Os químicos, durante muito tempo, tentaram entender a natureza em nível puramente molecular: consideravam apenas estruturas e ligações covalentes fortes.
Entretanto, alguns dos fenômenos biológicos mais importantes não envolvem formação ou quebra de ligações covalentes, ao contrário - as estruturas biológicas são usualmente constituídas a partir de agregados frouxos, mantidos unidos por interações fracas, não-covalentes.
Dada sua natureza dinâmica, tais interações são responsáveis pela maioria dos processos que ocorrem nos seres vivos. Os químicos tardaram em reconhecer a enorme variedade - em termos de estrutura, propriedades e funções - que nos oferece este método mais relaxado de produzir moléculas. A lenta mudança em direção a isso começou em 1894, quando Emil Fischer propôs que a interação de uma enzima com seu substrato se dá da mesma maneira que uma chave com a sua fechadura (lock and key). Este elegante mecanismo contém os dois princípios fundamentais daquilo que viria a se tornar uma nova área: Química Supramolecular. Os dois princípios são o reconhecimento molecular e a função supramolecular.
O reconhecimento molecular está implícito no modelo chave- fechadura com a condição que a geometria e as interações não- covalentes sejam compatíveis entre os parceiros interagentes, aí, então, têm-se o reconhecimento. Tais interações altamente especificas levam, também, à funções supramoleculares úteis. Por exemplo: é importante que uma enzima atue somente no substrato adequado. Uma chave sem sua própria fechadura, ou uma fechadura sem sua respectiva chave são inúteis. A motivação por trás da Química Supramolecular era desenhar sistemas químicos que mimetizassem processos biológicos. O desenvolvimento da Química Supramolecular foi auxiliado pela observação de compostos estáveis que não envolvem apenas ligações covalentes. Exemplos mais antigos desses "produtos de adição" incluem complexos doador- receptor e clatratos.
Em 1948, H. M. Powell descreveu uma série de compostos que chamou de clatratos - do latim clathratus, que significa "preso atrás das barras de uma grade". Esses compostos de inclusão são formados quando moléculas pequenas, tais como metanol, H2S, SO2 são totalmente aprisionadas em cavidades formadas por hospedeiros, a exemplo daquela constituída por uma rede de moléculas de b-quinol. Tem-se, aqui, produtos de adição com pequena ou nenhuma conexão - e sobretudo sem nenhuma ligação covalente - entre "hospedeiro" e o "convidado".
O trabalho de Powell foi o início daquilo que seria uma parte considerável da Química Supramolecular: o desenho de gaiolas hospedeiras que permitem a inclusão seletiva, bem como a expulsão das moléculas-convidadas.
Os químicos, não conseguindo entender esses compostos de inclusão, em termos da ligação covalente usual, os relegaram à periferia da Química. Contudo, descoberta sua utilização, tiveram que considerar seriamente tais compostos: a cidadela da molécula clássica, isolada, finalmente se tornou vulnerável.
A expressão Química Supramolecular foi cunhada (1969) por Jean-Marie Lehn, em seu estudo de compostos de inclusão e criptandos. A concessão do Prêmio Nobel de Química de 1987, a Charles Pedersen, Donald Cram e Lehn significou ingresso formal do assunto no cenário químico. Lehn definiu a Química Supramolecular como "química da ligação intermolecular". Do mesmo modo que moléculas são construídas conectando-se átomos através de ligações covalentes, compostos supramoleculares são construídos ligando-se moléculas através de interações intermoleculares.
As estruturas supramoleculares são o resultado não somente de interações aditivas, mas também de interações cooperativas, e suas propriedades são, em geral, conseqüência do caráter supramolecular. Mesmo nos clatratos, o todo é mais do que a soma das partes. Essas propriedades são importantes tanto na Ciência dos Materiais (magnetismo, condutividade, sensores, óptica não-linear) como na Biologia (ligação receptor-proteína, desenho de drogas, dobramento de proteínas).
