FISIOLOGÍA

FISIOLOGÍA CELULAR

Autoagregación en las células

Las moléculas anfifílicas cuando se encuentran en entornos de agua pura, se agrupan formando una esfera. Sin embargo esta forma de agregación no siempre es la más viable. Para formar una esfera, cada tensioactivo debe tener una forma cónica, su cabeza hidrofílica debe ser más ancha que su cola, en otras palabras el volumen ocupado por las colas de N moléculas de tensioactivos ${\displaystyle NV_{cola}}$ debe ser compatible con el área de la superficie de la cabeza; las moléculas de dos colas PC, cumplen las condiciones descritas.

Las bicapas se forman por autoagregación de anfifilos de dos colas[editar]

Una estrategia de empaquetamiento, la membrana bicapa, presenta las colas hidrofóbicas entre ellas y no al agua ver, figura 1.

Los anfifilos de dos colas se presentan en las células y pertenecen a la familia de los fosfolípidos. A continuación se enunciaran algunas características de los fosfolípidos como formadores de la membrana celular:

• La autoagregación de PC en bicapas es más deseosa que la de los tensioactivos de una sola cadena en micelas. Esto se debe al hecho del valor de energía hidrofóbico de exponer dos cadenas al agua, puesto que ese coste es el doble que el de para una sola cadena. El coste de energía actúa a través de la constante de equilibrio y del CMC una medida del impulso químico en la autoagregación.

• El grosor de la membrana es limitada por la geometría de los fosfolípidos. Esto a su vez determina la permeabilidad de las membranas.

• Las membranas son fluidas. Es necesario tener en cuenta que no hay enlaces químicos específicos que conecten las moléculas de fosfolípidos entre sí, sino el carácter hidrofóbico de sus colas, de esta forma las moléculas se difunden en el plano de la membrana.

El estado de menor energía corresponde a una superficie plana, así no es posible deformar una bicapa para darle forma curvada, aun así curvarla implicaría un valor de energía libre, este coste viene dado por:

Cada grupo polar de la cabeza ocupa un área geométrica ${\displaystyle a_{cabeza}}$, una desviación ${\displaystyle \Delta a}$ supondrá cierto valor de energía. Realizando un desarrollo en serie ${\displaystyle \Delta F=C_{0}+C_{1}\Delta a+C_{1}(\Delta a)^{2}+...}$, el coeficiente ${\displaystyle C_{0}}$ es una constante por lo cual se puede excluir. Como la energía libre es mínima cuando ${\displaystyle \Delta a=0}$ , la carga de ${\displaystyle C_{1}}$ debe cancelar la contribución de la otra monocapa. Cuando las curvaturas son pequeñas, los términos de órdenes superiores son despreciables, por tanto el coste de energía llega a ser:

${\displaystyle E_{e}={\frac {1}{2}}K(\Delta a)^{2}}$

Donde ${\displaystyle E_{e}}$ se define como la energía elástica por molécula pc y, la constante K para este modelo, es intrínseca de la membrana. Esto debe cumplirse cuando ${\displaystyle \Delta a}$ sea menor ${\displaystyle a_{cabeza}}$.

Autoensamblaje es la organización, reparación o fabricación de un sistema o estructura sin que el ser humano intervenga en este proceso. En la naturaleza se presenta autoensamblaje en muchas escalas, principalmente en la reparación de tejidos orgánicos, la fabricación de nanosistemas orgánicos e incluso la aparición de nuevos organismos; en consecuencia el estudio del autoensamblaje es tan importante para el hombre porque con dicho estudio se podrá dar respuesta a una serie de cuestionamientos relacionados con el origen de la vida y la dependencia de la vida misma a este proceso típico de los organismos y sistemas biológicos. Los inicios del estudio del autoensamblaje están relacionados con la aplicación de la química orgánica en las interacciones moleculares a distintas escalas, lo que conlleva a que actualmente se encuentren importantes y fructíferos avances en el autoensamblaje molecular. Para la Física, la Biología y la Química el autoensamblaje es un área de estudio científico que presenta altísimas expectativas, ya que si se amplía el conocimiento humano en este campo, se encontraran diversas aplicaciones en sistemas inorgánicos creados por el hombre, relacionados con la electrónica, la computación, la robótica e incluso la medicina.

Tipos de autoensamblaje[editar]

Diversos estudios científicos concuerdan en que hay dos tipos de autoensamblaje; El autoensamblaje estático y el autoensamblaje dinámico. La mayoría de estudios, avances y publicaciones se presentan en el autoensamblaje estático, ya que de los dos procesos mencionados anteriormente, es el más sencillo y posiblemente el más fácil de imitar en sistemas inorgánicos. El autoensamblaje estático consiste en la reparación o reorganización de sistemas y estructuras sin presentar pérdida de energía hasta alcanzar un equilibrio. Para generar un sistema ordenado por medio de un autoensamblaje estático, se necesita inicialmente un poco de energía, que posteriormente al haberse formado dicho sistema se estabiliza y se conserva, pero dicha energía inicial no presenta disipación durante el proceso de reparación o reorganización. Algunos ejemplos de autoensamblaje estático en la naturaleza son: los cristales moleculares y las proteínas globulares.

