TRABAJO DE FIN DE GRADO
ESTUDIO TEÓRICO DE INTERACCIONES TIPO
“SPODIUM BOND” EN METALO-β-LACTAMASA IMP- 1
Gaizka Montalban Huerta
Grado de Química Facultad de Ciencias
Año Académico 2020-21
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ESTUDIO TEÓRICO DE INTERACCIONES TIPO
“SPODIUM BOND” EN METALO- β-LACTAMASA IMP-1
Gaizka Montalban Huerta
Trabajo de Fin de Grado Facultad de Ciencias
Universidad de las Illes Balears
Año Académico 2020-21
Palabras clave del trabajo:
Spodium Bond, métalo-β-lactamasas, interacción no covalente, imidazol, triazol
Nombre Tutor/Tutora del Trabajo: Antonio Frontera
Nombre Tutor/Tutora (si procede)
Se autoriza la Universidad a incluir este trabajo en el Repositorio Institucional para su consulta en acceso abierto y difusión en línea, con fines exclusivamente académicos y de investigación
Autor Tutor Sí No Sí No
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RESUMEN
Las β-lactamas son los antibacterianos más utilizados, si bien su efectividad está siendo mermada debido a la resistencia que desarrollan las bacterias gracias principalmente a dos enzimas: serina- y métalo-β-lactamasas (MBLs). Las MBLs son capaces de hidrolizar casi todos los antibióticos β- lactámicos. En este trabajo se estudiará la formación de enlaces no covalentes del tipo “Spodium bond” en un complejo enzima inhibidor. El inhibidor es (2S)-1-[(2S)-2-Methyl-3- sulfanylpropanoyl]
pyrrolidine-2-carboxylic acid (conocido como L-captopril), que es capaz de inhibir todas las subclases de MBLs. Se utilizarán métodos teóricos (DFT) así como algunas herramientas computacionales como los mapas de potencial electrostático (MEP), QTAIM y las superficies NCIplot (non-covalent
interaction plot) para analizar el enlace Spodium bond y su importancia en el mecanismo de inhibición.
Les β-lactames són els antibacterians més utilitzats, si bé la seva efectivitat està sent minvada a causa de la resistència que desenvolupen els bacteris gràcies principalment a dos enzims: serina- i metal·lo- β-lactamases (MBLs). Les MBLs són capaces d’hidrolitzar gairebé tots els antibiòtics β-lactàmics. En aquest treball s’estudiarà la formació d’enllaços no covalents del tipus “Spodium Bond” en un
complex enzim-inhibidor. L’inhibidor es (2S)-1-[(2S)-2-Methyl-3- sulfanylpropanoyl] pyrrolidine-2- carboxylic acid conegut amb el nom de L-Captopril, que es capaç d’inhibir totes les subclases de MBLs. S’utilitzaran métodes teórics (DFT) així com eines computacionals com els mapes de potencial electrostàtic (MEP), QTAIM i les superficies NCIplot (non-covalent interaction plot) per analitzar l’enllaç Spodium Bond I la seva importància en el mecanisme d’inhibició.
The β-lactams are the most widely used antibacterials, although their effectiveness is being eroded due to the resistance that bacteria develop thanks mainly to two enzymes: serine- and metallo-β-lactamases (MBLs). MBLs are capable of hydrolysing almost all β-lactam antibiotics. In this work, the formation of non-covalent "Spodium bond" type bonds in an enzyme-inhibitor complex will be studied. The inhibitor is (2S)-1-[(2S)-2-Methyl-3- sulfanylpropanoyl] pyrrolidine-2-carboxylic acid (known as L- captopril), which is able to inhibit all subclasses of MBLs. Theoretical methods (DFT) as well as computational tools such as electrostatic potential maps (ESPM), QTAIM and NCIplot (non-covalent interaction plot) surfaces will be used to analyse the Spodium bond and its importance in the inhibition mechanism
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ÍNDICE
Resumen ……… 4
Introducción ………. 6-9
Objetivos ………... 10
Resultados y discusión ……… 11-24
Conclusiones ……… 25
Métodos teóricos ………. 26
Referencias ………. 27-28
Artículo ………... 29
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INTRODUCCIÓN
Las interacciones no covalentes son muy relevantes en muchas áreas de la Química y la Biología, como por ejemplo la replicación del ADN, interacciones entre antígenos y anticuerpos, sustrato o inhibidor y enzimas y un largo etcétera. Las interacciones no covalentes se pueden llevar a cabo entre distintas moléculas – interacción intermolecular – o distintas regiones de una misma molécula – interacción intramolecular –. Existen distintos tipos de interacciones no covalentes, como por ejemplo fuerzas electrostáticas, interacciones entre anillos aromáticos – apilamiento-π –, fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas entre otras. El avance en el conocimiento de las interacciones no covalentes y los procesos de autoensamblaje ha dado lugar a un nuevo campo conocido como Química Supramolecular. Este se puede definir como la química del enlace no covalente, establecida firmemente en el año 1987 gracias al Premio Nobel de Química concedido a los profesores Charles Pedersen, Jean- Marie Lehn y Donald Gram. (Reinhoudt, 2013)
Dos conceptos importantes aparecen cuando se diseñan y sintetizan receptores moleculares dentro de la química supramolecular. El primero es el uso de una plantilla que ayude a ensamblar los distintos bloques antes de que se unan covalentemente; y el segundo, el concepto de autoensamblaje – ver Figura 1 –. Éste último hace referencia a la interacción no covalente que se da entre bloques de construcción complementarios teniendo como resultado la síntesis de una supramolécula cuya integridad estructural y propiedades químicas difieren de los componentes individuales. Aparte de las ya conocidas interacciones no covalentes mencionadas anteriormente, existe una interacción no covalente más novedosa y menos utilizada y que está adquiriendo una importancia vital en la química moderna. Esta interacción es conocida como agujero σ (σ-hole), usada tanto en el ámbito de la química supramolecular como en la de ingeniería de cristales (Bauza, Alkorta, Frontera, Elguero, & Mooibroek, 2020). Un agujero σ puede definirse como una región de potencial electroestática positivo que se haya en un orbital sigma antienlazante, típicamente localizado a lo largo del vector de un enlace covalente y que implica sobre todo elementos del bloque d. De hecho, ejemplos claros de este tipo de interacción son los enlaces halógenos, calcógenos, pnicógenos y tetrel, entrando dentro de la nueva caja de herramientas a disposición de los químicos para ser usadas en el campo de la química supramolecular, para avanzar en el diseño y estudio de procesos de reconocimiento y autoensamblaje (Bauza, Alkorta, Frontera, Elguero, & Mooibroek, 2020). Además de
7 elementos del bloque p, las interacciones σ-hole se han definido también para elementos de grupo 11, también conocidas como regium bond.1
Es en este concepto de interacciones no covalentes es donde se puede hacer especial mención a la interacción de tipo “Spodium Bond”, término que hace referencia a la interacción que se produce entre átomos del grupo 12 – Zn, Cd o Hg – y átomos o grupos de átomos ricos en electrones, como son: bases de Lewis, aniones o sistemas π. Esto ocurre cuando los átomos anteriormente mencionados actúan como ácidos de Lewis y se encuentran en estado de oxidación +2 con una geometría pseudo-tetraédrica Sp(Ligando)4, donde Sp= Zn, Cd y Hg.
