Creixement dels precursors de l’eumelanina: química redox i propietats fotofísiques

L'eumelanina és el pigment negre-marronós present a la pell, els cabells i els ulls, i destaca per la seva absorció de banda ampla en la regió UV-visible, la seva fotoprotecció i la seva activitat redox. Malgrat haver estat àmpliament estudiada, la seva estructura molecular i la seva formació continuen sent difícils de definir perquè la biosíntesi implica intermediaris reactius, diversos estats redox, vies de couplatge competidores i productes oligomèrics heterogenis. En particular, l'oligomerització oxidativa de la 5,6-dihidroxiindole (DHI), un precursor clau de fase avançada, pot generar espècies com ara la semiquinona (SQ(⋅)) i la indole-5,6-quinona (IQ). Comprendre'n la reactivitat, el comportament àcid-base i redox, i la contribució a les propietats òptiques és essencial per descriure molecularment la formació i la funció de l'eumelanina.

Aquesta tesi va utilitzar una estratègia computacional de baix a dalt per examinar tres aspectes connectats de la química de l'eumelanina basada en DHI: la formació inicial de dímers de DHI, la termodinàmica àcid-base i redox d'anàlegs protegits de DHI, i l'efecte de la longitud de l'oligòmer sobre les propietats fotofísiques.

La primera part es va centrar en la dimerització oxidativa no enzimàtica del DHI. Les energies lliures de reacció i d'activació calculades mitjançant DFT es van convertir en constants de velocitat utilitzant la teoria de l'estat de transició i es van incorporar en un model cinètic. Els resultats van mostrar que la formació de dímers no està governada només per les barreres intrínseques dels acoblaments C-C, sinó també per la disponibilitat, dependent del pH, dels intermediaris reactius. A pH àcid i neutre, dominen les vies d'acoblament basades en SQ(⋅), que donen principalment dímers 2,7’ i 4,7’ En condicions bàsiques, la distribució redox es desplaça cap a l'acoblament basat en IQ(⋅-), afavorint el dímer 4,4’. Així, el pH actua com un interruptor químic que controla la regioselectivitat mitjançant l'especiació redox.

Com que el DHI i les seves formes oxidades són altament reactius, els estudis experimentals sovint utilitzen derivats protegits. Per aquest motiu, la segona part va examinar la termodinàmica àcid-base i redox del DHI protegit amb grups o-tolil a les posicions C₂, C₄ i C₇, així com de les seves variants redox. El mètode híbrid QM/MM Perturbed Matrix Method (PMM) va incloure explícitament el dissolvent i els contraions, mantenint una descripció mecanicoquàntica de les espècies d'eumelanina. Després de l'optimització del protocol, el PMM va reproduir el comportament redox dels compostos protegits amb desviacions d'aproximadament 0,2-0,5 V respecte a l'experiment i va donar suport a l'assignació dels pics de voltametria cíclica. Els càlculs també van mostrar que la protecció generalment disminueix l'acidesa, augmentant els valors de pK_a aproximadament 2-4 unitats respecte a les espècies no protegides corresponents.

La part final va investigar com evolucionen les propietats òptiques dels oligòmers de DHI amb la longitud de la cadena. Els càlculs TD-DFT sobre oligòmers de DHI O-acetilats units per 2,7’, des del monòmer fins al pentàmer, amb suport experimental, van mostrar que el desplaçament cap al vermell no augmenta indefinidament. La major part del desplaçament té lloc durant les primeres etapes de l'oligomerització, fins a aproximadament quatre unitats de DHI, després de les quals el perfil d'absorció s'estabilitza en gran part. L'anàlisi d'orbitals naturals de transició va mostrar que el parell electró-forat roman localitzat només sobre una part de la cadena, en lloc d'estendre's per tot l'oligòmer. Aquesta delocalització limitada de l'excitó s'origina per una combinació de coplanaritat no ideal, estructura nodal desfavorable, densitat orbital reduïda en alguns llocs d'acoblament i desajust energètic entre orbitals frontera interactuants.

En conjunt, aquesta tesi proporciona una descripció molecular de la química inicial de l'eumelanina basada en DHI. Identifica les vies més favorables de formació de dímers, explica com el pH controla la regioselectivitat mitjançant l'especiació redox, quantifica el comportament àcid-base i redox de les espècies protegides de DHI, i defineix fins a quin punt el creixement oligomèric modula l'absorció òptica. En connectar vies de formació, termodinàmica i propietats d'estat excitat, aquest treball estableix una base per estudiar oligòmers superiors i estructures similars a l'eumelanina amb estats redox mixtos.

Lectura de la tesi: 28/07/2026 a l'Aula Magna de la Facultat de Ciències (informació extreta de l’Agenda activitats de la web Escola de Doctorat).