David E. Golan - Princípios de Farmacologia - A Base Fisiopatológica da Farmacoterapia, 2ª Edição (Guanabara Koogan)

David E. Golan - Princípios de Farmacologia - A Base Fisiopatológica da...

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Fundamentais Fundamentais de Farmacologiade Farmacologia

Por que determinado fármaco afeta a função cardíaca, enquanto outro altera o equilíbrio da água e dos íons nos rins? Por que o ciprofloxacino mata efetivamente as bactérias, porém raramente prejudica o paciente? Essas perguntas podem ser respondidas se examinarmos, em primeiro lugar, a interação entre determinado fármaco e seu alvo molecular específico e, em seguida, considerarmos o papel dessa ação dentro de um contexto fisiológico mais amplo. Este capítulo enfoca os detalhes moleculares das interações fármaco–receptor, enfatizando a variedade de receptores existentes e seus mecanismos moleculares. Essa discussão fornece uma base conceitual para a ação dos numerosos fármacos e classes de fármacos considerados neste livro. Serve também como base para o Cap. 2, que analisa as relações quantitativas entre as interações fármaco–receptor e os efeitos farmacológicos.

Embora os fármacos possam, teoricamente, ligar-se a quase qualquer tipo de alvo tridimensional, a maioria dos fármacos produz seus efeitos desejados (terapêuticos) através de uma interação seletiva com moléculas-alvo, que desempenham importantes papéis na função fisiológica e fisiopatológica. Em muitos casos, a seletividade da ligação do fármaco a determinados receptores também estabelece os efeitos indesejáveis (adversos) de um fármaco. Em geral, os fármacos são moléculas que interagem com componentes moleculares específicos de um organismo, produzindo alterações bioquímicas e fisiológicas dentro desse organismo. Os receptores de fármacos são macromoléculas que, através de sua ligação a determinado fármaco, medeiam essas alterações bioquímicas e fisiológicas.

n Caso

Decidido a aproveitar a sua recente aposentadoria, o Sr. B fez questão de passar a jogar tênis o mais freqüentemente possível no ano passado. Nos últimos 3 meses, entretanto, começou a sentir-se cada vez mais cansado. Além disso, hoje em dia, ele não consegue mais terminar as refeições, apesar de sempre ter sido um “bom garfo”. Preocupado e querendo saber o motivo desses sintomas inespecíficos, o Sr. B marcou uma consulta com o seu médico. Durante o exame físico, o médico percebe um baço aumentado, que se estende até cerca de 10 cm abaixo do arco costal esquerdo; nos demais aspectos, o exame físico do Sr. B encontra-se dentro dos limites normais. O exame de sangue revela aumento na contagem total de leucócitos (70.0 células/mm3), com aumento absoluto no número de neutrófilos, bastonetes, metamielócitos e mielócitos, porém sem células blásticas (células precursoras indiferenciadas). A análise citogenética das células em metáfase demonstra que 90% das células mielóides do Sr. B possuem o cromossomo Filadélfia (indicando uma translocação entre os cromossomos 9 e 2), confirmando o diagnóstico de leucemia mielóide crônica. O médico prescreve um tratamento com imatinibe, um inibidor altamente seletivo da BCR-Abl tirosinocinase, que é codificada pelo cromossomo Filadélfia. No mês seguinte, as células contendo o cromossomo Filadélfia desaparecem por completo do sangue circulante, e o Sr. B começa a sentir-se bem o suficiente para competir num torneio de seniores. O Sr. B continua tomando imatinibe diariamente, e as contagens hematológicas estão totalmente normais. O Sr. B não

Interações Fármaco–Receptor 1

Christopher W. Cairo, Josef B. Simon e David E. Golan

Introdução Caso Conformação e Química dos Fármacos e dos Receptores

Impacto da Ligação do Fármaco sobre o Receptor Efeitos das Membranas sobre as Interações Fármaco–Receptor

Determinantes Moleculares e Celulares da Seletividade dos

Fármacos

Principais Tipos de Receptores de Fármacos

Canais Iônicos Transmembrana Receptores Transmembrana Acoplados à Proteína G Receptores Transmembrana com Domínios Citosólicos

Enzimáticos Receptores com Tirosinocinases

Receptores com Tirosinofosfatases Receptores Associados a Tirosinocinase Receptores com Serina/Treoninocinases Receptores com Guanilil Ciclases

Receptores Intracelulares Enzimas Extracelulares Receptores de Adesão da Superfície Celular

Processamento de Sinais Decorrentes de Interações

Fármaco–Receptor

Regulação Celular das Interações Fármaco–Receptor Fármacos que não se Enquadram no Modelo de Fármaco–Receptor Conclusão e Perspectivas Futuras Leituras Sugeridas

4 | Capítulo Um sente mais fadiga. Ele não tem certeza do que o futuro lhe reserva, porém sente-se feliz por ter tido a chance de aproveitar a sua aposentadoria de uma maneira saudável.

n 1. De que maneira a tirosinocinase do receptor BCR-Abl afeta as vias de sinalização intracelulares? n 2. Como o imatinibe interrompe a atividade da proteína BCR-

Abl? n 3. Ao contrário do imatinibe, a maioria dos tratamentos mais antigos para leucemia mielóide crônica (como interferona- ) produzia efeitos colaterais de tipo gripal significativos. Por que essas terapias provocam efeitos adversos significativos na maioria dos pacientes, enquanto o imatinibe (como neste caso) só produz efeitos colaterais em um número muito pequeno de pacientes? n 4. Por que o imatinibe constitui uma terapia específica para a leucemia mielóide crônica? Essa especificidade está relacionada com a ausência de efeitos colaterais associada à terapia com imatinibe?

