(Muito breve) Revisão de Química de Coordenação · O efeito da ligação de metais sobre a...
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1
QFL 5818Química Inorgânica em Medicina
Aula 1
Revisão de Química de Coordenação
(Muito breve) Revisão de Química de Coordenação
• Definição• Número de coordenação• Ligantes• Quelatos• Isomeria• Ligação (Teoria do Campo
Cristalino)• Propriedades
Alfred Werner(Nobel de Química – 1913)
2
Mn2+
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
2+
Compostos de coordenação(“complexos”)
Complexo = átomo
metálico central
rodeado por um
conjunto de ligantes
Cátions metálicos:
ácidos de Lewis
Esfera coord. externa
Contra-íon
SO42-
Esfera coord. interna
Ligante
[Mn(H2O)6]SO4
Conjunto de orbitais com simetria d em um íon metálico.
3
Mn2+
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
2+
Compostos de coordenação(“complexos”)
Complexo = átomo
metálico central
rodeado por um
conjunto de ligantes
Cátions metálicos:
ácidos de Lewis
Esfera coord. externa
Número de coordenação (NC):
número de ligações na esfera de
coordenação interna
(neste caso, NC = 6)
(ambiente de coordenação
ao redor do átomo
metálico)
Contra-íon
SO42-
Esfera coord. interna
Ligante
[Mn(H2O)6]SO4
4
Ligantes
• Ligante é um íon ou molécula que tem existência independente (da do complexo do qual participa).
• Nos compostos de coordenação, o ligante é uma base de Lewis.
• O átomo doador do ligante é o átomo através do qual essa espécie está ligada ao metal. Há ligantes com mais de um átomo doador.
5
Ligantes: “dentição”
Haletos, OH-: monodentados
Etilenodiamina, oxalato: bidentados
EDTA: hexadentado (em alguns casos, tetradentado)
O fato de um ligante apresentar mais de um átomo doador não significa
necessariamente que todos estarão envolvidos na ligação ao metal
QuelatosCheli = garra (Gr.)
Quelato = complexo no qual o ligante forma um anel
que inclui o átomo metálico
O O
MO O
MO
OM
6
Uso médico/
agronômico:
N
O
R
O
H2
Porfirina (ligante polidentado macrocíclico)
Grupo Heme na mioglobina
7
Diferenças de arranjos espaciais: (1) Isomeria geométrica
Diferenças de arranjos espaciais: (2) Isomeria óptica
Estrutura não-superponível à
sua imagem especular:
QUIRAL
Par enantiomérico
8
Aproximação dos ligantes nos orbitais d de um íon metálico em um ambiente octaédrico
90% da estabilização de um complexo vem da atração eletrostáticaentre o ligante (carga
total ou formal negativa) e o íon metálico (carga
positiva)...
... mas os 10% restantes vêm do resultado da
interação entre elétronsdo ligante e do metal, que
tem grandes conseqüências para
propriedades eletrônicas, magnéticas e
termoquímicas dos complexos.
Teoria do Campo Cristalino
Distância metal-ligante
∞ ML6
Aproximação dos ligantes em ambiente
“esférico”: repulsão entre seus elétrons e os
elétrons dos orbitais do metal (aumento de
energia dos orbitais d)
En
erg
ia
Íon metálico
livre
Formação do complexo: de acordo com a orientação dos orbitais, os elétrons do metal
serão repelidos com maior ou menor intensidade
∆∆∆∆O = parâmetro de repulsão do campo ligante (octaédrico)
∆∆∆∆O
M L
9
Elétrons podem ser excitados: ex.: [Ti(H2O)6]3+ (d1)
Transição d-d é a origem de grande parte das cores dos complexos
Casos especiais no octaedro: d0, d5 spin alto, d10
(a) Espectro de absorção do [Ti(H2O)6]3+
(b) Como enxergamos uma solução de [Ti(H2O)6]3+
Efeito dos ligantes na cor (portanto, no ∆O) dos complexos
10
Propriedades magnéticas
Balança de Faraday
hadosdesemparel elétrons de número
)JT10(9,274Bohr magneton
magnético momento
)}2({
124-
B
B2
1
=
×=
=
+=
−
N
NN
µ
µ
µµ
N µµµµ/µµµµB
Ti3+ 1 1,73
V3+ 2 2,83
Cr3+ 3 3,87
Mn3+ 4 4,90
Fe3+ 5 5,92
Medidas de suscetibilidade magnética considerando somente spins desemparelhados podem não ser suficientes em alguns casos.
