( PDF ) Avaliação in silico de inserções com boro em moléculas com atividade farmacológica

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Universidade de Brasília

Instituto de Química

AVALIAÇÃO IN SILICO DE INSERÇÕES COM BORO EM MOLÉCULAS

COM ATIVIDADE FARMACOLÓGICA

Dissertação apresentada ao programa

de pós-graduação do Instituto de

Química da Universidade de Brasília

como requisito parcial para obtenção do

título de Mestre.

Adão Lincon Bezerra Montel

Orientador: Kleber Carlos Mundim

Brasília, 2006

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Dedico este trabalho à minha família,

pelo amor e pela solidariedade

inabaláveis e ao amigo Sergio Britto

(

in memoriam

) vitimado por um câncer

aos 34 anos de idade. Muito obrigado,

querido amigo, pela amizade e pela

lição de vida.

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Folha de Aprovação

III

Meus agradecimentos a todos aqueles que contribuíram de diversas formas para a

conclusão deste trabalho

Aos meus pais e à minha irmã, por me apoiar mesmo estando tão distante;

Aos colegas de trabalho Adriana, Alexandre, Afrânio, Aretha, Breno, Carlos Cezar,

Cristiano, Daniel, Edimar, Fernando Rangel, Geraldino, Heibbe, Jocilene, Luciano e

Tarcisio que contribuíram tanto discutindo tópicos importantes durante a elaboração do

trabalho como auxiliando na execução de tarefas importantes;

Aos colegas da Colina, André, Andréia, Arthur, Cláudio, Gustavo, Meire, Meyr, Odilon

e Tiago pelo companheirismo e pela ajuda nos momentos difíceis;

Aos amigos distantes Ariane, Carlos Renato, Edílson, Emanuel, Glauco, Fernanda,

Franciny, Hélida, João Carlos, Joelma, Juliana, Jordana, Mary Anne, Odete, Paulo,

Sezânia, Suelen pela fé e pelo incentivo tão importantes e necessários à superação de

obstáculos;

Aos professores Amarílis Neder, Fernando Coutinho, Maria Lucília, Márcia Murta, Inês

Resck, Elaine Maia e Nilo Makiuchi pela preciosa colaboração e pelos esclarecimentos

oportunos de temas discutidos;

Ao meu orientador, prof.. Dr. Kleber Carlos Mundim, pela disposição, paciência e por

todo o apoio;.

Ao CnPq, à CAPES, ao Laboratório Farmanguinhos, e a UnB, pelo auxílio financeiro e

estrutural na execução do projeto;

A todos aqueles a quem a minha memória injustamente excluiu. Que a minha dívida

de gratidão com todos vocês possa ser saudada pela nossa amizade;

RESUMO

O aumento na incidência de leucemia, problemas cardíacos e da epidemia global de

SIDA, com o surgimento de formas resistentes do VIH, tornaram a busca por novos

medicamentos para o combate a patologias um problema de primeira importância.

Neste trabalho, nos propusemos a investigar possíveis fármacos baseados em

compostos de boro, incluindo medicamentos anti-VIH. O interesse na pesquisa por

compostos de boro farmacologicamente ativos aumentou bastante nos últimos anos

com a aprovação, nos EUA, do primeiro medicamento contendo boro em sua estrutura

tratamento de uma forma de neoplasia. De fato, a forte atividade inibitória destes

compostos sobre enzimas os torna muito promissores na pesquisa farmacológica.

Investigamos dois análogos borilados de um inibidor anti-retroviral conhecido como

nevirapina, que inibe uma enzima fundamental na replicação do VIH-1, formas

modificadas com boro de bases nucléicas e análogos borilados do ácido valpróico e do

ácido salicílico. A metodologia utilizada neste estudo foi o cálculo mecânico-quântico

de propriedades das moléculas propostas e da interação destas moléculas com

aminoácidos conservados da estrutura da enzima replicante do VIH. Os resultados

mostraram o favorecimento desta interação com a adição dos grupos borilados na

molécula da nevirapina nos dois casos investigados. Os resultados sugerem que um

dos compostos propostos pode formar um complexo irreversível enzima-inibidor. Nos

estudos com as moléculas do ADN e do ARN, observamos a formação de um par

covalente entre os pares Watson-Crick acompanhada por mudanças nos padrões de

distribuição do orbital molecular LUMO. As moléculas do ácido valpróico e do ácido

salicílico demonstraram uma alteração na distribuição de orbitais moleculares de

fronteira e no mapa eletrostático (especialmente no caso do ácido valpróico). Nestas

moléculas, a substituição do grupo carboxilado pelo grupo di-hidroxi-borano indica

uma possível atividade farmacológica maior do que dos compostos não modificados.

Em todos os casos, observamos que importantes alterações são introduzidas com a

inserção do boro nestas moléculas evidenciando uma possível atividade

farmacológica.

Abstract

The growth of leukemia incidence, cardiac problems and global AIDS epidemic,

with appearing of resistant forms of HIV, stimulated the search of new medications. In

this work, we investigated new active pharmacologic compounds based on boron

including the anti-HIV drugs. The interest in boron compounds with pharmacologic

activity has increased in recent years with the first drug approved by FDA. This drug is

based on boron and used in neoplasm treatment. In fact, the strong inhibitory activity

on enzymes of this compounds makes them promising in pharmacological research.

In our project we investigated two analogues of an antiretroviral named

nevirapine that inhibits an essential enzyme in HIV replication. The new analogues are

boron compounds based on DNA, RNA, valproic acid and salicylic acid. In our

calculations we used quantum mechanical approach to evaluate interactions of these

molecules with the conserved amino acids of replication’s enzyme of HIV as well as

some electronic molecular properties. The results show an increased interaction

between nevirapine modified molecule and amino acid one. The results suggest also

that one of the compounds can form an irreversible complex with HIV’s enzyme.

In the studies with DNA and RNA molecules, we observed a covalent complex

formation between the Watson-Crick pairs accompanied by changes in LUMO orbital

distribution. In the Valproic and salicylic acid molecules we observed changes in the

molecular orbital distribution as well as in the potential map (especially in valproic acid).

The substitution of carboxylic acid by boronic acid indicates an increasing

pharmacological activity. In all analyzed cases, we have seen important modifications

induced by boron introduction that evince a pharmacological potential for these

molecules.

LISTA DE SÍMBOLOS E ACRÔNIMOS......................................................................IX

LISTA DE TABELAS....................................................................................................X

LISTA DE ILUSTRAÇÕES...........................................................................................XI

1. Introdução.................................................................................................................1

1.2 Objetivos Gerais....................................................................................................3

1.3 Fundamentos Teóricos. ........................................................................................4

1.4 Metodologia Geral.................................................................................................7

2 Aspectos Gerais Sobre a Síndrome da Imunodeficiência Adquirida (SIDA)....8

2.1. Definição, Aspectos Virológicos e Epidemiológicos........................................8

2.2. O Vírus...................................................................................................................9

2.3. A Terapia Antirretroviral Altamente Ativa.........................................................10

2.4. A Transcriptase Reversa e os Inibidores Não-Nucleosídicos........................11

2.5. A Nevirapina e o Ácido Fenil-Borônico.............................................................12

2.6. Metodologia.........................................................................................................15

2.7. Resultados e Discussão.....................................................................................16

2.7.1 Avaliação dos INNTRs......................................................................................16

2.7.2 Avaliação da Cavidade Ligante dos INNTRs..................................................19

2.8 Avaliação de Compostos de Boro......................................................................23

2.8.1 Cálculos ab-initio..............................................................................................25

2.8.3 Análogos Propostos.........................................................................................32

2.8.4 O Aminoácido Triptofano 229..........................................................................32

2.8.4.1 Resultados .....................................................................................................32

2.8.5 O Análogo dihalelto de Boro............................................................................40

2.8.6 O Aminoácido Tirosina 318..............................................................................44

2.8.6.1 Resultados .....................................................................................................44

3. ADN e ARN quimicamente modificados..............................................................49

3.1 Metodologia..........................................................................................................49

3.2 Resultados e Discussão......................................................................................50

3.3.1 Adenina Timina-Modificada.............................................................................50

3.3.2 Adenina Uracila-Modificada.............................................................................55

3.3.3 Citosina Guanina Modificada...........................................................................59

4. Ácido Valpróico e Ácido Salicílico ......................................................................64

VII

4.1 Metodologia..........................................................................................................64

4.2. Ácido Valpróico...................................................................................................64

4.3.Resultados............................................................................................................65

4.4 Ácido Salicílico.....................................................................................................72

4.5 Resultados.............................................................................................................72

5.Conclusões...............................................................................................................80

6.Perspectivas Futuras...............................................................................................82

7.Bibliografia................................................................................................................85

ANEXO.1.......................................................................................................................90

VIII

Lista de Símbolos e Acrônimos

A - Alanina

ADN - Ácido Desoxirribonucléico

AMBER - Assisted Model Building and Energy Refinement

ARN – Ácido Ribonucléico

Asn – Asparagina

B(OH)

– ácido bórico

C – Cisteína

Cis - Cisteína

ChelpG - Charges from Electrostatic Potential Grid

HF – Hartree-Fock

HOMO - Highest Occupied Molecular Orbital

I - Isoleucina

IND - Indol

INNTR – Inibidor Não-Nucleosídico da Transcriptase Reversa

INTR- Inibidor Nucleosídico da Transcriptase Reversa

K - Lisina

L - Leucina

Leu – Leucina

LTR – Long Terminal Repeat

Lys - Lisina

LUMO - Lowest Unoccupied Molecular Orbital

Metil-Indo – Anel Indólico Metilado

N – Asparagina

NVP – Nevirapina

NVPBF2 . Análogo Difluoreto de Boro da Nevirapina

NVPNH

- Análogo aminado da Nevirapina

NVPB(OH)

– Análogo Borilado da Nevirapina

PDB – Protein Data Bank- Banco de Dados de Proteína

PhB(OH)

Ácido Fenil Borônico

Phe - Fenil alanina

Pro – Prolina

PyB(OH)

– Ácido Piridil Borônico

PM3 Parametric Method III

RHF - Restricted Hartree-Fock - (Hartree-Fock Restrito)

SCF - Self - Consistent Field - (campo auto consistente)

SIDA - Síndrome da Imunodeficiência Adquirida

STO - Slater Type Orbitals - Orbitais Tipo Slater

Trp – Triptofano

Tyr- Tirosina

TR - Transcriptase Reversa

UHF - Unrestricted Hartree-Fock

V – Valina

Val - Valina

VIH - Vírus da Imunodeficiência Humana

Y-Tirosina

Lista de Tabelas

Tabela 1 Energia das estruturas das INNTR estudadas na conformação ativa e na

conformação otimizada...................................................................................................19

Tabela 2 Valores de energia dos pares moleculares calculados por método Hartree-Fock

com diferentes bases.......................................................................................................25

Tabela 3 Valores de momento de dipolo dos pares moleculares calculados pelo método

Hartree-Fock com diferentes bases.................................................................................26

Tabela 4 Valores de cargas atômicas da piridina e do ácido 3-piridil-borônico.........31

Tabela 5

Valores de cargas atômicas da nevirapina.......................................................33

Tabela 6 Valores cargas atômicas da molécula de nevirapina modificada....................34

Tabela 7 Valores de Energia dos Orbitais de Fronteira HOMO e LUMO e da diferença de

energia entre estes orbitais para a nevirapina modificada e a convencional..................36

Tabela 8 Valores de energia de interação da ligação de hidrogênio não

convencional...................................................................................................................38

Tabela 9

Cálculo das cargas atômicas da molécula de nevirapina modificada obtido

pelo método ChelpG.......................................................................................................41

Tabela 10

Valores de Carga Atômica para o análogo.1 calculados pelo método

ChelpG............................................................................................................................44

Tabela 11

Valores de Energia de formação calculados pelos métodos semi-empirícos

AM1 e PM3.....................................................................................................................47

Tabela 12

Valores de Energia dos Orbitais de Fronteira..............................................47

Tabela 13 Valores de carga atômica do aduto covalente da nevirapina modificada com

o fenol............................................................................................................................48

Tabela 14 Valores de Comprimentos de Ligação na Geometria de Partida e Geometria

Otimizada do Aduto.......................................................................................................51

Tabela 15 Valores de Entalpia de Formação do aduto adenina timina-modificada

calculados pelo método AM1 e PM3.............................................................................52

Tabela 16 Valores de cargas atômicas do par Adenina-Timina calculados pelo método

ChelpG antes e depois da modificação.........................................................................53

Tabela 17

Valores de Energia do Orbital de Fronteira HOMO e LUMO e a diferença de

energia entre eles..........................................................................................................55

Tabela 18

Valores de Comprimento de Ligação para o aduto Adenina Timina-

Modificada.....................................................................................................................56

Tabela 19

Valores de Energia do Orbital HOMO e LUMO e valores de diferença de

energia..........................................................................................................................58

Tabela 20

Valores de carga atômica calculada pelo método ChelpG do par adenina

uracila antes e depois da modificação..........................................................................58

Tabela 21 Valores de carga sobre os átomos calculados pelo método ChelpG antes e

depois da modificação..................................................................................................60

Tabela 22 Valores de Entalpia para o aduto citosina-guanina.....................................61

Tabela 23 Valores de energia dos orbitais de fronteira HOMO e LUMO e valor da

diferença de energia entre eles.....................................................................................62

Tabela 24 Valores de carga sobre os átomos calculados pelo método ChelpG antes e

depois da modificação...................................................................................................63

Tabela 25

Valores de cargas atômicas para o ácido valpróico e o análogo borilado...66

Tabela 26

Valores de cargas atômicas para o valproato e para o boronato.................69

Tabela 27 Valores de Energia dos Orbitais de Fronteira e de Energia de Formação das

estruturas estudadas.....................................................................................................71

Tabela 28

Valores de energia e momento de dipolo obtido a partir das otimizações

HF/6-31G* das espécies químicas estudadas..............................................................72

Tabela 29 Valores de cargas atômicas calculadas para o ácido salicílico e para o

análogo borilado............................................................................................................73

Tabela 30 Valores das cargas atômicas calculados para o salicilato e o boronato

correspondente..............................................................................................................76

Tabela 31 Valores de Energia dos Orbitais de Fronteira e de Energia de

Formação......................................................................................................................78

Tabela 32 Valores de energia e momento de dipolo do salicilato e do análogo

borilado.........................................................................................................................79

Lista de Ilustrações

Ilustração 1.Fluxograma demonstrando a ordem dos temas abordados.....................4

Ilustração2

Estruturas do AZT e do 3TC..............................................................................10

Ilustração 3 Comparação entre o fluxo da informação genética na seqüência

convencional dos seres vivos e nos retrovírus, como o VIH. O material genético é

transcrito em ADN para depois ser transcrito em ARN e traduzido em

proteínas.......................................................................................................................11

Ilustração 4 Imagem do complexo nevirapina+transcriptase reversa..........................12

Ilustração 5 Estrutura da nevirapina............................................................................13

Ilustração 6 Posições relativas da nevirapina e dos resíduos Tyr318 3 Trp 229 no

mutante Y181C..............................................................................................................17

Ilustração 7 Fórmulas estruturais de alguns INNTRs...................................................18

Ilustração 8 À esquerda, superfície potencial do complexo TR-nevirapina

demonstrando o contato da molécula do fármaco com o solvente (água) externo e, à

direita, aproximação demonstrando as variações de carga na cavidade

ligante.............................................................................................................................20

Ilustração 9 Comparação entre os complexos Nevirapina-RT de diferentes formas

mutantes e da forma selvagem..................................................................................... 21

Ilustração 10 Comparação entre as regiões de interação do anel aromático metilado

da Nevirapina com o resíduo Trp229.............................................................................22

Ilustração 11 Superposição do hipotético análogo borilado e da trimetilamina sobre a

neviparina e o resíduo Trp229 na geometria encontrada no mutante Y181C................23

Ilustração 12 Procedimento para a escolha da geometria de partida. À direita,

superposição do BF

e da trimetilamina sobre a geometria de partida..........................24

Ilustração 13 Geometria otimizada do par BF

/ Anel triptofano visto por duas

perspectivas diferentes demonstrando a tendência à orientação “face à

face”................................................................................................................................24

Ilustração 14 Geometria otimizada do par ácido borônico-trimetilamina (à esquerda) e

ácido borônico-anel indol (à direita)................................................................................24

Ilustração 15 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e

trimetilamina observado por duas perspectivas diferentes.............................................26

Ilustração 16 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e

amônia observado por duas perspectivas diferentes.....................................................26

Ilustração 17 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e

piridina observado por duas perspectivas diferentes ....................................................27

Ilustração 18 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e

pirrol observado por duas perspectivas diferentes.........................................................27

Ilustração 19 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e

indol observado por duas perspectivas diferentes.........................................................27

XII

Ilustração 20 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e 32-

metil-indol observado por duas perspectivas diferentes.................................................27

Ilustração 21 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-

borônico e trimetilamina observado por duas perspectivas diferentes..........................28

Ilustração 22 . Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-

borônico e amônia observado por duas perspectivas diferentes..................................28

Ilustração 23 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-

borônico e pirinina observado por duas perspectivas diferentes..................................28

Ilustração 24 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-

borônico e pirrol observado por duas perspectivas diferentes......................................28

Ilustração 25 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-

borônico e indol observado por duas perspectivas diferentes......................................29

Ilustração 26 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-

borônico e 2-metil-indol observado por duas perspectivas diferentes..........................29

Ilustração 27 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-

borônico e trimetilamina observado por duas perspectivas diferentes.........................29

Ilustração 28 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-

borônico e amônia observado por duas perspectivas diferentes..................................29

Ilustração 29 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-

borônico e piridina observado por duas perspectivas diferentes..................................29

Ilustração 30 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-

borônico e pirrol observado por duas perspectivas diferentes......................................30

Ilustração 31 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-

borônico e indol observado por duas perspectivas diferentes......................................30

Ilustração 32 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-

borônico e 2-metil-indol observado por duas perspectivas diferentes..........................30

Ilustração33

Fórmula estrutural da piridina e do ácido piridil borônico........................31

Ilustração 34 Fórmulas estruturais dos análogos propostos.......................................32

Ilustração 35 Numeração dos átomos da nevirapina..................................................33

Ilustração 36 Numeração dos átomos do análogo borilado da nevirapina..................34

Ilustração 37

Comparação entre os mapas potenciais dos potenciais eletrostáticos do

análogo.2 (à esquerda) e da nevirapina (à direita)........

