Atividade de Micro e Macro Moléculas FARMACO

Atividade de Micro e Macro Moléculas FARMACO

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3 Cadernos Temáticos de Química Nova na EscolaN° 3 – Maio 2001

Fármacos estruturalmente inespecíficos

Os fármacos ditos estrutu- ralmente inespecíficos são aqueles que dependem única e exclusivamente de suas propriedades físico-químicas, (coeficiente de partição, pKa) para promoverem o efeito biológico. Os anestésicos gerais são um exemplo clássico de substâncias que pertencem a esta classe de fármacos, uma vez que seu mecanismo de ação envolve a depressão inespecífica de biomembranas lipo-protéicas, elevando o limiar de excitabilidade celular ou a interação inespecífica com sítios hidrofóbicos de proteínas do sistema nervoso central, provocando perda da consciência. Neste caso específico, em que a complexação do fármaco com macromoléculas da biofase dá-se predominantemente através de interações de Van der Walls, a potência do fármaco está diretamente relacionada com a sua lipossolubilidade, como está exemplificado comparativamente na Figura 1, mostrando que o halotano é mais potente que isofurano (Foye e Williams, 1995).

Em alguns casos, a alteração das propriedades físico-químicas decorrentes de modificações estruturais de um fármaco pode alterar seu mecanismo de interação com a biofase. Um clássico exemplo encontra-se na classe dos anticonvulsivantes. O pentobarbital (3) é estruturalmente específico e tem ação sobre o receptor GABA ionóforo. A simples substituição de um átomo de oxigênio por um átomo de enxofre produz o tiopental (4), cuja lipossolubilidade é maior e tem ação anestésica inespecífica (Figura 2) (Foye et al., 1995, Gringauz, 1997).

Fármacos estruturalmente específicos

Os fármacos estruturalmente específicos exercem seu efeito biológico pela interação seletiva com uma determinada biomacromolécula alvo, que apresenta na maior parte dos casos propriedades de enzima, proteína sinalizadora (receptor), canal iônico ou ácido nucléico. O reconhecimento do fármaco (micromolécula) pela biomacromolécula depende do arranjo espacial dos grupamentos funcionais e das propriedades de superfície da micromolécula, que devem ser complementares ao sítio de ligação localizado na macromolécula, o sítio receptor. A complementaridade necessária para a interação da micromolécula com a biomacromolécula receptora pode ser ilustrada simplificadamente pelo modelo chavefechadura (Figura 3). Neste modelo podemos comparar a biomacromolécula com a fechadura, o sítio receptor com o “buraco da fechadura” e as diferentes chaves com ligantes do sítio receptor, isto é, regiões da micromolécula que vão interagir diretamente com a macromolécula. Neste caso específico “abrir a porta” ou “não abrir a porta” representariam as respostas biológicas desta inte-

Figura 1: Correlação entre as propriedades fisico-químicas e a atividade biológica dos fármacos estruturalmente inespecíficos (1) e (2).

Carlos Alberto Manssour Fraga

As interações de um fármaco com o seu sítio de ação no sistema biológico ocorrem durante a chamada fase farmacodinâmica e são determinadas por forças intermoleculares: interações hidrofóbicas, polares, eletrostáticas e estéricas. Considerando os possíveis modos de interação entre o fármaco e a biofase, podemos classificá-los de maneira genérica em dois grandes grupos; estruturalmente inespecíficos e estruturalmente específicos.

interação fármaco-receptor, forças de interação, reconhecimento molecular

Os anestésicos gerais são um exemplo clássico de fármacos estruturalmente inespecíficos, uma vez que seu mecanismo de ação envolve a depressão inespecífica de biomembranas lipo-protéicas