Hard and Soft Acids and Bases
Rel
ação
car
ga/
raio
alt
aB
aixa
po
lari
zab
ilid
ade
Inte
raçõ
es e
letr
ost
átic
as
Rel
ação
car
ga/
raio
bai
xaA
lta
po
lari
zab
ilid
ade
Inte
raçõ
es c
ova
len
tes
11
Efeito Quelato
Reação de Cd2+ com amônia (monodentado) e
etilenodiamina (en, bidentado)
Número de
ligantes∆G°
kJ.mol-1
∆H°kJ.mol-1
∆S°JK-1mol-1
log β
2 NH3
(1 en)
-28.24
(-33.30)
-29.79
(-29.41)
-5.19
(+13.05)
4.95
(5.84)
4 NH3
(2 en)
-42.51
(-60.67)
-53.14
(-56.48)
-35.50
(+13.75)
7.44
(10.62)
“maior estabilidade de complexos quelato comparada com seus
análogos não-quelato”
Alterações da reatividade dos ligantes coordenados
Alteração de pH:Ka pKa
Fe3+(aq) 3,5 ×××× 10-3 2,46
Cr3+(aq) 1,3 ×××× 10-4 3,89
Al3+(aq) 1,4 ×××× 10-5 4,85
Fe2+(aq) 1,3 ×××× 10-6 5,89
Cu2+(aq) 3,2 ×××× 10-8 7,49
Ni2+(aq) 9,3 ×××× 10-10 9,03
Li+, Na+, K+,
Mg2+, Ca2+, Ag+ neutros
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Aspectos cinéticos
• De acordo com a velocidade de troca de L, os complexos são classificados em lábeis ou não-lábeis (“inertes”).
• Lábil: reação se completa durante o tempo de mistura dos reagentes.
• Labilidade ≠ Estabilidade:– [Ni(CN)4]2- tem Kf alto, mas taxa de troca
entre CN- e 14CN- em solução é muito alta.
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Tempos de vida característicos para troca de moléculas de água em aquo complexos
Tendências:M2+ > M3+ (ex: Co, Cr)Bloco s > Bloco d
Anos/Eras(!)
QFL 5818Química Inorgânica em Medicina
Aula 2
Ação dos metalofármacos
14
Parte 1• Proteínas como alvos biológicos
Sítios biológicos de ligação para metais:
Mais freqüentes:• Proteínas (cadeias laterais dos aminoácidos)• Ácidos nucléicos• Polissacarídeos, lipídeosOutros:• Grupos prostéticos• Coenzima B-12• Sideróforos
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Proteínas e peptídeos
• Proteínas: dezenas de milhares, com funções:– Transportadora– Catalítica– Estrutural
• Ligação a metais pode definir ou destruir sua atividade• ~ 20 aa’s naturais, quirais (L, exceto Gly)• Formadas pela ligação amídica ou peptídica entre aa’s• Seqüência com até ~ 20 aa’s = peptídeo• Dois motivos estruturais básicos, ambos dependentes
de ligações de hidrogênio:– Hélice alfa– Folha beta
Ligação de metais a proteínasNão-polares Polares
Iônicos
16
Ligação de metais a proteínas
Aminoácido pKa da cadeia lateral
Razão [desprot]/[proton]
em pH 7
Arginina 12,5 3 x 10-6
Lisina 10,8 2 x 10-4
Tirosina 10,1 7 x 10-4
Cisteína 8,4 4 x 10-2
Histidina 6,0 1 x 101
Ácido glutâmico 4,3 6 x 102
Ácido aspártico 3,7 2 x 103
α-COOH ~2,2
α-NH3+ ~9,5
Nligação peptídica ~15
Ligação de metais a proteínas
1. Tendências eletrônicas
NH
CH2
H O
SM
NH
CH2
H O
SMM
NH
CH2
H O
SMH
Cys-M Cys-M2
Cys-HM(deprotonação
não é necessária)
SCH3M
NH
CH2
H O
CH2
Met-Me
(formação de complexos
independe do pH)
17
M
NH
CH2
H O
COO
M
NH
CH2
H O
COO
M M
NH
CH2
H O
COO
Asp-M(monodentado)
Asp-M(ponte,quelante)
Asp-M(ponte,bidentado)
*Formam-se estruturas semelhantes com o Glu
M
NH
CH2
H O
O
Tyr-M
M
NH
CH2
H O
NH
N
M
NH
CH2
H O
N
NH
His-M(Nε)
His-M(Nδ)
18
Ligação de metais a proteínas
2. Estrutura da proteína• A orientação de um conjunto de
ambientes ligantes depende criticamente da estrutura tridimensional da proteína
• Motivos comuns:– Empacotamento hidrofóbico;– Pontes de hidrogênio;– Pontes de cistina (dissulfeto).