.......................................................35

Ilustração 38 Comparação entre os orbitais HOMO do análogo.2 (à esquerda) e da

nevirapina (à direita).......

l.................................................................................................35

Ilustração 39

Comparação entre os orbitais LUMO do análogo.2 (à esquerda) e da nevirapina

(à direita)..........

.................................................................................................................36

Ilustração 40 Resultado da otimização em nível HF/6-31G* do análogo borilado e do

indol...............................................................................................................................36

XIII

Ilustração 41 Comparação entre as formas de ionização de ácidos carboxílicos e

ácidos borônicos em meio aquoso.................................................................................37

Ilustração 42

Mapa do potencial eletrostático da geometria otimizada do análogo e da

cadeia lateral do triptofano 229......................................................................................38

Ilustração 43. Geometria otimizada do ânion boronato do análogo da nevirapina e do

indol................................................................................................................................39

Ilustração 44

Superfície potencial da geometria otimizada da forma aniônica do análogo

borilado e do Trp229.......................................................................................................39

Ilustração 45 Comparação entre o mapa do potencial eletrostático da nevirapina

convencional e da modificada com BF

..........................................................................40

Ilustração 46 Comparação entre os orbitais HOMO da nevirapina convencional e da

modificada com BF

........................................................................................................40

Ilustração 47 Comparação entre os orbitais LUMO da nevirapina convecional e da

modificada com BF

........................................................................................................40

Ilustração 48 Numeração dos átomos do análogo difluorborado da nevirapina...........41

Ilustração 49 Geometria otimizada do análogo modificado da nevirapina e o resíduo

triptofano 229.................................................................................................................42

Ilustração 50 Mapa potencial do análogo difluoreto de boro e do indol........................43

Ilustração 51 Geometria inicial e final da otimização do par fenol/análogo ácido

borônico realizado com cálculo ab-initio pelo método Hartree-Fock em nível 6-31G*...45

Ilustração 52 Geometria otimizada do aduto covalente proposto.................................45

Ilustração 53 Aduto resultante do ácido fenilborônico com a serina.............................46

Ilustração 54 Aduto resultante do ácido fenil-borônico com uma molécula de fenol....46

Ilustração 55 Aduto resultante do ácido piridil borônico com uma molécula de fenol..46

Ilustração 56 Superfície potencial do aduto covalente resultante da tirosina com a

nevirapina modificada demonstrando a densidade de carga negativa sobre os átomos

de boro e oxigênio..........................................................................................................47

Ilustração 57 À esquerda, orbital HOMO do aduto covalente e, à direita, orbital

LUMO.............................................................................................................................47

Ilustração 58 Numeração dos átomos do aduto formado pelo resíduo tirosina com o

análogo borilado da nevirapina......................................................................................48

Ilustração 59 Geometria de partida e geometria otimizada do par timina-modificada e

adenina...........................................................................................................................50

Ilustração 60 Par covalente com os volumes de van der Waals dos átomos

considerados. ................................................................................................................52

Ilustração 61 Numeração dos átomos do aduto Timina-Modificada Adenina..............53

Ilustração 62. Fórmula estrutural do par Watson-Crick Timina Adenina e do par

Modificado.....................................................................................................................54

XIV

Ilustração 63. Mapa potencial do par Watson-crick e do par modificado....................54.

Ilustração 64 Orbital HOMO do par Watson-Crick e do par modificado......................54

Ilustração 65 Orbital LUMO do par Watson-Crick e do par modificado.......................55

Ilustração 66 Volume de van der Waals do aduto.......................................................55

Ilustração 67 Fórmulas estruturais do par Watson-Crick Uracila Adenina e do par

modificado.....................................................................................................................55

Ilustração 68 Comparação entre as superfícies potenciais do par Watson-Crick UA e

do par modificado..........................................................................................................57

Ilustração 69 Comparação entre os orbitais HOMO do par Watson-Crick e do par

modificado.....................................................................................................................57

Ilustração 70 Comparação entre os orbitais LUMO do par Watson-Crick e do par

modificado.....................................................................................................................57

Ilustração 71 Numeração dos átomos do par uracila-modificada adenina..................58

Ilustração 72 Fórmulas estruturais do par Watson Crick citosina guanina e do par

modificado......................................................................................................................59

Ilustração 73 Volume de van der Waals do par covalente

................................................61

Ilustração 74 Comparação entre as superfícies potenciais do par Watson-Crick C-G

convencional e do modificado.................................................................................................61

Ilustração 75 Comparação entre os orbitais HOMO do par Watson-Crick Citosina-

Guanina convencional e do modificado.........................................................................62

Ilustração 76 Comparação entre os orbitais LUMO do par Watson-Crick Citosina-

Guanina convencional e do modificado.........................................................................62

Ilustração 77 Numeração dos átomos do par Citosina e Guanina Modificada.............63

Ilustração 78 Fórmulas estruturais das moléculas do ácido valpróico e do análogo

borilado com seus respectivos íons...............................................................................65

Ilustração 79 Numeração dos átomos do ácido valpróico e do ácido análogo

borilado..........................................................................................................................65

Ilustração 80 Fórmulas estruturais do ácido valpróico e do análogo borilado (ácido

4-heptil-borônico)...........................................................................................................67

Ilustração 81 Mapa potencial do ácido valpróico (à esquerda) e do análogo borilado (à

direita)............................................................................................................................67

Ilustração 82 Distribuição do orbital HOMO do ácido valpróico e do análogo

borilado..........................................................................................................................68

Ilustração 83 Distribuição de orbitais LUMO do ácido valpróico e do análogo

borilado...........................................................................................................................68

Ilustração 84 Numeração dos átomos do valproato e do análogo borilado..................69

Ilustração 85 Fórmulas estruturais do valproato (à esquerda) e do análogo borilado (à

direita)............................................................................................................................70

Ilustração 86 Comparação entre o mapa potencial do valproato (à esquerda) e do

boronato (à direita).........................................................................................................70

Ilustração 87 Comparação entre os orbitais HOMO do valproato e do boronato.........70

Ilustração 88 Comparação entre os orbitais LUMO do valproato e do boronato..........71

Ilustração 89 Numeração dos átomos do ácido salicílico e do análogo borilado..........72

Ilustração 90 Fórmulas estruturais do ácido salicílico (à esquerda) e do análogo

borilado (àcido 2-hidroxi-fenil-borônico, à direita

)................................................................74

Ilustração 91 Comparação entre os mapas dos potenciais eletrostáticos do ácido

salicílico e do análogo borilado.......................................................................................74

Ilustração 92 Comparação entre os orbitais HOMO do ácido salicílico e do análogo

borilado...........................................................................................................................74

Ilustração 93 Comparação entre os orbitais LUMO do ácido salicílico e do análogo

borilado...........................................................................................................................75

Ilustração 94 Numeração dos átomos do salicilato e do análogo borônico (2-hidroxi-

boronato)........................................................................................................................75

Ilustração 95 Fórmulas estruturais do salicilato (à direita) e do análogo borilado (à

esquerda)........................................................................................................................77

Ilustração 96 Comparação entre os mapas dos potenciais eletrostáticos do salicilato e

do análogo boronato.......................................................................................................77

Ilustração 97 Comparação entre o orbital HOMO do salicilato e do boronato..............78

Ilustração 98 Comparação entre o orbital LUMO do salicilato e do boronato..............78

XVI

1.Introdução

A descoberta de novos fármacos e terapias aumentou significativamente a expectativa

e qualidade de vida nas últimas décadas. A pesquisa por novos fármacos, entretanto,

tornou-se muito onerosa. Segundo alguns autores, o custo médio de desenvolvimento de

um novo fármaco em 1987 era de 231 milhões de dólares. Em 2000, este custo já era

avaliado em 802 milhões de dólares.

Embora não haja um consenso sobre a causa

desse aumento, assume-se que contribuem para essa elevação as exigências legais para

o licenciamento de um novo fármaco, o aumento no interesse em pesquisa de terapias

para doenças crônicas e degenerativas, as quais exigem uma maior e mais rigorosa

etapa clínica na sua avaliação, e mesmo a necessidade de um número maior de testes

relacionando custo-eficiência dos fármacos em relação aos já disponíveis no mercado.

Diante disto, alternativas para redução de custos na produção de novos

medicamentos têm sido amplamente investigadas. Entre estas alternativas, a avaliação In

Silico de novos medicamentos tem se mostrado promissora. Alguns autores supõem a

possibilidade de redução em até 50% dos custos de desenvolvimento de fármacos com o

uso de estudos In Silico, incluindo a possibilidade de uso de programas de acesso livre.

Os procedimentos de avaliação In Silico de fármacos envolvem docking, QSAR, avaliação

por cálculo mecânico quântico, semi-empiríco, ab-initio, etc.

Uma das maneiras utilizadas para descoberta de novos fármacos envolve a

modificação de molécula com atividade conhecida pela introdução de novos grupos

químicos. Esses grupos, conhecidos como bioisósteros, são capazes de melhorar

propriedades físico-químicas do medicamento avaliado, como solubilidade, lipofilicidade,

etc.

Entre os bioisósteros clássicos encontramos grupos monovalentes como amina,

hidroxila, metila, etc. Também encontramos grupos bivalentes como “metileno”(CH

átomos de oxigênio e enxofre; trivalentes, como grupos contendo o átomo de fósforo

(−P=); tetravalentes, etc. Entre os bioisósteros não-clássicos temos os halogênios,

piridinas, etc.

Neste trabalho, propusemos a investigação de novos bioisósteros não-

clássicos contendo o átomo de boro. O átomo de boro apresenta uma série de

propriedades químicas de possível interesse farmacológico, incluindo sua capacidade de

atuar como ácido de Lewis, capacidade de formar ligações covalentes com hidroxilas de

aminoácidos,

4,5,6

além da possibilidade de formar ligações de hidrogênio não-

convencionais.

Compostos capazes de se ligar covalentemente a biomoléculas (como proteínas e

ácidos nucléicos) apresentam, em geral, elevada toxicidade. Para se viabilizar a utilização

destes compostos é necessário garantir a especificidade dos mesmos.

O ácido

salicílico, por exemplo, (comercialmente conhecido como “aspirina”) inibide a

prostagladina sintetase ligando-se covalentemente a esta enzima. A afinidade preferencial

por seus alvos farmacológicos torna este fármaco viável. Devido à inibição irreversível do

alvo farmacológico (enzima, ADN), as doses necessárias para a utilização desta classe

de fármacos são menores. Há aproximadamente 25 drogas aprovadas recentemente pelo

FDA (Food and Drugs Administration) que são inibidores irreversíveis de enzimas.

compostos de boro são candidatos a novos fármacos desta classe já que são capazes de

formar ligações covalentes com certas proteínas

. Já há um composto derivado do ácido

borônico aprovado pelo FDA para tratamento de mieloma múltiplo.

Sua capacidade de

formação de ligações covalentes com biomoléculas pode ser explorada pelo

favorecimento de sua especificidade para determinado alvo. Avaliamos, neste estudo,

algumas possibilidades de aplicação destas propriedades dos compostos de boro. Devido

à inexistência de parâmetros para o átomo de boro na maioria dos campos de força de

programas de simulação disponíveis (GROMACS, PYMOL, etc.) avaliamos o

comportamento dos compostos estudados por cálculo mecânico-quântico ab-initio.

Nas seções seguintes, apresentaremos uma descrição dos objetivos gerais e da

metodologia geral utilizada. Inicialmente, faremos uma revisão da epidemia atual da

síndrome da imunodeficiência adquirida (SIDA), bem como os avanços na terapia anti-

retroviral. Logo após, apresentaremos os resultados da introdução de um grupo contendo

boro na molécula de nevirapina em relação à interação destas moléculas modificadas

com dois importantes aminoácidos da transcriptase reversa, o triptofano 229 e a tirosina

318, discutindo as possíveis conseqüências destas alterações para as propriedades

farmacológicas destes candidatos a inibidores em potencial. A seguir, vamos demonstrar

as modificações introduzidas pela substituição de átomos de hidrogênio pelo grupo

difluoreto de boro em moléculas de ADN e ARN, relacionando a formação de ligações

químicas com a distribuição de cargas, mapas potenciais e a distribuição de orbitais

moleculares nas estruturas obtidas. Por último, faremos um pequeno estudo sobre

análogos borilados do ácido valpróico (e as possibilidades de sua aplicação no combate à

SIDA e a leucemia) e do ácido salicílico (“aspirina”), com suas possíveis atividades anti-

trombose.

Evidentemente, toda avaliação In Silico de um candidato a novo fármaco é uma

proposição baseada em inferências, isto é, na analogia com medicamentos já existentes

nos quais se possam inferir similaridades. O presente estudo, da mesma maneira,

pretende dar suporte a uma investigação experimental futura de uma linha de pesquisa

com análogos borilados. Entendemos que a cooperação entre a predição teórica e a

execução experimental contribui para a otimização das pesquisas na área de química

pela inserção de novos insights sobre os mecanismos de ação de processos químicos.

Este é um importante avanço na metodologia de pesquisa na química moderna que tem

acrescentado aos pesquisadores mais ferramentas nas investigações e avaliações de

resultados nesta ciência.

1.1 Objetivos Gerais

O átomo de boro apresenta características peculiares com potencial de uso

farmacológico. Neste trabalho, investigamos algumas modificações nas moléculas de

ácidos nucléicos, de um fármaco anti-VIH, ácido valpróico e da molécula do ácido

salicílico. A proposta inicial era a realização de um estudo para a avaliação de um

análogo de um fármaco anti-VIH conhecido como nevirapina. A capacidade do átomo de

boro de “aumentar a densidade de carga positiva” sobre moléculas, poderia compensar a

perda de interação da nevirapina com formas mutantes do vírus da imunodeficiência

adquirida. Os resultados iniciais, entretanto, revelaram um conjunto de características

inesperadas dos compostos modificados que nos motivaram a conduzir, paralelamente,

um estudo de modificações nas bases nucleotídicas do ADN e do ARN. Posteriormente,

investigamos uma modificação na molécula do ácido salicílico e do ácido valpróico,

molécula que vem sendo bastante pesquisada devido a recentes descobertas sobre sua

capacidade de ação contra a infecção latente na SIDA e contra a leucemia. O fluxograma

a seguir representa um esquema dos estudos abordados neste trabalho.

Avaliação de aplicações

bioquímicas para

compostos de boro

Modificação das bases

do ADN e ARN

Modificação da

Nevirapina

Modificação do

ácido valpróico

Estudo das ligações

químicas entre

análogos borilados.

Avaliação das

interações entre

formas modificadas

da nevirapina e

aminoácidos da TR

do HIV-1

Breve estudo do

potencial farmacólogico

de um análogo borilado

do ácido valpróico e do

ácido salicílico

Conclusões e Perspectivas

Ilustração 99.Fluxograma demonstrando a ordem dos temas abordados

1.2 Fundamentos Teóricos

No início do séc. XX, a introdução por Bohr do modelo quantizado do átomo

permitiu a aplicação do conceito de estados estacionários a átomos e moléculas. A

descrição das propriedades ondulatórias das partículas por de Broglie e o modelo de Bohr

levantaram a possibilidade de estudo de partículas por meio da mecânica ondulatória. Em

1922, Schrödinger postulou uma equação de autovalores para a qual seria possível obter-

se o valor de energia e outras informações do estado estacionário de átomos e

moléculas. A equação de onda de Schrödinger pode ser escrita como:

=Ψ

Onde Ĥ é o operador que fornece o valor da energia molecular total, chamado

Hamiltoniano,

é a função de onda dos estados eletrônicos e Ψ

representa os valores

de energia permitidos dos respectivos estados, ou seja, os estados estacionários, para o

sistema.

Uma vez que a distribuição de cargas de qualquer elétron depende da

distribuição de cargas de sua vizinhança, a solução exata desta equação só pode ser

obtida para átomos hidrogenóides, isto é, sistemas com um único elétron. Em 1928,

Hartree propôs um modelo para solucionar problemas de sistemas multi-eletrônicos. O

modelo de Hartree consiste, basicamente, em considerar o movimento do elétron como

resultante de um campo gerado pelos núcleos e pelos outros elétrons. Utiliza-se o

operador de Fock em substituição ao Hamiltoniano. A principal diferença entre os dois

operadores é que no operador de Fock a função de onda

não pode ser determinada

diretamente. Um “palpite” inicial para as funções de onda é obtido utilizando-se outros

métodos (como métodos semi-empíricos). Esses orbitais são utilizados para construir o

operador de Fock que gera um novo grupo de orbitais moleculares. O cálculo é repetido

até se chegar a um conjunto auto-consistente de orbitais e a um valor de energia mínimo.

Este método é chamado de método auto-consistente (self-consistent field - SCF) restrito

Hartree-Fock, para sistemas de camada fechada (RHF).

Utilizando este método, Slater

produziu um conjunto de funções (orbitais atômicos) conhecidas como STO (Slater-Type

Orbitals). Em 1950, Boys propôs uma simplificação do método pela substituição dos

orbitais de Slater por funções tipo Gaussianas de solução mais fácil. Há algumas

desvantagens associadas a essa substituição. O número de funções tipo gaussianas

necessárias para produzir resultados com a mesma precisão do modelo que utiliza as

funções de Slater é maior (cerca de duas a cinco vezes maior).

A base STO-3G, por

exemplo, aproxima o método STO pela combinação linear otimizada de três funções

Gaussianas.

Quando participa de uma molécula, os orbitais atômicos podem sofrer

distorções da configuração livre. Para compensar essas mudanças, introduz-se funções

de orbitais para átomos pesados (orbitais d) e para átomos de hidrogênio (orbitais p) que

são conhecidas como funções de polarização, denotadas por um asterisco (*) (ex. STO-

3G* denota orbitais d adicionados a átomos pesados). Quando se trabalha com ânions,

outro problema encontrado é que ânions têm densidade eletrônica estendida quando

comparados com espécies químicas neutras. Para se descrever melhor esta região,

acrescenta-se funções que possuem o valor de máximo distante do núcleo associado

conhecidas como funções difusas e denotadas por um sinal de soma (+). Logo, uma base

6-31++G** representa o uso de duas funções difusas e das funções de polarização

(orbitais d e p).

