Como agem os fármacos - Aspectos moleculares

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Farmacologia Geral 
Como agem os fármacos: aspectos moleculares 
 
Alvos para a ação dos fármacos 
Os alvos protéicos para ação de fármacos sobre as células 
podem ser, no geral, divididos em: 
1) Receptores 
2) Canais iônicos 
3) Enzimas 
4) Moléculas carregadoras/transportadoras 
A grande maioria dos fármacos importantes age sobre um ou 
outro destes tipos de proteína, mas existem exceções. 
› 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 
com agonistas ou como antagonistas, nos receptores de 
mediadores endógenos conhecidos. 
› Canais iônicos → conhecidos como canais iônicos 
controlados por ligantes (receptores ionotrópicos) ou canais 
iônicos controlados por voltagem. O primeiro tipo incorpora 
um receptor e se abre apenas quando o receptor é ocupado 
por um agonista. Já o segundo é regulado por mecanismos 
diferentes. 
 Os fármacos podem afetar a função do canal iônico 
pela interação ou com o sítio receptor dos canais controlados 
por ligante, ou com outras partes da molécula do canal. 
 A interação pode ser indireta, envolvendo uma 
proteína G e outros intermediários, ou direta, onde o próprio 
fármaco liga-se à proteína do canal e altera sua função. 
› Enzimas → frequentemente, a molécula do fármaco é um 
substrato análogo que age como um inibidor competitivo da 
enzima. Em alguns casos, a ligação é irreversível e não-
competitiva. 
 Os fármacos podem também agir como falsos 
substratos, onde a molécula do fármaco sofre transformações 
químicas, dando origem a um produto anômalo que perturba 
a via metabólica normal. 
 Os fármacos podem ainda exigir a degradação 
enzimática para convertê-los, de uma forma inativa, a pró-
droga (ou pró-fármaco), para a forma ativa. 
» A toxicidade do fármaco frequentemente é o resultado da 
conversão enzimática da molécula do fármaco para um 
metabólito reativo. No que concerne à ação primária do 
fármaco, isto é um efeito colateral indesejável, mas de enorme 
importância prática. « 
› Moléculas transportadoras → o transporte de íons e 
pequenas moléculas orgânicas através das membranas 
celulares geralmente requer uma proteína carregadora, visto 
que as espécies permanentes são, em geral, muito polares 
para penetrar nas membranas lipídicas por si mesmas. 
 
As proteínas transportadoras incorporam um sítio de 
reconhecimento que as tornam específicas para uma espécie 
particular a ser transportada, e estes sítios de reconhecimento 
podem também ser alvos para fármacos cujo efeito é 
bloquear o sistema de transporte. 
 
Tipos de receptor 
Baseados na estrutura molecular e na natureza desse vínculo 
(o mecanismo de transdução), podemos distinguir quatro tipos 
de receptores, ou superfamílias: 
 
Imagem 01. Tipos de receptores 
Tipo 1 → canais iônicos controlados por ligante, também 
conhecidos como receptores ionotrópicos. São proteínas da 
membrana com estrutura similar a outros canais iônicos, e 
incorporam um sítio de ligação ao ligante (receptor), 
geralmente no domínio extracelular. 
Ex.; neurotransmissores rápidos agem sobre este tipo. 
Tipo 2 → receptores acoplados à proteína G, também 
conhecidos como receptores metabotrópicos ou receptores 
que atravessam 7 vezes a membrana. São receptores de 
membrana que estão acoplados a sistemas efetores 
intracelulares por uma proteína G. 
Ex.; incluem receptores para vários hormônios e transmissores 
lentos. 
Tipo 3 → receptores ligados a quinases e correlatos, 
respondendo principalmente a mediadores protéicos. 
Apresentam um domínio extracelular de ligação de ligante 
conectado a um domínio intracelular por uma hélice única e 
transmembrana. 
Ex.; incluem aqueles para insulina e para várias citocinas e 
fatores de crescimento. 
Tipo 4 → receptores nucleares, são receptores que regulam 
a transcrição gênica. Alguns estão, na realidade, localizados no 
citosol e migram para o compartimento nuclear quando um 
ligante está presente. 
Ex.; receptores para hormônios esteroides, hormônio da 
tireoide e outros agentes. 
 
