Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Conformação e Estereoquímica aplicadas à Farmácia A conformação e a configuração espacial da molécula de um fármaco, além de diversos outros fatores, também influenciam sua farmacocinética e farmacodinâmica. Por exemplo, em algum momento, essas moléculas podem assumir determinadas posições no espaço que podem blindar regiões favoráveis à interagirem com moléculas de água → interferência na hidrossolubilidade e absorção. Análise conformacional Objetivo → entender como as forças INTRAmoleculares tornam alguns arranjos espaciais mais favoráveis energeticamente do que outros. Forças Intramoleculares → aquelas que ocorrem dentro da molécula com os diferentes átomos que a compõem. Por exemplo, átomos muito volumosos tendem a adotar conformações no espaço de modo a ficarem mais distantes entre si (repulsão eletrônica). Moléculas são objetos tridimensionais: apresentam altura, largura e profundidade. Em solução e à temperatura ambiente, todas as ligações de uma molécula estão em constante ROTAÇÃO. A chance de que duas moléculas tenham a mesma forma em um dado momento é muito pequena. *Designamos à temperatura ambiente, pois caso seja fornecido calor (energia) a essas moléculas, a energia das mesmas aumenta e elas mudam de estado físico. Apesar de existir uma conformação molecular mais estável e de menor energia, duas ou mais moléculas não necessariamente estarão ao mesmo tempo nessa conformação. Encaixe fármaco-receptor: a conformação estável da molécula nem sempre é a mais ativa → isso justifica potências diferentes, diferenças de afinidade e de resposta farmacológica de diferentes fármacos. Quando a conformação mais estável é a que se encaixa no alvo, a molécula tende a ficar mais tempo ligada. Todavia, quando a conformação ativa não for a mais estável, a molécula vai permanecer no alvo devido a uma indução ocasionada pela interação eletrostática que ocorre entre a molécula e o alvo. Estudo cristalográfico do alvo, do fármaco e do complexo fármaco-receptor → descobrir quais as formas mais estáveis e comparar se as conformações coincidem. Ligações sigma e rotação de ligação: 1) Grupos ligados por apenas uma ligação sigma podem sofrer rotações em torno daquela ligação; 2) Qualquer arranjo 3D de átomos que resulta de rotação em torno de uma ligação simples é chamado de conformação; 3) Uma análise da variação de energia que a molécula sofre com grupos girando sobre uma ligação simples é chamada de análise conformacional. Quando a conformação estável e ativa são diferentes, a molécula não fica “confortável” dentro do seu receptor e continua variando suas posições para que ela retorne à sua conformação mais estável. Para isso, a molécula sai do sítio de ligação e, outra molécula se aproxima e assume a conformação da anterior, se ligando ao local de interação no alvo. Conformações → estruturas que podem ser interconvertidas por uma simples rotação de uma ligação simples. Configuração → estruturas que podem ser interconvertidas somente quebrando uma ou mais ligações COVALENTES. A molécula tende a permanecer nessa configuração até ser eliminada ou sofrer alguma catálise. Assim, é mais fácil a molécula assumir diferentes conformações dentro do organismo, mas não diferentes configurações. Porém, é válido ressaltar que as diferentes conformações podem apresentar propriedades diferentes. Configurações CIS: ligantes de maior volume estão no mesmo plano entre uma ligação 𝜋. Configurações TRANS: ligantes de maior volume estão em lados opostos do plano de uma ligação 𝜋. Sinteticamente mais fácil de ser obtida devido à maior distância dos grupos volumosos de prioridade. ↪ A posição dos ligantes no plano pode influenciar a interação com o alvo, de acordo com os pontos de contato. Do mesmo modo, o reconhecimento molecular de um ligante com um centro assimétrico, envolveria a participação de, ao menos, três pontos. Nesse caso, o reconhecimento de um antípoda correspondente pelo mesmo sítio receptor não seria tão eficaz devido a perda de um ou mais pontos de interação complementar ou a novas interações repulsivas com