proyecto primera entrega
TRANSCRIPT
ESTUDIO TEÓRICO DEL MECANISMO DE REACCIÓN DE LA FORMACIÓN
DE DÍMEROS DE TRITERPENOQUINONAS
INTRODUCCIÓN
El rápido crecimiento en la potencia de los equipos de cómputo, así como el progreso de los
métodos basados en la química cuántica, ha hecho de los cálculos mecánico-cuánticos una
herramienta útil y necesaria para ayudar a responder a una amplia variedad de interrogantes
de interés químico. Los métodos basados en la química cuántica se han aplicado a
problemas como la hidratación de iones en disolución, catálisis en superficies, estructuras y
energías de intermediarios y de estados de transición de reacciones y conformaciones de las
moléculas biológicas. En algunos casos, los cálculos teóricos no pueden dar respuestas
definitivas, pero frecuentemente son suficientes como para permitir una interacción
fructífera entre teoría y experimento.1
Debido a esto, los cálculos ab initio y los basados en la teoría del funcional de la densidad
son usados ahora de forma rutinaria por muchos químicos como una guía válida para el
trabajo experimental y están revolucionando la forma de hacer química.1 En particular, se
considera que una de las mayores contribuciones de la Química Computacional es la
determinación de las estructuras y las energías de los estados de transición, los cuales
incrementan considerablemente nuestra comprensión acerca de los mecanismos de
reacción.2
Esta capacidad de calcular estados de transición hace a la Química Computacional una
herramienta poderosa para el estudio de las rutas biogenéticas, las cuales son difíciles de
estudiar desde la perspectiva experimental, debido a la imposibilidad de aislar el estado de
transición y a la dificultad de aislar a todos los metabolitos intermedios en la ruta.
Los estudios teóricos han sido utilizados para describir la biogénesis terminal de
sesquiterpenos3 así como la formación de triterpenos pentacíciclicos a partir del escualeno y
oxidoescualeno,4 entre otros; por lo que se considera que pueden utilizarse en el estudio de
la formación de dímeros de triterpenometilenquinonas, cuya ruta ha sido propuesta e
involucra una reacción Diels-Alder entre una triterpenometilenquinona y otra
triterpenometilenquinona en la forma tautomérica de ortoquinona. Sin embargo, hasta
donde sabemos, no se han aislado sistemas ortoquinónicos de especies de celastráceas.
Asimismo, aunque se ha propuesto la existencia de sistemas con actividad Diels-Alderasas,
estas enzimas no se han aislado en plantas.5
Por esta razón, se hace necesario el estudio teórico mediante métodos de Química
Computacional, para estudiar la validez del mecanismo de reacción propuesto, así como
para determinar si es necesaria la presencia de un sistema enzimático que catalice la
reacción.
ANTECEDENTES
Triterpenometilenquinonas
Las triterpenometilénquinonas constituyen un grupo de nor-D:A-friedooleanos insaturados
y oxigenados.5 Estas estructuras han sido estudiadas por su gran actividad antiinflamatoria
y citotóxica.6 Las triterpenoquinonas más estudiadas son la pristimierina, el celastrol y la
tingenona, las cuales han sido identificadas como los ingredientes más activos aislados de
plantas usadas en la medicina folclórica.
Además del efecto antiinflamatorio y citotóxico, las metilenquinonas triterpénicas en
general, muestran una selectiva actividad antibacterial contra bacterias Gram positivas.
También han mostrado actividad antiparasitaria, incluyendo actividad antigiardiásica,
antimalárica y antileishmánica.6
Se ha propuesto que estas moléculas son capaces de presentar tautomerismo, para generar
un sistema ortoquinónico (Figura 1), lo cual podría ser la base para su posterior
dimerización.5
Figura 1. Equilibrio tautomérico metilenquinona-ortoquinona.
