Modelagem Molecular de Fármacos no Ensino de Química Farmacêutica

Quim Nova Vol 26 No 3 428438 2003 Educação email carronaluspbr INTRODUÇÃO A MODELAGEM MOLECULAR DE FÁRMACOS NO CURSO EXPERIMENTAL DE QUÍMICA FARMACÊUTICA Ivone Carvalho Mônica T Pupo Áurea D L Borges e Lílian S C Bernardes Departamento de Ciências Farmacêuticas Faculdade de Ciências Farmacêuticas de Ribeirão Preto Universidade de São Paulo Av do Café sn 14040903 Ribeirão Preto SP Recebido em 25702 aceito em 11902 INTRODUCTION TO MOLECULAR MODELING OF DRUGS IN THE MEDICINAL CHEMISTRY EXPERIMENTAL COURSE Molecular Modeling is an important tool in drug design and it is very useful to predict biological activity from a library of compounds A wide variety of computer programs and methods have been developed to visualize the tridimensional geometry and calculate physical properties of drugs In this work we describe a practical approach of molecular modeling as a powerful tool to study structureactivity relationships of drugs including some antibacterials hormones cholinergic and adrenergic agents At first the students learn how to draw 3D structures and use them to perform conformational and molecular analysis Thus they compare drugs with similar pharmacological activity by superimposing one structure on the top of another and evaluate the geometry and physical properties Keywords molecular modeling conformational analysis structureactivity relationship INTRODUÇÃO O planejamento e seleção das atividades didáticas no ensino de Química Farmacêutica são tarefas constantes e necessárias para adap tação dos conteúdos programáticos às novas exigências de um mun do em permanente mudança As transformações devem favorecer o uso de novos recursos tecnológicos e desenvolver o pensamento crí tico do aluno Frente às inovações competitivas é importante direcionar o curso de Química Farmacêutica para gerar idéias alter nativas e desenvolver a atitude criativa dos alunos Neste sentido algumas estratégias metodológicas devem ser incorporadas no ensi no de Química Farmacêutica para promoção do processo de ensino aprendizagem1 Os estudos clássicos de relação estruturaatividade REA exigi am a síntese de diversos análogos estruturalmente relacionados a um composto protótipo e a realização de sucessivos testes de ativi dade biológica Após décadas de investigações de REA foi possível estabelecer algumas generalizações sobre a influência de mudanças estruturais específicas nos efeitos biológicos incluindo o tamanho e formato da cadeia carbônica a natureza e o grau de substituição e a estereoquímica de um composto protótipo As técnicas tradicionais de modificação molecular e REA são ainda importantes na desco berta de novos fármacos no entanto são dispendiosas e requerem extenso período de investigação eventualmente bem sucedido2 A disponibilidade de programas computacionais de química e os bancos de dados em rede são atualmente ferramentas fundamen tais para a descoberta e planejamento de fármacos Estas informa ções permitem uma análise rápida da atividade biológica versus pro priedades físicoquímicas de uma série de moléculas de interesse Novos agentes terapêuticos podem ser desenvolvidos pela análise de dados teóricos de estruturaatividade de forma tridimensional obti dos por técnicas recentes de modelagem molecular Face à ampla definição de Química Medicinal envolvendo a invenção descober ta planejamento identificação e preparação de compostos biologi camente ativos com o estudo do seu metabolismo a interpretação do seu modo de ação molecular e a construção das relações entre estrutura e atividade há uma grande necessidade de inserção e abor dagem de tópicos de modelagem molecular nos cursos de graduação de Química Farmacêutica3 Modelagem molecular segundo a IUPAC é a investigação das estruturas e das propriedades moleculares pelo uso de química computacional e técnicas de visualização gráfica visando fornecer uma representação tridimensional sob um dado conjunto de circuns tâncias4 O planejamento de fármacos auxiliado por computador CADD ComputerAssisted Drug Design é descrito em diversas páginas da Internet e auxilia com tutoriais a investigação das interações químicas de um ligante com o seu receptor e exploração dos fatores estruturais relacionados ao efeito biológico5 Como con seqüência a elucidação dos mecanismos envolvidos nas ações moleculares dos fármacos pode ser compreendida pela integração de conhecimentos fundamentais de Química Orgânica Bioquímica Biologia Molecular e Farmacologia O curso prático de Química Farmacêutica I 2 créditos duas tur mas tem sido ministrado aos alunos do quinto período do curso de Farmácia da FCFRPUSP paralelamente ao curso teórico 4 crédi tos Após a análise cuidadosa dos diferentes enfoques as atividades práticas foram direcionadas ao estudo da geometria e das proprieda des dos fármacos no sentido de explorar as bases químicas e moleculares envolvidas na interação fármacoreceptor pelo empre go de técnicas computacionais De forma mais específica os objeti vos podem ser descritos como i proporcionar a visualização tridimensional e realizar a análise conformacional de fármacos ii analisar o tamanho e formato do grupo farmacofórico iiiverificar a importância da natureza e grau de substituição de gru pos funcionais ivobservar os aspectos estereoquímicos dos fármacos e sua rela ção com a atividade biológica v relacionar a estrutura e as propriedades físicas de uma mesma série de fármacos vipredizer os mecanismos moleculares envolvidos na ação dos fármacos 429 Introdução a Modelagem Molecular de Fármacos Vol 26 No 3 O trabalho apresenta em sua parte inicial os métodos e recursos computacionais utilizados no desenho representação estrutural cor reta e visualização tridimensional de fármacos em seguida mostra o emprego de modelagem molecular na determinação teórica das propriedades físicoquímicas e comparação dos dados obtidos da classe de colinérgicos e adrenérgicos com ação no sistema nervoso autônomo Esta abordagem contempla de forma significativa a integração de conhecimentos teóricopráticos voltados ao estudo da relação