chimica farmaceutica e tossicologica II (Modulo 1)

Chimica farmaceutica e tossicologica

Modulo 1 - Prof. Alessandra Bisi

La chimica farmaceutica si occupa delle basi chimiche del meccanismo d'azione. Quindi la relazione tra la struttura chimica e l'effetto biologico. I farmaci sono sostanze chimiche che non fanno altro che reagire con altre sostanze chimiche. Alfred Burger disse: "Drugs are just chemicals. They can't do anything else but react with other chemicals".

È fondamentale conoscere il target e la malattia che il farmaco deve curare. Il farmaco deve interagire con un sistema che in quella malattia risulta alterato. Spesso si conosce il target, in altri casi no perché si hanno malattie multifattoriali (più target coinvolti) o in alcuni casi i farmaci sono stati scoperti casualmente.

• Proprietà fisico-chimiche delle molecole dei farmaci in relazione all'ADME dei farmaci
• Base chimica della farmacologia e della terapeutica
• Studio dei farmacofori = parte che effettivamente produce l’azione che determina la risposta. Questi vengono inseriti su una struttura che contribuisce all’effetto del farmaco, ma non è responsabile direttamente
• Relazione struttura-attività = SAR
• Percorsi chimici del metabolismo dei farmaci
• Scelta di un determinato farmaco quando ce n’è più di uno che può essere usato per la stessa malattia

Interazione tra il farmaco e il target biologico

Farmaci sono piccole molecole organiche (rispetto alla controparte biologica con cui vanno ad agire quindi macromolecole quali proteine. La piccola molecola si lega in un punto specifico della macromolecola proteica). I principali target molecolari sono recettori, enzimi e canali ionici. Ci sono anche i diuretici che sono sistemi di trasporto specifici per il rene. Ci sono, inoltre, farmaci che interagiscono con il DNA.

Recettori

Il recettore è una proteina che attraverso l’interazione con il farmaco, o con un ligando specifico endogeno, riceve un messaggio che trasmette a un’altra compagine biologica. Nel caso dei farmaci, è il componente cellulare che interagisce con il farmaco dando inizio alla catena di eventi biochimici che portano agli effetti farmacologici osservati. La molecola che trasmette il segnale è detta ligando, cioè “che lega”. Tutto ciò che dà una risposta attivatoria si chiama agonista, e tutto ciò che dà una risposta inibitoria si chiama antagonista.

I recettori possono essere transmembrana e cioè possono attraversare la membrana plasmatica, oppure trovarsi a livello citoplasmatico. I recettori di membrana contengono uno o più segmenti idrofobici strutturati ad alfa elica che attraversano la membrana più volte.

Recettori transmembrana

Recettori accoppiati alle proteine G

Sono una famiglia di recettori che sono presenti in più di un sistema biologico. Sono detti anche metabotropici e sono i recettori più diffusi come target di farmaci. Presentano tutti una struttura comune costituita da una lunga catena di amminoacidi che attraversa 7 volte la membrana in modo da formare i 7 attraversamenti transmembrana. Ognuno dei quali presenta una porzione rivolta all’interno ed una all’esterno. Il terzo lungo loop citoplasmatico (sequenza amminoacidica che collega gli attraversamenti transmembrana) corrisponde alla regione della molecola che si accoppia alla proteina G, quindi tra il quinto e il sesto attraversamento. Si chiamano così perché non determinano la risposta biologica di per sé, ma l’interazione del ligando con il recettore attiva la proteina G che può dare diversi tipi di risposte. Essa attiva (Gs) o inibisce (Gi) i reali effettori del messaggio trasportato dal ligando. A sua volta, infatti, la risposta della proteina G è mediata da altri mediatori cellulari che sono generalmente di due tipi: adenilato ciclasi e fosfolipasi C. Se la proteina G stimola l’adenilato ciclasi si produce AMPc che produce un certo tipo di risposta. La fosfolipasi C, se attivata, agisce a livello dei fosfolipidi di membrana con produzione di diacilglicerolo (DAG) e inositolo trifosfato (IP₃). Inoltre, possono agire sulla fosfolipasi A che induce la formazione di acido arachidonico e sui canali ionici. Appartengono a questa classe il recettore muscarinico per l’acetilcolina, i recettori adrenergici e i recettori istaminergici.

