de ello es el ácido ortofosfórico que se encuentra en 4 formas mesoméricas.

La resonanacia al ser bloqueada crea un estado de inestabilidad o de aumento de la energía potencial Así sucede cuando se unen dos moléculas de ortofosfato por una unión anhidro para formar pirofosfato y entonces hay una tendencia a liberar estos dos fosfastos. Son las moléculas con resonancia bloqueada las que hacen posible las reacciones endotérmicas en un sistema biológico.

El bloqueo de resonancia confiere a la molécula que tiene pirofofato 7 (Fig. 2), gran inestabilidad y eso significa gran reactividad, la molécula se estabiliza cuando pierde radicales fosfato, En la Fig, 2, se muestra la estructura del ATP (adenosin trifosfato).

Fig. 2 Función trifosfoanhídrido, altamente reactiva.

La estructura propia de las moléculas “ricas en energía” contribuye a su reactividad, tanto por el número de cargas eléctricas negativas que provoca repulsiones electrostáticas, como la fuerte ionización de los productos de la reacción., Son moléculas con presencia de resonancia las que hacen posibles las reacciones endotérmicas. Su hidrólisis está acoplada con las reacciones que “requieren energía”, lo cual significa que reaccionan formando especies químicas no estables.

Fig. 3 Adenosin Trifosfato (ATP)

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Los pirofosfatos son aniones, sales y esteres del ácido pirofosfórico, el anión se designa PPi y se

forma con el rompimiento del ATP.

IV. ¿Se comen entonces las calorías? En ciencia de los alimentos y entre los nutriólogos, se utiliza la caloría como unidad de medida de lo que entienden es el contenido energético de un alimento, lo que hacen es determinar la cantidad de calor (de hecho miden la variación de temperatura), cuando un gramo de sustancia se oxida completamente por ignición en una pequeña cámara llenas de oxígeno a presión. Comparando así los diferentes alimentos, las proteínas tienen un mayor calor de combustión que los carbohidratos, superados por las grasas, pero los valores de la “energía” disponible para el cuerpo son siempre más bajos que los calores de combustión debido a las pérdidas dentro del cuerpo. Hay una pequeña pérdida debida a la absorción incompleta, esta pérdida es experimentada por los tres nutrientes y en el caso de las proteínas hay una pérdida adicional debido a que éstas, a diferencia de los carbohidratos y las grasas se oxidan de manera incompleta en el cuerpo (Tabla I). Tabla I8 Valor energético promedio (por gramo) Calor de Valor de la Nutriente combustión “energía Kcal disponible” Carbohidratos 4.1 4 Grasas 9.4 9 proteínas 5.7 4 Cuando la publicidad continua de las grandes empresas nos dice que sus productos son “bajos en calorías” y apoyada por la autoridad gubernamental, que permite su difusión, se educa a la población a no considerar las proporciones de proteínas, grasas y carbohidratos que debe consumir; pero además, se le hace creer que las calorías son una sustancia a la cual, pero aún ¡Se le puede quemar! Las grandes compañías y las autoridades, invitan también a “quemar calorías”; desconozco si fuera de México, en países donde no se hable castellano se expresen semejantes barbaridades, pero de lo que si estoy convencido es que en buena parte del planeta, se cree que hay que comer alimentos con pocas calorías, las apologetas de anoréxicas como ProAna,9 así lo sostienen, en su lógica es más nutritivo el empaque de cartón, que el cereal azucarado contenido en él. Todavía más, si el número de calorías expresa el contenido energético y si necesitamos energía para vivir … ¿Qué no deberíamos energizarnos “comiendo más calorías”? 8

Datos tomados de Fox, Brian A. La ciencia de los alimentos. Nutrición Y Salud. Limusa México 2006. Pág. 17 Pro.Ana. Grupo o subcultura que promueve la anorexia. Princesa Loreli ProAna. http://prinzessinloreleiwannabeana.blogspot.mx/2010/06/muchos-nos-pasa-pasamos-frente-un.html 9

Referencias

[1] “Locomotora de vapor” en Ferropedia. http://www.ferropedia.es/wiki/Cilindro#Componentes (consultada agosto 2013-08-07 [2] Borel, Jaques-Paul; et al. Bioquímica dinámca. Panamericana Buenos Aires. 1989 [3] Bohinski. Bioquímica. Person educación. México 5ª edición 1991 [4] Producción de calor en el cuerpo humano. Sol-arq. http://www.sol-arq.com/index.php/conforthumano/produccion-calor. (consultado agosto 2013) [5] Termoregulación. Wikipedia. La enciclopedia libre. http://es.wikipedia.org/wiki/Termorregulaci%C3%B3n [6] Fox, Brian A. La ciencia de los alimentos. Nutrición Y Salud. Limusa México 2006 [7] Princesa Loreli ProAna. http://prinzessinloreleiwannabeana.blogspot.mx/2010/06/muchos-nos-pasapasamos-frente-un.html