Chimica farmaceutica

CHIMICA FARMACEUTICA 19/02/18

PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE ED ATTIVITA’

BIOLOGICA

La chimica farmaceutica si occupa della scoperta, progettazione,

sviluppo, produzione e caratterizzazione di nuovi “agenti

terapeutici”, chimici e biologici, e ne mette in relazione la struttura

chimica con l’attività biologica.

La chimica farmaceutica si occupa anche, dello studio,

dell’identificazione e della sintesi dei prodotti del metabolismo dei

farmaci e dei composti ad essi correlati.

È una disciplina fondata sulla chimica che si interfaccia con altre

discipline quali la fisica, la biochimica, la biologia, la farmacologia,

la tossicologia, l’informatica e la medicina e che applica i loro

principi alla creazione di conoscenze finalizzate all’introduzione di

nuovi utili farmaci.

Che cos’è un farmaco??

È ogni sostanza o associazione di sostanze presentata come avente

proprietà curative o profilattiche delle malattie umane; oppure è

definito come ogni sostanza o associazione di sostanze che possa

essere utilizzata sull’uomo o somministrata all’uomo allo scopo di

ripristinare, correggere o modificare funzioni fisiologiche,

esercitando un’azione farmacologica, immunologica o metabolica,

ovvero di stabilire una diagnosi medica.

I termini FARMACO e SOSTANZA BIOLOGICAMENTE ATTIVA non sono

sovrapponibili. un farmaco è caratterizzato da farmacodinamica,

farmacocinetica e tossicità.

Nessun farmaco è totalmente sicuro. I farmaci differiscono

profondamente negli effetti collaterali che possono produrre. È la

dose cui viene somministrato a determinare se un composto agirà

da farmaco o da veleno (es. digossina, morfina…).

L’indice terapeutico di un farmaco è: rapporto tra la dose tossica al

50% e la dose che non lo è sempre al 50%.

Più alto è l’indice terapeutico, maggiore è la sicurezza di un

farmaco.

Tutto è veleno: nulla esiste di non velenoso. Solo la dose fa in modo

che il veleno non faccia effetto.

Per la scoperta del farmaco, è molto importante capire come questo

interagisce con i recettori cellulari, questo è la chiave di tutto dal

punto di vista farmacocinetico che farmacodinamico. Quindi

entrambe queste discipline devono essere ben studiate per la

sintesi di un farmaco.

Come vengono scoperte le nuove medicine?? 1

Esistono fondamentalmente due diversi tipi di approccio…

1. Identificare la sostanza che determina l’effetto fisiologico

desiderato quando somministrata all’uomo, all’animale o a

cellule isolate. Il bersaglio molecolare viene scoperto

successivamente.

Le fasi sono: composto effetto fisiologico bersaglio

 

molecolare.

2. Viene prima selezionato il bersaglio molecolare, poi vengono

selezionati i possibili farmaci che si legano a quel bersaglio e

infine se ne valutano gli effetti fisiologici.

Fasi: bersaglio molecolare composto effetto fisiologico.

 

Come agiscono i farmaci?

Questi farmaci vanno ad agire su dei target, che sono strutture

proteiche della cellula, in seguito al cui legame all’interno

producono effetti che sono quelli terapeutici. Quindi la formazione

di un legame tra il farmaco e il suo target molecolare è la prima

cosa importante per lo studio di farmaci in vitro.

Si devono quindi studiare: le caratteristiche chimico-fisiche del

farmaco e del target; la forza e l’efficacia delle interazioni; e la

configurazione spaziale dei gruppi chimici che interagiscono per

dare il legame tra i due partner.

Il meccanismo d’azione dei farmaci segue due vie:

1. Meccanismo specifico: interazione selettiva con

macromolecole che hanno uno specifico ruolo fisiologico

(recettori, enzimi, canali…).

L’interazione avviene a livello di uno specifico sito di legame,

in molti casi i farmaci si legano ai siti di legame per composti

endogeni.

2. Meccanismi non specifici: non mediati da interazioni selettive

con macromolecole:

- Alterazioni delle proprietà chimico-fisiche dei fluidi biologici

(es. antiacidi, lassativi osmotici)

- Alterazione chimica non specifica (es. disinfettanti).

Un target ha le seguenti caratteristiche:

- Gioca un ruolo chiave nelle malattie e patologie.

- La modulazione della sua funzione porta ad un effetto

benefico.

