Reactividad de sulfuro de hidrógeno y moléculas relacionadas frente a mioglobina como modelo de hemoproteínas

• Autores: Palermo, Juan Cruz
• Año de publicación: 2024
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Bari, Sara Elizabeth
• Materia: SULFURO DE HIDROGENO; DISULFANO; MIOGLOBINA; MECANISMOS DE REACCION; QUIMICA DE COORDINACION; HYDROGEN SULFIDE; DISULFANE; MYOGLOBIN REACTION MECHANISM; COORDINATION CHEMISTRY
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

El sulfuro de hidrógeno, H2S, es una molécula de interés biológico creciente desde finales del siglo XX, cuando fue reportada su biosíntesis en mamíferos. Desde entonces, sus funciones y mecanismos de acción son objeto de activa investigación. Forma parte de una tríada de señalizadores endógenos, junto al óxido nítrico, NO, y al monóxido de carbono, CO. Las hemoproteínas están entre los destinos bioquímicos que se conocen para el H2S. El trabajo de Tesis que se presenta estuvo centrado en el estudio de la reacción de especies reactivas inorgánicas de azufre frente a la mioglobina férrica, MbFeIII, como modelo de hemoproteínas, procurando contribuir a la descripción de interacciones químicas de potencial relevancia biológica. El Capítulo 1 procura presentar el estado del arte en propiedades químicas generales y reactividad de compuestos azufrados inorgánicos frente a compuestos hémicos. El Capítulo 2 aborda el estudio de la reactividad del H2S y su par conjugado hidrosulfuro, HS─, frente a MbFeIII desde el punto de vista cinético y mecanístico. Se estudió la reacción de reducción de MbFeIII a MbFeII, mediada por soluciones de sulfuro de sodio anhidro en condiciones anóxicas. La reducción sigue una traza cinética sigmoidea asimétrica, que revela la existencia de un mecanismo autocatalítico complejo. El análisis de cada etapa nos permitió estimar parámetros cinéticos fenomenológicos del inicio y del proceso global, y proponer un mecanismo de reacción para las condiciones experimentales empleadas. Los métodos cinéticos fueron complementados con análisis espectroscópico, evaluación de la presencia de radicales, y evaluación química de intermediarios y productos finales. Además, se recurrió a cálculos teóricos de estructura y de dinámica molecular para abordar detalles mecanísticos y de comportamiento de especies reactivas. El disulfano, HSSH, y su base conjugada hidrodisulfuro, HSS─, fueron propuestos como intermediarios clave de la reacción de reducción de MbFeIII mediada por H2S/HS─. Cabe mencionar que el HSSH/ HSS─ es considerado efector de la actividad de H2S en ciertos tejidos. En el Capítulo 3, usando soluciones de disulfuro disódico como reactivo, estudiamos la coordinación de HSSH/HSS─ a MbFeIII, y su posterior reducción a MbFeII, de forma análoga a los estudios con H2S/HS─. Caracterizamos espectroscópicamente la formación del complejo MbFeIII(SSH─), estimamos su constante cinética de formación, el pKa del complejo MbFeIII(SSH─), y las constantes intrínsecas de reducción de ambas especies de la cupla HSSH/HSS─. Los estudios realizados con estas especies azufradas inorgánicas nos llevaron a realizar una evaluación por métodos teóricos de los valores de pKa de HS• y HSSH, ya que la literatura presentaba valores dispersos y sus especiaciones resultaban de interés para el análisis. El Capítulo 3 incluye un estudio preliminar sobre la formación de sulfhemos, unos compuestos de coloración verde característicos de la putrefacción de carnes, que aparecían como interferentes en algunos seguimientos cinéticos. En los Capítulos 2 y 3, generamos y discutimos distintas propuestas mecanísticas, puestas a prueba frente a los resultados de los estudios cinéticos de H2S/HS─ y HSSH/HSS─, y simulaciones de ecuaciones diferenciales. Los mecanismos generales propuestos en cada caso son consistentes con las cinéticas medidas en condiciones anóxicas. Por último y dado que la reacción de hemoproteínas con NO ha sido muy estudiada, y que con el presente trabajo de Tesis sumamos nuestra contribución sobre la reacción de compuesto hémicos con H2S/HS─ (y HSSH/HSS─ ), nos resultó de interés explorar la reacción de compuestos hémicos con el tercer miembro de la tríada de gases endógenos, el CO. El Capítulo 4 incluye una propuesta mecanística para la reacción de CO en medio básico frente a hemina IX FeIII, realizada en base a datos espectroscópicos y cinéticos reportados. Los resultados apuntan al requerimiento de dos centros metálicos para las carbonilaciones reductivas más rápidas – o mejor, menos lentas – reportadas. En conjunto, los resultados presentados contribuyen a la descripción química de la interacción de los miembros de la tríada de moléculas pequeñas endógenas frente a un destino bioquímico común: el hierro hémico.
