1 BioLab – www.iq.ufrgs.br/biolab/ Prof. Gustavo Pozza Silveira Introdução a Química Medicinal 1 INTRODUÇÃO A QUÍMICA MEDICINAL Prof. Gustavo Pozza Silveira [email protected] Sala 209 – Bloco K Farmacodinâmica - ENZIMAS
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Prof. Gustavo Pozza Silveira Introdução a Química Medicinal
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INTRODUÇÃO A QUÍMICA
MEDICINAL
Prof. Gustavo Pozza Silveira [email protected]
Sala 209 – Bloco K
Farmacodinâmica - ENZIMAS
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Farmacodinâmica
• Farmacodinâmica é a área responsável por estudar os
mecanismos pelos quais os fármacos produzem um
efeito biológico ou farmacológico.
• Optimizar as interações de um fármaco com seu alvo é
uma das formas de aumentar a potência da droga.
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Processo completo de catálise enzimática
S
E
ES
P
E
EP
P
E
E + P
E
S
E + S
E
Notas:
• Interaçõs ligantes devem ser fortes o suficiente para manter o substrato preso o
tempo necessário para que a reação ocorra.
• Porém, as interações devem ser fracas o suficiente para permitir que o substrato deixe o sítio ativo após a catálise.
• Essa relação deve ser sempre levada em consideração!
• O planejamento de moléculas que liguem-se fortemente ao sítio ativo poderá
bloqueá-lo permanentemente (substratos suicidas)!
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Inibidores Reversíveis
• Inibidor liga-se reversivelmente ao sítio ativo
• Ligações Intermoleculares estão envolvidas no processo de ligação
• O inibidor não sofre reação
• Inibição depende da força que o inibidor liga-se ao sítio ativo e da concentração
do inibidor • Substrato é impedido de entrar no sítio ligante (sítio encontra-se preenchido com
o inibidor)
• Aumento da concentração do substrato reverte a inibição
• Inibidor geralmente possui estrutura similar a do substrato, produto ou cofator
I
E E
S
I
E
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Exemplos
Inibidores de ACE
Diuréticos
Estatinas
Sulfonamides
Inibidores de protease Antidepressivos
Inibidores de quinases
Inibidores Reversíveis
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• Inibidor liga-se irreversivelmente ao sítio ativo
• Ligação covalente é formada entre o fármaco e a enzima
• Substrato é impedido de entrar no sítio ativo
• Aumento da concentração do substrato não reverte a inibição
• inibidor geralmente apresente estrutura semelhante ao do substrato
X
OH OH
X
O
Ligação covalente
Inibição irreversível
Inibidores Irreversíveis
Grupos eletrofílicos geralmente utilizados em inibidores irreversíveis
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Exemplos
Gases nervosos
Penicilinas
Cefalosporinas
Dissulfuram (alcoolismo)
Inibidores da bomba protônica Orlistate (obesidade)
Inibidores Irreversíveis
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OH
SerPancreatic lipase
Exemplos - orlistate
Orlistate é um fármaco anti-obsidade que inibe lipases do pâncreas
A enzima é bloqueada não sendo capaz de digerir gorduras no intestino
Menor quantidade de gordura e glicerol são absorvidos pelo organismo
Diminui a biossíntese de gorduras no corpo
O
SerPancreatic lipase
O
C6H13
O
O
C11H23
O
But NHCHOO
SerPancreatic lipase
O
C6H13OH
C11H23
O
O
NHCHO
But
O
C6H13
O
O
C11H23
O
But NHCHO
Orlistat
O
C6H13
O
O
C11H23
O
But NHCHO
Orlistat
O
SerPancreatic lipase
O
C6H13
O
O
C11H23
O
But NHCHO
Inibidores Irreversíveis
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ACTIVE SITE (open)
ENZYME Enzima
Inibidores alostéricos
• Inibidor liga-se reversivelmente ao sítio alostérico
• São formados ligações intermoleculares
• Preenchimento induzido altera o formato da enzima
• Sítio ativo é distorcido não sendo reconhecido pelo substrato
• Aumento da concentração do substrato não reverte a inibição • A estrutura do inibidor geralmente não é semelhante a do substrato
Sítio ligante
alostérico
Sítio ativo
(open) ENZYME Enzima
Preencimento
induzido
Sítio ativo
irreconhecível
Inibidor alostérico
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Exemplo: 6-Mercaptopurina
N
N N
N
SH
H
• Inibe a primeira enzima da biossíntese de purinas
• Impede a biossíntese de purinas e DNA
• Utilizado no tratamento de leucemia
Inibidores alostéricos
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• Fármacos são planejados para mimetizar o estado de transição (ET) de uma
reação catalisada por uma enzima.
• Inibidores de ET geralmente ligam-se mais fortemente que moléculas que
mimetizem ou que sejam semelhantes aos substratos ou produtos reacionais.