- È un “drugable”: capacità di legare con buona affinità un

farmaco e dare effetti terapeutici.

- Non deve essere parte di geni essenziali

- Sono espresse selettivamente per alcuni tessuti. 2

I target sono: proteine (recettori, enzimi, proteine carrier e proteine

strutturali come la tubulina), lipidi (membrane cellulare), acidi

nucleici (DNA e RNA) e infine carboidrati (antigeni molecolari).

Proteine (enzimi, recettori, proteine di trasporto):

le proteine strutturali sono raramente bersagli di farmaci, ad

eccezione della tubulina per il suo ruolo nella formazione dei

microtubuli e nella divisione cellulare.

Le proteine di trasporto sono: canali (pori selettivi che

consentono il movimento di un soluto secondo il gradiente di

concentrazione per diffusione facilitata) e trasportatori

(trasportano nutrienti, molecole segnale e basi di acidi nucleici

contro il gradiente di concentrazione per trasporto attivo. Sono

coinvolti anche nella ricaptazione dei neurotrasmettitori).

Gli enzimi sono i catalizzatori dell’organismo; trasformano

chimicamente i loro substrati senza essere consumati (sito

catalitico).

I recettori sono proteine che si attivano per interazione con una

molecola specifica detta ligando ( sito attivo) subendo una

variazione conformazionale in grado di generare una risposta

biologica.

Questi sono molto più grandi rispetto ai farmaci che sono

estremamente piccoli, i farmaci interagiscono con i loro target by

binding to binding sites. In realtà il sito di legame è una tasca

idrofobica nell’interfaccia delle macromolecole.

Abbiamo interazioni di legame che spesso coinvolgono legami

intermolecolari e la maggior parte dei farmaci sono in equilibrio tra

il sito di legame sul farmaco e sul target.

La maggior parte dei target sono enzimi per il 47% e percentuali

inferiori le troviamo in recettori, proteine strutturali…

Il recente sequenziamento del genoma umano ha messo a

disposizione dei ricercatori un mezzo potente per l’identificazione di

nuovi farmaci. Molte delle circa 23000 proteine (proteoma)

codificate dal genoma umano, in particolare enzimi e recettori,

potrebbero rappresentare altrettanti bersagli molecolari. 3

4

PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE E ATTIVITA’ BIOLOGICA

Dall’interazione molecolare all’effetto farmacologico…

L’interazione tra farmaco e target è dinamico, si forma il complesso

farmaco-proteina e si modifica la funzione della proteina al fine di

arrivare ad una modifica della funzionalità del tessuto, organo o

sistema.

L’interazione tra farmaco e proteina è descritto a livello atomico.

All’interno della proteina ho tanti gruppi funzionali che possono

agire in maniera diversa con i vari farmaci, le interazioni all’interno

della proteina la fanno ripiegare e gli fanno assumere una

conformazione ottimale per la sua funzione.

Solitamente i residui idrofobici sono interni, quelli idrofili esterni,

generalmente quelli essenziali sono quelli idrofobici interni che ci

interessano nel legame con il farmaco.

Ogni target biologico può essere definito come una molecola che

contiene una cavità capace di complessare un substrato.

La specificità del composto che si forma dipenderà dal grado di

complementarità tra target biologico e substrato.

Questo di manifesta in due modi:

- Complementarietà strutturale: compatibilità della forma e

della “taglia” del substrato con la cavità del target biologico.

- Complementarità di interazione: presenza di siti di

legame all’interno della cavità che complementano in

numero, disposizione spaziale e natura le

caratteristiche chimiche del substrato. Ci sono due

regioni importanti

sia sul farmaco

che sulla

proteina:

binding groups

(sul farmaco) e

binding sites

(sulla proteina).

Il farmaco quindi

possiede questi

binding groups

che a livello del

sito di legame

riconoscono in

maniera

complementare

alle regioni di 5

binding nel binding sites. In questo modo viene

stabilito un legame intermolecolare in maniera che

il farmaco è legato completamente al sito

recettoriale, causa un cambiamento di

conformazione della proteina che si esplica

nell’effetto terapeutico di quel farmaco.

Varie interazioni intramolecolari formano e

mantengono una struttura terziaria della proteina,

oppure posso avere altri tipi di interazioni che

associano i farmaci ai loro bersagli.

Interazione Farmaco-Recettore (farmacodinamica)

Caratteristiche peculiari dei farmaci sono la potenza e la specificità.

