Autoensamblaje molecular

Autoensamblaje helicoidal circular

El autoensamblaje molecular  és el fenomen d'organisació de vàries molècules per a adquirir una distribució espacial no aleatòria entre elles per mig d'interaccions no covalente: forces intermoleculars de Van der Waals (entre molècules neutres),  enllaços o ponts d'hidrogen, interaccions hidrofòbiques i  electrostàtiques,donant com resultat una unitat més funcional i gran.  L'associació és espontànea, i pot vindre donada per una interacció específica directa o indirecta, sent  esta última induïda a través del seu entorn. Es pot classificar en intramolecular i intermolecular, el primer fa referència al plegament en el qual una molècula adopta la seua forma o conformació, en canvi, quan habitualment s'ampra el terme autoensamblaje es fa referència al autoensamblaje intermolecular.

Història

La  autoorganización es necessita comprendre en detalle, ya que afecta a un ampli número de processos en els nostres cos, Terra i espai. En els dominis d'Archaea, una gran varietat de composts inorgànics capaços de formar nanoparticulas, carbono, hidrogen,oxigen, nitrogen, fòsfor, sílice, zinc, manganeso i atres materials es trobaven fàcilment disponibles en formes reactives. Per això, algunes nanopartículas d'estos devien haver estat presents en l'abiogénesis. Encara que es desconeixen els detalls d'este procés, s'explica com la transició d'entitats no vives a entitats vivents a través d'un procés evolutiu de complexitat creixent implicant processos de autoensamblaje, autorreplicación molecular, autocatálisis i l'aparició de membranes celulars.

No es relaciona el autoensamblaje d'estes partícules en l'aparició de vida, encara que sí les dispersió a nanoescala, tals com a argila són conegudes com a catalisadors per a la formació de péptidos i  macromolécula que varen ser utilisades per a la construcció de protocélulas  

Hermann Emil Fischer ( 9 d'octubre de 1852 en Euskirchen; † 15 de juliol de 1919 en Berlín)

Els inicis es remonten a 1894 quan es va introduir la terminologia "clau-pany", l'estructura del substrat s'acoplava al centre actiu de l'enzima, com encaixa una clau en un pany, pel contrari no es donava lloc a la catálisis. El autoensamblaje molecular subyacer en la construcció de conjunts macromoleculares biològics en organismes vius, per lo que és crucial per a la funció de les cèlules. S'exhibix en el autoensamblaje de lípits per a formar la membrana, la formació de ADN de doble hèliç a través d'enllaces d'hidrogen de les cadenes individuals i l'ensamblage de proteïnes per a formar estructures cuaternarias. Esta gran troballa va ser postulat per Hermann Emil Fischer

Les propietats enzimàtiques d'especificidad per a que es portara a terme la catálisis, va funcionar per als anys 60, pero va ser necessari adaptar-la per a explicar les discrepàncies com la falta de l'activitat hidrolítica de les quinasas, inhibició no competitiva. i atres incoherències aparents. Per això, Daniel E. Koshland Jr. en 1958, va postular la teoria d'ajust induït, incorporant als conceptes de Fischer la complementarietat d'enzima-substrat, pero introduint un concepte d'enzima flexible, comparant-la en l'ajust d'una mà en un guant.

A partir d'este pensament, es focalizaron en el reconeiximent molecular i la química de l'hoste-hoste, descrivint agregats de dos o més molècules. En base en esta idea, es varen desenrollar complexos selectius en els que la molècula hoste és capaç de reconéixer i unir-se de manera selectiva a cert hoste. Donald J. Cram, Jean - Marie. Lehn i Charles J. Pedersen varen ser guardonats en el Premi Nobel de Química en 1987, otorgat pel descobriment de les primeres molècules en capacitat de reconeiximent molecular, els éter de corona.

Jean-Marie Lehn ( 30 de setembre de 1939, Rosheim)

Va ser J.Marie Lehn, quí va propondre la definició de autoensamblaje com “l'evolució cap al confinament espacial a través de l'interacció espontànea d'uns pocs o varis components, resultant en la formació d'entitats discretes o extenses a un nivell molecular (covalente), o supramolecular (no covalente)”.

