Estudio fisicoquímico de B-carbolinas : aplicación a sistemas biológicos

Abstract

El esqueleto β-carbolínico, 9-H-pirido[3,4-b]jindol, es la unidad básica de un grupo de alcaloides indólicos, de variada actividad biológica. Los mecanismos de acción de β-carbolinas a nivel del sistema nervioso central o como agentes anticancerígenos se conocen cada vez con mayor claridad. Sin embargo, respecto de las propiedades quimioterapéuticas y de la actividad enzimática, la literatura sólo informa los resultados de las pruebas de cribado, desconociéndose hasta el momento los modos de acción. Esta tesis presenta un estudio fisico-químico de estos alcaloides, centrado en dos áreas: el estudio de las propiedades electrónicas y de descriptores de reactividad químicа, definidos en el marco conceptual de la Teoría de Funcionales de la Densidad, calculados a nivel de teoría B3LYP/6-31G, y un estudio electroquímico, realizado a través de voltametría cíclica lineal, en ambiente acuoso y a diferentes pH, y en un solvente aprótico (DMSO). Se presenta además por primera vez la detección - por resonancia paramagnética electrónica (EPR) y en presencia de un atrapador de radicales libres de una especie radicalaria producto de la oxidación electroquímica de una tetrahidro-β -carbolina en ambiente aprótico. Puesto que la literatura informa que las β-carbolinas forman complejos de transferencia de carga con flavinas (FAD, riboflavina), se estudió además, a través de los descriptores de reactividad, la reacción de transferencia de hidruro entre las moléculas de lumiflavina (7.8,10-trimetilisoaloxazina) y 1-metilnicotinamida como un modelo simplificado del sistema FAD-NAD(P)H, presente en los procesos catalíticos de numerosas enzimas, el cual podría ser intervenido por las β-carbolinas a través de una interacción FAD- β-carbolina. Sobre la base de los resultados obtenidos se evaluó la correlación existente entre las características físico-químicas y la actividad biológica que presentan una serie de Sobre la base de los resultados obtenidos se evaluó la correlación existente entre las características físico-químicas y la actividad biológica que presentan una serie de Sobre la base de los resultados obtenidos se evaluó la correlación existente entre las características fisico-químicas y la actividad biológica que presentan una serie de β-carbolinas. Se midió entonces la actividad inhibitoria de las flavoenzimas MAO-A y MAO-В de algunos de estos compuestos y la actividad tripanosomicida frente a dos cepas de epimastigotes de Trypanosoma cruzi, Tulahuén y LQ, de susceptibilidades diferentes frente al fármaco nifurtimox, utilizado clínicamente en el tratamiento de la enfermedad de Chagas.-carbolinas. Se midió entonces la actividad inhibitoria de las flavoenzimas MAO-A y MAO-В de algunos de estos compuestos y la actividad tripanosomicida frente a dos cepas de epimastigotes de Trypanosoma cruzi, Tulahuén y LQ, de susceptibilidades diferentes frente al fármaco nifurtimox, utilizado clínicamente en el tratamiento de la enfermedad de Chagas.-carbolinas. Se midió entonces la actividad inhibitoria de las flavoenzimas MAO-A y MAO-В de algunos de estos compuestos y la actividad tripanosomicida frente a dos cepas de epimastigotes de Trypanosoma cruzi, Tulahuén y LQ, de susceptibilidades diferentes frente al fármaco nifurtimox, utilizado clínicamente en el tratamiento de la enfermedad de Chagas. Respecto de la reacción de transferencia de hidruro en el sistema lumiflavina-1- metilnicotinamida, ésta se puede comprender como una interacción entre especies blandas, controlada por los orbitales de frontera y bien enmarcada en el principio de ácidos y bases duros y blandos de Pearson (HSAB). Descriptores globales como el potencial químico electrónico, la electrofilia y la blandura describen apropiadamente la reactividad del sistema estudíado. La regioespecificidad de la transferencia de hidruro estaría modulada por propiedades de regiones extendidas dentro de la molécula, las que incluirían