(Bauza, Alkorta, Frontera, Elguero, & Mooibroek, 2020). Es importante diferenciar las interacciones Spodium bond de los enlaces de coordinación, los cuales tienen un marcado carácter covalente – ver Figura 2 –.
1Recientemente, Legon y Walker han utilizado el término enlace metálico para referirse a este tipo de interacción en los enlaces. (Legon & Walker, 2018)
Figura 1: Izquierda: ejemplo de complejo supramolecular en donde iones metálicos se usan de plantilla (Hasenknopf, Lehn, Kneisel, Baum, & Fenske, 1996). Derecha: Ejemplo de autoensamblaje de hexámeros formados por tres unidades de ácido cianúrico y tres unidades de succinato conjugado con 2,4,6-triaminopyrimidine (Cafferty, y otros, 2013)
8 El presente estudio se centrará en interacciones SpBs donde el elemento metálico será el átomo de zinc (Zn), que es un oligoelemento de vital importancia para el correcto funcionamiento del metabolismo, la transducción de señalización, el crecimiento celular o la diferenciación.
(Joazeiro & Weissman, 2000) (Bolotin-Fukuhara, Bussereau, & Lafav, 2004) El Zn se encuentra principalmente en las proteínas de zinc, teniendo el papel de cofactor catalítico en más de 300 metaloenzimas, siendo también un componente estructural en dedos de zinc – zinc fingers – ayudando a rebajar la entalpia de plegamiento, fijar la estructura cuaternaria de la proteína a la que se encuentra coordinada y actuar como factor de transcripción. (Kadrmas, y otros, 2004) (C.T.Chasapis & Spyroulias, 2009) (Zhao & Bai, 2012).
Por ello, la deficiencia de Zn conlleva una inactivación de las enzimas e impide que las proteínas interactúen con sus objetivos incluyendo entre ellos el ARN, ADN, lípidos u otras proteínas.
Un ejemplo de ello ocurre en el alcohol deshidrogenasa – ADH – donde el zinc se utiliza como cofactor de las reacciones que se llevan a cabo, por lo que la ausencia de éste conlleva una pérdida completa de su actividad catalítica, (Plapp, y otros, 2017) (Hao & Maret, 2006) o en el caso de los dedos de zinc, la ausencia del Zn tiene un efecto directo en la función regulativa de los genes en el proceso de transcripción de factores causando la pérdida de la capacidad vinculante del ADN. (Auld, 2001) (Brown, 2005) (McCall, Huang, & Fierke, 2000) (Voet &
Voet, 2004)
Las métalo-β-lactamasas – MBL – son un conjunto de enzimas cuya función principal es la hidrólisis de una gran variedad de fármacos β-lactámicos, incluyendo fármacos carbapenémicos
Figura 2: Esquema simplificado del receptor de Zn interaccionando con el donador de electrones mediante interacción no covalente (spodium bond) o covalente (enlace de coordinación)
9 de última generación. Esta diversidad se debe al hecho de que los mecanismos enzimáticos difieren en función de si en el sitio activo se hallen uno o dos átomos de zinc. (Palzkill, 2013) Desafortunadamente, los inhibidores de serina-β-lactamasas no están disponibles para las MBL.
Por otra parte, el L-Captopril, usado para tratar la hipertensión, inhibe las métalo- β-lactamasas quelatando los iones zinc presentes en el sitio activo a través de su tiol(ato). El complejo resultante, está estabilizado por una interacción [Zn···O] tipo Spodium Bond donde el grupo carboxilato de un residuo de aspartato actúa como dador de electrones sobre el zinc, tal como se describirá más adelante.