Dímeros de triterpenometilenquinonas
Los dímeros de triterpenos son un grupo de sustancias que están constituidos por dos
unidades de una triterpenometilenquinona, derivada de pristimerina, tingenona,
netzahualcoyona y/o sus congéneres; con una subunidad en forma quinónica y la otra en
forma aromática, unidas por un puente diéter en disposición cis entre los anillos A de
ambas subunidades o bien entre el anillo a de la unidad aromática y el anillo B de la
quinónica.5 Los dímeros aislados hasta el momento se presentan en la Tabla 1 y han sido
obtenidos de diversas especies de celastráceas.
Shirota y col.6 postularon una ruta para la biosíntesis de este tipo de dímeros, basada en las
reacciones Diels-Alder, las cuales se han propuesto como paso clave en diversas
conversones biosintéticas.7 Ello sugiere que una triterpenometilenquinona como la
pristimerina puede estar en equilibrio con la forma ortoquinona tautomérica, la 2,3-dicetona
correspondiente, y que ambos podrían reaccionar para dar el correspondiente dímero de
triterpeno (Figura 2).
Hasta el momento no se han aislado de especies de celastráceas compuestos con un sistema
ortoquinona, sin embargo, se han publicado triterpenos con agrupamiento catecol.9 Estos
derivados de catecoles podrían ser los precursores de los triterpenos tipo 2,3-dicetonas
mediante oxidaciones enzimáticas en las plantas.5
Tabla 1. Dímeros de triterpenos del tipo A-A que se han aislado.
Unidad quinónica Unidad fenólica Compuestos aislados
Tingenona 6-oxotingenol Xuxuarina Aα7
Xuxuarina Aβ7
Isoxuxuarina Aα10
Isoxuxuarina Aβ10
21-hidroxitingenona 21-hidroxi-6-oxotingenol Xuxuarina Bα7
Isoxuxuarina Bα11
Isoxuxuarina Bβ11
Xuxuarina Bβ7
21-hidroxitingenona 6-oxotingenol Xuxuarina Cα7
Xuxuarina Cβ7
Isoxuxuarina Cα11
Isoxuxuarina Cβ11
Tingenona 21-hidroxi-6-oxotingenol Xuxuarina Dα7
Xuxuarina Dβ7
Isoxuxuarina Dα11
Isoxuxuarina Dβ11
Pristimerina 6-oxopristimerol Xuxuarina Eα12
Xuxuarina Eβ10
Isoxuxuarina Eβ13
Escutidin αA14
Tingenona 6-oxopristimerol Xuxuarina Fβ15
Cangarosin Bα16
Xuxuarina Fα13
Isoxuxuarina Fα13
Pristimerina 6-oxotingenol Xuxuarina Gα15
Xuxuarina Gβ15
Pristimerina 22β-hidroxitingenona Xuxuarina Hα17
Xuxuarina Hβ17
Isoxuxuarina Hα17
22β-hidroxitingenona Pristimerina Xuxuarina Iα17
Xuxuarina Iβ17
tingenona 21-oxopristimerina Xuxuarine Jα17
21-oxopristimerina Tingenona Xuxuarine Kα17
7,8-dihidro-22 β-
hidroxitingenona
Pristimerina 7,8-Dihydroisoxuxuarine Iα17
7,8-dihidropristimierina 22β-hidroxitingenona 7,8-Dihydroisoxuxuarine Hα17
Tingenona 7,8-dihidro-6-oxotingenol 7’,8’-dihidroxuxuarina Aβ7
7-8-dihidrotingenona 6-oxotingenol 7,8-dihidroxuxuarina Aα10
7,8-dihidroisoxuxuarina Aα10
7,8-dihidropiristimerina Pristimerina 7,8-dihidroescutionin αB14
7,8-dihidroescutionin βB14
7,8-dihidroescutionin αA14
7,8-dihidroescutionin βB14
7,8-dihidropristimerina 6-oxopristimerol 7,8-dihidroescutidin αB14
7,8-dihidropiristimerina Pristimerina 7,8-dihidroescutionin αB14
7,8-dihidroescutionin βB14
7,8-dihidroescutionin αA14
7,8-dihidroescutionin βB14
7,8-dihidropristimerina 6-oxopristimerol 7,8-dihidroescutidin αB14
7,8-dihidroisoxuxuarina Eα15
Pristimerina Pristimerina Escutionin αA18
Pristimerina 6,7-dihidropristimerina 6’,7’-dihidroescutionin αB5