resíduos de aminoácidos do sítio receptor. Modos de representação de conformações: Pode ser que a melhor conformação para que o fármaco interaja com o alvo seja a eclipsada, porém, pelo ângulo de torção ser zero e os átomos estarem muito próximos, essa conformação não é favorecida. Até que a molécula assuma uma conformação mais estável, ela estará girando constantemente. Quando as forças intramoleculares favorecerem uma determinada conformação, a molécula tenderá a ficar mais tempo nesta. A conformação sinperiplanar é energeticamente desfavorável, pois os átomos volumosos e seus orbitais estão muito próximos e há um choque entre seus elétrons Na posição anticlinal, os átomos estão eclipsando, mas como não são de iguais volumes, os choques entre os elétrons não são tão intensos e essa conformação é um pouco mais favorável do que a sinperiplanar. Mesmo a posição com maior energia pode ter o menor valor de ΔG. Docking: mostra a conformação da molécula que determina a formação de um complexo fármaco-alvo mais estável. Garantia de resposta farmacológica: agonista se ligar aos pontos gatilhos no receptor. Essa resposta está atrelada a uma mudança de conformação do alvo → influxo ou efluxo de íons (receptores de membrana) → efeito. Análise conformacional de dienos conjugados Moléculas que apresentam insaturações em suas estruturas → configurações Z e E/cis e trans → apenas entre as ligações 𝜋 (estabelecidas entre orbitais paralelos). Apesar de serem mais fracas do que as sigma, as ligações 𝜋 também não podem ser quebradas espontaneamente, necessitando, assim, de um processo catalítico. Desse modo, configurações Z e E/cis e trans não são interconvertidas naturalmente, a não ser que uma alta energia seja fornecida. Em sistemas conjugados, há uma transição de elétrons muito maior do que em moléculas que não apresentam conjugação. A molécula acima é homogênea, e os elétrons ficam transitando entre os átomos de carbono, de modo que a densidade eletrônica da molécula permaneça por mais tempo mais estática. Entretanto, quando são inseridos grupos doadores ou retiradores, os elétrons 𝜋 migram pela estrutura → ressonância (aromáticos*) ou deslocalização de elétrons. A conjugação confere uma estabilidade extra ao sistema poli-insaturado. A energia de ressonância para butadienos é de 4 kcal/mol. No momento da formação de uma molécula, dependendo dos grupos que a compõem, ela tenderá a formar composto na posição trans → grupos mais afastados → ressonância também ocorre mais facilmente → maior estabilidade → menor energia. As moléculas também podem formar compostos cis, mas a energia é muito maior, pois os orbitais eletrônicos estão muito próximos. O alvo que definirá qual configuração será melhor e mais ativa! Análise conformacional de cicloalcanos Ciclopropano: menor composto cíclico possível de ser obtido. Tensão angular → ângulos de ligações internos de 60º → aproximação entre os orbitais dos átomos de carbono → alta tensão no anel → favorece a ruptura → alta instabilidade. Tensão de torção → hidrogênios eclipsados sem a possibilidade de torção → alta instabilidade. Apesar da instabilidade, esses compostos podem ser úteis para verificar se uma dada restrição conformacional pode favorecer a atividade e a resposta farmacológica → pode impedir que moléculas cíclicas assumam diferentes conformações se liguem em mais locais, evitando locais indesejados. Se uma molécula é mais ativa aberta, ela estando cíclica produz uma resposta menor e vice-versa. Também pode ser verificado a redução da toxicidade: molécula aberta tem atividade, mas é tóxica → ciclização dela toda ou de uma parte → molécula cíclica tem atividade e não é tóxica → não consegue assumir uma conformação que favoreça a toxicidade. Compostos cíclicos com grande instabilidade podem ser facilmente degradados no organismo → pode ser necessário aumentar a dose. Ciclohexanos: compostos que têm ausência de tensão deanel sendo, por isso, mais estáveis. ● Ciclohexano plano (hexágono regular) → ângulos de ligação internos de aproximadamente 120º. ↪ Essas estruturas não são planas de fato porque não são