Mecanismos eletroquímicos de derivados da isatina e de proteínas membranares calmodulina e caveolinas

Abstract

Os mecanismos eletroquímicos da isatina e de trinta compostos indólicos derivados da isatina, que possuem um amplo perfil farmacológico, e das proteínas membranares calmodulina e caveolinas 1, 2, 3, foram investigados utilizando técnicas voltamétricas, no elétrodo de carbono vítreo. Estas moléculas estão interligadas ao nível biológico, uma vez que a calmodulina, que tem um papel fundamental na sinalização e regulação dos canais de cálcio, é também uma proteína de ligação de várias moléculas, entre as quais a isatina. Além disso, a calmodulina, quando ligada com o cálcio, intervém na mediação de reações biológicas, e em alguns mecanismos de acção das caveolinas, tais como na libertação e ativação da enzima eNOS que interage com a caveolina 1 nas células endoteliais. A isatina e os seus derivados participam num elevado número de reações de síntese orgânica, que levam ao desenvolvimento de moléculas com perfil farmacológico muito vasto e diversas aplicações clínicas, devido às suas propriedades antimicrobianas, anticancerígenas e anti-inflamatórias. A influência dos grupos substituintes nitrogenados, halogenados, morfolino, hidroximetil e metil dos derivados da isatina, no comportamento eletroquímico da isatina, foi avaliada e foram observados mecanismos redox diferentes, caraterísticos de cada grupo funcional. De todos os grupos funcionais, os átomos de halogéneo, Cl, F, Br, I, foram os que influenciaram mais fortemente os processos redox da isatina. Foram propostos mecanismos de oxidação e redução para todos os derivados da isatina estudados. A oxidação da calmodulina, no estado nativo e desnaturado, foi investigada por voltametria de impulso diferencial e por espectroscopia de impedância eletroquímica, com base no comportamento eletroquímico dos resíduos dos aminoácidos eletroativos tirosina, histidina e metionina. As alterações conformacionais provocadas pela agregação dos iões de cálcio na calmodulina foram estudadas por voltametria de impulso diferencial e espetroscopia de impedância eletroquímica. A microbalança de cristais de quartzo permitiu determinar a agregação de iões de cálcio na superfície da grafite modificada com calmodulina. A oxidação das proteínas caveolinas no estado nativo foi investigada por voltametria cíclica, de impulso diferencial e de onda quadrada e foi observado apenas um processo de transferência de electrão, correspondente à oxidação dos resíduos de aminoácidos tirosina, triptofano e cisteína. A caveolina 2 foi desnaturada tendo sido observadas alterações significativas na resposta eletroquímica. A interação das caveolinas 1, 2 e 3 com o colesterol foi investigada, e foi confirmada, como era de esperar, a interacção com a caveolina 1, enquanto as caveolinas 2 e 3 mostraram um comportamento eletroquímico inalterado na presença do colesterol. A investigação do comportamento voltamétrico da calmodulina e das caveolinas fornece informação relevante, não apenas sobre os processos de oxidação na superfície do elétrodo de carbono vítreo, mas também sobre as alterações estruturais e morfológicas.

The electrochemical behaviour of isatin and thirty isatin derivatives, that present a broad pharmacological spectrum, and of membrane proteins calmodulin and caveolins 1, 2, and 3, were investigated using voltammetric techniques at a glassy carbon electrode. These molecules are linked at biological level, since calmodulin, which plays a key role in signalling and regulation of calcium channels, it also binds to and regulates a number of diverse target molecules, including isatin. Furthermore, calmodulin bound to calcium is involved in the mediation of important biological responses, and in some caveolins mechanisms of action, such as the release and activation of the eNOS enzyme that interacts with caveolin 1 in endothelial cells. Isatin and isatin derivatives participate in a large number of organic synthesis reactions, leading to the development of molecules with a very wide pharmacological profile and diverse clinical applications, due to their antimicrobial, anticancer and anti-inflammatory characteristics. The influence of the nitrogen, halogen, morpholino, hydroxymethyl and methyl substituents, on the electrochemical behavior of isatin, was evaluated, and different redox mechanisms were observed for each substituent functional group. From all functional groups, halogen atoms showed the strongest influence on the isatin redox behavior. Oxidation and reduction mechanisms for all isatin derivatives were proposed. The oxidation process of calmodulin in native state and after denaturation was investigated by diferential pulse voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, based on the electrochemical behavior of its electroactive amino acid residues tyrosine, histidine and methionine. The calmodulin conformational modifications, caused by calcium ions aggregation, were investigated by diferential pulse voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The quartz crystal microbalance allowed the determination of the calcium ions aggregation at the calmodulin modified graphite surface. The oxidation process of caveolins in native state was investigated by cyclic, diferential pulse and square wave voltammetry, and only one anodic electron transfer process was observed, corresponding to the electroactive amino acid residues tyrosine, triptofan, and cystein. Caveolin 2 chemical denaturation led to significant changes in the electron transfer oxidation current. The caveolins 1, 2 and 3 interaction with cholesterol was investigated, and significant changes in the caveolin 1 oxidation were observed. The calmodulin and caveolins voltammetric study provided relevant information not only concerning their oxidation behaviour, but also concerning their morpholigical modifications that occurred at the glassy carbon electrode surface.