Chimica farmaceutica e tossicologica II (Modulo 3)

CHIMICA FARMACEUTICA E TOSSICOLOGICA

II Modulo 3

Prof. Maria Laura Bolognesi

APPROCCIO LIGAND-BASED: bisogna partire dalla conoscenza della struttura del

ligando. Per migliorarne l’attività, la tossicità ed il profilo.

Caratteristiche chimiche quali carica e lipofilia (log D = carica e log P = lipofilia)

 Struttura tridimensionale e la conformazione attiva



È fondamentale conoscere la conformazione attiva del ligando.

APPROCCIO TARGET-BASED: bisogna partire dalla conoscenza della struttura del

target Struttura tridimensionale: la tecnica che ci permette di conoscerla è la

 cristallografia a raggi X. Se si conosce la struttura tridimensionale si può seguire

un approccio più razionale.

I farmaci sono piccole molecole organiche che hanno delle caratteristiche molto

diverse rispetto ai farmaci biologici. Quindi la differenza tra molecola e farmaco è

che noi possiamo utilizzare il termine farmaco quando la molecola è registrata. Se

una molecola è in fase clinica viene chiamata candidato farmaco (o drug

candidate). Il termine hit e lead si utilizzano nella fase preclinica.

RECETTORI INTRACELLULARI

I recettori interessati sono i che hanno sia una

localizzazione citoplasmatica che nucleare.

La cristallografia a raggi X negli anni ha subito degli aggiornamenti, ma le prime

molecole target per le quali si è scoperta la struttura attraverso la cristallografia a

raggi X sono state delle molecole solubili (proteine solubili che non si trovano sulla

membrana) → gli altri bersagli farmaceutici di cui esiste la struttura cristallografica

sono gli enzimi.

Nel 2000 recettori accoppiati alle proteine G, ma non di interesse biologico. La

struttura del recettore muscarinico è molto recente.

Del recettore nicotinico non c’è la struttura tridimensionale cristallografica, ci sono i

modelli. La struttura cristallografica c’è solo della porzione che lega l’acetilcolina. È un

recettore molto più complesso rispetto al recettore muscarinico.

L’ormone si lega al recettore che si trova

all’interno della cellula. Quindi l’ormone, per

legarsi, deve essere in grado di superare la

membrana, per andare a riconoscere il suo

bersaglio.

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Gli ormoni sono steroidei. Steroide è un termine chimico che presenta un

ciclopentanoperidrofenantrene. Il fenantrene è un idrocarburo (molecole formate

soltanto da C e H) policilico aromatico (più benzeni legati in vario modo).

Il logP si determina sperimentalmente e determina se la molecola è lipofila. È il

logaritmo del rapporto della concentrazione della molecola nelle fasi tra loro

immiscibili quali il normalottanolo (catena di 8 atomi di C con un OH. Questo mima

concentrazione∈normalottanolo

log P=

l’ambiente lipofilo) e l’acqua. concentrazione∈H 20

Ad esempio un logaritmo di 2 indica che la molecola tende a stare di più nel

normalottanolo che nell’acqua, quindi la molecola è lipofila.

Poiché queste sostanze sono degli idrocarburi non ci sono particolari gruppi polari con

dipoli. Gli idrocarburi sono lipofili.

Se la molecola non fosse lipofila non sarebbe in grado di raggiungere il suo bersaglio

molecolare.

Di solito i farmaci sono attivi nel range nanomolare, quindi la potenza non è tutto.

Poiché se la molecola non riesce ad attraversare la membrana non serve a niente.

I ligandi endogeni sono gli steroli, che per definizione sono degli idrocarburi, quindi

lipofili ed in grado di attraversare la membrana.

La localizzazione degli ormoni tiroidei è sempre intracellulari, ma non sono steroidi,

derivano dalla tirosina per cui sono dei derivati di amminoacidi. Gli amminoacidi sono

carichi perché presenti sottoforma di zwitterioni. Per questo motivo, per attraversare la

membrana, utilizzano dei trasportatori endogeni → bisogna valutare anche il profilo

farmacocinetico.

Il recettore viene attivato con il legame col ligando e successivamente dimerizza,

migra nel nucleo passando attraverso i pori. A questo punto si lega ad un gene target.

Quindi questi recettori fungono da fattore di trascrizione (sintesi di nuove proteine).

Agonista ed antagonista si utilizza nel sistema recettoriale, mentre attivatore ed

inattivatore si utilizza per gli enzimi.