Hydrogen sulfide, H2S, is a molecule of increasing biological interest since the end of the 20th century, when its biosynthesis in mammals was reported. Since then, its functions and mechanisms of action have been the subject of active research. It is part of a triad of endogenous signalers, together with nitric oxide, NO, and carbon monoxide, CO. Hemeproteins are among the known biochemical targets for H2S. The thesis work presented here focused on the study of the reaction of inorganic reactive sulfur species with ferric myoglobin, MbFeIII, as a model of hemeproteins, seeking to contribute to the description of chemical interactions of potential biological relevance. Chapter 1 aims to present the state-of-art in general chemical properties and reactivity of inorganic sulfur compounds towards hemic compounds. Chapter 2 deals with the study of the reactivity of H2S and its hydrosulfide conjugate pair, HS─, towards MbFeIII from a kinetic and mechanistic point of view. The reduction reaction of MbFeIII to MbFeII mediated by anhydrous sodium sulfide solutions was studied under anaerobic conditions. The reduction follows an asymmetric sigmoidal kinetic trace, which reveals the existence of a complex autocatalytic mechanism. The analysis of each stage allowed us to estimate phenomenological kinetic parameters of the initiation and overall process, and to propose a reaction mechanism for the experimental conditions employed. The kinetic methods were complemented with spectroscopic analysis, evaluation of the presence of radicals, and chemical evaluation of intermediates and final products. In addition, theoretical structure and molecular dynamics calculations were used to address mechanistic and behavioral details of reactive species. Disulfane, HSSH, and its hydrodisulfide conjugate base, HSS─, were proposed as key intermediates of the H2S/HS─ mediated MbFeIII reduction reaction. It is worth mentioning that HSSH/HSS─ is considered to be effector of H2S activity in certain tissues. In Chapter 3, using disodium disulfide solutions as reagent, we studied the coordination of HSSH/HSS─ to MbFeIII, and its subsequent reduction to MbFeII, analogously to the studies with H2S/HS─. We spectroscopically characterized the formation of the MbFeIII(SSH─) complex, estimated its formation kinetic constant, the pKa of the MbFeIII(SSH─) complex, and the intrinsic reduction constants of both species of the HSSH/HSS─ couple. The studies performed with these inorganic sulfur species led us to perform an evaluation by theoretical methods of the pKa values of HS─ and HSSH, since the literature presented scattered values and their speciations were of interest for the analysis. Chapter 3 includes a preliminary study on the formation of sulfhemes, green-colored compounds characteristic of meat putrefaction, which appeared as interferents in some kinetic follow-ups. In Chapters 2 and 3, we generate and discuss different mechanistic proposals, tested against the results of H2S/HS─ and HSSH/HSS─ kinetic studies, and differential equation simulations. The general mechanisms proposed in each case are consistent with the kinetics measured under anaerobic conditions. Finally, and given that the reaction of hemoproteins with NO has been extensively studied, and that with the present Thesis work we add our contribution on the reaction of heme compounds with H2S/HS─ (and HSSH/HSS─), it was of interest to us to explore the reaction of heme compounds with the third member of the endogenous gas triad, CO. Chapter 4 includes a mechanistic proposal for the reaction of CO in basic medium against hemin IX FeIII, carried out on the basis of reported spectroscopic and kinetic data. The results point to the requirement of two metal centers for the faster – or better, slower – reductive carbonylations reported. Taken together, the results presented contribute to the chemical description of the interaction of the members of the endogenous small molecule triad against a common biochemical fate: heme iron.
Fil: Palermo, Juan Cruz. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.