Chimica Farmaceutica e Tossicologica I e Farmaci

REAZIONI MOLECOLARI:

SLIDE N°5 METABOLISMO:

CITOCROMI

CYP 1A2

La CYP1A2 (nota come fenacetina O-de-etilasi, caffeina de-

metilasi o antipirina de-metilasi) catalizza l’attivazione

di arilammine, nitrosammine ed idrocarburi aromatici.

La CYP1A2 provoca anche la bioattivazione di pro-mutageni e

pro-cancerogeni come Aflatossina B1 e arialmmine

CYP 2A6

CYP2A6 è l’unica isoforma di questa famiglia ad essere

prevalentemente espressa nel fegato (anche se scarsamente

4%). Tuttavia si trova anche nei polmoni e nell’epitelio

nasale.Catalizza la idrossilazione di cumarine (7-

idrossilasi), aflatossina B1, nicotina, naproxene, taurina

Attiva anche nitrosammine e precarcinogeni.

CYP 2B6

CYP2B6 rappresenta solo 1% delle isoforme epatiche e non se

ne conosce esattamente il ruolo nel metabolismo umano

CYP 2C

La CYP2C rappresenta il 20% delle isoforme presenti nel

fegato.

È la famiglia più complessa e metabolizza più del 25% dei

principali farmaci (warfarina, mefenitoina e tolbutamide).

È costituita da

CYP 2C8

CYP2C8 espressa prevalentemente nei tessuti extra-epatici

(rene, cervello, surrenali, utero, seno, ovaie ed intestino),

metabolizza gli antidepressivi triciclici, il Diazepam ed il

Verapamil.

CYP 2C9 e CYP 2C19

CYP2C9 e CYP2C19 sono presenti soprattutto nel fegato

(prevale la CYP2C9) e nell’intestino.

CYP 2D6

CYP2D6 sembra essere Stereoselettiva dato che, in presenza

di un’ammina racema, catalizza di preferenza l’idrossilazione

di un enantiomero.La Chinidina è un inibitore di questa

isoforma e la sua contemporanea somministrazione con farmaci

substrato ne aumenta i livelli ematici e la tossicità.

CYP 2E1

CYP2E1 è una isoforma che gioca un ruolo fondamentale nel

metabolismo di idrocarburi alogenati e di prodotti organici

a basso PM.Viene espressa nel fegato (7%), nell’intestino,

nei reni e nei polmoni e viene indotta da etanolo e

isoniazide.Molti suoi substrati sono anche induttori, ad

esempio l’etanolo. Il consumo di quest’ultimo fa sì che gli

idrocarburi alogenati risultino più tossici e cancerogeni.

CYP 3A4

La CYP3A4 è responsabile del metabolismo di più di un terzo

dei più importanti farmaci.Viene espressa nell’intestino,

nei reni, nei polmoni, nella placenta, nell’utero e nel

cervello.Il suo sito di binding è di natura

lipofila.Metabolizza farmaci lipofili che hanno una

biodisponibilità orale limitata e variabile.

metabolismo di fase I

• Nel caso dell’ossidazione di alcheni e di anelli aromatici il

-

primo stadio consiste nella formazione di un complesso

alchene-P450. 

• Se è presente un eteroatomo l’idrossilazione avviene in

Ossidazione aromatica

Ossidazione di alcheni

Idrossilazioni alifatiche e alicicliche

• Il gruppo metilico viene ossidato a idrossimetile

(eventualmente può procedere a carbossile ma per ossidazione

non microsomiale).

• Le catene alifatiche vengono ossidate al metile terminale o

sul penultimo carbonio.

• Se la catena è legata ad un anello aromatico si ha

ossidazione del carbonio benzilico.

O O

O O

2 2

S S

Tolbutamide N N N N

H H H H

HO

(ipoglicemizzante CH CH

3

orale) O 3

O

CH CH

3 3

HN HN

CH CH

3 OH

3

O N O O N O

H H

Pentobarbitale CH CH

3 3

CH COOH CH COOH

3 3

H C H C

3 3 OH

Ibuprofene

(antiinfiammatorio

NS)

• Nei derivati aliciclici l’ossidazione procede in posizioni

non ingombrate o in posizioni attivate (Carbossili, anelli

aromatici ect.).

• I prodotti di idrossilazione sono spesso degli stereoisomeri.

• Gli eterocicli alifatici vengono idrossilati in posizione

adiacente all’eteroatomo.

• Si può avere anche deidrogenazione (acido valproico,

testosterone) ma normalmente prevale la idrossilazione

O O

Fenmetrazina

(psicoanalettico) N CH O N CH

3 3

H H

Acido valproico H C COOH

H C COOH 3

3

(antiiconvulsivante) H C

H C 3

3

Alcheni

L’ossidazione di alcheni porta a epossidi e prodotti idrossilati.