Por que o imatinibe atua especificamente sobre a tirosinocinase do receptor BCR-Abl, e não sobre outras moléculas? A resposta a essa pergunta e a compreensão da razão pela qual determinado fármaco liga-se a um receptor específico podem ser encontradas na estrutura e nas propriedades químicas das duas moléculas. A presente seção irá discutir os determinantes básicos da estrutura dos receptores e química da ligação fármaco–receptor. A discussão aqui prioriza principalmente as interações dos fármacos, que são pequenas moléculas orgânicas, com receptores-alvo, que consistem principalmente em macromoléculas (especialmente proteínas); entretanto, muitos desses princípios também se aplicam às interações de produtos terapêuticos à base de proteína com seus alvos moleculares (ver Cap. 53).

Como muitos dos receptores de fármacos humanos e microbianos consistem em proteínas, é conveniente proceder a uma revisão dos quatro principais níveis de estrutura das proteínas (Fig. 1.1). Em seu nível mais básico, as proteínas consistem em longas cadeias de aminoácidos, cujas seqüências são determinadas pelas seqüências do DNA que codificam as proteínas. A seqüência de aminoácidos de uma proteína é conhecida como estrutura primária. Após a síntese de uma longa cadeia de aminoácidos sobre um ribossomo, muitos dos aminoácidos começam a interagir com aminoácidos adjacentes na cadeia polipeptídica. Essas interações resultam na estrutura secundária da proteína, formando conformações bem definidas, como hélice , lâminas pregueadas e barril . Em conseqüência de sua forma altamente organizada, essas estruturas com freqüência se acondicionam firmemente entre si, definindo ainda mais a forma global da proteína. A estrutura terciária resulta da interação dos aminoácidos mais distais entre si ao longo de uma cadeia simples de aminoácidos. Essas interações incluem a formação de ligações iônicas e a ligação covalente de átomos de enxofre para formar pontes de dissulfeto intramoleculares. Por fim, os polipeptídios podem sofrer oligomerização, formando estruturas mais complexas. A conformação que resulta da interação de polipeptídios separados é denominada estrutura quaternária.

As diferentes porções que compõem a estrutura de uma proteína geralmente apresentam afinidades distintas pela água, e essa característica possui um efeito adicional sobre a forma da proteína. Como tanto o meio extracelular quanto o intracelular são compostos primariamente de água, os segmentos protéicos hidrofóbicos estão freqüentemente recolhidos no interior da proteína ou protegidos da água pela sua inserção em membranas de dupla camada lipídica. Em contrapartida, os segmentos

Primária Aminoácidos

Hélice alfaHélice alfa

Lâmina β pregueada

Lâmina beta

Secundária Terciária

Quaternária

Fig. 1.1 Níveis de estrutura das proteínas. A estrutura de uma proteína pode ser dividida em quatro níveis de complexidade, conhecidos como estrutura primária, secundária, terciária e quaternária. A estrutura primária é determinada pela seqüência de aminoácidos que compõem a cadeia polipeptídica. A estrutura secundária é determinada pela interação de átomos de hidrogênio de carga positiva com átomos de oxigênio de carga negativa em carbonos da mesma cadeia polipeptídica. Essas interações resultam em diversos padrões secundários característicos de conformação da proteína, incluindo a hélice e a lâmina pregueada. A estrutura terciária é determinada por interações de aminoácidos que estão relativamente distantes no arcabouço da proteína. Essas interações, que incluem ligações iônicas e ligações de dissulfeto covalentes (entre outras), conferem às proteínas a sua estrutura tridimensional característica. A estrutura quaternária é determinada pelas interações de ligação entre duas ou mais subunidades protéicas independentes.

Interações Fármaco–Receptor | 5 hidrofílicos freqüentemente localizam-se na superfície externa da proteína. Uma vez concluído todo esse processo de torção e dobramento, cada proteína assume uma forma peculiar que determina a sua função, a sua localização no corpo, a sua relação com as membranas celulares e as interações de ligação com fármacos e outras moléculas.

