miniaturadeimagen|Autoensamblaje helicoidal circular|alt= El autoensamblaje molecular es el fenómeno de organización de varias moléculas para adquirir una distribución espacial no aleatoria entre ellas mediante interacciones no covalentes: fuerzas intermoleculares de Van der Waals (entre moléculas neutras), enlaces o puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y electrostáticas,dando como resultado una unidad más funcional y grande. La asociación es espontánea, y puede venir dada por una interacción específica directa o indirecta, siendo esta última inducida a través de su entorno. Se puede clasificar en intramolecular e intermolecular, el primero hace referencia al plegamiento en el cual una molécula adopta su forma o conformación, en cambio, cuando habitualmente se emplea el término autoensamblaje se hace referencia al autoensamblaje intermolecular.
Historia La autoorganización se necesita comprender en detalle, ya que afecta a un amplio número de procesos en nuestros cuerpo, Tierra y espacio. En los dominios de Archaea, una gran variedad de compuestos inorgánicos capaces de formar nanoparticulas, carbono, hidrógeno,oxígeno, nitrógeno, fósforo, sílice, zinc, manganeso y otros materiales se encontraban fácilmente disponibles en formas reactivas. Por ello, algunas nanopartículas de estos debían haber estado presentes en la abiogénesis. Aunque se desconocen los detalles de este proceso, se explica como la transición de entidades no vivas a entidades vivientes a través de un proceso evolutivo de complejidad creciente implicando procesos de autoensamblaje, autorreplicación molecular, autocatálisis y la aparición de membranas celulares.
No se relaciona el autoensamblaje de estas partículas con la aparición de vida, aunque sí las dispersiones a nanoescala, tales como arcillas son conocidas como catalizadores para la formación de péptidos y macromoléculas que fueron utilizadas para la construcción de protocélulas miniaturadeimagen|Hermann Emil Fischer ( 9 de octubre de 1852 en Euskirchen; † 15 de julio de 1919 en Berlín)
Los inicios se remontan a 1894 cuando se introdujo la terminología "llave-cerradura", la estructura del substrato se acoplaba al centro activo de la enzima, como encaja una llave en una cerradura, por el contrario no se daba lugar a la catálisis. El autoensamblaje molecular subyace en la construcción de conjuntos macromoleculares biológicos en organismos vivos, por lo que es crucial para la función de las células. Se exhibe en el autoensamblaje de lípidos para formar la membrana, la formación de ADN de doble hélice a través de enlaces de hidrógeno de las cadenas individuales y el ensamblaje de proteínas para formar estructuras cuaternarias. Este gran hallazgo fue postulado por Hermann Emil Fischer
Las propiedades enzimáticas de especificidad para que se llevase a cabo la catálisis, funcionó para los años 60, pero fue necesario adaptarla para explicar las discrepancias como la falta de la actividad hidrolítica de las quinasas, inhibición no competitiva. y otras incoherencias aparentes. Por ello, Daniel E. Koshland Jr. en 1958, postuló la teoría de ajuste inducido, incorporando a los conceptos de Fischer la complementariedad de enzima-substrato, pero introduciendo un concepto de enzima flexible, comparándola con el ajuste de una mano en un guante.
A partir de este pensamiento, se focalizaron en el reconocimiento molecular y la química del huésped-huésped, describiendo agregados de dos o más moléculas. Con base en esta idea, se desarrollaron complejos selectivos en los que la molécula huésped es capaz de reconocer y unirse de manera selectiva a cierto huésped. Donald J. Cram, Jean - Marie. Lehn y Charles J. Pedersen fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 1987, otorgado por el descubrimiento de las primeras moléculas con capacidad de reconocimiento molecular, los éteres de corona. miniaturadeimagen|Jean-Marie Lehn ( 30 de septiembre de 1939, Rosheim) Fue J.Marie Lehn, quién propuso la definición de autoensamblaje como “la evolución hacia el confinamiento espacial a través de la interacción espontánea de unos pocos o varios componentes, resultando en la formación de entidades discretas o extensas a un nivel molecular (covalente), o supramolecular (no covalente)”.
Es importante también destacar, la contribución realizada por Nicholas A. Kotov (diciembre de 2017) en el autoensamblaje de nanopartículas. Esto es debido a la relación de la autoorganización a escala nanométrica. Este profesor de ingeniería química propuso la definición del autoensamblamiento entre nanopartículas como "un proceso en el que los nanopartículas adquieren una distribución espacial no aleatoria entre sí y los límites del sistema”.
Autoensamblaje molecular Natural
El autoensamblaje molecular es una pilar clave en el desarrollo y evolución molecular, ya que un autoensamblaje de proteínas plegadas incorrecto en fibras de amiloide insolubles es el responsable de enfermedades neurodegenerativas infecciosas relacionadas con priones.
