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 genera presión y mueve pistones que impulsan las ruedas

mediante un juego de bielas.

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

1 Fox, Brian A.; Cameron, Allan G. Ciencia de los alimentos, Nutrición y salud. Limusa México 2006. Pág.15.

2 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.

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

3 Borel, Jaques-Paul; et al. Bioquímica dinámca. Panamericana Buenos Aires. 1989. Pág.36

4 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

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.

Fig. 1 Isómeros de la glucosa

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 pirofofato7 (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).

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.

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

forma con el rompimiento del ATP.

Fig. 3 Adenosin Trifosfato (ATP)

Fig. 2 Función trifosfoanhídrido, altamente reactiva.

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)

Nutriente

Calor de

combustión

Kcal

Valor de la

“energía

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 Pro-

Ana,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

9 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

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/confort-

humano/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-pasa-

pasamos-frente-un.html