Autoensamblaje molecular

Autoensamblaje molecular

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El autoensamblaje molecular la asociación espontánea de moléculas para conformar estructuras de gran tamaño, llamadas supramoléculas, estas son a su vez una conexión entre las moléculas y las estructuras celulares. Estas estructuras se forman por un número considerable de subunidades de igual o distinta naturaleza molecular, y pueden obtenerse in vitro a partir de sus constituyentes purificados. Este fenómeno se puede comparar al de la formación de cristales minerales partiendo de sus átomos o iones constitutivos.

Los lípidos son estructuras moleculares formadas principalmente por carbonos e hidrógenos, debido a que pueden presentar elementos tales como el azufre y el fósforo. Una propiedad que hace especial a los lípidos es su cabeza polar y su cola apolar; es decir, su cabeza es hidrofílica y su cola hidrofóbica.

Los enlaces de estas moléculas son covalentes y poseen un momento bipolar mínimo. El agua, al ser una molécula muy polar, con gran facilidad para formar puentes de hidrógeno, no es capaz de interaccionar con estas moléculas. En presencia de moléculas lipídicas, el agua adopta en torno a ellas una estructura muy ordenada que maximiza las interacciones entre las propias moléculas de agua, forzando a la molécula hidrofóbica al interior de una estructura en forma de jaula, que también reduce la movilidad del lípido. Todo ello supone una configuración de baja entropía, que resulta energéticamente desfavorable. Esta disminución de entropía es mínima si las moléculas lipídicas se agregan entre sí, e interaccionan mediante fuerzas de corto alcance, como las fuerzas de Van der Waals. Este fenómeno recibe el nombre de efecto hidrofóbico.

Las estructuras anteriormente mencionadas son inestables y poseen propiedades dinámicas (reversibilidad), esto se debe a que los enlaces que los hacen estables, son de baja energía. Las moléculas tienen la capacidad de organizarse espontáneamente en fase acuosa, lo que lleva a un número limitado de estructuras simples llamadas bicapas.

Autoensamblaje de los lípidos en la membrana

Todos los lípidos de la membrana poseen una estructura anfifílica, es decir, una parte de la membrana tiene conglomerados de tipo polar, mientras la otra es no polar. Estas estructuras se forman en soluciones acuosas, donde dejan su parte polar expuesta al medio acuoso y, su parte no polar es escondida en otra fase.

Existen tres tipos de estructuras de autoensamblaje, que en presencia del agua, se disponen de manera muy precisa y regular debido a sus propiedades fisico-quimicas de tal manera, que confieren mayor estabilidad al sistema, estas son: monocapas, micelas y bicapas.

Monocapas

Al agregar una gota de ácidos grasos en el agua, tras la evaporación de disolvente, se forma una capa monomolecular, es decir, una monocapa justo en la interfase agua-atmósfera. Esta capa ocupa el máximo de superficie disponible y esta conformada por moléculas que se ubican de la misma forma, con sus cabezas polares hacia el agua y su cola no polar sobresaliendo hacia la atmósfera.

Micelas

Estructura de una micela

Las micelas son estructuras que se manifiestan cuando la zona hidrofílica es relativamente más voluminosa que las colas. En este caso las moléculas forman esferas con la cabeza orientada hacia el agua y, las colas hidrofóbicas escondidas en su interior. El tamaño característico no excede algunos nanómetros de diámetro.

Bicapas

Cuando las colas hidrofóbicas son más voluminosas que sus cabezas no pueden ser escondidas en el interior de la micela, se forman así, estructuras constituidas por dos capas de lípidos separados por sus dominios hidrofobitos. Las bicapas pueden ser planas, u organizadas en vesículas cerradas que reciben el nombre de liposomas.

• Bicapa Plana

Se forman a partir de dos filas de fosfolípidos, las cuales están unidas por sus colas hidrofóbicas, para de esta manera evitar el contacto con el agua. Así mismo, sus cabezas están expuestas al agua. las bicapas lipídicas que no contienen proteínas tienen de 5 a 6nm de espesor, a pesar de ser tan delgadas, las bicapas lipidicas son barreras para el paso de las moléculas al interior celular.

Otro comportamiento de las bicapas lipídicas es que experimentan transicíones de fase. A temperaturas bajas la bicapa existe en un estado bien ordenado de gel; en este estado las cadenas laterales del acilo graso toman una conformación extendida y se aproximan a juntarse, con contactos de Van der Waals máximos. Sin embargo a una temperatura alta la bicapa experimetna una transición de fase análoga a la fususión que le ocurre a un sólido cristalino.

• Liposomas

En el laboratorio se han podido producir vesículas sintéticas que consisten en bicapas fosfolípidicas que encierran un compartimiento acuoso. Estas estructuras a las que se les da el nombre de liposomas son, por lo general, muy estables. Debido a su estabilidad e impermeabilidad a muchas sustancias, los liposomas se emplean con frecuencia en la investigación bioquímica. Muchas de sus propiedades se parecen a las de las membranas biológicas aunque se debe tener en mente que los liposomas, por definición, no son sustancias que surgen en forma natural.

Se forman cuando los fosfolípidos se dispersan mecánicamente en el agua (de manera violenta), dando lugar a la formación de vesículas cerradas las cuales pueden ser, multilamelares y unilamelares. Las primeras, se conforman por diversas membranas concéntricas que limitan una cavidad de diámetro pequeño, mientras que las segundas, tienen un tamaño que varía desde 20nm hasta un micrómetro.

Véase también

• Autoagregación de Anfifilos
• Autoagregación en las Células
• Aplicaciones de Autoagregación
• Autoensamblaje

Bibliografía

• Philip, Nelson (2005). Física Biológica, energía, información y vida. Reverté S.A.. ISBN 84-291-1837-3.

• Beck, William S. (1977). Fisiología : molecular celular y sistemática / William S. Beck : [traducida por : Ramón Rodríguez Mata].. México, D.F. : Publicaciones Cultural.

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