m = (eL + eH)/ 2 S = 1/ (eL – eH) w = m2S/ 2 Resultados y Discusión ESTUDIO PRELIMINAR DE LAS PROPIEDADES ELECTRÓNICAS DE DERIVADOS HALOGENADOS DE CITISINA Bruce K. Cassels1,2 y Pilar Rivas1,3 1Instituto Milenio para estudios avanzados en Biología Celular y Biotecnología. 2Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, Casilla 653, Santiago. 3Departamento de Ciencias de la Salud, Facultad de Humanidades, Ciencias Sociales y de la Salud, Universidad de Magallanes, Casilla 113-D, Punta Arenas, Chile. Introducción Parte Experimental La Citisina (Cy), un alcaloide quinolizidínico, es un agonista parcial de los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR). Los nAChR constituyen una familia ampliade receptores ionotrópicos compuestos todos ellos por cinco subunidades de proteínas iguales o altamente homólogas. La afinidad de Cy y de sus derivados halogenados por los nAChR es muy sensible a la composición del receptor en términos de subunidades. El halógeno y la posición de éste son también determinantes de la afinidad hacia los nAChR. En especial, se ha podido estudiar el efecto de la halogenación en las posiciones C-3 y C-5 del anillo piridónico de la Cy, determinándose que la halogenación en C-3 aumenta la la afinidad por los receptores, mientras que la halogenación en C-5, o la dihalogenación en C-3 y C-5 disminuye notablemente la afinidad.1 Se desconocen las razones que dan cuenta de este comportamiento. En este trabajo se presentan los resultados de la exploración de algunas propiedades electrónicas de derivados halogenados (F, Cl, Br, I, en las posiciones C-3, C-5, y C-3 y C-5) de Cy y de N-metilcitisina (N-Me-Cy), con el objeto de comprender el papel que estas propiedades pudieran tener e la discriminación de los nAChR hacia estos compuestos. Se consideraron los principales isómeros conformacionales del anillo piperidínico de estas moléculas, silla y bote (S y B respectivamente). Se consideró además la orientación del par electrónico en las moléculas neutras, la orientación del grupo N-metilo, endo o exo y el efecto de la protonación del nitrógeno piperidínico, ya que se espera que estas moléculas estén protonadas a pH fisiológico. Se realizaron cálculos ab initio a nivel B3LYP/3-21G* utilizando el paquete de programas Gaussian98. Las geometrías de las moléculas fueron optimizadas completamente. Se calcularon descriptores globales de estructura electrónica, en el marco DFT, como potencial químico electrónico (m), blandura química (S), y electrofilia (w), los que han mostrado ser útiles en la comprensión de las interacciones biológicas de acuerdo a las siguientes definiciones:2 m = (eL + eH)/ 2 S = 1/ (eL – eH) w = m2S/ 2 donde eL y eH son las energías del LUMO y HOMO respectivamente. También se consideró el momento dipolar (MD) en el análisis de las propiedades electrónicas de los citisinoides halogenados. Tabla 2: Energías relativas (kcal/mol) de los diferentes confórmeros de los derivados halogenados de Cy and N-Me-Cy protonados. Molécula SNMN SNMX BNMN BNMX N-Me-Cy 7.17 0.00 12.36 8.66 3-Br-N-Me-Cy 6.99 0.00 12.10 8.41 5-Br-N-Me-Cy 6.37 0.00 11.01 7.66 3-I-N-Me-Cy 6.96 0.00 12.09 8.46 Resultados y Discusión La Figura 1 muestra tres de los cuatro confórmeros principales que pueden adoptar los citisinoides y que podrían estar involucradas en las interacciones con residuos aminoácídicos de los sitios biológicos: en la conformación a) el anillo piperidínico se encuentra en conformación silla, el par electrónico (PE) hacia afuera de la molécula, SPEX; en b) el anillo piperidínico está en silla, con PE hacia adentro de la molécula, SPEN; en c) el anillo piperidínico se encuentra en conformación bote, con PE hacia fuera de la molécula BPEX. La Tabla 3 