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Solución:
Solución 1:
No existe una 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 existe una variedad muy, muy grande de posibles químicos. Gran parte de esa complejidad ocurre debido a la forma casi infinita en que incluso algunos elementos simples se pueden combinar para dar estructuras complicadas (el carbono es el ejemplo arquetípico). Teóricamente, por ejemplo (teórico porque no todos los ejemplos pueden existir en el espacio 3D) hay 366,319 formas de construir diferentes compuestos de alcanos a partir de solo 20 átomos de carbono y átomos de hidrógeno (vea esta pregunta aquí y esta entrada en la Enciclopedia de secuencias enteras) . Y este número 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 anillos, por ejemplo). La complejidad se vuelve más alucinante si comienza a agregar otros elementos a la mezcla.
Ninguna ley física nos impide hacer cualquier compuesto posible en un solo paso. Pero la gran complejidad de los productos finales hace que las formas simples de llegar a muchos de ellos sean extraordinariamente improbables a partir de las leyes de la probabilidad, sin importar las formas específicas en que los componentes químicos se pueden unir fácilmente para hacer cosas más complejas.
He aquí una simple analogía. Digamos que quieres montar un modelo Lego del arma Star Wars Death Star. Hay 4.016 piezas de lego que deben ensamblarse en la combinación correcta y en el orden correcto. No hay físico ley que dice que de alguna manera no se puede hacer eso 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 lo que impide el montaje en un solo paso: es complejidad combinatoria. La química es, realmente necesito decir esto, más Complicado que Lego: sobre todo porque los átomos se pueden unir de muchas formas más complejas que los simples pines físicos de tamaño estándar que unen los ladrillos de Lego.
Tanto los químicos naturales como los sintéticos han explorado muchas formas de lograr productos finales particulares a partir de componentes básicos más simples. A veces, los nuevos equivalentes químicos de la Estrella de la Muerte (como el hidrocarburo dodecahedrano de geometría hermosa, que, dicho sea de paso, tiene 20 carbonos pero no se cuenta en la lista de 20 alcanos de carbono) se obtienen solo después de largas secuencias de reacciones. La síntesis original de dodecahedrano tomó 29 pasos, pero otros encontraron rutas mejores y de mayor rendimiento que solo tomaron 20. Muchos medicamentos importantes se sintetizan primero en secuencias largas de reacciones, pero luego se encuentran disponibles a través de rutas mucho más cortas (no hay nada como el economía de los costes de fabricación para fomentar la creatividad).
Entonces, la razón por la que muchas reacciones químicas toman múltiples pasos no es físico leyes sino teoría de la probabilidad. Hay demasiados productos químicos posibles y demasiadas formas de combinar cosas para que las rutas de un solo paso hacia la mayoría de productos dados probablemente funcionen. Hacer una cosa a la vez (como lo haría si construyera la Estrella de la Muerte de Lego) es la forma de obtener lo que desea.
Solucion 2:
No creo que haya un fundamental ley que prohíbe que se produzcan reacciones complejas en un solo paso; 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 en un movimiento constante, aleatorio, en línea recta y chocan 100% elásticamente entre sí. Si bien nada de esto es exactamente true, es un buen modelo.
Para que los gases reaccionen químicamente, las moléculas deben colisionar con la orientación adecuada y con suficiente energía. Veamos la siguiente reacción.
$$ ce CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl $$
Si bien es teóricamente posible que estas partículas choquen, lo más probable es que confunda el sistema en lugar de producir los productos deseados. Permítanme proponer un mecanismo.
$$ ce Cl2 -> 2Cl $$
$$ ce CH4 + Cl -> CH3 + + HCl $$
$$ ce CH3 + + Cl2 -> CH3Cl + Cl $$
$$ ce 2Cl -> Cl2 $$
Al usar 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 para las moléculas en estos pasos colisionar con una orientación adecuada. Veamos el segundo paso. El metano tiene una geometría tetraédrica de pares de electrones, y cuando un cloro monoatómico choca con suficiente energía 180 grados frente a un hidrógeno, las nubes de electrones pueden superponerse, formando simultáneamente un enlace $ ce C-Cl $ y rompiendo un $ ce Bono CH $.
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 solo sería casi imposible que una reacción dividiera este resistente anillo de azúcar, sino que también volver a trabajar los productos en sus formas que sean comparables con el ciclo de Krebs, etc., requeriría una suerte loca. En cambio, un proceso cuidadosamente controlado hace que la reacción esencial sea confiable.
Además, las enzimas se ‘inventan’ por mutaciones aleatorias, por lo que una enzima para llevar a cabo este proceso puede ser factible, pero la evolución probablemente no la inventaría. E incluso si lo hiciera, probablemente no conferiría tanta ventaja de supervivencia y saldría del acervo genético.
¡Espero que esto ayude!
Solución 3:
Nota de los autores: si bien ya hay algunas buenas respuestas, deseo ayudarlos a comprender explicándoles de una manera diferente. Estoy de acuerdo con las otras publicaciones en que no existe una ley física o química para evitar un proceso diferente y más sencillo.
