Thermodynamic and Structural Description of Relative Solubility of Rutin by DFT Calculations and Molecular Dynamics Simulations
Details
- Presentation type: Apresentação de Pôster / Poster Communications
- Track: Computational Chemistry
- Keywords: dinâmica molecular; DFT; Solubilidade; flavonóides;
- 1 Universidade Federal Fluminense
- 2 Departamento de Química Inorgânica / Instituto de Química / Universidade Federal Fluminense
- 3 Miami University
Thermodynamic and Structural Description of Relative Solubility of Rutin by DFT Calculations and Molecular Dynamics Simulations
Haroldo Candal da Silva
Universidade Federal Fluminense
Abstract
A solubilidade da rutina é muito baixa no solvente biológico (água), o que limita a exploração de suas atividades biológicas relevantes.
Os cálculos DFT e de Dinâmica Molecular podem gerar resultados termodinâmicos e estruturais importantes sobre o processo de solvatação da molécula de um determinado soluto.
Os resultados DFT (levando em consideração o efeito do solvente pelo modelo do contínuo polarizável) para as energias livres de solvatação da rutina em diferentes solventes descrevem bem as variações da solubilidade desse flavonoide.
Simulações de Dinâmica Molecular foram realizadas e a energia livre de solvatação foi estimada pelo método perturbativo MBAR. Os resultados também condizem com os valores experimentais.
As funções de distribuição radial e espacial (RDF e SDF) mostram que a solvatação da rutina é favorecida em solventes capazes de interagir com grupos hidrofílicos e hidrofóbicos, como os álcoois de baixa massa molecular.
A decomposição da energia livre de solvatação calculada pelo método MBAR nas parcelas eletrostáticas e dispersivas mostra que ambos os tipos de interação favorecem a solvatação do flavonoide, como ocorre nos álcoois de cadeia pequena, o que é condizente com as previsões da análise estrutural.
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Haroldo Candal da Silva
Olá Lucas, obrigado pela pergunta, muito relevante por sinal. Vou destacando em negrito o que eu gostaria de enfatizar.
De fato o modelo escolhido para simular a presença do solvente afeta muito a energia do sistema. A grande vantagem das simulações MD é que ela considera o solvente explicitamente, as interações se formam por conta das atrações entre as cargas e o campo de forças se encarrega de contabilizar essas interações energeticamente nas várias conformações que a dinâmica acessa ao longo da simulação. Quando migramos para cálculos DFT, como você bem citou, perdemos espaço conformacional, porque a otimização alcança um mínimo da PES e as correções térmicas são calculadas para esta geometria congelada, no meio de um contínuo com uma certa constante de polarização. Ou seja, ganhamos acurácia com a Mecânica Quântica, mas perdemos ao considerar o solvente de forma mais aproximada e confiar em apenas uma geometria, obtida no cálculo de otimização.
Por isso o modelo PCM (sem as importantes keywords DIS REP CAV) não forneceram um bom acordo. A importância da energia livre associada à criação da cavidade no meio do solvente é realmente muito importante e o acordo com o experimento foi maior quando incluímos essas contribuições extras pelas keywords DIS REP CAV. O modelo SMD é o mais indicado para cálculos de energia livre de solvatação (por isso ele foi incluído no trabalho) e o acordo foi razoável para os solventes de mesma natureza (metanol, etanol, 1-propanol, ...), mas de fato não foi bom para os dois principais solventes dessa investigação: água e metanol (quando saímos de um solvente inorgânico para um orgânico). Eu não acho que seja uma limitação do modelo de solvatação... Acredito que essas energias dependem muito da geometria usada, ou seja, pode ser que a rutina mereça uma boa análise conformacional em SMD e não apenas um cálculo de otimização como fizemos. Talvez alguns cálculos de scan nos diedros, fazer várias otimizações diferentes para ver se há outras geometrias mais interessantes.
Uma outra abordagem que temos feito é a extensa análise conformacional acoplada com RMN, como fizemos na rutina mesmo, em PCM [1]. Me deu vontade de repetir o trabalho desse artigo em SMD, mas isso dá uma bela dor de cabeça rs.
Lucas Andrade Silva
Obrigado pela resposta bem completa Haroldo! Parabéns e sucesso na sequência dos trabalhos!