Valentín Cardona Ramírez
13 de Marzo 2001
La célula es la unidad fundamental de la materia viva y cualquiera que sea su forma y tamaño, está constituida por tres partes esenciales: membrana celular, protoplasma y núcleo.
La composición química de la célula es bastante uniforme: contiene agua, sales de potasio y de sodio, carbohidratos, lípidos, enzimas, proteínas estructurales y ácidos nucleicos (ADN, ARN ).
Posee un programa genético, una maquinaria biológica y química avanzada que funciona como resultado de las reacciones químicas y transparente de sustancias entre la célula huésped y el medio ambiente donde se encuentra y también en su interior. Posee también mecanismos avanzados para la acumulación de energía y una maquinaria biosintética para la producción de proteínas. El nucleolo es rico en ARN y la membrana celular regula el tránsito de sustancias del interior al exterior y viceversa.
Tiene un esqueleto o sostén de la célula que es una estructura de microtúbulos. Posee dendritas que tienen la función de traducir las excitaciones sensoriales y transmisión de energía
La membrana celular es una película muy fina que aisla a la célula del medio que la rodea y divide a cada una de las células en sectores, es decir, en sistemas aislados. La base de cualquier membrana biológica la constituye una doble capa de moléculas de fosfolípidos.
La estructura de la célula contiene en mayor cantidad el agua cuyas moléculas son dipolares; sus hidrógenos son dipolos positivos y su oxígeno es un dipolo negativo, por lo que la distribución es carga positiva y negativa es asimétrica. El extremo positivo de la molécula de agua atrás al extremo negativo de otra molécula de agua, formando conglomerados. Este fenómeno de interacción en el agua, se interpreta en términos de las ligaduras de hidrógeno y en el otro extremo también forman ligaduras con los átomos adyacentes. Y, aunque son cargas pequeñas, pueden existir, primero: fuerzas electrostáticas entre cargas permanentes y dipolos permanentes; segundo, entre un dipolo permanente y otro.
El hecho de que las moléculas de agua tengan dentro de ellas una permanente separación de carga, a ello se le llama dipolo permanente. ( Fig.1)
Figura 1
Dipolo Permanente
Las temperaturas a las que es posible la vida en la células son del orden de 0 a 50°C, las moléculas de la masa de agua y vapor tienen un movimiento al azar provocando por el calor, que es característico de los líquidos y las moléculas de agua se mueven y vibran rápidamente, colisionando con otras moléculas, agitando y acarreando las biomoléculas de sustancias que, en importantes concentraciones, se encuentran disueltas en el agua, haciendo posible la interacción.
La diferencia de potencial que hay en la membrana, indica que la membrana de la superficie celular se encuentra polarizada; y cuando se despolariza la membrana, disminuye la diferencia de potencial, y cuando se hiperpolariza, aumenta.
Los fenómenos de polarización y despolarización de la membrana, son la base de la transmisión de impulsos de una excitación a toda la célula cuando la excitación sensorial tiene lugar en cualquier punto de la superficie celular.
El equilibrio de la célula se debe esencialmente a la lucha entre dos fuerzas: la repulsión electrostática que tratará de separar los constituyentes de la célula lo más posible; y la tensión superficial o ” barrera de energía libre ” que resiste toda deformación de la superficie celular que aumente el área de la misma. Así como hay repulsión electrostática, hay también atracción electrostática. La forma celular se debe principalmente al citoesqueleto y no a la tensión superficial.
La célula es el escenario donde tiene lugar un conjunto finito de fenómenos biológicos, que según interacciones moleculares y atómicas de diferentes estructuras fisicoquímicas de las sustancias cuya naturaleza la forman y cuyos atributos y afecciones por medio de las cuales se concibe que se constituyan portadoras, como por ejemplo la enfermedad del cáncer inducido por interacciones moleculares precursoras endógenas y exógenas que lo inducen.
Termodinámica de la Célula
Para estudiar la célula como un sistema químico abierto lo más aproximado a lo real y en términos de las variables dinámicas ( P, p R, T, L y I ), es posible expresar las relaciones entre dichas variables para describir un conjunto de mecanismos de procesos que tienen lugar en el interior de la célula.