És important també destacar, la contribució realisada per Nicholas A. Kotov (decembre de 2017) en el autoensamblaje de nanopartículas. Açò és per la relació de la autoorganización a escala nanométrica. Este professor d'ingenieria química va propondre la definició del autoensamblamiento entre nanopartículas com "un procés en el que els nanopartículas adquirixen una distribució espacial no aleatòria  entre sí i els llímits del sistema”.

Autoensamblaje molecular Natural

El autoensamblaje molecular és una pilar clau en el desenroll i evolució molecular, ya que un autoensamblaje de proteïnes plegades incorrecte en fibres d'amiloide insolubles és el responsable de malalties neurodegenerativas infeccioses relacionades en priones.

Estos són agents infecciosos formats per una proteïna denominada priónica, capaces de construir agregats moleculars anómals. Per tant, este mecanisme de autoensamblamiento molecular té un rol molt important en els sistemes supramoleculares degut a que l'ensamblage de molècules en tals sistemes es dirigix a través d'interaccions no covalente (per eixemple, enllaces d'hidrogen, coordinació de metals, forces hidrófobicas, forces de van der Waals, interaccions π-π i / o electrostàtiques), aixina com interacciones electromagnètiques.

Primerament, definir que quan es parla de química supramolecular es fa referència als agregats supramoleculares, estos  són  el resultat de l'unió de molècules per mig d'enllaços no covalente, és dir, són complexos ben definits de molècules. Respecte a les dimensions d'estos complexos comprenen des dels nanómetros fins als micrómetros permetent  d'esta manera, en el autoensamblaje, objectes a nanoescala aplegant a la molècula en el menor número de passos comparat en una molècula de dimensió similar.

Tipos de autoensamblaje

Representació de part d'una estructura de el ADN

El autoensamblaje pot ser de dos tipos:

• Intermolecular: Fa referència a el  ensamblamiento supramolecular, donant com resultat un agregat ben definit de molècules unides a través d'enllaços no covalente. Entre ells es pot destacar la doble hèliç de ADN i un compost d'inclusió, és dir,  un complex que té una cavitat en la que es pot estajar el compost “hoste”, tot això per mig d'interacciones Van Der Waals.  Entre este tipo d'ensamblage intermolecular es poden trobar les micela, liposoma i les membranes biològica.

• Intramolecular. Es podria descriure com el plegament d'una molècula per a canviar la seua forma o conformació. És dir, la molècula a través d'interaccions no covalente es dirigix en l'objectiu de formar una forma específica.  El foc d'interés se centra en el plegament de proteïnes, per a l'obtenció de la seua estructura secundària i terciaria, ya que la conformació d'esta plegada, s'ampra com a peça clau per a entendre les seues funcions i desenrollar ingredients actius que es puguen amprar en la medicina, gràcies a poder intervindre en el procés en el que està involucrada la proteïna. Un eixemple esclarecedor d'este tipo de autoensamblaje, es pot vore en l'experiment de quan Joel P. Schneider, Darrin J. Pochan, Bulent Ozbas, Karthikan Rajagopal, Lisa Pakstis, i Juliana Kretsinger. Presenten un disseny general de péptidos que relaciona el plegament intramolecular en funció del pH dels péptidos β-forqueta a la seua predisposició a autoensamblarse, donant lloc a geles rics en làmines β.

cal destacar que les estructures de les supramoleculas estan conformades per un gran número de subunidades d'igual o diferent naturalea molecular, com és el cas dels lípits, els quals presenten caràcter anfipático, la molècula té una regió hidrófoba, sent la coa apolar  i una atra hidrófila, sent el cap polar.Es pot destacar el autoensamblaje dels lípits en la membrana, com a conseqüència del caràcter anfifílico, és dir, una part de la membrana té conglomerats de tipo polar, mentres l'atra és no polar. Estes estructures es formen en solucions acuosas, a on deixen la seua part polar exposta al mig acuoso i, la seua part no polar és amagada en una atra fase.

