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UTILIZAÇÃO DE TECNICAS DE MODELAGEM MOLECULAR NO ESTUDO
DE COMPOSTOS BIOATIVOS CONTRA DOENÇA DE CHAGAS
Marcos Antônio Barros dos Santos; Carlos Alberto C. da Fonseca Jr. Universidade do Estado do Pará, Altamira, Pará. mbsantos81@gmail.com RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo utilizar técnicas de modelagem molecular para investigar compostos derivados da 5-nitrofurano-2-aldoxima com potenciais antichagásicos. Análise de estatística multivariada são utilizados na escolha da metodologia computacional, de modo que, a PCA e HCA indicaram que o método HF/6-31G é o que melhor representa os derivados nitrofuranos. Estudos de modelagem molecular aplicado aos seguintes compostos bioativos foram realizados: nitrofurantoína, furaltadona nifuraldezona, nitrofurazona e nihidrazona. Análises da energia total, da energia dos orbitais moleculares, do gap, energia de desprotonoção e a energia de ligação C-H evidenciaram que a nitrofurazona e a nihidrazona apresentam teoricamente maiores atividades biológicas, podendo evidenciar provável atividade antiprotozoária. Os mapas MEP forneceram informações qualitativas da reatividade dos nitrocompostos. Para a nihidrazona o mapa MEP indica que a região com maior potencial negativo concentra-se no oxigênio do grupo acetil. Dessa forma, concluiu-se que das cinco moléculas estudadas com os parâmetros da química computacional, apenas duas apresentaram as reatividades ideais, nitrofurazona e nihidrazona.
Palavras-chave: Modelagem Molecular, Doença de Chagas, nitrofuranos INTRODUÇÃO
A doença de Chagas causada pelo protozoário flagelado Trypanosoma cruzi, atinge 18 milhões de indivíduos na região das Américas, manifestando-se endêmica em 11 países causando 50 mil mortes ao ano e deixando 100 milhões de pessoas sob o rico de infecção (WHO, 2002). As patogenias parasitárias infecciosas acometem milhões de pessoas nas diversas regiões do planeta, principalmente nos países pobres, podendo alastrar-se com facilidade e representando uma crescente ameaça global tais como a Malária, Doença de Chagas, Leishmaniose, Esquistossomose que são causas da incapacitação anualmente de uma parcela significativa da população de alguns países em desenvolvimento (DIAS et al., 2009). Os autores ainda apontam que estas doenças são chamadas de doenças negligenciadas por representarem um mercado pouco lucrativo para as indústrias farmacêuticas.
Nesse cenário, fica evidente a necessidade do planejamento racional de fármacos baseados em estrutura química com o intuito de obter novas drogas que apresentem boa eficácia e baixos efeitos colaterais. Diante desta situação, um grande avanço nas pesquisas para tal grupo de patologias se deu com a atividade científica computacional (VICENTE et al., 2010).
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Isso se explica, pelo fato de alguns programas de computadores facilitarem o processo de formação de uma nova molécula pressupondo-se sua atividade antipatogênica. No caso da doença de Chagas, a atividade computacional simula o efeito químico de uma molécula antichagásica. Desta maneira, conforme for à precisão do efeito fármaco-receptor computacional, maior será a precisão da molécula no alvo biológico (BULTINCK, 2004).Atualmente, os projetos GENOMA e PROTEOMA disponibilizam informações sobre a estrutura de proteínas, o que permitiu a identificação de vários alvos moleculares, com destaque para a Tripanotiona Redutase, uma enzima que tem sido estudada como alvo macromolecular para o desenvolvimento de novos fármacos antichagásicos (PAULINO et al., 2007). Pita e Pascutti (2011) descrevem que a enzima Tripanotiona Redutase proporciona a proteção celular dos tripanossomatídeos, função esta, análoga a enzima glutationa redutase, em seres humanos. Sendo a Tripanotiona Redutase uma enzima que desempenha função importantíssima para o protozoário, os medicamentos formados que atuem sobre ela, servem como indicativo de que o caminho para a terapia cada vez mais adequado está no entorno do estudo da atividade biológica desta enzimainvestigar a atividade biológica de compostos contra a doença de Chagas através de técnicas de modelagem mole
METODOLOGIA
A metodologia utilizada consiste inicialmente da seleção dos compostos para investigação computacional, seguida da análise conformacional e obtenção das propriedades eletrônicas e estruturais.
