Monografia Biocatalizadores Físico Química

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UFC- Universidade Federal Do Ceará
Departamento de Química Analítica e Físico-Química
Graduação em Ciências Farmacêuticas
Biocatalizadores na Decomposição Química dos Fármacos
Professora: Adriana Nunes Correia.
Alunos: Alice Vitória Frota Reis; Josefa Joslaine dos Santos Tavares; Joyce Ellen da Silva Pinheiro; Luís Ednilson Maciel Gonzaga; Renan Ribeiro Machado. 
Matrículas Respectivamente: F; 385896; 385861; 369673; 392119.
Fortaleza-Ce
2016
Biocatalizadores na Decomposição Química dos Fármacos
	Relatório apresentado a professora Adriana Correia Nunes como requisito para avaliação de aprendizagem na disciplina de Físico-Química aplicada à Farmácia, do Curso de Graduação em Ciências Farmacêuticas.
Fortaleza-Ce
2016
“Corpora non agunt nisi fixata”,
Paul Ehrlich
RESUMO:
Nesse trabalho apresentaremos os princípios gerais da ação dos fármacos, assim como as moléculas que estão envolvidas no reconhecimento dos sinais químicos e em sua tradução em respostas celulares. A farmacologia molecular vem avançando rapidamente, e o novo conhecimento está mudando nossa compreensão sobre a ação dos fármacos e também abrindo muitas novas possibilidades terapêuticas. Em primeiro lugar, consideraremos os tipos de proteínas-alvo sobre as quais os fármacos agem. A seguir, descreveremos as principais famílias de receptores e canais iônicos que foram reveladas por clonagem e estudos estruturais. A relação entre estrutura molecular de um receptor e sua ligação funcional a um tipo particular de sistema efetor é o tema principal, onde abordaremos com ênfase nos receptores órfãos, ao qual está associado as vitaminas, hormônios e, é claro, a enzimas. 
Palavras-chaves: Proteínas-alvo; Fármacos; Receptores; Farmacologia
ABSTRACT:
In this work we will present the general principles of the action of the drugs, as well as the molecules that are involved in the recognition of the chemical signals and in its translation in cellular answers. The molecular pharmacology comes advancing quickly, and the new knowledge is changing our understanding on the action of the drugs and also opening many new therapeutical possibilities. In first place, we will consider the types of protein-target on which the drugs act. To follow, we will describe the main families of receivers and ionic canals that had been disclosed by cloning and structural studies. The relation between molecular structure of a receiver and its functional linking to a particular type of efetor system is the main subject, where we will approach with emphasis in the receiving orphans, which is associated vitamins, hormones and, it is clearly, the enzymes.
Keywords: Target proteins; Drugs; Receivers; Phamarcology.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO..................................................................................................05
1-DESENVOLVIMENTO....................................................................................06
1.1-Alvos para a ação de fármacos..............................................................................06
1.1.1-Receptores.................................................................................................06
1.1.2-Canais iônicos...........................................................................................06
1.1.3-Enzimas.....................................................................................................07
1.1.4-Transportadores.......................................................................................07
1.2-Tipos de receptor....................................................................................................07
1.3-Tipo 4: Receptores nucleare..................................................................................08
1.3.1-Classificação dos receptores nucleares...................................................09
2-CONCLUSÃO..................................................................................................11
3-REFERÊNCIAS.................................................................................................11
INTRODUÇÃO:
	Para começar, devemos manifestar nossa gratidão a Paul Ehrlich, por haver insistido na ideia de que a ação dos fármacos deve ser explicada em termos de interações químicas convencionais entre fármacos e tecidos, e por ter refutado a ideia de que a potência e a especificidade de ação notáveis apresentadas por alguns fármacos os colocavam, de certo modo, fora do alcance da química e da física, requerendo a intervenção de “forças vitais” mágicas. Embora muitos fármacos produzam efeitos em doses e concentrações extraordinariamente baixas, as baixas concentrações ainda envolvem um número muito grande de moléculas. Uma gota de uma solução de um fármaco na concentração de apenas 10–10 mol/l ainda contém cerca de 3 × 109 moléculas desse fármaco, por isso não há mistério no fato de que essa substância venha a produzir uma resposta farmacológica evidente. Algumas toxinas bacterianas (p. ex., a toxina diftérica) agem com tamanha precisão que uma única molécula captada por uma célula-alvo é suficiente para matar essa célula.
