Cap01 Quimica Medicinal-Eliezer J.Barreiro

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Cap01 Quimica Medicinal-Eliezer J.Barreiro

  1. 1. ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS FASE FARMACODINÂMICA: INTERAÇÕES ENTRE MICRO E BIOMACROMOLÉCULAS A interação de um fármaco com o seu sítio de ação no sistema biológico ocorre durante a chamada fase farmacodinâmica e é determinada por forças intermo- leculares, isto é, interações hidrofóbicas, eletrostáticas e estéricas.1 Considerando os possíveis modos de interação entre o fármaco e a biofase, necessários para promover uma determinada resposta biológica, podemos classificá-los, de manei- ra genérica, em dois grandes grupos: fármacos estruturalmente inespecíficos e específicos. Os fármacos ditos estruturalmente inespecíficos são aqueles que dependem única e exclusivamente de suas propriedades físico-químicas – por exemplo, coeficiente de partição (P) e pKa – para promoverem o efeito biológico evidenciado. Os anestésicos gerais são um exemplo clássico de substâncias que pertencem a esta classe de fármacos, uma vez que seu mecanismo de ação envolve a depressão inespecífica de biomembranas, elevando o limiar de excitabilidade celular ou a interação inespecífica com sítios hidrofóbicos de proteínas do sistema nervoso central, provocando perda de consciência.2-4 Neste ca- so, em que a complexação do fármaco com macro- moléculas da biofase ocor- re predominantemente atravésdeinteraçõesde van der Walls (forças de dis- persão de London), a lipos- solubilidadedofármaco es- tá diretamente relaciona- da à sua potência, como pode ser exemplificado comparativamente na Fi- gura 1.1, para os anestési- cos halotano (1.1) e isoflu- rano (1.2).2-4 1 C A P Í T U L O FIGURA 1.1 Correlação entre as propriedades físico- químicas e a atividade biológica dos fármacos estruturalmente inespecíficos (1.1) e (1.2).
  2. 2. 20 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS Em alguns casos, a alteração das propriedades físico-químicas, em função de modificações estruturais de um fármaco, pode alterar seu mecanismo de interação com a biofase. Um exemplo clássico diz respeito à classe dos anticonvulsivantes, como o pentobarbital (1.3), cuja simples alteração de um átomo de oxigênio por um átomo de enxofre confere um incremento de lipossolubilidade que altera o perfil de atividade estruturalmente específico de (1.3) sobre o complexo receptor GABA ionóforo para uma ação anestésica inespecífica evidenciada para o tiopental (1.4) (Figura 1.2).4,5 FÁRMACOS ESTRUTURALMENTE ESPECÍFICOS Os fármacos estruturalmente específicos exercem seu efeito biológico pela interação seletiva com uma determinada biomacromolécula-alvo que na maioria dos casos são enzimas, receptores metabotrópicos (acoplados à proteína G), receptores ionotrópicos (acoplados a canais iônicos) e, ainda, ácidos nucléicos. O reconheci- mento molecular do fármaco (micromolécula) pela biomacromolécula é depen- dente do arranjo espacial dos grupamentos funcionais e das propriedades estrutu- rais da micromolécula, que devem ser complementares ao sítio de ligação locali- zado na macromolécula, isto é, o sítio receptor. A complementaridade molecular necessária para a interação da micromolécula com a biomacromolécula receptora pode ser simplificada ilustrativamente pelo modelo chave-fechadura (Figura 1.3).6 Neste modelo, proposto pelo químico alemão Emil Fischer para explicar a espe- cificidade da interação enzima-substrato,6 podemos considerar a biomacromo- lécula como a fechadura, o sítio receptor como o “buraco da fechadura”, isto é, região da biomacromolécula que interagirá diretamente com a micromolécula (fármaco), e as chaves como ligantes do sítio receptor. Na aplicação deste modelo, a ação de “abrir a porta” ou “não abrir a porta” representam as respostas biológicas decorrentes da interação chave-fechadura.6 A análise da Figura 1.3 permite-nos evidenciar três principais tipos de chaves: a) chave original, que se encaixa ade- quadamente com a fechadura, permitindo a abertura da porta, corresponderia ao agonista natural (endógeno) ou substrato natural, que interage com o sítio receptor da biomacromolécula localizado respectivamente em uma proteína-re- ceptora ou enzima, desencadeando uma resposta biológica; b) chave modificada, a qual tem propriedades estruturais que a tornam semelhantes à chave original FIGURA 1.2 Influência da modificação molecular no mecanismo de ação dos barbituratos (1.3) e (1.4).
  3. 3. QUÍMICA MEDICINAL 21 e permitem seu acesso à fechadura e conseqüente abertura da porta, correspon- deria ao agonista modificado da biomacromolécula, sintético ou de origem natu- ral, capaz de ser reconhecido complementarmente pelo sítio receptor e desenca- dear uma resposta biológica qualitativamente similar àquela do agonista natural; c) chave falsa, a qual apresenta propriedades estruturais mínimas que permitem seu acesso a fechadura, sem, entretanto, ser capaz de permitir a abertura da porta, corresponderia ao antagonista, sintético ou de origem natural, capaz de se ligar ao sítio receptor sem promover a resposta biológica e bloqueando a ação do agonista endógeno e/ou modificado. Nos três casos em questão, podemos distinguir duas etapas relevantes desde a interação da micromolécula ligante com a biomacromolécula, que contém a subunidade receptora, até o desenvolvimento da resposta biológica resultante: a) interação ligante-receptor propriamente dita – expressa quantitativamente pelo termo afinidade, traduz a capacidade da micromolécula em se complexar com o sítio complementar de interação; b) produção da resposta biológica – expressa quantitativamente pelo termo atividade intrínseca, traduz a capacidade do complexo ligante-receptor de desencadear uma determinada resposta biológi- ca. A Tabela 1.1 ilustra estas considerações com o exemplo das substâncias (1.6- 1.8), que atuam como ligantes de receptores benzodiazepínicos, e do fármaco diazepam (1.5), com ação agonista benzodiazepínico responsável pelo efeito seda- tivo e anticonvulsivante desta classe terapêutica.7 Cabe destacar que as substân- cias (1.6-1.8) são ligantes com afinidades distintas, uma vez que são reconhecidas diferenciadamente pelos sítios complementares de interação localizados no bior- receptor-alvo. Neste caso, o composto pirrolobenzodiazepínico (1.8) é aquele que apresenta maior afinidade pelo receptor benzodiazepínico, seguido do deriva- do imidazolobenzodiazepínico (1.7) e, por fim, a amida correspondente (1.6). Entretanto, uma maior afinidade não traduz a capacidade do ligante de produzir uma determinada resposta biológica, como podemos evidenciar pela análise com- parativa dos derivados (1.7) e (1.6), que apresentam atividades intrínsecas distin- tas, isto é, antagonista e agonista, respectivamente. Considerando que a ação terapêutica desta classe é devida à atividade agonista sobre os receptores benzo- diazepínicos, podemos concluir que o derivado (1.6), apesar de apresentar uma menor afinidade por este receptor, é um melhor candidato a fármaco ansiolítico e anticonvulsivante do que o derivado (1.7). FIGURA 1.3 Modelo chave-fechadura e o reconhecimento ligante- receptor.
  4. 4. 22 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS INTERAÇÕES ENVOLVIDAS NO RECONHECIMENTO MOLECULAR: LIGANTE/SÍTIO RECEPTOR Do ponto de vista qualitativo, o grau de afinidade e a especificidade da ligação micromolécula-sítio receptor são determinados por interações intermoleculares, as quais compreendem forças eletrostáticas, de dispersão, hidrofóbicas, ligações de hidrogênio e ligações covalentes. FORÇAS ELETROSTÁTICAS As forças de atração eletrostáticas são aquelas resultantes da interação entre dipolos e/ou íons de cargas opostas, cuja magnitude depende diretamente da constante dielétrica do meio e da distância entre as cargas. A água apresenta elevada constante dielétrica (ε = 80), devido ao seu momen- to de dipolo permanente, podendo diminuir as forças de atração e repulsão entre dois grupos carregados, solvatados. Dessa forma, na maior parte dos casos a interação iônica é precedida de dessolvatação dos íons, processo que envolve perdas entálpicas e é favorecido pelo ganho entrópico resultante da formação de molécu- las de água livres (Figura 1.4). A força da ligação iônica, isto é, ~5 Kcal/mol, é dependente da diferença de energia da interação íon-íon versus a energia dos íons solvatados (Figura 1.4). No pH fisiológico, alguns aminoácidos presentes nos biorreceptores se encon- tram ionizados (p. ex., aminoácidos básicos: arginina, lisina, histidina, e ami- noácidos com caráter ácido: ácido glutâmico, ácido aspártico), podendo interagir com fármacos que apresentem grupos carregados negativa ou positivamente. O TABELA 1.1 AFINIDADE E ATIVIDADE INTRÍNSECA DE LIGANTES DE RECEPTORES BENZODIAZEPÍNICOS Substância Afinidade do ligante Atividade intrínseca Ensaio de binding, IC50 (nM) do ligante 1.6 45 Agonista 1.7 7,2 Antagonista 1.8 0,1 Agonista IC50 = concentração da substância necessária para produzir interação com 50% dos receptores.
  5. 5. QUÍMICA MEDICINAL 23 flurbiprofeno (1.9), antiinflamatório não-esteróide que atua inibindo a enzima prostaglandina endoperóxido sintase (PGHS),8 é reconhecido molecularmente através de interações com resíduos de aminoácidos do sítio receptor, dentre as quais se destaca a interação do grupamento carboxilato da forma ionizada de (1.9) especificamente com o resíduo de arginina na posição 120 da seqüência primária da PGHS (Figura 1.5).8 Cabe destacar que uma ligação iônica reforçada por uma ligação de hidrogênio, como neste caso, resulta em expressivo incremen- to da força de interação, ou seja, ~10 Kcal/mol. Adicionalmente, as forças de atração eletrostáticas podem incluir dois tipos de interações, que variam energeticamente entre 1-7 Kcal/mol: íon-dipolo, força resultante da interação de um íon e uma espécie neutra polarizável, com carga oposta àquela do íon; FIGURA 1.4 Interações iônicas e o reconhecimento fármaco- receptor. FIGURA 1.5 Reconhecimento molecular do flurbiprofeno (1.9) pelo resíduo Arg120 do sítio ativo da PGHS, via interação iônica.