Para estudar as propriedades eletrônicas de nitrocompostos com atividade antichagásica, utilizou-se os métodos da química quântica para construir a molécula 5-nitrofurano-2-aldoxima. Os cálculos foram realizados com o método Hartree-Fock, Semi-Empírico (AM1 e PM3) e Teoria do Funcional Densidade (B3LYP, BLYP) a fim de investigar o método computacional que melhor represente as moléculas em estudo.
Métodos quimiométricos como Análise dos Componentes Principais (Principal Component Analysis - PCA) e Análise Hierárquica de Clusters (Hierarchical Cluster Analysis - HCA) foram utilizados para selecionar o melhor método e a melhor base no estudo da estrutura eletrônica de nitrocompostos em comparação com dados experimentais obtido dos estudos de (OLSZAK,1995). Todos os cálculos de análise multivariada foram realizados no
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programa Pirouette (INFOMETRIX, 2001).Após a definição do método computacional para estudar os compostos nitrofurânicos, iniciou-se a parte de modelagem molecular a partir da construção das geometrias e otimização prévia utilizando o campo de força de mecânica molecular (MM+) para gerar coordenadas iniciais. Posteriormente foram totalmente reotimizados com o método Hartree-Fock presente no pacote computacional Gaussian® 98 e utilizando-se da base de Pople 6-31G, que representa
o conjunto de funções utilizadas para os cálculos das estruturas eletrônicas dos orbitais moleculares.
Com as propriedades eletrônicas calculadas, o mapa de potencial eletrostático molecular e as cargas ESP foram às últimas etapas do procedimento computacional. Todos os cálculos de otimização de estrutura eletrônica foram realizados utilizando as palavras-chave POP=GFPRINT e cargas (POP=CHELPG). O ambiente computacional foi o OpenSuse Linux 11.0 64-bits rodando em um processador AMD PHENOM 955 X4 2.2 GHz com 16Gb de memória RAM.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os métodos quimiométricos PCA e HCA foram utilizados na escolha do método químico-quântico para estudar as biomoléculas contra a doença de Chagas. As três primeiras componentes principais explicam 97,07% da informação original. A primeira componente, PC1, contém 58,01%, a segunda componente, PC2, contém 28,01% e a terceira componente, PC3, contém 10,89%. Pela análise do dendrograma obtido com o HCA, verifica-se que os métodos teóricos foram agrupados por similaridade e estão de acordo com os resultados obtidos por análise de componentes principais, ou seja, o HCA confirma que o método HF/6-31G está mais próximo com os dados experimentais.
Os compostos nitrofurânicos derivados da nifuroxima 5-nitrofurano-2-aldoxima com atividades anti-Trypanosoma cruzi foram selecionados da literatura e são mostrados na figura 1.
Figura 1: Estrutura genérica de nitrofuranos e seus derivados da 5-nitrofurano-2-aldoxima. NFD, nifuraldezona; NFT, nitrofurantoína; NHZ, nihidrazona; FTD, furaltadona e NFZ, nitrofurazona.
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apresenta os parâmetros geométricos obtidos e são comparados com os dados experimentais.Tabela 1: Comparação dos parâmetros geométricos teóricos e experimentais para o anel furano.
