(muito breve) revisão de química de coordenação · o efeito da ligação de metais sobre a...

1

QFL 5818Química Inorgânica em Medicina

Aula 1

Revisão de Química de Coordenação

(Muito breve) Revisão de Química de Coordenação

• Definição• Número de coordenação• Ligantes• Quelatos• Isomeria• Ligação (Teoria do Campo

Cristalino)• Propriedades

Alfred Werner(Nobel de Química – 1913)

2

Mn2+

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

2+

Compostos de coordenação(“complexos”)

Complexo = átomo

metálico central

rodeado por um

conjunto de ligantes

Cátions metálicos:

ácidos de Lewis

Esfera coord. externa

Contra-íon

SO42-

Esfera coord. interna

Ligante

[Mn(H2O)6]SO4

Conjunto de orbitais com simetria d em um íon metálico.

3

Mn2+

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

2+

Compostos de coordenação(“complexos”)

Complexo = átomo

metálico central

rodeado por um

conjunto de ligantes

Cátions metálicos:

ácidos de Lewis

Esfera coord. externa

Número de coordenação (NC):

número de ligações na esfera de

coordenação interna

(neste caso, NC = 6)

(ambiente de coordenação

ao redor do átomo

metálico)

Contra-íon

SO42-

Esfera coord. interna

Ligante

[Mn(H2O)6]SO4

4

Ligantes

• Ligante é um íon ou molécula que tem existência independente (da do complexo do qual participa).

• Nos compostos de coordenação, o ligante é uma base de Lewis.

• O átomo doador do ligante é o átomo através do qual essa espécie está ligada ao metal. Há ligantes com mais de um átomo doador.

5

Ligantes: “dentição”

Haletos, OH-: monodentados

Etilenodiamina, oxalato: bidentados

EDTA: hexadentado (em alguns casos, tetradentado)

O fato de um ligante apresentar mais de um átomo doador não significa

necessariamente que todos estarão envolvidos na ligação ao metal

QuelatosCheli = garra (Gr.)

Quelato = complexo no qual o ligante forma um anel

que inclui o átomo metálico

O O

MO O

MO

OM

6

Uso médico/

agronômico:

N

O

R

O

H2

Porfirina (ligante polidentado macrocíclico)

Grupo Heme na mioglobina

7

Diferenças de arranjos espaciais: (1) Isomeria geométrica

Diferenças de arranjos espaciais: (2) Isomeria óptica

Estrutura não-superponível à

sua imagem especular:

QUIRAL

Par enantiomérico

8

Aproximação dos ligantes nos orbitais d de um íon metálico em um ambiente octaédrico

90% da estabilização de um complexo vem da atração eletrostáticaentre o ligante (carga

total ou formal negativa) e o íon metálico (carga

positiva)...

... mas os 10% restantes vêm do resultado da

interação entre elétronsdo ligante e do metal, que

tem grandes conseqüências para

propriedades eletrônicas, magnéticas e

termoquímicas dos complexos.

Teoria do Campo Cristalino

Distância metal-ligante

∞ ML6

Aproximação dos ligantes em ambiente

“esférico”: repulsão entre seus elétrons e os

elétrons dos orbitais do metal (aumento de

energia dos orbitais d)

En

erg

ia

Íon metálico

livre

Formação do complexo: de acordo com a orientação dos orbitais, os elétrons do metal

serão repelidos com maior ou menor intensidade

∆∆∆∆O = parâmetro de repulsão do campo ligante (octaédrico)

∆∆∆∆O

M L

9

Elétrons podem ser excitados: ex.: [Ti(H2O)6]3+ (d1)

Transição d-d é a origem de grande parte das cores dos complexos

Casos especiais no octaedro: d0, d5 spin alto, d10

(a) Espectro de absorção do [Ti(H2O)6]3+

(b) Como enxergamos uma solução de [Ti(H2O)6]3+

Efeito dos ligantes na cor (portanto, no ∆O) dos complexos

10

Propriedades magnéticas

Balança de Faraday

hadosdesemparel elétrons de número

)JT10(9,274Bohr magneton

magnético momento

)}2({

124-

B

B2

1

=

×=

=

+=

−

N

NN

µ

µ

µµ

N µµµµ/µµµµB

Ti3+ 1 1,73

V3+ 2 2,83

Cr3+ 3 3,87

Mn3+ 4 4,90

Fe3+ 5 5,92

Medidas de suscetibilidade magnética considerando somente spins desemparelhados podem não ser suficientes em alguns casos.

