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QUÍMICA FARMACÊUTICA ASPECTOS TEÓRICOS DA AÇÃO DOS FÁRMACOS Aspectos Teóricos da Ação dos Fármacos I – Tipos de Ação dos Fármacos A.Princípio de Ferguson B. Estrutura e Atividade II – Propriedades Físico-químicas e Atividade Farmacológica A. Parâmetros Utilizados B. Métodos de Estudar a Relação entre Estrutura e Atividade III – Efeitos de Grupamentos Químicos Específicos IV – Aspectos Estereoquímicos dos Fármacos A. Complementaridade entre Fármaco e Receptor B. Estereoquímica dos Fármacos C. Distâncias Interatômicas D. Distribuição Eletrônica V – Receptores de Fármacos VI – Interações Fármaco-Receptor VII – Topografia dos Receptores VIII – Teorias da Ação dos Fármacos IX – Mecanismo de Ação dos Fármacos I – Tipos de Ação dos Fármacos A. Princípio de Ferguson B. Estrutura e Atividade A. Princípio de Ferguson EXOBIOFASE BIOFASE (fluidos extracelulares) (local da ação) Equilíbrio Cexobiofase Cbiofase . Atividade Termodinâmica Grau de Saturação Saturação Relativa É possível avaliar variações na concentração do fármaco no local de ação determinando-se a concentração do fármaco circulante. Princípio de Ferguson Ferguson concluiu que, dentro de limites razoáveis, substancias presentes em saturações proporcionais (ou seja, atividades) semelhantes em um dado meio têm a mesma potencia biológica. A concentração molar do fármaco é determinada a partir do equilíbrio das concentrações do fármaco na biofase e na exobiofase (fluidos extracelulares). Se existe condição de equilíbrio entre o fármaco no local de ação e no líquido extracelular, a tendência de ele escapar de cada fase é a mesma, ainda que haja diferença de concentração – Atividade Termodinâmica. A partir da Atividade Termodinâmica, pode-se verificar se a ação do Fármaco se deve a propriedades físico-químicas ou a estrutura. 2. TIPOS DE AÇÃO DOS FÁRMACOS Considerando o modo de exercerem a ação biológica, isto é, do grau com que a estrutura química afeta a ação biológica, os fármacos podem ser divididos em duas classes: estruturalmente específicos e estruturalmente inespecíficos (TIPOS DE AÇÃO DOS FÁRMACOS). 2. TIPOS DE AÇÃO DOS FÁRMACOS AÇÃO INESPECÍFICA Os fármacos estruturalmente inespecíficos são aqueles que dependem única e exclusivamente de suas propriedades físico- químicas, (coeficiente de partição, pKa) para promoverem o efeito biológico. 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 lipo-protéicas, elevando o limiar de excitabilidade celular ou a interação inespecífica com sítios hidrofóbicos de proteínas do sistema nervoso central, provocando perda da consciência. 2. TIPOS DE AÇÃO DOS FÁRMACOS AÇÃO INESPECÍFICA São aqueles em que a ação biológica não está subordinada diretamente a estrutura química, mas apenas na medida em que esta afeta as propriedades físico-químicas, sendo essas as responsáveis pelo efeito farmacológico que eles produzem. Entre tais propriedades podemos citar: solubilidade, coeficiente de partição, grau de ionização, tensoatividade. Fármacos estruturalmente inespecíficos Ex: Anestésicos gerais Mecanismo de ação (mais aceito): envolve alterações de biomembranas lipoprotéicas, elevando o limiar de excitabilidade celular ou interação inespecífica com sítios hidrofóbicos de proteínas do SNC. Atuam por interações do tipo van der Waals. > lipossolubilidade > potência A hipótese da lipossolubilidade, que afirma que esse local de ação hidrofóbico é a dupla camada lipídica de uma membrana celular, pode justificar tanto a Regra de Meyer- Overton quanto aparente inespecificidade da ação anestésica. De acordo com essa hipótese, há anestesia geral quando uma quantidade suficiente do anestésico se dissolve na dupla camada lipídica e é alcançada uma concentração fixa (“anestésica”). A maioria das teorias lipídicas afirma que o anestésico dissolvido perturba as propriedades físicas da dupla camada lipídica, o que, por sua vez, modifica a função de uma proteína da membrana excitável. A potência de um anestésico é diretamente proporcional à sua lipossolubilidade. AÇÃO INESPECÍFICA Desempenham nesses fármacos papel decisivo: Adsorção; pKa; Solubilidade; Poder oxi-redutor, que influem na permeabilidade, despolarização das membranas celulares, coagulação das proteínas e formação de complexos. AÇÃO INESPECÍFICA 1. Atuam em doses relativamente altas (Atividade termodinâmica alta). 2. Embora apresentem estruturas variadas, sem nenhuma relação entre si, podem provocar reação biológica semelhante. 3. Pequenas variações na sua estrutura química não resultam em alterações acentuadas na ação biológica. A potência do fármaco está diretamente relacionada com a sua lipossolubilidade, como está exemplificado comparativamente na Figura, mostrando que o halotano é mais potente que isofurano. MAC = conc. alveolar mínima necessária para provocar imobilidade em 50% dos pacientes AÇÃO ESPECÍFICA Os fármacos estruturalmente específicos exercem seu efeito biológico pela interação seletiva com uma determinada biomacromolécula alvo, que apresenta na maior parte dos casos propriedades de enzima, proteína sinalizadora (receptor), canal iônico ou ácido nucléico. O reconhecimento do fármaco (micromolécula) pela biomacromolécula depende do arranjo espacial dos grupamentos funcionais e das propriedades de superfície da micromolécula, que devem ser complementares ao sítio de ligação localizado na macromolécula, o sítio receptor. AÇÃO ESPECÍFICA Neste modelo podemos comparar a biomacromolécula com a fechadura, o sítio receptor com o “buraco da fechadura” e as diferentes chaves com ligantes do sítio receptor, isto é, regiões da micromolécula que vão interagir diretamente com a macromolécula. Neste caso específico “abrir a porta” ou “não abrir a porta” representariam as respostas biológicas desta interação. AÇÃO ESPECÍFICA AÇÃO ESPECÍFICA 1. A sua atividade biológica não depende apenas da atividade termodinâmica, que é geralmente baixa (atuam em baixas concentrações); 2. Apresentam certas características estruturais em comum, e na estrutura fundamental presente em todos eles, os grupos funcionais estão orientados em uma direção espacial semelhante, é responsável pela reação biológica que produzem; 3. Pequenas variações na sua estrutura química podem resultar em alterações substanciais na atividade farmacológica, obtendo-se assim compostos que têm ação desde antagônica até análoga à do fármaco matriz. AÇÃO ESPECÍFICA DESEMPENHAM NESSES FÁRMACOS PAPel DECISIVO: Reatividade química; A forma, o tamanho, a disposição estereoquímica da molécula; Distribuição dos grupos funcionais; Ressonância; Efeitos indutivos; Distribuição eletrônica; Ligações possíveis com o receptor. II – Propriedades Físico-químicas e Atividade Farmacológica A. Parâmetros Utilizados B. Métodos de Estudar a Relação entre Estrutura e Atividade A. Parâmetros Utilizados PARÂMETRO – É A MEDIDA DO POTENCIAL DE CONTRIBUIÇÃO DE UM GRUPO A UMA PROPRIEDADE PARTICULAR DE UM FÁRMACO (SOLUBILIDADE, ELETRÔNICO E ESTÉRICO).RELAÇÃO QUANTITATIVA ENTRE ESTRUTURA E ATIVIDADE (QSAR) Síntese de análogos; Ajuda a decidir quais substituintes podem ser adicionados; Propriedades hidrofóbicas, eletrônicas e estéricas. ↓ POSSIBILIDADE DE QUANTIFICAR ESTES EFEITOS A. Parâmetros Utilizados 1. Parâmetros de Solubilidade 2. Parâmetros Eletrônicos Empíricos 3. Parâmetros Eletrônicos Semi-empíricos 4. Parâmetros Estéricos 1. Parâmetros de Solubilidade Medem o grau de atração dos fármacos pelos lipídios e pelas regiões hidrofóbicas das macromoléculas. Dois momentos da Ação dos Fármacos: 1. Chegada ao local de ação e 2. Interação com o receptor 1. Parâmetros de Solubilidade Solubilidade Coeficiente de partição P Constante π de hidrofobicidade Poder tensoativo Solubilidade Hidrofobicidade As características hidrofóbicas são importantes para: Avaliar a facilidade com que os fármacos atravessam as membranas celulares. A interação com o receptor. Mudar substituintes em um fármaco pode ter um efeito significativo nas características hidrofóbicas e na sua atividade biológica → é importante predizer a contribuição desses substituintes quantitativamente. O efeito da solubilidade na ação dos fármacos é usualmente a questão de equilíbrio do fármaco entre a fase aquosa e fase lipídica da membrana celular, ou tecido de depósito e nos leva a discussão do COEFICIENTE DE PARTIÇÃO (proporção da concentração em equilíbrio ou relação de solubilidade). Coeficiente de Partição A distribuição relativa do fármaco em uma mistura n- octanol/água(solução tampão fosfato pH 7,4) é chamada de Coeficiente de Partição (P) e pode ser calculado através da seguinte equação: Concentração do fármaco em n-octanol P = ______________________________________ Concentração do fármaco em solução aquosa Solução tampão fosfato pH 7,4 Coeficiente de Partição Compostos hidrofóbicos tem um alto valor de P, enquanto compostos