Biomolecules and interstellar moleculesstructure, interactions and spectroscopic characterization

Abstract

La presente tesis doctoral se ha realizado en los Laboratorios de Espectroscopia y Bioespectroscopia del Grupo de Espectroscopia Molecular (GEM) de la Universidad de Valladolid, Unidad Asociada del CSIC, ubicados en el Edificio Quifima del Parque Científico y en el marco del proyecto del Plan Nacional CTQ2013-40717-P: Biomoléculas y moléculas del medio interestelar: estructura, interacciones y caracterización espectroscópica. El contenido de la Memoria debe entenderse en dos grandes vertientes. Una primera centrada en el estudio estructural de moléculas y biomoléculas, en el que abordan importantes aspectos de las relaciones estructura-propiedad y efecto exo-anómerico, entre otros. Una segunda, dedicada al estudio de moléculas prebióticas y precursores de aminoácidos susceptibles de poder ser detectadas en el ISM. Dentro del estudio de moléculas y biomoléculas en fase gas, se recogen diversos trabajos en los cuales se han analizado las estructuras de moléculas y biomoléculas con el fin de poder extraer conclusiones acerca de las propiedades que presentan, y así poder establecer una relación estructura-propiedad: - Con el estudio de la metil-β-D-xilopiranosa hemos podido demostrar experimentalmente a través de la determinación de su estructura completa, la existencia de la contribución del efecto exo-anomérico. (J. Phys. Chem. Lett. 2016 Mar 3;7(5):845-50. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b00028.) - El primer estudio en fase gas de edulcorantes artificiales se ha llevado a cabo con el fin de esclarecer la relación estructura-dulzor, teniendo en cuenta viejas teorías de Shallenberger acerca del papel que tiene la estructura de moléculas que poseen dulzor, en las que se presupone un patrón estructural recurrente en todas ellas llamado glucophore. Se han abordado el estudio de la familia de polialcoholes (sorbitol, manitol, dulcitol, xilitol, ribitol, inositol, eritritol y arabitol), habiendo completado el estudio del sorbitol, cuyos datos están recogidos en la Memoria de mi tesis, junto al estudio de la sacarina, molécula con funcionalidad diferente (amida o-sulfobenzoica) pero que también es dulce. En ambos casos se han encontrado evidencias de la presencia del glucophore propuesto por Shallenberger y supuesto responsable del dulzor de estas moléculas. - Los ácidos fenólicos son compuestos bioactivos que se encuentran presentes en frutas, verduras, plantas medicinales y aromáticas entre otros, y además de tener un papel vital en la industria farmacéutica poseen propiedades antioxidantes y anticancerígenas, entre otras. Los ácidos trans-cinámico y p-cumárico son dos de los ácidos fenólicos más importantes y representativos de la familia de ácidos fenólicos y han sido caracterizados estructuralmente por primera vez en fase gas. (J. Phys. Chem. A. 2018; 122(2): 646-651.) - Es clara la relación entre la estructura de una proteína y la funcionalidad que posee. Para entender la estructura de una proteína, es necesario conocer el comportamiento de sus eslabones que las constituyen, es decir, de los building blocks de aminoácidos y dipéptidos. Se ha realizado el estudio en fase gas del dipéptido de la Ac-Val-NH2 con la cadena lateral isopropilo (-CH(CH3)2, con el fin de comprobar los efectos estéricos de una cadena apolar en las conformaciones de un dipeptido. (Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, 24985-24990 DOI: 10.1039/C7CP03924G) Otra de las líneas de investigación que he tratado en mi periodo pre-doctoral es el estudio de moléculas del medio interestelar. El fin es posibilitar la detección de nuevas moléculas en el medio interestelar y demás materia presentes en el espacio mediante medidas experimentales realizadas en el mismo rango de frecuencias en el que las moléculas emiten señales desde allí. Las moléculas estudiadas con este fin se pueden clasificar en moléculas prebióticas y en precursores de aminoácidos: - Las moléculas prebióticas son moléculas orgánicas relacionadas con el origen de la vida. Estas moléculas, cada vez más complejas, dieron lugar a aminoácidos (elementos constituyentes de las proteínas) y ácidos nucleicos según la hipótesis de Oparin. El ácido acrílico, el formato de vinilo, la metoxiamina(A&A 609, A24 (2018)), la N-metil hidroxilamina (Journal of Molecular Spectroscopy, Volume 335, 2017, Pages 54-60) y el cianuro de isopropilo (The Astrophysical Journal Supplement Series, 233, 24, (2017)) son moléculas consideradas prebióticas que han sido estudiadas durante mi periodo pre-doctoral y recogidas en mi Memoria. Los datos obtenidos son utilizados por radioastronomos para intentar identificar estas moléculas en el medio interestelar. - La detección de la glicina, el aminoácido más elemental, en el medio interestelar es uno de los grandes objetivos de los investigadores en el campo de la astroquímica y astrofísica. Su presencia constataría la existencia de una química compleja en dicho medio que haría posible la síntesis de los denominados “ladrillos de la vida” (building blocks). Hasta ahora no ha sido posible su detección pero la identificación de posibles precursores es fundamental en el entendimiento de los posibles procesos químicos que pueden ocurrir en el medio interestelar que lleven a la presencia de aminoácidos en el espacio. Mediante modelado teórico se sugieren diferentes mecanismos de reacción con precursores, que son lo que se caracterizan experimentalmente para verificar la viabilidad de los procesos. Los precursores estudiados y recogidos en mi Memoria son el aminoacetonitrilo (The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 229, Number 2), la glicinamida y la hidantoina (Journal of Molecular Spectroscopy, 147, 124312 (2017)).