Estructura electrónica y dinámica molecular de los disacáridos trehalosa, maltosa y sacarosa

Abstract

La preservación de biomateriales es un tema de vital importancia en las industrias alimentaria, cosmética y farmacéutica. Durante el secado y almacenamiento de estos biomateriales ocurren reacciones de deterioro, como las de Maillard, que afectan a las propiedades organolépticas de los alimentos y a las propiedades funcionales de las proteínas. La estabilización a menudo se logra incorporando estos materiales a soluciones de azúcares amorfos. Profundizar en el conocimiento del mecanismo por el cual estos azúcares son capaces de estabilizar y proteger biomoléculas lábiles ha motivado el desarrollo de este trabajo de tesis. Para el logro de este objetivo, se utilizaron diferentes métodos teóricos. En el Capítulo I se introducen brevemente los antecedentes históricos acerca del origen del interés por parte de la comunidad científica en los carbohidratos como agentes bioprotectores. Se presentan además a los disacáridos trehalosa, sacarosa y maltosa, los cuales serán el objeto de estudio de esta tesis, así como a los reactantes de Maillard modelados. También se presentan las hipótesis que intentan explicar el papel de estos azúcares en la preservación de materiales biológicos, ante situaciones de escasez de agua como la originada en la liofilización de alimentos. En este capítulo también se plantea el objetivo del trabajo de tesis y se realiza una breve descripción de los métodos teóricos usadas en la misma. En el Capítulo II se introducen los fundamentos teóricos de las metodologías utilizadas. Se presenta un resumen de la teoría AIM y NBO y de la Densidad del Funcional, DFT. Además, se introduce a la Dinámica Molecular, las leyes en las que se fundamenta y los términos involucrados en sus campos de fuerza. En el Capítulo III se realiza un estudio detallado de la estructura electrónica de los azúcares trehalosa, sacarosa y maltosa con métodos mecanocuánticos incluyendo los análisis QTAIM y NBO. Luego, con métodos de simulación de dinámica molecular, se comparan las propiedades de los tres disacáridos en vacío y en solución acuosa diluida. Se realiza un estudio estructural de los azúcares y se compara con los resultados obtenidos por los métodos cuánticos. También se calculan interacciones del tipo puente de hidrógeno, inter e intramoleculares y ciertas propiedades de transporte. El análisis muestra la importancia de los puentes de Hidrógeno intramoleculares en la conformación de los disacáridos, especialmente uno en el caso de la trehalosa, el cual se considera influye en su mayor rigidez. También muestra la mayor labilidad de los enlaces establecidos entre trehalosa y el solvente. En el Capítulo IV, se estudiaron sistemas cuaternarios compuestos por reactantes de Maillard (glucosa y lisina) embebidos en matrices altamente concentradas de los mismos azúcares. Por medio de Dinámica Molecular Se comparan cambios conformacionales, interaciones del tipo soluto-soluto, soluto-solvente, reactantes-soluto y otras, y propiedades tales como difusión. Los resultados muestran que en situaciones de escaso contenido de agua, la trehalosa muestra mayor rigidez conformacional que maltosa y sacarosa. Esta rigidez influye en las interacciones que ésta establece así como en la movilidad de los otros componentes de la matriz vítrea. Finalmente, aunque cada capítulo cuenta con sus conclusiones particulares, en el Capítulo V se exponen las conclusiones generales de esta tesis. En forma sintética, el estudio realizado en esta tesis muestra la importancia de la dinámica de las interacciones de enlaces de hidrógeno y de la estructura conformacional de los azúcares en el mecanismo de bioprotección.