aromáticas, então esse ângulo se refere apenas aos aromáticos. ● Não aromáticos → conformação em cadeira → ângulos internos de 109º (próximo ao ângulo do carbono tetraédrico). Os ângulos variam, pois as moléculas não são estáticas e estão sempre em movimento. Por exemplo, na conformação de cadeira, ocorre a passagem de cadeira para cadeira invertida e a posição dos H está sempre variando. Posições axiais → verticais → para cima e para baixo do plano horizontal. Posições equatoriais → horizontais → estão no plano. ↪ A medida que as moléculas se movimentam, os átomos que estavam nas posições axiais passam para as equatoriais e vice-versa. Na figura acima, observamos uma interconversão cadeira-cadeira equilibrada, pois todos os átomos nas posições equatoriais e axiais são iguais, mas quando substituímos por grupos diferentes, a molécula tende a assumir uma conformação mais estável e ficar majoritariamente na mesma. A depender da posição que este novo grupamento se encontre, ele pode estabelecer maior ou menor interação com seu alvo farmacológico. É possível perceber que a molécula assume diferentes conformações de cadeira até que ela se inverte completamente (A → B). Neste processo de transição, observamos que cada conformação tem valores de energia diferentes. Meia cadeira → maior energia → maior aproximação entre os átomos que compõem a molécula. Barco torcido → tende a torcer para os dois lados (esquerda e direita). Esse processo da figura acima é para uma molécula homogênea, se outro grupo substituinte for inserido, o padrão muda completamente a depender de sua natureza, tamanho, densidade eletrônica, se é um átomo ou molécula, etc. A depender do padrão de substituição, poderemos ter uma conformação que favorece ou não a interação da molécula com o alvo, por isso, deve-se sempre observar as diferentes conformações. Isomeria Isômeros → compostos que apresentam a mesma fórmula molecular (mesmo conjunto de átomos) e diferentes fórmulas estruturais (diferentes arranjos entre os átomos). A isomeria pode ser constitucional ou estereoisomeria, sendo que essa última ainda se divide em conformacional e configuracional (óptica). ↪ Enantiômeros → duas moléculas que são imagens especulares não superponíveis uma da outra. ↪ Diastereoisômeros → duas moléculas que não são imagens especulares uma da outra Isomeria Constitucional Plana De função → moléculas com o mesmo número de átomos, mas grupos funcionais diferentes → Ex: cetona-aldeído, éster-ácido carboxílico. De posição → moléculas com mesma fórmula molecular, mas que diferem na posição de insaturações, ramificações, do grupo funcional ou do heteroátomo (metameria). Como as posições são diferentes, cada molécula pode interagir com o alvo de maneira diferenciada! Isomeria Geométrica Moléculas com insaturação → mais rígidas → interconversões não ocorrem de forma espontânea, apenas catalisada. Nomenclatura CIS/TRANS: mais utilizada quando temos pelo menos dois substituintes iguais. CIS → ligantes iguais ou de maior PM do mesmo lado do plano. TRANS → ligantes iguais ou de maior PM em lados opostos do plano. Nomenclatura Z/E: quando os substituintes dos carbonos são diferentes. Z → se assemelha à configuração CIS → grupos de maior prioridade (PM ou número atômico) no mesmo lado do plano. E → se assemelha à configuração TRANS → grupos de maior prioridade em lados opostos do plano. ↪ Analisar cada átomo de carbono da dupla separadamente e definir quais os substituintes de maior e menor prioridade de cada um e depois comparar os dois carbonos. Isomeria óptica Na isomeria constitucional, os isômeros diferem na forma em que seus átomos estão conectados. Na isomeria óptica ou configuracional, os isômeros têm seus átomos constituintes estão conectados da mesma forma, mas diferem no rearranjo dos seus átomos no espaço. Quiralidade → objeto quiral não superponível com sua imagem especular. Muitos fármacos são quirais e normalmente apenas uma das formas fornece o efeito desejável → teoria dos 3 pontos → apenas um enantiômero vai conseguir ter todos os locais de interação com o alvo. Outro fator importante da quiralidade