Estudio Teórico de los Efectos Propuestos para Justificar los Valores de pKa De Bilirrubina No Conjugada

ESTEBAN GABRIEL VEGA HISSI; GRACIELA N. ZAMARBIDE; GRACIELA N. ZAMARBIDE; FRANCISCO TOMÁS VERT

Lanús, Buenos Aires

Congreso; XXVIII Congreso Argentino de Química; 2010

Asociación Química Argentina

Introducción Bilirrubina no conjugada (UCB), producto final del catabolismo del grupo hemo, existe en solución como tres especies en equilibrio con propiedades diferentes: el diácido, los monoaniones (monoanión C y monoanión D), y el dianión. La siguiente figura muestra el equilibrio entre las diferentes especies de UCB. 1. Diácido; 2. Monoanión D; 3. Monoanión C; 4. Dianión. Estas especies de UCB adoptan una conformación plegada en la que cada grupo ácido propiónico y/o propionato forma uniones hidrógeno con las dipirrinonas opuestas. Como consecuencia de lo anterior, su solubilidad en agua y también en otros disolventes es baja, formándose agregados aún no caracterizados, lo cual genera dificultades experimentales para el estudio de sus propiedades, como las constantes de disociación ácida. Es por esto que a pesar de numerosos estudios desde hace más de 15 años, no se conocen los valores de pKa reales y los reportados son significativamente diferentes: por debajo de 5 o por encima de 8.Los valores de pKa son de gran relevancia patofisiológica ya que afectan la distribución de estas especies lo cual es importante para comprender efectos como la neuropatía por bilirrubina o la precipitación de sales de bilirrubina en los cálculos biliares. Se ha propuesto que los valores altos de pKa se deben a efectos derivados de la red de uniones hidrógeno: ruptura de una unión hidrógeno en la ionización, impedimento estérico para la solvatación del anión y rotación restringida de los grupos carboxilos. En este trabajo analizamos la validez de estas propuestas empleando cálculos mecanocuánticos. Todas las especies fueron optimizadas en fase gaseosa al nivel de teoría MP2/6-31G(d). Para evaluar el efecto del solvente se realizó optimización de todas las especies en agua aplicando el modelo de solvatación implícito SMD al nivel HF/6-31+G(d). Se utilizó un radio de 1.4 Å para la sonda del solvente (agua) en el cálculo de la superficie accesible al solvente (SAS) de las geometrías en solución y en fase gaseosa. Todos los cálculos se llevaran a cabo empleando el paquete de programas Gaussian 09. El programa NBO 3.1 implementado en Gaussian 09 fue usado para analizar las energías perturbativas de segundo orden de las interacciones entre pares libres y orbitales antienlazantes. Acerca de la rotación restringida de los grupos -C-COOH y -C-COO- La geometría de las especies aniónicas (monoaniones C y D, y dianión) obtenida tanto en fase gaseosa como cuando se incluyó el efecto del solvente, presenta los grupos propionatos rotados respecto de su posición en la especie diácida. La rotación aleja el grupo cargado del oxígeno carbonílico de la lactona con la que formaba unión hidrógeno y lo ubica interaccionando con los H de la dipirrinona opuesta. Estos resultados muestran que la rotación no está restringida y que cuando se produce se forman especies aniónicas estables con mayor dispersión de carga favoreciendo la liberación del protón y disminuyendo el correspondiente valor del pKa. Ruptura de la unión hidrógeno en la ionización Debido a la conformación particular de mínima energía que adopta UCB, la disociación de cualquiera de los protones de las cadenas de ácido propiónico da lugar a la ruptura de una unión hidrógeno. De acuerdo con los resultados NBO obtenidos, la disociación conduce a la pérdida de las interacciones en que el protón estaba involucrado y aparecen nuevas interacciones entre el carboxilato y la dipirrinona opuesta que brindan estabilidad adicional al anión formado. Cabe destacar también que a diferencia de otros ácidos dicarboxilicos como el oxálico y maleico, la disposición de los grupos ácidos en UCB es lo suficientemente distante para que la influencia de uno sobre el otro sea prácticamente despreciable y por lo tanto, ya sean altos o bajos, los valores de pKa presentados para ambos grupos difieren en pocas décimas. Sobre el impedimento estérico a la solvatación El entorno en que se encuentra el grupo -COOH está restrigido estéricamente con poco acceso al solvente, y luego de que se disocia el protón y se produce la rotación del grupo -COO- la situación estérica cambia levemente para este último,ya que uno de los oxígenos queda expuesto o bien por encima del plano de la dipirrinona o por debajo. Además el carbonilo del anillo lactámico queda expuesto al solvente. Como puede verse en la siguiente tabla el área accesible al solvente aumenta al disociarse los protones. Influye también en este aumento una relajación estructural que sufre toda la molécula. Especie SAS (Å2) SMD/HF/6-31+G(d) MP2/6-31G(d) Diácido 836.23 836.95 Monoanión C 847.97 846.30 Monoanión D 847.68 846.65 Dianión 855.62 855.34 Conclusiones La rotación del grupo -COO- orienta el grupo de forma favorable para la aparición de nuevas interacciones que compensan la ruptura de una unión hidrógeno en la ionización y estabilizan la especie aniónica. Además la nueva orientación expone parcialmente al -COO- y deja al grupo carbonilo estéricamente más libre aumentando la posibilidad de solvatación. A partir de lo anterior se desprende que los tres efectos derivados de la red de uniones hidrógeno intramoleculares propuestos en la literatura no son válidos para justificar los valores altos de pKa.