Características estruturais de benzodiazepínicos

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Química Farmacêutica Medicinal 
Profa. Dr. Carolina Horta Andrade 
Aula Prática 
 
Estudo das características e propriedades dos fármacos benzodiazepínicos 
 
1. Introdução 
Os benzodiazepínicos são fármacos utilizados como ansiolíticos, hipnóticos, pré-anestésicos, 
anticonvulsivantes e relaxantes musculares. Possuem alta eficácia e relativa segurança. 
Grande parte das ações benzodiazepínicas (anticonvulsivantes e miorrelaxantes) resultam 
da sua capacidade de potencializar a ação inibidora neuronal que é mediada pelo ácido 
gama-aminobutírico (GABA). Os efeitos ansiolíticos e hipnóticos são relacionados a 
diminuição da taxa de renovação das catecolaminas e da serotonina.1 
 
Figura 1. Estrutura química geral dos benzodiazepínicos. 
 
1.1. Relação entre estrutura e atividade dos benzodiazepínicos1,2 
a) Essenciais para atividade hipnótica e ansiolítica: 1-N, 4-N, 5-fenila; 
b) Derivados 7-cloro ou 7-bromo: atividade ansiolítica predominante; 
c) Derivados 7-nitro: atividade hipnótica e anticonvulsivante predominante 
d) Anel A: 
i. Aromático ou heteroaromático: interação hidrofóbica com o receptor; 
ii. Heteroátomo: diminui atividade ansiolítica; 
iii. Grupo aceptor de elétrons em C7: aumenta atividade; 
iv. Grupos em C6, C8, C9: diminui atividade (anel A). 
e) Anel B: 
i. Anel 1,4-benzodiazepínico é essencial para a atividade biológica; 
ii. Grupo aceptor de elétrons em C2 aumenta interação com receptor; 
iii. Troca de O por S pode afetar seletividade pela interação a subpopulações do 
receptor, porém não altera a atividade; 
iv. Substituição da posição 4 por grupo metílico dá origem a substâncias antagonistas 
(e.g., flumazenil); 
v. Hidroxila em R3: mesma potência e excreção mais rápida. 
f) Anel C: 
i. O substituinte 5-fenila (anel C) aumenta muito a potência. Pode ser substituído por 
um anel de cinco membros fundidos à posição 3 e 4; 
ii. A substituição do anel C na posição 5 por uma função cetônica dá origem a 
substâncias antagonistas (e.g., flumazenil); 
iii. Grupos aceptores de elétrons nas posições orto aumentam a atividade, e em outras 
posições, diminuem. 
O antagonista benzodiazepínico flumazenil bloqueia a ação sedativa de substâncias que 
agem nos receptores dos benzodiazepínicos, e pode ser útil na reversão da superdosagem 
por benzodiazepínicos (Figura 2).1 
 
Figura 2 – Estrutura química do flumazenil, ressaltando as modificações moleculares que o 
tornam antagonista de receptor GABAA. 
 
1.2. Diferenças e semelhanças estruturais entre agonistas e antagonistas 
benzodiazepínicos1,2 
a) Anéis A e B semelhantes; 
b) Presença de uma carbonila no C5 do flumazenil e ausência do anel C; 
c) Função 1,4-benzodiazepínica superponível; 
d) A estrutura etil-imidazol-3-carboxilato no flumazenil é fundamental para ação antagonista; 
e) Distância entre o anel A e carbonila em C2 define o caráter agonista ou antagonista (no 
antagonista, a distância é maior). 
 
2. Objetivos da aula 
2.1 Desenho e visualização 3D do Diazepam (agonista) e do flumazenil 
(antagonista); 
2.2 Realizar a análise conformacional desses fármacos; 
2.3 Analisar o grupo farmacofórico dos benzodiazepínicos; 
2.4 Analisar as semelhanças e diferenças estruturais entre agonista e antagonista. 
 