Hard and Soft Acids and Bases

Rel

ação

car

ga/

raio

alt

aB

aixa

po

lari

zab

ilid

ade

Inte

raçõ

es e

letr

ost

átic

as

Rel

ação

car

ga/

raio

bai

xaA

lta

po

lari

zab

ilid

ade

Inte

raçõ

es c

ova

len

tes

11

Efeito Quelato

Reação de Cd2+ com amônia (monodentado) e

etilenodiamina (en, bidentado)

Número de

ligantes∆G°

kJ.mol-1

∆H°kJ.mol-1

∆S°JK-1mol-1

log β

2 NH3

(1 en)

-28.24

(-33.30)

-29.79

(-29.41)

-5.19

(+13.05)

4.95

(5.84)

4 NH3

(2 en)

-42.51

(-60.67)

-53.14

(-56.48)

-35.50

(+13.75)

7.44

(10.62)

“maior estabilidade de complexos quelato comparada com seus

análogos não-quelato”

Alterações da reatividade dos ligantes coordenados

Alteração de pH:Ka pKa

Fe3+(aq) 3,5 ×××× 10-3 2,46

Cr3+(aq) 1,3 ×××× 10-4 3,89

Al3+(aq) 1,4 ×××× 10-5 4,85

Fe2+(aq) 1,3 ×××× 10-6 5,89

Cu2+(aq) 3,2 ×××× 10-8 7,49

Ni2+(aq) 9,3 ×××× 10-10 9,03

Li+, Na+, K+,

Mg2+, Ca2+, Ag+ neutros

12

Aspectos cinéticos

• De acordo com a velocidade de troca de L, os complexos são classificados em lábeis ou não-lábeis (“inertes”).

• Lábil: reação se completa durante o tempo de mistura dos reagentes.

• Labilidade ≠ Estabilidade:– [Ni(CN)4]2- tem Kf alto, mas taxa de troca

entre CN- e 14CN- em solução é muito alta.

13

Tempos de vida característicos para troca de moléculas de água em aquo complexos

Tendências:M2+ > M3+ (ex: Co, Cr)Bloco s > Bloco d

Anos/Eras(!)

QFL 5818Química Inorgânica em Medicina

Aula 2

Ação dos metalofármacos

14

Parte 1• Proteínas como alvos biológicos

Sítios biológicos de ligação para metais:

Mais freqüentes:• Proteínas (cadeias laterais dos aminoácidos)• Ácidos nucléicos• Polissacarídeos, lipídeosOutros:• Grupos prostéticos• Coenzima B-12• Sideróforos

15

Proteínas e peptídeos

• Proteínas: dezenas de milhares, com funções:– Transportadora– Catalítica– Estrutural

• Ligação a metais pode definir ou destruir sua atividade• ~ 20 aa’s naturais, quirais (L, exceto Gly)• Formadas pela ligação amídica ou peptídica entre aa’s• Seqüência com até ~ 20 aa’s = peptídeo• Dois motivos estruturais básicos, ambos dependentes

de ligações de hidrogênio:– Hélice alfa– Folha beta

Ligação de metais a proteínasNão-polares Polares

Iônicos

16

Ligação de metais a proteínas

Aminoácido pKa da cadeia lateral

Razão [desprot]/[proton]

em pH 7

Arginina 12,5 3 x 10-6

Lisina 10,8 2 x 10-4

Tirosina 10,1 7 x 10-4

Cisteína 8,4 4 x 10-2

Histidina 6,0 1 x 101

Ácido glutâmico 4,3 6 x 102

Ácido aspártico 3,7 2 x 103

α-COOH ~2,2

α-NH3+ ~9,5

Nligação peptídica ~15


1. Tendências eletrônicas

NH

CH2

H O

SM

NH

CH2

H O

SMM

NH

CH2

H O

SMH

Cys-M Cys-M2

Cys-HM(deprotonação

não é necessária)

