Chimica farmaceutica I e tossicologica e fitochimica

CHIMICA FARMACEUTICA 1

E FITOCHIMICA

12 CFU

Prof. Filippo Cottiglia

UniCa-CdL in Farmacia

RIPASSONE!

COMPOSTI ETEROCICLICI AZOTATI

La nomenclatura che si segue è quella di Hantzsch-Widmann, che si basa sull’attribuire il nome alla molecola in base

all’eteroatomo presente nell’anello e un suffisso in base al numero di atomi che la compongono.

Quindi, se come eteroatomo è presente un atomo di O si utilizza prefisso -ossa, se un atomo di S -tia, se è un atomo di

N -aza, se è un atomo di P -fosfa.

Nel caso di un anello azotato saturo a 3 atomi questo prenderà il nome di aziridina, se è presente un’insaturazione sarà

azirina. Nel caso in cui l’insaturazione interessi l’atomo di N si deve indicare la posizione dove è presente il legame con

l’atomo di H (all’atomo di N si attribuisce la posizione più bassa possibile): 1H-azirina; quando l’insaturazione non

interessa l’atomo di N ma un atomo di C allora sarà 2H-azirina (generalmente quando è l’eteroatomo a essere saturo e

tutti gli altri atomi di C no, si omette, non si omette quando l’insaturazione interessa l’eteroatomo. Quindi, di fatto, questa

nomenclatura serve a distinguere i 2 isomeri). Gli anelli a 4 atomi saturi prendono il nome di azetidina, quelli insaturi

azete.

Per quanto concerne gli anelli a 5 termini, il primo insaturo viene detto pirrolo (il suo nome chimico è azolo), il secondo

viene detto 1,3-diazolo (il nome comune è imidazolo). Il terzo viene detto 1,2-diazolo, o pirazolo. Il quarto, totalmente

saturo, si chiama azolidina o pirrolidina.

Il primo anello a 6 termini completamente insaturo viene chiamato piridina (il nome chimico è azina), il secondo viene

chiamato pirimidina, ovvero 1,3-diazina; poi 1,2-diazina ecc…il sistema completamente saturo prende il nome di

azinano o piperidina, poi 1,4-diazinano, o piperazina, e 1,2-diazinano o piperidazina.

COMPOSTI ETEROCICLICI OSSIGENATI

Il composto a 5 atomi insaturo prende il nome di ossolo (furano), mentre quello completamente saturo viene chiamato

tetraidrofurano (ossolano). Il composto a 6 atomi completamente saturo viene detto tetraidropirano (ossano). Per

quello saturo si deve indicare la posizione dove vi è il legame con l’atomo di H, quindi 2H-pirano o 2H-ossina.

Il sistema a 3 atomi, noto come epossido, prende il nome di ossirano; quello a 4 atomi si chiama invece ossetano. Se

β-lattone,

in posizione 2 è presente un doppio legame con un atomo di O si parla di se l’O in posizione 1 è sostituito con

β-lattame.

un atomo di N si tratta di

COMPOSTI ETEROCICLICI CONTENENTI 2 ETEROATOMI DIFFERENTI

La priorità è la seguente O > S > N. Il primo a sinistra è un tiolo (tiofene), mentre il

secondo è 1,3-tiazolo…a seguire 1,2-tiazolo, 1,2-ossazolo, 1,3-ossazolo, 1,4-ossazano. 2

COMPOSTI ETEROCICLICI COMPOSTI DA 1 O PIU’ ANELLI CONDENSATI

Nel caso dei composti contenenti anelli condensati di tipo benzenico, la

priorità viene data comunque all’eterociclo e gli altri anelli vengono

considerati come sostituenti. Nel primo caso a sinistra l’eterociclo

contiene un atomo di O e ha dunque la precedenza: dibenzofurano o

dibenzo[b,d]furano, il secondo si chiama invece dibenzopiridina o

dibenzo[b,e]piridina. Altri esempi al lato.