Ad esempio alcuni farmaci sono attivi su alcuni bersagli a

concentrazioni molto basse, mentre risultano inattivi su altri.

Oggi il concetto di recettore è stato ampliato e in senso lato si può

definire recettore qualsiasi macromolecola biologica in grado di

interagire con un farmaco per dare un effetto biologico.

Su queste premesse per comprendere il meccanismo d’azione

molecolare dei farmaci è di fondamentale importanza conoscere le

forze che regolano il riconoscimento molecolare. Il complesso

farmaco-bersaglio si forma in seguito all’instaurarsi di vari tipi di

legame tra le due entità chimiche coinvolte. I legami coinvolti sono

gli stessi operanti per qualsiasi molecola organica. La formazione

del complesso sarà reversibile qualora farmaco e recettore

interagiscono fisicamente, oppure sarà irreversibile se tra le due

controparti s’instaurano legami chimici di tipo covalente.

La formazione spontanea di un legame tra farmaco (F) e recettore

(R) in senso lato avviene con un guadagno netto di energia libera.

Questa interazione può essere rappresentata dal seguente

equilibrio: Ka: costante della velocità di associazione;

Kd: costante della velocità di

dissociazione.

L’affinità del farmaco per il recettore

dipenderà dalla stabilità del complesso

[FR]. L’affinità quindi si esprime come

costante di dissociazione Kd relativa

all’equilibrio di dissociazione. 6

Più piccolo è il suo valore, più alta sarà la concentrazione di

complesso [FR] e, di conseguenza, più elevata sarà l’affinità del

farmaco per il recettore.

Dal punto di vista termodinamico, la formazione di un legame è

spontanea quando si ha una diminuzione di energia libera, cioè

quando il valore della variazione di energia libera standard (G°)

della reazione è negativo.

Gibbs dimostrò:

Ne consegue che variazioni di energia libera di alcune kcal possano

avere un notevole effetto sulla stabilità del complesso farmaco-

recettore, basterebbe una variazione di di poco più di 5

G°

kcal/mole per spostare il valore di Keq a 0,01.

I legami che intercorrono tra un farmaco e un recettore sono in

genere non covalenti, per cui gli effetti prodotti sono rapidamente

reversibili e il farmaco diventa inattivo al diminuire della sua

concentrazione nel fluido extracellulare.

Proprietà chimico-fisiche ed attività biologiche

Influenza dei gruppi funzionali presenti in un dato farmaco

su:

- Proprietà acido-base

- Solubilità

- Lipofilia

- Capacità di legarsi reversibilmente o covalentemente ai

bersagli molecolari

- Reattività (stabilità in soluzione e stabilità metabolica).

Le proprietà chimico-fisiche influenzano globalmente

l’assorbimento, la distribuzione, il metabolismo, l’escrezione,

l’attività e la tossicità del farmaco.

Influenza del solvente

Farmaco e Recettore interagiscono con il mezzo ambiente, costituito

da: Acqua Polare Lipidi Apolare

 

F (+ xS) + R (+ Ys) FR (+Zs) + wS

⇌

Cioè, una molecola di farmaco, F, viene solvata da x molecole di

solvente, S, e analogamente i siti attivi recettoriali, R, sono solvatati

da y molecole di solvente. Queste solvatazioni, come per altre

specie di reagenti, aumentano la stabilità e quindi diminuiscono la

reattività. Nella formazione del legame F/R si devono liberare alcune

molecole di solvente, wS, con una variazione di energia,

proporzionale alle energie di solvatazione in gioco. 7

N.B. un farmaco potrebbe esercitare il suo effetto alterando il grado

di solvatazione di un recettore.

Ambiente acquoso

L’acqua è dotata delle seguenti proprietà chimico-fisiche:

= 1,85 D (scala: 0 5 Debye), responsabile delle associazioni

 

ione-dipolo (solvatazione ionica) e delle associazioni dipolo-dipolo.

Dimensioni: molto piccole: N° coordinazione elevato e a



bassissima polarizzabilità.

= 80 ( scala: 1 120) responsabile della riduzione del potenziale

 

elettrico: F = q.q’ / r2

legame H: forte: (15 kcal/M) responsabile delle interazioni con

gruppi O-H, N-H e dell’ampliamento della nube di solvatazione.

conclusione: solvente

ideale per composti

ionici o ionizzabili.

Pessimo solvente per

composti apolari: in

questi determina il

legame idrofobico.

