Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Título: | Reactividad de especies azufradas de interés bioquímico |
| Título alternativo: | Reactivity of sulfur species of biochemical interest |
| Autor: | Semelak, Jonathan Alexis |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Filiación: | Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Química, Física de Los Materiales, Medioambiente y Energía (INQUIMAE)
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| Publicación en la Web: | 2022-11-29 |
| Fecha de defensa: | 2022-04-22 |
| Fecha en portada: | 2021 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Química Inorgánica, Química Analítica y Química Física |
| Director: | Estrin, Darío A. |
| Director Asistente: | Trujillo Garré, Madia |
| Consejero: | Williams, Federico José |
| Jurado: | Capdevila, Daiana A.; Machado, Matías R.; Palma, Juliana I. |
| Idioma: | Español |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7168_Semelak |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7168_Semelak.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7168_Semelak |
| Ubicación: | Dep.QUI 007168 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Semelak, Jonathan Alexis. (2022). Reactividad de especies azufradas de interés bioquímico. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7168_Semelak |
Resumen:
La oxidación de compuestos celulares que contienen tioles, como el glutatión (GSH) o cisteínas (Cys) proteicas por especies reactivas del oxígeno, juega un papel importante en una amplia variedad de procesos biológicos incluyendo la transducción de señales, la regulación de enzimas, canales proteicos, factores de transcripción y respuestas antioxidantes. Diversos peróxidos como el peróxido de hidrógeno (H2O2) o el ácido peroxinitroso (ONOOH) se producen en muchos tipos de células como respuesta a una variedad de estımulos y podrıan funcionar como mensajeros intracelulares ubicuos. La oxidación de tioles por hidroperóxidos (R’OOH), da lugar a la forma sulfénico (RSOH), que a su vez,puede reaccionar con otro tiol para dar lugar a un disulfuro (RSSR). Si la reacción se da en cambio con sulfuro de hidrógeno (H2S) como nucleófilo, el producto es la especie persulfuro (RSSH). Los persulfuros presentan una química con un amplio abanico de posibilidades. Además de exhibir electrofilicidad gracias a su azufre interno, los persulfuros pueden reaccionar como nucleófilos de forma análoga a los tioles, en la que el átomo de azufre del extremo ataca un electrófilo, como podrıa ser un hidroperóxido. Se ha propuesto que los persulfuros son nucleófilos y ácidos más fuertes que los tioles,y que son los responsables de los efectos biológicos inicialmente adjudicados al H2S. Por otro lado, dependiendo de las condiciones, la especie RSOH puede reaccionar con otro equivalente de hidroperóxido para formar la especie ácido sulfínico (RSO2H). De las reacciones mencionadas, la primera de ellas fue ampliamente estudiada tanto por el grupo de trabajo como por la comunidad científica en general, desde el punto de vista teórico y experimental. El resto, desde la reacción de la forma sulfénico con H2S para dar persulfuros, la reactividad de los persulfuros, y la eventual sobre oxidación de la forma sulfénico para dar lugar a la forma sulf ́ınico, son campos de estudio aún en crecimiento, siendo esta tesis un aporte a los mismos. Esta tesis tiene como objetivo aportar información termodinámica y cinética referente a la reactividad de las especies tiol (RSH,ácido sulfénico (RSOH) y persulfuro (RSSH). Para tal fin se empleó una combinación de técnicas de simulaciones computacionales clásicas, cuánticas e híbridas cuántico-clásicas, en combinación con estudios experimentales para la determinación de constantes cinéticas y/o energías libres de activación. Esta tesis está organizada de la siguiente manera: Comenzaremos presentando el estudio de la formación de especie sulfínico, es decir, la sobre oxidación del tiol. Esta reacción representa una alternativa a la formación de la especie persulfuro, que podría tener lugar o no dependiendo de las condiciones. Aquí empleamos un conjunto de herramientas computacionales para estudiar el mecanismo de la reacción del reactivo aislado, en solución acuosa y en particular en el ambiente proteico del sitio activo de la alquil hidroperóxido reductasa E de Mycobacterium tuberculosis (MtAhpE), una peroxidasa dependiente de tioles de la familia de las peroxirredoxinas. Finalmente, también se llevó a cabo la determinación experimental de la energía libre de activación de la reacción en MtAhpE, estudiando la variación de su constante de velocidad con la temperatura. El siguiente capítulo centra su atención en la especie persulfuro y se basa en el estudio de su reactividad nuclefılica frente a distintos electrófilos. Este capıtulo incluye el desarrollo de un método de cuantificación de persulfuro de glutation en una mezcla con otras especies de azufre, la determinación de su pKa y la de las constantes de velocidad de su reacción con H2O2, ONOOH y el alquilante monobromo bimano. En cada caso, las simulaciones dan soporte a los resultados experimentales y viceversa, permitiendo obtener una interpretación microscópica, racionalizando los resultados en términos de bases moleculares. Finalmente, teniendo como motivación la necesidad de simular el complejo mecanismo de la formación de persulfuros, en el que las moléculas de agua del solvente intervienen quımicamente, presentamos en el último capıtulo un desarrollo metodológico: la implementación en un código propio para la determinación de caminos de mınima energıa libre sin la necesidad de seleccionar a priori una coordenada de reacción. Este capítulo comienza con un estudio de sistemas modelo, y culmina con la aplicación del método a la reacción de formación de persulfuros. Como un todo, esta tesis aporta conocimiento a un conjunto de reacciones que especies de bajo peso molecular y proteicas que contiene azufre experimentan, empleando una combinación de simulaciones computacionales y experimentos.