As funções de onda Hartree-Fock não permitem obter os valores de carga atômica

diretamente de sua resolução. Para se estimar estes valores, utiliza-se meio indiretos, a

partir da mensuração de outras propriedades físicas. O método mais simples de se utilizar

é a Análise de População de Mulliken. Entretanto, este método é bastante sensível à base

utilizada. O método de ChelpG

(Charges from Eletrostatic Potential Grid) é considerado

mais apropriado por ser mais independente da base. Esse método baseia-se nos valores

do potencial eletrostático, propriedade obtida diretamente do cálculo SCF pela equação:

V(r) =

r - R

µν

∫

dr'

r - r'

Onde Z

é a carga nuclear sobre o átomo A, centrado em R

, Pµν é o elemento da

matriz densidade determinado a partir do procedimento Hartree-Fock, e

ϕ ,

são as

funções de bases utilizadas

. No método ChelpG, basicamente, se atribui a cada átomo

uma carga pontual derivada de uma “grade“ construída com base no potencial

eletrostático. Nos cálculos realizados neste trabalho, utilizamos a carga ChelpG e

optamos, na maioria dos resultados, pela base 6-31G*. Esta base, normalmente, produz

valores razoáveis de energia em moléculas orgânicas e possui um custo computacional

mediano

. Em alguns casos utilizamos outras bases (como STO-3G*) para fazermos

uma análise comparativa. Na avaliação da cavidade ligante da nevirapina, as cargas

foram determinadas a partir do campo de força AMBER

(Assisted Model Building and

Energy Refinement) do programa PyMol. Este campo de força foi parametrizado com

cargas atômicas obtidas através do método de potencial eletrostático.

Os Cálculos de

de entalpia de formação foram realizados com os métodos semiempíricos AM1 (Austin

Model 1) e PM3 (Parametric Model 3). Esses métodos estimam com razoável exatidão os

valores de entalpia de formação para moléculas pequenas. Os cálculos foram realizados

com ambos para uma análise comparativa dos resultados.

15,16

Em alguns casos realizamos uma correção com solvente. Para isto, utilizamos o

modelo de Tomasi (IPCM Isodensity Polarized Continuum Model). Neste modelo,

basicamente, a molécula do soluto é tratada como se estivesse em uma cavidade esférica

“mergulhada” no solvente contínuo (na verdade, um “potencial” com propriedades que

simulam o solvente)

. O dipolo molecular induz uma mudança na polarização do

solvente que, por sua vez, leva a uma mudança no dipolo molecular até que haja a

estabilização. No IPCM, a cavidade é definida como uma superfície de isodensidade

obtida iterativamente. Escolhemos este modelo para os cálculos deste trabalho devido a

uma melhor convergência para os problemas estudados.

1.3 Metodologia Geral

As otimizações de geometria foram realizadas com o programa GAUSSIAN 98,

licença G98RevA.9., utilizando-se o método Hartree-Fock, em diferentes níveis de

cálculo. Os valores de energia total são apresentados em Hartree (em alguns casos) e em

Kcal/mol sendo que consideramos 1 hartree= 627,509 kcal/mol. Os valores de entalpia de

formação foram calculados pelos métodos semi-empíricos AM1 e PM3 e são

apresentados em unidades de kcal/mol. Os valores de cargas sobre os átomos e

momentos de dipolo foram calculados pelo método ChelpG. O volume de van der Waals

(quando demonstrado) das moléculas foi calculado com o programa RASMOL (acesso

livre). As superfícies do potencial eletrostático de proteínas foram construídas com o

programa PyMol (acesso livre) utilizando-se o campo AMBER e as superfícies de

moléculas orgânicas pequenas foram construídas com o programa GaussView. Os mapas

dos potenciais eletrostáticos de moléculas pequenas foram construídos pelo método

Merz-Kollman (MK)

. Este método difere do método ChelpG basicamente pela maneira

como os pontos da “grade” são obtidos. No MK os pontos são obtidos a partir de uma

superfície de Conolly com uma densidade de 1 ponto por angstron enquanto que no

método ChelpG os pontos são obtidos de um uma “grade” cúbica regularmente espaçada

com uma densidade de pontos cerca de 10 vezes maior do que no método MK

. Os

orbitais de fronteira também são apresentados com a distribuição de cargas MK, para

facilitar a visualização das mudanças ocorridas. Em todos os casos, a escala de cores

indica a cor azul para regiões de densidade de carga positivas e a cor vermelha para

regiões com densidade de carga negativa. Em cada seção, as características específicas

de cada cálculo são detalhadas.

2. Aspectos Gerais Sobre a Síndrome da Imunodeficiência Adquirida

(SIDA)

2.1 Definição, Aspectos Virológicos e Epidemiológicos

A definição da Síndrome da Imunodeficiência Adquirida (SIDA) varia bastante na

literatura. Uma boa definição é dada por Hutchinson: ”A Síndrome da Imunodeficiência

Adquirida, SIDA (mais conhecida no Brasil pela sigla em inglês, AIDS – Acquired Immune

Deficiency Syndrome), é caracterizada pela progressiva perda de CD4+ auxiliares

(helper)/indutoras(inducer) do subgrupo dos linfócitos T. A perda de células T leva a uma

severa avaria da função imunológica, doenças constitucionais, infecções oportunistas,

complicações neurológicas, (complexo SIDA demência) e neoplasma que raramente

ocorrem em pessoas com a função imune intacta”.

O mecanismo de avaria do sistema

imunológico ainda é um tema controverso. Alguns trabalhos sugerem que os mecanismos

de danos ao sistema imunológico, ativação do genoma proviral e de “escape” à resposta

imunológica do hospedeiro pelo vírus são bastante complexos envolvendo inclusive

interações com o sistema complemento.

É provável a existência de um co-fator

infeccioso. O próprio descobridor do vírus causador da síndrome, Luc Montagnier,

acredita na possibilidade de que este co-fator seja um micoplasma (“uma bactéria

pequena – de 200-300 nm - que evoluiu para um parasitismo perdendo a capacidade de

síntese de sua parede celular”).

O número de pessoas vivendo com o vírus da imunodeficiência humana em 2005

era estimado em 40,7 milhões de pessoas. Neste mesmo ano, cinco milhões de pessoas

morreram em decorrência de problemas relacionados à SIDA. Embora tenha havido

diminuição na taxa de infecção de adultos jovens em alguns países do Caribe e África, a

tendência global ainda era de aumento. De fato, houve crescimento no número de

infecções no leste europeu, sudeste asiático sendo que a África sub-saariana continua a

ser a região mais afetada.

No Brasil, estima-se que existam cerca 620.000 pessoas

vivendo com o VIH

. Autoridades sustentam que o acesso universal à terapia anti-

retroviral pode se tornar inviável dentro dos próximos anos. O custo médio de cada

paciente soropositivo para o governo em 2005 foi de R$ 6.000,00. Com o crescimento da

procura pelo tratamento, o custo total para o Ministério da Saúde pode se tornar proibitivo

dentro dos próximos anos.

2.2 O VÍRUS

O Vírus da Imunodeficiência Humana (VIH) foi inicialmente isolado em 1983 de

pacientes com SIDA. Estruturalmente, assemelha-se ao vírus linfotrópico humano tipo II e

tipo III. Pesquisas conduzidas por diversos grupos demonstraram que o VIH é um

membro da subfamília dos lentivírus pertencentes aos retrovírus humanos. Todos estes

vírus codificam uma enzima ADN polimerase ARN dependente – a transcriptase reversa –

que permite a transcrição do ARN viral numa cópia de ADN. Nesta forma, ele pode ser

integrado ao genoma da célula hospedeira e se replicar através do ADN proviral. O

genoma do VIH é composto de nove genes: o gene gag, que codifica proteínas do

capsídeo do “core” viral, o gene pol, que codifica a transcriptase reversa, o gene env, que

codifica proteínas do envelope viral, os genes tat,ver, nef, vif, vpr e vpx, que regulam a o

ciclo de vida viral. O genoma do VIH também possui a Long Terminal Repeat (LTR) uma

seqüência de ARN/ADN com função estrutural e regulatória

. Em 1987, Guyader e co-

autores identificaram pacientes de Guiné-Bissau e de outros países do Oeste da África

que demonstravam sintomas da SIDA, mas não apresentavam anticorpos contra o VIH.

Os pesquisadores convencionaram chamar o vírus identificado nestes pacientes de VIH-

2. ‘O alinhamento das seqüências de nucleotídeos do VIH-1 e VIH-2 demonstram que

suas distâncias homológicas variam de

∼

60% para os genes mais conservados gag e pol,

para 30-40% para outros genes virais e LTR’.

O VIH apresenta uma ampla variabilidade genética. A análise da distância genética

entre alguns lentivírus primatas sugere que o VIH-1 e o VIH-2 originaram-se dos Vírus da

Imunodeficiência Símia presente em chimpanzés (o VIH-1 parece descender de um

lentivírus primata presente na sub-espécie Pan trogrodytes trolodytes) e em macacos

Mangabei (Cercocebus atys) (no qual está presente o provável ancestral lentivírus do

VIH-2).

2.3 A Terapia Anti-retroviral Altamente Ativa

A replicação do VIH-1 compreende uma série de etapas, desde a adsorção do

vírus à membrana celular até a maturação das partículas virais, passíveis de intervenção

quimioterapêutica.

Entre os medicamentos mais utilizados, os inibidores nucleosídicos

(que inibem de maneira competitiva a síntese de ADN pela TR) e não nucleosídicos (que

inibem de maneira não competitiva) da transcriptase reversa e os inibidores de protease

se tornaram de singular importância na quimioterapia da SIDA. Os inibidores de protease,

como o Indinavir, bloqueiam a atividade das proteases, enzimas que auxiliam na

maturação e reprodução viral bem como ajudam a tornar o vírus infeccioso. Os inibidores

da transcriptase reversa (TR) bloqueiam a enzima necessária ao VIH-1 na conversão do

ARN viral em ADN.

Dada a elevada taxa de mutação do VIH-1, que confere a este vírus uma enorme

capacidade de desenvolver resistência durante um tratamento com um inibidor, utiliza-se

um coquetel de inibidores anti-retrovirais, isto é, uma combinação de remédios visando

inviabilizar o desenvolvimento de resistência pelo VIH-1 uma vez que cada fármaco age

em diferentes sítios de uma proteína viral e/ou diferentes proteínas virais. Esta terapia é

conhecida como Terapia Anti-retroviral Altamente Ativa.

Um típico “coquetel” é uma

combinação tripla de inibidores de protease com os dois análogos nucleosídicos

inibidores da transcriptase reversa (INTR), o AZT (zidovudina) e o 3TC (lamivudina).

NNN

AZT

3TC

Ilustração 100. Estruturas do AZT e do 3TC

Embora seja capaz de suprimir o vírus, a suspensão da medicação causa um

retorno na replicação das partículas virais. Além disso, há efeitos colaterais graves

associados à administração da terapia por longos períodos de tempo, como os efeitos

causados pelos INTR que vão desde esteatose hepática (“fígado gorduroso”) a acidemia

láctica (potencialmente fatal), que parecem estar associados a danos nas mitocôndrias os

resultados das pesquisas neste campo sugerem que os inibidores nucleosídicos inibem a

replicação do genoma mitocondrial, afetando a produção das enzimas fundamentais para

fosforilação oxidativa causando alterações na produção de ácido láctico.

Alguns

resultados recentes demonstram que algumas drogas (como o ácido valpróico) podem

induzir seletivamente a expressão do genoma proviral latente (isto é, da carga viral

“adormecida” no organismo do paciente) e potencialmente eliminá-la.

Esses resultados

levantaram, na comunidade acadêmica, a discussão sobre a possibilidade de se chegar a

uma cura para a SIDA, mas ainda há importantes dúvidas a serem sanadas antes do

desenvolvimento de uma intervenção terapêutica capaz de eliminar o vírus do organismo.

32,33

Estas e outras atividades farmacológicas do ácido valpróico recém-descobertas nos

motivaram a investigar um análogo borilados deste fármaco também.

2.4 A Transcriptase Reversa e os Inibidores Não-Nucleosídicos

O VIH é um retrovírus, o que significa que seu material genético é replicado numa

seqüência inversa à da maioria dos seres vivos. A enzima responsável por esta

capacidade é a transcriptase reversa (TR) que é uma enzima heterodimerica com dois

pontos “isoelétricos” (pH=5,75 e pH=6,25)

capaz de replicar o ARN viral convertendo-o

em uma fita dupla de ADN.

ADN

ARN PROTEÍNA

TRANSCRIÇÃO TRADUÇÃO

ADN

ARN PROTEÍNA

TRANSCRIÇÃO

TRADUÇÃO

TRANSCRIÇÃO

REVERSA

ARN

Ilustração 101 Comparação entre o fluxo da informação genética na seqüência convencional

dos seres vivos e nos retrovírus, como o VIH. O material genético é transcrito em ADN para

depois ser transcrito em ARN e traduzido em proteínas.

Os Inibidores Não-Nucleosídicos da Transcriptase Reversa (INNTRs) são um

grupo estruturalmente diverso que, ao contrário dos INTRs, inibem de maneira alostérica

a TR, ligando-se a uma cavidade hidrofóbica que dista cerca de 10 Ǻ do sítio ativo da

enzima, na subunidade p66 da TR VIH-1. O mecanismo de inibição parece estar

associado a um reposicionamento de resíduos da cavidade ligante dos INNTRs que

causa uma distorção nos resíduos do sítio ativo da TR.

Estudos recentes demonstram

que alteração na dimerização da TR causadas pelos INNTRs também participam do

mecanismo de inibição destes.

36,37

Ilustração 102 Imagem do complexo nevirapina+transcriptase reversa

A elevada especificidade dos INNTRs à TR os torna relativamente pouco tóxicos

aos pacientes

(alguns inibidores de protease também possuem elevada especificidade

devido à explorarem algumas diferenças entre as estrutura das proteases do VIH-1 e as

proteases humanas, como sua simetria).

A TR apresenta uma flexibilidade muito

elevada o que permite às regiões ligantes sofrerem significativas variações de volume e

dificulta a previsão de atividade de novos INNTRs.

2.5 A Nevirapina e o Ácido Fenil-Borônico

Merluzzi e colaboradores

investigando a atividade de dipiridodiazepinonas como

antagonistas dos receptores muscarínicos, identificaram um potente inibidor da

transcriptase reversa do VIH-1, a 11-ciclopropil-5,11-11-diidro-4-metil-6H-dipirido[3,2-

b:2’,3’-e][1,4]diazepin-6-ona, mais tarde chamada de nevirapina. A nevirapina é

amplamente utilizada na profilaxia da trasmissão materno-infantil do VIH-1.

Os testes

com uma nova terapia, utilizando a nevirapina em uma dose simples no combate à

transmissão vertical, demonstraram bons resultados, com um regime de posologia e um

gasto menores.

Ilustração 103 Estrutura da nevirapina

Alguns pesquisadores têm proposto seu uso na terapia anti-retroviral altamente

ativa em adultos.

Costumeiramente, a nevirapina é ministrada em uma única dose

diária de 200mg nos primeiros 14 dias, aumentando-se então para 400mg por dia.

Embora tenha uma toxicidade não desprezível (hepatotoxicidade já bem descrita com

possíveis casos fatais),

é considerada menos tóxica do que inibidores nucleosídicos da

Transcripstase Reversa como o AZT e 3TC. Um dos maiores problemas associados ao

uso deste medicamento é o desenvolvimento de resistência pelo vírus, o que limita

bastante a aplicação deste fármaco. Há o receio de que o uso de nevirapina na contenção

da transmissão materno-infantil possa causar, a longo prazo, o surgimento de linhagens

resistentes do vírus que inviabilizem a utilização deste fármaco no futuro.

47,48

Há um

enorme grupo de mutações relatadas em pacientes que desenvolveram formas do VIH

resistentes à nevirapina.

Essas mutações induzem resistência alterando as taxas de

dissociação (como as mutações L100I e V106A), de associação (como a mutação

K103N), bem como induzindo alterações simultâneas nas taxas de associação ou

dissociação entre a enzima e o inibidor (como as mutações Y181I e Y188L) entre a

enzima e o inibidor.

O mecanismo de ação destas mutações ocorre de três maneiras, basicamente:

pela redução da área superficial de contato entre os aminoácidos e o inibidor, pela

modificação na distribuição eletrostática da ligação de hidrogênio envolvida na interação

com o inibidor e pela interferência estérica na cavidade ligante do inibidor.

A mutação

K103N é a única mutação (clinicamente relevante) capaz de conferir ao vírus resistência

aos INNTRs que não se localiza na cavidade ligante dos mesmos. O mecanismo de ação

desta mutação aparentemente está associado à alteração na interação entre o resíduo

103 e a tirosina 188 que favorece a estabilidade da estrutura da enzima “livre” em relação

à estrutura do complexo enzima-inibidor.

Alguns estudos sugerem que a energia de

interação entre a nevirapina e a forma mutante da TR é 3,66 kcal/mol menor do que a

energia de interação da nevirapina com a forma selvagem da TR devido a de interações

de van der Waals.

Diante da enorme variedade de mutações capazes de conferir resistência ao vírus

VIH-1, tem-se buscado por regiões conservadas da proteína transcriptase reversa para

alvo de novos fármacos. Um conjunto de resíduos na cavidade ligante dos INNTRs

(Pro225, Phe227, Trp229, Leu234 e Tyr 318) chamou a atenção dos pesquisadores.

Todos estes resíduos são altamente conservados em TR de lentivírus. Os aminoácidos

nas posições 227-235 pertencem à região “primer grip”, responsável pela manutenção da

terminação 3’-primer em uma orientação suscetível ao ataque nucleofílico pela

incorporação de deoxinucleotídeos.

Entre estes resíduos, nos chamou a atenção o triptofano da posição 229 (Trp229) e

a tirosina na posição 318 (Tyr 318). Estes aminoácidos possuem uma série de

propriedades que os tornam interessantes como alvos farmacológicos. Além de serem

altamente conservados e importantes na função enzimática, pertencem à cavidade ligante

dos INNTRs (com os quais interagem diretamente) e são aminoácidos aromáticos, ou

seja, passíveis de interação com grupos químicos eletrofílicos.

Alguns estudos sobre efeito inibitório de grupos eletrofílicos sobre enzimas

oferecem informações importantes. O ácido fenil-borônico é capaz de inibir colinesterase

humana em concentrações tão baixas quanto 4,0x10

-6

Há também estudos

mostrando a atividade inibitória de ácidos

α-amino-borônicos sobre enzimas,

inibição

de acetil-colinesterase e quimiotripsina por ácido borônicos.

