Acoplamiento de procesos de transferencia de carga en sistemas biomiméticos de electrodos proteicos

Abstract

En esta tesis se ha llevado a cabo el estudio de la respuesta electroquímica de dos porfirinas de hierro (hemina y octaetilporfirina de hierro) adsorbidas sobre un electrodo de grafito en presencia de diferentes entornos químicos que mimetizan la envoltura peptídica de las proteínas, utilizando para ello ligandos de diferente acidez, hidrofobicidad y adsortividad. El estudio voltamétrico de las dos porfirinas de hierro en las disoluciones tampón más frecuentemente utilizadas (acetato y fosfato) ha puesto de manifiesto que su transferencia electro-protónica está acoplada con equilibrios de asociación entre el centro redox y las formas ionizadas del tampón. Dicha asociación está restringida a la forma acuohierro(III) de la metaloporfirina, por lo que su impacto en la respuesta electroquímica varía con el pH y la concentración de la disolución tampón, dando lugar a una amplia variedad de curvas de valoración voltamétricas. Se ha desarrollado una estrategia de dos etapas para cuantificar la constante de equilibrio intrínseca de asociación de dichas porfirinas con las formas aniónicas de ligandos ionizables, poniendo de manifiesto que i ) el Fe(III) porfirínico presenta una mayor afinidad por el acetato que por el dihidrógenofosfato, y ii) la sustitución de los residuos β de la hemina (propiónicos, vinilos y metilos) por grupos etilos posibilita la asociación del Fe(III) con el dianión monohidrógenofosfato. Por otro lado, se ha puesto de manifiesto que la asociación entre la especie acuohierro(III) de las porfirinas de hierro y los aniones carboxilatos procedentes de ácidos orgánicos lineales aumenta con la longitud de la cadena alquílica, como consecuencia de la interacción entre la cadena hidrocarbonada del ácido y el anillo de porfirina. A partir de la dependencia lineal de la energía libre de asociación con la longitud de la cadena alquílica, se han cuantificado las contribuciones individuales los grupos carboxilato, metilo y metileno, aumentando dichas contribuciones en la secuencia metileno < metilo << carboxilato. Basados en estos resultados, se ha desarrollado un modelo teórico para cuantificar la dependencia de la formación de la β-hematina con el pH descrita en la bibliografía. Dicho modelo ha permitido determinar la constante de equilibrio para la formación del dímero cíclico de la hemina μ-propionato. La comparación de esta constante de equilibrio con la correspondiente a la asociación Fe(III)-propionato ha puesto de manifiesto que el bajo contenido de agua de las interfases acuo-orgánicas impulsa la formación de la hemozoina (pigmento de la malaria) en los medios fisiológicos. Por último, el estudio electroquímico de las dos porfirinas de hierro en presencia de cantidades crecientes de n-hexanol ha puesto de manifiesto la existencia de dos poblaciones adsorbidas de dicho alcohol sobre el electrodo de grafito modificado con las porfirinas de hierro, que difieren en su energía de adsorción e interacción con la metaloporfirina. Una de las poblaciones está fuertemente adsorbida sobre la superficie de grafito y no modifica las propiedades redox de la porfirina de hierro, mientras que la otra se encuentra adsorbida menos fuertemente sobre la porfirina de hierro y estabiliza su forma reducida. Asimismo, se ha puesto de manifiesto que la energía libre de adsorción de la segunda población varía linealmente con la longitud de la cadena hidrocarbonada del alcohol, lo que ha permitido cuantificar la contribución del grupo metileno a dicha energía de adsorción, obteniéndose un valor similar a los descritos para la transferencia de dicho grupo desde un medio acuoso a uno hidrofóbico.