Chimica farmaceutica - 1 parte

Solubilità, lipofilia e interazione farmaco-recettore

La solubilità condiziona la scelta della via di somministrazione:

• Via ev: posso somministrare solo una soluzione, no dispersione o emulsione perché la precipitazione nella sede d’iniezione potrebbe ostruire i vasi sanguigni.
• Via oftalmica, colliri, pomate: PA disciolto in soluzione o disperso come solido finemente suddiviso; le particelle grossolane irritano la mucosa congiuntivale.
• Per via im o sc il F è rapidamente assorbito se viene iniettato come soluzione, trattamento infezioni acute; al contrario, il F è lentamente assorbito se viene iniettato come sospensione o dispersione a lenta dissoluzione, trattamento infezioni croniche.
• Le forme ritardo per os: compresse e capsule preparate con polveri del PA a lenta dissoluzione.

Se il PA non è stabile a lungo in acqua esso può essere conservato sotto forma di polvere, di granulato o di compressa effervescente ed essere disciolto o disperso estemporaneamente poco prima dell’uso.

Lipofilia

La lipofilia di una sostanza descrive la sua tendenza a sciogliersi in un solvente apolare piuttosto che in acqua, con la quale effettua deboli interazioni come F di Van der Waals; le sostanze idrofile instaurano con l’acqua invece interazioni più forti come ione-dipolo, dipolo-dipolo, L a H.

Se consideriamo due liquidi immiscibili tra di loro, ed in particolare un liquido:

• Apolare: n-ottanolo, scelto perché mima i fosfolipidi, testa polare, coda lipofila, delle membrane cellulari.
• Polare: H₂O, rappresenta il liquido che circonda le cellule come il plasma ed il sangue.

E li pongo in un imbuto separatore, agito l’imbuto e lo metto in un sostegno con il fine di far stratificare, con il riposo, le due fasi. Se aggiungo un F esso si ripartisce nei due solventi a seconda della propria affinità.

Posso dosare il F disciolto con la legge di Nernst: “a T cost, il rapporto tra le [ ] di un soluto che si ripartisce tra 2 solventi immiscibili A e B è costante ed è uguale al coefficiente di ripartizione P”.

P = [soluto]_A / [soluto]_B.

P dipende dalla natura dei due solventi.

La lipofilia di una sostanza si esprime come log del suo coefficiente di ripartizione, logP₁₀, ed in base al suo valore classifico i F in idrofili, < di 0, lipofili, > di 0, di media polarità, intorno a 0.

Calcolo logP: clogP è dato dalla somma algebrica dei vari punteggi di lipofilia dei vari costituenti di 1 composto, gruppi funzionali, C alifatico, C aromatico, H, legame benzilico, orto-interazione, etc. All’aumentare del PM diminuisce l’accuratezza dei risultati.

La costante idrofobica π è un parametro chimico che quantifica la Δ della lipofilia di una molecola mediante l’introduzione di un sostituente X: π_x = logP_x - logP_H. Log P_x e log P_H sono rispettivamente i coefficienti di ripartizione della molecola sostituita e di quella originale. Se P_x è > di P_H si ha π > 0 → aumenta la lipofilia della molecola.

Idrocarburo, arile, alogeno, etossile: sostituenti che incrementano la lipofilia della molecola.

SO₂CH₃, ammide, chetone, aldeide, ammina primaria o quaternaria, acido carbossilico, OH: sostituenti che contribuiscono a ridurre la lipofilia della molecola, sono gruppi che formano L a H con l’acqua e/o sono ionizzabili a pH fisiologico.

Es: calcolo logP della 3-Cl-benzamide conoscendo: logPbenzene; logPbenzamide; logPclorobenzene.

Se una sostanza è lipofila, logP >= 0, può attraversare le membrane per diffusione passiva. Altre caratteristiche influenzano il passaggio delle membrane per diffusione passiva sono: le dimensioni molecolari, deve essere poco voluminoso, ed il comportamento acido base, meglio neutro.

πCl, πCONH₂; quindi calcolo logP è dunque pari alla somma del logPbenzene + πCl + πCONH₂.

Coefficiente di distribuzione

Se consideriamo un acido o una base debole ed eseguo il processo prima elencato, ovvero lo pongo in una miscela costituita da due solventi immiscibili, avvengono due equilibri:

• Equilibrio di ripartizione: la sostanza neutra si ripartisce tra la fase acquosa e quella apolare. Dipende dal coefficiente di ripartizione P del soluto.
• Equilibrio acido-base: ha luogo solo nella fase acquosa. Dipende dal pK del soluto e dal pH della fase acquosa.

La ripartizione complessiva che risulta dai due suddetti equilibri è espressa dal coefficiente di distribuzione D o più frequentemente dal logD.