Por una parte, en el presente trabajo se utilizan herramientas computacionales para evaluar y caracterizar las interacciones de tipo Spodium bond en un complejo enzima-inhibidor, siendo este último el L-Captopril – (2S)-1-[(2S)-2-Methyl-3-sulfanylpropanoyl] pyrrolidine-2- carboxylic acid –. Por otra parte, se han diseñado dos receptores basados en el entorno que tiene el Zn (II) en el centro activo del enzima MBL. En primera instancia, el zinc se encuentra enlazado a tres imidazoles – posición ecuatorial –, siendo el cuarto grupo enlazante un metilsulfuro – en posición axial –; en segunda instancia, el zinc se encuentra enlazado a tres triazoles – posición ecuatorial –, siendo el cuarto grupo enlazante un metilsulfuro – en posición axial –. El grupo electrodonador o el anión interaccionará con el zinc por la posición axial superior. Se utilizarán métodos teóricos – DFT – así como herramientas computacionales como los mapas de potencial electrostático – MEP – y las superficies NCIplot – Non-Covalent Interaction plot – para analizar y caracterizar la interacción Spodium bond.
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OBJETIVOS
Uno de los objetivos de este trabajo es el aprendizaje de métodos de cálculo teóricos y determinación de energías de interacción, así como el uso de programas de cálculo como el Gaussian09W y el Gaussview.
Además, los dos objetivos principales de este trabajo de investigación se detallan a continuación:
1) Demostrar la existencia de la interacción Spodium bond en el centro activo de la enzima métalo-β-lactamasa VIM-2 y su inhibidor el L-Captopril. Cuantificar la energía asociada a la interacción usando un modelo simplificado del centro activo
2) Utilizar dos receptores simples inspirados en el centro activo de la proteína para estudiar su capacidad de reconocer especies ricas en electrones, como aniones y bases de Lewis de distinta fortaleza.
De este último objetivo derivan dos subobjetivos:
2.1) Se usarán datos obtenidos de energía de interacción y de distancias entre el átomo rico en electrones y el átomo metálico para analizar la capacidad de los receptores para reconocer las especies ricas en electrones y se estudiará la competencia entre Spodium Bond y enlace de hidrógeno.
2.2) Se realizará un análisis más profundo de las interacciones que tienen lugar en los complejos usando mapas de superficies electroestático de los dos receptores, y se caracterizarán los complejos usando las herramientas computacionales QTAIM y NCIplot.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis de la estructura 4C1E (Complejo MBL ··· L -Captopril)
La Figura 3 muestra la estructura determinada por rayos-X del complejo enzima-inhibidor entre la enzima métalo-β-lactamasa VIM-2 y su inhibidor el L-Captopril. Se puede observar en la imagen central de la Figura 3 que el átomo de Zn se encuentra coordinado de manera tetraédrica a tres imidazoles (His-114, His116 y His-179) y al átomo de azufre del L-Captopril, es decir, el inhibidor (PDB ID: X8Z). El oxígeno usado como fuente de pares de electrones libres – base de Lewis – proviene de un residuo de Aspartato (Asp-118) – siendo éste un factor clave en el mecanismo enzimático de la métalo-β-lactamasa VIM-2 –, situado aproximadamente en el lado opuesto de un enlace N-Zn (153.5º) a una distancia de 4.04 Å, teniendo un valor poco superior a la suma de los radios de Van der Waals, siendo ΣRvdw = 3.91 Å; y por otra parte, un valor mayor que la suma de los radios covalentes ΣRcov = 1.88 Å.2
Se realizó un estudio computacional del modelo simplificado del centro activo de la proteína – Figura 3, derecha – usando las herramientas computacionales QTAIM y NCIplot, ya que son muy útiles para mostrar las zonas de interacción no covalente en complejos supramoleculares.
Tal como se puede apreciar en la imagen de la derecha, existen tres isosuperficies NCIPlot – coloreadas en verde – evidenciando la existencia de tres interacciones de naturaleza atractiva.
2 Para el desarrollo de este trabajo, se ha usado la estimación del radio de van der Waals (2.39 Å) propuesto por Álvarez. (Alvarez, 2013) Se ha demostrado por varios autores que el radio de interacción de van der Waals para los elementos del grupo 12 están subestimados. (Gomila, Bauza, Mooibroek, & Frontera, 2021)
(Gomila, A.Bauza, Mooibroek, & Frontera, 2021)
Figura 3: Izquierda: Representación de la enzima métalo-β-lactamasa VIM-2. Centro: Ampliación del centro activo con indicación de la interacción de Spodium bond entre el Zn (II) y el inhibidor. Derecha: modelo teórico utilizado para estudiar y evaluar la interacción Spodium bond
12 Por una parte, la interacción que se da entre el átomo de oxígeno del aspartato y el átomo de zinc es de tipo Spodium Bond -zona coloreada verde media, representando la interacción SpB en Zn···O mediante líneas discontinuas-, y un enlace de hidrógeno entre el mismo átomo de oxígeno y un átomo de hidrógeno perteneciente al imidazol – zona coloreada verde inferior –.
Por otra parte, la existencia de un enlace de tipo calcógeno entre el átomo de azufre proveniente del L-Captopril y el átomo de oxígeno perteneciente al aspartato -zona coloreada verde superior-. Estas dos últimas interacciones muestran también un punto crítico de enlace – representado como una esfera pequeña y roja en la Figura 3 (derecha) y un camino de enlace – . Por tanto, la existencia de ambas interacciones está corroborado por el método QTAIM.
Estudio teórico de receptores basados en Spodium Bo nd
Se han usado dos modelos distintos de receptores de Zinc, inspirados por la geometría y entorno de coordinación del átomo de Zn en el centro activo de la enzima anteriormente descrita.
Primeramente, se ha enlazado el átomo de zinc a tres anillos de imidazol usados como modelo de los residuos de histidina en el centro activo, y, por otra parte, se ha enlazado a tres anillos de triazol para favorecer la formación de interacciones Spodium bond, evitando la competencia de enlaces de hidrógeno. En ambos casos, el metilsulfuro estará situado opuesto a la dirección de interacción de la base de Lewis.
