2da Clase

Química Bioinorgánica

Angel R, Higuera-PadillaLaboratorio de química bioinorgánica

Postgrado en Química

Complejos metálicos en medicina

Química bioinorgánica

Estudio de la función bioquímica

Elementos inorgánicos

Sistemas biológicos

Rosette M. Roat-Malone. Bioinorganic Chemistry. 2da Edición. John Wiley & Sons, New Jersey. 2007. Pp: 1-28

Bioquímica InorgánicaQuímica Inorgánica

Medicinal

Tener conocimiento Química inorgánica

Para el entendimiento Tópicos de química bioinorgánica

Bioquímica

R. Crichton. Biological inorganic chemistry. An introduction. First edition, 2008. Pp. 241-255

Fundamentos de bioquímica

BioquímicaSe ocupa del estudio de la vida

A nivel molecular

El área abarca un enorme cuerpo de información

Que crece y cambia rápidamente en las manos de miles de profesores capaces, investigadores y escritores.

En esta exposición se hace una introducción

A los temas de bioquímica de proteínas

Ácidos nucleicos

Genética Temas de relevancia actual

James C. Dabrowiak. Metals in Medicine. 2009 John Wiley & Sons, Ltd

Metalo-drogas y sus mecanismos de acción

Introducción de metalo-drogas en el cuerpo los expone a la

reacción con muchas sustancias en el sistema biológico.

El cuerpo humano tiene decenas de miles de diferentes proteínas

Funciones catalíticas, de transporte y

estructurales

¿Qué ocurre cuando un ión metálico es introducido en el cuerpo en forma de un metalo-fármaco y se enlaza a una

proteína en una parte crítica para la función de esta?

Muerte celularPérdida de la capacidad de la proteína

para realizar su función biológica

Los 20 aminoácidos que se conocen naturalmente. Los 10 esenciales para los humanos.

Polipéptidos Cadenas cortas de aminoácidos

Funciones importantes en el control hormonal

Una proteína es un polipeptido de más de 50 aminoácidos

Una enzima contiene más de 100 aminoácidos.

Estructuras de las proteínas

Todas las proteínas tienen al menos tres niveles de estructura: primaria, secundaria y terciaria.

Formación de un enlace péptidico.

El N-terminal de una cadena polipéptídica, con su grupo amino

libre es convensionalmente conocido como el comienzo de la cadena, mientras que el ultimo

aminoácido con su grupo carbóxilo libre, es el final de la

cadena.

Ilustración del ángulo Ca – N φ (phi) y del ángulo de enlace Ca – C ψ (psi) en

un peptido.

Estructuras secundarias de las proteínas. Hélices a y láminas b.

La estructura terciaria de las proteínas surge de las interacciones de los diferentes grupos R a lo largo de la cadena polipeptídica. Algunas de las fuerzas responsables de las estructuras terciarias son fuerzas de van der Waals, los enlaces iónicos, los enlaces

hidrofóbicos y puentes de hidrógeno.

Modos de unión común de los iones de metales a las

cadenas de aminoácidos en las proteínas.

Ácidos nucleicos

Son macromoléculas, polímeros formados por la repetición de monómeros llamados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster.

El ADN está compuesto de unidades repetidas de las bases nitrogenadas adenina y guanina (purinas) y timina y citosina

(pirimidinas) vinculadas al carbono-β de la azúcar cíclica de cinco miembros desoxirribosa. A su vez, los azúcares están conectados

por enlaces fosfodiéster 3 '- 5' para formar los enlaces en la cadena del ADN

Numeración en los ácidos nucleicos, las posiciones en el anillo de azúcar llevan un prima

(') para distinguirlos de la numeración de las posiciones de base nitrogenada

A la base nitrogenada, el azúcar, y la unidad de fosfato se le llama

nucleótido. A la base nitrogenada más el azúcar se le llama

nucleósido. El ácido ribonucleico (ARN) se diferencia del ADN en

que el azúcar es ribosa y la pirimidina uracilo es sustituida por

timina.