Per un dato soluto il valore di P è una proprietà intrinseca, costante termodinamica della specie neutra, mentre il valore di D è in funzione del pH.

Calcolo del logD.

Per il calcolo del logD bisogna fare un’approssimazione, ovvero che la forma ionizzata è illimitatamente idrofila, ovvero è incapace di ripartirsi nella fase apolare; perciò: se divido tutto per [HA] ottengo acqua.

D sarà uguale a P quanto più l’acido sarà forte, diminuisce A^-; D diminuisce con l’aumentare della frazione della specie ionica. Sulla base di questo modello il valore di D di acidi e basi deboli può essere calcolato mediante le seguenti equazioni.

Limitazioni: il soluto non si ionizza solo nella soluzione acquosa ma anche nel n-ottanolo.

Esaminiamo l’andamento del logD in funzione del pH per un acido debole con pK = 5, sx, ed una base debole con pKb = 5, dx.

Grafico a sx: il log di D diminuisce all’aumentare del pH perché aumenta la dissociazione, sx.

NB: idrofilia non significa necessariamente solubile in acqua → bisogna considerare l’E reticolare, attrazione delle molecole o degli ioni nel solido cristallino che si oppone al normale processo di dissoluzione; pertanto alcune sostanze lipofile dotate di scarsa energia reticolare sono caratterizzate da valori di s in H₂O elevati.

Sostanze anfotere

Le sostanze anfotere si comportano in acqua sia da acidi che da basi. Il punto isoelettrico, pI, è il pH al quale risulta massima la % della forma zwitterionica, rispetto a quella anionica o cationica, e si calcola come punto medio tra pKa1 e pKa2.

Se un F, es: Amoxicillina, ha pKa1 = 2,4 e pKa2 = 9,6. pI = (2,4 + 9,6)/2 = 6. La forma zwitterionica dell’Amoxicillina prevale a valori di pH compresi tra 2,4 e 9,6.

Gli zwitterioni, grazie al loro elevato momento dipolare, sono più idrosolubili delle specie neutre e meno idrosolubili rispetto alle specie ioniche, fanno interazioni ione-dipolo con l’acqua più forte di quelle dipolo-dipolo instaurate da uno zwitterione.

Il logD e logS di una sostanza anfotera variano in funzione del pH. Al pH isoelettrico il logD raggiunge il suo valore massimo mentre la solubilità raggiunge il suo valore minimo. Man mano che il pH si allontana dal punto isoelettrico diminuisce logD ed aumenta la solubilità perché prevalgono le specie ioniche, più idrofila dello zwitterione: se il pH < pI prevale la specie cationica; se il pH > pI prevale la specie anionica.

Lo stato di zwitterione può essere vantaggioso per un farmaco. Essendo privi di carica netta, gli zwitterioni riescono ad attraversare le membrane cellulari più agevolmente di quanto possano fare le specie cationiche e anioniche. Inoltre, la presenza di cariche parziali nella loro struttura conferisce agli zwitterioni, in genere, una discreta solubilità in acqua, un fattore che favorisce la biodisponibilità orale. L’Amoxicillina e la Ciprofloxacina sono infatti bene assorbiti in seguito a somministrazione orale.

Concetto di recettore

Concetto di recettore: nel 1900 l’immunologo Paul Ehrlich introduce la “teoria delle catene laterali” che fornisce una spiegazione sul meccanismo d’azione degli anticorpi nel sangue, in particolare: le cellule del sistema immunitario usano dei recettori, che lui chiamò catene laterali, per riconoscere tossine microbiche.

Sei anni dopo, analizzando l’antagonismo curaro-nicotina, John Langley ipotizzò l’esistenza nel tessuto muscolare di “sostanze recettive” in grado di legare la nicotina. A seguito della pubblicazione nel 1933 del libro del farmacologo Alfred Clark “i meccanismo d’azione dei farmaci nelle cellule” il concetto di recettore è stata impiegata per definire qualsiasi macromolecola bersaglio dell’azione di un farmaco.

I recettori sono proteine localizzate sulla membrana cellulare o all’interno della cellula che mediante interazione con mediatori endogeni o esogeni, farmaci, attivano le funzioni biochimiche cellulari. Recettori orfani sono recettori di farmaci per i quali non è ancora noto il ligando endogeno. I recettori possono essere: enzimi; carrier, canali ionici e pompe ioniche. Non tutti i farmaci legano un recettore, pensa agli antiacidi che aumentano il pH gastrico, farmaci con meccanismi fisici o chimici.

