Apputi esame lezioni 12-22 su 33 di Chimica farmaceutica e tossicologica 2

Antinfiammatori steroidei

Abbiamo visto che uno dei sistemi per bloccare l’infiammazione che è legata a una risposta chimica

è la somministrazione di farmaci, glucosteroidi o cosrticosteroidi. Questi sono degli ormoni

prodotti dalla corticale del surrene, che oltre ai corticosteroidi, produce altri ormoni steroidei,

come gli ormoni sessuali (mentre la parte midollare produce fondamentalmente adrenalina). La

produzione degli ormoni steroidei è sotto controllo dell’asse ipotalamo-ipofisari: in particolare, per

quanto riguarda i corticosteroidi, l’ipotalamo produce un ormone di rilascio in grado di stimolare

l’adenoipofisi a produrre l’ormone adrenocorticotropo – ACTH o corticotropina, che ha come

tessuto bersaglio la corticale del surrene, dove stimola la produzione del cortisolo, il principale

ormone steroideo.

Il cortisolo è anche detto ormone dello stress o ormone del digiuno, in quanto le situazioni di

stress e le condizioni in cui si ha abbassamento della concentrazione ematica di glucosio stimolano

l’ipotalamo a produrre il fattore di rilascio della corticotropina (CRH), che agisce sull’ipofisi,

stimolando la produzione di ACTH. Questo agisce sulla corticale del surrene, determinando la

sintesi del cortisolo e il suo rilascio; il cortisolo, a sua volta, tramite un meccanismo a feedback

negativo, va ad inibire sia la produzione di CRH che di ACTH.

Il cortisolo, in realtà, ha anche un’attività sul sistema immunitario, in particolare sui linfociti, sui

macrofagi e sui neutrofili, che producono IL-1, IL-2, IL-6 e TNF-α, che vanno a loro volta a stimolare

il rilascio di CRH a livello dell’ipotalamo e ACTH a livello dell’ipofisi.

Una volta sintetizzati i glucocorticoidi, quindi, questi potranno agire sulle cellule del sistema

immunitario, sopprimendone l’azione e riducendo, di conseguenza, la sintesi di interleuchine che

andrebbero a stimolare l’ipotalamo. In particolare, è ridotta la sintesi di citochine pro-

infiammatorie, come l’IL-1, IL-2, IL-6 e il TNF-α, tramite un meccanismo di controllo a feedback

negativo.

L’interazione dell’ACTH con i suoi recettori a livello della corticale del surrene determina

l’attivazione di un meccanismo di trasduzione tramite il quale si ha un aumento dei livelli di cAMP

intracellulari, con conseguente attivazione di proteasi, PKA, fosfochinasi ed esterasi, che portano

alla liberazione di colesterolo dai siti di deposito. Il colesterolo è essenziale per la sopravvivenza

dell’individuo e rappresenta il precursore degli ormoni steroidei, oltre che di altre sostanze

fondamentali per il funzionamento dell’organismo. Nonostante sia assunto con la dieta, il

colesterolo che viene prodotto giornalmente è di una quantità almeno tre volte superiore rispetto

a quello esogeno.

Biosintesi del colesterolo

La biosintesi del colesterolo ha origine dall’acetil-CoA, dal quale si forma il 3-idrossi-3-

metilglutaril-CoA, che viene convertito in acido malonico, ad opera dell’enzima idrossi-metil-

glutarilCoAreduttasi, enzima limitantedell’intero processo. Seguono altre reazioni, che alla fine

portano alla formazione del colesterolo, molecola a struttura ciclopentanoperidrofenantrenica.

Il colesterolo è un lipide indispensabile, perché va a costituire parte delle membrane

citoplasmatiche dei mammiferi, ma è indispensabile anche perché è precursore di tutti gli ormoni

steroidei– e quindi anche del cortisolo.

A partire dal colesterolo, attraverso 3 vie biosintetiche collegate l’una all’altra, si formano le tre

principali famiglie di ormoni steroidei:

• via dei mineralcorticoidi (aldosterone);

• via dei glucocorticoidi (idrocortisone);

• via degli ormoni sessuali (estrogeni, progestinici e androgeni).

Dal cortisolo si ottiene (per scissione enzimatica della catena laterale ad opera del citocromo P450)

il pregnenolone, precursore di tutti gli ormoni steroidei. Questo viene convertito, ad opera di una

17α-idrossilasi, in 17-α-idrossipregnenolone, da cui si forma, passando per il 17-α-idrossi

progesterone, l’11-deossi-cortisolo. Infine, questo verrà convertito nel glucocorticoidecortisolo.

Partendo dal pregnelonone, per , si formano anche tutti gli ormoni sessuali maschili e femminili.

