Estudio teórico de endocanabinoides análogos a anandamida

Estudio te�rico de endocanabinoides an�logos a anandamida¹

Theoretical study analog a endocannabinoids anandamide

Estudo te�rico an�logo a anandamida endocanabin�ides

Luis Carlos Garc�a S�nchez²

Julie Gesselle Benavides Melo³

Fabio Mayorga⁴

¹Art�culo de Investigaci�n financiado por el Centro de Investigaciones y Desarrollo Cient�fico de la Universidad Distrital Francisco Jos� de Caldas.

²Profesor del Proyecto Curricular de Licenciatura en Qu�mica, coordinador de Laboratorio, Universidad Distrital Francisco Jos� de Caldas. Bogot� - Colombia. Contacto: lcgarcia@udistrital.edu.co

³Pontificia Universidad Cat�lica de Chile. Santiago de Chile - Chile. Contacto: juliebenavidesm@gmail.com

⁴Universidad Pedag�gica y Tecnol�gica de Colombia, Tunja - Colombia. Contacto: fabio.mayorga@uptc.edu.co

Fecha de recepción: octubre de 2012 Fecha de aceptación: diciembre de 2012

Resumen

A partir de m�todos computacionales, se estudi� un total de 90 reacciones dise�adas por el grupo de investigaci�n de farmoqu�mica de la UPTC cuya finalidad es la s�ntesis y determinaci�n de posible actividad farmacol�gica de derivados de la anandamida en la enfermedad de Parkinson. Se proponen dos tipos de reacci�n. En el primero se parte del �cido araquid�nico y se pretende sustituir el grupo hidroxilo por diferentes especies (14 en total). En el segundo se parte de una estructura de ariletanolamina en la que se realizan sustituciones de posici�n y grupo funcional (16entotal). Cada una de las reacciones se realiza bajo la influencia de diferentes medios como cloruro de tionilo -SOCl2-, NN-diciclohexilcarboiimida -DCC- y acetonitrilo -CH3CN-. Para determinar cu�l de los caminos de reacci�n propuestos brinda las mejores condiciones en cuanto a favorabilidad, tiempo y rendimiento, se realizaron c�lculos AB-Initio y DFT (Density Functional Theory) empleando la base 3-21G. Los resultados obtenidos permiten afirmar que 16 de las reacciones estudiadas son las m�s viables y que los c�lculos realizados por metodolog�a DFT son los que presentan mayor correlaci�n entre lo te�rico y lo experimental.

Palabras clave:qu�mica te�rica, endocannabinoides, anandamida.

Abstract

From computational methods, we studied a total of 90 reactions designed by the research group of AAUCTU pharmochemical aimed at determining the possible synthesis and pharmacological activity of anandamide derivatives in Parkinson�s disease. We propose two types of reaction. In the first, part of arachidonic acid and is intended to replace the hydroxyl group by different species (14 in total). In the second part of an arylethanolamine structure in which substitutions are made position and functional group (16 in total). Each of the reactions is carried out under the influence of different media such as thionyl chloride, SOCl2-, NN-Diciclohexilcarboiimida-DCC-and-CH3CN-Acetonitrile. To determine which of the proposed reaction pathways, provides the best conditions in terms of favorability, time and performance calculations were made AB-Initio and DFT (Density functional theory), using the 3-21G basis. The results confirm that 16 of the studied reactions are the most viable and calculations by DFT methodology are those with higher correlation between the theoretical and the experimental.

keywords:theoretical chemistry, endocannabinoids, anandamide.

Resumo

A partir de m�todos computacionais, estudamos um total de 90 reações projetados pelo grupo de pesquisa de AAUCTU farmoqu�mica objetivo determinar a poss�vel s�ntese e atividade farmacol�gica de derivados anandamida na doença de Parkinson. Propomos dois tipos de reação. Na primeira, parte do �cido araquid�nico e destina-se a substituir o grupo hidroxilo por diferentes esp�cies (14 no total). Na segunda parte de uma estrutura de ariletanolamina, em que as substituições são feitas posição e grupo funcional (16 no total). Cada uma das reacções � levada a cabo sob a influ�ncia de diferentes meios, tais como cloreto de tionilo, SOCI2-, NN-Diciclohexilcarboiimida-DCC-e-CH 3 CN-acetonitrilo. Para determinar quais das vias de reacção propostas, proporciona as melhores condições em termos de favorecimento, c�lculos de tempo e de desempenho foram realizadas Ab initio e DFT (teoria funcional da densidade), utilizando a base de 3-21G. Os resultados confirmam que 16 das reações estudadas são a mais vi�vel e c�lculos da metodologia DFT são aqueles com maior correlação entre o te�rico eo experimental.