estruturaatividade de fármacos e procura contribuir na ela boração de tópicos para implementação de cursos práticos de Quí mica Farmacêutica PARTE EXPERIMENTAL Desenho análise conformacional e molecular dos fármacos Desenho e visualização tridimensional Diversos programas de desenho de moléculas bidimensionais são disponíveis e de fácil utilização como ChemWindow Isis Draw e ChemDraw Eles permitem a elaboração de figuras e diagramas com qualidade e exatidão desejadas e facilitam o trabalho de documenta ção e comunicação científica Os alunos apreendem os recursos disponíveis no menu principal dos programas Chemdraw6 e Chem3D7 e a utilização da barra de ferramentas e templates para desenhar estruturas químicas Os as pectos estereoquímicos são particularmente explorados e com exer cícios os alunos são capazes de representar a estereoquímica correta dos carbonos assimétricos dos fármacos como benzilpenicilina 1 e estramustina 2 Figura 1 Eventualmente os desenhos podem ser realizados na forma de perspectiva representando moléculas nas di ferentes projeções de Fisher Newman e Haworth Alguns programas permitem o cálculo e a representação de vári as propriedades moleculares incluindo fórmula e massa moleculares massa exata e análise teórica elementar Programas mais completos como ChemDraw Ultra8 fornecem adicionalmente o nome quími co correto IUPAC dos compostos químicos e podem predizer os correspondentes deslocamentos químicos de RMN 1H e 13C pontos de fusão e congelamento log P refratividade molar e calor de for mação A partir do menu principal do programa ChemDraw6 usando o comando Edit e Insert Name as Structure os alunos são treina dos a reconhecer quimicamente os diversos anéis heterocíclicos freqüentemente presentes nos fármacos A introdução do nome em inglês de um anel na caixa de diálogo como oxazole furane tetrahydrofuran pyridine pyrrole thiophene piperazine pyrazole imidazole 13thiazole benzodiazepine e piperidine permite a visualização da estrutura correspondente na janela de desenho Esta tarefa auxilia o aluno a correlacionar a estrutura química com a no menclatura IUPAC e facilita a construção de moléculas mais com plexas A visualização tridimensional dos fármacos é realizada pela cons trução das ligações passo a passo no programa Chem3D7 obser vando as informações sobre comprimento e ângulo de ligação com ajuda do mouse Moléculas mais complexas são desenhadas alter nando vários recursos como o uso de ferramentas de desenho sub estruturas disponíveis no programa e uso de caixa de diálogo cujas fórmulas representadas linearmente são digitadas Paralelamente são realizadas conversões de moléculas desenhadas em ChemDraw copy para o modelo tridimensional em Chem3D paste como exemplificado para sulfametoxazol 3 Figura 2 Nos programas de desenho 3D as moléculas podem ser represen tadas em uma grande diversidade de formatos como arame bastões esferas e cilindros e space filling construídas a partir de compri mentos e ângulos de ligação geometria padronizados Figura 3 O desenho e a visualização de fármacos 3D com fatores estéricos relevantes para a atividade biológica são importantes para análise Figura 1 Desenho de fármacos com aspectos estereoquímicos relevantes ChemDraw O O H N N S H H COOH O N CH3OPO3Na2 O Cl Cl H H H C16H18N2O4S Massa exata 33410 Massa molecular 33439 C 5747 H 543 N 838 O 1914 S 959 C23H30Cl2NNa2O6P Massa exata 56310 Massa molecular 56435 C 4895 H 536 Cl 1256 N 248 Na 815 O 1701 P 549 Benzilpenicilina 1 Fosfato sódico de estramustina 2 Figura 2 Conversão da estrutura de sulfametoxazol 3 em 3D na forma de ligações cilíndricas Chemdraw Chem3D Figura 3 Diferentes representações de sulfametoxazol 3a arame 3b cilindro e esfera 3c cilindro e 3d space filling Chem3D 430 Quim Nova Carvalho et al do tamanho volume e formato das moléculas Estes exercícios po dem ser feitos nos programas Chem 3D7 ou Molecular Modeling Pro9 Paralelamente aos desenhos os alunos utilizam modelos 3D para construção das moléculas a fim de facilitar o entendimento e comparar as visualizações obtidas com os desenhos corresponden tes dos programas As moléculas de epinefrina 4 e propranolol 5 são usadas para ilustrar a importância da estereoquímica para ação de fármacos no receptor betaadrenérgico Figura 4 Os compostos 4 e 5 podem ser facilmente desenhados nas suas configurações ativas R e S res pectivamente girando as moléculas nos eixos X Y e Z e fazendo as atribuições de acordo com a regra clássica de CahnIngoldPrelog Aparentemente as configurações do carbono assimétrico da cadeia lateral destes compostos parecem opostas devido à nomenclatura R e S No entanto a comparação dos dois fármacos 3D mostra que a disposição e orientação espacial do grupo hidroxila são semelhan tes ou seja ambos estão direcionados para a mesma face A diferen ça de nomenclatura R e S é devida à regra relativa de prioridades ou seja o grupo ariloxi introduzido no antagonista 5 passa a ter prioridade sobre o grupo metileno amino da cadeia lateral o que não é observado na molécula de epinefrina 4 10 A importância do formato e tamanho da molécula pode ser ilus trada com o fármaco transdietilestilbestrol 6 usado para mimetizar o hormônio natural estradiol 7 Figura 5 A comparação das dis tâncias interatômicas entre o hormônio natural e os produtos sintéti cos evidencia que apenas o isômero transdietilestilbestrol 6 pos sui as distâncias interatômicas desejadas entre os carbonos conten do grupos hidroxila laterais em torno de 90 Å O isômero geométri co correspondente cis 8 apresenta a distância de 59 Å bem dife rente da molécula de estradiol 7 original 86 Å 11 Análise conformacional e minimização de energia O programa Chem3D7 foi empregado nos estudos propostos no entanto outros programas como Molecular Modeling Pro ChemSite Alchemy Sybyl Hyperchem ChemX CAChe e Weblab Viewer são também disponíveis A análise conformacional de uma molécula é realizada pela ro tação de uma ligação com mudança paralela dos ângulos torsionais ou diédricos das ligações e cálculos correspondentes de energia estérica decorrente da sobreposição espacial de átomos nãoligados e