55,56

De fato, este bioisóstero

apresenta a capacidade de formar complexos ligando-se covalentemente a grupos

hidroxilas.

57,58

Alguns autores sugerem que a inibição ocorra por meio de um aduto

covalente com o átomo de boro tetracoordenado na forma aniônica.

A aplicação

farmacológica dos ácidos borônicos vem sendo amplamente investigada, com vários

exemplos de possíveis aplicações para tratamento de infecções por fungos,

combate à

trombose durante procedimento cirúrgico,

anticoagulante,

inibidores de proteases,

imunossupressores

descritos na literatura.

Embora os ácidos borônicos sejam

compostos reativos (podem sofrer desboronação oxidativa no organismo pelo citocromo

P450),

há trabalhos na literatura recente com a descrição de preparo de formulações

farmacológicas de compostos desta classe para aplicações farmacológicas

65,66

O presente trabalho pretende estudar o efeito da substituição de átomos de

hidrogênio dos anéis aromáticos da nevirapina que interagem com os resíduos

aminoácidos conservados Trp 229 e Tyr318 por um grupo dihidroxiborano.

2.6 Metodologia

A escolha da nevirapina como objeto deste estudo deveu-se à riqueza de dados

cristalográficos, químicos e farmacológicos disponíveis. Tendo em vista a meta e a

complexidade do trabalho, optamos por um estudo preliminar em sistemas modelos mais

simples antes do estudo das moléculas propostas propriamente ditas, isto é, inicialmente,

avaliamos, In Silico, as características da interação de compostos de boro com moléculas

aromáticas para, a seguir, avaliar os alvos farmacológicos (os aminoácidos escolhidos).

Os ácidos borônicos possuem particularidades que exigem uma avaliação mais detalhada

neste grupo de compostos. Entre estas características particulares encontramos a

diferença na relação estrutura/atividade (há casos descritos de ácidos borônicos tendo

maior atividade inibitória do que outros ácidos borônicos de pKa menor).

A metodologia

é descrita a seguir:

1º. Empregando-se as estruturas cristalográficas de complexos INNTR:TR depositadas no

Protein Data Bank, inicialmente foi conduzido um estudo sobre as principais

características geométricas, eletrônicas e energéticas das interações entre a molécula da

nevirapina e os aminoácidos de interesse presentes no sítio ativo da transcriptase

reversa. Foram comparadas as características do sítio ativo da TR complexada com

INNTRs nas formas selvagem e mutante da enzima.

2º. Cálculos mecânico-quânticos ab-initio empregando-se o método Hartree-Fock com

funções de base em nível 6-31G* serão executados para obtenção de parâmetros de

energia, momento de dipolo, de moléculas pequenas de compostos que reproduzam as

características químicas dos fármacos propostos e dos aminoácidos com os quais estes

análogos devem interagir preferencialmente.

3º. A partir deste estudo, sugerimos estruturas de análogos borilados da nevirapina com

potencial atividade inibitória em formas resistente da TR bem como estabelecemos os

sítios importantes de interação entre esses análogos e a proteína TR.

4º. De acordo com o estudo descrito nos itens anteriores para os INNTRs, realizamos

cálculos de otimização de geometria molecular e estabelecemos as características

principais destes compostos e das possíveis interações destes com os aminoácidos Trp

229 e Tyr 318. Também realizamos alguns estudos com cálculos semi-empíricos destes

sistemas.

2.7 Resultados e Discussão

2.7.1 Avaliação dos INNTRs

Os dados do PDB com a estrutura cristalográfica do complexo Nevirapina-

Transcriptase reversa demonstram que a variação no posicionamento em relação aos

resíduos Trp229 e Tyr318 na cavidade ligante de diferentes formas mutantes da TR é

relativamente pequena. De fato, o Trp229 está sempre próximo ao grupo metila ligado a

um dos anéis piridínicos da nevirapina e a Tyr318 nas proximidades do anel piridínico.

(Esquema abaixo).

Ilustração 104 Posições relativas da nevirapina e dos resíduos Tyr318 3 Trp 229 no mutante

Y181C, extraído do arquivo 1JLF do PDB.

Inicialmente, avaliamos a variação de energia e conformação entre as formas

“livre” e otimizada dos fármacos. As moléculas mostradas abaixo tiveram suas estruturas

otimizadas por cálculo ab-initio, empregando-se o método Hartree-Fock com funções de

base 6-31G*, utilizando-se o programa GAUSSIAN-98. Os resultados foram comparados

aos obtidos pelo cálculo da energia Single Point das mesmas estruturas, no mesmo nível

de cálculo, isto é HF/6-31G*, na conformação na qual são encontradas quando em

complexo com a Transcriptase Reversa (dados do Protein Data Bank). O Objetivo desta

comparação inicial foi avaliar a diferença de energia causada na de formação do

complexo inibidor-enzima. Os resultados são apresentados na Tabela abaixo:

Nevirapina Efavirenz

TNK-651 UC-781

S-1153

PETT-1

Cl N

PETT-2

BM + 21.1326

(BM-21)

Ilustração 105 Fórmulas estruturais de alguns INNTRs

INNTR Código

PDB

TR MUTANTE ENERGIA TOTAL

(Hartree)

∆E

(Hartree)

Geometria

Single Point

Geometria

Otimizada

BM-21

1C0T Tipo Selvagem -1179,3243

-1179,352 -0,02774

PETT-1

1DTQ Tipo Selvagem -1459,1393

-1459,260 -0,12127

PETT-2

1DTT Tipo Selvagem -1826,3699

-1826,43

-0,06688

S-1153

1EP4 Tipo Selvagem -2452,98450 -2453,040 -0,05568

Efavirenz

1FKO K103N -1497,0776

-1497,31

-0,24112

Uc-781

1S1T L100I -1715,3012

-1715,355 -0,05407

Uc-781

1S1W V106A -1715,3017

-1716,49

-1,19433

Neviparina

1S1X V108I -868,7454

-868,8270 -0,08247

Neviparina

1S1U L100I -868,7894

-868,8270 -0,03852

Nevirapina

1JLF Y188C -868,73860 -868,827

-0,08935

Nevirapina

1FKP K103N -868,74580 -868,827

-0,08215

Nevirapina

1JLB Y181C -868,72062 -868,827

-0,10700

Nevirapina

1VRT Tipo Selvagem -868,7543

-868,827

-0,07300

Tabela 33 Energia das estruturas das INNTR estudadas na conformação ativa e na

conformação otimizada.

Os valores da tabela1-1 foram calculados pela fórmula ∆E = Energia total

(Otimizada) – Energia Total (single point). Embora haja uma variação significativa de

algumas estruturas, a nevirapina apresenta uma variação pouco pronunciada de energia

devido a sua rigidez molecular.

2.7.2 Avaliação da Cavidade Ligante dos INNTRs

A cavidade ligante dos Inibidores Não-Nucleosídicos da Transcriptase Reversa é

bastante flexível podendo sofrer uma significativa variação de volume. Avaliamos a

cavidade ligante da enzima com respeito ao seu mapa do potencial eletrostático e

volume. A cavidade ligante dos inibidores alostéricos não está presente na enzima livre.

Esta cavidade surge com a formação do complexo da Transcriptase Reversa com o

INNTR. Desta maneira, a conformação desta cavidade dependente da molécula de

INNTR envolvida na formação do complexo. Analisamos, a seguir, alguns exemplos de

cavidade ligante para algumas formas mutantes da Transcriptase Reversa. Em todos os

casos, o resíduo VAL179 foi retirado na imagem para melhor visualização.

A molécula da nevirapina mantém contato com o meio exterior (a cavidade ligante

não se “fecha” após a formação do complexo) e com o solvente mesmo após a formação

do complexo. A região onde se localiza o resíduo tirosina 318, na forma “selvagem” da

enzima, possui uma densidade de carga negativa associada. Esta densidade de carga

varia nos mutantes (como no Tyr181Cis). A região interage com a nevirapina

principalmente com o anel piridínico não metilado da molécula. A região do resíduo Trp

229, que interage com o anel piridínico metilado da nevirapina, mantém sempre uma

densidade de carga negativa (mesmo nos mutantes K103N, L1OOI, V108I, Y188C e

Y181C). A cavidade revela-se bastante flexível, tendo seu volume alterado inclusive por

moléculas de água, quando presentes no complexo.

Ilustração 106 À esquerda, superfície potencial do complexo TR-nevirapina demonstrando o contato da

molécula do fármaco com o solvente (água) externo e, à direita, aproximação demonstrando as

variações de carga na cavidade ligante. Os átomos destacados com a cor vermelha são átomos de

oxigênio de moléculas de água presentes na estrutura.

Na ilustração.6, a molécula de água que aparece logo acima do anel piridínico

não metilado da nevirapina penetra cerca de 4 Å na direção do resíduo prolina 221. A

superfície potencial foi construída com cargas do campo de força AMBER do

programa PyMol.A cavidade ligante da enzima mutante Tyr188Cis apresenta-se

bastante diferenciada em relação às demais. A região do resíduo Tyr318 também

sofre uma modificação na distribuição de cargas neste mutante, tornando-se positiva

(nos outros casos essa região possui uma densidade negativa nessa região). Essa

distribuição positiva também é observada na enzima mutante Tyr181Cis. A região de

contato da molécula com o resíduo Trp229, no entanto, mantém a mesma distribuição

em todos os casos.

Ilustração 107 Comparação entre os complexos Nevirapina-RT de diferentes formas mutantes e da

forma selvagem. A cor azul indica maior densidade de carga positiva e a vermelha indica maior

densidade de carga negativa. Para melhor visualização, a imagem do mutante Y188C foi obtida

partindo-se da região de interação da molécula do fármaco com a região externa à cavidade. Em todos

os casos o resíduo VAL179 foi retirado para melhoria na visualização.

Embora apareça como uma região de predominância de cargas negativas,

destacado em vermelho, nos mutantes Y188C e Y181C, a região de interação entre o

anel piridínico não metilado e o resíduo Tyr 318 apresenta-se com carga positiva

destacada em cor azul.

Ilustração 108 Comparação entre as regiões de interação do anel piridínico metilado da Nevirapina

com o resíduo Trp229. Em todos os casos o resíduo Val179 foi omitido para melhor visualização.

A partir destes resultados, concluímos que o resíduo Trp229 favorece a interação

com espécies químicas que possuem densidade de carga positiva uma vez que, ao

contrário do resíduo Tyr318, o resíduo Trp229 mantém sempre uma distribuição negativa

em todos os mutantes, embora haja uma variação nos valores das cargas. Como é

possível observar nas imagens, há uma significativa variação no volume da cavidade

havendo, inclusive, surgimento de “protuberâncias” que criam novas regiões de interação

entre a molécula do fármaco e da proteína bem como “lacunas”, isto é, regiões onde há

perda de interação de regiões com a molécula do fármaco. De fato, essas alterações

afetam substancialmente a cinética de inibição enzimática. Por exemplo, um dos

principais mecanismos de resistência da transcriptase reversa do vírus VIH-1 à nevirapina

são as mutações nos Tyr181Cis e Tyr188Cis que causam uma perda de interação de

empilhamento (stacking) dos anéis aromáticos da tirosina com os anéis aromáticos da

nevirapina.

2.8

Avaliação de Compostos de Boro.

Abaixo, apresentamos alguns testes feitos com a interação entre pequenas

moléculas contendo boro e nitrogênio. O átomo de nitrogênio da molécula modelo foi

colocado sobre o átomo de nitrogênio do indol da molécula do Trp229 presente no

mutante Y188C (arquivo 1JLF do PDB). A molécula modelo contendo boro foi posicionada

na mesma distância que o átomo de boro ficaria se fosse inserido na nevirapina um grupo

contendo boro no seu anel piridínico. A seguir são dadas as geometrias de partida de

alguns dos testes.

Ilustração 109 Superposição do hipotético análogo borilados e da trimetilamina sobre a neviparina e o

resíduo Trp229 na geometria encontrada no mutante Y181C.

O análogo borilado foi pré-otimizado, antes da superposição, usando um

método semi-empírico na aproximação PM3. A distância inter-atômica média boro-

nitrogênio foi seguida nos outros testes. A escolha da geometria de partida, portanto,

iniciou-se com a superposição das espécies propostas sobre a geometria hipotética do

análogo. As otimizações foram realizadas por cálculo mecânico-quânticos ab-initio

empregando-se o método Hartree-Fock com funções de base 6-31G*.

Ilustração 110 Procedimento para a escolha da geometria de partida. À esquerda, superposição do BF

e da trimetilamina sobre a geometria de partida. À direita, geometria de partida obtida para a otimização.

Os resultados indicaram uma tendência das moléculas a uma aproximação

preferencial “face a face”, no caso dos haletos de boro, e perpendicular ao centro do anel

aromático, no caso do ácido borônico.

Ilustração 111 Geometria otimizada do par BF

/ Indol visto por duas perspectivas diferentes

demonstrando a tendência à orientação “face a face”.

Testou-se uma série de moléculas com a geometria de partida definida de acordo

com o método descrito acima. Todas as moléculas foram testadas em interação com uma

molécula de trimetilamina, amônia, piridina, pirrol, indol e metil-indol.

Ilustração 112 Geometria otimizada do par ácido borônico-trimetilamina (à esquerda) e ácido borônico-

anel indol (à direita) com as distâncias inter-atômicas mínimas representadas.

2.8.1 Cálculos ab-initio

Abaixo são dados os resultados dos testes ab-initio calculados em nível e STO-3G*

e 6-31G*

Moléculas

Boriladas

Moléculas

Nitrogenadas

Energia de Interação

(em kcal/mol)

Distância (em

Angstrons)

HF/STO-3G* HF/6-31G*

Trimetilamina

-7,599522606 -8,684549 2,00342

Amônia

Não Converge -10,053780 2,07504

Pirrol

Não Converge -8,186648 2,03551

Piridina

Não Converge -6,594753 2,03886

Indol

-2,259349755 -6,051417

2,65935

2,70832

Ácido Bórico

[B(OH)

]

Metil-indol

Não Converge -6,300368

2,68716

2,62906

Trimetilamina

-8,037712839 -8,512199 2,01243

Amônia

-9,74021022 -9,862278 2,09905

Pirrol

-8,45506989

2,60529

2,60448

Piridina

-1,378586034 -7,324171

2,29138

2,25151

Indol

-2,378513904 -6,051417

2,60529

2,60448

Ácido fenil-

borônico

[Ph-B(OH)

]

Metil-indol

Não Converge -6,108867

2,65004

2,70141

Trimetilamina

-8,85730365 -9,105851 1,98908

Amônia

-10,61006458 -10,532530 2,05832

Pirrol

-9,26016507 -10,484650

2,57952

2,57992

Piridina

Não Converge -7,324171

2,26030

2,26162

Indol

-2,71109420 -6,645069

2,62689

2,66790

Ácido

3-piridil-

borônico

[Py-B(OH)

]

Metil-indol

Não Converge

-6,740819

2,65172

2,62185

Tabela 34 Valores de energia total dos pares moleculares calculados por método Hartree-

Fock com diferentes bases.

Molécula Borilada Molécula

Nitrogenada

Dipolo Total (Debye)

STO-3G* 6-31G*

Trimetilamina 4,7547 5,4069

Amônia Não Converge 6,0750

Pirrol Não Converge 3,8685

Piridina Não Converge 6,0049

Indol 4,2119 5,5142

Ácido Bórico [B(OH)

]

Metil-indol Não Converge 4,3315

Trimetilamina 5,1854 4,7250

Amônia 5,7862 5,5750

Pirrol 3,5731 4,1986

Piridina 6,2080 6,7040

Indol 3,5357 4,5215

Ácido fenil-borônico

[Ph-B(OH)

]

Metil-indol Não Converge 4,4211

Trimetilamina 7,5629 7,4525

Amônia 8,1325 8,2555

Pirrol 5,7336 6,7656

Piridina Não Converge 9,4393

Indol 5,6587 6,9780

Ácido 3-piridil-borônico

[Py-B(OH)

]

Metil-indol Não Converge 6,9066

Tabela 35 Valores de momento de dipolo dos pares moleculares calculados por método

Hartree-Fock com diferentes bases

Ilustração 113 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e

trimetilamina observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 114. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e amônia

observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 115. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e piridina

observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 116. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e pirrol

observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 117. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e indol

observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 118. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido bórico e 32-metil-

indol observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 119. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-borônico e

trimetilamina observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 120. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-borônico e

amônia observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 121. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-borônico e

pirinina observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 122. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-borônico e

pirrol observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 123. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-borônico e

indol observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 124. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido fenil-borônico e 2-

metil-indol observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 125. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-borônico

e trimetilamina observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 126 Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-borônico e

amônia observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 127. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-borônico

e piridina observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 128. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-borônico

e pirrol observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 129. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-borônico

e indol observado por duas perspectivas diferentes

Ilustração 130. Direção do vetor momento de dipolo no par molecular ácido 3-piridil-borônico

e 2-metil-indol observado por duas perspectivas diferentes

Observamos uma pequena variação dos valores de acordo com a base utilizada

indicando que a base STO-3G* subestima os valores de energia de interação e momento

de dipolo. Os valores de energia de interação indicam que a interação entre as moléculas

é favorecida. Tanto os valores de energia de interação quanto as distâncias inter-

atômicas estão dentro da faixa de uma ligação de hidrogênio. Os valores do momento de

dipolo bem como a sua direção corroboram esta conclusão, tendo valores relativamente

altos. Os compostos de boro otimizados com a piridina apresentam orientam-se

preferencialmente com os átomos de hidrogênio do grupo di-hidroxi-borano interagindo

com o átomo de nitrogênio. Esse resultado é devido à elevada carga do átomo de

nitrogênio na piridina (

≅ -0,68, ver tabela 4) que favorece esta interação. Os resultados

sugerem que a substituição dos anéis piridínicos da nevirapina podem resultar num

aumento da atração eletrostática entre estes e os resíduos aromáticos nitrogenados da

TR.

Calculamos também a alteração na distribuição de cargas no anel piridínico com a

adição do grupo ácido borônico.