palavra-chave:qu�mica te�rica, endocanabin�ides, anandamida.

Introducci�n

La planta Cannabis sativa ha sido cultivada debido a sus presuntas propiedades medicinales y psicoactivas. El ?9-THC (tetrahidrocannabinol) es conocido como su constituyente principal y en los humanos este ser�a el responsable de inducir cambios en el comportamiento, la percepci�n del tiempo, sonido, color y sabor; adem�s provoca efectos en sitios con actividad motora y control de la postura que probablemente residen en el ganglio basal y el cerebelo, �reas que se encuentran densamente pobladas con sitios ligados a cannabinoides.

La marihuana en el campo m�dico ha sido utilizada debido sus propiedades como relajante muscular, analg�sico, antiinflamatorio, antiespasm�dico, ansiol�tico, broncodilatador, reductor de presi�n intraocular, anticonvulsivante e incluso ha sido utilizada por pacientes con c�ncer como antiem�tico despu�s de sus tratamientos de quimioterapia.

En la actualidad sigue siendo empleada en el tratamiento de diversas enfermedades, tales como glaucoma, asma, c�ncer, migra�a, insomnio, n�useas, esclerosis múltiple, molestias ocasionadas por neuropat�as perif�ricas, entre otros padecimientos neuromusculares. Y se ha demostrado que su acci�n ben�fica tiene origen en la presencia de ?9-THC, raz�n por la cual se ha dado origen a ciertos derivados de car�cter sint�tico.

Por las razones mencionadas anteriormente se increment� el inter�s de la comunidad cient�fica por el estudio de esta especie, sus principales constituyentes, sus caracter�sticas y su mecanismo de acci�n. Esto permiti� el descubrimiento de la anandamida. Inicialmente, el qu�mico israel� Raphael Mechoulam consigui� aislar el principio activo de la planta Cannabis sativa, es decir, eltetrahidrocannabinolo?9-THC; adem�s, logr� explicar sus mecanismos de acci�n. En 1988 fueron descubiertos los receptores espec�ficos para el THC por William Devane y colaboradores y en 1990 Lisa Matsuda y sus colaboradores clonaron estos receptores para ser estudiados. ElTHC no fue encontrado naturalmente en humanos pero la resistencia de un receptor espec�fico para el mismo hizo pensar que este era una imitaci�n de un ligando natural molecular.

Mechoulam, en 1992, logr� identificar una sustancia en el cerebro que actu� sobre el receptor de los cannabinoides. Se trataba de un �cido graso polinsaturado con un enlace qu�mico del tipo amida al que denomin� anandamida. Esta es una sustancia producida y empleada por el cerebro que cuenta con un perfil farmacol�gico similar al que induce ?9-THC, es decir, produce alteraciones en la consolidaci�n de la memoria, hipomotilidad, nocicepci�n, hipotermia, entre otras. Raz�n por la cual se le denomin� endocannabinoide.

La anandamida es qu�micamente conocida como araquidonil etanolamida. Se trata de un compuesto end�geno humano derivado del �cido araquid�nico, que cuenta con actividad cannabinoide. Su acci�n es mediada por receptores cannabinoides CB1 (localizados principalmente en el sistema nervioso central) y CB2 (en el perif�rico) que se encuentran acoplados a prote�nas G. Es un compuesto l�bil, liposoluble, estable a -20�Cen soluci�n con etanol; fue aislado y purificado por t�cnicas cromatogr�ficas y espectrosc�picas. Se ha demostrado la importancia que tiene dicho compuesto en el desarrollo humano, porque participa en el control del movimiento, memoria, emociones, regulaci�n del sue�o, temperatura corporal, modulaci�n del dolor, respuesta de coagulaci�n y respuesta inmune. Se conoce tambi�n que la anandamida produce los mismos efectos que los cannabinoides de origen vegetal: activa funciones cerebrales ligadas a la percepci�n, el aprendizaje, la memoria, el estado de �nimo, el movimiento, la secreci�n de hormonas, etc. Se piensa que la anandamida interviene en la formaci�n de la memoria a corto plazo, ya que en la regi�n cerebral del hipocampo hay una gran proporci�n de receptores cannabinoides.

