Doctorado en Química

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Estudio computacional del efecto del grupo acilo sobre la quimio- y enantioselectividad en la acilación de (RS)-propranolol catalizada por lipasa B de Candida antarctica
(Universidad Industrial de Santander, 2022-11-03) Zapata Romero, Gilberto Alexander; Doerr, Markus Hans Oliver; Daza Espinosa, Martha Cecilia; Chamorro Jiménez, Eduardo Enrique; Mella Raipán, Jaime Alberto; Pérez Torres, Jhon Fredy; Blanco Tirado, Cristian; Cano Calle, Hermínsul de Jesús
La preparación de medicamentos requiere de metodologías para la producción de únicos enantiómeros. Entre estas metodologías, la resolución cinética separa racematos utilizando una reacción enantioselectiva. En este contexto, la lipasa B de Candida antarctica cataliza la esterificación selectiva del propranolol con el grupo etanoilo, compuesto que presenta actividad cómo bloqueador adrenérgico beta. Diversos factores influyen en la magnitud de la selectividad de las acilaciones catalizadas por lipasas. Aquí se investigó la relación entre el tamaño del grupo acilo y la selectividad. Para esto, se estudió de forma computacional el paso de deacilación del mecanismo, el cuál involucra la transferencia del grupo acilo desde la enzima (previamente acilada) hacia el propranolol. Se construyeron modelos de la enzima acilada con los grupos etanoilo, butanoilo, octanoilo y hexadecanoilo. Utilizando simulaciones de dinámica molecular, se realizó una exploración conformacional del complejo enzima/sustrato y del intermediario tetraédrico. Además, se calculó el cambio en la energía potencial a lo largo de la reacción por medio de una simulación de mapeo adiabático. Se determinó que: (1) La quimioselectividad aportada por el complejo enzima/sustrato favorecerá la ruta de la amidación al utilizar grupos acilo largos. (2) La enantioselectividad aportada por el complejo enzima/sustrato favorecerá la esterificación del (S)-propranolol al utilizar grupos acilo largos. (3) La reactividad del intermediario tetraédrico cuantificada por medio de los enlaces de hidrógeno esenciales para la catálisis no explica la enantioselectividad de la esterificación del propranolol con etanoilo. (4) Analizando la energía potencial, el grupo butanoilo, en comparación con el grupo etanoilo, presenta una mayor enantioselectividad hacia esterificación de (R)-propranolol.
Estudio de anomalías bioquímicas asociadas a cáncer de cuello uterino que se pueden detectar por espectroscopia de impedancia eléctrica
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Pinto Bohórquez, Sandra Milena; Miranda Mercado, David Alejandro; Méndez Sánchez, Stelia Carolina; González Correa, Clara Helena; Bueno, Paulo Roberto; Negrette Guzmán, Mario Felipe; Castillo León, John Jairo; Cano Calle, Hermínsul de Jesús
Mejorar los programas de prevención de cáncer de cuello uterino es una necesidad que se ve reflejada en las altas tasas de incidencia y mortalidad asociadas a esta enfermedad. El cáncer de cuello uterino se caracteriza por desarrollarse lentamente, sin embargo, no suele presentar síntomas en sus etapas tempranas, dificultando su diagnóstico oportuno. La detección temprana de esta enfermedad juega un papel importante en el éxito de su tratamiento y por tanto es clave para mejorar las tasas de supervivencia en pacientes. Con el fin de contribuir al mejoramiento de la detección temprana del cáncer cervical, en esta investigación se propuso estudiar las anomalías bioquímicas que afectan las propiedades eléctricas de las células cervicales en su proceso de transformación maligna. Para esto, se midió el espectro de impedancia eléctrica (eIE) de 36 muestras de células cervicales en suspensión, las cuales fueron clasificadas con diferentes patologías: normales, normales con infecciones, ASCUS y HSIL de acuerdo con el resultado del test de Papanicolaou. Los espectros obtenidos fueron analizados por medio de gráficos de radar, dando lugar a una forma y área diferente en cada grupo de clasificación. Adicionalmente, se presentan unos medios electrolíticos que modelan anomalías presentes en células cervicales. Los resultados encontrados en este estudio sugieren, que la forma del eIE de células cervicales en suspensión, permite diferenciar anomalías encontradas en células normales con infecciones, neoplasias o incluso cáncer cervical.