Ilustração 131 Fórmula estrutural da piridina e do ácido 2-piridil-borônico

Piridina Átomo Carga

ChelpG

Ác. Piridil

borônico

Átomo Carga

ChelpG

1 C 0,476812 1 C 0,478162

2 C -0,459873 2 C -0,451580

3 C 0,242683 3 C 0,218550

4 C -0,469164 4 C -0,450409

5 C 0,483834 5 C 0,456240

6 N -0,682795 6 N -0,691865

7 H 0,013305 7 H 0,014859

8 H 0,158568 8 H 0,150109

9 H 0,063725 9 H 0,074674

10 H 0,161796 10 B 0,855162

11 H 0,011108 11 H 0,035676

- - - 12 O -0,788734

- - - 13 O -0,803791

- - - 14 H 0,446579

- - - 15 H 0,456367

Tabela 36 Valores de cargas atômicas ChelpG da piridina e do ácido 3-piridil borônico.

A adição do grupo borônico ao anel aromático causa uma alteração significativa na

distribuição de cargas entre os átomos. O carbono nº 4 (ao qual se liga o substituinte

boronato) sofre uma leve diminuição na carga negativa enquanto os átomos de carbono

nº 3 e 5 sofrem uma diminuição nos valores de carga positiva. Os átomos de hidrogênio

do ácido borônico apresentam-se com uma carga significativamente positiva.

2.8.3 Análogos Propostos

Análogo.1 Análogo.2

Ilustração 132 Fórmulas estruturais dos análogos propostos

Baseando-se nos resultados anteriores e nas posições do resíduo Trp229 e Tyr318

em relação a nevirapina, propusemos os análogos acima (Ilustração.34) como possíveis

candidatos a fármacos mais resilientes na terapia anti-retroviral. Nas próximas seções,

descrevemos as propriedades calculadas em cada um dos análogos na interação com a

Tyr318 (no caso do análogo.1) e Trp 229 (para o análogo 2).

2.8.4 O Aminoácido Triptofano 229

Iniciamos os estudos desta etapa avaliando primeiramente a interação do análogo

2 com o Trp 229. A cadeia lateral do Trp229, o indol, é menos reativo com ácidos

borônicos do que a cadeia lateral do resíduo aminoácido Tyr318 que é um fenol tendo,

portanto, uma hidroxila possivelmente reativa com sistema nucleofílicos como o ácido

borônico. Abaixo, apresentamos os resultados do cálculo ab-initio para este sistema.

2.8.4.1 Resultados

Seguindo as análises, realizamos cálculos ab-initio com o objetivo de se obter e

dados sobre o sistema. Os valores de cargas atômicas obtidas pelo método ChelpG são

dados abaixo:

Ilustração 133 Numeração dos átomos da nevirapina

Átomos

(nº/símbolo)

Cargas

ChelpG

Átomos

(nº/símbolo)

Cargas

ChelpG

1 N

-0,531361

18 H

0,104270

2 C

0,225543

19 H

0,104576

3 C

0,627455

20 H

0,111440

4 C

0,823193

21 H

0,101900

5 C

-0,240330

22 C

-0,514728

6 C

-0,257460

23 C

-0,166364

7 N

-0,638790

24 O

-0,654342

8 C

-0,108218

25 C

-0,447786

9 C

-0,518132

26 H

0,064732

10 N

-0,696272

27 H

0,360549

11 H

0,050295

28 H

0,105335

12 C

0,343089

29 H

0,048724

13 C

0,301478

30 H

0,189430

14 N

-0,628472

31 H

0,065895

15 C

0,869032

32 H

0,064595

16 C

0,214185

33 H

0,053355

17 C

0,413707

34 H

0,159477

Tabela 37 Valores de cargas atômicas da nevirapina.

Ilustração 134 Numeração dos átomos do análogo borilado da nevirapina

Átomo

Nº/símbolo

Carga

ChelpG

Átomo

Nº/símbolo

Carga

ChelpG

-0,565578

20N

-0,700017

0,250253

21B

0,921036

-0,214137

22H

0,045784

-0,274422

23H

0,094664

-0,681093

24H

0,094044

0,336658

25H

0,113314

-0,523376

26H

0,104778

0,289766

27H

0,094931

-0,144241

28H

0,071708

10C

0,701423

29H

0,063220

11C

-0,158709

30H

0,038719

12N

-0,619068

31H

0,354831

13C

0,884788

32H

0,048761

14O

-0,662336

33O

-0,781863

15C

-0,526036

34O

-0,830661

16C

0,835332

35H

0,111055

17C

0,202209

36H

0,436305

18C

-0,443298

37H

0,459974

19C

0,412483

38H

0,158799

Tabela 38 Valores cargas atômicas da molécula de nevirapina modificada.

A maioria dos átomos de carbono desta molécula apresenta uma carga similar

àquela da nevirapina. O átomo de boro apresenta uma carga bastante positiva (0,921036)

bem como os átomos de hidrogênio ligados a ele (0,436305 e 0,459974). Os átomos de

oxigênio do mesmo grupo apresentam uma carga muito negativa (-0,781863 e -

0,830661). O mapa do potencial eletrostático e o mapa de distribuição dos orbitais HOMO

e LUMO são dados abaixo:

Ilustração 135 Comparação entre os mapas potenciais dos potenciais eletrostáticos do

análogo.2 (à esquerda) e da nevirapina (à direita).

Ilustração 136 Comparação entre os orbitais HOMO do análogo.2 (à esquerda) e da

nevirapina (à direita).

Ilustração 137 Comparação entre os orbitais LUMO do análogo.2 (à esquerda) e da

nevirapina (à direita).

Base Energia do Orbital (e.V)

Nevirapina Modificada Nevirapina

HOMO LUMO

∆Ε

HOMO LUMO

∆Ε

STO-3G*

-0,235 0,207 0,442 -0,243 0,203 0,446

6-31G*

-0,307 0,101 0,408 -0,312 0,098 0,410

Tabela 39 Valores de Energia dos Orbitais de Fronteira HOMO e LUMO e da diferença de

energia entre estes orbitaias para a nevirapina modifoicada e a convencional

Os valores de energia dos orbitais de fronteira da molécula do análogo 2 da

nevirapina são similares aos da nevirapina convencional. Há uma variação relevante de

acordo com a base utilizada.

A simulação ab-initio do análogo borilado da nevirapina revelou que este segue a

mesma orientação preferencial das moléculas pequenas de ácido borônico simuladas em

relação ao anel indólico do triptofano 229, isto é, o análogo também tende a orientar-se

perpendicularmente ao anel aromático.

Ilustração 138 Resultado da otimização em nível HF/6-31G* do análogo borilado e do indol.

A formação desta ligação de hidrogênio não-convencional depende da presença na

forma molecular, isto é, não ionizada, do análogo borilado da nevirapina. Este, por sua

vez, depende dos valores de pKa do ácido e de pH do meio. Como não dispomos da

substância para efetuar a medição de pKa, não podemos calcular este valor com

exatidão. No entanto, podemos estimar este valor aproximadamente tomando como base

outros ácidos borônicos para os quais temos dados disponíveis na literatura. O valor de

pKa do ácido 3-piridil-borônico é 8,1.

O valor de pH do meio intracelular de linfócitos

humanos é aproximadamente 7,3 (em solução salina fisiológica a 37ºC).

Pela equação

de Henderson-Hasselbalch

temos:

pH = pKa + log [base conjugada]/[ácido]

R-COOH

R-COO

R-B(OH)

+ H

R-B(OH)

Ilustração 139 Comparação entre as formas de ionização de ácidos carboxílicos e ácidos

borônicos em meio aquoso.

Substituindo os valores nesta equação encontramos que a razão [base

conjugada]/[ácido] é igual a

≅ 0,20417, ou seja, para estas condições, cerca de 79,5% da

quantidade molar total do ácido borônico estarão na forma molecular capaz de formar a

ligação de hidrogênio calculada. Naturalmente, esta é apenas uma estimativa baseada

em análogos, logo este resultado é apenas qualitativo, mas demonstra claramente a

importância da contribuição da energia desta ligação de hidrogênio não convencional na

energia total de interação entre o fármaco e a proteína.

A distribuição de carga sobre os átomos demonstra um aumento na densidade de

carga positiva na região da molécula que interage com o Trp229 (figura abaixo):

Ilustração 140 Mapa do potencial eletrostático da geometria otimizada do análogo e da cadeia

lateral do triptofano 229. A cor azul indica a densidade de carga positiva e a cor vermelha

indica a densidade de carga negativa.

A energia de interação calculada pela fórmula E

int

- (ENVP

opt

+ EIND

opt

), onde

é a energia final da otimização do par molecular descrito acima, ENVP

opt

é a energia da

nevirapina modificada otimizada e EIND

opt

é a energia do indol otimizado, é dada abaixo:

Base Energia de Interação (Kcal/mol)

Nevirapina Modificada Nevirapina Convencional

Fase Gasosa Água Fase Gasosa Água

STO-3G*

-2,715550 1,432917 não converge não converge

6-31G*

-6,652484 6,423632 -1,937496 6,413455

Tabela 40 Valores de energia de interação da ligação de hidrogênio não convencional

Os valores da tabela 1.9.1 demonstram que a ligação de hidrogênio não é

favorável em sistema aquoso. Esse resultado é bem razoável tendo em vista que água,

por ser um solvente polar, também tende a formar ligações de hidrogênio com este

composto o que deve desfavorecer essa ligação em um sistema aquoso puro. É

importante, entretanto, lembrar que, complexado na proteína, este composto estará em

contato com um número limitado de moléculas de água o que altera significativamente

este valor e que este cálculo de correção do efeito do solvente possui severas limitações.

Existe também a interação da forma ionizada deste ácido com o resíduo Trp229.

Neste caso, a interação mais favorecida não é a ligação não convencional, mas a

interação eletrostática com o nitrogênio indólico.

Ilustração 141. Geometria otimizada do ânion boronato do análogo da nevirapina e do indol

Evidentemente, o Trp229 presente na TR não possui grau de liberdade suficiente

que permitam este movimento observado na otimização de geometria livre da proteína,

entretanto, este resultado revela o favorecimento da interação do resíduo aminoácido com

o análogo na forma iônica o que corrobora o indício de atividade deste composto.

Ilustração 142. Mapa do potencial eletrostático potencial da geometria otimizada da forma

aniônica do análogo borilado e do Trp229.

O mapa do potencial eletrostático potencial revela a densidade de cargas

negativas sobre os átomos de oxigênio (em vermelho) na região de interação e

positiva sobre os átomos de hidrogênio (em verde). Não calculamos para este caso os

valores de energia de interação devido ao fato de que este movimento efetuado pelo

Trp 229 na otimização de geometria é obviamente inviável no núcleo protéico o que

acarretaria, portanto, um resultado distante do valor real. Consideramos, entretanto,

este resultado, um forte indicativo da atividade desta molécula.

2.8.5 O Análogo dihaleto de Boro

Investigamos também a substituição do hidrogênio vicinal a metila pelo grupo

difluoreto de boro (BF

). Ao contrário do ácido borônico, o BF

não possui átomos

hidrogênio. O caráter ácido deste substituinte deve-se, basicamente, ao orbital “p” vazio

do átomo de boro que confere a esta espécie química a capacidade de atuar como ácido

de Lewis.

Ilustração 143 Comparação entre o mapa do potencial eletrostático da nevirapina

convencional e da modificada com BF

Ilustração 144 Comparação entre os orbitais HOMO da nevirapina convencional e da

modificada com BF

Ilustração 145 Comparação entre os orbitais LUMO da nevirapina convecional e da modificada

com BF

Como se pode observar na figura acima, o orbital LUMO da molécula NVPBF2

(análogo difluoreto de boro da nevirapina) concentra-se sobre o anel piridínico metilado e

o grupo borilado. O mapa do potencial eletrostático a densidade de carga negativa sobre

o grupo difloureto de boro.

Ilustração 146 Numeração dos átomos do análogo difluorborilado da nevirapina

Número Átomo Carga Número Átomo carga

1 N -0,537576 19 H 0,098341

2 C 0,249920 20 H 0,114369

3 C 0,748418 21 H 0,104473

4 C 0,807975 22 C -0,710833

5 C -0,219333 23 C -0,242661

6 C -0,267686 24 O -0,654097

7 N -0,740598 25 C -0,451262

8 C -0,182521 26 H 0,082128

9 C -0,512233 27 H 0,363111

10 N -0,700188 28 H 0,110077

11 H 0,044925 29 H 0,045175

12 C 0,451116 30 B 0,967571

13 C 0,381795 31 H 0,120902

14 N -0,638994 32 H 0,070074

15 C 0,875569 33 H 0,048500

16 C 0,210097 34 H 0,163088

17 C 0,429671 35 F -0,389060

18 H 0,094760 36 F -0,335011

Tabela 41 Cálculo das cargas atômicas da molécula de nevirapina modificada obtido pelo

método ChelpG.

Os resultados demonstram uma elevada carga positiva sobre o átomo de boro e

carga negativa sobre os átomos de flúor da molécula. Ao contrário dos outros análogos,

neste caso a carga sobre o átomo de carbono ligado ao boro (-0,710833, o átomo, nº 22)

supera a carga do átomo de oxigênio (-0,654097

A avaliação da interação deste análogo com o indol revela características bem

distintas do análogo com o grupo –B(OH)

. Ao contrário do análogo borilado, a otimização

do análogo substituído com difluoreto de boro leva a uma aproximação diferente entre as

estruturas. A molécula da nevirapina modificada orienta-se preferencialmente pela

aproximação entre o grupo substituinte e o nitrogênio do indol.

Ilustração 147 Geometria otimizada do análogo modificado da nevirapina e do indol. A

otimização foi realizada com cálculo HF/6-31G*.

Este comportamento diferenciado desta molécula (o análogo difluorborado da

nevirapina) em relação ao análogo com o grupo –B(OH)

pode ser melhor compreendido

quando analisado a disposição de seu orbital LUMO. Como demonstrado na ilustração27,

o análogo difluorborado apresenta o orbital LUMO bem concentrado no grupo borilado.

Logo, esta região pode ser eletrofílica favorecendo a interação com a nuvem eletrônica

sobre o nitrogênio do indol. Este resultado, entretanto, demonstra apenas uma tendência

no comportamento deste análogo, já que as limitações estéricas da cavidade ligante não

permitem esta liberdade de movimento. Contudo, isto indica a forte tendência do grupo

em interagir com este a região com maior densidade de carga negativa na cavidade

hidrofóbica. O mapa do potencial eletrostático das duas moléculas é dado abaixo:

Ilustração 148 Mapa do potencial eletrostático do análogo difluoreto de boro e do indol.

Este resultado comparado ao obtido com os ácidos borônicos demonstra o caráter

eletrofílico fílico dos composto de boro. Entretanto, é improvável que esta molécula possa

ter aplicação farmacológica, pois os compostos contendo o grupo difluoreto de boro

apresentam, em geral, toxicidade demasiadamente elevada tornando o seu uso inviável.

2.8.6 O Aminoácido Tyr318

2.8.6.1 Resultados

Átomo Carga Átomo Carga

-0,524014

20N

-0,719911

0,252947

21H

0,040238

-0,222131

22H

0,094425

-0,266239

23H

0,095528

-0,647833

24H

0,110822

0,342784

25H

0,102369

-0,518763

26H

0,065666

0,306922

27H

0,062696

-0,160393

28H

0,061816

10C

0,633879

29H

0,053451

11C

-0,101673

30H

0,367894

12N

-0,665476

31H

0,117354

13C

0,902458

32H

0,065318

14O

-0,660464

33B

0,873188

15C

-0,550342

34O

-0,793346

16C

0,832696

35H

0,448770

17C

0,208183

36O

-0,815128

18C

-0,464680

37H

0,458697

19C

0,423129

38H

0,189162

Tabela 42 Valores de Carga Atômica para o análogo.1 calculados pelo método ChelpG

Neste análogo, as cargas são similares às do outro análogo. O átomo de boro

apresenta uma carga levemente menor do que análogo substituído no anel metilado.

otimização do par de moléculas formado pelo análogo contendo o grupo –B(OH)

nevirapina e pelo fenol, revela uma tendência à aproximação entre o átomo de oxigênio

fenólico e os átomos de hidrogênio do grupo –B(OH)

Ilustração 149 Geometria inicial e final da otimização do par fenol/análogo ácido borônico

realizado com cálculo ab-initio pelo método Hartree-Fock em nível 6-31G*.

Este resultado, no entanto, demonstra somente a tendência de atração entre as

duas espécies químicas. Estudos experimentais demonstram que ácidos borônicos são

capazes de formar uma ligação covalente com grupos hidroxila, tendo o átomo de boro

numa conformação aproximadamente tetraédrica.

É possível, portanto, que o par de

moléculas em estudo forme um aduto covalente negativamente carregado como os

resultados experimentais descrevem em sistemas similares. Para avaliar a viabilidade de

ocorrência do processo de formação do complexo, realizamos a otimização do aduto

covalente proposto.

Ilustração 150 Geometria otimizada do aduto covalente proposto

A otimização foi realizada considerando-se uma carga negativa sobre a molécula

(UHF/6-31G*) tomando como padrão dados experimentais disponíveis sobre estruturas

similares.

O resultado da otimização revelou que os grupos ligados ao átomo de boro

orientam-se em uma geometria aproximadamente tetraédrica (os valores de ângulo entre

as ligações dos átomos oxigênio−boro−oxigênio varia de 109º a 112º e entre as ligações

oxigênio−boro−carbono varia de 103º a 112º).

Não encontramos na literatura nenhuma referência a um aduto covalente de um

ácido aril-borônico e compostos fenólicos. Para avaliarmos a viabilidade de formação

deste aduto, realizamos a otimização de geometria de um análogo cuja reação já é

descrita na literatura. Otimizamos a estrutura de um análogo da nevirapina contendo o

grupo –B(OH)

com uma estrutura serina (reação já descrita experimentalmente) e de

ácidos aril-borônico (fenol e piridina) que possui uma similaridade química com a reação

em discussão.

