Estudio DFT de la reactividad sobre superficies aminofosfolipídicas. Mecanismos de reacciones relacionadas con la generación de productos de glicación avanzada (AGEs)

Abstract

En el presente trabajo se proponen mecanismos para varias reacciones que conducen a la formación de productos de glicación avanzada, en base a cálculos realizados a nivel PBE/GGA, en el contexto de la teoría del funcional de la densidad (DFT), en un modelo de una capa de fosfolípidos diseñada bajo condiciones periódicas de contorno. En los modelos periódicos usados, cada celda unidad contiene dos moléculas de fosfatidiletanolamina (PE), moléculas reactivas adicionales según sea la reacción estudiada, y un número suficiente de moléculas de agua para formar una red de enlaces de hidrógeno sobre la superficie aminofosfolipídica. Estas redes de enlaces de hidrógeno fueron importantes para la estabilización de los reactivos, intermedios, productos y estados de transición de las reacciones estudiadas, participando algunas moléculas de agua de estas redes, como puentes para las transferencias de protones entre los grupos reactivos. Las reacciones estudiadas comprendieron la formación de bases de Schiff a partir de acetaldehído y PE, el reordenamiento de Amadori teniendo como reactivo de partida una base Schiff de D-eritrosa-PE, la descomposición del peróxido de hidrógeno y la formación de carboximetil-PE a partir de glioxal y PE. En las reacciones en las que se presenta un paso de deshidratación, este fue el paso limitante, lo que es consistente con la evidencia experimental disponible sobre las mismas. En el estudio de todas las reacciones estudiadas destaca el rol catalítico de las capas de PE sobre las reacciones que acontecen en su superficie Este efecto catalítico se realiza a través a través de componentes de la superficie de PE, como los grupos amino y grupos fosfato que forman parte la red de enlaces de hidrógeno, estabilizando la misma y facilitando la acumulación de moléculas de agua en su proximidad. En algunas reacciones estudiadas, los grupos amino de la PE participan como grupos donantes o aceptores en las transferencias de protones. Basados en nuestros resultados, es posible plantear la hipótesis de que la superficie de las membranas de fosfolípidos pueden modificar el comportamiento cinético de algunas reacciones biológicas que acontecen sobre la misma, actuando como catalizadores.

Mechanisms for the formation of advanced glycation end-products on an amine-phospholipid monolayer model were realized by using density functional theory (DFT) calculations carried out at the PBE/GGA level under periodic boundary conditions. Each unit cell contained two phosphatidylethanolamine (PE) molecules, and a sufficient number of water molecules for forming hydrogen bond networks. These networks were involved in the reactions, stabilizing reactants, intermediates, products and transition states and performing as proton-transfer carriers, important in all steps of reactions. The studied reactions covered formation of Schiff bases, having acetaldehyde as carbonyl compound, the Amadori rearrangement since Schiff base from D-erythrose and PE, the hydrogen peroxide decomposition above PE surface, and the formation of carboxymethylated-PE from glyoxal and PE. In the studied reactions where there is a dehydration step, it was the limiting step, which is consistent with the experimental evidence available for such reactions. The most important outcome of our study is highlighting the catalytic role of PE-surface on the studied reactions which proceed on it. This catalytic effect is realized through PE-surface components as amine groups and phosphate groups which might enhance reaction forming hydrogen bonds with water molecules of the hydrogen bond network, and facilitating the water molecules accumulation in the proximity of the PE-surface, amine groups could participate additionally as donors or acceptors in the proton transfers. Based in our results, it is possible to hypothesize that cell membrane phospholipids surface environment modify the kinetic behavior of some biological reactions, being capable of catalyzing them.