Quando il sistema è composto da da due o più anelli condensati (tutti eterociclici) si

procede in questo modo:

1)Si da la priorità all’eterociclo azotato, seguendo la seguente: N > O > S

2)Se non è possibile attribuire una priorità poichè gli eterocicli contengono il

medesimo eteroatomo, si da la precedenza all’anello più grande

3)Se gli anelli possiedono la stessa grandezza e lo stesso eteroatomo si da la

precedenza all’anello contenente più eteroatomi

Si prendano in esame gli esempi sotto ricordando che i luoghi dove è avvenuta la

condensazione degli anelli si indicano con lettere e numeri: la precedenza lo ha l’anello

→

piridinico su quello furanico furo[3,4-c]piridina. Nel secondo esempio i due anelli

possiedono il medesimo eteroatomo, per cui ha la precedenza quello più grande,

→

ovvero l’anello piridinico 1,2,3-triazolo [4,5-c] piridina. Nel terzo esempio gli anelli

possiedono la medesima grandezza, quindi ha precedenza quello con il maggior

→

numero di eteroatomi azina [2,3-b] 1,4-diazina

STEREOCHIMICA E STEREOISOMERI

La stereochimica è molto importante poichè spiega come due molecole aventi la medesima formula bruta in realtà

agiscono su target biologici differenti (questo è il motivo per cui alcuni farmaci sono presenti in commercio come singoli

enantiomeri e non come miscele racemiche)

ISOMERI COSTITUZIONALI (O STRUTTURALI)

• Sono tutte quelle molecole che pur presentando la medesima formula molecolare differiscono per il modo in cui gli

atomi sono concatenati, più nello specifico possono differire per la posizione del gruppo funzionale (vedi

l’isopropilamina e la propilamina) o perchè presentano proprio differenti gruppi funzionali (vedi alcol etilico e il

dimetiletere). Questi non sono considerati però dei veri e propri isomeri

STEREOISOMERI

• Sono quei composti che hanno la medesima concatenazione atomica all’interno della molecola ma diverso

orientamento spaziale degli atomi che la compongono. Possiamo distinguere gli isomeri conformazionali, detti anche

conformeri o rotameri: differiscono a seguito di una libera rotazione attorno al legame semplice C-C, come

conseguenza di questa rotazione sono possibili un numero infinito di strutture chiamate, appunto, rotameri. Questi si

convertono facilmente gli uni negli altri senza che si rompano i legami (non sono separabili). I più importanti sono gli

stereoisomeri di tipo configurazionale, che si suddividono in enantiomeri e diastereoisomeri.

Gli enantiomeri sono l’uno l’immagine speculare dell’altro e non sovrapponibili; affinchè

ciò sia possibile ci deve essere all’interno della molecola un atomo asimmetrico o

stereocentro, ovvero un atomo di C legato a 4 sostituenti diversi. Le molecole dotate di

uno stereocentro sono dette chirali. Gli enantiomeri non sono distinguibili sulla base

delle proprietà fisiche ma possono essere distinti dall’interazione con il piano della luce

polarizzata. Un enantiomero che ruota il piano in senso orario si definisce destrogiro (+),

se lo ruota in senso antiorario si definisce levogiro (-). Questa particolare interazione si

definisce attività ottica e gli enantiomeri sono detti anche isomeri ottici. La tecnica di

diffrazione con i raggi X consente di stabilire la configurazione assoluta, cioè il modo in

cui i sostituenti sono disposti rispetto allo stereocentro. Si possono dunque distinguere enantiomeri R o S secondo una

convenzione elaborata da Cahn, Ingold e Prelog (PIC).