O efeito da ligação de metais sobre a estrutura da proteína pode variar muito!
• Ex.: Plastocianina: sítio de ligação do Cu(II) pré-organizado pela estrutura terciária (forma apo e holo não diferem)
Caso 1:
19
• Ex.: “Zinc fingers”: forma apo
é aleatória (sem estrutura 2aria
ou 3aria); na presença do metal uma estrutura tridimensional altamente estável é formada
Forma apo Forma holo
Caso 2:
• Calmodulina, troponina C (ligam Ca2+): situação intermediária: formas apo e holo têm estruturas diferentes
apo (1CFC) holo (1CLL)
Caso 3:
20
Sítios de ligação nem sempre podem ser determinados apenas a partir da estrutura primária
Ferredoxina
Seqüência primária:
AYVINDSC08IAC11GAC14KPEC18PVNIQQGSIYAIDADSC35IDC38GSC41ASVC45PVGAPNPED
Embora a estrutura primária contenha duas seqüências CXXCXXCXXC, cada unidade Fe4S4está ligada a ambas. Alguns resíduos de Cys podem não tomar parte na ligação ao cubano.
Peptídeos e proteínas “guardiões”
• Glutationa (reduzida: GSH; oxidada: GSSG)
Na célula sadia:[GSH] = 1 – 5 mM
[GSH] ~ 500[GSSG]
GSH e metais:-Em presença de Cu2+ ou Fe2+, pode gerar ROS;-Metais macios podem formar complexos e serem eliminados (efluxo), diminuindo [GSH] e aumentando propensão a stress;-Alguns fármacos (cisPt) podem
induzir ↑GSH e serem menos tóxicos (resistência adquirida de alguns tumores)
21
Peptídeos e proteínas “guardiões”
• Metalotioneínas
- Na célula, [MT] ~ 2 mM- Proteína com 60-62 resíduos, sendo 20 (!) Cys-Aparentemente, estocadora de metais essenciais (Zn,Cu) e/ou tóxicos (Pt, Cd, Pb)
- Na célula, normalmente não está 100% carregada: detoxificadora de metais pesados (macios) � resistência adquirida a metalofármacos
Parte 2• DNA como alvo biológico
22
DNA
DNAMajor groove e minor groove(fenda maior e fenda menor):
Proporcionam acesso à parte da basenão envolvida em emparelhamento.
