https://doi.org/10.1590/S1516-93322007000200002
Molecular modeling applied to the development of molecules with antioxidant activity for cosmetic use
Luciana ScottiI, *; Marcus Tullius ScottiII; Carmen CardosoIII; Patrícia PaulettiIII; Ian Castro-GamboaIII; Vanderlan da Silva BolzaniIII; Maria Valéria Robles VelascoI; Carla Maria de Souza MenezesI; Elizabeth Igne FerreiraI
IDepartamento de Farmácia, Faculdade de Ciências Farmacêuticas, Universidade de São Paulo, São Paulo-SP, Brasil
IIInstituto de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo-SP, Brasil
IIIInstituto de Química, Universidade Estadual Júlio de Mesquita Filho, Araraquara-SP, Brasil
Várias hipóteses e constantes estudos são realizados com o intuito de elucidar o envelhecimento cutâneo. Para prevenir e contornar este processo torna-se necessário reforçar nossas defesas naturais antioxidantes endógenas. Diversas substâncias antioxidantes exógenas, como vitaminas, extratos vegetais, dentre outras, são utilizadas pela Cosmetologia nos produtos antienvelhecimento. O objetivo deste artigo é apresentar de que forma a Modelagem Molecular pode ser uma ferramenta útil na pesquisa por novas substâncias cosméticas antioxidantes para combater o envelhecimento cutâneo.
Unitermos: Antioxidante. Cosmético. Antienvelhecimento. Modelagem molecular
Some hypotheses and constants studies are made with intention to elucidate the aging process. To prevent and to attenuate the cutaneous aging it becomes necessary to strengthen our endogenous antioxidant natural defenses. Diverse exogenous antioxidant substances, as vitamins, vegetal extracts and others, have been used by the Cosmetology in antiaging products. The objective of this paper is to show how the Molecular Modeling can be an useful tool in the research for new antioxidant cosmetic substances to face the cutaneous aging.
Uniterms: Antioxidant. Cosmetic. Antiaging. Molecular modeling.
Os estudos das propriedades antienvelhecimento das substâncias ativas vêm despertando muito interesse de pesquisadores, considerando o aumento da expectativa de tempo de vida observado nas últimas décadas e a busca da qualidade de vida durante o processo de envelhecimento (IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia E Estatística, 2004).
A diminuição da elasticidade do epitélio era associada à rigidez protéica da matriz extracelular, resultante da polimerização do colágeno com a elastina. Porém, estudo recente in vitro recentemente realizado com o uso de microscopia atômica-AFM (Atomic Force Microscopy) atribuiu a rigidez excessiva das células epiteliais ao aumento da densidade das fibras do citoesqueleto com o decorrer da idade (Berdyyeva et al., 2005). Entretanto, um das principais razões apontadas pelos pesquisadores como responsável pelo processo de envelhecimento é o desequilíbrio do mecanismo de defesa antioxidante de nosso organismo (Magalhães, 2000).
Antioxidantes referem-se a substâncias que têm por característica diminuir ou bloquear as reações de oxidação induzidas pelos radicais livres. Naturalmente, nosso organismo possui substâncias que têm por objetivo estabelecer um equilíbrio harmônico entre a presença das moléculas oxidantes, as antioxidantes e a pele. Esta última, por sua área extensa e função protetora do organismo ao meio, fica muito exposta ao ataque radicalar, sendo a defesa antioxidante constantemente requisitada. Desta forma, é preocupação constante da Cosmetologia prevenir e atenuar o envelhecimento cutâneo por meio da busca e do estudo de substâncias antioxidantes eficazes, que são oferecidas em produtos cosméticos aos consumidores (Magalhães, 2000). Os dermatologistas procuram formas alternativas de promover fotoproteção efetiva aos seus pacientes, principalmente contra o neoplasma cutâneo induzido pela radiação ultravioleta (UV). Novas substâncias antioxidantes como polifenóis do chá verde, alfa-MSH, genisteína, oligonucleotídeos descodificados por NF-KB, vacinas pTpT e IL-12 encontram-se em pesquisa para este fim (Ting et al., 2003).
Nesta pesquisa, a Modelagem Molecular foi associada a Cosmetologia como método de pesquisa inovador, possibilitando estudos avançados na descoberta por novas moléculas antioxidantes.
A modelagem molecular constitui-se em ferramenta do planejamento racional envolvendo a compreensão da interação ao nível molecular de uma substância com seu receptor, sob os pontos de vista quali e quantitativo. Permite que se analise profundamente, não só a estrutura molecular compreendida em determinado sistema biológico, como também fornece meios para prever a potencialidade de moléculas candidatas a compostos bioativos. De forma simplificada, pode ser considerada como conjunto de técnicas computadorizadas baseadas em métodos de química teórica e/ou dados experimentais (Cohen, 1996).
