Rang e Dale: Farmacologia
Reações bioquímicas como potenciais alvos
Base molecular da quimioterapia antibacteriana
• Fármacos quimioterápicos devem ser tóxicos para os organismos invasores e inócuos para
o hospedeiro. Essa toxicidade seletiva depende da identi cação de diferenças bioquímicas
entre o patógeno e o hospedeiro, que podem ser adequadamente aproveitadas
• Três classes gerais de reações bioquímicas são potenciais alvos para a quimioterapia de
bactérias:
– Classe I: reações bioquímicas que utilizam a glicose e outras fontes de carbono para
produzir ATP e compostos de carbono simples
– Classe II: vias metabólicas que utilizam energia e compostos de classe I para criar
pequenas moléculas (p. ex., aminoácidos e nucleotídios)
– Classe III: vias anabólicas que convertem pequenas moléculas em macromoléculas
como proteínas, ácidos nucleicos e peptidoglicano.
REAÇÕES BIOQUÍMICAS COMO POTENCIAIS ALVOS
Reações de classe I
As reações de classe I não são alvos promissores por dois motivos.
Primeiro, as células bacterianas e humanas usam mecanismos semelhantes
para obter energia a partir da glicose (a via de Embden-Meyerhof e o ciclo
dos ácidos tricarboxílicos). Segundo, mesmo se a oxidação da glicose for
bloqueada, muitos outros compostos (aminoácidos, lactato etc.) podem ser
utilizados pelas bactérias como uma fonte de energia alternativa.
Reações de classe II
As reações de classe II são alvos melhores, porque algumas vias existem
nas células patogênicas, mas não nas humanas. Há vários exemplos, sendo um dos mais significativos a via da biossíntese de folato.
■ Biossíntese e utilização de folato
O folato é necessário para a síntese de DNA nas bactérias e nos seres
humanos (ver Capítulos 26 e 52), mas nestes últimos, que não têm via
biossintética, deve ser obtido a partir da dieta e concentrado nas células por
meio de mecanismos de captação específicos. Por outro lado, a maior parte
das espécies de bactérias, bem como as formas assexuadas de protozoários
da malária, não tem esses mecanismos de transporte. Assim, elas não
podem fazer uso do folato pré-formado, devendo sintetizá-lo de novo. As
sulfonamidas contêm o domínio sulfanilamida – um análogo estrutural do
ácido p-aminobenzoico (PABA), o qual é essencial para a síntese bacteriana
de folato (ver Capítulo 52, Figura 52.1). Assim, as sulfonamidas competem
com o PABA e, portanto, inibem o crescimento bacteriano sem alterar a
função celular das células dos mamíferos.
A utilização intracelular de folato, na forma de tetra-hidrofolato, como
um cofator na síntese de timidilato, é um bom exemplo de uma via em que
as enzimas humanas e bacterianas exibem sensibilidade diferencial às
substâncias químicas (Tabela 51.1; Volpato e Pelletier, 2009). Embora a via
seja virtualmente idêntica nos microrganismos e nos humanos, uma das
enzimas-chave, a di-hidrofolato redutase, que reduz o di-hidrofolato a tetra-
hidrofolato (ver Capítulo 52, Figura 52.2), é muitas vezes mais sensível ao
inibidor trimetoprima nas bactérias do que nos humanos. Em alguns
protozoários da malária, essa enzima é um pouco menos sensível à
trimetropima do que a enzima bacteriana, porém mais sensível à
pirimetamina e ao proguanil, que são usados como agentes antimaláricos
(ver Capítulo 55). Os valores relativos de CI 50 (a concentração que causa inibição em 50%) para as enzimas bacterianas, maláricas, protozoárias e de
mamíferos são apresentados na Tabela 51.1. A enzima humana, por
comparação, é muito sensível ao efeito do análogo do folato metotrexato,
que é usado para tratar a artrite inflamatória (ver Capítulo 27), psoríase
grave (ver Capítulo 28) e câncer (ver Capítulo 57).
Tabela 51.1 Especificidade dos inibidores da di-hidrofolato
redutase.
CI (μmol/l) para a di-hidrofolato redutase 50
Inibidor Humano Protozoário Bacteriano
Trimetoprima 260 0,07 0,005
Pirimetamina 0,7 0,0005 2,5
Metotrexato a 0,001 Cerca de 0,1 Inativo
a Testado no Plasmodium berghei, que causa malária em roedores.
