Aula 6 - Metabolismo de Fármacos

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Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro – UFRRJ
Disciplina: Química Farmacêutica e Medicinal	Código: IC640
Professora: Renata Barbosa Lacerda
Aulas: terça (13-17h) e quinta (10-12h)
Aulas teóricas, práticas e tutoriais
Aula 6 – Fatores Estruturais: Metabolismo de Fármacos
SUMÁRIO:
1. Metabolismo de xenobióticos
2. Importância do estudo do metabolismo de fármacos 
3. Fases do metabolismo de fármacos
4. Efeito de primeira passagem ou metabolismo pré-sistêmico
5. Metabolismo de fase I: Biotransformação
9. Metabolismo e o planejamento de fármacos
6. Metabolismo de fase II: Conjugação
7. Metabolismo e toxicidade
8. Metabolismo e quiralidade
1. Metabolismo de Xenobióticos
Exposição a xenobióticos (substâncias exógenas)
e.g. fármacos
 Os objetivos centrais das reações enzimáticas no metabolismo de xenobióticos consistem na bioinativação e na obtenção de metabólitos hidrossolúveis passíveis de excreção por via renal ou biliar. 
 O principal sítio do metabolismo de xenobióticos é o fígado, além de outros tecidos e órgãos ricos em enzimas metabólicas, e.g. trato gastrointestinal (parede e fluidos do TGI, além das bactérias da flora intestinal), trato respiratório, rins, plasma, tecido nervoso e pele. 
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1. Metabolismo de Xenobióticos
Resultados das modificações estruturais dos fármacos pelas reações metabólicas:
1. Bioinativação: Substância biologicamente ativa é convertida em metabólitos inativos. Os metabólitos obtidos devem preferencialmente apresentar características físico-químicas que permitam a eliminação adequada, um processo ideal, mas de difícil ocorrência.
2. Bioativação: Substância inativa é convertida em metabólito biologicamente ativo. No caso dos pró-fármacos, por exemplo, a ativação metabólica fornece um metabólito ativo responsável por desencadear o efeito terapêutico.
3. Toxicidade: Um xenobiótico não-tóxico, como por exemplo um fármaco, é convertido in vivo em metabólito tóxico, resultando no aparecimento de efeitos adversos e/ou tóxicos.
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1. Metabolismo de Xenobióticos
Sistema enzimático
Localização
Sistema CYP450
Retículo endoplasmático
FAD-monooxigenase
Retículo endoplasmático
MAO
Mitocôndria
álcool/Aldeídodesidrogenase
Citosol
Epóxidohidrolase
Retículo endoplasmático
Glicuroniltransferase
Retículo endoplasmático
GlutationaS-transferase
Citosol
Sulfotransferase
Citosol
Acetiltransferase
Citosol
Metiltransferase
Citosol
Oxidoredutase
Citosol
Xantina oxidase
Citosol
 Raramente um fármaco sobrevive à ação dos diferentes sistemas enzimáticos presentes nas células.
FÁRMACOS  São em geral moléculas orgânicas polifuncionalizadas, apresentando em sua grande maioria um caráter lipofílico que favoreça a absorção passiva após administração oral. 
A fração hepática microssomal corresponde aos fragmentos de retículos endoplasmáticos centrifugados. Esta fração do homogenato tecidual do fígado é rica em enzimas do CYP450, além de outras enzimas encontradas no retículo endoplasmático.
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2. Importância do Estudo do Metabolismo de Fármacos
 Determinação do perfil de segurança: possibilidade de formação de metabólito tóxico
 Labilidade dos fármacos frente ao metabolismo influenciará sua capacidade de atingir o sítio de ação em quantidade suficiente para exercer o efeito biológico
 Determinar se os sítios farmacofóricos são vulneráveis ao metabolismo: Bioinativação
 Fornecer informações estruturais para o planejamento de novos fármacos: Otimização
Melhoria dos parâmetros farmacocinéticos
Melhoria do perfil de segurança
Planejamento de pró-farmacos
Deficiências nas propriedades farmacocinéticas (absorção, distribuição, metabolismo e excreção) são a principal causa de insucesso no desenvolvimento de novos fármacos
ADME
Variadas
Eficácia limitada
Toxicidade em animais
Razões comerciais
Efeitos adversos
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2. Importância do Estudo do Metabolismo de Fármacos
 Fatores genéticos: Polimorfismo
Processos metabólicos  catalisados por enzimas  variações entre os indivíduos 
 Diferenças fisiológicas: Idade e estado nutricional
 Indução enzimática
 Inibição enzimática
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2. Importância do Estudo do Metabolismo de Fármacos
 Fatores genéticos: Polimorfismo
Variações nas complexas sequências de nucleotídeos no DNA que codificam as enzimas, as quais ocorrem na população geral de forma estável, sendo encontradas com frequência igual ou superior a de 1%, são denominadas polimorfismos genéticos.