relacionada à interação fármaco-alvo se dá pelo fato de que 19 dos 20 aminoácidos que compõem nossas proteínas são quirais e levógiros. A maioria dos açúcares são dextrógiras. Sendo assim, a especificidade para uma molécula quiral em um sítio de recepção é favorecida apenas em uma direção. Se tanto a molécula e o receptor biológico tem lateralidade oposta, a resposta fisiológica natural não irá ocorrer. Carbono quiral → carbono tetraédrico que possui os quatro ligantes diferentes. Também chamado de estereocentro. Um par de enantiômeros é sempre possível para moléculas que contém um átomo de carbono quiral. Trocar quaisquer dois grupos ligados ao átomo de carbono tetraédrico que carrega os 4 grupos diferentes, converte um enantiômero no outro. Objetos e moléculas que se superpõem a suas imagens são ditos aquirais → apresentam apenas isomeria constitucional. A projeção espacial de uma molécula quiral é tridimensional → apresenta altura, comprimento e profundidade. Fármacos Quirais Ibuprofeno → apresenta um centro quiral → um isômero R e outro S. Existe uma enzima isomerase capaz de converter o enantiômero inativo no ativo → “mesma potência” → efeito antiinflamatório mais prolongado. Pode acontecer do inativo ser encontrado primeiro por uma enzima de metabolização e ser excretado antes de ser convertido no enantiômero ativo pela isomerase. A partir do Ibuprofeno, desenvolveu-se o Cetoprofeno, através de uma síntese enantiosseletiva, que produz a preponderância de um enantiômero sob sua imagem especular. ↪ Para essa síntese, um reagente quiral, solvente ou catalisador devem exercer uma influência sobre o curso da reação. Na natureza, temos as enzimas que, por serem majoritariamente formadas por aminoácidos quirais, exercem tal influência quiral e podem catalisar conversões enantioméricas. Etodolaco → além de apresentar um centro quiral (configuração) e, por isso, estereoisomeria, este fármaco também apresenta uma restrição de conformação, de modo que o estereocentro está preso em um anel e a estrutura se assemelha a um ciclohexeno. Se quiséssemos avaliar a importância dessa restrição, poderíamos quebrar a ligação no anel próxima ao átomo de oxigênio, verificando também sua importância ligado às duas partes da molécula, analisando por fim se é ou não importante para a atividade essa restrição. Por outro lado, se quiséssemos analisar a importância da configuração e da presença do carbono quiral, poderíamos quebrar a ligação do mesmo com o átomo de oxigênio, adicionar uma dupla ligação exocíclica no lado esquerdo do centro quiral e outra conjugada à ela → molécula ficaria aberta e sem o carbono quiral. Também é possível verificar a atividade e analisar a importância de cada enantiômero separadamente. Número de formas especulares = 2n , onde n é o número de carbonos quirais da molécula. Para cada molécula que apresenta mais de um estereocentro, precisamos analisar cada um deles e determinar qual dos enantiômeros é o ativo. Também é válido ressaltar que outros enantiômeros podem ser responsáveis por toxicidade. Vimblastina → alcalóide da vinca inibidor do fuso mitótico → apresenta 8 (ou 7?) centros quirais e, portanto, 256 formas especulares, entretanto, apenas algumas delas são ativas. Por este motivo, é muito difícil a síntese de um composto como esse a não ser que seja realizada pela natureza. É inviável se obter laboratorialmente aqueles compostos com configuração adequada para a atividade farmacológica. Ivermectina → atuação principalmente local: intestino → baixa absorção sistêmica. Possui uma estrutura de caráter bastante hidrofílico por apresentar diversas funções oxigenadas. Possui 20 estereocentros e 1048576 formas especulares,sendo de difícil obtenção laboratorial.. Se esse fármaco tivesse uma maior absorção sistêmica, seria provável que também apresentasse mais efeitos tóxicos devido a essa alta variedade de enantiômeros. *Como sei que a molécula apresenta quiralidade sem saber da sua estrutura?