3. Roteiro da aula 
3.1. Desenho das estruturas 
Desenhe as estruturas usando a ferramenta SkecthEI. Abra o programa Vega ZZ, clique em 
Edit – SkecthEI. Preste bastante atenção na estereoquímica das moléculas! Depois que 
desenhar a molécula, clicar em Send to Vega. Minimize a tela do SketchEI e verifique se a 
estrutura foi está correta no Vega. Se estiver errada, maximize a tela do SketchEI, corrija e 
clique novamente em Send to Vega. Caso esteja correta, feche o SketchEI para impedir que 
o Vega trave. 
 
Figura 3. Estruturas químicas do diazepam e do antagonista benzodiazepínico flumazenil. 
 
3.2. Cálculo de cargas parciais e minimização da energia 
a) Cálculo de cargas parciais: Clicar em Calculate – Charge & Potencial – marcar 
Force Field – MM2 e Charges – Gasteiger. Clicar em Fix. A carga total do sistema 
deverá ser zero. Se a carga não for 0.00, conferir a estrutura – deve ter algum erro! 
b) Minimização de energia: Calculate – Ammp – Minimization. Marcar Conjugate 
gradient e ajustar os passos da minimização: Minimization steps 1000 e toler 0.01. 
Clicar em run. Salvar o arquivo em .iff. 
3.3. Análise conformacional 
a) Clicar em Calculate – Ammp – Conformational Search – Clicar no campo edit torsions: 
uma nova janela abrirá. Clicar em Edit – Add – Torsions - Flexibe. Todos os ângulos 
torsionais serão automaticamente adicionados na lista de seleção. Clicar em Done e 
a janela da análise conformacional Ammp irá aparecer. 
b) Ajustar o número de passos – Steps = 6, o que signifca que uma rotação de 60° será 
realizada para cada passo. No campo método, da caixa Search Parameters, 
selecionar Systematic. Selecionar Minimize all conformations, colocar 20 no campo 
Steps e 0,01 em Toler, assim cada conformação gerada será minimizada utilizando 
os gradientes conjugados. A análise conformacional terminará quando o número de 
passos especificado é alcançado ou o critério de tolerância é satisfeito. 
c) Para analisar todas as conformações geradas, é necessário clicar nos campos 
Trajectory, Output e Energy. Colocar 1 em Graphic Updates. 
d) Clicar em Run para iniciar os cálculos. No console, irá aparecer cada conformação 
com os valores de energia inicial (v), a menor energia encontrada em um determinado 
tempo (vb), e a energia após a minimização (vmin). 
e) Após alguns minutos, a análise conformacional terminará e a melhor conformação 
(menor energia) será automaticamente carregada na tela. Anotar o valor da menor 
energia na tabela do Exercício 4.1. 
f) Salvar a molécula na extensão .pdb. Em Options, marcar Conectivity e 
Constraints. d. Para obter os parâmetros e completar a tabela: View – 
Information – Calculate. 
3.4. Cálculo de propriedades moleculares 
3.4.1. Cálculo de fórmula molecular, volume molecular, área superficial, momento 
dipolar e loP (Crippen): 
a) Clicar no menu View – Information. Clicar em Calculate. 
b) Anotar os valores que foram calculados (Exercício 4.1). 
3.4.2. Cálculo de similaridade entre os fármacos 
a) Abra as duas moléculas simultaneamente no Vega: File – Open – Append (selecionar 
fármaco na extensão .iff). 
b) Cálculo da similaridade: Calculate – Similarity – e clicar (selecionar) três pares de 
átomos de uma molécula e da outra – Clicar no átomo de Cloro e Flúor, depois em 
dois carbonos do anel A de cada molécula - Superimpose. 
3.4.3. Cálculo da distância entre o anel A e a carbonila C2 (Å) 
a) Abrir o programa de visualização DS Viewer Pro 6.0 e abrir os dois 
arquivos .pdb a. View – Display Style – Stick 
b) Calcular a distância entre o anel A e a carbonila em C2 – selecionar os átomos C7 do 
anel A e C2 do anel B (utilizar a tecla Shift para selecionar os dois átomos) – Tools – 
Monitors - Distance. 
3.5. Visualização das estruturas 
Observe as características geométricas e moleculares essenciais para a atividade biológica 
dessa classe de fármacos (visualizar nos modelos stick solid e CPK), atentando-se para: 
a) Semelhanças da conformação dos anéis A e B; 
b) Distância entre o anel A e a carbonila de C2; 
c) Diferenças básicas entre os agonistas e antagonistas. 
 