barreiras torsionais de rotação As moléculas desenhadas de forma tridimensional não estão necessariamente na conformação mais estável Durante a geração de uma determinada estrutura ocorrem distorções na molécula com formação desfavorável de comprimentos e ângulos de ligações e ân gulos diédricos Átomos nãoligados também interagem em uma mesma região do espaço e provocam repulsão estérica e eletrostática Para corrigir estas distorções as moléculas são otimizadas pelo pro cesso de minimização de energia a partir de dois modelos matemá ticos i mecânica molecular ou ii mecânica quântica Interações não previsíveis relacionadas à sobreposição de orbital molecular distribuição de densidade eletrônica ou interferências estéricas po dem ser solucionadas pelos métodos computacionais A minimização de energia e a análise conformacional são usadas interativamente para otimizar a geometria de uma molécula10 A escolha do método de minimização de energia depende de fatores relacionados ao tamanho da molécula disponibilidade de parâmetros e dados armazenados e recurso computacional Os mo delos moleculares gerados pelo computador são resultantes de equa ções matemáticas que estimam as posições e propriedades dos elé trons e núcleos os cálculos realizados exploram de forma experi mental as características de uma estrutura fornecendo uma molécu la sob nova perspectiva Mecânica molecular A energia é calculada por comparação entre ângulos e distâncias de ligação entre átomos que compõem a molécula com valores tabe lados pelo emprego do programa MM2 As equações obtidas por mecânica molecular consideram apenas o núcleo dos átomos e não incluem os elétrons nos cálculos O programa determina as interações moleculares resultantes do estiramento das ligações deformação angular torsional e espacial e calcula a energia da molécula de par Figura 4 Configurações de Repinefrina 4 e Spropranolol 5 com nomenclatura distinta regras de prioridade de CahnIngoldPrelog mas mesma disposição espacial do centro estereogênico Molecular Modeling Pro Figura 5 Comparação do formato e distâncias interatômicas do hormônio estradiol 7 e de seus análogos transetilestilbestrol ativo 6 e cis etilestilbestrol inativo 8 431 Introdução a Modelagem Molecular de Fármacos Vol 26 No 3 tida de forma comparativa com relação ao padrão metano 1 KJ mol O processo de mecânica molecular promove a modificação dos ângulos e comprimentos das ligações dos átomos originais e fornece novas conformações com os correspondentes cálculos de energia O programa reconhece as mudanças que conduzem a estru turas mais estáveis de menor energia estérica e os cálculos são inter rompidos quando as modificações da estrutura mais estável em rela ção à molécula original não resultam em alteração considerável de energia O objetivo da mecânica molecular é predizer a energia asso ciada com determinada conformação de uma molécula Porém a energia estérica obtida por mecânica molecular não expressa quan tidades absolutas apenas diferenças de energia entre duas ou mais conformações10 Mecânica quântica Diferentemente do processo de mecânica molecular a mecânica quântica usa as equações de física quântica para calcular as proprie dades de uma molécula a partir das interações entre os seus elétrons e núcleos O movimento dos elétrons é considerado mais rápido e independente do núcleo e uma vez que os elétrons giram em torno do núcleo é possível descrever a energia eletrônica separadamente da energia nuclear Os cálculos de mecânica quântica não são exa tos pois são feitas algumas aproximações baseadas em dados empíricos e podem ser subdivididos em dois métodos ab initio e semiempírico Método ab initio pode ser aplicado apenas a molécu las pequenas e apesar de mais preciso e não necessitar de dados armazenados requer grande capacidade de memória e tempo de cál culo do computador O método semiempírico é menos exato porém mais rápido e pode ser utilizado na minimização de energia e otimização de moléculas que variam de 10 a 120 átomos A energia é calculada utilizando a equação de Schrödinger a partir de parâmetros armazenados MOPAC é o método semiempírico freqüentemente empregado e pode ser subdividido nos programas AM1 MINDO3 MNDO MNDOd e PM310 A Figura 6 mostra os fármacos clorpromazina 9 e indometacina 10 nos quais os as pectos conformacionais são importantes para a interação no receptor e geração do efeito biológico é visível a diferença dos arranjos espa ciais entre as formas não otimizadas 9b e 10b e as corresponden tes 9c e 10c energeticamente otimizadas pelo programa MOPAC AM1 O sistema tricíclico do antipsicótico clorpromazina 9a pa rece não interagir na forma plana 9b no receptor dopaminérgico mas sim com ângulo de aproximadamente 25 na junção dos anéis que coincide com a estrutura 9c 12 Por outro lado a molécula de indometacina 10a apresenta diversos aspectos estruturais relevan tes para a atividade antiinflamatória entre eles a orientação do gru po Npclorobenzoílico nãoplana ou perpendicular ao sistema indólico13 A minimização da estrutura 10b relativamente plana permite obter a estrutura 10c mais próxima da conformação bioativa As moléculas 3D minimizadas podem ser movimentadas nos eixos X Y e Z com o auxílio do mouse para visualização mais detalhada Dinâmica molecular Os processos de minimização de energia discutidos anteriormente fornecem uma conformação 3D estável que não representa neces sariamente a estrutura mais estável de determinada molécula Na minimização os cálculos de energia estérica são interrompidos quan do a molécula atinge a primeira conformação estável e levam a uma estrutura semelhante à original com energia mínima local Nesta fase a minimização não é continuada porque variações na estrutura resultam em mudanças pequenas de energia O Gráfico 1 mostra que esta conformação estável pode estar separada de outra ainda mais estável por uma barreira de energia que o programa de minimização é incapaz de sobrepujar Neste caso para identificar a conformação mais estável com uma energia mínima global é necessário gerar várias conformações de uma molécula e comparar os valores de ener