hidrofílicos possuem um baixo valor de P. Variando substituintes em um composto protótipo produz-se uma série de análogos possuindo diferentes hidrofobicidades e diferentes valores de P. Comparando os valores de P e a atividade biológica, é possível observar se existe uma relação entre as duas propriedades. Coeficiente de Partição ou P É uma propriedade aditiva da molécula desde que cada grupo funcional ajuda a determinar a polaridade e assim o caráter hidrofílico ou lipofílico da molécula. Estas contribuições dos substituintes são largamente utilizadas no estudo quantitativo da relação estrutura/atividade Constante de Hidrofobicidade do Substituinte A hidrofobicidade de um composto pode ser quantificada usando o coeficiente de partição P. O coeficiente de partição de um composto pode ser calculado experimentalmente, conhecendo a contribuição dos substituintes para a hidrofobicidade. Esta contribuição é chamada constante de hidrofobicidade do substituinte () e é a medida de quão hidrofóbico o substituinte é comparado ao hidrogênio. Constante de Hidrofobicidade do Substituinte Constante de hidrofobicidade - é a medida da contribuição do substituinte (átomo ou grupo) ao coeficiente de partição da molécula. X = log PX - log PH PH é o coeficiente de partição de um composto padrão PX é o coeficiente de partição de um composto padrão mais substituinte Se for positivo indica que o substituinte é mais hidrofóbico que o hidrogênio ou seja aumenta a solubilidade do composto em solventes apolares. Se for negativo indica que o substituinte é menos hidrofóbico que o hidrogênio ou seja aumenta a solubilidade do composto em solventes polares. Propriedade aditiva, pois múltiplos substituintes exercem influência igual a soma dos substituintes individuais. Valor de π para vários substituintes Grupo CH3 t-Bu OH OCH3 CF3 Cl Br F π(alif) 0.50 1.68 - 1.16 0.47 1.07 0.3 0.60 -0.17 π(arom) 0.52 1.68 - 0.67 - 0.42 1.16 0.71 0.86 0.14 Propriedade aditiva, pois múltiplos substituintes exercem influência igual à soma dos substituintes individuais. TENSOATIVOS Compostos que apresentam grupos hidrofílicos e lipofílicos, e, desde que haja equilíbrio adequado entre esses grupos, têm a propriedade de modificar as características do limite da superfície ou da interface entre dois líquidos ou um líquido e um sólido ou um líquido e um gás. Diminuem a tensão superficial concentrando-se e orientando-se numa posição definida na interface ou superfície de uma solução, e a isso devem sua ação biológica. São utilizados principalmente como: detergentes, dispersantes, umectantes, espumantes e emulsificantes. TENSOATIVOS Grupos Hidrofílicos: -SO2Na; -COONa; -OSO2Na; -OSO2H e -SO2H (mais eficientes) -OH; -SH; -NR2; -CN; -CSN; -COOH; -COOR; -OPO3H2; -Cl; -Br; -F. E ligações insaturadas coadjuvam a hidrofilicidade. Grupos Lipofílicos: Hidrocarbonetos alifáticos e policíclicos; grupos aril alquílicos. Tensoativos - Classificação 1. Não-iônicos: não são ionizáveis e contêm grupos fracamente hidrofílicos e lipofílicos, o que os torna hidrossolúveis ou dispersíveis na água, o grupo hidrofílico é constituído por éter polioxietilênico ou poliol. Ex.: monoestearato de glicerina, polissorbato 80. 2. Catiônicos: o grupo hidrofílico tem carga positiva, podendo ser amônio quaternário, sulfônio, fosfônio, iodônio. Ex.: cloreto de benzalcônio, cloreto de cetilpiridínio, cloreto de benzetônio Tensoativos - Classificação 3. Aniônicos: o grupo hidrofílico tem carga negativa e pode ser carboxila, sulfato, sulfonato, fosfato. Ex.: estearato de sódio, sulfato de tetradecila sódico 4. Anfóteros: contêm dois grupos hidrofílicos, um catiônico e um aniônico Tensoativos 1. Por desorganizarem as membranas celulares e produzirem hemólise os tensoativos não são, em geral, aplicados interna, mas apenas topicamente, como desinfetantes da pele ou esterilizantes de instrumentos (catiônicos). 2. Os tensoativos não-iônicos são bastante empregados em preparações farmacêuticas para uso oral (até parenteral, as vezes) como solubilizantes de fármacos insolúveis ou pouco solúveis em água. 2. Parâmetros Eletrônicos Empíricos Medem o efeito eletrônico de um substituinte sobre a variação de energia livre ΔGo, de uma reação química e, no caso da Química Farmacêutica, de uma interação fármaco-receptor. As mais usadas são: constante do substituinte σ de Hammett, constantes derivadas de σ, pKa, etc. A energia livre é simplesmente um método de medição do trabalho máximo realizado durante um processo. Essa função é uma das mais usadas na química e na bioquímica em virtude desta acompanhar a maioria dos processos reacionais, em virtude de a energia livre ser capaz de predizer se uma reação é espontânea, isto é, caso a temperatura e a pressão sejam constantes. 2. Parâmetros Eletrônicos Empíricos O efeito eletrônico de vários substituintes podem claramente ter um efeito na ionização ou polarização na molécula do fármaco e isso tem um efeito em: Como o fármaco atravessa as membranas. Quanto fortemente pode se ligar aos receptores. 2. Parâmetros Eletrônicos Empíricos Efeitos Eletrônicos Os efeitos eletrônicos de váriossubstituintes têm um efeito na ionização ou polarização da molécula. O que, por sua vez, afeta a passagem do fármaco através das membranas ou a força de ligação com os receptores. Sendo importante medir o efeito eletrônico de um substituinte. pKa A maior parte dos fármacos são ácidos ou bases fracas. Na biofase, fármacos de natureza ácida (HA) podem perder o próton, levando à formação da espécie aniônica correspondente (A–), enquanto que fármacos de natureza básica (B) podem ser protonados, levando à formação da espécie catiônica (BH+). A constante de ionização de um fármaco é capaz de expressar, dependendo de sua natureza química e do pH do meio, a contribuição percentual relativas das espécies ionizada (A– ou BH+) e não-ionizadas correspondentes (HA ou B). 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 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. Adicionalmente essa propriedade é de fundamental importância na fase farmacodinâmica, devido à formação de espécies ionizadas que podem interagir complementarmente com resíduos de aminoácidos complementares do sítio ativo da biomacromolécula receptora por ligação iônica ou interações do tipo íon-dipolo. pKa Sabendo-se que os principais compartimentos biológicos têm pH definidos (por 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 - absorção, distribuição e excreção -, podendo em alguns casos permitir a obtenção de fármacos com propriedades físicas otimizadas, como é o caso do antiinflamatório não-esteróide piroxicam. pKa O piroxicam é um fármaco de natureza ácida devido à estabilização da base conjugada correspondente por ligação de hidrogênio intramolecular. A absorção do piroxicam se dá ao nível do trato gastrintestinal, sob a forma não-ionizada, sendo portanto modulada pelo coeficiente de partição (P), que determina as concentrações plasmáticas efetivas, alcançadas duas horas após a administração oral deste fármaco. Uma vez absorvido, o piroxicam 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, controlada pela ação de proteases que acarretam em redução significativa de pH (5) (nessas condições, mais de 95% do fármaco se encontra na forma não-ionizada). Hipótese do pH-partição As membranas (gastintestinal e outras) são barreiras lipídicas; Muitas drogas são absorvidas por difusão passiva; A forma não-ionizada de um fármaco ácido ou básico é preferencialmente absorvida; A velocidade de absorção e a quantidade absorvida de uma droga estão relacionadas com o coeficiente de partição; quanto mais lipofílica for a droga, maior será a absorção; Ácidos fracos e neutros (drogas) são absorvidos no estômago, mas drogas básicas não; A fração da droga não-ionizada é função da constante de dissociação da droga e do pH do local da absorção. Constante do substituinte σ de Hammett Hammett postulou que o efeito eletrônico (efeitos indutivos e de ressonância) de uma série de substituintes em diferentes reações orgânicas seriam similares. A constante σ do substituinte, é a medida da capacidade doadora ou retiradora de elétrons de um substituinte, e pode ser determinado pela reação da dissociação de uma série ácidos benzóicos substituídos comparada a dissociação do ácido benzóico. Constante do substituinte σ de Hammett O ácido benzóico é um ácido fraco e ioniza-se parcialmente na água. Estabelece-se um equilíbrio entre as forma ionizadas e não- ionizadas, onde a proporção relativa dessas espécies é conhecida como constante de equilíbrio ou constante de dissociação KH (o H subscrito significa que não existe substituinte no anel). KH = [PhCO2 -]/[PhCO2H] Constante do substituinte σ de Hammett EFEITOS ELETRÔNICOS Quando um substituinte está presente no anel aromático, o equilíbrio é afetado. Grupos retiradores de elétrons, como o