4. Relatório de aula prática 
Questão 4.1. Anote na tabela abaixo as propriedades moleculares obtidas pela análise 
comparativa dos fármacos Diazepam e Flumazenil. 
 
Fármaco Energia 
total 
(Kcal/mol) 
Fórmula 
molecular 
Volume 
molecular 
(Å3) 
Momento 
dipolar 
(Debye) 
LogP 
(Crippen) 
Distância entre 
anel A e 
carbonila C2 
(Å) 
Diazepam 61, 023422 C16H14N2OCl 248,8 1,5234 2,6069 5,045 
Flumazenil 77,193695 C15H14N3O3F 258,9 0,7568 1,6445 7,828 
 
Questão 4.2. Com base nessas informações, comentesobre as diferenças e semelhanças 
entre agonista e antagonista benzodiazepínico, a importância do grupo farmacofórico para 
interação com o receptor e a influência de grupos adicionais na ação dos fármacos. 
Resposta: 
 
 
 
 
 
 
 
 
As semelhanças e diferenças entre agonistas e antagonistas benzodiazepínicos são: 
(1) Os agonistas apresentam anéis A, B e C enquanto que os antagonistas apresentam 
apenas anéis A e B, sendo os anéis A e B semelhantes; 
(2) A distância entre o anel A e a carbonila em C2 define o caráter agonista ou antagonista 
da molécula. Tendo os antagonistas uma maior distância e os agonista uma distância 
menor; 
(3) Há presença de uma carbonila na posição C5 dos antagonistas enquanto que nos 
agonistas há presença do anel C. 
(4) Nos antagonistas, há substituição da posição 4 do anel B por um grupamento metílico, 
sendo fundamental para ação antagonista; 
(5) Na posição C7 há um grupo aceptor de elétrons, tanto em agonistas quanto em 
antagonistas; 
A 
A B 
B 
C 
(6) Os antagonistas tem o grupamento etil-imidazol-3-carboxilato que é essencial para ação 
antagonista. 
O grupo farmacofórico é importante para interação com o receptor porque são eles que 
realizam as interações intermoleculares mínimas e necessárias para ação da 
molécula/fármaco no sítio/receptor. 
Os grupos adicionais podem influenciar na ação dos fármacos diminuindo ou aumentando 
sua potência, mudando características físico-químicas e/ou mudando o caráter agonista ou 
antagonista dos fármacos. Por exemplo, se houver substituição nas posições 6, 8, ou 9 do 
anel A haverá perda a atividade biológica do fármaco; no entanto, quanto maior for a 
eletronegatividade do grupo retirador de elétrons da posição 7, maior será a atividade do 
fármaco. Outros exemplos são: se o anel C dos agonistas forem substituídos por grupos 
retiradores de elétrons na posição orto ou di-orto haverá aumento da atividade biológica do 
fármaco; inserção de uma hidroxila na posição 3 aumentará a hidrossolubilidade do fármaco; 
se a posição 7 for substituída por Cl ou Br a molécula terá maior caráter ansiolítico; se a 
posição 7 for substituída por grupamento nitro a molécula terá maior caráter hipnótico e 
anticonvulsivantes; o anel C aumenta as interações estéricas com o receptor, no entanto, não 
é essencial para atividade biológica; se a posição C5 for substituída por grupamento cetônico 
o fármaco terá caráter antagonista enquanto que se a substituição for a fenila o fármaco terá 
caráter agonista. 
 
 
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
1 BRUNTON, L. L.; LAZO, J. S.; PARKER, K. L. GOODMAN & GILMAN: As bases 
farmacológicas da terapêutica, 11 ed., 16: 360-370, 2007. 
2 STERNBACH L. H. The benzodiazepine story. Journal of Medicinal Chemistry, v.22(1): 1–7, 
1979.