Parâmetro (a) HF/6-31G (b) HF/6-31G* (c) Experimental(d)
Comprimento de ligação C3-C4 1.430 1.408 1.415 C2-C3 1.357 1.339 1.363 C2-O1 1.363 1.350 1.374 C5-O1 1.355 1.364 1.346 C5-N6 1.406 1.424 1.424 N6-O7 1.239 1.191 1.211 N6-O8 1.258 1.194 1.215 C4-H10 1.065 1.070 1.068 Ângulo de ligação O1-C2-C3 109.4 111.50 110.2 C2-C3-C4 106.9 106.4 105.1 C3-C4-C5 105.4 105.7 106.6 C4-C5-N6 130.4 127,7 129.8 C5-N6-O7 116.0 115.7 116.3 C5-N6-O8 119.2 115.7 118.8
(a) Os átomos são enumerados de acordo com a Figura 1 (b) Resultados obtidos neste trabalho
(c) ANANDAN, K. et al. J. Molecular Structure. 639 (2003) 213–221 (d) OLSZAK, T. Acta Crystallographica C. 51, p.1304-1306, 1995.
Os resultados obtidos neste trabalho estão muito próximos com os valores experimentais, demonstrando a qualidade do método e do conjunto de base utilizado para estudar as propriedades eletrônicas de nitrocompostos. Ao comparar nossos resultados com dados publicados nos estudos de Anandan et al. (2003), em diferentes níveis de teoria, evidenciamos que o método HF/6-31G empregado neste trabalho é o mais adequado para a geometria de nitrofuranos.
A Teoria dos Orbitais Moleculares é bastante utilizada na explicação de fenômenos de absorção da luz visível, ou no ultravioleta, que ocorre nos compostos orgânicos. Segundo Mcmurry (2010), é um modelo que descreve a energia associada aos estados eletrônicos de uma molécula. A energia dos orbitais moleculares de mais alta energia ocupado (Figura 2) são propriedades muito importantes em química quântica. Inúmeras aplicações em processos químico e farmacológicos podem ser explicados pelo estudos dos orbitais de fronteira, devido as transferências de cargas relacionarem-se diretamente com estes orbitais.
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Figura 2 - Orbital molecular de mais alta energia ocupado (HOMO) para os nitrocompostosestudados, visualizados com o software MOLEKEL® 4.0. As cores vermelho e azul indicam sinais
opostos da função de onda.
HOMO LUMO
NHZ
Nos compostos investigados, todos os grupos nitro apresentam pequenos lóbulos e localizam-se no plano do anel furano. O anel furano possui geometria planar associado ao grupo nitro, devido apresentar duas duplas ligações C=C. Nessas ligações concentram-se lóbulos grandes perpendicular ao eixo de ligação.
A insaturação presente na ligação C=N, e a sobreposição dos orbitais “p” dos respectivos átomos, contribui significativamente para a estabilidade das moléculas e formação aditiva que não tem nódos entre os núcleos (MCMURRAY, 2010).
Em relação aos substituintes, os grupos mais volumosos, presentes nos compostos NFT e FTD, apresentam pouca densidade eletrônica o que é visualizada nos HOMOs, e os lóbulos concentram-se no orbital “p” do átomo de nitrogênio. A nifuraldezona (NFD) apesar de apresentar duas carbonilas consecutivas não apresenta efeito de ressonância, o que pode ser constatado pelos nós presentes nos átomos de oxigênios e lóbulo pequeno no átomo de nitrogênio não associado a ligação carbono-nitrogênio. Nitrofurazona (NFZ) e nihidrazona (NHZ) apresentam os HOMOs semelhantes, diferenciando apenas o grupo amino que possui pequeno lóbulo e pouco contribui para a energia da molécula.
As energias dos orbitais de fronteira HOMO e LUMO e a energia do gap foram determinadas a partir dos cálculos realizados com o método HF/6-31G e são mostradas na Tabela 2. De acordo com os dados, NHZ e NFZ apresentam energia total muito próximas, o que explica a similaridade de seus orbitais moleculares. Os nitrofuranos FTD e NFT possuem as maiores energias totais, o que pode ser explicado por suas cadeias terminais fechadas e ramificadas. A tensão do anel elevou suas energias totais.
