Metabolismo de xenobioticos primera parte






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TRANSCRIPCION DE QUIMICA MEDICINAL I

9 DE SETIEMBRE DE 2008

ALFONSO PEREIRA

ASPECTOS DEL EXAMEN

Aspectos que se evaluarán en el primer parcial:

Temas 1 al 8 Aspectos Básicos.

El Tema 9 muestra algunos ejemplos de fármacos con actividad anticancerígena comentados en clase (Referencia)

El Dr. Recomienda que leamos un poco lo que está en el libro (Avendaño) y se compare con las clases. Las clases muestran los aspectos más importantes de estudiar del libro.

Los temas del examen están subdivididos:

  1. Estrategias para el diseño de nuevos fármacos. Los temas de Reacciones Orgánicas y Grupos Protectores son para preparar los seminarios.

  2. Farmacóforo. Identificación.

  3. Profármacos. A partir de una estructura identificar que grupo puede ser protegido para diseño de un profármaco

  4. Metabolismo.

  5. Transporte.

Hay un seminario de transporte de proteínas que entra en el examen. Este seminario concluye el tema de metabolismo.

METABOLISMO DE XENOBIOTICOS PRIMERA PARTE

INTRODUCCION




Metabolismo de Xenobióticos

Los xenobióticos son compuestos externos al organismo. El hombre dentro del proceso evolutivo ha desarrollado un proceso para poder excretar los compuestos xenobióticos, específicamente los que son lipofílicos. Las drogas de carácter lipofílico si no pasan por el hígado se pueden reabsorber y mantener su efecto. En caso de un fármaco que genere un compuesto tóxico estaría generando un compuesto tóxico en el organismo. Por lo anterior deben existir reacciones de biotransformación de primera fase y posteriormente, con el objeto de que sean más hidrofílicas, se puedan excretar con reacciones de segunda fase (conjugaciones).

Compuestos orgánicos que ingresan al organismo son relativamente liposolubles (lipofílicos: difusión pasiva)

    • Sin transformarse sufrirían reabsorción en túbulos renales, con mantenimiento del efecto biológico

    • Metabolismo a compuestos hidrosolubles aumenta eliminación

Fármacos y compuestos no esenciales para el organismo (xenobióticos) pueden representar un problema para la salud.

Características lipofílica facilitan paso a través de las membranas y a su vez obstaculizan su eliminación.

Es esencial que los fármacos y xenobióticos sufran cambios químicos en el organismo por enzimas especializadas

En el momento de la eliminación las moléculas deben poseer características físico-químicas particulares: Pulmon ► gaseoso Orina ► hidrosoluble

Metabolismo no es sinónimo de biotransformación, ya que el primero se establece para procesos esenciales del estado nutricional de un organismo que se caracteriza por cambios en la estructura química de diversos sustratos enzimáticos; y la segunda es la alteración química que sufre un medicamento o cualquier otra sustancia exógena durante su paso por el organismo

  • Hígado ► principal sitio de metabolismo

  • Riñones, intestinos, glándulas suprarrenales, pulmones, piel, plasma, otros.

  • Biotransformación ► constante, aunque influyen variaciones inter e intra sujetos.



UNA CARACTERÍSTICA DE CASI TODAS LAS BIOTRANSFORMACIONES, ES QUE LOS PRODUCTOS METABÓLICOS SON MÁS POLARES QUE LOS FÁRMACOS ORIGINALES.

Algunos ejemplos:

Codeína ► Morfina

Imipramina ► Desipramina

Fenacetina ► Paracetamol

VIAS DE METABOLISMO

Reacciones de fase I (Biotransformación o funcionalización): introducción de un nuevo grupo funcional a las moléculas, modificación de un grupo ya existente o exposición de un grupo funcional.

Reacciones de fase II (conjugaciones): enmascaramiento de grupos en la molécula por adición de nuevos grupos lo cual aumenta la polaridad (enlace covalente).

Factores que Afectan el Metabolismo

  1. Genéticos ► polimorfismo (expresión de enzimas). Estos hacen que el metabolismo sea más lento o más rápido

  2. Fisiológicos ►edad, hormonas, sexo, embarazo, cambios en la microflora, estado nutricional, enfermedad.

  3. Farmacodinámicos ►dosis (sobre todo si es muy alta), frecuencia, vía de administración (en algunos casos el fármaco dependiendo de la vía se metaboliza muy rápido y es excretado sin ejercer una acción terapéutica concreta), distribución, unión a proteínas.

