estudio quÍmico cuÁntico de la desprotonaciÓn de...

XXV CONGRESO DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE ELECTROQUÍMICA

3RD MEETING OF THE MEXICAN SECTION ECS

1400 31 DE MAYO – 4 DE JUNIO, 2010

ZACATECAS, MÉXICO

ESTUDIO QUÍMICO CUÁNTICO DE LA DESPROTONACIÓN DE LA ADRENALINA

V.G. Gámez García 1, A. Cuán1*, M. E. Palomar-Pardavé1*, M. T. Ramirez Silva2, C. M. Cortés-

Romero3, M. A. Romero- Romo1.

1 Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco, Departamento de Materiales, Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa, C.P. 02200 D.F. México.

2 Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. Departamento de Química, Av. Michoacán y Purísima s/n Col. Vicentina, C.P. 09340 D.F. México.

3IATC, 76802 San Juan del Río, Querétaro. México *Tel (55)55318-9082, Fax (55)5553189577, [email protected] y

[email protected]

RESUMEN

Se presenta el estudio químico cuántico de la adrenalina y las diferentes estructuras

probables que se pueden formar a lo largo de la escala de pH. Se presenta algunas de las

propiedades electrónicas como es la distribución de carga atómica, distribución orbital del

HOMO y LUMO, energías orbitales para algunas de las especies calculadas. Se obtiene que

durante el proceso de desprotonación, la perdida de protones es más factible primero en el grupo

amino, seguida de los protones pertenecientes al grupo catecol, el –OH de la cadena alifática es el

último en perderse dando lugar a un producto inestable. Al pH de interés biológico, en donde la

adrenalina se encuentra predominantemente protonada, se obtiene que el protón ligado al grupo

amino, protege a este grupo de reacciones de oxido-reducción y por tanto el anillo del grupo

catecol se vuelve más vulnerable a este tipo de reacciones. En la distribución de las isosuperficies

del HOMO y LUMO para cada una de las especies estudiadas, se encuentra una redistribución

electrónica para las diferentes especies.

Palabras Clave: Neurotransmisores, Adrenalina, Propiedades Electrónicas, DFT.

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1. INTRODUCCIÓN

La adrenalina (AD), es un neurotransmisor del sistema nervioso simpático que pertenece al

grupo de las catecolaminas, ya que contiene un grupo catecol y un grupo amino en su estructura

molecular. La AD está presente en el organismo humano, es secretada por las glándulas

suprarrenales del riñón cuando existen situaciones de alerta, preparando al organismo para la

acción a través un aumento de concentración de glucosa en la sangre, así como, del ritmo

cardíaco y de la velocidad de respiración, también se produce la dilatación de las pupilas y

estimula al cerebro para que genere dopamina [1]. Dada la importancia de la adrenalina,

actualmente es de gran utilidad contar con una confiable caracterización fisicoquímica de la

molécula, para entender mejor los mecanismos de interacción de la AD con otras sustancias

presentes en el organismo [2]. Por otra parte, debido a que el grupo amino y los grupos hidroxilos

que componen la AD (ver Figura 1), reaccionan fácilmente en distintos ambientes de pH,

causando una oxidación o reducción de la molécula y aunado a su sensibilidad a la luz y a la

presencia de oxígeno, que también promueve su auto-oxidación, muchos grupos se han avocado

la tarea de estudiarla abarcando áreas diferentes. Recientemente, han realizado el análisis

experimental, por ejemplo, de las zonas de predominio de la AD en medio acuoso y la

determinación de los pKa´s en sus diferentes zonas de predominio [3], lo cual incluye el pH de

interés biológico (pH=7), ver Figura 2. Como se puede ver en esta Figura 2, a éste pH la AD se

encuentra totalmente protonada, H4AD+. En este sentido y desde el punto de vista molecular, las

estructuras probables y propiedades electrónicas de esta molécula, aún no han sido del todo

explorados. Por lo cual el presente estudio se basa en la aplicación de la química cuántica

computacional a través de la Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT), para obtener

diferencias y geometrías probables involucradas de acuerdo al pH aplicado, así como,

distribución electrónica de la molécula y zonas susceptibles a oxidación, al pH de interés

biológico y comparándola con la especie en su estado neutro.

Figura 1. Molécula de adrenalina en estado neutro (H3AD), α: ángulo diedro.

α



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Figura 2. Diagrama de zona de predominio para la AD reportada por Corona-Avendaño et al. [3].