Figura 4: Compuestos [Zn(imi)3(SMe)]+ y [Zn(taz)3(SMe)]+ (de izquierda a derecha)
13 Cabe destacar como los heterociclos están posicionados de manera distinta: en el caso de los anillos de imidazol, los planos horizontales (σh) se encuentran paralelos al eje C₃; mientras que, en el caso de los anillos de triazol, los planos horizontales (σh) están situados aproximadamente de manera perpendicular al eje C₃. Este hecho conllevará importantes repercusiones cuando la base de Lewis se aproxime hacia el átomo metálico, y que serán explicadas más adelante.
Por otra parte, como fuente de pares de electrones – bases de Lewis –, se han usado el ion cianuro (CN⁻), acetonitrilo (CH₃-CN), monóxido de carbono (CO), ion tetrafluoruro de boro (BF₄⁻), fluorometano (CH₃F), ácido fluorhídrico (HF), trimetilamina (N(CH₃)₃), ion perclorato (ClO₄⁻), isocianato (OCN⁻) y tiocianato (SCN⁻).
Tabla 1: Bases de Lewis utilizadas como fuente de pares de electrones con sus correspondientes energías absolutas en Hartrees.
Como se puede apreciar, la mayoría de los compuestos de la Tabla 1 poseen intrínsicamente un eje de simetría C₃, ya que estamos hablando de moléculas lineales (CN, CO, OCN⁻, SCN⁻, HF), tetraédricas (BF₄⁻, ClO₄⁻) o piramidales (NMe₃), de tal manera que cuando interaccionen con los receptores de Zn, a lo largo del eje C3, la simetría del complejo conservará la simetría.
Bases de Lewis Energía (Hartrees)
CN -92,77
CH₃-CN -132,64
CO -113,23
BF₄⁻ -424,31
CH₃F -139,65
HF -100,39
NMe₃ -174,32
ClO₄⁻ -760,61
OCN⁻ -168,01
SCN⁻ -490,91
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Tabla 2: Complejo de zinc enlazado a tres imidazoles, metilsulfuro y sus correspondientes bases de Lewis donde se muestr an la energía del complejo, la energía de la interacción y la distancia B. de Lewis/Complejo
Tabla 3: Complejo de zinc enlazado a tres triazoles, metilsulfuro y sus correspondientes bases de Lewis donde se muestran la energía del complejo, la energía de la interacción y la distancia B. de Lewis/Complejo.
Receptor y complejos basados en imidazol
B. de Lewis Energía (Hartrees) Energía interacción (Hartrees) Distancia (Armstrong)
Receptor -2.895,16 - -
CN -2.988,11 1,82E-01 1,99
CH₃-CN -3.027,82 1,86E-02 4,37
CO -3.008,39 4,33E-03 4,95
BF₄⁻ -3.319,60 1,33E-01 2,24
CH₃F -3.034,82 1,27E-02 4,14
HF -2.995,56 1,12E-02 4,18
NMe₃ -3.069,49 1,49E-02 4,80
ClO₄⁻ -3.655,89 1,31E-01 2,26
OCN⁻ -3.063,30 1,40E-01 1,96
SCN⁻ -3.386,18 1,12E-01 3,80
Receptor y complejos basados en triazol
B. de Lewis Energía (Hartrees) Energía interacción (Hartrees) Distancia (Armstrong)
Receptor -2.943,20 0
CN -3.036,10 1,34E-01 4,21
CH₃-CN -3.075,85 1,04E-02 3,69
CO -3.056,43 3,24E-03 3,80
BF₄⁻ -3.367,64 1,32E-01 3,52
CH₃F -3.082,86 6,71E-03 3,45
HF -3.043,60 5,51E-03 3,54
NMe₃ -3.117,57 4,45E-02 2,06
ClO₄⁻ -3.703,94 1,33E-01 3,48
OCN⁻ -3.111,33 1,26E-01 3,53
SCN⁻ -3.434,23 1,20E-01 3,94
15 Para determinar si entre las bases de Lewis y el átomo de Zinc hay interacciones de tipo Spodium Bond, hay que tener en cuenta dos factores primordiales: la energía de interacción que existen entre ambos y la distancia que los separa; además de realizar un análisis cualitativo del entorno porque la influencia de otras interacciones puede favorecer la direccionalidad o la facilidad con la que el átomo rico en electrones se acerque al átomo de zinc. Para ello, primero se estudiarán los mapas de potencial electroestático de [Zn(imi)₃(SMe)]⁺ y [Zn(taz)₃(SMe)]⁺
para determinar las zonas electrónicas más ricas y pobres, y de esta manera predecir como podrán interaccionar cada uno de los compuestos.
Mapas de potencial electrostático (MEP)
La superficie de potencial electroestático molecular (MEP) se ha calculado para ambos receptores –Figura 5 – con el fin de esclarecer cuales son las regiones más electrofílicas y la existencia de agujeros σ opuestos al enlace Zn-SMe.
En ambos casos, los valores máximos de MEP están localizados sobre los enlaces N-H (+112 kcal/mol y +120 kcal/mol para [Zn(imi)₃(SMe)]⁺ (a) y [Zn(taz)₃(SMe)]⁺ (c) respectivamente.
Los valores MEP para el caso de la molécula b) es de +101 kcal/mol, seguramente debido a la influencia de los tres enlaces C-H de los ligandos imidazol que convergen en la misma región espacial. Debido a este mismo hecho, el agujero σ no es accesible gracias a la orientación de los mismos enlaces C-H pudiendo provocar interacciones estéricas con la base de Lewis y/o interacciones de enlace de hidrógeno.