Tipo 1: Canais iônicos controlados por ligantes 
› Estrutura molecular 
Estas moléculas têm traços estruturais em comum com 
outros canais iônicos. 
 A estrutura pentamérica (𝛼2, 𝛽, 𝛾, 𝛿) possui dois 
sítios de ligação para o ligante, cada um na interface entre 
uma das duas subunidades 𝛼 e sua vizinha. Ambos devem 
ligar-se a moléculas do ligante para que o receptor seja ativado. 
Cada subunidade atravessa a membrana quatro 
vezes, de modo que o canal compreende no mínimo 20 
hélices que atravessam a membrana circundando um poro 
central. 
 
Imagem 02. Estrutura do receptor nicotínico de acetilcolina 
(um típico canal iônico controlado por ligante). Quando ocorre 
a ligação com a ACh, as 𝛼-hélices entortadas ou se endireitam 
ou firam e se afastam, abrindo assim o poro do canal. 
› Mecanismo de Comporta 
Os receptores deste tipo controlam os eventos sinápticos 
mais rápidos do sistema nervoso, no qual um neurotransmissor 
age na membrana pós-sináptica de um nervo ou célula 
muscular e aumenta de modo transitório sua permeabilidade 
para certos íons. 
 Neurotransmissores excitatórios, como a ACh na 
junção neuromuscular ou o Glutamato no SNC, causa 
aumento na permeabilidade ao 𝑁𝑎+e 𝐾+ . Este efeito resulta 
em uma corrente de entrada devida principalmente ao 𝑁𝑎+, 
que despolariza a célula e aumenta a probabilidade de geração 
de um potencial de ação. 
 
Tipo 2: Receptores acoplados à proteína G 
› Estrutura molecular 
Os receptores acoplados à proteína G consistem em uma 
única cadeira polipeptídica de até 1.100 resíduos. 
 Sua estrutura característica compreende 7 𝛼-hélices 
transmembranas, com um domínio N-terminal extracelular de 
tamanho variável e um domínio C-terminal intracelular. 
Os GPCRs são divididos em três famílias distintas: 
família A → é a maior, a maioria dos receptores para 
monoaminas, neuropeptídios e quimíocinas. 
família B → inclui receptores para alguns outros peptídeos, 
como a calcitonina e o glugagon. 
família C → é a menor, seus principais membros são os 
receptores metabotrópicos para glutamato e GABA e os 
receptores sensíveis ao 𝐶𝑎2+ . 
› Proteínas G e sua função 
As proteínas G englobam uma família de proteínas residentes 
na membrana cuja função é reconhecer os GPCRs ativados e 
transmitir a mensagem para os sistemas efetores que geram 
uma resposta célula. 
 As proteínas G consistem em três subunidades: 𝛼, 𝛽 
e 𝛾 . Os nucleotídeos guanina ligam-se à subunidade 𝛼, que 
tem atividade enzimática, catalisando a conversão do GTP a 
GDP. As subunidades 𝛽 e 𝛾 permanecem unidas na forma de 
um complexo 𝛽𝛾. Todas as três subunidades ficam ancoradas 
à membrana através de uma cadeira de ácidos graxos 
acoplada à proteína G. 
 No estado de “repouso”, a proteína G aparece como 
um trímero 𝛼𝛽𝛾 não ligado, com o GDP ocupando o sítio na 
subunidade 𝛼 . Quando um GPCR é ativado por uma molécula 
agonista, ocorre uma mudança conformacional envolvendo o 
domínio citoplasmático do receptor, levando-o a adquirir uma 
alta afinidade para 𝛼𝛽𝛾. A associação de 𝛼𝛽𝛾 com o receptor 
força a dissociação do GDP ligado e sua substituição por GTP, 
o que, por sua vez, causa a dissociação do trímero da proteína 
G, liberando as subunidades 𝛼-GTP e 𝛽𝛾, estas são as formas 
“ativas” da proteína G, que se difundem na membrana e 
podem se associar a diversas enzimas e canais iônicos, 
causando a ativação do alvo. A sinalização é concluída quando 
a hidrólise de GTP para GDP ocorre pela atividade de GTPase 
da subunidade 𝛼 . O 𝛼-GDP resultante então se dissocia do 
efetor, e se religa com 𝛽𝛾, completando o ciclo. 
 