grupo nitro, resulta em um anel aromático que possui um grupo retirador de elétrons que estabiliza o íon carboxilato. O equilíbrio desloca-se mais para a forma ionizada, assim o ácido benzóico substituído torna-se mais forte e possui um valor de KX maior (X representa o substituinte no anel aromático). Constante do substituinte σ de Hammett Se o substituinte X for um grupo doador de elétrons, como grupos alquila, o anel aromático é menos capaz de estabilizar o íon carboxilato. O equilíbrio desloca-se para esquerda e um ácido mais fraco é obtido com um valor de KX menor. A constante do substituinte de Hammett (σX) de um substituinte é definida pela seguinte equação: σX = log(KX/KH) = log KX – log KH Constante do substituinte σ de Hammett Ácidos benzóicos contendo grupos retiradores de elétrons possuem um valor de KX maior do que o ácido benzóico (KH) e assim o valor de σX de um grupo retirador de elétrons é positivo (Cl, CN, CF3 possuem valores de σX positivo) Ácidos benzóicos contendo grupos doadores de elétrons possuem um valor de KX menor do que o ácido benzóico (KH) e assim o valor de σX de um grupo doador de elétrons é negativo (Me, Et, t-Bu possuem valores de σX negativo). A constante do substituinte de Hammett do H é zero 3. Parâmetros Eletrônicos Semi-empíricos Relacionam-se com os elétrons π, as energias correspondentes e vários outros índices eletrônicos visto que os elétrons π por serem deslocalizados, condicionam a maioria das propriedades físico-químicas. 3. Parâmetros Eletrônicos Semi-empíricos Propriedades específicas de uma molécula que podem influenciar na interação com o receptor: mapa do potencial eletrostático, o contorno da densidade eletrônica e a energia e os coeficientes dos orbitais de fronteira HOMO e LUMO. Energia do Orbital Molecular Desocupado de Menor Energia (LUMO, do inglês Lowest Unoccupied Molecular Orbital) - .A energia do orbital molecular desocupado de menor energia é obtida por cálculos de orbital molecular e representa a afinidade eletrônica de uma molécula ou a sua reatividade como eletrófilo. Energia do Orbital Molecular Ocupado de Maior Energia (HOMO, do inglês Highest Occupied Molecular Orbital) - A energia do orbital molecular ocupado de maior energia é obtida por cálculos de orbital molecular e se relaciona com o potencial de ionização de uma molécula e com sua reatividade como nucleófilo. 4. Parâmetros Estéricos Representam a forma e o tamanho do substituinte introduzido na molécula do composto matriz (o efeito intermolecular do substituinte na interação fármaco- receptor). Os mais usados: constantes do substituinte Es e Eso de Taft, constantes Eso de hancock, raios de van der Waals, constante elétrica R, etc. 4. Efeitos Estéricos: Equação de Taft Desde que a interação fármaco-receptor envolve aproximação mútua das duas moléculas, outros parâmetros importantes para QSAR sãoos parâmetros estéricos. Semelhantes aos efeitos eletrônicos eles podem ser quantificados. Taft usou como reação padrão a hidrólise catalisada por ácidos de acetatos α- substituídos (XCH2CO2CH3). Usando como padrão XCH2 = CH3, ES = 0.0 k = constante de velocidade da hidrólise do composto substituído. ko = constante de velocidade da hidrólise do derivado metílico Grupos maiores – diminui a velocidade, Es negativo Grupos menores – aumenta a velocidade, Es positivo Es = log (k/ko)A B. Métodos de Estudar a Relação entre Estrutura e Atividade Utilizam técnicas de análise de regressão múltipla para deduzir equações que correlacionem dados biológicos com constantes químicas. Método de Novo Método de Hansch Reconhecimento de Padrão Análise de Grupo Modelos de Química Quântica III – Efeitos de Grupamentos Químicos Específicos Os grupos químicos presentes ou introduzidos em um fármaco exercem dois tipos de efeitos – estéricos e eletrônicos – e são importantes por dois motivos: Podem ser essenciais para a manifestação de determinada atividade biológica, em razão de sua reatividade química ou disposição espacial. Eles podem intensificar determinada ação biológica, em conseqüência dos efeitos característicos que exercem. III – Efeitos de Grupamentos Químicos Específicos Segundo Ariens na estrutura química dos fármacos existem as partes ou grupos: Quimiofuncionais: que contribuem para a fixação do fármaco ao receptor através das várias forças em jogo. Biofuncionais: responsáveis pela ação biológica. Existem as partes essenciais e acessórias. I. EFEITOS DE GRUPOS ÁCIDOS E BÁSICOS Devido às suas polaridades, os grupos ácidos e básicos determinam as características físico-químicas dos fármacos em que estão presentes e, assim influem decisivamente nas suas atividades biológicas. Outras vezes estão compreendidos na interação fármaco- receptor, sendo, portanto, essencial à ação farmacológica. GRUPOS ÁCIDOS -COOH e -SO3H Solubilizantes: coadjuvam ou anulam o efeito biológico. Ácidos sulfônicos (fortes e altamente ionizáveis e, consequentemente não poderem atravessar as membranas biológicas), em geral são destituídos de ação biológica. Exemplo de fármacos com ácidos sulfônicos e que possuem atividade: estibofeno. Metais pesados, tais como As, Sb, Hg e Bi, apresentam atividade antiparasitária. Na forma inorgânica, porém, são demasiadamente tóxicos. Estibofeno - usado no tratamento da esquistossomose, combinação com grupos sulfidrila da fosfofrutoquinase do esquistossoma e do hospedeiro. Entretanto, a fosfofrutoquinase dos mamiferos é 80 vezes menos sensível a estes fármacos do que a enzima dos esquistossomas. (Isoenzima) O - O - O3S O Sb O SO3 - SO3 - SO3 - Estibofeno GRUPOS ÁCIDOS Derivados de ácidos carboxílicos: ésteres, amidas, nitrilas – podem comportar-se de modo diferente. Ex.: ác. p-aminobenzóico – PABA (biossíntese do ácido fólico) e benzocaína (anestésico local). NH2 COOH NH2 COOC2H5 Acido p aminobenzóico Benzocaína_ Amidas Amidas: capacidade de estabelecer pontes de hidrogênio com macromoléculas orgânicas: Ex.: barbitúricos e hidantoínas. HN N O O O R' R'' R Barbitúricos N NH O OH R R' Hidantoínas GRUPOS BÁSICOS Altamente ionizáveis – reduzida ação biológica. Aminas primárias, secundárias, terciárias e aminas quaternárias ionizadas, os grupos positivamente carregados desempenham a função de ligarem-se eletrostáticamente a grupos receptores negativamente carregados – por isso são essenciais à atividade farmacológica. Ex.: pralidoxima, acetilcolina e nitrogênio básico de alcalóides são também fundamentais à afinidade destes por enzimas sobre as quais atuam. Hidrazinas: -NH2 – NH2- : conferem basicidade ás hidrazinas e tem a capacidade de reagir com grupos carbonílicos. II. EFEITOS DOS GRUPOS ACILANTES A atividade biológica de grupos acila presentes em ésteres, amidas, cloretos de acila e anidridos deve-se às reações de acilação de que participam. Ex.: penicilinas e ácido acetilsalicílico A ação antibacteriana das penicilinas se deve á inibição da enzima transpeptidase, que catalisa a última etapa da formação da parede celular bacteriana. O anel beta-lactâmico intacto é essencial para a atividade biológica, ao passo quer a cadeia lateral determina o espectro antibacteriano, a sensibilidade a ácidos e beta-lactamases e as propriedades farmacocinéticas. Parede Celular Bacteriana Envolvendo a membrana plasmática há uma parede celular que é rígida e protege a célula da lise osmótica. Nas bactérias Gram positivas, a camada de peptidoglicano da parede celular é muito mais espessa que aquela das Gram negativas. A parede celular, pela sua rigidez, forma um estojo que estabiliza a forma característica da célula, protegendo-a de agressões externas, nomeadamente das variações de pressão osmótica. O composto principal da parede bacteriana é o peptidoglicano. O peptidoglicano (mureína) constitui assim o monômero de uma densa rede macromolecular. É composto pela N- acetilglucosamina e pelo ácido N-acetilmurâmico, associados a aminoácidos: o D-glutamato, D- alanina e o ácido meso-diaminopimélico (tetrapeptídeos) em quantidades variáveis. Nas bactérias Gram negativas o tetrapeptideo é: Ala-Glu-DAP-Ala, já nas Gram positivas: Ala- Glu-Lys-Ala, e também muda a forma de ligação e o número de camadas. O ácido acetil-salicílico apresenta propriedades antiinflamatórias e analgésicas decorrentes do bloqueio da biossíntese de prostaglandinas inflamatogênicas e pró-algésicas, devido à inibição da enzima prostaglandina endoperóxido sintase (PGHS). Esta interação fármaco-receptor é de natureza irreversível em função da formação de uma ligação serina ao grupamento eletrofílico acetila. III. EFEITOS DA HIDROXILAÇÃO 1. Alteração das propriedades físicas: fármacos estruturalmente inespecíficos. Ex.: fenóis (bactericidas) – desnaturação de proteínas e alteração da permeabilidade normal da membrana celular bacteriana. 