Realizado no Rio de Janeiro/RJ, de 14 a 18 de Outubro de 2013.
ISBN: 978-85-85905-06-4
ÁREA: Físico-Química
TÍTULO: Modelagem Molecular de compostos derivados de 1,4-benzotiazina com atividade antimicrobiana contra Bacillus subtilis
AUTORES: Brito, R.G.U. (UNIFAP) ; Gripp, T.X. (UNIFAP) ; Alves, C.M. (UNIFAP) ; Macedo, (UNIFAP) ; Vieira, J.B. (UNIFAP) ; Lobato, C.C. (UNIFAP) ; Braga, F.S. (UNIFAP) ; Melim, L.I.S.H. (UNIFAP) ; Macedo, W.J.C. (LACEN/PA) ; Santos, C.B.R. (UNIFAP)
RESUMO: O uso irracional de antibióticos tem provocado sérios problemas de resistência bacteriana. Em resposta, novos compostos antibióticos devem ser utilizados contra infecções bacteriológicas, com o intuito de aumentar a eficiência do tratamento. O objetivo deste trabalho é verificar a ação inibitória de compostos derivados de 1,4-benzotiazina contra o Bacillus subtilis, através da modelagem molecular e de cálculos de mecânica molecular realizados com o método HF/3-21G*. O estudo realizado no conjunto de 10 derivados benzotiazínicos mostrou que o composto 2 obteve maior valor para concentração inibitória mínima com IC50 = 0,1465 µmol/mL e inversamente, o composto 7 mostrou menor valor IC50 = 0,004 µmol/mL. Portanto, o composto 2 possui menor atividade biológica em relação ao composto 7.
PALAVRAS CHAVES: antibióticos;; resistência bacteriana;; modelagem molecular;
INTRODUÇÃO: As infecções bacteriológicas têm sido uma das principais causas de doença ao longo da história da humanidade. No entanto, os micro-organismos têm vindo a desenvolver mecanismos de resistência que têm contrariado os avanços alcançados no tratamento de infecções (GOODMAN & GILMAN’S, 2008; KATZUNG, 2007; TENOVER, 2006). Para que os antibióticos tenham um efeito eficaz é importante que a sua concentração, no local da infecção, seja suficiente. Os antibióticos podem apresentar duas funções distintas, a inibição do crescimento bacteriano através da ação bacteriostática, e a destruição de uma população bacteriana, por uma ação bactericida. A ação bacteriostática impede o crescimento das bactérias, mantendo o mesmo na fase estacionária (PANKEY & SABATH, 2013). Um bactericida atua em processos vitais para a célula levando à morte celular (GOODMAN & GILMAN’S, 2008; KATZUNG, 2007; LAGO, 2011). A partir dessa necessidade, a indústria farmacêutica deve dispor de um instrumento capaz de transmitir segurança e eficiência de resultados para o desenvolvimento de antibióticos mais eficazes no tratamento bacteriano. Um dos mais importantes avanços no planejamento e na descoberta de novos fármacos tem sido a utilização da modelagem molecular (MM). Atualmente, a MM é uma ferramenta indispensável não somente no processo de descoberta de novos fármacos, mas também na otimização de protótipos já existentes e no planejamento racional de candidatos a fármacos (Cohen NC, 1996; Sant’anna CMR., 2002; Carvalho I, et al., 2005). Dessa forma, o presente trabalho avalia a ação biológica de compostos heterocíclicos que contêm nitrogênio e enxofre como heteroátomos. Estudando a atividade antimicrobiana e a Relação Quantitativa Estrutura-atividade (QSAR) com a bactéria Bacillus subtilis.
MATERIAL E MÉTODOS: Aplicaram-se metodologias de MM com o intuito de identificar parâmetros eletrônicos e físico-químicos globais tais como mapas de potencial eletrostático molecular (MEP), energias e densidade dos orbitais de fronteira HOMO e LUMO. Com base nesses dados realizou-se um estudo da relação da estrutura química com a atividade antimicrobiana (ILIDIO, 2008). O método utilizado para obter os descritores moleculares foi ab initio HF/3-21G* e as propriedades calculadas foram correlacionadas com a atividade antibacteriana do Bacillus subtilis (bactéria Gram-positiva) previamente conhecida a partir dos dados da literatura S. Mor, et al., 2012. As moléculas foram desenhadas no software Chem Sketch 2.0, com qual se obteve figuras em 2D. As moléculas dos compostos que apresentaram os maiores e menores valores de concentração inibitória mínima foram pré-otimizadas través do software HyperChem 6.02. Posteriormente, utilizou-se o software GaussView 5.0 que é baseado em leis de mecânica quântica, para prever as energias, estruturas, propriedades e a frequência vibracional de sistemas moleculares (Santos, et al., 2013). Esses valores foram transformados em imagem 3D pelo software Molekel. O desenho e a visualização de fármacos em 3D possuem fatores estéricos relevantes para a atividade biológica, como análise do tamanho, volume e formato das moléculas (CARVALHO, 2003).
