Un demonio molecular o máquina molecular biológica es una macromolécula biológica que se asemeja y parece tener las mismas propiedades que el demonio de Maxwell . Estas macromoléculas recogen 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 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 la segunda 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]
El demonio molecular cambia principalmente entre dos conformaciones . La primera, o estado básico, al reconocer y unirse al ligando o sustrato tras 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 se hidroliza, el ligando se libera y el demonio adquiere de nuevo información volviendo a su estado básico. El ciclo puede comenzar de nuevo. [1]
La segunda ley de la termodinámica es una ley estadística . Por lo tanto, ocasionalmente, las moléculas individuales pueden no obedecer la ley. Todas las moléculas están sujetas a la tormenta molecular, es decir, el movimiento aleatorio de las moléculas en el citoplasma y el líquido extracelular . Los demonios moleculares o las máquinas moleculares, ya sean biológicas o construidas artificialmente, son empujadas continuamente por el movimiento térmico aleatorio en una dirección que a veces viola la ley. Cuando esto sucede y se puede evitar el deslizamiento de regreso de la macromolécula desde el movimiento que había realizado o el cambio conformacional que experimentó 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 moleculares artificiales y experimentos son capaces de formar un trinquete que aparentemente desafía la segunda ley de la termodinámica. [6] [7] Todos estos demonios moleculares tienen que ser reiniciados a su estado original consumiendo energía externa que posteriormente se disipa en forma de calor. Este paso final en el que aumenta la entropía es, por tanto, irreversible. Si los demonios fueran reversibles, no se realizaría ningún trabajo. [5]
Un ejemplo de trinquete artificial es el trabajo de Serreli et al. (2007). [6] Serreli et al. construyeron 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 normal y aleatorio 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 compuerta se abre cuando el anillo está cerca. La parte pegajosa en B está cerca de la compuerta 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 solo funciona cuando se proyecta luz sobre él y, por lo tanto, necesita energía externa, al igual que los demonios moleculares.
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. Obtener información disminuye la entropía, que tiene un costo energético. Esta energía debe recolectarse del entorno. [9] Landauer estableció la equivalencia de un bit de información con la 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] Borrar energía aumenta la entropía en cambio. [11] Toyabe et al. (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 escalones debido a movimientos térmicos aleatorios. Como los saltos hacia abajo siguiendo el gradiente son más frecuentes que los saltos 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 manera, 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. Utilizaron una ecuación generalizada para la segunda ley que contiene una variable para la información:
ΔF es la energía libre entre estados , W es el trabajo realizado sobre el sistema , k es la constante de Boltzmann , T es la temperatura e I es el contenido de información mutua obtenido mediante mediciones. Los corchetes indican que la energía es un promedio. [7] Podrían convertir el equivalente de un bit de información a 0,28 kT ln2 de energía o, en otras palabras, podrían explotar más de una cuarta parte del contenido energético de la información. [12]
En su libro El azar y la necesidad, Jacques Monod describió las funciones de las proteínas y otras moléculas capaces de reconocer con «discriminación electiva» un sustrato, un 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 denomina a estas moléculas « demonio molecular » o «demonio» de forma abreviada. [1]
Nombrar las máquinas moleculares biológicas de esta manera hace más fácil entender las similitudes entre estas moléculas y el demonio de Maxwell.
Debido a esta propiedad realmente discriminante, 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 las funciones teleonómicas de todos los seres vivos.
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