Fragmentation dynamics of ionised amino acids and neutral clusters of amino acids in the gas phaseA theoretical study

Resumo

Esta tesis presenta un riguroso estudio teórico a nivel molecular del daño producido por radiación en aminoácidos ionizados y sus derivados, en fase gas. En esta tesis únicamente se han desarrollado los aspectos teóricos presentados en el manuscrito, pero en la mayoría de los sistemas estudiados, el trabajo teórico se ha realizado en paralelo a nuevos experimentos llevados a cabo en ARIBE, la instalación de iones de baja energía del GANIL (Grand accélérateur national d'ions lourds , Caen, Francia) y en la línea de haz GASPHASE, de la instalación de radiación de sincrotrón ELETTRA (Trieste, Italia). A través de todo el manuscrito, la teoría será utilizada para interpretar los resultados experimentales en los que la fragmentación de las biomoléculas es inducida por colisiones de las moléculas con iones en fase gas y analizados mediante espectrometría de masas utilizando técnicas de multicoincidencia. Con el fin de tener una mejor comprensión de los procesos químicos y físicos involucrados, los resultados teóricos y experimentales se presentan y discuten al mismo tiempo. La presente tesis está enfocada a comprender la interacción de la radiación ionizante con moléculas de interés biológico. En particular, se centra en los procesos que tienen lugar justo después de la irradiación. El daño por radiación en tejidos biológicos comienza en los primeros femtosegundos, durante el paso de la partícula que colisiona, en la llamada etapa física. El flujo de carga y energía conduce a la ionización y al daño directo. A intervalos de tiempo más largos se produce la fragmentación molecular (denominada etapa química del daño por radiación), que conduce a la producción de un grupo de especies químicas, como fragmentos moleculares cargados o neutros, y también incluye la liberación de especies radicalarias altamente reactivas. Así, el estudio a nivel molecular de la ionización y fragmentación de los sistemas estudiados, es un paso fundamental para la comprensión y mejora de los tratamientos modernos contra el cáncer que utilizan haces de protones y otros iones, como C6+. Este tipo de radioterapia se denomina hadronterapia y representa una alternativa más precisa a la irradiación utilizando haces de rayos X o electrones acelerados. Además, los estudios que se presentan en este trabajo, también pueden arrojar luz sobre la formación de especies moleculares de interés biológico en ambientes astrofísicos. Se ha estudiado la estabilidad y la dinámica de fragmentación de varias moléculas cargadas positivamente en la fase gas: timidina, glicina, β-alanina, γ-aminobutírico y N-acetilglicina. Para hacer frente a este desafío teórico, se ha establecido la siguiente estrategia computacional: la evolución de las moléculas ionizadas y excitadas en los primeros cientos de femtosegundos después de la colisión, se sigue mediante simulaciones de dinámica molecular ab initio; Analizando los canales de desexcitación más poblados obtenidos con estas dinámicas, se obtienen los fragmentos moleculares producidos, a partir de los cuales se exploran las partes más relevantes de la superficie de energía potencial asociada, utilizando la teoría del funcional de la densidad. Con este enfoque, se obtienen los mecanismos, dinámicas y energías de los canales de fragmentación junto con la intensidad y correlación de los fragmentos observados en los experimentos. La primera parte de los resultados incluye la evaluación de la energía transferida en una colisión ionizante. El análisis de los orbitales moleculares involucrados en la transferencia de carga y la distribución de energía de excitación se han obtenido mediante simulaciones teóricas. En la segunda parte de los resultados se presenta la dinámica de fragmentación de aminoácidos doblemente cargados. Los canales más importantes corresponden a la llamada explosión coulombiana, donde la carga se comparte en dos fragmentos cargados, que se repelen entre sí. En competencia con este canal, se obtienen procesos inesperados de reorganización molecular; En particular migración de H ultrarápida, migración de OH y formación de estructuras moleculares con forma de anillo. Estos procesos de isomerización son típicamente seguidos de la emisión de fragmentos neutros, dando lugar a especies estables y doblemente cargadas, que también son observadas en los experimentos. En el caso de N-acetilglicina, los procesos de isomerización (tautomerización), posibilitados por la presencia de un enlace peptídico, producen especies catiónicas metastables antes de sufrir fragmentación. La última parte de la tesis se dedica a comprender la estructura y estabilidad de clusters moleculares formados por moléculas de β-alanina. Esta parte del estudio se centra en la importancia de las interacciones intra- e inter-moleculares; En particular, se muestra que existe una estabilidad adicional debido a los enlaces de hidrógeno, donde se muestran fuertes efectos de cooperatividad, dando lugar a estructuras complejas en forma de jaula, en lugar de evolucionar en cadenas lineales débilmente enlazadas. Debido a la complejidad de estos sistemas, este estudio se lleva a cabo con un enfoque metodológico diferente: Se utilizan simulaciones de dinámica molecular para generar un gran número de confórmeros y evaluar su estabilidad térmica; Y la teoría del funcional de la densidad junto con métodos de análisis de la función de onda se utilizan para estudiar diferentes propiedades moleculares: estabilidades relativas, geometrías, fuerzas de interacción, energías de disociación, etc. En resumen, en esta tesis se presenta un estudio sistemático sobre la evolución de los aminoácidos ionizados y sus derivados a partir de simulaciones teóricas combinadas con experimentos de espectrometría de masas y se estudian los principales factores que rigen la estabilidad, la dinámica de fragmentación y la producción de especies catiónicas estables, después de la interacción con iones altamente cargados.