Parte I

Lima, LM©
Lima, LM©
Metabolismo de Fármacos: Conjunto de transformações química, catalisadas por
enzimas, introduzidas na estrutura de xenobióticos (e.g. fámacos) visando
favorecer sua desativação e depuração renal.
metabolismo
pré-sistêmico
metabolismo
pós-sistêmico
 O papel fisiológico do metabolismo de fármacos pode
ser medido através dos parâmetros farmacocinéticos
de biodisponibilidade (F) e clearance (Cl);
 Cominados a F e Cl afetam a quantidade total de
fármaco no sangue (AUC) x tempo.
 A estabilidade metabólica de um determinado
composto (e.g. fármacos) é inversamente proporcional
a sua clearance.
O metabolismo influencia a natureza, a
intensidade e a duração dos efeitos
terapêuticos e/ou tóxicos dos fármacos e
seus eventuais metabólitos bioativos
Figura 1. Principais causas de insucesso durante as etapas de
desenvolvimento de um fármaco.
Lima, LM©
Bugrim, A., Nikolskaya, T. & Nikolsky, Y. (2004) Drug Discovery Today 9, 127-35.
Fármacos lipofílicos são reabsorvidos após
filtração glomerular, retornando a
circulação sistêmica.
Metabolismo de Fármacos: fase 1 & fase 2
As reações metabólicas de fase 1 e fase 2 tem como principal
objetivo transformar fármacos lipofílicos (↑ LogP; LogD7,4 > 0;
↓PSA) em metabólitos hidrofílicos (↓LogP; LogD7,4 < 0;
↑PSA), favorecendo a eliminação por via renal.
CONSEQUÊNCIAS DO METABOLISMO DE
FÁRMACOS
Fármaco ativo
Metabólito inativo
(Bioinativação)
Fármaco ativo
Metabólito ativo
(Bioativação ouToxificação)
Metabólito ativo
(Bioativação)
Fármaco inativo
(pró-fármaco)
Lima, LM©
Metabolismo de Fase 1
Complexo Enzimático
Localização subcelular principal
Citocromo P450 monooxigenases
Microssoma e mitocôndria
Flavina monoamina oxidase
Microssoma
Aldeído desidrogenase
Citosol, microssomal e mitocôndria
Álcool desidrogenase
Citosol
Monoamina oxidase
Mitocôndria
Xantina oxidase
Citosol
Azo ou nitro-redutases
Citosol
Aldo/ceto-redutases
Citosol
Óxido-redutases
Citosol
Epóxido hidrolase
Microssoma e citosol
Hidrolases (esterases, amidases, lipases)
Citosol e microssoma
Reações metabólicas de
Fase 1: Oxidação, Redução
e Hidrólise
Metabolismo de Fase 2
Complexo Enzimático
Localização subcelular principal
Glicuroniltransferase
Microssoma
Glutationatransferase
Citosol
Sulfotransferase
Citosol
Metiltransferases não específicas
Citosol
Catecol o-metil transferase
Citosol
Acetiltransferase
Citosol
Lima, LM©
Reações metabólicas de
Fase 2: Conjugação
Barreiro, E.J. & Fraga, C.A.M., Química
Medicinal: As Bases Moleculares da Ação
dos Fármacos, ArtMed Editora Ltda,
Porto Alegre, RS, 3ª Edição, 2014 ;
Metabólitos
Fase I
Fase II
ROH, RSH, RNH2
Glicuronidação
Sulfatação
Conjugãção com Gly, Glu
Conjugação com Glutationa
Acetilação
Metilação
Oxidações
Reduções
Hidrólises
O-desalquilação
N-desalquilação
S-desalquilação
Metabólitos
Reativos
Fase I ou Fase II
Danos ao DNA
