Chimica farmaceutica 1

Farmaco

Un farmaco è ogni sostanza o associazione di sostanze che possa essere utilizzata sull’uomo allo scopo di ripristinare, correggere o modificare funzioni fisiologiche, esercitando un’azione farmacologica, farmacocinetica e farmacodinamica, e tossicologica. Infatti la tossicità distingue un farmaco da una qualsiasi sostanza biologicamente attiva, in quanto nessun farmaco è totalmente sicuro e deve essere assunto considerando il suo indice terapeutico.

I farmaci agiscono su specifici target, ossia macromolecole che giocano un ruolo chiave nell’origine e nella progressione della patologia. Per essere modulabile farmacologicamente questo target deve essere espresso nel tessuto interessato dalla patologia, non deve essere un gene essenziale e una sua modulazione funzionale deve portare ad effetti terapeutici benefici. Tra i vari bersagli quelli su cui agiscono maggiormente i farmaci sono le proteine (recettori), ma troviamo anche acidi nucleici (RNA e DNA), lipidi e carboidrati (es. Zanamavir).

Il sito di legame del target biologico non è altro che una cavità perlopiù idrofila capace di “complessare” un substrato e la specificità di tale complesso dipenderà dalla complementaritò target-substrato. Quest’ultima dev’essere sia strutturale, quindi di forma/taglia, sia di interazione, quindi una complementarità chimica. Le interazioni farmaco-proteina sono la somma dei contributi entalpici ed entropici per cui la formazione spontanea di un legame tra F e R avviene con un guadagno netto di energia libera. Possiamo determinare quindi l’affinità tra F e R tramite la costante di dissociazione Kd, che aumenta all’aumentare di [F] e [R] liberi per cui minore è la Kd e maggiore è l’affinità (>[FR]).