Livelli d’azione di un farmaco

L’azione dei farmaci può essere descritta secondo 4 livelli: molecolare, cellulare, tissutale e sistemico. Per esempio l’antibiotico aminoglicoside a livello molecolare lega il ribosoma batterico inibendo la sintesi proteica, a livello cellulare tale inibizione provoca la morte del batterio patogeno, a livello tissutale è ripristinata l’integrità e la funzionalità delle vie urinarie, a livello sistemico cessano i sintomi della malattia. I saggi in vitro valutano i primi tre livelli, quelli in vivo l’ultimo.

Complesso F-R

F + R F—R.

La costante di dissociazione del complesso farmaco-recettore è Kd, moli/L; minore è il suo valore e > è la stabilità del complesso FR. Nel particolare il valore di Kd coincide con la [F] che determina l’occupazione della metà di tutti i R disponibili. Infatti se [F] = Kd significa che [FR] = [R] e perciò il n° totale dei recettori è in concentrazione [R]tot = FR + [R], ovvero sono per la metà liberi e per la metà occupati.

Affinità: misurata dalla Kd ed indica quanto fortemente il farmaco è legato al recettore. Aumenta al diminuire della Kd. La maggior parte dei F possiede valori di Kd compresi tra 10^-6, potenza micromolare, e 10^-9 moli/L, nanomolare.

Efficacia: effetto massimo che il farmaco può produrre.

Potenza: [ ] del F richiesta per produrre un determinato effetto, solitamente il 50% dell’effetto massimo.

La Kd è correlata alla variazione dell’energia libera associata alla formazione del complesso F-R, detta E di legame: ΔG = 2,3 RT logKd in cui R è la costante dei gas. Assumendo T = 25°C → ΔG = 1,3logKD. Se ΔG < 0 il processo è esoergonico, spontaneo. Elevata E di legame significa che ΔG ha segno “-” ed è elevato in valore assoluto. Il ΔG totale è la sommatoria tra le ΔG interazioni elettrostatiche, interazioni idrofobiche, conformazionale, rotazionale e traslazionale, repulsione sterica etc. Equazione di Gibbs.

Analizziamo le varie interazioni tra farmaco e recettore.

Interazioni elettrostatiche

Legame ad idrogeno: avviene tra un gruppo donatore, eteroatomo legato ad un H, come SH, NH₂, OH, ed un gruppo accettore, deve avere un doppietto di elettroni su orbitali sp² o sp³ come N, O, F. Questo legame può essere:

• Neutro: i gruppi coinvolti sono privi di carica netta. Esempio: N-H----O=C.
• Neutro-carico: uno dei due è ionizzato NH₂⁺-H----Ome^-.
• Ionico rinforzato, ponte salino: tutti e due sono ionizzati … copia figura.

Può avvenire tra: due gruppi D ed 1 gruppo A, 2OH ed 1 carbonile; 1D e 2A, 2 carbonili ed 1OH. L’E associata ad un L a H dipende dalla presenza di cariche ma anche dall’elettronegatività degli atomi coinvolti: OH-N è più forte di NH-O.

Legame ionico: in genere è sempre rinforzato dal L a H. Si verifica quando il F presenta una funzione acida dissociata, COO^-, ed il R è un metallo-enzima, ovvero presenta un catione, Zn²⁺, Mg²⁺, coordinato nel sito catalitico.

Interazione catione-π: consiste nell’attrazione elettrostatica tra un gruppo carico positivamente, es: N⁺(Me)₃, e la nuvolta di e^- di un aromatico.

Interazioni di Van der Waals: si instaurano tra dipoli. Affinché i due dipoli si attraggano è necessario che la distanza tra i due poli di segno opposto sia > della distanza tra i poli di segno uguale. Abbiamo:

• Interazione dipolo-dipolo, forze di Keesom: molecole polari, dipoli permanenti, si allineano tra loro con il polo positivo di una molecola diretta verso quello negativo dell’altra molecola.
• Interazioni dipolo-dipolo indotto: il dipolo indotto avviene mediante polarizzazione degli elettroni del guscio esterno di valenza che formano dei dipoli temporanei. Queste interazioni sono le forze di Debye: polarizzazione di un legame covalente puro indotto da 1 L covalente polare.
• Interazioni dipolo indotto-dipolo indotto, F di London: è all’origine della debole attrazione che tiene insieme atomi privi di momento dipolari, es: O₂, alogeni, N₂, CO₂, CH₃.

Le interazioni elettrostatiche tra F e R sono associate ad un ΔH < 0, le interazioni che si formano sono di più di quelle che si rompono.

