ESTUDIO COMPUTACIONAL DEL FENOMENO DE TAUTOMERÍA EN LA TIMINA Y LA INFLUENCIA DEL AGUA EN LA REACCIÓN

ESTUDIO COMPUTACIONAL DEL FENOMENO DE TAUTOMERÍA EN LA TIMINA Y LA INFLUENCIA DEL AGUA EN LA REACCIÓN

Illueca Rada, Neiber N.1

1 Programa de Farmacia. Facultad de Química y Farmacia. Universidad del Atlántico. Colombia. nillueca@est.uniatlantico.edu.co.

Resumen

Se le denominan tautomeros a dos isómeros que se diferencian únicamente en la posición de un grupo funcional al producirse la migración de un hidrógeno o un grupo funcional, acompañado de manera concomitante con el rearreglo de los enlaces dentro de una molécula; este proceso recibe el nombre de tautomerismo. Este trabajo se enfoca en el estudio teórico del fenómeno de tautomería en la timina y cómo la interacción con un solvente puede afectar la reacción utilizando un método computacional Semiempírico. El análisis de los valores de energía de la reacción de tautomerización con y sin el disolvente nos permitió racionalizar cómo este influye en la protonación de la Timina y disminuye la barrera de activación favoreciendo así la reacción.

Palabras claves: Estudio teórico, Interacción solvente, Tautomero de Timina.

1. INTRODUCCIÓN

La tautomería es un tipo de isomería que ocurre cuando un átomo o más cambia su posición en la molécula modificando simultáneamente su distribución electrónica y por lo tanto generando cambios en la estructura molecular. [1], [2] Las bases nitrogenadas como la Timina poseen esta característica debido a que un átomo de hidrógeno unido a otro átomo puede migrar a una posición vecina; este tipo de tautomería en la Timina recibe el nombre de tautomería lactama-lactima. En la tautomería lactama-lactima un hidrógeno migra del nitrógeno al oxígeno del grupo oxo (forma lactama) y viceversa (forma lactima) (ver figura 1). [1], [3]

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Figura 1. Fenómeno de tautomería Lactama-Lactima

Como en toda reacción química, las propiedades de una molécula se ven particularmente afectadas por el ambiente que las rodea. Un ejemplo del ambiente puede ser un disolvente como lo es el agua, que es el componente más abundante en los seres vivos y, por lo tanto, es el mejor disolvente en procesos biológicos. Este disolvente polar puede interaccionar con una molécula como la Timina y producir cambios electrónicos en esta que se reflejen tanto en la energía como en la densidad electrónica y las propiedades asociadas a esta. [4]

En este artículo se estudiará de forma computacional cómo es el fenómeno de tautomería en una base nitrogenada como la timina y cómo al agregarle un disolvente de forma explícita como el agua puede afectar la reacción en aspectos como la barrera de activación de este proceso.

1. METODOLOGÍA

En el estudio computacional del proceso de tautomerización de la timina se empleó el método Semi-empírico PM6 [5] en la optimización de la geometría de los reactivos y los productos presentes en las dos reacciones (ver figura 2 y 3) dando como estructura de partida la molécula dibujada con las herramientas de Spartan 14.  Para la obtención del estado de transición de la reacción se modificó la estructura optimizada del reactivo con el objetivo de tener una mejor geometría de partida y se optimizó a estado de transición con método Semi-empírico PM6.  

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Figura 2. Reacción de tautomerización de la Timina

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Figura 3. Reacción de tautomerización de la Timina mediado por una molécula de agua.

Para la reacción 1 (ver figura 4) se dibujó la molécula de Timina y la forma lactima de la Timina utilizando las herramientas de Spartan 14 y se optimizó con método SE PM6. En la obtención del estado de transición se modificó la geometría de la Timina acercando el átomo de hidrogeno del grupo amino hacia el oxígeno del grupo oxo con el objetivo de obtener una mejor estructura de partida para la optimización.

De igual forma, en la reacción 2 (ver figura 5) se tomó la Timina y la forma lactima optimizada de la reacción 1 y se le agregó agua como mediador en la protonación entre el grupo amino y oxo de la Timina. El estado de transición de la reacción se obtuvo al modificar la distancia entre el hidrogeno y el nitrógeno del grupo amino acercándolo al agua que ayuda en la protonación del grupo oxo de la Timina.

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Figura 4. Estructuras obtenidas en la optimización de la geometría de la reacción 1.

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Figura 5. Estructuras obtenidas en la optimización de la geometría de la reacción 1.

1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Al realizar la optimización de la geometría de las moléculas presentes en la reacción de tautomerización lactama-lactima, se obtuvo como resultado de la energía total los valores de la tabla 1. Calculando la energía total relativa de la reacción 1 (Tautomería de la timina) y la reacción 2 (Tautomería de la timina mediada por una molécula de agua) (ver tabla 2) se puede comparar la energía de activación en cada reacción. En la reacción 1, la energía necesaria para llegar al estado de transición es de 41,575 kcal/mol, al compararla con la barrera de activación de la reacción 2 (13,365 kcal/mol) se observa que la reacción en la que está presente el agua es más favorable debido a que requiere una menor energía para pasar de Timina a su forma lactima (ver figura 5). [6]

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