fundamentos metabolismo(1)

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FUNDAMENTOS DO 
METABOLISMO DE FÁRMACOS
Flavio da Silva Emery
Química Farmacêutica Medicinal
Bibliografia
BARREIRO, E. J., FRAGA, C. A. M. “Química Medicinal: as bases
moleculares da ação dos fármacos”, Artmed Editora, 2001.
Cap. 1: “Aspectos gerais da ação dos fármacos”, p. 35-51.
SILVERMAN, R. B. “The organic chemistry of drug design and drug action”, 
Academic Press, 2004, 2nd Ed.
Cap. 7: “Drug metabolism” p. 405-495.
WERMUTH, C. G. (ed.) “The practice of medicinal chemistry”, Elsevier
Academic Press, 2003, 2nd Ed.
Cap. 31: J. Magdalou, S. Fournel-Gigleux, B. Testa, M. Ouzzine.
“Biotransformation reactions” p.517-543.
Cap. 32: “Chemical mechanisms of toxicity: basic knowledge for designing
safer drugs” p. 545-560.
WILLIAMS, D. A., LEMKE, T. L. (Eds). “Foye´s Principles of Medicinal 
Chemistry” Lippincott Williams & Wilkins, 2002, 5th Ed.
Cap. 8: D. A. Williams “Drug metabolism” p. 174-233.
Porque uma substância química deve ser metabolizada?
Produção de anticorpos
Organismo invasor
O
CH3
OH
C5H11
1-THC
Pequenas moléculas O
COOR
OR
C5H11
H
O
OH
OH
H
HO
COO
-
R =
-glucuronil
Produção de enzimas
Quem realiza a metabolização?
Compostos estranhos ao organismo
XENOBIÓTICOS
(geralmente lipofílicos)
Compostos hidrofílicos
Eliminação (urina)
fígado
Fígado, rins, 
pulmões,
trato gastrointestinal
Enzimas não específicas
Fármaco inativo  metabólito ativo (bioativação)
Fármaco ativo  metabólito ativo (mesma atividade, toxicidade)
Fármaco ativo  metabólito inativo (bioinativação)
Princípio geral do 
metabolismo
N
NH
O
O O
O
TALIDOMIDA
Década de 60
• Indicada para redução do 
desconforto matinal em 
gestantes
• nascimento de 12.000 
crianças com deformações 
congênitas
• R - sedativo / analgésico
• S - metabólitos eletrofílicos 
reagem com nucleófilos 
orgânicos 
(teratogenicidade)
O estudo do metabolismo dos fármacos permite:
• estabelecer a cinética de formação e as estruturas químicas dos metabólitos;
• determinar a velocidade e o sítio de absorção majoritário;
• determinar os níveis de concentração e depósito plasmático e tissular do
fármaco e metabólitos (estabelecimento da meia vida média);
• determinar a principal via de eliminação;
• determinar os sítios moleculares vulneráveis metabolicamente;
• compreender as interações metabólicas entre fármacos administrados
simultaneamente;
• determinar a toxicidade dos metabólitos e correlacioná-la com a estrutura
química;
• fornecer novos protótipos com atividades farmacológicas distintas
• bioativação de pró-fármacos
Fatores que afetam o metabolismo:
Genéticos:
diferenças de expressão das enzimas de metabolização
(ex: maior sensibilidade de japoneses e chineses ao etanol)
Fisiológicos:
metabolismo prejudicado em pessoas muito jovens e idosos
• diferenças sexuais, gravidez,
• doenças (especialmente hepáticas), estado nutricional
Farmacodinâmicos:
dose, posologia, via de administração, depósito tecidual, 
ligação a proteínas plasmáticas
Ambientais:
competição metabólica entre fármacos e xenobióticos
Reações metabólicas
Biotransformação
(fase I)
Conjugação
(fase II)
oxidação
redução
hidrólise
Glicuronidação
glutationa
Sulfatação
glicina
acetilação
metilação
Quais as principais reações 
metabólicas?