Figura 5: Superficie de potencial electroestático molecular (MEP) de [Zn(imi)₃(SMe)]⁺ y [Zn(taz)₃(SMe)]⁺.
16 Por otra parte, en el caso del compuesto d), el valor de MEP es de +68 kcal/mol, un valor mucho más reducido en comparación con el compuesto b) debido a que los enlaces C-H no convergen con el agujero σ. A diferencia del [Zn(imi)₃(SMe)]⁺, este agujero es mucho más accesible debido a la conformación adoptada por los anillos de triazol. A partir de ambos análisis de los compuestos, podemos predecir que el compuesto b) tendrá mayor facilidad para formar enlaces de hidrógenos, y los segundos para formar enlaces tipo Spodium Bond en el caso que el átomo rico en electrones se aproxime por la cara contraria al enlace Zn-SMe.
Tabla 4: Tabla donde se recoge los valores de potencial MEP máximo de ambos compuestos y los valores de potencial MEP para el agujero σ.
Compuesto Vsmax (kcal/mol) Vs Zn (kcal/mol)
[Zn(imi)₃(SMe)]⁺ +112 +101
[Zn(taz)₃(SMe)]⁺ +120 +68
Análisis energét ico y geo métrico
Los valores de energías de interacción obtenidos para cada uno de los compuestos se han llevado a cabo mediante la siguiente ecuación (para el caso del imidazol):
𝑬. 𝒅𝒆 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒂𝒄𝒄𝒊ó𝒏 = 𝑬[𝒁𝒏(𝒊𝒎𝒊)𝟑𝑺𝑴𝒆]+···𝑩.𝑳𝒆𝒘𝒊𝒔 – 𝑬[𝒁𝒏(𝒊𝒎𝒊)𝟑𝑺𝑴𝒆]+ – 𝑬𝑩𝒂𝒔𝒆 𝒅𝒆 𝑳𝒆𝒘𝒊𝒔
La energía obtenida resultante se obtiene en unidades de Hartrees, por lo que es necesario transformar las unidades a kcal/mol mediante el siguiente cálculo:
𝑬. 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒂𝒄𝒄𝒊ó𝒏 𝒆𝒏 𝑯𝒂𝒓𝒕𝒓𝒆𝒆𝒔 ∗𝟔𝟐𝟕. 𝟓𝟎𝟗𝒌𝒄𝒂𝒍 𝒎𝒐𝒍
𝟏 𝑯𝒂𝒓𝒕𝒓𝒆𝒆 = 𝑬. 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒂𝒄𝒄𝒊ó𝒏 𝒆𝒏𝒌𝒄𝒂𝒍 𝒎𝒐𝒍
Tabla 5: Energías de interacción y distancias de equilibrio entre el Zn y el átomo rico en electrones para el compuesto [Zn(imi)₃(SMe)]⁺.
B. de Lewis ΔE (kcal/mol) d(Å)
CN⁻ -114,30 1,99
CH₃-CN -11,68 4,37
17 [Zn(imi)₃(SMe)]⁺
CO -2,71 4,95
BF₄⁻ -83,61 2,24
CH₃F -7,96 4,14
HF -7,02 4,18
NMe₃ -9,33 4,80
ClO₄⁻ -82,45 2,26
OCN⁻ -88,11 1,96
SCN⁻ -70,58 3,80
Figura 6: Geometrías optimizadas del receptor [Zn(imi)₃(SMe)]⁺ con las B. Lewis CO, CH₃-F, N-Me₃, ClO₄⁻, OCN⁻ y SCN⁻ respectivamente. Aparecen las distancias C—H ··· [átomo rico en electrones] en Å y en el caso de (d) y (e) la distancia entre Zn (II) y el donador de electrones.
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Tabla 6: Energías de interacción y distancias de equilibrio entre el Zn y el átomo rico en electrones para el compuesto [Zn(taz)₃(SMe)]⁺.
[Zn(taz)₃(SMe)]⁺
B. de Lewis ΔE (kcal/mol) d(Å)
CN⁻ -84,08 4,21
CH₃-CN -6,50 3,69
CO -2,03 3,80
BF₄⁻ -83,06 3,52
CH₃F -4,21 3,45
HF -3,45 3,54
NMe₃ -27,95 2,06
ClO₄⁻ -83,69 3,48
OCN⁻ -79,10 3,53
SCN⁻ -75,59 3,94
Figura 7: Geometrías optimizadas del receptor [Zn(imi)₃(SMe)]⁺ con las B. Lewis CH₃-CN, HF, BF₄⁻ y CN⁻
respectivamente (de izquierda a derecha).
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Figura 8: Geometrías optimizadas del receptor [Zn(taz)₃(SMe)]⁺ con las B. Lewis CO, CH₃-F, N-Me₃, ClO₄⁻, OCN⁻ y SCN⁻ respectivamente. Aparecen las distancias [B. de Lewis] ··· Zn (II) en Å, y en el caso del complejo (c), la distancia C—H ··· S-Me perteneciente al receptor. Este hecho se explicará más adelante en este mismo trabajo.
Figura 9: Geometrías optimizadas del receptor [Zn(taz)₃(SMe)]⁺ con las B. Lewis CH₃-CN, HF, BF₄⁻ y CN⁻ respectivamente (de izquierda a derecha)
20 Observando los datos recogidos y calculados de las tablas 5 y 6 se pueden extraer conclusiones interesantes. Primeramente, los complejos cuya carga formal es neutra, presentan energías de interacción de moderadas a fuertes y que oscilan entre los valores de -2 y -12 kcal/mol (CH₃- CN, CH₃F, NMe₃ y HF con [Zn(imi)₃(SMe)]⁺), con la excepción de la trimetilamina con el compuesto de triazol, debido a que se forma un enlace de coordinación con el átomo de Zn en lugar de una interacción no covalente, otorgándole una energía mayor (-27.9 kcal/mol).