Ilustração 151 Aduto resultante do ácido fenil-borônico com a serina

Ilustração 152 Aduto resultante do ácido fenil-borônico com uma molécula de fenol

Ilustração 153. Aduto resultante do ácido piridil borônico com uma molécula de fenol

Aduto Energia de Formação (kcal/mol)

AM1 PM3

SerOH/PhB(OH)

-229.1719433 -239.5477860

PhOH/PhB(OH)

-207,4019012 -209,6090851

PhOH/PyB(OH)

-201,7231293 -208,5822211

PhOH/NVPB(OH)

-116.5880959 -190,5916748

Tabela 43 Valores de Energia de formação calculados pelos métodos semi-empirícos AM1 e

PM3

SerOH/PhB(OH)

= aduto resultante da serina com o ácido fenil-borônico

PhOH/PhB(OH)

= aduto resultante do fenol com o ácido fenil-borônico

PhOH/PyB(OH)

= aduto resultante do fenol com o ácido piridil-borônico

PhOH/NVPB(OH)

=aduto resultante do fenol com o análogo borilado da nevirapina

Os valores da Tabela 11 demonstram que o calor de formação do aduto formado

pelo análogo 1 e pelo fenol está dentro de uma faixa comparável à dos outros adutos

sugerindo uma possível viabilidade de formação deste aduto.

Ilustração 154 Superfície potencial do aduto covalente resultante da tirosina com a nevirapina

modificada demonstrando a densidade de carga negativa sobre os átomos de boro e oxigênio.

Ilustração 155 À esquerda, orbital HOMO do aduto covalente resultante da ligação com o

fenol e, à direita, orbital LUMO.

Energia dos Orbitais de Fronteira (em e.V)

BASE HOMO LUMO

∆E

STO-3G*

-0,073 0,315 0,388

6-31G*

-0,168 0,198 0,366

Tabela 44 Valores de Energia dos Orbitais de Fronteira

O mapa do potencial eletrostático potencial revela uma presença preferencial da

carga negativa nos átomos de oxigênio do aduto aniônico formado. O mapa dos orbitais

moleculares revela o orbital HOMO preferencialmente sobre o resíduo tirosina 318. A

distribuição de cargas nos átomos (Tabela 13) demonstra que o átomo de boro mantém

uma carga significativamente positiva também na espécie química aniônica.

Ilustração 156 Numeração dos átomos do aduto formado pelo resíduo tirosina com o análogo

borilado da nevirapina

Número Átomo Carga Número Átomo Carga

1 N

-0,549868

26 H

0,055565

2 C

0,296519

27 H

0,178590

3 C

-0,320882

28 H

0,049716

4 C

-0,201727

29 H

0,051188

5 N

-0,661547

30 H

0,061270

6 C

0,322989

31 H

0,356939

7 C

-0,537559

32 H

0,094725

8 C

0,330597

33 B

1,126839

9 C

-0,165390

34 H

0,051925

10 C

0,714562

35 O

-0,893073

11 C

-0,158010

36 O

-0,941939

12 N

-0,667660

37 H

0,367988

13 C

0,898617

38 H

0,422513

14 O

-0,672037

39 C

-0,298228

15 C

-0,479838

40 C

-0,002919

16 C

0,740216

41 C

0,018132

17 C

0,093544

42 C

-0,420363

18 C

-0,353366

43 C

-0,458525

19 C

0,416097

44 C

0,764177

20 N

-0,752848

45 O

-0,876550

21 H

0,027352

46 H

0,074386

22 H

0,106117

47 H

0,071008

23 H

0,102750

48 H

0,160817

24 H

0,085948

49 H

0,177829

25 H

0,089679

50 H

0,177829

Tabela 45 Valores de carga atômica do aduto covalente da nevirapina modificada com o fenol.

Tal como nos exemplos anteriores, o átomo de boro possui uma elevada carga

positiva e os átomos de oxigênio ligantes possuem uma elevada carga negativa. Os

resultados, em conjunto, sugerem que há a possibilidade de este análogo borilado da

nevirapina apresentarem a capacidade de inibir a TR através da formação de um

complexo estável INNTR+TR.

3. ADN e ARN Quimicamente Modificados

A compreensão do mecanismo de interação das bases do ADN e do ARN é de

fundamental importância para a compreensão de atividade destes compostos, que estão

envolvidos em uma série de processos de importância tanto biológica (como

carcinogênese, doenças hereditárias, transcrição, tradução, etc.) quanto tecnológica

(como possível nanomaterial). Há abundante descrição na literatura sobre bases

quimicamente modificadas do ADN.

63,64,65

Ácidos nucléicos boro-modificados, entretanto,

têm poucas citações e foram pouco investigados quanto ao seu comportamento químico.

Abaixo, demonstramos alguns estudos ab-initio de modificações químicas, com a

substituição de átomos dos ácidos nucléicos convencionais por átomos de boro. Nosso

principal objetivo com este estudo é a obtenção de informações sobre adutos covalentes

de pares de bases do ADN que possam ser utilizados como nanomaterial.

3.1. Metodologia

Foram realizadas otimizações de geometria com o método Restricted Hartree-

Fock, em nível 6-31G*, de pares Watson-Crick convencionais e quimicamente

modificados. O mapa do potencial eletrostático e a distribuição de orbitais são

apresentados de maneira comparativa entre o análogo e o par Watson-Crick. Os valores

de cargas sobre os átomos foram obtidos pelo método ChelpG a partir da geometria

otimizada. O volume de van der Waals das moléculas também é demonstrado para a

visualização dos efeitos espaciais das alterações.

3.2. Resultados e Discussão

Os resultados são discutidos logo após sua apresentação.

3.2.1 Adenina Timina - Modificada

Os resultados da otimização do par Adenina - Timina modificada com o grupo

difluoreto de boro são dados abaixo:

Ilustração 157 Geometria de partida e geometria otimizada do par timina-modificada e

adenina

Átomos Distâncias inter-atômicas (em angstrons)

Geometria de partida Geometria Otimizada

H1 – N2 1,52032 0,66517

N2 – C3 1,36998 1,37213

C3 – H4 1,07969 1,07039

C3 – N5 1,30006 1,28025

N5 – C6 1,39481 1,37867

C6 – C7 1,39999 1,40559

C7 – N8 1,33930 1,31604

N8 – H9 1,01000 0,99536

N8 – N10 1,01031 1,00440

C7 – N11 1,34007 1,35179

N11 – C12 1,32996 1,35895

C12 – H13 1,07930 1,06703

C12 – N14 1,32235 1,29196

N14 – C15 1,34994 1,33884

C15 – C6 1,36313 1,36822

C15 – N2 1,36415 1,35445

H16 – N17 1,53032 0,99468

N17 – C18 1,37007 1,37151

C18 – H19 1,08009 1,07349

C18 – C20 1,34031 1,32682

C20 – C21 1,50045 1,50226

C21 – H22 1,09050 1,08463

C21 – H23 1,08986 1,08416

C21 – H24 1,08927 1,08363

C20 – C25 1,43934 1,47338

C25 – O26 1,22963 1,20457

C25 – N27 1,48283 1,39108

N27 – B28 1,09066 1,57712

B28 – F31 1,13961 1,35720

B28 – F32 1,13971 1,35884

N27 – C29 1,36908 1,37848

C29 – O30 1,21983 1,20030

C29 – N17 1,37992 1,36972

B28 – N11 3,02396 1,62947

O26 H10 3,06508 1,98855

O30 H13 4,54006 2,65153

Tabela 46 Valores de Comprimentos de Ligação na Geometria de Partida e Geometria

Otimizada do Aduto

A distância entre os átomos de boro e nitrogênio na geometria de partida que

resultou nesta configuração é de 3,02Å. Entre estes átomos se forma uma ligação de

1,63Å de comprimento. A maioria das ligações químicas do aduto formado sofre pequena

variação. A distância final entre o átomo de oxigênio nº 26 e o átomo de hidrogênio nº 10

e a distância entre o átomo de oxigênio nº 30 e o átomo de hidrogênio nº 13 indica a

formação de uma ligação de hidrogênio. A formação da ligação covalente acarretou uma

distorção na conformação do par. Esse efeito pode ser claramente observado quando

acrescentados os volumes de van der Waals dos átomos.(figura abaixo).

Ilustração 158 Par covalente com os volumes de van der Waals dos átomos considerados. A

distorção causada pelo volume dos átomos pode ser observada nitidamente.

Entalpia de Formação em kcal/mol

Método AM1 PM3

-113.2879228 -205,9684838

Tabela 47 Valores de Entalpia de Formação do aduto adenina timina-modificada calculados

pelo método AM1 e PM3.

Os valores de energia de formação sugerem que o par covalente deva ter relativa

estabilidade.

Ilustração 159 Numeração dos átomos do aduto Timina-Modificada Adenina

Átom

Carga

A-T

Carga do

aduto

Início

Carga do

aduto

Final

Nº Carga

A-T

Carga do

aduto

(inicial)

Carga

Final

1 H 0,393827 0,378852 0,406393 17 N -0,602176 -0,696084 -0,577160

2 N -0,592163 -0,628067 -0,601184 18 C 0,057519 0,206518 0,025039

3 C 0,362517 0,419565 0,388561 19 H 0,172663 0,154507 0,175274

4 H 0,093262 0,075415 0,096890 20 C -0,217412 -0,270163 -0,180453

5 N -0,591725 -0,624001 -0,593229 21 C -0,171921 -0,091150 -0,185328

6 C -0,037923 -0,033132 -0,048585 22 H 0,055280 0,029381 0,052984

7 C 0,723978 0,739261 0,725643 23 H 0,075298 0,074589 0,088400

8 N

-0,941240 -0,964616 -0,900738

24 H 0,075262 0,037354 0,067344

9 H 0,414082 0,413657 0,428522 25 C 0,884986 0,697608 0,776840

10 H 0,456699 0,463200 0,463447 26 O -0,657641 -0,540545 -0,615491

11 N -0,724994 -0,745121 -0,666090 27 N -0,704548 -0,505217 -0,618107

12 C 0,537209 0,555679 0,583160 28 B 0,331339

(H)

0,917681 0,896996

13 H 0,091822 0,073326 0,134020 29 C 0,936242 0,896943 0,878666

14 N -0,775431 -0,801413 -0,766442 30 O -0,663518

-0,633689

15 C 0,648699 0,674739 0,677954 31 F -

-0,338928 -0,395099

16 H 0,370010 0,393513 0,362601 32 F -

-0,329664 -0,412295

-0,668534

Tabela 48 Valores de cargas atômicas do par Adenina-Timina calculados pelo método ChelpG

antes e depois da modificação.

A densidade de carga negativa sobre o nitrogênio da adenina diretamente

envolvido na ligação com o boro, sofre uma diminuição de -0,724994 (no par adenina-

timina convencional) para -0.666901, causada pelo deslocamento de densidade eletrônica

para o átomo de boro. A elevada carga positiva sobre o átomo de boro demonstra o

caráter retirador de elétrons por efeito indutivo dos átomos de flúor. Com exceção destes

grupos, os átomos permanecem todos com uma carga relativamente similar tanto no par

convencional como no covalente, sendo que no par covalente estas densidades de

cargas são levemente mais positivas. Contudo, a diferença entre as cargas da adenina e

da timina modificada sofre uma variação significativa com a formação da ligação boro-

nitrogênio, demonstrando uma redistribuição nas cargas dos átomos. Os átomos de flúor,

por exemplo, sofrem uma elevação nos valores de carga negativa enquanto o átomo de

nitrogênio nº8 sofre uma redução da mesma. O átomo de oxigênio nº 26 sofre um

aumento na carga negativa indicando um aumento na interação com o átomo de

hidrogênio nº10. A superfície potencial e o mapa de orbitais HOMO e LUMO do par

adenina timina-modificada também revela características importantes do aduto formado.

(abaixo)

Ilustração 160 Fórmula estrutural do par Watson-Crick Timina Adenina e do par Modificado.

Ilustração 161. Mapa potencial do par Watson-crick e do par modificado.

Ilustração 162 Orbital HOMO do par Watson-Crick e do par modificado.

Ilustração 163 Orbital LUMO do par Watson-Crick e do par modificado

HOMO (e.V) LUMO (e.V.)

∆E (e.V.)

Adenina-Timina

-0,302 0,115 0,417

Adenina-Timina Modificada

-0,332 0,120 0,452

Tabela 49 Valores de Energia do Orbital de Fronteira HOMO e LUMO e a diferença de energia

entre eles

Observe que o aduto formado concentra o orbital HOMO sobre a base adenina.

Essa característica também é observada no par adenina-timina convencional. O mapa do

potencial eletrostático demonstra um aumento na densidade de carga negativa sobre o

conjunto como um todo no par covalente quando comparado ao par convencional.

3.2.2. Adenina Uracila-Modificada

Assim com a timina, a uracila (presente no ARN) também pode sofrer a mesma

modificação com o boro. Neste caso também, observa-se a distorção da geometria com a

formação da ligação covalente

Ilustração 164 Volume de van der Waals do aduto

Ilustração 165 Fórmulas estruturais do par Watson-Crick Uracila Adenina e do par modificado

Átomos Distâncias inter-atômicas (em angstrons)

Geometria de partida Geometria Otimizada

N1 – C2 1,36947 1,36666

C2 – H3 1,07957 1,07296

C2 – C4 1,33978 1,32617

C4 – H5 1,08941 1,07022

C4 – C6 1,44008 1,46410

C6 – O7 1,22977 1,20334

C6 – N8 1,48222 1,48222

N8 – B9 1,09038 1,57730

B9 – 13F 1,13919 1,35665

B9 – 14F 1,13987 1,35905

N8 – C10 1,37939 1,37780

C10 – O11 1,22038 1,19926

C10 – N1 1,37060 1,34522

N1 – H12 1,01016 1,99485

N15 – C16 1,36996 1,37215

C16 – H17 1,08026 1,07038

C16 – N18 1,29908 1,28025

N18 – C19 1,39354 1,37860

C19 – C20 1,39939 1,40572

C20 – N21 1,34049 1,31571

N21 – H22 1,00969 0,99539

N21 – H23 1,00965 1,00466

C20 – N24 1,34027 1,35201

N24 – C25 1,32975 1,35897

C25 – H26 1,08018 1,06707

C25 – N27 1,32248 1,29188

N27 – C28 1,34949 1,33854

C28 – C19 1,36332 1,36820

C28 – N15 1,36584 1,35440

N15 – H29 1,04812 0,99513

B9 – N24

3,99363 1,62957

O7 H23 4,02790 1,98379

O11 H26 5,51829 2,65910

Tabela 50 Valores de Comprimento de Ligação para o aduto Adenina Timina-Modificada

A distância inicial entre o átomo de boro e o átomo de nitrogênio nº24 é de cerca

de 4,0 Å. Com a formação da ligação química, a maior parte dos valores de comprimentos

de ligação sofre uma leve diminuição (com algumas exceções, como os valores de

comprimento de ligação

N18 – C19, N18 – C19, etc. que sofrem um pequeno aumento). Os

valores de distância inter-atômica entre os átomos de oxigênio nº e hidrogênio nº23

(2,68Å) e entre os átomos de oxigênio nº11 e hidrogênio nº26 (2,12Å) indicam a

existência de uma ligação de hidrogênio entre estes átomos.

Abaixo, demonstramos os resultados de superfície potencial e orbitais de fronteiras

da espécie química em questão.

Ilustração 166 Comparação entre as superfícies potenciais do par Watson-Crick UA e do par

modificado.

Ilustração 167 Comparação entre os orbitais HOMO do par Watson-Crick e do par modificado

Ilustração 168 Comparação entre os orbitais LUMO do par Watson-Crick e do par modificado

Energia do orbital de Fronteira (e.V.)

HOMO LUMO

∆E

Adenina-Uracila

-0,302 0,115 0,417

Adenina-Uracila modificada

-0,332 0,114 0,446

Tabela 51 Valores de Energia do Orbital HOMO e LUMO e valores de diferença de energia

Novamente, o orbital HOMO localiza-se na adenina tanto no par convencional

quanto no covalente. O orbital LUMO, entretanto, sofre uma variação observável na

comparação entre o par convencional e o modificado. Enquanto no par convencional está

localizado na uracila, no par modificado, este orbital é observado em toda a molécula do

aduto formado. As mudanças mais significativas observadas no mapa do potencial

eletrostático são o aumento da densidade de carga negativa sobre a adenina e a

diminuição da carga negativa sobre o N18 (ver legenda abaixo) da mesma.

Ilustração 169 Numeração dos átomos do par uracila-modificada adenina

Átomo Carga

A-U

Carga do

aduto

Início

Carga do

aduto

Final

Nº Carga

A-U

Carga do

aduto

(inicial)

Carga

Final

1N -0,621254 -0.592918 -0,565814 16C 0,351734 0,348096 0,370023

2C 0,236062 0,237652 0,172637 17H 0,094905 0,094812 0,101620

3H 0,134649 0,142795 0,141801 18N -0,591084 -0,595001 -0,583192

4C -0,598589 -0,572951 -0,537694 19C -0,016404 -0,057006 -0,057093

5H 0,202327 0,198866 0,188937 20C 0,700791 0,847487 0,742751

6C 1,024507 0,778259 0,908912 21N -0,961062 -1,004116 -0,943236

7O -0,713768

-0,557622 -0,668317 22H 0,417991 0,422217 0,438076

8N -0,698220 -0,375978 -0,614659 23H 0,485520 0,467868 0,490107

9H 0,296464 0,780451 0,846841 (

24N -0,698415 -0,855684 -0,652752

10C 0,953780 0,788813 0,872932 25C 0,530339 0,654068 0,582304

11O -0,661570 -0,596739 -0,663230 26H 0,091783 0,048469 0,132662

12H 0,366364 0,377123 0,353550 27N -0,771785 -0,804031 -0,766090

13F



-0,306455 -0,381337 28C 0,632157 0,600455 0,672725

14F



-0,303714 -0,399715 29H 0,389871 0,377583 0,402240

15N -0,577093 -0,542798 -0,584993

Tabela 52 Valores de carga atômica calculada pelo método ChelpG do par adenina uracila

antes e depois da modificação.

Há uma diminuição importante (de -0,713768 para -0,668865) na carga do átomo

de oxigênio número 7 da uracila acompanhada por um aumento (de 0,485520 para

0,493473) no átomo de hidrogênio número 23 da adenina que contribui para um

enfraquecimento da ligação de hidrogênio já que a diferença entre as cargas do dois

átomos é diminuída (de 0,228248 para 0,175603). Esses dois átomos formam uma

ligação de hidrogênio que é considerada fundamental para o reconhecimento do par

Watson-Crick. O enfraquecimento desta ligação ocorre pelo deslocamento de densidade

eletrônica do átomo de oxigênio para o grupo borilado.