Epossidi si formano con ritenzione di configurazione e possono:

Dare dioli vicinali non tossici e facilmente escreti;

Alchilare macromolecole od acidi nucleici con necrosi tissutale o

carcinogenicità.

L’epossido idrolasi è ubiquitaria.

Se gli epossidi sono poco reattivi possono essere escreti

inalterati.

Gli epossidi derivanti da alcheni terminali sono substrati suicidi

perché portano ad N-alchilazione dell’eme

O N CH

N CH 3

3

Ciproeptadina

(antistaminico)

CONH O CONH

2 2

Carbamazepin

a

(antiepilettico)

Cl Cl Cl O

Cl

Cl H Cl H

ALCHINI

Gli alchini vengono ossidati più rapidamente degli alcheni.

La posizione d’attacco sull’alchino stesso genera prodotti diversi

che corrispondono:

Attacco in posizione 2 con conseguente alchilazione dell’azoto

delle porfirina con formazione di addotto cheto-eme;

Attacco in posizione 1 con formazione di un chetone che porta

all’acilazione di proteine (a livello di lisine o cisteine) oppure

si idrata ad acido carbossilico.

Idrossilazione aromatica

È una classica reazione elettrofila aromatica e porta a derivati

fenolici in cui la posizione dell’ossidrile è controllata dai

sostituenti:

e-

Effetto donatore favorisce la reazione e nei derivati

monosostituiti prevale la para sostituzione (poco orto);

e-

Effetto attrattore riduce o previene la sostituzione che

comunque avviene in meta;

Ingombro sterico;

I metaboliti possono essere a loro volta attivi (Estradiolo)

O

O OH OH

CH CH

3 3

HN

HN OH

Acetani HO HO

OH

lide Estradiolo Estriolo

OH

CH

OH 3

CH

3

H H

Fenitoina N N HO

O O

HO

N N HO

O O HO

H H OH

2-idrossi 4-idrossi

N-Dealchilazione,

3e 2e 2e 1e

La dealchilazione di ammine e rispettivamente a e è

una delle più frequenti ed importanti reazioni metaboliche.

È caratterizzata dalla:

e- 

estrazione di un dall’azoto o di un protone dal carbonio in

ad opera del perferril-ossigeno;

rimozione del gruppo più piccolo (ter-butile e ciclopropilmetile

sono i più resistenti);

formazione di prodotti più polari (facilmente eliminabili) che

spesso mostrano la stessa attività biologica del farmaco oppure

presentano effetti collaterali indesiderati.

H C H C

3 3 O

N CH NH N N

3 Nicotina Cotinina

CH CH

3 3

N N

N N O

N N

H H

Desimipramina

Imipramina N N

Deaminazione ossidativa



Si ha per ammine sostituite in come l’amfetamina.

Il meccanismo è lo stesso del precedente ma porta alla formazione

di un gruppo carbonilico. N-ossidazione

Le ammine terziarie e le amidi disostituite vengono ossidate ad N-

Ossidi. 

Se il C in non possiede idrogeni l’ossidazione porta ad

idrossilammine CH 3

CH CH CH

3 3 3 CH 3

CH 3 NH 2

NH O NH

2 2 O

Amfetamina Mefentermina

CH CH O O

3 3

O

N N NH N

CH CH OH

3 3 CH CH

Dimetilanilina Fenmetrazina 3 3

H

NH NO

2 N OH

N-Dealchilazione

3e 2e 2e 1e

La dealchilazione di ammine e rispettivamente a e è

una delle più frequenti ed importanti reazioni metaboliche.

È caratterizzata dalla:

e- 

estrazione di un dall’azoto o di un protone dal carbonio in

ad opera del perferril-ossigeno;

rimozione del gruppo più piccolo (ter-butile e ciclopropilmetile

sono i più resistenti);

formazione di prodotti più polari (facilmente eliminabili) che

spesso mostrano la stessa attività biologica del farmaco oppure

presentano effetti collaterali indesiderati.

H C H C

3 3 O

N CH NH N N

3 Nicotina Cotinina

CH CH

3 3

N N

N N O

N N

H H

Desimipramina

Imipramina N N

Deaminazione ossidativa



Si ha per ammine sostituite in come l’amfetamina.

Il meccanismo è lo stesso del precedente ma porta alla formazione

di un gruppo carbonilico. N-ossidazione

Le ammine terziarie e le amidi disostituite vengono ossidate ad N-

Ossidi. 

Se il C in non possiede idrogeni l’ossidazione porta ad

idrossilammine CH 3

CH CH CH

3 3 3 CH 3

CH 3 NH 2

NH O NH

2 2 O

Amfetamina Mefentermina

CH CH O O

3 3

O

N N NH N

CH CH OH

3 3 CH CH

Dimetilanilina Fenmetrazina 3 3

H

NH NO

2 N OH

O-dealchilazione

È una reazione metabolica comune e decorre come la N-demetilazione

( -ossidazione seguita da idrolisi dell’emiacetale con formazione

di alcol o fenolo).

