Dra Lídia Moreira Lima
Professora Associada, LASSBio-UFRJ
Lima, L M
Lima, L M
 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);
 Combinados 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
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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)
Fármaco inativo
Metabólito ativo
(pró-fármaco)
(Bioativação)
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Metabolismo de Fase 1
Complexo Enzimático
Localização subcelular principal
Citocromo P450 monooxigenases
Microssoma e mitocôndria
Flavina monoamina oxidase
Microssoma
Aldeído desidrogenase
Citosol, microssomal e
Reações metabólicas de
Fase 1: Oxidação,
Redução e Hidrólise
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
Metabolismo de Fase 2
Complexo Enzimático
Localização subcelular principal
Glicuroniltransferase
Microssoma
Glutationatransferase
Citosol
Sulfotransferase
Citosol
Metiltransferases não específicas
Citosol
Catecol o-metil transferase
Citosol
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.
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Distribution of metabolites according to enzyme (super) families or categories. The percentages shown refer to 6967 enzyme
occurrences = 100%; they were rounded to two significant digits. The colour code is as follows: Redox reactions blue;
hydrolyses yellow; conjugations red. Alternating dark and light fields are used simply for graphical clarity.
Testa. B. et al. Drug Discovery Today, 2012, 17, 549-560
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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
Detoxificação
Glutationa (GSH)
Proteínas transportadoras
de efluxo
ligações
covalentes
Estresse oxidativo
Mutações
citotoxicidade
Necrose/apoptose
Aduto fármaco-proteína
Peroxidação lipídica
Malignidades
Excretados
Apoptose
neo-antígenos/haptenos
Injúria-imune ou imunotoxicidade
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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 oxidoreductase (POR) to transfer electrons from NADPH to their
substrate.
*NADH is the reducing cofactor in bacterial and NADPH is the reducing cofactor in all mammalian
POR can directly metabolize a number of drugs by 1-electron reduction reactions. This is particularly
the case for drugs with quinone moieties, including several anticancer prodrugs such as menadione,
mitomycin C, tirapazamine
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CYP450: 57 genes, divididos em 18 famílias e 44 subfamílias
Famílias de
CYP450
humana
CYP1
Membros funcionais
Principais funções
Metabolismo de xenobióticos
Metabolismo de xenobióticos & Metabolismo de esteroides
CYP5
1A1, 1A2, 1B1
2A6, 2A7, 2A13, 2B6, 2C8, 2C9, 2C18,
2C19, 2D6, 2E1, 2F1, 2J2, 2R1, 2S1,
2U1, 2W1
3A4, 3A5, 3A7, 3A43
4A11, 4A22, 4B1, 4F2, 4F3, 4F8,
4F11, 4F12, 4F22, 4V2, 4X1, 4Z1
5A1
CYP7
CYP8
7A1, 7B1
8A1, 8B1
CYP11
CYP17
11A1, 11B1, 11B2
17A1
Esteróide 7-hidroxilase
Síntese de prostaciclina (prostaglandina sintase) e biossíntese de ácidos
biliares
Biossíntese de esteróides
Biossíntese de testosterona e estrogênio (esteróide 17-hidroxilase)
CYP19
19A1
Biossíntese de estrogênio (aromatase)
CYP20
CYP21
CYP24
CYP26
20A1
Desconhecidas
21A2
24A1
26A1, 26B1, 26C1
Biossíntese de esteroides
Metabolismo da vitamina D
Metabolismo do ácido retinóico (hidroxilase da ácido retinóico)
CYP27
27A1, 27B1, 27C1
Biossíntese de ácidos biliares e ativação da vitamina D3
CYP39
CYP46
39A1
46A1
Metabolismo do colesterol
Metabolismo do colesterol (colesterol 24-hidroxilase)
CYP51
51A1
Metabolismo do colesterol (lanosterol 14-demetilase)
CYP2
CYP3
CYP4
Metabolismo de xenobióticos
Metabolismo de ácidos graxos e ácido araquidônico
Síntese de tromboxana A2 (tromboxana sintase)
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H2C
CH3
H3C
N
N
Fe+3
N
N
H3C
CH3
S
Cys
O
OH
CH2
O
OH
Estrutura cristalográfica do CYP3A4 (PDB 4K9W)
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The major drug metabolizing CYP isozymes in humans and other animal species.
Konstandi, M et al. Neuroscience and Biobehavioral Reviews 45 (2014) 149–167
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Fraction of clinically used drugs metabolized by P450 isoforms and factors influencing variability. A total of 248 drug
metabolism pathways with known CYP involvement were analyzed. Each metabolic pathway was only counted once for the major
contributing CYP isoform. Important variability factors are indicated by bold type with possible directions of influence
indicated (↑, increased activity; ↓, decreased activity; ↑↓, increased and decreased activity). Factors of controversial
significance are shown in parentheses.
Zanger, UM et al. Pharmacology & Therapeutics, 2013, 138, 103-141
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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
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•São proteínas ligadas a membrana do retículo endoplasmático liso
(i.e. microssomas) e mitocôndrias
•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
“NADPH-citocromo P450 redutase”
Rev Méd Chile 2004; 132: 85-94
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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+
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
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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, L M




Hidroxilações (Aromática; Benzílica, Alílica, -Heteroátomo; Alifática)
X-Desalaquilações (X= N, O, S)
Epoxidações
Oxidação de heteroátomo (N, S, P)
1. Oxidação Aromática = Hidroxilação Aromática
Pró-quiral
pro-S
pro-R
pro-S
“balanço entre efeito eletrônico & estérico”
Lima, L M
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
CYP450(Fe+3)
N
NIH shift
H
H
E
HO
S
Cys
complexo-
D
O
CYP450(Fe+3)
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.