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

En este estudio se emplea el método semi-empírico AM1 y la Teoría de Funcionales de la

Densidad (DFT) implementada en el programa Gaussian 2003 [4]. Para el cálculo de la superficie

de energía potencial (PES) de la rotación del ángulo diedro α, se utilizó el método semi-empírico

AM1. Las geometrías obtenidas en los mínimos del PES, fueron optimizadas nuevamente al nivel

de teoría DFT, utilizando el funcional híbrido B3LYP [5]con base 6-311G más dos funciones

polarizadas (d,p), con sus respectivos cálculos de frecuencia para asegurar que las geometrías

corresponden a mínimos en PES. El estudio se realizó en fase gas. Los cálculos de estructura

electrónica se realizaron tomando en cuenta todos los electrones y el análisis de la distribución de

carga atómica se realizó bajo el esquema de proyección del potencial electroestático en la

molécula (ESP) [6].

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El esquema propuesto para la desprotonación de la molécula de AD es el mostrado en la

Figura 3.

Como se puede ver en la Figura 2 al pH fisiológico menor de 7.0, la especie predominante

es la adrenalina protonada y solo puede existir una especie en esta primera etapa, pues la adición

de un protón acido a la estructura solo tiene la disposición del átomo de nitrógeno en este caso.

Esta especie es la que estaría preferencialmente en el organismo humano. En la segunda etapa,

cuando el pH se encuentra alredor de 8.0 la primera perdida del protón puede darse de diferente

manera (especies H3AD-I a la H3AD-IV), está pérdida involucra 4 especies diferentes. En la

tercera etapa a pH mayor de 8.6 se encuentra la segunda desprotonación de la molécula y para

esta etapa se proponen 7 especies diferentes a formarse. La cuarta etapa corresponde a la pérdida

de 3 protones de la estructura y se proponen 4 especies diferentes, donde el pH debe ser mayor de

9.7. La última etapa corresponde a la molécula de AD completamente desprotonada en la cual



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solo una especie química podría formarse. La idea es establecer el mecanismo de desprotonación

que se lleva a cabo de acuerdo a las diferencias de energía entre las diferentes especies formadas

para cada etapa. De esta manera, se obtendría el mecanismo de la perdida de protones en la

molécula de AD y el sitio probable de desprotonación de acuerdo al valor de pH de trabajo. Hasta

este momento, solo se tiene la primeras dos etapas completas y parte de la tercera. Sin embargo,

algunas conclusiones importantes pueden ya ser extraídas de este estudio, como a continuación se

discutirán.

Figura 3. Diagrama esquemático propuesto de la desprotonación de la adrenalina (AD) de acuerdo al de diagrama

zona de predominio mostrado en la Figura 2 y reportado por Corona-Avendaño et al. [3].

En la primera parte del estudio, se realizó una búsqueda de las diferentes conformaciones

para la molécula de AD en su estado neutro, esto se hizo a nivel semi-empírico AM1. Se realizó

la rotación del ángulo diedro α que se forma entre los siguientes átomos: 9H, 7C, 5N y 6H, ver

Figura 1. La rotación del ángulo generó conformaciones de mínima y máxima energía en PES,

como puede verse en la Figura 4. Las barreras rotacionales encontradas a este nivel de teoría

muestran que los confórmeros Mín1 y Mín2, pueden coexistir en el medio y que para llegar a la

conformación Mín3, se requiere de un mayor suministro de energía.



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Para poder comparar las diferencias de energía entre los mínimos y las barreras rotacionales

obtenidas con la teoría AM1, se re-optimizaron las geometrías mínimas (Mín1, Mín2 y Mín3) y

los máximos (Barr1, Barr2 y Barr3), al nivel de teoría B3LYP/6311G (d,p). Los resultados

obtenidos se muestran en la Tabla I. Así como, la diferencia de energía entre el HOMO (orbital

más alto ocupado) y el LUMO (orbital más bajo desocupado), y sus correspondientes momentos

dipolares. De ésta Tabla I, se puede ver que la geometría mínima global corresponde a la

molécula en una conformación completamente alargada (Mín1) y que existen dos

conformaciones más que se estabilizan a energías más altas Mín2 y Mín3, éstas últimas están a

1.70 y 13.73 kJ mol-1 por arriba de Mín1. Como nuestro propósito es determinar las estructuras

geométricas formadas de acuerdo a la zona de predominio del pH, partiremos de la geometría de

mínima energía encontrada de acuerdo a PES, esto es la geometría Mín 1.