Un ANTAGONISTA si lega al recettore, ma non è in grado di attivarlo. È competitivo

quando si lega nello stesso sito dell’agonista e compete con lui. Un antagonista può

essere allosterico, quindi modula il recettore, e prende il nome di sito ortosterico.

recettore transmembrana

Il non presenta gli attraversamenti transmembrana. È

diviso in varie regioni. Le regioni più importanti sono la C e la E. La regione C è

formata dagli amminoacidi che vanno a riconoscere il legame con il DNA e questo tipo

di interazione è molto importante perché una proteina riconosce il DNA. ci deve essere

qualcosa che vada in mezzo alla doppia elica. Qui si trovano le zinc finger (dita di

zinco. Lo zinco va a legare delle cisteine e la proteina assume questa struttura a dita

che interagisce con il DNA) che devono andare in mezzo all’elica del DNA. il DNA è una

molecola polare che presenta elementi in comune con tutti i farmaci. Il recettore viene

modulato nella porzione E che prende il nome di ligand binding domain (dominio di

legame del ligando) dove si va a legare l’ormone endogeno o i farmaci. L’interazione

di una molecola con una proteina avviene in tasca e poiché è fatta ad alfa elica si

conoscono quali sono i precisi amminoacidi che interagiscono.

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FARMACOLOGIA TRIPARTITA: non c’è solo il farmaco e il recettore/enzima, ma anche

altre proteine che vengono definite COATTIVATORI e COSOPPRESSORI.

→ il complesso recettore-agonista ligando recluta la proteina coattivatore (sempre

un’α-elica) e si avrà un aumento dell’espressione genica.

L’antagonista si lega al recettore e questo fa cambiare conformazione al recettore → il

complesso va a reclutare non più un coattivatore, ma un corepressore → come effetto

finale si ha la riduzione dell’espressione genica.

ORMONI STEROIDEI

Steroide = gonano = sterano

Ciclopentanoperidrofenantrene = fenantrene tutto saturato

I cicli, per comodità, sono definiti A, B, C, D.

Sterolo = alcol dello sterano

 Anche gli ormoni prodotti dalla corteccia surrenale sono steroidi

 Glicosidi cardioattivi

 Ormoni sessuali maschili e femminili

 Acidi biliari

 Provitamine D

 Sapogenine

 Alcuni antibiotici



COLESTEROLO Il colesterolo presenta un gruppo alcolico.

Per convenzione si numera dall’anello A, più

precisamente dal vertice in alto → poi si prosegue

con l’anello B. i primi 10 atomi sono quelli degli

anelli A e B.

La 11-14 finisce il fenantrene. Fino al 18 si finisce

il ciclopentano = peridrofenantrene.

Ci sono poi i metili angolari = si trovano nella

giunzione tra due anelli → 18 e 19.

In posizione 17 c’è un sostituente → il primo sostituente della catena avrà il numero

20. Dal 20 in poi sono tutti gli atomi di C della catena del sostituente.

Essendo il nucleo steroideo sostituito, si creano dei centri chirali. In natura le molecole

saranno sempre presenti sottoforma di singoli enantiomeri → la natura non crea

racemi.

Il primo centro chirale sarà il 3, poi 8, 9, 10, 13, 14,

17 e 20. 3

Il colesterolo è un singolo enantiomero, ogni centro chirale ha la sua configurazione.

La α è il tratto tratteggiato, il β è quello fisso (sopra al piano).

I prodotti mancanti di un metile (18 o 19) vengono detti nor-steroidi. Il colesterolo

possiede 8C chirali (C3, C8, C9, C10, C13, C14, C17, C20) che rendono possibili 256

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isomeri (2 ).

Lo steroide è formato dai cicloesani e pentani, la conformazione di un esano può

essere a barca o a sedia. Gli anelli A, B e C sono in configurazione a

sedia, invece il ciclopentano è a busta. → il

piano è identificato dal cicloesano e

scrivendolo a sedia. Il C3 è dato da H α e OH β.

I metili sono in β → quando ci sono due

cicloesani anellati tra loro si definisce

anellazione CIS o TRANS.

DEFINIRE L’ANELLAZIONE: il C5 porta il doppio legame, il metile

19 è sopra il piano. La giunzione A e B → non è facile capire il tipo

di anellazione (non definibile).

B e C → anellati da C8 (sopra il piano) e C9 (sotto al piano) =

l’anellazione è TRANS.

C e D → c’è un metile 18 (sta sopra perché tutto pieno), invece H14 è sotto al piano =

anellazione TRANS.

La giunzione CIS/TRANS impatta moltissimo la struttura tridimensionale. La

caratteristica di questi ormoni steroidei è l’ESSERE PLANARI. La planarità per queste

molecole è fondamentale.