Um dos princípios básicos da farmacologia afirma que as moléculas dos fármacos precisam exercer alguma influência química sobre um ou mais constituintes das células para produzir uma resposta farmacológica. Em outras palavras, as moléculas de um fármaco precisam ficar tão próximas das moléculas dos constituintes celulares que interajam quimicamente de tal modo que a função desses últimos seja alterada. Como seria de se esperar, o número de moléculas próprias do organismo excede em muito o número de moléculas do fármaco e, se estas fossem simplesmente distribuídas ao acaso, a probabilidade de ocorrer interação entre o fármaco e uma classe específica de moléculas celulares seria desprezível. Por essa razão, para que os efeitos farmacológicos ocorram, é preciso haver uma distribuição não uniforme das moléculas do fármaco dentro do organismo ou do tecido, ou seja, as moléculas de um fármaco precisam “ligarse” a constituintes específicos de células ou tecidos para produzir um efeito. Ehrlich resumiu esse pensamento assim: “Corpora non agunt nisi fixata” (no contexto, “Um fármaco não agirá, a menos que esteja ligado”).[1: Se investigarmos com afinco, encontraremos exceções ao aforisma de Ehrlich – são os fármacos que agem sem se ligar a nenhum dos constituintes teciduais (p. ex., diuréticos osmóticos, purgativos osmóticos, antiácidos e agentes quelantes de metais pesados). Contudo, aquele princípio permanece verdadeiro para a maioria dos fármacos.]
1-DESENVOLVIMENTO:
1.1-Alvos para a ação de fármacos:
Os alvos proteicos para a ação de fármacos sobre as células de mamíferos que são descritos neste capítulo podem ser, no geral, divididos em:
• receptores;
• canais iônicos; 
• enzimas; 
• transportadores (moléculas carregadoras).
1.1.1-Receptores: 
Os receptores são os elementos sensores no sistema de comunicações químicas que coordenam a função de todas as diferentes células do organismo, sendo mensageiros químicos os vários hormônios, transmissores e outros mediadores. Muitos fármacos terapeuticamente úteis agem, ou como agonistas ou como antagonistas, nos receptores de mediadores endógenos conhecidos. Na maior parte dos casos, o mediador endógeno foi descoberto antes – com frequência, muitos anos antes – de o receptor ter sido caracterizado farmacológica e bioquimicamente, mas, nos últimos anos, muitos receptores foram inicialmente identificados com base em suas características farmacológicas ou moleculares. Em alguns casos, como o dos receptores canabinoides e dos receptores opioides, os mediadores endógenos foram identificados mais tarde; em outros, conhecidos por receptores órfãos (a seguir), o mediador permanece desconhecido, se é que existe.
1.1.2-Canais iônicos 
Os canais iônicos são basicamente portões presentes nas membranascelulares, que, de modo seletivo, permitem a passagem de determinados íons, e que são induzidos a se abrir ou se fechar por uma variedade de mecanismos. Os canais controlados por ligantes e os canais controlados por voltagem são dois tipos importantes. O primeiro abre apenas quando uma ou mais moléculas agonistas são ligadas, e são propriamente classificados como receptores, já que é necessária a ligação de um agonista para que sejam ativados. Os canais controlados por voltagem são regulados não por ligação de um agonista, mas sim por alterações no potencial transmembrana.
1.1.3-Enzimas
 Vários fármacos são direcionados para as enzimas. Com frequência, a molécula do fármaco é um substrato análogo que age como um inibidor competitivo da enzima, por exemplo o captopril, agindo sobre a enzima conversora de angiotensina; Em outros casos, a ligação é irreversível e não competitiva (p. ex., a aspirina, agindo na ciclo-oxigenase; Cap. 26). Os fármacos podem também agir como falsos substratos, em que a molécula do fármaco sofre transformações químicas, dando origem a um produto anômalo que perturba a via metabólica normal. Um bom exemplo é o fármaco antineoplásico fluoruracila, que substitui a uracila como intermediário na biossíntese das purinas, mas não pode ser convertido em timidilato, bloqueando, assim, a síntese do DNA e impedindo a divisão celular.