O sítio de ligação refere-se ao local onde o fármaco liga-se ao receptor. Cada sítio de ligação de fármacos possui características químicas singulares, que são determinadas pelas propriedades específicas dos aminoácidos que compõem o sítio de ligação. A estrutura tridimensional, a forma e a reatividade do sítio, bem como a estrutura inerente, a forma e a reatividade do fármaco, determinam a orientação do fármaco em relação ao receptor e estabelecem a intensidade de ligação entre essas moléculas. A ligação fármaco–receptor resulta de múltiplas interações químicas entre as duas moléculas, algumas das quais são bastante fracas (como as forças de van der Waals), enquanto outras são extremamente fortes (como a ligação covalente). A soma total dessas interações proporciona a especificidade da interação fármaco–receptor global. A favorabilidade de uma interação fármaco–receptor é designada como afinidade do fármaco pelo seu sítio de ligação no receptor. Esse conceito é discutido de modo mais pormenorizado no Cap. 2. A química do ambiente local onde ocorrem essas interações — como hidrofobicidade, hidrofilicidade e pKa dos aminoácidos próximo ao sítio de ligação — também pode afetar a afinidade da interação fármaco–receptor. As principais forças que contribuem para a afinidade fármaco–receptor são descritas adiante e no Quadro 1.1.

As forças de van der Waals, que resultam da polaridade induzida em uma molécula em conseqüência da mudança de densidade de seus elétrons, proporcionam uma força fraca de atração para os fármacos e seus receptores. Essa polaridade induzida constitui um componente ubíquo de todas as interações moleculares. A ligação de hidrogênio, mediada pela interação entre átomos de polarização positiva (como o hidrogênio fixado ao nitrogênio ou oxigênio) e átomos de polarização negativa (como o oxigênio, o nitrogênio ou o enxofre), resulta em ligações de força significativa. As ligações de hidrogênio produzem lâminas pregueadas e hélices em sua estrutura. As interações iônicas, que ocorrem entre átomos de cargas opostas, são mais fortes do que as ligações de hidrogênio, porém menos intensas do que as ligações covalentes. A ligação covalente resulta do compartilhamento de um par de elétrons entre dois átomos em diferentes moléculas. As interações covalentes são tão fortes que, na maioria dos casos, são essencialmente irre- versíveis. O Quadro 1.1 indica o mecanismo de interação e a força relativa de cada um desses tipos de ligação. Conforme assinalado anteriormente, o ambiente onde ocorre a interação entre fármacos e receptores também afeta a favorabilidade da ligação. O efeito hidrofóbico refere-se ao mecanismo pelo qual as propriedades singulares do solvente universal, a água, intensifica a interação de uma molécula hidrofóbica com um sítio de ligação hidrofóbico.

A ligação fármaco–receptor raramente é produzida por um único tipo de interação; na verdade, é uma combinação dessas interações de ligação que proporciona ao fármaco e a seu receptor as forças necessárias para formar um complexo fármaco–receptor estável. Em geral, a maioria das interações fármaco–receptor é constituída por múltiplas forças fracas: uma interação fármaco–receptor típica pode consistir em 10 ou mais interações de van der Waals e em algumas ligações de hidrogênio; as interações iônicas e a ligação covalente são muito menos comuns. Por exemplo, o imatinibe estabelece numerosas interações de van der Waals e ligações de hidrogênio com o sítio de ligação do ATP na BCR-Abl tirosinocinase. A soma total dessas forças cria uma forte interação (alta afinidade) entre esse fármaco e seu receptor (Fig. 1.2).

Apesar de serem relativamente raras, as interações covalentes entre um fármaco e seu receptor representam um caso especial. Com freqüência, a formação de uma ligação covalente é essencialmente irreversível, e nesses casos o fármaco e o receptor formam um complexo inativo. Para readquirir a sua atividade, a célula precisa sintetizar uma nova molécula de receptor para substituir a proteína inativada; por outro lado, a molécula do fármaco que também faz parte do complexo inativo não está disponível para inibir outras moléculas do receptor. Os fármacos que modificam seus receptores-alvo (freqüentemente enzimas) através desse mecanismo são algumas vezes denominados substratos suicidas.

A estrutura molecular de um fármaco é que determina as propriedades físicas e químicas que contribuem para sua ligação específica ao receptor. Os fatores importantes incluem a hidrofobicidade, o estado de ionização (pKa), a conformação e a estereoquímica da molécula do fármaco. Todos esses fatores combinam-se para estabelecer a complementaridade do fármaco com o sítio de ligação. As bolsas de ligação dos receptores são altamente específicas, e pequenas alterações no fármaco podem ter um acentuado efeito sobre a afinidade da interação fármaco–receptor. Por exemplo, a estereoquímica do fármaco possui grande impacto sobre a força da interação de ligação. A varfarina é sintetizada e administrada como mistura racê-

QUADRO 1.1 Força Relativa das Ligações entre Receptores e Fármacos van der WaalsA mudança de densidade de elétrons em áreas de uma molécula ou em uma molécula como um todo resulta na geração de cargas positivas ou negativas transitórias. Essas áreas interagem com áreas transitórias de carga oposta sobre outra molécula.

Hidrogênio Os átomos de hidrogênio ligados ao nitrogênio ou oxigênio tornam-se mais positivamente polarizados, permitindo a sua ligação a átomos de polarização mais negativa, como oxigênio, nitrogênio ou enxofre.

Iônica Os átomos com excesso de elétrons (conferindo ao átomo uma carga negativa global) são atraídos por átomos com deficiência de elétrons (conferindo ao átomo uma carga positiva global).

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