Substâncias antioxidantes cosméticas
Uma das maiores causas do envelhecimento cutâneo é a desorganização do mecanismo de defesa antioxidante, provocando doenças na pele, resultado das condições causadas por esse desequilíbrio e que são conseqüências de danos a estruturas nela presentes, como lipídios, proteínas e DNA. Estima-se que cerca de 80% dos sinais visíveis causados no envelhecimento são provocados pelos raios ultravioletas e pelos radicais livres formados devido à exposição a estes (Buchli, 2002).
Os raios solares contêm a radiação ultravioleta A, B e C. Os raios UVC incidem num comprimento de onda entre 180 nm e 29 0nm, os UVB entre 290 e 320 nm e os UVA entre 320 e 400 nm. A radiação UVC praticamente não atinge a superfície terrestre, sendo retida pela camada de ozônio, porém essa barreira natural está sendo destruída devido à poluição e a emissão de clorofluorcarbono. As radiações UVA e UVB estimulam a formação de radicais livres, ainda não se tem certeza qual das duas provoca mais o aparecimento destas moléculas. Sabe-se que juntas são mais danosas que isoladamente e que o estresse oxidativo provocado por elas nas camadas da pele depende da penetração dos raios, como exibido na Figura 1 (Shaath, 1997; Magalhães, 2000).
A aplicação tópica de antioxidantes reduz os danos oxidativos induzidos pela radiação UV. Porém, essa proteção será mais eficaz se ocorrer penetração destas substâncias antioxidantes em camadas mais profundas do estrato córneo. Dentre as substâncias ativas utilizadas atualmente em produtos cosméticos com ação antienvelhecimento, citamos:
Os carotenóides formam um grupo com mais de 600 compostos com aproximadamente 40 átomos de carbono (Fuchs, 1998; Cèsarini et al., 2003).
Seu mecanismo de ação antioxidante ocorre com a neutralização do oxigênio singlete e formação do carotenóide triplete, reduzindo o estresse oxidativo. O oxigênio singlete é formado através da excitação do oxigênio do ar pelos raios ultravioletas e dá origem a outras espécies radicalares como o ânion superóxido e o radical hidroxila. O carotenóide triplete perde a energia na forma de calor, retornando ao seu estado original (Fuchs, 1998; Cèsarini et al., 2003).
Muitos estudos demonstram os efeitos benéficos dos carotenóides, principalmente do b-caroteno, que é um precursor da vitamina A. Através da sua ingestão oral ocorre redução das lesões celulares, aumentando a fotoproteção (Fuchs, 1998; Cèsarini et al., 2003).
É um antioxidante hidrossolúvel, potente agente redutor e atua em inúmeras reações de hidroxilação. É capaz de reagir diretamente com os radicais peróxidos e regenerar a vitamina E da membrana oxidada, o tocoferoxil em tocoferol, oxidando-se e formando a molécula de diidroascorbato. Os níveis de vitamina C na epiderme atingem até cinco vezes ao da derme. Em adição, o ácido ascórbico possui a propriedade de estimular a síntese de colágeno (Fuchs, 1998).
A peroxidação lipídica do estrato córneo provocada por radiação UV foi mensurada e a ação antioxidante do ácido ascórbico inibitória desse processo foi detectada pelo desaparecimento de subprodutos por meio da espectroscopia de massa. Ocorreu diminuição da concentração de radicais livres hidroxila na presença de ácido ascórbico (Trommer et al., 2002).
Na Figura 2 observamos as formas oxidada e reduzida da glutationa, sob ação das enzimas glutationa peroxidase, redutase e oxidase. A Glutationa é um agente redutor de numerosas enzimas, entre elas, a glutationa peroxidase e a fosfolipídio hidroperóxido glutationa peroxidase. Como agente antioxidante, atua por inibição direta de espécies moleculares contendo oxigênio reativo e age como doador de hidrogênio a outros antioxidantes. A cisteína, um dos substratos da g-glutamilcisteína-sintetase, enzima que transforma este aminoácido em glutationa (GSH), é freqüentemente o fator limitante neste processo (Júnior et al., 2001).
A glutationa é fracamente absorvida por via tópica, sendo que os melhores resultados em produtos cosméticos antioxidantes têm sido obtidos quando empregados derivados da GSH, como GSH-metiléster, GSH-etiléster e GSH-isopropiléster (Okigami, 2001).
