Chimica farmaceutica II

Chimica farmaceutica e tossicologia II

Farmaci attivi sulla trasmissione adrenergica

La trasmissione adrenergica è principalmente associata al SNA, ma in modo particolare al sistema simpatico. Si attiva in situazioni di fight or flight, ovvero in situazioni di stress.

Nel momento in cui il sistema simpatico si attiva, questo induce la midollare surrene a produrre la noradrenalina, un neurotrasmettitore catecolaminico, e l'ormone adrenalina. Tali molecole mediano una serie di effetti su tutto l’organismo:

• Aumento del battito cardiaco;
• Aumento della pressione sanguigna;
• Aumento del rilascio di eritrociti dalla milza;
• Re-indirizzamento del flusso sanguigno da regioni periferiche (epidermide) ai muscoli scheletrici;
• Dilatazione bronchiale e pupillare.

La noradrenalina (norepinefrina) e l’adrenalina (epinefrina) fanno parte, assieme alla dopamina, della classe delle catecolamine, caratterizzate da:

• Anello aromatico catecolico;
• Centro stereogenico;
• Gruppo amminico secondario basico protonato.

L’adrenalina e la dopamina rientrano anche nella classe delle ammine biogene, cui fanno parte anche la serotonina, l’istamina e l’acetilcolina.

Osservando le strutture chimiche di questi mediatori molecolari, possiamo capire che possono esserci problemi di selettività. Infatti, tutte presentano un gruppo basico di distanza simile.

Si hanno due scuole di pensiero: da una parte si preferisce sfruttare le diverse attività, date dal problema della selettività; d'altra parte, invece, si preferisce isolare una singola azione (adrenergica, dopaminergica, serotoninergica, etc).

RICORDA: la selettività è quantitativa e non qualitativa, quindi anche una minima percentuale di mediatore andrà ad interagire con diverse tipologie recettoriali.

Intervento farmacologico sulla trasmissione adrenergica

L’intervento farmacologico sulla trasmissione adrenergica può avvenire a diversi livelli:

• Biosintesi del neurotrasmettitore;
• Meccanismo di rilascio;
• Stimoli esterni per il rilascio (es. transiente intracellulare di Ca²⁺);
• Reuptake;
• Metabolismo;
• Interazione recettoriale, sfruttando tasche allosteriche e non.

Sintesi delle catecolamine

La biosintesi della noradrenalina avviene nei neuroni adrenergici. Il processo inizia con il trasporto della L-tirosina all’interno della cellula neuronale, la quale viene ossidata dalla tirosina idrossilasi (limiting step), ottenendo la L-DOPA. La tirosina idrossilasi è un enzima altamente regolato e rappresenta l’incrocio di diversi pathways metabolici: infatti, questo è il passaggio che determina la velocità del processo di biosintesi di noradrenalina. Questo perché è controllato da un meccanismo a feedback negativo e da un processo di fosforilazione/defosforilazione.

La L-DOPA viene successivamente decarbossilata in dopamina. Questi primi due passaggi avvengono a livello citoplasmatico. A questo punto, la dopamina viene trasportata nelle vescicole dove viene ossidata in noradrenalina: la dopamina β-idrossilasi introduce in modo stereospecifico un gruppo ossidrilico in posizione β rispetto al gruppo amminico, producendo così la R noradrenalina.

La via biosintetica dell’adrenalina nella midollare surrenale è la medesima, con il passaggio addizionale di conversione di noradrenalina in adrenalina mediata dalla feniletanolammina-N-metiltransferasi (cofattore SAM), che catalizza la metilazione dell’-NH₂.

Tra gli inibitori della sintesi delle catecolamine ricordiamo la metirosina, la quale inibisce la tirosina idrossilasi. Ha un uso clinico limitato per il trattamento di episodi ipertensivi e altri sintomi causati dal feocromocitoma, un raro tumore delle surrenali (sovrapproduzione di catecolamine).

L’utilizzo è limitato al trattamento di tale patologia poiché la finestra terapeutica è molto ridotta. Tuttavia, trattandosi di un farmaco salva vita, il suo utilizzo per il trattamento del tumore non è limitato al massimo, mentre il suo utilizzo per il trattamento dell’ipertensione (non associata al tumore) sì. Bisogna sempre considerare il rapporto danni/benefici.