Recettori canale

Sono detti anche ionotropici, sono anch’essi recettori di membrana e formano dei pori all’interno della membrana. È formato da 5 subunità chiamate con le lettere greche (α, β, γ e δ). Quelle più importanti sono le α (2) che contengono i siti di legame per i ligandi endogeni. La struttura veniva chiamata “a peperone”. Il segnale per l’apertura o la chiusura è dato da un ligando che si lega in un sito specifico, presente sulla subunità α, del recettore stesso. Quindi il legame manda un segnale che determina l’apertura o la chiusura del canale. Se il canale si apre entrano ioni quale Na⁺ (che determina l’attivazione della cellula = il legame con il ligando ad un sito, generalmente presente nella porzione extracellulare del recettore, determina delle modificazioni che rendono il poro-canale permeabile agli ioni. Il canale passa così da uno stato conformazionale di riposo ad uno stato attivato. Questo passaggio di cariche induce una serie di eventi quali la modificazione del potenziale transmembrana e/o attivazione di cascate enzimatiche). Il recettore canale dà una risposta molto più veloce e immediata. Si conoscono piuttosto bene i recettori nicotinici del sistema colinergico (sono i più studiati di tutti perché sono stati i primi ad essere stati isolati da un particolare pesce che ha il sistema colinergico molto sviluppato).

Recettori citoplasmatici

I recettori citoplasmatici sono localizzati all'interno del citoplasma cellulare, quindi il ligando che deve interagire deve essere in grado di entrare all'interno della cellula. Generalmente questi recettori sono recettori per sostanze lipofile, in grado di attraversare il doppio strato fosfolipidico di membrana. Ad esempio i recettori per gli ormoni steroidei. Il legame con un agonista promuove l’interazione con coattivatori inducendo la trascrizione genica. Il legame con un antagonista favorisce invece una conformazione che lega preferenzialmente corepressori, reprimendo la trascrizione genica.

Enzimi

Gli enzimi sono un altro importantissimo target. La loro funzione è quella di catalizzare reazioni che sarebbero molto lente, vanno quindi ad alterare in maniera apprezzabile un sistema. Un altro motivo è che la loro struttura tridimensionale è molto spesso nota. Gli enzimi appartengono a famiglie con attività simile. Nelle reazioni biochimiche che regolano la loro attività abbiamo i substrati, che rappresentano le molecole all’inizio del processo, e i prodotti, molecole differenti che sono state convertite. È possibile intervenire con farmaci che possono inibire l’attività dell’enzima, quindi ritardare in modo più o meno accentuato quella reazione chimica. Oppure ci sono attivatori degli enzimi che catalizzano più reazioni contemporaneamente. Uno dei vantaggi di questi target biologici è che a volte capita che se l’enzima è inibito, un altro enzima della stessa famiglia fa la stessa funzione (subentrano altri enzimi e i farmaci che agiscono su questo target perdono la loro efficacia, soprattutto se usati per lunghi periodi). L’interazione inibitore-enzima può essere competitiva e non competitiva, reversibile o irreversibile.

Canali ionici

L’ultimo target su cui i farmaci vanno a reagire sono i canali ionici. I canali ionici regolano il flusso ionico attraverso la membrana cellulare. Sono costituiti dall’assemblaggio di subunità proteiche che delimitano un poro che attraversa il doppio strato lipidico. La subunità formante il poro è detta α, mentre altre subunità accessorie sono β, γ, e così via. Nel recettore canale c’è un ligando che si lega al recettore e lo attiva. Nel caso dei canali ionici sono regolati dall’alterazione del potenziale (differenza di potenziale tra esterno e interno della cellula).

Il passaggio attraverso il poro è regolato da un “gate” che può aprirsi o chiudersi in risposta a sostanze chimiche, segnali elettrici, variazioni di temperatura. I canali ionici hanno dei sensori che percepiscono le variazioni di potenziale. Ci sono canali specifici per ogni ione, ma non sempre sono sempre selettivi per il passaggio di quel determinato ione. Se intorno ci sono ioni più piccoli possono passare, quindi non si ha un’ottima selettività. Le modalità di attivazione sono un po’ diverse. I canali ionici sono estremamente coinvolti nella regolazione della contrazione vascolare e del cuore (farmaci cardiaci sono prevalentemente in questo ambito = Na⁺, K⁺ e Ca²⁺).

