DIEDROS CONFORMACIONAIS E SUA APLICAÇÃO NO ESTUDO DE ESTABILIDADE DE BIOMOLÉCULAS

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1 DIEDROS CONFORMACIONAIS E SUA APLICAÇÃO NO ESTUDO DE ESTABILIDADE DE BIOMOLÉCULAS Anderson Hollerbach Klier 1 George Schayer Sabino 1 Sonaly Cristine Leal 1 Ana Flávia Arantes Pereira 2 Liege Aparecida Mapa 2 Luna Elisabeth Carvalho Ferreira 2 Nathália Martins Moreira 2 Paula Guimarães Chiesa 2 RESUMO: Os diedros, ângulos gerados entre os planos espaciais existentes entre quatro átomos consecutivos ligados por uma ligação simples ou ligação sigma, podem ser utilizados para previsão da estabilidade conformacional. Tal estimativa é baseada na minimização de energia molecular das conformações geradas após um giro de 360 graus no diedro requerido, que pode gerar até 360 conformações que auxiliam no entendimento sobre estabilidade de ligações alternadas e eclipsadas. Ligações estas que estão intimamente relacionadas com a estabilidade de conformeros denominados anti ou antiperiplanar, anticlinal, sinclinal e gauche ou sinperiplanar. A análise dos diedros foi aplicada a glutationa, biomolécula essencial ao metabolismo de fase II e a seu conjugado com a N-acetilimidoquinona. PALAVRAS-CHAVE: diedro, conformação, biomolécula, estabilidade INTRODUÇÃO Diversas publicações recentes tem ressaltado a importância da análise conformacional na previsão da estabilidade molecular, e em última instância, a aplicabilidade de softwares na química computacional a fim de facilitar o entendimento desta estabilidade (FERREIRA, 2008; RAUPP, 2008; MARQUES, 2010, KLIER 2012). As conformações em estruturas orgânicas básicas geradas por carbonos tetraédricos ligados consecutivamente por ligações covalentes simples podem ser analisadas através do chamado ângulo diedro, conforme figura 1. PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN l 199

2 Analisando a figura 1, pode-se visualizar dois planos imaginários trigonais denominados ACH 2 CH 2 e BCH 2 CH 2, sendo os carbonos metilênicos denominados de átomos 1 quando ligado ao substituinte A, e 2 quando ligado ao substituinte B. Denomina-se diedro, o ângulo formado entre os dois planos trigonais, ou seja; se os planos ACH 2 CH 2 e BCH 2 CH 2 tem em comum a ligação simples entre os átomos 1 e 2, podemos conservar a posição do plano ACH 2 CH 2 e girar o plano BCH 2 CH 2 de 180 sobre a ligação entre os átomos 1 e 2. Assim, os substituintes A e B que estavam espacialmente acima do eixo da ligação 1-2 e abaixo do eixo da ligação 1-2, respectivamente, após o giro de 180 estarão ambos acima do eixo da ligação 1-2. Se aplicarmos conceitos de representação estrutural em projeção, especificamente a projeção de Newmann, à suposta estrutura elaborada na figura 1, teríamos as projeções possíveis descritas a seguir na figura 2. Observa-se que dentre as conformações apresentadas, três apresentam ligações alternadas (uma antiperiplanar e duas sinclinais) e outras três apresentam ligações eclipsadas (uma sinperiplanar e duas anticlinais. Considerando um giro limítrofe de 60º para cada conformação, pode-se definir num esquema gráfico a localização das geometrias sinperiplanar (SP), sinclinal (SC), anticlinal (AC) e antiperiplanar (AP) como esquematizado abaixo na figura 3. A simulação dos diedros pode ser feita com a utilização de softwares específicos que permitam sua análise, como o PcModel (SILVA, 2006; ANDREI, 2003, BARREIRO, 1997). A simulação se inicia com a construção molecular escolhida, aqui representada pelo 1,2-difeniletano, conforme figura PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN

3 Estruturalmente o software difere os átomos por cores, permitindo o reconhecimento estrutural da molécula com seus respectivos grupos funcionais, quando for o caso. Construída a estrutura molecular, a mesma é minimizada energeticamente a fim de obtermos os dados de energia conformacional (MMx Energy), entalpia de formação (Hf) e momento dipolar (Dip. Moment), como pode ser observado na figura 5. Observa-se valores simulados de 19,318 Kcal/mol para a energia conformacional, 32,02 Kcal/mol para a entalpia de formação e um momento dipolar de 0,053 Debies. Otimizada a energia molecular, faz-se a marcação do diedro com a escolha dos quatro átomos consecutivos a serem analisados, definindo-se o ângulo inicial de giro (start angle), o ângulo final de giro (final an- PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN l 201