Tipi di legame farmaco-target

• Legame covalente: Diversi farmaci blockbuster sono covalenti come l’aspirina e la penicillina che vanno ad interagire con il gruppo -OH della Serina rispettivamente delle COX e Transpeptidasi/Carbossipeptidasi. Un altro esempio è la rivastigmina che è un inibitore covalente dell’acetilcolinesterasi utilizzata nel trattamento di malattie neurodegenerative come l’Alzheimer. Ricordiamo anche l’omeprazolo, un profarmaco che si attiva nello stomaco dando un intermedio solfenammidico che interagisce la Cys della pompa H+/K+-ATPasi.
• Legame ionico: È il legame più forte tra quelli reversibili ma è comunque parzialmente impedito dall’ingombro sterico tra le proteine e dalla solvatazione dell’H2O. Spesso gli ioni negativi coinvolti in tale legame sono quelli presenti sugli aa glutammato e aspartato che sono deprotonati a pH neutro; mentre i gruppi basici presenti su arginina e lisina sono protonati a pH fisiologico per cui potrebbero interagire con farmaci carichi negativamente. Un esempio è il recettore metabotropico (accoppiato a proteina G) delle ammine biogene che presenta un residuo di Asp(-) che interagisce con la testa cationica di noradrenalina, dopamina, serotonina, istamina, ACh.
• Legame a idrogeno: A livello biologico perde la sua caratteristica direzionalità e una buona parte di contenuto energetico, in quanto prima di avvenire devono essere rotti i legami a H con l’acqua solvatante. Un esempio dell’importanza di tale legame lo troviamo nell’isomero R della noradrenalina che, rispetto all’isomero S, è 400 volte più attivo in quanto può dare legame a H con il recettore adrenergico, cosa non possibile nel distomero.
• Legami dipolari: Le interazioni dipolari sono molto frequenti nella formazione e stabilizzazione dei complessi farmaco-bersaglio. Un esempio lo troviamo nell’interazione tra il -CN dell’antidepressivo (S)-citalopram e l’-OH della Tyr del trasportatore della serotonina (SERT), che gli permette di agire come inibitore selettivo della ricaptazione della serotonina (SSRI).
• Legame a trasferimento di carica: Si tratta di una reciproca polarizzazione tra composti contenenti una specie chimica donatrice e una accettrice. Un tipo di legame a trasferimento di carica noto in ambito biologico è il π-stacking che consiste nella sovrapposizione di due anelli aromatici a livello degli orbitali π. Tale interazione permette agli intercalanti (es. etidio) di inserirsi tra due coppie di basi adiacenti nel DNA. Un farmaco che si intercala nel DNA è l’antitumorale clorochina andando a distorcere la doppia elica interferendo con replicazione, trascrizione, ecc.
• Un ulteriore tipo di legame a trasferimento di carica è l’interazione catione-π che avviene tra un gruppo carico positivamente e la nube di elettroni π di un anello aromatico. Dato che gli elettroni sp² di un benzene sono più elettronegativi di H si creano 6 dipoli locali che determinano una distribuzione di carica totale che risulta positiva all’esterno e negativa all’interno. Gli amminoacidi aromatici che sono interessati in tale legame (fenilalanina, tirosina, triptofano e istidina) sono presenti maggiormente nei siti attivi. L’acetilcolina interagisce con AChE e con i recettori nicotinici proprio attraverso un’interazione catione-π, infatti il suo gruppo ammonico va ad interagire con i numerosi aa aromatici presenti nei siti attivi.
• Legame alogeno: Nonostante gli alogeni siano atomi negativi e quindi non capaci di interagire con atomi elettronegativi, in seguito ad anisotropia della distribuzione della carica viene a crearsi una regione carica positivamente (σ-hole) all’estremità dell’alogeno che gli permette di interagire con atomi elettronegativi come l’ossigeno carbonilico, che è presente in tutte le proteine. Si è notato in alcuni casi come la sostituzione di un H con un alogeno porti ad un incremento di attività.
• Legame idrofobico: L’interazione tra due molecole apolari in un ambiente acquoso fa sì che le molecole di H2O che circondano la molecola polare con disposizione “a iceberg” perdano la loro disposizione e nel tentativo di aggregarsi tra loro vadano ad aumentare l’entropia del mezzo. Per la legge della termodinamica ΔG=ΔH – TΔS sappiamo che ciò risulterà in una diminuzione della energia libera che stabilizzerà il complesso farmaco-recettore. Maggiore è la superfice di contatto tra le molecole apolari e maggiore sarà la forza di tale interazione.
• Forze di dispersione di London: Come risultato di effetti quantistici anche nelle molecole apolari, per dispersione momentanea della nuvola elettronica, si generano dei dipoli istantanei che vanno a generare dipoli indotti in altre molecole apolari. Tali forze tra recettore e farmaco contribuiscono ne rafforzano l’interazione ed in genere avvengono tramite gli aa valina, leucina e isoleucina i quali hanno catene lipofile.
• Legame di coordinazione con un metallo: Molti farmaci possono modulare l’attività di metallo-proteine e metallo-enzimi, infatti bastano atomi donatori presenti sulle catene laterali di diversi aa per interagire con gli ioni metallici. Un esempio è l’acetazolamide, diuretico sulfonammidico, che va ad inibire l’anidrasi carbonica con formazione di un legame di coordinazione tra l’N sulfonammidico deprotonato e lo Zn(II) dell’enzima. Conosciamo anche l’abiraterone che tramite l’N piridinico forma un legame di coordinazione con il Fe emico del CYP17A1, utile per il trattamento del cancro alla prostata.

Caratteristiche strutturali ed attività biologica

Oltre alla complementarità di interazione tra target biologico e substrato bisogna considerare anche la complementarità strutturale, ossia la compatibilità della forma e della “taglia” del substrato con la cavità del target biologico. I fattori che influenzano la complementarità tra recettore e substrato sono conformazionali e configurazionali.

Di catena di posizione, es. isomero costituzionale; es. isomero costituzionale di funzione; es. isomero costituzionale.

Gli isomeri costituzionali comprendono anche i tautomeri, cioè composti che in soluzione entrano in equilibrio tra loro convertendosi l’uno nell’altro. Un esempio è dato dai tautomeri dell’antitumorale 5-fluorouracile dove la forma ammidica prevale significativamente su quella idrossimminica. (equilibrio controllato da pH, T, solvente)

Stereoisomeria

Per quanto riguarda la stereoisomeria distinguiamo isomeri configurazionali e isomeri conformazionali. Per i primi distinguiamo:

1) Enantiomeri

Enantiomeri: molecole che sono tra loro immagini speculari non sovrapponibili la cui non sovrapponibilità è dovuta alla presenza di un centro stereogenico, per cui le molecole chirali sono non sovrapponibili alla loro immagine speculare. In genere l’elemento stereogenico è un carbonio ibridato sp³ ma non mancano i casi in cui troviamo N, Si, S o P. Un esempio lo troviamo nell’omeprazolo la cui chiralità è data dal gruppo solfossido e la sua attività antiulcerativa è espressa maggiormente dall’enantiomero (S) - ( ) detto esomeprazolo. Gli enantiomeri hanno proprietà chimico-fisiche pressoché identiche se non per una proprietà chimica (reattività in ambienti chirali) e una proprietà fisica (ruotare in due sensi diversi il piano della luce polarizzata che li attraversa), per questo motivo gli enantiomeri vengono dette molecole otticamente attive.

