Resumen de Hidròlisi de l'enllaç n-glicosídic a la 2'-desoxiguanosina. Estudis computacionals
El DNA es la molécula central de la vida, ya que en ella se almacena la información genética necesaria para la síntesi de proteinas. A pesar de su gran importancia, es muy vulnerable y puede experimentar diversos tipos de modificaciones estructurales potencialmente mutagénicas. Uno de los puntos débiles que limitan la estabilidad del DNA es la relativa labilidad del enlace N-glicosídico, que en condiciones fisiológicas puede hidrolizarse generando posiciones apurínicas. Por otro lado, la hidrólisis de este enlace constituye una de las etapas principales de los mecanismos BER en los cuales las enzimas DNA glicosilasas catalizan la rotura del enlace para reparar bases erróneas o incorrectamente apareadas. Así, la relevancia biológica de este enlace es indiscutible, y por este motivo su mecanismo de hidrólisis ha sido objeto de numerosos estudios experimentales. Aún así, son muy pocos los estudios que, desde un punto de vista químico-cuántico, han tratado este proceso, debido a que el tamaño del sistema hace que los cálculos utilizando métodos que incluyan la correlación electrónica sean muy costosos a nivel computacional.
En esta tesis hemos querido entender la química que hay tras esta reacción, centrándonos en el caso de la 2'-desoxiguanosina (dG), utilizando los modelos y métodos teóricos más precisos posibles. En primer lugar, se ha explorado la reacción de hidrólisis entre la dG y una molécula de agua, considerando diversas orientaciones para el ataque nucleofílico. Posteriormente, como existen muchas evidencias experimentales de que el proceso está catalizado en medio ácido, se ha estudiado la influencia de la protonación de la guanina en el proceso. También hemos considerado el efecto de la metilación de la base, ya que se sabe que uno de los aductos metilados más abundantes en el DNA, la 7-metilguanina, se elimina de manera espontánea por depurinación, así como los efectos de la interacción de metales de transición como el Cu2+. Por otro lado, teniendo en cuenta la diferente reactividad de la 3-metiladenina (la segunda lesión por alquilación más abundante), que se debe eliminar mediante procesos de reparación enzimáticos, se ha analizado también la influencia de la posición (N7 vs N3) en el mecanismo de la reacción. Finalmente, dado que en la literatura se propone que las enzimas que catalizan la reacción de hidrólisis del enlace N-glicosídico activan el nucleófilo por catálisis básica, y el grupo saliente por catálisis ácida y/o por la interacción con residuos aromáticos cercanos, en la última fase de la tesis se ha analizado el mecanismo de la reacción utilizando modelos que incluyen grupos que introducen estos efectos. Así, para la activación del nucleófilo, se ha considerado la presencia de formiato para simular un glutamato que, según estudios experimentales, ha sido propuesto como catalizador básico, y para la activación del grupo saliente se ha considerado la interacción de la guanina con diversos grupos ácidos (imidazol protonado, metilamina protonada y ácido fórmico) que simularían las cadenas laterales de residuos cercanos y que forman diferentes tipos de enlaces de hidrógeno con la nucleobase. Por último, se ha analizado la influencia de interacciones de "stacking" con la cadena lateral de un residuo aromático cercano como la tirosina en el mecanismo de la reacción.
Con este estudio se ha querido profundizar en el mecanismo de la reacción de hidrólisis del enlace N-glicosídico de la 2'-desoxiguanosina (DN*AN o ANDN) mediante herramientas computacionales. En particular, se ha querido analizar cómo este mecanismo se ve modificado por los efectos de la protonación, la metilación o la cationización de la base, la activación del nucleófilo o las interacciones de "stacking". La metodologia utilizada corresponde al estado del arte actual y en la mayoría de casos es suficientemente precisa. Para cada sistema se ha explorado la superfície de energía potencial, se ha determinado el perfil energético de la reacción y, en algunos casos, se han determinado los KIEs para compararlos con valores experimentales conocidos para sistemas análogos. También se ha analizado la importancia de los efectos electrónicos hiperconjugativos así como los cambios en el "puckering" del azúcar.
Cabe destacar que los diferentes métodos teóricos utilizados se han calibrado previamente. Particularmente interesante ha estado el estudio de calibración de los sistemas Cu2+(H2O)n. El Cu2+ es un catión metálico de capa abierta (d9), por lo cual los métodos DFT pueden presentar dificultades debido a su tendencia a deslocalizar la densidad de espín. En esta tesis se ha realizado un estudio muy exhaustivo de la estructura y estabilidad relativa de diferentes sistemas de Cu2+, utilizando diferentes funcionales y métodos post-Hartree-Fock, no sólo para poder aplicar los métodos más eficientes al estudio de la interacción de este catión con la desoxiguanosina, que es el sistema objeto de estudio de esta tesis, sino también pensando en trabajos futuros en los que participe el Cu2+, ya que éste es un metal de transición de gran relevancia biológica.
