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Se publica con permiso de The Royal Society of Chemistry (RSC) a nombre del Centre National de
la Recherche Scientifique (CNRS) y RSC.
Fuente: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/cc/c2cc90157a/unauth#!divAbstract
Ciclofanos: receptores selectivos
para el reconocimiento de
moléculas de interés biológico
Nelson Núñez Dallos
Ciclofanos:
receptores selectivos para el reconocimiento
de moléculas de interés biológico
Nelson
Núñez Dallos
M. Sc., estudiante de
doctorado en Química en la
Universidad de los Andes
[email protected]
El diseño y desarrollo de nuevos receptores para el reconocimiento
selectivo de iones metálicos y moléculas biológicamente importantes, han adquirido importancia en los últimos años debido a
sus aplicaciones en biología y medicina. Entre estos receptores se
destacan los ciclofanos, que son sistemas cíclicos con una cavidad
bien definida, y actúan como anfitriones con la capacidad de encapsular iones y moléculas huésped en su interior. En este artículo
se presentan avances recientes del uso de ciclofanos solubles en
agua como quimiosensores selectivos para el reconocimiento y
detección de glucosa, con posible aplicación en el monitoreo de
glucosa en personas diabéticas. También se muestra el potencial
de estos sistemas como moléculas quelantes en el tratamiento de
enfermedades asociadas a la acumulación localizada de metales,
tales como el Parkinson y el Alzheimer, entre otros ejemplos.
Las moléculas presentan dos tipos de interacciones, principalmente: interacciones covalentes y no covalentes. Las covalentes corresponden a los enlaces fuertes que existen entre los átomos para formar la
estructura de las moléculas, y las no covalentes, a las interacciones débiles que existen entre las moléculas. Estas últimas se conocen como interacciones intermoleculares, y constituyen el campo de estudio de
la química supramolecular. En los últimos años, la química supramolecular se ha enfocado en el diseño
y síntesis de nuevos receptores moleculares útiles para el reconocimiento selectivo de moléculas de
importancia biológica y química.
Este reconocimiento molecular selectivo está regido por fuerzas no covalentes entre una molécula anfitriona y una molécula huésped, y es llamado reconocimiento anfitrión-huésped. Entre los receptores
moleculares útiles para la química del reconocimiento anfitrión-huésped se destacan los ciclofanos. Por
tener una estructura rígida con una cavidad bien definida, estos actúan como anfitriones que pueden
encapsular y estabilizar moléculas huésped por medio de diversas interacciones no covalentes.
El reconocimiento molecular corresponde a la interacción entre dos moléculas, y generalmente está
regido por una sola fuerza o una combinación de fuerzas no covalentes, tales como puentes de hidrógeno, enlaces de coordinación con metales, interacciones hidrofóbicas, apilamiento π, Van der Waals,
e interacciones electrostáticas [1]. El entendimiento de la importancia del reconocimiento molecular en
diversos procesos biológicos que involucran enzimas, ácidos nucleicos y anticuerpos, entre otros, ha
ayudado a los químicos a diseñar sistemas sintéticos análogos con propiedades interesantes [2]. El diseño de receptores para una molécula huésped específica requiere un conocimiento de las características
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estructurales, así como de las interacciones intermoleculares
favorecidas para dicha molécula. Aunque las interacciones no
covalentes son más débiles que los enlaces covalentes, el efecto
cooperativo de varias de estas interacciones ayudará a reforzar
el proceso de reconocimiento selectivo. Por lo tanto, los receptores que tengan distintas posibilidades de unión a la molécula
de interés mediante interacciones no covalentes serán sondas
moleculares selectivas y eficientes [1, 2].
En los últimos años el diseño y desarrollo de receptores moleculares selectivos de moléculas biológicamente importantes,
tales como aminoácidos, proteínas, carbohidratos, nucleótidos y
ácidos nucleicos, han adquirido mucha importancia debido a sus
posibles aplicaciones en biología y medicina [2, 3]. Entre esos
estudios se destaca el uso de diversos ciclofanos funcionalizados
para el reconocimiento selectivo de biomoléculas importantes.
Los ciclofanos se pueden definir como una clase de compuestos
cíclicos que constan de unidades aromáticas unidas entre sí a
través de puentes adecuados y grupos espaciadores (figura 1).
El tamaño de la cavidad y las propiedades exhibidas por estos
sistemas se pueden modificar variando la parte aromática, la
unidad de puente o los grupos espaciadores. Estos sistemas cíclicos tienen una cavidad de tamaño definido y son eficientes
en la encapsulación y la estabilización de moléculas huésped
en el interior de la cavidad mediante diversas interacciones no
covalentes. Esta propiedad característica de los ciclofanos ha
sido ampliamente estudiada para desarrollar sondas selectivas
de una variedad de moléculas huésped [2, 4].