Imagem 03. Mecanismo de “ativação” da proteína G 
» A associação das subunidades 𝛼 com enzimas-alvo pode 
causar ativação ou inibição, dependendo de qual proteína G 
estejaenvolvida. « 
 Quatro classes principais de proteína G são de 
importância farmacológica: 
 
Subtipos Efetores principais 
𝐺𝑠 Estimula a adenilil-ciclase, aumentando a 
formação de AMPc. 
𝐺𝑖 Inibe a adenilil-ciclase, diminuindo a formação de 
AMPc. 
𝐺𝑜 Ativa o sistema Rho A/Rho quinase. 
 
𝐺𝑞 Ativa a fosfolipase C, aumentando a produção 
dos segundos mensageiros inositol trifosfato e 
diacilglicerol. 
𝐺𝛽𝛾 Ativam canais de potássio, inibem canais de 
cálcio controlados por voltagem, ativam as GPCR 
quinases, ativam a cascata de proteínas quinases 
ativadas por mitógenos. 
 
› Alvos das proteínas G 
Os alvos principais das proteínas G, através dos quais os GPCRs 
controlam diferentes aspectos da função celular são: 
Adenilil-ciclase: enzima responsável pela formação de AMPc. 
Fosfolipase C: enzima responsável pela formação de fosfato 
de inositol e diacilglicerol. 
Canais iônicos: particularmente os canais de cálcio e de 
potássio. 
Rho A/Rho quinase: um sistema que controla a atividade das 
muitas vias de sinalização que controlam o crescimento e a 
proliferação celular, a contração da musculatura lisa etc. 
● Sistema adenilil-ciclase/AMPc → o AMPc é um nucleotídeo 
sintetizado no interior da célula a partir do ATP, pela ação de 
uma enzima ligada à membrana, a adenilil-ciclase. Ele é 
produzido continuamente e inativado por hidrólise a 5’-AMP, 
através da ação de uma família de enzimas conhecidas como 
fosfodiesterases. 
» Muitos fármacos, hormônios e neurotransmissores 
diferentes agem nos GPCRs e produzem seus efeitos 
aumentando ou diminuindo a atividade catalítica da adenilil-
ciclase, e assim elevando ou diminuindo a concentração de 
AMPc dentro da célula. « 
● Sistema fosfolipase C/fosfatos de inositol → o 
fosfatidilinositol difosfato (𝑃𝐼𝑃2) é o substrato de uma enzima 
ligada à membrana, fosfolipase 𝐶𝛽(𝑃𝐿𝐶𝛽), que efetua a sua 
clivagem em DAG e inositol trifosfato (𝐼𝑃3), os quais atuam 
como segundos mensageiros. Após a clivagem do 𝑃𝐼𝑃2, o 
status quo é restabelecido, sendo o DAG fosforilado para 
formar ácido fosfatídico (PA), enquanto o 𝐼𝑃3 é desfosforilado 
e, a seguir, reacoplado ao PA, para formar 𝑃𝐼𝑃2 mais uma 
vez. 
» A ativação da 𝑃𝐿𝐶𝛽 por vários agonistas é mediada através 
de uma proteína 𝐺𝑞 . « 
● Fosfatos de inositol e cálcio intracelular → o inositol 
trifosfato é um mediador hidrossolúvel que é liberado no citosol 
e age em um receptor específico, o 𝐼𝑃3, que é um canal de 
cálcio controlado por ligante presente na membrana do 
retículo endoplasmático. A função principal do 𝐼𝑃3, é controlar 
a liberação de 𝐶𝑎2+das reservas intracelulares. O 𝐼𝑃3 é 
convertido dentro da célula para o tetrafosfato, 𝐼𝑃4, cujo a 
função ainda é incerta, mas, existem evidências de que está 
também envolvido na sinalização de 𝐶𝑎2+ . 
● Diacilglicerol e proteína quinase C → o diacilglicerol é 
produzido sempre que ocorre a hidrólise de PI induzida por 
receptores. O principal efeito do DAG é ativar uma proteína 
quinase ligada à membrana, proteína quinase C (PKC), que 
catalisa a fosforilação de várias proteínas intracelulares. O DAG 
é altamente lipofílico e se mantém na membrana. Liga-se a 
um sítio específico na molécula da PKC, que migra do citosol 
para a membrana da célula na presença de DAG, tornando-se 
então ativada. 
» Um dos subtipos de PKC é ativado pelo mediador lipídico, 
ácido araquidônico, produzido pela ação da fosfolipase 𝐴2, 
sobre os fosfolipídeos da membrana. « 
● Canais iônicos como alvos das proteínas G → os receptores 
acoplados à proteína G podem controlar a função de canais 
iônicos diretamente por mecanismo que não envolvem 
segundos mensageiros como AMPc ou fosfatos de inositol. 
» No músculo cardíaco, por exemplo, os mAChRs 
sabidamente aumentam a permeabilidade ao 
𝐾+(hiperpolarizando as células e inibindo a atividade elétrica. « 
Esta ação é produzida por interações diretas entre a 
subunidade 𝛽𝛾 da 𝐺𝑜 e o canal, sem o envolvimento de 
segundos mensageiros. 
● Sistema Rho A/Rho quinase → é ativada por certos GPCRs 
que acoplam a proteína G do tipo 𝐺12/13 . A subunidade 𝛼 
livre da proteína G interage com o fator de troca do 
nucleotídeo guanosina, que facilita a permuta GDP-GTP em 
outra GTPase, Rho. A Rho-GDP, que é a forma de repouso, é 
inativada, mas quando a permuta GDP-GTP acontece, a Rho é 
ativada, e por sua vez ativa a Rho quinase. A Rho quinase 
fosforila muitos substratos protéicos e controla uma ampla 
variedade de funções celulares, incluindo a contração e 
proliferação do músculo liso, a angiogênese e a remodelação 
sináptica. 
› Dessensibilização: é uma característica de todos os GPCRs. 
Dois processos principais estão envolvidos: 
1) Fosforilação do receptor 
2) Internalização do receptor (endocitose) 
› Receptores constitutivamente ativos: os receptores 
acoplados a proteína G podem também estar ativos 
constitutivamente na ausência de qualquer agonista. 
» Isto significa que os agonistas inversos, que suprimem esta 
atividade basal, podem exercer efeitos distintos aos dos 
agonistas neutros, que bloqueiam os efeitos dos agonistas sem 
afetar a atividade basal. « 
 
