Desactivación del O2(a¹Δg) por licopeno y por los ácidos rosmarínico y carnósico en liposomas de dodac y de DPPC

Abstract

El metabolismo celular es un proceso natural en los organismos vivos que conduce inevitablemente a la producción de especies reactivas del oxígeno, conocidas como ROS, las cuales, son agentes oxidantes altamente reactivos capaces de atacar células, causando en ellas la pérdida de su estructura y funciones. El exceso de ROS en el organismo, un estado que se conoce como “estrés oxidativo”, es mantenido bajo control por mecanismos celulares y especies antioxidantes, evitando que se desencadenen enfermedades relacionadas con la oxidación celular. Entre las ROS se encuentra el oxígeno molecular singulete, O2(a¹Δg), especie que es capaz de reaccionar con gran variedad de moléculas biológicas, tales como el ADN, proteínas y lípidos, desempeñando roles perjudiciales y/o beneficiosos en el organismo. El O2(a¹Δg) es uno de los dos posibles estados excitados del oxígeno, pero es el único que tiene un tiempo de vida los suficientemente largo para ser relevante en las reacciones químicas en solución. Se puede generar por vía química, física o fotoquímica, siendo esta última la más utilizada por ser la más simple y controlable. La cinética de sus reacciones con sustratos, o desactivantes (Q), puede ser descrita en términos de la constante de velocidad de desactivación total, que incluye las vías de reacción química y física. El método ideal para evaluar, es la detección directa de la emisión fosforescente del O2(a¹Δg) en el infrarrojo cercano, utilizando la fotosensibilización como método de generación de O2(a¹Δg). Sin embargo, esta técnica tiene serias limitaciones debido a la sensibilidad de los detectores y la complejidad del proceso de decaimiento del O2(a¹Δg) en sistemas de interés biológico, cuya microheterogeneidad, hace que ocurran gradientes en la concentración local del O2(a¹Δg) afectando su reactividad, situación que puede ser parcialmente imitada en sistemas bien definidos, tales como soluciones de micelas y liposomas. El modelo más apto para entender las reacciones del O2(a¹Δg) en sistemas biológicos lo constituyen las vesículas unilamelares, las cuales, se componen de una única bicapa bien definida que permite distinguir en ellas dos pseudofases, una acuosa y otra lipídica. El modelamiento cinético en estos sistemas es una tarea compleja, pero cercana a lo que sucede a nivel celular. Como alternativa a la detección directa del O2(a¹Δg)en sistemas biológicos, en nuestro laboratorio se han sintetizado los derivados de furano; DFTA, HFDA y MFMA, que además de reaccionar eficientemente con O2(a¹Δg)a través de la vía química, pueden anclarse en la membrana desde la interfase, permitiendo estudiar la dinámica del oxígeno singulete y estimar su concentración estacionaria a distintas profundidades en la bicapa. Esta información, sumada a estudios teóricos relacionados con el transporte de moléculas pequeñas a través de la membrana lipídica, permiten obtener una aproximación cuantitativa de la distribución del O2(a¹Δg) en ella. En este trabajo se estudia, en soluciones de vesículas unilamelares de DODAC y de DPPC, la interacción del O2(a¹Δg) con los sustratos licopeno, ácido rosmarínico y ácido carnósico, en forma independiente. Los tres sustratos poseen un origen natural y conocida capacidad antioxidante. En el experimento, el O2(a¹Δg)es generado por fotosensibilización, mientras que las soluciones de vesículas, con los derivados de furano y los antioxidantes incorporados en la bicapa, son generadas por el método de inyección…

Cellular metabolism is a natural process in living organisms that inevitably leads to the production of reactive oxygen species, known as ROS, which are highly reactive oxidizing agents capable of attacking cells, causing the loss of their structure and functions. The excess of ROS in the body, a condition known as “oxidative stress” is kept under control by cellular mechanisms and antioxidant species, avoiding the triggering of diseases related to cell oxidation. Among the ROS, singlet molecular oxygen O2(a¹Δg) is a specie capable of reacting with a variety of biological molecules, such as DNA, proteins and lipids, playing harmful and/or beneficial roles in the body. O2(a¹Δg) is one of the two possible excited states of the oxygen, but is the only one with a lifetime long enough for relevant chemical reactions in solution. It can be generated in a chemical, physical and photochemical way, the last being the most used method, being the simplest and most controllable. The kinetics of its reactions with other substrates, or quenchers, may be described in terms of the total deactivation rate constant including pathways for chemical and physical reactions. The ideal method to evaluate is the detection of the phosphorescence in the near-infrared, usually using photosensitization as a generating method for O2(a¹Δg). However, this technique has serious limitations due to the sensitivity of detectors and the complexity of the decay process in systems of biological interest, where the microheterogeneity, characteristic of biological systems, makes gradients occur in the local concentration and reactivity of O2(a¹Δg), a situation that can be partly replicated in well-defined systems such as micelles and liposomes solutions. The most suitable model to understand the reactions of O2(a¹Δg) in biological systems are unilamellar vesicles, which are composed of a single bilayer well defined to distinguish two pseudofases therein, aqueous and lipidic. The kinetic modeling of these systems is complex, but close to what happens at the cellular level. As an alternative to direct detection of O2(a¹Δg) in biological systems, several derivate of furan (DFTA, HFDA and MFMA) have been synthesized in our laboratory, which in addition to react efficiently with O2(a¹Δg) through chemicals pathways, they can be anchored to the membrane from the interface, allowing to study the dynamics of singlet oxygen and estimate their stationary concentration at different depths inside the bilayer. This information, together with theoretical studies related to the transport of small molecules through the lipid membrane allows obtaining a quantitative approach about the distribution of O2(a¹Δg) in the bilayer. In this work, a study concerning the interaction of O2(a¹Δg) with the substrates lycopene, rosmarinic acid and carnosic acid, in solutions of unilamellar vesicles of DODAC and DPPC, is presented. The three substrates possess a natural origin and a known antioxidant capability. In the experiment O2(a¹Δg) is generated by photosensitization, while solutions of vesicles, with the furan derivatives and antioxidants incorporated in the bilayer, are generated by the injection method. HFDA is the furan derivative that places the reactive group deeper into the bilayer, and thus, the one that probes more information regarding to the O2(a¹Δg) inside, is obtained for the three antioxidants through a kinetic model of two pseudofases, previously developed in our laboratory, where molecules of antioxidants and HFDA competing for reaction with O2(a¹Δg). The values of ,are also obtained by time-resolved methods, in order to make a comparison between them and obtained through the salts of furan by the method of the competitive reactions. The values of obtained for lycopene are close to those obtained by other authors in similar conditions. On the other hand, for rosmarinic and carnosic acids do not exist previous studies specifically related to O2(a¹Δg), however, the high value of the obtained for these substrates indicates that they play a significant protective effect against damage caused by O2(a¹Δg) in lipidic membranes, finding values in one order of magnitude higher than to those determined in methanol.