El proceso de autoensamblaje dinámico es completamente opuesto al autoensamblaje estático, ya que ocurre la organización o reparación de estructuras y sistemas únicamente si durante el proceso hay disipación de energía, aunque finalmente también se alcanza un equilibrio. Los estudios y descubrimientos en autoensamblaje dinámico están en su etapa primaria. Los sistemas que presentan autoensamblaje dinámico son muy complejos y difíciles de detectar sin instrumentos de alta precisión y resolución. Algunos ejemplos de autoensamblaje dinámico en la naturaleza son: las distintas interacciones que presentan las células biológicas, la reparación y organización de tejidos y la división celular. Los dos tipos de autoensamblaje pueden suministrar información acerca de los procesos de organización y reparación de sistemas y estructuras a distintas escalas y con ello encontrar una posible aplicación en la tecnología a una escala nanométrica (ya que la fabricación de tecnología a escalas muy pequeñas es muy costosa y dispendiosa con los métodos tradicionales), es decir que suministran información codificada acerca de la interacción de los componentes de los sistemas que se autoensamblan con el fin de modelar este proceso e intentar su posterior repetición en un sistema creado por el ser humano.Para conocer el proceso de autoensamblaje a la perfección, se debe de estudiar las características del sistema o estructura donde ocurre, se debe analizar la posición del sistema, el equilibrio último alcanzado, posibles alteraciones y repulsiones, movimientos, las posibles fluctuaciones generadas por el medio donde ocurre el proceso, las fronteras de reacción, los componentes involucrados, la interacción entre estructuras y los posibles defectos y errores generados al final del proceso. Para que un sistema que se autoensambla realice un proceso satisfactorio, éste (sin importar que sea un autoensamblaje estático o un autoensamblaje dinámico) debe alcanzar un equilibrio. Si el sistema no logra un equilibrio se puede presentar defectos, modificaciones o alteraciones que pueden ser perjudiciales para el sistema.

Enfoque de los estudios actuales en autoensamblaje[editar]

Los estudios actuales se enfocan en el autoensamblaje dinámico, ya que la mayoría de retos que se han trazado los científicos están relacionados con sistemas dinámicos. El proceso que genera la vida y la vida en sí, implican gastos de energía, esto justifica la actual inclinación de la investigación científica. Al estudiar este tipo de autoensamblaje se conocerá casi a la perfección, cada uno de los funcionamientos, interacciones y procesos realizados por las células y los sistemas que la conforman e incluso, se aclararan todas las dudas presentes hoy en día acerca de la relación del proceso de división celular con las reacciones químicas. La dificultad que se presenta al estudiar el autoensamblaje en las células biológicas radica en que es imposible intervenir el sistema sin que las funciones y las interacciones de cada uno de los componentes que participan en el proceso se afecten. Las aplicaciones presentes y futuras del estudio del proceso de autoensamblaje están relacionadas con la miniaturización de todas las herramientas tecnológicas. En la robótica los costos de producción de nanomáquinas inteligentes se reducirán en comparación con los métodos tradicionales de fabricación. En nanociencia se podrán reproducir en un laboratorio (de manera artificial) los procesos de autoensamblaje y autorreparacion que presentan los sistemas biológicos. En la microelectrónica se encontrará si hay algún tipo de relación entre el comportamiento del sistema nervioso de todo ser vivo con los microsistemas conductores creados por el hombre; con este estudio se desea aplicar el comportamiento de las neuronas, los neurotransmisores y el impulso nervioso en la electrónica y la posible implementación de sistemas microelectrónicos en el cerebro. Hoy en día se ha podido aislar una neurona y conectarla con un nanootuboconductor, lo que indica que si es posible que algunos componentes biológicos puedan interactuar con componentes artificiales sin alterar su funcionamiento. En la computación y tecnología de entretenimiento se quiere reproducir la autorreparación y la reorganización de algunos tejidos biológicos en microcomputadores, sensores y controladores, con el fin de que algunos de estos dispositivos, se autorreparen cuando sufran algún golpe o descompostura e incluso que dichos dispositivos puedan ensamblarse de forma autónoma cuando se les aplica una modificación o remodelación. En medicina se analizará los problemas presentes en los desórdenes genéticos relacionados con la descontrolada división celular, con el fin de encontrar una solución económica y productiva a dicho problema.

El papel de las ciencias en el estudio del autoensamblaje[editar]

El estudio del proceso del autoensamblaje no le compete únicamente a la biología. Para un desarrollo efectivo se necesita de la química, la física, la ingeniería y la matemática. La química debe estudiarlas reacciones químicas presentes en los procesos biológicos de los sistemas que se autoensamblan, la biología debe estudiar el impacto que conlleva la intervención humana en los sistemas que realizan este proceso, la física junto a la ingeniería y la matemática deben observar el comportamiento del sistema que se autoensambla así como el comportamiento de los componente de dicho sistema, con el fin de crear un postulado teórico-matemático que represente el fenómeno a la perfección, para después recrear este proceso de manera artificial. Hoy en día el conocimiento humano cuenta con planteamientos matemáticos, avances tecnológicos y teorías físicas que facilitan el estudio del autoensamblaje a distintas escalas, por lo cual la aplicación del estudio de este proceso biológico en la robótica, la medicina y la computación es inminente.

El autoensamblaje molecular es el proceso de asociación espontánea de moléculas para conformar estructuras de gran tamaño, llamadas supramoléculas, éstas 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 dipolar 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[editar]

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 físico-químicas de tal manera, que confieren mayor estabilidad al sistema, estas son: monocapas, micelas y bicapas.

Monocapas[editar]

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 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 la atmósfera.

Micelas[editar]

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[editar]

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 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 contactos de Van der Waals máximos. Sin embargo a una temperatura alta la bicapa experimenta una transición de fase análoga a la fusión 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.

Un ejemplo de un autoensamblaje molecular mediante enlaces de hidrógeno.