1.1.4-Transportadores
Em geral, a movimentação de íons e pequenas moléculas orgânicas através das membranas celulares ocorre através dos canais (anteriormente) ou através da ação de uma proteína transportadora, visto que as espécies permanentes são, em geral, muito polares (insuficientemente lipossolúveis) para penetrar nas membranas lipídicas por si mesmas. Muitos desses transportadores são conhecidos; exemplos de alguns com importância farmacológica em particular incluem aqueles responsáveis pelo transporte de íons e muitas moléculas orgânicas pelo túbulo renal, pelo epitélio intestinal e pela barreira hematoencefálica, o transporte de Na+ e Ca2+ para fora das células e a captação dos precursores de neurotransmissores (como a colina) ou dos próprios neurotransmissores (como as aminas e os aminoácidos) pelos terminais nervosos, bem como o transporte de moléculas de fármacos e seus metabólitos através de membranas celulares e barreiras epiteliais.
1.2-Tipos de receptor:
Os receptores evocam muitos tipos diferentes de efeitos celulares. Alguns deles são muito rápidos, como aqueles envolvidos na transmissão sináptica, operando dentro de milissegundos, enquanto outros efeitos mediados por receptor, como os produzidos pelo hormônio da tireoide ou por vários hormônios esteroides, ocorrem dentro de algumas horas ou dias. Existem também muitos exemplos de escalas de tempo intermediárias – as catecolaminas, por exemplo, costumam agir em questão de segundos, enquanto muitos peptídeos levam mais tempo para produzir seus efeitos. De forma não surpreendente, muitos tipos diferentes de vínculos entre a ocupação do receptor e a subsequente resposta estão envolvidos. Com base na estrutura molecular e na natureza desse vínculo (o mecanismo de transdução), podemos distinguir quatro tipos de receptores, ou superfamílias.
• Tipo 1: Canais iônicos controlados por ligantes (também conhecidos como receptores ionotrópicos).3 A cadeia de descobertas que culminou com a caracterização molecular desses receptores foi descrita por Halliwell (2007). Tipicamente, esses são os receptores nos quais os neurotransmissores rápidos agem.
• Tipo 2: Receptores acoplados à proteína G (GPCRs, do inglês G-protein-coupled receptors). São também conhecidos como receptores metabotrópicos ou receptores heptaelicoidais. São receptores de membrana que estão acoplados a sistemas efetores intracelulares principalmente por uma proteína G. Constituem a maior família4 e incluem receptores para vários hormônios e transmissores lentos. 
• Tipo 3: Receptores relacionados e ligados a quinases. Esse é um grande e heterogêneo grupo de receptores de membrana que respondem principalmente aos mediadores proteicos. Apresentam um domínio extracelular de ligação de ligante conectado a um domínio intracelular por uma hélice única transmembrana. Em muitos casos, o domínio intracelular tem natureza enzimática (com atividade proteína quinase ou guanilil ciclase). 
• Tipo 4: Receptores nucleares. São receptores que regulam a transcrição gênica. Os receptores desse tipo também reconhecem muitas moléculas estranhas, induzindo a expressão de enzimas que os metabolizam.
Contudo iremos focar no tipo 4 de receptor, os nucleares, pois será neste em específico onde iram atuar os biocatalizadores desejados.
1.3-Tipo 4: Receptores nucleares
Na década de 1970, estava claro que os receptores para hormônios esteroides, tais como estrógenos e glicocorticoide, estavam presentes no citoplasma das células e eram translocados para o núcleo após a ligação com seu ligante esteroide. Descobriu-se também que outros hormônios, como o hormônio tireoidiano T3 e as vitaminas lipossolúveis D e A (ácido retinoico), atuam de maneira similar. A comparação entre os dados do sequenciamento genômico e proteico levou ao reconhecimento de que eram membros de uma família muito maior de proteínas correlatas. Estes são agora conhecidos como família dos receptores nucleares (NR). 
