Chimica farmaceutica e tossicologica I

Chimica farmaceutica e tossicologica IAA 2021-2022

08/10/2021

,

Farmaco: sostanza che produce un effetto terapeutico su un organismo vivente. Deriva da parola che significa sia veleno che rimedio. La definizione dell’WHO è, invece, che un farmaco è una qualsiasi sostanza chimica o prodotto utilizzato per modificare o esaminare funzioni fisiologiche o condizioni patologiche a beneficio dei pazienti.

È possibile utilizzare anche altri termini per indicare un farmaco:

• Principio attivo: in sigla API, è una sostanza con attività farmaceutica;
• Medicamento: anche medicinale, è una preparazione farmaceutica costituita da principio attivo ed eccipienti.

I farmaci possono avere diversi effetti:

• Rimuovere le cause della malattia;
• Alleviare i sintomi della malattia;
• Compensare la carenza di una sostanza necessaria all’organismo.

Il processo d’azione di un farmaco parte dalla sua somministrazione, ad esempio, per via orale: le molecole di farmaco vengono quindi assorbite attraverso il canale digerente e vengono immesse nel circolo sanguigno; tutto ciò che non viene assorbito viene invece espulso con le feci. All’interno del sangue, le molecole di principio attivo si distribuiscono nei fluidi extracellulari dei vari organi; arrivate al fegato, queste possono essere modificate e quindi riemesse nel sangue così da arrivare ad altri organi. Alcuni farmaci vengono studiati in modo tale che vadano a depositarsi in determinati tessuti e quindi rilasciati in condizioni di necessità.

Altri farmaci possono accumularsi nel cervello, deprimendone la funzionalità e quindi dando un senso di stanchezza; l’accumulo è dovuto al fatto che questo tipo di molecole saranno molecole lipofile e quindi non facilmente trasportabili dal sangue ai reni. Una volta circolate per il corpo ed essere state modificate, accumulate o escrete, le molecole di farmaco arriveranno ad interagire con il bersaglio specifico, producendo quindi l’effetto farmacologico desiderato: allo stesso tempo, però, il farmaco potrà andare ad interagire con bersagli in grado di riconoscerlo ma che indurranno un effetto tossico (o eventualmente nullo).

Schematizzando ulteriormente il processo d’azione del farmaco, questo può essere diviso in tre fasi:

1. Fase farmaceutica: prevede la disgregazione della forma farmaceutica e il passaggio in soluzione del principio attivo liberato. Se la forma farmaceutica non si disgrega o il farmaco non si solubilizza, allora non si avrà effetto terapeutico;
2. Fase farmacocinetica: una volta liberato il farmaco, questo può sottostare a processi di assorbimento, distribuzione, metabolismo e infine escrezione (ADME);
3. Fase farmacodinamica: avviene a livello del sito d’azione del farmaco ed è la fase in cui si ha il vero e proprio effetto terapeutico o tossico.

Le fasi farmacocinetica e farmacodinamica sono fasi non per forza sequenziali ma possono anche intersecarsi.

Per avere un qualche effetto, il farmaco deve andare ad agire su un bersaglio molecolare, ovvero generalmente una macromolecola biologica con la quale la molecola di farmaco forma un complesso. La formazione di questo complesso è un evento necessario per l’induzione della risposta farmacologica. Solitamente è un processo all’equilibrio, ma altre volte (es. inibitori suicidi) questo legame è irreversibile. + ⇄ ⇢ Se il complesso non si forma, allora la molecola utilizzata non è un farmaco!

12/10/21

I bersagli molecolari dei farmaci possono essere:

• Recettori: solitamente di natura proteica, possono essere:
  • Recettori di membrana;
  • Recettori canale: regolati dalle differenze di potenziale o da neurotrasmettitori;
  • Recettori ad azione enzimatica: come i recettori tirosin-chinasici;
  • Recettori intracellulari: possono agire da fattori di trascrizione, ecc.
• Enzimi: la maggior parte dei farmaci utilizzati sono inibitori di enzimi;
• Acidi nucleici: DNA, RNA;
• Canali ionici voltaggio-dipendenti;
• Proteine di trasporto;
• Proteine strutturali.