gias obtidos a cada modificação1014 O programa de dinâmica molecular pode ser empregado para obtenção da conformação mais estável Neste processo ocorrem estiramentos das ligações e alterações angulares como se a molécu la estivesse sendo aquecida e desta forma as barreiras de energia entre as conformações são vencidas Um exemplo da importância deste procedimento é a conformação barco distorcida de cicloexano obtida quando o processo de minimização é empregado Aquecendo a molécula pelo processo de dinâmica molecular ocorre a geração de novas conformações incluindo a mais estável na forma de cadeira O fármaco clonidina 11 usado para tratamento da hipertensão pode ser usado para ilustrar as diferentes disposições espaciais da molé cula quando convertidas do desenho 2D 11a minimizada por me cânica molecular MM2 11b e submetida ao processo de dinâ mica molecular 11c É importante notar a variação do ângulo diédrico entre as possíveis conformações de 11 A estrutura 11c obtida por dinâmica molecular apresenta o anel imidazolina mais próximo da orientação perpendicular ao grupo 26diclorofenílico e contribui para mimetizar o neurotransmissor epinefrina nas interações com o receptor α2 Figura 715 Figura 6 Clorpromazina 9a e suas estruturas 3D 9b não otimizada e 9c otimizada pelo programa MOPAC indometacina 10a e suas estruturas 3D 10b não otimizada e 10c otimizada pelo programa MOPAC Chem3D Gráfico 1 Energia mínima local e global obtidas respectivamente pelo processo de minimização e dinâmica molecular 432 Quim Nova Carvalho et al No programa Chem3D é possível realizar o processo de dinâmi ca molecular para análise conformacional de determinada molécula mas existe o risco de algumas conformações não serem identificadas Outro procedimento mais sistemático e detalhado para realizar a aná lise conformacional envolve a geração em etapas de diferentes confôrmeros pela rotação de uma ligação central de interesse e alteração préfixada do ângulo correspondente pela projeção de Newman A energia estérica de cada conformação é determinada e representada em gráfico de energia x ângulo para visualização das conformações mais estáveis10 Este procedimento em etapas é mos trado e explorado no curso prático usando a molécula de acetilcolina ACh 12 como modelo Três técnicas têm sido usadas para explo rar as propriedades conformacionais de 12 cristalografia de raios X ressonância magnética nuclear e modelagem molecular A acetilcolina 12 é extremamente interessante devido à sua capacidade de desencadear grande número de efeitos biológicos decorrentes de sua interação em diferentes receptores nicotínicos e muscarínicos do sistema nervoso autônomo Muitas estruturas aná logas e rígidas de ACh 12 foram preparadas no entanto não foi possível concluir com exatidão qual a conformação ativa específica que atua em cada receptor Por outro lado foi verificado que o grupo farmacofórico deve adotar arranjos espaciais distintos para interação nos receptores nicotínicos e muscarínicos colinérgicos A versatili dade da molécula de 12 pode ser explicada pelas diferenças de distância interatômica de 59 Å e 44 Å observadas entre o grupo éster e o nitrogênio quaternário respectivamente para interação nos receptores nicotínico e muscarínico10 A distância interatômica está diretamente relacionada à conformação de ACh ou seja ao arranjo dos ângulos diédricos ou torsionais da molécula Para facilitar o aprendizado das diferentes conformações espaci ais de 12 os alunos são treinados a realizar a projeção de Newman dos átomos centrais de ACh O3C4C5N6 no programa Chem3D7 e analisar os possíveis ângulos torsionais da molécula em um processo de análise conformacional em etapas O ângulo diédrico ou torsional τtau pode ser considerado como o ângulo formado entre dois planos definidos como AXY e XYB de quatro átomos conectados na ordem AXYB A projeção permite visualizar a dis posição espacial do grupo éster em relação ao amônio quaternário No menu principal view do programa Chem3D é possível se lecionar settings e então movies para girar manualmente apenas a ligação C4C5 no eixo XY da projeção A cada rotação previ amente estabelecida de 60º ocorre alteração do ângulo diédrico e geração de nova conformação totalizando seis confôrmeros diferen tes A cada mudança no ângulo diédrico são calculadas as energias estéricas correspondentes das formas antiperiplanar estrelada sinclinal gauche anticlinal gauche e sinplanar eclipsada gera das pelo programa MM2 Tabela 1 7 Neste experimento é possível determinar a energia mínima glo bal estérica e prever a conformação preferencial mais estável de ACh 12 As faces positiva 0180º e negativa 1800º de rotação são consideradas na verdade como uma movimentação completa de 360º no eixo XY no sentido de facilitar a representação gráfica e inter pretação dos resultados O gráfico de energia x ângulo Gráfico 2 dos diferentes con fôrmeros de 12 pode ser construído para interpretar e comparar o significado das propriedades conformacionais Todos estes passos de mudança de ângulo e medida de energia podem ser gravados e visualizados na forma de animações observando as mudanças de ângulos diédricos na tabela de medidas Para completar a análise conformacional os alunos repetem a mesma tarefa para S metacolina 13 Gráfico 2 agonista muscarínico colinérgico no sentido de verificar a influência espacial do grupo metila comparan do os gráficos de energia estérica x ângulos diédricos obtidos No exemplo de Smetacolina 13 a conformação mais estável é próxi ma à sinclinal com ângulo de 80º Por outro lado para o isômero R metacolina biologicamente inativo a conformação mais estável é próxima a anticlinal 280 As dimensões moleculares de estruturas 3D de 12 relativas ao comprimento e ângulo de ligação e ângulo torsional ou diédrico podem ser obtidas adicionalmente na forma de tabelas em uma ja nela adicional de medidas e usadas para análise conformacional e comparação entre compostos análogos Figura 8 7 Propriedades moleculares O entendimento do mecanismo de ação e metabolismo de antibió ticos βlactâmicos depende em grande extensão da análise da reatividade