FUNDAMENTOS DO

METABOLISMO DE FÁRMACOS

Flavio da Silva Emery

Química Farmacêutica Medicinal

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.

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?

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

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)

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

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

Reações metabólicas

Biotransformação

(fase I)

Conjugação

(fase II)

oxidação

redução

hidrólise

Glicuronidação

glutationa

Sulfatação

glicina

acetilação

metilação

Quais as principais reações metabólicas?

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)

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)

Reações da Fase I do metabolismo

enzimas microssomais hepáticas

Reações oxidativas:

Citocromo P450,

Flavina monooxigenase (FMO),

desidrogenases,

-oxidases,

Processos microssomais de biotransformação

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

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.)

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

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

CYP450

Fe

N

N N

N

3+

HOOC

HOOC

PROTOFORFIRINA FÉRRICA IX

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.

M. R. Wester et al. J. Biol. Chem. 2004, 279, 35630.

PDB ID 1R9O – CYP450 2C9 (2.0Å)

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+

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

Anel mais ativado – mais rico em elétrons

NH

COO-Na

+

ClCl

diclofenaco

Dois anéis aromáticos

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)

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

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

Posição benzílica

Oxidação de carbonos benzílicos

N

N

O

CH3

H3C

N

N

O

CH3

H2C

OH

Oxidação de carbonos benzílicos

metaqualona 2-hidroximetaqualona

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

Oxidação de carbonos à carbonilas (C=O) e iminas (C=N)

N

NO

H3C

ClN

NO

H3C

Cl

OH

diazepam 3-hidroxidiazepam

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

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

Metabolismo da papaverina

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Desaminação oxidativa de aminas

Monoamino oxidase (MAO) e diamino oxidase (DAO)

R NH2 + O2 R NH R O + NH4+

Reações redutivas: NADPH-citocromo C redutase

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

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

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

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)

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

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