▼ O uso do bloqueio sequencial com a combinação de dois fármacos
que afetam a mesma via em diferentes pontos – por exemplo,
sulfonamidas e os antagonistas do folato – pode ser mais eficaz do que o
uso de qualquer um deles isoladamente. Assim, a pirimetamina e uma
sulfonamida (sulfadoxina) são usadas para tratar a malária por
falciparum (ver Capítulo 55). O cotrimoxazol é uma formulação
antibacteriana que contém tanto uma sulfonamida quanto a
trimetoprima. Outrora amplamente usada, esta combinação tornou-se
menos popular para o tratamento de infecções bacterianas porque a
trimetoprima em isolado tem eficácia semelhante e não causa os efeitos
adversos específicos das sulfonamidas; seu uso está agora
principalmente restringido ao tratamento do Pneumocystis jirovecii,
para o qual são necessárias altas doses (ver Capítulo 55).
Reações de classe III
Uma vez que as células patogênicas não conseguem captar as suas próprias
macromoléculas, as reações de classe III são alvos particularmente bons
para a toxicidade seletiva, havendo diferenças entre as células dos
mamíferos e as parasitárias nesse aspecto. Mais uma vez, existem vários
exemplos.
■ Síntese de peptidoglicano
A parede celular das bactérias contém peptidoglicano, uma substância que
não ocorre nos eucariontes e que contém D-aminoácidos e açúcares pouco
usuais. É o equivalente a uma bolsa de fio não distensível que envolve toda
a bactéria. Nas bactérias gram-negativas, este saco consiste em uma
monocamada, mas nas bactérias gram-positivas pode haver até 40 camadas
de peptidoglicano. Cada camada consiste em múltiplos esqueletos de
aminoaçúcares – resíduos de N-acetilglicosamina alternados com ácido N-
acetilmurâmico (Figura 51.2) – tendo este último cadeias laterais peptídicas
curtas que mantêm ligações cruzadas para formar uma rede polimérica, que
pode constituir até 10 a 15% do peso seco da célula e é suficientemente
forte para resistir à elevada pressão osmótica interna. As ligações cruzadas
diferem nas diversas espécies. Nos estafilococos, por exemplo, elas
consistem em cinco resíduos de glicina.
Figura 51.2 Diagrama esquemático de uma única camada de peptidoglicanos de
uma célula bacteriana (p. ex., Staphylococcus aureus), mostrando o local de ação dos antibióticos betalactâmicos. No S. aureus, as ligações cruzadas peptídicas consistem em cinco resíduos de glicina. As bactérias gram-positivas têm várias camadas
de peptidoglicanos. Mais detalhe na Figura 51.3. NAG, N-acetilglicosamina; NAMA, ácido N-acetilmurâmico.
▼ Para construir esta grande camada de peptidoglicano insolúvel no
exterior da membrana celular, a célula bacteriana tem o problema de
como transportar os “blocos de construção” citoplasmáticos hidrofílicos
através da estrutura da membrana celular hidrofóbica. Isso é conseguido
por meio de sua ligação a um grande transportador lipídico, contendo 55
átomos de carbono, que os “reboca” através da membrana. O processo
de síntese de peptidoglicano é delineado na Figura 51.3. Primeiro, o
ácido N-acetilmurâmico, ligado à uridina difosfato (UDP) e a um
pentapeptídio, é transferido para o transportador lipídico C55 na
membrana, com a liberação de uridina monofosfato. Isso é seguido por
uma reação com a UDP-N-acetilglicosamina, resultando na formação de
um complexo dissacarídio-pentapeptídio ligado ao transportador. Este
complexo é um bloco de construção básico do peptidoglicano. No
Staphylococcus aureus, os cinco resíduos de glicina são ligados à cadeia
peptídica nesta fase. O bloco de construção é agora transportado para
fora da célula e adicionado à extremidade terminal crescente do
peptidoglicano, o “receptador”, com a liberação do lipídio C55, que
ainda tem dois fosfatos ligados. O transportador lipídico perde, então,
um grupo fosfato, tornando-se assim disponível para outro ciclo. A
ligação cruzada entre as cadeias peptídicas laterais dos resíduos de
açúcar na camada de peptidoglicano ocorre então, sendo a energia
necessária fornecida pela remoção hidrolítica da terminal alanina.
Esta síntese de peptidoglicano é um passo vulnerável que pode ser
bloqueado em vários pontos pelos antibióticos (ver Figura 51.3 e
Capítulo 52). A ciclosserina, um análogo estrutural da D-alanina,
previne a adição dos dois resíduos terminais de alanina à cadeia lateral
tripeptídica inicial no ácido N-acetilmurâmico por inibição competitiva.
A vancomicina inibe a liberação da unidade de bloco de construção do
transportador, impedindo, assim, a sua adição à extremidade crescente
do peptidoglicano. A bacitracina interfere na regeneração do
transportador lipídico por meio do bloqueio da sua desfosforilação.
Penicilinas, cefalosporinas e outros betalactâmicos inibem a
transpeptidação final mediante formação de ligações covalentes com as
proteínas de ligação à penicilina que têm atividade de transpeptidase e
carboxipeptidase, impedindo, assim, a formação de ligações cruzadas.