Además, los átomos de hidrógeno pertenecientes al triazol interaccionan con el átomo de azufre del grupo S-Me, deformando la geometría del complejo.
Por otra parte, cuando al receptor de imidazol se refiere, la interacción llevada a cabo con el donador de electrones es mediante enlaces de hidrógeno debido principalmente a la disposición espacial de los anillos de imidazol. Por contraposición, en el caso de los compuestos que contienen triazol, es mucho más recurrente que aparezcan interacciones tipo SpB, teniendo una buena concordancia con los resultados y las imágenes obtenidas con el análisis de superficie MEP – Figura 5 (d) – donde se muestra un agujero σ accesible para la base de Lewis.
En cuanto a los donadores de electrones aniónicos que implican al receptor formado por imidazol, la aproximación de los aniones CN⁻ y OCN⁻ lineales – y pequeños – da lugar a la formación de enlaces covalentes – de coordinación – con el ion Zn (II), teniendo como consecuencia la formación de geometrías de bipirámide trigonal – ver Figura 6, (e) –. Cabe destacar el caso del donador de electrones CN⁻, donde se puede apreciar que debido al carácter nucleofílico del anión cianuro, se establece un nuevo enlace C---Zn – 1.99 Å –, debilitando e incluso eliminando el enlace Zn---SMe existente, manteniendo el grupo S-Me en gran parte gracias a las interacciones de enlaces de hidrógeno de los C—H pertenecientes al grupo de los anillos de imidazol – ver Figura 7 (d) –. En cambio, para el caso del anión lineal SCN⁻ con el complejo [Zn(imi)₃(SMe)]⁺, se observa la formación de tres enlaces C—H ---- S—H junto a una interacción Spodium Bond – ver Figura 6, (f) –, seguramente debido al mayor radio de van de Waals del átomo de azufre en comparación con el radio del oxígeno y del carbono.
En la Figura 6, en los complejos (a), (b) y (c); y en la Figura 7, los complejos a) y b) – donadores neutros – se observa la formación de enlaces de hidrógeno trifurcados, hecho que se correlaciona con la geometría obtenida al hacer el análisis de superficies MEP – el agujero σ se encuentra estéricamente impedido por la influencia de los enlaces C—H de los anillos de imidazol –. Por otra parte, la Figura 6 (d) y la Figura 7 c), el anión ClO₄⁻ y el anión BF₄⁻ forman tres enlaces de hidrógeno simétricos y a su vez, una interacción SpB cuya distancia es de 2,26 Å y 2.24 Å respectivamente.
21 En contraposición, en las Figuras 8 y 9, aparecen los mismos donadores de electrones que en la Figura 6 y 7 de tal manera que se pueda comparar cualitativamente la información representada entre los dos tipos de receptores. En el caso de las bases de Lewis neutras, representado en la Figura 8 como (a) y (b); y en la Figura 9 como (a) y (b), se puede observar la formación de una interacción tipo Spodium Bond cuyas distancias son de 3,80 Å y 3,54 Å respectivamente en los primeros casos; y de 3.69 Å y 3.54 Å en los segundos. Este hecho se debe a la geometría del complejo [Zn(taz)₃(SMe)]⁺, más específicamente a la conformación de los anillos de triazol, permitiendo la aproximación del átomo rico en electrones – ver Figura 5 (d) –. En cuanto al complejo (c), debido al carácter nucleofílico de la base de Lewis N-Me₃, se establece una sustitución nucleofílica donde se produce un enlace de coordinación entre el Zn y el átomo de nitrógeno – 2,06 Å –, rompiéndose el enlace Zn – SMe. El SMe liberado queda retenido por los hidrógenos del anillo de triazol dando como resultado la formación de tres enlaces de hidrógeno trifurcados, con una distancia de 2,21 Å.
Prestando atención a los complejos del receptor que está formado por anillos de triazol, y que, como donador de electrones se utilizan bases de Lewis aniónicas ocurre un cambio en la conformación de los anillos de triazol del receptor donde las nubes π de los anillos se aproximan al anión de manera que se establecen tres interacciones de tipo anión-π – ver Figura 8 (d), (e) y (f) y Figura 9 (c) y (d) –.
A modo de resumen de los resultados del estudio energético se puede indicar que los donadores neutros, toman valores entre -2.71 y -11.68 kcal/mol – para el CO y CH₃-CN respectivamente – en el caso del receptor de imidazol; -2.03 y -27.95 kcal/mol – para el CO y NMe₃ respectivamente – en el caso del receptor de triazol. Por contraposición, los donadores aniónicos presentan valores significativamente mayores, siendo para el receptor [Zn(imi)₃(SMe)]⁺ -32.45 y -114.30 kcal/mol – ClO₄⁻ y CN⁻ respectivamente –, mientras que para el compuesto [Zn(taz)₃(SMe)]⁺; -75.59 y -84.08 kcal/mol – SCN⁻ y CN⁻ respectivamente –. Como se puede apreciar, los valores de las bases de Lewis son modestas mientras que, para los aniones de Lewis, los valores de energía de interacción son mucho mayores, favoreciendo la formación de enlaces de coordinación en el caso de que sean aniones pequeños y la interacción SpB y anión- π si son grandes.
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Tabla 7: Resumen de todas las interacciones que aparecen en los complejos. [HB: enlace de hidrogeno, SpB*: interacción tipo Spodium Bond con carácter covalente pronunciado, Anión-π: interacción tipo anión-π, SpB: interacción tipo Spodium Bond, Covalente: coordinación entre el átomo rico en electrones y el Zn (II).]