I recettori possono essere coinvolti in determinati stati patologici, e perciò i farmaci dovranno andare ad agire su quei recettori specifici. Un esempio sono i recettori che inducono la proliferazione cellulare: se la cascata che inducono non viene controllata, e quindi la cellula diventa neoplastica, allora si può agire all’origine della cascata e quindi sul recettore. Un esempio famoso di patologia legata ai recettori è l’Alzheimer, il quale è dovuto ad una perdita di recettori colinergici a livello cerebrale per morte dei neuroni; verso gli anni ’80 si è pensato di aumentare la funzionalità dei neuroni non degenerati tramite utilizzo di analoghi dell’acetilcolina studiati in modo tale da stimolare in maniera maggiore i neuroni: con il tempo, però, è stato pensato di inibire la acetilcolinesterasi, ovvero un enzima responsabile della degradazione dell’acetilcolina dopo che il neurotrasmettitore ha interagito col recettore colinergico;

19/10/21

Guarda slide x i vari tipi.

Farmacodinamica → “CF-Gen” di legame

Processo di interazione tra farmaco e bersaglio molecolare. Questo tipo di interazioni sono di tipo non covalente (nella maggior parte dei casi).

Per illustrare e visualizzare l’interazione farmaco-bersaglio è possibile costruire dei modellini digitali tramite o cristallografia a raggi X o programmi di simulazione.

La chiralità è importante poiché, se i legami tra farmaco e bersaglio richiedono una determinata orientazione spaziale dei gruppi funzionali legati al centro chirale, può succedere che l’enantiomero “sbagliato” non formi tutte le interazioni necessarie all’attivazione dell’effetto biologico; discorso valido solo per i centri che interagiscono col sito attivo.

22/10/21

Farmacocinetica

La farmacocinetica riguarda lo studio dei fenomeni che influenzano il raggiungimento del bersaglio molecolare da parte di un farmaco. È un processo influenzato dal farmaco stesso e dalle caratteristiche dei vari distretti dell’organismo dell’individuo. È caratterizzato da 4 processi: assorbimento, distribuzione, metabolismo ed eliminazione. L’interazione del farmaco con l’organismo è influenzato profondamente dalle sue proprietà chimico-fisiche. Il movimento delle molecole di farmaco all’interno del nostro organismo è permesso dal preventivo attraversamento di barriere fisiche, come villi, capillari, barriera ematoencefalica, ecc….

Per muoversi da un punto all’altro dell’organismo, e quindi essere in grado di entrare nel circolo sanguigno, le molecole di farmaco possono portare avanti due diversi tipi di diffusione:

• Diffusione paracellulare: il farmaco attraversa gli spazi tra le cellule. È indispensabile che le sue dimensioni siano sufficientemente piccole per riuscire a passare attraverso due cellule; questo processo è assimilabile ad una filtrazione, e il verso di migrazione delle molecole sarà dato dal gradiente di concentrazione presente tra il punto di partenza e quello di arrivo;
• Diffusione transcellulare: il farmaco attraversa le cellule, entrando quindi nei loro citoplasmi. In questo caso, il farmaco dovrà essere in grado di passare più o meno liberamente attraverso le membrane.

Il movimento e spostamento del farmaco può avvenire per:

• Diffusione passiva;
• Diffusione facilitata;
• Trasporto attivo;
• Endocitosi/esocitosi.

Per capire se una molecola passa o meno attraverso il doppio strato fosfolipidico immaginiamo un doppio equilibrio ai due lati della membrana, e chiamiamo il processo ripartizione. Questi equilibri di ripartizione che si instaurano tra un liquido idrofilo e uno lipofilo sono determinati dalla natura dei due liquidi ma anche da quella delle molecole che devono attraversare la membrana. La maggiore o minore facilità di passare dall’acqua al doppio strato e viceversa sarà data due proprietà del farmaco stesso:

• Lipofilia: considerabile anche come idrofobicità, indica l’affinità che ha una molecola nei confronti di una fase lipofila. È parametrizzata dal coefficiente di ripartizione olio/acqua P: ⇄ [] = = []log > 0, Se allora la sostanza sarà lipofila; vale il contrario;
• Ionizzabilità: tendenza di una molecola di ionizzarsi, caricandosi positivamente o negativamente; ionizzandosi, la molecola diventa molto più idrofila. È una grandezza parametrizzata dalla costante di ionizzazione. Questo parametro è influenzato anche dal pH degli ambenti in cui si trova la molecola: se una sostanza acida si trova in un ambiente già molto acido, allora la sua dissociazione sarà molto sfavorita (es. aspirina nello stomaco), transitando all’interno del doppio strato più facilmente; vale il contrario per le basi. Ciò significa che non basta la sola ma bisognerà tener conto anche del grado di dissociazione della specie in soluzione; per risalire a questi valori si utilizzerà l’equazione di Henderson – Hasselbach.

