Efectos electrónicos sobre propiedades magnéticas de fragmentos moleculares de sistemas de interés biológico o bioquímico

Abstract

Este trabajo de tesis se concentró en el estudio de la influencia que pudiera tener el apilamiento o stacking sobre las propiedades magnéticas de átomos pertenecientes a los pares adenina-timina y guanina-citosina en pequeños fragmentos de ADN. Se usaron como sondas los parámetros espectroscópicos de la resonancia magnética nuclear, los que se encuentran entre las herramientas más útiles para evaluar la transmisión de interacciones magnéticas en moléculas. Los estudios teóricos realizados incluyen diferentes niveles de teoría y metodologías. Entre los primeros se hallan la teoría del funcional de la densidad (DFT), propagadores de polarización al segundo orden de aproximación (SOPPA) y dinámica molecular (DM), combinados con varios tipos de conjuntos de base de funciones. Estos fueron complementados con el uso del esquema de bases localmente densas (LDBS) considerando el gran tamaño de los sistemas. Para los casos en que se evaluó el efecto del solvente, se emplearon modelos de solvente implícito, explícito y una combinación de ambos. Se encontró que el apilamiento de un número reducido de pares de bases de Watson-Crick por arriba y por debajo de un par determinado, modifica sus parámetros espectroscópicos de RMN en una magnitud susceptible de ser observada experimentalmente. En vacío, puede verificarse que los apantallamientos magnéticos son más sensibles que los acoplamientos indirectos J, a la vez que ciertos átomos son más sensibles que otros. El apilamiento de bases afecta el apantallamiento de átomos diferentes al hidrógeno como nitrógenos, que se comportan como donadores en enlaces de hidrógeno, EH, y los carbonos unidos a ellos. El porcentaje de variación de esos apantallamientos alcanza entre un 2 % y un 5 %, cuando los pares se consideran aislados y luego en el centro de un peque ̃no fragmento de ADN. Tal variación se vuelve muy pequeña cuando el par se compara entre fragmentos, mostrando que el efecto de apilamiento de bases sobre los parámetros estudiados tiene una naturaleza local. La dependencia de los apantallamientos magnéticos respecto de los efectos del apilado de bases sigue un patrón de comportamiento bien definido: a) átomos equivalentes de monómeros similares (timina y adenina, o guanina y citosina) tienen valores similares de apantallamientos absolutos en pares aislados, y la proporción de cambio desde el sistema aislado al fragmento es también similar; b) los átomos de hidrógeno que pertenecen a enlaces de hidrógeno son más sensibles al apilamiento que aquellos diferentes a hidrógeno. En presencia de agua como solvente, los resultados m ́as interesantes aparecen al emplear un modelo de solvente explícito. Se evaluaron los efectos que produce el apilamiento de bases sobre los parámetros espectroscópicos de la RMN pero bajo la influencia de moléculas de agua rodeando a los sistemas estudiados. En el caso de los apantallamientos magnéticos, por un lado se determinó que el solvente puede modificar sus valores respecto al vacío sin modificación del efecto que produce el apilamiento. Por otro lado, existen casos en los que el solvente también puede modificar la conducta del efecto producido por el apilamiento sobre el apantallamiento. La evaluación de los acoplamientos indirectos J se realizó sobre núcleos que pertenecen a un mismo par de bases y sobre núcleos que pertenecen a dos pares de bases que se encuentran apiladas. En el primer caso, la inclusión del solvente explícito afecta los acoplamientos pertenecientes al par utilizado como testigo para todos los sistemas cuando se los compara con el vacío. Pero además, el análisis del apilamiento de bases revela que la presencia del solvente potencia su efecto sobre los acoplamientos. En el segundo caso se observó que el efecto de la interacción de apilamiento puede experimentar variaciones debidas a la adición de pares de bases nitrogenadas por encima y por debajo del par elegido como testigo al evaluarlo en vacío, y el acoplamiento J demuestra ser un parámetro sensible a estas variaciones. Por su lado, la presencia del solvente explícito también produce cambios que pueden verse reflejados en los valores de acoplamiento, no sólo para cada sistema en particular comparado con los valores en vacío, sino también durante el proceso de adición de pares de bases, es decir, el solvente también ejerce una influencia sobre el efecto de apilamiento.