  6. 6. 24 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS dipolo-dipolo, interação entre dois grupamentos com polarizações de car- gas opostas (Figura 1.6). Essa polarização, decorrente da diferença de eletronegatividade entre um heteroátomo (p. ex., oxigênio) e um átomo de carbono, produz espécies que apresentam um aumento da densidade eletrônica do heteroátomo e uma redução da densidade eletrônica sobre o átomo de carbono, como ilustrado na Figura 1.6, para o grupamento carbonila. A interação do substrato natural da enzima ferro-heme dependente trombo- xana sintase (TXS), isto é, endoperóxido cíclico de prostaglandina H2 (PGH2, 1.10), envolve a formação de uma interação íon-dipolo regiosseletiva entre o átomo de ferro do grupamento heme e o átomo de oxigênio em C-11 da função ambidente endoperóxido, polarizada adequadamente (Figura 1.7). Esse reconhe- cimento molecular é responsável pelo rearranjo que permite a transformação da PGH2 (1.10) no autacóide trombogênico tromboxana A2 (TXA2), e pode ser explo- rado no planejamento de fármacos antitrombóticos que atuem como inibidores de TXS (TXSi).9 FIGURA 1.6 Interações íon-dipolo e o reconhecimento fármaco- receptor. FIGURA 1.7 Reconhecimento molecular da PGH2 (1.10) pelo resíduo Fe-Heme do sítio ativo da tromboxana sintase, via interação íon- dipolo.
  7. 7. QUÍMICA MEDICINAL 25 FORÇAS DE DISPERSÃO Estas forças atrativas, conhecidas como forças de dispersão de London ou inte- rações de van der Walls, caracterizam-se pela aproximação de moléculas apolares apresentando dipolos induzidos. Estes dipolos são resultado de uma flutuação local transiente (10-6 s) de densidade eletrônica entre grupos apolares adjacentes, que não apresentam momento de dipolo permanente. Em geral, essas interações de fraca de energia, isto é, 0,5-1,0 Kcal/mol, ocorrem em função da polarização transiente de ligações carbono-hidrogênio (Figura 1.8) ou carbono-carbono (Figu- ra 1.9). Apesar de envolverem fracas energias de interação, as forças de dispersão são de extrema importância para o processo de reconhecimento molecular do fármaco pelo sítio receptor, uma vez que normalmente se caracterizam por inte- rações múltiplas que, somadas, acarretam contribuições energéticas significativas. INTERAÇÕES HIDROFÓBICAS Como as forças de dispersão, as interações hidrofóbicas são individualmente fracas (ca. 1 Kcal/mol) e ocorrem em função da interação entre cadeias ou subu- nidades apolares. Normalmente, as cadeias ou subunidades hidrofóbicas, presen- tes tanto no sítio receptor como no ligante, se encontram organizadamente sol- vatadas por camadas de moléculas de água. A aproximação das superfícies hi- drofóbicas promove o colapso da estrutura organizada da água, permitindo a interação ligante-receptor à custa do ganho entrópico associado à desorganização do sistema. Em vista do grande número de subunidades hidrofóbicas presentes FIGURA 1.8 Interações dipolo-dipolo pela polarização transiente de ligações carbono-hidrogênio. FIGURA 1.9 Interações dipolo-dipolo pela polarização transiente de ligações carbono-carbono.
  8. 8. 26 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS nas estruturas de peptídeos e fármacos, essa interação pode ser considerada importante para o reconhecimento da micromolécula pela biomacromolécula, como exemplificado na Figura 1.10 para a interação do fator de ativação plaque- tária (PAF, 1.11) com o seu biorreceptor, através do reconhecimento da cadeia alquílica C-16 por uma bolsa lipofílica presente na estrutura da proteína recep- tora.10 LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO (LIGAÇÃO-H) As ligações de hidrogênio (ligação-H) são as mais importantes interações não- covalentes existentes nos sistemas biológicos, sendo responsáveis pela manuten- ção das conformações bioativas de macromoléculas nobres, essenciais à vida – α-hélices das proteínas (Figura 1.11) – e das bases purinas-pirimidinas dos ácidos nucléicos (Figura 1.12). Essas interações são formadas entre heteroátomos eletronegativos, como oxi- gênio, nitrogênio, flúor, e o átomo de hidrogênio de ligações O-H, N-H e F-H, como resultado de suas polarizações (Figura 1.13). Cabe destacar que, apesar de normalmente a ligação C-H não apresentar polarização suficiente para favorecer a formação de ligações de hidrogênio, o forte efeito indutivo promovido pela introdução de dois átomos de flúor pode compensar este comportamento, tornan- do o grupo diflurometila (F2C-H) um bom aceptor de ligações de hidrogênio11 (Figura 1.13). FIGURA 1.10 Reconhecimento molecular do PAF (1.11) via interações hidrofóbicas com a bolsa lipofílica de seu biorreceptor.
  9. 9. QUÍMICA MEDICINAL 27 Inúmeros exemplos de fármacos que são reconhecidos molecularmente atra- vés de ligações de hidrogênio podem ser citados: dentre eles, podemos destacar ilustrativamente a interação do antiviral saquinavir (1.12) com o sítio ativo da protease do vírus HIV-1 (Figura 1.14).12 O reconhecimento desse inibidor enzi- mático (1.12) envolve a participação de ligações de hidrogênio com resíduos de aminoácidos do sítio ativo, diretamente ou intermediada por moléculas de água (Figura 1.14). FIGURA 1.11 Ligações de hidrogênio e a manutenção da estrutura terciária de proteínas (p. ex., calmodulina). FIGURA 1.12 Ligações de hidrogênio e a manutenção da estrutura dupla fita do DNA.
  10. 10. 28 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS FIGURA 1.13 Principais grupos doadores e aceptores de ligações de hidrogênio. FIGURA 1.14 Reconhecimento molecular do antiviral saquinavir (1.12) pelo sítio ativo da protease do HIV-1, via interações de hidrogênio.
  11. 11. QUÍMICA MEDICINAL 29 LIGAÇÃO COVALENTE As interações intermoleculares envolvendo a formação de ligações covalentes são de elevada energia, ou seja, 77-88 Kcal/mol. Considerando que, na temperatu- ra usual dos sistemas biológicos (30-40o C), ligações mais fortes que 10 Kcal/mol são dificilmente rompidas em processos não-enzimáticos, os complexos fármacos- receptores envolvendo ligações covalentes são raramente desfeitos, culminando em inibição enzimática irreversível ou inativação do sítio receptor. Essa interação, envolvendo a formação de uma ligação sigma entre dois áto- mos que contribuem cada qual com um elétron, eventualmente ocorre com fár- macos que apresentam grupamentos com acentuado caráter eletrofílico e bio- nucleófilos orgânicos. O ácido acetilsalicílico (Aspirina® , 1.13) e a benzilpenicilina (1.14) são dois exemplos de fármacos que atuam como inibidores enzimáticos irreversíveis, cujo reconhecimento molecular envolve a formação de ligações co- valentes.* O ácido acetilsalicílico (1.13) apresenta propriedades antiinflamatórias e anal- gésicas decorrentes do bloqueio da biossíntese de prostaglandinas inflamatogê- nicas e pró-algésicas, devido à inibição da enzima prostaglandina endoperóxido sintase (PGHS).8,13 Esta interação fármaco-receptor é de natureza irreversível em função da formação de uma ligação covalente resultante do ataque nucleo- fílico da hidroxila do aminoácido serina-530 (Ser530) ao grupamento eletrofílico acetila presente em (1.13) (Figura 1.15), promovendo a trans-acetilação deste sítio enzimático. Cabe salientar que, atualmente, considera-se que a inibição da enzima prostaglandina endoperóxido sintase (PGHS) pelo AAS é um processo pseudo-irreversível, pois o fragmento Ser-530-OAc é hidrolisado de forma tempo- dependente, regenerando a enzima PGHS. * No Capítulo 5, detalha-se a ação do AAS. FIGURA 1.15 Mecanismo de inibição irreversível da PGHS pelo ácido acetilsalicílico (AAS, 1.13), via formação de ligação covalente. AAS (1.13)
  12. 12. 30 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS Um outro exemplo diz respeito ao mecanismo de ação da benzilpenicilina (1.14) e outras penicilinas semi-sintéticas, classificadas como antibióticos β- lactâmicos, que atuam inibindo a D,D-carboxipeptidase, enzima responsável pela formação de ligações peptídicas cruzadas no peptideoglicano da parede celular bacteriana, através de processos de transpeptidação14 (Figura 1.16). O reconhecimento molecular deste fármaco (1.14) pelo sítio catalítico da enzima é função de sua similaridade estrutural com a subunidade terminal D- Ala-D-Ala do peptideoglicano. Entretanto, a ligação peptídica inclusa no anel β- lactâmico de (1.14) se caracteriza como um centro altamente eletrofílico, como ilustra o mapa de “densidade eletrônica” descrito na Figura 1.16. Dessa forma, o ataque nucleofílico da hidroxila do resíduo serina da tríade catalítica da enzima ao centro eletrofílico de (1.14) promove a abertura do anel de quatro membros e a formação de uma ligação covalente, responsável pela inibição irreversível da enzima (Figura 1.16). FIGURA 1.16 Mecanismo de inibição irreversível da carboxipeptidase bacteriana pela benzilpenicilina (1.14), via formação de ligação covalente.
  13. 13. QUÍMICA MEDICINAL 31 FATORES ESTEREOQUÍMICOS E CONFORMACIONAIS ENVOLVIDOS NO RECONHECIMENTO MOLECULAR: LIGANTE/SÍTIO RECEPTOR Apesar de o modelo chave-fechadura ser útil na compreensão dos eventos envolvi- dos no reconhecimento molecular ligante-receptor, caracteriza-se como uma re- presentação parcial da realidade, uma vez que as interações entre a biomacromo- lécula (receptor) e a micromolécula (fármaco) apresentam características tridi- mensionais dinâmicas. Dessa forma, o volume molecular do ligante, as distâncias interatômicas e o arranjo espacial entre os grupamentos farmacofóricos com- põem aspectos fundamentais na compreensão das diferenças na interação fár- maco-receptor. A Figura 1.17 ilustra a natureza 3D do complexo biomacromolé- cula-micromolécula, com destaque para o arranjo espacial dos aminoácidos que constituem o sítio ativo.15 FLEXIBILIDADE CONFORMACIONAL DE PROTEÍNAS E LIGANTES: TEORIA DO ENCAIXE INDUZIDO As características de complementaridade rígida do modelo chave-fechadura de Fisher limitam, por vezes, a compreensão e a avaliação do perfil de afinidade de determinados ligantes por seu sítio molecular de interação, podendo induzir a erros no planejamento estrutural de novos candidatos a fármacos.16 Neste contexto, Koshland introduziu os aspectos dinâmicos que governam o reconhecimento molecu- lar de uma micromolécula por uma bio- macromolécula na sua teoria do encaixe induzido,17 propondo que o acomodamen- to conformacional recíproco no sítio de in- teração constitui aspecto fundamental na compreensão de diferenças na interação fármaco-receptor (Figura 1.18).18 FIGURA 1.17 Representação tridimensional do complexo da acetilcolinesterase (AChE) com o inibidor tacrina (1.15, rosa), com destaque para os resíduos de aminoácidos que compõem o sítio receptor (vermelho). FIGURA 1.18 Representação esquemática do processo de indução e seleção da conformação bioativa de ligantes e receptores.