Major groove: 22 Å; minor groove: 12 Å
24
Ligação de metais a nucleobases
NHN
NN
NH2
NHN
NNH
O
NH2
NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
O
O
NH
N
O
NH2
CitosinaTimina Uracila
Guanina Adenina
12
34
5
6
78
9
1
23
4
56
Ligação de metais a nucleobases
25
Ligação de metais ao grupo fosfodiéster
Mg ligado ao ATP(fonte de dois substratos essenciais)
90% ATP celular é Mg-ATPKf = 3,8x102
Parte 3•Reações de metais no meio biológico
26
Reações com cloreto
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
[Cl-] /M
Fração d
e e
spécie
s d
e C
d
Cd
CdCl
CdCl2
CdCl3
CdCl4
Espécie de Cd
Salina (Cl = 150
mM)
Sangue (Cl = 104
mM)
Célula (Cl = 20
mM)
Cd 4,5 7,5 36,9
CdCl+ 53,2 61,4 58,3
CdCl2 31,9 25,5 4,7
CdCl3- 9,6 5,3 0,2
CdCl42- 0,9 0,3 0,0
% de espécies de Cd(II) em função da concentração de cloreto, em
diversos meios biológicos
Impacto sobre o equilíbrio depende da cinética de troca de ligantes, masconvém lembrar: [metalofármaco] = 10-9 – 10-6 M (reação de troca com águaou cloreto é de pseudo-primeira ordem).
Reações com fosfato
+ abundantes em pH 7
Conc fosfatos:- Citossol: 80 mM- Sangue: 5 mM P
O
O OO
M
P
O
O OO
M
Formação de complexos mono ou bidentados (com M+ duros)
27
Reações com carbonato
Cinética lenta em pH 7 (∴anidrases carbônicas)
0,0
0,5
1,0
0 2 4 6 8 10 12 14
pH
Fra
ção
da
esp
écie
( αα αα)
H2CO3
HCO3
CO3
Conc carbonatos:- Citossol: 12 mM- Sangue: 24 mM
Reações com carbonato
28
Parte 4• Avaliação da atividade farmacológica• Da descoberta ao mercado
Definição de droga
“Droga é um ingrediente
ativo utilizado para fornecer
atividade farmacológica ou
outro efeito direto na
diagnose, cura, mitigação,
tratamento ou prevenção de
uma doença, ou afetar a
estrutura ou qualquer
função do corpo humano,
mas não inclui
intermediários usados na
síntese de tal ingrediente”
“Droga é qualquer coisa
que, injetada em um rato,
gera um artigo”
29
10-18 anos; US$ 1 bilhão (!!)
Desenvolvimento de um fármaco
Desenvolvimento de um fármacoDezenas de milhares são testados…
5000 – 1000 com promessa inicial
5 passam para testes clínicos
1 é aprovado
30
A indústria farmacêutica% de vendas da indústria farmacêutica por região, 2006
(Total: US$ 643 bi; +7% em relação a 2005)
EUA
UE*
Resto Europa
Japão
Ásia, África, Austrália
AL
Empresa
Valor de mercado,
2007(US$ bi)
Lucro, 2006 (US$
bi)
% dos lucros
investidos em P&D,
2006
Pfizer 180 48,4 16
Microsoft 300 44,3 15
IBM 173 91,4 7
Intel 144 35,3 16
GE 420 163,4 2
Boeing 82 61,5 5
AlvoNúmero em
desenvolvimentoAlvo
Número em desenvolvimento
Câncer 682 HIV/AIDS 95
D. neurológicas 531 Artrite 88
Infecções 341 Diabetes 62
D. cardiovasc. 303 Asma 60
D. psiquiátricas 190 Alzheimer/demência 55
Investimento em P&D:
Número de novas drogas em desenvolvimento (testes clínicos adiante), 2006:Estimativa: grandes
farmas necessitam
de 4 – 5 novos
fármacos por ano
para manterem
posição de mercado.
Entretanto, a maioria
consegue aprovar
apenas 1 – 2 novos
fármacos por ano.
Química Inorgânica na Medicina
• O campo de metais em medicina representa uma indústria de aproximadamente 3 bilhões de dólares ao ano
• Os desenvolvimentos das investigações dos modos de ação dos metalofármacos têm trazido contribuições importantes na elucidação da fisiologia de problemas metabólicos, neurológicos, genéticos e cardiovasculares, dentre outros.