Existem 4 isômeros da molécula do tocoferol, a, b, g e d, sendo que a forma de maior poder antioxidante é a g. Entretanto, esta não se encontra disponível no mercado para a elaboração de produtos cosméticos e a forma utilizada é o a-tocoferol, que é fotossensível (Fuchs, 1998).
Graças a sua cadeia isoprenóide lateral, os fosfolipídeos se integram à membrana celular, com uma face em contato com a água e outra lipídica, e pode, dessa forma, captar o elétron excedente dos radicais livres, oxidando-se e protegendo a membrana celular. Com o objetivo de aumentar a estabilidade do a-tocoferol, a molécula pode ser oxidada ou esterificada originando os derivados a-tocoferol-quinona e a-tocoferol-succinato. Posteriormente, estes derivados são biotransformados no fígado, disponibilizando seu caráter antioxidante e elevando a biodisponibilidade do a-tocoferol in vivo. A ação antioxidante do a-tocoferol se dá tanto por neutralização das formas radicalares, inibindo a peroxidação lipídica, como por inibição direta da peroxidação lipídica (Okigami, 2001).
O radical a-tocoferoxil formado após a neutralização dos radicais livres pode, na presença de ubiquinol, se reconstituir à sua forma fenólica e retornar ao seu potencial antioxidante. O ubiquinol, por sua vez, se transforma em sua forma oxidada, a ubiquinona. Do mesmo modo, a molécula de a-tocoferoxil, na presença de selênio ou enxofre, pode reagir com o ascorbato, que se transforma no radical ascorbil, e recuperar a forma antioxidante. O a-tocoferoxil pode também ser neutralizado ao reagir com outra espécie radicalar, resultando em molécula não reativa (Okigami, 2001).
O dimetilaminoetanol (DMAE) confere resistência e estabilidade para a membrana das células plasmáticas, influência na síntese do ácido aracdônico e dos mediadores pró-inflamatórios. Inicialmente, foi usado como um suplemento alimentício (Cole et al., 2002).
A ação do DMAE é controversa. Alguns autores acreditam se relacionar à produção de acetilcolina, a partir de colina e acetil-CoA por meio da ação da colina acetiltransferase. Com o aumento da produção e liberação de acetilcolina, acredita-se ocorrer aumento no tônus muscular. Na verdade, estudos devem ser realizados comprovando este efeito (Cole et al., 2002).
Na atualidade, muitos produtos cosméticos oferecem ao consumidor uma formulação mista com aminoácidos, ácido carboxipirrolidônico, ésteres de vitamina C, ácido a-lipóico. Promovem firmeza da pele, atenuação de rugas, aparência jovial e suavidade (Cole et al., 2002).
O aparecimento de leve irritação cutânea pode surgir durante as primeiras quatro semanas de uso tópico do DMAE (Cole et al., 2002).
Ácido a-lipóico
Encontrado em todas as células do organismo, o ácido a-lipóico possui elevado poder antioxidante, sendo capaz de potencializar os efeitos antioxidantes de outras vitaminas, como o ácido ascórbico. Ação antiinflamatória é também registrada na literatura. O ácido a-lipóico apresenta características hidro- e lipossolúveis, influenciando o metabolismo celular na eliminação de resíduos tóxicos. Auxilia na recuperação de lesões, na absorção de nutrientes, na quelação de metais de transição e na inibição da ativação do fator NFk-B (Nuclear Factor Kappa Beta), que induz à produção de citocinas e a quimiotaxia, inibindo a resposta inflamatória. Em adição, ainda impede e/ou reverte as reações entre o colágeno e a glicose (Magalhães, 2000).
A coenzima Q é um derivado das quinonas, que apresentam natureza lipossolúvel e possuem de 1 a 12 unidades isoprenóides (n). A ubiquinona (quinona em que n=10)] ou coenzima-Q é a mais comum em humanos e exerce sua atividade antioxidante através da transferência de prótons da membrana mitocondrial, neutralizando radicais reativos de oxigênio e prevenindo os danos nas biomoléculas (Magalhães, 2000).
Os vegetais são ricos em substâncias antioxidantes e atribui-se esta característica ao processo evolutivo destas espécies como proteção natural aos radicais livres formados pela radiação UV necessária à fotossíntese. Diversos extratos vegetais quando aplicados em modelos animais ou cultura de células neutralizam a reatividade radicalar, diminuindo lesões celulares, a proteínas, lipídeos, ácidos graxos. Alguns destes compostos encontrados e extraídos de vegetais são os polifenóis, os flavonóides, os organosulfídeos e os indóis. Os compostos fenólicos formam o maior grupo de antioxidante extraído de vegetais, neutralizando a reatividade radicalar através da doação de um átomo de hidrogênio; mecanismo explicado com maiores detalhes na seção sobre estrutura-atividade (F'Guyer et al., 2003; Nikolic, 2006).