Sistema nervoso

Neuroni sono cellule altamente specializzate. Ci sono tantissimi farmaci che agiscono sul SNC per quanto moltissimi meccanismi sono sconosciuti. Il neurone presenta un corpo cellulare, contenente il nucleo, e delle estroflessioni definite dendriti, una coda chiamata assone che termina a sua volta con un’altra parte di citoplasma chiamati ancora dendriti. La struttura è data dalla necessità di comunicare con un gran numero di cellule contigue, attraverso la membrana esterna che trasmette e riceve impulsi.

L’assone nervoso può essere rivestito dalla guaina mielinica non continua e, proprio la presenza dei nodi di Ranvier permette il passaggio dell’informazione. Poi il segnale viene trasmetto alle terminazioni dendritiche che sono in comunicazione sia con altre cellule nervose, sia con l’organo effettore. Quindi i neuroni contengono elementi in grado di ricevere, elaborare all’interno del citoplasma, condurre lungo la cellula e trasmettere ad altre cellule o organi il segnale. La trasmissione avviene in due modi: contatto tra cellula e cellula o cellula e organo avviene attraverso la sinapsi (conduzione sinaptica extracellulare) e trasmissione all’interno della cellula stessa (conduzione assonica intracellulare).

La sinapsi non è un vero e proprio contatto, ma la cellula presinaptica con il suo terminale nervoso si avvicina moltissimo alla membrana cellulare post-sinaptica e tra le due membrane si instaura uno spazio sinaptico che consente la trasmissione dell’impulso tramite la liberazione di sostanze chimiche. La somma degli impulsi che, attraverso la sinapsi, arrivano ad un neurone determina nel tratto iniziale dell’assone una variazione di potenziale che, una volta raggiunto il valore soglia, viene trasmessa lungo l’assone e rappresenta l’onda di trasmissione nervosa. La formazione e la trasmissione dell’impulso nervoso coincidono con una variazione improvvisa di sodio e potassio per l’apertura dei rispettivi canali ionici. L’apertura dei canali del calcio determina l’influsso del Na⁺ con conseguente ddp=0; l’attivazione delle pompe di membrana riportano Na⁺ all’esterno e K⁺ all’interno. Questo momento viene definito periodo refrattario poiché un nuovo potenziale non si può generare se non sono state ripristinate le condizioni precedenti. Se l’assone non presenta mielina si ha una conduzione continua, se è presente la mielina la conduzione avviene a salti tramite i nodi di Ranvier.

Il mediatore chimico liberato interagisce con la membrana sinaptica della cellula successiva e trasmette l’impulso. Noi ci occuperemo dei neurotrasmettitori = sostanze prodotte a livello del sistema nervoso e nello specifico all’interno del neurone che deve possedere gli enzimi ed i precursori necessari alla loro biosintesi. I mediatori, una volta prodotti, si localizzano all’interno delle vescicole e, se presente l’impulso specifico, vengono liberate. I recettori hanno una porzione extracellulare esposta che interagisce con i mediatori. Esistono recettori a livello della terminazione presinaptica che possono inibire o aumentare la produzione dei neurotrasmettitori. Una volta liberati e utilizzati, i neurotrasmettitori possono seguire due vie differenti:

• Reuptake: le molecole di neurotrasmettitore vengono richiamate nel neurone presinaptico all’interno delle vescicole e vengono riutilizzate
• Degradati da enzimi specifici o meno. Normalmente gli enzimi non sono specifici, ad eccezione dell’acetilcolina.

Il principale metodo è il reuptake, ad eccezione del sistema colinergico dove il neurotrasmettitore viene degradato da un enzima specifico.

Neurotrasmettitori

I neurotrasmettitori sono responsabili della trasmissione sinaptica. All'interno del neurone i neurotrasmettitori sono contenuti in vescicole dette vescicole sinaptiche che sono addensate alle estremità distali dell'assone nei punti in cui esso contrae rapporto sinaptico con altri neuroni. Nel momento in cui il neurone viene raggiunto da uno stimolo, le vescicole sinaptiche si fondono per esocitosi con la membrana presinaptica, riversando il proprio contenuto nello spazio sinaptico o fessura inter-sinaptica. I neurotrasmettitori rilasciati si legano a recettori o a canali ionici localizzati sulla membrana post-sinaptica. L'interazione fra i neurotrasmettitori e il recettore/canale ionico scatena una risposta eccitatoria o inibitoria nel neurone post-sinaptico.

