Repaso sobre interacción fármaco-diana
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| Química Medicinal I 26/agosto/08 Fabio Achí Repaso sobre interacción fármaco-diana En la clase pasada se vio que cuando se habla de receptores de tipo proteinquinasa o proteínas G acopladas a un canal de calcio, estos se representan como estructuras en la membrana celular, pero siempre hay que recordar ver estas representaciones como una secuencia de aminoácidos. E  Figura 1. Modelo de la interacción de un fármaco con su diana. n el ejemplo de la figura 1 se observa una superposición de moléculas, en la cual se busca optimizar la unión del fármaco con la diana. La idea es no ver a la proteína como si fuese un “manto” o algo similar, sino como un conjunto de aminoácidos. En el caso de la figura, lo que se observa es un diagrama de volumen de la proteína, no su estructura de aminoácidos (láminas α, β, etc.). Los grupos funcionales amino y carboxilo de los aminoácidos que constituyen a la proteína forman enlaces peptídicos en ciertos ángulos, buscando la conformación mas estable, y es esto lo que le da su forma a la misma. Esta va a ser susceptible a interaccionar con un fármaco, el cual no sólo lo hace superficialmente sino que puede introducirse profundamente como se aprecia en la figura, generando un cambio conformacional que se va a traducir en actividad biológica. En la figura se tiene un fármaco (verde y rojo) que compite por el mismo sitio activo con un sustrato natural (amarillo). En caso de que el fármaco no se uniese al mismo sitio activo que el sustrato natural, podría unirse a un sitio alostérico y provocar el mismo cambio conformacional y por lo tanto la misma acción del sustrato, o ser un inhibidor no competitivo.  Diseño de nuevos fármacos Si se quiere diseñar un fármaco con actividad antiviral por ejemplo, teniendo como diana la transcriptasa reversa del HIV, el primer paso es buscar compuestos con actividad conocida sobre dicha diana. Si no existen tales compuestos, habría que buscarlos mediante métodos aleatorios. Para este ejemplo vamos a suponer que ya tenemos identificado un compuesto con actividad sobre la enzima, que sería un nucleósido que contiene ribosa (figura 2). Figura 2: Estructura básica de un análogo de nucleósido. Para este tipo de compuesto ya se conoce, por trabajos anteriores, que:
Con algunas combinaciones de estas modificaciones se pueden obtienen análogos del nucleósido natural que poseen una afinidad hasta 100 veces mayor por la transcriptasa reversa, y por lo tanto son incorporados más eficientemente el ADN viral que el mismo nucleósido natural. Al ser incorporado en la cadena, el análogo altera su conformación provocando que no pueda ser leída adecuadamente. Para poder ser incorporados los nucleósidos deben ser fosforilados antes de que la enzima los introduzca en la cadena de ADN. Aquí es donde se halla la diferencia entre el nucleósido natural y el análogo (figura 3). El primero cuenta con grupos OH en las posiciones 3 y 5, por lo cual se forsforila en ambas y puede ser incorporado en la cadena de ADN normalmente. El análogo por el contrario posee un grupo N3 en el carbono 3, por lo cual solo puede ser fosforilado en la posición 5. Esto implica que no podrá unirse un nuevo nucleótido a la cadena, por lo cual queda incompleta. A la hora de la síntesis de proteínas o de replicación del ADN va a aparecer este error que compromete la vida de la célula.  Figura 3: Posiciones fosforiladas en un nucleósido natural. El siguiente paso consiste en analizar las interacciones entre los distintos análogos posibles (que se obtienen mediante las distintas combinaciones de modificaciones posibles) y la diana (puentes de hidrógeno, fuerzas de van der Waals, etc.) mediante la creación de una librería de compuestos o mediante herramientas computacionales. De esta forma se obtienen valores, números, distancias, etc. que nos permitirán determinar cuál de todos los posibles compuestos se une más eficientemente a la enzima, sin haber tenido que recurrir a la síntesis y a las pruebas biológicas. El software también permite hacer librerías virtuales para ver si por casualidad se puede obtener