ANÁLISE ESTRUTURAL DO INIBIDOR CICLITOL
Paulo de Sousa Carvalho Júnior 1; Hamilton Barbosa Napolitano2
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Bolsista PIBIC/CNPq, Acadêmico do Curso de Química modalidade Licenciatura da UnUCET - UEG.
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Pesquisador-Orientador, Docente do Curso de Física, UnUCET, Universidade Estadual de Goiás.
RESUMO
A estrutura 1,3,6-ciclohexanopentol, também denominada de Ciclitol, apresenta dois
possíveis fenômenos que podem ocorrer em sua estrutura cristalina, um estudo que envolve a
análise da estrutura tridimensional do mesmo. Para essa utilizamos uma abordagem teórica
com a Teoria do Funcional da Densidade e do método Nudged Elastic Band para a descrição
de cálculo de estrutura eletrônica de materiais cristalinos. Verificamos do ponto energético
qual mudança na estrutura seria mais vantajosa e favorável. Obtivemos que o fenômeno de
ressonância possui energia mais baixa com relação as outro, no entanto uma diferença muito
pequena com relação à mudança de conformação, permitindo a continuação do trabalho a fim
de buscar uma diferença mais significativa e de influencias para tais fenômenos.
Palavras–Chaves: 1,3,6-ciclohexanopentol , NEB, Cálculo de transições;
INTRODUÇÃO
A descoberta de compostos que possam interagir com o causador de determinada
patologia é de grande interesse para o químico na formulação de fármacos. Uma forma de
explicar esse mecanismo é o estudo da estrutura química, de onde se pode infere propriedades
químicas e físicas do composto (Fraga, 2001). Compreender as propriedades químicas de um
possível fármaco é de suma importância (Barreiro, 2001) e um procedimento fundamental na
formulação de fármacos eficazes. A estrutura do 1,3,6-ciclohexanopentol, C6H12O5,
apresentou atividade de inibição para a Leishmania, uma doença tropical. Na sua descoberta
por difração de raios-X, verificou-se a necessidade de elucidação estrutural pela ocorrência de
dois possíveis fenômenos: a mudança de conformação ou ressonância protônica, ambos
envolvem a modificação das ramificações dos átomos O1-H1 e O3-H3 de uma molécula
interagindo com duas outras estruturas vizinhas, como representado abaixo na Figura 1. São
duas ações prováveis numa região que levam a um mesmo arranjo.
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Figura 1: Estrutura do inibidor Ciclitol quando interagindo com outras duas unidades moleculares
Devido a complexidade envolvida nesse estudo, é necessário a interação entre as
diversas áreas da Ciência e existem uma variedade de técnicas que usam do estudo do modelo
tridimensional para obtenção de propriedades químicas. Com cálculos quântico-teóricos é
possível a descrição de como moléculas interagem dentro de uma transição. O método
Nudged Elastic Band (NEB) é um método que utiliza de uma seqüência de imagens do
sistema em estudo de tal maneira a formar uma representação discreta do caminho para uma
transição (Fratesi, 2005). É aplicado para o estudo de conformações e para a determinação de
coordenadas de reação. Cada imagem é trabalhada com dinâmica de forças de dois tipos, a
força devido a um potencial e a uma força elática, já que cada imagem se conecta a sua
adjacente por molas (Andreev et al, 2002).
O estudo de transições é um problema em química teórica, a busca do caminho de
menor energia para o rearranjo de átomos de um estado inicial para outro. Esse caminho é o
que se denomina Minimum Energy Path (MEP). O máximo deste caminho é denominado
ponto de sela na superfície de potencial, uma quantidade de grande importância no estudo de
processos (Fratesi, 2005). Um algoritmo de otimização é aplicado à seqüência de imagens
gerando uma dinâmica que as coloca no sentido do MEP (Andreev et al, 2002). Na descrição
de uma transição podem ocorrer dois problemas na construção da faixa elástica, como a saída
das imagens do MEP. A solução para tais problemas é encontrada no estudo das projeções das
forças que atuam no método, o que referimos como nudging (Henkelman et al, 2000).
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A força em cada imagem só deve conter a componente da força paralela da força de
mola, e a componente perpendicular da força verdadeira (Henkelman et al, 2000), Dada por:
Eq. (1)
Sendo ∇E(Ri) o gradiente da energia referente às coordenadas atômicas do sistema e FiS a
força de mola da imagem i.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para a efetivação deste trabalho, foram utilizados dois computadores de posse do
Grupo de Química Teórica e Estrutural de Anápolis (QTEA), sob coordenação do Prof. Dr.
Ademir João Camargo. Os cálculos quânticos foram realizados via os softwares
disponibilizados pelo QTEA: Gaussian 03; GaussView 3.07; Mercury 1.4.2 e Quantum
Espresso 3.2.
As estruturas do inibidor ciclitol foram construídas através do software Mercury 1.4.2
e
GaussianView, ferramentas computacionais de simples execução para
construção
molecular, o primeiro realiza leitura de coordenadas cristalográficas criando uma extensão
para o segundo. O GaussianView permite visualizar a estrutura estudada e proporciona
coordenadas do sistema no espaço cartesiano. Isso se faz necessário para a construção de
inputs (arquivo com linhas de comando especificando quais os cálculos devem ser
executados) que requer tal requisito. São especificados três tipos de dados do sistema:
variáveis referentes ao cálculo, variáveis eletrônicas e variáveis estruturais.