  14. 14. 32 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS Esta interpretação pode ser ilustrativamente empregada na compreensão dos diferentes modos de interação de inibidores da enzima acetilcolinesterase (1.16) e (1.17), planejados molecularmente como análogos estruturais da tacrina (1.15),19 primeiro fármaco aprovado para o tratamento da doença de Alzheimer. Cabe destacar que, a despeito da presença da subunidade farmacofórica tetraidro- 4-amino-quinolina, comum aos três inibidores, suas orientações e conseqüente- mente seus modos de reconhecimento molecular pelo sítio ativo da enzima são parcialmente distintos (Figura 1.19), comprometendo análises de relação estrutu- ra-atividade que levem em consideração apenas a similaridade estrutural entre estes compostos. Por outro lado, ao analisar as interações envolvidas no reconhecimento mo- lecular do derivado peptóide (1.18), capaz de inibir a metaloproteinase-3 de matriz (MMP-3) com Ki = 5 nM, podemos identificar a importância da subuni- dade N-metil-carboxamida terminal, que participa diretamente do atracamento ao biorreceptor-alvo através de duas interações de hidrogênio (Figura 1.20).20 Considerando este perfil de ligação, poderíamos antecipar, a priori, que o derivado (1.19), análogo estrutural de (1.18), que apresenta um grupamento hidrofóbico fenila substituindo o grupo N-metil-carboxamida terminal, deveria apresentar menor afinidade pelo sítio ativo da enzima-alvo, devido à inabilidade desta subu- nidade estrutural de reproduzir o reconhecimento molecular através de interações de hidrogênio. Entretanto, a alteração conformacional no sítio ativo de MMP-3 induzida pela presença do composto (1.19), promove a exposição do aminoácido hidrofóbico leucina que passa a participar do reconhecimento da subunidade FIGURA 1.19 Sobreposição das conformações bioativas dos compostos (1.16, vermelho) e (1.17, amarelo), análogos estruturais da tacrina (1.15, rosa), após reconhecimento molecular pelo sítio ativo da AChE.
  15. 15. QUÍMICA MEDICINAL 33 hidrofóbica fenila presente neste inibidor, mantendo sua afinidade pela enzima- alvo (Ki = 9 nM) (Figura 1.20).20 Dessa forma, podemos considerar que a interação entre um bioligante e uma proteína deve ser imaginada como uma colisão entre dois objetos flexíveis. Neste processo, o choque inicial do ligante com a superfície da proteína deve provocar o deslocamento de algumas moléculas de água superficiais sem, entretanto, ga- rantir o acesso imediato ao sítio ativo, uma vez que o transporte do ligante ao sítio de reconhecimento molecular deve envolver múltiplas etapas de acomoda- mento conformacional que produzam o modo de interação mais favorável en- tálpica e entropicamente.16,21,22 CONFIGURAÇÃO ABSOLUTA E ATIVIDADE BIOLÓGICA* Um dos primeiros relatos da literatura que indicava a relevância da estereoquí- mica, mais particularmente da configuração absoluta na atividade biológica, deve-se a Piutti, em 1886,23 que descreveu o isolamento e as diferentes proprieda- des gustativas dos enantiômeros do aminoácido asparagina (1.20) (Figura 1.21). Estas diferenças de propriedades organolépticas expressavam modos diferencia- dos de reconhecimento molecular do ligante pelo sítio receptor, neste caso, locali- zado nas papilas gustativas, traduzindo sensações distintas.24 Entretanto, a importância da configuração absoluta na atividade biológica25 permaneceu obscura até a década de 1960, quando, hélas, ocorreu a tragédia da talidomida (1.21), decorrente do uso de sua forma racêmica, indicada para a * O Capítulo 5 ilustra aspectos particula- res da importância da configuração ab- soluta na atividade farmacológica dos fármacos. FIGURA 1.20 Estrutura cristalográfica dos complexos entre os inibidores peptóides (1.18) e (1.19) com a metaloprotease-3 de matrix.20
  16. 16. 34 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS redução do desconforto matinal em gestantes, resultando no nascimento de ca. 12.000 crianças com malformações congênitas. Posteriormente, o estudo do me- tabolismo de (1.21) permitiu evidenciar que o enantiômero (S) era seletivamen- te oxidado, levando à formação de espécies eletrofílicas reativas do tipo areno- óxido,* que reagem com nucleófilos bioorgânicos, induzindo teratogenicidade, enquanto o antípoda (R) era responsável pelas propriedades sedativas e analgési- cas (Figura 1.22). Este episódio foi o marco de nova era no desenvolvimento de novos fármacos. Neste momento, a quiralidade passou a ter destaque, e a investigação cuidadosa do comportamento de fármacos quirais27 ou homoquirais28 frente a processos capazes de influenciar tanto a fase farmacocinética – absorção, distribuição, me- tabolismo e eliminação – quanto a fase farmacodinâmica – interação fármaco- receptor – passou a ser fundamental antes de sua liberação para uso clínico. * Espécies bioformadas pelo metabolismo hepático (vide infra). FIGURA 1.21 Estereoisômeros da asparagina (1.20). FIGURA 1.22 Estereoisômeros da talidomida (1.21).
  17. 17. QUÍMICA MEDICINAL 35 O diferente perfil farmacológico de substâncias quirais foi pioneiramente ra- cionalizado por Easson e Stedman.29 Esses autores propuseram que o reconheci- mento molecular de um ligante com um único centro assimétrico pelo biorre- ceptor envolveria a participação de ao menos três pontos. Neste caso, o reconheci- mento do antípoda correspondente pelo mesmo sítio receptor não seria tão eficaz devido à perda de um ou mais pontos de interação complementar.30 Esses autores inspiraram o modelo de três pontos ilustrado na Figura 1.23, que considera o mecanismo de reconhecimento estereoespecífico do propranolol (1.22) pelos re- ceptores β-adrenérgicos.30 O enantiômero (S)-(1.22) é reconhecido por esses re- ceptores por meio de três principais pontos de interação: a) sítio de interação hidrofóbica, que reconhece o grupamento lipofílico naftila de (1.22); b) sítio doador de ligação de hidrogênio, que reconhece o átomo de oxigênio da hidroxila da cadeia lateral de (1.22); c) sítio de alta densidade eletrônica, que reconhece o grupamento amina da cadeia lateral (ionizado em pH fisiológico), através de interações do tipo íon-dipolo. Neste caso particular, o enantiômero (R)-(1.22) apresenta-se praticamente destituído das propriedades β-bloqueadoras terapeu- ticamente úteis, devido à menor afinidade decorrente da perda do ponto de in- teração (b), apresentando, por sua vez, propriedades indesejadas relacionadas à inibição da conversão do hormônio da tireóide tiroxina à triiodotironina. Assim, de acordo com as regras de nomenclatura recomendadas pela Inter- national Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), o enantiômero tera- peuticamente útil de um fármaco, que apresenta maior afinidade e potência pelos receptores-alvo, é denominado de eutômero, enquanto seu antípoda, ligante de menor afinidade pelo biorreceptor; denomina-se distômero.31 FIGURA 1.23 Reconhecimento molecular dos grupamentos farmacofóricos dos enantiômeros do propranolol (1.22).
  18. 18. 36 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS As diferenças de atividade intrínseca de fármacos enantioméricos possuindo as mesmas propriedades físico-químicas, excetuando-se o desvio do plano da luz polarizada, é função da natureza quiral dos aminoácidos, que constituem a grande maioria de biomacromoléculas receptoras e que se caracterizam como alvos-terapêuticos “oticamente ativos”. Dessa forma, a interação entre os antí- podas do fármaco quiral com receptores quirais leva à formação de complexos fármaco-receptor diastereoisoméricos que apresentam propriedades físico-quími- cas e energias diferentes, podendo, assim, promover respostas biológicas distintas. CONFIGURAÇÃO RELATIVA E ATIVIDADE BIOLÓGICA* De forma análoga, alterações da configuração relativa dos grupamentos farma- cofóricos de um ligante alicíclico ou olefínico também podem repercutir direta- mente no seu reconhecimento pelo biorreceptor, uma vez que as diferenças de arranjo espacial dos grupos envolvidos nas interações com o sítio receptor impli- cam em perda de complementaridade e conseqüente redução de sua afinidade e atividade intrínseca, como ilustra a Figura 1.24. Um exemplo clássico que ilustra a importância da isomeria geométrica (cis- trans, E-Z) na atividade biológica de um fármaco diz respeito ao desenvolvimento do estrogênio sintético, trans-dietilestilbestrol (1.23), cuja configuração relativa dos grupamentos para-hidroxifenila mimetiza o arranjo molecular do ligante natural, isto é, hormônio estradiol (1.24), necessário ao seu reconhecimento pelos receptores de estrogênio intracelulares (Figura 1.25). O estereoisômero cis do dietilestilbestrol (1.25) possui distância entre estes grupamentos farmacofó- ricos (7,7 Å) inferior àquela necessária ao reconhecimento pelo biorreceptor e, * O Capítulo 5 discute em detalhes os as- pectos conformacionais envolvidos na atividade farmacológica dos fármacos FIGURA 1.24 Configuração relativa e o reconhecimento molecular ligante-receptor.