Debido a la facilidad de funcionalización, los ciclofanos se han
utilizado como receptores de aniones, cationes y moléculas
neutras, pero también de biomoléculas tales como aminoácidos, proteínas, carbohidratos, nucleósidos, nucleótidos y ácidos
nucleicos. La presencia de una cavidad bien definida y una alta
solubilidad en agua hacen a los ciclofanos ideales para el reconocimiento biomolecular. Sin embargo, aunque varios derivados
Unidad puente
Favorece interacciones
electrostáticas
de ciclofanos se han utilizado con eficacia en la formación de
complejos anfitrión-huésped, el diseño de ciclofanos solubles
en agua que retienen la capacidad de reconocimiento en medio
acuoso ha sido difícil [4,5]. A continuación se muestran algunas
aplicaciones de los ciclofanos como receptores selectivos para
el reconocimiento de moléculas de interés biológico.
LECTINA SINTÉTICA: CICLOFANO
PARA EL RECONOCIMIENTO Y DETECCIÓN DE GLUCOSA
Una aplicación clave de los receptores selectivos de glucosa es
el monitoreo de glucosa en personas diabéticas. El reconocimiento de carbohidratos en solución acuosa es un desafío para
la química supramolecular. Los carbohidratos son especies hidrofílicas, y por lo tanto difíciles de extraer del agua. Por tener
varios grupos hidroxilos, los carbohidratos no pueden ser distinguidos fácilmente por los receptores naturales o sintéticos,
ya que se confunden con las moléculas de agua. En un estudio
reciente se reportó la obtención de una lectina sintética para el
reconocimiento y detección de glucosa. Esta nueva lectina sintética soluble en agua consiste en un receptor molecular cíclico
tipo ciclofano (figura 2) [3].
Se encontró que la lectina sintética se une a la glucosa con
excelente selectividad, en comparación con otros monosacáridos comunes (por ejemplo, 50:1 frente a la galactosa), y tiene
la afinidad suficiente para detectar glucosa en concentraciones
encontradas en la sangre. Este nuevo receptor también presenta
características convenientes de emisión de fluorescencia, que
responden a la unión con el sustrato y proveen un sistema de
señalización para la detección de glucosa. La estructura tridimensional de este macrociclo y su complejo con metil β-Dglucósido se muestra en la figura 3. En el complejo, el receptor
forma cuatro puentes de hidrógeno intermoleculares NH---O
con cuatro oxígenos del sustrato; también se presentan seis
contactos CH-π entre el sustrato y el receptor (figura 3b) [3].
Grupo espaciador
Controla el tamaño
de la cavidad y la rigidez
NH2
H2N
O
PFPO
PFPO
i.Alta dilución
ii.CF3CO2H
luego NaOH
O
Y
O
Y = NHC(CH2OCH2CH2CO2t Bu)3
PFP = Pentafluorofenil
O
NH
O
−O
O
O
O
O
−O
O
−O
Parte aromática
Facilita apilamiento π
e interacciones π-catión
Cavidad
Estabiliza los complejos
de inclusión
Figura 1. Representación esquemática de los sitios de unión en un ciclofano funcionalizado.
Fuente: ilustración del autor.
O
O
NH
NH
NH
NH
O
O
O
O−
O−
O
O
O
O
O−
O
NH
O
Figura 2. Síntesis y estructura de una lectina sintética para el reconocimiento y detección de
glucosa.
Fuente: adaptada con permiso de Macmillan Publishers Ltd.: Nature Chemistry, referencia [3],
copyright (2012).
Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 77
Figura 3. a) Estructura tridimensional más estable de la lectina sintética. Las cadenas laterales que hacen al compuesto soluble en agua se omiten para mayor claridad. b) Estructura del complejo de
lectina sintética con metil β-D-glucósido.
Fuente: adaptada con permiso de Macmillan Publishers Ltd.: Nature Chemistry. Referencia [3], copyright (2012).
Convención para el color de los átomos N: azul, O: rojo, C: negro, H: blanco
CICLOFANOS PARA EL RECONOCIMIENTO
DE NUCLEÓSIDOS Y NUCLEÓTIDOS
Recientemente, se sintetizó una serie de nuevos ciclofanos solubles en agua que contienen unidades de antraceno conectadas
entre sí por diferentes unidades puente y grupos espaciadores.
En ese estudio se investigó la interacción de los ciclofanos con
diversos nucleósidos y nucleótidos bajo condiciones de pH fisiológico, y se encontró que uno de los ciclofanos forma complejos
estables únicamente con 5’-ATP (adenosín trifosfato) y 5’-GTP
(guanosín trifosfato), mediante múltiples interacciones no covalentes (figura 4) [2, 6].