Netzahualcoyona Pristimerina Netzaescutionin αA14
Pristimerina 6β-metoxi-6-
deoxoblepharodol
6’β-metoxi-6’,7’-
dihidroxiescutionin αB5
7,8-dihidrotingenona Pristimerina 7,8-dihidroisoxuxuarina Fα13
7,8-dihidropristimerina Tingenona 7,8-dihidroisoxuxuarina Gα13
7α-hidroxipristimerina 6-oxopristimerol 7α-hidroxiisouxuarina Eα13
Tingenona 7’,8’-dihidro-6-
oxopristimerol
7’,8’-dihidroxuxuarina Aα13
Tingenona 7’,8’-dihidro-22β-
hidroxitingenona
7’,8’-dihidroxuxuarina Dβ13
7,8-dihidro-21-
hidroxitingenona
21-hidroxi-6-oxotingenol 7,8-dihidroisoxuxuarina Bα11
7,8-dihidro-21-
hidroxitingenona
6-oxotingenol 7,8-dihidroisoxuxuarina Cα11
Figura 2. Esquema de biosíntesis propuesto para la formación de dímeros de
triterpenometilenquinonas.
En un intento de confirmación del mecanismo de reacción propuesto por Shirota et al.,7
González et al.15 sintetizaron un dímero de triterpeno, mediante la oxidación de la
pristimerina con DMDO para producir la 4-α-hidroxipristimerina, la cual se hizo
reaccionar con otra molécula de pristimerina, dando lugar a un dímero que no ha sido
aislado, con un rendimiento del 10 % ( ver Figura 3).
Figura 3. Esquema de reacción de oxidación y dimerización de la pristimerina.
Aunque esta reacción constituye evidencia del mecanismo de reacción para la formación de
estos dímeros, la obtención de solamente un producto, así como el bajo rendimiento de la
reacción dejan abierta la posibilidad de la existencia de sistemas de Diels-alderasas.
No obstante, este tipo de sistemas solo han sido aislados en especies de hongos.
Adicionalmente, se propone que estas enzimas podrían pertenecer a más de un tipo de
enzimas y cualquier sistema que provea dienos y dienófilos reactivos, podría tener esta
actividad. En otras palabras, es posible que las enzimas que catalicen las reacciones de
Diels-Alder, sean enzimas bifuncionales que también catalicen otras reacciones químicas.
Lo anterior, aunado al hecho de que en algunos casos es difícil el aislamiento de los
precursores de la reacción de Diels-Alder, podría ser la causa de la escasez de estos
sistemas enzimáticos en el repertorio de compuestos aislados a partir de plantas.19
Estudios computacionales aplicados a las rutas biogenéticas
La métodos basados en la Química Computacional, en especial, aquellos derivados de la
Teoría del Funcional de la Densidad han sido empleados por diversos autores para el
estudio de los mecanismos de reacción en diversas áreas de la química, entre las que se
incluyen estudios sobre el tautomerismo de tiazoles,20 estudios sobre rearreglos
sigmatrópicos,21 reacciones de oxidación de óxidos de nitrógeno22 diversas reacciones de
Diels-Alder;23-24 así como el estudio de rutas biogenéticas de terpenoides.3-4
En cuanto al estudio de rutas biogenéticas, destacan el trabajo de Cuevas et al.3 y el de
Matsuda et al.4 Los primeros realizaron el estudio teórico de la biogénesis de
pseudoguaianolidos a partir de los germacranolidos, evaluando la capacidad de diversos
métodos híbridos de DFT: B3LYP, B97-2, B1B95 y mPWB95, así como el método MP2
para describir la superficie de energía potencial asociada con estos compuestos, empleando
la base 6-31+G(d,p), encontrando que el método mPWB95 es una buena elección para este
tipo de estudios.