2. Modificação da reatividade química: fármacos estruturalmente específicos. Ex.: lucantona e hicantona (10 x mais ativa). Tratamento da esquistossomíase - Intercalam-se no DNA, inibindo a polimerização dos nucleotídios para formar os ácidos nucléicos. S O N H CH2CH2N CH2CH3 CH2CH3 CH3 S O N H CH2CH2N CH2CH3 CH2CH3 CH2OH Hidroxilação A (-)-epinefrina é 45 vezes mais ativa que a (+)-epinefrina como broncodilatadora, pois a hidroxila é importante para a ligação com os receptores adrenérgicos. (Relaxa musculatura lisa) Inúmeros fármacos, in vivo, sofrem hidroxilação, podendo produzir metabólitos: Menos ativos que o fármaco matriz, até inativo; Mais ativos que o fármaco matriz; Atividade diferente com relação ao fármaco matriz. HO HO C OH H CH2 N H CH3 Epinefrina * Iv. Efeitos dos Grupos Tiólicos e Dissulfetos Dissulfeto R-S2-R Tiólico R-SH Fármacos Sintéticos e antibióticos Características do grupo tiólico: Interconverter-se em dissulfetos mediante reação de oxi-redução. Adicionar-se a ligações duplas, principalmente os compostos cetônicos α-β-insaturados. Formar mercaptídios não-dissociados com metais pesados. Formar complexo de adição com o anel piridínico de certas enzimas. IV. EFEITOSDOS GRUPOS ÉTER E SULFETO Éter R-O-R Sulfeto R-S-R Visto que o ângulo das ligações C-O-C não é de 180º, devido à presença do par de elétrons não compartilhados, os momentos de dipolo não se anulam mutuamente, por esta razão os éteres apresentam um pequeno momento de dipolo. Possuem grupos hidrofílicos e lipofílicos. Sulfetos são suscetíveis à oxidação à sulfóxidos e sulfonas (grupos presentes em certos hipnóticos e antibacterianos). V. Efeitos do Grupo Nitro (-NO2) Rara ocorrência em produtos naturais. Presente em vários produtos sintéticos: antibacterianos, fungicidas, vasodilatadores, hipotensores, tranqüilizantes, miorrelaxantes, antivirais, antineoplásicos, inseticidas. Podem estar ligados ao anel benzênico ou a anéis heterocíclicos. Cloranfenicol Metronidazol N N OH O2NO2N C C N CH2OH C O CHCl2 OH H H H V. EFEITOS DO GRUPO NITRO (-NO2) Gupo parasitóforo: fator muito favorável, quando não indispensável à atividade antiparasitária (quando ligado a anéis tiofeno, furano e tiazol). Constituinte de cadeias alcoxílicas ou alquílicas (antianginoso – devem em parte sua ação antianginosa à capacidade de interagirem com grupos tiólicos da musculatura vascular e com prostaglandinas). Ex.: tetranitrato de eritritila e dinitrato de isossorbida (Isordil). Suas ações terapêuticas e tóxicas são mais demoradas (efeito insolubilizante). V. EFEITOS DO GRUPO NITRO (-NO2) Efeitos físico-químicos: aumento do peso e do volume moleculares, modificação da solubilidade na água, aumento do caráter hidrofóbico, modificação do pKa, aumento do momento dipolar, formação de derivados aci-nitrados. Efeitos bioquímicos: (a) redução enzimática que ou provoca o aparecimento de ação biológica secundária ou ocasiona metabolização mais complexa; (b) aumento do catabolismo; (c) inibição específica de certos sistemas enzimáticos. Na verdade verificou-se que a ação de quimioterápica dos compostos nitrados é conseqüência de sua redução a aminas. Efeitos farmacológicos: graças ao efeito indutivo, o grupo nitro pode modificar a ação farmacoquímica dos compostos que o contêm, por um dos seguintes mecanismos: (a) formação de um quelato; (b) modificação de uma quelação já existente; (c) efeito isoeletrônico e modificação da polarização a molécula. V. EFEITOS DO GRUPO NITRO (-NO2) A ação quelante da oxina é reforçada na nitroxolina graças ao efeito retirador de elétrons (R e I) que deslocaliza os elétrons da hidroxila. N OH N OH N O O Oxina Nitroxolina VI. Efeitos de Metais e Grupos Quelantes Determinados metais, principalmente os chamados metais pesados, têm a capacidade de ligar-se à grupos fundamentais de componentes celulares e, por este mecanismo, alterar-lhes a função fisiológica, produzindo, assim, a sua ação farmacológica. Ex.: As, Sb, Hg e Bi têm ação antiparasitária. O mercúrio presente em certos fármacos atua ligando-se aos grupos tiólicos de certas proteínas. Certos metais, por serem constituintes essenciais de determinadas substâncias ou enzimas, são altamente importantes para a atividade biológica. Ex.: ferro, cobre, cálcio, magnésio, zinco, etc. VI. EFEITOS DE METAIS E GRUPOS QUELANTES GRUPOS QUELANTES: para retirar metais indesejáveis do organismo. Ex.: dimercaprol (As, Sb, Hg, Au); penicilamina (Au, Fe, Cu, Pb); oxina (Cu, Zn, Pb, Sr, Ca, Mg, Ni, Fe). VII. Efeitos da Halogenação Efeitos físicos. Ex.: anestésicos gerais (halopropano) e anti-sépticos (hexaclorofeno), fármacos nos quais atividade está relacionada às propriedades físicas, tais como lipossolubilidade, tensão superficial, tensão de vapor, pois não ocorre interação fármaco-receptor. Reatividade química dos halogênios. Ex.: agentes acilantes e alquilantes (dibenamina: bloqueador α-adrenérgico). OH OH Cl Cl ClCl Cl Cl CHF2CF2CH2Br Hexaclorofeno Halopropano NCH2CH2Cl Dibenamina VIII - Efeitos dos Grupos Alquílicos Por exercerem efeitos sobre as propriedades físico-químicas, tais como solubilidade, difusibilidade (atravessar membrana celular) ou tensão superficial – de uma substância orgânica, os grupos alquílicos influem consideravelmente na atividade biológica. IX. EFEITOS DA INSATURAÇÃO A insaturação pode produzir três efeitos principais: Modificando a estereoquímica – poderá dar origem a compostos com atividade diferente daquela apresentada pelo composto saturado; Alterando as propriedades físico-químicas; Aumentando a reatividade química – a insaturação, não só na forma de ligação dupla ou tripla, mas também nos grupos cetonas, éster, lactona, amida, nitrila e outros acarretará o aparecimento ou a intensificação de atividade biológica em razão da possibilidade de aquelas ligações e esses grupos interagirem com constituintes celulares. IV – ASPECTOS ESTEREOQUÍMICOS DOS FÁRMACOS A. COMPLEMENTARIDADE ENTRE FÁRMACO E RECEPTOR B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS ISOMERIA ÓPTICA ISOMERIA GEOMÉTRICA ISOMERIA CONFORMACIONAL C. DISTÂNCIA INTERATÔMICA D. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA A. Complementaridade entre Fármaco e Receptor B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS A importância da configuração absoluta na atividade biológica permaneceu adormecido até a década de 60, quando ocorreu a tragédia decorrente do uso indiscriminado da forma racêmica do sedativo talidomida por gestantes, resultando no nascimento de aproximadamente 12.000 crianças deformadas. Posteriormente, o estudo do metabolismo de permitiu evidenciar que o enantiômero (S) era seletivamente 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 analgésicas. B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS Isômeros são compostos que possuem os mesmos constituintes atômicos, porém suas disposições na molécula são diferentes, conferindo conseqüentemente características químicas diversas. Estereoisômeros são aqueles isômeros cujos átomos ou grupos de átomos possuem uma distribuição espacial diferente na molécula. Eles podem ser divididos em geométricos ou ópticos. Os isômeros geométricos são estereoisômeros que não apresentam atividade óptica* e sua terminologia está centrada em cis (do mesmo lado) e trans (lados opostos) para descrever sua disposição espacial. Para os alquenos, na maioria da vezes, pode-se igualmente falar em Z e E para cis e trans, respectivamente. Isômeros ópticos são aqueles que apresentam atividade óptica, possuindo centros quirais ou centros assimétricos. Diastereoisômeros são estereoisômeros que não são imagens especulares entre si. B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS Enquanto que os enantiômeros possuem as mesmas características físicas, como solubilidade ou ponto de fusão, os diastereoisômeros podem apresentar diferentes propriedades físicas e também químicas, aspectos que veremos mais adiante. Os diastereoisômeros por não apresentarem, em geral, a mesma energia interna, podem apresentar propriedades químicas e físicas diferentes: • Ponto de fusão • Ponto de ebulição • Momento dipolar (μ) • Solubilidade • Índice de refração (αd): em sinal e magnitude • Velocidade de reação B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS Isomeria Óptica Alguns fármacos são quirais, ouseja, têm em sua estrutura um ou mais átomos (na maioria das vezes carbono) que têm sua orientação tridimensional muito bem definida. A modificação dessa orientação pode levar à diminuição do efeito biológico, à sua total supressão ou o aparecimento de um efeito biológico adverso. Os dois complexos formados entre o receptor e os dois enantiômeros são diatereoisômeros e, como resultado, possuem diferentes energias e propriedades químicas sugere que há diferenças na constante de dissociação Fármaco-Receptor e pode envolver diferentes sítios de ligação. B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS Isomeria Óptica A diferença na atividade biológica de isômeros