do fármaco O principal objetivo é prever a formação de Figura 7 Representação espacial da molécula de clonidina 11 com os correspondentes ângulos diédricos τ estruturas 11a desenhada no programa Chemdraw e convertida ao Chem3D 11b minimizada pelo processo de mecânica molecular MM2 e 11c modificações sistemáticas pelo procedimento de dinâmica molecular Tabela 1 Análise conformacional da molécula de acetilcolina 12 visualizada através de projeção de Newman Chem3D e Weblab Viewer Ângulo Diédrico 58 118 178 238 298 358 Conformações Sinclinal Anticlinal Antiperiplanar Anticlinal Sinclinal Sinplanar Energia Kcalmol 23 18 15 18 22 37 433 Introdução a Modelagem Molecular de Fármacos Vol 26 No 3 produtos de degradação em determinado compartimento biológico e diferenças de espectro de ação em função da presença de grupos polares adicionais na molécula Um exemplo marcante é a análise de reatividade da molécula de benzilpenicilina 14 a qual em meio ácido sofre reações intramoleculares iniciadas pelo oxigênio nucleofílico amida da cadeia lateral Esquema 1 10 A sensibilidade de 14 em meio ácido é causada por três fato res a tensão torsional do anel βlactâmico a alta reatividade do car bono carbonílico βlactâmico e a influência do grupo acila amida da cadeia lateral que atua pela reação de participação do grupo vizi nho10 Por outro lado no antibiótico ampicilina 17a o grupo amino α à carbonila amida da cadeia lateral retira elétrons do grupo amida vizinho e conseqüentemente diminui o ataque junto ao anel β lactâmico Neste caso o antibiótico 17a pode ser usado pela via oral porque o meio ácido estomacal não produzirá os metabólitos ácidos penicilênico 15 e penílico 16 entre outros Adicionalmente o grupo amino polar de ampicilina 17a é capaz de se ionizar e desta forma atravessar os canais de porina hidrofílicos da parede celular bacteriana com maior facilidade permitindo que o antibióti co atue nas bactérias gramnegativas10 A visualização da carga parcial dos átomos dos antibióticos β lactâmicos permite avaliar a reatividade geral da molécula e sugerir reações de degradação como a observada durante a hidrólise ácida Esquema 1 A nuvem eletrônica de uma molécula não está fixa em um átomo específico mas pode se mover em torno da molécula Existe maior probabilidade de encontrar os elétrons mais próximos a átomos eletronegativos do que eletropositivos e por esta razão a distribuição de carga na molécula não é uniforme Os valores de carga parcial podem ser quantificados e representam a média da car ga parcial de cada átomo subtraída do número de prótons presentes Geralmente quanto maior a grandeza de uma carga atômica maior será a probabilidade de ocorrer a formação de ligações com outros Gráfico 2 Representação da variação de energia em função do ângulo diédrico das moléculas de acetilcolina 12 e Smetacolina 13 Figura 8 Molécula de acetilcolina 12 e as correspondentes medidas de comprimento e ângulo de ligação e ângulo torsional Chem3D Esquema 1 Degradação parcial da molécula de benzilpenicilina 14 em meio ácido 434 Quim Nova Carvalho et al átomos cuja carga parcial possui sinal oposto O método de Hückel Estendido envolve cálculos de orbital molecular mecânicoquântico semiempírico no programa Chem3D e pode ser usado para visualização da carga parcial de cada átomo As cargas parciais po dem ser representadas de três formas em uma molécula 3D variação de coloração dos átomos negativo azul e positivo vermelho ta manho das esferas dos átomos e tamanho da superfície representada por dots Na visualização por dots o tamanho de cada nuvem representa a quantidade de carga de cada átomo mais negativo ver melho ou positivo azul Na Figura 9 benzilpenicilina 14 é re presentada pelas estruturas 14a e 14b e ampicilina por 17a e 17b forma ionizada sendo a carga parcial representada em a por coloração dos átomos e b por dots 7 As diferenças de carga dos correspondentes átomos de oxigênio carbonílico da amida lateral de penicilina 14 033 e ampicilina protonada 17 026 podem ser visualizadas pelo emprego do método CNDO Molecular Modeling Pro9 A presença do grupo α amino protonado adicional em ampicilina 17 diminui a carga ne gativa do átomo de oxigênio da amida lateral tornandoo menos reativo para realizar ataque nucleofílico no carbono carbonílico do anel βlactâmico em meio ácido As cargas dos átomos de carbono e nitrogênio da função amida de 17 são alterados em menor propor ção tornandose respectivamente menos eletrofílica e nucleofílica Na Figura 10 são mostrados os valores de carga parcial dos átomos das moléculas de benzilpenicilina 14c e ampicilina 17c calcula dos no programa Molecular Modeling Pro9 Os valores de carga parcial e momento dipolar podem ser calcu lados por diversos métodos computacionais como Teoria de Hückel Estendido que considera a combinação linear dos orbitais atômicos CNDO envolvendo processo de química quântica semiempírico ou Del Re completamente empírico O método CNDO é bastante em pregado para análise da geometria e propriedades moleculares e os cálculos de Hückel Estendido são mais aplicados a sistemas aromá ticos Assim os dados de carga parcial mostrados na Figura 10 foram obtidos pelo método CNDO disponível no menu principal tools do programa Molecular Modeling Pro9 Outras visualizações ainda são possíveis como a superfície de orbital molecular potencial eletrostático molecular e superfície de acesso ao solvente Por exemplo é possível representar a molécula de sulfametoxazol 3 por superfície de densidade total de carga destacando as cargas parciais presentes Figura 11 Modelagem molecular Os tópicos de modelagem molecular foram centralizados na ex ploração das diferenças eletrônicas estéricas e hidrofóbicas entre fármacos agonistas e antagonistas dentro de uma mesma classe tera pêutica Os programas Molecular Modeling Pro9 e ChemSite16 ChemSW foram usados nos estudos de modelagem molecular e todas as moléculas analisadas foram previamente submetidas à minimização de energia estérica pelo processo de mecânica molecular MM2 e AMBER e posteriormente salvas em um mesmo diretório para cálculo simultâneo das propriedades