Las cadenas de ADN forman la bien conocida doble hélice a

través de enlaces de hidrógeno de la adenina a la timina (par A-T) y citosina, guanina (par G-C)

Enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.

El ADN presenta complementariedad en la formación de la doble hélice. Las secuencias

complementarias tienen polaridad opuesta, es decir, las dos cadenas corren en direcciones

opuestas

Se encuentra en soluciones con alta

salinidad ó con alcohol añadido.

Encontrado a bajas soluciones de sal, y se

cree es la conformación del ADN nativo.

Aparece fundamentalmente en

zonas ricas en el par G-C, con alta concentración de

sal ó alcohol añadido.

(a) Diagrama que muestra algunos de los posibles productos de adición que se pueden formar entre un ion metálico (círculo negro) y las bases nitrogenadas del ADN. (b) La

intercalación de una molécula de fármaco entre los pares de bases del ADN

Reacciones de los complejos metálicos en un medio biológico

A diferencia de las drogas puramente orgánicas, los complejos metálicos que se utilizan para el tratamiento y diagnóstico de enfermedades están expuestos a diferentes ambientes fisiológicos en el cuerpo que podrían

causar cambios en su composición química a medida que viajan desde el sitio de administración a las moléculas blanco en las células.

Concentración de cloruro en la sangre ~ 104 mMConcentración de cloruro en la célula 4 – 20 mMConcentración de drogas 10-6 a 10-9 M¿Cuál es el orden de la reacción de intercambio Cl- con H2O?

Concentración de fosfato en la sangre y el citosol ~ 5 y 80 mMDebido a que los átomos de oxígeno en cada especie son bases duras (todos son equivalentes por tautomería y resonancia), los complejos de fosfato más estables se forman con iones metálicos que son ácidos duros.

Reacción con cloruro

Reacción con fosfato

H3PO4, H2PO4-,

HPO42-, PO4

Reacción con carbonato

CO2 (ac), H2CO3, HCO3

-, CO32-

Concentración de carbonato en la sangre y el citosol ~ 24 y 12 mMLa anhidrasa carbónica cataliza la hidratación del CO2, es una enzima que contiene Zn.Son bases duras.

Evaluación de los efectos farmacológicos de los agentesAdemás de destacar algunos de los aspectos químicos y bioquímicos de las

metalo-drogas en los sistemas biológicos, es importante discutir brevemente cómo se miden los efectos farmacológicos de estos agentes.

Medición de la citotoxicidad de un fármaco

Ensayo de cultivo celular

Por lo general contienen sales simples e iones, como NaCl, Na2HPO4, NaHCO3, los

aminoácidos comunes, varias vitaminas, glucosa,

GSH y otros aditivos.

La composición del medio de cultivo se aproxima a la composición de la sangre, aunque varía un

poco con el tipo de célula en estudio

Placas de 96 pozos • Se preparan soluciones de los compuestos a diferentes concentraciones, y se exponen las células a estos en el medio de cultivo por un periodo de 1 a 2 horas.• Se extrae el medio que contiene la droga y se reemplaza por un medio libre de droga y se dejan crecer por un tiempo de 24-48 horas.• Se determina el número de células vivas y muertas y se compara con el número de células presentes en pozos que no fueron expuestos.

Medición de la absorción del fármaco

Además de medir los efectos tóxicos de los compuestos sobre

las células, es importante medir la absorción en las células.

Exposición de las células a un agente durante un tiempo

Análisis de resultados luego de lavar las células Absorción atómica y Espectrometría de

masas de plasma acoplado inductivamente

Estudios en animales

Principalmente ratones y ratas, han sido la base de los estudios de los

efectos de las drogas en seres vivos.

Es cada vez más evidente que los resultados obtenidos con los

animales a menudo no se traducen bien a los seres humanos

Se promueve el uso de ensayos in vitro.

La mayoría de las agencias reguladoras requieren que los compuestos se prueben

en al menos un roedor y un no roedor.

Problemas éticos, de seguridad y de manejo. Supervisión desde el nivel

institucional hasta nivel federal.