Os compostos fenólicos são polares e encontram-se nos vegetais sob a forma de polímeros, na qual estão os taninos e as ligninas. Os taninos hidrolisáveis contêm um núcleo central de glicose ou um álcool poliídrico, esterificado com ácido gálico ou elágico, e são prontamente hidrolisáveis com ácidos, bases ou enzimas. Os taninos condensados, presentes no vinho tinto, são precursores das procianidinas, formando posteriormente dímeros (Soares, 2002).
O chá verde ou preto extraído da espécie Camellia sinensis consistui um extrato vegetal rico em antioxidantes. Existe uma grande variação na sua composição, mas de forma geral apresentam catequinas (epigalocatequina, epigalocatequina-3-galato, epicatequina galato e galocatequina). Em adição, no chá também encontramos flavonóides (quercetina, kaempferol, myricintina), cafeína, teofilina, alcalóides (teobromina), ácido polifenólicos e ácido gálico (F'Guyer et al., 2003).
Estudo recente em ratos após administração oral de chá verde e submetidos à radiação UV demonstrou redução dos danos oxidativos e menor indução de metalonoproteinases (MMPs), prevenindo danos oxidativos provocados pela radiação UV (Vayalil et al., 2004).
Muitas espécies vegetais são utilizadas na terapêutica e possuem atividade comprovada cientificamente. Podemos ainda citar Ginkgoacea (Ginkgo biloba), Trifolium pretense, Allium sativum, Silybum marianum, entre outros (F'Guyer et al., 2003). Ervas usadas na culinária como alecrim, orégano, canela, sálvia e tomilho também apresentam concentração elevada de antioxidantes (Dragland et al., 2003).
Determinação experimental da atividade antioxidante
Vários métodos de análise da atividade antioxidante foram desenvolvidos para avaliação do potencial antioxidante de alimentos, fluidos biológicos e outros. São métodos descritos na literatura, que necessitam de equipamentos e técnicas específicas e que medem a atividade antiradicalar desenvolvida em contato com os radicais: 2,2-difenil-1-picrilidrazila (DPPH), ânion superóxido, radical hidroxila, peróxido, dentre outros. O resultado da análise depende da especificidade do radical pelos reagentes da reação de cada método (Adom et al., 2002).
Antioxidantes podem ser hidrossolúveis, lipossolúveis ou ambos; assim a escolha do método de análise deve ser feita conforme a natureza do composto investigado (Adom et al., 2002). A seguir segue a descrição dos métodos mais utilizados na análise da atividade antiradicalar:
Quimioluminescência - é amplamente utilizada para avaliar a atividade antioxidante baseando-se nos reagentes da reação de Fenton. Por meio da reação do ferro e EDTA, adicionando-se peróxido de hidrogênio, luminol, KH2PO4 e NaOH a 25 °C. Avalia-se o sinal CL (quimioluminescência). A medição deve iniciar imediatamente após o começo da reação (Cheng et al., 2002; Cheng et al., 2003).
TBARS (método desoxirribose para avaliação da atividade antioxidante com tiobarbitúrico) - a reação ocorre entre cloreto de ferro II, EDTA, peróxido de hidrogênio, desoxi-ribose, KH2PO4 e NaOH em pH 7,4. A reação é realizada a 25 °C e, posteriormente, adiciona-se o ácido tricloroacético e ácido tiobarbitúrico. A leitura do sinal de fluorescência depende da extração do cromóforo. Aquece-se a 80 °C por 15 minutos e efetua-se a leitura da absorvância a 532 nm. A grande desvantagem deste método reside na dependência da oxidação do substrato, influenciada pela temperatura, pressão, e outras características do meio (Cheng et al., 2003).
Reação com DPPH - método baseado na estabilização do radical 2,2-difenil-1-picrilidrazila (DPPH), não necessitando extração. Como apresentado na Figura 3, a reação é determinada segundo mudança de cor de violeta ao amarelo (Zhang, 1999).
O procedimento deste ensaio foi descrito por Mensor e colaboradores em que cada solução amostra (2,5 mL) foi acondicionada com 1 mL de solução de DPPH (0,03 mM) nas diferentes concentrações (250-5 µg/mL). Após o tempo de reação de 30 minutos, a absorvância foi lida em 518 nm, segundo a Equação 1:
onde: AB – absorvância da amostra-branco (t = 0 min); AA – absorvância do extrato pesquisado (t = 30 min).