La velocità di dealchilazione diminuisce all’aumentare della

lunghezza e dell’ingombro sterico della catena.

I derivati metilendiossi vengono trasformati in derivati 1,2-

difenolici che tendono a complessare il CYP450 inibendolo.

O O O OH OH

2+

CH CH

3 CH O

+ 2

N N

Codeina Morfina

OH OH

O O

OCH OH

3 H H

N N

O HO

CH CH

3 3

CH CH

3 3

O HO

Ecstasy (MDMA)

S-dealchilazione

I metiltioeteri alifatici ed aromatici vengono trasformati

analogamente in tioli e formaldeide.

Gli altri vengono ossidati a solfossidi da altri enzimi

H C SH

3 S H

Metilmercapto purina H N

N N

N N

N

N

N

N-riduzioni

Nei microsomi epatici sono contenuti anche enzimi in grado di

ridurre sia gli azo- che i nitro-derivati ad ammine primarie.

Esempi:più noto è quello del prontosil rosso che ha portato alla

scoperta dei sulfamidici;

Sulfasalazina a livello intestinale libera il PAS che svolge la

sua attività antiinfiammatoria nella colite ulcerosa.

Cloramfenicolo e nitrobenzene sono ridotti ad aniline da una

nitroreduttasi O O

CHCl CHCl

2 2

HN HN

O N H N

OH OH

2 2

OH OH

Cloramfenicolo SO NH

2 2

NH SO NH

2 2 2

N N H N

2

H N

2 Prontosil rosso O 2

S N N

H

O 2 H N

S 2

N N +

H

N N NH

2

HO Sulfasalazina HO

COOH COOH

Flavina MonoOssigenasi

Monoossigenasi epatica dotata di più ampia specificità di

substrato rispetto al CYP450.

Ciò deriva dal fatto che l’attivazione dell’ossigeno si verifica

prima dell’addizione del substrato.

Essa catalizza l’ossidazione di eteroatomi quali N e S dei quali

viene coinvolto un doppietto elettronico senza provocarne la

dealchilazione. N-Ossidazione

Dei composti azotati vengono ossidate:

3e

le ammine (tutte) a derivati N-ossidi;

2e

Le ammine (tutte) a idrossilammine poi a nitroni e prodotti

vari;

le idrossilammine;

le idrazine.

Tutti i prodotti di ossidazione vengono poi escreti con le urine.

S-ossidazione

Avviene pressoché ad opera della FMO e porta alla seguenti

trasformazioni:

Solfuri in solfossidi e solfoni; O

H O

N NH Albendazolo

N

S O

H O

N Albendazolo

NH Solfossido

N

S (attivo)

O O

H O

N Albendazolo

O NH Solfone

N (inattivo)

S

O

Tioli in disolfuri

Tiocarbonati, mercaptopirimidine e mercaptoimidazoli in solfinati

(RSO2H) via solfenati (RSOH).

Anche in questo casi tutti i prodotti vengono eliminati con le

urine

Tioli e disolfuri

R SH R S S R R S S R

O Cimetidina

Tioeteri Ranitidina

O Sulindac

Tioridazina

R S R R S R R S R

O O

Solfossido Solfone

Deamminazione ossidativa

Monoamminoossidasi (MAO) - è un enzima flavinico della membrana

mitocondriale che, in presenza di O2, catalizza la 

deammminazione ossidativa delle ammine (primarie non

sotituite, secondarie e terziarie con gruppi metilici).

+ NH

R NH R R

NH O 4

2 O 2 

Ammine sostituite in vengono ossidate dal CYP450.

Ammine secondarie o terziarie con gruppi alchilici ingombranti

possono agire da inibitori reversibili di questo enzima.

La MAO svolge un ruolo importante nel controllo della degradazione

metabolica delle catecolamine e della serotonina nel tessuto

nervoso Metabolismo di fase II

Il glucosio deve essere ossidato ad acido glucuronico; la forma

reattiva corrisponde all’Acido Uridindifosfoglucuronico (UDPGA)

La reazione tra il farmaco e l’acido Uridindifosfoglucuronico

(UDPGA) è catalizzata dalla UDP-glucuronil transferasi (UGT)

Alcoli e fenoli danno luogo

UGT a O-Glucuronidi

Acidi carbossilici danno

UGT esteri glucuronidi

UDPGA Ammine aromatiche danno

UGT N-Glucuronidi

Nel caso di composti sulfidrilici si ottengono derivati S-

glucuronidi.