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Tabela 2 - Energia total e energia dos orbitais moleculares
Nitrofurano
-HOMO -LUMO gap - (LUMO-HOMO) Energia de desprotonação Energia de ligação C-H Energia total (hartree) NHZ -0,348 0,008 0,340 372,87 0,97 -731,400 NFZ -0,343 0,017 0,326 372,98 1,00 -747,396 NFD -0,351 0,010 0,361 365,40 0,94 -860,069 NFT -0,352 -0,020 0,372 368,32 1,13 -975,950 FTD -0,346 0,002 0,344 370,24 1,14 -1000,116
Quanto à reatividade dos nitrofuranos, o maior valor de gap (0,372 hartree) para NFT torna-o menos reativo, e a conjugação dos orbitais “p” nos átomos de carbono, nitrogênio e oxigênio favorecem a estabilidade do sistema além do efeito estérico, que impede a interação do sistema.
Os valores de energia de desprotonação, demonstram que NFD (molécula inativa) possui o menor valor de energia de desprotonação, logo possui elevada acidez, enquanto que, a molécula NFZ, possui o maior valor de energia de desprotonação apresentando menor caráter ácido, o que a torna biologicamente ativa. Pelas observações desta propriedade eletrônica, podemos evidenciar provável relação entre a atividade anti-protozoária dos nitrofuranos com a acidez. As moléculas ativas apresentam ordem de ligação C-H elevados (menos ácido), isto é, FTD>NFT>NFZ>NHZ que está de acordo com o menor valor obtido para a energia de desprotonação da NFD.
Propriedades estéricas e eletrônicas são importantes descritores utilizados na investigação da interação fármaco-receptor, e neste sentido, o mapa de potencial eletrostático molecular (MEP) é uma ferramenta útil na compreensão da atividade biológica dos nitrocompostos. A figura 3 apresenta o mapa MEP, de modo que, as regiões com potencial positivo possuem coloração azulada, enquanto que, as regiões com potencial negativo, possuem coloração vermelha.
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Os potenciais eletrostáticos positivos, região em azul, para todos os compostos estudados concentram-se nos átomos de hidrogênios, diferenciando as posições e com quem estão ligados. Para FTD e NFT os potenciais positivos localizam-se nos hidrogênios do anel furano. Para o NFT, além do anel furano, o hidrogênio ligado ao nitrogênio (-NH) do anel substituinte, também possui tonalidade azulada. Na molécula NFZ, o potencial positivo situa-se no hidrogênio amídico (-NH2) associado com hidrogênio vinílico. As moléculas NFD e NHZ,o potencial positivo localiza-se no meio da molécula, ligado ao nitrogênio e ao carbono. CONCLUSÃO
Pela análise dos conteúdos expostos neste trabalho, concluímos que a utilização de técnicas de modelagem molecular aliado às técnicas de análise estatística multivariada são importantes ferramentas computacionais no estudo de compostos bioativos contra doença de Chagas. Dentre as cinco moléculas investigadas, apenas duas, nitrofurazona (NFZ) e nihidrazona (NHZ), apresentaram atividades biológicas satisfatórias, para interação com a enzima Tripanotiona redutase. Os estudos com mapas de potencial eletrostático molecular e energia dos orbitais de fronteira fornecem informações extras para futuras sínteses e ensaios biológicos.
REFERÊNCIAS
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XI Semana Acadêmica Campus de Altamira. (2:2014:Altamira-PA).
Anais da XI Semana Acadêmica: “A Universidade e as Políticas Públicas: a participação cidadã no contexto Amazônico”, 10 a 14 de Novembro de 2014 / Organizado por José Robertto Zaffalon Júnior. Altamira-PA: Universidade do Estado do Pará, EDUEPA, 2014.
1 CD-ROM ISSN: 2237-5554
Saúde. 2. Educação. 3. Ciências I. Zaffalon Júnior, José Robertto II. Título. 115 f.