I diastereoisomeri sono stereoisomeri che non sono l’uno l’immagine speculare

dell’altro, non sono speculari e nemmeno sovrapponibili. Rientrano in questa categoria

tutti i composti con un doppio legame (es, alcheni), ai quali può essere attribuita una

configurazione cis-trans, se i due atomi di C uniti dal doppio legame sono legati al

medesimo sostituente (sostituenti presenti sul lato opposto (trans) o nel medesimo lato

(cis) del doppio legame o dell’anello), o una configurazione E,Z, che invece si basa sulla

priorità dei sostituenti: se quelli a priorità più alta su ciascun atomo di carbonio sono

→

sulla stessa parte del doppio legame Z, se si trovano in parti opposte rispetto al

→

doppio legame E 3

1 RESISTENZA

Piccola premessa sui microrganismi…si possono suddividere in:

SUPERIORI

1) Qui si ritrovano protozoi, miceti (funghi) e alghe. Sono cellule eucariotiche, quindi con nucleo dotato di membrana

propria che si divide per mitosi o meiosi. Il DNA è legato a istoni, proteine basiche. La loro parete cellulare è di tipo

non glicopeptidico e nelle membrane interne sono presenti steroli (target di diversi farmaci che ne inibiscono la

sintesi).

INFERIORI

2) Altro non sono che i batteri, ovvero cellule procariotiche il cui nucleo non è dotato di membrana propria. Non si divide

per mitosi o meiosi e il DNA è privo di istoni. In compenso la parete cellulare è di tipo glicoproteico (è infatti target di

diversi farmaci). Sono assenti gli steroli.

I farmaci utilizzati contro i batteri vengono classificati in funzione della modalità di applicazione in:

→

Antibiotici sistemici hanno azione batteriostatica o battericida e agiscono in questo modo poichè trasportati dal

• circolo ematico e linfatico

→

Antisettici hanno azione su pelle, mucose o locale, cioè attraverso il sangue si accumulano in distretti come le vie

• urinarie o il lume intestinale (molti antibiotici, pur essendo assunti per via orale, si accumulano in questi organi e vi

permangono senza distribuirsi altrove)

→

Disinfettanti hanno azione batteriostatica o battericida su oggetti inanimati, quindi vengono impiegati per abbattere

• la carica batterica presente su pavimenti, superfici varie ecc…

Differenza tra batteriostatici e battericidi? I primi inibiscono la fase di crescita dei batteri mentre i secondi uccidono i

microrganismi nella fase di proliferazione e in parte anche nella fase di riposo. La differenza sostanziale sta nel tempo

con il quale l’antibiotico arriva ad inibire la proliferazione batterica, infatti anche i farmaci batteriostatici sono in grado di

uccidere i batteri, semplicemente lo fanno in un tempo più lungo (non bisogna dimenticarsi che vi è sempre una

concomitanza con il sistema immunitario. Un antibiotico non riuscirà mai ad eliminare un’infezione se il sistema

immunitario dell’individuo non è efficiente). Ad ogni modo, è sempre utilizzare un farmaco battericida poichè ha azione

più rapida e perchè ha una tendenza inferiore a sviluppare resistenza.

L’attività di un antibiotico si misura attraverso la MIC, Minima Concentrazione Inibente: concentrazione minima di

farmaco necessaria a inibire la proliferazione batterica. Si parla di MIC quando è in grado di inibire il 50% della

50

popolazione batterica e di MIC quando è in grado di inibirne il 90%. Con MBC, Minima Concentrazione Battericida, si

90

intende la concentrazione di farmaco in grado di uccidere quella determinata popolazione batterica. Si misura in mg x mL

µM.

o Ogni antibiotico ha un proprio spettro d’azione, ovvero l’insieme dei vari microrganismi che possono essere uccisi

in vivo da un antibiotico (naturalmente dipende dalla dose, che non deve mai essere troppo elevata per evitare che

divenga tossica). Per capire invece la sensibilità agli antibiotici di un microrganismo si effettua l’antibiogramma,

attraverso il quale si determina lo spettro di sensibilità antibiotica di un dato microrganismo responsabile di un processo

infettivo. Questo può risultare sensibile, intermedio o resistente a uno o più antibiotici (benché un determinato antibiotico

sulla carta risulta efficace nei confronti di una specie microbica, non è detto che lo sia nei confronti di tutti i ceppi di

quella specie, proprio perchè può insorgere resistenza).

