70.

Bruni A. T., Ferreira M. M. C., "Quimiometria aplicada a estudos conformacionais" ["Chemometrics applied to conformational studies"]. Poços de Caldas, MG, 23-26/05/2000: 23a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química: A Ligação Química Brasil/Portugal [23rd Annual Meeting of the Brazilian Chemical Society: The Chemical Bond Brazil/Portugal], Livro de Resumos [Book of Abstracts], 2 (2000) MD-042. Poster MD-042.


Português
MD-042

QUIMIOMETRIA APLICADA A ESTUDOS CONFORMACIONAIS

Aline Thais Bruni (PG) e Márcia M. C. Ferreira (PQ)
Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas (Unicamp)

palavras-chave: quimiometria, análise conformacional, fármacos

           Este   trabalho   tem    por   objetivo    aplicar    técnicas   de   quimiometria   a
cálculos  teóricos  para   a   determinação  da   conformação  mais   estável  de   três
fármacos:    omeprazol,    pantoprazol    e    lansoprazol.(1)      Estes    fármacos    são
benzimidazóis  substituídos  que suprimem  a secreção ácido-gástrica por inibição da
enzima H+,K+-ATPase (Figura 1).
           Sistemas   com   muitos   graus   de  liberdade  têm  comumente  propriedades
dinâmicas  e  termodinâmicas determinadas pela natureza das superficies de energia
potencial.  A  energia  eletrônica mais baixa de  uma  molécula depende somente das
coordenadas nucleares.   A análise  conformacional  é então de extrema  importância
porque  muitas  propriedades moleculares dependem criticamente das  estruturas  tri-
dimensionais.   Análises  dos  espaços  conformacionais  moleculares  são  utilizados
para localizar estruturas estáveis de vários tipos de molecula.(2)
           Existem  várias  técnicas  que podem  ser  utilizadas  para  achar   mínimos de
energia.(2) Aqui foi utilizada a técnica chamada análise conformacional sistemática. A
grande  vantagem  desta  técnica  é  que  há  um  ponto  final  definido  na  superficie
potencial.  Contudo,  a  grande  desvantagem  é  o  fenômeno denominado  explosão
combinatória. Assim, para resolver este problema,  foi introduzido neste trabalho uma
nova metodologia.



PosiçãoOmeprazolPantoprazolLansoprazol

R1CH3--
R2OCH3OCH3OCH2CF3
R3CH3OCH3CH3
R4OCH3OCF2H-

Figura 1. Estrutura básica dos fármacos estudados

           Esta  metodologia  utiliza  a  técnica  de  Análise  de  Componentes  Principais
(PCA)  juntamente  com  cálculos  de  química quântica para estudar  a  superficie de
energia potencial. Através desta técnica é possível resolver  o  problema de explosão
combinatória  associada  à   análise  conformacional  sistemática  por  diminuição  da
dimensão  dos  sistemas  estudados.   Neste  trabalho,   as   estruturas   iniciais   dos
fármacos  em  questão  foram  montadas  pelo  programa  Spartan.   Para  conduzir a
busca conformacional, as configurações foram geradas girando-se  sistematicamente
os diedros envolvendo  as  rotações livres incidadas pelas setas na  estrutura básica
dos fármacos (Figura 1).  Inicialmente  o  incremento  de  ângulo  utilizado  foi de 30º.
Estas rotações foram feitas em  pares entre as ligações envolvidas, e para cada  par
obteve-se uma superficie de  energia  potencial.  Os  cálculos foram  realizados  pelo
método semi-empírico AM1,   implementado no  programa Gaussian 94.  As  matrizes
de dados relativas às superficies  em questão foram submetidas em conjunto  à PCA
e  as  regiões  de  energia  mínima  foram separadas.  Os  cálculos  foram  refinados
nestas regiões, com um incremento de ângulo de  5º. Novamente estes dados foram
submetidos à PCA, e  então  foram  separadas as conformações  de  menor  energia
para os fármacos em questão. A  Tabela  1 mostras os resultados obtidos para cada
um dos compostos estudados. Tem-se  que  para o pantoprazol, foram obtidas duas
estruturas de mínima energia, enquanto que para  o  omeprazol e para o lansoprazol
foram obtidas quatro estruturas de mínima energia.  Todas  as estruturas  de mínimo
apresentam valores de energia muito próximos.
___________________________________________________________________

Tabela 1: Valores de energia/Kcal.mol-1
___________________________________________________________________

PantoprazolOmeprazolLansoprazol
___________________________________________________________________

EstruturaEnergiaEstruturaEnergiaEstruturaEnergia
___________________________________________________________________

1-100.271-36.181-78.86
2-100.992-35.672-77.61
3-35.163-79.24
4-34.794-78.92
___________________________________________________________________

           Assim, conclui-se que  a técnica quimiométrica  de  Análises de Componentes
Principais aplicada a cálculos teóricos foi eficiente e  útil  não somente para reduzir a
dimensão  dos dados  dos  sistemas estudados,   como  também  para  encontrar  as
regiões de mínimos globais nas superficies estudadas.
 