Um controle negativo com 2,5 mL de etanol e 1 mL de DPPH e um branco foi realizado para o extrato (2,5 mL) e 1 mL de etanol, foram feitos para todas as concentrações. Os testes foram realizados em triplicata. Os valores das IC50 foram calculados por regressão linear e se obteve o gráfico no qual a abscissa representa a concentração do extrato testado e a ordenada à proporção da porcentagem da atividade antioxidante (Mensor et al., 2001).
Reação com o cátion radicalar ABTS - É outro método espectrofotométrico muito aplicado para analisar compostos hidrofílicos ou lipofílicos. Este método é bastante utilizado em compostos fenólicos por apresentar propriedades eletrônicas do cátion-radical em doar elétrons e formar ligações de hidrogênio.
A reação é monitorada por ensaios espectrofotométricos medindo a absorvância a 734 nm, valor característico para detectar a reação do composto em estudo com o cátion ABTS (Pannala et al., 2001). O esquema das reações envolvendo o cátion radicalar ABTS está representado na Figura 4 (Pannala et al. 2001).
RELAÇÃO ESTRUTURA-ATIVIDADE (SAR)
O estudo das relações estrutura-atividade de um composto-protótipo e seus análogos auxilia na determinação de quais partes da molécula são responsáveis pela atividade biológica, ou seja, o grupo farmacóforo (Thomas, 2000).
As relações estrutura-atividade geralmente são elaboradas alterando-se parte da estrutura química do protótipo e observando-se qual influência na atividade sob o ponto de vista quali e quantitativo. Pode-se alterar a dimensão e a conformação do esqueleto de carbono, a natureza e o grau de substituição, ou ainda a estereoquímica (Thomas, 2000).
A atividade antioxidante está altamente relacionada à capacidade de doação de elétrons. A etapa de transferência do hidrogênio tem se destacado, mas a atividade antioxidante não depende apenas força de energia da ligação O-H. A estabilização das espécies cátion-radicalar e radicalar formadas também deve ser considerada (Equação 2) (Wright et al., 2001; Cao et al., 2005).
Muitos fatores influenciam a atividade antioxidante dos compostos de natureza fenólica, em especial a posição de substituição e o número de grupos hidroxila (OH), as propriedades de outros grupos substituintes e a possibilidade de formação de ligações de hidrogênio. A posição de substituição da hidroxila no anel fenólico, considerada em relação a uma posição fixa, influencia diretamente a atividade antioxidante. Compostos contendo a hidroxila em para (posição 4) são mais ativos do que aqueles substituídos em orto ou meta (posições 1 e 2, respectivamente) (Pannala et al. 2001; Cheng et al., 2002, 2003).
Os flavonóides são os compostos de maior interesse científico entre os fenólicos. A seguir, está representada a fórmula estrutural do um flavonóide, o flavon-3-ol, com a numeração nos carbonos e nomenclatura dos anéis.
Compostos com dois (mais comum) ou três substituintes grupos hidroxilas no anel benzênico possuem maior atividade antioxidante do que os mono-hidroxilados, de acordo com a relação apresentada na Figura 5 (Pannala et al. 2001; Cheng et al., 2002, 2003).
Na presença de grupo hidroxila substituído em posição orto e/ou para em anel contendo heteroátomo nitrogênio ou oxigênio, a atividade antioxidante é potencializada por efeito de ressonância entre o par de elétrons do tipo p do heteroátomo e o radical fenóxi formado. As moléculas apresentadas na Figura 6 possuem atividade antioxidante comprovada por apresentarem heteroátomo oxigênio em orto (Zhang, 1999; Pannala et al., 2001):
As ligações de hidrogênio no composto na forma neutra não aumentam a atividade antioxidante, mas após a abstração do hidrogênio fenólico, estabilizam o radical, favorecendo a ação.
A baixa atividade antioxidante na wogonina, molécula representada na Figura 7, que possui um OH resorcinólico, se deve à estabilização do composto que se encontra em equilíbrio químico estabelecido entre os anéis cromanóide conjugado e anel resorcinólico. De forma análoga, encontramos o equilíbrio entre os grupos OCH3 e OH (Zhang, 1999; Cheng et al., 2002, 2003).
Em 2001, por meio de estudo cinético, Pannala e colaboradores (Pannala et al., 2001) avaliaram a capacidade antioxidante de substâncias derivadas de flavonóides, verificando as seguintes características estruturais em relação à estrutura protótipo apresentada na Figura 8.