Easson e Stedman spiegarono con l’ipotesi dell’attacco a tre punti la diversa potenza vasocostrittrice dei due enantiomeri della noradrenalina. Infatti l’isomero (S)-(+) orienta i gruppi nello spazio in maniera tale che solo due di essi interagiscano con i tre siti disponibili sul recettore. A conferma di tale ipotesi è stato osservato che la dopamina, che ha solo 2 dei 3 gruppi noradrenalinici, manifesta una potenza simile a quella dell’enantiomero S della noradrenalina.

La sintesi chimica, a meno che non si utilizzino metodi stereospecifici, conduce a miscele racemiche (otticamente inattive), formate quindi da coppie enantiomeriche con diversa attività farmacologica. Se uno dei due possiede una rilevante attività biologica, l’altro potrebbe comportarsi in diversi modi:

• (S)-α-Metildopa es. antipertensivo; (R)-α-Metildopa inattivo.
• (R)-Ibuprofene es. e (R)-Naprossene vengono convertiti metabolicamente negli enantiomeri (S) farmacologicamente attivi.
• (R)-Talidomide es. sedativo; (S)-Talidomide teratogeno.
• (2S,3R)-Destropropossifene es. analgesico (Darvon®); (2R,3S)-Levopropossifene antitussivo (Novrad®).

Secondo la regola di Pfeiffer, quanto minore è la dose efficace di un farmaco chirale somministrato come racemo, tanto maggiore è la differenza degli effetti farmacologici dei corrispondenti enantiomeri. Per definire il diverso comportamento di tali enantiomeri viene indicato eutomero quello più attivo e distomero quello meno attivo ed è detto rapporto eudismico (ER) il rapporto tra potenza del primo e del secondo (traducibile in indice eudismico (EI)=logER).

Naturalmente tutto ciò vale considerando l’azione dei due enantiomeri sullo stesso target biologico, infatti nel caso in cui venissero considerati i medesimi ligandi in un sistema fisiologico differente potremmo notare l’inversione tra eutomero e distomero, proprio come accade per i due enantiomeri del dimetindene. La forma (R) possiede sui recettori H1-istaminergici un’affinità 158 volte maggiore dell’enantiomero (S), ma per recettori muscarinici la forma (S) ha un’affinità 41 volte superiore a quella della (R).

2) Diastereoisomeri

Diastereoisomeri: isomeri configurazionali che non sono tra loro immagini speculari per cui hanno proprietà chimico-fisiche diverse e diversa attività biologica. La tipologia più comune è quella dei composti con più centri stereogenici nei quali la configurazione di almeno uno di essi rimane invariata, come possiamo notare tra i due zuccheri eritrosio e treosio.

Notiamo che A e B confrontati con C e D sono diastereoisomeri in quanto cambia la configurazione assoluta di un solo centro stereogenico. Un’altra classe di diastereoisomeri è quella degli isomeri geometrici, caratterizzati dalla presenza nella molecola di elementi strutturali a geometria definita come doppi legami, strutture anulari rigide o semirigide che riducono la libertà di rotazione. Gli isomeri dati dalla posizione occupata dai sostituenti sul doppio legame sono detti cis(Z) e trans(E). Tra i vari esempi dell’influenza di tale isomeria sull’attività farmacologica di un composto troviamo la triprolidina, la cui sola forma (E) possiede attività antistaminica.

N.B. anche i legami C=N e N=N possono dare origine a isomeri geometrici.

