Sociedade Brasileira de Química (SBQ)
34a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química
Aplicação de métodos baseados em QM para o estudo do metabolismo do montelucaste e correlação com ensaios in vitro
Rodolpho C. Braga1,* (PG), Kenneth M. Merz, Jr.2 (PQ), Valéria de Oliveria1 (PQ), Carolina H. Andrade1 (PQ)
* rcbraga@gmail.com
1 LabMol, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Goiás – UFG, Goiânia, GO, Brasil.
2 Quantum Theory Project, University of Florida, Gainesville, Florida, United States.
Palavras Chave: metabolismo, montelucaste, mecânica quântica
Inutrodução
O montelucaste é um fármaco antiasmático, atuando como potente inibidor da união de cisteinil- leucotrienos a seu receptor, o Cis-LT1, e deste modo bloqueia as ações farmacológicas do LTC4, do LTD4 e do LTE4.1 O uso dos fungos filamentosos para o estudo do metabolismo in vitro tem demonstrado ser uma alternativa ou um complemento, devido as estes possuírem metaloenzimas capazes de mimetizarem o metabolismo de mamíferos. Essas famílias de metaloenzimas, conhecidas como citocromos P450s, são responsáveis pelos metabolismo de vários fármacos. Essas reações são catalisadas por espécies ativadas de metaloporfirinas, conhecidas como oxo-metálicas de alta valência, denominadas de Por(+•)Fe(IV)O, ou composto I (Cpd I).2
Resultados e Discussão
Este trabalhou descreve a utilização de métodos computacionais baseados em mecânica quântica na elucidação dos mecanismos de reações do Cpd I com o montelucaste, e a comparação com estudos do metabolismo deste fármaco in vitro com fungos filamentosos e a caracterização de seus metabólitos por espectrometria de massas e 1H-RMN (figura 1).
Figura 1. Esquema geral da metodologia abordada.
Os cálculos de mecânica quântica foram realizados no Jaguar 7.22 usando o método híbrido não-restritivo da teoria funcional da densidade (DFT/UB3LYP) nos estados dubleto e quarteto de spin. As geometrias foram otimizadas sem restrições usando a base LACV3P para o ferro e a base 6-31G* para o resto dos átomos (BSI). Logo após, foram feitos cálculos de energia para as geometrias previamente otimizadas usando bases BSII, que correspondem a LACV3P(Fe)/6-311+G**
para os demais elementos.
A figura 2 mostra o perfil energético durante o processo de sulfoxidação do montelucaste pelo Cpd I. As reações envolvidas ocorrem pela competição de dois estados distintos de spin, conhecidos como two-state reactivity (TSR). Através do estado de transição 2TSSO (baixo spin), o montelucaste é sulfoxidado em uma etapa consertada com barreira energética de 7.5 kcal mol-1, indicando facilidade na formação deste metabólito. Outros caminhos, como o 2TSPO apresentado na figura 2, explicam a auto- oxidação da porfirina encontrada experimentalmente como adutos de N-O porfirina.3
4Cpd I
2Cpd I
4TSPO 2TSSO 24.6(27.4)
15.5 (7.5)
0.0(-0.1) 0.0(0.0)
2TSPO
19.2(9.9)
2PSO 4PPO 2PPO
4.3(3.1) 4TSsO(2TSSO)
-31.4(-34.2) -27.4(-30.6)
+ Cpd I
resonating three-electron bonds, which span two perpendic- ular planes, with two spin-up electrons on iron-oxo.5,14,17,18 Finally, the open-shell a2u1is represented by a cation-radical symbol on porphyrin. These VB cartoons will be used hereafter.
The reader may note that each of the resonance structures in Figure 2b looks like FeIII-O•. Nevertheless, because their superposition relays four of the electrons toπFeO-bonding orbitals, this leaves an Fe(d4) configuration that qualifies as FeIVO. However, during the reaction the electronic structure gets localized and becomes FeIII-O•.
VB Modeling of Archetypal Processes
To understand reactivity patterns, we need a model that shows how reactants evolve to products, the manners
whereby the transition states (TSs) are generated, and the factors that determine barrier heights. This insight is achieved by the VB diagram model,10–12which, for any ele- mentary step, involves two principal curves anchored at the ground states of reactants and products (Ψr,Ψp) and their two excited/promoted states (Ψp*,Ψr*), which are “electronic images” of the respective ground states with which they cor- relate. The correlation is based on the electron-pairing and oxidation-state identities between an “image state” in one end and the ground state in the other. The intersecting VB state curves mix, avoid the crossing, and generate thereby theTSand the barrier for the reaction. Such a generic dia- gram is Figure 3.
FIGURE 1.(a) Stepwise TSR in alkane hydroxylation and (b) concerted sulfoxidation.
SCHEME 2
FIGURE 2. Cpd I: (a) MO representation; (b) MO-VB correspondence.
Valence Bond Modeling of Cytochrome P450 Oxidations Shaik et al.
1156 ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH 1154-1165 August 2010 Vol. 43, No. 8
Friday, February 4, 2011
Figura 2. Estado de transição durante a sulfoxidação do montelucaste pelo Cpd I no estado de dubleto e quarteto (2,4TSSO).
Conclusões
Através do estudo in silico utilizando a mecânica quântica como ferramenta no entendimento de reações catalisadas pelo citocromo P450, foi possível prever a formação em maior quantidade do metabólito sulfóxido, formado em uma etapa consertada com menor energia de ativação. Os fungos filamentosos foram capazes de mimetizar o metabolismo humano de fase I, produzindo 5 metabolitos distintos, dentre eles, o sulfóxido.
Agradecimentos
CAPES, CNPq e FUNAPE.
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1 Labelle, M.; Belley, M.; Gareau, Y. et al Bioorg. Med. Chem. Lett.
1995, 5, 283.
2 Shaik, S.; Cohen, S.; Wang, Y.; Chen, H.; Kumar, D.; Thiel, W. Chem Rev. 2010, 110, 949.
3 Shaik, S.; Lay, W.; Chen, H.; Wang, Y. Acc. Chem. Res. 2010, 43, 1154.