4 gle) e o passo angular (step) que definirá os pontos específicos dentro do giro total requerido onde será feita uma simulação de energia para análise conformacional (figura 6). Exemplificando: se definirmos como ângulo inicial 1, ângulo final 360 e passo angular 20, teremos 18 simulações finais otimizadas a cada 20 girados a partir do ângulo inicial até o ângulo final. Definidos os parâmetros para análise do diedro, é possível obter uma correlação gráfica entre a energia de cada uma das conformações geradas e o ângulo efetivo de giro. As conformações mais estáveis serão as de menor energia e as menos estáveis as de maior energia. Aplicando-se as definições de geometria ao gráfico obtido com as conformações especificadas, pode-se avaliar, por exemplo, que a conformação mais estável para o 1,2-difeniletano, será a conformação com energia de 18,15 Kcal/mol e um ângulo de giro de 181, angulo esse que se enquadra no intervalo compreendido entre 150º e 210, o que permite defini-la como antiperiplanar (AP), conforme figura PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN

5 A partir do gráfico obtido é possível analisar individualmente cada uma das conformações geradas, acessando a denominação do arquivo salvo, que fornece a lista de estruturas com todos os dados de cada uma das conformações, figura 8. Acessando-se cada uma das conformações da lista de estruturas pertinente, pode-se ainda calcular a distância entre dois átomos quaisquer ou o ângulo gerado por três átomos consecutivos, o que pode ser observado na figura 9, onde a distância entre dois dos carbonos aromáticos de ciclos distintos foi estimada em 6,786 Aº e o ângulo gerado por três dos carbonos aromáticos benzênicos, estimada em 120. PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN l 203

6 OBJETIVOS Dessa forma, os objetivos do presente trabalho foram a obtenção de dados de energia conformacionais, momentos dipolo e entalpia de formação, simulados no software PcModel através da rotação de diedros desejados, a fim de avaliar a aplicabilidade destes dados no entendimento de estabilidade conformacional de fármacos e biomoléculas estruturais. Como moléculas protótipo foram estudados a glutationa, importante biomolécula de conjugação no metabolismo de Fase II, e o conjugado desta com a N-acetilimidoquinona, principal metabólito de Fase I do paracetamol. MATERIAL E MÉTODOS As simulações de minimização de energia, distâncias interatômicas e ângulos de giro de diedro foram obtidas no software PcModel 7.2 Serena software, utilizando-se o template do próprio software para simulação peptídica. Os diedros estipulados tanto na glutationa como no conjugado foram marcados nos carbonos consecutivos da estrutura do aminoácido central cisteína e os aminoácidos glicina e ácido glutâmico foram otimizados na conformação antiperiplanar entre seus grupamentos mais polares antes da formação das ligações peptídicas com a cisteína. RESULTADOS E DISCUSSÃO Após as minimizações iniciais obtidas para a molécula da glutationa; que é um tripeptídeo de conjugação formado pelos aminoácidos ácido glutâmico, cisteína e glicina, é possível observar que na conformação minimizada energeticamente, a molécula se apresenta fortemente estabilizada por uma interação do tipo ligação de hidrogênio intramolecular. Essa interação é gerada entre as carboxilas terminais dos aminoácidos glicina e ácido glutâmico, interação esta que se apresenta delimitada na coloração amarela, com uma energia molecular total de - 8,745 Kcal/mol, conforme figura 10. A partir desta conformação obtida o diedro de giro foi delimitado como demonstrado abaixo entre os átomos de 1, 2, 3 e 4 e as conformações obtidas utilizando-se um passo angular ou step de 5 º, identificados na figura PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN

7 O gráfico que correlaciona a energia e o ângulo de giro para a glutationa é apresentado na figura 12. Considerando o perfil gráfico da figura 12 associado à tabela 1 (abaixo), observa-se a alternância entre máximos e mínimos de energia caracterizando nitidamente a existência conformacional de quatro máximos de energia a 15 º (-4,808 Kcal/ mol), a 165 º (8,731 Kcal/mol), a 310 º (-6,948 Kcal/mol) e a 345º (-0,310 Kcal/mol), respectivamente nas geometrias sinperiplanar, antiperiplanar, sinclinal e sinperiplanar. Em contrapartida observam-se três mínimos de energia a 90 º com -0,186 Kcal/ mol, a 170 º com -9,820 Kcal/mol e a 315 º com -8,422 Kcal/mol, sendo as geometrias sinclinal, antiperiplanar e sinclinal. PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN l 205