Metabólitos estáveis /
frequentemente inativos
Fase II
Xenobióticos (eg. Fármacos)
ligações
covalentes
ligações
covalentes
Interação
c/ oxigênio
(ERO)
Fase II ou III
ligações
covalentes
Estresse oxidativo
citotoxicidade
Necrose/apoptose
Aduto fármaco-proteína
Peroxidação lipídica
Lima, LM©
Detoxificação
Glutationa (GSH)
Proteínas transportadoras
de efluxo
Mutações
Malignidades
Excretados
Apoptose
neo-antígenos/haptenos
Injúria-imune ou imunotoxicidade
Number of human CYP450 estimated at 57 genes:
divided in 18 families e 44 subfamilies
1- They are all monooxygenases
2- So that all Cytochrome P450’s are heme proteins (can also be called mixed function oxidases)
3-They all catalyze a reaction: NAD(P)H(electron donor)* + O2 RH + H+ → NAD(P)+ + ROH + H2O
4- The O2 is split, so one molecule of the oxygen goes into the substrate, and the other is
reduced to H2O
5- the oxygen is carried on a Heme (Heme is the prosthetic group of the enzyme)
6- This is the same type of heme as in hemoglobin and myoglobin
7- The heme in the reaction cycles between Fe+3 to Fe+2 back to Fe+3, whereas in hemoglobin or
myoglobin, you want the heme to be Fe+2
8- require a Cytochrome P450 Reductase to transfer electrons from NADPH to their substrate
*NADH is the reducing cofactor in bacterial and NADPH is the reducing cofactor in all mammalian
Lima, LM©
Famílias de
CYP450 humana
CYP1
CYP2
CYP3
CYP4
CYP5
CYP7
CYP8
CYP11
CYP17
CYP19
Membros funcionais
Principais funções
1A1, 1A2, 1B1
Metabolismo de xenobióticos
2A6, 2A7, 2A13, 2B6, 2C8, 2C9, Metabolismo de xenobióticos & Metabolismo de esteróides
2C18, 2C19, 2D6, 2E1, 2F1, 2J2,
2R1, 2S1, 2U1, 2W1
3A4, 3A5, 3A7, 3A43
Metabolismo de xenobióticos
4A11, 4A22, 4B1, 4F2, 4F3, 4F8, Metabolismo de ácidos graxos e ácido araquidônico
4F11, 4F12, 4F22, 4V2, 4X1, 4Z1
5A1
Síntese de tromboxana A2
(tromboxana sintase)
7A1, 7B1
Esteróide 7a-hidroxilase
8A1, 8B1
Síntese de prostaciclina (prostaglandina sintase) e biossíntese
de ácidos biliares
11A1, 11B1, 11B2
Biossíntese de esteróides
17A1
Biossíntese de testosterona e estrogênio (esteróide 17ahidroxilase
19A1
Biossíntese de estrogênio (aromatase)
CYP20
CYP21
CYP24
CYP26
20A1
21A2
Desconhecidas
Biossíntese de esteróides
24A1
26A1, 26B1, 26C1
CYP27
27A1, 27B1, 27C1
Metabolismo da vitamina D
Metabolismo do ácido retinóico
(hidroxilase da ácido retinóico)
Biossíntese de ácidos biliares e ativação da vitamina D3
CYP39
CYP46
39A1
46A1
CYP51
51A1
Lima, LM©
Metabolismo do colesterol
Metabolismo do colesterol
(colesterol 24-hidroxilase)
Metabolismo do colesterol
(lanosterol 14a-demetilase)
H2C
CH3
H3C
N
N
Fe+3
N
N
H3C
CH3
S
Cys
O
Estrutura cristalográfica do CYP3A4 (PDB 4K9W)
Lima, LM©
OH
CH2
O
OH
•57 genes de CYP450 humano → 8 isoenzimas são responsáveis por >90% do
metabolismo de todos os fármacos [CYP1A2, 2A6, 2C8, 2C9, 2C19, 2D6, 2E1, 3A4.