  19. 19. QUÍMICA MEDICINAL 37 conseqüentemente, apresenta atividade estrogênica 14 vezes menor do que o isômero trans correspondente (1.23) (Figura 1.25). CONFORMAÇÃO E ATIVIDADE BIOLÓGICA* As variações do arranjo espacial envolvendo a rotação de ligações covalentes sigma, associadas a energias inferiores a 10 Kcal/mol, caracterizam as conforma- ções. Este tipo particular de estereoisomeria é extremamente relevante para o reconhecimento molecular de uma molécula, inclusive endógena (p. ex., dopa- mina, serotonina, histamina, acetilcolina), e explica as diferenças de atividade biológica, dependentes da modulação de diferentes subtipos de receptores (p. ex., D1/D2/D3/D4/D5, 5-HT1/5-HT2/5-HT3, H1/H2/H3, muscarínicos/nicotínicos, res- pectivamente).32 A acetilcolina (1.26), importante neurotransmissor do sistema nervoso pa- rassimpático, é capaz de sensibilizar dois subtipos de receptores: os receptores muscarínicos, predominantemente localizados no sistema nervoso periférico, e os receptores nicotínicos, localizados predominantemente no sistema nervoso central. Entretanto, os diferentes efeitos biológicos promovidos por esse autacóide são decorrentes de interações que envolvem distintos arranjos espaciais dos grupa- mentos farmacofóricos com o sítio receptor correspondente, isto é, grupamento acetato e grupamento amôneo quaternário. Eles podem, preferencialmente, ado- tar uma conformação de afastamento máximo, conhecida como antiperiplanar, * O Capítulo 5 discute em detalhes os as- pectos conformacionais envolvidos na atividade farmacológica dos fármacos. FIGURA 1.25 Reconhecimento molecular dos grupamentos farmacofóricos dos estereoisômeros trans (1.23) e cis- dietilestilbestrol (1.25).
  20. 20. 38 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS ou conformações onde estes grupos apresentam um ângulo de 60o entre si, conhe- cidas como sinclinais (Figura 1.26).33 O reconhecimento seletivo dos bioligantes muscarina (1.27) e nicotina (1.28) por estes subtipos de receptores permitiu evidenciar que a conformação antiperiplanar de (1.26) está envolvida na interação com os receptores muscarínicos, enquanto a conformação sinclinal de (1.26) é a responsável pelo reconhecimento molecular do subtipo nicotínico. QUIRALIDADE AXIAL E ATIVIDADE BIOLÓGICA* Quando variações do arranjo espacial de moléculas envolvendo a rotação de ligações covalentes sigma estão associadas a barreiras energéticas superiores à 40 Kcal/mol, observamos o “congelamento” de conformações enantioméricas, que podem ser caracterizadas isoladamente.34 Este tipo particular de estereoiso- meria, chamada atropoisomerismo,31 foi inicialmente descrita em bifenilas orto- funcionalizadas (1.29) (Figura 1.27), mas grande número de funções orgânicas distintas podem apresentar este fenômeno, caracterizado pela presença de pro- priedades quirais em ligantes que não apresentam centro estereogênico.34 * O Capítulo 5 discute em detalhes os as- pectos conformacionais envolvidos na ati- vidade farmacológica dos fármacos. FIGURA 1.26 Variações conformacionais da acetilcolina (1.26) e o reconhecimento molecular seletivo dos grupamentos farmacofóricos pelos receptores muscarínicos e nicotínicos.
  21. 21. QUÍMICA MEDICINAL 39 Diversos fármacos e substâncias bioativas que apresentam e dependem desta propriedade estrutural para o reconhecimento molecular pelo biorreceptor-alvo são conhecidos,34 como os exemplos representados pelo gossipol e pela colchicina, discutidos nos Capítulos 2 e 3, respectivamente. Cabe destacar também o antibió- tico atropoisomérico de origem natural vancomicina34,35 (1.30) (Figura 1.28), que era, até o final da década de 1980, o último recurso terapêutico para o trata- mento de certas infecções provocadas por bactérias resistentes à penicilina e seus derivados. O mecanismo de ação deste antibiótico envolve sua complexação, através de ligações de hidrogênio, com o peptídeo D-Ala-D-Ala precursor do peptideoglicano que reforça a membrana externa, impedindo sua formação e provocando a conseqüente morte bacteriana35 (Figura 1.28). FIGURA 1.27 Atropoisomerismo da bifenila orto-funcionalizada (1.29). FIGURA 1.28 Antibiótico atropoisomérico vancomicina (1.30) complexado à subunidade D-Ala-D-Ala do peptídeoglicano bacteriano.
  22. 22. 40 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS E ATIVIDADE BIOLÓGICA Como mencionado, as propriedades físico-químicas de determinados grupamen- tos funcionais são de fundamental importância na fase farmacodinâmica da ação dos fármacos, etapa de reconhecimento molecular, uma vez que a afinidade de um fármaco pelo seu biorreceptor é dependente do somatório das forças de interação dos grupamentos farmacofóricos com sítios complementares da bio- macromolécula. Adicionalmente, a fase farmacocinética, que engloba os processos de absorção, distribuição, metabolização e excreção,* repercutindo diretamente na biodispo- nibildade e no tempo de meia-vida do fármaco na biofase, também pode ser drasticamente afetada pela variação das propriedades fisico-químicas de um fár- maco. As principais propriedades fisico-químicas de uma micromolécula capazes de alterar seu perfil farmacoterapêutico são o coeficiente de partição, que expressa a lipofilicidade relativa da molécula, e o coeficiente de ionização, expresso pelo pKa, que traduz o grau de contribuição relativa das espécies neutra e ionizada. Considerando que a grande maioria dos fármacos disponíveis é absorvida passivamente, tendo de transpor a bicamada lipídica que constitui o ambiente hidrofóbico das membranas biológicas (Figura 1.29), destaca-se a importância das propriedades físico-químicas, isto é, lipofilicidade e pKa, para que o fármaco atinja concentrações plasmáticas capazes de reproduzir o efeito biológico evi- denciado em experimentos in vitro. * A fase farmacocinética é referida em li- vros de língua inglesa como ADME (A = absorção; D = distribuição; M = meta- bolismo [vide p. 46]; E = eliminação). FIGURA 1.29 Bicamada lipídica das membranas biológicas.
  23. 23. QUÍMICA MEDICINAL 41 LIPOFILICIDADE (Log P) A lipofilicidade é definida pelo coeficiente de partição de uma substância entre uma fase aquosa e uma fase orgânica. O conceito atualmente aceito para coeficien- te de partição (P) pode ser definido pela razão entre a concentração da substância na fase orgânica (Corg) e sua concentração na fase aquosa (Caq) em um sistema de dois compartimentos sob condições de equilíbrio, como ilustrado na Figura 1.30. Os fármacos que apresentam maior coeficiente de partição, ou seja, têm maior afinidade pela fase orgâni- ca, tendem a ultrapassar com maior facilidade as bio- membranas hidrofóbicas, apresentando melhor perfil de biodisponibilidade, que pode refletir em um melhor perfil farmacológico. A Tabela 1.2 ilustra como a intro- dução de grupos funcionais polares (R = OH) altera o coeficiente de partição e, conseqüentemente, a absorção gastrintestinal dos fármacos cardiotônicos digitoxina (1.31) e digoxina (1.32).36 TABELA 1.2 COEFICIENTE DE PARTIÇÃO E A ABSORÇÃO GASTRINTESTINAL DE FÁRMACOS CARDIOTÔNICOS Fármaco Coeficiente de partição Absorção Tempo de P [CHCl3 / MeOH:H2O (16:84)] gastrintestinal (%) meia-Vida (h) Digitoxina (1.31) 96,5 100 144 Digoxina (1.32) 81,5 70-85 38 FIGURA 1.30 Determinação do coeficiente de partição (P) de um soluto.
  24. 24. 42 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS O coeficiente de partição (P) é tradicionalmente determinado pelo método de shake flask, empregando n-octanol como f ase orgânica devido à sua semelhan- ça estrutural com os fosfolipídeos de membrana. Os valores do logaritmo do coeficiente de partição (log P) são normalmente correlacionados com a atividade biológica, descrevendo em geral um modelo parabólico bilinear37 (Figura 1.31), que indica haver lipofilicidade ótima, capaz de expressar requisitos farmacocinéticos e farmacodinâmicos ideais, cujo incremento leva à pro- gressiva redução da atividade biológica. Além da demonstração das correlações entre a ati- vidade biológica e parâmetros físico-químicos (p. ex., lipofilicidade), os estudos de Hansch e colaboradores demonstraram que log P é uma propriedade aditiva e possui um considerável caráter constitutivo. Por analo- gia à equação de Hammett (1935) utilizando derivados benzênicos substituídos, eles definiram a constante hidrofóbica do substituinte, πX, (equação 1.1): πX = Log (PX / PH) eq.1.1 e, então, o coeficiente de partição (Log PX) de um derivado funcionalizado com um substituinte X apresentando pode ser calculado empregando-se a equação 1.2: Log PX = Log PH + πX eq.1.2 acrescentando o valor da contribuição da constante hidrofóbica do substituinte X tabulada (vide Anexos) ao logaritmo do coeficiente de partição do derivado não substituído (Log PH).38 Podemos exemplificar o emprego desta equação no cálculo do logaritmo do coeficiente de partição do analgésico paracetamol (1.33) a partir de valores experi- mentalmente obtidos para o fenol (1.34), a acetanilida (1.35) e o benzeno (1.36), como ilustra a Figura 1.32. Deve-se destacar que, em face do caráter aditivo do parâmetro lipofilicidade em derivados congêneres, qualquer das rotas utilizadas na predição do Log P do paracetamol (1.33) leva a valores bem próximos daquele obtido experimentalmente, isto é, 0,46. A limitação do emprego deste método de predição do coeficiente de partição está relacionado à impossibilidade de extrapolação dos valores da contribuição hidrofóbica de radicais monovalentes (p. ex., -CH3) para radicais divalentes (p. ex., -CH2-) ou trivalentes. Nesses casos, os valores preditos empregando as constantes πx são normalmente menores do que os valores experimentais cor- respondentes, fato que pode ser contornado pelo emprego das constantes frag- mentais de Nys e Rekker.39 FIGURA 1.31 Modelo bilinear usado para descrever as correlações entre a atividade biológica e a lipofilicidade de uma série de fármacos congêneres.
  25. 25. QUÍMICA MEDICINAL 43 pKa A maior parte dos fármacos são ácidos ou bases fracas. Na biofase, fármacos de natureza ácida (HA) podem perder o próton, levando à formação da espécie aniônica correspondente (A– ), enquanto fármacos de natureza básica (B) podem ser protonados, levando à formação da espécie catiônica (BH+ ), como ilustra a Figura 1.33. A constante de ionização de um fármaco é capaz de expressar, dependendo de sua natureza química e do pH do meio, a contribuição percentual relativa das espécies ionizadas (A– ou BH+ ) e não-ionizadas correspondentes (HA ou B) (Figu- ra 1.33). Essa propriedade é de fundamental importância na fase farmacocinética, uma vez que o grau de ionização é inversamente proporcional à lipofilicidade, de forma que as espécies não-ionizadas, por serem mais lipofílicas, conseguem atravessar as biomembranas por transporte passivo; já as espécies carregadas são polares e normalmente se encontram solvatadas por moléculas de água, dificultando o processo de absorção passiva (Figura 1.33). Adicionalmente, essa propriedade físico-química é de fundamental importân- cia na fase farmacodinâmica, devido à formação de espécies ionizadas que podem interagir complementarmente com resíduos de aminoácidos do sítio ativo da biomacromolécula receptora por ligação iônica ou interações do tipo íon-dipolo. FIGURA 1.32 Uso da equação de Hansch na predição do Log P do paracetamol (1.33).
