Estabilización de glicina canónica/zwitteriónica mediante moléculas de dimetilsulfóxido

Abstract

En este Trabajo de Fin de Máster se ha realizado un estudio computacional de los agregados de glicina, tanto en su forma canónica/neutra como zwitteronica, con una y dos moléculas de H2O y de DMSO. Para ello se han analizado los diversos confórmeros de las moléculas, sus energías y evaluando las interacciones intramoleculares que estabilizan o desestabilizan la molécula. Para la identificación de confórmeros, se ha empleado el campo de fuerzas el campo de fuerzas Merck Molecular Force Field Static (MMFFs). Posteriormente, los confórmeros obtenidos se optimizaron utilizando el funcional B3LYP, dentro de la aproximación de la teoría del funcional de la densidad (DFT) incluyendo correcciones empíricas de dispersión y utilizando la base 6-311++G(d,p). Adicionalmente, se ha realizado una optimización de la glicina canónica y zwitteronica en disolución acuosa y en DMSO empleando el mismo nivel de cálculo y usando un modelo de medio continuo. Para racionalizar las interacciones de enlace de los agregados estudiados se ha utilizado la teoría cuántica de átomos en moléculas (QTAIM) y de interacciones no covalentes (NCI). Los resultados indican que una única molécula de agua no es suficiente para estabilizar la forma zwitteriónica de la glicina, mientras que una única molécula de DMSO es suficiente para estabilizarla. Esta estabilización se produce gracias a las interacciones que se establecen entre los grupos funcionales S=O y NH₃⁺. Los resultados en un medio continuo apuntan a que el uso de agua como medio disolvente estabiliza la forma zwitteriónica sobre la forma canónica pero que, para el DMSO, la forma canónica es más estable por encima de 150 K. Los resultados nos dan una perspectiva única del papel del DMSO durante las estabilizaciones bioquímicas. Nuestros resultados han puesto de manifiesto que la consideración de una solvatación explicita, tanto en medio acuoso como de dimetilsulfóxido, conduce a una estabilización de la estructura canónica respecto a la zwitteriónica. Sin embargo, cuando se contempla una solvatación implícita la estabilidad se invierte, como cabría de esperar, ya que la estructura zwitteriónica es la que encontramos en medio fisiológico.

In this Master's Thesis, a computational study has been carried out on glycine aggregates, both in its canonical/neutral and zwitterionic forms, with one and two molecules of H₂O and DMSO. For this purpose, various conformers of the molecules have been analyzed, along with their energies, evaluating the intramolecular interactions that stabilize or destabilize the molecule. To identify conformers, the Merck Molecular Force Field Static (MMFFs) was used. Subsequently, the obtained conformers were optimized using the B3LYP functional, within the framework of Density Functional Theory (DFT), including empirical dispersion corrections and employing the 6- 311++G(d,p) basis set. In addition, optimization of canonical and zwitterionic glycine was performed in aqueous and DMSO solution media using the same level of theory and a continuum solvation model. To rationalize the bonding interactions in the studied aggregates, Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM) and Non-Covalent Interactions (NCI) analysis were employed. As will be shown, the results indicate that a single water molecule is not sufficient to stabilize the zwitterionic form of glycine, whereas one molecule of DMSO is enough to do so. This is due to the strong interactions between the S=O and NH₃⁺ functional groups. The results in the continuum solvent model suggest that water stabilizes the zwitterionic form over the canonical one, while in the case of DMSO, the canonical form becomes more stable above 150 K. These findings provide a unique perspective on the role of DMSO in biochemical stabilization processes. Our results have shown that the consideration of explicit solvation, both in aqueous medium and in dimethyl sulfoxide, leads to a stabilization of the canonical structure with respect to the zwitterionic one. However, when implicit solvation is considered, the stability is reversed, as would be expected, since the zwitterionic structure is the one found in physiological environments.