Superfamília
CYP
CYP 1
CYP 1A
CYP 2C
CYP 1A2
CYP 2C9
CYP 2
CYP 2D
CYP 2D6
CYP 3
CYP 2E
Família
CYP 3A
CYP 2E1
Subfamília
CYP 3A4
Isoenzimas
CYP 2C19
Lima, LM©
Clarke,SE; Jones, BC. Human cytochromes P450 and their role in metabolism-based drug-drug interactions. In Drug-Drug
Interactions, Rodrigues, AD, Ed Marcel Dekker, NY, 2002.
Lima, LM©
•São proteínas ligadas a membrana;
•Presentes em alta concentração no retículo endoplasmático de
órgãos como: fígado, rins, vias nasais, cerébro, pele e intestino
Substratos de baixo a
elevado PM
[eg. MeOH (PM = 42
g/mol) e Ciclosporina
(PM = 1203 g/mol)]
Substratos de elevada
diversidade química
Hidrofóbicos
Lima, LM©
Fe+3 pentacoordenado
Fe+3 hexacoordenado
R-H
H O H
N
=
N
R-H
N
N
baixo spin (S =1/2)
N
R= substrato
(e.g. fármaco)
N
S
Cys
N
=
Fe+3
Fe+3
N
S
Cys
A
alto spin (S =5/2)
B
NADPH
1e
R-OH
R-H
R
O
N
H2C
CH3
N
+4
Fe
N
Fe+3
N
N
S
O
N
N
Fe+2
N
CH3
S
Cys
H2 O
R-H
CH2
N
H3C
G
Cys
N
NAD(P)+
NADPH-P450
redutase
H3C
N
-
N
S
C
Cys
OH
O
OH
CYP450
O2
H+
R-H
R-H
OH
O
N
N
Fe+3
N
N
H+
Lima, LM©
N
Fe+3
N
Cys
1 e-
N
S
F
NAD(P)+ NADPH
R-H
O
O
N
S
Cys
O
O
E
N
N
Fe+3
N
NADPH-P450
redutase
N
S
Cys
D
Ligação C-H
Tipo de Ligação
Energia de dissociação
em KJ/mol
H-C6H5
fenila
464
H-CH3
metano
438
H-CH2CH3
alquila primário
420
H-CH2CH2CH3
alquila primário
417
H-CH2C(CH3)3
alquila primário
418
H-CH(CH3)2
alquila secundário
401
H-C(CH3)3
alquila terciário
390
H-CH2Ph
benzílica primária
368
H-CH(CH3)Ph
benzílica secundário
357
H-CH(CH3)2Ph
benzílica terciário
353
H-CH2CH=CH2
alílica primária
361
H-CH(CH3)CH=CH2
alílica secundária
345
PONDERAÇÕES: FORÇA DA LIGAÇÃO C-H x ESTABILIDADE do RADICAL x
EFEITO ESTÉRICO
Lima, LM©




HIDROXILAÇÕES (Aromática; Benzílica, Alílica, -Hetroátomo; Alifática)
DESALQUILAÇÕES (N, O, S)
EPOXIDAÇÕES
OXIDAÇÕES DE HETEROÁTOMOS (N, S, P)
1. Oxidação Aromática = Hidroxilação Aromática
Pró-quiral
pro-S
pro-R
pro-S
“balanço entre efeito eletrônico & estérico”
Lima, LM©
1. Oxidação Aromática = Hidroxilação Aromática
H
O H
O
N
N
Fe
A
N
N
N
Fe+3
+4
N
N
N
S
S
Cys
Cys
complexo-radicalar
complexo-
C
A'
H
O
C'
O H
N
óxido de areno
N
Fe+3
N
N
NIH shift
H
H
S
Cys
complexo-
CYP450(Fe+3)
D
CYP450(Fe+3)
O
E
HO
Guroff, G.; Daly, J.W.; Jerina, D.M.; Renson, J.; Witkop, B.;
Udenfriend, S. (1967). "Hydroxylation-induced migration:
the NIH shift. Recent experiments reveal an unexpected
and general result of enzymatic hydroxylation of aromatic
compounds.". Science 157 (3796): 1524–1530
An NIH shift is a chemical rearrangement where a hydrogen atom on an aromatic ring
undergoes an intramolecular migration primarily during a hydroxylation reaction. This
process is also known as a 1,2-hydride shift.