SCH3M

NH

CH2

H O

CH2

Met-Me

(formação de complexos

independe do pH)

17

M

NH

CH2

H O

COO

M

NH

CH2

H O

COO

M M

NH

CH2

H O

COO

Asp-M(monodentado)

Asp-M(ponte,quelante)

Asp-M(ponte,bidentado)

*Formam-se estruturas semelhantes com o Glu

M

NH

CH2

H O

O

Tyr-M

M

NH

CH2

H O

NH

N

M

NH

CH2

H O

N

NH

His-M(Nε)

His-M(Nδ)

18


2. Estrutura da proteína• A orientação de um conjunto de

ambientes ligantes depende criticamente da estrutura tridimensional da proteína

• Motivos comuns:– Empacotamento hidrofóbico;– Pontes de hidrogênio;– Pontes de cistina (dissulfeto).

O efeito da ligação de metais sobre a estrutura da proteína pode variar muito!

• Ex.: Plastocianina: sítio de ligação do Cu(II) pré-organizado pela estrutura terciária (forma apo e holo não diferem)

Caso 1:

19

• Ex.: “Zinc fingers”: forma apo

é aleatória (sem estrutura 2aria

ou 3aria); na presença do metal uma estrutura tridimensional altamente estável é formada

Forma apo Forma holo

Caso 2:

• Calmodulina, troponina C (ligam Ca2+): situação intermediária: formas apo e holo têm estruturas diferentes

apo (1CFC) holo (1CLL)

Caso 3:

20

Sítios de ligação nem sempre podem ser determinados apenas a partir da estrutura primária

Ferredoxina

Seqüência primária:

AYVINDSC08IAC11GAC14KPEC18PVNIQQGSIYAIDADSC35IDC38GSC41ASVC45PVGAPNPED

Embora a estrutura primária contenha duas seqüências CXXCXXCXXC, cada unidade Fe4S4está ligada a ambas. Alguns resíduos de Cys podem não tomar parte na ligação ao cubano.

Peptídeos e proteínas “guardiões”

• Glutationa (reduzida: GSH; oxidada: GSSG)

Na célula sadia:[GSH] = 1 – 5 mM

[GSH] ~ 500[GSSG]

GSH e metais:-Em presença de Cu2+ ou Fe2+, pode gerar ROS;-Metais macios podem formar complexos e serem eliminados (efluxo), diminuindo [GSH] e aumentando propensão a stress;-Alguns fármacos (cisPt) podem

induzir ↑GSH e serem menos tóxicos (resistência adquirida de alguns tumores)

21

Peptídeos e proteínas “guardiões”

• Metalotioneínas

- Na célula, [MT] ~ 2 mM- Proteína com 60-62 resíduos, sendo 20 (!) Cys-Aparentemente, estocadora de metais essenciais (Zn,Cu) e/ou tóxicos (Pt, Cd, Pb)

- Na célula, normalmente não está 100% carregada: detoxificadora de metais pesados (macios) � resistência adquirida a metalofármacos

Parte 2• DNA como alvo biológico

22

DNA

DNAMajor groove e minor groove(fenda maior e fenda menor):

Proporcionam acesso à parte da basenão envolvida em emparelhamento.