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Química Inorgânica na MedicinaElementos essenciais:Suplemento mineral(ex: Fe, Cu, Zn, Se)
Química Inorgânica Médica:Direcionamento de elementos Controle de toxicidade
Diagnose:RMN (ex: Gd, Mn)R-X (ex: Ba, I)
Terapia dequelação
Inibidoresenzimáticos
Agentesterapêuticos(ex: Li, Pt, Au, Bi)
Radiofarmacêuticos:Diagnósticos (ex:99mTc)Terapêuticos (ex:186Re)
Marcos históricos
Relações estrutura-atividade de compostos de arsênio para o
tratamento da sífilis
Química de Coordenação
Possíveis estruturas do
Salvarsan
32
Marcos históricos1844: Michael Peyrone sintetiza cis-
[Pt(NH3)2Cl2]1893: Estrutura elucidada por Alfred
Werner1965: Barnett Rosenberg (1926 - 2009)
descobre ação antitumoral da cisplatina(1)
1971: cisplatina entra em testes clínicos1977: direitos de comercialização cedidos
à Bristol-Myers Squibb1978: cisplatina aprovada pela Food and
Drug Administration1989: introdução da carboplatina
(Paraplatin®)Hoje: compostos platínicos são dos
quimioterápicos antitumorais mais vendidos no mundo(2), e os únicos compostos inorgânicos usados em quimioterapia de câncer
(1) Nature 1965, 205, 698(2) US$ 673 mi (2004); US$ 905 mi (2005)
Medidas de citotoxicidade
Incubadora para cultura de células eucarióticas
(5% CO2, 37oC, umidificada)
Garrafas para cultura de células
Meios de cultura de células
(NaCl, NaH2PO4, NaHCO3, aminoácidos, vitaminas,
glicose, GSH, antibióticos, indicador pH (verm. fenol),
soro fetal bovino)
33
Medidas de citotoxicidade
K562(leucemia mielóide)
Não-aderente
HeLa(tumor de cervix)
Aderente
Henrietta Lacks(1920-1951)
Medidas de citotoxicidade
Microplaca (96 poços)
Leitor de microplacas
Protocolo simplificado:a) Exposição a ∇∇∇∇conc (1 – 2h)b) Recuperação (24 – 48 h)c) Determinação da viabilidade
34
Medidas de citotoxicidade
Redução do MTT a formazan em mitocôndrias de células vivas:
MTT3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-
diphenyltetrazolium bromide
(amarelo)
Formazan
(violeta; λabs = 500 – 600 nm)
Medidas de citotoxicidade
50% efeito
IC50
IC50 = dose necessária para reduzir uma determinada função biológica em 50% de uma população, relativa a um controle.
35
Estudos em animais
• Roedores: paradigma dos testes de novas drogas.• Entretanto:
– em inúmeros casos, atividade nesses modelos não se reflete em humanos;
– são difíceis de operacionalizar, dadas as necessidades de infra-estrutura, medidas de segurança, e cada vez mais debates sobre a ética desses procedimentos.
• Alternativas: inibição P450, teste de Ames, simulação in silico.
• Apesar disso, agências regulatórias em geral ainda exigem testes em pelo menos um modelo roedor e um não-roedor.
Teste de Ames (mutagenicidade)
Problemas:- Bactérias não são modelos adequados para mutagenicidade em humanos;- Doses necessárias são altas;- Falsos positivos (p. ex., geradores de NO) � metalofármacos antihipertensivos sempre vão dar positivo!
36
Triagens clínicas
• Depois que a substância e suas vias de aplicação foram otimizadas e testadas, e que testes farmacológicos mostraram que é um candidato a fármaco, ela está pronta para entrar em triagens clínicas em humanos.
• Nos últimos 20 anos:– Número de triagens/droga: passou de 30 a 70;– Número de pacientes recrutados antes da aprovação
final: passou de 1500 a 5200.
Fase Isegurança
Fase IIsegurança e dose
Fase IIIeficiência; multicentro
Fase IVpós-mercado;
segurança gde escala
As triagens clínicas têm 4 fases
“Fase 0”microdoses
Uso de concentrações terapeuticamente ineficientes, mas que servem para determinação da farmacocinética/farmacodinâmica da droga.
Interesse: muitos fármacos falham na Fase I porque PK/PD em humanos não se correlaciona bem com os resultados em animais.
Dessa forma, economiza-se tempo e $$.
37
Fase Isegurança
Fase IIsegurança e dose
Fase IIIeficiência; multicentro
Fase IVpós-mercado;
segurança gde escala
Primeiro contato da nova substância com um corpo humano.