Figura 4. Diagrama esquemático, para la AD neutra, de la superficie de energía potencial (PES) con respecto a la variación del ángulo diedro α formado entre los átomos 9H , 7C, 5N y 6H, ver Figura 1. Nivel calculo AM1.

Es de hacer notar, que las geometrías Mín1 y Mín2 se encuentran alargadas, mientras que

en la geometría Mín3, la cadena lineal que contiene al grupo amino ha sufrido cierta torsión,

tendiendo hacia una conformación cíclica. Esta conformación, Mín3, tal vez corresponde al

precursor de la oxidación y la ciclización de esa parte de la molécula hacia la formación del

adrenocromo [7]. En tanto, las barreras rotacionales muestran la posible coexistencia de las dos

conformaciones Mín1 y Mín2 con una barrera de 4.30 a 5.84 kJ mol-1 entre una conformación u

otra, éstas muestran cambios estructurales mínimos entre ellas. Los cambios conformacionales

adquiridos en la molécula de AD conllevan a cambios a nivel electrónico, como se puede ver en



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la Tabla I. Con respecto a la diferencia en la energía HOMO (EH) y LUMO (EL), éstas se ven

afectadas, así como también su momento dipolar.

Tabla I. Estructuras de mínima energía para la AD neutra y diferencias de energía (ΔE) respecto al mínimo global, ΔEa corresponde a las barreras rotacionales, ΔΕH-L corresponde a la diferencia en energía entre los

orbitales HOMO y LUMO; y µ corresponde al momento dipolar. Las diferencias de energía fueron calculadas al nivel B3LYP/6311G (d,p).

De esta manera, la diferencia |EH-EL| menos pronunciada corresponde a la geometría Min3

si se compara con las geometrías Mín2 y Mín1. Mientras que en éstas dos últimas no hay un

cambio considerable en el valor de ΔΕH-L. Por lo que, de acuerdo a los valores obtenidos para

ΔΕH-L sugeriría que una vez alcanzada la conformación Mín3, la molécula puede volverse más

reactiva, tendiendo a ciclarse más fácilmente, si las condiciones son favorables. El momento

dipolar también se ve afectado por la geometría conformacional de la AD, siendo mayor,

mientras más alongado se encuentre la cadena perteneciente al grupo amino.Con respecto a la

diferencia en la energía HOMO (EH) y LUMO (EL), éstas se ven afectadas, así como también su

momento dipolar. De esta manera, la diferencia |EH-EL| menos pronunciada corresponde a la



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geometría Min3 si se compara con las geometrías Mín2 y Mín1. Mientras que en éstas dos

últimas no hay un cambio considerable en el valor de ΔΕH-L. Por lo que, de acuerdo a los valores

obtenidos para ΔΕH-L sugeriría que una vez alcanzada la conformación Mín3, la molécula puede

volverse más reactiva, tendiendo a ciclarse más fácilmente, si las condiciones son favorables. El

momento dipolar también se ve afectado por la geometría conformacional de la AD, siendo

mayor, mientras más alongado se encuentre la cadena perteneciente al grupo amino.

De acuerdo a la escala de pH y la zona de predominio para cada especie reportada en [3],

encontramos que al pH de interés fisiológico, pH=7, la AD se encuentra totalmente protonada

(ver Figura 2), por lo que es de interés estudiar a la H4AD+ y ver sus diferencias con respecto a la

especie neutra, H3DA. A este respecto, se tomo como especie de referencia la AD neutra

correspondiente al mínimo global (Mín1) y se le agrego un protón al grupo amino, –NH, ya que

es el único lugar donde el protón podría alojarse debido al par electrónico libre en el átomo de

nitrógeno. Posteriormente se realizó la re-optimización de la adrenalina protonada al nivel de

teoría B3LYP/6-311G(d,p), para obtener una mejor descripción energética, la geometría mínima

se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Estructura optimizada para la adrenalina protonada H4AD+.

Energéticamente no se pueden comparar las especies de AD neutra (H3AD) y protonada

(H4AD+), pero si podemos comparar algunas diferencias en sus propiedades electrónicas, por lo

que en las Figuras 6 y 7, se muestra las energías orbitales y la distribución de la isosuperficie

HOMO y LUMO para ambas especies. Haciendo el análisis de resultados, a este respecto, se

obtiene una redistribución drástica en la que la cantidad de niveles desocupados que se

encuentran por abajo del nivel de Fermi para la AD se protonada, si se compara con la AD

neutra, ver Figura 6c y 7c.

