Employing conformational analysis in the molecular modeling of agrochemicals: insights on QSAR parameters of 2,4-D

Abstract

A common practice to compute ligand conformations of compounds with various degrees of freedom to be used in molecular modeling (QSAR and docking studies) is to perform a conformational distribution based on repeated random sampling, such as Monte-Carlo methods. Further calculations are often required. This short review describes some methods used for conformational analysis and the implications of using selected conformations in QSAR. A case study is developed for 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), a widely used herbicide which binds to TIR1 ubiquitin ligase enzyme. The use of such an approach and semi-empirical calculations did not achieve all possible minima for 2,4-D. In addition, the conformations and respective energies obtained by the semi-empirical AM1 method do not match the calculated trends obtained by a high level DFT method. Similar findings were obtained for the carboxylate anion, which is the bioactive form. Finally, the crystal bioactive structure of 2,4-D was not found as a minimum when using Monte-Carlo/AM1 and is similarly populated with another conformer in implicit water solution according to optimization at the B3LYP/aug-cc-pVDZ level. Therefore, quantitative structure-activity relationship (QSAR) methods based on three dimensional chemical structures are not fundamental to provide predictive models for 2,4-D congeners as TIR1 ubiquitin ligase ligands, since they do not necessarily reflect the bioactive conformation of this molecule. This probably extends to other systems.Uma prática comum para determinar a conformação de ligantes em compostos com vários graus de liberdade a serem utilizados em modelagem molecular (QSAR e estudos de ancoramento molecular) é realizar uma distribuição conformacional baseada em repetidas amostragens aleatórias, tais como o método Monte Carlo. Cálculos adicionais são frequentemente necessários. Esta rápida revisão descreve alguns métodos usados para análise conformacional e as implicações ao usarem algumas conformações selecionadas em QSAR. Um estudo de caso foi desenvolvido para o ácido 2,4-diclorofenóxi acético (2,4-D), um herbicida amplamente usado que se liga à enzima TIR1 ubiquitina ligase. O uso de tal aproximação e cálculos semi-empíricos não alcançou todos os mínimos possíveis para o 2,4-D. Além disso, as conformações e respectivas energias obtidas pelo método semi-empírico AM1 não concordam com as tendências calculadas em nível DFT. Resultados similares foram obtidos para o ânion carboxilato, que é a forma bioativa do 2,4-D. Finalmente, a estrutura cristalina e bioativa do 2,4-D não foi encontrada como um mínimo de energia usando MonteCarlo/AM1 e, de acordo com otimização em nível B3LYP/aug-cc-pVDZ, tem população similar ao outro confôrmero em solução aquosa implícita. Portanto, métodos para relação quantitativa entre estrutura e atividade (QSAR) baseados na estrutura química tridimensional não são fundamentais para fornecer modelos preditivos para congêneres do 2,4-D como ligantes da enzima TIR1 ubiquitina ligase, uma vez que essas estruturas não correspondem, necessariamente, à conformação bioativa dessa molécula. Esse resultado provavelmente se estende a outros sistemas.