O perfil metabólico de cada indivíduo pode ser alterado por tais polimorfismos, originando diferentes fenótipos de metabolizadores:
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2. Importância do Estudo do Metabolismo de Fármacos
 Indução enzimática
Alguns xenobióticos são capazes de aumentar a atividade de enzimas envolvidas no metabolismo de fármacos, e.g. enzimas do sistema enzimático oxidativo citocromo P450, responsável pela grande maioria das biotransformações oxidativas.
Consequências e interações medicamentosas com fármacos metabolizados pela mesma enzima:
Redução ou perda do efeito farmacológico
Pró-fármacos: aumento inesperado do efeito farmacológico
Potencialização de efeitos adversos provenientes dos metabólitos
Fenobarbital
Fármaco barbitúrico empregado 
como anticonvulsivante
Indutor de várias isoenzimas
do sistema CYP450
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2. Importância do estudo do metabolismo de fármacos
 Inibição enzimática
Alguns xenobióticos são capazes de reduzir a atividade de enzimas envolvidas no metabolismo de fármacos, e.g. CYP450, aldeído e/ou álcool desidrogenase, colinesterases, monoaminoxidases.
Consequências e interações medicamentosas com fármacos metabolizados pela mesma enzima:
Aumento inesperado do efeito farmacológico
Pró-fármacos: deficiência na bioinativação, com redução do efeito
Potencialização de efeitos adversos provenientes de uma concentração plasmática elevada da fármaco
Dissulfiram
Agente terapêutico coadjuvante
no tratamento do alcoolismo
Inibidor da aldeído desidrogenase, envolvida no metabolismo do etanol.
Acúmulo do acetaldeído, metabólito do etanol, no organismo resulta em efeitos adversos, como cefaléia, náuses e vômitos, queda da pressão arterial e taquicardia.
Paciente passa a rejeitar o álcool por associação com os efeitos adversos.
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3. Fases do Metabolismo de Fármacos
 Metabolismo de Fase I: Biotransformação
O metabolismo de fase I compreende reações de oxidação, redução, desalquilação ou hidrólise, originando geralmente um metabólito mais polar.
Objetivo: Introduzir ou desmascarar um grupo funcional polar (OH, COOH, NH2, SH), tornando o substrato mais susceptível às reações de fase II.
 Metabolismo de Fase II: Conjugação
O metabolismo de fase II compreende reações através das quais um grupo funcional polar é mascarado por conjugação, visando o aumento da solubilidade em água para excreção ou a bioinativação.
FÁRMACO
METABÓLITO POLAR
CONJUGADO
Fase 1
Fase 2
FÁRMACO 
POLAR
CONJUGADO
Fase 2
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Losartan
Anti-hipertensivo
Antagonista dos receptores de angiotensina
33% de biodisponibilidade após administração oral
4. Efeito de primeira passagem ou metabolismo pré-sistêmico
 Habilidade do fígado e trato gastrointestinal de metabolizar xenobióticos antes que alcancem a circulação sistêmica
 Envolve principalmente reações de conjugação: glicuronidação e sulfatação
 Fármacos contendo grupos funcionais polares são mais susceptíveis ao efeito de primeira passagem
5. Metabolismo de fase I: Biotransformação
O metabolismo de fase I compreende reações de oxidação, redução, desalquilação ou hidrólise, originando geralmente um metabólito mais polar.
Objetivo: Introduzir ou desmascarar um grupo funcional polar (OH, COOH, NH2, SH), tornando o substrato mais susceptível às reações de fase II.
Biotransformações
microssomais
Biotransformações
não-microssomais
Oxidação pelo
CYP450
Oxidação de álcoois pela
álcooldesidrogenase
Redução pela NADPH
CYP450redutase
Oxidação de aldeídos pela
aldeídomesidrogenase
Oxidação pelaflavina
monooxigenase(FMO)
Desaminaçãooxidativapela MAO
β-oxidação
Reduçõesnão-microssomais
Hidrólises
5.1. Sistema CYP450
1. Sistema composto por diversas isoenzimas, codificadas pela superfamília de genes CYP
2. São hemeproteínas oxidativas: o grupo heme é o grupo prostético
3. Catalisam a reação de inserção de um átomo de oxigênio proveniente do oxigênio molecular na estrutura do xenobiótico:
NADPH (doador de elétron) + O2 + H+ + RH NADP+ + H2O + ROH 
4. Requerem a NADPH citocromo P450 redutase para transferir os elétrons do NADPH para o substrato
5. 8 isoenzimas são responsáveis pelo metabolismo de + de 90% dos fármacos
5.1. Sistema CYP450
6. São sensíveis à fatores estereoquímicos na estrutura do substrato, podendo ser observada seletividade diferencial em fármacos quirais
Ex: Os enantiômeros da varfarina sofrem metabolização enantiosseletiva
Varfarina
Anticoagulante oral
Antagonista de vitamina K
Eutômero: (S)-Varfarina : 5 a 8x mais potente: CYP2C9
Distômero: (R)-Varfarina : CYP1A2, CYP2C19, CYP3A4
(S)-Varfarina
(R)-Varfarina
5.1.1. Ciclo catalítico do CYP450
Mecanismo de oxidação catalisada pelo grupo heme do CYP450.