Metabolismo Fase I
(i) Oxidação
Hidroxilação alifática ou aromática
N-, or S-oxidação
N-, O-, S-dealquilação
(ii) Redução
Redução de Nitro a hidroxilamina/ amina
Redução de carbonila ao álcool
(iii) Hidrólise
Ester ou amida ao ácido/álcol e amina
Hidrazidas ao ácido e hidrazina substituída
O
OH
N
H
O
OH
N
H
OH
Propranolol
(-blocker)
O
O
CO
2
H
OH
CO
2
H
Aspirin
(Analgesic)
N
N
H O
O
2
N N
N
H O
NH
2
Nitrazepam
(hypnotic)
N
NH
2
NH N
NH
2
NH
OH
Debrisoquine
(anti-hypertensive)
Phase II Metabolism
(i) Glicuronidação
Ácido carboxílico, alcool, fenol, amina
(ii) Amino ácidos
Ácidos carboxílicos
(iii) Acetilação
Aminas
(iv) Sulfatação
álcool, fenol, amina
(v) Conjugação glutationa (gly-cys-glu)
Compostos halogenados, epóxidos, óxidos de areno, quinona-
iminas
OH
OH
NH
O CHCl
2
O
2
N
O
OH OH
OH
OH
O
NH
O CHCl
2
O
2
N
CO
2
H
Chloramphenicol
(antibiotic)
O
OH
OH
N
H
O
O
OH
N
H
S
O
OH OPrenalterol
(-blocker)
Reações da Fase I do metabolismo
enzimas microssomais hepáticas
Reações oxidativas:
Citocromo P450,
Flavina monooxigenase (FMO),
desidrogenases,
-oxidases,
Processos microssomais de biotransformação
Complexo enzimático citocromo P450
Enzimas ligadas às membranas (oxidases de função mista):
• flavoproteína – NADPH-CYP450 redutase – carreador de elétrons
do NADPH para CYP450
• proteína heme – citocromo P450 – sítio de ligação e ativação do O2
e sítio de ligação do substrato
Ambas contém flavina mononucleotídeo (FMN) e flavina 
dinucleotídeo (FAD)
• associadas a lipídeos (fosfatidilcolina) – manutenção do ambiente
negativamente carregado
17 isoformas de CYP450
Isoformas humanas do CYP450 expressas no fígado
3A4/5 - 34%
Isoformas que não metabolizam 
fármacos – 19%
1A2 – 13%
2A6 – 4%
2B6 – 1%
2C – 19%
2D6 – 3%
2E1 – 7%
Oxidam substâncias endógenas (esteróides, 
ácidos biliares, vitaminas lipossolúveis, etc.)
3
A
4
/5
 –
3
6
%
1
A
1
 –
3
%
2
C
8
/9
 –
1
7
%
2
C
1
8
/1
9
 –
8
%
2
D
6
 –
2
1
%
2
E
1
 –
4
%
Metabolização de fámacos clinicamente importantes
Metabolismo oxidativo da cafeína
N
N
N
N
O
H3C
O
CH3
CH3
cafeína
N
N
H
N
N
O
H3C
O
CH3
paraxantina
N
N
N
N
O
H3C
O
CH3
CH3
Ácido 1,3,7-trimetilúrico
OH
CYP450 1A2
CYP450 3A
CYP450
Fe
N
N N
N
3+
HOOC
HOOC
PROTOFORFIRINA FÉRRICA IX
N
N N
N
Fe
IV
O
S
N
N N
N
Fe
IV
O
H
S
R
R
Deslocamento de 1 
elétron do anel 
aromático
N
N N
N
Fe
III
O
H
S
R
Deslocamento 
[1,2] de 
hidreto
O
H
H
R
N
N N
N
FeIII
S
RHO
R
O
H
H
HIDROXILAÇÃO AROMÁTICA
SILVERMAN, R. B.“The organic chemistry of drug design 
and drug action”, Academic Press, 2004, 2nd Ed.
Cap. 7: “Drug metabolism” p. 405-495.
