La tercera generación de los antagonistas del receptor de histamina H2 como cimetidina, ranitidina y famotidina es muy empleada para tratar las úlceras duodenal y gástrica, la enfermedad por reflujo gastroesofágico y trastornos hipersecretorios patológicos como el síndrome de Zollinger−Ellison.

Famotidina incorpora una fracción de sulfamida, un bioisóstero del grupo sulfonamida, un grupo fijador de zinc presente en los inhibidores de la anhidrasa carbónica (AC, EC 4.2.1.1) (IAC). Sin embargo los efectos de famotidina sobre estas metaloenzimas con zinc han sido poco investigados. Las AC son metaloenzimas ubicuas que catalizan la hidratación reversible del dióxido de carbono a bicarbonato y protones.

En los seres humanos existen 15 α-isoformas diferentes, con ubicación subcelular y distribución tisular muy diferentes.

Hay varias isoformas citosólicas (hAC I−III, VII, XIII), cuatro isoenzimas unidas a la membrana (AC IV, IX, XII, and XIV), y dos mitocondriales (AC VA, VB), y una isoenzima AC segregada, AC VI, aparte de tres catalíticas (AC VIII, X y XI).

Estas enzimas tienen funciones fisiológicas/patológicas esenciales en la homeostasis ácido base, la secreción de electrolitos y el transporte de iones, ya que suministran bicarbonato y regulan el pH en la producción de ácido gástrico dentro de la células parietales del estómago, así como en la producción de bilis, jugo pancreático, el transporte intestinal de iones, la protección del tubo digestivo de condiciones extremas de pH (demasiado ácido o demasiado básico).

En este contexto especial, los autores investigaron si famotidina muestra efectos inhibitorios de la AC. Se incluyeron en el estudio todas las isoformas catalíticamente activas de AC de los seres humanos (hAC I−XIV), así como las dos AC presentes en la bacteria Helicobacter pylori (α-HpAC, β-HpAC), el agente etiológico responsable de las úlceras gástricas. Informan además acerca de la estructura de famotidina determinada por rayos X en complejo con hCA I y hCA II, lo que permite descifrar aspectos interesantes relacionados con su mecanismo de inhibición de la AC.

El perfil de inhibición de las isoformas citosólicas fue muy diferente con famotidina. La isoforma más sensible a la inhibición con este fármaco fue hAC VII, con una constante de inhibición K_i de 3,0 nM. Sin embargo, las dos isoformas citosólicas más extendidas hAC I y hAC II mostraron una inhibición muy diferente con este compuesto: hAC II fue inhibida eficazmente (K_i 57,9 nM), mientras que hAC I fue más de diez veces menos sensible a la inhibición con famotidina, en relación con hAC II, con un K_i de 922,4 nM.

Famotidina fue un inhibidor moderado de la isoforma hAC XIII (K_i 171,5 mM) y perdió toda su actividad contra hAC III, con un K_i > 10 μM. Las dos isoformas mitocondriales (hAC VA y VB) fueron poco inhibidas por este fármaco sulfamídico en el rango micromolar (K_is de 1,4 y 5,3 μM, respectivamente).

Las isoformas unidas a la membrana, al igual que las citosólicas antes mencionadas, mostraron un patrón de inhibición heterogéneo. hAC XII, una isoforma asociada con tumor y validada recientemente como un blanco antitumoral, fue inhibida eficazmente por famotidina con un K_i of 45.3 nM.

La segunda enzima sobreexpresada en tumores hipóxicos hAC IX, fue sin embargo menos inhibida por famotidina, con un K_i de 126,3 nM. Las dos últimas isoformas hAC IV and XIV asociadas con la membrana, en cambio, fueron inhibidas débilmente por este fármaco en el rango nanomolar alto (K_i 938.8 y 677,2 nM).

Se demostró que H. pylori, una bacteria gramnegativa que se desarrolla bien en un pH relativamente neutro, es la causa de gastritis crónica, úlceras pépticas y, más recientemente, cáncer gástrico. Esta bacteria gástrica codifica para dos clases de AC, una α-y otra β. Ambas enzimas son esenciales para su supervivencia en el medio ácido del estómago y estudios recientes mostraron que las sulfamidas bloquean el crecimiento del germen in vitro e in vivo.