RESULTADOS E DISCUSSÃO: A energia dos orbitais (HOMO e LUMO) são descritores químico-quânticos empregados no critério de relação estrutura atividade. O HOMO tem tendência de perda de elétrons, característica de molécula capaz de realizar ataque nucleofílicos, enquanto que, o LUMO está relacionado com a afinidade por elétrons e a molécula propensa a sofrer um ataque eletrofílico (ILIDIO, 2008). Relacionando a menor e maior concentração inibitória dos compostos com os valores de HOMO, de acordo com a tabela 1, o composto 2 indicou maior probabilidade de doar elétrons, enquanto o composto 7 indicou característica inversa, propondo sua eficácia com melhor atividade antimicrobiana frente a Bacillus subtilis. O GAP, diferença entre HOMO e LUMO, é um importante indicador de estabilidade molecular. Moléculas com baixo valor de gap são geralmente reativas, enquanto moléculas com alto valor indicam alta estabilidade da molécula e baixa reatividade nas reações químicas (SANTOS et al., 2013). Com o valor de gap menor, o composto 7 possui melhor atividade biológica. As superfícies tridimensionais dos mapas de potenciais eletrostáticos moleculares (MEPs) são geradas após a sobreposição na molécula de uma partícula carregada positivamente que, sob a superfície de contato de Van der Waals da molécula revela uma região de repulsão, representando o potencial positivo em cor azulada, e a região na molécula de potencial negativo é representado pela matiz vermelha. Os parâmetros eletrônicos são um dos principais fatores que governam a interação fármaco-receptor, neste caso, O MEP pode ser uma abordagem alternativa com o intuito de compreender a contribuição eletrostática dos derivados para a atividade biológica (SANTOS et al., 2013). Para B. Subtilis, o composto 7 exibiu atividade notável, em relação a penicilina.
Tabela 1
Descritores moleculares e concentração inibitória mínima dos derivados 1,4-benzotiazina.
Figura 1
Mapas de potencial eletrostático para 9 (nove) compostos derivados da 1,4-benzotiazina e da penicilina.
CONCLUSÕES: Diante dos resultados obtidos o composto 7 possui a melhor atividade antimicrobiana para Bacillus subtilis, quando comparado com o antibiótico penicilina. Os estudos em modelagem molecular é uma importante ferramenta para o desenvolvimento de potenciais fármacos, além disso, diminuir consideravelmente o tempo de pesquisa e o custos de produção evitando desperdícios. Ressaltando, esse tipo de pesquisa reforça avaliações in vitro e in vivo.
AGRADECIMENTOS: LABORATÓRIO DE MODELAGEM E QUÍMICA COMPUTACIONAL DA UNIFAP PELO SUPORTE.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: CARVALHO I., BORGES A. D. L., BERNARDES, L. S. C. Medicinal Chemistry and Molecular Modeling: An Integration To Teach Drug Structure–Activity Relationship and the Molecular Basis of Drug Action. J. Chem. Educ. 2005;82(4):588-96.
CARVALHO, I., PUPO, M. T., BORGES, A. D. L., BERNARDES, L. S. C. Introdução a modelagem molecular de fármacos no curso experimental de química farmacêutica. Quim. Nova, Vol. 26, No. 3, 428-438, 2003.
COHEN, N. C. Guidebook on molecular modeling in drug design. San Diego: Academic Press, 1996.
GOODMAN & GILMAN’S. Manual of Pharmacology and Therapeutics. Nova Iorque: McGraw Hill, 2008.
ILIDIO, F. A. Modelagem Molecular e Avaliação da Relação Estrutura-Atividade Acoplados a Estudos Farmacocinéticos e Toxicológicos in silico de Derivados Heterocíclicos com Atividade Antimicrobiana. Dissertação de Mestrado. Rio de Janeiro-2008.
KATZUNG, B. Farmacologia Básica e Clínica (10ª ed.). Brasil: McGraw Hill, 2007.
LAGO, J. Mecanismos de Resistência e Selecção de Antibióticos. Lisboa: Jornadas bioMérieux, 2011.
PANKEY, G., SABATH, L. Clinical relevance of bacteriostatic versus bactericidal mechanisms of action in the treatment of Gram positives bacterial infections. Oxford Journals, 38, (2007) 864-865.
S. Mor et al. Synthesis, characterization, antimicrobial activities and QSAR studies of some10a-phenylbenzo[b]indeno[1,2-e][1,4]thiazin-11(10aH)-ones. European Journal of Medicinal Chemistry 53 (2012) 176e189.
SANT’ANNA C. M. R. Glossário de termos usados no planejamento de fármacos. (Recomendações da IUPAC para 1997), Quim. Nova, 2002;25(3):505-12.
SANTOS, C. B. R., et al. Modelagem Molecular: Origem, conceitos fundamentais e aplicações usando Relação Estrutura-Atividade (SAR) e Relação Estrutura-Atividade Quantitativa (QSAR). 2013.
TENOVER, F. Mechanisms of Antimicrobial Resistance in Bacteria. The American Journal of medicine. (2006) 119(6A), S3-S9.