Abstract:
The oxidation of cellular compounds that contain thiols, such as glutathione (GSH) or protein cysteines (Cys) by reactive oxygen species, plays an important role in a wide variety of biological processes including signal transduction, enzymes regulation, protein channels, transcription factors and antioxidant responses. Various peroxides such as hydrogen peroxide (H2O2) or peroxynitrous acid (ONOOH) are produced in many cell types in response to a variety of stimuli and could function as ubiquitous intracellular messengers. The oxidation of thiols by hydroperoxides (R’OOH), gives rise to the sulfenic form (RSOH), which in turn can react with another thiol to form disulfide (RSSR). If the reaction instead occurs with hydrogen sulfide (H2S) as the nucleophile, the product is the persulfide species (RSSH). Persulfides present a chemistry with a wide range of possibilities. In addition to exhibiting electrophilicity thanks to the inner sulfur atom, persulfides can react as nucleophiles in a way analogous to thiols, in which the sulfur atom at the end attacks an electrophile, such as a hydroperoxide. It has been proposed that persulfides are stronger nucleophiles and acids than thiols, and that they are responsible for the biological effects initially attributed to H2S. On the other hand, depending on the conditions, the RSOH species can react with another equivalent of hydroperoxide to form the sulfinic acid species (RSO2H). Along the mentioned reactions, the first of them has been widely studied both by our group and by the scientific community in general, from theoretical and experimental points of view. The rest, from the reaction of the sulfenic form with H2S to yield persulfides, the reactivity of persulfides, and the eventual overoxidation of the sulfenic form to form the sulfinic form, are still growing research areas, this thesis being a contribution to them. This thesis aims to provide thermodynamic and kinetic information regarding the reactivity of thiol species (RSH), sulfenic acid (RSOH) and persulfide (RSSH). For this purpose, a combination of classical, quantum and hybrid quantum mechanics - molecular mechanics computational simulation techniques were employed, in combination with experimental studies for the determination of kinetic constants and/or activation free energies. This thesis is organized as follows: We will begin by presenting the study of the formation of the sulfinic species, that is, the overoxidation of thiol. This reaction represents an alternative to the formation of the persulfide species, which may or may not take place depending on the conditions. Here we use a set of computational tools to study the mechanism of the reaction for the isolated reactants, in aqueous solution and in particular in the protein environment of the active site of the alkyl hydroperoxide re- ductase E of Mycobacterium tuberculosis (Mt AhpE), a thiol dependent peroxidase from the peroxyredoxin family. Finally, the determination of the free energy of activation of the reaction in Mt AhpE was also carried out, studying experimentally the variation of its rate constant with temperature. The next chapter focuses on the persulfide species and it is based on the study of its nucleophilic reactivity against different electrophiles. This chapter includes the development of a method for the quantification of glutathione persulfide in a mixture with other sulfur species, the determination of its pKa and the determination of the rate constants of its reaction with H2O2, ONOOH and the alkyla- ting species monobromobimane. In each case, the simulations support the experimental results and vice versa, allowing a microscopic interpretation to be obtained, rationalizing the results in terms of the molecular basis that are often only accessible through simulations. Finally, having as motivation the need to simulate the complex mechanism of persulfide formation, in which the solvent water molecules participate chemically, we present in the last chapter a methodological development; the implementation of a in-home code for the determination of minimum free energy paths without the need of selecting a reaction coordinate a priori. This chapter begins with the study of model systems, and ends with the application of the method to the persulfide formation reaction. As a whole, this thesis provides insight into a set of reactions that low molecular weight and sulfur-containing protein species undergo, employing a combination of computational simulations and experiments.
Citación:
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Semelak, Jonathan Alexis. (2022). Reactividad de especies azufradas de interés bioquímico. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7168_Semelak
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Semelak, Jonathan Alexis. "Reactividad de especies azufradas de interés bioquímico". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2022.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7168_Semelak
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