Química: ¿Cómo son los orbitales moleculares de guanosina / guanina?

La guanina es una nucleobase de purina que forma tanto ARN como ADN, que son los principales polímeros de nucleótidos que los organismos vivos, incluidos los virus, utilizan para el control de la información y la producción de componentes vitales en bioquímica. Es la letra ‘G’ del alfabeto de ácido nucleico, y originalmente fue nombrada por guano (caca de murciélago o ave marina), donde se aisló por primera vez en 1844. También da lugar al grupo funcional, guanidina. En una molécula de guanina, un anillo de imidazol se fusiona con un anillo de pirimidina a través de enlaces CC y comparte un doble enlace en ambos anillos. El anillo de pirimidina es modificado por un grupo cetona (C = O) adyacente a la fusión del anillo y una amina colocada entre los dos átomos de nitrógeno (que crea el grupo funcional guanidina). Con muchos átomos, hay varios orbitales moleculares disponibles para la guanina. Nos centraremos en dos de estos.

El HOMO de la guanina, calculado con B3LYP (un método funcional de densidad) se ve así:
Vemos fuertes contribuciones orbitales p entre los átomos en el HOMO de la guanina, por lo que las reacciones que involucran guanina probablemente involucren orbitales p. Como se sabe que la guanina sufre desaminación como un tipo de mutación, vemos un componente p-orbital en el grupo amina unido al anillo de pirimidina. El doble enlace de fusión en anillo tiene componentes p-orbitales sustanciales, al igual que el átomo de oxígeno de la cetona. El átomo de carbono de imidazol que no está fusionado con el anillo de pirimidina contiene componentes p-orbitales. Por lo tanto, el grupo amina, la fusión en anillo, la cetona y el carbono de imidazol son puntos vulnerables de guanina cuando se trata de un ataque electrófilo .

El LUMO de la guanina es ligeramente diferente, pero también contiene componentes p-orbitales. Se muestra aquí:
En el diagrama LUMO, vemos el fragmento de amina con un fuerte componente p-orbital, por lo que es una parte vulnerable de la guanina para cualquier reacción. Algunos de los componentes p-orbitales en el HOMO ya no están en el LUMO, especialmente la cetona. El carbono de guanidina es bastante prominente en el LUMO, y los átomos de nitrógeno también tienen componentes p-orbitales considerables. El doble enlace de fusión en anillo ahora está fuera de fase, por lo que debe reaccionar de manera diferente durante una reacción. Para el LUMO, las partes vulnerables de la guanina incluyen el fragmento de guanidina (todas sus partes), el doble enlace de fusión en anillo y el anillo de imidazol . Estas partes pueden reaccionar con los nucleófilos.

Cuando agregamos un azúcar ribosa al átomo de nitrógeno de imidazol que contiene un átomo de hidrógeno, convertimos la guanina en guanosina. Una vez que hacemos esto, causamos algunos cambios en los orbitales moleculares de la guanina. Como la ribosa está completamente basada en enlaces sigma, sus orbitales no serán los mismos que el fragmento de guanina original. El HOMO de la guanosina se muestra a continuación:
¿Ves alguna diferencia entre el HOMO de guanosina y guanina? El fragmento de amina tiene un componente p-orbital reducido en comparación con el de la guanina. Las otras regiones de guanina permanecen iguales en la guanosina, por lo que la guanosina tiene casi las mismas vulnerabilidades que la guanina frente a los electrófilos . Otra vista del HOMO para la guanosina está aquí:
Puede ver fácilmente que todavía hay componentes p-orbitales fuertes en el HOMO de la guanosina, incluso con la ribosa allí.

El LUMO de la guanosina tampoco se ve afectado por la inclusión de la molécula de ribosa en la guanina. Se muestra aquí:
La cetona, que no era un contribuyente fuerte en el LUMO de guanina, ahora es visible en el LUMO de guanosina. El átomo de nitrógeno que se conectaba con el anillo de ribosa está interactuando bastante bien con el átomo de carbono, por lo que ha cambiado su fase. Ese cambio de fase interrumpe todo el conjunto de orbitales p en el LUMO, por lo que varios de los componentes originales de orbital p también cambian de fase y tamaño. Aquí se proporciona una vista lateral:

Sin embargo, muchas de las regiones vulnerables originales de guanina siguen siendo las mismas en guanosina. Por lo tanto, la guanina y la guanosina comparten las mismas vulnerabilidades hacia los nucleófilos .