Figura 51.3 Diagrama esquemático da biossíntese de peptidoglicano na célula
bacteriana (p. ex., Staphylococcus aureus), com os locais de ação de vários antibióticos. O dissacarídio-pentapeptídio hidrofílico é transferido através da membrana celular lipídica ligado ao grande lipídio (lipídio C ) por uma ponte pirofosfato (–P–P–). No exterior, é 55
enzimaticamente ligado ao “receptador” (a camada crescente de peptidoglicano). A reação final é a transpeptidação, na qual a extremidade livre da cadeia (Gly) 5 se liga à cadeia lateral peptídica de um M no receptador e durante a qual o aminoácido terminal (alanina) é perdido. O lipídio é regenerado por perda de um grupo fosfato (Pi) antes de funcionar novamente como transportador. G, N-acetilglicosamina; M, ácido N-acetilmurâmico; UDP, uridina difosfato; UMP, uridina monofosfato.
■ Síntese proteica
Outro alvo de classe III é a síntese proteica. Isso ocorre nos ribossomos,
mas os ribossomos eucariontes e procariontes são diferentes, e isso constitui
a base para a ação antimicrobiana seletiva de alguns antibióticos. O ribossomo bacteriano consiste em uma subunidade 50S e uma subunidade
30S (Figura 51.4), enquanto as subunidades do ribossomo dos mamíferos
são 60S e 40S. Os outros elementos envolvidos na síntese peptídica são o
RNA mensageiro (mRNA), que forma o modelo para a síntese proteica, e o
RNA transportador (tRNA), que transfere especificamente os aminoácidos
individuais para o ribossomo. O ribossomo tem três locais de ligação para o
tRNA, chamados locais A, P e E.
Uma versão simplificada da síntese proteica nas bactérias é mostrada na
Figura 51.4. Para iniciar a tradução, o mRNA, transcrito do modelo de
DNA, é ligado à subunidade 30S do ribossomo. A subunidade 50S liga-se,
então, à subunidade 30S para formar uma subunidade 70S,3 que se move ao
longo do mRNA, de modo que códons sucessivos do mensageiro passam ao
longo do ribossomo da posição A para a posição P. Os antibióticos podem
afetar a síntese proteica em qualquer uma dessas fases (ver Figura 51.4 e
Capítulo 52).
■ Síntese de ácidos nucleicos
A expressão de genes e a divisão celular também necessitam de síntese de
ácidos nucleicos, e essa reação de classe III é um local importante de ação
para muitos fármacos quimioterápicos. É possível interferir na síntese de
ácidos nucleicos de cinco formas diferentes:
• Por inibição da síntese dos nucleotídios
• Por alteração das propriedades de correspondência de bases do modelo
de DNA
• Por inibição da DNA ou RNA polimerase
• Por inibição da DNA girase, que desenrola o DNA superenrolado para
permitir a transcrição • Por um efeito direto no próprio DNA. Alguns fármacos anticâncer, mas
nenhum antimicrobiano, funcionam dessa forma.
Figura 51.4 Diagrama esquemático da síntese proteica das bactérias, indicando os
pontos nos quais os antibióticos inibem o processo.
Inibição da síntese de nucleotídios
Esta pode ser conseguida por meio de um efeito nas vias metabólicas que
geram os precursores de nucleotídios. Exemplos de agentes que têm esse
efeito foram descridos nas reações de classe II.
■ Alteração das propriedades de pares de bases do modelo
Agentes que se intercalam no DNA têm esse efeito. Exemplos incluem
acridinas (proflavina e acriflavina), que são usadas de forma tópica como
antissépticos. As acridinas duplicam a distância entre os pares de bases
adjacentes e causam uma mutação frameshift, na qual alguns análogos da
purina e pirimidina causam erros de mispairing.
Inibição da DNA ou RNA polimerase
Inibidores específicos de RNA polimerase bacteriana que atuam por meio
de ligação a esta enzima em células procariontes, mas não eucariontes,
incluem rifamicina e rifampicina, que são particularmente úteis para o
tratamento da tuberculose (ver Capítulo 52). O aciclovir (um análogo da
guanina) é fosforilado em células infectadas com o herpes-vírus, sendo a
fosforilação inicial realizada por uma quinase específica do vírus para
originar o aciclovir trifosfato, que tem uma ação inibitória na DNA
polimerase do herpes-vírus (ver Capítulo 53; Figura 51.5).
Os retrovírus de RNA têm uma transcriptase reversa (DNA polimerase
dependente de RNA viral) que copia o RNA viral para o DNA que se
integra no genoma da célula hospedeira como um pró-vírus. Vários agentes
(zidovudina, didanosina) são fosforilados por enzimas celulares nas
formas trifosfato, que competem com os precursores da célula hospedeira essenciais para a formação de DNA pró-viral pela transcriptase reversa