Resulta que toda acción puede no tener una reacción igual y opuesta, a pesar de lo que dice la tercera ley del movimiento de Newton, según una nueva investigación realizada por un equipo de las universidades de Pensilvania y Maine. El hallazgo podría ayudar a comprender cómo evolucionaron ciertas interacciones moleculares en un mundo anterior a la vida.
El trabajo se publica en la revista Chem, y los investigadores afirman que se trata de la primera demostración del mecanismo por el que se producen estas interacciones a nivel molecular. El descubrimiento el año pasado por investigadores de la Universidad de Kioto de que el movimiento de los espermatozoides no provoca una reacción opuesta en su entorno a medida que se desplazan constituyó un ejemplo de aparente violación de la tercera ley del movimiento de Newton, pero no abordó el mecanismo.
Todos hemos oído alguna vez la frase ‘toda acción tiene una reacción igual y opuesta’ para describir la tercera ley del movimiento de Newton, pero todos los días vemos ejemplos que parecen infringirla, especialmente en el comportamiento de sistemas vivos complejos grandes y pequeños en los que hay un aporte constante de energía, explica Ayusman Sen, catedrático de Química Verne M. Willaman de la Facultad de Ciencias Eberly de la Universidad Estatal de Pensilvania y uno de los directores del equipo de investigación. Un ejemplo a mayor escala es que un depredador es atraído por su presa, pero la presa es repelida por el depredador. Este tipo de interacción se denomina no recíproca, y nos interesaba ver si también se daba en las interacciones mucho más simples entre moléculas con aporte de energía constante.
Los investigadores estudiaron dos enzimas -moléculas que catalizan reacciones bioquímicas- llamadas quinasas y fosfatasas. Las quinasas añaden una modificación química a otras moléculas. Las fosfatasas eliminan las modificaciones de las moléculas. Así, las quinasas crean productos sobre los que actúan las fosfatasas y viceversa.

Los investigadores demostraron que si la fosfatasa se inmoviliza artificialmente, la quinasa se sentirá atraída por ella. Sin embargo, en la situación inversa, cuando la quinasa está inmovilizada, la fosfatasa es repelida por ella. Una acción no tiene una reacción igual y opuesta.
Inmovilizar una de las enzimas nos permite ver cómo se mueve la otra en relación con la primera, explica Niladri Sekhar Mandal, estudiante de posgrado de ingeniería química en la Universidad Estatal de Pensilvania y uno de los autores del trabajo. La no reciprocidad que observamos no se debe a ninguna fuerza externa, sino que resulta de una combinación de difusión y asimetrías cinéticas, que son propiedades de las enzimas.
La asimetría cinética describe las alturas relativas de las barreras energéticas que controlan la dirección de una reacción en relación con un gradiente de concentración, en este caso, de las enzimas a medida que se mueven en un sistema molecular.
Las interacciones no recíprocas que permite la asimetría cinética también desempeñan un papel crucial al permitir que las moléculas interactúen entre sí, afirmó Sen. Esto puede haber desempeñado un papel crítico en los procesos por los que la materia simple se vuelve compleja, interactuando de formas que finalmente condujeron a la vida. Como la asimetría cinética es una propiedad de la propia enzima, puede sufrir evolución y adaptación.
Según los investigadores, las interacciones asimétricas entre estas enzimas no sólo ayudan a dilucidar el movimiento de las moléculas dentro de las células, sino que también podrían servir de base para el diseño de motores y bombas moleculares sintéticos.
Estamos en las primeras fases de este trabajo, pero considero que entender la asimetría cinética es una posible oportunidad para comprender cómo evolucionó la vida a partir de moléculas simples, afirma R. Dean Astumian, físico teórico de la Universidad de Maine y uno de los líderes del equipo de investigación. No sólo puede aportar conocimientos sobre la complejificación de la materia, sino que la asimetría cinética también puede utilizarse en el diseño de máquinas moleculares y tecnologías asociadas.
Fuentes
Pennsylvania State University | Niladri Sekhar Mandal, Ayusman Sen, et al., A molecular origin of non-reciprocal interactions between interacting active catalysts. Chem doi.org/10.1016/j.chempr.2023.11.017
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