Así, en caso de interferencia con estas enzimas, famotidine se podría emplear como una nueva herramienta farmacológica para tratar el H. pylori resistente. Por este motivo se efectuaron estudios de inhibición de las dos AC bacterianas. La enzima clase α fue inhibida eficazmente por este compuesto, con una constante de inhibición de 20,7 nM, comparable a la acetazolamida (AAZ) empleada en la clínica.

No obstante, hpβCA fue inhibida menos eficazmente por famotidina (K_i de 49,8 nM), pero también para esta enzima la actividad fue comparable a AAZ. Famotidina fue más activa contra las enzimas del H. pylori comparada con las dos isoformas citosólicas humanas dominantes (hAC I y hAC II), mientras que AAZ fue un inhibidor eficaz para ambas.

Considerando la abundante localización en el tubo digestivo de la hAC I y II citosólicas, así como sus funciones esenciales en la regulación del pH, se obtuvieron las estructuras cristalinas por rayos X de alta resolución de los aductos de famotidina con estas enzimas, a fin de conocer en detalle los modos de unión del fármaco.

La inspección de los mapas iniciales de densidad electrónica Fo−Fc de ambas zonas activas mostró densidad electrónica bien definida, totalmente compatible con la presencia de famotidina y sorprendentemente reveló dos conformaciones posibles del fármaco para ambos aductos.

Famotidina coordina el ion de zinc catalítico de las dos isoformas de AC por medio de un átomo de nitrógeno del grupo sulfamida, desplazando la molécula de agua unida al zinc/ion hidróxido, que produce una geometría terahédrica de coordinación del ion metálico, al igual que otros compuestos de sulfamida.

El complejo hAC I/famotidina mostró dos diferentes orientaciones del inhibidor. La primera, presentada en color verde, mostró diferentes cadenas de hidrógeno que estabilizaban al aducto enzima−inhibidor, como las que afectan la cola de la guanidina y Asn69 o el átomo de nitrógeno cerca de la fracción de sulfamida y Thr199 y His200. Sin embargo, las interacciones hidrófobas fueron casi inexistentes en este complejo.

Se encontró una sola interacción así entre Leu198 y la cadena metileno de famotidina. La orientación opuesta de la segunda estructura (en color púrpura), sorprendentemente, no mostró ninguna interacción con las cadenas laterales de la proteína.

Se observó una situación totalmente diferente al analizar la zona activa hCA II. Nuevamente se observaron dos orientaciones posibles de famotidina, ambas ubicadas en la región hidrófoba delimitada por una pequeña bolsa alineada por las cadenas laterales de Phe131, Leu198, y Pro201. El anillo tiazol de una orientación de famotidina formó fuertes interacciones hidrófobas con estos residuos y un puente de agua con Pro201 por medio del átomo de nitrógeno de la azometina.

Esta porción de la molécula se orientó diferentemente en dos conformaciones: en una, el átomo de nitrógeno participa en varias cadenas de hidrógeno con Thr199 y Thr200. En la segunda, se observó una orientación opuesta del nitrógeno, sin interacciones con la proteína. Por último, el oxígeno de la sulfamida participa en una cadena de oxígeno bifurcada con Thr200. La densidad electrónica estuvo ausente para la cola de guanidina de la conformación y no se la presentó en el modelo complejo.

La superposición estructural entre los complejos hAC I y hAC II muestra que, mientras que las fracciones de sulfamida de famotidina son bastante superponibles, las dos colas alifáticas presentan orientaciones diferentes y, en consecuencia, diversas interacciones con las cadenas laterales de aminoácidos de las dos zonas activas. Phe131 en hCA II resultó ser esencial para colocar a famotidina dentro del lado lipofílico de la cavidad de la sitio activo, que se relaciona fuertemente con la potencia inhibitoria de este fármaco contra hCA II.

Sin embargo, la presencia de Leu131 en hCA I condujo a una interacción floja de las fuerzas de van der Waals, que no forzó a famotidina hacia el lado lipofílico de la zona activa, llevando así a dos orientaciones opuestas de la estructura y pocas interacciones hidrófobas con la zona activa. Estas características reflejan la pérdida de potencia inhibitoria contra esta isoforma comparada con hCA II.