* Transferidos pela NADPH CP450 redutase.
5.1.2. CYP450: Hidroxilação alifática
O sítio de hidroxilação está relacionado com a estabilidade do radical formado:
5.1.3. CYP450: Hidroxilação benzílica
Favorável devido à formação do radical benzílico, estabilizado por ressonância
5.1.4. CYP450: Hidroxilação alílica
Favorável devido à formação do radical alílico, estabilizado por ressonância
5.1.5. CYP450: Hidroxilação α-heteroátomo
Opção para tratamento de idosos e pacientes com insuficiência hepática 
Benzodiazepínico sedativo e ansiolítico 
5.1.6. CYP450: Hidroxilação aromática
A hidroxilação de sistemas aromáticos envolve a formação de intermediário lábil óxido de areno. A estabilização deste intermediário pelo sistema aromático rege a regiosseletividade da reação.
Adaptado de Barreiro & Fraga, 2008 
5.1.6. CYP450: Hidroxilação Aromática
acetanilida
paracetamol
diclofenaco
5.1.7. Epoxidação
Geralmente origina metabólitos tóxicos, pois os epóxidos são altamente reativos frente a bionucleófilos.
Bionucleófilos:
carbamazepina
5.1.8. (N,O,S)-desalquilação
 O-desalquilação
 S-desalquilação
codeína
morfina
6-metil-mercaptopurina
mercaptopurina
5.1.8. (N,O,S)-desalquilação
 N-desalquilação
5.1.9. Desaminação oxidativa
metanfetamina
anfetamina
+
nicotina
5.1.10. N-oxidação
nicotina
5.2. Reações microssomais de redução catalizadas pela NADPH CYP450 redutase
 Redução do grupo azo: Bioativação do Prontosil, primeiro pró-farmaco conhecido
 Redução do grupo nitro
5.3. Reações microssomais de oxidação catalisadas pela flavina-monooxigenase
 Catalisa reações de N-oxidação ou S-oxidação
 
cimetidina
sulindaco
sulindaco - sulfona
5.4. Reações não-microssomais de oxidação
5.4.1. Oxidação de álcoois: álcool desidrogenase
- Desidrogenase hepática, também presente no pulmão e rins
- Principal via de metabolização do etanol
- O reconhecimento dos ligantes pela enzima é sensível ao impedimento estérico  álcool primário é mais susceptível 
Obs: Parte do etanol (≈ 1/3) é oxidado pela isoforma CYP2E1
Consumido em grandes quantidades, o etanol atua como indutor enzimático, aumentando a expressão da CYP2E1
5.4. Reações não-microssomais de oxidação
5.4.2. Oxidação de aldeídos: aldeído desidrogenase
A deficiência desta enzima na população oriental, especialmente em chineses, resulta em intolerância à ingestão de etanol.
Dissulfiram
Agente terapêutico coadjuvante
no tratamento do alcoolismo
Inibidor da aldeído desidrogenase, envolvida no metabolismo do etanol.
Acúmulo do acetaldeído, metabólito do etanol, no organismo resulta em efeitos adversos, como cefaléia, náuses e vômitos, queda da pressão arterial e taquicardia.
Paciente passa a rejeitar o álcool por associação com os efeitos adversos.
5.4. Reações não-microssomais de oxidação
5.4.3. Monoaminooxidase (MAO): Desaminação oxidativa
Obs: Aminas secundárias ou terciárias são susceptíveis à oxidação pelo CYP450
Noradrenalina
5.4. Reações não-microssomais de oxidação
5.4.4. β-oxidação
 Catalisam a cisão oxidativa da ligação sigma Csp3-Csp3 em cadeias alifáticas de ácidos graxos, originando bis-homólogos inferiores
5.5. Reações não-microssomais de redução
 Abrangem reduções de duplas ligações de alcenos, reduções de carbonila de aldeídos e cetonas, reduções de sulfóxidos e N-óxidos.
 Aldeídos e cetonas são em geral lipofílicos, tendendo a se acumular nos tecidos. A sua redução aos álcoois correspondentes é importante para sua eliminação.
