Una Visión Detallada a Nivel Molecular de la Acción de los Fármacos a Través de la Química Computacional Un modelo es una descripción simplificada o idealizada de un sistema o un proceso. Los modelos pueden provenir de datos experimentales tales como estructuras cristalográficas ó pueden surgir de cálculos teóricos. En el caso de los modelos derivados de datos experimentales, por lo general las coordenadas de cada uno de los átomos del sistema surgen a partir del estudio de la estructura molecular por medio de técnicas espectroscópicas. En este taller de química computacional apreciaremos modelos moleculares derivados de estructuras cristalográficas de proteínas receptoras de estrógenos. Así como también observaremos al estradiol (1), una hormona endógena, y a un antagonista/agonista específico de tejido como raloxifeno (2) formando complejos con el receptor. Figura 1. Estructura molecular de Estradiol (1) y Raloxifeno (2). La mayoría de las hormonas y factores de crecimiento ejercen su efecto biológico activando receptores a nivel de la membrana plasmática. Sin embargo, las hormonas esteroideas, tal como estradiol (1), actúan sobre receptores solubles que se encuentran en el interior de la célula. Por este motivo, estas hormonas deben atravesar la membrana plasmática. Los receptores se encuentran en el citosol de la célula blanco y una vez que se ha unido a la hormona correspondiente el complejo hormona–receptor es transportado al núcleo en donde ejercen su acción biológica (Figura 2a). Estos complejos se unen a secuencias específicas de ADN y logran regular la expresión de conjuntos de 50 a 100 genes en promedio. La acción de estas hormonas es evidente en el lapso de horas ya que la consumación del efecto necesita de la síntesis de los mARN y posteriormente de sus correspondientes proteínas. Raloxifeno (2) es un antagonista específico de tejido de la acción de estradiol, esto quiere decir que funciona como antagonista en algunos tejidos y como agonista en otros. Teniendo en cuenta la acción de un compuesto biológico, un antagonista anula su actividad, mientras que un agonista posee la misma actividad que el compuesto en cuestión. Raloxifeno (2) es un antagonista contra los efectos mitóticos de estradiol en los tejidos reproductivos mientras que mantiene los efectos benéficos de estradiol en otros tejidos. Es comercializado por Eli Lilly bajo el nombre de EVISTA® (raloxifeno HCl) y se utiliza en terapias de reemplazo hormonal para el tratamiento y la prevención de la osteoporosis en mujeres posmenopáusicas. a) b) Figura 2. (a) Sinopsis del modo de acción propuesto para las hormonas esteroideas. (b) Representación esquemática de la estructura de dominios en la secuencia primaria del receptor de estrógenos. De izquierda a derecha los dominios son: activador, de unión a ADN y de unión a la hormona. Los receptores para hormonas esteroideas son una superfamilia de proteínas de tamaño variable. Poseen tres regiones en su estructura primaria (Figura 2b), una altamente variable en la zona amino terminal que se conoce como el dominio activador, en el centro del polipéptido se encuentra una región altamente conservada conocida como el dominio de unión a ADN y finalmente en la región carboxilo terminal el dominio de unión a la hormona. Este último dominio proteico en muchos de los receptores pertenecientes a esta superfamilia ha sido cristalizado y su estructura se ha determinado por Difracción de Rayos X. Esta técnica tiene ya varias décadas desde su establecimiento aportando en buena medida a la resolución de estructuras de un gran número de proteínas y ácidos nucleicos. Existen varias entidades que se ocupan de almacenar y distribuir información estructural de biomacromoléculas. Una de las entidades de mayor difusión y aceptación a nivel mundial es el Protein Data Bank manejado por el Research Collaboratory For Structural Bioinformatics (RCSB PDB). Se estableció en 1971 y originalmente poseía 7 estructuras depositadas. Al momento, esta base de datos posee depositadas más de 37.000 estructuras de proteínas y ácidos nucleicos. Sus archivos se encuentran disponibles en forma libre y gratuita en internet (www.pdb.org). Las estructuras de estas macromoléculas fueron determinadas por Difracción