una estructura que no se nos haya ocurrido y que actúe eficientemente. Si escogiéramos como grupo R un N3 (grupo azido), obtendríamos el AZT (Zidovudine), que es un fármaco ampliamente utilizado como inhibidor de la transcriptasa reversa. El siguiente paso es sintetizar la molécula, para lo cual ya se vieron las reacciones de oxidación, reducción, grupos protectores. Claramente durante la síntesis es necesario proteger los grupos OH mientras se trabaja en otras posiciones. Una vez que se ha sintetizado el compuesto y se ha purificado, el siguiente paso son las pruebas biológicas, primero in vitro y luego in vivo. Un punto clave de todo este proceso es que se debe conocer la estructura de la diana. Esta puede elucidarse por cristalografía de la enzima, o si esta no se ha podido cristalizar, algunos programas son capaces de predecir la estructura de una proteína con solo conocer su secuencia de aminoácidos. Tradicionalmente en bioquímica se maneja la interacción fármaco-diana según el modelo de llave-cerradura. Sin embargo el proceso es mucho más complejo. La forma más adecuada de ver a la diana es como una secuencia de aminoácidos muy sensible, capaz de ser modificada ya sea por moléculas muy pequeñas o de tamaños mayores como los nucleótidos.   Figura 4: Modelo clásico de interacción fármaco-diana de llave-cerradura. Comprender este proceso es básico para entender los artículos científicos que tratan sobre el desarrollo de nuevos fármacos. Estos por lo general contienen tres fases: análisis computacional, pruebas químicas y pruebas biológicas. En cuanto a la fase de síntesis, a pesar de que puede parecer compleja, en realidad es una secuencia sencilla. Las reacciones de reducción más comunes y utilizadas son las de LiAlH4 y las de hidrogenaciones catalíticas, que son muy simples y muy útiles. En los artículos se emplean reactivos en fase sólida, pero en esencia son las mismas reacciones. En cuanto a las reacciones de oxidación están las de Collins y otras. El objetivo de introducir oxígeno en la molécula es aumentar su hidrosolubilidad y poder tener una mejor actividad biológica, debido a que mejora su distribución. Finalmente vienen las pruebas biológicas, que son necesarias para interpretar lo que se está haciendo y comparar el efecto biológico de las distintas moléculas candidato. Lo más lógico para este caso sería un cultivo celular en el que los virus se puedan reproducir, luego comparar el efecto antiviral de varias sustancias en los cultivos. Esto tiene como propósito comprobar lo que se predijo con las herramientas computacionales. S  egundos mensajeros y comunicación celularLos segundos mensajeros más importantes son AMPc, DAG (diacilglicerol) y IP3 (inositol trifosfato) entre otros. El AMPc es una ribosa con un fosfoéster cíclico y adenosina como su base nitrogenada. Dependiendo de su interacción en otros sitios lejos de la membrana celular se va a fosforilar y va a transmitir una señal que será interpretada por la célula como una actividad biológica. A Figura 5: AMPc hora tenemos las proteínas G, que se pueden hallar asociadas a un canal de calcio. La proteína G interacciona con la superestructura del canal y permite el flujo de iones. Básicamente estos mecanismos tienen como función comunicar el exterior de la célula con su interior, en donde se pueden desencadenar distintas respuestas. La célula normal puede tener, dependiendo de su actividad biológica, canales iónicos, proteínas G asociadas a una hormona, receptores de poteínquinasa y muchos otros. Estas cascadas de señales permiten que, aunque el fármaco no ingrese al interior de la célula, genere suficiente información como para afectar la transcripción dentro del núcleo, la síntesis de proteínas, etc. Entonces, aunque la interacción del fármaco sea a nivel de su diana en la membrana celular, su acción puede extenderse a otros sitios de la célula gracias a los segundos mensajeros.  