DIEDROS CONFORMACIONAIS E SUA APLICAÇÃO NO
ESTUDO DE ESTABILIDADE DE BIOMOLÉCULAS
Anderson Hollerbach Klier 1
George Schayer Sabino 1
Sonaly Cristine Leal 1
Ana Flávia Arantes Pereira 2
Liege Aparecida Mapa 2
Luna Elisabeth Carvalho Ferreira 2
Nathália Martins Moreira 2
Paula Guimarães Chiesa 2
RESUMO: Os diedros, ângulos gerados entre os planos espaciais existentes entre quatro átomos consecutivos ligados por uma ligação simples ou ligação
sigma, podem ser utilizados para previsão da estabilidade conformacional. Tal estimativa é baseada na minimização de energia molecular das conformações
geradas após um giro de 360° graus no diedro requerido, que pode gerar até 360 conformações que auxiliam no entendimento sobre estabilidade de ligações
alternadas e eclipsadas. Ligações estas que estão intimamente relacionadas com a estabilidade de conformeros denominados anti ou antiperiplanar,
anticlinal, sinclinal e gauche ou sinperiplanar. A análise dos diedros foi aplicada a glutationa, biomolécula essencial ao metabolismo de fase II e a seu
conjugado com a N-acetilimidoquinona.
PALAVRAS-CHAVE: diedro, conformação, biomolécula, estabilidade
INTRODUÇÃO
estabilidade (FERREIRA, 2008; RAUPP, 2008; MARQUES, 2010,
Diversas publicações recentes tem ressaltado a importân-
KLIER 2012). As conformações em estruturas orgânicas básicas
cia da análise conformacional na previsão da estabilidade mo-
geradas por carbonos tetraédricos ligados consecutivamente
lecular, e em última instância, a aplicabilidade de softwares na
por ligações covalentes simples podem ser analisadas através
química computacional a fim de facilitar o entendimento desta
do chamado ângulo diedro, conforme figura 1.
PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785 l 199
Analisando a figura 1, pode-se visualizar dois planos ima-
bre a ligação entre os átomos 1 e 2. Assim, os substituintes A e
ginários trigonais denominados ACH2CH2 e BCH2CH2, sendo os
B que estavam espacialmente acima do eixo da ligação 1-2 e
carbonos metilênicos denominados de átomos 1 quando ligado
abaixo do eixo da ligação 1-2, respectivamente, após o giro de
ao substituinte A , e 2 quando ligado ao substituinte B. Denomi-
180° estarão ambos acima do eixo da ligação 1-2. Se aplicarmos
na-se diedro, o ângulo formado entre os dois planos trigonais,
conceitos de representação estrutural em projeção, especifica-
ou seja; se os planos ACH2CH2 e BCH2CH2 tem em comum a
mente a projeção de Newmann, à suposta estrutura elaborada
ligação simples entre os átomos 1 e 2, podemos conservar a
na figura 1, teríamos as projeções possíveis descritas a seguir
posição do plano ACH2CH2 e girar o plano BCH2CH2 de 180° so-
na figura 2.
Observa-se que dentre as conformações apresentadas,
de 60º para cada conformação, pode-se definir num esquema
três apresentam ligações alternadas (uma antiperiplanar e duas
gráfico a localização das geometrias sinperiplanar (SP), sincli-
sinclinais) e outras três apresentam ligações eclipsadas (uma
nal (SC), anticlinal (AC) e antiperiplanar (AP) como esquemati-
sinperiplanar e duas anticlinais. Considerando um giro limítrofe
zado abaixo na figura 3.
A simulação dos diedros pode ser feita com a utilização de softwares específicos que permitam sua análise, como o PcModel
(SILVA,
2006; ANDREI, 2003, BARREIRO, 1997). A simulação se inicia com a construção molecular escolhida, aqui repre-
sentada pelo 1,2-difeniletano, conforme figura 4.
200 | PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785
Estruturalmente o software difere os átomos por cores,
a fim de obtermos os dados de energia conformacional (MMx
permitindo o reconhecimento estrutural da molécula com seus
Energy), entalpia de formação (Hf) e momento dipolar (Dip.
respectivos grupos funcionais, quando for o caso. Construída
Moment), como pode ser observado na figura 5.
a estrutura molecular, a mesma é minimizada energeticamente
Observa-se valores simulados de 19,318 Kcal/mol para a
gia molecular, faz-se a marcação do diedro com a escolha dos
energia conformacional, 32,02 Kcal/mol para a entalpia de forma-
quatro átomos consecutivos a serem analisados, definindo-se o
ção e um momento dipolar de 0,053 Debies. Otimizada a ener-
ângulo inicial de giro (start angle), o ângulo final de giro (final an-
PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785 l 201
gle) e o passo angular (step) que definirá os pontos específicos
se definirmos como ângulo inicial 1, ângulo final 360 e passo
dentro do giro total requerido onde será feita uma simulação de
angular 20, teremos 18 simulações finais otimizadas a cada 20°
energia para análise conformacional (figura 6). Exemplificando:
girados a partir do ângulo inicial até o ângulo final.