TEORIA DELL'OCCUPAZIONE DI CLARCK:

Secondo questa teoria (proposta da Clark nel 1933) la

risposta farmacologica sarebbe proporzionale al numero di

recettori occupati, quindi alla formazione del complesso

farmaco-recettore.Però questa teoria non spiega perché la

curva dose-risposta ottenuta in test funzionali non sempre

coincida con la curva desunta da studi di binding.

Il termine binding significa legame; in studi di binding si

valuta l’interazione tra un ligando radioattivo ed una

preparazione contenente il recettore.Ebbene, in molti casi la

risposta massima si ottiene a dosi di farmaco molto più basse

rispetto a quelle che producono un binding massimale per una

preparazione biologica.

TEORIA RECETTORIALE DI ARIENS:

Secondo Ariens, per un farmaco si devono distinguere:

Affinità:capacità di occupare i siti recettoriali;

Attività intrinseca:capacità, una volta occupati i siti

recettoriali, di produrre una risposta.

TEORIA DELLA VELOCITA' o TEORIA DI PATON:

Teoria codificata da Paton nel 1960, basata sulla velocità

di combinazione farmaco-recettore piuttosto che sul numero

dei recettori occupati.Secondo questa teoria la risposta E

di un farmaco dipende solo dalla velocità con cui esso,

all’equilibrio, si associa al recettore e se ne dissocia

n = numero totale dei

K n [D] t

 recettori

V = 2 t E = V

ass ass = costante per



[D] + K /K farmaci diversi

2 1

TEORIA DI BALLAU o TEORIA DELL'ADATTAMENTO INDOTTO:

Sviluppata da Belleau negli anni ’60, si basa sul

presupposto che la conformazione del recettore non debba

essere necessariamente una struttura complementare con

quella del substrato.Essa diventa tale dopo che il

substrato, avvicinandosi al recettore, ha generato una

modificazione strutturale “inducendo un adattamento”.Le

interazioni farmaco-recettore possono essere dovute:

-a forze d’attrazione (legami idrofobici, elettrostatici e

idrogeno oltre alla formazione di chelati);

-a forze repulsive di tipo elettrostatico o sterico;

-alla struttura terziaria delle proteine (conseguenza della

sequenza amminoacidica);

-alla specificità d’interazione che coinvolge un piccolo

numero di aa .

Il substrato quindi determina una variazione conformazionale

del recettore.Come conseguenza si ha una corretta

disposizione dei centri responsabili dell’inizio della

catena di reazioni che portano all’effetto farmacologico.Non

basta quindi che il farmaco si leghi saldamente al

recettore, ma bisogna anche che sia in grado di provocare il

giusto cambiamento conformazionale.

TEORIA DEL RECETTORE A DUE STADI o TEORIA DI RODRIGUEZ DE MIRANDA

e ARIES:

Vi sono sempre più prove a favore della teoria formulata da

Ariëns e Rodriguez De Miranda.Si ipotizza che il recettore

possa assumere due conformazioni dette R (relaxed o attiva) e

T (tense o inattiva).Gli agonisti presentano una affinità per

lo stato attivato e spostano l’equilibrio verso questa

conformazione.Gli antagonisti non possono legarsi alla forma

attiva ed interagiscono con lo stato inattivato o spostando

l’equilibrio verso questo

Si suppone che nel recettore vi siano due siti di legame:

Quello attivato per gli agonisti;

Quello a riposo per gli antagonisti competitivi

I due siti si troverebbero abbastanza vicini da essere

interessati da una stessa molecola.

Ciò giustificherebbe l’attività degli agonisti parziali che

avrebbero affinità per entrambi i siti.

FORMULA PER IL CALCOLO DELL'INTERAZIONE IONE-IONE:

L’energia potenziale di due cariche poste ad una distanza r



in un mezzo con costante dielettrica è definita come:

e e

a b 

= (e *e )/ ( *r)

E = a b

 r

Dalla formula si può dedurre che l’energia potenziale:

è inversamente proporzionale alla costante dielettrica ε

del mezzo; e= carica del singolo elettrone

diminuisce in un ambiente quale l’acqua in conseguenza

dell’interazione con il mezzo stesso.

ε non è facilmente determinabile a livello molecolare.

Variazioni strutturali nell’agonista influenzeranno:

il valore della carica ea con effetti elettronici;

la distanza delle cariche per effetti sterici o per

delocalizzazione della carica.

FORMULA PER IL CALCOLO DELL'INTERAZIONE IONE-DIPOLO:

I dipoli si formano quando si hanno differenze di

elettronegatività tra atomi con distribuzione asimmetrica

degli elettroni.Carbonili, esteri, ammidi, eteri e nitrili

sono gruppi funzionali che presentano una struttura dipolare

responsabile del legame con il recettore.

e µ cos

a

E =  r 2