Aplicación de la técnica de dinámica molecular al estudio de diferentes sistemas químicos supramoleculares

Resumen

Esta Memoria se centra en el estudio de distintos sistemas supramoleculares, mediante la técnica de simulación de Dinámica Molecular. Tras éste primer capítulo introductorio, en el capítulo II, presentaremos los fundamentos de la Dinámica Molecular, sus limitaciones en aplicaciones a sistemas supramoleculares y las aproximaciones inherentes a la técnica. Así, el estudio fisicoquímico de numerosos sistemas se basa en el empleo de diferentes técnicas experimentales, con la limitación de que muchas de las técnicas disponibles no proporcionan una información directa de la propiedad en estudio o que la propia técnica perturba las condiciones del sistema durante la medida. En este sentido, considerando la gran potencia de cálculo de los procesadores actuales y el desarrollo de algoritmos cada vez más eficientes,la Dinámica Molecular se ha convertido en una herramienta útil para el estudio de sistemas complejos, imponiéndose como un método adecuado en el estudio de determinados sistemas a escala microscópica que proporciona predicciones fiables [1]. Las simulaciones de Dinámica Molecular son una técnica computacional utilizada en el estudio de propiedades dinámicas y de equilibrio de sistemas clásicos, dado que la dinámica de sus partículas viene descrita en base a las leyes de la mecánica clásica. Por tanto, la citada técnica es una herramienta eficaz para la comprensión y el análisis de los factores microscópicos que regulan el comportamiento macroscópico de determinado sistema [2]. En dicho capítulo, también haremos un resumen del algoritmo de Dinámica Molecular y una breve descripción de las propiedades estudiadas a lo largo de esta Memoria. En el capítulo III nos detendremos en el estudio del mecanismo molecular de actuación de moléculas anestésicas sobre bicapas lipídicas. Para ello, en una primera sección nos centraremos en describir la anestesia, sus efectos fisiológicos y los mecanismos de acción propuestos por distintos autores. Desde hace más de un siglo, es conocida la existencia de moléculas con actividad anestésica, las cuales han sido ampliamente utilizadas en cirugía debido a las reacciones fisiológicas que producen, tales como pérdida de conciencia, relajación muscular, amnesia y alivio de dolor. Sin embargo, y hasta la actualidad, sigue siendo de debate el mecanismo molecular a través del cual actúan dichas moléculas [3-8]. En este sentido, dos mecanismos diferentes de actuación han sido propuestos: 1. Las moléculas anestésicas perturban la estructura de la membrana celular y por consiguiente, algunas de sus propiedades se ven afectadas [9-12], lo que lleva a los efectos fisiológicos de la anestesia. En concreto, varios autores [13,14] han propuesto un mecanismo físico mediante el cual la perturbación del perfil de presión lateral a través de la membrana celular bloquea el transporte fónico a través del canal de sodio, como consecuencia de la variación que sufre la estructura del poro que forma el canal iónico. Este mecanismo se fundamenta en la relación existente entre la solubilidad de las moléculas anestésicas en disolventes hidrocarbonados y su actividad farmacológica (ley de Meyer-Overton) [15-18]. 2. Las moléculas anestésicas interactúan directamente con las proteínas que forman los canales iónicos responsables de los impulsos nerviosos, cerrando el paso a los iones a través de la membrana celular y, consecuentemente, bloqueando los impulsos nerviosos [19]. En este capítulo comenzaremos con una descripción de la estructura de una membrana celular basándonos en el modelo de mosaico fluido [20]. Así, las membranas celulares son un conjunto complejo de distintas especies, tales como proteínas, lípidos y esteroles [21]. Centrándonos en los lípidos que forman la estructura de una bicapa lipídica, éstos pueden ser de diferente naturaleza y carga, además de poder estar distribuidos simétrica o asimétricamente entre los dos lados de la bicapa lipídica. Por ejemplo, en los eritrocitos (glóbulos rojos), el lado interno de su membrana celular (citoplasmático) está mayoritariamente constituido por fosfatidilserina (PS), además de fosfatidilcolina (PC) y esfingomielina en menor cantidad, frente a su lado externo que está constituido por PC y esfingomielina [22¬25]. Las bicapas lipídicas que proporcionan soporte a la membrana celular están formadas por fosfolípidos que presentan un claro carácter anfifílico (con naturaleza hidrofóbica e hidrofílica en la misma molécula), estando su parte hidrofílica en contacto directo con el medio acuoso y su parte hidrofóbica