La ricerca di inibitori delle fasi successive ha portato, nella maggior parte dei casi, ad esiti negativi sia per motivi farmacocinetici che farmacodinamici, in quanto le molecole non si legavano con i recettori. Possiamo però ricordare la carbidopa, che blocca l’attività della DOPA-decarbossilasi, utilizzata nel trattamento del Parkinson.

Recettori adrenergici

Si è ottenuto un discreto successo in campo terapeutico con la scoperta e l’utilizzo di molecole che agiscono sui recettori adrenergici. I recettori adrenergici appartengono alla superfamiglia delle GPCRs, ovvero recettori accoppiati a proteine G. I GPCRs sono generalmente organizzati in 6 sottofamiglie (A-F); i recettori adrenergici fanno parte della classe A. Sono costituiti da 7 α-eliche idrofobiche che attraversano la membrana.

La regione extracellulare della proteina è composta da un dominio N-terminale e 3 anse che contengono il sito di legame; il dominio C-terminale è localizzato nell'ambiente intracellulare con 3 anse intracellulari.

Gli amminoacidi che interagiscono con il ligando sono in posizioni specificamente topologiche vicine che determinano la formazione del sito di legame, caratterizzato dalla presenza dell’aspartato nella terza α-elica, che interagisce con l’N basico, e dalle serine e tirosine nella quinta α-elica che interagiscono tramite legami H con gli -OH catecolici.

I domini intracellulari includono il sito di riconoscimento per la proteina G, la quale si lega solitamente alla terza ansa, ovvero quella che connette la quinta e la sesta elica.

Esistono diversi sottotipi recettoriali dei recettori adrenergici. Conoscendo le caratteristiche degli amminoacidi che formano il sito di legame è possibile fare un disegno razionale farmaco e, contemporaneamente, ragionare sui residui amminoacidi non conservati in tutti i sottotipi recettoriali per migliorare la selettività.

Ricorda: per definire un buon farmaco si valutano l’affinità e l’efficacia. Si potrà agire con agonisti pieni (preferibili, poiché non è buono stimolare del tutto una via di segnalazione), parziali, inversi ed antagonisti.

Il fatto che due molecole, agonista ed antagonista, medino due effetti opposti pur legandosi nella stessa tasca di legame si spiega con il cambiamento conformazionale che esse stesse inducono nel recettore. I recettori GPCRs, infatti, possono essere visti come un sistema in equilibrio in cui la conformazione attiva ed inattiva coesistono: le diverse molecole (agonisti, antagonisti, etc) andranno a spostare tale equilibrio verso la conformazione attiva o inattiva.

Come abbiamo detto, un punto fondamentale per l’interazione è l’α-elica V in cui son presenti delle serine e tirosine. Infatti, pare che la conformazione attiva sia determinata dallo spostamento dell’elica V. La presenza dell’-OH fenolico nelle catecolamine facilita tale spostamento, determinando quindi l’attivazione del recettore e della via di trasduzione: capiamo quindi che, tale molecola, si comporterà da agonista.

Se invece la molecola presenta gruppi ingombranti idrofobici ed ostacolerà il cambiamento conformazione e lo spostamento dell’elica V, agendo quindi da antagonista.

Un altro fattore da non dimenticare è l’N basico presente sulla catecolamina, il quale àncora il neurotrasmettitore alla tasca di legame. La sostituzione del gruppo R sull’ammina può influenzare l’attività della molecola, da agonista ad antagonista (es. un gruppo fenolico sposterà l’attività verso l’agonismo, un gruppo isopropilico verso l’antagonismo).

Per quanto riguarda la selettività, bisogna ricordare che esistono varie sottofamiglie dei recettori adrenergici. Abbiamo due principali adrenorecettori, α e β, i quali vengono ulteriormente suddivisi in sottotipi α₁, α₂ e β₁, β₂, β₃; degli α₂ se ne conoscono ulteriori sottotipi (es. α_2B).