desejadas Algumas pro priedades físicas não dependem da geometria da molécula no entan to a otimização da geometria é necessária para cálculos de volume e comprimento moleculares área de superfície densidade e momento dipolar No programa Molecular Modeling Pro a análise conformacional em etapas descrita no item anterior pode ser realizada de forma automática e rápida com a possibilidade de girar duas ligações em uma mesma análise Em poucos segundos o programa fornece os Figura 9 Diferentes representações da distribuição de carga parcial nas moléculas de benzilpenicilina 14a e 14b e ampicilina 17a e 17b forma ionizada as estruturas 14a e 17a são representadas por diferentes colorações das cargas parciais negativo azul e positivo vermelho e as estruturas 14b e 17b forma ionizada por dots mais negativo vermelho ou positivo azul Chem3D Figura 10 Representação da distribuição de carga nas moléculas de benzilpenicilina 14c e ampicilina 17c azul escuro bastante positivos azul claro levemente positivos marrom bastante negativos vermelho levemente negativos e branco neutro Molecular Modeling Pro Figura 11 Estrutura de sulfametoxazol 3 com densidade de carga total representada por 3e dots 3f nuvem transparente e 3g arame Chem3D 435 Introdução a Modelagem Molecular de Fármacos Vol 26 No 3 gráficos de energia x ângulo as tabelas correspondentes e a repre sentação de três das estruturas mais estáveis obtidas9 Nesta etapa do curso os estudos de introdução a modelagem foram direcionados na análise das diferenças e semelhanças estrutu rais entre compostos agonistas e antagonistas de uma mesma classe terapêutica pela sobreposição molecular de grupos funcionais co muns e determinação de parâmetros físicos possivelmente relevan tes para a atividade biológica A melhor sobreposição foi obtida após o alinhamento dos diversos compostos no eixo xy realizada de acor do com as instruções do manual do programa9 Os substratos foram mantidos fixos acetilcolina e epinefrina e os fármacos foram arran jados próximos aos substratos correspondentes com auxílio das ferramentas de rotação As diferenças e semelhanças estruturais po dem ser destacadas de várias formas e colorações na Figura 12 acetilcolina 12 é representada na forma de ligações cilíndricas e esferas enquanto os fármacos 13 1821 são mostrados como bas tões A sobreposição do substrato ACh com os fármacos mostrados na Figura 12 evidencia algumas semelhanças entre os agonistas metacolina 13 e betanecol 18 e antagonistas atropina 19 propantelina 20 e suxametônio 21 como distância interatômica e o ângulo diédrico en tre o oxigênio éster e o grupo amino lateral Por outro lado são bastante visíveis as diferenças do tamanho molecular destacando a presença de grupos volumosos adicionais nos antagonistas Diversos parâmetros físicoquímicos de interesse podem ser medidos na forma de tabela pela aplicação do programa Molecular Modeling Pro incluindo distâncias interatômicas ângulos diédricos volume comprimento e peso moleculares coeficiente de partição logP polaridade ligação de hidrogênio conectividade molecular momento dipolar entre outros O programa realiza o cálculo simul tâneo das propriedades de todas as moléculas salvas em um mesmo diretório apresentando os dados desejados na forma de tabela9 A Tabela 2 mostra alguns dos parâmetros obtidos na análise compara tiva entre os fármacos que atuam no sistema colinérgico A interpre tação destes dados contribui para o entendimento do curso teórico pois mostra as distâncias interatômicas e ângulos torsionais entre o oxigênio do grupo éster e o nitrogênio quaternário OCCN ou terciário atropina bastante semelhantes entre agonistas e antago nistas Outro fator interessante é a diferença das medidas de volume e comprimento moleculares entre as duas classes caracterizando quantitativamente a presença de grupo volumoso e de maior com primento molecular nos antagonistas também visualizado no pro cesso de sobreposição As mesmas comparações e medidas foram realizadas para análi se estrutural dos fármacos da classe dos adrenérgicos empregando epinefrina 22 como o substrato de referência para as visualizações por sobreposição Para facilitar a comparação epinefrina 22 é re presentada na forma de esfera e cilindro e os fármacos 2326 na forma de bastão Figura 13 De forma semelhante aos fármacos colinérgicos são realizadas as observações da geometria dos compostos agonistas dopamina 23 e efedrina 24 e antagonistas propranolol 25 e atenolol 26 no sentido de estabelecer as semelhanças e diferenças mais relevantes Nesta classe de ligantes adrenérgicos as semelhanças estão relacionadas à cadeia lateral etilamina ou etanolamina nos agonistas e oxipropanolamina nos antagonistas enquanto que o volume molecular é novamente uma di ferença marcante entre estes fármacos Tabela 3 Tabela 2 Parâmetros físicos obtidos na análise comparativa dos fármacos do sistema colinérgico Classe volume comprimento momento distância ângulo dos Fórmula molecular molecular Log P dipolar interatômica diédrico colinérgicos cm3mol Å Debyes Å Acetilcolina C7H17NO2 9430 1038 087 134 378 18004 SMetacolina C8H19NO2 10432 1072 118 153 376 14902 SBetanecol C7H18N2O2 10115 1081 033 288 377 15056 SAtropina C17H25NO3 16855 1105 152 228 403 30210 Propantelina C3H33NO3 22366 1492 463 206 384 17483 Succinilcolina C14H32N2O4 18205 1894 105 007 375 17999 Figura 12 Sobreposição de fármacos colinérgicos com ACh 12 destacando as semelhanças distâncias intermoleculares e ângulo diédrico e diferenças volumes moleculares existentes ACh 12 é representada por esferas e cilindros e os fármacos 13 1821 apenas por bastões Molecular Modeling Pro Figura 13 Sobreposição de fármacos adrenérgicos com epinefrina 22 destacando as semelhanças distâncias intermoleculares e ângulo diédrico e diferenças volumes moleculares existentes Epinefrina 22 é representada por esferas e cilindros e os fármacos 2326 apenas por bastões Molecular Modeling Pro 436 Quim Nova Carvalho et al A importância da sobreposição dos fármacos não se restringe apenas à comparação geométrica com o substrato correspondente mas pode também ser usada