  4. Ambientales ► competición.

La mayoría de fármacos cuando son administrados por vía oral, son absorbidos algunos en el estómago y otros en el instestino, dependiendo de la forma farmacéutica así será el sitio de absorción, por ejemplo tabletas con cubierta entérica se absorben en el instestino y de alguna forma van a pasar al hígado. La dosis que es administrada, está ajustada, a que una parte sea metabolizada y la otra logre alcanzar concentraciones plasmáticas en sangre y ejerza el efecto terapéutico deseado.

Reacciones de Fase I

Más de 17 isoformas CYP450:

*Metabolismo de fármacos en hígado = 3A4, 3A5,

2C, 1A2, 2E1, 2A6, 2B6

*3A y 2C ► fármacos

* 1A2 ► 6 sustancias ambientales

Tenemos una tabla (ver más adelante) donde un fármaco es metabolizado por las distintas isoformas del CYP450. Si este fármaco es administrado con otro fármaco que se metaboliza por el mismo CYP la concentración plasmática se va a aumentar y su efecto terapéutico va a ser prolongado o excesivo. Los efectos adversos de los fármacos se deben en parte a la capacidad de unirse a los CYP. Por ejemplo, el empleo de antidepresivos junto con Hierba de San Juan. La hierba de san Juan ocupa y restringe al CYP. Los receptores de Serotonina van a ser sobreestimulado, generando un efecto no deseado.

Otro ejemplo, es el empleo de compuestos antirretrovirales y ajo. Los cuales originan un efecto opuesto, es decir lo activa (al CYP) y los antorretrovirales son metabolizados de forma muy rápida que no ejercen ningún efecto.

Es necesario tener cuidado a la hora de combinar fármacos, ya que estas combinaciones pueden originar metabolitos tóxicos y no alteren la función del CYP.

Reacciones de Fase I

a) OXIDACIÓN CATALIZADA POR CYP450

- Cadenas de carbono

- Arenos y óxidos de areno

- O, N y S desalquilación

- N-oxidación de aminas terciarias

b) OXIDACIÓN NO CATALIZADA POR CYP450

- Reacciones catalizadas por nucleótidos de flavina (FAD) como co-factor

* S-oxidación

* S-reducción

* Desulfuración

- Oxidación de alcoholes y aldehídos

c) REACCIONES DE REDUCCIÓN

- Azoreducciones

- Deshalogenación reductora

- Reducción de cetonas

- Reducción de nitroderivados

- Reducción de dobles enlaces

d) REACCIONES DE HIDRÓLISIS

- Ésteres

- Metabolismo de nitrilos

- Amidas

Reacciones de Fase II

a) CONJUGACIÓN CON ÁCIDO GLUCORÓNICO

b) CONJUGACIÓN CON SULFATO

c) ACETILACIÓN

d) METILACIÓN

e) CONJUGACIÓN CON GLUTATION

f) CONJUGACIÓN CON AMINOÁCIDOS

Recordemos los sitios de biotransformación:

Muchos tejidos:

    • Hígado es el órgano principal (enzimas, perfusión sanguínea)

    • Intestino

      • Sulfatación

      • Esterasas (pro-drogas) y lipasas

      • Reducción de grupos aromáticos y azo-compuestos

      • β-glucuronidasas (ciclo entero-hepático y reciclaje)

    • Riñones, pulmones, glándulas adrenales, placenta, cerebro y piel (más sustrato selectivo y limitada a tipos de reacción)

El CYP al ser una proteína va a estar en la pared celular de las células, pero básicamente en el Retículo Endoplasmático



La figura muestra el ejemplo de una droga (Felodipina) que se administra VO, se absorbe en el instestino y es metabolizado por el CYP3A4, en un porcentaje, posteriormente, en reacciones de Fase II es conjugado y excretado del organismo, como línea general.




Desaminación Oxidativa

Tenemos una amina, por ejemplo. Luego ocurre la hidroxilación, se pierde la amina. Se obtiene una cetona si es apartir de una amina secundaria. Posteriormente la cetona es reducida y por reacciones de segundo orden es excretada. Algunos ejemplos de aminas primarias (dopamina, noradrenalina y serotonina) que son oxidadas por la Monoaminoxidasa (MAO).



A continuación se muestran las transformaciones más comunes de fase I



Citocromo P 450

Recordemos que el CYP450 tiene un grupo Heme. Este grupo HEME contiene un cofactor con Hierro. Este grupo hierro puede ser oxigenado y posteriormente transfiere un electrón



¿Qué tipo de unión se da entre el sustrato (xenobiótico) y el CYP450?