Ahora bien, si vemos como es la distribución de la isosuperficie, tanto del HOMO como

del LUMO en ambas moléculas (Figura 6(a),(b) y 7 (a), (b)), podemos ver que también, éstas se

ven afectada por la presencia del protón. De esta manera, para la AD neutra, la distribución del



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HOMO se localiza principalmente en la región cercana al grupo amino, mientras el LUMO está

localizado en la región perteneciente al grupo catecol. Curiosamente, la presencia del protón en la

AD, invierte esta distribución, localizándose ahora el HOMO en la región del grupo catecol y el

LUMO en la región del grupo amino, como puede verse en las Figuras 6 y 7.

En la Figuras 8 y 9 se muestra las cargas atómicas calculadas para ambas especies H3AD y

H4AD+. Las cargas atómicas calculadas se realizaron bajo el esquema ESP, el cual se obtiene a

través de la proyección del potencial electroestático en la molécula [6]. Se utilizó este esquema

porque ha demostrado mínima dependencia con respecto a la base empleada. Haciendo el análisis

de las cargas atómicas para la molécula de adrenalina neutra y protonada se puede observar que

la región afectada por la presencia del protón (H4AD+) en mayor proporción es justamente la

cercana al grupo amino, tornándose más ácido el átomo de hidrógeno 6H (de 0.176 e- en la AD

neutra a 0.287 e- en la protonada) y con una menor densidad de carga electrónica el átomo de

nitrógeno 5N (-0.386 e- en la AD neutra a -0.347 e- en la protonada), ver Figuras 8 y 9, y la carga

electrónica correspondiente al protón en H4AD+ es 0.301 e- y es el hidrógeno más ácido de todos

en la molécula.

Al pH fisiológico se puede prever que la adrenalina se encontraría siempre protonada con

una pequeña contribución de la AD neutra por la cercanía de pKa. Los resultados químico-



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cuánticos obtenidos al nivel de teoría B3LYP/6311G (d,p) muestran que cuando la AD se

encuentra protonada la distribución electrónica cambia con respecto a la especie neutra,

localizándose el HOMO principalmente en el grupo catecol, si el proceso de oxidación lo

relacionamos con la perdida de electrones de una especie y en cuanto a energía, el orbital más

vulnerable a esta pérdida de electrones es el HOMO, entonces el proceso de oxidación se daría

justo en la región donde éste se encuentra ubicado, siendo en este caso el grupo catecol el

afectado, ya que el grupo amino se protege por la presencia del protón ligado a su para

electrónico libre.

Siguiendo el esquema presentado en la Figura 3, en la segunda etapa del proceso de

desprotonación , se pueden también formar otras especies a la par de la AD neutra, discutida

previamente, en la Tabla II, se muestra las diferencias de energía en entre las diferentes especies

propuestas. De la Tabla II se puede ver que efectivamente, la primera desprotonación de la

molécula a pH mayores de 7, será la del protón ligado al grupo amino.

Las reacciones de óxido-reducción se dan de manera natural en el organismo humano y

dadas las condiciones de pH y de algunos estudios realizados experimentalmente, se sabe que la

oxidación de los neurotransmisores, en este caso especial de la AD, se lleva a cabo justamente en

el grupo catecol y no por el grupo amino [8], por lo que nuestros resultados están de acuerdo con

lo observado experimentalmente.

En la Figuras 10 a 12, se muestran la distribución del HOMO y LUMO obtenida para las

especie H3AD-IV y H3AD-III, en donde si la comparamos con la H3AD-I (Figura 6), podemos



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ver que existe una redistribución tanto de los orbitales como de las energías orbitales. En la

Figura 11, se presenta la distribución de carga atómica bajo el esquema ESP, para las especies

H3AD-IV. Entonces, de acuerdo a las diferencias de energías obtenidas para la primera

desprotonación, ver Tabla II, la estabilización de la molécula en orden creciente quedaría, H3AD-

I > H3AD-IV > H3AD-III > H3AD-II. Por tanto, la pérdida del protón que causaría una mayor

energía es la del ligado al grupo –OH de la cadena alifática, de hecho, partiendo de la geometría

mostrada para esta especie H3AD-II durante el proceso de optimización se obtiene una migración

del protón del grupo amino al oxígeno, dando como geometría óptima la especie H3AD-I. Con lo

cual se corrobora que efectivamente esta especie es la de menor energía.