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Cadernos Temáticos de Química Nova na EscolaN° 3 – Maio 2001 ração. A análise da Figura 3 permitenos evidenciar três principais tipos de chaves: a) a chave original, que se encaixa adequadamente com a fechadura, permitindo a abertura da porta, corresponderia ao agonista natural (endógeno) ou substrato natural, que interage com o sítio receptor da biomacromolécula localizado respectivamente em uma proteína ou enzima, desencadeando uma resposta biológica; b) a chave modificada, com propriedades estruturais que a tornam semelhantes à chave original e permitem seu acesso à fechadura e a abertura da porta, corresponderia a um agonista modificado da biomacromolécula, sintético ou de origem natural, capaz de reconhecer complementarmente o sítio receptor e desencadear uma resposta biológica qualitativamente idêntica àquela do agonista natural; e c) a chave falsa, que apresenta propriedades estruturais mínimas que permitem seu acesso à fechadura, sem ser capaz entretanto de permitir a abertura da porta, corresponderia ao antagonista, sintético ou de origem natural, capaz de ligar-se ao sítio receptor sem promover a resposta biológica e bloqueia a ação do agonista endógeno e/ou modificado, ocasio- nando uma resposta qualitativamente inversa àquela do agonista.

Nos três casos podemos distinguir duas etapas relevantes na interação da micromolécula ligante com a biomacromolécula que contém a subunidade receptora: a) interação ligante-receptor propriamente dita: expressa quantitativamente pelo termo afinidade, traduz a capacidade da micromolécula se complexar com o sítio complementar de interação; b) produção da resposta biológica: expressa quantitativamente pelo termo atividade intrínseca, traduz a capacidade do complexo ligante-receptor desencadear uma determinada resposta biológica (Wermuth, 1996).

A Tabela 1 ilustra estas considerações com o exemplo das substâncias (6-8) que atuam como ligantes de receptores benzodiazepínicos, onde o fármaco diazepam (5) atua com propriedades agonistas, responsáveis pelo efeito sedante e anticonvulsivante desta classe terapêutica. Vale a pena destacar que as substâncias (6-8) são ligantes com afinidade distintas, uma vez que são reconhecidas diferenciadamente pelos sítios localizados no receptor. Neste caso, o composto pirrolobenzodiazepínico (8) é aquele que apresenta maior afinidade pelo receptor benzodiazepínico, seguido do derivado imidazolobenzodiazepínico (7) e por fim o derivado (6). Uma maior afinidade não traduz a capacidade do ligante produzir uma determinada resposta biológica, como podemos evidenciar pela análise comparativa dos derivados (7) e (6), que apresentam atividades intrínsecas distintas de antagonista e agonista, respectivamente. Considerando-se a ação terapêutica desta classe, predominantemente devida à ação agonista sob receptores benzodiazepínicos, podemos concluir que o derivado (6) é, apesar de apresentar uma menor afinidade por este receptor, um melhor candidato à fármaco que o derivado (7).

Forças relevantes para o reconhecimento molecular: Ligante/sítio receptor

Do ponto de vista qualitativo, o grau de afinidade e a especificidade da ligação micromolécula-(sítio receptor) são determinados por forças intermoleculares: eletrostáticas, de dispersão, hidrofóbicas, ligações de hidrogênio e ligações covalentes (Foye et al., 1995, Gringauz, 1997, Taylor e Kennewell, 1981, Wolff, 1995). Em uma interação fármaco-receptor típica normalmente ocorre uma combinação dessas forças, sendo no entanto necessário estudá-las separadamente, de modo a reconhecer sua natureza e assim propor modelos para interações ligante / sítio receptor.

Forças eletrostáticas

As forças de atração eletrostáticas são aquelas resultantes da interação entre dipolos e/ou íons de cargas opostas, cuja magnitude é diretamente dependente da constante dielétrica do meio e da distância entre as cargas. A água apresenta elevada constante dielétrica (ε = 80), devido ao seu momento de dipolo permanente,

Figura 2: Influência da modificação molecular no mecanismo de ação dos barbituratos (3) e (4).

Figura 3: Modelo chave-fechadura e o reconhecimento ligante-receptor.