    • Puentes de hidrógeno

    • Enlace hidrofóbico

    • Atracción electrostática

Cytochrome P450 están integrados a proteínas de membranas encontradas en los retículos endoplasmáticos





Existen %7 diferentes Isoenzimas en humanos, aproximadamente 7700 en la Naturaleza.

Las isoenzimas son catalíticamente y estructuralmente muy similares pero difieren en la secuencias de aminoácidos las cuales le confieren características.

¿Qué tipo de unión se da entre el sustrato y el CYP450?

    • Enlace hidrofóbico

  • ¿Por qué?

    • La afinidad por el sustrato, regioselectividad y la velocidad de reacción son probablemente consecuencia de las condiciones topográficas del sitio activo de las apoproteínas (sustrato hidrofóbico)



Debido al gran número de isoenzimas y su habilidad por interaccionar con diferentes sustratos, el metabolismo de fármacos puede ser alterados fácilmente al suministrarse un segundo fármaco.

Las siguientes tablas muestran las isoenzimas del CYP450 y los fármacos metabolizados por ellas. Estas tablas son importantes para entender las interacciones farmacológicas.







Por ejemplo, podemos ver que la isoenzima 1A2 metaboliza cafeína y estradiol como esteroide, naproxeno, acetaminofén. Por ejemplo, la cimetidina, un potente H2, es metabolizado por 1A2 y 2D6. Por lo tanto tenemos dos isoenzimas del CYP450 que metabolizan el mismo fármaco, lo cual está muy bien, pero, en algunos casos si tenemos cimetidina administrada en conjunto con jugo de grapefruit, no vamos a tener tanto problema porque tenemos tres isoenzimas que lo van a metabolizar. El ejemplo clásico, es el uso de jugo de Grapefruit no debe ser tomado junto con eritromicina ya que se metabolizan en la misma isoenzima, produciendo una interacción.

Reacciones Clásicas para Citocromo P-450

En el caso de anillos aromáticos simplemente ocurre una hidroxilación. Si hay dobles enlaces se forman epóxidos. En caso de arilos (grupos benceno) oxida la posición alfa (introduce un OH). En caso de alilos introduce un OH. Para cetonas introduce un OH en la posición alfa al carbonilo. Con cadenas alifáticas ocurren hidroxilaciones. Estas reacciones permiten un aumento de la hidrosolubilidad y una posterior conjugación (Rxns de II Fase) para que sea excretado.




Reacciones para Flavina Monooxigenasa

Flavin Adenosine Dinucleotide (FAD)

Oxidación de anillo aromáticos

Cada vez que se vea un anillo aromático, lo más probable que ocurra, es una hidroxilación, posteriormente será oxidado y conjugado para ser excretado del organismo.



En el caso de aminas primarias, secundarias, reacciones de monoxigenasa en combinación con Flavina.

La p-cloroanfetamina, presenta en su estructura un fenil-etil-amina (por lo tanto atraviesa BHE). El anillo aromático va a sufrir epoxidación y posteriormente la hidroxilación. Ocurre un rearreglo del cloro en el anillo aromático. Esto genera radicales y cuando está en forma de epóxido, lo más probable es que ocurra un reordenamiento de la molécula. El grupo OH permite conjugarse con ácido glucorónido y es excretado del organismo. También puede ocurrir una desaminación oxidativa



Retornando al tema de oxidación de anillos aromáticos

Primero ocurre una epoxidación, luego se abre el epóxido, se generan radicales libres, los cuales no son deseables. Cada vez que veamos un fármaco con anillo aromático lo más probable que ocurra es una oxidación, luego formación de epóxido, generación de radicales libres y una base abre el epóxido y forma un enlace covalente irreversible (y si por ejemplo es el ADN daña a esas células).



TAREA

BUSCAR LAS ESTRUCTURAS DE EDULCORANTES, AMARILLO NUMERO CINCO, ROJO 40 Y AZUL Y PREDECIR SUS METABOLITOS MEDIANTE REACCIONES DE FASE I Y II. ESTOS METABOLITOS TIENEN ESTRUCTURAS MUY COMPLEJAS DIFICILES DE EXCRETAR POR EL ORGANISMO

Aspartame

Los benzopirenos se generan en el humo de las combustiones que igualmente son epoxidados y unirse a una base nitrogenada como la guanosina, adenosina, entre otras que abren el epóxido que se une al ADN (durante la fase de duplicación del Ciclo Celular) y forma un aducto irreversible con benzopireno que es bastante tóxico. El olor del humo de quemar basura es benzopireno

Hidroxilación de anillo aromáticos

Luego de la formación del epóxido por CYP, la molécula puede: rearreglarse, hidroxilarse por efecto del agua, unirse con Glutation S- transferasa (GSH) o bien unirse a una macromolécula como ADN o algunas proteínas.



