Chimica farmaceutica

Chimica farmaceutica 19/02/18

Proprietà chimico-fisiche ed attività biologica

La chimica farmaceutica si occupa della scoperta, progettazione, sviluppo, produzione e caratterizzazione di nuovi “agentiterapeutici”, 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?

Esistono fondamentalmente due diversi tipi di approccio:

• 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.
• 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:

• 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.
• 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.

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 legandosi ai 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.

Proprietà chimico-fisiche e attività 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.
• Complementarietà 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 binding nel binding sites. In questo modo viene stabilito un legame intermolecolare in maniera che il farmaco è legato completamente al sito recettoriale, causando 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. 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 (ΔG°) 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 poco più di 5ΔG° 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.

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’ / εr²
• 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

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 ed 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 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 della noradrenalina.

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 ΔG° = -5 kcal/mol. 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/mole, 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 ionico.