Razón detrás del proceso de glucólisis.
La razón por la que este proceso es como está, es la eficiencia para alcanzar la meta. Y el objetivo no es descomponer la glucosa en moléculas más pequeñas. La meta es almacenar energía en un transportista que puede moverse a través del cuerpo y es compatible con otros procesos biológicos.
Las tres palabras en negrita son key aquí. El cuerpo necesita energía para realizar diversas tareas, como contracciones musculares (respiración, latidos del corazón), crecimiento celular, lucha contra las bacterias y muchas más. No es útil generar siempre la energía necesaria en el lugar donde se necesita. En cambio, tenemos portadores de energía (principalmente 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, debe comprender un poco sobre la energía libre de Gibbs. Como mencionó, determina la forma más eficiente de energía para un proceso desde el estado inicial hasta el estado final. Sin embargo, si proporciona energía, el proceso puede ir en la dirección inversa sin problemas. Entonces, mirar la energía libre de Gibbs solo muestra el proceso que es más probable que ocurra espontáneamente en circunstancias normales, pero no en todas las circunstancias.
La segunda información de fondo intermedia es que la energía en el cuerpo se transporta usando adenosina trifosfato (ATP) y adenosina difosfato (ADP). Agregar un grupo fosfato al ADP (que luego se convierte en ATP) cuesta energía que luego puede extraerse mediante el proceso inverso.
En tercer lugar, la disponibilidad de energía en el cuerpo es limitada. Tenemos dos fuentes principales de energía: ATP y 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 menor que la energía del ATP). Cualquier proceso que necesite más energía de la que puede proporcionar el ATP deberá dividirse en pasos separados más pequeños.
Volver a la glucólisis
Con esta información básica en mente, podemos explicar mejor la razón detrás 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. tan rápido como sea posible. En cambio, debemos hacer esto de una manera que tenga la la mayoría de los pasos que proporcionan la cantidad exacta de energía necesario para transformar ADP en ATP.
Como puede ver en el título de la imagen en la página de glucólisis que vinculó, necesitamos 1 glucosa + 2 ATP para generar 4 ATP. ¿Por qué se necesita el ATP inicial? Esto es para obtener la cadena de descomposición específica que permite 2 * 2 pasos de extracción de energía durante todo el proceso. Necesitamos la inversión energética inicial para permitir que se produzcan los pasos intermedios, químicamente hablando. Sin esta inversión, no podrá formar las moléculas intermedias necesarias para producir suficiente energía 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 experiencia como físico. En la fisión y fusión nuclear, usted determina posibles desintegraciones y fusiones nucleares observando la energía disponible y los niveles de energía de un átomo. Y si hacemos su pregunta original aquí, obtenemos las mismas respuestas que en química.
- ¿Hay algo que evite que 6 átomos de hidrógenos se fusionen en un átomo de carbono?
- ¿Hay algo que impida que el U-235 se divida en 20 átomos diferentes en un solo paso?
Para el primero: no, pero es muy poco probable que 6 átomos se encuentren exactamente al mismo tiempo y con la cantidad correcta de energía. E incluso si lo hicieran, el carbono no es un átomo estable sin neutrones, entonces, ¿de dónde vienen? usted necesitar varios pasos para pasar del hidrógeno al carbono …
Al segundo: No, nada lo impide. Pero la división de átomos pasa por un conjunto de reglas estrictas con respecto a la estabilidad y energía de los átomos y sus productos de radiación. El punto inicial y final puede ser claro, pero casi siempre hay varios pasos intermedios (ejemplo: cadena de desintegración del torio. De la misma manera, la química tiene muchas reglas para las reacciones y reordenamientos átomo / electrón dentro de una molécula, lo que limita la forma en que las moléculas puede romperse o combinarse.
La parte en la que esta comparación sale mal es que la biología no siempre se inclina por las soluciones más eficientes energéticamente. A veces, la naturaleza toma una ruta compleja e ineficaz para un propósito diferente, como en la glucólisis.
Solución 4:
Las reacciones químicas que aprendes en las clases de química están diseñadas por humanos. Aunque a veces pueden ser bastante complicados, existe un fuerte sesgo hacia el diseño de reacciones que el cerebro humano pueda racionalizar. Las redes de reacción fundar por la evolución no están constreñidos por lo que los humanos pueden entender y, por lo tanto, pueden parecer más complejos.
De hecho, la evolución en algunos casos puede favorecer reacciones complejas, porque pueden ser más eficientes. Eche un vistazo al ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido cítrico), que convierte la mayor parte de la energía utilizada por su cuerpo de azúcares a una forma más utilizable (como ATP, donde la energía se almacena en enlaces de fosfato). El banco de datos de proteínas RCSB tiene una buena descripción (descripción del ciclo de Krebs con las estructuras enzimáticas) de los pasos involucrados. El ciclo es más eficiente energéticamente que otras opciones más simples para convertir la energía de la oxidación del acetato en ATP (artículo de Krebs sobre la eficiencia del ciclo).
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