2da Clase
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Química Bioinorgánica
Angel R, Higuera-PadillaLaboratorio de química bioinorgánica
Postgrado en Química
Complejos metálicos en medicina
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Química Bioinorgánica
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
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Química Bioinorgánica
Bioquímica InorgánicaQuímica Inorgánica
Medicinal
Química Bioinorgánica
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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
Química Bioinorgánica
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Complejos metálicos en medicina
Rosette M. Roat-Malone. Bioinorganic Chemistry. 2da Edición. John Wiley & Sons, New Jersey. 2007. Pp: 1-28
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.
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Complejos metálicos en medicina
Rosette M. Roat-Malone. Bioinorganic Chemistry. 2da Edición. John Wiley & Sons, New Jersey. 2007. Pp: 1-28
En esta exposición se hace una introducción
A los temas de bioquímica de proteínas
Ácidos nucleicos
Genética Temas de relevancia actual
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Complejos metálicos en medicina
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
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Complejos metálicos en medicina
James C. Dabrowiak. Metals in Medicine. 2009 John Wiley & Sons, Ltd
¿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
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Rosette M. Roat-Malone. Bioinorganic Chemistry. 2da Edición. John Wiley & Sons, New Jersey. 2007. Pp: 1-28
Los 20 aminoácidos que se conocen naturalmente. Los 10 esenciales para los humanos.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Modos de unión común de los iones de metales a las
cadenas de aminoácidos en las proteínas.
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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
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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.
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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)
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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
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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.
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(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
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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
Cl-
Reacción con fosfato
H3PO4, H2PO4-,
HPO42-, PO4
3-
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.
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Complejos metálicos en medicina
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
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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.
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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
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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.
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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
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Resumen general de lo que es necesario para obtener la aprobación de la FDA de
un medicamento contra el cáncer
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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
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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
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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 % .
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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
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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
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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
Complejos metálicos en medicina
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.