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2.1. ¿Para qué hacer máquinas a escala molecular? producir un movimiento controlado tiene más que ver con
el control que con la producción (3).
Las máquinas moleculares desempeñan un papel
crucial en prácticamente todos los procesos biológicos En definitiva, algunas de los aspectos que afectan el
relevantes. Por ejemplo, la ATP sintasa es la enzima diseño de la maquinaria molecular serían los siguientes:
universal que fabrica ATP a partir de ADP y fosfato
mediante el uso de la energía derivada de un gradiente de - El cambio en las fuerzas predominantes que
protones a través de la membrana. También puede gobiernan el nanomundo imposibilita una
revertirse e hidrolizar ATP para bombear protones contra extrapolación del diseño y las funciones de las
un gradiente electroquímico. La ATP sintasa lleva a cabo máquinas macroscópicas.
tanto su ciclo sintético como hidrolítico por un mecanismo
rotatorio y representa el motor rotatorio más pequeño del - Se requiere una fuente de energía (Segunda Ley).
mundo. - La energía no se consume para generar
movimiento, sino para rectificar el movimiento
2.2. Efectos de la escala en el movimiento browniano.
- Para simplificar el problema de la rectificación, se
El número de Reynolds (R) es un número adimensional hace necesario restringir los grados de libertad de la
utilizado, entre otras cosas, para caracterizar el máquina molecular.
movimiento en un fluido, y se puede definir como la - Los mecanismos de trabajo de las máquinas
relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas moleculares de la naturaleza se basan en la modulación
presentes en éste. R relaciona la densidad (?), viscosidad de la fortaleza de fuerzas débiles no covalentes.
(µ), velocidad (?) y dimensión (a) de un objeto en un flujo. - Las máquinas moleculares biológicas trabajan
siempre alejándose del equilibrio.
R = av ?
? 3. CONSTRUCCIÓN DE MÁQUINAS A ESCALA
MOLECULAR
-3
Dos importantes avances de la tecnología han
A nivel macroscópico (un nadador, un pez) (= 10 m), demostrado ser particularmente útiles para abordar el
complejo desafío de la construcción de máquinas a escala
R > 100 domina el término inercial (mv) y las fuerzas de molecular. El primero de ellos consiste en el
“entrelazamiento topológico” o las llamadas “uniones
viscosidad tienen una importancia variable. Sin embargo a mecánicas”, mientras que la segunda estrategía se basa en
los “enlaces insaturados isomerizables” o “molecular
-5 -7 -4 switches”. Ambos avances han dado lugar a una amplia
nivel bacteriano (10 -10 m), R ˜ 10 las fuerzas de gama de estructuras complejas con funciones similares a
las de una máquina.
viscosidad empiezan a dominar y el término inercial no es
3.1. Restricción de movimiento a través del
importante. Pues bien, a nivel molecular (nanomundo) (< entrelazamiento topológico. Uniones mecánicas
-7 -7 Una parte sustancial de los progresos realizados en la
maquinaria molecular tiene sus raíces en la aparición de
10 m), R << 10 el término inercial es sistemas moleculares entrelazados por uniones mecánicas.
En tales sistemas, las partes individuales no están
completamente negligible e impera el Movimiento directamente conectadas ni unidas por enlaces covalentes,
pero están inseparablemente entrelazadas a través de, por
Browniano (Ruido térmico) (2). A este nivel se requieren ejemplo, bucles y tapones (Figura 2).
nuevos mecanismos para describir el movimiento. Figura 2. a) [2]catenano; b) [2]rotaxano.
Una partícula suficientemente pequeña como un grano Las partes individuales pueden en principio moverse
libremente una respecto a la otra, a pesar de que están
de polen, inmersa en un líquido, presenta un movimiento confinadas en el espacio debido a sus interconexiones
mecánicas mutuas, lo que resulta en estructuras
aleatorio, observado primeramente por el botánico Brown moleculares discretas.
en el siglo XIX. El movimiento browniano pone de Ambos, catenanos, basados en dos anillos entrelazados,
y rotaxanos, basados en un anillo roscado sobre un eje con
manifiesto las fluctuaciones estadísticas que ocurren en un tapones en cada extremo, se propusieron y sintetizaron en
sistema en equilibrio térmico. Tienen interés práctico, 455
porque las fluctuaciones explican el denominado "ruido"
que impone limitaciones a la exactitud de las medidas
físicas delicadas. El movimiento browniano puede
explicarse a escala molecular por una serie de colisiones
en una dimensión en la cual, pequeñas partículas
(denominadas térmicas) experimentan choques con una
partícula mayor.
Una típico motor dea)proteina consume 1b0) 0-1000
moléculas de ATP por segundo (10-16-10-17 W), pero sufre
los embates de moléculas de agua a temperatura ambiente
equivalentes a 10-8 W. Esto es como moverse dentro de un
huracán!! Entonces, ¿cómo funcionan estas maquinas?
Las máquinas moleculares no utilizan la energía para
generar movimiento, pero si lo hacen para rectificar el
movimiento browniano, ya presente…...
Debido a la enorme importancia del movimiento
browniano, en cualquier sistema molecular donde T> 0 K,
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