I batteri dell’intestino possono saturare il doppio legame e idrolizzarlo → l’H va in β

sopra. L’idrogenazione del C5 determina due

prodotti diversi: α-colestano se l’H

va in α (o colestanolo) e β-colestano

se l’H va in β (o coprostanolo).

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Il β-colestano è il prodotto del metabolismo intestinale del colesterolo; lo trasforma in

un derivato che ha l’anellazione tra A

e B in configurazione CIS. Quindi

quando è un prodotto di degradazione

e va eliminato viene trasformato in

trans. È dunque una molecola

completamente diversa dal

colesterolo originale.

L’anellazione permette di mantenere la configurazione degli steroidi.

Non è importante la chiralità tra α e β. L’anellazione tipica del colesterolo

viene mantenuta da tutti gli steroidi,

invece i glicosidi cardioattivi sono cis

sia tra A/B che C/D, per questo non

può riconoscere il recettore degli

steroidi perché non riesce ad entrare

(seppure abbia anch’esso uno

steroide). Gli androgeni sono trans tra

A/B, invece gli estrogeni hanno il

doppio legame.

ORMONI SESSUALI STEROIDEI

Si differenziano per il numero di

ESTRANO

 C (gli steroidi hanno un nucleo di

ANDROSTANO

 18C).

PREGNANO

 ESTROGENI: hanno solo il metile 18 (senza il metile in posizione 19) e hanno 18

 atomi di C

ANDROGENI: hanno 19 atomi di C

 PROGESTINICI: hanno 21 atomi di C e presentano una complessità chimica

 maggiore

ESTRADIOLO

La terminazione ci ricorda che è un DIOLO.

L’OH in 3 non si definisce α o β perché l’anello A è aromatico (e l’estradiolo è l’unico

degli ormoni sessuali ad avere questa caratteristica). I sostituenti dell’anello aromatico

sono sullo stesso piano → ne α ne β.

Struttura dell’estrano con 2 OH in più. L’OH in 17 è β.

1,3,5(10) estratrien-3,17(β)-diolo

Il nome è: Tratto pieno

Perché il doppio 3 inserzioni

legame può nell’anello A (perché

andare anche aromatico) 5

qui

ALDOSTERONE

In C3 è presento un chetone α,β-insaturo (il doppio

legame è tra 4 e 5) e lo capiamo perché il nome termina

per -one.

In 17 c’è un OH in β → derivato dell’androstano = 18C

17-β-idrossi-androst-4-en-3-one

Il nome è: Il doppio legame può andare solo

qui

PROGESTERONE

Terminando per -one capiamo che è un CHETONE. I

chetoni sono due: uno in posizione C3 ed uno in posizione

C20.

Il nucleo di base è il pregnano che presenta un doppio

legame in posizione 4.

pregn-4-en-3,20-dione

Il nome è:

Il colesterolo è la molecola da cui derivano tutti gli ormoni steroidei.

5β-androstano 5α-androstano

Nel primo caso abbiamo un’anellazione di tipo CIS (ripiegata), mentre nel secondo

caso abbiamo un’anellazione TRANS (planare).

Gli ormoni sono implicati in diverse patologie.

Coinvolge anche il colesterolo perché è il precursore di tutte le altre ed è il colesterolo

che viene sintetizzato nell’organismo.

Biosintesi

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1° fase: biosintesi del COLESTEROLO (poiché essendo il precursore, poi a cascata si

hanno tutti gli altri ormoni) che deriva dall’acetato che presenta 2 atomi di carbonio.

Quindi servono molti passaggi per arrivare al colesterolo che presenta 27C.

I farmaci che bloccano la biosintesi del colesterolo sono IPOLIPIDEMIZZANTI

(abbassano la concentrazione ematica di lipidi, tra cui anche il colesterolo). Si può

avere una diminuzione dei livelli ematici di colesterolo e si può inoltre ridurre la

biosintesi degli altri ormoni. Una volta sintetizzato, il colesterolo è presente nelle cellule

bersaglio immagazzinato in vescicole sotto forma di estere

(esterificato con un acido). Questi esteri del colesterolo

devono essere processati dagli enzimi esterasi (ripristinano

il colesterolo), che mediano l’idrolisi del legame estereo

formando un acido e un alcol.

L’ormone LH è l’ormone luteinizzante che come effetto ha

la produzione degli ormoni. LH agisce attivando le esterasi

che vanno ad agire sulla liberazione del colesterolo dai suoi esteri.

2° fase: ORMONI

Quindi il colesterolo, nella sua forma libera, presenta una catena laterale molto lunga

che viene rotta da enzimi a livello dei mitocondri. Si forma quindi l’intermedio comune

per la sintesi dei 3 ormoni sessuali, un derivato

del pregnano che prende il nome di

PREGNENOLONE (21 atomi di C).