en el interior de la bicapa [21, 26]. En una sección posterior de este capítulo describiremos las condiciones de simulación y los modelos moleculares propuestos. Así, las bicapas lipídicas fueron modeladas mediante el uso de dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) como lípido neutro y dipalmitoilfosfatidilserina (DPPS-) como lípido con carga negativa en condiciones fisiológicas, y la benzocaína como molécula anestésica. La benzocaína es una anestesia local muy utilizada en numerosas aplicaciones tópicas, de baja solubilidad en disolución acuosa [27, 28] y bajo pKa y por tanto, tan sólo se encuentra en su forma neutra en condiciones fisiológicas [29]. En este sentido, centraremos este estudio en conocer las propiedades dinámicas y estáticas de la benzocaína, cuando ésta se encuentra dentro de una bicapa lipídica, y determinar la perturbación en la estructura de la bicapa asociada a su presencia, tanto para un modelo de bicapa simétrica como para uno de bicapa asimétrica, dado que la composición lipídica de la membrana ha sido relacionada con la actividad farmacológica de la benzocaína. En el capítulo IV nos centraremos en el estudio de la interfase polímero disolución de polímeros electroactivos (conductores), en función del estado de oxidación del polímero. Así, tras una breve introducción de los polímeros conductores, en especial del polipirrol (PPy), pasamos a describir los modelos moleculares utilizados, la configuración del sistema en su conjunto y sus parámetros de simulación. Los sistemas se modelaron de forma que representaran dos estados diferentes de oxidación del polímero (un estado reducido, con carga neutra y uno oxidado, con carga positiva) y se determinaron las propiedades estáticas y dinámicas de los componentes que constituyen el sistema: los iones (perclorato y litio), el disolvente (acetonitrilo) y el polímero (polipirrol). En la última sección de este capítulo presentaremos los resultados correspondientes a una disolución de 0.1 N de perclorato de litio en acetonitrilo, donde nos centramos en el estudio de distintas de propiedades dinámicas y en equilibrio de los diferentes componentes del sistema, y de esta forma, podemos correlacionar el estado de oxidación del polímero con las propiedades de la interfase. Entre otras propiedades, estudiaremos la interfase polímero/disolución mediante la determinación de la densidad atómica y la distribución de carga de las especies del sistema, así como a través del cálculo de la variación de las propiedades dinámicas de los iones y el disolvente, tales como coeficiente de difusión translacional y número de solvatación. Además, determinaremos la espontaneidad del proceso de inserción de las moléculas de disolvente en el interior del polímero (en función del estado de oxidación de éste) a partir de cálculos termodinámicos. En el capítulo V, haremos un análisis de diferentes modelos moleculares del receptor del sabor umami. En una primera sección, haremos una pequeña introducción a la historia del sabor umami y una breve descripción de los receptores del sabor. Así, a principios del siglo XX, fue identificado un quinto sabor que no podía identificarse con ninguno de los sabores conocidos hasta entonces (salado, dulce, agrio y amargo), denominado UMAMI o sabor proteico, el cual es fácilmente identificable en la cocina oriental. El sabor umami ha sido relacionado de forma natural con el glutamato monosódico [30], el cual puede ser producido a partir de la fermentación de azúcares mediante microorganismos. El receptor del sabor umami es una proteína acoplada perteneciente a la clase CG (GPCR [30]), que responde a compuestos como el L-glutamato en seres humanos. Este receptor es un heterodímero formado por las subunidades T1 R1 y T1 R3 de la familia de los receptores Ti R. En una sección posterior presentaremos los resultados obtenidos acerca de la conformación del modelo del receptor umami, siendo el objetivo principal de este capítulo el tratar de determinar el centro activo del receptor del glutamato monosódico responsable del sabor umami. Este estudio es posible gracias a la reciente identificación de las proteínas que forman el receptor, la T1 R1 y la T1 R3 [33]. Una vez conocidas la estructura cristalográfica de las proteínas que forman el receptor, procederemos a determinar la variación de energía libre asociada al acoplamiento del glutamato al receptor, caracterizando así el centro activo del receptor del sabor umami. En los capítulos VI, VII y VIII, presentaremos las conclusiones más relevantes de la presente Memoria, así como alguna información adicional en forma de apéndice y la bibliografía citada.