Lima, LM©
1. Oxidação Aromática = Hidroxilação Aromática
CYP450
Fe
+4
CYP450
O
Fe
+4
O
espécies deficientes
em elétrons
Grupo
elétron doador
OH
orto
OH
Papel dos Substituintes no Anel Aromático???
OH
OH
OH
-0,092
orto
meta
-0,213
-0,157
-0,092
-0,166
meta
para
Grupo
elétron retirador
O
O
N
O
O
N
O
O
N
O
O
N
O
O
N
-0,068
orto
orto
-0,068
-0,140
-0,140
-0,088
meta
meta
para
Lima, LM©




HIDROXILAÇÕES (Aromática; Benzílica, Alílica, Alifática, -Hetroátomo)
DESALQUILAÇÕES (N, O, S)
EPOXIDAÇÕES
OXIDAÇÕES DE HETEROÁTOMOS (N, S, P)
1. Oxidação Aromática = Hidroxilação Aromática
Pró-quiral
pro-S
pro-R
pro-S
“balanço entre efeito eletrônico & estérico”
Lima, LM©
1. Oxidação Aromática = Hidroxilação Aromática
O
O
OH
CH3
OH
Ph
O
O
HO
Ph
CYP2C9
O
varfarina
O
O
O
H
H
N
CH3
CH3
N
CH3
CYP450
acetanilida
Fig. 1: The binding site of S-warfarin within the active site of
CYP2C9 leaves the haem, shown edge on in the figure, accessible
to other compounds [www.esrf.fr/.../Highlights/2003/MX/MX06 ].
OH
paracetamol
HO
N
N
O
N
minaprina
CH3
H
CYP450
N
N
O
N
N
CH3
H
N
traços o e m-OH
1. Hidroxilação Aromática
O
CARGA ELETROSTÁTICA
O
OH
CH3
OH
0,003
-0,206
Ph
O
O
CH3
HO
CYP2C9
varfarina
Ph
O
O
0,012
-0,258
E = -162,56 kJ/mol
E = -163,35 kJ/mol
E = -148,68 kJ/mol
Lima, LM©
1. Oxidação Aromática = Hidroxilação Aromática
HO
N
N
O
N
minaprina
CH3
H
CYP450
N
N
O
N
N
CH3
H
atorvastatina
Lima, LM©
N
traços o e m-OH
1. Hidroxilação Aromática
4
3'
HO
4'
1'
CYP2C9
1'
4'
6
2
N
1
2
N
H
Cl
Cl
OH
O
OH
diclofenaco
>>>
1
OH
4
CYP3A4
3'
2
N
H
<<<
5
3
0,147 (MO)
6
1'
4'
A previsão da regiosseletividade do processo de hidroxilação aromática
deve considerar fatores eletrônicos (SOM), e fatores estéricos –
provenientes da interação enzima-substrato
Cl
Cl
Pq
O
H
Cl
3'
5
3
Cl
-0,218
1
O
OH
OH
Cl
Cl
CYP2C9
N
N
Cl
OH
>>> Cl
Mancy, A. et al., Biochemistry (1999) 38: 14264
Lima, LM©
-0,173
H
H
0,094 (MO)
OH
Bort, R. et al., Biochem. Pharmacol. (1999) 58: 787
2. Hidroxilação Benzílica
O
OH
N
O
O
OH
CYP450
H
N
Cl
Cl
Cl
H
N
Cl
Cl
O
OH
N
N
N
CYP3A4
N
N
N
Cl
