Non esiste una legge fondamentale che impedisca semplici reazioni chimiche: le cose sono complesse a causa della complessità combinatoria dei composti chimici

La complessità di molte reazioni chimiche è un sottoprodotto del fatto che esiste una varietà molto, molto ampia di possibili sostanze chimiche. Gran parte di quella complessità avviene a causa del modo quasi infinito in cui anche alcuni elementi semplici possono essere combinati insieme per dare strutture complicate (il carbonio è l'esempio archetipico). Teoricamente, ad esempio (teorico perché non tutti gli esempi possono esistere nello spazio 3D) ci sono 366.319 modi per costruire diversi composti di alcano da soli 20 atomi di carbonio e atomi di idrogeno (vedi questa domanda qui e questa voce nell'Enciclopedia delle sequenze intere). E questo numero sottovaluta drasticamente la reale complessità in quanto ignora le immagini speculari e modi più complicati di unire gli atomi di carbonio insieme (come negli anelli, per esempio). La complessità diventa ancora più sbalorditiva se inizi ad aggiungere altri elementi al mix.

Nessuna legge fisica ci impedisce di realizzare qualsiasi possibile composto in un solo passaggio. Ma l'assoluta complessità dei prodotti finali rende i modi semplici per raggiungerne molti straordinariamente improbabili dalle sole leggi della probabilità, per non parlare dei modi specifici in cui i componenti chimici possono essere facilmente uniti per creare cose più complesse.

Ecco una semplice analogia. Supponiamo che tu voglia assemblare un modello Lego dell'arma della Morte Nera di Star Wars. Ci sono 4.016 pezzi di Lego che devono essere assemblati nella giusta combinazione e nel giusto ordine. Non esiste una legge fisica che dica che non puoi in qualche modo farlo in un solo passaggio. Ma l'intuizione di nessuna persona sana di mente darebbe per scontato che ciò sia facile o probabile. Non è la legge fisica che impedisce l'assemblaggio in un passaggio: è la complessità combinatoria . La chimica è, devo proprio dirlo, più complicata di Lego: non da ultimo perché gli atomi possono essere uniti in molti modi più complessi rispetto ai semplici perni fisici di dimensioni standard che uniscono i mattoncini Lego insieme .

Sia i chimici della natura che quelli sintetici hanno esplorato molti modi per ottenere particolari prodotti finali da blocchi di costruzione più semplici. A volte nuovi equivalenti chimici della Morte Nera (come il dodecaedrane di idrocarburi geometricamente bello, che, per inciso, ha 20 atomi di carbonio ma non sono contati nell'elenco dei 20 alcani di carbonio) vengono prodotti solo dopo lunghe sequenze di reazioni. La sintesi originale del dodecaedrane ha richiesto 29 passaggi, ma altri hanno trovato percorsi migliori e più produttivi che richiedevano solo 20. Molti farmaci importanti vengono prima sintetizzati in lunghe sequenze di reazioni, ma in seguito si trovano a essere disponibili tramite molto più brevi percorsi (non c'è niente come l'economia del costo di produzione per incoraggiare la creatività).

Quindi il motivo per cui molte reazioni chimiche prendono più passaggi non sono le leggi fisiche ma la teoria della probabilità. Ci sono troppe sostanze chimiche possibili e troppi modi per combinare le cose per i percorsi a un solo passaggio verso la maggior parte dei prodotti per poter funzionare. Fare una cosa alla volta (proprio come faresti se costruissi la Lego Death Star) è il modo per ottenere ciò che desideri.

Non credo che esista una legge fondamentale che proibisca lo svolgimento di reazioni complesse in un unico passaggio: è semplicemente estremamente improbabile.

Teoria delle collisioni

Gasses

Questo è particolarmente rilevante per i gas, ma lo metterò in relazione con la glicolisi più avanti. La teoria cinetico-molecolare semplifica i gas in punti adimensionali che si muovono con un movimento lineare costante, casuale e in collisione al 100% elasticamente l'uno con l'altro. Sebbene nulla di tutto ciò sia esattamente vero, è un buon modello.

