Cálculo del PKa a partir de la reacción isodésmica. Aplicación al estudio de la glicación proteica

Abstract

[spa] Se conocen con el nombre de reacciones de glicación, las reacciones que transcurren sin control enzimático entre los grupos amina de las biomoléculas y los grupos carbonilo de azúcares reductores, como por ejemplo la glucosa. Los procesos de glicación se han relacionado con diabetes, envejecimiento, Alzheimer y Parkinson. Estas reacciones modifican preferentemente los residuos lisina y arginina de las proteínas. Sin embargo, no todos estos residuos se glican homogéneamente y uno de los objetivos de esta tesis es investigar si el pKa de estos residuos está relacionado con la tendencia a sufrir reacciones de glicación. Se ha calculado el pKa de moléculas orgánicas con grupos funcionales ácido base comunes empleando una reacción isodésmica y se ha determinado que dicha metodología ofrece ventajas significativas con respecto a los ciclos termodinámicos. Esta misma metodología se ha empleado para el cálculo de pKas de aminoácidos y péptidos. En este caso la reacción isodésmica proporciona resultados precisos para los pKas de los grupos -carboxílico, -amino y cadenas laterales de aminoácidos y péptidos, con desviaciones absolutas medias (MADs) de 1 unidad o inferior. Esta metodología es una alternativa viable a los ciclos termodinámicos ya que no considera estas especies en fase gas. Se ha empleado una metodología alternativa al cálculo de pKas, DFT conceptual, para evaluar la acidez y reactividad frente a la glicación de diferentes residuos lisina en péptidos del tipo K(A)nK. Se han empleado los funcionales de la familia Minnesota M11, M11L, MN12L, MN12SX, N12 y N12SX para el cálculo de diferentes descriptores de reactividad. En particular se ha observado que el descriptor dual condensado y las funciones de Parr permiten predecir cualitativamente los sitios reactivos preferentes de glicación y protonación y proporcionan una explicación sólida de la reactividad de estas moléculas. Los productos de glicación pueden degradarse a los denominados AGEs (Advanced Glycation End-Products) por efecto de especies radicales reactivas de oxígeno (ROS), entre otros agentes. Una de las vías de inhibición de formación de AGEs se basa en la administración de moléculas con capacidad antioxidante que eliminan ROS del organismo. En esta tesis se estudia la capacidad antioxidante de la tiamina. Dado que esta molécula también presenta reactividad ácido-base, se ha calculado la capacidad antioxidante de cada uno de los estados de protonación posibles. Por otra parte, se ha empleado la metodología indicada anteriormente para determinar la abundancia relativa de cada uno de dichos estados de protonación. A partir de la reactividad de cada estado de protonación y de su fracción molar, se ha podido estimar la capacidad antioxidante global en función del pH del medio. Los resultados indican que la tiamina elimina eficazmente el radical •OCH3 independientemente del pH del medio según los mecanismos HAT (Hydrogen Atom Transfer) y RAF (Radical Adduct Formation). Sin embargo, la capacidad de eliminación de radicales peroxilo no es tan buena. Destaca que la actividad macroscópica de la tiamina se debe a especies no mayoritarias que presentan excepcionales constantes de reacción microscópicas.