resume las propiedades electrónicas MD, m, S y w de los derivados protonados de estos alcaloides en conformación S y SNMX. MD se ve afectado por el cambio conformacional (resultados no mostrados) y por la posición y naturaleza de la halogenación, de manera que las moléculas sustituídas en C-3, y con halógenos de mayor tamaño, presentan un MD mayor que las moléculas sustituídas en C-5 o dihalogenadas. Este resultado se correlaciona con la actividad agonista de los nAChR, que aumenta notablemente con la halogenación en C-3 y disminuye con la halogenación en C-5 o con la dihalogenación.1,3 Los descriptores m y w se ven menos afectados por los cambios conformacionales, mientras que S permanece casi invariable (resultados no mostrados). Dentro de cada serie conformacional m se ve afectado más bien por la posición de la halogenación que por la naturaleza del halógeno. En cambio S y w aumentan si aumenta el tamaño de los halógenos, y son menos afectados por la posición de la halogenación. Estos resultados también se correlacionan con la actividad agonista de nAChR, pero de manera menos clara.1,3 a b c Figure 1: a) Cy neutra en conformación SPEX; b) N-Me-Cy neutra en conformación SPEN; c) 5-Br-Cy neutra en conformación BPEX. Tabla 3 : Descriptores moleculares de derivados halogenados de Cy y N-Me-Cy protonadas. Derivados de Cy en conformación S, derivados de N-Me-Cy en conformación SNMX Molécula MD (D) m (eV) S (ua) w (eV) Cy 9.2 -6.939 5.851 5.177 3-F-Cy 11.7 -6.971 5.893 5.262 5-F-Cy 9.1 -7.034 6.122 5.565 3,5-diF-Cy 11.5 -7.076 6.088 5.601 3-Cl-Cy 13.0 -7.032 6.130 5.570 5-Cl-Cy 9.4 -7.077 6.040 5.558 3,5-diCl-Cy 12.7 -7.179 6.264 5.932 3-Br-Cy 14.8 -6.898 6.309 5.516 5-Br-Cy 10.0 -6.964 6.079 5.417 35-diBr-Cy 14.1 -6.960 6.407 5.704 3-I-Cy 16.9 -6.804 6.634 5.643 5-I-Cy 10.7 -6.967 6.179 5.511 3,5-diI-Cy 15.5 -6.893 6.727 5.873 3-I-5-Br 15.7 -6.889 6.670 5.817 N-Me-Cy 8.9 -6.822 5.847 5.000 3-Br-N-Me-Cy 14.5 -6.792 6.285 5.328 5-Br-N-Me-Cy 9.8 -6.866 6.071 5.258 3-I-N-Me-Cy 16.6 -6.697 6.579 5.421 Las Tablas 1 y 2 resumen los resultados obtenidos del estudio conformacional de los derivados halogenados de Cy y de N-Me-Cy, neutros y protonados, de los cuales se observa que las moléculas con anillos piperidínicos en conformación silla son más estables, con diferencias de energías conformacionales de 4-6 Kcal/mol para las moéculas neutras, de 7 Kcal/mol para las protonadas y de 5-12 Kcal/mol para las N-Me-Cy neutras y protonadas. Tabla 1 : Energías relativas de los diferentes confórmeros de los derivados halogenados de Cy y N-Me-Cy, neutros y protonados (kcal/mol) Confórmeros neutros Confórmeros Protonados Molécula SPEX SPEN BPEN BPEX S B Cy -0.90 0.00 4.43 5.17 0.00 8.58 3-F-Cy -0.58 0.00 4.67 5,35 0.00 8.29 5-F-Cy -0.48 0.00 4.68 5.37 0.00 7.35 3,5-diF-Cy -0.21 0.00 4.98 5.62 0.00 7.13 3-Cl-Cy -0.50 0.00 4.69 5.40 0.00 8.28 5-Cl-Cy -0.27 0.00 4.76 5.46 0.00 7.46 3,5-diCl-Cy 0.04 0.00 5.00 5.65 0.00 7.31 3-Br-Cy -0.56 0.00 4.62 5.34 0.00 8.41 5-Br-Cy -0.34 0.00 5.00 5.69 0.00 7.58 35-diBr-Cy -0.11 0.00 5.15 5.79 0.00 7.51 3-I-Cy -0.50 0.00 4.67 5.38 0.00 8.41 5-I-Cy -0.35 0.00 4.90 5.57 0.00 7.90 3,5-diI-Cy -0.05 0.00 5.11 5.77 0.00 7.86 3-I-5-Br -0.05 0.00 5.18 5.83 0.00 7.48 N-Me-Cy 3.66 0.00 8.02 5.08 3-Br-N-Me-Cy 3.66 0.00 8.11 5.14 5-Br-N-Me-Cy 3.83 0.00 8.44 5.56 3-I-N-Me-Cy 3.78 0.00 8.21 5.27 Bibliografía: 1Slater Y, Houlian LM, Bermúdez I, Lukas RJ, Valdivia AC, Cassels BK (2003) Neuropharmacol. 44, 503. 2Rivas P, Zapata-Torres G, Melin J, Contreras R (2004) Tetrahedron, 60, 4189. 3Rivas PI, Cassels BK (2005) 2nd Meeting of the U.K. Receptor Club, Harlow, Essex, U. K., May 20, 2005. Agradecimientos: se agradece el financiamiento otorgado por el Proyecto ICM Nº P 99-031-F.