1.1 RESISTENZA AGLI ANTIBIOTICI

Argomento molto attuale e diffuso specialmente negli ospedali, dove rappresentano un serio problema. Si possono

distinguere…

Microrganismi resistenti = ovvero microrganismi che hanno acquisito una caratteristica che li ha resi capaci di

• crescere in presenza di dosi terapeutiche di un dato antibiotico. Poichè inizialmente non lo era, il microrganismo ha

acquisito tale caratteristica con un’alterazione dell’informazione genetica

Microrganismi intrinsecamente resistenti = questi sono detti anche microrganismi insensibili; possiedono di per sé

• delle caratteristiche strutturali e/o metaboliche per le quali la sua crescita non può essere inibita da dosi terapeutiche di

un certo antibiotico. Ciò vuol dire che tutti i ceppi appartenente a quella specie possiedono quelle caratteristiche e

quindi saranno insensibili a quel determinato antibiotico. E’ una caratteristica della specie, non del ceppo. La

resistenza intrinseca può essere dovuta a diversi fattori:

Barriere di permeabilità delle cellule: queste barriere sono rappresentate dallo strato esterno di tipo

1) lipopolisaccaridico dei batteri Gram-, che rende inefficaci molti antibiotici nei confronti di questi microrganismi poichè

non sono in grado di attraversarlo, es: la Pseudomonas aeruginosa è priva delle classiche porine ad alta

permeabilità ed è quindi instrinsecamente resistente. Un altro caso è quello dei micobatteri, che esternamente alla

membrana cellulare presentano uno strato di acidi micolici, difficilmente attraversabile da molti farmaci

Presenza di sistemi di efflusso attivo: talvolta i farmaci possono essere portati all’interno di una cellula mediante

2) trasporto attivo, dovuto a pompe di efflusso in grado di trasportarli all’interno contro gradiente di concentrazione. Nei

microrganismi queste pompe di efflusso hanno il compito di eliminare il farmaco che riesce ad entrare nel

citoplasma: viene espulso nello spazio periplasmatico e da qui, se la pompa di

efflusso è direttamente collegata con un canale di membrana, può essere eliminato

nell’ambiente esterno. Sono proteine presenti in tutti i ceppi dei Gram+

Presenza di enzimi inattivanti l’antibiotico: molti microrganismi possiedono

3) enzimi che sono in grado di inattivare l’antibiotico; il caso più comune è quello delle

β-lattamasi β-lattamico

che sono in grado di acilare l’anello aprendolo e inibendone

l’azione. Vi sono anche altri enzimi che inattivano gli aminoglicosidi trasferendo nella

struttura gruppi fosforici/adenilici/acetilici impedendo al farmaco di legarsi al

ribosoma (target)

Assenza o differenze nella molecola bersaglio dell’antibiotico: alcuni

4) microrganismi mancano di target, es: i micoplasmi mancano di parete cellulare,

β-lattamico,

quindi un classico farmaco che ha come target gli enzimi responsabili 4

della sintesi della parete cellulare, e quindi, in questo caso, non avranno alcun tipo di effetto poichè la parete è

assente.