M. R. Wester et al. J. Biol. Chem. 2004, 279, 35630.
PDB ID 1R9O – CYP450 2C9 (2.0Å)
R
O
H
H
R
OH
R
OH
OH
R
OH
SG
R
OH
X
rearranjo
epóxido hidrolase
H2O
glutationa S-transferase
GSH
nucleófilos
macromoleculares
Possíveis reações com óxidos de areno
R
O H
R
O
H
H
B
H
+
Exemplos de reações que podem ocorrer com o óxido de areno:
• abertura do epóxido catalisada por hidrolase
OH
HO
O
DNA
NH
N
N
O
NHN
O
O
OPO
O
O-
OH
HO
HO
GUANINA DESOXINUCLEOTÍDEO
• abertura do epóxido catalisada biomacromoléculas
regiosseletividade
Benzopireno
diol
Anel mais ativado – mais rico em elétrons
NH
COO
-
Na
+
ClCl
diclofenaco
Dois anéis aromáticos
Anéis aromáticos desativados
(grupos retiradores de elétrons: -Cl, -N+R3, -COOH, -SO2NHR)
Geralmente mais resistentes à hidroxilação 
COOH
(H3CH2CH2C)2NO2S
probenecid
N
H
Cl
Cl
N
H
HN
+
Cl
-
cloreto de clonidina
 (anti-hipertensivo)
Dois anéis aromáticos
Hidroxilação ocorre no anel mais rico em elétrons
N
H
N
O
Cl
 diazepam(anticonvulsivante)
N
S
Cl
Nclorpromazima
(antipsicótico)
Anéis aromáticos desativados de poluentes ambientais resistentes à 
oxidação aromática:
alta lipofilicidade e baixa metabolização (persistência no organismo)
O
O Cl
ClCl
Cl
2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina
ClnClm
misturas de bifenil policlorados
AFLATOXINA
CYP450
O
O
O
O
O
OCH3
H
H O
O
O
O
O
OCH3
H
H
O
DNA
O
O
O
O
O
OCH3
H
H
OH
HN
N
N
N
O
H2N
CARCINOGENICIDADE DA AFLATOXINA
Posição benzílica
Oxidação de carbonos benzílicos 
N
N
O
CH3
H3C
N
N
O
CH3
H2C
OH
Oxidação de carbonos benzílicos 
metaqualona 2-hidroximetaqualona
Oxidação de carbonos alílicos 
N
NHO
H3CO
N
NHO
H3CO
OH
quinidina 3-hidroxiquinidina
N
CH3
HO
N
CH3
HO
N
CH3
HO
OH
HO
+
pentazocina Metabólito trans Metabólito cis
Oxidação de carbonos  à carbonilas (C=O) e iminas (C=N)
N
N
O
H3C
Cl
N
N
O
H3C
Cl
OH
diazepam 3-hidroxidiazepam
Oxidação em carbonos alifáticos e alicíclicos 
R
R
R
OH
OH oxidação
-1 oxidação
HN
N
H
O
O O
HN
N
H
O
O O
OH
amobarbital
Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo catalisadas pelo 
CYP450 – N,S,O-desalquilações N
N
CH3
CH3
N
N
H
imipramina desimipramina
O
N
CH3
OHH3CO
O
N
CH3
OHHO
codeína morfina
N
N N
H
N
S
H3C
N
N N
H
N
SH
6-metilmercaptopurina 6-mercaptopurina
Metabolismo da papaverina
Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo de 
hidrocarbonetos alifáticos e alicíclicos catalisadas pelo CYP450
H3C
S
N
H
O O
O
N
H
S
N
H
O O
O
N
H
OHTolbutamida
Oxidação metílica
COOH COOH COOH
+
OH
OH
Ibuprofen
Oxidação da cadeia alquílica lateral
N
H
O
CH3
N
H
O
CH3O
Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo de 
hidrocarbonetos alifáticos e alicíclicos catalisadas pelo CYP450
Fenmetrazina
Oxidação de anel heterocíclico
OH
O
OH
O
Ácido valpróico
desidrogenação
Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo de alcenos 
catalisadas pelo CYP450
N
CH3
N
CH3
O
cicloeptadina
Epoxidação de ligação dupla
O NH2
CARBAMAZEPINA
O NH2
CYP450
O
O NH2
OH
epóxido hidrolase
HO
Abertura estereosseletiva
do epóxido
Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo de compostos 
aromáticos catalisadas pelo CYP450
HN
O
HN
O
OH
ACETANILIDA
ACETAMINOFENO
N
H
NH
O
O
N
H
NH
O
O
OH
FENITOÍNA
N- e S-oxidações catalisadas por flavina monooxigenase (FMO)
FMO – mecanismo distinto do CYP450
Catalisa oxidação dos heteroátomos N e S, mas não promove desalquilações