Major groove: 22 Å; minor groove: 12 Å

23

DNA

Ligação de metais a ácidos nucléicos

• Bases nitrogenadas• Grupo fosfodiéster• (Deoxi)Ribose

24

Ligação de metais a nucleobases

NHN

NN

NH2

NHN

NNH

O

NH2

NH

NH

O

O

CH3

NH

NH

O

O

NH

N

O

NH2

CitosinaTimina Uracila

Guanina Adenina

12

34

5

6

78

9

1

23

4

56

Ligação de metais a nucleobases

25

Ligação de metais ao grupo fosfodiéster

Mg ligado ao ATP(fonte de dois substratos essenciais)

90% ATP celular é Mg-ATPKf = 3,8x102

Parte 3•Reações de metais no meio biológico

26

Reações com cloreto

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

[Cl-] /M

Fração d

e e

spécie

s d

e C

d

Cd

CdCl

CdCl2

CdCl3

CdCl4

Espécie de Cd

Salina (Cl = 150

mM)

Sangue (Cl = 104

mM)

Célula (Cl = 20

mM)

Cd 4,5 7,5 36,9

CdCl+ 53,2 61,4 58,3

CdCl2 31,9 25,5 4,7

CdCl3- 9,6 5,3 0,2

CdCl42- 0,9 0,3 0,0

% de espécies de Cd(II) em função da concentração de cloreto, em

diversos meios biológicos

Impacto sobre o equilíbrio depende da cinética de troca de ligantes, masconvém lembrar: [metalofármaco] = 10-9 – 10-6 M (reação de troca com águaou cloreto é de pseudo-primeira ordem).

Reações com fosfato

+ abundantes em pH 7

Conc fosfatos:- Citossol: 80 mM- Sangue: 5 mM P

O

O OO

M

P

O

O OO

M

Formação de complexos mono ou bidentados (com M+ duros)

27

Reações com carbonato

Cinética lenta em pH 7 (∴anidrases carbônicas)

0,0

0,5

1,0

0 2 4 6 8 10 12 14

pH

Fra

ção

da

esp

écie

( αα αα)

H2CO3

HCO3

CO3

Conc carbonatos:- Citossol: 12 mM- Sangue: 24 mM

Reações com carbonato

28

Parte 4• Avaliação da atividade farmacológica• Da descoberta ao mercado

Definição de droga

“Droga é um ingrediente

ativo utilizado para fornecer

atividade farmacológica ou

outro efeito direto na

diagnose, cura, mitigação,

tratamento ou prevenção de

uma doença, ou afetar a

estrutura ou qualquer

função do corpo humano,

mas não inclui

intermediários usados na

síntese de tal ingrediente”

“Droga é qualquer coisa

que, injetada em um rato,

gera um artigo”

29

10-18 anos; US$ 1 bilhão (!!)

Desenvolvimento de um fármaco

Desenvolvimento de um fármacoDezenas de milhares são testados…

5000 – 1000 com promessa inicial

5 passam para testes clínicos

1 é aprovado

30

A indústria farmacêutica% de vendas da indústria farmacêutica por região, 2006

(Total: US$ 643 bi; +7% em relação a 2005)

EUA

UE*

Resto Europa

Japão

Ásia, África, Austrália

AL

Empresa

Valor de mercado,

2007(US$ bi)

Lucro, 2006 (US$

bi)

% dos lucros

investidos em P&D,

2006

Pfizer 180 48,4 16

Microsoft 300 44,3 15

IBM 173 91,4 7

Intel 144 35,3 16

GE 420 163,4 2

Boeing 82 61,5 5

AlvoNúmero em

desenvolvimentoAlvo

Número em desenvolvimento

Câncer 682 HIV/AIDS 95

D. neurológicas 531 Artrite 88

Infecções 341 Diabetes 62

D. cardiovasc. 303 Asma 60

D. psiquiátricas 190 Alzheimer/demência 55

Investimento em P&D:

Número de novas drogas em desenvolvimento (testes clínicos adiante), 2006:Estimativa: grandes

farmas necessitam

de 4 – 5 novos

fármacos por ano

para manterem

posição de mercado.

Entretanto, a maioria

consegue aprovar

apenas 1 – 2 novos

fármacos por ano.

Química Inorgânica na Medicina

• O campo de metais em medicina representa uma indústria de aproximadamente 3 bilhões de dólares ao ano

• Os desenvolvimentos das investigações dos modos de ação dos metalofármacos têm trazido contribuições importantes na elucidação da fisiologia de problemas metabólicos, neurológicos, genéticos e cardiovasculares, dentre outros.