A estrutura em estudo deve ser trabalhada levando em consideração o seu estado de
agregação, um sólido cristalino. Fez-se uso do conjunto de rotinas PWscf-Quantum Espresso
pelo uso do método NEB. PWscf é um conjunto de rotinas para estruturas eletrônicas que
realiza cálculos quânticos baseados na Teoria do Funcional de Densidade (DFT) a partir de
um conjunto base de autofunções dado por ondas planas com uso de pseudo-potenciais. Das
rotinas o Plane-Wave.x (pw.x) é o programa que utiliza o método NEB para avaliar
transições.
A metodologia consistiu em (1) criação de inputs com coordenadas atômicas da
estrutura, (2) processamento de cálculos utilizando o Método NEB, (3) organização de
coordenadas das imagens geradas na etapa anterior, (4) Coleta e interpretação de dados. O
processo de determinação do possível fenômeno que ocorre na estrutura cristalina se faz pela
análise de barreira de potencial para os dois fenômenos candidatos. Simularam-se os dois
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casos em igual condição, encontrando energia dos pontos extremos e do ponto de sela. Foram
geradas seis imagens para descrever as transições. Os inputs trabalhados possuem
coordenadas de três e cinco unidades moleculares, sistema de 69 átomos de três tipos:
Hidrogênio, Carbono e Oxigênio.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O composto em estudo é um sólido cristalino, um sistema monoclínico P21, de fórmula
molecular C6H12O5. O Ciclitol apresenta apenas ligações simples e cinco grupos alcoóis ligado
a carbono. Esse fato possibilita e justifica a possível ocorrência da mudança de conformação.
É importante notar que o processo de ressonância protônica ou a mudança conformacional,
são transições que levam ao um mesmo produto, as imagens iniciais são iguais. Tal fato
condiz com os resultados obtidos tabelados abaixo, já que as imagens iniciais e finais, ou
configurações extremas, possuem o mesmo de valor energia.
Assim com método descrito anteriormente obtemos uma seqüência de configurações
do sistema e suas energias para os dois processos. Para a análise de potencial simularam-se os
dois casos em igual condição, encontrando energia dos pontos extremos e demais imagens. O
cálculo realizado foi o NEB, solicitando seis imagens para descrever as transições. Os inputs
trabalhados possuem coordenadas de três unidades moleculares, formando a cela unitária para
o trabalho com pw.x. Assim são as energias das imagens intermediárias que irão indicar qual
é o processo mais favorável de ocorrer. Em especial a imagem do ponto de sela ou próxima
do mesmo, a configuração mais energética do caminho obtido, pois sendo a mais alta ela
determina o tamanho da barreira energética para cada processo, já que as energias das
configurações extremas possuem valores próximos. As energias obtidas do cálculo de três
unidades moleculares estão representadas na Tabela 1 e Tabela 2.
Tabela 1: Energias para seis imagens na transição de ressonância protônica, realizado com NEB.
Imagem
Energia eV
1
-8902,2201030
2
-9144,2635138
3
-9226,4024195
4
-9225,8873265
5
-9144,8072363
6
-8906,5208215
4
Tabela 2: Energias para seis imagens na transição de mudança conformacional realizado com NEB padrão.
Imagem
Energia eV
1
-8902,2201030
2
-9361,8450442
3
-9368,2360842
4
-9364,8008674
5
-9362,0587388
6
-8906,5208215
A seqüência de imagens foi trabalhada por uma dinâmica fictícia de forças, descrita
anteriormente. Evoluindo cada imagem por tal processo até se encontrar a exatidão
especificada para a convergência. O método permitiu simular a rotação do arranjo particular
das três unidades moleculares de forma simultânea e a migração de prótons entre unidades
moleculares vizinhas, calculando energia para cada imagem dada ou gerada pelo programa.
Com as energias para os dois fatos possíveis na estrutura, podemos observar que não
existem grandes diferenças energéticas entre um fenômeno e outro, tal fato comprova a
grande dificuldade de se distinguir os dois casos. Mas podemos ver que o processo de
ressonância protônica mostrou-se mais favorável. Avaliar a barreira potencial é a principal
analise deste trabalho. Como as energias apresentaram-se próximas. Fazem-se necessários
novos cálculos que possam mostrar uma diferença maior. E que também possa demonstrar a
dependência dos fenômenos para os arranjos O1H1 e O3H3 de uma mesma molécula.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho analisamos as transições para dois fenômenos que possam ocorrer na
estrutura cristalina do composto ciclitol (1,3,6-ciclohexanopentol), usando como metodologia
o Método NEB e DFT como base para cálculos quânticos . O trabalho comprova que o estudo
de transições é um grande problema em Química Teórica, mesmo com uma metodologia tão
prática. Como tais energias ainda não é possível decidir-se efetivamente por um dos
fenômenos, já é necessário avaliar a dependência da ressonância entre átomos em uma mesma
molécula. A comparação para os fenômenos requer uma diferença maior de energia entre os
fenômenos, motivo da continuação desse trabalho.
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