Si può infatti ottenere, dal 17-α-idrossipregnenolone, anche il deidro-epiandrostenedione,

precursore degli ormoni sessuali, in particolare estrogeni ed androgeni. Dal pregnenolone, con la

via biosinteticache prevede l’intervento della 3-β-idrogenasi, si ottiene invece il progesterone, altro

ormone progestinico da cui deriva l’11-desossi-corticosterone e, successivamente, il

corticosterone. Dal corticosterone si ottiene, poi, anche l’aldosterone – ormone steroideo che

regola il bilancio idrosalino. Il cortisoloè l’ormone steroideo di origine naturale prodotto in

maggior quantità dalle cellule della corticale del surrene (circa 5-15 mg al giorno, con emivita di

un’ora e mezzo) e la sua forma attiva ha solo attività di tipo glucocorticoide.

L’altro ormone steroideo maggiormente abbondante è il corticosterone, che viene prodotto in

minore quantità (0,5 –5 mg al giorno) ed è dotato, oltre che dell’attività glucocorticoide, anche

dell’attività mineralcorticoide.

La produzione di questi ormoni segue un’attività circadiana, con una produzione maggiore nelle

prime ore del mattino, in prossimità del risveglio e subito dopo il risveglio. Tra l’altro, la produzione

di questi ormoni è controllata anche da altri sistemi e rilasciati soprattutto in situazioni di stress,

fuori dagli orari tipici. La mancanza di questi ormoni mette a rischio la vita dell’individuo,

inducendo disturbi a livello psichiatrico, a livello cardiocircolatorio, a livello del metabolismo dei

glucidi, protidi e lipidi. Carenze necessitanoinfatti l’assunzione di farmaci appropriati. Altre

patologie prevendono invece un eccesso nella produzione di corticosteroidi e necessita quindi di

un trattamento terapeutico a base di antagonisti.

L’emivita del cortisolo è breve in quanto esso subisce l’azione dell’11β-idrossisteroidedeidrogenasi,

con formazione del cortisone, suo metabolita inattivo. Tale reazione è reversibile in alcuni tessuti,

ma in altri come in quello renale risulta irreversibile, e qui la sua presenza è importante perché ha

attività antagonista nei confronti dell’aldosterone.

Nei tessuti in cui il processo è reversibile, si passa nuovamente alla forma attiva di cortisolo, che

pusubire l’azione della 5β-reduttasi, che riduce il doppio legame presente nell’anello A, con

formazione del 5β-diidrocortisolo, metabolita inattivo. Il processo metabolico prosegue con

riduzione del gruppo chetonico in posizione 3 e formazione dell’urocortisolo, sempre inattivo.

Tale processo metabolico è importante perché va a regolare la concentrazione ematica del

cortisolo.

Oltre a questa riduzione del doppio legame tra l’atomo di carbonio 4 e l’atomo di carbonio 5,

seguita dalla riduzione del gruppo carbonilico in posizione 3, un altro percorso metabolico prevede

la riduzione del gruppo carbonilico in posizione 20 ad alcol secondario che è ugualmente un

metabolita inattivo.

Altro percorso metabolico comporta l’ossidazione dell’atomo di carbonio in posizione 11 con la

formazione di un gruppo chetonico. Questa metabolizzazione può essere seguita dalla riduzione

del gruppo chetonico in posizione 3, dalla riduzione del doppio legame tra gli atomi di carbonio 4 e

5 e dalla riduzione del gruppo chetonico in posizione 20. Anche questo e i metaboliti che seguono

sono dei metaboliti privi di attività.

Relazione struttura-attività

Apportando delle modifiche strutturali sulla molecola del cortisolo, si sono potute stabilire le

relazioni struttura-attività. In particolare, è stato messo in evidenza quali fossero le funzioni

necessarie per l'attività:

• il gruppo chetonico in posizione 3 e il doppio legame tra gli atomi di carbonio nelle

posizioni

4 e 5 sono necessari sia per l’attività mineralcorticoide sia per quella glucocorticoide;

• il gruppo ossidrilico in posizione 11 è necessario solo per l’attività glucocorticoide: infatti, il

metabolita di ossidazione dell’atomo di carbonio mantiene l’attività mineralcorticoide;

• i sostituenti in posizione α sull’atomo di carbonio 17 e i sostituenti in posizione α o β

sull’atomo di carbonio 16 non sono essenziali, ma, in particolare il sostituente sull’atomo di

carbonio in posizione 16, regola la durata d’azione ed elimina completamente l’attività

mineralcorticoide. Un sostituente in posizione 17 α, benché non necessario per l’attività,

potenzia l’attività glucocorticoide;

• modificando l’anello A con l’introduzione di un doppio legame tra gli atomi di carbonio in

posizione 1 e 2 si incrementa l’attività glucocorticoide e si rallenta la metabolizzazione;

• l’incremento maggiore di entrambe le attività (mineralcorticoide e glucocorticoide) si ha

inserendo degli alogeni, in particolare degli atomi di fluoro sia nella posizione 9 sia nella

posizione 6. In questo modo vengono incrementate di parecchio le due attività: 10 volte

rispetto al cortisolo per quanto riguarda l’attività glucocorticoide e più di 100 volte per

quanto riguarda l’attività mineralcorticoide.