 

Bibliografia

1. Lindberg, P.; Nordberg, P.; Alminger, T.; Brandstron, A.; Wallmark, B.;  Journal of
    Medicinal Chemistry29,  1329  (1986).   Tanaka, M.; Yamazaki, H.; Hakusui, H.;
    Nakamichi, N.; Sekino, H.;   Chirality9,  17  (1997).   Landes, B. D.; Petite, J. D.;
    Flouvat, B.; Clinical Pharmacokinetics, 28, 1158 (1995).
2. Jensen, F.;  Introduction to Computational Chemistry,  John Wiley & Sons,  1999.
3. Leach, A. R.; Molecular Modeling, Longman Singapore Publishers Ltc., 1996.

CNPQ, CENAPAD-SP


English
MD-042

CHEMOMETRICS APPLIED TO CONFORMATIONAL STUDIES

Aline Thais Bruni (PG) e Márcia M. C. Ferreira (PQ)
Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas (Unicamp)

key-words: chemometrics, conformational analysis, drugs

           The purpose of  this  work  is  to  apply  chemometric  techniques  to  theoretical
calculations  in  determination  of   the   most   stable  conformations   of   three   drugs:
omeprazole,    pantoprazole    and    lansoprazole.(1)    These   drugs    are   substituted
benzimidazoles which  supress gastric acid secretion  by  inhibiting  the  H+,K+-ATPase
enzyme (Figure 1).
           Systems   with   many   degrees   of   freedom  are  usually   have  dynamic  and
thermodynamic properties determined  by  the  nature  of  the  potential energy surface.
The lowest electronic energy of  a  molecule depends  only  on the nuclear coordinates.
Conformational  analysis   is,   therefore,   of    the   great   importance   because  many
molecular   properties   substantially   depend   on    the    three-dimensional   structure.
Analysis ofthe  molecular  conformational space is used to localize  stable structures for
various types of molecules.(2)
           There are  various  technique that can be used to  find energy minima.(2)  In  this
work,   a   technique   called   systematic   conformational   analysis   was  used.  Great
advantage  of  this  technique  is that there  is  the final point  at  the  potential  surface.
However,   a   great  disadvantage  is   the   phenomenon  of   combinatorial  explosion.
Therefore, to solve this problem, a new methodology was introduced in this work.



PositionOmeprazolePantoprazoleLansoprazole

R1CH3--
R2OCH3OCH3OCH2CF3
R3CH3OCH3CH3
R4OCH3OCF2H-

Figure 1. Basic structure of the studied drugs

           This  methodology  employs  the  technique  of  Principal Component Analysis
(PCA)  together  with  quantum  chemical  calculations  to study  the  potential energy
surface.   This  technique provides  solution  of the combinatorial  explosion  problem,
by means of  dimension  reduction  for the studied systems.   In this  work,  the  initial
structures  of  the  studied drugs  were modeled by using  the  program  Spartan.  To
perform the conformational analysis,   configurations were  generated by  varying the
defined  dihedral  angles as free rotatable,  as  defined  by  the  arrows  in  the  basis
structure of the  drugs  (Figure 1).  Initial  angle  increment of  30º  was  used.  These
rotations  were  performed in  pairs  around the  bonds in question,  so  that  for each
pair  a  potential  energy surface was obtained.  The  calculations were carried out by
using  the  semi-empirical  method  AM1  implemented  in  the  program  Gaussian 94.
Data matrices for the surfaces in  question were treated as one data set by means of
PCA, where the minimum energy regions were separated.  Calculations  were further
refined in these regions,  by  using  the  angle increment of  5º.  The  new  data were
treated with PCA, where the drug conformers of the minimum energy were separated.
Table 1 shows results obtained for each of the studied drugs.  Two  minimum energy
structures were obtained for pantoprazol, whilst four minimum energy structures were
obtained  for  omeprazol  and  lansoprazol.   All  the minimum  energy  structures  are
mutually very close in energy values.
___________________________________________________________________

Table 1: Energy values/Kcal.mol-1
___________________________________________________________________

PantoprazoleOmeprazoleLansoprazole
___________________________________________________________________

StructureEnergyStructureEnergyStructureEnergy
___________________________________________________________________

1-100.271-36.181-78.86
2-100.992-35.672-77.61
3-35.163-79.24
4-34.794-78.92
___________________________________________________________________

           Concluding, chemometric technique  of Principal Component Analysis applied
to theoretical calculations has been shown  useful not  only for  reduction of the data
dimension for the studied systems,  but also to find  regions of  global minima  on the
studied surfaces.
 
 

Bibliography

1. Lindberg, P.; Nordberg, P.; Alminger, T.; Brandstron, A.; Wallmark, B.;  Journal of
    Medicinal Chemistry29,  1329  (1986).   Tanaka, M.; Yamazaki, H.; Hakusui, H.;
    Nakamichi, N.; Sekino, H.;   Chirality9,  17  (1997).   Landes, B. D.; Petite, J. D.;
    Flouvat, B.; Clinical Pharmacokinetics, 28, 1158 (1995).
2. Jensen, F.;  Introduction to Computational Chemistry,  John Wiley & Sons,  1999.
3. Leach, A. R.; Molecular Modeling, Longman Singapore Publishers Ltc., 1996.

CNPQ, CENAPAD-SP