Il problema maggiore è quando si ha a che fare con la resistenza vera e propria, ovvero quando un ceppo acquisisce

una certa caratteristica che lo rende tale da sopravvivere in presenza di un antibiotico. Già nel 1948 si scoprì che l’80%

dei ceppi era resistente ai sulfamidici e nel 2018 la World Health Organization ha pubblicato un documento secondo il

quale negli ultimi anni sono comparsi ceppi di Klebsiella pneumoniae resistenti ai carbapenemici, un tempo i più efficaci;

analogamente E.coli si è mostrata resistente ai fluorochinoloni, la N.gonorrhoea non risponde più alle cefalosporine,

mentre S.aureus è meticillina-resistente ed è ad oggi responsabile di numerose infezioni nosocomiali…

A tal proposito si può parlare di resistenza endogena ed esogena…

➡ RESISTENZA ENDOGENA: si manifesta quando si verifica una mutazione spontanea dell’informazione genetica

cromosomica, avviene cioè un’alterazione dei geni responsabili dell’espressione di una specifica proteina (il problema

si pone quando questa è interessata dal meccanismo d’azione di un farmaco). Ma come si verifica? Si supponga di

mettere su delle piastre 1 mg x ml di antibiotico e poi inoculare su questi terreni di coltura una quantità di E.coli che va

da un numero di cellule pari a 10, in un’altra 100, 1000, 10000 e poi 100000 fino ad arrivare ad 1 miliardo. Infine si

incubano le piastre per 48h e ne si osserva la crescita. Nelle prime 5 piastre non si osserva la crescita del

microrganismo, quindi l’antibiotico funziona. Nella piastra con 1000000 cellule, qualcuna sopravvive, e questo numero

sarà maggiore mano a mano che il numero di cellule di batterio inoculato aumentano. Ciò si spiega con il fenomeno

della mutazione spontanea: l’antibiotico ha ucciso o inibito la crescita di tutti i microrganismi sensibili e ha selezionato

i ceppi batterici resistenti a esso. Questa tipologia di resistenza può rappresentare un insuccesso terapeutico, in

quanto in un primo momento l’antibiotico sembra funzionare per poi non funzionare più una volta che saranno

selezionati i ceppi resistenti, si dovrà dunque sostituire l’antibiotico (sarebbe bene portarsi avanti con un

antibiogramma). La resistenza endogena rappresenta un ostacolo solo a livello terapeutico ma non sono pericolose,

quindi non destano preoccupazione a livello epidemiologico in quanto si tratta di resistenze reversibili: dopo alcuni

cicli di replicazione viene persa e il microrganismo non è in grado di trasferire la mutazione ad altri individui e

permettere così il mantenimento dei geni causanti la resistenza; detto in altre parole, l’infezione può essere risolta

variando tipologia di antibiotico [es, i micobatteri causanti la tubercolosi (Mycobacterium tuberculosis) hanno una crescita

piuttosto lenta ed è facile che vengano selezionati ceppi resistenti. Per tale motivo nel trattamento della tubercolosi si utilizzano

almeno 2-3 antibiotici diversi così che gli altri agiscano su quelli resistenti]

➡ RESISTENZA ESOGENA: si origina tramite acquisizione di nuova informazione genetica, derivante da altri

microrganismi (possono essere o meno della stessa specie o dello stesso genere come diverso). Ciò può avvenire in

3 modi: 1) coniugazione: consiste nel trasferimento diretto di DNA da un batterio a un altro mediante una struttura

chiamata pilo; 2) trasduzione: il trasferimento di materiale genetico avviene tramite fagi. Questo infetta un batterio e

può, per errore, impacchettare frammenti di DNA batterico invece del proprio. Quando infetta un altro batterio, gli

inietta il DNA del primo che può integrarsi nel genoma del nuovo ospite; 3) Trasformazione: acquisizione di nuovi

caratteri ereditari da parte di una cellula batterica trattata con DNA estratto da una cellula con diverso genotipo.