In generale, quindi, saranno favorite per l’attraversamento delle membrane molecole neutre, lipofile (anche se poco) e poco ionizzate (se non per nulla). Le molecole troppo lipofile tenderanno a rimanere intrappolate nel doppio strato, senza effettivamente diffondere da una parte all’altra della membrana poiché, ai lati di questa, sarà presente un ambiente prettamente idrofilo molto sfavorevole.

25/10/21

Assorbimento

Processo di trasferimento del farmaco verso l’interno dell’organismo. L’efficienza dell’assorbimento di un farmaco determina la sua biodisponibilità, definita come la quantità di farmaco che raggiunge immodificato il circolo sistemico attraverso una data via di somministrazione. La biodisponibilità aumenta nel tempo, fino a raggiungere un picco corrispondente al punto in cui i processi di metabolismo ed eliminazione inizieranno a competere con l’assorbimento; ciò causerà una successiva diminuzione dei livelli di farmaco in circolo. Nel caso in cui il farmaco venisse somministrato per endovena, ecco che il picco viene raggiunto al tempo 0.

Un certo Lipinski scoprì che la maggior parte delle molecole di farmaco rispettavano determinate caratteristiche quali:

• PM < 500: una molecola troppo grande, come le proteine, fa fatica ad essere assorbita;
• LogP < 5: deve avere una lipofilia sufficientemente alta;
• Numero di accettori di legami H < 10;
• Numero di donatori di legami H < 5.

Tutto ciò prende il nome di regola del 5, e permette di capire se un farmaco ha caratteristiche farmacocinetiche ottimali.

Distribuzione

Definita come l’insieme degli eventi che determinano il trasferimento reversibile di un farmaco dal sangue ai vari organi e tessuti vascolarizzati dell’organismo. Ciò che influenza la distribuzione di un farmaco è:

• Flusso ematico;
• Permeabilità di membrane e tessuti: ad esempio, la barriera ematoencefalica è poco permeabile;
• Legame del farmaco alle proteine plasmatiche: più il legame con le proteine plasmatiche è forte, più tempo il farmaco rimarrà in circolo e avrà modo di arrivare al suo bersaglio. Inoltre, la sua eliminazione sarà rallentata e avrà una biodisponibilità maggiore.

Eliminazione

Principalmente avviene per via renale. L’eliminazione di un farmaco è influenzata dalla lipofilia e dalla ionizzabilità delle molecole: solo quelle molecole cariche e idrofile, infatti, usciranno dal capillare a livello del glomerulo con più facilità rispetto a quelle molecole neutre e lipofile. La maggior parte dei metaboliti dei farmaci sono solitamente molto idrofili, e perciò verranno eliminati più facilmente senza essere riassorbiti. Da ciò si deduce che anche la variazione del pH urinario andrà ad influire sull’eliminazione dei farmaci, poiché la ionizzazione delle molecole varierà.

Metabolismo

Indica le varie trasformazioni che avvengono in un farmaco una volta assorbito e distribuito nell’organismo. Il processo di biotrasformazione del farmaco può portare alla formazione di una molecola o tossica o con un effetto farmacologico aumentato. In generale, le biotrasformazioni possono essere classificate in:

• Reazioni della fase I: riguardano funzionalizzazioni del farmaco, introducendo o smascherando piccole funzioni idrofile che riducono la lipofilia della molecola, facilitandole quindi l’eliminazione. Solitamente non influiscono sulle interazioni con il bersaglio molecolare. Sono:
  • Ossidazioni: sono la maggior parte delle reazioni di questa classe. Possono avvenire:
    • Ossidrilazioni alifatiche;
    • Ossidrilazioni aromatiche;
    • Ossidazione di alcoli e aldeidi;
    • N, O, S – dealchilazione;
    • Deamminazione;
    • N, S – ossidazione.
  • Esempi di ossidazioni sono quelle date dai citocromi;
  • Riduzioni: su aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, gruppi nitro e gruppi azo;
  • Idrolisi: su esteri e ammidi.
• Reazioni della fase II: riguardano coniugazioni del farmaco, introducendo funzioni di rilevanti dimensioni sul farmaco e alterandone quindi sensibilmente le caratteristiche chimico-fisiche. Solitamente non riducono la lipofilia ma anzi; inoltre, influenzano le interazioni con il bersaglio molecolare. Sono:
  • Glucoronidazione: aggiunta di UDPGA, ovvero UDP-acido glucuronico. È la più importante tra tutte le coniugazioni, e può riguardare sia farmaci che metaboliti;
  • Coniugazione con lo ione solfato: aggiunta di PAPS, ovvero fosfoadenosil fosfosolfato;

Queste due reazioni rendono i substrati estremamente idrofili rendendoli più facilmente eliminabili.