Receptor B. de Lewis Tipo de interacción
[Zn(imi)₃(SMe)]⁺
CN⁻ Covalente
CH₃-CN HB
CO HB
BF₄⁻ SpB* & HB
CH₃F HB
HF HB
NMe₃ HB
ClO₄⁻ SpB* & HB
OCN⁻ Covalente
SCN⁻ SpB* & HB
[Zn(taz)₃(SMe)]⁺
CN⁻ Anión - π
CH₃-CN SpB
CO SpB
BF₄⁻ SpB & Anión - π
CH₃F SpB
HF SpB
NMe₃ Covalente
ClO₄⁻ SpB & Anión - π
OCN⁻ SpB & Anión - π
SCN⁻ SpB & Anión - π
23 Estudio de QTAIM/NCIplot
Para poder corroborar la existencia de las interacciones Spodium Bond se hará uso del análisis QTAIM (Quantum theory of atoms in molecules) y NCIplot. Se han elegido varios ejemplos representativos de los distintos modos de complejación comentados anteriormente. Como ejemplo para el caso de las interacciones de enlaces de hidrógeno, en la Figura 10 (a) se representa el complejo [Zn(imi)₃(SMe)]⁺ ··· CO donde se corrobora la existencia de los enlaces de hidrogeno trifurcados – caracterizados por superficies NCIplot de color verde y puntos críticos de enlace–. En el caso de (b), se puede observar además de los enlaces de hidrógeno hacia el flúor más cercano al átomo de Zn, se aprecia notablemente como también interaccionan con los átomos de flúor no coincidentes con el eje C₃ del complejo formando enlaces de hidrógeno bifurcados. Entre el átomo de F y el Zn, se aprecia una superficie de color azul indicando la existencia de interacciones tipo Spodium Bond de carácter más fuertemente atractivo, así como un punto crítico de enlace.
En la Figura 11 (a), (b), (c) y (d), se muestran los análisis QTAIM y NCIplot de los cuatro complejos del receptor que contiene anillos de triazol seleccionados. Cuando se trata de donadores de electrones neutros (a) y (b), se puede observar la superficie de color verde, confirmando la existencia y carácter atractivo débil de la interacción SpB.
Figura 10: Distribución de puntos críticos de enlace, anillo y caja (esferas rojas, amarillas y azules, respectivamente) y caminos de enlace.
Además, se muestra la superficie NCIplot superpuesta para los complejos del receptor de imidazol con CO (izquierda) y BF4– (derecha).
24 Por otra parte, en los complejos (c) y (d), además de las interacciones SpB, se confirma la formación de interacciones no covalentes anión-π caracterizadas por isosuperficies extensas de color verde. Cabe destacar que en el (c), los pares electrónicos libres de los átomos de oxígeno del donador ClO₄⁻ no pertenecientes al eje C₃ del complejo también interaccionan con los anillos de triazol.
Figura 11: Distribución de puntos críticos de enlace, anillo y caja (esferas rojas, amarillas y azules,
respectivamente) y caminos de enlace. Además, se muestra la superficie NCIplot superpuesta para los complejos del receptor de triazol con CH₃-CN (izquierda, arriba), (CH3)3N (derecha, arriba), ClO4– (izquierda, abajo) y SCN– (derecha, abajo)
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CONCLUSIONES
Del presente trabajo se pueden extraer las siguientes conclusiones:
1) Se ha demostrado la existencia y carácter atractivo de la interacción Spodium Bond en el complejo enzima-inhibidor presente en el centro activo del enzima métalo-β-lactamasa VIM-2 formando complejo con su inhibidor el L-Captopril.
2) Basándose en el entorno de coordinación del átomo de Zn (II) en el centro activo, se han diseñado dos receptores para aniones y bases de Lewis que contienen anillos de imidazol y de triazol.
3) Se ha demostrado la capacidad de los receptores para coordinarse con especies ricas en electrones mediante enlaces de hidrógeno, Spodium bond o una combinación de ambos. En algunos receptores se ha observado la formación de interacciones anión-π.
4) La existencia de las interacciones mencionadas en el punto 3 se ha corroborado usando dos herramientas computacionales (QTAIM y NCIplot)
Estos resultados y conclusiones pueden ser útiles en un futuro en campos como la química supramolecular, la ingeniería de cristales, la catálisis, los materiales funcionales, la química biomolecular o las investigaciones relacionadas con las proteínas de zinc.
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MÉTODOS TEÓRICOS
Las geometrías y las energías de los complejos y los compuestos de Spodium Bond se calcularon mediante el uso del programa Gaussian-16, el funcional PBE0-D3, que incluye la corrección de dispersión D3, y la base def2 –TZVP con una imposición de elemento de simetría de C3. Las coordinadas cartesianas de los compuestos optimizados se pueden extraer de la publicación derivada de este trabajo3. Las energías de interacción se calcularon como diferencia entre la energía del complejo y la suma de la energía de sus monómeros aislados: Eint = E(AB)–
E(A)–E(B). Los mapas de superficie de potencial (MEP) se calcularon usando el nivel de teoría PBE0-D3/def2- TZVP ya que este nivel ha sido usado previamente en la literatura para estudiar interacciones de Spodium Bond (Karmakar, Frontera, Chattopadhyay, Mooibroek, & Bauza, 2020) (Basak, Gomila, Frontera, & Chattopadhyay, 2021) (Hazari, Gomila, Frontera, Drew, &
Ghosh, 2021).