Guroff, G. et al., Science, 1967,
157 (3796): 1524–1530
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CYP450
Fe
+4
CYP450
O
Fe
+4
espécies deficientes
em elétrons
Grupo
elétron doador
OH
orto
OH
O
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, L M




Hidroxilações (Aromática; Benzílica, Alílica, -Heteroátomo; Alifática)
X-Desalaquilações (X= N, O, S)
Epoxidações
Oxidação de heteroátomo (N, S, P)
1. Oxidação Aromática = Hidroxilação Aromática
Pró-quiral
pro-S
pro-R
pro-S
“balanço entre efeito eletrônico & estérico”
Lima, L M
O
O
OH
CH3
OH
Ph
O
O
HO
Ph
CYP2C9
O
varfarina
H
N
O
O
O
H
CH3
CH3
N
CH3
CYP450
acetanilida
OH
paracetamol
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 ].
HO
N
N
O
N
minaprina
CH3
H
CYP450
N
N
O
N
N
CH3
H
N
traços o e m-OH
Lima, L M
O
CARGA ELETROSTÁTICA
O
OH
CH3
OH
Ph
0,003
-0,206
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, L M
Lima, L M
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)
CH2
O
OH
(2.49)
Lima, L M
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
O
CH3
hidroxi-THC
Lima, L M
CYP3A4
OH
OH
OH
OH
N
N
CH3
terfenadina
CH3
CYP3A4
OH
CH3
CH3
CH3
OH
OH
N
CH3
OH
fexofenadina
CH3
O
CH3
CH3
CH3
HO
CH3
O
CH3
HO
HO
OH
CH3
CYP2C9
O
OH
CH3
O
CH3
ibuprofeno
Lima, L M
CH3
CH3
CH3
O
O
O
O
CYP2C9
CYP2C19
HN
HN
O
ADH
NH
O
HN
NH
NH
OH
O
fenobarbital
primidona
H3C
H3C
O
N
O
N
CYP3A4
N
Cl
diazepam
OH
N
Cl
temazepam
Lima, L M
S
S
N
S
CH3
N
CYP 450
SH
S-dealquilação
N
CH3
N
CH3
tioridazina (antipsicótico)
H3CO
HO
CYP450
O
H
NCH3
HO
O-dealquilação O
O-demetilação
H
NCH3
HO
CODEÍNA
MORFINA
Lima, L M
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
H
CH 3
N
H
CH3
(S) N
Cl
(S) N
H
(S)
CYP 3A4
N-demetilação
Cl
Cl
H
(S)
Cl
demetilsertraline
sertraline
Zoloft®, Pfizer
SSRIAntidepresivo
Metabólito ativo
t1/2= 60-100 h
Inibidor Enzimático da CYP 2D6
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sedative-hypnotic
Mandrioli, R. et al, Current Drug Metabolism, 2010, 11, 815-829
Lima, L M
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
(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
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O
não-genotóxico
O
O
H
O
O
O
O
CYP1A2
O
H
O
H
O
O
H
CYP3A4/2A6
O
Aflatoxina B1
O
OCH3
H
O
OCH3
Hepatocarcinógeno
(câncer de fígado: China & África)
micotoxina encontrada
em alimentos (e.g.
amendoim, milho).
Produzida por fungos
Aspergillus
http://www.cib.org.br/pdf/biotech09.pdf
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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
CH3
CH3
CH3
F
CH3
N
OH
hidroxilamina
F
H
H
CYP
N
H
OH
>>hidroxilamina
amina 1ª
O
CYP
N
N-óxido
O
0% nitro
CH3
N
+
H
N
O
<<<nitroso
N
H
O
N-óxido
Lima, L M
O
O
O
S
N
H
N
O
CYP3A4
CH3
O
N
O
S
CH3
N
H
CYP1A2
HO
N
H
>>
H2N
O
sulfametoxazol
O
S
N
H
N
O
CH3
O
N
<<
O
O
CH3
CH3
N
H
CYP450
N
OH
FMO
N-acetilaminofluoreno
amida 2ª ou 1ª
N-hidroxiacetilaminofluoreno
(Pró-carcinogênico)
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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
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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, L M
CH3
CH3
O
N
O
N
CH3
CH3
CYP2D6
(2B6; 2C9; 2C19; 3A4)
CH3
Polimorfismo Genético CYP2D6
CH3
OH
Metabolizador lento
4-OH-tamoxifeno
tamoxifeno
metabólito ativo
CYP3A4
(2C9, etc)
CYP3A4
(2C9, etc)
H
H
O
N
O
CH3
N-demetil-tamoxifeno
N
CH3
Metabolizador rápido
Aumento da eficácia
(↑efeito antitumoral)
CYP2D6
(2B6; 2C9; 2C19; 3A4)
CH3
Perda da eficácia
(↓efeito antitumoral)
CH3
metabólito ativo
OH
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).
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Farmacogenômica
1/3 obtém benefício
terapêuticos
Genotipagem
& Fenotipagem
Medicina
Personalizada
Efeitos adversos
7% das hospitalizações (EUA)
CYP2C9*2 ou CYP2C9*3 têm maior
susceptibilidade
a complicações hemorrágicas com o
tratamento com warfarina
comorbidades, diferenças
na farmacocinética e
farmacodinâmica dos
medicamentos, fatores
ambientais e genéticos
Monçores et al. Rev SOCERJ. 2008;21(3):184-193
Lima, LM©
Lima, L M