Quindi questi risultano farmaci utilizzati nella terapia sostitutiva quando non vi è una produzione

naturale sufficiente di cortisolo.

Risulta necessario per l’attività avere il gruppo carbonilico in posizione 3. Per l’attività

antinfiammatoria non è indispensabile la presenza del doppio legame nell’anello A. Nell’anello A si

possono inserire dei sostituenti, che devono essere opportunamente selezionati. Se in posizione 2

si inserisce un gruppo metilico, si ottiene un derivato che perde l'attività. Se, invece, si inserisce

nella stessa posizione un alogeno, come un atomo di bromo o di cloro, l’attività viene mantenuta.

Inserendo in posizione 6 un atomo di fluoro si ha l’aumento dell’attività. In posizione 6 non

possono essere inseriti dei gruppi polari, come un gruppo carbonilico o un gruppo ossidrilico

perché si avrebbe la riduzione dell’attività. È possibile, invece, introdurre un gruppo metilico,

avendo un incremento dell'attività rispetto al cortisolo, ma si ottengono comunque dei derivati

meno attivi rispetto ai derivati che presentano un alogeno in posizione 6. La posizione 7

generalmente non è sostituita perché, introducendo dei sostituenti in posizione α o in posizione β,

si riduce l’attività antinfiammatoria. Lo stesso accade se viene introdotto un doppio legame tra gli

atomi di carbonio in posizione 7 e 8. Tra le posizioni 5 e 6 è possibile introdurre un doppio legame

e si mantiene così l'attività.

Eliminando il gruppo metilico si ottiene il norcortisolo. Negli steroidi, quando si elimina un gruppo

metilico, i corrispondenti derivati presentano il prefisso nor-. Il norcortisolo ha circa un decimo

dell’attività antinfiammatoria mostrata dal cortisolo.

L’aromatizzazione dell’anello A con la formazione di un derivato che assomiglia agli estrogeni

mostra la stessa attività antinfiammatoria del cortisolo. Modificando l’anello A, riducendone le

dimensioni, quindi passando da un ciclo a 6 termini ad un ciclo a 5 termini, si ottiene un derivato

inattivo, mentre inserendo in posizione 2 un atomo di ossigeno al posto dell’atomo di carbonio si

ottiene un composto con circa un quarto dell’attività antinfiammatoria del cortisolo. Tutte queste

modifiche diminuiscono le proprietà antinfiammatorie del cortisolo, quindi non sono opportune.

Introducendo un doppio legame tra gli atomi di carbonio nelle posizioni 1 e 2 si ha un incremento

dell’attività antinfiammatoria, ma anche dell’emivita. Introducendo in posizione 1 un gruppo

idrofilo, come un gruppo ossidrilico, si ottiene una molecola priva di attività.

Giunzioni

Negli steroidi, l’atomo di carbonio 10 e l’atomo di carbonio 13 sono sempre sostituiti con dei

gruppi metilici che si trovano rispettivamente nella giunzione tra gli anelli A e B e gli anelli C e D:

questi atomi di carbonio vengono indicati come atomi di carbonio 18 e 19.

La nomenclatura del sistema ciclico invece, parte dalla posizione 1 dell’anello A poi segue con

l’anello B, poi C e infine D. L’atomo di carbonio legato in posizione 17 si chiama atomo di carbonio

20 e poi seguono gli altri atomi di carbonio (quella che vedete nell’immagine è la struttura del

Colestano). Nella struttura degli steroidi, ad esempio del colestano sono presenti ben 7 atomi di

carbonio asimmetrici, quindi teoricamente sarebbero possibili 128 isomeri; in realtà, abbiamo

degli anelli congiunti tra di loro e quindi, siccome gli anelli non si possono infilare l’uno dentro

l’altro, il numero degli isomeri diminuisce notevolmente.