Affinché i gas reagiscano chimicamente, le molecole devono entrare in collisione con l'orientamento corretto e abbastanza energia. Diamo un'occhiata alla seguente reazione.

$$ \ ce {CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl} $$

Sebbene sia teoricamente possibile che queste particelle entrino in collisione, sarebbe molto probabilmente confondere il sistema piuttosto che realizzare effettivamente i prodotti desiderati. Vorrei proporre un meccanismo.

$$ \ ce {Cl2 -> 2Cl} $$

$$ \ ce {CH4 + Cl -> CH3 + + HCl} $$

$$ \ ce {CH3 + + Cl2 -> CH3Cl + Cl} $$

$$ \ ce {2Cl -> Cl2} $$

Usando due intermedi (sostanze instabili create durante una reazione che reagiscono rapidamente) e quattro fasi, ho spezzato una reazione complessa in una serie di collisioni unimolecolari e bimolecolari (favorite dalla probabilità). Inoltre, è molto più facile che le molecole in queste fasi entrino in collisione con un corretto orientamento. Diamo un'occhiata al secondo passaggio. Il metano ha una geometria di coppia di elettroni tetraedrica e quando un cloro monoatomico si scontra con abbastanza energia di 180 gradi di fronte a un idrogeno, le nuvole di elettroni possono sovrapporsi, formando simultaneamente un legame $ \ ce {C-Cl} $ e rompendo un $ \ ce { CH} $ bond.

Google Immagini

Glicolisi

Semplificando eccessivamente, ma la glicolisi trasforma una molecola di glucosio in due molecole G3P e due ATP. Se il metano è complicato con i suoi cinque atomi, il glucosio lo è molto di più con i suoi ventiquattro. Non solo sarebbe quasi impossibile per una reazione dividere questo robusto anello di zucchero, ma rielaborare i prodotti anche nelle loro forme che sono paragonabili al ciclo di Krebs, ecc., Richiederebbe una fortuna folle. Invece, un processo attentamente controllato rende affidabile la reazione essenziale.

Inoltre, gli enzimi sono "inventati" da mutazioni casuali, quindi un enzima per eseguire questo processo potrebbe essere fattibile, ma l'evoluzione probabilmente non lo inventerebbe. E anche se lo facesse, probabilmente non conferirebbe un gran vantaggio in termini di sopravvivenza e svanirebbe dal pool genetico.

Spero che questo aiuti!

Nota dell'autore: sebbene ci siano già alcune buone risposte, desidero aiutarti a capire spiegando in un modo diverso. Concordo con gli altri post sul fatto che non esiste una legge fisica o chimica per impedire un processo diverso e più diretto.

Motivo alla base del processo di glicolisi

Il motivo per cui questo processo è così com'è, è l'efficienza verso il raggiungimento dell'obiettivo. E l'obiettivo non è scomporre il glucosio in molecole più piccole. L'obiettivo è immagazzinare energia in un vettore che può muoversi attraverso il corpo ed è compatibile con altri processi biologici.

Le tre parole in grassetto sono fondamentali qui. Il corpo ha bisogno di energia per svolgere vari compiti come contrazioni muscolari (respirazione, battito cardiaco), crescita cellulare, lotta contro i batteri e molti altri. Non è utile generare sempre l'energia necessaria nel luogo in cui è necessaria. Invece, abbiamo vettori energetici (soprattutto ATP) che viene prodotto in alcune parti del nostro corpo e quindi distribuito attraverso il sangue.

Energia nel corpo

Prima di continuare, devi capire qualcosa sull'energia libera di Gibbs. Come hai detto, determina il modo più efficiente dal punto di vista energetico per un processo dallo stato iniziale allo stato finale. Tuttavia, se fornisci energia, il processo può andare benissimo nella direzione opposta. Quindi, guardare l'energia libera di Gibbs mostra solo il processo che è più probabile che si verifichi spontaneamente in circostanze normali, ma non in tutte le circostanze.

La seconda informazione di base tra le due è che l'energia nel corpo viene trasportata utilizzando adenosina tri fosfato (ATP) e adenosina di fosfato (ADP). Aggiungere un gruppo fosfato all'ADP (che poi diventa ATP) costa energia che può essere successivamente estratta con il processo inverso.

Il terzo è che la disponibilità di energia nel corpo è limitata. Abbiamo due principali fonti di energia: ATP e calore corporeo. Una molecola di ATP fornirà sempre una quantità specifica di energia, mentre il calore corporeo può fornire da 0 fino a un certo limite, a seconda della temperatura corporea (questo massimo è inferiore all'energia dell'ATP). Qualsiasi processo che richieda più energia di quella che l'ATP può fornire dovrà essere suddiviso in fasi più piccole separate.

Torna alla glicolisi

Tenendo presente queste informazioni di base, possiamo spiegare il motivo dietro il (complesso) processo di glucolisi meglio. Dal punto di vista della free energy di Gibbs, non abbiamo bisogno di passare dal glucosio ad alta energia al piruvato a basso consumo il più velocemente possibile . Invece, dobbiamo farlo in un modo che abbia il maggior numero di passaggi che forniscono l'esatta quantità di energia necessaria per trasformare ADP in ATP.