Tabla II. Diferencias de energía () en Kcal mol-1, entre las diferentes especies propuestas en cada proceso de desprotonación de la molécula de adrenalina. El cero de energía es la especie tomada como referencia, por ser la de

menor energía del grupo.

Diferencia de energía ()

B3LYP/6-311G(d,p) (Kcal/mol)

H3AD-I H3AD-II H3AD-III H3AD-IV

0.00 55.61 55.30 39.80

H2AD--I H2AD--II H2AD—III H2AD--IV H2AD--V H2AD--VI

33.26 16.31 0.00 85.15 84.71 81.57

HAD2--I HAD2—II HAD2--III HAD2--IV

35.77 37.02 0.00 74.67

Para la segunda desprotonación de la molécula, se puede ver en la Tabla II, que la

geometría de menor energía es la que corresponde a la especie H2AD- - III (ver Figura 3),

quedando en orden creciente la estabilización como sigue: H2AD--III > H2AD-II > H2AD-I >

H2AD--VI > H2AD--V > H2AD-IV. Nuevamente, la pérdida del protón del –OH de la cadena

alifática sería el de mayor energía y la de menor energía el protón del –OH de grupo catecol

localizado en la posición para con respecto a la cadena alifática. En la optimización de especie

H2AD- -V y H2AD- -VI, nuevamente ocurre la migración del protón ligado al grupo amino

generando nuevamente la especie H2AD- -II y H2AD- -III respectivamente, como en el caso

anterior. La especie H2AD- -V es de mayor energía con respecto a las mencionadas anteriormente

con una energía de 84.71 kcal mol-1 con respecto a la H2AD- -III, mientras que la H2AD- -VI está



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a 81.57, lo cual indica que es poco probable dichas especies se formen. Con respecto a la tercera

desprotonación la especie HAD2-III resulto la más estable quedando en orden creciente de

estabilización como sigue: HAD2-III > HAD2-I > HAD2-II > HAD2-IV.



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Hasta ahora se ha estudiado el proceso a vacío o en fase gas, falta tomar en cuenta el efecto

de disolvente, pues en las reacciones de óxido-reducción y en el cuerpo humano sabemos que el

medio puede también influir en el proceso, en este caso se considerará al agua. Sin embargo, los

resultados hasta ahora obtenidos en fase gas para la adrenalina neutra, protonada y algunas

especies asociadas al proceso de desprotonación, nos ha brindado un panorama general de cómo

se encuentra la adrenalina en los diferentes intervalos de pH y las posibles diferencias a nivel

electrónico de acuerdo a la especie formada.

4. CONCLUSIONES

Se realizó el estudio teórico de las propiedades electrónicas de la AD neutra, protonada y de

las especies propuestas durante el mecanismo de desprotonción. Se determino la existencia de

tres conformaciones mínimas a lo largo de PES, siendo la especie más extendida la de menor

energía con respecto a las otras dos para la AD neutra. La conformación de mínima energía fue

considerada para estudiar a las restantes especies. Al pH fisiológico la AD se encuentra protonada

y de acuerdo a los resultados obtenidos, la presencia del protón en la estructura de la AD protege

al grupo amino de posibles reacciones de óxido-reducción y más aún, ocurre una redistribución

electrónica, en la cual, el grupo catecol es el afectado en mayor proporción. Se encontraron los

siguientes ordenes de desprotonación en orden creciente de estabilización de las diferentes

especies propuestas por etapas, primera desprotonación: H3AD-I > H3AD-IV > H3AD-III >

H3AD-II. Segunda desprotonación: H2AD--III > H2AD-II > H2AD-I > H2AD--VI > H2AD--V >

H2AD-IV y para la segunda desprotonación, H2AD- -III > H2AD- -II > H2AD- -I > H2AD- -V.

tercera desprotonación: HAD2-III > HAD2-I > HAD2-II > HAD2-IV.

5. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a CONACYT el soporte financiero a través de los diferentes

proyectos 58541, 49775-Y (24658) y SEP-CONACYT (80361).



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6. REFERENCIAS

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[3] S. Corona-Avendaño, G. Alarcón-Ángeles, A. Rojas-Hernández, M. A Romero-Romo, M. T.

Ramírez-Silva, Spectrochimica Acta, Part A. 61 305, (2005).

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