Definidos os parâmetros para análise do diedro, é possível
pode-se avaliar, por exemplo, que a conformação mais estável
obter uma correlação gráfica entre a energia de cada uma das
para o 1,2-difeniletano, será a conformação com energia de
conformações geradas e o ângulo efetivo de giro. As confor-
18,15 Kcal/mol e um ângulo de giro de 181°, angulo esse que
mações mais estáveis serão as de menor energia e as menos
se enquadra no intervalo compreendido entre 150º e 210°, o que
estáveis as de maior energia. Aplicando-se as definições de ge-
permite defini-la como antiperiplanar (AP), conforme figura 7.
ometria ao gráfico obtido com as conformações especificadas,
202 | PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785
A partir do gráfico obtido é possível analisar individualmente
cada uma das conformações geradas, acessando a denomina-
ção do arquivo salvo, que fornece a lista de estruturas com todos os dados de cada uma das conformações, figura 8.
Acessando-se cada uma das conformações da lista de
distância entre dois dos carbonos aromáticos de ciclos distin-
estruturas pertinente, pode-se ainda calcular a distância entre
tos foi estimada em 6,786 Aº e o ângulo gerado por três dos
dois átomos quaisquer ou o ângulo gerado por três átomos
carbonos aromáticos benzênicos, estimada em 120°.
consecutivos, o que pode ser observado na figura 9, onde a
PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785 l 203
OBJETIVOS
na glutationa como no conjugado foram marcados nos carbonos
Dessa forma, os objetivos do presente trabalho foram a
consecutivos da estrutura do aminoácido central cisteína e os ami-
obtenção de dados de energia conformacionais, momentos
noácidos glicina e ácido glutâmico foram otimizados na conforma-
dipolo e entalpia de formação, simulados no software PcMo-
ção antiperiplanar entre seus grupamentos mais polares antes da
del através da rotação de diedros desejados, a fim de avaliar
formação das ligações peptídicas com a cisteína.
a aplicabilidade destes dados no entendimento de estabilidade conformacional de fármacos e biomoléculas estruturais.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Como moléculas protótipo foram estudados a glutationa, im-
Após as minimizações iniciais obtidas para a molécula da
portante biomolécula de conjugação no metabolismo de Fase
glutationa; que é um tripeptídeo de conjugação formado pelos
II, e o conjugado desta com a N-acetilimidoquinona, principal
aminoácidos ácido glutâmico, cisteína e glicina, é possível ob-
metabólito de Fase I do paracetamol.
servar que na conformação minimizada energeticamente, a molécula se apresenta fortemente estabilizada por uma interação
MATERIAL E MÉTODOS
do tipo ligação de hidrogênio intramolecular. Essa interação é
As simulações de minimização de energia, distâncias inte-
gerada entre as carboxilas terminais dos aminoácidos glicina e
ratômicas e ângulos de giro de diedro foram obtidas no software
ácido glutâmico, interação esta que se apresenta delimitada na
PcModel 7.2 Serena software, utilizando-se o template do próprio
coloração amarela, com uma energia molecular total de - 8,745
software para simulação peptídica. Os diedros estipulados tanto
Kcal/mol, conforme figura 10.
A partir desta conformação obtida o diedro de giro foi delimitado como demonstrado abaixo entre os átomos de 1, 2, 3 e
4 e as conformações obtidas utilizando-se um passo angular ou
step de 5 º, identificados na figura 11.
204 | PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785
O gráfico que correlaciona a energia e o ângulo de giro para a glutationa é apresentado na figura 12.
Considerando o perfil gráfico da figura 12 associado à ta-
(-0,310 Kcal/mol), respectivamente nas geometrias sinperipla-
bela 1 (abaixo), observa-se a alternância entre máximos e mí-
nar, antiperiplanar, sinclinal e sinperiplanar. Em contrapartida
nimos de energia caracterizando nitidamente a existência con-
observam-se três mínimos de energia a 90 º com -0,186 Kcal/
formacional de quatro máximos de energia a 15 º (-4,808 Kcal/
mol, a 170 º com -9,820 Kcal/mol e a 315 º com -8,422 Kcal/mol,
mol), a 165 º (8,731 Kcal/mol), a 310 º (-6,948 Kcal/mol) e a 345º
sendo as geometrias sinclinal, antiperiplanar e sinclinal.
PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785 l 205
Correlacionando-se os mínimos de energia obtidos com as distâncias interatômicas entre os carbonos carbonílicos, para os
diedros 18, 34 e 63, é possível estabelecer em qual geometria será mais provável a existência de interação intramolecular por ligação
de hidrogênio associada ao ângulo, segundo os dados relatados na tabela 2.