31

Química Inorgânica na MedicinaElementos essenciais:Suplemento mineral(ex: Fe, Cu, Zn, Se)

Química Inorgânica Médica:Direcionamento de elementos Controle de toxicidade

Diagnose:RMN (ex: Gd, Mn)R-X (ex: Ba, I)

Terapia dequelação

Inibidoresenzimáticos

Agentesterapêuticos(ex: Li, Pt, Au, Bi)

Radiofarmacêuticos:Diagnósticos (ex:99mTc)Terapêuticos (ex:186Re)

Marcos históricos

Relações estrutura-atividade de compostos de arsênio para o

tratamento da sífilis

Química de Coordenação

Possíveis estruturas do

Salvarsan

32

Marcos históricos1844: Michael Peyrone sintetiza cis-

[Pt(NH3)2Cl2]1893: Estrutura elucidada por Alfred

Werner1965: Barnett Rosenberg (1926 - 2009)

descobre ação antitumoral da cisplatina(1)

1971: cisplatina entra em testes clínicos1977: direitos de comercialização cedidos

à Bristol-Myers Squibb1978: cisplatina aprovada pela Food and

Drug Administration1989: introdução da carboplatina

(Paraplatin®)Hoje: compostos platínicos são dos

quimioterápicos antitumorais mais vendidos no mundo(2), e os únicos compostos inorgânicos usados em quimioterapia de câncer

(1) Nature 1965, 205, 698(2) US$ 673 mi (2004); US$ 905 mi (2005)

Medidas de citotoxicidade

Incubadora para cultura de células eucarióticas

(5% CO2, 37oC, umidificada)

Garrafas para cultura de células

Meios de cultura de células

(NaCl, NaH2PO4, NaHCO3, aminoácidos, vitaminas,

glicose, GSH, antibióticos, indicador pH (verm. fenol),

soro fetal bovino)

33


K562(leucemia mielóide)

Não-aderente

HeLa(tumor de cervix)

Aderente

Henrietta Lacks(1920-1951)


Microplaca (96 poços)

Leitor de microplacas

Protocolo simplificado:a) Exposição a ∇∇∇∇conc (1 – 2h)b) Recuperação (24 – 48 h)c) Determinação da viabilidade

34


Redução do MTT a formazan em mitocôndrias de células vivas:

MTT3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-

diphenyltetrazolium bromide

(amarelo)

Formazan

(violeta; λabs = 500 – 600 nm)


50% efeito

IC50

IC50 = dose necessária para reduzir uma determinada função biológica em 50% de uma população, relativa a um controle.

35

Estudos em animais

• Roedores: paradigma dos testes de novas drogas.• Entretanto:

– em inúmeros casos, atividade nesses modelos não se reflete em humanos;

– são difíceis de operacionalizar, dadas as necessidades de infra-estrutura, medidas de segurança, e cada vez mais debates sobre a ética desses procedimentos.

• Alternativas: inibição P450, teste de Ames, simulação in silico.

• Apesar disso, agências regulatórias em geral ainda exigem testes em pelo menos um modelo roedor e um não-roedor.

Teste de Ames (mutagenicidade)

Problemas:- Bactérias não são modelos adequados para mutagenicidade em humanos;- Doses necessárias são altas;- Falsos positivos (p. ex., geradores de NO) � metalofármacos antihipertensivos sempre vão dar positivo!

36

Triagens clínicas

• Depois que a substância e suas vias de aplicação foram otimizadas e testadas, e que testes farmacológicos mostraram que é um candidato a fármaco, ela está pronta para entrar em triagens clínicas em humanos.

• Nos últimos 20 anos:– Número de triagens/droga: passou de 30 a 70;– Número de pacientes recrutados antes da aprovação

final: passou de 1500 a 5200.

Fase Isegurança

Fase IIsegurança e dose

Fase IIIeficiência; multicentro

Fase IVpós-mercado;

segurança gde escala

As triagens clínicas têm 4 fases

“Fase 0”microdoses

Uso de concentrações terapeuticamente ineficientes, mas que servem para determinação da farmacocinética/farmacodinâmica da droga.