O NR, assim como os receptores para glicocorticoides e para o ácido retinoico, cujos ligantes são bem caracterizados, inclui uma família de grande número (∼40%) de receptores órfãos – receptores que não possuem nenhum ligante bem definido conhecido. Destes, o primeiro a ser descrito, nos anos 1990, foi o receptor de retinoide X (RXR), um receptor clonado com base em sua semelhança com o receptor de vitamina A e que veio a se descobrir ser o responsável pela ligação do ácido 9 cis retinoico derivado da vitamina A.
1.3.1-Classificação dos receptores nucleares
 Os NRs são normalmente classificados em subfamílias de acordo com seu desenvolvimento filogenético. No entanto, e para nossos objetivos, é mais útil a distinção tomando por base sua ação molecular. A superfamília dos NRs consiste em duas grandes classes (I e II) e dois outros grupos menores de receptores (III, IV).
A Classe I consiste principalmente em receptores esteroides endócrinos, incluindo os receptores glicocorticoides e mineralocorticoides (GR e MR), bem como os receptores de estrogênio, de progesterona e de androgênio (ER, PR e AR, respectivamente). Em geral, os hormônios (p. ex., glucocorticoides) reconhecidos por esses receptores exercem um mecanismo de feedback negativo para controlar os eventos biológicos. Na ausência de seu ligante, esses NRs estão principalmente localizados no citoplasma, complexados com proteínas de choque térmico ou outras, e provavelmente ligados de forma inversa ao citoesqueleto ou a outras estruturas. Após a difusão (ou possivelmente transporte) na célula a partir do sangue, os ligantes ligam-se a seu NR parceiro com grande afinidade. Esses receptores ativados por ligantes formam, em geral, homodímeros e deslocam-se para o núcleo, onde ativam ou reprimem genes ao se ligarem a HREs “positivos” ou “negativos”. Depois de ligados, o NR recruta outras proteínas e forma complexos que promovem a transcrição de múltiplos genes. Estima-se, por exemplo, que o GR ativado possa, por si, regular a transcrição de ∼1% do genoma, direta ou indiretamente.
Os NRs da Classe II atuam de forma um pouco diferente. Seus ligantes são normalmente lipídeos já presentes, de alguma forma, no interior da célula. Esse grupo inclui o receptor ativado pelo proliferador do peroxissoma (PPAR), que reconhece os ácidos graxos; o receptor de oxisterol (LXR), que reconhece e atua como sensor do colesterol; o receptor de farnesoide (ácido biliar) (FXR), um receptor xenobiótico (SXR; nos roedores o PXR) que reconhece um grande número de substâncias estranhas, incluindo fármacos terapêuticos; e o receptor constitutivo de androstano (CAR), que, não só reconhece o androstano esteroide, como também alguns fármacoscomo o fenobarbital. De fato, o PXR e o CAR são como os guardas de segurança do aeroporto que alertam a brigada antibombas quando encontram bagagem suspeita. Quando detectam moléculas estranhas (xenobióticos), ativam enzimas que metabolizam os fármacos, tal como o CYP3A, que é responsável pela metabolização de cerca de 60% dos fármacos prescritos (di Masi et al., 2009). Também fazem a ligação de algumas prostaglandinas e fármacos não esteroides, bem como os antidiabéticos tiazolidinedionas e fibratos. Ao contrário dos receptores da classe I, esses NRs operam, quase sempre, como heterodímeros em conjunto com o receptor de retinoide X (RXR). Podem, então, ser formados dois tipos de heterodímeros: um heterodímero não permissivo, que pode ser ativado somente pelo próprio ligante RXR, e o heterodímero permissivo, que pode ser ativado tanto pelo ácido retinoico quanto pelo ligante de seu parceiro. Em geral, os NRs da Classe II estão ligados a proteínas correpressoras. Estas se separam quando o ligante se liga e permite o recrutamento de proteínas coativadoras, modificando, desse modo, a transcrição dos genes. Esses receptores tendem a mediar os efeitos de feedback positivo (p. ex., a ocupação do receptor amplifica, em vez de inibir, determinado evento biológico).