• ET são altamente energéticos: estados transientes que não podem ser isolados
ou sintetizados.
• Planejamento de fármacos pode ser baseado em intermediários reacionais que apresentem características mais próximas ao ET do que os substratos ou
produtos.
• A estratégia é planejar uma molécula que mimetize a estereoquímica e
propriedades ligantes do intermediário reacional, mas que, ao mesmo tempo, seja estável.
Inibidores de estado de transição
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Renina Angiotensinogena Angiotensina I Angiotensina II
Enzima conversora de
angiotensina (ACE)
Inhibitor
• Inibidores de renina impedem a síntese de angiotensina I e II
• Angiotensina II leva a constrição dos vasos sanguíneos elevando a pressão
arterial
• Inibidores de renina agem como anti-hipertensivos, ou seja, diminuem a pressão
arterial
Inibidores de estado de transição Exemplo: inibidores de renina
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Inibidores de estado de transição Exemplo: inibidores de renina
• Dois resíduos aspartil estão envolvidos na reação catalisada pela enzima
• O ET está relacionado com um intermediário tetraédrico (hidrato)
Mecanismo reacional
HN
O
R1
Substrate
R2
O O
H
A s p
O O
A s p
Renin
HO
H
O O
A s p
O O
A s p
Renin
H
HN
R1
O O
H H
R2
Tetrahedralintermediate
O O
H
A s p
O O
A s p
Renin
CO2HH2N
R1
+
R2
HN
O
R1
Substrate
R2
O O
H
A s p
O O
A s p
Renin
HO
H
O O
A s p
O O
A s p
Renin
H
HN
R1
O O
H H
R2
Tetrahedralintermediate
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Exemplo: inibidores de Renina
• Alisquireno possui um grupo hdroxietileno que mimetiza o ET
• Mimetiza a geometria tetraédrica do intermediário reacional
• Mimetiza um dos grupos hidroxila (grupo ligante)
• Estável – não apresenta grupos de saída
Alisquireno (anti-hipertensivo)
MeO
OMeO
CHMe2
H2N
OH CHMe2
NH
O
Me Me
NH2
O
Intermediário
reacional
HN
OHHO
Protein
Protein
Hydroxietileno mimetiza
o estado de transição
MeO
OMeO
CHMe2
H2N
OH CHMe2
NH
O
Me Me
NH2
O
Inibidores de Estado de Transição
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Exercício: O vírus da imunodeficiência humana contém uma protease (enzima
proteolítica) que é capaz de hidrolisar o peptídeo L-Phe-L-Pro. A estrutura I foi
planejada como inibidor de ET desta protéase. Qual o inibidor de ET e como a
estrutura I relaciona-se com um inibidor de ET? O que significa IC50 6500 nm?
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Inibidores de Estado de Transição Exemplos
Estatinas (sivastatina,
atorvastatina, lovastatina…)
OH
CO2HHO
N N
NS CH3
F
H3C
OO
H
ACE inibitores
NH
CH3
N
O CO2H
HO2C
H
Inibidores de Protéase
HN
NH
N
N
OCONH2
HO
H
H
OHH
H
H NH
O
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• Agentes que são convertidos em inibidores irreversíveis de uma reação
catalisada por uma enzima
• Produto reage com a enzima alvo após ser formado
Exemplo
Trifluroalanina age como substrato suicida da alanina transaminase.
Transaminases são resposáveis pela síntese de aminoácidos. Excesso indica
hapatotoxicidade.
+
PyruvicAcid
Pyridoxaminemonophosphate
Transaminaseenzyme
H2NC
CO2H
CH3
+
AlanineN
OH
CH3
CHO
P O
Pyridoxal phosphate
P = phosphate
H
N
OH
CH3
CH2NH2
P OO
CCO2H
CH3
F3C CH
NH2
CO2H
Trifluoroalanine
INHIBITION
Substratos Suicidas
(Coenzima)
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Mecanísmo reacional - alanina transaminase
Base Enzyme
OH
CHO
CH3
R'
NH
CHCO2HH3C
NH2
Condensation
H3C CO2H
N
OH
CH3
R'
NH
H
N
NH
H3C CO2H
OH
CH3
R'
+
NH
R'
CH3
OH
O
CO2HH3C
NH2
Condensation
H3C CO2H
N
OH
CH3
R'
NH
H
Substratos Suicidas
Exercício: mostre o mecanismo de
formação da Imina.