A posição do grupo hidroxila no anel B tem papel importante na presença da atividade antioxidante. Assim, a posição para (C4´) favorece essa ação, sendo que será reduzida ou ausente quando o grupo hidroxila estiver em posições orto e meta. A presença de um segundo grupo hidroxila no anel B potencializa a atividade antioxidante;
A presença de dissubstituição o-diidroxi no anel B e da dupla ligação C2-C3, conjugada ao grupo 4-oxo (C4), no anel C (como observado nas flavonas) é essencial à atividade antioxidante;
A presença de grupo hidroxila na posição 3 do anel heterocíclico C (C3) contribui na atividade antioxidante;
Grupos hidroxila nas posições 5 e 7 do anel A são de menor importância;
Compostos diidroxilados possuem maior atividade quando comparados com outros compostos monoidroxilados estudados, mostrando maior conjugação entre o grupo hidroxila da posição 4' e o presente na posição 3 do anel C;
Compostos com três grupos hidroxilas são mais ativos que os diidroxilados.
Cheng e colaboradores em trabalho que analisou comparativamente a atividade potencial antioxidante de 15 moléculas, por modelagem molecular, observaram a reatividade do ácido gálico e pirogalol (Figura 9). Entretanto, ressaltaram também a elevada atividade pró-oxidante em soluções de pirogalol e ácido gálico devido à pró-oxidação em espécies quinóides, como mostrado no Figura 10 (Pannala et al., 2001; Cheng et al., 2003).
Reportaram a redução do Fe III ao Fe II provocada por estes compostos em incubação, influindo na reação de Fenton (Equação 3) e formação de radicais OH•. Ocorre, também, auto-oxidação, produção de H2O2, aumentando a concentração de radicais hidroxila segundo a reação de Fenton e ciclo Haber-Weiss (Equação 4):
Às propriedades eletrônicas soma-se a lipofilicidade (Cheng et al., 2002; Ghose et al., 1988), que representa a afinidade de uma molécula ou de um fragmento por ambiente lipofílico (Ghose et al., 1988; Leach, 2001). O cálculo de propriedade lipofílica é adicional aos processos de cálculos de energia e análise conformacional. Esta propriedade está relacionada ao coeficiente de partição (LogP). Quanto maior o coeficiente de partição, maior a afinidade da substância pela fase orgânica e, conseqüentemente, a lipofilicidade do composto.
O coeficiente de partição é definido pela razão entre a concentração da substância na fase orgânica e sua concentração na fase aquosa em um sistema de dois compartimentos sob condições de equilíbrio, podendo ser obtido por método experimental, como por determinação por shake-flasK, ou ainda por método teórico, como o desenvolvido por Ghose-Pritchett-Crippe, disponível nos programas de Modelagem Molecular (Ghose et al., 1988).
A Modelagem Molecular pode ser utilizada como ferramenta, calculando propriedades físico-químicas de compostos em estudo, como a lipofilicidade, entalpia de formação, dentre outras. Assim, pode-se empregar programas de Modelagem para obtenção teórica do parâmetro de lipofilicidade de substâncias.
A aplicação tópica de antioxidantes reduz os danos oxidativos induzidos pela radiação UV. Em um estudo realizado, soluções aquosas de ácidos caféico e ferrúlico, em pH 3 e 7,2 foram testadas topicamente e foi observada a permeação cutânea. A lipofilicidade do ácido ferrúlico é maior que do ácido caféico e atribuiu-se este fato sua maior penetração através do estrato córneo, reduzindo o eritema induzido pelos raios UV (Saija et al., 2000).
A quercetina é um excelente antioxidante e diminui a peroxidação lipídica induzida pelos raios UV. Porém, grande insolubilidade em meio aquoso dificulta sua biodisponibilidade e limita sua ação como agente fotoprotetor. Por meio de esterificação da hidroxila da posição 3 da molécula da quercetina com alcoóis de cadeias alifáticas de diferentes tamanhos foram obtidos os ésteres acetato (Q-ac), proprionato (Q-pr) e palmitato (Q-pal) de 3-O-quercetina, que se apresentaram como eficazes agentes fotoprotetores (Saija et al., 2003).
A Modelagem Molecular envolve cálculos de parâmetros selecionados para determinada molécula, fornecendo informações sobre suas propriedades (Cohen, 1996).
