Un demonio molecular o máquina molecular biológica es una macromolécula biológica que se parece y parece tener las mismas propiedades que el demonio de Maxwell . Estas macromoléculas recopilan información para reconocer su sustrato o ligando dentro de una miríada de otras moléculas que flotan en el plasma intracelular o extracelular. Este reconocimiento molecular representa una ganancia de información que es equivalente a una ganancia de energía o una disminución de la entropía . Cuando el demonio se reinicia, es decir, cuando se libera el ligando, la información se borra, la energía se disipa y la entropía aumenta obedeciendo a lasegunda ley de la termodinámica . [1] La diferencia entre los demonios moleculares biológicos y el experimento mental del demonio de Maxwell es la aparente violación de la segunda ley por parte de este último. [2] [3]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/8/8b/Maxwell%27s_demon.svg/340px-Maxwell%27s_demon.svg.png)
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Ciclo
El demonio molecular cambia principalmente entre dos conformaciones . El primer estado, o estado básico, al reconocer y unirse al ligando o sustrato después de un ajuste inducido , sufre un cambio de conformación que conduce al segundo estado cuasi-estable: el complejo proteína-ligando . Para restablecer la proteína a su estado básico original, necesita ATP . Cuando el ATP se consume o hidroliza, el ligando se libera y el demonio vuelve a adquirir información volviendo a su estado básico. El ciclo puede comenzar de nuevo. [1]
Trinquete
La segunda ley de la termodinámica es una ley estadística . Por lo tanto, en ocasiones, las moléculas individuales pueden no obedecer la ley. Todas las moléculas están sujetas a la tormenta molecular, es decir, al movimiento aleatorio de moléculas en el citoplasma y el líquido extracelular . Los demonios moleculares o las máquinas moleculares, ya sean biológicas o construidas artificialmente, son empujados continuamente por el movimiento térmico aleatorio en una dirección que a veces viola la ley. Cuando esto sucede y se puede evitar el deslizamiento hacia atrás de la macromolécula por el movimiento que había realizado o el cambio conformacional que sufrió a su estado original, como es el caso de los demonios moleculares, la molécula funciona como un trinquete; [4] [5] es posible observar por ejemplo la creación de un gradiente de iones u otras moléculas a través de la membrana celular , el movimiento de proteínas motoras a lo largo de proteínas filamentosas o también la acumulación de productos derivados de una reacción enzimática. Incluso algunas máquinas y experimentos moleculares artificiales son capaces de formar un trinquete que aparentemente desafía la segunda ley de la termodinámica. [6] [7] Todos estos demonios moleculares deben restablecerse a su estado original consumiendo energía externa que posteriormente se disipa en forma de calor. Este último paso en el que aumenta la entropía es, por tanto, irreversible. Si los demonios fueran reversibles, no se haría ningún trabajo. [5]
Artificial
Un ejemplo de trinquetes artificiales es el trabajo de Serreli et al. (2007). [6] Serreli y col. construyó una nanomáquina , un rotaxano , que consiste en una molécula en forma de anillo, que se mueve a lo largo de un pequeño eje molecular entre dos compartimentos iguales diferentes, A y B. El movimiento aleatorio normal de las moléculas envía el anillo de un lado a otro. Dado que los anillos se mueven libremente, la mitad de los rotaxanos tienen el anillo en el sitio B y la otra mitad en el sitio A. Pero el sistema utilizado por Serreli et al. tiene una compuerta química en la molécula de rotaxano y el eje contiene dos partes pegajosas, una a cada lado de la compuerta. Esta puerta se abre cuando el anillo está cerca. La parte pegajosa en B está cerca de la puerta y los anillos pasan más fácilmente a A que de A a B. Obtuvieron una desviación del equilibrio de 70:50 para A y B respectivamente, un poco como el demonio de Maxwell. Pero este sistema funciona solo cuando se le ilumina con luz y, por lo tanto, necesita energía externa, al igual que los demonios moleculares.
