Dinámica de sistemas de interés biológico. Estudios de flexibilidad y estabilidad en sistemas de puente de hidrógeno.

Abstract

Las interacciones por puente de hidrógeno resultan cruciales en la definición de numerosos procesos de relevancia biológica. Su reconocida importancia como elementos moduladores de la estructura de macromoléculas, su papel en el reconocimiento molecular de especies químicas (iones, fármacos,.), o su actuación en los mecanismos catalíticos de enzimas, resultan ejemplos evidentes de ello.<br/><br/>Numerosas metodologías experimentales aportan descripciones muy valiosas del comportamiento de los sistemas modulados por puente de hidrógeno. Junto a ellas, los métodos teóricos constituyen un complemento necesario de cara a obtener una descripción detallada de los aspectos estructurales, energéticos y dinámicos de estos sistemas, así como para simular condiciones de entorno y situaciones químicas concretas que no resultan de fácil acceso a la metodología experimental.<br/><br/>La presente tesis se ha centrado en la descripción desde una perspectiva teórica de una serie de sistemas de interés biológico cuyas propiedades vienen determinadas en alto grado por la presencia de puentes de hidrógeno. Los estudios realizados pueden estructurarse en tres bloques temáticos.<br/><br/>En un primer bloque, se analiza el papel que desempeña la interacción por puente de hidrógeno como elemento clave en la modulación del reconocimiento selectivo de especies aniónicas por receptores orgánicos. En este punto, nuestro interés está orientado esencialmente a determinar por un lado la estructura del complejo de interacción entre el receptor y el anión, así como la estabilidad relativa de dicha interacción frente a diversos aniones. Por otra parte, un objetivo complementario consiste en detrminar la flexibilidad intrínseca del receptor orgánico, con el fin de determinar el posible coste conformacional asociado a la reorganización de su estructura como paso previo al reconocimiento del anión.<br/><br/>En un segundo bloque, se estudia el comportamiento dinámico de los ácidos nucleicos, cuya estructura, estabilidad y flexibilidad viene determinado en parte por la presencia de interacciones de puente de hidrógeno. A su vez, dichas interacciones son claves en el mantenimiento del código genético, así como en la posibilidad de poder reconocer la secuencia de bases a lo largo de los surcos del DNA, lo cual subyace en el reconocimiento selectivo frente a pequeños ligandos o proteínas. En particular, nuestro interés se orienta al estudio de la flexibilidad conformacional del dúplex de DNA mediante una serie de herramientas teóricas que permitan extraer información directa acerca de su naturaleza dinámica.<br/><br/>Finalmente, en un tercer bloque se examina el efecto que tiene el mantenimiento de las pautas de puente de hidrógeno en la conservación del código genético y en el funcionamiento de aplicaciones biotecnológicas basadas en ácidos nucleicos sintéticos. Así, nuestro objetivo se orienta en eset caso hacia la comprensión de las propiedades mutagénicas de la isoguanina, que está estrechamente relacionadas con su enorme versatilidad tautomérica, que le permite definir distintos patrones de interacción basada en puentes de hidrógeno. Asimismo, también ha sido nuestro objetivo examinar las características químicas de nucleobases expandidas, basadas en la modificación de las bases naturales mediante inserción o adición de un anillo de benzeno, como paso previo al estudio de su posible utilización como elementos estructurales en el diseño de dúplexes modificados de potencial valor biotecnológico.

Hydrogen bond interactions are crucial elements in the definition of many processes of biological relevance. Their recognized importance as modulators of macromolecular structure, their role in molecular recognition between chemical species (ions, drugs,.), or their action in catalytic enzymatic mechanisms, are clear examples of this.<br/><br/>Numerous experimental methodologies bring valuable descriptions of hydrogen bond modulated systems. Furthermore, theoretical models act as a necessary complement in order to obtain more accurate explanations of structural, energetic and dynamic aspects of these systems, as well as to simulate environmental conditions and chemical situations which are not easily accessible to experimental approaches.<br/><br/>Present dissertation has focused on the description, from a theoretical point of view, of a series of systems of biological interest which properties are to a high extent determined by the presence of hydrogen bond interactions. Studies performed can be exposed in three thematic blocks.<br/><br/>In a first section, the role played by hydrogen bond interactions in modulating the selective recognition of anions by organic receptors is analyzed. In this point, our interest by one hand is essentially driven to determine the structure of the interaction complex between receptor and anion, as well as the relative stability of this interaction towards several anions. In the other hand, a complementary objective is to determine the intrinsic flexibility of the organic receptor, so as to evaluate the possible conformational cost associated to its structural reorganization previous to anion recognition.<br/><br/>In a second part, we study the dynamic behavior of nucleic acids, the structure, stability and flexibility of which are somehow modulated by the presence of hydrogen bond interactions. Besides, these interactions are crucial for the maintenance of genetic code, and for the ability of recognizing base sequence along DNA grooves, which underlies in the selective recognition of this biomolecule by small ligands or proteins. In particular, our interest is oriented towards the study of conformational flexibility of DNA duplexes by using a wide set of theoretical tools which allow to extract direct information about its dynamic nature.<br/><br/>Finally, in a third section, we study the effect of maintaining hydrogen bond patterns in the conservation of the genetic code and in the performance of biotechnological applications based on synthetic nucleic acids. In this way, our objective is oriented towards the understanding of mutagenic properties of isoguanine, which are closely related to its enormous tautomeric versatility, which allows it to define alternative interaction patterns based on hydrogen bond. Moreover, it has also been our objective to examine the chemical features of expanded nucleobases, consisting in the modification of natural bases by the addition or insertion of a benzene ring, as a previous step to study its possible use as structural elements in the design of modified duplexes of biotechnological interest.