Um grande número de interações intermoleculares é possível em qualquer estrutura supramolecular, contudo, só umas poucas são de fato observadas. A natureza fraca dessas interações torna difícil predizer as estruturas supramoleculares significando que tais estruturas em solução nem sempre são estáveis. Essa flexibilidade, todavia, significa também que elas são favorecidas por mecanismos importantes, notadamente, em reações biológicas e processos de cristalização, nos quais a habilidade de formar estados de transição de vida curta e, com facilidade, fazer correções por tentativa e erro é essencial.
Os cristais orgânicos são entidades supramoleculares, no sentido de que são construídos a partir de moléculas.
A cristalização de moléculas em solução também é um processo supramolecular. Tal como outras reações químicas, é governado por fatores termodinâmicos e cinéticos. Na Química Molecular, considerações puramente energéticas - a entalpia - são, em geral, decisivas. Os químicos têm apenas que se preocupar com a identificação das ligações mais fracas e mais fortes porque, geralmente, querem formar ligações mais fortes e romper as mais fracas. Porém, na Química Supramolecular o número de interações possíveis é tão grande que é preciso levar em conta tanto a entalpia quanto a entropia inerente a cada interação. É, pois, surpreendente, que embora várias estruturas cristalinas imaginadas possam ser energeticamente semelhantes, via de regra, sob dadas condições, apenas uma estrutura cristalina é obtida.
As moléculas parecem saber como cristalizar-se na estrutura correta, ainda que os químicos não possam predizê-la.
Quase sem apresentar resistência, a Química vem mudando no sentido de adequar sua linguagem à comunicação de pontos centrais da Biologia e da Ciência dos Materiais. Mudança que, certamente, irá levar a aplicações práticas inesperadas e impactantes, com a Química Supramolecular na vanguarda.
Stephen Lippard elaborou, recentemente, uma "lista de aspirações" para a Química, que representa essa mudança. Novas metas para a Química Supramolecular incluem a construção de estruturas porosas - clatratos ou compostos de coordenação -, que tenham sítios internos para catálise e o desenho de reações de estado sólido, "amigáveis", do ponto de vista ambiental, uma vez que dispensam o uso solvente.
Até o momento, histórias de sucesso incluem uma publicada na página 452, da Nature (vol. 412, 26 julho 2001). Os autores criaram nanotubos supramoleculares, de importante atividade biológica in vivo. Pela síntese de peptídios cíclicos, consistindo de aminoácidos D e L alternantes, um "sinton" que se constrói dentro do nanotubo é obtido. Os nanotubos resultantes têm ação antibacteriana seletiva, em camundongos, ao aumentarem a permeabilidade das membranas bacterianas. São altamente eficientes contra bactérias resistentes a drogas, enfatizando assim as vantagens de tratamentos não biológicos, comparativamente aos convencionais.
A síntese da uréia (Friedrich Wöhler, 1828), a primeira de um composto natural produzido em laboratório, simbolizou o fim da abordagem vitalística da química: a idéia de que organismos vivos diferem das substâncias inanimadas por possuírem uma "força vital". Entretanto, com a chegada de Emil Fischer e da Química Supramolecular, os químicos estão agora mais do que nunca preocupados com a transição da Química em Biologia. Como os processos vitais funcionam? Os níveis fantásticos de especificidade atingidos pelas máquinas biológicas podem ser reduzidos a interações fracas, ao reconhecimento químico e função e, inexoravelmente, chegar à própria Física. No entanto, uma abordagem reducionista é simplista além dos limites e não se sustenta. Uma visão cientificamente mais aceitável do vitalismo é a que vê a matéria viva e a matéria inanimada diferindo não em conteúdo, mas em complexidade organizacional. Nossa compreensão deste tema pode bem vir a se tornar o maior "breaktrough" na Ciência Supramolecular.
O autor do artigo, Gautam R. Desiraju, trabalha atualmente na School of Chemistry of Hyderabad, Índia.
Nota: Este texto é uma tradução livre de excertos do artigo publicado na Revista Nature, volume 412, p.397, de 28 de julho de 2001, gentilmente realizada pelo Prof. Paulo Sérgio Santos (Instituto de Química da USP), a convite do LQES.