La necesidad de describir los mecanismos de los procesos que tienen lugar en la célula, fueron en parte los responsables de que se escribiera este trabajo, cuyo objetivo pretende, por una parte, dar respuesta a esos fenómenos y por la otra, evitar superficialidad en el trabajo, para que quienes se interesen en él encuentren material de valor y sobre todo conceptos que polemizen. Con este propósito se presenta un estudio teórico lo más objetivo y realista posible del sistema biológico real, o sea, la célula. Se trabaja en un planteamiento físico-matemático a partir del cual es posible expresar las relaciones entre las variables que se seleccionaron para describir un conjunto de mecanismos de procesos que tienen lugar e el interior de dicho sistema.
Para describir el sistema y obtener en términos de las variables la ecuación de estado y comportamiento del vapor de agua cristalina que hay en su interior, se hacen las siguientes HIPÓTESIS:
- “La célula es un sistema químico y termodinámico abierto con relación a su medio, y muy alejado del equilibrio que intercambia sustancias y energía con el medio externo a la célula y, ocupa dentro de un organismo biológico, una zona finita del espacio”
- “En el interior de la célula hay una mezcla de agua y vapor suficientemente diluido, de naturaleza pura y se puede considerar como un gas ideal. Agua y vapor se mantienen bajo condiciones de presión y temperatura constantes, de modo que siempre tienen un sistema de temperatura T y una presión media P. Hay en este medio líquido muchas otras sustancias disueltas e interacciones moleculares”
- “En el interior de la célula tienen lugar simultáneamente mecanismos de procesos de condensación y evaporización. Y, para una determinada temperatura, se alcanza la condición de equilibrio cuando los dos procesos se desarrollan con la misma velocidad”.
- “Las moléculas de agua y de vapor contenidas en la célula se mueven y vibran muy rápido, con un movimiento al azar provocado por el calor que es característico de los líquidos”.
Con esta hipótesis y seleccionando variables, considérense a P como la presión de vapor de agua dentro de la célula, p la densidad del vapor de agua, R la constante individual de los gases ( y en este caso el vapor de agua dentro de la célula ), T la temperatura y L el calor latente de vaporización, es decir, el calor necesario y suficiente para convertir en vapor a la unidad de masa líquida del interior de la célula.
Bajo estas condiciones y por la hipótesis b), el microespacio de la superficie liquida está saturado de vapor de agua, y la presión parcial debida al mismo, o sea la presión de saturación de vapor, que depende sólo de la temperatura de la célula de modo que el comportamiento del vapor de agua como un gas ideal satisface la ecuación de estado:
………. (1)
……. (2)
………. (3)
De las ecuaciones (2) y (3) resulta:
………..(4)
En términos de la función de Gibbs G, se tiene para la primera y segunda fase:
……..(5)
…….(6)
La ecuación (6) expresa la dependencia de la temperatura T de la presión de saturación de vapor y formalmente corresponde a la ecuación de Clausulus Clapeyron .
En el interior de la célula 
1 y por el postulado b) al considerarse el vapor de agua como un gas ideal, la ecuación (6) resulta como:
………………(7)
Ahora bien, el postulado a) supuso que la célula es un sistema termodinámico abierto, y las condiciones que debe satisfacer la mezcla de vapor y agua y para que puedan coexistir en equilibrio entre sí, es necesario conocer si dichas condiciones se cumplen. Para esto se recurre a la ecuación (6) la cual se puede escribir así:
……………….(8)
Donde l es el calor latente por mol y se puede expresar como l1,2 donde 1 indica la fase líquida y 2 la de vapor. Ahora bien, por el postulado b) se satisface la ecuación de estado tal que :
por la ecuación (8) se tiene
por lo tanto P = PQe ………………………(9)
donde PQ es una constante de integración.
La ecuación (9) expresa la presión P de vapor en equilibrio con el líquido a temperatura T, y es una función de la temperatura T que aumenta y queda determinada la dependencia con la Temperatura T por el valor del calor latente de vaporización. Entonces la ecuación (9) expresa la presión de vapor a la temperatura T, y describe además la condición de equilibrio para sistema termodinámico celular consistente en una mezcla de vapor de agua.
RESUMEN
- Se obtuvo una ecuación diferencial de la forma de la ecuación de Clauslus Claypeyron que expresa la forma en que el vapor latente de vaporización depende de la temperatura T.
- se obtuvo la ecuación de estado que expresa la condición de equilibrio del estado líquido y el vapor de agua en una mezcla de vapor y agua en el interior de la célula
