Exclusión de agua y unión de proteínas : implicaciones en estudios de la función biológica, diseño de drogas y diseño de materiales

El estudio de las interacciones no covalentes nace prácticamente al mismo tiempo que se comienza a desarrollar la fisicoquímica moderna; de hecho, las leyes que utilizamos para describirlas aún hoy en día fueron establecidas por Van der Waals a finales del mil ochocientos. Sin embargo, en la base de...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Montes de Oca, Joan Manuel
Otros Autores: Appignanesi, Gustavo Adrián
Formato: tesis doctoral
Lenguaje:Español
Publicado: 2018
Materias:
Química
Agua
Bioingeniería
Proteínas
Materiales
Hidratación
Acceso en línea:http://repositoriodigital.uns.edu.ar/handle/123456789/4359
Aporte de:
Repositorio Institucional Universidad Nacional del Sur (UNS) de Universidad Nacional del Sur
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description El estudio de las interacciones no covalentes nace prácticamente al mismo tiempo que se comienza a desarrollar la fisicoquímica moderna; de hecho, las leyes que utilizamos para describirlas aún hoy en día fueron establecidas por Van der Waals a finales del mil ochocientos. Sin embargo, en la base de este trabajo subyace la hipótesis de que todavía queda mucho por entender, particularmente en lo que refiere a interacciones electrostáticas en medios acuosos. La realidad es que la ciencia moderna avanza rápidamente hacia el tratamiento de problemáticas cada vez más complejas (por ejemplo, el estudio de sistemas biológicos, materiales de dimensiones nanométricas, etc.) con más y mejores herramientas metodológicas. Hoy en día contamos, por ejemplo, con la capacidad de estudiar sistemas químicos con detalle atómico. Lo que proponemos en este trabajo es, inicialmente, la reinterpretación de esas primeras leyes fundamentales, a la luz de los nuevos descubrimientos y luego, la implementación de ese nuevo formalismo para el abordaje de las problemáticas complejas antes mencionadas. En definitiva, planteamos una mirada integradora de los interrogantes científicos modernos en este campo, conceptualmente elaborada a partir de los principios físicos básicos que ordenan la naturaleza, como alternativa a una serie de normas de origen más bien fenomenológico, frecuentemente utilizadas en el presente para su interpretación. Este enfoque fenomenológico, no solo ensombrece la construcción del conocimiento universal, sino que, incluso, puede llegar a significar un desperdicio de recursos, dada la inherente limitación en la aplicabilidad de sus conclusiones. Para ilustrar esta situación basta mencionar que actualmente se ha invertido más esfuerzo de la comunidad científica en mejorar los métodos basados en el escrutinio de grandes bases de datos para estudiar, por ejemplo, actividad de fármacos, predicción de estructuras proteicas, etc., que en generar conceptos que permitan un acercamiento inteligente a estas cuestiones. Tal vez la primera pregunta que operó como impulso de todo lo que en este trabajo se expone es, simplemente, ¿por qué son relevantes las interacciones electrostáticas en un medio con constante dieléctrica tan alta como el agua? Es una pregunta relativamente simple, ciertamente no del todo original, pero sepultada sin una respuesta concluyente en los anales históricos de la ciencia. Para responder a esta pregunta y a varias de sus derivaciones de mayor complejidad nos adentramos en un camino conceptual que comienza en los estudios de las características de estructuración local y dinámica del agua pura, luego explora las diferencias de comportamiento del agua en entornos superficiales y nanoconfinados, identificando los factores del entorno fisicoquímico que gobiernan las propiedades locales del solvente. Más adelante estudiamos interacciones electrostáticas de sistemas modelos en agua, alternando sistemáticamente las condiciones del entorno químico, según lo aprendido con antelación y, finalmente, sometimos a prueba todos estos criterios en sistemas biológicos complejos en solución acuosa. Los resultados aquí obtenidos contribuyen a la desambiguación de una dialéctica establecida en torno al concepto de hidrofobicidad. Entendiendo que, en definitiva, la hidrofobicidad de una superficie se define en función de su efecto sobre el solvente. Asimismo, señalamos que este efecto se encuentra cifrado en una variedad de características de la superficie, tales como la densidad superficial de interacciones de Van der Waals, la curvatura local, y no solo la identidad química de la superficie (su polaridad). Llegamos a la conclusión, también, de que, una vez entendido el efecto que tiene una superficie hidrofóbica sobre el agua en su vecindad, se puede afirmar que un entorno hidrofóbico optimiza las interacciones de carga en agua. Finalmente, demostramos que la exclusiva consideración del efecto del solvente sobre interacciones no covalentes (particularmente puentes de hidrógeno intramoleculares), sin incluir de manera explícita las interacciones tradicionales, permite predecir con éxito tanto la unión de proteínas a sustratos, como los mecanismos estructurales que gobiernan la regulación alostérica.

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