Vi sono diversi tipi di resistenza esogena, tra cui:

Resistenza plasmidica: in questo caso il gene di resistenza viene veicolato attraverso vettori che sono i plasmidi,

1) elementi extracromosomici di DNA a doppia elica, circolari e dotati di autoreplicazione (caratteristica molto

importante poichè consente al microrganismo di trasmettere le informazioni genetiche anche alle cellule figlie, la

loro permanenza non è infatti legata al cromosoma). I plasmidi contengono geni codificanti funzioni di

autoreplicazione, per specifiche proteine ma anche geni di resistenza: possono contenere, ad esempio, geni di

resistenza all’ampicillina come alle tetracicline (non si tratta più di resistenza crociata = resistenza ad antibiotici

della stessa classe, ma a più classi di antibiotici). La resistenza plasmidica è piuttosto rilevante dal punto di vista

epidemiologico poichè il gene viene trasmesso alle cellule figlie e, poichè sono alterazioni geniche che offrono

vantaggi alla cellula, tendono a essere mantenute nel corso dell’evoluzione. E’ tuttavia molto difficile che questa

resistenza si verifichi durante il trattamento farmacologico con un antibiotico, in quanto è improbabile che si verifichi

un trasferimento di materiale genetico da un batterio all’altro

Resistenza da trasposoni: sono elementi mobili del DNA, incapaci di replicazione autonoma, localizzati su

2) plasmidi o sul cromosoma batterico, quindi vengono mantenuti nel corso della suddivisione cellulare. La sequenza

di basi compresa tra le due estremità del trasposone può essere occupata da qualsiasi sequenza di DNA,

comprendente geni di resistenza antibiotica. Hanno rilevanza per quanto concerne l’epidemiologia ma non il

trattamento farmacologico.

Resistenza dovuta a ricombinazione genetica: si verifica quando un batterio acquisisce nuove informazioni

3) genetiche da altri batteri (DNA esogeno) contenenti geni di resistenza agli antibiotici. In questo modo può avere

origine una resistenza di tipo esogeno. Se vi è una certa complementarietà tra le basi di DNA, il DNA esogeno può

legarsi a specifiche sequenze del DNA batterico generando un gene ricombinante codificante per una proteina

ibrida (ricombinante). Qualora questa proteina sia implicata nel meccanismo d’azione di un farmaco si verificherà la

resistenza esogena. Si tratta di una resistenza irreversibile e viene dunque mantenuta da quel determinato ceppo

Questi tipi di resistenza sono legati al meccanismo di azione di un farmaco, infatti coinvolgono le proteine target degli

antibiotici oppure possono coinvolgere proteine coinvolte nel trasporto del farmaco, o, ancora, proteine di membrana…

1.2 MECCANISMI MOLECOLARI DELLA RESISTENZA ANTIBIOTICA

La resistenza antibiotica può instaurarsi attraverso diversi meccanismi, per…

Ridotta permeabilità cellulare: alla base vi sono cambiamenti strutturali negli involucri esterni del microrganismo,

• come alterazioni dello strato lipopolisaccaridico tipico dei batteri Gram- (nei batteri Gram+ è assente), di per sé

sono molto resistenti e in seguito ad alterazioni può essere ostacolata ulteriormente l’azione dell’antibiotico; vi possono

essere anche alterazioni a livello delle porine: molti farmaci sono in grado di attraversare la parete

lipopolisaccaridica dei Gram- proprio attraverso di queste (vedi Pseudomonas aeruginosa)

Aumentato efflusso: le pompe di efflusso possono rappresentare un meccanismo di resistenza intrinseco: possono

• esserci delle sovraespressioni dei geni codificanti per queste pompe con il risultato che queste funzionano molto

di più rispetto alle condizioni normali. Ciò sta a significare che alle dosi terapeutiche abituali l’antibiotico non funzionerà

5

più poichè non in grado di raggiungere il target e sarà necessario aumentare la dose, cosa non sempre possibile per

problemi di tossicità. Altre volte possono esserci alterazioni a livello dei sistemi multidrug, cioè sistemi di trasporto con

diminuzione della loro attività.

Alterazione del bersaglio (ovvero del target): ciò può avvenire per 1) ridotta affinità del bersaglio: è il caso più

• frequente, avviene una mutazione a livello del gene codificante per la proteina bersaglio (spesso sono mutazioni

minime che riguardano un solo