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FUNDAMENTOS DO
METABOLISMO DE FÁRMACOS
Flavio da Silva Emery
Química Farmacêutica Medicinal
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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.
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Porque uma substância química deve ser metabolizada?
Produção de anticorposOrganismo invasor
O
CH3
OH
C5H11
1-THC
Pequenas moléculas O
COOR
OR
C5H11
H
OOH
OH
H
HO
COO-
R =
-glucuronil
Produção de enzimas
Quem realiza a metabolização?
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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
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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)
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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
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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
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Reações metabólicas
Biotransformação
(fase I)
Conjugação
(fase II)
oxidação
redução
hidrólise
Glicuronidação
glutationa
Sulfatação
glicina
acetilação
metilação
Quais as principais reações metabólicas?
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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
NH
O
OH
NH
OH
Propranolol
(-blocker)
O
O
CO2H
OH
CO2H
Aspirin
(Analgesic)
N
NH O
O2N N
NH O
NH2
Nitrazepam
(hypnotic)
N
NH2
NH N
NH2
NH
OH
Debrisoquine
(anti-hypertensive)
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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
OHNH
O CHCl2
O2N
OOH OH
OHOH
ONH
O CHCl2
O2N
CO2H
Chloramphenicol
(antibiotic)
O
OH
OH
NH
O
O
OH
NH
SO
OH OPrenalterol
(-blocker)
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Reações da Fase I do metabolismo
enzimas microssomais hepáticas
Reações oxidativas:
Citocromo P450,
Flavina monooxigenase (FMO),
desidrogenases,
-oxidases,
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Processos microssomais de biotransformação
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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
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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.)
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3A
4/5
–36%
1A
1 –
3%
2C
8/9
–17%
2C
18/1
9 –
8%
2D
6 –
21%
2E
1 –
4%
Metabolização de fámacos clinicamente importantes
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Metabolismo oxidativo da cafeína
N
NN
N
O
H3C
O
CH3
CH3
cafeína
N
NH
N
N
O
H3C
O
CH3
paraxantina
N
NN
N
O
H3C
O
CH3
CH3
Ácido 1,3,7-trimetilúrico
OH
CYP450 1A2CYP450 3A
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CYP450
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Fe
N
N N
N
3+
HOOC
HOOC
PROTOFORFIRINA FÉRRICA IX
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N
N N
N
FeIV
O
S N
N N
N
FeIV
O
H
S
R
RDeslocamento de 1
elétron do anel
aromático
N
N N
N
FeIII
O
H
S
R
Deslocamento
[1,2] de
hidreto
O
HH
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.
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M. R. Wester et al. J. Biol. Chem. 2004, 279, 35630.
PDB ID 1R9O – CYP450 2C9 (2.0Å)
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R
O
H
H
R
OH
R
OH
OH
R
OH
SG
R
OH
X
rearranjo
epóxido hidrolaseH2O
glutationa S-transferaseGSH
nucleófilosmacromoleculares
Possíveis reações com óxidos de areno
R
O H
R
O
H
H
B
H+
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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
Benzopirenodiol
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Anel mais ativado – mais rico em elétrons
NH
COO-Na
+
ClCl
diclofenaco
Dois anéis aromáticos
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Anéis aromáticos desativados
(grupos retiradores de elétrons: -Cl, -N+R3, -COOH, -SO2NHR)
Geralmente mais resistentes à hidroxilação
COOH
(H3CH2CH2C)2NO2S
probenecid
NH
Cl
Cl
NH
HN
+
Cl-
cloreto de clonidina (anti-hipertensivo)
Dois anéis aromáticos
Hidroxilação ocorre no anel mais rico em elétrons
N
HN
O
Cl
diazepam(anticonvulsivante)
N
S
Cl
Nclorpromazima(antipsicótico)
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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
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AFLATOXINA
CYP450
O
O
O
OO
OCH3
H
H O
O
O
OO
OCH3
H
H
O
DNA
O
O
O
OO
OCH3
H
H
OHHN
NN
N
O
H2N
CARCINOGENICIDADE DA AFLATOXINA
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Posição benzílica
Oxidação de carbonos benzílicos
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N
N
O
CH3
H3C
N
N
O
CH3
H2C
OH
Oxidação de carbonos benzílicos
metaqualona 2-hidroximetaqualona