Estudio de especies aromáticas con alto contenido de timol, carvacrol, trans-anetol o estragol y empleo de fenoles y sus derivados en la síntesis de 2,5-dihidro-1-benzoxepinas y evaluación de sus actividades biológicas
(Universidad Industrial de Santander, 2010) Muñoz Acevedo, Amner; Stashenko, Elena E.; Kouznetsov, Vladimir Valentinovich; Cuca Suárez, Luis Enrique; Cano Calle, Hermínsul de Jesús; Abonía González, Rodrigo; Urbina González, Juan Manuel
Este trabajo hace parte de las investigaciones del Centro Nacional de Investigaciones para la Agroindustrialización de Especies Vegetales Aromáticas y Medicinales, CENIVAM. Estuvo enfocado en buscar especies aromáticas y medicinales enriquecidas con timol, carvacrol, estragol o trans-anetol, puesto que estos compuestos y sus AE tienen propiedades biológicas aprovechables y, por su posible aplicación en la industria. Asimismo, obtener nuevas benzoxepinas a través de modificaciones químicas empleando fenoles sustituidos y un AE con carvacrol, para demostrar la aplicabilidad de los AE como materia prima en síntesis; y, finalmente, estudiar algunas bioactividades (e.g., antioxidantes y anti-acetilcolinesterasa) de los AE y de las moléculas sintéticas derivadas. El primer capítulo contiene la recopilación de la composición química de: extractos de 9 especies de albahacas (flores y hojas), diferenciados por análisis estadístico multivariable; y, de extractos y aceites de especies aromáticas con alto contenido de timol, carvacrol, trans-anetol o estragol. El segundo capitulo reporta la ruta sintética en cuatro etapas empleada para la obtención de nuevas 1-benzoxepinas sustituidas, a partir de fenoles sustituidos y un aceite esencial que contienen carvacrol. Se utilizaron como principales herramientas sintéticas la transposición de Claisen y la metátesis con cierre de anillo. Todos los compuestos involucrados en cada etapa fueron caracterizados mediante IR, CG-EM y RMN. Finalmente, el tercer capítulo incluye las evaluaciones in vitro de las propiedades antioxidantes, mediante métodos colorimétricos de screening (ensayos con el catión-radical ABTS+•) y sistema modelo (oxidación del ácido linoleico), y de inhibición de la enzima acetilcolinesterasa de los AE bajo estudio junto con todas las moléculas sintetizadas. Adicionalmente, los datos obtenidos de los valores de TEAC de las moléculas sintéticas se correlacionaron con sus PI, determinados a través de cálculos computacionales. Se incluyen algunos resultados preliminares de actividades antifúngica, antiprotozoarios (Leishmania chagasi y Trypanosoma cruzi) y citotoxicidad.
Estudio de la intensificación de las señales de dispersión Raman de péptidos sobre superficies nanoestructuradas
(Universidad Industrial de Santander, 2016) Gómez Santos, Johanna Alexandra; Mejía Ospino, Enrique; Combariza Montañez, Marianny Yajaira; Pérez, Fredy Rafael; Cano Calle, Hermínsul de Jesús; Vargas Hernández, Carlos
Este trabajo de investigación involucra el estudio de la estructura de aminoácidos y péptidos desde la perspectiva de la fisicoquímica, empleando la espectroscopia Raman y nanopartículas metálicas con el objetivo de entender los mecanismos que gobiernan la intensificación de las señales Raman por efectos superficiales en sustratos nanoestructurados y su interacción con estas moléculas biológicas. Los péptidos estudiados (somatostatina, análogo lineal, octreotide y vapreotide) mostraron afinidad tanto por las nanoparticulas de plata como las de oro; en el primer caso, se evidenció una interacción de tipo electrostática donde la adsorción preferencial se da a través del par iónico Ag+- Cl- en la nanopartícula y las cargas positivas sobre el péptido; mientras que en oro, la interacción se dio mediante el residuo triptófano con formación de un complejo de transferencia de carga entre el átomo de N del grupo indol y la superficie de oro. Así mismo, se realizó una detección cuantitativa de los péptidos por SERS mediante la construcción y análisis de las isotermas de adsorción de estos compuestos sobre las nanopartículas; como resultado, se evidenció que la adsorción sobre plata sigue un modelo tipo Langmuir, mientras que sobre oro se presenta un modelo tipo BET. Finalmente, se encontraron los límites de detección a partir de la región lineal de la curva de adsorción en la región de bajas concentraciones, obteniéndose límites del orden de unos cuanto ng/mL, comparables con los de otras técnicas usadas para el mismo fin, pero con la ventaja de la posibilidad de hacer un análisis directo, sin mayor pretratamiento de la muestra, con gran especificidad y tiempos cortos de análisis. Así, se logró desarrollar un método analítico de ultraaltasensibilidad para el estudio de péptidos que podría resultar de gran utilidad para el desarrollo posterior de aplicaciones analíticas, especialmente en el área de los sensores biológicos.