In natura, di tutti gli isomeri possibili, ne esistono soltanto 4; in particolare, le caratteristiche fisse

di tutti gli steroidi sono:

• i sostituenti dell’atomo di carbonio 8, nei punti di giunzione tra gli anelli B e C, sono in

posizione beta (cioè al di sopra del piano costituito

dall’anellociclopentanoperidrofenantrenico), quindi disposto verso l’osservatore, mentre il

sostituente dell’atomo di carbonio in posizione 9 si trova sempre in alfa;

• il sostituente dell’atomo di carbonio 10 è sempre disposto verso l’osservatore, quindi in

beta, così pure il sostituente dell’atomo di carbonio 13 che è sempre un metile disposto in

beta, e anche il sostituente dell’atomo di carbonio in posizione 17 è in beta.

Quindi, alla fin fine, soltanto i sostituenti presenti sull’atomo di carbonio 5 e 14 possono trovarsi o

in posizione alfa o in posizione beta e, per convenzione, bisogna sempre segnare (a meno che non

sia presente un doppio legame sugli atomi di carbonio 4 e 5) se si sta parlando di steroidi della

serie 5 alfa o 5 beta.

Tutti gli steroidi animali appartengono alla serie del 5-alfa-colestano; gli acidi biliari invece derivano

dal 5-beta-colestano.

Per la definizione delle giunzioni bisogna fare riferimento alle regole della chimica organica

ricordando che un legame è assiale o un sostituente è assiale quando è perpendicolare al piano

dell’anello (come mostra la figura in alto a destra, alfa-assiale e beta-assiale) o equatoriale quando

si trova più o meno nello stesso piano dell’anello.

Sia nel caso di sostituenti assiali che nel caso di sostituenti equatoriali, questi vengono designati

come alfa se si trovano sotto il piano dell’anello o beta se si trovano sopra il piano dell’anello.

Questo discorso vale oltre che per i sostituenti angolari (ossia quelli che non si trovano nei punti di

giunzione di un anello), anche per i sostituenti che si trovano nei punti di giunzione di due anelli.

A seconda della posizione dei sostituenti, viene definita anche la tipologia di giunzione tra i due

anelli: una giunzione si dice trans quando i due sostituenti che sono presenti negli atomi di

carbonio di giunzione, si trovano uno in posizione alfa e uno in posizione beta indifferentemente.

Se andiamo a vedere questa rappresentazione sul piano nello spazio (seconda immagine a partire

da sinistra), vediamo che i due anelli hanno entrambi una conformazione a sedia e i due sostituenti

si trovano uno sotto il piano dell’anello e uno sopra. La giunzione si dice cis, quando invece i

sostituenti si trovano nei punti di giunzione tra i due anelli, si trovano entrambi in beta come

nell’immagine in alto a destra o entrambi in alfa. La posizione dei carboni di giunzione va a

regolare anche la disposizione nello spazio dei due anelli condensati.

Questa rappresentazione sul piano (terza immagine) che sembrerebbe molto simile a quella con gli

anelli con la giunzione trans, se andiamo a rappresentarle nello spazio abbiamo invece la

disposizione dei due anelli in maniera completamente diversa rispetto agli anelli congiunti con una

giunzione trans e si vede anche che i due sostituenti in posizione beta sono quelli che vanno a

regolare questi punti di giunzione tra gli anelli, esattamente come avviene per la giunzione trans.

Possiamo avere steroidi nei quali abbiamo tutte giunzioni di tipo trans tra l’anello A e B, tra l’anello

B e C e tra l’anello C e D e questi sono gli steroidi che appartengono al gruppo del 5-alfa colestano,

tra i quali troviamo l’androsterone e il 5alfa-diidrotestosterone. Quando tra gli atomi di carbonio 4

e 5 c’è un doppio legame, non abbiamo sostituenti nel punto di giunzione; quindi, non possiamo

definire la tipologia di giunzione tra gli anelli A e B ma possiamo definire quella tra gli anelli B e C e

gli anelli C e D che quando sono tutte di tipo trans danno luogo alla serie di corticosteroidi dei

progestinici, degli androgeni e una serie di sapogenine. Anche nel caso in cui si abbia un doppio

legame tra gli atomi di carbonio 5 e 6, non è presente un sostituente in posizione 5 e quindi non si

pu andare a definire la giunzione tra gli anelli A e B. Mentre, quando le giunzioni tra gli anelli B e C

e C e D sono di tipo trans, si hanno gli steroidi del tipo: colesterolo e un'altra serie di sapogenine.

Le sapogenine sono steroidi ma non di origine animale bensì di origine vegetale.

Quando le giunzioni tra gli anelli A e B è di tipo cis e le giunzioni tra gli anelli B e C e C e D sono di

tipo trans si hanno gli steroidi del tipo del coprostano a cui appartengono gli acidi biliari e una

terza serie di sapogenine.

Finora abbiamo visto degli steroidi che appartengono sia al regno animale che a quello vegetale.

Negli steroidi in cui la giunzione tra gli an