más de un centro atómico. En este trabajo se encontró que los sitios reactivos de las moléculas que participan en la interacción están ubicados en regiones de diferentes moléculas, con fomas y tamaños similares y que presentan valores muy similares de blandura grupal, de acuerdo al principio HSAB local. Respecto de los descriptores de estructura electrónica de las B-carbolinas, se observa que en el núcleo piridoindólico la dureza química y la blandura química dependen de la aromaticidad del sistema, mientras que el potencial químico electrónico depende del grado de insaturación de estos compuestos. La carga crítica, NMAX, y la electrofilia presentan una tendencia menos clara ya que dependen tanto del potencial químico electrónico como de la dureza química, observándose que las dihidro- Respecto de los descriptores de estructura electrónica de las B-carbolinas, se observa que en el núcleo piridoindólico la dureza química y la blandura química dependen de la aromaticidad del sistema, mientras que el potencial químico electrónico depende del grado de insaturación de estos compuestos. La carga crítica, NMAX, y la electrofilia presentan una tendencia menos clara ya que dependen tanto del potencial químico electrónico como de la dureza química, observándose que las dihidro- β-carbolinas-carbolinas son las más electrofilicas y las que presentan mayor valor de NMAX, mientras que las tetrahidro- β-carbolinas son las menos electrofílicas y de menor NMAX. El análisis de los descriptores de reactividad en el sistema lumitlavina- β-carbolina sugiere que estos alcaloides se comportan como dadores de electrones frente a la molécula de lumiflavina, y tendrían gran afinidad por una de las formas protonadas de la lumiflavina. En concordancia con los resultados de otros estudios acerca de la actividad IMAO-A y -B de B-carbolinas, éstas resultaron ser potentes inhibidoras de la MAO-A, e inhibidoras muy pobres de la MAO-B. La actividad IMAO-A de las B-carbolinas se correlaciona con la formación de complejos de transferencia de carga entre flavinas y B-carbolinas. La formación de complejos de transferencia de carga se correlaciona a su vez con el potencial químico electrónico, la electrofilia, la carga crítica y la transferencia de carga, mientras que la actividad IMAO-A muestra una fuerte dependencia del potencial químico electrónico, de la electrofilia y de la transferencia de carga. La inhibición del crecimiento de cultivos de epimastigotes de Trypanosoma cruzi en la cepa LQ depende de la lipofilia de las B-carbolinas y de la unión de éstas a flavinas (riboflavina, FAD). La inhibición del consumo de oxígeno en esta misma cepa también dependería de la asociación B-carbolina-flavinas; además dependería del potencial químico electrónico, de la electrofilia, de la carga criítica y de la transferencia de carga. En la cepa Tulahuén tanto la inhibición del crecimiento de los cultivos como la inhibición del consumo de oxígeno de los epimastigotes dependen de la lipofilia, de la asociación B-carbolina-flavinas, de la electrofilia y de la carga crítica. Respecto al estudio electroquímico por VCL de las B-carbolinas, a pH fisiológico la oxidación de algunos de estos compuestos sería compatible con los procesos redox de sistemas biológicos, mientras que la reducción de ellas sería incompatible con dichos sistemas. De manera general, la actividad antioxidante de las B-carbolinas se relaciona con los potenciales de oxidación de estos compuestos. A pH 7 ia reducción de estos alcaloides se correlaciona con la electrofilia y la carga crítica, mientras que la oxidación se correlaciona con el potencial químico electrónico. En medio aprótico (DMSO) la reducción de las B-carbolinas se correlaciona con el potencial químico electrónico, con la electrofilia y la carga crítica. Por último, la 1,2,3,4-tetrahidro-B-carbolina se oxida electroquímicamente en medio aprótico generando un radical libre de vida muy corta, detectable por EPR en presencia de un atrapador de radicales libres.