Del descubrimiento al mercado

Mesa de laboratorio donde se descubren nuevos medicamentos

Clínica, donde se utilizan para el tratamiento de los pacientes

Está marcado con muchas dificultades Sólo una pequeña fracción de nuevos

compuestos logran convertirse en agentes farmacéuticos aprobados

Resumen general de lo que es necesario para obtener la aprobación de la FDA de

un medicamento contra el cáncer

Fase preclínica

Un compuesto único se prueba en ratones con xenoinjertos

• La mejor formulación para usar• La dosis más eficaz de aplicar, y• La frecuencia y método de administración

Se determina:

Si el candidatro disminuye el crecimiento del tumor con un mínimo

de toxicidad para el huésped…

Tres líneas celulares humanas de cáncer

60 líneas de diferentes tipos de cáncer humanos

Investigación del nuevo fármaco, aplicación

Farmacéutica, institución

académica ó el NCI

• Se proporciona la estructura química del agente,• Cómo se cree que actúa en el cuerpo, • Efectos tóxicos en los animales, • Dónde y cómo se llevarán a cabo los ensayos en humanos, llamados ensayos clínicos.• Instituciones involucradas, • El número de personas a participar en el estudio, • Exámenes médicos.

solicitud ante la FDAPatrocinador del fármaco candidato

Esto debe ser aprobado por las juntas de revisión institucional, de cada uno de los sitios

en los que se llevarán a cabo los ensayos

Los ensayos clínicos con el fármaco candidato se llevan a cabo en tres fases.

Fase I

Fase II

Fase III

Se les suministra el candidato de droga a un pequeño número de voluntarios

sanos (20-80), y a veces también a algunos pacientes con cáncer.

Se determinan: la dosis, el metabolismo, efectos secundarios y

otras propiedades básicas del fármaco

Un número limitado de pacientes, algunos de los cuales tienen un tipo específico de cáncer, son tratados con el agente. Esta fase normalmente

implica un mayor número de sujetos que en la fase I

La pobre farmacocinética, Mala absorción, Metabolismo rápido y/o eliminación, Muerte inducida por fármacos

En esta fase están involucrados cientos de miles de personas en las

clínicas, centros oncológicos, consultorios médicos, etc, ubicados a

nivel nacional.

La mayoría de los sujetos en fase III tienen algún tipo de cáncer, pero también se incluyen los voluntarios sanos.

Tasa de fracaso de los nuevos

candidatos a fármacos en fase III

~ 50 % .

Aplicación del nuevo fármaco

2da solicitud ante la FDA

El patrocinador debe proporcionar toda la información sobre la eficacia y la seguridad del agente.

• Beneficios de su uso son mayores que los riesgos, • Apropiada información de la etiqueta,• Métodos de fabricación utilizados son adecuados para asegurar la pureza y la integridad del fármaco candidato.

La aprobación por la FDA demora entre 6-12 meses

¿Cuánto creen que dura el proceso desde el

descubrimiento hasta su aprobación final?

Puede variar considerablemente pero se pueden esperar entre 8-15 años

Fase 0 de ensayos clínicos

No se correlacionan muy bien animales y humanos

Los ensayos de fase I son caros y lentos

Se propone instituir la fase 0 con dosis bajas, ineficaces

terapéuticamente

Reduce el riesgo de toxicidadSería menos costoso de llevar a cabo y

reduciría el período de tiempo total para el desarrollo de fármacos

Ganancias

Alrededor de mil millones de dólares

Una droga exitosa necesita recuperar no sólo el dinero gastado en su desarrollo, sino también un beneficio para el patrocinador

Por eso a menudo los nuevos medicamentos son muy caros

para el consumidor

Los costos de desarrollo de un nuevo medicamento son enormemente altos

El material mostrado en estas diapositivas fue escogido para suministrar y recordar información que será estudiada en el resto de materia.

El conocimiento de la composición de proteínas y ácidos nucleicos será asumido como parte de nuestro conocimiento en las siguientes clases.

Aprenderemos interacciones en los sistemas biológicos de los diferentes metales y sus complejos en los siguientes seminarios, no sólo estructuras, sino las funciones en bioinorgánica.

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