  26. 26. 44 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS A equação de Henderson-Hasselbach para a ionização de ácidos fracos deriva da equação 1.340 : HA + H2O A– + H3O+ eq.1.3 onde a constante de ionização Ka pode ser expressa pela relação das concentrações das espécies ionizadas sobre as espécies não-ionizadas, como ilustra a equação 1.4: [H3O+ ] [A– ] Ka = ____________ eq.1.4 [HA] então, se considerarmos que: pKa = –Log Ka e pH = Log [H3O+ ] eq.1.5 e 1.6 podemos transformar a equação 1.4 na equação 1.7: [A– ] –Log Ka = –Log [H3O+ ] – Log _____ eq.1.7, onde [HA] [espécie ionizada] pKa = –pH – Log ____________________ eq.1.8 [espécie não-ionizada] por fim, podemos atribuir à fração ionizada o termo α, de forma que em termos percentuais a fração não-ionizada corresponderia à 100 – α, chegando então à equação para cálculo do percentual de ionização de ácidos, descrita a seguir: FIGURA 1.33 Grau de ionização e a absorção passiva de ácidos ou bases fracas.
  27. 27. QUÍMICA MEDICINAL 45 100 % de ionização (α) = 100 – ____________________ eq.1.9 1 + antilog (pH – pKa) Similarmente, a equação de Henderson-Hasselbach para o cálculo do grau de ionização de bases pode ser desenvolvida como demonstrado, produzindo a expressão final: 100 % de ionização (α) = 100 – ____________________ eq.1.10 1 + antilog (pKa – pH) Sabendo-se que os principais compartimentos biológicos têm pH definidos (p. ex., mucosa gástrica, pH ~ 1, mucosa intestinal, pH ~ 5 e plasma, pH ~ 7,4), as equações de Henderson-Hasselbach podem ser empregadas na previsão do comportamento farmacocinético de substâncias terapeuticamente úteis, isto é, absorção, distribuição e excreção, podendo em alguns casos permitir a obtenção de fármacos com propriedades físico-químicas otimizadas, como é o caso do antiinflamatório não-esteróide piroxicam (1.37).41 O piroxicam (1.37) é um fármaco de natureza ácida devido a presença de função enólica e à estabilização da base conjugada correspondente (1.38) por ligação de hidrogênio intramolecular (Figura 1.34). A absorção do piroxicam (1.37) se dá no trato gastrintestinal, sob a forma não-ionizada, sendo, portanto, modulada pelo coeficiente de partição (P), que determina as concentrações plas- máticas efetivas, alcançadas duas horas após a administração oral deste fármaco. Uma vez absorvido, o piroxicam (1.37) se ioniza fortemente no pH sangüíneo e cerca de 99,3% é distribuído complexado com proteínas plasmáticas, como a albumina. No tecido inflamado, existe uma intensa atividade metabólica, contro- lada pela ação de proteases que acarretam em redução significativa do pH (~5), condições nas quais mais de 95% do fármaco se encontra na forma não-ionizada, podendo ser adequadamente absorvido (Figura 1.34). A adequação das propriedades físico-químicas de (1.37), aliada à sua afinidade pelo biorreceptor, permite que baixas doses do fármaco – 20 mg/dia – sejam necessárias para alcançar o efeito terapêutico desejado. Entretanto, em alguns casos, as diferenças de pKa não são capazes de explicar diferenças no perfil farma- coterapêutico de determinados fármacos, como é o caso dos antagonistas seletivos de receptores β1, metoprolol (1.39) e atenolol (1.40), os quais, apesar de apresenta- rem valores de pKa similares, têm coeficientes de partição bastante distintos em função da variação dos substituintes da cadeia lateral (-CH2OCH3 vs. CONH2) (Figura 1.35). Apesar de esses anti-hipertensivos da classe das ariloxipropano- laminas apresentarem propriedades farmacodinâmicas similares, suas proprieda- des na fase farmacocinética são distintas, implicando a possibilidade de emprego clínico diferenciado. O metoprolol (1.39) é um β-bloqueador lipossolúvel (Log P = 1,88), metabolizado por efeito de primeira passagem,* cujo uso clínico é contra- indicado para pacientes com distúrbios no sistema nervoso central, devido à tendência de atravessar a barreira hematoencefálica. * Vide, a seguir, neste capítulo, os funda- mentos do metabolismo de fármacos.
  28. 28. 46 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS O atenolol (1.40) é um β-bloqueador hidrossolúvel (Log P = 0,16), cujo uso clínico é contra-indicado para pacientes com distúrbios renais, devido ao estresse provocado pela excreção renal do fármaco na forma não-modificada. FUNDAMENTOS DO METABOLISMO DOS FÁRMACOS O metabolismo dos fármacos compreende os processos enzimaticamente catali- sados capazes de produzir modificações estruturais no fármaco. Neste contexto, a classificação de Williams, de 1959, para as fases do metabolismo é ilustrativa.42 Esse autor denominou biotransformação a primeira fase do metabolismo (fase 1) de um fármaco na biofase, englobando reações de oxidação, redução e hidrólise. A fase 2 do metabolismo compreende a etapa de conjugação, envolvendo reações de glicuronidação, sulfatação, conjugação com glicina, acilação, metilação e a formação de aductos com glutatião. Raramente uma substância orgânica, fármaco ou não, sobrevive à ação catalí- tica dos diversos sistemas enzimáticos presentes nas células dos organismos vivos. Considerando-se que o arsenal terapêutico atual compreende uma ex- pressiva maioria de substâncias orgânicas, pode-se antecipar que dificilmente FIGURA 1.34 Grau de ionização do piroxicam (1.37) em compartimentos biológicos específicos.
  29. 29. QUÍMICA MEDICINAL 47 um medicamento, sintético ou não, de natureza orgânica, resistirá à ação das enzimas da biofase.43 Um fármaco tem sua utilidade terapêutica medida em função da ação benéfica que exerce sobre um dado sistema biológico. Esta, por sua vez, depende da quanti- dade do fármaco administrado capaz de atingir, na concentração necessária, o sítio de ação desejado. Portanto, o estudo do metabolismo dos fármacos se torna essencial para o completo conhecimento de fatores farmacocinéticos relevantes ao seu uso adequado e seguro. Em termos experimentais, o estudo do metabolis- mo de fármacos exige o emprego de técnicas analíticas sensíveis e eficazes, aliadas a procedimentos de extração eficientes e quantitativos, de ínfimas quantidades de substâncias de fluidos biológicos, de maneira a permitir a elucidação inequívo- ca da estrutura química dos metabólitos de um fármaco, inclusive quanto a definição de centros estereogênicos, quando presentes. Estes metabólitos, para serem adequadamente isolados e terem suas estruturas elucidadas, precisam ser teoricamente previstos, em termos estruturais, antecipando informações sobre as propriedades físico-químicas, de maneira a permitir a racionalização da escolha do método de isolamento quali e quantitativamente adequado.44 Por outro lado, o conhecimento prévio das prováveis mudanças estruturais que um determinado fármaco pode sofrer na biofase permite que se antecipem dados sobre sua provável estabilidade ante o método de isolamento escolhido, garantindo sua eficiência em termos quantitativos. Nessa ótica, o conhecimento das bases teóricas das etapas de biotransfomação e conjugação, fase 1 e 2, que compreendem o meta- bolismo dos fármacos, em termos moleculares, torna-se essencial. As transformações enzimaticamente promovidas na estrutura química dos fármacos podem acarretar profundas alterações na resposta biológica, uma vez que modificações moleculares, ainda que singelas, podem alterar significativa- mente o farmacóforo, dificultando sua interação com o biorreceptor original ou, ainda, favorecendo novas interações com outras biomacromoléculas, correspon- dendo a novos e distintos efeitos biológicos, algumas vezes responsáveis pelos FIGURA 1.35 Perfil comparativo das propriedades físico- químicas do metoprolol (1.39) e do atenolol (1.40).