t1/2= 12h
alprazolam
Xanax®
Lima, LM©
Cl
OH
ácido meclofenâmico
N
H
OH
CH3
H3C
OH
CYP450
Cl
N
3. Hidroxilação Alílica
HO
CH2
HO
N
HO
N
CYP3A4
O
CH2
O
H3C
H 3C
N
N
(2.47)
quinina
(2.46)
HO
HO
CYP2D6
O
OH
O
OH
N
N
CH2
O
naloxona
(2.48)
Lima, LM©
CH2
O
OH
(2.49)
3. Hidroxilação Alílica
CH3
A
A’
OH
OH
B
OH
CYP450
H3C
H3C
O
H3C
CH3
O
H3C
Δ9-tetraidrocanabinol (THC)
CH3
hidroxi-THC
CYP450
CH3
HO
OH
B’
H3C
H3C
Lima, LM©
O
hidroxi-THC
CH3
4. Hidroxilação Alifática
CYP3A4
OH
OH
OH
OH
N
N
CH3
terfenadina
CH3
CYP3A4
OH
CH3
CH3
CH3
OH
OH
N
CH3
OH
fexofenadina
CH3
O
CH3
HO
CH3
O
CH3
ibuprofeno
Lima, LM©
CH3
CH3
HO
HO
OH
CH3
CYP2C9
O
OH
CH3
O
CH3
5. Hidroxilação α-Heteroátomo
CH3
CH3
CH3
O
O
O
O
CYP2C9
CYP2C19
HN
HN
O
ADH
NH
O
HN
NH
OH
O
fenobarbital
primidona
H3C
H3C
O
N
O
N
CYP3A4
N
Cl
diazepam
Lima, LM©
NH
OH
N
Cl
temazepam
 X-DESALQUILAÇÃO (X = O, S, N)
H3CO
HO
CYP450
O
H
NCH3
O-dealquilação O
O-demetilação
H
NCH3
HO
HO
CODEÍNA
MORFINA
S
S
N
S
CH3
CYP 450
N
SH
S-dealquilação
N
CH3
tioridazina (antipsicótico)
Lima, LM©
N
CH3
 X-DESALQUILAÇÃO (X = O, S, N)
CYP450
CYP450
N-de me tilação
N
N-de me tilação
N
N
imipramina
N
i-MAO antidepressivos
tricíclicos
CH 3
N
CH 3
metabólitos ativos
H
H
CH 3
H
CH3
(S) N
Cl
(S) N
H
(S)
CYP 3A4
N-demetilação
Cl
Zoloft®, Pfizer
SSRIAntidepresivo
Lima, LM©
Cl
H
(S)
Cl
demetilsertraline
sertraline
N
Metabólito ativo
t1/2= 60-100 h
Inibidor Enzimático da CYP 2D6
H
 EPOXIDAÇÕES
O
O
*
O
OH
CYP 450
*
OH
NH 2
NH 2
vigabatrin
(S)-e utôme ro
vigabatrin
(S)-e utôme ro
O
N
CYP2C9
N
O
O
NH2
NH2
carbamazepina
OH
OH
O
CYP450
HO
HO
dietilestilbestrol
Lima, LM©
(DES, FDA 1941) Estrogênio não-esteroide sintético,
prescrito para tratamento de sintomas da
menopausa, vaginites (atrófica e gonorreica), cancêr
de mama e próstata, etc
Proscrito em 1975: vaginal clear cell adenocarcinoma
in girls and young women who had been exposed to
this drug in utero
 EPOXIDAÇÕES
O
não-genotóxico
O
O
H
O
O
O
O
CYP1A2
O
H
O
H
O
O
H
CYP3A4/2A6
O
OCH3
Aflatoxina B1
micotoxina encontrada
em alimentos (e.g.
amendoim, milho).