Os NRs da Classe III são muito semelhantes aos da classe I, na medida em que formam homodímeros, mas podem ligar-se a HREs, que não apresentam uma sequência repetida invertida. Os NRs da Classe IV podem agir como monômeros ou dímeros, mas apenas se ligam a um semiponto do HRE. Muitos dos receptores órfãos remanescentes pertencem a essas últimas classes. Essa apresentação apenas deve ser tida em conta como um guia geral da ação dos NRs, dado que foram descobertos muitos outros tipos de ação. Por exemplo, alguns receptores podem provocar ações não genômicas ao interagirem diretamente com fatores no citosol, ou podem ser modificados de forma covalente por fosforilação ou por proteínas – a proteína interage com outros fatores de transcrição de tal forma que sua função é alterada (Falkenstein et al., 2000). Além disso, existem provas da existência de receptores de membrana e de outro tipo de receptores que conseguem ligar alguns hormônios esteroides, como é o caso do estrogênio (Walters e Nemere, 2004).
2-CONCLUSÃO:
	A partir das pesquisas foi possível um melhor entendimento sobre os biocatalizadores atuantes na decomposição química dos fármacos, relacionando estes aos tipos de receptores presente no organismo humano, que no caso foram os nucleares, visto que nestes estavam presentes algumas vitaminas, hormônios e enzimas ao qual foi abordado no decorrer do trabalho.
3-REFERÊNCIAS:
Bourguet, W ., Germain, P ., Gronemeyer, H. Nuclear receptor ligand-binding domains: three-dimensional structures, molecular interactions and pharmacological implications. Trends Pharmacol. Sci.. 2000; 21:381–388. (Revisão acessível que se concentra na distinção entre os efeitos dos agonistas e os dos antagonistas em nível molecular)
Burris, T. P ., Solt, L. A., Wang, Y ., et al. Nuclear receptors and their selective pharmacologic modulators. Pharmacol. Rev.. 2012; 65:710–778. (Abordagem bastante completa sobre a ação dos fármacos nos receptores nucleares.)
Falkenstein, E., Tillmann, H. C., Christ, M., et al. Multiple actions of steroid hormones – a focus on rapid non-genomic effects. Pharm. Rev.. 2000; 52:513–553. (Artigo de revisão abrangente que descreve os efeitos não clássicos dos esteroides)
Germain, P ., Staels, B., Dacquet, C., Spedding, M., Laudet, V . Overview of nomenclature of nuclear receptors. Pharmacol. Rev.. 2006; 58:685–704. (Revisão autorizada e abrangente que lida com a biologia do receptor, assim como com a nomenclatura.)
Kersten, S., Desvergne, B., Wahli, W . Roles of PPARs in health and disease. Nature. 2000; 405:421–424. (Revisão geral de uma importante classe de receptores nucleares.)
di Masi, A., De Marinis, E., Ascenzi, P ., Marino, M. Nuclear receptors CAR and PXR: molecular, functional, and biomedical aspects. Mol. Aspects Med.. 2009; 30:297–343. (Uma abordagem bastante completa sobre o papel desempenhado por esses receptores nucleares no metabolismo xenobiótico, abordando também alguma informação útil generalista sobre a família dos receptores)
Murphy , G. J., Holder, J. C. PPAR-γ agonists: therapeutic role in diabetes, inflammation and cancer. Trends Pharmacol. Sci.. 2000; 21:469–474. (Registro da importância emergente dos receptores nucleares da família PPAR como alvos terapêuticos)
Santos, G. M., Fairall, L., Schwabe, J. W .R. Negative regulation by nuclear receptors: a plethora of mechanisms. Trends Endocrinol. Metab.. 2011; 22:87–93. (Uma introdução muito acessível e bem escrita a um assunto muito complexo. Altamente recomendável)
Walters, M. R., Nemere, I. Receptors for steroid hormones: membrane-associated and nuclear forms. Cell Mol. Life Sci.. 2004; 61:2309–2321. (Uma boa discussão sobre os tipos alternativos de receptores para hormônios esteroides)