N – secundários, terciários, ciclícos, arilaminas, hidroxilaminas, hidrazinas
Aminas terciárias acíclicas e cíclicas para N-óxidos
Aminas secundárias acíclicas e cíclicas para hidroxilaminas e nitronas
N-alquil e N,N-dialquilaril aminas para hidroxilaminas
Tióis, dissulfetos e tioéteres para sulfonas e sulfóxidos
Ciclo catalítico da FMO hepática
N
N
NH
N O
O
R
H3C
H3C N
H
N
NH
N O
O
R
H3C
H3C
N
R
O
NH2
H H
O OH
+
N
H
N
NH
N O
O
R
H3C
H3C
O
O
HSUBSTRATO R H B
PRODUTO
OXIDADO
N
N
NH
N O
O
R
H3C
H3C
OH
H
B
H2O
NADPH
Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo catalisadas pela 
flavina monooxigenase (FMO) – compostos nitrogenados
R3 N
R1
R2
+ Enz FAD OOH R3 N
R1
R2
O
Enz FAD OH+
Aminas terciárias acíclicas e cíclicas para N-óxidos
N
O
OH
CH3
ATROPINA
N
S
N
CLORPROMAZINA
N
N
CH3
NICOTINA
Aminas secundárias acíclicas e cíclicas para hidroxilaminas e nitronas
H N
R1
R2
+ Enz FAD OOH HO N
R1
R2
Enz FAD OH
+ Enz FAD OOH
O
N
R1
R2O
Enz FAD OH
N-alquil e N,N-dialquilaril aminas para hidroxilaminas
H N
R
Ar
+ Enz FAD OOH HO N
R
Ar
Enz FAD OH
Hidrazinas 1,1-dissubstituídas
H2N N
R1
R2
+ Enz FAD OOH H2N N
R1
R2
Enz FAD OH
O
Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo catalisadas pela 
flavina monooxigenase (FMO) – compostos com enxofre
Tióis e dissulfetos
R SH R S S R R S S R
O
R1 S R1 S R2
O
R2 R1 S R2
O
O
SULFÓXIDO SULFONA
Tioéteres
H
N
H
N
N
S
HN
N
Me
Me
CN
cimetidina sulindaco
Oxidações não microssomais
Oxidações de álcoois – álcool desidrogenase / NAD
OH O
HOH O
Oxidações de aldeídos – aldeído desidrogenase / NAD
O
H
O
OH
Oxidações de bases purínicas – xantina oxidase e xantina desidrogenase
N
N N
H
N
SH
N
N N
H
N
SH
HO
6-MERCAPTOPURINA ÁCIDO 6-MERCAPTOÚRICO
Desaminação oxidativa de aminas
Monoamino oxidase (MAO) e diamino oxidase (DAO)
R NH2 + O2 R NH R O + NH4
+
Reações redutivas: NADPH-citocromo C redutase
N
S
H
N
NH2
O
O
O
O O
O N
S
O
O
O
N
S
H
N
NH2
O
O
O
O
HO
O N
S
O
O
O
SULTAMICILINA
esterase
OH
+
N
S
H
N
NH2
O
O
OH
OAMPICILINA
SULBACTAMA
Reações hidrolíticas: ésteres e amidas
enzimas plasmáticas, hepáticas, renais, outros tecidos
FÁRMACOS COLINÉRGICOS E ANTICOLINÉRGICOS: ação de esterases
N
N N
O
O
N
O
O
decametônio
succinilcolina
Antagonistas nicotínicos
H3C O
N
O CH3
CH3
CH3
H2N O
N
O CH3
CH3
CH3
CH3
acetilcolina
betanecol
Agonistas muscarínicos
Fase II - Reações de conjugação
Excreção na 
urina ou na bile
Efeito de primeira passagem – presença de funções lábeis na estrutura do 
fármaco, que permitem que o mesmo sofra reação de fase II diretamente, 
diminuindo sua meia-vida
O3SO P
O
OH
O
OPO3H2
OH
O
N
N
N
N
H2N
R
OH OSO3
+
R
Conjugação com sulfato 
sulfotransferase
SO4
-2 + ATP
1. ATP-sulfurilase
2. APS - fosfoquinase
3-fosfoadenosina-5´-fosfossulfato + ADP + PPi
(PAPS)
(PAPS)
UDP – glucuronato
Ácido glucurônico uridina difosfato – UDPGA
forma do ácido glucurônico ativada
O
HO
COO
OH
OH
O P
O
O
O P
O
O
O
OH OH
O
N
NO
O
R-OH
O
HO
COO
OH
OHRO
Conjugação com ácido glucurônico
Conjugação com glutationa (GSH) 
HS
H
N
COOH
NH2
O
OHN
HOOC
E
Gly
Glu
Cys
+
substrato
eletrofílico
glutationa
S-transferase
S
H
N
COOH
NH2
O
OHN
HOOC
E
aduto de glutationa
-glutamil
transpeptidase
Glu
S
NH2
OHN
HOOC
E
cisteinil
glicinase
Gly
S
NH2
OHO
E
N-acetilase
S
NH
OHO
E
O
acetil CoACoA
derivado ácido mercaptúrico