3.2.3 Citosina Guanina-Modificada

Até agora estamos estudando apenas modificações nas bases pirimidínicas do

ADN. As substituições foram realizadas nas bases pirimidínicas porque nestas se

encontram os átomos de hidrogênio mais próximos do nitrogênio nucleofílico das bases

purínicas. Entretanto, no par citosina-guanina, o átomo de hidrogênio envolvidos nas

ligações hidrogênio mais próximo ao nitrogênio nucleofílico encontra-se na guanina, uma

base purínica das bases purínicas. Isso nos permitiu avaliar o comportamento da

substituição por boro em uma base purínica e observar se há reprodutibilidade dos

resultados anteriores, obtidos nas bases pirimidínicas. Esta comparação é importante

porque as bases pirimidínicas possuem estruturas eletrônicas distintas das bases

purínicas. Demonstramos abaixo o resultado do estudo:

Ilustração 170 Fórmulas estruturais do par Watson Crick citosina guanina e do par modificado

Átomos Distâncias Inter-atômicas (em angstrons)

Geometria de Partida Geometria Otimizada

N1 – C2 1,35943 1,34900

C2 – H3 1,08040 1,07265

C2 – C4 1,36073 1,33355

C4 – H5 1,09002 1,07048

C4 – C6 1,43024 1,44254

C6 – N7 1,32038 1,31088

N7 – H8 1,00930 0,99370

N7 – H9 1,01042 0,99844

C6 – N10 1,34947 1,33930

N10 – C11 1,35971 1,38558

C11 – O12 1,23948 1,19117

C11 – N1 1,38858 1,38341

N1 – H13 1,00982 0,99623

N14 – C15 1,38046 1,37762

C15 – N17 1,31006 1,27648

C15 – H16 1,07917 1,07086

N17 – C18 1,39014 1,38388

C18 – C19 1,41995 1,42485

C19 – O20 1,22995 1,20898

C19 – N21 1,39979 1,41626

N21 – B22 1,00024 1,55982

B22 – F30 1,14035 1,36817

B22 – F31 1,13958 1,36444

N21 – C23 1,38105 1,37576

C23 – N24 1,33928 1,34837

N24 – H26 1,00994 0,99405

N24 – H25 1,01012 0,99144

C23 – N27 1,33021 1,30559

N27 – C28 1,35998 1,33882

C28 – C18 1,37031 1,36378

C28 – N14 1,37331 1,35484

N14 – H29 1,00999 0,99376

N10 – B22 3,98228 1,66417

O12 – H25 3,80414 2,72154

H9 – O20 4,06738 2,33292

Tabela 53 Valores de Comprimento de Ligação na Geometria inicial e otimizada do Aduto

Ilustração 171 Volume de van der Waals do par covalente.

Assim com nos casos anteriores, o comprimento das ligações químicas sofre uma

leve redução no aduto em relação às espécies não ligadas. A distância entre os átomos

de oxigênio nº12 e de hidrogênio nº25 (de 2,72154Å) demonstra o efeito causado pela

distorção que mantem estes átomos a uma significativa distância. Os valores de entalpia

de formação sofrem uma variação elevada com o método utilizado.

Entalpia de Formação em kcal/mol

Método AM1 PM3

-109,8396778 -204,3392048

Tabela 54 Valores de Entalpia para o aduto citosina-guanina

A distorção observada neste caso é superior ao dos casos anteriores devido à

presença de dois grupos amino (um em cada molécula) que torna o impedimento espacial

presente neste par modificado maior do que nos casos anteriores o que causa a distorção

do par com o deslocamento do grupo difluoreto de boro.

Ilustração 172 Comparação entre as superfícies potenciais do par Watson-Crick C-G

convencional e do modificado

Ilustração 173 Comparação entre os orbitais HOMO do par Watson-Crick Citosina-Guanina

convencional e do modificado.

Ilustração 174 Comparação entre os orbitais LUMO do par Watson-Crick Citosina-Guanina

convencional e do modificado.

HOMO LUMO

∆E

Citosina-Guanina

-0,275 0,077 0,352

Citosina-Guanina

Modificada

-0,275 0,106 0,381

Tabela 55 Valores de energia dos orbitais de fronteira HOMO e LUMO e valor da diferença de

energia entre eles

Tal como nos pares de bases estudados anteriormente, o orbital HOMO localiza-se

preferencialmente na base purínica, neste caso a guanina. O orbital LUMO distribui-se

sobre ambas as moléculas. A distribuição de cargas mantém-se relativamente

homogênea sobre o par sem nenhuma variação pronunciada. Neste par, testamos a

modificação na base purínica. A alteração (a base purínica e não a pirimidínica)

demonstra que, também neste caso, a capacidade do análogo modificado em efetivar a

ligação e a formação do par covalente é mantida. Diferente dos pares Adenina-Timina e

Adenina-Uracila, o par citosina-guanina forma três ligações de hidrogênio o que o torna

mais estável do que os outro dois pares Watson-Crick (que formam apenas duas

ligações). A distribuição de cargas revela a densidade de carga negativa sobre os átomos

de boro e flúor.

Ilustração 175 Numeração dos átomos do par Citosina e Guanina Modificada

Átom

Carga

C-G

Carga do

Aduto

(inicial)

Carga do

Aduto

(Final)

Átomo Carga

C-G

Carga do

Aduto

(inicial)

Carga do

Aduto

(Final)

1 N

-0,717341 -0,756794 -0,732254

17 N

-0,546721 -0,548006 -0,546104

2 C

0,331941 0,367028 0,365684

18 C

-0,069559 -0,091040 -0,068344

3 H

0,127013 0,118388 0,132321

19 C

0,839325 0,675015 0,793275

4 C

-0,747162 -0,774238 -0,711376

20 O

-0,690389 -0,537088 -0,690647

5 H

0,223576 0,214058 0,217326

21 N

-0,996353 -0,749131 -0,876194

6 C

1,286593 1,257969 1,192634

22 H

0,516760 1,271855 1,177385

(B)

7 N

-1,286020 -1,293689 -1,157518

23 C

1,168002 0,973046 1,075464

8 H

0,494051 0,495210 0,480800

24 N

-1,222662 -1,107102 -1,070731

9 H

0,595128 0,590114 0,579115

25 H

0,589084 0,582650 0,521191

10 N

-1,062788 -0,992173 -0,868690

26 H

0,469334 0,412968 0,410114

11 C

1,161564 1,135079 1,112787

27 N

-0,846018 -0,792066 -0,824706

12 O

-0,795807 -0,743067 -0,705249

28 C

0,534517 0,542084 0,502263

13 H

0,392449 0,394778 0,402412

29 H

0,372716 0,384815 0,363814

14 N

-0,503737 -0,514291 -0,481264

30 F



-0,455527 -0,473594

15 C

0,288685 0,305721 0,278254

31 F



-0,463483 -0,490081

16 H

0,093816 0,096917 0,091914

 



Tabela 56 Valores de carga sobre os átomos calculados pelo método ChelpG antes e depois

da modificação.

O átomo de nitrogênio que participa da ligação com o boro sofre uma redução no

valor da carga negativa bem como outros átomos de nitrogênio próximos (como os

átomos nº 24 e 27) enquanto os átomos de hidrogênio sofrem um aumento no valor de

carga positiva. Com exceção destas alterações causadas pela formação da ligação boro-

nitrogênio, as outras variações de carga observadas são relativamente pequenas.

4. Ácido Valpróico e Ácido Salicílico

Os resultados acima demonstram um amplo potencial de aplicação farmacológica

para compostos de boro. Fizemos também uma breve investigação do análogo borônico

do ácido valpróico e do ácido salicílico. Os resultados são apresentados a seguir.

4.1 Metodologia

Realizamos um breve estudo comparativo entre as propriedades do ácido valpróico

e do ácido borônico análogo. Foram calculadas propriedades como energia, distribuição

de cargas, mapa do potencial eletrostático por meio de cálculo mecânico quântico ab-

initio utilizando-se o método Hartree-Fock com as funções de base 6-31G*.

4.2 Ácido Valpróico

Investigações recentes já demonstraram a capacidade do ácido 2-propilpentanóico

(conhecido como ácido valpróico) em reduzir a carga viral latente do HIV-1 em pacientes

soropositivos e em inibir crescimento de tumores por meio da indução da morte celular

programada de células tumorais e do estímulo à diferenciação celular.

31,78

Todas estas

características levaram a um interesse crescente na pesquisa deste fármaco. Um dos

objetivos do trabalho foi a avaliação de um análogo borônico deste fármaco.

Ácido 2-propilpentanóico 2-propilpentanoato

(ácido valpróico) (valproato)

Ácido 4-heptil-borônico 4-heptil-boronato

Ilustração 176 Fórmulas estruturais das moléculas do ácido valpróico e do análogo borilado

com seus respectivos íons

De fato, alguns análogos do valproato já têm sido testados com êxito no estímulo a

diferenciação de células cancerosas.

4.3 Resultados

Abaixo demonstramos os valores de cargas atômicas e o mapa do potencial

eletrostático para as moléculas estudadas

20 21

Ilustração 177 Numeração dos átomos do ácido valpróico e do ácido análogo borilado.

Ácido Valpróico Análogo Borilado

Número Átomo Carga Número Átomo Carga

1 C

-0,156329

1 C

-0,089897

2 C

0,022486

2 C

-0,004644

3 C

-0,064783

3 C

-0,034873

4 C

0,753812

4 B

0,839633

5 C

0,253276

5 C

0,225564

6 C

-0,298122

6 C

-0,308519

7 C

0,298556

7 C

0,286936

8 C

-0,284137

8 C

-0,263050

9 H

0,033613

9 H

-0,003904

10 H

0,040577

10 H

0,027014

11 H

0,008097

11 H

-0,040017

12 H

0,008380

12 H

-0,014412

13 H

0,011531

13 H

-0,019899

14 H

-0,024224

14 H

-0,021330

15 H

-0,042470

15 H

-0,038329

16 H

-0,050197

16 H

-0,052363

17 H

-0,082785

17 H

-0,086138

18 O

-0,633558

18 O

-0,832370

19 O

-0,704417

19 O

-0,823019

20 H



20 H

0,455946

21 H

0,464360

21 H

0,449934

22 H

0,071836

22 H

0,070775

23 H

0,068055

23 H

0,063199

24 H

0,057475

24 H

0,059842

25 H

0,061379

25 H

0,054070

26 H

0,056997

26 H

0,048095

27 H

0,062088

27 H

0,051755

Tabela 57 Valores de cargas atômicas para o ácido valpróico e o análogo borilado

De uma maneira geral, a substituição do grupo carboxila pelo grupo di-hidroxi-

borano causa um aumento na densidade de carga positiva sobre a molécula, isto é, as

cargas pontuais sobre os átomos tornam-se mais positivas. Entretanto, o carbono C2

sofre uma diminuição na carga positiva, chegando inclusive a uma inversão de carga, ou

seja, assume uma carga levemente negativa, embora bem pequena. Este resultado

demonstra algumas das propriedades singulares do grupo borilado e precisa ser melhor

investigado. Os átomos de oxigênio bem como muitos dos átomos de hidrogênio sofrem

um aumento na densidade negativa incluindo os átomos de hidrogênio ligados aos

átomos de oxigênio do grupo di-hidroxi-borano.

Ilustração 178 Fórmulas estruturais do ácido valpróico e do análogo borilado (ácido 4-heptil-

borônico).

Ilustração 179 Mapa do potencial eletrostático do ácido valpróico (à esquerda) e do análogo

bocado (à direita). A cor azul indica densidade de carga positiva e a vermelha densidade de

carga negativa

Ilustração 180 Distribuição do orbital HOMO do ácido valpróico e do análogo borilado

Ilustração 181 Distribuição de orbitais LUMO do ácido valpróico e do análogo borilado

O mapa do potencial eletrostático demonstra a elevada densidade de carga

positiva sobre os átomos de hidrogênio do análogo em relação ao ácido valpróico

convencional. A distribuição do orbital HOMO mostra uma significativa mudança, sendo

que, na molécula borilada, este orbital se distribui por toda a molécula. Esta variação

afeta de maneira importante à reatividade química deste composto uma vez que implica

numa interação maior com centros positivos presentes em proteínas. O orbital LUMO

mostra variação no seu mapa sobre o átomo de boro (maior do que no átomo de carbono

na posição correspondente do ácido valpróico) o que também indica uma alteração

importante na forma como esta substância interage, pois favorece a interação com

centros negativos.

Para descrever melhor estes compostos analisamos também as formas iônicas

(isto é, o valproato e o boronato) já que em pH fisiológico é provável que estas

substâncias se apresentem nesta forma.

HO OH

Ilustração 182 Numeração dos átomos do valproato e do análogo borilado

Valproato Boronato

Número Átomo Carga Número Átomo Carga

1 C

0,042664

1 C

-0,062540

2 C

-0,056790

2 C

-0,025656

3 C

-0,072677

3 C

-0,060663

4 C

0,178557

4 C

0,190935

5 C

-0,226672

5 C

-0,186138

6 C

0,242146

6 C

0,269180

7 C

-0,192873

7 C

-0,243050

8 H

0,004299

8 H

0,021824

9 H

-0,034376

9 H

-0,022490

10 H

-0,034145

10 H

-0,083206

11 H

-0,035786

11 H

-0,046585

12 H

0,017331

12 H

0,012034

13 H

-0,046846

13 H

-0,048723

14 H

-0,043932

14 H

-0,057042

15 H

-0,023440

15 H

-0,027548

16 H

-0,079150

16 H

-0,089407

17 O

-0,840886

17 O

-0,965947

18 O

-0,811415

18 O

-0,949838

19 H

0,041668

19 H

0,024604

20 H

0,034179

20 H

0,024847

21 H

0,022864

21 H

0,004835

22 H

0,012513

22 H

0,023820

23 H

0,033648

23 H

0,034994

24 H

0,010410

24 H

0,016285

25 C

0,858710

25 B

0,997983

  

26 O

-0,957179

  

27 H

0,410761

  

28 H

0,400999

Tabela 58 Valores de cargas atômicas para o valproato e para o boronato.

Novamente, de maneira geral, os átomos sofrem um leve aumento na densidade

de carga positiva ou diminuição na carga negativa com algumas exceções (como o átomo

1). Os átomos de oxigênio também sofrem um aumento na carga negativa no análogo

borilado e os átomos de hidrogênio da forma aniônica do composto borilado também

possuem uma carga significativamente positiva o que implica em capacidade de formação

de ligações de hidrogênio.

Ilustração 183 Fórmulas estruturais do valproato (à esquerda) e do análogo borilado (à

direita).

Ilustração 184 Comparação entre o mapa potencial do valproato (à esquerda) e do boronato

(à direita)

Ilustração 185 Comparação entre os orbitais HOMO do valproato e do boronato

Ilustração 186 Comparação entre os orbitais LUMO do valproato e do boronato

Molécula Energia dos orbitais de fronteira

(e.V)

Entalpia de Formação

(kcal/mol)

HOMO LUMO

∆E

PM3

Ácido valpróico

-0,429 0,197 0,626 -124,4328461

Ácido 4-heptil-

borônico

-0,405

0,191

0,596

-195,7517584

Valproato

-0,174 0,346 0,520 -293,8509216

Boronato

-0,178 0,359 0,537 -145,2667999

Tabela 59 Valores de Energia dos Orbitais de Fronteira e de Energia de Formação das

estruturas estudadas

O mapa do potencial eletrostático dos ânions mostra muita similaridade entre estas

duas espécies químicas com uma diferença na distribuição da densidade negativa que,

devido à presença dos átomos de hidrogênio no análogo borilado, gera uma densidade

de carga levemente positiva na extremidade mais negativa da estrutura. O orbital HOMO

apresenta uma visível diferença, tendo uma larga contribuição sobre os átomos de

oxigênio do valproato e uma outra contribuição importante no carbono alfa carboxílico. Já

na molécula do boronato, o orbital HOMO distribui-se entre os átomos de oxigênios sem

ter, entretanto, contribuição importante sobre os átomos de hidrogênio aos quais estes

átomos de oxigênio estão ligados. O orbital LUMO mostra uma grande diferença entre as

duas moléculas. Conquanto na molécula do valproato distribua-se preferencialmente

sobre os átomos de carbono carboxílico e alfa-carboxílico, na molécula do boronato, este

orbital apresenta uma distribuição sobre quase todos os átomos do ânion com uma

importante contribuição sobre os átomos de carbono. O valor de energia do orbital LUMO

é maior no boronato do que no carboxilato. Os valores de energia total e momento de

dipolo são dados abaixo

Molécula Energia total

(Hartree)

Dipolo total

(Debye)

Ácido valpróico

-462,0127435 1,8468

Ácido “borovalpróico”

-449,4942735 2,6789

Valproato

-461,4374141 9,4393

Boronato

-524,9482065 3,7447

Tabela 60 Valores de energia e momento de dipolo obtido a partir das otimizações HF/6-31G*

das espécies químicas estudadas.

4.4 Ácido Salicílico

A aspirina (ácido acetil-salicílico) foi sintetizada por Felix Hoffmann em 1897 e

comercializada pela recém-criada Companhia Bayer

. Atualmente é largamente utilizada

em terapia anti-plaquetária de doenças cardiovasculares

. Alguns estudos recentes,

entretanto, demonstraram o desenvolvimento de resistência à aspirina no tratamento de

alguns pacientes.

81,82

4.5 Resultados

Ilustração 187 Numeração dos átomos do ácido salicílico e do análogo borilado

Ácido Salicílico Análogo Borilado

Número Átomo Carga Número Átomo Carga

1 C

0,037851

1 C

0,019947

2 C

-0,228649

2 C

-0,244186

3 C

-0,353789

3 C

-0,459653

4 C

0,551493

4 C

0,550480

5 C

-0,389974

5 C

-0,385928

6 C

0,029897

6 C

0,044244

7 C

0,893320

7 B

0,892976

8 O

-0,587368

8 O

-0,731245

9 O

-0,705413

9 O

-0,747028

10 O

-0,785607

10 O

-0,735263

11 H

0,113927

11 H

0,085564

12 H

0,129441

12 H

0,126085

13 H

0,147954

13 H

0,141326

14 H

0,116209

14 H

0,102179

15 H

0,517804

15 H

0,452672

16 H

0,512905

16 H

0,480753

 

17 H

0,407078

Tabela 61 Valores de cargas atômicas calculadas para o ácido salicílico e para o análogo

borilado.