8 Correlacionando-se os mínimos de energia obtidos com as distâncias interatômicas entre os carbonos carbonílicos, para os diedros 18, 34 e 63, é possível estabelecer em qual geometria será mais provável a existência de interação intramolecular por ligação de hidrogênio associada ao ângulo, segundo os dados relatados na tabela 2. A partir destes dados observa-se que mesmo possuindo a menor distância entre os grupamentos livres mais polares (carboxilas), o diedro 63 não foi a conformação mais estável do tripeptídeo, os diedros 18 e 34 mesmo com maiores distâncias entre carboxilas e inexistência de interação intramolecular foram mais estáveis. A minimização de energia para o conjugado glutationa-n-acetilimidoquinona proporcionou uma energia total de -6,624 Kcal/mol, segundo a figura PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN

9 Delimitado o diedro de modo semelhante à glutationa, foram obtidas 72 conformações para o conjugado glutationa-n- -acetilimidoquinona gerando o gráfico de correlação da figura 14. A tabela 3 relata os dados de todas as conformações do conjugado glutationa-n-acetilimidoquinona obtidas na geração do gráfico da figura 14. Diferentemente da glutationa, o conjugado apresentou um perfil gráfico mais homogêneo se considerarmos os conformeros obtidos até 300º de giro, onde pode-se observar que todos eles apresentaram energia total entre -2,036 e -9,021 Kcal/mol. Os conformeros mais estáveis ou mínimos de energia todos obtidos em ângulos de giro inferiores a 300 º, são relatados na tabela 4. PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN l 207

10 Entre os mínimos do conjugado glutationa-n-acetilimidoquinona houve menor variação de energia total entre -9,021 e -9,181 Kcal/mol e todos os conformeros apresentaram interação intramolecular por ligação de hidrogênio. Entretanto, a interação intramolecular do diedro 13 ocorre entre o grupamento amino da glicina e a carbonila da amida entre o ácido glutâmico e cisteina, o que explica a maior distância interatômica entre os carbonos carbonílicos das carboxilas terminais. Os diedros 54 e 56 apresentaram o mesmo padrão de interação intramolecular dos mínimos da glutationa, entre os carbonos carbonílicos das carboxilas terminais, o que diminui consideravelmente a distância interatômica entre as carbonilas. 208 PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN

11 A partir de 330º de giro observa-se um aumento substancial na energia molecular total, gerando um máximo de energia com 68,803 Kcal/mol no diedro 66. Os diedros entre 330 e 360º apresentaram elevação da energia molecular total, compatível com a compressão estérica gerada pela proximidade entre o ciclo aromático da N-acetilimidoquinona e o ciclo da glutationa momentaneamente estabilizado pela interação intramolecular, conforme figura 15. CONCLUSÃO Considerando as limitações do próprio software bem como a rigidez conformacional do método de simulação, uma vez que simulamos somente os diedros do aminoácido central cisteina, as simulações se mostraram totalmente aplicáveis as biomoléculas escolhidas proporcionando uma visão mais próxima da realidade no aspecto tridimensional. Além disso, as simulações permitiram prever as possíveis interações pertinentes à estabilização da forma cíclica momentânea de peptídios em sua forma isolada ou associada a metabólitos exógenos. REFERÊNCIAS FERREIRA, P.F.M., JUSTI, R.S. Modelagem e o Fazer Ciência. Quim. Nova na escola, n.28, SILVA, T.H.A. Practica III.3 Modelagem molecular com o auxílio do computador, Disponível em chemistry/practica-iii-3.pdf ANDREI, C.C., FERREIRA, D.T., FACCIONE, M., FARIA, T.J. Da Química Medicinal à Química Combinatória e Modelagem Molecular: um curso prático. Barueri, SP: Manole, p. MARQUES, M.V., RUSSOWSKY, D., FONTOURA, L.A.M. Análise Conformacional de Compostos de Biginelli com Atividade Antineoplásica. Eclet. Química, v.35, n.4, BARREIRO, E.J., RODRIGUES, C.R., ALBUQUERQUE, M.G., RABELLO DE SANT ANNA, C.M., ALENCASTRO, R.B. Modelagem Molecular: Uma Ferramenta para o Planejamento Racional de Fármacos em Química Medicinal. Quim. Nova, v.20, n.1, RAUPP, D., SERRANO, A., MARTINS, T.L.C. A evolução da química computacional e sua contribuição para a educação em química. Revista Liberato, v.9, n.12, KLIER, A.H. Conformações do cicloexano: um modelo de estudo no PcModel.Pós em Revista, n. 5, NOTAS DE RODAPÉ 1 Docentes do Centro Universitário Newton Paiva 2 Discentes do Curso de Farmácia do Centro Universitário Newton Paiva PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN l 209