Diioduro de 2,5-bis-(N, N, N-trimetilamoniometil)-furano, una prueba soluble en agua para estudiar el comportamiento del O2(1Δg) en sistema microheterogéneos

Abstract

El oxígeno molecular singulete es la especie excitada de menor energía del oxígeno y se encuentra presente en los sistemas biológicos junto a otras especies reactivas del oxígeno. La alteración del balance normal de las especies reactivas del oxígeno conduce al estrés oxidativo, siendo el O2(1Δg) la especie excitada de mayor energía. En esta situación, se producen reacciones con biomoléculas dando lugar a estados inflamatorios, mutagénesis, generación de tumores, envejecimiento y por último la muerte celular. Dada la naturaleza compleja y microheterogénea del medio biológico, el estudio del comportamiento del oxígeno molecular singulete en estos sistemas es complejo. Debido a su microheterogeneidad, la utilización de modelos como vesículas y liposomas permite imitar las principales características del medio celular. En nuestro grupo se han sintetizado furanos sustituidos que permiten el estudio de la reactividad y movilidad del oxígeno molecular singulete en la bicapa lipídica de vesículas. Estos furanos son sustituidos con cadenas alquílicas de diferente largo y en una de ellas se localiza un grupo trimetilamonio el cual se ancla a la interfase de la vesícula. La incorporación de este tipo de moléculas a las vesículas y la medición de la reactividad del O2(1Δg) con los furanos ubicados a diferentes profundidades de su bicapa lipídica, permite bajo ciertas restricciones obtener información sobre la variación de la concentración estacionaria del O2(1Δg) en distintas zonas de la bicapa y sobre la constante de reparto de esta especie entre la pseudofase lipídica y la acuosa. En este contexto, junto a los furanos descritos se ha también diseñado un sensor de oxígeno excitado con sustituyentes que permitieran su solubilización sólo en la pseudofase acuosa de la solución de vesículas. Para este efecto, se sintetizó la molécula diioduro de 2,5-bis- (trimetilamoniometil)-furano. Este compuesto, al igual que los alquilfuranos ya estudiados, debía presentar una alta reactividad química con el O2(1Δg). Los estudios realizados permitieron determinar que es un muy buen desactivante del oxígeno excitado pero sin embargo su reactividad química es muy baja. Este comportamiento, inusual para la mayoría de los furanos descritos, permitió proponer un mecanismo de reacción entre el O2(1Δg) y el diioduro de 2,5-bis- (trimetilamoniometil)-furano, el cual consiste en un exciplejo con separación de carga que, al desestabilizarse, genera el sustrato inicial y oxígeno molecular.

Singlet molecular oxygen is the first excited specie of oxygen present in biological systems in addition to other reactive oxygen species. Modification of the normal balance of the reactive oxygen specie leads to oxidative stress, O2 (1Δg) being the highest energy specie. Under this condition, reactions with biomolecules take place that give rise to inflammatory states, mutagenesis, tumor generation, aging and eventually the cellular death. Due to the complexity and microheterogenous nature of the biological medium, the study of the behaviour of singlet molecular oxygen in these systems is complex. The microheterogeneity of model systems, such as vesicles and liposomes, allows to mimic the main characteristics of cellular media. In our research group, substituted furan molecules have been synthesized to study of the reactivity and mobility of singlet molecular oxygen in the lipidic bilayer of vesicles. These furans were substituted with alkyl chains of different length with trimethylammonium group, which could be anchored to the vesicle interphase. Under certain restrictions, the incorporation of this type of molecules in the vesicles and the measurement of the reactivity between O2(1Δg) and the furan ring located at different depths of their lipidic bilayer allow to obtain information on both the variation of the stationary concentration of O2 (1Δg) in different zones of the bilayer, and on the distribution constant of this specie between the lipidic and the aqueous pseudophases. In this context, another substituted furan compound was designed whose substitution made it soluble only in the water pseudophase of the vesicle solution. For this effect, 2,5-bis-(trimethylammoniummethyl)-furan diiodide was synthesized. This compound, like the other reported alkylfurans, should exhibit a high chemical reactivity with O2 (1Δg). However, the current study shows that substituted furan is an efficient quencher for excited oxygen, its chemical reactivity being very low. This behaviour, unusual for most reported furans, permits to postulate a mechanism of reaction for O2 (1Δg) and 2,5-bis- (trimethylammoniummethyl)–furan diiodide, consisting of an exciplex with charge separation character, which generates the initial substrate and molecular oxygen.