  30. 30. 48 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS efeitos deletérios de um fármaco. Nesse sentido, a Organização Mundial de Saúde (OMS) recomenda que os estudos do metabolismo dos fármacos sejam parte obrigatoriamente integrante dos programas de avaliação pré-clínica e clínica de quaisquer novos medicamentos. Em termos estruturais, os fármacos, em sua grande maioria, podem ser consi- derados como micromoléculas orgânicas, lipossolúveis, polifuncionalizadas. Essas características contribuem para que apresentem diferentes sítios reativos ante as inúmeras enzimas da biofase. Como conseqüência dessa reatividade, um deter- minado fármaco produz, não raramente, distintos metabólitos, visto a diferença na cinética relativa das diferentes enzimas envolvidas em seu metabolismo. O estudo molecular do metabolismo dos fármacos permite que se antecipe, à luz das diferenças de reatividade química dos distintos sítios metabolicamente lábeis, um nível de hierarquização na formação destes diferentes metabólitos, prevendo- se, antecipadamente, aqueles majoritários. Por outro lado, o conhecimento das bases moleculares do metabolismo dos fármacos permite que se introduzam, de modo racional, determinadas modificações estruturais de maneira a aprimorar sua biodisponibilidade ou eficácia (pró-fármacos).45 FASES DO METABOLISMO: BIOTRANSFORMAÇÃO, FASE I O destino de um fármaco no metabolismo está ilustrado no Quadro 1.1. No primeiro caso, o fármaco originalmente inativo (pró-fármaco) sofreu uma ati- vação metabólica, fornecendo, após sua metabolização, a substância terapeuti- camente útil. No segundo caso, o fármaco originalmente administrado produz um metabólito de estrutura similar, biologicamente ativo, porém com proprieda- des farmacológicas distintas do fármaco original, em geral responsáveis pelos efeitos tóxicos observados com o seu emprego. Essa situação depende da estrutura original do fármaco administrado, que em função disso pode sofrer biotransfor- mações que produzam espécies lábeis capazes de reagir covalentemente com biomacromoléculas da biofase (exemplos dessa situação serão discutidos adian- te). No terceiro caso ilustrado no Quadro 1.1, o fármaco original conduz a um metabólito inativo (i.e., bioinativação metabólica) com propriedades adequadas para a sua eliminação pela via renal. Essa situação representa uma situação ideal, infelizmente rara. O estudo do metabolismo dos fármacos permite: estabelecer a cinética de formação e as estruturas químicas de seus meta- bólitos; QUADRO 1.1 METABOLISMO DE FÁRMACOS Fármaco inativo Metabólito ativo (Bioativação) Fármaco ativo Metabólito ativo (mesma atividade ou não) (Toxicidade) Fármaco ativo Metabólito inativo (Bioinativação)
  31. 31. QUÍMICA MEDICINAL 49 determinar a velocidade e o sítio de absorção majoritário; determinar os níveis de concentração e depósito, plasmático e tissular, tanto do fármaco como de seus metabólitos, permitindo estabelecer sua vida-média na biofase; determinar a principal via de eliminação; determinar os sítios moleculares metabolicamente vulneráveis e correla- cioná-los com aqueles farmacoforicamente mais relevantes à atividade; compreender as interações metabólicas de um determinado fármaco com outro, administrado simultaneamente ou em associações; determinar a toxicidade dos metabólitos e correlacioná-los com a estrutura química; fornecer novos compostos protótipos para atividades farmacológicas distin- tas daquela do fármaco original. Os fármacos, assim como outros agentes químicos (solventes industriais, pes- ticidas, aditivos de alimentos industrializados, etc.) estranhos ao organismo (i.e., xenobióticos) são metabolizados por distintos sistemas enzimáticos. Dentre esses, o principal sistema enzimático envolvido no metabolismo dos fármacos com- preende as enzimas microssomais hepáticas, em que se destacam uma hemepro- teína oxidativa – denominada citocromo P450 (CYP450) (Figura 1.36) – e uma flavoproteína – NADPH-citocromo-C redutase – que, associadas a lipídeos, for- mam o sistema MFO (mixed function oxidases, oxidases de função mista). Embora seja o fígado o principal sítio de metabolização dos fármacos, outros órgãos e tecidos podem metabolizar fármacos (p. ex., trato gastrintestinal, pulmões, rins). A primeira etapa do metabolismo dos medicamentos – fase 1 – caracteriza-se por envolver reações redox ou hidrolitícas, responsáveis pela conversão do fár- maco lipofílico em um primeiro metabólito mais polar. Na maioria das vezes, FIGURA 1.36 Estrutura do citocromo P450 (CYP450).
  32. 32. 50 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS essa etapa envolve o CYP450 hepático e compreende, basicamente, a inserção de um átomo de oxigênio, originário de uma molécula de O2, em sua estrutura (Figura 1.37). O sistema CYP450 é composto por diversas isoenzimas, codificadas pela super- família de genes CYP. Esta superfamília é dividida em famílias e subfamílias,46 sendo que as principais subfamílias envolvi- das com o metabolismo de fármacos são as CYP 1A, 2A-F e 3A (Figura 1.38). A biotransformação oxidativa da cafeína (1.41), por exemplo, é mediada por diferen- tes isoformas de CYP450 (CYP 1A2 e 3A). A isoforma 1A2 é responsável pela formação de paraxantina (1.42), enquanto a isoforma 3A está envolvida com a oxidação da posição 8, levando à formação do ácido 1,3,7-trime- tilúrico (1.43) (Figura 1.39). FIGURA 1.37 Mecanismo de monoxigenação catalisada por CYP450. FIGURA 1.38 Principais isoformas de CYP450 envolvidas no metabolismo de fármacos.
  33. 33. QUÍMICA MEDICINAL 51 Observa-se ainda a existência de polimorfismo genético neste sistema enzi- mático, justificando a existência de indivíduos com baixa taxa de metabolização de certos fármacos, enquanto outros apresentam um comportamento normal.46 Essa diferença pode acarretar uma variação individual nas reações tóxicas a de- terminado fármaco. Várias reações de bioconversão de diferentes grupos funcionais podem ocorrer na fase 1 do metabolismo. Entre os processos microssomais, encontram-se aqueles descritos no Quadro 1.2, englobando reações oxidativas; já os processos não-microssomais estão ilustrados no Quadro 1.3. FIGURA 1.39 Metabolismo oxidativo da cafeína (1.41). (Continua) QUADRO 1.2 PROCESSOS MICROSSOMAIS DE BIOTRANSFORMAÇÃO Oxidações catalisadas por citocromo P450 Carbono Hidroxilação alifática Hidroxilação benzílica
  34. 34. 52 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS QUADRO 1.2 (continuação) PROCESSOS MICROSSOMAIS DE BIOTRANSFORMAÇÃO Hidroxilação alílica Hidroxilação α a heteroátomo Hidroxilação aromática ArH ArOH Epoxidação Nitrogênio Aminas primárias RNH2 RNHOH Aminas secundárias R1R2NH R1R2NOH Aminas terciárias R1R2R3N R1R2R3N -O Amidas RCONHR’ RCON(R)OH Enxofre Sulfetos RSR’ RSOR’ Sulfóxidos RSOR’ RSO2R’ Reduções Azo R-N=N-R’ R-NH2 + R’NH2 Nitro R-NO2 R-NH2 Cetonas RCOR’ RCH(OH)R’
  35. 35. QUÍMICA MEDICINAL 53 Entre os processos oxidativos não-microssomais de fase 1 encontram-se as oxidações de álcoois por ação de desidrogenases hepáticas (LAD), também pre- sentes nos pulmões e rins. Por ação dessas enzimas os álcoois primários produzem aldeídos. Estudos de cinética relativa indicaram que os álcoois primários são muito mais rapidamente oxidados do que os álcoois secundários, que produzem compostos cetônicos como produtos (Figura 1.40). Compostos aldeídicos, por sua vez, são oxidados pelo sistema enzimático não- microssomal, denominado aldeído-desidrogenase (LDD), produzindo o ácido car- boxílico correspondente. Em nível plasmático, ocorrem reações de metabolização de ácidos alquil-car- boxílicos por ação de β-oxidases. Essas enzimas são capazes de promover a cisão oxidativa das ligações C-C sp3 das cadeias alifáticas de ácidos graxos (p. ex., 1.46), produzindo bis-homólogos inferiores (p. ex., 1.47) (Figura 1.40). FIGURA 1.40 Reações não- microssomais envolvidas na bioinativação da prostaglandina E2 (1.44). QUADRO 1.3 PRINCIPAIS BIOTRANSFORMAÇÕES NÃO-MICROSSOMAIS Fármaco Metabólito RCH2OH RCHO RCHO RCO2H R(CH2)2CO2H RCO2H RCH2NH2 RCO2H RCOR’ RCH(OH)R’ RCH=CHR’ RCH2CH2R’
  36. 36. 54 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS Um complexo enzimático não-microssomal, cobre-dependente, capaz de pro- mover a cisão oxidativa da ligação C-N de aminas primárias endógenas ou não, é a monoaminoxidase (MAO), atualmente identificadas sob duas isoformas, a saber: MAO-A e MAO-B. Neste processo, ocorre a oxidação do carbono-α ao heteroátomo, que resulta na formação de um aza-cetal, lábil, que produz o produto de N-dealquilação, ou X-dealquilação, onde X é um heteroátomo (N, O, S) (Figura 1.41). FIGURA 1.41 Processo de X- dealquilação de fármacos. Compostos endogénos ou exógenos, isto é, xenobióticos, sofrem o processo oxidativo mediado pelas enzimas microssomais hepáticas, conforme ilustra o produto de N-oxidação da nicotina (1.28, Figura 1.42). FIGURA 1.42 N-oxidação da nicotina (1.28). Reações não-oxidativas que ocorrem em nível microssomal compreendem a redução de grupamentos nitro (NO2) e diazo (N=N). O sistema microssomal responsável por estas reações não-oxidativas é dependente de NADPH-citocromo C redutase. Fármacos que possuam grupamentos nitroaromáticos produzem, por ação desse sistema enzimático, derivados anilínicos, como ilustra a biotrans- formação do cloranfenicol (1.49, Figura 1.43).
  37. 37. QUÍMICA MEDICINAL 55 Alguns compostos nitrados podem produzir como principal metabólito a cor- respondente hidroxilamina, substrato para enzimas conjugativas da fase 2 (vide infra). Embora este produto de metabolização de substâncias nitroaromáticas seja menos freqüente, interfere na rota metabólica de alguns agentes antibacte- rianos, como o derivado nitrofurânico funcionalizado, nitrofurazona (1.51), con- forme ilustrado na Figura 1.44. A redução de diazocompostos por ação de enzimas microssomais foi descober- ta com o estudo das propriedades antibacterianas do prontosil (1.53). Esse com- posto representa o primeiro pró-fármaco conhecido, portanto inativo in vitro. Essa substância sofre um processo de bioativação metabólica por ação de azo-redutases produzindo, in vivo, a sulfanilamida (1.55), responsável pela ação antibacteriana manifestada por antagonismo competitivo com o ácido para-aminobenzóico (PABA) na biossíntese do ácido fólico47 (Figura 1.45). FIGURA 1.45 Bioativação do prontosil (1.53) produzindo a sulfanilamida (1.55). FIGURA 1.43 Metabolismo do cloranfenicol (1.49). FIGURA 1.44 Formação da hidroxilamina (1.52) durante o metabolismo da nitrofurazona (1.51).
  38. 38. 56 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS As reduções não-microssomais representam rotas secundárias de metaboli- zação de fármacos, onde intervêm processos de reduções de compostos, aldeídicos, cetônicos e insaturados (Quadro 1.3). Além dos processos redox, o metabolismo de fármacos, em sua fase 1, com- preende ainda reações hidrolíticas que podem ocorrer tanto em nível hepático quanto plasmático. Essas reações são catalisadas por hidrolases e transformam ésteres, amidas e outras funções derivadas de ácidos carboxílicos (p. ex., ácidos hidroxâmicos, hidrazidas, carbamatos e nitrilas) em metabólitos mais polares. As hidrolases de ésteres, denominadas esterases, estão presentes no trato gastrintestinal, no plasma, na flora microbiana intestinal e, algumas específicas, em determinados tecidos (p. ex., acetilcolinesterase no sistema nervoso central). As esterases plásmaticas têm sido amplamente exploradas na liberação de for- mas latentes de fármacos derivados de ácidos carboxílicos (p. ex., penicilinas (1.56), Figura 1.46).48 FIGURA 1.46 Conversão da sultamacilina (1.56) em ampicilina (1.57) e ácido penicilânico-sulfona (1.58). A exemplo das esterases, as amidases, responsáveis pela hidrólise enzimática de amidas, encontram-se largamente distribuídas no plasma e trato gastrintes- tinal, onde desempenham importantes funções na digestão. Ambos os tipos de enzimas hidrolíticas são sensíveis a efeitos estéricos e eletrônicos, permitindo a previsão de hidrólises cineticamente favorecidas em função, por exemplo, de menores restrições estéricas. O estudo da hidrólise de ésteres da cocaína (1.59) indicou que se pode prever a seletividade da reação enzimática em função do menor impedimento estérico existente entre dois ésteres de um mesmo substrato. Esses estudos contribuíram significativamente para o desenvolvimento de novos agentes anestésicos (Figura 1.47).