Tipo 3: Receptores ligados a quinases e 
receptores correlatos 
Eles medeiam as ações de fatores de crescimento e citocinas, 
e hormônios como a insulina e a leptina, cujos efeitos são 
exercidos principalmente ao nível de transcrição gênica. 
» Eles têm um papel importante no controle da divisão, 
crescimento e diferenciação celulares, assim como na 
inflamação, reparação tecidual, apoptose e respostas 
imunológicas. « 
 Os principais tipos são os seguintes: 
Receptores tirosina quinase (RTKs) → incorporando uma 
porção tirosina quinase na região intracelular. 
Ex.; estão incluídos receptores para muitos fatores de 
crescimento, como o fator de crescimento epidérmico e o 
fator de crescimento neuronal, e o grupo de receptores Toll-
similes (que tem importante participação na reação do 
organismo à infecções). 
Serina/treonina quinases → fosforilam resíduos de serina e/ou 
treonina em vez de tirosina. 
Ex.; receptor para o fator de transformação de crescimento 
TGF. 
Receptores de citocinas → quando ocupados, eles se 
associam a (e ativam) uma tirosina quinase citosólica, como a 
Jak ou outras quinases. 
Ex.; os ligantes incluem citocinas como interferonas e fatores 
estimulantes de colônia envolvidas nas respostas imunológicas. 
Receptores associados à guanilil-ciclase → a porção guanilil-
ciclase exerce seus efeitos estimulando a formação de GMPc. 
Ex.; receptor para ANF. 
› Mecanismos da fosforilação protéica e da cascata das 
quinases 
» A fosforilação de proteínas é um mecanismo-chave para 
controlar a função de proteínas. « 
» Fosforilação e desfosforilação são realizadas por quinases e 
fosfatases, respectivamente. « 
Em muitos casos, a ligação do ligante ao receptor 
leva à dimerização. A associação dos dois domínios de quinase 
intracelulares permite que ocorra uma autofosforilação mútua 
de resíduos de tirosina intracelulares. Os resíduos de tirosina 
fosforilados servem então como sítios de ancoragem de alta 
afinidade para outas proteínas intracelulares, que constituem o 
próximo passo na cascata de transdução de sinal. 
 Duas vias bem definidas de transdução de sinal são 
descritas: 
Via Ras/Raf → medeia o efeito de muitos fatores de 
crescimento e mitógenos. Ras, que é um produto 
protooncogene, funciona como uma proteína G e transmite 
o sinal a partir da proteína de domínio SH2, Grb, que é 
fosforilada pela RTK. A ativação de Ras por sua vez ativa Raf, 
que é a primeira de uma sequência de três serina/treonina 
quinases, em que cada uma fosforila, e ativa, a próxima 
sequência. A última delas, a quinase da proteína ativada por 
mitógenos (MAP), fosforila um ou mais fatores de transcrição 
que iniciam a expressão gênica, resultando em diversificados 
tipos de resposta celular, incluindo a divisão celular. 
Via Jak/Stat → está envolvida nas respostas a muitas citocinas. 
Ocorre a dimerizaçãodesses receptores quando a citocina se 
liga, e isso atrai uma unidade tirosina quinase citosólica (Jack) 
para se associar e então fosforilar o dímero do receptor. 
 
