La química supramolecular

Texto escrito por Elena Posada

La química intenta explicar la materia, y para ello estudia los elementos y cómo se unen. El método de unión es igual de importante que los elementos en sí. Cuando hablamos de las uniones normalmente entendemos los enlaces que forman las moléculas, sin embargo, existen otras formas de unión que se establecen entre moléculas diferentes, y entre ellas existen cuatro que se mencionan en el posterior cuadro en el que indicamos el nombre, la fortaleza del enlace usando como unidades KJ/mol (energía que hace falta para romper un mol de ese tipo de interacción) y la distancia en nanómetros (10^-9 m).

• Las fuerzas de Van der Waals son las más débiles y se producen por las interacciones eléctricas entre dos o más átomos de diferentes moléculas cercanos entre sí, producido por la diferencia de electronegatividad entre los diferentes átomos.
• Los enlaces de hidrógeno son un tipo especial de interacciones iónicas que se producen entre un átomo de hidrógeno (de ahí su nombre) y un átomo muy electronegativo con un par de electrones libre (generalmente se produce entre el hidrógeno y el nitrógeno, el oxígeno o el flúor)
• Las interacciones iónicas, se producen por la existencia de diferentes cargas en los átomos que componen las moléculas y se produce entre los átomos que tengan una carga positiva y un átomo con una carga negativa.
• Las interacciones hidrofóbicas, se producen entre el agua y las moléculas poco solubles en agua (hidrofóbicas) , generalmente moléculas no polares (p.e. moléculas orgánicas de cadena larga)

La existencia de fuerzas intermoleculares fue postulada por Johannes Diderik van der Waals en 1873, (motivo por el cuál dichas fuerzas reciben dicho nombre). Posteriormente, en 1894 Hermann Emil Fischer sugirió la existencia de interacciones entre los encimas y los sustratos de las reacciones que toman la forma de «llave cerradura», estableciendo los principios fundamentales del reconocimiento molecular y de la química anfitrión/huésped. Poco a poco se han ido estudiando y comprendiendo los enlaces no covalentes, principalmente con el enlace de hidrógeno descrito por Latimer y Rodebush en los años 20.

Sin embargo, no fue hasta hace apenas 30 años cuando Jean Marie Lehn puso nombre a un nuevo campo de la química dedicado a estudiar las interacciones que se producen entre las diferentes moléculas, y por lo que recibió el premio Nobel de Química en 1987. Dicho campo de la química se llama Supramolecular.

Pues bien, la química supramolecular es la química que estudia más allá de la molécula propiamente dicha, y tiene en cuenta las interacciones entre diferentes moléculas, como él mismo definió en una entrevista para la revista Jot Down [1]:

El mundo está hecho de moléculas, los seres humanos estamos formados por moléculas, son el componente básico. La forma en que se agrupan es lo que les confiere una entidad llamada supramolecular. Las agrupaciones de moléculas son entidades supramoleculares. Si pensamos en una molécula como en una casa, los átomos que la componen serían los ladrillos de esa casa. La idea es que existe una química que describe las interacciones de esta casa que, siguiendo esta metáfora, correspondería con la vida del barrio. Esta es la química «supra»  porque va más allá de la molécula individual.

Este campo de la química tiene diferentes aplicaciones, entre otras, nos permiten explicar diferentes fenómenos biológicos como la estructura de las proteínas o la estructura del ADN (de la que todos hemos oído hablar).

Aplicaciones biológicas. 

Estos principios permiten aumentar la comprensión de diversos procesos biológicos, así como la estructura de las proteínas o la estructura del DNA, ya que ambas estructuras están formadas por la existencia de enlaces no covalentes  y en ambos casos son las que les dan la funcionalidad.

En el caso de las proteínas, están compuestas por diferentes aminoácidos que se enlazan formando una cadena que se  llama la estructura primaria, y una vez que se forma la cadena, ésta se dobla en diferentes estructuras posibles (alfa-hélice, beta-hoja plegada o al azar) según los aminoácidos que la compongan. Estas estructuras primarias forman la estructura secundaria gracias a los enlaces de hidrógeno que se pueden formar, y posteriormente con los grupos funcionales que tienen los diferentes aminoácidos que generan interacciones entre la misma cadena de la proteína, formando la estructura terciaria, y por último, las interacciones que se producen entre las diferentes cadenas de proteínas formando la estructura cuaternaria y la final que dará la funcionalidad a las diferentes proteínas, como en el caso de la hemoglobina, formada por cuatro cadenas polipeptídicas.

En el caso del DNA, está formado por dos cadenas polinucleótidas, formadas por nucleótidos (los cuales están formados por una base nitrogenada, la desoxirribosa, y el grupo fosfato). Estas dos cadenas forman una estructura de doble hélice, para ello, las bases nitrogenadas de cada una de las cadenas interaccionan entre sí mediante enlaces de hidrógeno.

Los enlaces de hidrógeno del ADN que permiten que sea una doble hélice se producen entre las bases nitrogenadas (representadas en la siguiente figura). Así la guanina se une a la citosina mediante tres enlaces de hidrógeno, y la timina se une a la adenina mediante dos enlaces de hidrógeno que se producen entre los grupos N-H↔N o entre O↔N-H, como podemos observar en la figura.

Como ya he mencionado este campo de la química tiene diversas aplicaciones, las cuales iremos explicando poco a poco en futuras entradas. Entre otros artículos explicaremos cómo funcionan las enzimas o cómo se usa este campo en la medicina, en la mejora de materiales, o para hacer una química más sostenible.

[1] http://www.jotdown.es/2014/08/jean-marie-lehn-homeopatia-basura-sin-molecula-no-hay-efecto-posible/

Colaborador