ópticos depende de sua habilidade em reagir seletivamente em um centro assimétrico nos sistemas biológicos No caso dos isômeros ópticos, as diferenças observadas na atividade biológica pode dar-se pela diferença na distribuição dos isômeros ou na diferença nas propriedades de interação F-R. Dose do fármaco Seletividade das membranas Metabolismo seletivo Receptores não- específicos Receptor do fármaco Resposta desejada Isomeria óptica Muitos são os caminhos percorridos por um medicamento até sua completa eliminação do organismo. Contudo, este fármaco (quiral ou não) pode ser conduzido ao sítio de ação por diferentes meios de transporte e ser metabolizado por diversos mecanismos. No caso de transporte do tipo passivo, que depende basicamente das propriedades físico-químicas do fármaco, a estereosseletividade dos enantiômeros não é importante pois, como vimos anteriormente, suas propriedades físico-químicas são idênticas. Ao contrário, se o transporte for do tipo ativo, que implica no envolvimento de uma enzima transportadora, uma alta estereosseletividade dos enantiômeros é observada. Como consequência desta importante estereosseletividade e especificidade pronunciadas das proteínas, teremos conseqüências distribuição, metabolismo e excreção dos fármacos B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS Isomeria Óptica Interação entre antípodas do fármaco quiral com moléculas quirais, leva à formação de complexos diastereoisoméricos que apresentam propriedades físico-químicas e energias diferentes, podendo, portanto produzir respostas biológicas distintas. (+) CETAMINA – hipnótico, analgésico (-) CETAMINA – responsável pelos efeitos indesejáveis BUPIVACAÍNA (+) e (-) são anestésicos locais mas só o (-) mostra atividade constritora LEVOPROPOXIFENO (+) analgésico (-) antitussígeno DEXCLORFENIRAMINA (S)-(+) 200 vezes mais ativo que o (R)-(-) NHCH3 O * N N O H * O N O * H N B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS Isomeria Óptica ENANTIÔMERO MAIS ATIVO – EUTÔMERO ENANTIÔMERO MENOS ATIVO – DISTÔMERO (ARIËNS) Quiralidade e Atividade Biológica e Farmacológica 1. Um dos estereoisômeros apresenta atividade farmacológica e o outro é inativo. Situação bastante desejada, contudo bastante incomum. Ex: α-metildopa – isômero L (um dos poucos fármacos comercializados na forma enantiomericamente pura). OH HO CH2 C CH3 NH2 COOH* Quiralidade e Atividade Biológica e Farmacológica 2. Ambos os enantiômeros apresentam potência e atividades similares. Situação extremamente rara, uma vez que se espera que os receptores e as enzimas atuem seletivamente frente a diferentes arranjos espaciais. Ex: prometazina (anti-histamínico) S N CH2 C N(CH3)2 H CH3 * Quiralidade e Atividade Biológica e Farmacológica 3. Enantiômeros com atividades similares, mas potências diferentes. Situação bastante comum. Ex: salbutamol (forma R(-) é 80 vezes mais ativa que a forma S(+)) OH C HO CH2N C(CH3)3 H OH H * Quiralidade e Atividade Biológica e Farmacológica 4. Um estereoisômero antagoniza o efeito secundário de outro. Ex: indacrinona (o enantiômero (+) possui ação diurética, apresentando como efeito secundário a retenção de ácido úrico, o enantiômero (-) reduz os níveis de ácido úrico – atividade uricosúrica). CH3 O Cl Cl OCH2HOOC * Quiralidade e Atividade Biológica e Farmacológica 5. Um estereoisômero pode ser o responsável principal pela ação terapêutica desejada e o outro pelos efeitos secundários. Devido a estas características estes isômeros são comercializados nas formas enantiomericamente puras. Ex: talidomida (forma R é sedativa, forma S é teratogênica) N O O N O O H * Quiralidade e Atividade Biológica e Farmacológica 6. A atividade existe para os dois isômeros, enquanto que o efeito indesejado é atribuído a apenas um deles. Ex: cetamina (administrado na forma de racemato, a forma S(+) possui maior potência que a forma R(-) e, que este é o responsável pelos efeitos colaterais pós-operatórios (alucinações e outras seqüelas psicóticas). O N Cl HH3C * Quiralidade e Atividade Biológica e Farmacológica 7. Cada estereoisômero possui diferentes tipos de atividade de interesse terapêutico. Ex: (2S,3R)-(+)-dextropropoxifeno possui atividade analgésica, enquanto seu antípoda (2R,3S)-(-)- levopropoxifeno é um antitussígeno. O N CH3 O CH3 H3C CH3 O N CH3 O CH3CH3 H3C Quiralidade e Atividade Biológica e Farmacológica 8. Uma mistura de diastereoisômeros pode levar a efeitos benéficos. Ex: labetelol (anti-hipertensivo, o isômero R,R possui atividade β-bloqueadora e o isômero S,R é predominantemente α-bloqueador, os outros dois são inativos). OH H2N N O H3C H HHO H OH H2N N O HH OH H CH3 R,R S,S OH H2N N O HHO H OH H2N N O H3C H HH H CH3 R,S OH S,R A possibilidade de um enantiômero racemizar em solução permite que ocorra o fenômeno da inversão quiral. Esta característica justificaria a comercialização do racemato. No entanto, esta justificativa é bastante controversa, existindo na literatura opiniões antagônicas a respeito. Como exemplos deste fenômeno, podemos citar a (S)-(-)-hiosciamina (agente anticolinérgico), atropina e os agentes antiinflamatórios não esteroidais (AINES) da série dos 2-arilpropiônicos. Embora a atividade antiinflamatória dos AINES seja atribuída ao enantiômero S (+), estes fármacos são comercializados na sua grande maioria sob a forma de racematos. Esse fato ocorre porque no organismo os AINES sofrem uma inversão quiral unidirecional, envolvendo a conversão do isômero inativo R (-) ao seu enantiômero farmacologicamente ativo S (+). B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS Isomeria Óptica Desvantagem da administração de um fármaco na forma racêmica: 1. A dose a ser utilizada deve ser aumentada, pois somente metade dela tem o efeito farmacológico desejado; 2. O paciente ingere, a cada dose do fármaco, 50% de uma substância química desnecessária. B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS Isomeria Óptica Síntese orgânica de molécula que contêm centros assimétricos pode ser classificada em: Síntese racêmica Síntese assimétrica B. ESTEREOQUÍMICA DE FÁRMACOS Isomeria Óptica Fármacos quirais necessitam de cuidados especiais por parte das autoridades farmacêuticas, no sentido de garantir que somente aquele estereoisômero responsável pela atividade seja vendido na farmácia. Exemplos de Fármacos Comercializados Opticamente Puros Fármaco Nome na farmácia Classe terapêutica Amoxicilina Amoxil®, Novocilin® antibiótico Ampicilina Binotal® antibiótico Captopril Capoten® controle de pressão Enalapril Renitec® controlede pressão Ibuprofeno Motrin® antiinflamatorio Cefaclor Ceclor® antibiótico Naproxen Naprosyn® antiinflamatorio Cefalexina Keflex® antibiótico Lovastatina Lovastatina® controle de colesterol ISOMERIA GEOMÉTRICA Isômeros geométricos (E e Z isômeros) são diastereoisômeros. Estereoisômeros com com arranjo espacial de átomos diferentes. Como resultado de suas diferentes configurações, as interações com os receptores serão diferentes. Análogos da Doxepina (antidepressivo tricíclico) Os isômeros Z são mais ativos que o E Clorprotixeno (antipsicótico), o isômero Z é 12 vezes mais ativo que o E O X H N(CH3)2 O X H(CH3)2N S Cl H N(CH3)2 S Cl (CH3)2N H Dietilestilbestrol é um composto sintético não esteroidal estrogênico usado no tratamento do câncer de próstata em estágio avançado e no tratamento do câncer de mama avançado em mulheres pós-menopáusicas. O trans-dietilestilbestrol, cuja configuração relativa dos grupamentos para hidroxifenila mimetiza o arranjo espacial adotado pelas hidroxilas que apresentam caráter farmacofórico para o reconhecimento do ligante natural, i.e. hormônio estradiol, pelos receptores de estrogênio intracelulares. O estereoisômero cis do dietilestilbestrol apresenta distância entre os grupamentos farmacofóricos inferior àquela necessária para o adequado reconhecimento pelo bioreceptor e, conseqüentemente, apresenta atividade estrogênica 14 vezes menos potente que aquela do derivado trans correspondente. ISOMERIA GEOMÉTRICA Quando as diferenças biológicas entre isômeros geométricos são discutidas, deve-se lembrar que a distribuição dos compostos nos sistemas biológicos varia por causa das diferenças nas propriedades físicas dos isômeros. Isomeria Conformacional Como resultado da rotação livre de ligações simples em moléculas acíclicas e flexibilidade conformacional em alguns compostos cíclicos, a molécula do fármaco pode assumir uma variedade de conformações, isto é, localização dos átomos no espaço. O grupo farmacofórico de uma molécula é definido não somente pela configuração do grupo de átomos, mas também pela sua conformação em relação ao sítio de ligação ao receptor. ISOMERIA CONFORMACIONAL O receptor pode ligar-se somente a uma dessas conformações (conformação farmacofórica), que não precisa ser necessariamente a de menor energia. A energia de ligação ao receptor