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Mecanísmo de inibição - alanine transaminase
Base Enzyme
OH
CHO
CH3
R'
NH
CHCO2HF3C
NH2
Condensation
Imine
NH
R'
CH3
OH
N
CO2HF3CH F2CF
N
NH
CO2H
OH
CH3
R'
N
NH
R'
CH3
OH
CO2HF2C
Enzyme Nu
Irreversiblealkylation
Enzyme Nu
F2C
NH
N
CO2H
OH
CH3
R'
H+Enzyme Nu
F2C
NH
N
CO2H
OH
CH3
R'
H
Substratos Suicidas
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Cl
Cl
O
OOH
O
STienilic acid
• Colocado no mercado como diurético
• Retirado do mercado derivdo a interações com enzimas do citocromo P450
• Age como substrato suicida em enzimas do citocromo P450
Substratos Suicidas Ácido Tienílico
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Substratos Suicidas Ácido Tienílico
SH
Cyt P450
Cl
Cl
O
OOH
O
STienilic acid
Cl
Cl
O
OOH
O
S
OS
H
Cyt P450
Cyt P450NADPHO2
Oxidation
Suicide substrate
Cyt P450
Alkylation
Ar
O
S
OS
H
Cyt P450
Ar
O
S
OS
H
Cyt P450
+ H
Ar
O
S
OS
H
H
-H2O
Cyt P450
Ar
O
SS
H
Cyt P450
Ar
O
SS
Enzyme alkylated and inhibited
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Substratos Suicidas
Ácido clavulínico é um substrato suicida que é usado clinicamente de forma
associativa como medicamento antibacteriano/antibiótico inibindo a enzima -
Lactamase.
-Lactamase é a enzima responsável por clivar antibóticos penicilínicos
tornando bacterias resistentes a estes. O anel -lactâmico é aberto por um
resíduo serina.
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Substratos Suicidas
Ácido clavulínico é um substrato suicida que é usado clinicamente como
medicamento antibacteriano. Ácido clavulínico também preenche o sítio ativo da
-lactamase e sofre o ataque do resíduo serina. A enzima acilada formada reage
com um segundo grupo nucleofílico presente na enzima (provavelmente um
RNH2) fazendo com que a molécula permaneça ligada irreversivelmente à enzima.
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Inibidores seletivos de Isozimas
Refecoxib (vioxx) foi aprovado em 1999 sendo prescrito como medicamento de
escolha para tratamento de artrite reumatóide. Foi retirado do mercado em
2004, pois poderia aumentar o risco de derrame em pacientes que o utilizam
continuamente por mais de 18 meses.
A enzima ciclooxigenase está envolvida na síntese de prostaglandinas –
agentes responsáveis pela dor e inflamação em pacientes com artrite
reumatóide. Ciclooxigenase possui duas isozimas: cox-1 (ativa em condições
saudáveis) e cox-2 (ativada em processos inflamatórios). Fármacos específicos
para cox-2 (valecoxib, rofecoxib e celecoxib) permitem que os níveis de prostaglandinas permaneçam normais evitando problemas estomacais (células
parentais – secreção HCl) comuns em fármacos não específicos como a
indometacina.
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Exercício: é sabido que o aminoácido na posição 523 das ciclooxigenases faz
parte do sítio ativo da enzima. Na isozima COX-1, este aminoácido é isoleucina,
enquanto na COX-2, valina. Sugira como está informação poderia ser utilizada
para planejar moléculas que poderiam inibir seletivamente a COX-2.
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Inibidores seletivos de Isozimas
Monoamina oxidase (MAOs) são responsáveis pelo metabolismo de
neurotransmissores como serotonina, noradrenalina (MAO-A) e dopamina (MAO-
B) e existem em diferentes quantidades nos tecidos (especificidade). No entanto,
ambas enzimas catalisam a mesma reação metabólica.
Clorgiline é utilizado como inibidor seletivo de MAO-A sendo um antidepressivo.
Já seleginine é administrado com Levodopa protegendo-o do metabolismo
(conversão em dopamina no sistema periférico - Mal de Parkinson). Acredita-se
que ambos fármacos ajam como substratos suicidas formando ligações
covalentes com as respectivas MAOs.
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Alvos enzimáticos úteis para medicamentos
Agentes Antibacterianos
Di-idropteroate sintetase, transpeptidase
Agentes Antivirais
HIV transcriptase reversa, HIV protease, DNA viral polimerase
Agentes Anti-inflammatórios
Ciclooxigenase
Agentes diminuidores de colestorol
HMG-CoA redutase
Antidepressivos
Monoamina oxidase
Agentes Anti-câncer
Tirosina quinase, di-idrofolato redutase, timidilate sintase, aromatase, etc
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Agentes anti-hipertensivos
Renina, enzima conversora de angiotensina (ACE)
Tratamento de disfunção erétil masculina
Fosfodiesterase
Agentes anti-gota
Xantina oxidase
Agentes Anti-úlcera
Bomba protônica
Mal de Alzheimer
Colinesterases
Diuréticos
Anidrase carbônica
Alvos enzimáticos úteis para medicamentos