Isomeri conformazionali

L’altro tipo di stereoisomeri sono gli isomeri conformazionali (conformeri o rotameri) in cui gli atomi liberi di ruotare intorno a legami semplici si dispongono secondo orientazioni spaziali diverse e possono dunque convertirsi tra loro senza rottura di legami. Le conformazioni che una molecola può assumere sono infinite ma solo alcune di esse sono favorite energeticamente, come possiamo vedere per l’acetilcolina. Notiamo che la rotazione di cui tenere conto è quella tra C4 e C5 in quanto i sostituenti su tali carboni sono diversi, mentre su C1 e su N troviamo tre sostituenti uguali. Considerando l’ACh da un punto di vista prettamente sterico osserviamo che l’angolo di torsione τ (“tau”) di 180°, che forma una conformazione sfalsata (o anti) dovrebbe essere la favorita energeticamente poiché l’ingombro sterico è minimo. In realtà la conformazione prevalente dell’ACh, sia allo stato solido che liquido, è quella sghemba (o gauche) con un angolo di torsione di 60° poiché si verifica un’interazione ione-dipolo tra il gruppo ammonico quaternario e il carbonile. Infatti, in indagini di tipo conformazionale, bisogna considerare che l’interazione della molecola con il suo bersaglio biologico può liberare energia sufficiente a favorire l’assunzione di conformazioni energeticamente sfavorite.

Stesso discorso vale per l’anello cicloesanico che presenta vari conformeri indicati con i termini a sedia, a semisedia, a twist e a barca, i quali si interconvertono rapidamente fino a dare la forma speculare dell’isomero a sedia (+ stabile). In caso di inserimento nell’anello di sostituenti più voluminosi dell’H, la forma a sedia più stabile è quella che li dispone in posizione equatoriale.

È nota la difficoltà nell’isolare due conformeri in quanto la loro interconversione è piuttosto semplice ma nel caso in cui vi siano sostituenti particolarmente ingombranti ad ostacolare tale interconversione sarà possibile isolarli. In questo caso i due isomeri verranno detti atropoisomeri.

Per ricavare utili informazioni sulla possibile conformazione assunta dal ligando durante l’interazione con il bersaglio biologico si studiano omologhi con ridotta libertà rotazionale, detti analoghi rigidi, ricavati dall’inserimento di gruppi voluminosi o doppi legami o dall’irrigidimento in sistemi ciclici. Nell’immagine notiamo la restrizione della libera rotazione della catena etilenica dell’istamina per inserimento dell’azoto amminico in un ciclo esatomico o per impedimento sterico sul nucleo imidazolico. In questo modo possiamo capire quali sono i gruppi e le conformazioni a maggiore attività, considerando sempre che con queste operazioni potrebbe presentarsi una inattivazione, la trasformazione da agonista ad antagonista o una variazione del bersaglio biologico del ligando. Ad esempio, la tranilcipromina (antidepressivo) può essere considerato l’analogo rigido dell’amfetamina (anoressico psicostimolante).

Isomeria e farmacocinetica

La distribuzione delle molecole dei farmaci all’interno dell’organismo è governata sia dal coefficiente di ripartizione Kd, sia dal legame con proteine plasmatiche, il quale può essere enantioselettivo. In genere gli antipodi ottici si comportano analogamente in tale legame, se non per qualche eccezione come il triptofano.

Più consistenti sono invece le differenze del metabolismo come ad esempio l’acido lattico per il quale solo l’enantiomero (S)-(+) è trasformato dalla deidrogenasi in acido piruvico.

Metodi per l’ottenimento di enantiomeri puri

Risoluzione di una miscela racemica

• 1) Risoluzione chimica: la miscela enantiomerica (R)-A + (S)-A viene trasformata in una miscela di diastereoisomeri per reazione con un agente chirale tipo (R)-B. I due diastereoisomeri vengono poi separati sfruttando le loro differenze chimico-fisiche come la solubilità nei solventi o la polarità. I più comuni agenti risolventi sono acido tartarico, α-Metilbenzilammina, efedrina, ecc. Un esempio è la formazione dei due enantiomeri puri dell’ibuprofene con la (R)-α-metilbenzilammina.
• 2) Risoluzione cromatografica: la separazione degli enantiomeri si esegue direttamente mediante cromatografia liquida ad alta pressione (HPLC) utilizzando fasi stazionarie chirali, che hanno quindi un selettore chirale che in genere è dato da ciclodestrine, antibiotici macrociclici, polimeri sintetici e proteine. L’enantiomero che interagisce in maniera meno stabile con il selettore risulta meno trattenuto e viene eluito per primo dalla colonna.
• 3) Risoluzione enzimatica: tale tecnica si basa sulla diversa velocità di reazione dell’enzima con i due enantiomeri della miscela e ha il vantaggio del recupero dell’enzima catalizzatore.

Uso di prodotti naturali enantiomericamente puri come precursori sintetici

Tale tecnica basa la sintesi di composti enantiomericame