Los segundos mensajeros por lo general tienen funciones de crecimiento celular, proliferación, etc. Por esto están implicados en los mecanismos farmacológicos de los medicamentos anticancerígenos, pues muchos compuestos pueden regular ya sea la fase de crecimiento (G1) o la e replicación del ADN (S), alterando la conformación del mismo para que no pueda ser descompactado, leído o transcrito, pues son moléculas semejantes al AZT. P Figura 6: Ciclo celular or ejemplo, las proteínas sitentizadas en G1 van a tener alteraciones estructurales y no van a funcionar adecuadamente. Dependiendo del tipo de cáncer se pueden utilizar terapias combinadas para atacar a las células cancerosas en varias fases de su ciclo celular. ¿Cómo las señales químicas interactúan con las células y las rutas de transducción de señales? A través de las proteínas de membrana, que básicamente permiten que una molécula no necesite entrar a la célula para llegar a interaccionar en el núcleo, porque mediante los segundos mensajeros o directamente mediante la apertura de canales iónicos se puede modificar el ambiente intracelular (transcripción de proteínas, etc.). Un ejemplo de esto es un esteroide. Su estructura consta de un esqueleto hidrocarbonado con pocos grupos polares. Su distribución octanol-agua estaría muy desplazada hacia el octanol. Ahora, si vamos a la célula, le va a costar mucho llegar a su interior. La única forma de que lo haga es mediante un transporte activo, o que la célula lo introduzca. Por esto va a existir una superestructura con las características ideales para permanecer en la membrana celular, que va a esperar que venga este tipo de compuestos esteroidales conocidos como hormonas.  Figura 7: Ejemplo de esteroide De ahí la importancia de clasificar a los compuestos según sus farmacóforos. Por ejemplo, si se quiere un fármaco que interaccione con la membrana celular de tal forma que altere la transcripción de una célula cancerígena, ¿se utilizaría un nucleótido, un esteroide o un terpeno? Dependiendo de estos parámetros y comparando, se puede tomar la decisión correcta. Hay que tomar en cuenta solubilidad, capacidad para formar puentes de hidrógeno, interacciones con una diana dada (e.g. en la membrana celular con un receptor, en el núcleo con una fosforilasa, etc.). Ejemplo de pregunta: De los siguientes fármacos, ¿cuál utilizaría usted como un compuesto líder para diseñar un fármaco nuevo que interactúe con un receptor para hormonas en la membrana celular?  En este caso obviamente el esteroide sería el correcto. La acción biológica que se estaría tratando de obtener o predecir sería una asociación con proteínas G, entrada de iones de sodio y aumento o inhibición de la transmisión. Ejemplos de síntesis de algunos fármacos Como ejemplo de síntesis se tiene la del ácido acetilsalicílico, que es muy simple pues solo se requiere una acetilación. Es un proceso tan económico que no tendría sentido montar un laboratorio para sintetizarlo por otras vías mas complejas.  Figura 8: Síntesis de aspirina  Otra aplicación de la aspirina es que según un estudio reduce el riesgo de cáncer en mujeres. En cuanto a los antimaláricos, tenemos a la quinina, que tiene como farmacóforo o andamio una estructura de quinolina que tiene actividad biológica sobre los protozoarios del género plasmodium. A este esqueleto básico se le pueden hacer varias modificaciones con pocos pasos de síntesis, como adición de grupos cloro o metoxi, para dar origen a distintos antimaláricos con mejor actividad biológica y/o menores efectos secundarios (las quinolinas son bastante tóxicas). Figura 9: Estructura de la quinina Pasando ahora a la penicilina, su farmacóforo es el característico anillo betalactámico. Básicamente el grupo carbonilo de dicho anillo tiene una deficiencia de electrones, es muy electropositivo, a tal grado que interacciona con una diana en la pared celular bacteriana. Haciendo modificaciones a la cadena laterales se puede aumentar la actividad biológica del fármaco, obteniéndose penicilina V, meticinina, oxacilina y otros.  Figura 10: Estructura de la penicilina Finalmente como ejemplo de antiviral tenemos al aciclovir que se obtiene mediante la acetilación de la guanina. Va a funcionar de forma similar al AZT, incorporándose en el ADN o el ARN viral y del huésped (pero en mayor proporción al viral pues el virus se replica a una velocidad mayor que las células del huésped). |
