Ligand-dependent modulation of ROS response in soybean by Cu(II)–amino acid complexes

Resumo

A especiação do cobre desempenha papel central na modulação da reatividade redox e das respostas biológicas sob condições de estresse oxidativo, por exemplo em soja (Glycine max (L.) Merr.) sob estresse salino. Neste estudo, uma série de complexos de Cu(II) com aminoácidos (Cu(aa)2) contendo glicina, serina, histidina, triptofano e tirosina foi sintetizada e caracterizada por análise elementar, espectroscopia no infravermelho, espectrometria de massas e espectroscopia no ultravioleta-visível. Sua reatividade com o superóxido foi avaliada pelo ensaio riboflavina–azul de nitrotetrazólio e por ensaios cinéticos com superóxido de potássio, como modelos químicos de interação com espécies reativas de oxigênio (EROs). Os complexos apresentaram reatividade com o superóxido dependente do ligante, com o Cu(His)2 mostrando a maior resposta cinética às espécies de superóxido derivadas do KO2. Compostos selecionados foram, em seguida, avaliados em plantas de soja submetidas a estresse salino agudo, para investigar a relação entre o ambiente de coordenação do cobre e as respostas fisiológicas. As análises histoquímicas revelaram diferenças marcantes entre os tratamentos: enquanto o CuCl2 aumentou o acúmulo de EROs e a fitotoxicidade, os complexos Cu(aa)2 reduziram os níveis de superóxido e de peróxido de hidrogênio, mantendo menor toxicidade. Entre os compostos avaliados, o Cu(His)2 apresentou o comportamento mais consistente, combinando alta reatividade química com redução eficaz de EROs in planta e acúmulo moderado de cobre nos tecidos foliares. Esses resultados demonstram que a coordenação do ligante influencia fortemente o comportamento do cobre, dissociando a reatividade in vitro do resultado biológico sob condições de estresse. Em conjunto, os resultados estabelecem uma relação estrutura–reatividade–resposta biológica para os complexos de Cu(II) com aminoácidos e destacam a importância da especiação do cobre no desenvolvimento de compostos redox-ativos mais seguros para aplicações biológicas.

Abstract

Copper speciation plays a central role in modulating redox reactivity and biological responses under oxidative stress conditions, for example in soybean (Glycine max (L.) Merr.) under salt stress. In this study, a series of Cu(II)-amino acid complexes (Cu(aa)2) containing glycine, serine, histidine, tryptophan and tyrosine were synthesized and characterized by elemental analysis, infrared spectroscopy, mass spectrometry, and ultraviolet-visible spectroscopy. Their reactivity toward superoxide was evaluated using the riboflavin–nitro blue tetrazolium assay and potassium superoxide kinetic assays as chemical models of reactive oxygen species (ROS) interaction. The complexes displayed ligand-dependent superoxide reactivity, with Cu(His)2 showing the highest kinetic response toward KO2-derived superoxide species. Selected compounds were subsequently evaluated in soybean plants subjected to acute salt stress to investigate the relationship between the copper coordination environment and physiological responses. Histochemical analyses revealed marked differences among treatments: whereas CuCl2 promoted increased ROS accumulation and phytotoxicity, Cu(aa)2 complexes reduced superoxide and hydrogen peroxide levels while maintaining lower toxicity. Among the evaluated compounds, Cu(His)2 exhibited the most consistent behavior, combining high chemical reactivity with effective ROS reduction in planta and moderate copper accumulation in leaf tissues. These findings demonstrate that ligand coordination strongly influences copper behavior, decoupling in vitro reactivity from biological outcome under stress conditions. Overall, the results establish a structure–reactivity–biological response relationship for Cu(II)-amino acid complexes and highlight the importance of copper speciation in the design of safer redox-active compounds for biological applications.