Estudio teórico de la interacción del aluminio con moléculas de interés biológico

Abstract

En el pasado siglo, la intervención humana ha hecho que el aluminio sea altamente biodisponible. Sin embargo, hay una evidencia creciente de que el aluminio podría estar detrás de una variedad de efectos tóxicos en los sistemas biológicos, con riesgos significativos para la salud humana. En este contexto, el objetivo de la terapia de quelación es la eliminación de los iones metálicos tóxicos del cuerpo humano o la atenuación de su toxicidad, transformándolos en compuestos menos tóxicos.

En este sentido, hay un gran interés en la identificación de agentes quelantes de aluminio específico, con una necesidad de racionalizar el efecto de diferentes sustituyentes hacia la afinidad de unión con Al(III). Una de la clase más prometedora de agentes quelantes de aluminio está representada por HPCs (Ácidos hidroxipiridincarboxílicos), que fueron sintetizados por el grupo de la Universidad de Padova [6]. Estos compuestos presentan una serie de propiedades favorables, tales como: complejos fuertes y estables con Al(III) como con Fe(III), que tienen muy baja afinidad para otros cationes biológicamente importantes como Zn(II), y a la vez, tienen bajo peso molecular, que es un prerrequisito para la actividad oral y, sobre todo, que se ha demostrado que tienen efectos tóxicos insignificantes en los procedimientos experimentales.

Un gran número de HPC se han sintetizado hasta ahora, y sus propiedades han sido bien revisadas [1, 6]. Sin embargo, a pesar de estas características interesantes, algunos aspectos aún no han sido comprendidos ni racionalizados por completo, como, por ejemplo, los diferentes sustituyentes colocados en diferentes posiciones a lo largo del anillo piridínico, que modifican la afinidad de unión hacia Al(III) y saber cuál es el efecto de los grupos de metilo en la estabilidad de los compuestos.

En este contexto, los enfoques teóricos se aplican a nivel de la Mecánica Cuántica, con el fin de caracterizar y comprender completamente el comportamiento de esta clase de quelantes; La experiencia del grupo en este campo está bien documentada por varias obras [34].

El objetivo del presente trabajo es aplicar técnicas computacionales modernas a los HPC seleccionados (DQ0, DQ2, DT0, DT2, DQ58 y DQ71508) que caracterizarían la naturaleza de la interacción entre el Al (III) y el ligando, así como racionalizar el efecto de los sustituyentes con la afinidad de unión.

La optimización de la geometría para complejos con estequiometria 1:1, 1:2 y 1:3 se llevó a cabo mediante el nivel de teoría de B3LYP-D3 / 6-31++G(d, p), seguido por el análisis de frecuencias y los cálculos de energía Single-Point. Las afinidades de unión se calcularon usando dos funcionales de DFT diferentes, para validar el protocolo teórico.

En cuanto a los HPC seleccionados, se ve que, para todas las estequiometrias, los complejos más estables son DQ71508 y DQ58, que son los que implican una mayor carga negativa (-2). Entre los complejos que tienen una carga total de -1, se ha visto que, en general, los ácidos 3-hidroxi-4-piridincarboxilicos (DTs), son más estables que los ácidos 4-hidroxi-3-piridincarboxilicos (DQs). Por otro lado, el efecto de la sustitución metílica ha dado resultados diferentes para los complejos DQs y DTs.

Con el fin de caracterizar mejor la naturaleza de la interacción Al-ligando, se aplicó la teoría QTAIM de Bader a las geometrías previamente optimizadas. Se ha encontrado que la interacción es principalmente iónica. El último hallazgo fue confirmado por el análisis de los índices de deslocalización (D.I.), que mostró claramente que no hay una correlación entre ΔGphys y D.I.

En general, estos resultados proporcionan una cuidadosa racionalización de algunos prometedores agentes quelantes de aluminio; se proporcionan ideas interesantes sobre la naturaleza de la interacción Al-ligando y el efecto de los sustituyentes, y los conocimientos adquiridos serían una ayuda importante en el diseño y desarrollo de nuevos potentes quelantes de aluminio.