Cap01 Quimica Medicinal-Eliezer J.Barreiro

ASPECTOS GERAISDA AÇÃO DOSFÁRMACOS

FASE FARMACODINÂMICA: INTERAÇÕESENTRE 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

através de interações de van

der Walls (forças de dis-

persão de London), a lipos-

solubilidade do fármaco 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).

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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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3120

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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3121


INTERAÇÕES ENVOLVIDAS NO RECONHECIMENTOMOLECULAR: 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 ELETROSTÁTICASAs 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.

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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.

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� 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


da PGH2 (1.10) pelo

resíduo Fe-Heme do sítio

ativo da tromboxana

sintase, via interação íon-

dipolo.

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FORÇAS DE DISPERSÃOEstas 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 HIDROFÓBICASComo 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.

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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


do PAF (1.11) via

interações hidrofóbicas

com a bolsa lipofílica de

seu biorreceptor.

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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.

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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.

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LIGAÇÃO COVALENTEAs 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 (30-40oC), 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)

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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.

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FATORES ESTEREOQUÍMICOS E CONFORMACIONAISENVOLVIDOS 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 PROTEÍNASE LIGANTES: TEORIA DO ENCAIXE INDUZIDOAs 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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3131


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.

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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

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3133


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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3134


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


dos grupamentos

farmacofóricos dos

enantiômeros do

propranolol (1.22).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3135


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


ligante-receptor.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3136


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,


pectos conformacionais envolvidos na

atividade farmacológica dos fármacos.

FIGURA 1.25


dos grupamentos

farmacofóricos dos

estereoisômeros trans

(1.23) e cis-

dietilestilbestrol (1.25).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3137


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


pectos conformacionais envolvidos na ati-

vidade farmacológica dos fármacos.

FIGURA 1.26

Variações conformacionais

da acetilcolina (1.26) e o


seletivo dos grupamentos

farmacofóricos pelos

receptores muscarínicos e

nicotínicos.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3138


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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3139


PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICASE 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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3140


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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3141


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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3142


pKaA 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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3143


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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3144


100% de ionização (α) = 100 – ____________________

eq.1.91 + 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.1.101 + 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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3145


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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3146


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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3147


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 IO 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)

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3148


� 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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3149


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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3150


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

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3151


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’

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3152


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’

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3153


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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3154


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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3155


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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3156


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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3157


FIGURA 1.49

Zileuton (1.62), fármaco

antiasmático contendo a

função N-hidroxiuréia.

HIDROXILAÇÃO DE SISTEMAS AROMÁTICOS:ÓXIDOS DE ARENOSO 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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3158


FIGURA 1.50

Mecanismos e exemplos

de formação de óxidos de

arenos.FIGURA 1.51

Formação de dióis a partir

de óxidos de arenos.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3159


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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3160


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 METABOLISMODe 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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3161


IMPORTÂNCIA DO METABOLISMOPARA A TOXICIDADE DOS FÁRMACOSO 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

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3162


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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3163


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 DOESTUDO DO METABOLISMO DOS FÁRMACOSO 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).

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3164


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.

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3165


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

Barreiro_1.p65 16/5/2008, 11:3166


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Education

Cap01 Quimica Medicinal-Eliezer J.Barreiro