The B-carboline moiety, 9-H-pyrido[3,4-b]indole, is the basic scaffold of a group of indole alkaloids which have a variety of biological activities. The mechanisms of action of Bcarbolines in the central nervous system or as anticancer agents are increasingly well known nowadays. Nevertheless, with regard to their chemotherapeutic properties or their enzymatic activities, the scientific literature only reports screening results, leaving these mechanisms less understood. This thesis presents a physico-chemical study of these alkaloids, centered on two areas: one, in which the electronic properties and some chemical reactivity descriptors, defined in the context of the conceptual part of Density Functional Theory, are calculated for the f-carbolines at the B3LYP/6-31G level of theory; and the other, an electrochemical study based on cyclic voltametry, in aqueous media at different pH values, and in an aprotic solvent (DMSO). Also, this thesis presents for the first time the detection - using electron paramagnetic resonance (EPR) in the presence of a spin trapper- of a tree radical species which is the product of the electrochemical oxidation of tetrahydro-B-carboline in an aprotic solvent. The scientific literature reports that &-carbolines form complex associations with flavins (FAD, riboflavin) through a charge-transfer process. This fact led us to a theoretical study of the hydride transfer reaction between lumiflavine (7.8,10-trimethylisoalloxazine) and 1- methylnicotinamide, using their electronic properties and their chemical reactivity descriptors, as a simplified model of the FAD-NAD(P)H system which participates in the catalytic processes of a considerable number of enzymes, and with which B-carbolines could interfere through a FAD-B-carboline interaction. Considering the results obtained, the relationship between physical-chemical characteristics and biological activity was evaluated for several B-carbolines. The MAOI-A and MAOI-B activities of some &-carbolines was determined. The trypanosomicidal activity towards epimastigotes of Trypanosoma cruzi belonging to two the Tulahuén and LQ strains, which have different susceptibilities towards nifurtimox, a drug used clinically in the treatment of Chagas' disease, was also evaluated. With regard to the hydride transfer reaction in the isoalloxazine-nicotinamide system, it can be understood as an interaction between soft species, controlled by frontier orbitals and nicely framed within the HSAB principle. The reactivity of the studied systems is well described by overall molecular descriptors derived from the conceptual part of DFT, such as the electronic chemical potential, electrophilicity and softness. Regiospecificity of the hydride transfer reaction in the isoailoxazine-nicotinamide system seems to be consistently modulated by properties of extended molecular regions, including more than one atomic centre. In this work it was found that reactive sites in interacting molecules are located in regions of the different molecular frameworks, with similar shapes and sizes, which display very similar group softnesses. With regard to the electronic structure and the chemical reactivity descriptors of Bcarbolines it was found that, in the pyridoindole moiety, the chemical hardness and the chemical softness depend on the aromaticity of the system, whilst the electronic chemical potential is dependent on the degree of insaturation for these compounds. The electrophilicity and the critical charge display a less clear trend, due to their dependence on both the electronic chemical potential and the chemical hardness: dihydro-B-carbolines are the most electrophilic analogues and they display the highest values for the critical charge, whilst tetrahydro-B-carbolines are the least electrophilic, and they display the lowest values of the critical charge. Analysis of the reactivity descriptors in the lumiflavine-B-carboline system suggests that these alkaloids donate charge to the lumiflavine molecule; besides, B-carbolines should have high affinity for one of the protonated forms of lumiflavine. Concerning the MAOI-A and -B activities of B-carbolines, the results obtained in this work are in agreement with those obtained by other authors: B-carbolines are potent inhibitors of MAO-A and very poor inhibitors of MAO-B. It was also found in this work that the MAOI-A activity is related to the formation of charge transfer complexes between flavins and & carbolines. In tum, the formation of charge transfer complexes is correlated with the electronic chemical potential, electrophilicity, critical charge and charge transfer. MAOI-A activity shows a strong dependence on the electronic chemical potential, electrophilicity and charge transfer. Inhibition of growth of Trypanosoma cruzi epimastigote cultures of the LQ strain depends on the f-carbolines' lipophilicity and on the B-carboline-flavin association (riboflavin, FAD). The inhibition of oxygen uptake in this strain also seems to depend on the &-carbolineflavin association, on the electronic chemical potential, electrophilicity, critical charge and charge transfer. In the Tulahuén strain both the inhibition of culture growih and of oxygen uptake by the epimastigotes depends on lipophilicity, B-carboline-flavin association, electrophilicity and critical charge. Regarding the linear cyclic voltammetric electrochemical study of B-carbolines at physiological pH, the oxidation of some of these compounds would be compatible with redox processes of biological systems; while the reduction of the same would not be possible with them. In general terms, the antioxidant activity of B-carbolines is related to the oxidation potentials of these compounds. Finally, 1,2,3,4-tetrahydro-B-carboline is oxidised electrochemically in aprotic solution generating a free radical species with a very short half-life, making it only detectable by EPR in the presence of a spin trapper.