pode superar a barreira a barreira de formação de um confôrmero instável. O grupo farmacofórico é definido não somente pela configuração do grupo de átomos, mas também pela sua conformação em relação ao sítio ligante do receptor. Para que o desenho de drogas seja eficiente, é essencial conhecer a conformação ativa no complexo F–R. A baixa potência do composto protótipo pode ser em decorrência da baixa população do confôrmero ativo. Conformação Farmacofórica Conformação que possui o arranjo espacial correto para total ligação com os grupos da molécula do receptor para alinhamento com os correspondentes sítios de ligação. A acetilcolina, importante neurotransmissor do sistema nervoso parassimpático, 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 produzidos são decorrentes das interações de diferentes arranjos espaciais dos grupamentos farmacofóricos da acetilcolina com o sítio receptor correspondente, isto é, grupamento acetato e o grupamento amônio quaternário, que podem preferencialmente adotar uma conformação de afastamento máximo, conhecida como antiperiplanar ou conformações onde estes apresentam um ângulo de 60º Isomeria Conformacional O sítio receptor pode ligar-se somente a uma das muitas conformações da molécula flexível do fármaco. Ex.: Alanina e Ciclosserina A ação da ciclosserina é associada à sua capacidade de inibir duas enzimas a D-alanina racemase e a D-alanil-D-alanina sintetase, impedindo a formação da parede celular bacteriana, já que a D-alanina é um componente importante dos peptideoglicanos. A ciclosserina é um análogo rígido da D-alanina, inibindo competitivamente estas duas enzimas e sendo incorporada no peptideoglicano da parede. A D-alanina racemase está envolvida na isomerização da L-alanina na D-alanina, que é a forma usada na formação da parede celular bacteriana. A D-alanil-D-alanina sintetase faz a ligação D-alanina-D- alanina, que é incorporada à parede bacteriana. C. Distâncias Interatômicas Em muitos casos as distâncias entre os grupos funcionais em determinados fármacos são críticas para a atividade biológica ótima, demonstrando que a ação produzida por eles é decorrente da complexação com receptores. Tais receptores são predominantemente proteínas. Estas constituídas de aminoácidos ligados entre si através de seus grupo α-amino e α-carboxilato. Apresentando espaçamento muito regular entre as ligações peptídicas. C. Distâncias Interatômicas 1. Entre dois passos consecutivos de uma hélice (5,38 Å); 2. Separa duas ligações peptídicas quando a proteína está estendida ao máximo (3,61 Å). Distâncias Interatômicas Distâncias Interatômicas Distâncias Interatômicas Análogos estruturais do ácido p-aminobenzóico (PABA), inibem competitivamente a diidropteroato sintase, enzima bacteriana que catalisa a incorporação do PABA no ácido diidrofólico e diminui a quantidade de ácido tetraidrofólico metabolicamente ativo cofator para a biossíntese de purinas, timidina e DNA. A conseqüência é a parada de crescimento das bactérias. No homem o ácido diidrofólico é obtido do ácido fólico contido nos alimentos; por isso, as sulfonamidas não afetam as células dos mamíferos. NH2 COOH NH2 SO2NHR PABA SULFONAMIDAS D. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA DETERMINA: Carga Eletrônica Força de Ligação Distância Interatômica Caráter da Ligação Constante de Dissociação Diamagnetismo Espectros de Absorção Eletrônicos Reatividade Química Capacidade de Formar Complexos Cargas eletrônicas totais líquidas na conformação preferida da acetilcolina. V. RECEPTORES DE FÁRMACOS 1. Conceito de Receptor 2. Natureza do Receptor 3. Isolamento dos Receptores 4. Modificação dos Receptores 5. Localização de Receptores de Fármacos 6. Estrutura 7. Formas Ativa e Refratária 1. Conceito de Receptor Existência do receptor: 1. Alta potência 2. Especificidade química 3. Especificidade biológica Receptor x Aceptor 106 a 107 receptores/célula 3,3 x 1014 colisões/segundo 3 x 107 são eficazes 2. Natureza do Receptor São partes integrantes de determinadas macromoléculas dos seres vivos: Na maioria dos casos, constam de segmento de proteínas (enzimáticas e não-enzimáticas). Ácidos nucleicos . Complexos lipo-protéicos (membranas celulares). 2. Natureza do Receptor A complexação do fármaco com grupos químicos especiais do receptor resulta em uma serie de alterações químicas ou conformacionais que causam ou inibem reações biológicas. A capacidade de o fármaco adaptar-se ao receptor depende das características estruturais, configuracionais e conformacionais de ambos, fármaco e receptor 3. Isolamentode Receptores MÉTODO DIRETO – consiste em marcar os grupos funcionais do receptor mediante o emprego de substâncias capazes de ligar-se a ele irreversivelmente, isto é, por covalência, e, em seguida, isolar o complexo fármaco-receptor. MÉTODO INDIRETO – consiste em identificar a macromolécula que contém o receptor mediante emprego de substâncias capazes de complexar-se a ele reversivelmente, vale dizer, por ligações fracas e, em seguida, isolar a referida macromolécula e caracteriza-la. 4. Modificação do Receptor Métodos físicos: frio e calor. Métodos químicos: alterações do pH, agentes quelantes, solventes de lipídios, enzimas, desnaturantes de proteínas e reagentes tiólicos. 5. Localização dos Receptores Fármaco Receptor ou Sítio de Ação Alopurinol Xantino oxidase Ciclosserina D-alanil-D-alanina sintetase Alanina racemase Estreptomicina Ribossomos Cloroquina DNA Ibuprofeno Acil-hidrolase Lucantona DNA Metotrexato Diidrofolato desidrogenase Penicilina Transpeptidase Tetraciclinas Ribossomos 6. Estrutura do Receptor Entidade tridimensional elástica constituída, talvez na maioria dos casos, de aminoácidos integrantes de proteínas, apresentando uma estereoquímica não raro complementar a do fármaco e que, as vezes, após sofrer alteração conformacional, é capaz de com ele interagir, via de regra na sua conformação preferida, para formar um complexo unido pelas diversas forças de ligação em jogo. Em resultado desta complexação fármco– receptor gera-se um estímulo ou cadeia de estímulo que, por sua vez, causa um efeito biológico. 7. Formas Ativa e Refratária Katz e Teshleff O receptor existe em dois estados conformacionais – ativo (a) e inativo (i), independentemente de o fármaco estar ligado a ele; Os fármacos atuam como agonistas ou como antagonistas de acordo com sua afinidade por uma ou outra conformação. Os agonistas tem maior afinidade pela conformação A. Os antagonistas tem maior afinidade pela conformação I. A atividade antagonista pode ser a) competitiva, se o fármaco liga-se ao mesmo sítio do agonista ou b) alostérico, se combina-se com outro centro. Ação em Receptores Receptores transmembrana Muitos fármacos aderem às células através de receptores que se encontram na superfície destas. As células, na sua maioria, têm muitos receptores de superfície que permitem que a atividade celular seja influenciada por substâncias químicas (como fármacos ou hormônios), que estão localizadas fora da célula. Os receptores não foram, seguramente, criados pela natureza para que os fármacos pudessem aderir a eles. Contudo, os fármacos aproveitam-se da função natural (fisiológica) que os receptores têm. Por exemplo, há substâncias que aderem aos mesmos receptores no cérebro; é o caso da morfina e dos analgésicos derivados, e das endorfinas (substâncias químicas naturais que alteram a percepção e as reações sensoriais). Os fármacos chamados agonistas ativam ou estimulam os receptores, provocando uma resposta que aumenta ou diminui a função celular. Os fármacos denominados antagonistas bloqueiam o acesso ou a ligação dos agonistas com os seus receptores. Os antagonistas utilizam-se para bloquear ou diminuir a resposta das células aos agonistas (de modo geral, neurotransmissores) que normalmente estão presentes no organismo. Uma correspondência perfeita Um receptor da superfície da célula apresenta uma configuração que permite que uma determinada substância química, como um fármaco, um hormônio ou um neurotransmissor, possa ligar-se a ele, dado que essa substância química apresenta uma configuração que se ajusta perfeitamente ao receptor. Ação em Receptores Os fármacos podem agir de diversas formas: através dos receptores transmembrânicos com canais iônicos como alvos terapêuticos; Receptor colinérgico nicotínico Receptor GABAérgico (GABAA) Receptor serotoninérgico 5-HT3 Ação em Receptores Através de receptores transmembrânicos acoplados à proteína G como alvos terapêuticos Receptor adrenérgico alfa1 Receptor histaminérgico H1 Receptor serotoninérgico 5-HT1A Receptor dopaminérgico D2 Receptores ligados a proteínas G são uma grande família protéica de receptores transmembranares que captam sinais extracelulares e ativam vias de transdução de sinal no interior da célula. Exercem sua função por meio de mensageiros intracelulares, que