• Coniugazione con aa: aggiunta di Gly. Forma un’ammide col substrato, ma non avendo catene laterali non modifica di granché le proprietà chimico fisiche della molecola poiché avrà sempre un gruppo carbossilico libero;
• Coniugazione con glutatione: aggiunta di glutatione. Capita che, quando il GSH viene attaccato ad un substrato, i due aa a cui è legata Cys vengono persi lasciando solo un aa sulla molecola attaccata;
• Acetilazione: aggiunta di acetil-CoA;
• Metilazione: aggiunta di SAM, ovvero S-adenosilmetionina., , OH / SH

Acetilazione e metilazione hanno generalmente come target gruppi e o in modo da renderli meno idrofili.

26/10/21

Profarmaci

Profarmaci modificati chimicamente in modo tale che la loro idrolisi liberi la forma metabolica attiva del farmaco. Tale e quale, quindi, non dà azione terapeutica, ma grazie alle reazioni della fase I si ha la sua modifica e quindi attivazione. L’utilizzo di profarmaci ci permette di superare ostacoli di tipo farmacocinetico quali:

• Insufficiente solubilità: viene aggiunto un gruppo idrofilo che, una volta assorbito il farmaco, viene perso;
• Insufficiente assorbimento orale;
• Insufficiente distribuzione;
• Rapido metabolismo pre-sistemico;
• Somministrazione dolorosa;
• Cattivo sapore o odore.

Farmaci contro parete o membrana cellulare

Sono farmaci che interferiscono o con la costruzione dello strato di peptidoglicano o con la stabilità del doppio strato fosfolipidico.

29/10/21

-lattamici

Antibiotici

La catena pentapeptidica del peptidoglicano è costituita da L-Ala, D-Glu, DAP, D-Ala e D-Ala nei Gram-, e L-Ala, D-Glu, L-Lys, D-Ala e D-Ala nei Gram+; questi ultimi presentano un ponte di 5 Gly legate a Lys. Il legame tra i vari peptidi avviene tra il 3° aa di una catena e il 4° della catena adiacente nei Gram-, mentre invece nei Gram+ il legame avviene tra l’ultima Gly e l’Ala terminale dell’altra catena (la 4°).

La reticolazione delle catene di NAG e NAM avviene grazie ad una PBP, nello specifico una transpeptidasi, la quale attacca l’ultimo legame peptidico del pentapeptide grazie ad una Ser, rompe il legame e forma un estere sulla penultima Ala (acil-enzima), rilasciando quindi l’ultima Ala; l’attacco è permesso dal fatto che la Ser viene resa nucleofila da un aa basico presente nel sito attivo. Entra quindi in gioco il secondo monomero di peptidoglicano: nel sito attivo dell’enzima entra il pentapeptide con le 5 Gly e, grazie al suo gruppo amminico, l’ultima Gly attaccherà il legame estereo dell’Ala legandovisi e rigenerando l’enzima. Nel caso dei Gram-, ciò che attaccherà l’enzima è il DAP.

-lattamici

Alcuni esempi classici sono penicilline e cefalosporine; le loro strutture base non sono farmaci di per loro, e in generale i loro nuclei biciclici e le configurazioni assolute dei centri chirali non cambiano mai.

Penicilline

La struttura base è l’acido 6-amminopenicillanico (6-APA). La parte della molecola che varia è ciò - che viene legato al gruppo amminico in posizione 6. Il nucleo biciclico base è formato da un lattame e una tiazolidina (tiazolo saturo), e prende il nome di 7-oxo-4-tia-1-aza-biciclo[3.2.0]eptano (o penam). La numerazione del 6-APA comincia da S (1) e continua in senso orario fino ad arrivare a N, dove il giro si inverte attribuendo alla fine al C carbonilico il n°7. I   centri chirali sono 3, e sono 3S, con il carbossile in (sotto al piano), 5R e 6R, con N e S in (e quindi sopra . al piano) e gli H in

Nel sito attivo della transpeptidasi, le penicilline reagiscono con la Ser comportandosi come il dimero di D-Ala del -lattamico peptidoglicano, con rottura del legame e successiva formazione del legame estero col C ex-lattamico