Pero lo que ha despertado nuestro inter�s principal es que se ha descubierto que puede inhibir la liberaci�n de dopamina estriatal, lo que ha conducido a pensar que el bloqueo de los receptores cannabinoide CB1 permitir�a proteger la adecuada liberaci�n de dopamina estriatal, o al menos dificultar� la gran ca�da de dicho neurotransmisor a los bajos niveles t�picos en la enfermedad de Parkinson y ello podr�a colaborar en el tratamiento paliativo de dicha patolog�a.

Con base en los antecedentes mencionados sobre la influencia que tiene �la marihuana end�gena� en la regulaci�n y liberaci�n de dopamina, adem�s de las investigaciones desarrolladas por Piomelli y colaboradores (Neurosciences Institute of San Diego) en las que se concluye que la degradaci�n de la anandamida puede ser inhibida por componentes del tipo N-aciletanolaminas contenidos en el chocolate. Se dise�aron 90 reacciones para ser estudiadas te�ricamente con el objetivo de depurar este número y considerar cu�les de ellas ser�an las m�s viables. Posteriormente ser�n sintetizadas y ensayadas farmacol�gicamente aquellas que hayan salido favorecidas por el estudio te�rico. Dentro de las reacciones propuestas se encuentran derivados de la anandamida (tambi�n una N-aciletanolamina) con alguna caracter�stica que les confiere la posibilidad de ejercer como antagonistas competitivos de los receptores CB1.

El estudio te�rico fue desarrollado mediante la implementaci�n del paquete computacional Gaussian comparando c�lculos AB-Initio vs. DFT (Density Functional Theory) con una base 3-21 G.

Secci�n experimental

Las reacciones propuestas involucran compuestos que est�n organizados en dos grupos principales. El grupo A contiene derivados de �cido araquid�nico (ver reacci�n general I) y el grupo B derivados de ariletanolaminas (ver reacci�n general II). Se optimiza la totalidad de mol�culas propuestas, con el fin de obtener la estructura de m�nima energ�a.

Estructura que fue confirmada al observar las frecuencias de las mismas, por lo que se puede afirmar que en ninguno de los casos se trabaj� con un estado de transici�n. Para todos los c�lculos se utiliz� la base 3-21G tanto en metodolog�a AB-Initio como en DFT y en esta última se trabaj� bajo el m�todo de c�lculo B3LYP.

Fue optimizada la totalidad de mol�culas propuestas, con el fin de obtener la estructura de m�nima energ�a. Las estructuras fueron confirmadas al observar frecuencias positivas de las mismas, por lo que se puede afirmar que en ninguno de los casos se trabaj� con un estado de transici�n. Para todos los c�lculos se utiliz� la base 3-21G tanto en metodolog�a AB-Initio como en DFT y en esta última se trabaj� bajo el m�todo de c�lculo B3LYP. Los par�metros de reactividad fueron realizados por an�lisis poblacional, comparando cargas de Mulliken y energ�as de orbitales de frontera propios para cada reacci�n.

Resultados y discusi�n

Inicialmente se parametriza el trabajo empleando las reacciones del art�culo �Head Group Analogs of Arachidonylethanolamide, the Endogenous Cannabinoid Ligand�, debido a que los reactivos involucrados en este son muy similares en cuanto a su estructura y comportamiento con relaci�n a los compuestos propuestos. En esta parte de la investigaci�n se procede a tomar las doce reacciones provenientes del art�culo mencionado (ver uno de los ejemplos en la figura 3) y se dibuja cada una de las especies en diferentes paquetes computacionales (Hyperchem, WinMopac y ChemSketch).