* Compostos quirais → capacidade de desviar o plano da luz polarizada. Polarímetro: Luz → polarizador → torna-se reta (apenas um feixe em uma única direção) → solução → se o feixe passa sem rotação: mistura racêmica, composto meso ou moléculas aquirais; se o feixe sofrer rotação → molécula quiral com excesso de um dos enantiômeros (L ou D). Durante a síntese de um fármaco, quando verificamos que sua molécula apresenta um carbono quiral, é necessário passá-lo por um polarímetro para verificar se ele apresenta um excesso enantiomérico ou se está na forma de mistura racêmica. Quando temos um racemato em que 50% da mistura é ativa e 50% é tóxica, é preferível tentar uma síntese enantiosseletiva do isômero com configuração desejável e avaliar se esse composto realmente aumenta a resposta farmacológica ou se ele diminui o efeito tóxico. Configuração relativa → levógira ou dextrógira → sabemos que a molécula promove rotação da luz polarizada para um dos lados, mas não sabemos como seus grupos ligantes estão arranjados. Configuração absoluta → R e S → determinam como os grupos ligantes do estereocentro responsável pela rotação do plano de luz polarizada estão arranjados no espaço. Diastereoisômeros: estereoisômeros que não são imagens especulares um do outro. A e D; C e B; B e D; A e D: não são imagens especulares entre si → quando analisamos os grupamentos OH e NH2 em B, ambos estão para trás do plano, enquanto em D o grupo OH está para frente do plano e o NH2 está para trás → se girarmos D, a OH irá para trás do plano e ficará igual a B, mas a amina irá para frente e, por isso, D não irá representar a imagem especular de B. Pode ser que apenas um desses quatro enantiômeros seja responsável pela atividade farmacológica. Assim como um diastereoisômero também pode ser responsável por tal atividade, porém pode ser menos efetiva. Podem haver diferenças farmacocinéticos → uma enzima de metabolização pode reconhecer apenas um desses quatro enantiômeros → um é degradado e os outros três se acumulam. Diferenças farmacodinâmicas → uma das configurações é responsável pela resposta farmacológica e seu diatereoisómero pode apresentar uma resposta parcial. ↪ Por exemplo, se pensarmos em C como a molécula ativa, percebemos que o grupo OH está para trás do plano e o grupo amina para frente. Em comum com o seu enantiômero D, só existem os pontos de interação que estão no plano, CH3 e CO2H. Já com o seu diastereoisômero B, a configuração C também tem em comum o grupo OH para trás do plano, assim B apresenta mais pontos de interação com o alvo em comparação a D e pode apresentar uma resposta parcial mais próxima a do ativo C. Composto meso Uma estrutura com dois estereocentros nem sempre tem quatro estereoisômeros possíveis. Às vezes existem apenas três. Isso ocorre porque algumas moléculas são aquirais, apesar de apresentarem estereocentros. Moléculas assim são chamadas de composto meso e não apresentam atividade óptica. ↪ Normalmente são moléculas simétricas, ou seja, que possuem um lado igual ao outro e, por isso, não conseguem desviar o plano da luz polarizada. Quando uma molécula que apresenta um ou mais estereocentros não provoca desvio na luz polarizada podemos ter: ● Uma mistura racêmica, em que os dois enantiômeros estão presentes em quantidades iguais (em número de moléculas) e os desvios na luz se cancelam; ● Um composto meso, molécula que, apesar de possuir mais de um carbono quiral, possui um plano de simetria que não a permite ter atividade óptica. Normalmente, tem a possibilidade de assumir uma conformação que seja a imagem especular de outro. Compostos cíclicos também podem ser meso → configuração CIS → os dois lados da molécula ficam iguais. Para a configuração trans não há plano de simetria e, portanto, teremos um par de enantiômeros. Moléculas pró-quirais: aquelas que inicialmente são aquirais, mas que podem sofrer um processo de metabolização e transformando-se em quirais. O nosso próprio organismo, devido à natureza quiral das enzimas, pode realizar esse processo. ↪ Ex: Alceno (aquiral) → oxidação → composto cíclico → oxidação → diol que pode apresentar carbonos quirais. Sistema R, S Também conhecido por Sistema Cahn-Ingold-Prelog; Define a nomenclatura de uma dada configuração quiral de acordo com ordens de prioridade: 1. Atribuir prioridade em ordem decrescente de número atômico do átomo ligado diretamente ao estereocentro. 