Interesse: muitos fármacos falham na Fase I porque PK/PD em humanos não se correlaciona bem com os resultados em animais.

Dessa forma, economiza-se tempo e $$.

37

Fase Isegurança





Primeiro contato da nova substância com um corpo humano.

Objetivo: verificar a segurança da substância.

Normalmente, feita em voluntários saudáveis (que podem ser financeiramente compensandos), emboras pacientes criticamente enfermos e/ou com doenças terminais também possam ser inscritos.

“Open label”: indivíduos sabem o que estão tomando.

Recrutam-se entre 10 e 100 indivíduos, sob doses sugeridas pelos testes pré-clínicos.

Monitoram-se minuciosamente para avaliar tolerância e efeitos colaterais.

Custo: ~ US$ 10 mi. Duração: vários meses a 1 ano.

Fase Isegurança





Objetivo: avaliar a eficiência da droga em um grupo de enfermos, bem como determinar a melhor dose e freqüência do tratamento.

Padrão Ouro:

a) duplo-cego: nem os pacientes nem o investigador sabem o que (ou quanto) estãorecebendo

b) controlada por placebo (alguns pacientes nãorecebem a droga)

c) randomizada: pacientes podem passar de um grupo a outro durante a triagem

Acompanham-se marcadores específicos ousurrogados. P.ex., no caso de câncer: mortalidade (marcador específico) ou tamanho, proteínas associadas ao tumor, etc (surrogados)

Número de pacientes: 50 – 500. Duração: 1 – 2 anos. Custo: US$ 20 mi.

38

Fase Isegurança





Objetivo: avaliar a eficiência da droga em um grupo de enfermos, bem como determinar a melhor dose e freqüência do tratamento.

Padrão Ouro:

a) duplo-cego: nem os pacientes nem o investigador sabem o que (ou quanto) estãorecebendo

b) controlada por placebo (alguns pacientes nãorecebem a droga)

c) randomizada: pacientes podem passar de um grupo a outro durante a triagem

Acompanham-se marcadores específicos ousurrogados. P.ex., no caso de câncer: mortalidade (marcador específico) ou tamanho, proteínas associadas ao tumor, etc (surrogados)

Número de pacientes: 50 – 500. Duração: 1 – 2 anos. Custo: US$ 20 mi.

Even though patients may be advised of the

likelihood of being placed in a placebo group and

that the intent of the clinical trial is research, notmedical care, they often hope for some level of

treatment. More importantly, when effective

treatments exist, research participants who have

progressive, burdensome disease should be

given standard treatment as the control agent.West J Med. 2000 Apr; 172(4): 271–273.

Fase Isegurança





Objetivo: confirmar a eficiência da droga em uma população ampla de pacientes.

É multicêntrica (vários hospitais), para garantir diversidade demográfica e étnica e fazer ajustes finos de dosagem/freqüência.

Além disso, verifica-se a eficiência frente a tratamentos estabelecidos, e se determina se, para algum sub-grupo de pacientes, há melhorias específicas.

É a fase mais importante dos testes clínicos: vai definir o sucesso ou o fracasso da nova droga.

Se tudo OK, prepara-se um dossiê para a autoridade regulatória.

Número de pacientes: várias centenas a milhares. Duração: 3 – 5 anos. Custo: US$ 50 a 100 mi.

39

Fase Isegurança





Objetivo: monitoramento da segurança e eficácia em uma situação não-controlada real, depois que o fármaco já é comercializado.

Acompanham-se eficiência em relação a tratamentos estabelecidos, efeitos colaterais, qualidade de vida e custo.

Eventos adversos sérios são reportados para a agência regulatória, e em alguns casos o medicamento pode passar para um recall, ou por uma notificação para pacientes e médicos.

Exemplo: Vioxx®, 30/09/2004

(muito breve) revisão de química de coordenação · o efeito da ligação de metais sobre a...

Documents