A partir destes dados observa-se que mesmo possuindo a
entre carboxilas e inexistência de interação intramolecular foram
menor distância entre os grupamentos livres mais polares (car-
mais estáveis. A minimização de energia para o conjugado glu-
boxilas), o diedro 63 não foi a conformação mais estável do tri-
tationa-N-acetilimidoquinona proporcionou uma energia total de
peptídeo, os diedros 18 e 34 mesmo com maiores distâncias
-6,624 Kcal/mol, segundo a figura 13.
206 | PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785
Delimitado o diedro de modo semelhante à glutationa, foram obtidas 72 conformações para o conjugado glutationa-N-
-acetilimidoquinona gerando o gráfico de correlação da figura
14.
A tabela 3 relata os dados de todas as conformações do con-
que todos eles apresentaram energia total entre -2,036 e -9,021
jugado glutationa-N-acetilimidoquinona obtidas na geração do
Kcal/mol. Os conformeros mais estáveis ou mínimos de energia
gráfico da figura 14. Diferentemente da glutationa, o conjugado
todos obtidos em ângulos de giro inferiores a 300 º, são relatados
apresentou um perfil gráfico mais homogêneo se considerarmos
na tabela 4.
os conformeros obtidos até 300º de giro, onde pode-se observar
PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785 l 207
Entre os mínimos do conjugado glutationa-N-acetilimidoqui-
amida entre o ácido glutâmico e cisteina, o que explica a maior
nona houve menor variação de energia total entre -9,021 e -9,181
distância interatômica entre os carbonos carbonílicos das carboxi-
Kcal/mol e todos os conformeros apresentaram interação intramo-
las terminais. Os diedros 54 e 56 apresentaram o mesmo padrão
lecular por ligação de hidrogênio. Entretanto, a interação intramole-
de interação intramolecular dos mínimos da glutationa, entre os car-
cular do diedro 13 ocorre entre o grupamento amino da glicina e a
bonos carbonílicos das carboxilas terminais, o que diminui conside-
carbonila da
ravelmente a distância interatômica entre as carbonilas.
208 | PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785
A partir de 330º de giro observa-se um aumento substan-
com a compressão estérica gerada pela proximidade entre o
cial na energia molecular total, gerando um máximo de energia
ciclo aromático da N-acetilimidoquinona e o ciclo da glutationa
com 68,803 Kcal/mol no diedro 66. Os diedros entre 330° e 360º
momentaneamente estabilizado pela interação intramolecular,
apresentaram elevação da energia molecular total, compatível
conforme figura 15.
CONCLUSÃO
Considerando as limitações do próprio software bem como
a rigidez conformacional do método de simulação, uma vez que
simulamos somente os diedros do aminoácido central cisteina,
as simulações se mostraram totalmente aplicáveis as biomoléculas escolhidas proporcionando uma visão mais próxima da
realidade no aspecto tridimensional. Além disso, as simulações
permitiram prever as possíveis interações pertinentes à estabilização da forma cíclica momentânea de peptídios em sua forma
isolada ou associada a metabólitos exógenos.
REFERÊNCIAS
FERREIRA, P.F.M., JUSTI, R.S. Modelagem e o “Fazer Ciência”. Quim.
Nova na escola, n.28, 2008.
RAUPP, D., SERRANO, A., MARTINS, T.L.C. A evolução da química
computacional e sua contribuição para a educação em química. Revista Liberato, v.9, n.12, 2008.
KLIER, A.H. Conformações do cicloexano: um modelo de estudo no
PcModel.Pós em Revista, n. 5, 2012.
SILVA, T.H.A. Practica III.3 Modelagem molecular com o auxílio do computador, 2006. Disponível em http://old.iupac.org/publications/cd/medicinal chemistry/Practica-III-3.pdf
ANDREI, C.C., FERREIRA, D.T., FACCIONE, M., FARIA, T.J. Da Química
Medicinal à Química Combinatória e Modelagem Molecular: um curso
prático. Barueri, SP: Manole, 2003. 154p.
MARQUES, M.V., RUSSOWSKY, D., FONTOURA, L.A.M. Análise Conformacional de Compostos de Biginelli com Atividade Antineoplásica.
Eclet. Química, v.35, n.4, 2010.
BARREIRO, E.J., RODRIGUES, C.R., ALBUQUERQUE, M.G., RABELLO
DE SANT’ANNA, C.M., ALENCASTRO, R.B. Modelagem Molecular: Uma
Ferramenta para o Planejamento Racional de Fármacos em Química
Medicinal. Quim. Nova, v.20, n.1, 1997.
NOTAS DE RODAPÉ
1 Docentes do Centro Universitário Newton Paiva
2 Discentes do Curso de Farmácia do Centro Universitário Newton Paiva
PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2012/2 - EDIÇÃO 6 - ISSN 2176 7785 l 209