poderão atuar em nível citoplasmático por meio da fosforilação de enzimas e alteração de sua atividade ou pela mobilização de estoques intracelulares de cálcio, que pode atuar como segundo mensageiro ou alterar a polaridade da célula e facilitar sua despolarização, já que possui carga positiva. Quando um hormônio como a adrenalina se liga a um receptor, o receptor não estimulava diretamente enzimas como a adenilato ciclase. Ao invés disso, o receptor estimulava uma proteína G, que, por sua vez, estimulava a adenilato ciclase a produzir um segundo mensageiro , o AMP cíclico. O AMP-cíclico, enquanto presente no interior da célula, ativa a proteína quinase dependente de AMP-cíclico, que fosforila uma série de outras proteínas, ativando-as ou inibindo-as. Assim, o AMP-cíclico, direta ou indiretamente, executa na célula uma série de alterações fisiológicas como: ativação de enzimas; alterações da permeabilidade da membrana celular; modificações do grau de contração de músculo liso; ativação de síntese protéica; aumento na secreção celular. Ação em Receptores Receptores nucleares Os receptores nucleares ou citoplasmáticos são proteínas solúveis localizadas no citoplasma ou no núcleo celular. O hormônio que passa através da membrana plasmática, normalmente por difusão passiva, alcança o receptor e inicia a cascata de sinais. Os ligantes típicos dos receptores nucleares são hormônios lipofílicos como os hormônios esteróides, por exemplo a testosterona, a progesterona e o cortisol, derivados da vitamina A e vitamina D. VI – Interações Fármaco-Receptor Do ponto de vista qualitativo, o grau de afinidade e a especificidade da ligação Fármaco-Receptor são determinados por forças intermoleculares: iônicas, íon-dipolo, dipolo-dipolo, de dispersão, hidrofóbicas, ligações de hidrogênio e ligações covalentes. Em uma interação fármaco-receptor típica normalmente ocorre uma combinação dessas forças, sendo no entanto necessário estuda-las separadamente, de modo a reconhecer sua natureza e assim propor modelos para interações ligante/sítio receptor. VI – Interações Fármaco-Receptor Forças fracas: iônicas, íon-dipolo, dipolo-dipolo, van der Walls, transferência de carga, ligação de Hidrogênio, interações hidrofóbicas. Forças forte: ligação covalente. Quando se deseja que os efeitos produzidos pelo fármaco sejam prolongadas ou até irreversíveis As forças de atração eletrostáticas: Iônica: interação entre dois íons de cargas opostas; Íon-dipolo: força resultante da interação de um íon e uma espécie neutra polarizável, com carga oposta àquela do íon; Dipolo-dipolo: interação entre dois grupamentos com polarizações de cargas opostas As forças de atração eletrostáticas são aquelas resultantes da interação entre dipolos e/ou íons de cargas opostas, cuja magnitude é diretamente dependente da constante dielétrica do meio e da distância entre as cargas. Alguns aminoácidos componentes de proteínas apresentam um terceiro grupo ionizável,além da carboxila e do grupo amina, entre os quais forma-se a ligação peptídica. Este terceiro grupo encontra-se ionizado em pH fisiológico (7,4). É o caso dos aminoácidos básicos, arginina e lisina (com carga positiva) e dos aminoácidos ácidos, glutamato e aspartato (com carga negativa). Fármacos que apresentem grupos carregados negativa ou positivamente podem interagir com aminoácidos presentes em proteínas de sítios receptores. Interações Hidrofóbicas Como as forças de dispersão, as interações hidrofóbicas são individualmente fracas (~1 kcal.mol-1), e ocorrem em função da interação em cadeias ou sub- unidades apolares. Normalmente, as cadeias ou sub-unidades hidrofóbicas presentes tanto no sítio receptor como no ligante encontram-se organizadamente solvatadas por camadas de moléculas de água. A aproximação das superfícies hidrofóbicas promove o colapso da estrutura organizada da água, permitindo a interação ligante-receptor à custa do ganho entrópico associado à desorganização do sistema. Interações de van der Walls Estas forças atrativas, conhecidas como forças de dispersão de London ou interações de van der Walls, caracterizam-se pela aproximação de moléculas apolares apresentando dipolos induzidos. Transferência de Carga Forma-se um complexo doador-receptor mediante atração eletrostática entre uma molécula doadora de elétrons (rica em elétrons π) e outra aceptora (deficiente em elétrons ou fracamente ácida) . Ligações de Hidrogênio As ligações de hidrogênio são as mais importantes interações não-covalentes existentes nos sistemas biológicos, sendo responsáveis pela manutenção das conformações bioativas de macromoléculas nobres como α-hélices de proteínas e interações purinas-pirimidinas dos ácidos nucléicos. Estas interações são formadas entre heteroátomos eletronegativos como oxigênio, nitrogênio, enxofre e o átomo de hidrogênio de ligações O-H, N-H e CF2-H, como resultado de suas acentuadas polarizações. As interações intermoleculares envolvendo a formação de ligações covalentes são de elevada energia, (77-88 kcal.mol-1), considerando que na temperatura usual dos sistemas biológicos (30-40 °C), ligações mais fortes que 10 kcal.mol-1 dificilmente são clivadas em processos não enzimáticos. Isto implica que complexos fármaco-receptor envolvendo ligações desta natureza são raramente desfeitos, culminando com uma inibição enzimática irreversível ou inativação do sítio receptor. Esta interação, envolvendo a formação de uma ligação sigma entre dois átomos que contribuem cada qual com um elétron, ocorrem com fármacos que apresentam grupamentos com acentuado caráter eletrofílico e bionucleófilos orgânicos. A aspirina e a benzilpenicilina são dois exemplos de fármacos que atuam como inibidores enzimáticos irreversíveis, cujo reconhecimento molecular envolve a formação de ligações covalentes. A aspirina e a benzilpenicilina são dois exemplos de fármacos que atuam como inibidores enzimáticos irreversíveis, cujo reconhecimento molecular envolve a formação de ligações covalentes. O ácido acetil-salicílico apresenta propriedades antiinflamatórias e analgésicas decorrentes do bloqueio da biossíntese de prostaglandinas inflamatogênicas e pró-algésicas, devido à inibição da enzima prostaglandina endoperóxido sintase (PGHS). Esta interação fármaco-receptor é de natureza irreversível em função da formação de uma ligação covalente resultante do ataque nucleofílico da hidroxila do aminoácido serina530 ao grupamento eletrofílico acetila presente no fármaco. Ligações de Álcoois e Fenóis Álcoois e fenóis são grupos funcionais comuns em muitos fármacos. O oxigênio pode atuar como aceptor em ligação de hidrogênio, e o hidrogênio pode atuar como doador em ligação de hidrogênio. Uma ou todas essas interações são importantes na ligação com o sitio de ligação no receptor. A síntese de análogos com a função éter ou éster pode interromper a ligação, ou ser mais fraca em decorrência do impedimento estérico. Quando o éster é formado, o hidrogênio não pode funcionar como doador na ligação de hidrogênio. Pode também atuar como aceptor na ligação de hidrogênio, mas ocorre também um impedimento estérico do grupo acila. Ligações de Álcoois e Fenóis Ligações de Anéis Aromáticos Anéis aromáticos são estruturas hidrofóbicas e planares, comumente envolvidos em interações hidrofóbicas e de van der Waals com regiões hidrofóbicas dos sítios de ligação. Um análogo contendo um anel ciclohexano liga-se mais fracamente, pois o anel não é plano. Os prótons axiais podem interagir fracamente, mas também podem atuar como barreira para manter o distante o anel ciclohexano. Liagações com Alcenos Como os anéis aromáticos os alcenos são hidrofóbicas e planares, comumente envolvidas em interações hidrofóbicas e de van der Waals com regiões planas hidrofóbicas dos sítios de ligação. Os análogos saturados levam a menor interação com o sitio de ligação. Ligação com Cetonas e Aldeídos O grupo cetona não é incomum em muitas estruturas estudadas em química farmacêutica. É um grupo planar que pode interagir com sítios de ligação através de ligações de hidrogênio onde o oxigênio carbonílico funciona com aceptor de hidrogênio. O grupo carbonílico possui um significativo momento de dipolo e assim interações dipolo-dipolo com o sitio de ligação são possíveis. Ligação com Cetonas e Aldeídos É relativamente fácil reduzir a cetona a álcool e isto pode ser feito por redução do composto protótipo. O que altera significativamente a geometria do grupo funcional, de planar a tetraédrico. Esta alteração na geometria pode tornar mais fraca uma ligação hidrogênio existente e vai certamente tornar mais fraca uma interação dipolo-dipolo, ocorrerá uma alteração na orientação e na magnitude do momento dipolar. Ligação com Cetonas e Aldeídos Aldeídos são menos comuns em fármacos, pois eles são mais reativos e susceptíveis a reações de oxidação produzindo ácidos