  39. 39. QUÍMICA MEDICINAL 57 A meperidina (1.61), um poderoso agente analgésico central sem propriedades hipnonarcóticas, mostrou-se estável ante as esterases plasmáticas em razão da natureza neopentílica do éster em sua estrutura. Em contraste, este fármaco pode ser facilmente hidrolisado por ação de esterases hepáticas inespecíficas, indicando que tais enzimas são estericamente menos exigentes do que as isoen- zimas plásmaticas (Figura 1.48). A hidrólise de amidas, carbamatos, hidrazidas, imidas, ureídas são passos de biotransformação freqüentes no metabolismo de fármacos e são geralmente mais lentas do que a dos correspondentes ésteres (cf. Figura 1.47). Por outro lado, derivados de ácidos hidroxâmicos (RCONHOH) produzem o ácido carboxílico correspondente, através ação de enzimas hidrolíticas do plasma, determinando para este grupo funcional uma enorme labilidade metabólica, a qual depende do eventual impedimento estérico, em função da natureza do subs- tituinte do átomo de nitrogênio. Diversos derivados de ácidos hidroxâmicos apre- sentam propriedades inibidoras da enzima 5-lipoxigenase (5-LOX), responsável pela bioformação de leucotrienos,49 uma classe de icosanóides com importantes propriedades broncoconstritoras e, conseqüentemente, com potencial terapêutico para emprego no tratamento da asma.50 Entretanto, em função da labilidade metabólica, fruto da presença do grupamento ácido hidroxâmico, essencial no mecanismo de ação desta classe de inibidores de 5-LOX, diminuiu o interesse dos pesquisadores neste grupo de compostos, embora em 1988 tenha ocorrido a descoberta do zileuton (1.62, A-64077) pela Abbott,51 apresentando o grupo N-hidroxiuréia bioisóstero do ácido hidroxâmico (Figura 1.49). FIGURA 1.48 Estrutura da meperidina (1.61). FIGURA 1.47 Hidrólise diferenciada da cocaína (1.59).
  40. 40. 58 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS FIGURA 1.49 Zileuton (1.62), fármaco antiasmático contendo a função N-hidroxiuréia. HIDROXILAÇÃO DE SISTEMAS AROMÁTICOS: ÓXIDOS DE ARENOS O estudo do metabolismo de fármacos que possuem anéis aromáticos, especial- mente grupos fenilas, permitiu identificar a participação de uma espécie interme- diária lábil, denominada óxido de areno, conforme ilustra o metabolismo do fenobarbital (1.63). Este barbitúrico, amplamente empregado na terapêutica, produz, em uma primeira etapa de metabolização hepática, o derivado para- hidroxilado (1.65). Esse metabólito regiosseletivamente formado se bio-origina pela oxidação enzimática do anel aromático através do sistema MFO, conduzindo ao óxido de areno ou epóxido correspondente (1.64). Tal intermediário sofre um rearranjo regioespecífico de hidreto (NIH-shift), conduzindo ao composto para- hidroxilado (1.65). O rearranjo NIH é favorecido pela presença de substituintes que não estabilizem o carbocátion intermediário formado, contribuindo para sua maior reatividade52 (Figura 1.50). Uma reação competitiva que pode ocorrer com o óxido de areno intermediário compreende o ataque de uma hidrolase sobre o anel oxirânico tensionado, produ- zindo o diol correspondente, como ilustrado para o benzo[a]pireno (1.66), que produz o derivado (1.67) (Figura 1.51).
  41. 41. QUÍMICA MEDICINAL 59 FIGURA 1.50 Mecanismos e exemplos de formação de óxidos de arenos.FIGURA 1.51 Formação de dióis a partir de óxidos de arenos.
  42. 42. 60 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS O mecanismo envolvido na formação do óxido de areno proveniente da oxida- ção do benzo[a]pireno (1.66) ilustra que a etapa de oxidação inicial é regiossele- tiva. Outros processos metabólicos apresentam a mesma característica, conforme é mostrado no metabolismo da papaverina (1.68), derivado isoquinolínico te- trametoxilado. O produto de O-demetilação (1.69) formado envolve exclusiva- mente a metoxila indicada em vermelho em sua estrutura (Figura 1.52). Outro exemplo ilustrativo da regiosseletividade do processo oxidativo de anéis aromáticos é o produto de oxidação do sistema diarilamina presente no diclofe- naco (1.70) pela isoforma de CYP2C9.53 O principal metabólito origina-se da oxidação do anel aromático mais reativo, contendo a subunidade ácido acético (posição indicada pela seta azul na Figura 1.53). FIGURA 1.52 Metabolismo da papaverina (1.68). FIGURA 1.53 Regiosseletividade do metabolismo de fármacos aromáticos, ilustrada pelo diclofenaco (1.70). A seta azul indica a posição ativada. À direita, visão estérica de sua estrutura, mostrando, em sombras vermelhas, os sítios estericamente impedidos.
  43. 43. QUÍMICA MEDICINAL 61 A labilidade da posição benzílica, fruto de sua maior reatividade, permite que se antecipe o principal sítio de oxidação do celecoxibe (1.71), representante da segunda geração de fármacos antiinflamatórios não-esteróides,54 lançado no Brasil em 1999. A posição benzílica correspondente ao grupo metila (em vermelho na Figura 1.54) permite a formação do álcool e, posteriormente, do ácido carbo- xílico correspondente. FIGURA 1.54 Estrutura do celecoxibe (1.71), indicando em vermelho o principal sítio de oxidação metabólica. À direita, visão estérica da estrutura do celecoxibe (1.71), indicando a metila (com sombra branca) e o grupamento trifluormetila em C-3 do sistema pirazólico (sombra verde). ETAPA DE CONJUGAÇÃO: FASE 2 DO METABOLISMO De maneira geral, os metabólitos de fase 1 apresentam um coeficiente de partição (P) inferior ao do fármaco original, dependendo do nível de variação estrutural do fármaco, inclusive quanto ao peso molecular. Entretanto, a maior polaridade desses metabólitos de fase 1 não é suficiente para assegurar sua eliminação pela principal via de excreção dos fármacos, a renal. Portanto, esses metabólitos sofrem reações enzimáticas subseqüentes, chamadas de conjugação, formando conjuga- dos mais hidrossolúveis, que são excretados na urina, preferencialmente, ou na bile. O Quadro 1.4 ilustra as principais reações de conjugação envolvidas no meta- bolismo dos fármacos. Cabe destacar que as reações de metilação e acetilação não aumentam a polaridade do metabólito, contribuindo, em geral, para sua bioinativação. Quando essa via de conjugação predomina na fase 2 do metabolis- mo de um fármaco, ocorre, como conseqüência, aumento de sua vida-média. Outra reação de fase 2 relevante compreende a conjugação com glutatião, um tripeptídeo sulfidrílico (GSH), que promove reações de bioinativação de eletrófilos biológicos (vide infra). Cabe mencionar que a presença de funções lábeis às enzimas que participam da fase 2 do metabolismo em um determinado fármaco, permite que a etapa de conjugação ocorra independentemente da fase 1, o que, geralmente, reduz a meia-vida deste fármaco. Quando este processo ocorre, diz-se que o fármaco em questão sofre efeito de primeira passagem.
  44. 44. 62 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS IMPORTÂNCIA DO METABOLISMO PARA A TOXICIDADE DOS FÁRMACOS O estudo do metabolismo das acetanilidas analgésicas e antipiréticas, tais como paracetamol (1.33) e fenacetina (1.72), ilustra a importância do conhecimento das etapas de biotransformação que um fármaco sofre na biofase, em relação aos efeitos adversos que pode causar. Esses analgésicos apresentam efeitos adver- sos distintos em nível hepático, embora sejam estruturalmente semelhantes. O paracetamol (1.33) causa agudas e graves necroses ao tecido hepático, detectadas desde 1966, e integra a fórmula de cerca de 11 formulações farmacêuticas no Brasil. A fenacetina (1.72), embora seja o derivado éter correspondente ao para- cetamol (1.33), é responsável por graves nefropatias, denominadas nefrites analgé- QUADRO 1.4 REAÇÕES DA FASE 2 DE CONJUGAÇÃO Reação de fase 2 Grupo funcional presente no metabólito (Conjugação) de fase 1 ou no fármaco Conjugado bioformado Glicuronidação OH, COOH, NH2, SH Sulfatação OH, NH2 R-OSO3H, R-NHSO3H Conjugação com glicina COOH Conjugação com glutatião Grupos eletrofílicos (óxidos de (nucleofílico) areno, epóxidos, carbocátions transientemente formados, enonas, etc.) Acetilação OH, NH2 R-OAc, R-NHAc Metilação OH, NH2, SH, N-heterociclo R-OMe, R-NHMe, R-SMe N-Me-heterociclo
  45. 45. QUÍMICA MEDICINAL 63 sicas, razão pela qual foi proscrita em alguns países. Considerando-se que estes fármacos são geralmente empregados por automedicação, em que a dose e a freqüência de utilização não são sujeitas à posologia determinada, os efeitos adversos podem se manifestar mais gravemente. O estudo do metabolismo desses fármacos indica a importância do conhecimento da estrutura e mecanismo de formação de todos os intermediários participantes da biotransformação dos fár- macos, de maneira a permitir determinar-se, em nível molecular, aqueles respon- sáveis, eventualmente, por efeitos benéficos e tóxicos. O paracetamol ou acetami- nofeno (1.33) produz, por ação da isoforma 2E de CYP450,a iminoquinona (1.73), cujo mecanismo de formação foi objeto de intensa polêmica entre os especialistas em metabolismo de fármacos. Resultados iniciais do estudo do metabolismo permitiram que fosse proposta uma transformação de um derivado N-hidroxilado (1.75), que por desidratação subseqüente produziria (1.73). Posteriormente, foi verificado que esta hipótese não era correta, sendo hoje aceito que o mecanismo para a formação de (1.73) envolve a transferência de dois elétrons. Esse mecanis- mo explica inclusive a formação de outros metabólitos do paracetamol (1.33) como o catecol (1.74) (Figura 1.55). FIGURA 1.55 Metabolismo do paracetamol (1.33).