Evaluación de la actividad citotóxica de compuestos orgánicos híbridos de tetrahidroquinolinas e isozaxoles en líneas tumorales y su mecanismo de acción
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Bueno Duarte, Yenny; Méndez Sánchez, Stelia Carolina; Romero Bohórquez, Arnold Rafael; López Casillas, Marcos; Suter Correia Cadena, Silvia Maria; Cano Calle, Hermínsul de Jesús; Pinzón Joya, Julio Roberto
Las tetrahidroquinolinas (THQ) e isozaxoles son heterociclos con diversas propiedades antibacteriales, antimifúngcas, antioxidantes, anticonvulsivos y antitumorales. Su importancia farmacológica ha llevado al grupo de investigación CODEIM a sintetizar híbridos de estos compuestos con el propósito de potenciar sus propiedades antitumorales. De esta forma fueron sintetizados 16 compuestos híbridos de THQ e isozaxoles y se determinó su viabilidad celular en cuatro líneas tumorales y una línea celular normal. Los híbridos 3a, 3e, 3j y 3k presentaron las mejores concentraciones citotóxicas en células tumorales de hígado (HepG2), el compuesto 3c fue el más citotóxico en células tumorales de cuello uterino (HeLa) y el compuesto 3j presentó la CC50 más baja en células tumorales de pulmón (A549). Posteriormente, fue evaluado el mecanismo de muerte celular de los compuestos más citotóxicos en cada línea celular, mediante diversas técnicas como citometría de flujo, medida intracelular de especies reactivas de oxígeno, lipoperoxidación de membrana, potencial de membrana mitocondrial, liberación de citocromo c y fragmentación de ADN. Los resultados obtenidos mostraron que el compuesto 3c inducía apoptosis en las células HeLa, el compuesto 3j inducía varios tipos de muerte celular como necrosis y autofagia en células A549 y el compuesto 3j inducía apoptosis y necrosis en células HepG2. Finamente, se escogieron los homólogos estructurales 3j-3a y 3k-3e para evaluar su efecto sobre la bioenergética mitocondrial en células HepG2 y mitocondrias aisladas de hígado de rata. Los resultados sugieren que el efecto citotóxico de los compuestos analizados está relacionado con el efecto inhibitorio sobre la cadena de transporte de electrones.
Obtención y caracterización de lipasas microbianas inmovilizadas sobre nuevos soportes octil-agarosa heterofuncionales
(Universidad Industrial de Santander, 2016) Rueda Arango, Nazzoly; Ortiz López, Claudia Cristina; Fernández Lafuente, Roberto; Torres Sáez, Rodrigo Gonzalo; Godoy Vargas, César Alonso; Costa Rodrigues, Rafael; Cano Calle, Hermínsul de Jesús; Castillo León, John Jairo
Las enzimas son biocatalizadores muy útiles, aunque en la mayoría de los casos deben ser mejoradas para su aplicación industrial. Por ejemplo, es preciso inmovilizarlas para su fácil recuperación y posible reuso. Esta necesidad ha hecho que la inmovilización se utilice para mejorar otras propiedades de las enzimas. Entre las enzimas más utilizadas destacan las lipasas. Las lipasas mantienen un equilibrio entre dos diferentes estructuras conformacionales, una abierta y la otra cerrada, donde el centro activo puede estar aislado del medio mediante una cadena polipeptídica. La forma abierta es inestable en medio acuoso, pero es estabilizada mediante adsorción sobre cualquier superficie hidrofóbica. Esto ha permitido que las lipasas se inmovilicen, purifiquen, hiperactiven y estabilicen por inmovilización reversible sobre soportes hidrofóbicos, como por ejemplo perlas de octil-agarosa. A pesar de su utilidad, este soporte, libera la enzima en condiciones drásticas de operación, limitando su utilidad. En consecuencia, en este trabajo de tesis doctoral, se diseñó un nuevo soporte heterofuncional (octil-glioxil agarosa), mediante la oxidación directa de los dioles presentes en el soporte comercial octil-agarosa, para generar uniones covalentes que impidan la desorción y lograr la estabilización de las lipasas. Se evaluaron las condiciones óptimas de inmovilización sobre este nuevo soporte y se dio solución a problemas generados durante el proceso mediante la modificación química en fase sólida de las lipasas y el uso de sales como agentes estabilizantes. Los resultados obtenidos mostraron que los biocatalizadores inmovilizados sobre el nuevo soporte heterofuncional mejoraron significativamente las propiedades biocatalíticas de las enzimas comparadas con los respectivos soportes monofuncionales.