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Cadernos Temáticos de Química Nova na EscolaN° 3 – Maio 2001 podendo diminuir as forças de atração e repulsão entre dois grupos carregados e solvatados. Desta forma, na maior parte dos casos, a interação iônica é precedida de desolvatação dos íons, processo que envolve perdas entálpicas e é favorecido pelo ganho entrópico resultante da formação de moléculas de água livres (Figura 4). A força da ligação iônica, ~5 kcal.mol-1, é dependente da diferença de energia da interação íon-íon vs. a energia dos íons solvatados (Figura 4) (Foye et al., 1995, Gringauz, 1997, Taylor e Kennewell, 1981, Wolff, 1995).

Alguns aminoácidos componentes de proteínas apresentam um terceiro grupo ionizável, além da carboxila e do grupo amina, entre os quais forma-se a ligação peptídica. Este terceiro grupo encontra-se ionizado em pH fisiológico (7,4). É o caso dos aminoácidos básicos, arginina e lisina (com carga positiva) e dos aminoácidos ácidos, glutamato e aspartato (com carga negativa). Fármacos que apresentem grupos carregados negativa ou positivamente podem interagir com aminoácidos presentes em proteínas de sítios receptores. O flurbiprofeno (9), antiinflamatório não esteroidal que atua inibindo a enzima prostaglandina endoperóxido sintase (PGHS), provoca sua ação por ligações com resíduos de aminoácidos da enzima, dentre as quais destacase a interação do grupamento carboxilato da forma ionizada de (9) com o resíduo de arginina na posição 120 da seqüência primária desta proteína (Figura 5) (Lages et al., 1998). Vale a pena destacar que uma ligação iônica reforçada por uma ligação de hidrogênio, como no exemplo discutido acima, resulta em expressivo incremento da força de interação de ~10 kcal.mol-1.

Adicionalmente, as forças de atração eletrostáticas podem incluir dois tipos de interações, que variam energeticamente entre 1-7 kcal.mol-1: a) íondipolo, força resultante da interação de um íon e uma espécie neutra polarizável, com carga oposta àquela do íon; e b) dipolo-dipolo, interação entre dois grupamentos com polarizações de cargas opostas (Figura 6) (Foye et al., 1995, Gringauz, 1997, Taylor e Kennewell, 1981, Wolff, 1995). Esta polarização decorrente da diferença de eletronegatividade entre um heteroátomo, por exemplo o oxigênio, e um átomo de carbono, produz espécies que apresentam um aumento da densidade eletrônica do heteroátomo e uma redução da densidade eletrônica sobre o átomo de carbono, como ilustrado na Figura 6, para o grupamento carbonila.

A interação do substrato natural - endoperóxido cíclico de prostaglan- dina H2 (10) - com a enzima tromboxana sintase (TXS) (que contém ferro presente no grupo heme), envolve a formação de uma interação íon-dipolo entre o átomo de ferro do grupamento heme e o átomo de oxigênio em C-1, que apresenta carga parcial negativa (Figura 7). Este reconhecimento molecular que leva à transformação da

PGH2 (10) no autacóide trombogênico tromboxana A2 (TXA2), pode ser explorado no planejamento de fármacos antitrombóticos que atuam como inibidores de TXS (TXSi) (Kato et al., 1985).

Forças de dispersão

Estas forças atrativas, conhecidas como forças de dispersão de London ou interações de van der Walls, caracterizam-se pela aproximação de moléculas apolares apresentando dipolos induzidos. Estes dipolos são resultado de uma flutuação local transiente (10-6 s) de densidade eletrônica entre gru-

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SubstânciaAfinidade do liganteAtividade instrínseca

IC50 = concentração da substância necessária para produzir interação com 50% dos receptores.

Tabela 1: Afinidade e atividade intrínseca de ligantes de receptores benzodiazepínicos.

Figura 4: Interações iônicas e o reconhecimento fármaco-receptor.