2. Se não for possível determinar pela primeira regra, por todos os ligantes diretos serem os mesmos, comparar o número atômico do segundo elemento ligado ao estereocentro e estabelecer a prioridade. 3. Os átomos com ligações múltiplas são equivalentes ao mesmo número de átomos com ligações simples As moléculas, por apresentarem um carbono quiral e por estarem em movimento constante, podem estar girando no sentido horário ou anti-horário. Se a ordem dos grupos de maior prioridade girar em sentido horário → RECTUS → Configuração R. Se a ordem dos grupos de maior prioridade girar em sentido anti-horário → SINISTER → Configuração S. Ao colocar o composto num plano tridimensional, o átomo de menor prioridade deverá ficar para trás do plano, afastado do observador. Compostos mais restritos → possibilidade de mistura racêmica se não houver desvio do plano da luz polarizada. Compostos mais flexíveis → podem assumir conformações que geram simetria → compostos meso. Fluoxetina → mistura racêmica → R e S apresentam a mesma potência, apesar do S apresentar um efeito inicial mais pronunciado. Talidomida → mistura racêmica → combate do enjoo matinal → muitas bebês começaram a nascer com polidactilia → posteriormente associou-se o uso do fármaco a esses casos. ↪ Pesquisadores então realizaram a separação dos enantiômeros, e identificaram que o isômero S era seletivamente oxidado, dando origem à espécies eletrofílicas reativas do tipo areno-óxido que reagiam com bio nucleófilos, causando teratogenicidade, enquanto o antípoda R era o responsável pela ação hipnótico-sedativa desejável. Dentro do organismo, o R pode ser convertido em S, por isso, seu uso foi abolido em mulheres em período gestacional. Quiralidade no receptor: Um fármaco pode interagir com o receptor de uma maneira, mas seu enantiômero pode não interagir da mesma forma → um enantiômero é mais ativo que o outro, um deles apresenta resposta parcial ou um deles será totalmente inativo. Um dos enantiômeros também pode apresentar interação com um alvo tóxico! Teoria dos 3 pontos (Eadsson e Stedman): o reconhecimento molecular de um ligante com um centro assimétrico envolveria a participação de, ao menos, 3 pontos. Nesse caso, o reconhecimento do antípoda correspondente pelo mesmo sítio receptor não seria tão eficaz devido a perda de um ou mais pontos de interação complementar ou devido a novas interações repulsivas com resíduos de aminoácidos no receptor. O reconhecimento molecular do propanolol pelos receptores adrenérgicos β2 e sua atividade bloqueadora depende da interação em três pontos e, apenas o enantiômero S é totalmente reconhecido: 1. Sítio de interação hidrofóbica, que reconhece o grupamento lipofílico naftila; 2. Sítio aceptor de ligação de hidrogênio, que reconhece o átomo de H da hidroxila da cadeia lateral do fármaco; 3. Sítio de alta densidade eletrônica, que reconhece o grupamento amina da cadeia lateral (ionizado em pH fisiológico) → interações íon-dipolo. O isômero R perde o ponto de interação 2 e não apresenta a atividade β-bloqueadora desejada, exibindo, por sua vez, propriedades indesejadas, inibindo a conversão do hormônio da tireóide tiroxina à tri-iodotironina. Influências na farmacocinética e na farmacodinâmica: ● Receptor transportador → competição na absorção, diminuindo a biodisponibilidade;● Receptor metabolizador → competição metabólica levando à indução ou inibição enzimática; ● Receptor responsável pelo efeito terapêutico → queda de potência; ● Receptor responsável por efeitos secundários → efeitos colaterais com aumento da toxicidade e diminuição do índice terapêutico. Os efeitos farmacocinéticos também exercem influência direta na excreção do fármaco, de modo que o enantiômero que tem mais afinidade pelas proteínas plasmáticas, que é menos metabolizado ou que é mais transportado pode se acumular mais no organismo e ter maior dificuldade em ser eliminado. *Influências diferentes no tempo de meia/vida para cada enantiômero.
Compartilhar