Els distints modos en els que els lípits es poden ensamblar per a formar una membrana són:

• Micela: Són el resultat de el  efecte hidrofòbic i l'atracció mútua dels grups polars de les molècules de surfactante en solucions acuosas. S'obté una estructura ensamblada final en la que la part no polar es troba en el centre i en la part exterior s'ubica la part hidrófila, la qual es troba en contacte en la zona polar. Un eixemple clar d'este fenomen són els tensioactivos. Estes substàncies quan es dissolen en solucions acuosas, i presenta una concentració elevada del mateix quedant un excés, que no pot ser absorbit en la superfície del líquit, formarà micela donant lloc a una estructura autoensamblada final cridada coloide d'associació.

• Monocapas: Estes s'obtenen en agregar una gota d'àcit grassos en l'aigua, i despuix de l'evaporament de dissolvent, es forma una capa monomolecular just en la interfase aigua-exterior. Esta capa ocupa el màxim de superfície disponible i està conformada per molècules que s'ubiquen de la mateixa forma, en els seus caps polars cap a l'aigua i la seua coa no polar descollant cap a l'exterior.

Estructures principals dels fosfolípits formats en solució acuosa; el liposoma (una bicapa tancada), micela i bicapa lipídica.

• Bicapas: En el autoensamblaje dels lípits en la membrana si les coes hidrofòbiques són més voluminoses no pot orientar-se cap a l'interior de la micela, per això es conformen estructures compostes per dos capes separades pels seus dominis hidrofobitos. Estes estructures es poden trobar organisades en vesícules tancades, també conegudes com a liposoma, o com bicapas planes.

• • Bicapa Plana: En resposta a l'exposició d'un mig acuoso, els fosfolípits es autoensamblan en una làmina de dos capes en les coes hidrofòbiques enfocades feyes el centre de la làmina. Aixina mateix, els seus caps estan exposts a l'aigua. Les bicapas lipídicas que no contenen proteïnes tenen de 5 a 6nm de gruixa, a pesar de ser tan primes, les bicapas lipídicas són barreres per al pas de les molècules a l'interior celular. Un atre comportament de les bicapas lipídicas és que experimenten transicions de fase. A temperatures baixes, la bicapa existix en un estat ben ordenat de gel; en este estat les cadenes laterals del acilo gras prenen una conformació estesa i s'aproximen a juntar-se, en interaccions de Van der Waals màximes. No obstant a una temperatura alta la bicapa experimenta una transició de fase anàloga a la fusió que li ocorre a un sòlit cristalí.
  • Liposoma: Es formen quan els fosfolípits es dispersen mecánicamente en l'aigua (de manera violenta), donant lloc a la formació de vesícules tancades que poden ser multilamelares i unilamelares. Les primeres, es conformen per diverses membranes concèntriques que llimiten una cavitat de diàmetro menut, mentres que les segones, tenen un tamany que varia des de 20nm fins a un micrómetro. En el laboratori s'han pogut produir vesícules sintètiques que consistixen en bicapas fosfolípidicas que tanquen un compartimiento acuoso. Estes estructures a les que se'ls dona el nom de liposoma són, per lo general, molt estables. Per la seua estabilitat i impermeabilidad a moltes substàncies, els liposoma s'ampren en freqüència en l'investigació bioquímica. Moltes de les seues propietats s'assemblen a les de les membranes biològiques encara que es deu tindre en ment que els liposoma, per definició, no són substàncies que sorgixen en forma natural.

Estudis recents de autoensamblaje molecular de sistemes complexos de polímero, mostren la formació de vesícules de polímero o estructures de caixcos tancats de manera arqueotípica, obrint un nou horisó de possibilitats i aplicacions. És dir, mostren la formació de vesícules de manera espontànea per autoensamblaje a través d'un arqueotipo genèric de autoensamblaje. Estos nous polímero de vesícules presenten la ventaja de tindre una estabilitat i tenacitat superiors, ademés d'oferir numeroses possibilitats per a adaptar propietats físiques, químiques i biològiques per mig de la variació de l'estructura química i la conjugació en biomoléculas.