Cadernos Temáticos de Química Nova na EscolaN° 3 – Maio 2001 pos apolares adjacentes, que não apresentam momento de dipolo permanente (Foye et al., 1995, Gringauz, 1997, Taylor e Kennewell, 1981, Wolff, 1995). Normalmente, estas interações de fraca energia (0,5-1,0 kcal.mol-1), ocorrem em função da polarização transiente de ligações carbono-hidrogênio (Figura 8) ou carbono-carbono (Figura 9).

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Figura 5: Reconhecimento molecular do flurbiprofeno (9) pelo resíduo Arg120 do sítio ativo da PGHS, via interação iônica (Lages et al., 1998).

Figura 6: Interações íon-dipolo e o reconhecimento fármaco-receptor.

Figura 7: Reconhecimento molecular da PGH2 (10) pelo resíduo Fe-Heme do sítio ativo da tromboxana Sintase, via interação iôn-dipolo.

Figura 8: Interações íon-dipolo pela polarização transiente de ligações carbonohidrogênio.

Apesar de traduzirem fracas energias de interação, as forças de dispersão são de extrema importância para o processo de reconhecimento molecular do fármaco pelo sítio receptor, uma vez que normalmente se caracterizam por interações múltiplas que, somadas, acarretam contribuições energéticas significativas.

Interações hidrofóbicas

Como as forças de dispersão, as interações hidrofóbicas são individualmente fracas (~1 kcal.mol-1), e ocorrem em função da interação em cadeias ou sub-unidades apolares. Normalmente, as cadeias ou sub-unidades hidrofóbicas presentes tanto no sítio receptor como no ligante encontramse organizadamente solvatadas por camadas de moléculas de água. A aproximação das superfícies hidrofóbicas promove o colapso da estrutura organizada da água, permitindo a interação ligante-receptor à custa do ganho entrópico associado à desorganização do sistema (Foye et al., 1995, Gringauz, 1997, Taylor e Kennewell, 1981, Wolff, 1995). Em vista do grande número de sub-unidades hidrofóbicas presentes em peptídeos e fármacos, esta interação pode ser considerada importante para o reconhecimento da micromolécula pela biomacromolécula, como exemplificado na Figura 10 para a interação do fator de ativação

37 Cadernos Temáticos de Química Nova na EscolaN° 3 – Maio 2001 plaquetária (PAF) com o seu bioreceptor, através do reconhecimento da cadeia alquílica C-16 por uma bolsa lipofílica presente na estrutura da proteína receptora.

Ligação de hidrogênio

As ligações de hidrogênio são as mais importantes interações não-covalentes existentes nos sistemas biológicos, sendo responsáveis pela manutenção das conformações bioativas de macromoléculas nobres como α-hélices de proteínas (Figura 1) e interações purinas-pirimidinas dos ácidos nucléicos (Figura 12) (Foye et al., 1995, Gringauz, 1997, Taylor e Kennewell, 1981, Wolff, 1995). Estas interações são formadas en- tre heteroátomos eletronegativos como oxigênio, nitrogênio, enxofre e o átomo de hidrogênio de ligações O-H, N-H e

CF2-H (Erickson e McLoughlin, 1995), como resultado de suas acentuadas polarizações (Figura 13).

Inúmeros exemplos de fármacos que são reconhecidos molecularmente através de ligações de hidrogênio podem ser citados; dentre eles podemos destacar ilustrativamente a interação do antiviral saquinavir (13) com o sítio ativo da protease do vírus HIV-1 (Figura 14) (Leung e Fairlie, 2000). O reconhecimento do inibidor enzimático (13) envolve fundamentalmente a participação de ligações de hidrogênio com resíduos de aminoácidos do sítio ativo, diretamente ou intermediada por moléculas de água (Figura 14).

Ligação covalente

As interações intermoleculares envolvendo a formação de ligações covalentes são de elevada energia, (7-8 kcal.mol-1), considerando que na temperatura usual dos sistemas biológicos (30-40 °C), ligações mais fortes que 10 kcal.mol-1 dificilmente são clivadas em processos não enzimáticos. Isto implica que complexos fármaco-receptor envolvendo ligações desta natureza são raramente desfeitos, culminando com uma inibição

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