Come puoi vedere nell'immagine didascalia nella pagina della glucolisi che hai collegato, abbiamo bisogno di 1 glucosio + 2 ATP, per generare 4 ATP. Perché è necessario l'ATP iniziale? Questo per ottenere la specifica catena di scomposizione che consente 2 * 2 passaggi di estrazione di energia durante il processo. Abbiamo bisogno dell'investimento energetico iniziale per consentire che le fasi intermedie avvengano, chimicamente parlando. Senza questo investimento, non sarai in grado di formare le molecole intermedie necessarie per fornire energia sufficiente per immagazzinarla in $ \ ce {ADP \ bond {->} ATP} $.

Confronto con il nucleare fusione / fissione

Normalmente non mi piace fare confronti con argomenti non correlati, ma penso che questo si adatti abbastanza bene da poterlo menzionare e spero che lo capirai meglio con il tuo background di fisico. Nella fissione e fusione nucleare, si determinano i possibili decadimenti e fusioni nucleari osservando l'energia disponibile e i livelli energetici di un atomo. E se poniamo la tua domanda originale qui, otteniamo le stesse risposte che in chimica.

• C'è qualcosa che impedisce a 6 atomi di idrogeno di fondersi in un atomo di carbonio?
• C'è qualcosa che impedisce all'U-235 di dividersi in 20 diversi atomi in un unico passaggio?

Per il primo: no, ma è molto improbabile che 6 atomi si incontrino esattamente nello stesso tempo e con la giusta quantità di energia. E anche se lo facessero, il carbonio non è un atomo stabile senza neutroni, quindi da dove vengono? Occorrono più passaggi per passare dall'idrogeno al carbonio ...

Al secondo: No, niente lo impedisce. Ma la scissione degli atomi passa attraverso una serie di regole rigide riguardanti la stabilità e l'energia degli atomi e dei loro prodotti di radiazione. Il punto iniziale e quello finale possono essere chiari, ma ci sono quasi sempre più passaggi intermedi (esempio: catena di decadimento del torio. Allo stesso modo, la chimica ha molte regole per reazioni e riarrangiamenti di atomi / elettroni all'interno di una molecola, limitando il modo in cui le molecole possono rompersi o combinarsi.

La parte in cui questo confronto va storto è che la biologia non è sempre propensa verso le soluzioni più efficienti dal punto di vista energetico. A volte la natura prende una strada complessa e inefficiente per uno scopo diverso, come nella glicolisi.

Le reazioni chimiche che apprendi durante le lezioni di chimica sono progettate dagli esseri umani. Sebbene a volte possano essere piuttosto complicate, esiste un forte pregiudizio verso la progettazione di reazioni che possono essere razionalizzate dal cervello umano. Le reti di reazione trovate dall'evoluzione non sono vincolate da ciò che gli esseri umani possono capire e, quindi, possono apparire più complesse.

In effetti, l'evoluzione in alcuni casi può favorire reazioni complesse, perché possono essere più efficienti. Dai un'occhiata al ciclo di Krebs (noto anche come ciclo dell'acido citrico), che converte la maggior parte dell'energia utilizzata dal tuo corpo dagli zuccheri in una forma più utilizzabile (come ATP, dove l'energia è immagazzinata in legami fosfatici). La banca dati delle proteine ​​RCSB ha una buona descrizione ( descrizione del ciclo di Krebs con le strutture enzimatiche) dei passaggi coinvolti. Il ciclo è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altre opzioni più semplici per convertire l'energia dall'ossidazione dell'acetato in ATP ( documento di Krebs sull'efficienza del ciclo).

Un'altra cosa su cui riflettere è come sono avvenuti questi processi. L'evoluzione è il progenitore di fondamentalmente tutti i processi biochimici. L'evoluzione non si preoccupa [necessariamente] dell'efficienza, bensì dell'efficacia (cioè la creatura rimane in vita). Certo, posso tagliare il cortile di qualcuno per attraversare il quartiere, ma prendere il marciapiede impedisce ai vicini di liberarmi dei cani.

Poi c'è l'energia. Tutto in chimica si riduce ad essere energeticamente favorito. Sembra che tu lo capisca con Gibbs Free Energy. Sebbene non sia necessariamente il caso della glicolisi, alcune sostanze chimiche manterranno i loro legami gli stessi perché è così stabile, a meno che non venga lanciata molta energia. È qui che entrano in gioco le proteine. Le proteine ​​piegano o torcono le molecole in modo che l'energia di attivazione sia molto più piccola e certe reazioni siano favorite. (Un carbonio tetraedrico non gradirà avere angoli di legame significativamente inferiori a 109,5 gradi, quindi è probabile che si verifichi un cambiamento nel legame per tornare a quella stabilità energetica).