Sulindaco
Metabolito
bioativo
5.6. Hidrólises
 Reações hidrolíticas ocorrem principalmente no plasma e fígado, além de rins e outros tecidos 
 Derivados de ácidos carboxílicos [Ésteres, amidas, carbamatos, uréias, imidas, tioamidas, ácido hidroxâmico]
 As hidrolases são bastante sensíveis ao impedimento estérico
5.6.1. Esterases
 São encontradas no plasma, no fígado e no trato gastrointestinal, além de algumas esterases com funções específicas, como a acetilcolinesterase, que catalisa a hidrólise do neurotransmissor acetilcolina no Sistema Nervoso Central
 As esterases plasmáticas são comumente exploradas na liberação do composto ativo contendo um grupamento ácido carboxílico: Pró-farmacos
Bacampicilina
pró-fármaco da ampicilina
Acetilcolina
5.6.2. Amidases
 São encontradas no plasma e no trato gastrointestinal, onde exercem função na digestão de proteínas
5.6.3. Epóxido hidrolases
 Catalisam a hidrólise de epóxidos ou óxidos de areno, originando os dióis correspondentes
6. Metabolismo de fase II: Conjugação
- São catalisadas por enzimas conhecias pelo termo geral de transferases
Transferem uma molécula endógena altamente polar, contendo grupos funcionais ionizáveis em meio biológico, visando a eliminação renal ou na bile
Transferem um grupamento metila ou acetila, visando a bioinativação
- 	Embora as reações de metabolismo de Fase I geralmente resultem em um metabólito mais hidrofílico, na grande maioria dos casos essa modificação não é suficiente para garantir a excreção renal
As reações de conjugação podem ou não ser precedidas de reações de Fase I
Fármacos contendo funções lábeis à conjugação são passíveis de efeito de primeira passagem
FÁRMACO
METABÓLITO POLAR
CONJUGADO
Fase 1
Fase 2
FÁRMACO 
POLAR
CONJUGADO
Fase 2
6.1. Glicuronidação
Grupos funcionais passíveis:
OH, COOH, NH2, SH
glicoronil
transferase
Exemplos:
paracetamol
ibuprofeno
Conjugado bioformado:
Vias de Glucuronidação catalisadas pelas UDP-glucuronosil transferases (UGT’s)
6.2. Sulfatação
Grupos funcionais passíveis:
OH, NH2
sulfotransferase
Conjugado bioformado:
Exemplo:
paracetamol
6.3. Conjugação com a Glicina
Grupo funcional passível:
COOH
Conjugado bioformado:
Exemplo:
ácido salicílico
6.4. Conjugação com o glutatião
A enzima glutatião S-transferase aumenta a nucleofilicidade do grupo tiol do glutatião. 
O glutatião também reage não enzimaticamente com eletrófilos potencialmente tóxicos, protegendo bionucleófilos como ácidos nucléicos e proteínas.
Grupo funcionais passíveis:
Óxidos de areno, epóxidos, enonas, carbocátions transientes, agentes alquilantes, aceptores de Michael.
glutatião
S-transferase
Bionucleófilos:
6.5. Acetilação
Acetil CoA
6.6. Metilação
 Exemplo clássico: Catecol O-metil-transferase (COMT): Função biológica consiste na bioinativação do neurotransmissor adrenérgico noradrenalina, além de demais catecolaminas endógenas ou exógenas 
7. Metabolismo e toxicidade
Metabolismo do paracetamol: Em indivíduos com o sistema citocromo P450 induzido ou após ingestão de grandes doses, se favorece o metabolismo microssomal e o dano hepático ocorre ao esgotar-se o glutatião.
Antídoto: N-acetilcisteína, precursora do glutatião
Paracetamol
Sulfato& glicuronídeo
Iminoquinona
Bioinativação
Dano hepático
Fase II
Fase I
CYP450
Glutatião
Bionucleófilos
7. Metabolismo e toxicidade
8. Metabolismo e quiralidade
Metabolismo do ibuprofeno: Inversão quiral unidirecional em favor do eutômero
9. Metabolismo e planejamento de fármacos
9.1. Fármacos de ação curta
9.2. Pró-fármacos: substância com nenhuma ou pouca atividade farmacológica, a qual sofrerá biotransformação a metabólitos ativos terapeuticamente
BIBLIOGRAFIA
Leitura complementar
Barreiro, E.J.,da Silva, J.F.M., Fraga, C.A.M.1996. Noções básicas do Metabolismo de fármacos. QuímicaNova 19: 641.
Coleman,M.D.HumanDrugMetabolism:anIntroduction.2aed. JohnWileySons. 2010. 345p.
BARREIRO, E.J. & FRAGA, C.A.M.Química Medicinal: as bases moleculares da ação dos fármacos.2aed. ArtmedEditora. 2008. 536p.
WILLIAMS, D.A. & LEMKE, T.L.Foye’sPrinciplesofMedicinalChemistry.5aed.LippincottWilliams & Wilkins. 2002. 1114p.