Se realizan c�lculos bajo diversas metodolog�as (semiemp�ricos, Ab-Initio, h�bridas) y, finalmente, se comparan los resultados obtenidos con los datos experimentales, evidenciando que los c�lculos Ab-Initio y DFT son los m�s consistentes puesto que se correlacionan mucho mejor con los resultados experimentales y cuentan con mayor regularidad que los c�lculos semiemp�ricos, aunque estos últimos tengan un menor costo computacional. Despu�s de la parametrizaci�n se procede con el an�lisis de las reacciones propuestas. Y para el an�lisis poblacional se propone el siguiente procedimiento:

1. Elaborar un posible mecanismo de reacci�n.

2. Proceder con la elecci�n de los �tomos que se consideren como centros de reactividad, bas�ndose en la propuesta de mecanismo ya elaborada.

3. Establecer el orbital del cual se extraer� la informaci�n (HOMO cuando se trata del �tomo que est� dispuesto a ceder electrones y LUMO cuando sea el que va a recibirlos).

4. Por último, tomar los valores elegidos y compararlos entre s� para llegar a predecir la ocurrencia de reacci�n.

La metodolog�a propuesta fue empleada en cada una de las reacciones. Los datos recopilados confirman la posibilidad de lograr que la mayor parte de las reacciones transcurra con �xito, debido a que los valores reportados muestran congruencia entre los orbitales dispuestos a ceder carga y los encargados de recibirla (ver ejemplo en figura 6). Las reacciones 2, 7, 11, 12, 13 y 14 para derivados de �cido araquid�nico presentan magnitudes altas encada uno de los orbitales evaluados; mientras que en las reacciones con ariletanolaminas este mismo comportamiento sucede en las reacciones 1, 2, 3, 4, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15 y 16, por lo que se recomienda que estas sean privilegiadas durante la fase experimental de la investigaci�n, pues ser�an las que transcurran con mayor eficiencia y alto rendimiento.

Los c�lculos para las reacciones 3, 5 y 9 de derivados de �cido araquid�nico y 8, 9 y 10 en ariletanolaminas arrojaron valores bastante peque�os para los �tomos de inter�s, as� como magnitudes elevadas en otros lugares de la mol�cula. Raz�n por la cual se puede pensar que ser�a dif�cil que la reacci�n siga el curso esperado. Es probable que el ataque no surta efecto o que lo haga con influencia de otro �tomo que se comporte como centro de reacci�n.

Aunque se observa que la mayor�a de posibilidades son efectivas, parece ser que el camino de reacci�n se ve favorecido cuando se utiliza SOCl2 y DCC como medio. Por ejemplo, los datos encontrados en la optimizaci�n del cloruro de tionilo muestran la tendencia de cada uno de los �tomos a separarse de la mol�cula en cuanto la energ�a del sistema se estabiliza, por lo que habr�a un incremento en la posibilidad de interacci�n que pueda tener esta especie con otras mol�culas (ver figura 7).

Hasta este punto se evidencian resultados bastante interesantes que permiten tener claridad con respecto al trabajo en general; sin embargo, se hace uso de una nueva herramienta para confirmar los datos obtenidos por medio del an�lisis poblacional y el an�lisis de orbitales de frontera. Para esto se implementa el paquete computacional WinMopac, empleando m�todo semiemp�rico y tipo de c�lculo AM1 con el objetivo de obtener datos termodin�micos para cada una de las mol�culas. Los resultados son utilizados en la construcci�n de una gr�fica de energ�a que permita seguir el curso de reacci�n de los sistemas, correlacionando la energ�a de formaci�n de reactivos, intermediarios y productos, adem�s de la influencia que pueda tener el medio empleado en la misma.

Finalmente, se procede con el an�lisis del comportamiento propio del sistema y su comparaci�n con las dem�s reacciones para confirmar o rechazar el camino propuesto.

Es conocido que este tipo de m�todos (semiemp�ricos) no puede arrojar unos valores confiables en lo que corresponde a valores de optimizaci�n, an�lisis poblacional y Eigenvalues; pero la teor�a asegura que en lo que tiene que ver con variables termodin�micas, en especial la energ�a de activaci�n, el margen de error es bajo y el ahorro de tiempo dispuesto para el c�lculo se reduce considerablemente.