Optimización de elementos base de la cadena de valor de los aceites esenciales para el diseño de un prototipo de repelente de insectos
(Universidad Industrial de Santander, 2015) Durán García, Diego Camilo; Stashenko, Elena E.; Martínez Morales, Jairo René; Méndez Sánchez, Stelia Carolina; Olivero Verbel, Jesús Tadeo; Cano Calle, Hermínsul de Jesús; Mora Martínez, Amanda Lucía
Mediante la construcción de modelos matemáticos empíricos, con base en diseños factoriales, se establecieron las mejores condiciones de tamaño de partícula, presión de vapor, densidad de carga y humedad retirada del material vegetal, en la destilación por arrastre con vapor, de los aceites esenciales (AE) de las especies tomillo, orégano de monte, citronela y palmarrosa. Se evaluó la actividad repelente frente a T. castaneum de los AE de Lippia alba, Lippia origanoides y Cymbopogon nardus. El AE de L. origanoides, presentó un porcentaje de repelencia igual o superior al compuesto de control (IR3535), a las 2 y 4 h de exposición. Los resultados de composición química y actividad biológica mostraron la existencia de una correlación positiva entre la cantidad de los compuestos oxigenados, presentes en los AE de L. alba y C. nardus y la actividad repelente frente a T. castaneum. Se evaluó la cinética de liberación de los compuestos volátiles presentes en AE y fracciones obtenidas por destilación fraccionada a presión reducida de L. origanoides, encapsulados en una matriz polimérica (PEG-6000). La cinética de liberación de los compuestos encapsulados del AE de L. origanoides fue más lenta que la de sus fracciones. Este procedimiento permitió estabilizar, en función del tiempo, la emisión de los componentes volátiles activos presentes en el AE. Se lograron tamaños de partícula entre 210-250 nm y valores de carga superficial (potencial zeta) de -8,0 mV. Se logró un porcentaje de encapsulamiento del AE de L. origanoides en PEG-6000 del 60% y una liberación sostenida de sus componentes hasta por 20 días, a 40°C. Los resultados obtenidos, permitieron proponer las condiciones técnicas para el diseño de un sistema prototipo que controle y repela la población de insectos de la especie T. castaneum, basados en el AE de L. origanoides encapsulado en PEG-6000.
