Synthesis, characterization and study of nuclease activity of mono and bimetallic coordinating compounds of Fe(II), Zn(II) and Cu(I)

Abstract

This thesis presents the synthesis and characterization of a series of both monometallic coordination compounds and homo-nuclear bimetallic helicates, derived from Fe(II), Zn(II) and Cu(I), with bi-coordinating and tetra-coordinating phenanthrolinic ligands, which are structurally related to each other. These compounds have been evaluated as artificial metallonucleases in plasmid DNA by gel electrophoresis experiments, where the nuclease-type activity is dependent on the nature of the metal ion and the nuclearity of the complex. The compounds studied interact with DNA through its minor groove or major groove. In general, bimetallic systems were more effective in inducing DNA cleavage, which is associated with the higher cationic charge and contact surface to interact with the biopolymer. Fe(II) and Cu(I) compounds showed higher nuclease-type activity compared to the Zn(II) compounds, which is related to the mechanism of action of these complexes. Gel electrophoresis and electron paramagnetic resonance experiments indicate that Fe(II) and Cu(I) compounds act through an oxidative mechanism on DNA, where reactive oxygen species (ROS) are generated in the presence of O2 and H2O2. In this regard, hydroxyl radical, •OH, is the main species responsible for DNA oxidation. The lower nuclease-type activity observed for the Zn(II) compounds, is because they operate through a hydrolytic mechanism on DNA. The ability of Zn(II) complexes to hydrolyze bis(p-nitrophenyl) phosphate (BNPP), a molecule analogous to the phosphate group in DNA, was confirmed by 31P-NMR spectroscopy, suggesting the hydrolysis of the phosphate group in DNA as a possible mechanism of action.

Esta tesis presenta la síntesis y caracterización de una serie de compuestos de coordinación monometálicos y helicatos bimetálicos homo-nucleares de Fe(II), Zn(II) y Cu(I) con ligandos bi-coordinantes y tetra-coordinantes derivados de fenantrolina, los cuales son estructuralmente relacionados entre sí. Estos compuestos han sido evaluados como metalonucleasas artificiales frente a ADN plasmidial mediante experimentos de electroforesis en gel, siendo la actividad del tipo nucleasa dependiente de la naturaleza del ión metálico y la nuclearidad del complejo. Los compuestos estudiados interactúan con ADN a través de su surco menor o surco mayor, y en general, los sistemas bimetálicos fueron más eficaces para inducir la ruptura del ADN, lo cual está asociado a la mayor carga catiónica y superficie de contacto para interactuar con el biopolímero. Los compuestos de Fe(II) y Cu(I) presentaron mayor actividad del tipo nucleasa en comparación a los compuestos de Zn(II), lo que está asociado al mecanismo de acción de los complexos. Experimentos de electroforesis en gel y de resonancia paramagnética electrónica, indican que los compuestos de Fe(II) y Cu(I) actúan mediante un mecanismo oxidativo sobre el ADN, donde especies reactivas de oxígeno (ERO) son generadas en presencia de O2 y H2O2. Respecto a esto, radical hidroxilo, •OH, es la principal especie responsable de la oxidación del ADN. La menor actividad del tipo nucleasa observada en los compuestos de Zn(II) se debe a que estos operan mediante un mecanismo hidrolítico sobre el ADN. La capacidad que presentaron los compuestos de Zn(II) para hidrolizar bis(p-nitrofenil) fosfato (BNPP), una molécula análoga al grupo fosfato en el ADN, fue confirmado mediante espectroscopia de RMN-31P, lo que sugiere la posible hidrólisis del grupo fosfato en el ADN como mecanismo de acción.