L’acetilcolina è carica positivamente (l’azoto è legato a 4 molecole di C), quindi per essere attiva a livello del SNC (dove le molecole cariche non attraversano le barriere) deve avere dei suoi meccanismi specifici di biosintesi e di trasporto. Altri neurotrasmettitori sono: istamina, GABA e le catecolammine (noradrenalina, adrenalina e dopamina).

Per poter essere definiti neurotrasmettitori, questi mediatori chimici devono avere:

• Biosintesi
• Accumo
• Rilascio
• Recettori specifici post e presinaptici
• Meccanismo di blocco dell’azione: reuptake e sistemi enzimatici di degrado

Esistono sostanze che non presentano tutti e 5 i requisiti che vengono prevalentemente chiamati neuromodulatori, neuroregolatori o neurormoni (encefaline). Recettore localizzato lontano dal sistema che ne regola l’azione, come ad esempio gli ormoni che sono prodotti dalle cellule endocrine ed arrivano al bersaglio tramite il sistema circolatorio, dove può agire sul recettore citoplasmatico o su un recettore di membrana. Ci sono anche alcune sostanze cosiddette ormoni locali (es: eicosanoidi) dove la cellula che lo produce deve essere adiacente alla cellula che presenta il recettore per far sì che ci sia una trasmissione tramite il liquido extracellulare.

Complesso farmaco-recettore

Il farmaco può legarsi ad un recettore, deve presentare un’analogia strutturale con il ligando per far sì che si abbia complementarietà strutturale con il recettore.

Agonista: ottenere sia buoni legami sia attivazione del recettore

Antagonista: cercare di ottenere dei buoni legami evitando che il recettore venga attivato. Si definisce antagonista competitivo quando occupa lo spazio sul sito recettoriale che impedisce al ligando naturale di legarsi. Se si somministra una grande quantità di ligando si spiazza l’antagonista. Si definisce antagonista non competitivo quando si lega con un legame molto stabile, o legandosi da un’altra parte modifica la struttura della proteina impedendo il legame con il ligando (si è modificato il sito di legame). In questo caso anche se si somministrano grandi quantità di ligando non si riesce a spiazzare l’antagonista.

Il legame farmaco-recettore è in genere caratterizzato da interazioni deboli ed è reversibile = devono formarsi legami deboli che necessitano della vicinanza delle due parti e della complementarietà che determina la specificità d’azione.

Agonisti

I farmaci che fungono da agonisti devono essere dotati di:

• Affinità per il recettore
• Efficacia = capacità di evocare l’effetto massimo (in grado di produrre la stessa risposta prodotta dal ligando naturale). Il farmaco induce un cambiamento conformazionale nel recettore e quindi si ha la risposta. L’efficacia è diversa dalla potenza, la quale dipende dalla dose.

Affinità di legame ed equilibrio: K_ass = costante di associazione, K_diss = costante di dissociazione (reciproco della costante di associazione) usata comunemente per descrivere quantitativamente il legame di un farmaco al recettore. Le unità di misura sono delle concentrazioni (M, mM, μM) ed in genere sono numeri piccoli, come 1 x 10^-8 M o 1 x 10^-9 M (range nanomolare). Tra la K_D e l’affinità c’è una relazione inversa: più piccola è la K_D, maggiore è l’affinità.

Legami chimici

Se c’è un guadagno di energia libera c’è una forte tendenza del farmaco a legarsi al recettore. Questa stabilità è legata ai legami che si instaurano. L’interazione (binding) si può analizzare in termini termodinamici: ΔG° = variazione di energia libera di associazione, R = costante dei gas (1,98 cal • grado • mole), T = temperatura assoluta, K_D = costante di dissociazione. L'energia libera di associazione o energia libera di legame è - ΔG° di dissociazione, poiché K_A = 1/K_D. Quando il farmaco si trova abbastanza vicino alla sua controparte biologica è in grado di formare.