Estos son agentes infecciosos formados por una proteína denominada priónica, capaces de construir agregados moleculares anómalos. Por consiguiente, este mecanismo de autoensamblamiento molecular tiene un rol muy importante en los sistemas supramoleculares debido a que el ensamblaje de moléculas en tales sistemas se dirige a través de interacciones no covalentes (por ejemplo, enlaces de hidrógeno, coordinación de metales, fuerzas hidrófobicas, fuerzas de van der Waals, interacciones π-π y / o electrostáticas), así como interacciones electromagnéticas.
Primeramente, definir que cuando se habla de química supramolecular se hace referencia a los agregados supramoleculares, estos son el resultado de la unión de moléculas mediante enlaces no covalentes, es decir, son complejos bien definidos de moléculas. Respecto a las dimensiones de estos complejos comprenden desde los nanómetros hasta los micrómetros permitiendo de este modo, en el autoensamblaje, objetos a nanoescala llegando a la molécula en el menor número de pasos comparado con una molécula de dimensión similar.
Tipos de autoensamblaje miniaturadeimagen|255x255px|Representación de parte de una estructura del ADN El autoensamblaje puede ser de dos tipos:
Intermolecular: Hace referencia al ensamblamiento supramolecular, dando como resultado un agregado bien definido de moléculas unidas a través de enlaces no covalentes. Entre ellos se puede destacar la doble hélice de ADN y un compuesto de inclusión, es decir, un complejo que tiene una cavidad en la que se puede alojar el compuesto “huésped”, todo ello mediante interacciones Van Der Waals. Entre este tipo de ensamblaje intermolecular se pueden encontrar las micelas, liposomas y las membranas biológica.
Intramolecular. Se podría describir como el plegamiento de una molécula para cambiar su forma o conformación. Es decir, la molécula a través de interacciones no covalentes se dirige con el objetivo de formar una forma específica. El foco de interés se centra en el plegamiento de proteínas, para la obtención de su estructura secundaria y terciaria, ya que la conformación de ésta plegada, se emplea como pieza clave para entender sus funciones y desarrollar ingredientes activos que se puedan emplear en la medicina, gracias a poder intervenir en el proceso en el que está involucrada la proteína. Un ejemplo esclarecedor de este tipo de autoensamblaje, se puede ver en el experimento de cuando Joel P. Schneider, Darrin J. Pochan, Bulent Ozbas, Karthikan Rajagopal, Lisa Pakstis, y Juliana Kretsinger. Presentan un diseño general de péptidos que relaciona el plegamiento intramolecular en función del pH de los péptidos β-horquilla a su predisposición a autoensamblarse, dando lugar a geles ricos en láminas β.
Cabe destacar que las estructuras de las supramoleculas están conformadas por un gran número de subunidades de igual o diferente naturaleza molecular, como es el caso de los lípidos, los cuales presentan carácter anfipático, la molécula tiene una región hidrófoba, siendo la cola apolar y otra hidrófila, siendo la cabeza polar.Se puede destacar el autoensamblaje de los lípidos en la membrana, como consecuencia del carácter anfifílico, 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.
Los distintos modos en los que los lípidos se pueden ensamblar para formar una membrana son:
Micelas: Son el resultado del efecto hidrofóbico y la atracción mutua de los grupos polares de las moléculas de surfactante en soluciones acuosas. Se obtiene una estructura ensamblada final en la que la parte no polar se encuentra en el centro y en la parte exterior se ubica la parte hidrófila, la cual se encuentra en contacto con la zona polar. Un ejemplo claro de este fenómeno son los tensioactivos. Estas substancias cuando se disuelven en soluciones acuosas, y presenta una concentración elevada del mismo quedando un exceso, que no puede ser absorbido en la superficie del líquido, formará micelas dando lugar a una estructura autoensamblada final llamada coloide de asociación.
Monocapas: Éstas se obtienen al agregar una gota de ácidos grasos en el agua, y tras la evaporación de disolvente, se forma una capa monomolecular justo en la interfase agua-exterior. Esta capa ocupa el máximo de superficie disponible y está conformada por moléculas que se ubican de la misma forma, con sus cabezas polares hacia el agua y su cola no polar sobresaliendo hacia el exterior.
miniaturadeimagen|Estructuras principales de los fosfolípidos formados en solución acuosa; el liposoma (una bicapa cerrada), micela y bicapa lipídica.
Bicapas: En el autoensamblaje de los lípidos en la membrana si las colas hidrofóbicas son más voluminosas no puede orientarse hacia el interior de la micela, por ello se conforman estructuras compuestas por dos capas separadas por sus dominios hidrofobitos. Estas estructuras se pueden encontrar organizadas en vesículas cerradas, también conocidas como liposomas, o como bicapas planas. Bicapa Plana: En respuesta a la exposición de un medio acuoso, los fosfolípidos se autoensamblan en una lámina de dos capas con las colas hidrofóbicas enfocadas hacías el centro de la lámina. 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 lipídicas son barreras para el paso de las moléculas al interior celular. Otro comportamiento de las bicapas lipídicas es que experimentan transiciones 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 interacciones de Van der Waals máximas. Sin embargo a una temperatura alta la bicapa experimenta una transición de fase análoga a la fusión que le ocurre a un sólido cristalino.