Ambiente lipidico: Nei lipidi predomina la parte idrocarburica

apolare costituita dalle lunghe catene alchiliche lineari.

Contrariamente all’acqua presentano un basso momento elettrico

dipolare, ma soprattutto bassa costante dielettrica, grande volume

molecolare e quindi elevata polarizzabilità: tutto questo è

responsabile di elevate Forze di dispersione di London ed elevate

forze idrofobiche.

Forze coinvolte nel complesso farmaco- recettore 8

Forze intermolecolari: sono forze attrattive tra entità discrete

come atomi o molecole, dette anche legami o interazioni deboli.

Legame covalente: il legame covalente è chiaramente il più forte

che si possa instaurare tra un farmaco e un recettore, con un

guadagno di energia che varia tra -40 e -140 kcal/mol. È un legame

irreversibile ad alto contenuto energetico.

Un farmaco che dà interazione covalente è l’aspirina perché nel suo

sito attivo è in grado di acetilare una serina 530 (l’OH) del sito

catalitico del target, l’acido acetilsalicilico se ne va e rimane la

serina acetilata.

A oggi, i farmaci covalenti presenti in terapia sono una quarantina e

di essi circa il 33% sono antibiotici, il 20% antitumorali, il 15%

indicati per disordini gastrointestinali e il 15% utilizzati per il

trattamento delle malattie del SNC.

Legame ionico: è il più forte tra i legami reversibili che

intervengono nell’interazione tra farmaci e target biologici, tanto da

essere spesso considerato come driving force nella formazione del

complesso farmaco-recettore. La forza varia tra 5-10 kcal/mol e

diminuisce in maniera proporzionale al quadrato della distanza degli

atomi coinvolti.

In ambiente biologico gli ioni sono sempre solvatati da molecole di

acqua.

Gli ioni coinvolti nel legame ionico possono essere i gruppi

carbossilato delle catene laterali di acido aspartico e acido

glutamico, che sono deprotonati a pH fisiologico e quindi cariche

negativamente. Analogamente, i gruppi basici presenti negli

amminoacidi arginina e lisina, e, in misura minore, dell’istidina,

sono protonati a pH

Fisiologico.

L’energia coinvolta raggiunge 10 kcal/mole se il legame ionico è

rinforzato da legame idrogeno, dando luogo ad un’interazione più 9

persistente. L’importanza dell’interazione ionica nel riconoscimento

molecolare si apprezza andando a considerare che nei recettori

metabotropici delle amine biogene è altamente conservato sull’elica

III un residuo di Asp. Il residuo carbossilato di questo amminoacido è

infatti coinvolto in un’interazione ionica con la testa cationica di

noradrenalina.

Le interazioni elettrostatiche: sono importanti interazioni

proteina-ligando. Per le proteine a pH fisiologico vengono caricate

alcune catene laterali di aminoacidi. Una semplice interazione può

generalmente fornire un = -5 kcal/mol.

G°

Una diminuzione approssimativa di 10 volte in Kd a temperatura

fisiologica richiede solo circa 1,6 kcal/mol di energia di legame

aggiuntiva.

La perdita di legame con distanza (1/ r) è inferiore rispetto ad altri

legami: le interazioni elettrostatiche sono importanti prime

interazioni tra proteine e ligando.

Legame idrogeno: è l’interazione di un idrogeno (H) legato a un

atomo elettronegativo X con il doppietto elettronico di un altro

atomo Y situato a distanza opportuna.

Gli atomi d’interesse biologico più coinvolti in questo tipo di legame

(X e Y) sono O, N, F, S, Cl.

Quindi numerosi farmaci hanno elementi strutturali capaci di dare

legami idrogeno, comportandosi sia come donatori (X), sia come

accettori di protoni (Y). L’energia coinvolta va da – 3 a - 5 kcal/mol

e, a differenza di altri legami, è altamente direzionale, cioè i due

atomi elettronegativi tendono a stare sulla stessa retta.

Per meglio valutare il contributo del legame idrogeno

all’interazione, va tenuto conto del fatto che le molecole coinvolte

sono sempre solvatate in condizioni fisiologiche, per cui a contatto

con la superficie del target è necessaria la rottura dei legami

idrogeno con l’acqua (desolvatazione) per poter poi formarne di

nuovi con i ligandi: questo riduce il suo contenuto energetico.

Il legame a idrogeno tra due gruppi con carica opposta, noto come

ponte salino o legame io