Tipo 4: Receptores nucleares 
» Receptores para hormônios esteroides, tais como 
estrógenos e glicocorticoides, estavam presentes no 
citoplasma das células e eram translocados para o núcleo após 
ligação com seu ligante esteroide. « 
 Os receptores nucleares não estão inseridos em 
membranas, mas sim presentes na fase solúvel da célula. 
› Classificação dos receptores nucleares 
Classe I → consiste, em sua maioria, em receptores para os 
hormônios esteroides, incluindo os receptores para 
glicocorticoides e mineralocorticoides, bem como os 
receptores para estrógeno, progesterona e andrógeno. 
 Na ausência de seus ligantes, estes receptores ficam 
predominantemente localizados no citoplasma, em complexos. 
Após a difusão/transporte de seus ligantes para dentro da 
célula e sua ligação, estes receptores são translocados para o 
núcleo, ondem podem transativar ou transreprimir genes 
através de ligação com elementos responsivos à hormônios 
“positivos” ou “negativos”. 
 Geralmente reconhecem hormônios que agem de 
modo de feedback negativo, assim controlando eventos 
biológicos. 
Classe II → seus ligantes são geralmente lipídeos já presentes 
em certa quantidade dentro da célula. 
 Inclui o receptor ativador de proliferação do 
peroxissomo (PPAR) que reconhece ácidos graxos, o receptor 
de oxiesterol hepático (LXR) que reconhece e atua como um 
sensor de colesterol, o receptor de farnesóide (ácido biliar) 
(FXR), um receptor xenobiótico (SXR) que reconhece muitas 
substâncias estranhas ao organismo, incluindo fármacos 
terapêuticos, e o receptor de androstano constitutivo (CAR). 
 Eles induzem enzimas que metabolizam drogas 
como o CYP3A4 e se ligam a algumas prostaglandinas e 
fármacos não esteroides. 
 Eles tendem a mediar efeitos de feedback positivo. 
Classe III → é na verdade um subgrupo da classe II. 
 O grupo inclui o receptor do hormônio da tireoide 
(TR), o receptor da vitamina D (VDR) e o receptor do ácido 
retinóico (RAR). 
› Controle da transcrição gênica 
Os elementos da resposta hormonal são sequências curtas do 
DNA às quais os receptores nucleares se ligam a fim de 
modificar a transcrição gênica. 
 No núcleo, o receptor ligado a um ligante recruta 
mais proteínas, incluindo co-ativadores ou co-repressores a 
fim de modificar a expressão gênica através de seus domínios 
AF1 e AF2. Alguns destes co-ativadores são enzimas 
envolvidas na remodelação da cromatina que, juntamente com 
outras enzimas, regulam o desdobramendo do DNA para 
facilitar o acesso de enzimas polimerases e, por esse meio, a 
transcrição do gene. Complexos de co-repressores são 
recrutados por alguns receptores e envolvem outros fatores 
que fazem com que a cromatina fique firmemente 
compactada em sua conformação, evitando ativação adicional 
da transcrição. 
 
