Chimica farmaceutica I

Chimica farmaceutica I

Basi delle principali classi di biomolecole

Prima di affrontare lo studio di questa materia è necessario verificare le conoscenze delle principali classi di biomolecole.

• Amminoacidi, peptidi, proteine

Tutti gli amminoacidi differiscono per il gruppo -R. In base ai gruppi -R, possiamo suddividere i 20 amminoacidi proteici in diversi gruppi. Essi hanno -R costituiti essenzialmente da atomi di carbonio; di conseguenza, daranno interazioni idrofobiche (perché in ambiente biologico l’acqua stabilizza il legame e dunque in questo caso non si parla di forze di van der Waals).

• Gli amminoacidi con il gruppo COO (acido) sono carichi negativamente (es. acido aspartico e glutammico) e daranno principalmente legami ionici a pH fisiologico 7,4. Sono acidi.
• Abbiamo gli amminoacidi carichi positivamente, tra cui arginina, lisina basica; l’istidina è definita con catena laterale debolmente basica.
• La cisteina e la metionina sono accomunate dall’atomo di zolfo. La cisteina ha, in particolare, carattere di nucleofilia e può dare legame solforico con l’-SH.

Abbiamo amminoacidi che presentano il gruppo -R con gruppi -OH (serina, treonina, tirosina): l’-OH è nucleofilo, quindi rende la molecola più reattiva verso l’H₂O o molecole che possono donare/ricevere legame idrogeno.

L’asparagina e la glutammina sono amminoacidi con un gruppo ammidico (-CONH₂) e sono il derivato ammidico dell’acido aspartico e glutammico. Sono polari, né acidi né basici, che possono dare legame idrogeno.

• Abbiamo gli amminoacidi aromatici (tirosina, fenilalanina, triptofano).

La prolina è l’unico amminoacido in cui la catena -R forma un ciclo tetraidropirrolico con il gruppo amminico α. Infine, abbiamo la glicina, unico amminoacido che non ha un centro chirale.

Gli amminoacidi possono aiutarci a ricordare la struttura dei neurotrasmettitori, essendo dei bioprecursori o loro stessi. L’acido γ-amminobutirrico deriva dall’acido glutammico per decarbossilazione; l’acetilcolina deriva dalla serina per decarbossilazione; la noradrenalina e la dopamina derivano dalla tirosina; la serotonina deriva dal triptofano per decarbossilazione.

Gli amminoacidi si legano tra di loro tramite legame peptidico, in seguito alla reazione tra il gruppo -COOH di un amminoacido con il gruppo -NH di un altro con l’eliminazione di una molecola di H₂O. Tale struttura ha un carattere di parziale doppio legame e diplanare.

Gli amminoacidi possono poi organizzarsi in strutture secondarie di diverso tipo, generalmente α-elica e foglietto β. Successivamente avremo la struttura terziaria, determinata dai gruppi -R. In certi casi, la proteina può assumere una struttura quaternaria (es. emoglobina).

N.B.: se prevale la struttura a foglietto β si parla di prioni. Le proteine prioniche si associano tramite interazioni idrofobiche formando degli agglomerati insolubili che precipitano e causano danni neuronali; non vengono digerite e sono termoresistenti. Le proteine prioniche portano alla conversione di proteine normali in proteine anormali, aumentando così la % di foglietto β.

• Fosfolipidi

Derivano dall’esterificazione del glicerolo in C1 e C2 con acidi grassi e in C3 con un gruppo fosfato. Al gruppo fosfato può legarsi un ulteriore gruppo (colina, etanolammina, serina, inositolo-trifosfato). Generalmente, in C1 abbiamo un acido grasso insaturo e in C2 saturo. Conoscere i fosfolipidi è di fondamentale importanza per comprendere il rilascio di acido arachidonico dalla membrana cellulare, dal quale si ottengono gli eicosanoidi.