En los valores utilizados para la construcci�n de las gr�ficas (ver figuras 7 y 8) se tuvo en cuenta la influencia del reactivo que cumple el papel de activante de la mol�cula inicial, para conocer el papel que este pueda llegar a desempe�ar en el desarrollo de la reacci�n.

En la gr�fica 8 se observa que algunas de las reacciones requieren menor energ�a, as� que ellas ser�n las que tengan mayores posibilidades de suceder (ver gr�fica 9). El procedimiento se aplic� para la totalidad de las reacciones dise�adas y se observ� congruencia con respecto a los datos obtenidos por medio del an�lisis poblacional y de orbitales de frontera. Teniendo en cuenta los m�nimos de energ�a se propone privilegiar las reacciones con valores finales bajos y que adem�s muestren ca�da energ�tica en la parte final de la gr�fica o, dicho de otra manera, las reacciones en las que la energ�a de los productos es menor que la de los sustituyentes.

Quienes cumplen con estos par�metros, en el caso de los derivados de �cido araquid�nico, ser�an las reacciones 2, 11, 12, 13 y 14. En cuanto a las reacciones con ariletanolaminas, se muestra disparidad en cuanto a las reacciones 8 y 9 puesto que en el an�lisis poblacional y de orbitales se dice que las magnitudes arrojadas no muestran �xito en la ocurrencia de reacci�n, pero, en la parte de las gr�ficas, estas quedan situadas dentro de la regi�n de m�s baja energ�a. Se recomienda en este caso elaborar las gr�ficas de barreras de activaci�n para que con ello se logre comprender este caso y privilegiar las reacciones 5, 6 y 7 en el momento de la s�ntesis.

Conclusiones

• A partir de la implementaci�n de t�cnicas computacionales, es posible estudiar un sistema en particular y actuar de forma adecuada con el mismo, en la predicci�n de reacciones propuestas o ajustando el proceso que se viene dando para lograr mejores resultados.

• Se comprueba que la mayor parte de reacciones propuestas para an�logos de �cido araquid�nico y ariletanolamidas cuentan con altas probabilidades de tener �xito en la s�ntesis experimental. Se recomienda dar prioridad a las reacciones 2, 7, 11, 12, 13 y 14 de derivados de la anandamida y 1, 2, 3, 4, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15 y 16 de ariletanolamidas, por la magnitud y concordancia entre los c�lculos efectuados.

• Los resultados muestran que se hace absolutamente necesario tener las mol�culas de partida activadas, para conseguir un curso de reacci�n mejor; al parecer el medio que influye de mejor manera en esta parte de los procedimientos ser�a el de NN-diciclohexilcarboiimida (DCC), pues la cantidad de energ�a que se requiere para cada una de las reacciones es menor que la que se necesita con otros medios.

• Las reacciones que no registraron valores altos tienen algunas posibilidades de generar los compuestos esperados, pero puede ser que consigan mejores resultados si se someten a condiciones diferentes en cuanto a presi�n, temperatura y cantidad de reactivo.

• Las gr�ficas de correlaci�n energ�tica solamente sirven para comprender parcialmente cada una de las reacciones. Se recomienda que para efectos de conocer de mejor manera el comportamiento de cada una de ellas se construya un perfil energ�tico, en el que se muestren las barreras de activaci�n que necesita para superar cada camino propuesto.

• La base matem�tica con la que se trabaj� fue la 3-21G, tanto en metodolog�a Ab-Initio como en Funcionales de Densidad, debido a que era la base que presentaba mejor comportamiento con los recursos que se ten�an; sin embargo, si se requiere hacer un c�lculo m�s preciso se recomienda subir un nivel de base o adicionar funcionales difusas al c�lculo.

• Es necesario que el proyecto curricular de Licenciatura en Qu�mica de la Universidad Distrital Francisco Jos� de Caldas fortalezca el espacio acad�mico de Qu�mica Te�rica y Qu�mica Cu�ntica, elevando as� el nivel disciplinar a est�ndares internacionales.

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