Dai 27C del colesterolo si deve arrivare ad

avere i 21 C del pregnenolone.

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Gli enzimi trasformano il colesterolo in un diolo ed in seguito si riesce ad ottenere il

pregnenolone.

Il pregnenolone ha il gruppo chetonico sulla catena laterale in C17, ha l’OH in C3 ed il

doppio legame in posizione 5-6. Da questa struttura si otterranno tutti gli ormoni

steroidei sessuali, ma anche i corticosteroidi. Nonché anche tanti bersagli di farmaci.

Meccanismo d’azione → induzione sintesi proteica

L’ipotalamo produce i fattori di rilascio (CRF, LHRF, FSHRF...) che stimolano, da parte

dell’ipofisi, la produzione degli ormoni (FSH, LH, ACTH…). Questi ormoni vanno a livello

degli organi secretori quali ovaie, testicoli, corteccia surrenale, placenta… Le cellule

bersaglio producono una risposta che può andare ad agire sulla spermatogenesi, sulla

maturazione del follicolo, sulla crescita dell’endometrio o sui caratteri sessuali

secondari.

L’ormone viene secreto nel sangue per arrivare agli organi bersaglio. Nel sangue si

trova legato a proteine di trasporto specifiche perché è una molecola lipofila.

In linea di principio si può bloccare questa linea in ogni punto e quindi questi possono

essere bersagli di farmaci. In realtà, i farmaci vanno soprattutto a livello dei recettori,

che sono intracellulari e si trovano legati alle HSP. Il legame del ligando fa rilasciare le

HSP ed il complesso farmaco-recettore dimerizza, va nel nucleo passando attraverso il

poro. A questo punto la farmacologia è tripartita, quindi bisogna pensare ad un

complesso fatto da tre partner: ligando-recettore-coattivatore/corepressore. Se c’è il

coattivatore si attiva l’RNApolimerasi e si ha la trascrizione.

ESTROGENI

E1 = estrone, E2 = estradiolo, E3 = estriolo rappresentano gli ormoni naturali. Nel

1929 queste molecole sono state caratterizzate. Tutti questi riconoscono il recettore

ed è per questo che si parla di pool.

ESTRADIOLO

L’ (CH è dritto tratteggiato): è un

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ormone che presenta l’anello A aromatico (è un estere

atriene). ESTRONE

L’ è l’analogo dell’estradiolo che in posizione

C17 porta il corrispondente chetone.

ESTRIOLO

L’ è un triolo. 8

Queste forme possono essere convertite l’una nell’altra con opportuni enzimi. Da

estrone a estradiolo si ha una riduzione (chetone-alcol) che utilizza una riduttasi. Da

alcol a chetone, quindi da estradiolo a estrone, si ha una ossidazione che utilizza una

ossidasi. Da estradiolo a estriolo si inserisce un OH e si utilizza l’enzima idrossilasi.

Altre due molecole che hanno attività estrogenica con origine animale sono: EQUILINA

ed EQUILENINA, sono state ottenute dall’urina di cavallo. Portano sempre l’OH in C3 ed

il chetone in C17 o il diolo.

L’EQUILINA presenta un’insaturazione sull’anello B

L’EQUILENINA presenta due insaturazioni

sull’anello B.

L’equilenina è planare

Queste strutture differiscono per la presenza di insaturazioni e le insaturazioni portano

ad avere una molecola planare. Hanno due sostituenti ossidrilati, sono lipofile.

Questi ormoni erano presenti nelle urine dopo essere stati processati dagli enzimi di

fase II (aumentare la solubilità) e quindi si trovano sotto forma di solfato (equilina

solfato ed equilenina solfato). Per questo sono chiamati ormoni estrogeni coniugati.

La forma solfato non è la forma attiva infatti, agiscono delle solfatasi che rilasciano gli

estrogeni attivi.

Azioni fisiologiche:

Inducono l’estro in numerose specie animali

 Presiedono al corretto sviluppo dei caratteri sessuali femminili

 Stimolano la crescita del follicolo e dell’endometrio

 Azione protettiva sull’apparato cardiovascolare

 Modulano il turn-over del tessuto osseo

 Azione centrale protettiva nei confronti della proteina beta-mieloide che è

 coinvolta nella patogenesi dell’Alzheimer

Azioni terapeutiche:

Terapia sostitutiva = quando si ha una scarsità di produzione di questi ormoni si

 può fare una terapia sostitutiva dall’esterno (con un farmaco). Utile ad esempio

in caso di menopausa dove non si ha più la produzione di questi ormoni che

determinano situazi