carboxílicos. Entretanto, eles interagem da mesma maneira que as cetonas, e análogos similares podem ser estudados. Ligações com Aminas Aminas são importantes grupos funcionais em Química Farmacêutica e presentes em muitos fármacos. Podem estar envolvidas em ligações hidrogênio como aceptor ou doador de hidrogênio. O nitrogênio possui um par de elétrons livres e pode atuar como aceptor de elétrons para uma ligação hidrogênio. Aminas primárias e secundárias possuem grupos N-H e podem atuar como doadores em ligação de hidrogênio. Aminas aromáticas e heteroaromáticas atuam somente como doadores de hidrogênio, porque o par de elétrons do nitrogênio interage com o anel aromático ou heteroaromático. Em muitos casos, a amina pode estar protonada quando interage com o sitio de ligação do receptor, significando que estará ionizada e não pode atuar como aceptor de hidrogênio. Entretanto, continua atuando como doador em ligação de hidrogênio e forma uma ligação de hidrogênio mais forte do que quando não esta ionizada. Alternativamente, uma forte interação iônica pode acontecer com um íon carboxilato presente no sítio de ligação. Ligações com Amidas Muitos dos compostos protótipos estudados em Química Farmacêutica são peptídeos ou polipeptídeos, consistindo em aminoácidos ligados por ligações peptídicas. Amidas ligam-se aos sítios de ligação através de ligações de hidrogênio. O átomo de oxigênio da carbonila pode atuar como aceptor em ligação de hidrogênio e tem um potencial de formar duas ligações de hidrogênio.Ambos os pares de elétrons livres envolvidas estão em orbitais com hibridização sp2 os quais estão localizados no mesmo plano no grupo amida. O nitrogênio não pode atuar como aceptor em ligação de hidrogênio porque o par de elétrons interage com o grupo carbonila vizinho. Amidas primárias e secundárias têm um grupo N-H, que permite que este grupo atue como doador em ligação de hidrogênio. Amidas que estão dentro de um sistema anelar são chamadas lactamas. Elas também podem formar ligações de hidrogênio intermolecular. Entretanto de anel for pequeno ocorre tensão, a lactama submete-se a reação com o alvo levando a formação de ligação covalente. O melhor exemplo disso são as penicilinas, que contem um anel β-lactâmico com quatro membros. Este atua como um agente acilante e inibe irreversivelmente a enzima por acilação do resíduo de serina no seu sítio ativo. LIGAÇÕES COM SAIS DE AMÔNIO QUATERNÁRIO Sais de amônio quaternário são ionizados e podem interagir com grupos carboxilatos por interações iônicas. Outra possibilidade é a interação dipolo induzida entre o íon amônio quaternário e anéis aromáticos no sítio de ligação. O nitrogênio carregado positivamente pode distorcer os elétrons π do anel aromático até que um dipolo seja induzido. O que leva a uma interação entre o levemente negativo face do anel aromático e a carga positiva do íon amônio quaternário. LIGAÇÕES COM ÁCIDOS CARBOXÍLICOS O grupo carboxílico é razoavelmente comum em fármacos. Pode agir como aceptor em ligação de hidrogênio de várias maneiras, ou como doador em ligação de hidrogênio. Alternativamente ele pode existir como íon carboxilato, o que leva a possibilidade de uma ligação iônica ou a uma forte ligação de hidrogênio onde o íon carboxilato atua como aceptor de hidrogênio. O íon carboxilato também é um excelente ligante para íons zinco, que está presente como cofator em enzimas conhecidas como zinco metaloproteinases. Para determinar as interações envolvidas podem ser sintetizados e testados análogos como ésteres, alcoóis primários e cetonas. Nenhum pode ionizar-se, logo a perda da atividade pode significar que a ligação iônica é importante. Ligação de Ésteres Um grupo funcional éster tem o potencial de agir no sitio de ligação como aceptor em ligação de hidrogênio. O oxigênio carbonílico é mais provável para agir como aceptor em ligação de hidrogênio do que o oxigênio do grupo alcoxila, é estericamente menos impedido e possui maior densidade eletrônica. Aspirina possui atividade antiinflamatória que resulta da sua capacidade de inibir a enzima ciclooxigenase (COX). Nesse caso o éster atua como um agente acilante, onde o grupo acetil se liga covalentemente a o resíduo de serina do sítio ativo da enzima. Ligações de Haletos de Alquila e Arila Haletos de alquila são reativos quimicamente, pois o íon haleto é um bom grupo abandonador. Como resultado, um fármaco que contem um haleto de alquila reage com os grupos nucleofílicos que encontrar e permanece ligado por ligação covalente – reação de alquilação. Como reagem, provavelmente, com uma variedade de moléculas que contenham grupos nucleofílicos, especialmente proteínas e ácidos nucléicos, leva a problemas de seletividade, levando a efeitos colaterais. Haletos de arila não atuam como agentes alquilantes. Como o halogênio é um grupo retirador de elétrons, afeta a densidade eletrônica no anel e pode influenciar na ligação dos anéis aromáticos. Ligações de Grupos Tiólicos O grupo tiólico (S-H) é conhecido por sua excelente ligação com íons zinco e pode ser incorporado em fármacos planejados para inibir enzimas contendo zinco como cofator. Ligações de Grupos Alquílicos Substituintes alquílicos de um fármaco são hidrofóbicos e podem ligar-se a regiões hidrofóbicas dos sítios de ligação através de interações de van der Waals ou interações hidrofóbicas. VII - TOPOGRAFIA DOS RECEPTORES Marcação covalente; Emprego de antimetabólitos; Experiência com substâncias de estrutura rígida; Estudo das relações entre estrutura química e atividade farmacológica; Calculo de orbital molecular; Métodos físicos; Estudo cristalográfico de moléculas. VII - TOPOGRAFIA DOS RECEPTORES O conhecimento da topografia molecular tridimensional (3D) do receptor, especialmente do sítio de interação, permite o desenho de inibidores enzimáticos ou de antagonistas/agonistas de receptores, por processos de complementaridade molecular planejada, que podem, por sua vez, discriminar entre interações ou ligações covalentes. Quando não se conhece a estrutura do biorreceptor-alvo, a estratégia mais empregada fundamenta-se na variação da similaridade molecular do agonista natural de forma a que se identifique um análogo ativo, reflexo de suas propriedades farmacodinâmicas, que governam seu reconhecimento molecular pelo biorreceptor. Uma vez comprovada a atividade farmacológica desejada do novo análogo- ativo, por meio de protocolos farmacológicos in vivo, têm-se um novo composto-protótipo, candidato ao novo fármaco pretendido. Modelagem molecular, segundo a IUPAC, é a investigação das estruturas e das propriedades moleculares pelo uso de química computacional e técnicas de visualização gráfica, visando fornecer uma representação tridimensional, sob um dado conjunto de circunstâncias. O planejamento de fármacos auxiliado por computador (CADD “Computer-Assisted Drug Design”) auxilia a investigação das interações químicas de um ligante com o seu receptor e exploração dos fatores estruturais relacionados ao efeito biológico. Como conseqüência, a elucidação dos mecanismos envolvidos nas ações moleculares dos fármacos pode ser compreendida pela integração de conhecimentos fundamentais de Química Orgânica, Bioquímica, Biologia Molecular e Farmacologia. MODELAGEM MOLECULAR A modelagem molecular fornece informações importantes para o processo de obtenção de fármacos. Ele permite a obtenção de propriedades específicas de uma molécula que podem influenciar na interação com o receptor: Mapa do potencial eletrostático, o contorno de densidade eletrônica e a energia dos coeficientes dos orbitais de fronteira HOMO e do LEMO Representação e visualização de parâmetros geométricos (comprimento e ângulo de ligação) Comparação estrutural entre diferentes moléculas, o que pode permitir a geração de um índice de similaridade que pode ser relacionado com a atividade farmacológica. Visualização tridimensional do complexo fármaco-receptor. Fornece informações sobre os requisitos estruturais essenciais que permitam uma interação adequada do fármaco no seu sítio específico. Esta ferramenta também tem o potencial de planejar teoricamente novas moléculas que satisfaçam as propriedades eletrônicas e estruturais para um perfeito encaixe no sítio receptor. VIII – Teorias da Ação dos Fármacos A. TEORIA DA OCUPAÇÃO (CLARK E GADDUM) O efeito farmacológico é diretamente proporcional ao número de receptores ocupados pelo fármaco. As interações F – R obedecem à lei da ação das massas. A resposta cessa quando o complexo F–R dissocia-se. VIII – Teorias da Ação dos Fármacos O número de receptores ocupados depende: da concentração do fármaco no compartimento do receptor do numero total de receptores (Rt) por unidade de área ou volume. O efeito do fármaco será tanto mais intenso quanto maior for o número de receptores ocupados,
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