  46. 46. 64 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS Foi demonstrado que a iminoquinona (1.73) pode sofrer reações de conjugação envolvendo bionucleófilos presentes no fígado, especialmente com o glutatião. O ataque nucleofílico deste sobre as espécies eletrofílicas transientes, como a iminoquinona (1.73), conduz a formação do aducto glutatião-paracetamol (1.76, Figura 1.55). A principal razão da toxicidade hepática do paracetamol (1.33) reside no estresse causado em relação aos hepatócitos, conduzindo a um signifi- cativo aumento das reações de peroxidação lipídica e alteração da homeostase de íons Ca++ , por redução dos níveis de GSH. Foi ainda observado, com relação a toxicidade hepática do paracetamol (1.33), que algumas enzimas envolvidas na regulação da concentração de Ca++ intracelular podem reagir com a imino- quinona (1.73), formando aductos irreversíveis que agravam a toxicidade deste fármaco. A compreensão deste mecanismo de toxicidade permitiu a proposta de obtenção de novos análogos mais seguros (1.77). Outro analgésico da classe das acetanilidas é a fenacetina (1.72), que possui em sua estrutura a função para-hidroxila presente no paracetamol (1.33), sob a forma do éter etilíco correspondente. Esta sutil diferença estrutural é suficiente para eliminar a hepatotoxicidade, visto que não se formam diretamente espécies reativas transientes, como a imino- quinona (1.73). Entretanto, a proteção do principal sítio de metabolização envolvido na hepatotoxicidade favorece um novo caminho metabólico, o qual envolve a bioforma- ção de substâncias nefrotóxicas como a para-fenetidina (1.78) (Figura 1.56). Esse exemplo demonstra que o bloqueio de uma rota metabólica identificada como toxicofórica em um fármaco não assegura, no novo derivado estruturalmente relaciona- do, sua inocuidade, indicando que alterações estruturais guiadas pelo metabolismo exigem prudência quando de seu emprego como estratégia de modulação do perfil far- macoterapêutico de um fármaco. Cabe destacar que, no caso da fenacetina (1.72), conforme ilustram as reações de biotransformações do Quadro 1.2, pode haver a forma- ção do próprio paracetamol (1.33), através da reação de O-dealquilação catalisada pelo sistema CYP450. A IMPORTANCIA TERAPÊUTICA DO ESTUDO DO METABOLISMO DOS FÁRMACOS O estudo do metabolismo dos fármacos evidenciou que podem ocorrer certos desvios metabólicos devido às variações diversas da função hepática dentre os indíviduos, dependendo do estado de saúde de cada paciente. Dessa forma, em determinadas infecções ou infestações que causam comprometimento da função hepática, o uso de quimioterápicos com baixo índice terapêutico deve ser feito criteriosamente, de forma a prevenir o agravamento do comprometimento da função hepática do paciente. Por outro lado, o emprego continuado de medicamentos, estratégia terapêutica comum no controle de diversos quadros patológicos crônicos, pode induzir altera- ções da função hepática de determinado paciente, resultando em respostas de indução enzimática, em que a atividade metabólica torna-se exacerbada, ou, contrariamente, de inibição da função enzimática hepática. Ambas as possibilida- FIGURA 1.56 Metabolismo da fenacetina (1.72).
  47. 47. QUÍMICA MEDICINAL 65 des resultam em efeitos indesejáveis, visto alterarem a fisiologia hepática, po- dendo modificar a capacidade de produ- ção de hormônios esteroidais. Estes são essenciais no controle de diversas fun- ções fisiológicas normais, além de resul- tarem em modificações imprevisíveis na velocidade de metabolização dos medi- camentos, alterando significativamente o tempo de meia-vida na biofase. Como ilustração, citamos o emprego do feno- barbital (1.63), usado em certos qua- dros de epilepsia menor. Cavé, Lafont e colaboradores, em 1968, identificaram o composto (1.79) como principal me- tabólito do fenobarbital (1.63) em pacientes intoxicados pelo uso continuado deste fármaco. Esses autores racionalizaram a formação da fenilbutirolactona (1.79) como decorrência das propriedades indutoras de enzimas hepáticas que o fenobarbital (1.63) possui55 (Figura 1.57). Outro indutor enzimático conhecido é o álcool etílico, capaz de ativar diferen- tes sistemas enzimáticos do fígado, o que resulta em aceleração da velocidade de metabolização dos medicamentos, reduzindo, em geral, sua meia-vida. Esse efeito indutor enzimático apresenta particular relevância quando se utilizam medicamentos que em subconcentrações plasmáticas têm sua eficácia terapêutica comprometida, como é o caso do uso dos antibióticos, ou outros quimioterápicos. Estas classes de fármacos, quando em concentrações inferiores àquelas necessá- rias aos efeitos quimioterápicos desejados, favorecem o surgimento da resistência do agente patológico. Uma situação dramática consiste no tratamento de infecções em indivíduos com epilepsia adquirida e com lesões hepáticas causadas pelo abuso do álcool. Este triste quadro não-raro em nossa população, principalmente de baixa renda, demonstra a importância do conhecimento da função hepática, em determinadas circunstâncias, como forma criteriosa de se promover a assistência farmacêutica eficiente e adequada às necessidades de saúde da população. Inversamente aos indutores enzimáticos, alguns fármacos têm a propriedade de inibirem a atividade do CYP450, como a cimetidina (1.80), o fluconazol (1.81), o diltiazem (1.82) e a quinidina (1.83), entre outros (Figura 1.58). A presença de nitrogênio heterocíclico ou heteroátomo (sítios base de Lewis) na estrutura desses fármacos pode promover a formação de complexos com o átomo de Fe (sítio ácido de Lewis) encontrado na unidade Fe-heme do CYP450, prevenindo sua atividade oxidativa. A redução da atividade do CYP450 resulta na diminuição da velocidade do metabolismo oxidativo dos fármacos, permitindo que uma rota metabólica alternativa, normalmente minoritária, torne-se a principal, levando à formação de distintos metabólitos. Outrossim, a redução da via oxidativa media- da pelo CYP450 provoca um aumento na vida-média dos fármacos, particular- mente aqueles que não sofrem efeito de primeira passagem e dependem da etapa de oxidação (Fase 1) previamente à etapa de conjugação (Fase 2) para sua subse- qüente eliminação renal. O estudo do metabolismo dos fármacos é parte essencial à completa compreen- são das razões moleculares de suas ações, estando esquematicamente resumido FIGURA 1.57 Metabolismo de fenobarbital (1.63) em pacientes intoxicados.
  48. 48. 66 capítulo 1 ASPECTOS GERAIS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS FIGURA 1.58 Fármacos com propriedades inibidoras do CYP450. na Figura 1.59. De fato, segundo a concepção mais atual da Química Medicinal, a chave para o sucesso no desenvolvimento de um novo fármaco consiste em minimizar os fatores imprevisíveis desta molécula, tentando predizer seu compor- tamento ao longo da biofase, incluindo interações com outros xenobióticos que eventualmente possam coexistir durante o emprego terapêutico. Neste âmbito, cresce a necessidade de se investigar as propriedades ADMET nas etapas mais iniciais do processo de descoberta e caracterização do perfil farmacológico de um novo protótipo candidato a fármaco, de modo a antecipar eventuais limitações de cunho farmacocinético e de toxicidade e aumentar a previsibilidade de seu futuro emprego terapêutico.56,57 Este desafio vem sendo enfrentado através do crescente emprego de diferentes metodologias in silico de avalição dos perfis ADMET, incluindo absorção gastrintestinal,58 metabolismo,59 permeação hema- tocefálica,61 toxicidade62 e biodisponibilidade,63 seguidos de valiação em modelos biomiméticos in vitro.64
  49. 49. QUÍMICA MEDICINAL 67 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Pratt WB, Taylor P. Principles of drug action: the basis of pharmacology. 3rd ed. New York: Churchill Livingstone; 1990. 2. Roth HR, Miller KW. Molecular and cellular mechanisms of anesthetics. New York: Plenum; 1986. 3. Urban BW, Bleckwenn M. Concepts and correlations relevant to general anaesthesia. Brit J Anaesthesia. 2002;89:3-16. 4. Gupta SP. QSAR Studies on drugs acting at the central nervous system. Chem Rev. 1989;89:1765-1800. 5. McNamara JO. Drugs effective in the therapy of the epilepsies. In: Hardman JG, Limbird LE, Gilman AG. Goodman & Gilman’s the pharmacological basis of therapeutics. 9th ed. New York: McGraw Hill, 1996. p. 461-86. 6. a) Fischer EH, Dictionary of scientific biography. p. 1-5. vol.5. b) Erlich P. Chemotherapeu- tics: scientific principles, methods and results. Lancet. 1913;2:445-51. 7. Fryer RI. Benzodiazepine ligands. In: Comprehensive medicinal chemistry. New York: Pergamon; 1990. vol 3. p. 539-66. 8. Bayly CI, Black WC, Leger S, Ouimet N, Ouellet M, Percival MD. Structure-based design of COX-2 selectivity into flurbiprofen. Bioorg Med Chem Lett. 1999;9:307-12. 9. Kato K, Ohkawa S, Terao S, Terashita Z, Nishikawa K. Thromboxane synthetase inhibitors (TXSI): design, synthesis, and evaluation of a novel series of omega-pyridylalkenoic acids. J Med Chem. 1985;28:287-91. 10. a) Godfroid JJ, Braquet P. PAF-acether specific binding sites: 1. Quantitative SAR of PAF- acether isosteres. TiPS. 1986;7:368-73. b) Braquet P, Godfroid JJ. PAF-acether specific binding sites: 2. design of specific antagonists. TiPS. 1986;7:397-403. 11. Erickson JA, McLoughlin JI. Hydrogen-bond donor properties of the difluoromethyl group. J Org Chem. 1995;60:1626-31. 12. Leung D, Abbenante G, Fairlie DP. Protease inhibitors: current status and future prospects. J Med Chem. 2000;43:305-41. 13. Vane JR, Botting RM. The mechanism of action of aspirin. Thromb Res. 2003;110:255-8. FIGURA 1.59 Esquema sumário do metabolismo de fármacos.
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