Os métodos de estimativa ou cálculo de propriedades moleculares podem ser divididos em (Cohen, 1996):
Interpolação: a correlação é encontrada entre a propriedade ou característica desejada e outras propriedades ou características moleculares;
Extrapolação: a correlação não inclui a molécula de interesse, mas extrapolando a correlação é possível estimar a propriedade desejada.
Cálculos computacionais: cálculos das propriedades moleculares realizadas por computador, com níveis diversos de variáveis, que podem substituir as medidas experimentais quando o procedimento necessário é muito elaborado ou de difícil realização (Cohen, 1996).
Algumas propriedades como: energia de formação, energia de ativação, momento de dipolo, características de orbitais moleculares, eletrônicas, atômicas, de ligações, polarizabilidade, caráter hidrofóbico, e outras como coeficiente de partição (logP) e refratividade molar (MR) podem ser originados por através de cálculos computacionais que incluem mecânica molecular, métodos semi-empíricos, cálculos ab initio e outros métodos empíricos (Cohen, 1996; Sant'Anna, 2002).
Os três principais métodos teóricos para cálculos computacionais de propriedades podem ser classificados em métodos empíricos (mecânica molecular), métodos semi-empíricos e cálculos ab initio (Cohen, 1996).
Mecânica molecular e métodos semi-empíricos envolvem cálculos por meio de parametrizações e cálculos ab initio reproduzem um experimento sem utilizar parâmetros. Os melhores resultados obtidos nos dois primeiros métodos são aplicados em interpolações com dados experimentais (Cohen, 1996; Leach, 2001).
Cálculos semi-empíricos são baseados em mecânica quântica, envolvendo funções de onda que incluem orbitais de Slater (STO) e de Gaussian (GTO). Métodos semi-empíricos tratam linearmente combinações dos orbitais interagindo computacionalmente com um campo de força estável (SCF) e permitindo a minimização de energia do sistema (Cohen, 1996).
Os métodos semi-empíricos diferem entre si pelas aproximações ao considerar a repulsão dos elétrons de diferentes orbitais. Estas aproximações são realizadas com valores de parametrização correspondentes aos obtidos por cálculos ab initio e/ou experimentais. Os métodos recentes usam parametrizações oriundas de cálculos ab initio baseados na teoria de Huckel estendida e no programa CNDO (Complete Neglet of Differential Overlap), que auxiliam nos cálculos de orbitais e cargas. A fim de obter dados mais seguros quanto à energia, métodos semi-empíricos aperfeiçoados foram introduzidos como MINDO-3 (Modified Intermediate Neglect of Differential Overlap), MNDO (Modified Neglect of Diatomic Overlap) e AM1 (Austin Model 1) (Cohen, 1996; Sant'Anna, 2002).
Baseando-se nestas propriedades e em estudos prévios que correlacionam a estrutura química com a atividade biológica e o pesquisador em modelagem molecular analisa a série de moléculas para as quais efetuou os cálculos computacionais e pode predizer a atividade esperada. As análises experimentais serão necessárias para a validação da hipótese aventada.
Atividade antioxidante e parâmetros físico-químicos
A atividade antioxidante encontra-se diretamente relacionada às propriedades eletrônicas das substâncias, que podem ser representadas nos estudos de modelagem molecular, por meio de cálculos de parâmetros, mencionados a seguir:
DHf: diferença de energia de entalpia entre as espécies radicalar (obtida após a abstração do hidrogênio) e neutra (fenólica). Representa a força de ligação hidroxila (Zhang, 1999; Cheng et al., 2002, 2003);
DHox ou Ea: diferença de energia de entalpia entre as espécies catiônica e neutra. A espécie catiônica seria gerada a partir da transferência de um único elétron da espécie neutra (Cheng et al., 2002, 2003);
EHOMO: energia do orbital molecular ocupado de maior energia (HOMO - Highest Occupied Molecular Orbital). Parâmetro representativo da capacidade de doar elétrons (Zhang, 1999; Cheng et al., 2002, 2003);
ELUMO, parâmetro relacionado à capacidade de receber elétrons de uma molécula, representada pela energia do orbital molecular desocupado de menor energia, (LUMO- Lowest Unoccupied Molecular Orbital) (Zhang, 1999; Cheng et al., 2002, 2003);
(H-L)Gap, que representa a reatividade do composto. Quanto mais reativo, menor o intervalo (Gap). É obtido pela diferença de energia entre os orbitais HOMO e LUMO (Cheng et al., 2003);
Distribuição de spin: quanto maior a capacidade de hiper-conjugação de spin no anel aromático da espécie radicalar intermediária formada, maior sua estabilização e maior seu efeito anti-radicalar (Cheng et al., 2003).