A substituição da carboxila pelo grupo di-hidroxi-borano causa um efeito bem

heterogêneo nas cargas atômicas dos átomos de carbono. Os átomos de carbono de 1 a

4 sofrem uma leve redução de carga (aumento na densidade negativa) e o átomo de

carbono número 6 sofre uma significativa elevação também na carga positiva. Os átomos

de hidrogênio também sofrem uma redução no valor de carga positiva. Os átomos de

oxigênio ligados ao átomo de boro seguem a tendência das outras espécies boriladas

estudadas sofrendo um aumento no valor de carga negativa. O átomo de oxigênio da

hidroxila, entretanto, sofre uma redução de carga negativa.

Ilustração 188 Fórmulas estruturais do ácido salicílico (à esquerda) e do análogo borilado

(àcido 2-hidroxi-fenil-borônico, à direita).

Ilustração 189 Comparação entre os mapas dos potenciais eletrostáticos do ácido salicílico e

do análogo borilado.

Ilustração 190 Comparação entre os orbitais HOMO do ácido salicílico e do análogo borilado.

Ilustração 191 Comparação entre os orbitais LUMO do ácido salicílico e do análogo borilado.

O mapa do potencial eletrostático não demonstra nenhuma mudança substancial

quando comparado ao análogo borilado. Há um aumento na densidade de carga positiva

sobre os átomos de hidrogênio das hidroxilas ligadas ao átomo de boro. Isso indica a

formação da ligação de hidrogênio intramolecular que confere a geometria característica

dos átomos de hidrogênio do grupo di-hidroxi-borano. Os orbitais HOMO não sofrem

grande variação também tendo uma leve diminuição sobre um dos átomos de oxigênio

ligado ao boro no análogo borilado em relação ao átomo de oxigênio da carboxila. Os

orbitais LUMO demonstram essencialmente a mesma distribuição em ambas às

moléculas.

Abaixo avaliamos as formas aniônicas correspondentes às espécies químicas

estudadas acima.

12 13

Ilustração 192 Numeração dos átomos do íon salicilato e do análogo boronato (2-hidroxi-

boronato)

Salicilato 2-hidroxi-boronato

Número Átomo Carga Número Átomo Carga

1 C

-0,064613

1 C

-0,009706

2 C

-0,245388

2 C

-0,259486

3 C

-0,172824

3 C

-0,298198

4 C

0,438667

4 C

0,496857

5 C

-0,395742

5 C

-0,404244

6 C

-0,027680

6 C

-0,052094

7 C

0,919660

7 B

1,076776

8 O

-0,843132

8 O

-0,901883

9 O

-0,802200

9 O

-1,002145

10 O

-0,624152

10 O

-0,734809

11 H

0,118380

11 H

0,065523

12 H

0,095151

12 H

0,091729

13 H

0,117653

13 H

0,109748

14 H

0,076373

14 H

0,075013

15 H

0,409848

15 H

0,444296

 

16 H

0,444296

 

17 H

0,435859

 

18 H

0,381313

 

19 O

-0,903443

Tabela 62 Valores das cargas atômicas calculados para o salicilato e o boronato

correspondente.

Novamente, a substituição afeta de maneira heterogênea a distribuição de cargas

sobre os átomos de carbono. Os átomos 1, 2, 3, 5 e 6 têm uma aumento na carga

negativa enquanto o átomo 4 apresenta um aumento na carga positiva. O átomo de boro

apresenta uma carga positiva significativamente maior do que a carga sobre o átomo de

carbono na posição correspondente do ânion salicilato. Os átomos de oxigênio

apresentam um aumento na carga negativa (incluindo o oxigênio fenólico) e o átomo de

oxigênio excedente na molécula do boronato apresenta uma carga comparável à dos

outros átomos de oxigênio presentes. Os átomos de hidrogênio sofrem uma diminuição

na carga positiva, com exceção do hidrogênio fenólico que sofre um aumento nesta

carga. Os átomos de hidrogênio do boronato (ausentes no salicilato) apresentam cargas

tão elevadas quanto à do átomo de hidrogênio fenólico. Tal valor de carga sugere que

esta espécie química poderia formar ligações de hidrogênio mais efetivas com as

proteínas alvo do que o salicilato, tanto pela elevação da carga do hidrogênio fenólico

quanto pela presença de mais átomos de hidrogênio passíveis de participar de tais

interações.

Ilustração 193 Fórmulas estruturais do íon salicilato (à esquerda) e do análogo borilado (à

direita).

Ilustração 194 Comparação entre os mapas do potencial eletrostático do íon salicilato e do

análogo boronato.

Ilustração 195 Comparação entre o orbital HOMO do íon salicilato e do análogo boronato.

Ilustração 196 Comparação entre o orbital LUMO do íon salicilato e do análogo boronato.

Molécula Energia dos orbitais de fronteira

(e.V)

Entalpia de Formação

(kcal/mol)

HOMO LUMO PM3

Ácido Salicílico

-0,340 0,092 -103,8406219

Ácido 2-hidroxi-

boronato

-0,324

0,110

-124,5066528

Salicilato

-0,168 0,274 -176,7219391

Boronato

-0,151 0,302 -277,4490356

Tabela 63 Valores de Energia dos Orbitais de Fronteira e de Energia de Formação

Molécula Energia total (Hartree) Dipolo total (Debye)

Ácido Salicílico

-493,1726171 6,9996

Ácido 2-hidroxi-boronato

-480,6714882 5,1542

Salicilato

-492,5922399 10,8231

Boronato

-556,1187520 6,3905

Tabela 64 Valores de energia e momento de dipolo do salicilato e do análogo borilado.

O mapa do potencial eletrostático revela uma leve diminuição na densidade de

carga negativa sobre toda a molécula, com a substituição da carboxilato pelo grupo di-

hidroxi-borano, e uma densidade positiva sobre os átomos de hidrogênio. O orbital HOMO

sofre pouca variação com a modificação química introduzida. O orbital LUMO, por sua

vez, apresenta uma redução na sua distribuição sobre o grupo ácido (enquanto este

orbital “cobre” o átomo de carbono carboxílico no salicilato, no boronato, não há uma

distribuição tão efetiva no átomo de boro na posição correspondente e, nos átomos de

hidrogênio do boronato também há uma redução na superfície do orbital LUMO).

Observa-se uma diminuição nos valeres de energia do orbital HOMO e um aumento nos

valores de energia do orbital LUMO das espécies boriladas em relação aos

correspondentes compostos carboxílicos. Essas modificações revelam que a reatividade

deste compostos deva sofrer uma modificação importante.

5. Conclusões

O cálculo ab-initio é uma ferramenta importante no estudo de sistemas

moleculares. Embora já seja largamente utilizado para sistemas pequenos (tais como

moléculas diatômicas, anéis aromáticos, etc) sua aplicação em biomoléculas ainda é

relativamente pequena, quando comparada, por exemplo, à técnica de dinâmica

molecular clássica que possui um uso bem mais difundido na pesquisa acadêmica e

industrial. Entretanto, a dinâmica molecular, devido à dependência de parametrização e

desconsideração de importantes efeitos eletrônicos e de interação de orbitais, mostra-se

limitada na avaliação de sistemas moleculares nos quais estes fatores sejam

predominantes no comportamento molecular ou onde um ou mais átomos não possuam

parametrização nos campos de força disponíveis. Uma das limitações mais evidentes dos

métodos de dinâmica molecular, usando campos de forças clássicos, no estudo de

biomoléculas envolve a descrição de comportamentos reativos de moléculas, isto é, de

processos nos quais a quebra e a formação de ligações está presente no mecanismo de

ação bem como nos efeitos de polarização. No presente trabalho, esta limitação fica bem

explícita na avaliação da química do boro. Sendo um elemento pouco estudado nas

pesquisas de química computacional aplicada a biomoléculas, este elemento

praticamente não possui campos de força parametrizados. Entre as dificuldades de

avaliação que encontramos está a reatividade do boro. A capacidade do átomo de boro

de formar adutos covalentes dificulta bastante a predição de comportamento químico de

compostos borilados. Os dados experimentais disponíveis nos permitiram propor a

atividade de compostos borilado sobre biomoléculas. No caso dos análogos de ADN e

ARN, a previsão utilizando o método ab-initio mostrou-se bem adequada, sendo capaz de

reproduzir uma espécie química covalente não descrita na literatura. A modificação do

ADN descrevendo o efeito de formação de adutos covalentes com a substituição de um

átomo de hidrogênio por boro demonstrou um resultado importante cujas implicações

devem ser melhor avaliadas futuramente. Há a possibilidade de o aduto covalente

formado possuir uma banda de condução adequada ao uso na nanotecnologia como

nanocondutores. As alterações no padrão de distribuição e energia do orbital LUMO, por

exemplo, em alguns dos casos estudados, como no caso do par Uracila-Modificada

Adenina, são indicativos de alterações nos padrões de condutividade elétrica destas

espécies químicas.

Os valores relativamente baixos obtidos na energia de interação entre pequenas

moléculas boriladas e nitrogenadas sugere uma interação favorável entre estas. Os

resultados da modificação da nevirapina indicaram a formação de uma ligação de

hidrogênio não convencional com o anel aromático. Esta ligação causa um aumento na

interação fármaco-receptor que possivelmente deve aumentar a resiliência deste fármaco

sobre formas resistentes do VIH-1 uma vez que esta interação envolve, basicamente, o

fármaco modificado e o triptofano 229 que é muito conservado neste vírus. Um fato

importante a ser destacado é que o valor de energia desta ligação de hidrogênio estimado

é maior do que a energia perdida na interação da nevirapina com as formas resistentes

do vírus o que vem a ser mais um indício da possível resiliência do fármaco. Os elevados

valores de carga parcial positiva sobre os átomos de hidrogênio que participam desta

ligação reforçam esta conclusão.

A formação da ligação covalente com o resíduo tirosina 318 indica a possibilidade

de este fármaco inativar, isto é, formar um complexo enzima-inibidor irreversível, nas

condições fisiológicas. A formação de um complexo irreversível é um resultado importante

a ser investigado. Inibidores irreversíveis demandam menor quantidade molar para

manter a eficácia da inibição enzimática. Entretanto este resultado baseia-se apenas nos

resultados teóricos devido à indisponibilidade de dados experimentais. Convém ressaltar

ainda que esta molécula, mesmo que não seja capaz de formar o complexo covalente

com a enzima, demonstra (de acordo com os resultados) uma forte interação com o grupo

hidroxila da tirosina, indicando da mesma maneira, possibilidade de uma forte atividade

inibitória.

Os resultados obtidos com a modificação do ácido valpróico, embora sejam

preliminares, demonstram efeitos importantes causados pela substituição. A alteração na

distribuição e energia do orbital LUMO, por exemplo, é um resultante interessante, pois

sugere que poderia haver uma interação mais pronunciada entre a cadeia carbônica

deste fármaco com a proteína. De maneira similar, a modificação do ácido salicílico

revelou importantes alterações na distribuição dos orbitais que são indicativos de uma

atividade diferenciada. Esses dois compostos, por terem baixo custo e grande atividade,

são bons candidatos a objeto de pesquisa

in vitro e in vivo futuramente.

Por fim, queremos deixar explícito que todos estes resultados são apenas

indicativos da atividade farmacológica das moléculas propostas porque esta atividade

depende de inúmeros outros fatores não avaliados neste trabalho (tais como lipofilicidade,

toxicidade, meia-vida biológica, etc). Embora tenhamos sido criteriosos com a observação

de limitações possíveis na proposição das modificações, é inviável prever

computacionalmente todos os parâmetros importantes no desenvolvimento de um novo

medicamento. São, contundo, resultados importantes que levantam a possibilidade de

aplicação de fármacos contendo átomos de boro em suas estruturas em patologias que

afetam boa parte da população mundial (SIDA, Leucemia, Doenças Cardiovasculares,

etc.) bem como estimulam novas investigações de análogos de outras moléculas

bioativas.

6. Perspectivas Futuras

Os resultados obtidos neste trabalho apontam para uma ampla possibilidade de

investigações futuras. Deixamos algumas sugestões aqui, tais como:

5 Avaliação In Silico da condutividade elétrica do ADN a ARN modificado. Esta avaliação

será importante em caso de uma investigação de uso deste compostos como

nanocondutores.

5 Síntese e avaliação da atividade farmacológica dos análogos borilados. Nossa

sugestão de síntese é:

HO O

HgO,CCl

OHO

HgO,CCl

Ref.83

Ref.84

OPr

1.n-BuLi

2.HCl

Ref.84

OPr

1.n-BuLi

2.HCl

A reação de bromodescarboxilação de Cristol-Firth

, em geral, gera bons

rendimentos assim como a síntese do éster do ácido borônico.

Tentamos algumas rotas de síntese, dos análogos da nevirapina partindo da

própria nevirapina (através da ortometalação,

por exemplo). Não tivemos êxito nestas

tentativas e cremos que a rota mais eficiente para esta síntese seja a seguinte:

NClN

Ref.86

Ref.84

Grozinger e coladores

também apresentam uma rota de síntese para a

bromação do átomo de carbono para a síntese do análogo 1. Acreditamos que outras

moléculas de ácidos carboxílicos com atividade farmacológica já descrita como o

Oseltamivir (um dos poucos antivirais com atividade descrita contra o vírus influenza

mutante H5N1) devam ser estudadas quanto à possibilidade de uso de seus análogos

borilados.

7. BIBLIOGRAFIA

1. DiMasi, J. A.; Hansen, R. W.; Grabowski, H. G.; J. Health Econ. 2003, 22, 151.

Geldenhuys, W. J.; Gaach, K.; Watson, E.; Allen, M.; D. D. C. der Schyf J. V., Drug Discov

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3. Silvermann, R. B.; The Organic Chemistry of Drug Design and Drug Action, Academic Press,

San Diego, 1992.

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Anexo.1

Cálculo de Efeito de Solvente e Cálculo de ∆G.

Os cálculos ab-initio desconsideram os importantes efeitos de solvatação que

ocorrem na interação de quaisquer moléculas em meio de solvente. Existem modelos

para corrigir este problema. Fizemos algumas investigações com o modelo de

isodensidade de contínuo polarizado de Tomasi (IPCM Isodensity Polarized Continuum

Model). Neste modelo, basicamente, a molécula do soluto é tratada como se estivesse

em uma cavidade esférica “mergulhada” no solvente contínuo (na verdade, um “campo

potencial” com propriedades que simulam o solvente). O dipolo molecular induz uma

mudança na polarização do solvente que, por sua vez, leva a uma mudança no dipolo

molecular até que haja a estabilização. No IPCM, a cavidade é definida como uma

superfície de isodensidade obtida iterativamente.

Lamentavelmente, há graves problemas na convergência destes cálculos. Na

verdade, os modelos de solvente disponíveis para o Gaussian98 raramente convergiram

no cálculo de otimização de geometria dos sistemas estudados. Tentamos, como uma

alternativa, calcular o efeito do solvente na energia de interação, calculando em nível 6-

31G*, single point a geometria obtida pela otimização do par isolado. Os resultados,

contudo, mostraram-se insatisfatórios (Tabela abaixo)

Molécula Borilada Molécula Energia de interação(em kcal/mol)

HF/6-31G*(água) HF/6-31G*

(heptano)

Trimetilamina -2,765620 -0,426204

Amônia -10,200786 -7,836314

Pirrol -11,264351 -8,924935

Piridina -0,932541 1,406875

Indol 2,946029 5.285446

cido Bórico [B(OH)

Metil-indol 2,943770 5,283187

Trimetilamina 8,671610 8,671610

Amônia 8,112562 8,112562

Pirrol 11,490255 6,528917

Piridina

 

Indol 16,010327 16,010327

Ácido fenil-borônico

[Ph-B(OH)

]

Metil-indol 15,635265 15,635265

Trimetilamina 2,829250 7,782241

Amônia 4,811049 9,764040

Pirrol 8,379567 13,332558

Piridina 5,611938 10,564930

Indol 8,665209 13,618200

Ácido piridil-borônic

[Py-B(OH)

]

Metil-indol 10,194762

Tabela.2.1.4 Valores de energia de interação dos pares moleculares calculados em água e em

heptano

Os valores de energia de interação com o efeito de solvente em meio aquoso

seguem uma tendência razoável, isto é, dada a elevada polaridade da água, uma

ligação de hidrogênio não convencional deve ser menos favorecida em solvente

aquoso devido à possibilidade de formação de outras ligações de hidrogênio com as

moléculas de água. Entretanto, a manutenção da tendência em solvente orgânico

demonstra a insuficiência do método testado, pois é improvável que uma ligação de

hidrogênio não convencional desfavorecida em água mantenha-se desfavorecida em

um solvente apolar, como o heptano.

O cálculo de variação de energia livre de Gibbs,

∆G, assim como o de efeito do

solvente, é um cálculo que apresentou uma série de problemas de convergência nos

sistemas estudados também. Além destes problemas, a descrição do cálculo de ∆G

pelo Gaussian98 é limitada. Esta descrição baseia-se essencialmente em valores de

entropia de cada átomo, tabelado a partir de dados experimentais, e em uma correção

térmica, isto é, a variação com a temperatura.

Molécula

Borilada

∆G

(fase gasosa)

(Hartree)

∆G (em água)

Trimetilamina -0,0026140 0,00063100

Amônia -0,0054570 -0,00353600

Pirrol -0,0005780 0,00850200

Piridina -0,0001190 0,00622400

Indol 0,0008020 0,01047300

Ácido Bórico

[B(OH)

]

Metil-indol 0,0004930



Trimetilamina 0,0028500 0,00126000

Amônia -0,0008280 -0,00300800

Pirrol 0,0049240 0,00576800

Piridina -0,0005950



Indol 0,0054310



Ácido fenil-

borônico

[Ph-B(OH)

]

Metil-indol 0,0054170



Trimetilamina -0,0027660 0,00343000

Amônia -0,0064550 -0,00110000

Pirrol -0,0006200 0,00807500

Piridina -0,0061070 0,00851000

Indol -0,0000100



Ácido piridil-

borônico

[Py-B(OH)

]

Metil-indol -0,0006743



Tabela 2.1.5 Valores de ∆G das interações entre os pares moleculares

Da mesma maneira que o efeito de solvente, há muitos problemas com

convergência e os resultados não possuem uma boa correlação.

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