I sottotipi recettoriali rispondono allo stesso ligando eso- o endogeno ma diversamente in termini di affinità ed efficacia. La selettività è relativa. Una molecola selettiva per un recettore β₁ avrà semplicemente maggior affinità per quel sottotipo rispetto agli altri, non significa quindi che si leghi esclusivamente con β₁.

La diversità tra i recettori GPCRs risiede nelle differenze delle sequenze amminoacidiche e nelle diverse proteine G a cui sono associati, quindi dal tipo di effettore reclutato dalla proteina. Notiamo infatti che:

• I recettori α₁ sono associati a proteine G_q e attivano fosfolipasi C;
• I recettori α₂ sono associati a proteine G_i e inibiscono adenilato ciclasi;
• I recettori β sono associati a proteine G_s e attivano adenilato ciclasi.

Per far in modo che una molecola sia più selettiva per un sottogruppo, sarà necessario introdurre determinati gruppi chimici nella sua struttura. Se, ad esempio, sappiamo che nella posizione X di un sottotipo recettoriale c’è un’alanina mentre nell’altro sottotipo abbiamo un triptofano, possiamo introdurre un gruppo apolare (es. catena ramificata) nella molecola in modo tale che si possa legare con l’alanina di quel determinato sottotipo recettoriale e non con l’altro.

I diversi sottotipi recettoriali sono espressi in tessuti differenti:

• Arteriole: costrizione α₁, α₂;
• Muscolo scheletrico: rilassamento β₂;
• Muscolo radiale dell’occhio: costrizione α₁ (dilatazione pupillare);
• Cuore: effetto inotropo/cronotropo positivo β₁;
• Polmoni: rilassamento β₂ (broncodilatazione);
• Fegato: stimolo gluconeogenesi e glicogenolisi α₁, α₂, β₂;
• Adipociti: stimolo lipolisi α₁, β₁, β₃;
• Utero: contrazione α₁;
• Intestino: inibizione motilità α₁, α₂.

In base alla distribuzione tessutale, si possono ricavare le varie opportunità terapeutiche:

• Agonisti α₁: ipotensione, decongestionante nasale;
• Antagonista α₁: antipertensivo, iperplasia prostatica benigna;
• Agonista α₂: antipertensivo, glaucoma, analgesia, sedativo;
• β₁ antagonista: antipertensivo, antiaritmico;
• β₂ agonista: broncodilatatore, glaucoma;
• β₃ agonista: perdita peso.

SARS agonisti adrenergici

L’attività da agonista endogeno dell’adrenalina si esplica, nei confronti di tutti i sottotipi recettoriali, grazie al suo farmacoforo. Esso è definito da due gruppi -OH fenolici (catecolico), un linker 2C in cui è presente un -OH legato ad un carbonio chirale e un’ammina secondaria.

La maggior parte degli agonisti adrenergici presenta una struttura feniletanolamminica.

• R₁ gruppi ingombranti: determinano maggior selettività verso i recettori β (es. t-butile). Sostituenti ramificati amplificano tale selettività nei confronti, in particolare, dei β₂;
• R₂ piccoli sostituenti alchilici: possono rallentare il metabolismo (MAO) di queste molecole. Sostituire la posizione α rispetto all’ammina, introducendo un secondo centro chirale, offre opportunità di selettività ai sottotipi recettoriali;
• R₃ gruppi accettori/donatori di legami H: la presenza di questi gruppi aumenta la selettività verso il sottotipo β. Se è presente solo un gruppo fenolico, l’attività agonista β è mantenuta se l’-OH è in para. Se si trova in meta sono generalmente selettive α. Comunque sia, diversi sostituenti all’R₃ possono modulare l’attività delle COMPT;
• Il centro chirale deve essere in conformazione assoluta R. Se è presente il secondo centro chirale e si ha configurazione 1R, 2S si aumenta la selettività per gli α₁ rispetto agli α₂.

N.B.: l’α-selettività è un po’ più tollerante nei confronti delle sostituzioni, mentre la β risente molto dei sostituenti sul gruppo aromatico.

Quindi, ricapitolando, gli elementi farmacoforici essenziali sono l’anello Ar, l’N basico e il linker 2C.