para análise comparativa de lipofilicidade e distribuição de carga parcial A Figura 14 mostra dois exemplos característicos de diferenças de lipofilicidade acetilcolina 12 versus atropina 19 e epinefrina 22 versus propranolol 25 A coloração azul indica região lipofílica e marrom e vermelho região hidrofílica É possível observar como os antagonistas se destacam em termos de lipossolubilidade em relação aos respectivos substratos A distribuição de carga também pode ser analisada comparativa mente durante a sobreposição A Figura 15 mostra as diferenças de carga parcial entre acetilcolina 12 versus atropina 19 e epinefrina 22 versus propranolol 25 devido às diferenças de coloração entre os átomos Coloração azul escuro indica átomos com carga parcial positiva azul claro pouco positivo vermelho pouco negativo e marrom negativo RESULTADOS E DISCUSSÃO Desenho análise conformacional e molecular de fármacos A representação estrutural tridimensional dos fármacos nos pro gramas computacionais e a construção de modelos moleculares fo ram importantes para o aprendizado das características geométricas e moleculares essenciais para a atividade biológica de algumas clas ses de fármacos Esta primeira etapa de atividade procurou reunir conhecimentos fundamentais de Química Orgânica como estereoquímica reatividade e nomenclatura para entendimento da relação estruturaatividade de fármacos Os processos de minimização de energia e dinâmica molecular foram explorados visando à obtenção de estruturas mais estáveis no sentido de corrigir eventuais distorções moleculares decorrentes da geração de ligações com comprimentos ângulos e ângulos diédricos desfavoráveis As interações de repulsão estérica e eletrostática ob servadas em átomos nãoligados foram paralelamente corrigidas nesta etapa10 O estudo da variação de energia estérica em função da mudança do ângulo diédrico da molécula de acetilcolina permitiu realizar a análise conformacional detalhada inclusive proporcionando a visualização gráfica dos resultados A ausência de centro este reogênico em ACh fornece um gráfico com curva simétrica diferen te de Smetacolina O gráfico permitiu concluir qual a conformação mais estável de ACh e a correspondente alteração do perfil de ener gia estérica após a introdução de grupo metila na cadeia principal gerando a molécula de Smetacolina com reconhecida ação muscarínica seletiva A projeção de Newman da molécula de ACh CH33 NCC OCOCH3 com rotação da ligação covalente CC central permitiu visualizar na conformação antiperiplanar a maior distância e menor repulsão entre os grupos funcionais substituintes CH33N e OCOCH3 representando a estrutura de maior estabilidade com energia estérica de 154 Kcal Em contrapartida os resultados obti dos para Smetacolina foram distintos e a conformação mais estável obtida foi próxima a forma sinclinal 80 com energia estérica de 167 Kcal Em associação com as aulas teóricas os alunos concluem que existe grande probabilidade dos fármacos agirem em seu alvo na conformação termodinamicamente mais estável no entanto outros fatores podem interferir na disposição espacial da estrutura final A molécula de ACh é um exemplo característico que no comparti mento biológico age provavelmente na forma antiperiplanar 180 no receptor nicotínico e sinclinal 8017 ou anticlinal 12018 no receptor muscarínico sendo esta última interação devido provavel mente à interação eletrostática entre os grupos CH33N e OCOCH3 da molécula Este dado está em acordo com a forma observada para o agonista muscarínico seletivo Smetacolina cuja conformação bioativa é próxima à sinclinal 80 Modelagem molecular As atividades práticas de modelagem molecular envolveram o uso de química computacional como ferramenta direcionada ao es tudo das características e propriedades dos fármacos colinérgicos e adrenérgicos Nas duas classes de fármacos os alunos foram capazes de entender e memorizar as semelhanças estruturais entre os fármacos agonistas e antagonistas necessárias para a afinidade no receptor correspondente assim como as diferenças estruturais fundamentais que freqüentemente convertem um substrato em um inibidor com Figura 15 Análise da distribuição de carga parcial comparativa de fármacos em função das diferentes colorações azul escuro indica carga parcial positiva azul claro pouco positivo vermelho pouco negativo e marrom negativo Molecular Modeling Pro Figura 14 Análise da lipofilicidade comparativa de fármacos em função das diferentes colorações azul escuro região muito lipofílica azul claro pouco lipofílico preto neutro vermelho pouco hidrofílica e marron muito hidrofílica Molecular Modeling Pro Tabela 3 Parâmetros físicos obtidos na análise comparativa dos fármacos do sistema adrenérgico Classe volume comprimento momento distância ângulo dos Fórmula molecular molecular Log P dipolar interatômica diédrico Adrenérgicos cm3mol Å Debyes Å RAdrenalina C9H13N O3 10266 1222 060 139 384 18166 Dopamina C8H11NO2 8719 1085 009 147 383 17731 DEfedrina C10H15NO 10166 805 103 066 296 5547 SPropranolol C15H21NO2 14609 1292 274 202 390 17962 SAtenolol C14H22N2O3 15578 1712 015 279 385 18155 437 Introdução a Modelagem Molecular de Fármacos Vol 26 No 3 petitivo Os estudos teóricos de relação estruturaatividade e explo ração do grupo farmacofórico de fármacos do sistema nervoso autô nomo foram complementados realizando comparação estrutural do substrato com seus correspondentes agonistas e antagonistas nos programas de modelagem molecular Figuras 12 e 13 916 A sobreposição dos compostos e as medidas de volume e com primento moleculares comparativas entre os agonistas e antagonis tas mostraram a manutenção de certas propriedades estruturais para interação complementar no receptor e a presença marcante de gru pos volumosos nos antagonistas contribuindo para interações hidrofóbicas adicionais em regiões próximas ao receptor Nestes exer cícios os alunos concluíram que na classe dos fármacos do sistema nervoso autônomo o maior volume molecular dos fármacos antago nistas promove maior impedimento estérico e bloqueia o receptor para interação com o substrato correspondente