Energía e información
Landauer afirmó que la información es física. [8] Su principio establece restricciones termodinámicas fundamentales para el procesamiento de información clásica y cuántica. Se ha dedicado mucho esfuerzo a incorporar información a la termodinámica y medir los costos entrópicos y energéticos de manipular la información. Al obtener información, disminuye la entropía que tiene un costo energético. Esta energía debe recolectarse del medio ambiente. [9] Landauer estableció la equivalencia de un bit de información con entropía que está representada por kT ln 2, donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura ambiente. Este límite se llama límite de Landauer. [10] En cambio, borrar la energía aumenta la entropía. [11] Toyabe y col. (2010) pudieron demostrar experimentalmente que la información se puede convertir en energía libre. Es un experimento bastante elegante que consiste en una partícula microscópica en un potencial similar a una escalera de caracol. El escalón tiene una altura correspondiente a k B T, donde k B es la constante de Boltzmann y T es la temperatura. La partícula salta entre pasos debido a movimientos térmicos aleatorios. Dado que los saltos hacia abajo siguiendo el gradiente son más frecuentes que los hacia arriba, la partícula cae por las escaleras, en promedio. Pero cuando se observa un salto hacia arriba, se coloca un bloque detrás de la partícula para evitar que caiga, como en un trinquete. De esta forma debería subir las escaleras. La información se obtiene midiendo la ubicación de la partícula, lo que equivale a una ganancia de energía, es decir, una disminución de la entropía. Usaron una ecuación generalizada para la segunda ley que contiene una variable para información:
⟨ΔF− W⟩≤ k B TI
ΔF es la energía libre entre estados , W es el trabajo realizado en el sistema , k B es la constante de Boltzmann , T es la temperatura e I es el contenido de información mutua obtenido por las mediciones. Los corchetes indican que la energía es media. [7] Podrían convertir el equivalente de un bit de información en 0,28 kT ln2 de energía o, en otras palabras, podrían explotar más de una cuarta parte del contenido energético de la información. [12]
Demonios cognitivos
En su libro Chance and Necessity, Jacques Monod describió las funciones de las proteínas y otras moléculas capaces de reconocer con 'discriminación electiva' un sustrato o ligando u otra molécula. [2] Al describir estas moléculas, introdujo el término funciones "cognitivas", las mismas funciones cognitivas que Maxwell atribuyó a su demonio. Werner Loewenstein va más allá y nombra a estas moléculas " demonio molecular " o "demonio" en breve. [1]
Nombrar las máquinas moleculares biológicas de esta manera facilita la comprensión de las similitudes entre estas moléculas y el demonio de Maxwell.
Debido a esta propiedad discriminativa real, si no "cognitiva", Jacques Monod atribuyó una función teleonómica a estos complejos biológicos. La teleonomía implica la idea de una actividad orientada, coherente y constructiva. Por lo tanto, las proteínas deben considerarse agentes moleculares esenciales en el desempeño teleonómico de todos los seres vivos.
Ver también
- Máquinas moleculares
- Complejo proteína-ligando
- Proteína
- Ligando
- Demonio de Maxwell
- Jacques Monod
- Teleonomía
Referencias
- ↑ a b c R., Loewenstein, Werner (29 de enero de 2013). La física en mente: una visión cuántica del cerebro . Nueva York. ISBN 9780465029846. OCLC 778420640 .
- ^ a b Monod J (1970). Le hasard et la nécessité. Essai sur la philosophie naturelle de la biologie moderne [ Ensayo de azar y necesidad sobre la filosofía natural de la biología moderna ] (en francés). Le Seuil.
- ^ Maxwell, James Clerk (2009). Los artículos científicos de James Clerk Maxwell . Cambridge: Cambridge University Press. doi : 10.1017 / cbo9780511698095 . ISBN 9780511698095.
- ^ Blomberg, Clas (2007), "TRINQUETE BROWNIANO: PROCESOS UNIDIRECCIONALES", Physics of Life , Elsevier, págs. 340–343, doi : 10.1016 / b978-044452798-1 / 50031-2 , ISBN 9780444527981
- ^ a b M., Hoffmann, Peter (2012). El trinquete de la vida: cómo las máquinas moleculares extraen orden del caos . Libros básicos. ISBN 9780465022533. OCLC 808107321 .
- ^ a b Leigh, David A .; Euan R. Kay; Lee, Chin-Fa; Serreli, Viviana (1 de febrero de 2007). "Un trinquete de información molecular". Naturaleza . 445 (7127): 523–527. doi : 10.1038 / nature05452 . ISSN 1476-4687 . PMID 17268466 .
- ^ a b Sano, Masaki; Muneyuki, Eiro; Ueda, Masahito; Sagawa, Takahiro; Toyabe, Shoichi (14 de noviembre de 2010). "Demostración experimental de conversión de información a energía y validación de la igualdad de Jarzynski generalizada". Física de la naturaleza . 6 (12): 988–992. arXiv : 1009.5287 . doi : 10.1038 / nphys1821 . ISSN 1745-2481 .
- ^ Landauer, Rolf (1991). "La información es física". La física hoy . 44 (5): 23-29. doi : 10.1063 / 1.881299 .
- ^ Sagawa, Takahiro; Horowitz, Jordan M .; Parrondo, Juan MR (03/02/2015). "Termodinámica de la información". Física de la naturaleza . 11 (2): 131-139. doi : 10.1038 / nphys3230 . ISSN 1745-2481 .
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