Interazioni idrofobiche

Interazioni idrofobiche: derivano da un guadagno di entropia del solvente acquoso. Nel particolare le molecole di acqua tendono ad associarsi tra loro formando aggregati acquosi che circondano le superfici apolari, gli “iceberg”. Quando due superfici apolari entrano in contatto le molecole di acqua degli iceberg perdono la loro strutturazione e come risultato aumenta l’entropia del sistema, aumenta il numero di molecole di acqua non strutturate.

Fattori sfavorevoli alla formazione del complesso F-R

Due fattori entropici tendono ad opporsi alla formazione del complesso F-R: la perdita di libertà rotazionale e traslazione del farmaco; la perdita di libertà conformazionale del farmaco e del recettore. L’adozione da parte del F della conformazione bioattiva, quella che lega il R, è un evento tanto più probabile quanto < è il n° di conformazione che può assumere lo stesso F. Perciò i F rigidi sono dotati di > potenza rispetto ai loro analoghi flessibili.

Due fattori entalpici tendono a ostacolare la formazione del complesso F-R: la tensione conformazionale e la repulsione sterica. Il legame tra un F flessibile ed un R flessibile richiede un reciproco adattamento conformazionale. Se le conformazioni dei due partner nel complesso sono a bassa energia la tensione conformazionale è nulla e ciò favorisce la formazione del complesso F-R. Se invece una o entrambe le conformazioni sono ad elevata energia il complesso risulta destabilizzato. Una certa tensione conformazionale è tollerata se nel complesso F-R le forze attrattive superano quelle repulsive. Il reciproco adattamento conformazionale tra F e R spiega perché F strutturalmente diversi possono legare lo stesso R.

Contributi delle interazioni F-R all’energia di legame

Le interazioni F-R possono essere classificate sui valori di ΔG in:

• L a H ionico rinforzato e neutro-carico, legami ionici puri ed interazioni catione-π: ΔG tra 1,5 e -3 kcal/mole.
• L a H di tipo neutro-neutro: ΔG tra -0,5 e -1,5 kcal/mole.
• Interazioni idrofobiche e di VDW: ΔG tra -0,1 e -1 kcal/mole per ciascun frammento di tipo CH, CH₂, NH, O, S, e alogeni.

L’E del ponte salino è > rispetto al L a H neutro-carico o neutro-neutro grazie all’impossibilità dell’acqua nell’intervenire nel L a H. Il ponte salino contribuisce molto all’E di legame di numerosi complessi F-R tanto che la rimozione di un gruppo carbossilico o amminico da un farmaco conduce ad analoghi quasi sempre privi di affinità per il R.

La maggior parte dei complessi F-R è stabilizzata da un effetto “cooperativo” di natura entropica. Questo effetto consiste nella > probabilità di realizzare una molteplicità di n interazioni attraverso una stechiometria di tipo 1:1 piuttosto che di tipo n:1. Ne consegue che l’E di legame osservata è più favorevole di quella derivante dalla semplice somma dei valori di ΔG associati a ciascuna singola interazione.

Per farmacoforo si intende l’insieme dei raggruppamenti chimici, arrangiati in una precisa disposizione tridimensionale, fondamentali per una particolare attività farmacologica. Il farmacoforo non è sempre quella parte della molecola che instaura interazioni nel sito di legame, ma può essere anche una parte della molecola che stabilizza l’isomero conformazione o tautomerico riconosciuto dall’enzima.

Le porzioni dell’inibitore che stabiliscono deboli interazioni con l’enzima sono dette “accessorie” perché la loro rimozione riduce ma non abolisce l’attività.

L’eventuale porzione dell’inibitore che rimane fuori dal sito di legame, esposta al solvente, si presta a modifiche strutturali che modulano la solubilità e/o la lipofilia dell’inibitore stesso.

Struttura tridimensionale di un farmaco

La struttura tridimensionale di una farmaco governa la sua interazione con il recettore, in quanto tra i due deve esistere complementarietà geometrica.

Si definiscono isomeri due o + composti che hanno la stessa formula bruta ma diversa disposizione spaziale degli atomi. Gli isomeri possono esser classificati in:

1. Isomeri costituzionali: diversa formula di struttura e diverse proprietà chimico-fisiche.
2. Stereoisomeri: stessa formula di struttura ma diverse disposizioni spaziali degli atomi. Gli stereoisomeri possono essere classificati in isomeri:

• Conformazionali: l’isomeria conformazionale origina da rotazione rispetto a L semplici non ostacolate da barriere energetiche troppo elevate. Distinguiamo i conformeri, conformazione che corrisponde ad un minimo di energia, e gli atropoisomeri. Gli isomeri conformazionali sono interconvertibili per rotazione attorno ad un legame singolo.
• Configurazionali: interconvertibili per rottura di un legame covalente, quindi a differenza degli isomeri conformazionali possono essere separati a T ambiente. Distinguiamo gli isomeri geometrici.