Produzida por fungos
Aspergillus
http://www.cib.org.br/pdf/biotech09.pdf
Lima, LM©
O
H
O
OCH3
Hepatocarcinógeno
(câncer de fígado: China & África)
 OXIDAÇÃO DE HETEROÁTOMOS (S, N)
CO2H
CO2H
CO2H
F
F
F
CH3
CH3
CYP450
rápida
H3C S
O O
H3C S
H3C S
O
sulindaco
N
CH3
FMO
(rápida)
CYP450
lenta
N
N
N
N
N
N
HO
N
O
N
HO
N
CYP3A4
F
F
CH3
voriconazol
F
CYP2C19
FMO
F
CYP
N
CH3
CYP
N
CH3
amina 3ª
H
amina 2ª
N
O
CH3
N
OH
hidroxilamina
F
H
H
CYP
N
H
amina 1ª
O
N
N-óxido
O
0% nitro
N
H
O
N-óxido
N
OH
>>hidroxilamina
CYP
CH3
Lima, LM©
CH3
CH3
CH3
CH3
F
+
H
N
O
<<<nitroso
 OXIDAÇÃO DE HETROÁTOMOS (S, N)
O
O
O
S
N
H
N
O
CYP3A4
CH3
S
CH3
N
H
CYP1A2
HO
N
H
>>
H2N
O
sulfametoxazol
O
S
N
H
O
N
<<
O
O
CH3
CH3
N
H
CYP450
N
OH
FMO
N-acetilaminofluoreno
amida 2ª ou 1ª
Lima, LM©
O
N
O
N-hidroxiacetilaminofluoreno
(Pró-carcinogênico)
N
O
CH3
Variações nas sequências de nucleotídeos do DNA, que ocorrem
na população geral de forma estável, sendo encontradas com
freqüência de 1% ou superior, são denominadas polimorfismos
genéticos
Farmacogenômica = farmacogenética +
genômica + biotecnologia.
Estudo
do genoma humano com o
objetivo de identificar genes
individuais
relevantes
na
susceptibilidade a doenças e a
atuação dos fármacos, assim como
a descoberta de novos alvos
terapêuticos.
Evans, W. E. & McLeod, H. L. Pharmacogenomics—drug disposition, drug targets, and side effects. N. Engl. J. Med.
348, 538–549 (2003).
Lima, LM©
FARMACOGENÉTICA
Área da farmacologia
clínica que estuda as bases
genéticas das variações
individuais nas respostas a
tratamentos
farmacológicos.
O perfil metabólico de cada indivíduo pode ser alterado por
polimorfismos genético, caracterizando os seguintes fenótipos:
metabolizadores lentos, intermediários e rápidos
Evans, W. E. & McLeod, H. L. Pharmacogenomics—drug disposition, drug targets, and side effects. N. Engl. J. Med.
348, 538–549 (2003).
Lima, LM©
Lima, LM©
CH3
CH3
O
N
O
N
CH3
CH3
CYP2D6
(2B6; 2C9; 2C19; 3A4)
CH3
CH3
Polimorfismo Genético CYP2D6
OH
4-OH-tamoxifeno
tamoxifeno
metabólito ativo
CYP3A4
(2C9, etc)
CYP3A4
(2C9, etc)
Metabolizador lento
H
H
O
N
O
CH3
CH3
N-demetil-tamoxifeno
CH3
metabólito ativo
Perda da eficácia
(↓efeito antitumoral)
Metabolizador rápido
CYP2D6
(2B6; 2C9; 2C19; 3A4)
CH3
N
OH
Aumento da eficácia
(↑efeito antitumoral)
endoxifeno
Metabolizador intermediário
http://jinapharma.com/?page_id=184
Wu, X. et al. The tamoxifen metabolite, endoxifen, is a potent antiestrogen that targets estrogen receptor α for degradation in breast
cancer cells. Cancer Res. 69, 1722–1727 (2009).
Lima, LM©
Farmacogenômica
1/3 obtém benefício
terapêuticos
Efeitos adversos
7% das hospitalizações (EUA)
CYP2C9*2 ou CYP2C9*3 têm maior
susceptibilidade
a complicações hemorrágicas com o
tratamento com warfarina
Monçores et al. Rev SOCERJ. 2008;21(3):184-193
Lima, LM©
Genotipagem
& Fenotipagem
Medicina
Personalizada
comorbidades, diferenças
na farmacocinética e
farmacodinâmica dos
medicamentos, fatores
ambientais e genéticos