Por otro lado, Matsuda et al.4 estudiaron la formación de triterpenos pentacíclicos a partir
del escualeno y el oxiescualeno, empleando diversos niveles de cálculo, entre los cuales se
encuentran MM3, MMX, HF/6-31G*, B3LYP/6-31G*, B3LYP/6-3111G(2d,p),
mPW1PW91/6-31G*, mPW1PW91/6-311+G(2d,p), MP2/6-31G**, MP4/6-31G** y
CCSD(T)/6-31-G**, recomendando el uso del potencial mPW1PW91 para el estudio de las
reacciones de ciclación.
Solamente existe un estudio teórico que involucra a los dímeros de triterpenos, el cual fue
realizado por Kuyoc,25 no obstante, este estudio es del tipo de relación cuantitativa
estructura-actividad (QSAR) y no se presentan las estructuras optimizadas, ni se
proporcionan los valores de energía total, ni la energía de los orbitales frontera. En este
estudio, la optimización geométrica se realizó a nivel semiempírico AM1 seguido de un
cálculo de energía total usando el modelo B3LYP/6-31G(d,p).
De esta manera, tanto la optimización geométrica de los dímeros de triterpenos, utilizando
cálculos basados en la teoría del funcional de la densidad, como el estudio del mecanismo
de formación continúan sin estudiarse, siendo este estudio un paso importante para la
comprensión de la ruta biogenética que los produce y, en su caso, un paso más para la
confirmación de la existencia de sistemas con actividad Diels-alderasa en plantas.
JUSTIFICACIÓN
Aunque algunos dímeros de triterpenos han resultado activos frente a parásitos
protozoarios,25 no existen estudios en los cuales se calculen los orbitales frontera o se
determine el mapeo de su densidad electrónica, con la finalidad de estudiar la posible
reactividad de estas moléculas y su relación con su mecanismo de acción.
Por otro lado, no se han realizado estudios teóricos encaminados a estudiar el mecanismo
de formación de estos dímeros y se desconoce si el proceso requiere una catálisis
enzimática o puede ocurrir sin la presencia de ésta.
Por estas razones, se hace necesaria el estudio teórico de los dímeros de triterpenos, así
como el estudio de la superficie de energía de la reacción de formación de estos
compuestos, usando métodos basados en la Química Computacional.
REFERENCIAS
1. Levine, I. N. Química Cuántica, 5a ed.; Prentice Hall: Madrid, 2001; pp 679-680.
2. Anh, N. T. Frontier orbitals: A practical manual; John Wiley & Sons, Ltd.: Chichester,
2007; p 235.
3. Barquera-Lozada, J. E.; Cuevas, G. Biogénesis of Sesquiterpene Lactones
Pseudoguaianolides from Germacranolides: Theoretical Study on the Reaction
Mechamism of Terminal Biogenesis of 8-Epiconfertin. J. Org. Chem. 2009, 74, 874–883.
4. Matsuda, S. P. T.; Wilson, W. K., Xiong, Q. Mechanism insights into triterpene
synthesis from quantum mechanical calculations. Detection of sytematic errors in B3LYP
cyclization energies. Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 530-543.
5. Rodríguez-Pérez, F. M. Estudio fitoquímico de especies de la familia celastraceae
(flora panameña): Maytenus blepharodes y crossopetalum lobatum. Tesis de Doctorado,
Universidad de la Laguna, España, 2000.
6. Zhou, Q. Natural Diterpene and Triterpene Quinone Methides: Structure, Synthesis an
Biological Potencials. En Quinone methides; Rokita, S. E., Ed.; Wiley: New Yersey; pp.
269-275.
7. Shirota, O.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H.: Structure of xuxuarines,
stereoisomeric triterpene dimers from Maytenus chuchuhuasca. Tetrahedron 1995 ,51,
1107-1120.
8. Laschat, S. Pericyclic reactions in biological systems – does nature know about the
Diels–Alder reaction? Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35, 289-291.