Objetivo: verificar a segurança da substância.
Normalmente, feita em voluntários saudáveis (que podem ser financeiramente compensandos), emboras pacientes criticamente enfermos e/ou com doenças terminais também possam ser inscritos.
“Open label”: indivíduos sabem o que estão tomando.
Recrutam-se entre 10 e 100 indivíduos, sob doses sugeridas pelos testes pré-clínicos.
Monitoram-se minuciosamente para avaliar tolerância e efeitos colaterais.
Custo: ~ US$ 10 mi. Duração: vários meses a 1 ano.
Fase Isegurança
Fase IIsegurança e dose
Fase IIIeficiência; multicentro
Fase IVpós-mercado;
segurança gde escala
Objetivo: avaliar a eficiência da droga em um grupo de enfermos, bem como determinar a melhor dose e freqüência do tratamento.
Padrão Ouro:
a) duplo-cego: nem os pacientes nem o investigador sabem o que (ou quanto) estãorecebendo
b) controlada por placebo (alguns pacientes nãorecebem a droga)
c) randomizada: pacientes podem passar de um grupo a outro durante a triagem
Acompanham-se marcadores específicos ousurrogados. P.ex., no caso de câncer: mortalidade (marcador específico) ou tamanho, proteínas associadas ao tumor, etc (surrogados)
Número de pacientes: 50 – 500. Duração: 1 – 2 anos. Custo: US$ 20 mi.
38
Fase Isegurança
Fase IIsegurança e dose
Fase IIIeficiência; multicentro
Fase IVpós-mercado;
segurança gde escala
Objetivo: avaliar a eficiência da droga em um grupo de enfermos, bem como determinar a melhor dose e freqüência do tratamento.
Padrão Ouro:
a) duplo-cego: nem os pacientes nem o investigador sabem o que (ou quanto) estãorecebendo
b) controlada por placebo (alguns pacientes nãorecebem a droga)
c) randomizada: pacientes podem passar de um grupo a outro durante a triagem
Acompanham-se marcadores específicos ousurrogados. P.ex., no caso de câncer: mortalidade (marcador específico) ou tamanho, proteínas associadas ao tumor, etc (surrogados)
Número de pacientes: 50 – 500. Duração: 1 – 2 anos. Custo: US$ 20 mi.
Even though patients may be advised of the
likelihood of being placed in a placebo group and
that the intent of the clinical trial is research, notmedical care, they often hope for some level of
treatment. More importantly, when effective
treatments exist, research participants who have
progressive, burdensome disease should be
given standard treatment as the control agent.West J Med. 2000 Apr; 172(4): 271–273.
Fase Isegurança
Fase IIsegurança e dose
Fase IIIeficiência; multicentro
Fase IVpós-mercado;
segurança gde escala
Objetivo: confirmar a eficiência da droga em uma população ampla de pacientes.
É multicêntrica (vários hospitais), para garantir diversidade demográfica e étnica e fazer ajustes finos de dosagem/freqüência.
Além disso, verifica-se a eficiência frente a tratamentos estabelecidos, e se determina se, para algum sub-grupo de pacientes, há melhorias específicas.
É a fase mais importante dos testes clínicos: vai definir o sucesso ou o fracasso da nova droga.
Se tudo OK, prepara-se um dossiê para a autoridade regulatória.
Número de pacientes: várias centenas a milhares. Duração: 3 – 5 anos. Custo: US$ 50 a 100 mi.
39
Fase Isegurança
Fase IIsegurança e dose
Fase IIIeficiência; multicentro
Fase IVpós-mercado;
segurança gde escala
Objetivo: monitoramento da segurança e eficácia em uma situação não-controlada real, depois que o fármaco já é comercializado.
Acompanham-se eficiência em relação a tratamentos estabelecidos, efeitos colaterais, qualidade de vida e custo.
Eventos adversos sérios são reportados para a agência regulatória, e em alguns casos o medicamento pode passar para um recall, ou por uma notificação para pacientes e médicos.
Exemplo: Vioxx®, 30/09/2004