Para la detección selectiva de 5’-ATP y 5’-GTP en buffer y en
fluidos biológicos se realizó un ensayo de desplazamiento del
indicador de fluorescencia (en inglés, FID: fluorescence indicator displacement), usando 8-hidroxi-1,3,6-pireno trisulfonato
(HPTS) como indicador fluorescente. El ensayo de desplazamiento del indicador de fluorescencia permite que un indicador
se una reversiblemente a un receptor, seguido por el desplazamiento del indicador a través de una competencia con el analito.
En este proceso las propiedades ópticas del indicador cambian
notablemente. Cuando se realizó la titulación del ciclofano con
N
HPTS se observó una desaparición completa de la intensidad
de fluorescencia de HPTS. El complejo no fluorescente formado
(ciclofano•HPTS) se tituló con varios nucleósidos y nucleótidos.
Esto llevó al desplazamiento de HPTS del complejo y provocó
la reactivación de la intensidad de fluorescencia (figura 5). Se
observó que 5’-GTP produjo el máximo desplazamiento de HPTS
del complejo Ciclofano•HPTS, con un aumento 150 veces mayor en la intensidad de fluorescencia, mientras que el incremento en la intensidad fue 45 veces mayor con el nucleótido 5’-ATP,
que es estructuralmente similar a 5’-GTP [2, 7]. Los resultados del estudio de la interacción de estos ciclofanos con varios
nucleósidos y nucleótidos indicaron que la rigidez y tamaño de
la cavidad, la superficie aromática y la naturaleza de unidades
puente dictan la estabilidad del complejo supramolecular, y por
lo tanto dirigen las propiedades de reconocimiento biomolecular
de estos ciclofanos [4].
AMINOÁCIDOS MACROCÍCLICOS: CICLOFANOS COMO RECEPTORES DE IONES METÁLICOS
Los ciclofanos también se describen como macrociclos por tratarse de moléculas cíclicas con tres o más potenciales átomos
donadores de electrones (por ejemplo, N, O), que pueden enla-
Interacciones
electrostáticas
N
Apilamiento π
Cavidad
PO44−
°
10,35 A
4CI
N
N
Base
NH2
O
O
P
O
O
O
P
O
N
O
O
P
N
O
O
N
Azúcar
N
Antraceno
O
5'-ATP
OH
OH
4,4'-bipiridina
Figura 4. Representación esquemática del reconocimiento de 5’-ATP por un ciclofano soluble en agua que contiene unidades de antraceno como parte aromática y 4,4’-bipiridina como unidad
puente.
Fuente: adaptada con permiso de los autores (referencia [6]). Copyright 2005, American Chemical Society.
78 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 18, 2015
N
N
N
N
NaO3S
OH
NaO3S
SO3Na
Aumento de fluorescencia (%)
150
4CI
A
100
HPTS
A
5'-GTP
FID
HPTS
50
[A-HPTS]
[A-5'-GTP]
OFF
ON
Fluorescencia ON
0
5'-AMP 5'-ADP 5'-CTP 5'-UTP 5'-ATP 5'-GTP
Figura 5. Reconocimiento selectivo de 5’-GTP por un ciclofano soluble en agua mediante el
ensayo de desplazamiento del indicador de fluorescencia.
Fuente: adaptada con permiso de los autores (referencia [7]). Copyright 2006, American
Chemical Society.
zarse a iones metálicos. En este tipo de compuestos las modificaciones estructurales modulan la selectividad de la cavidad
para la formación de complejos (quelatos) con iones metálicos
divalentes [8].
La búsqueda de pequeñas moléculas quelantes es un área de
investigación interesante, ya que se constituyen en una de las
futuras estrategias para el tratamiento de enfermedades asociadas a la acumulación localizada de metales, tales como el
Parkinson y el Alzheimer. Entre estas moléculas se encuentran
como candidatos los aminoácidos macrocíclicos. En un estudio
reciente, se publicó que ciertos aminoácidos macrocíclicos tipo
ciclofano forman complejos estables con cationes como Cu(II),
Zn(II), y Ni(II). En estos macrociclos, con átomos electrodonores (N, O), se observa que la presencia del grupo carboxilato es
importante en la coordinación con el ión metálico (figura 6) [8].
Teniendo en cuenta la capacidad de los ciclofanos para llevar
huéspedes dentro de su cavidad, el diseño y síntesis de sondas
moleculares específicas y selectivas, así como de sistemas de
liberación controlada de fármacos basados en ciclofanos es un
campo de investigación de gran interés en la actualidad [9-12]. •
O
HO
REFERENCIAS
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O
HN
NH
O
OH
Ni(II)
O
Figura 6. Estructura del complejo formado entre el catión Ni(II) y un aminoácido macrocíclico
tipo ciclofano. Se omiten los átomos de hidrógeno para mayor claridad.
Fuente: [8]. Editado por el autor
Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 79