Análise das características estruturais de derivados de indolocarbazolas envolvidas na complexação a receptores alvo

Abstract

Indolocarbazoles (ICZs) are glycosylated natural products presenting wide chemical di- versity and a broad spectrum of biological activity, notably antitumor, antimicrobial and antiviral. Through different synthetic approaches, this class of small ligands has already been complemented with a variety of chemical modifications aiming to improve its bioavailability and specificity. While complexes of ICZs with target proteins are known, thus supporting structure-based optimization of ligands bioactive properties, the con- formational properties of flexible substituents on ICZs, such as carbohydrates, are still partially inaccessible to classical structural biology methods. As a complement to these methods, molecular mechanics-based calculations can offer a unique set of data to assess the conformational ensemble of flexible molecules and provide useful structural details to improve therapeutic properties through conformational-activity and structure-activity relationships. In order to evaluate the conformational features of ICZs and their inter- actions in aqueous solvent, molecular dynamics simulations were performed using the GROMOS force field. Specific parameters for the description of ICZs were derived from quantum calculations and adjusted to experimental data from nuclear magnetic resonance spectroscopy to reproduce in molecular mechanics the flexibility and electrostatic poten- tial involved in intermolecular interaction of these ligands. Metadynamics calculations supported the systems enhanced sampling and elucidated the compounds conformational ensemble. From the new topological parameters, it were carried out simulations of 30 ICZ derivatives presenting different substitution patterns and carbohydrate moieties. Some variations on the substitution network were shown to be involved in changes in water interaction features and dihedral rotational freedom. The frequent interconversion between carbohydrate conformers expanded the perception of the conformational space of ICZs in solution, while it matches with the conformational selection of the ligand for target complexation and exposes the limiting character of the classical approaches to describe these ligands conformations. The presence of halogen substituents and the combination of neighboring polar groups increase their affinity for hydrogen interactions with the solvent, which can affect the free energy to complexation with target proteins due to variations in desolvation energy costs. The use of computer simulations with parameters calibrated to experimental data can provide accurate information on the dynamics of ICZs in solution. The unique possibility to assess biologically relevant conformational states and availability for intermolecular interactions can guide the rational design of ligands with improved distribution and selectivity, and thus, to expand the therapeutic potential of ICZs.

Indolocarbazolas (ICZs) são produtos naturais glicosilados com amplas diversidade química e espectro de atividade biológica, notadamente, antitumoral, antimicrobiana e antiviral. Por diferentes abordagens sintéticas, esta classe de pequenos ligantes é complementada com uma variedade de modificações químicas que visam melhorar sua biodisponibilidade e especificidade. Embora sejam conhecidos complexos de ICZs com proteínas alvo, apoiando a otimização das propriedades bioativas dos ligantes baseada em estrutura, as proprie- dades conformacionais dos substituintes flexíveis em ICZs, como carboidratos, ainda são parcialmente inacessíveis aos métodos clássicos de biologia estrutural. Como complemento a esses métodos, cálculos de mecânica molecular podem oferecer dados exclusivos para acessar o conjunto conformacional de moléculas flexíveis e fornecer detalhes estruturais úteis para melhorar os recursos terapêuticos por meio de relações conformação-atividade e estrutura-atividade. A fim de avaliar as características conformacionais de ICZs e suas interações no solvente aquoso, simulações de dinâmica molecular foram realizadas através do campo de força GROMOS. Parâmetros específicos para a descrição de ICZs foram derivados de cálculos quânticos e ajustados a dados experimentais de espectroscopia de ressonância magnética nuclear para reproduzir na mecânica molecular a flexibilidade e o potencial eletrostático envolvido na interação intermolecular desses ligantes. Cálculos de metadinâmica apoiaram a amostragem ampliada dos sistemas e elucidaram o conjunto conformacional das estruturas. A partir dos novos parâmetros topológicos, foram realizadas simulações de 30 derivados de ICZs com diferentes padrões de substituição e porções sacarídicas. Algumas variações na rede de substituição mostraram estar envolvidas em modificações nas características de interação com a água e liberdade rotacional de diedros. A frequente interconversão entre confôrmeros de carboidratos ampliou a percepção do espaço conformacional de ICZs em solução, enquanto concorda bem com o princípio de seleção conformacional do ligante para a complexação ao alvo e revela o caráter limitante das técnicas experimentais clássicas para a descrição da conformação dessas moléculas. A presença de substituintes halogênicos e a combinação de grupos polares vizinhos aumentam a afinidade para ligações de hidrogênio com o solvente, o que pode afetar a energia livre de complexação a proteínas alvo, devido a variações nos custos energéticos de dessolvatação. O uso de simulações computacionais com parâmetros calibrados para dados experimentais pode fornecer informações precisas da dinâmica de ICZs em solução. A possibilidade única de acessar estados conformacionais e a disponibilidade para interações intermoleculares biologicamente relevantes pode orientar o desenho racional de ligantes com distribuição e seletividade melhoradas e assim, expandir o potencial terapêutico de ICZs.