Agonisti α₁

Sono tendenzialmente vasocostrittori. Trovano impiego nel momento in cui vi è un improvviso calo di pressione in ambito chirurgico. Esplicano la loro attività in tessuti diversi e quindi possiamo sfruttarle in maniera differente.

Il metaramirolo presenta gruppo fenolico in meta, determinando quindi α-selettività. La metossamina presenta due gruppi metossilici, uno al C5 e uno al C2. Viene bioattivata per O-demetilazione ad un metabolita 5’-fenolico in posizione meta, che conferisce α-selettività.

La tetraidrozolina non presenta la classica struttura feniletanolamminica degli agonisti adrenergici. Tuttavia, il gruppo farmacoforico è presente seppur nascosto. L’anello imidazolico è molto basico (pKa 10-11), mantenendo la basicità dell’ammina secondaria ed è presente il linker 2C. L’orto-sostituzione sull’anello è fondamentale per la selettività α. Introducendo sostituenti ingombranti in meta e para sull’anello aromatico, inoltre, si incrementa la selettività α₁. Viene utilizzata come decongestionante nasale e collirio.

Agonisti α₂

Il rappresentante di questa classe è la clonidina. Era stata originariamente sintetizzata come vasocostrittore e decongestionante nasale ma, contrariamente a ciò che si attendeva, ha evidenziato un potente effetto antipertensivo (ipotensivo).

Grazie alla struttura lipofila, dovuta soprattutto alla presenza dei due Cl, la molecola è in grado di attraversare facilmente la BEE. L’effetto ipotensivo potrebbe essere dovuto alla sua somiglianza strutturale con l’istamina, inducendo quindi un abbassamento della pressione a livello centrale.

L’introduzione di un azoto nel linker etilico determina la formazione del gruppo guanidinico, oltre che l’eliminazione del centro chirale. La clonidina, comunque, presenta una pKa di 8.3 e, a pH fisiologico, è protonata all’80%.

La combinazione della carica, dei due N e dei due Cl determina una geometria particolare: infatti il gruppo guanidinico esce fuori dal piano individuato dall’anello aromatico, nonostante il doppio legame, determinando quindi una geometria non coplanare. La sua attività dipende proprio dalla sua geometria.

La clonidina viene utilizzata per il trattamento del glaucoma, dell’ADHD (iperattività con deficit di attenzione) e nella disassuefazione da nicotina e oppioidi.

In seguito a diversi studi sulla SARS degli agonisti α₂ centrali, si capì che il ciclo imidazolico non era necessario per l’attività. Si ottennero infatti i analoghi della clonidina a ciclo imidazolico aperto, il cui meccanismo d’azione è analogo a quello del composto parente.

Agonisti ad azione mista

Ricordiamo l’efedrina e la pseudoefedrina. Presentano gli stessi gruppi sostituenti, ma le sostituzioni sui C1 e C2 creano 4 possibili stereoisomeri (gli eutomeri sono 1R). Presentano comunque il farmacoforo della noradrenalina. Tuttavia, mancano degli -OH catecolici: di conseguenza, sono molecole molto lipofile con attività centrale.

Gli eutomeri mediano un’attività agonista mista (α₁, α₂ e β₂) mentre i distameri mediano un’attività indiretta (stimola rilascio di noradrenalina). Vengono usati come decongestionanti nasali e blandi stimolanti.

Come farmaco commerciale ricordiamo il Reactine contenente pseudoefedrina e cetirizina: è un antistaminico in cui la pseudoefedrina contrasta la sedazione con la stimolazione centrale.

Antagonisti α

Gli antagonisti α sono molto utilizzati nel trattamento sintomatico del feocromocitoma. Possiamo ricordare la fenossibenzamina, un agente alchilante in grado di alchilare i recettori α. È una β-aloalchilammina, struttura molto frequente nella classe delle mostarde azotate ad azione antitumorale.

È una molecola molto reattiva: a pH fisiologico il doppietto elettronico non condiviso dell’N è nucleofilo e sostituisce il Cl in β per formare uno ione aziridinio altamente reattivo. È proprio tale forma ionica che attacca il recettore α, in particolare al livello di una cisteina o serina, attraverso un legame covalente, bloccandone l’attività.