• Zuccheri

Gli zuccheri sono poliidrossialdeidi e poliidrossichetoni. Tra gli zuccheri più importanti ricordiamo il glucosio, il ribosio e il 2-deossiribosio. Il glucosio è uno zucchero a 6 atomi di carbonio, mentre il ribosio e il deossiribosio ne hanno 5. Ribosio e deossiribosio differiscono per l’OH: nel ribosio è presente sia in posizione 3 che 2, mentre nel deossiribosio solo in posizione 2. L’assenza del gruppo OH in posizione 3 nel deossiribosio fa sì che questo sia più stabile e meno reattivo (infatti è presente nel DNA).

• Basi, nucleosidi, nucleotidi e DNA

Le basi azotate si suddividono in puriniche (adenina e guanina) e pirimidiniche (citosina, uracile e timina). Possono legarsi al C1 del ribosio/deossiribosio tramite legame glicosidico, formando i nucleosidi. Al C5 dello zucchero possono legarsi dei gruppi fosfato, formando i nucleotidi (mono, di e trifosfato).

N.B.: il DNA è molto più stabile e meno reattivo dell’RNA in quanto non presenta il gruppo -OH al C2.

• Vitamine

Incontreremo soprattutto il piridossalfosfato (vit B₆), cofattore di diverse decarbossilazioni e di transaminasi. L’acido nicotinico è il precursore della nicotinamide (forma attiva della vit B₆), componente di NAD e NADP.

Generalità e scoperta dei farmaci

Il farmaco nella sua definizione etimologica è un veleno somministrato a dosi non velenose (Paracelso). Ricordiamo che l’effetto collaterale è quello che si sviluppa a dosi terapeutiche, mentre l’effetto tossico si sviluppa oltre la dose terapeutica. Secondo la definizione dell’OMS, un farmaco è una sostanza in grado di influenzare i processi fisiologici o patologici di un organismo vivente e può essere di origine naturale (animale, vegetale, minerali), semisintetica o sintetica.

I farmaci sono somministrati per diversi scopi:

• A scopo diagnostico, come ad esempio le sostanze radioattive per evidenziare noduli tumorali.
• Per prevenire e trattare condizioni patologiche.
• Per ripristinare/migliorare condizioni fisiologiche.
• Abolire sensazioni di dolore fisico e sofferenza psichica.

I prodotti farmaceutici potenzialmente utili per trattare delle malattie rare sono definiti farmaci orfani; per malattia rara s’intende una patologia che colpisce non più di 5 persone su 10 mila. I farmaci orfani, però, non hanno un mercato sufficiente a ripagare le spese del loro sviluppo, essendo destinato a pochi pazienti.

Esistono due tipologie di farmaci:

• Farmaci chimici/small drugs, venduti in farmacia, con struttura molecolare semplice e con peso molecolare <500 dalton. Sono molecole stabili, quindi non presentano delle scadenze troppo strette, e la cui purezza qualitativa è indipendente dal processo sintetico. Possono essere immunogenici, anche se in generale non lo sono.
• Farmaci biologici/biotecnologici, molecole più complesse che hanno utilizzo principalmente ospedaliero; generalmente non vengono venduti in farmacia. Derivano da colture di cellule viventi, sono instabili e sensibili alle condizioni estreme e sono principalmente immunogenici (capaci di stimolare le reazioni immunitarie di un organismo) essendo costituiti principalmente da proteine estratte da tessuti estranei. Alcuni esempi sono immunoglobuline, anticorpi monoclonali, vaccini, ormoni proteici ricombinanti.

I farmaci possono essere utilizzati:

• Come trattamento sostitutivo (insulina, corticosteroidi, ormoni tiroidei) nel momento in cui il soggetto non è in grado di sintetizzare determinate sostanze.
• Per combattere le cause delle patologie, come gli antibiotici, gli antifunginei e gli antivirali. Non sempre è possibile eliminare le cause tramite i farmaci.
• Per correggere i sintomi utilizzando, ad esempio, gli antiinfiammatori.
• Per la prevenzione, come i vaccini.