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Oxidação de carbonos alílicos
N
NHO
H3CO
N
NHO
H3CO
OH
quinidina 3-hidroxiquinidina
N
CH3
HO
N
CH3
HO
N
CH3
HO
OHHO
+
pentazocina Metabólito trans Metabólito cis
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Oxidação de carbonos à carbonilas (C=O) e iminas (C=N)
N
NO
H3C
ClN
NO
H3C
Cl
OH
diazepam 3-hidroxidiazepam
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Oxidação em carbonos alifáticos e alicíclicos
R
R
R
OH
OH
oxidação
-1 oxidação
HN
NH
O
O O
HN
NH
O
O O
OH
amobarbital
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Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo catalisadas pelo
CYP450 – N,S,O-desalquilações
N
N
CH3
CH3
N
NH
imipramina desimipramina
O
NCH3
OHH3COO
NCH3
OHHOcodeína morfina
N
N N
HN
SH3C
N
N N
HN
SH
6-metilmercaptopurina 6-mercaptopurina
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Metabolismo da papaverina
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Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo de
hidrocarbonetos alifáticos e alicíclicos catalisadas pelo CYP450
H3C
SNH
O OO
NH
SNH
O OO
NH
OHTolbutamida
Oxidação metílica
COOH COOH COOH
+
OHOH
Ibuprofen
Oxidação da cadeia alquílica lateral
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NH
O
CH3NH
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
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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 estereosseletivado epóxido
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Exemplos de reações oxidativas da fase 1 do metabolismo de compostos
aromáticos catalisadas pelo CYP450
HN
O
HN
O
OHACETANILIDA
ACETAMINOFENO
NH
NH
OO
NH
NH
OO
OH
FENITOÍNA
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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
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Ciclo catalítico da FMO hepática
N
N
NH
N O
O
R
H3C
H3C NH
N
NH
N O
O
R
H3C
H3C
N
R
O
NH2
H H
O OH+
NH
N
NH
N O
O
R
H3C
H3C
O
O
HSUBSTRATO R H BPRODUTOOXIDADO
N
N
NH
N O
O
R
H3C
H3C
OH
H
B
H2O
NADPH
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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
OEnz FAD OH+
Aminas terciárias acíclicas e cíclicas para N-óxidos
N
O
OH
CH3
ATROPINA
N
S
NCLORPROMAZINA
N
N
CH3
NICOTINA
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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 OOHO
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
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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
HN
HN
N
SHN
N
Me
Me
CN
cimetidina sulindaco
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Oxidações não microssomais
Oxidações de álcoois – álcool desidrogenase / NAD
OH O
H OH O
Oxidações de aldeídos – aldeído desidrogenase / NAD
O
H
O
OH
Oxidações de bases purínicas – xantina oxidase e xantina desidrogenase
N
N N
HN
SH
N
N N
HN
SH
HO
6-MERCAPTOPURINA ÁCIDO 6-MERCAPTOÚRICO
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Desaminação oxidativa de aminas
Monoamino oxidase (MAO) e diamino oxidase (DAO)
R NH2 + O2 R NH R O + NH4+
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Reações redutivas: NADPH-citocromo C redutase
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N
S
HN
NH2
O
OO
O O
O N
S
O
O
O
N
S
HN
NH2
O
OO
O
HO
O N
S
O
O
O
SULTAMICILINA
esterase
OH
+
N
S
HN
NH2
O
OOH
OAMPICILINA
SULBACTAMA
Reações hidrolíticas: ésteres e amidas
enzimas plasmáticas, hepáticas, renais, outros tecidos
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FÁRMACOS COLINÉRGICOS E ANTICOLINÉRGICOS: ação de esterases
NN N
OO
N
O
Odecametônio
succinilcolina
Antagonistas nicotínicos
H3C ON
O CH3
CH3
CH3H2N O
N
O CH3
CH3
CH3
CH3
acetilcolinabetanecol
Agonistas muscarínicos
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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
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O3SO P
O
OH
O
OPO3H2OH
O
N
N
N
N
H2N
R
OH OSO3
+
R
Conjugação com sulfato
sulfotransferase
SO4-2 + ATP
1. ATP-sulfurilase
2. APS - fosfoquinase3-fosfoadenosina-5´-fosfossulfato + ADP + PPi
(PAPS)
(PAPS)
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UDP – glucuronato
Ácido glucurônico uridina difosfato – UDPGA
forma do ácido glucurônico ativada
O
HO
COO
OHOH
O P
O
O
O P
O
O
O
OH OH
O
N
NO
O
R-OH
O
HO
COO
OHOHRO
Conjugação com ácido glucurônico
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Conjugação com glutationa (GSH)
HS
HN
COOH
NH2
OOHN
HOOC
E
Gly
Glu
Cys
+substratoeletrofílico
glutationaS-transferase
S
HN
COOH
NH2
OOHN
HOOC
E
aduto de glutationa
-glutamil
transpeptidaseGlu
SNH2
OHN
HOOC
E
cisteinilglicinase
Gly
SNH2
OHO
E
N-acetilase
SNH
OHO
E
O
acetil CoACoA
derivado ácido mercaptúrico