de Rayos X, Resonancia Magnética Nuclear (NMR) o Microscopia Electrónica Tridimensional (3D EM). La página del RCSB PDB no sólo ofrece la posibilidad de descargar estructuras de las macromoléculas sino que se encuentra diseñada como una página de última generación en la cual se encuentra maximizada la posibilidad de buscar y manipular información. Desde la página del RCSB PDB es posible descargar las estructuras los dominios de unión a hormona de proteínas receptoras de estrógenos que utilizaremos en este taller. Nos familiarizaremos con el programa HyperChem el cual está orientado a la construcción y modelado de moléculas orgánicas y utilizaremos también el programa DeepView para realizar las visualizaciones que pretendemos. Observaremos al detalle modelos moleculares de estructuras cristalográficas de proteínas. La proteína a observar es el dominio de unión a la hormona del receptor de estrógenos humano en complejo con dos ligandos distintos: estradiol (1), una hormona esteroidea endógena y raloxifeno (2), un antagonista específico de tejido. Parte del objetivo de este taller es tratar de racionalizar las bases moleculares de la acción de raloxifeno. Observaremos a grandes rasgos la estructura de la proteína y la ubicación del estradiol en su sitio de unión. Observaremos en mayor detalle la unión del ligando a la proteína y veremos que los dos puntos de contacto más destacables entre el ligando y su receptor son a partir de los hidroxilos del estradiol (Figura 5). Figura 5. Puentes hidrógenos propuestos para la unión de estradiol y raloxifeno a la proteína receptora de estrógenos. Una vez que ya hemos observado en detalle la estructura de este complejo proteína– estradiol nos dedicaremos a visualizar el complejo proteína–raloxifeno. Al superponer ambas estructuras claramente se pueden observar que ambas comparten muchas características y espacialmente son muy similares. Ambos ligandos ocupan la misma zona en el espacio y sus hidroxilos se encuentran ubicados casi en la misma posición. Es de notar que mientras ambos hidroxilos fenólicos ocupan exactamente la misma posición, sin embargo los hidroxilos en la posición opuesta están desplazados cerca de 5 Å. Este corrimiento del hidroxilo de raloxifeno sumado a la presencia de la cadena lateral del compuesto hacen que la α hélice H12 tome una nueva ubicación en el espacio dando una nueva topografía a la superficie de la molécula. Es claramente evidente que la cadena lateral de raloxifeno ocupa el mismo lugar en el espacio que ocupaba originalmente la hélice H12. Esta disrupción parcial de la topografía de la proteína podría ser en parte la explicación del antagonismo selectivo de raloxifeno. Esto se debe a que el receptor de estrógenos con su ligando unido actúa en combinación con distintos factores de transcripción para dar lugar a su efecto biológico. Esto quiere decir, que para ejercer su función debe formar complejos proteína– proteína los cuales se forman por reconocimientos sumamente específicos de las superficies de ambas proteínas. En los tejidos adonde se observa antagonismo esta variación en la estructura podría ser suficiente para anular el efecto del receptor de estrógenos. Mientras que en los tejidos en los que existe agonismo el reconocimiento entre los factores proteicos no cursaría a través de está zona afectada, o la variación estructural no es suficiente para anular el efecto. Realizando una revisión del taller, habremos aprendido a: manipular y visualizar estructuras de biomacromoléculas, comprender al detalle la interacción proteína–ligando incluso medir parámetros como distancias interatómicas y observar la perturbación de la estructura proteica tras la unión de un ligando exógeno. Estos hechos que permitirán inferir una hipótesis de la forma de acción del fármaco. LECTURAS SUGERIDAS: Brzozowski A.M., Pike A.C., Dauter Z., Hubbard R.E., Bonn T., Engström O., Ohman L., Greene G.L., Gustafsson J.A., Carlquist M. “Molecular basis of of agonism and antagonism in the ostrogen receptor” Nature 1997, 389 , 753–8. Research Collaboratory For Structural Bioinformatics Protein Data Bank (RCSB PDB) “Annual Report 2006”. (www.pdb.org sección general information). “DeepView User Guide”, (http://expasy.org/spdbv/text/main.htm).