9. Li, K.; Duan, H.; Kawazoe, K.; Takaishi, Y.: Terpenoids from Tripterygium wilfordii.
Phytochemistry, 1997, 45, 791-796.
10. Shirota, O.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H.: Five new triterpene dimers from
Maytenus chuchuhuasca. J. Nat. Prod. 1997, 60, 1100-1104.
11. Shirota, O.; Sekita, S.; Satake, M.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H. Nine New
Isoxuxuarine-Type Triterpene Dimers from Maytenus chuchuhuasca. Chem. Biodiversity,
2004, 1, 1296-1307.
12. González, A. G.; Rodríguez, F.M.; Bazzocchi, I. L.; Ravelo, A.G.:New terpenoids
from Maytenus blepharodes. J. Nat. Prod. 2000, 63, 48-51.
13. Shirota, O.; Sekita, S.; Satake, M.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H. Nine
Regioisomeric and Stereoisomeric Triterpene Dimers from Maytenus chuchuhuasca.
Chem. Pharm. Bull. 2004, 52, 739—746.
14. González, A. G.; Alvarenga, N. L.; Estévez-Braun, A.; Ravelo, A. G.; Bazzocchi, I.
L.; Moujir, L. M.: Structure and absolute configuration of triterpene dimers from
Maytenus scutioides. Tetrahedron. 1996 52, 9597-9608.
15. Shirota, O.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H.: New geometric and stereoisomeric
triterpene dimers from Maytenus chuchuhuasca. Chem. Pharm. Bull. 1998, 46, 102-106.
16. Shirota, O.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, H.: Revised structures of cangorosins,
triterpene dimers from Maytenus ilicifolia. J. Nat. Prod. 1997 60, 111-115.
17. Shirota, O.; Sekita, S.; Satake, M.; Morita, H.; Takeya, K.; Itokawa, Nine Triterpene
Dimers from Maytenus chuchuhuasca. Helv. Chim. Acta 2004, 87,1536-1544.
18. González, A. G.; Crespo, A.; Ravelo, A. G.; Muñoz, O.M.: Magellanin a new
triterpene dimer from Maytenus magellanica (Celastraceae). Nat. Prod. Lett. 1994, 4,
165-169.
19. Minami, A.; Oikawa, H. The Diels-Alderase Never Ending Story. En Biomimetic
Organic Synthesis; Poupon, E.; Nay, B., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2011; Vol. 2; pp
753-781.
20. Zeng, Y.; Ren, Y. Densiy functional theory study of tautomerization of 2-
aminothiazole in the gas phase and in solution. Int. J. Quantum Chem. 2007, 107, 247-
258.
21. Dinadayalane, T. C.; Geetha, K.; Narahari-Sastry, G. and Density Functional Theory
(DFT) Study on [1,5] Sigmatropic Rearrangements in Pyrroles, Phospholes, and
Siloles and Their Diels-Alder Reactivities. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 5479-5478.
22. Zakharov, I. I.; Minaev, B. F. DFT Calculations of the intermédiate and transition
state in the oxidation of No by oxigen in de gas phase. Theor. Exp. Chem. 2011, 47, 93-
100.
23. Wang, H.; Wang, Y.; Han, K.; Peng, X. A DFT Study of Diels-Alder Reactions of o-
Quinone Methides and Various Substituted Ethenes: Selectivity and Reaction Mechanism.
J. Org. Chem. 2005, 70, 4910-4917.
24. Bini, R.; Chiappe, C.; Mestre, V. L.; Pomeli, C. S.; Welton, T. A theoretical study of
the solven effec on Diels-Alder reaction in room temperatura ionic liquids using a
supermolecular approach. Theor. Chem. Acc.2009, 123, 347-352.
25. Kuyoc-Carrillo, V. F. Determinación de la relación cuantitativa estructura-actividad
(QSAR) de dímeros de quinonas triterpénicas con actividad antigiardiásica. Tesis de
Licenciatura, Universidad Autónoma de Yucatán, México, 2010.