Na literatura disponível sobre o estudo da atividade antioxidante empregando modelagem molecular encontramos controvérsias: parâmetros representando a capacidade de doar elétron (EHOMO) indicam boa predição da atividade antioxidante em tocoferóis, mas que pode ser incorreta quando aplicada aos flavonóides, resultado atribuído à formação de ligações de hidrogênio intramoleculares nestes últimos. Assim, EHOMO pode indicar relativa predição de atividade em moléculas de estruturas químicas diferentes/diversas, com e sem grupos metila em meta. Este fato não foi observado para o DHf, justificando o fato de alguns autores defenderem a predição da atividade somente pelo parâmetro DHf afirmando ser o HOMO de capacidade superficial (Zhang, 1999; Cheng et al., 2003).
De modo geral, tem-se observado em estudos de modelagem molecular que o aumento da cinética da reação entre os compostos fenólicos e radicais hidroxila aumenta com a capacidade de doar elétrons (EHOMO) e a entalpia de transferência de um único elétron (Ea), mas é inversamente proporcional ao valor da energia de dissociação da ligação O-H (DHf) e distribuição de spin após a abstração do H (Dsr) (Cheng et al., 2003).
Scotti (2006) realizou estudo de Modelagem Molecular onde os parâmetros físico-químicos descritos acima foram calculados de compostos fenólicos com potencial antioxidante pertencentes à espécie Chimarrhis turbinata e Arrabidea samydoides (Figuras 11 e 12). Utilizou-se o programa HyperChem 6.0, otimização da geometria foi feita, adotando-se o método semi-empírico AM1 (Austin Model 1) (Dewar et al., 1985). As estruturas otimizadas das espécies neutras foram submetidas à análise conformacional e o confôrmero de energia mínima no estado gasoso foi selecionado e utilizado para prosseguir no cálculo de parâmetros físico-químicos. Posteriormente foram submetidos à regressão linear, utilizando os programas BILIN e BuildQsar. A matriz de correlação é apresentada na Tabela II.
Preferencialmente usaram-se na mesma equação coeficientes de correlação < 0,5. A presença de duas ou mais variáveis na mesma equação não mostra acréscimo do valor de F, como é esperado quando aumenta o número de variáveis independentes. Levando em conta a definição do valor de F, concluímos que a somatória do resíduo não diminuiu suficientemente com relação aos graus de liberdade. As equações que correlacionam a atividade antioxidante com apenas uma variável foram mais significativas nessa análise.
A análise quantitativa, após o ajuste de pontos no plano valores preditos versus observados, indicou a remoção dos outliers (Mol 1, 3, 6 e 10f). Nestas moléculas existem características que não são explicadas pelo modelo encontrado. A grande diversidade estrutural na série de compostos estudados pode ser um dos motivos para serem outliers, sendo muito difícil obter um modelo que explique características de toda série. Após a retirada destas moléculas obteve-se correlação significativa com EHOMO e com ELUMO e menor com DHOX, como podemos observar nas equações que seguem:
As melhores equações representam os parâmetros EHOMO e, posteriormente, ELUMO. Isto indica a estreita ligação entre atividade antioxidante exercida pelo composto e suas características eletrônicas calculadas por modelagem molecular. A capacidade de doar elétrons está diretamente ligada à reatividade da molécula na neutralização de radicais livres. A ELUMO, representando a facilidade do composto de receber elétrons, também influi, mas em menor proporção.
Pelas equações encontradas, notamos que tanto a EHOMO quanto a ELUMO contribuem, embora em proporções diferentes, em relação diretamente proporcional com a atividade antioxidante. Essas observações realizadas por meio da aplicação do modelo clássico de QSAR são concordantes com o raciocínio de que a atividade anti-radicalar de um composto é mais complexa que a abstração do hidrogênio do grupo hidroxila, aqui representado pelo parâmetro DHf.
Por meio de cálculos dos parâmetros e do estudo das relações estrutura-atividade das moléculas potencialmente antioxidantes, pode-se determinar o grupo farmacofórico necessário à atividade e, posteriormente, seleção dos compostos de interesse dentro da série em questão.
A Modelagem Molecular é ferramenta inovadora que pode ser utilizada na área de Cosmetologia, possibilitando a identificação de moléculas antioxidantes protótipos, com vistas à aplicação na área antienvelhecimento.
É importante ressaltar a importância da Modelagem Molecular como planejamento racional da pesquisa, não substituindo ensaios de avaliação de eficácia cosmetológica, mas sim alcançando resultados com menor intervalo de tempo e custo.
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