Optimización del proceso de biotransformación de los monoterpenos limoneno y citronelol con microorganismos
(Universidad Industrial de Santander, 2011) Prieto Suárez, Gloria Astrid; Perea Villamil, Janeth Aidé; Stashenko, Elena E.; Arboleda Echavarría, Carolina; Espejo Benavides, Blanca Fabiola; Méndez Sánchez, Stelia Carolina; Cano Calle, Hermínsul de Jesús
Los terpenos son compuestos biosintetizados por las plantas como metabolitos secundarios. El limoneno y citronelol, son monoterpenos útiles para producir moléculas con similar estructura y de mayor valor, importantes para las industrias de alimentos, farmacéutica, perfumística y agroquímica. Algunos derivados oxigenados del limoneno (DOL) y del citronelol (DO-Cit) obtenidos por oxifuncionalización, resultan ser sustancias llamativas por su costo comercial y sus propiedades biológicas. Los procesos de biotransformación tienen bajo impacto ambiental, son reconocidos como metodología natural y se utilizan para obtener DOL y DO-Cit de connotación natural. En éste trabajo se evaluó el efecto del biocatalizador, medio de bioconversión, pH, fase de crecimiento, concentración y efecto inductor de sustrato, sobre la biotransformación del limoneno y citronelol, para optimizar la producción de DOL y DO-Cit, a escala de laboratorio. Bajo las condiciones óptimas se escalaron los procesos a volúmenes 10 y 100 veces mayor. Los terpenoides mayoritarios se purificaron y caracterizaron espectralmente. A los extractos de biotransformación se les evaluó su actividad contra parásitos T. cruzy, L. panamensis y L. chagasi, su efecto citotóxico para las células de mamífero VERO y su actividad antioxidante. Los resultados mostraron que cada transformación microbiana requiere de condiciones específicas para alcanzar la máxima bioconversión. La biotransformación del citronelol produjó selectivamente el hidroxicitronelol con P. digitatum DSM 62840 en una concentración de 1060 mg/L. Este biocatalizador biotransforma el (R)-(+)-limoneno con alta selectividad formando α-terpineol en una concentración de 1864 mg/L. A. niger DSM 821 da lugar a diferentes DOL donde el alcohol perílico es el producto principal (405 mg/L). La bacteria R. erythropolis DSM 43066 oxifuncionaliza el limoneno con baja selectividad y conversión y produce linalol, epóxido 1,2 limoneno y carvona. Los extractos de biotransformación del citronelol y limoneno por hongos, presentaron actividad antioxidante y no fueron tóxicos para las células VERO.
Rol de la entropía en la enantioselectividad de la acilación de (R,S)-propranolol catalizada por lipasa B de Candida antarctica
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Barrera Valderrama, Daniel Iván; Daza Espinosa, Martha Cecilia; Doerr, Markus Hans Oliver; Cárdenas Carvajal, Constanza; Chamorro Jiménez, Eduardo Enrique; Pérez Torres, Jhon Fredy; Cano Calle, Hermínsul de Jesús; Mejía Ospino, Enrique
La lipasa B de Candida antarctica cataliza la O-acilación del (R,S) -propranolol usando tolueno como solvente. Esta lipasa muestra enantioselectividad moderada (E = 61-63) y quimioselectividad exclusiva que favorece la formación más rápida de R-O-acetil-propranolol. La reacción implica dos pasos. El primer paso conduce a la formación de una acil-enzima reactiva (acilación). El segundo paso (desacilación) conduce a la formación de (R,S) -acil-propranolol. La quimio y enantioselectividad se origina en el paso de desacilación. La comprensión de la enantioselectividad experimental se ha centrado en el paso de desacilación mediante protocolos combinados de acoplamiento y dinámica molecular. Los resultados mostraron que se favorece la transformación de (R)-propranolol. En esta tesis se estudió el papel de la entropía en la enantioselectividad de la acilación del propranolol catalizada por la lipasa B de Candida antarctica mediante un enfoque computacional. El espacio de configuración se analizó a lo largo de la reacción de desacilación (MCC → TI → EPC) utilizando métodos QM / MM y QM / MM-MD, incluyendo el enfoque de Conformación de Ataque Cercano (NAC). Los NAC es un subgrupo de los MCC que se asemejan al estado de transición. Los resultados muestran que el enfoque de NAC es una herramienta para comprender el espacio de configuración durante la conversión de MCC a TI; sin embargo, no permiten concluir sobre la enantioselectividad de la reacción en este caso. Los valores de la barrera de energía libre oscilan entre 9,7 y 13,4 kcal / mol para el (R) -propranolol y entre 9,3 y 14,9 kcal / mol para (S) -propranolol y confirma que el intermediario tetraédrico no es una buena representación de los estados de transición. La superposición del potencial de fuerza media (PMF) y la superficie de energía potencial (PES) dio información sobre el efecto de temperatura finita (f.t.e = PMF - PES). El papel de la entropía en la O-acilación del propranolol catalizado por CalB es aumentar la energía de la TI-2. Finalmente, los resultados computacionales obtenidos aquí contribuyen a una mejor comprensión del papel de la entropía en la enantioselectividad de la acilación de propranolol catalizada por la lipasa B de Candida antarctica.

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