X: Macromolécula como ADN, algunas proteínas



La clorpromazina al tener en su estructura CH2CH2CH2N esto nos indica que atraviesa BHE y lo que va a ocurrir es una hidroxilación en la posición señalada



Para la fenitoína si se hacen experimentos en perros se observan diferentes hidroxilaciones, con respecto al hombre, esto debido a las diferencias del CYP de ambas especies, es decir, generan distintos metabolitos. No es extrapolable la información toxicológica obtenida en animales a los humanos. El grupo de voluntarios de Fase I son sujetos de experimentación y pueden sufrir efectos tóxicos de los fármacos no demostrados en animales.



En la carbamazepina igual ocurro epoxidación, luego una hidrolasa se encarga de introducir un grupo OH, se conjuga con ácido glucorónido y es excretado del organismo.



En el caso de alquenos, tenemos una sola posición, bastante expuesta, ocurre la epoxidación y posteriormente conjugación con una macromolécula (ej. ADN, guanina) de manera irreversible que daña la célula, por errores en la síntesis protéica, disfunción. =Metabolismo de aflatoxinas

Epoxidación como vía de biotoxificación

En algunos casos, compuestos como el secobarbital, se unen irreversiblemente al CYP450 dañándolo. Causan destrucción de citocromo P-450 Se cree que la olefina se activa a un intermediario muy reactivo que se une en forma covalente a la porción heme. Entonces, en lugar de desintoxicar al organismo, ocurre lo contrario (lo intoxica)

  • “pigmentos verdes” (protoporfirinas N-alquiladas)





Igual forma oxidaciones en carbonos alílicos, pero en este caso son bencílicos (posición bencílica al anillo aromático ocurre la hidroxilación y posteriormente vienen reacciones de segunda fase y excreción.

Ejemplos de posiciones bencílicas con respecto al anillo aromático, que son fácilmente oxidados tenemos (se señalan con flechas):





Reacciones de Oxidación de carbonos alílicos (Hidroxilar en posición alfa al doble enlace, en el carbono alfa a un anillo aromático con todos sus enlaces conjugados y protones alfa al carbonilo) son importantes para el diseño de fármacos y para eliminarlos.

  • Actividad conservada en algunos casos.

  • Generalmente el trans alcohol es más formado en humanos

Buscar la posición bencílica del THC para ser hidroxilado.



Se observa competencia por la Hidroxilación

Otro ejemplo:



En el siguiente ejemplo ocurre hidroxilación en el carbono 3` para el hexobarbital (posición alfa al doble enlace)



Por otra parte tenemos,



Oxidación de carbonos a a carbonilos e iminas

  • Benzodiacepinas: Diazepam, estereoselectividad

  • Como vía metabólica, generalmente limitada extensión.

El carbono 3 es la posición alfa al carbonilo activa donde ocurre la hidroxilación





Para el metoprolol tenemos dos protones bencílicos donde ocurre la hidroxilación esteroselectiva del carbono 1`

La estructura Fenil-Etil-Amino (por ejemplo de la anfetamina) permite atravesar BHE, llegar al SNC, neurotransmisor



Para Aminas tenemos:

La regla general establece: identificar la amina primaria, se hace el clivaje oxidativo, pueden formar también hidroxilamina hasta el grupo nitro. En el caso de compuestos aromáticos, ya que son mayoría, se forman hidroxilaminas aromáticas y su posterior oxidación hasta el grupo nitro. Las amidas forman hidroxilamidas.









Ocurren para aminas secundarias y amidas los dos procesos anteriores (N-dealquilación y N-oxidación) donde se oxidan y clivan.







Ocurre una desmetilación de amina terciaria a amina secundaria. También está la posición bencílica que puede ser hidroxilado. La estructura fenil- etil- amina permite atravesar BHE, se va a SNC.



Fármacos cuentan con mecanismos específicos para ser excretados.

La amina terciaria, pasa a amina secundaria, luego a amina primaria, posteriormente se oxida, se cliva y se obtienen los distintos metabolitos.









Tanto el fármaco como su metabolito tienen efecto terapéutico. El pentobarbital fue utilizado por la CIA en Centroamérica como “suero de la verdad” junto con otros fármacos similares.



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