Canais iônicos como alvos de fármacos 
Os íons são incapazes de penetrar na bicamada lipídica da 
membrana celular, e só podem atravessá-la com a ajuda de 
proteínas transmembranas na forma de canais ou 
transportadores. 
 Canais iônicos consistem em moléculas protéicas 
organizadas para formar poros contendo água que 
atravessam a membrana e podem mudar seu estado entre 
aberto e fechado. 
 A taxa de transferência e a direção do movimento 
de íons através do poro são determinadas pelo gradiente 
eletroquímico para o íon em questão, o que é função de sua 
concentração nos dois lados da membrana, e do potencial da 
membrana. 
 Canais iônicos são caracterizados por: 
Seletividade → por espécies particulares de íons, determinada 
pelo tamanho do poro e a natureza de seu revestimento; 
Propriedades de controle → a natureza do estímulo que 
controla a transição entre os estados aberto e fechado do 
canal; e 
Arquitetura molecular 
› Seletividade 
Os canais geralmente são seletivos para cátions ou ânions. 
Canais cátions seletivos podem ser seletivos para: 𝑁𝑎+, 𝐶𝑎2+ 
ou 𝐾+ . Os canais de ânions são principalmente permeáveis a 
𝐶𝑙− . 
› Mecanismo de comporta 
Canais controlados por voltagem → estes canais se abrem 
quando a membrana celular é despolarizada. 
 Os canais mais importantes neste grupo são canais 
seletivos para sódio, potássio ou cálcio. 
 A abertura (ativação) do canal, induzida pela 
despolarização da membrana, é de curta duração, mesmo 
quando a despolarização é mantida. 
Canais controlados por ligantes → estes são ativados pela 
ligação de um ligante químico a um sítio na molécula do canal. 
 Alguns canais controlados por ligantes na membrana 
plasmática respondem a sinais intracelulares e não a sinais 
extracelulares. Os mais importantes são: canais de potássio 
ativados por cálcios (que ocorrem na maioria das células, e se 
abrem, hiperpolarizando desse modo a célula, quando o 
[𝐶𝑎2+], aumenta) e canais de potássio sensíveis a ATP ( que 
se abrem quando a concentração intracelular de ATP cai por 
falta de nutrientes na célula). 
Canais de liberação de cálcio → Estão presentes no retículo 
endoplasmático ou sarcoplasmático. Os principais, receptores 
de 𝐼𝑃3 e de rianodina, são uma classe especial de canais de 
cálcio controlados por ligantes que controlam a liberação de 
𝐶𝑎2+ de reservas intracelulares. 
Canais de cálcio operados pelas reservas de 𝐶𝑎2+→ quando 
as reservas intracelulares de 𝐶𝑎2+estão esgotadas, canais na 
membrana plasmática abrem-se para permitir sua entrada. Os 
canais operados pelas reservas são importantes no 
mecanismo de ação de muitos GPCRs que provocam a 
liberação de 𝐶𝑎2+ . A abertura de SOCs permite que a 
[𝐶𝑎2+], permaneça elevada mesmo quando as reservas 
estão se esgotando. 
 
Controle da expressão de receptores 
Não podemos mais pensar em receptores como os 
elementos fixos dos sistemas de controle celular, respondendo 
a mudanças na concentração de ligantes e iniciando alterações 
nos componentes da via de transdução do sinal pois, eles 
mesmo estão sujeitos à regulação. 
 A regulação a curto prazo da função do receptor 
geralmente ocorre através de dessensibilização. 
 A regulação a longo prazo ocorre através de 
aumento ou diminuição da expressão do receptor.