[cat] ontrol enzimàtic entre els grups amina de les biomolècules i els grups carbonil de sucres reductors, com per exemple la glucosa. Els processos de glicació s’han relacionat amb la diabetis, envelliment, Alzheimer i Parkinson. Les reaccions de glicació no enzimàtica modifiquen preferentment els residus lisina i arginina de les proteïnes. Però, no tots aquests residus es gliquen homogèniament i un dels objectius d’aquesta tesis és investigar si el pKa d’aquests residus està relacionat amb la tendència a sofrir reaccions de glicació. S’ha calculat el pKa de molècules orgàniques amb grups funcionals àcid-base comuns fent ús de la reacció isodèsmica i s’ha determinat que l’esmentada metodologia mostra avantatges significatives respecte als cicles termodinàmics. Aquesta mateixa metodologia s’ha usat pel càlcul de pKas d’aminoàcids i pèptids. En aquest cas, la reacció isodésmica proporciona resultats precisos per els pKas dels grups -carboxílic, -amino i cadenes laterals d’aminoàcids i pèptids, amb desviacions absolutes mitjanes (MADs) d’una unitat o inferior. Aquesta metodologia representa una alternativa viable als cicles termodinàmics ja que no es consideren aquestes espècies en fase gas. També s’ha fet ús d’una metodologia alternativa al càlcul de pKas, DFT conceptual, per avaluar l’acidesa i la reactivitat en front de la glicació de diferents residus lisina en pèptids del tipus K(A)nK. A partir dels funcionals de la família Minnesota M11, M11L, MN12L, MN12SX, N12 i N12SX s’han calculat diferents descriptors de reactivitat. En particular s’ha observat que el descriptor dual condensat i les funcions de Parr prediuen qualitativament els llocs reactius preferencials de glicació i protonació, i proporcionen una explicació sòlida de la reactivitat d’aquestes molècules. Els productes de glicació es poden degradar als denominats AGEs (Advanced Glycation End-Products) degut a espècies radicalàries reactives d’oxigen (ROS), entre d’altres agents. Una de les vies d’inhibició de la formació d’AGEs es basa en l’administració de molècules amb capacitat antioxidant que eliminen ROS de l’organisme. A aquesta tesis s’ha estudiat la capacitat antioxidant de la tiamina. Donat que aquesta molècula també presenta reactivitat àcid-base, s’ha calculat la capacitat antioxidant de cada un dels estats de protonació possibles. Per altra banda, s’ha fet ús de la metodologia indicada anteriorment per a determinar l’abundància relativa de cada un d’aquests estats de protonació. A partir de la reactivitat de cada estat de protonació i de la seva fracció molar, s’ha pogut estimar la capacitat antioxidant global en funció del pH del medi. Els resultats indiquen que la tiamina elimina eficaçment el radical •OCH3, independentment del pH del medi, amb els mecanismes HAT (Hydrogen Atom Transfer) i RAF (Radical Adduct Formation). Així i tot, la capacitat d’eliminació de radicals peroxil no és tan bona. Finalment, es destaca que l’activitat macroscòpica de la tiamina es deguda a espècies no majoritàries que presenten excepcionals constants de reacció microscòpiques.

[eng] Non-enzymatic reactions between amino groups of biomolecules and carbonyl groups of reducing sugars, like glucose, are known as glycation reactions. Glycation processes have been linked with diabetes, ageing, Alzheimer´s and Parkinson´s diseases. These reactions preferentially modify lysine and arginine protein residues. However, the residues are not homogenously glycated and one objective of this thesis is whether the pKa of these residues is related with the inclination to undergo glycation reactions. The pKa of organic molecules with acid-base functional groups has been calculated by employing an isodesmic reaction. It has been determined that this methodology offers significant advantages with respect to thermodynamic cycles. The same methodology has been used for the pKa calculation of amino acids and peptides. In this case, the isodesmic reaction yields precise results for the pKa of the -carboxylic, - amino and sidechain groups of amino acids and peptides, with mean absolute deviations (MADs) of 1 unit or less. This methodology is a viable alternative to thermodynamic cycles because it does not consider these species in gas phase. An alternative methodology to the pKa calculations, conceptual DFT, has been used for the evaluation the acidity and reactivity against glycation of different lysine residues in K(A)nK peptides. The functionals M11, M11L, MN12L, MN12SX, N12 and N12SX of the Minnesota family have been used for the calculation of different reactivity descriptors. In particular, it has been observed that the condensed dual descriptor and the Parr functions allow the qualitative prediction of the preferential reactive sites for glycation and protonation and give a solid explanation of the reactivity of these molecules. Glycation products can degrade to AGEs (Advanced Glycation End-Products) by the effect of reactive oxygen species (ROS), among other agents. One of the inhibition routes to the AGEs formation is based on the administration of molecules with antioxidant capacity that scavenge ROS from the organism. In this thesis tiamine’s antioxidant capacity is studied. Since this molecule also exhibits acid base reactivity, the antioxidant capacity of each possible protonation state has been studied. On the other hand, the methodology mentioned above has been used to determine the relative abundance of each such protonation states- From the reactivity and molar fraction of each protonation state, the global antioxidant capacity has been calculated as a function of the environment pH. The results indicate that tiamine scavenges the radical •OCH3 efficiently and independently of the environment´s pH via the HAT (Hydrogen Atom Transfer) and RAF (Radical Adduct Formation) mechanisms. However, the capacity for scavenging peroxyl radicals is not as good. It is worth mentioning that tiamine’s macroscopic activity is due to non-majoritarian species that show exceptional microscopic reaction constants.