Los análisis QTAIM y NCIplot no fueron realizados por mi directamente, sino que han sido extraídos de la publicación derivada de este trabajo. Según la teoría QTAIM, dos átomos están enlazados si sus volúmenes atómicos comparten una superficie interatómica común, y hay un punto crítico (3, −1) en esta superficie. Un punto crítico se define como un punto del espacio donde el gradiente del campo densidad de carga es cero. De este modo, la existencia de un punto crítico de enlace y un camino de enlace entre dos átomos es una prueba inequívoca de interacción entre esos dos átomos. El método NCIplot muestra superficies donde el gradiente del campo de densidad tiende a cero. Además, le asigna un color a la superficie dependiendo de si la interacción no covalente es atractiva o repulsiva. Utiliza los colores azul y verde para representar interacciones no covalentes fuerte o débilmente repulsivas, respectivamente.
Además, utiliza los colores rojo y amarillo para representar interacciones no covalentes fuerte o débilmente repulsivas, respectivamente. Para los modelos del PDB, se utilizaron cálculos puntuales usando las coordenadas cristalográficas y el mismo nivel de teoría (PBE0-D3/def2- TZVP).
3
https://www.rsc.org/suppdata/d1/cp/d1cp02150h/d1cp02150h1.pdf?_ga=2.161988602.717422359.16304983 09-1201324032.1435911087 (Llull, y otros, 2021)
27 REFERENCIAS
Alvarez, S. (2013). A cartography of the van der Waals territories. Dalton Transaction, 8617-8636.
Auld, D. (2001). Zinc coordintation sphere in biochemical zinc sites. Biometals, 271-313.
Basak, T., Gomila, R. M., Frontera, A., & Chattopadhyay, S. (2021). Differentiating intramolecular spodium bonds from coordintation bonds in two polynuclear zinc (II) Schiff base complexes.
CrystEngComm, 2703-2710.
Bauza, A., Alkorta, I., Frontera, A., Elguero, J., & Mooibroek, T. (2020). Spodium Bonds:
Noncovalent Interactions Involving Gorup 12 Elements.
Bolotin-Fukuhara, M., Bussereau, F., & Lafav, J. (2004). Genomics and biodiversity in Yeasts.
Springer.
Brown, R. (2005). Zinc finger proteins: getting a grip on RNA. Current opinion in Structural Biology, 94-98.
C.T.Chasapis, & Spyroulias, G. (2009). RING finger E3 ubiquitin ligases: structure and drug discovery. Current pharmaceutical design, 3716-3731.
Cafferty, B. J., Gállego, I., Chen, M. C., Farley, K. I., Eritja, R., & Hud, N. V. (2013). Efficient self- assembly in water of long noncovalent polymers by nucleobase analogues. Journal of American Chemical Society, 2447-2450.
Gomila, R. M., A.Bauza, Mooibroek, T., & Frontera, A. (2021). Spodium bonding in five coordinated Zn(II): a new player in crystal engineering. CrystEngComm.
Gomila, R. M., Bauza, A., Mooibroek, T. J., & Frontera, A. (2021). phi-hole spodium bonding in tri- coordinated Hg(II) complexes. Dalton Transactions.
Hao, Q., & Maret, W. (2006). Aldehydes release zinc from proteins. A pathway from oxidative stress/lipid peroxidation to cellular functions of zinc. FEBS Journal, 4300-4310.
Hasenknopf, B., Lehn, J.-M., Kneisel, B. O., Baum, G., & Fenske, D. (1996). Self-Assembly of a circular double helicate. Angewandte Chemie, 1838-1840.
Hazari, A., Gomila, R. M., Frontera, A., Drew, M. G., & Ghosh, A. (2021). Change in molecular shapes of the trinuclear Cu(II)2Zn(II) complexes on Schiff base reduction: structural and theoretical investigations. CrystEngComm, 4848-4856.
Joazeiro, C., & Weissman, A. (2000). RING finger proteins: mediators of ubiquitin ligase activity.
Nacional Library of Medicine, 549-52.
28 Kadrmas, J., M.A.Smith, Clark, K., Pronovost, S., Muster, N., III, J. Y., & Beckerle, M. (2004). The
integrin effector PINCH regulates JNK activity and epithelial migration in concert with Ras suppressor 1. Journal of Cell Biology.
Karmakar, M., Frontera, A., Chattopadhyay, S., Mooibroek, T. J., & Bauza, A. (2020). Intramolecular Spodium Bonds in ZN(II) complexes: insights from theory and experiment. International Journal of molecular sciences, 7091.
Legon, A. C., & Walker, N. R. (2018). What´s in a name? "Coinage-metal" non-covalent bonds and their definition. Physical Chemistry Chemical Physics, 19332-19338.
Llull, R., Montalbán, G., Vidal, I., Gomila, R. M., Bauza, A., & Frontera, A. (2021). Theoretical study of spodium bonding in the active site of three Zn-proteins and several model systems. Journal of Physical Chemistry Chemical Physics, 16888-16896.
McCall, K. A., Huang, C. C., & Fierke, C. A. (2000). Function and mechanism of zinc metalloenzymes. Journal of Nutrition, 1437S-1446S.
Palzkill, T. (2013). Metallo -beta-lactamase structure and function. Annals of the New York academy of science, 91-104.
Plapp, B., Savarimuthu, B., Ferraro, D., Rubach, J., Brown, E., & Ramaswamy, S. (2017). Horse liver alcohol deshydrogenase: Zinc coordintation and catalysis. National Library of Medicine, 3632-3646.
Reinhoudt, D. (2013). Supramolecular Chemistry and Heterocycles. Reference Model in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering. Elsevier.
Voet, D., & Voet, J. G. (2004). Biochemistry. In D. Voet, & J. G. Voet, Biochemistry (p. 1360). New York: John Wiley and Sons.
Zhao, X. Q., & Bai, F. W. (2012). Zinc and yeast stress tolerance: micronutrient plays a big role.
Journal of Biotechnology, 176-83.
29
30