As distâncias interatômicas apresentadas pelos fármacos agonistas e antagonistas colinérgicos calculadas entre o átomo de oxigênio da função éster e o grupo de amônio quaternário ou terciário foram entre 37 a 40 Å confirmando a necessidade de manutenção desta característica estrutural em ambas as classes para maior afinidade com o receptor A distância obtida pode ainda ser interpretada como a distância complementar existente entre os aminoácidos dos sítios de ligação no receptor necessárias para interação com o ligante Os aminoácidos de Thr192 treonina e Asn382 asparagina que reali zam interação hidrofóbica e ligação de hidrogênio com o grupo éster de ACh e os aminoácidos de Asp105 aspartato Trp378 triptofano e Tyr381 tirosina que interagem com o grupo amônio quaternário ou terciário protonado através de interação iônica e cátion π de vem estar separados pela mesma ordem de grandeza Figura 1618 Com exceção da molécula de efedrina 24 as distâncias interatômicas observadas para a classe dos fármacos adrenérgicos variaram entre 38 a 39 Å relativas às distâncias entre os grupos amino da cadeia lateral e o átomo de carbono do anel aromático diretamente ligado à cadeia lateral etilamina dopamina 23 etanolamina epinefrina 22 ou oxipropanolamina propranolol 25 e atenolol 26 A presença de grupo metila em efedrina 24 causa grande distorção da cadeia lateral mas para a maioria dos compos tos agonistas e antagonistas existe grande similaridade geométrica das cadeias laterais Aparentemente no receptor adrenérgico as dis tâncias entre o resíduo Asp113 aspartato que interage por ligação iônica com o grupo amino protonado do substrato e o aminoácido Phe290 fenilalanina responsável pela interação hidrofóbica com o anel aromático do ligante apresentam distâncias interatômicas simi lares Figura 17 10 Com relação aos fármacos antagonistas anticolinérgicos propan telina 20 e suxametônio 21 os ângulos diédricos observados en tre os átomos OCCN foram semelhantes em relação ao substrato ACh na sua conformação antiperiplanar em torno de 180º mais estável Por outro lado os agonistas Smetacolina 13 e Sbetanecol 18 com grupo metila na cadeia principal apresentam uma confor mação diferente com ângulo diédrico em torno de 150º de menor energia estérica A diferença obtida 80º nos estudos de análise conformacional indica que os resultados de ângulo obtidos na Tabe la 2 podem estar relacionados à conformação de energia mínima local obtida durante o processo de minimização MM2 Os fármacos da classe dos adrenérgicos com cadeia lateral flexível ligada ao anel aromático apresentaram na maioria dos exemplos ângulo diédrico próximo a 180º entre o oxigênio hidroxílico e a função amino OC CN da cadeia lateral O momento dipolar calculado para os fármacos colinérgicos e adrenérgicos traduz o caráter polar das diversas moléculas uma vez que representa a somatória de vetores das forças de polarização exercida pelos grupos funcionais presentes Diversos métodos de cálculo teórico do momento dipolar estão disponíveis no programa Molecular Modeling Pro como Del Re modificado que considera a contribuição adicional de ligação pi PEOE Partial equalization of orbital electronegativity capaz de considerar as contribuições das ligações sigma e pi e MPEOE relacionado ao método PEOE melho rado Os valores mostrados na Tabela 2 correspondem aos cálculos obtidos com o método MPEOE Na classe dos compostos do siste ma colinérgico foi possível comprovar o maior caráter polar de suxametônio 21 antagonista colinérgico nicotínico em relação à atropina 19 e propantelina 20 antagonistas colinérgicos musca rínicos Os fármacos agonistas metacolina 13 e acetilcolina 12 apresentaram polaridades semelhantes com valores intermediários em relação às duas classes de antagonistas Os valores de log P ou coeficiente de partição óleoágua deter minados para os fragmentos presentes na molécula foram caracte rísticos para os fármacos colinérgicos Os grupos volumosos adicio nais dos antagonistas muscarínicos determinam maior solubilidade em lipídio fornecendo maiores valores de log P para atropina 19 e especialmente para propantelina 20 O agonista betanecol 18 com grupo carbamato apresentou o menor valor de log P indicando sua maior solubilidade em água Os fármacos adrenérgicos apresen taram valores de log P sem uma correlação aparente com o efeito agonista ou antagonista propranolol 25 e efedrina 24 foram mais lipossolúveis que os fármacos correspondentes atenolol 26 e dopamina 23 CONCLUSÕES As atividades práticas envolvendo Modelagem Molecular foram executadas com êxito pelos alunos No início dos trabalhos propos tos os recursos dos programas Chemdraw6 Chem3D7 Molecular Figura 16 Receptor hipotético muscarínico e as interações em regiões hidrofóbicas aniônica e de ligação de hidrogênio com o neurotransmissor ACh Figura 17 Receptor hipotético adrenérgico e as interações em regiões hidrofóbicas aniônica e de ligação de hidrogênio com epinefrina 438 Quim Nova Carvalho et al Modeling Pro9 e ChemSite16 foram demonstrados com tutoriais e folhetos explicativos Em um primeiro momento houve certa difi culdade em correlacionar os dados obtidos com a atividade biológi ca no entanto a integração do curso teórico com o prático proporcio nou melhor entendimento dos tópicos de relação estruturaatividade de fármacos Os relatórios apresentados durante o curso demonstra ram certo amadurecimento com maior sedimentação dos conheci mentos e melhor comunicação científica Na avaliação interna do curso prático 86 dos alunos respon deram que os programas usados foram convenientes para o seu apren dizado quando questionados sobre o grau de dificuldade dos traba lhos 53 acreditaram que este foi compatível com o conteúdo apre sentado e 28 responderam que apenas parcialmente REFERÊNCIAS 1 Vasconcelos M L A Formação do Professor de Terceiro Grau Pioneira São Paulo 1988 2 Thomas G Medicinal Chemistry An Introduction Wiley Chichester 2000 3 Wermuth G Ganellin C R Lindberg P Mitscher L A Pure Appl Chem 1998 70 1129 4 Santt Anna C M R Quim Nova 2002 25 505 5 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