L’azione dei farmaci può essere locale o sistemica, diretta o indiretta. L’azione locale riguarda i farmaci che hanno effetto dove vengono applicati (es. ungenti), mentre l’azione sistemica riguarda i farmaci che devono raggiungere la sede anatomica dove è presente il bersaglio tramite la via ematica. L’azione diretta è quando è rivolta all’organo da curare, mentre l’azione indiretta ha lo scopo di provocare un miglioramento che favorisce la cura dell’organo; per esempio, un antipertensivo agisce sui vasi e non direttamente sul cuore ma, potendo modulare la pressione ematica, preserva vari organi. Ovviamente un farmaco utilizzato ad azione locale può essere assorbito e dar luogo ad un’azione sistemica.

Scoperta e progettazione dei farmaci

In passato, i farmaci consistevano in prodotti naturali e si prediligeva la medicina tradizionale. Oggi, quando si vuol progettare un farmaco, si cerca di progettarlo razionalmente: capire quali sono i processi biochimici alla base della patologia, conoscere ed individuare i target e il ligando, etc. Un metodo utilizzato per individuare i ligandi è il high throughput screening, che consente di individuare diverse molecole attive (già sintetizzate) su un determinato target.

In certi casi, si parla di scoperta per serendipity (colpa di fortuna). Ad esempio, si possono scoprire dei farmaci andando ad osservare gli effetti collaterali: è quello che è successo con il sildenafil (Viagra), inizialmente studiato per il trattamento dell’angina pectoris ma che, tra gli effetti collaterali, provocava l’erezione del pene. Oppure si può osservare l’effetto dei metaboliti attivi.

Quindi, il punto fondamentale nella progettazione dei farmaci è l’individuazione del target. Fino ai primi anni 2000 si pensava che i possibili target farmacologici fossero solo 500. Grazie al progetto genoma son state individuate oltre 17mila proteine nel proteoma che possono fungere da potenziali target. Gli effettivi target individuati sono 7610 e le sostanze che possono interagirci sono circa 11mila, di cui 2,5 mila small molecule approvate e 900 farmaci biotecnologici approvati.

Per la scoperta e la progettazione di un farmaco si parte dal composto guida/di partenza, ovvero dalle lead. È il primo composto che dimostra di avere una certa attività sul target. Si chiama lead poiché non sempre è il composto definitivo ma viene sottoposto a manipolazione molecolare e a studi farmacologici in vitro, per poi arrivare alla struttura ottimizzata. Quest’ultima viene prima testata sugli animali e sottoposta a diversi test per poi arrivare alla sperimentazione clinica sull’essere umano.

Per valutare se la molecola è efficace e non arreca danni alla salute è necessario effettuare prima degli studi in vitro, ovvero su linee cellulari, tessuti o organi isolati che presentino il target interessato. Se il target è un enzima, è possibile effettuare il test in vitro anche sull’enzima singolo in soluzione.

Dagli studi in vitro, si passa agli studi in vivo prima sugli animali e dopodiché sull’uomo. Esistono anche studi ex vivo, in cui si somministra il farmaco all’animale vivo e, per vederne l’effetto, bisogna uccidere l’animale.

Prima di effettuare gli studi clinici è necessario assicurarsi che la molecola non dia effetti teratogeni (es. talidomide), cardiotossici (es. terfenadina), che sia chimicamente stabile (per la conservazione); bisogna anche considerare la solubilità in base alla forma farmacologica.

I requisiti essenziali di una sostanza candidata a divenire farmaco sono la potenza, l’efficacia e la selettività già in vitro. Inoltre, deve avere, oltre che questi requisiti in vivo, anche un’adeguata farmacocinetica e non deve presentare tossicità a dosi terapeutiche.

Sperimentazione clinica

La sperimentazione clinica sull’essere umano è articolata in quattro fasi:

• Fase I: si testa il farmaco su un gruppo di soggetti sani (o malati terminali) con lo scopo di misurare la sicurezza, la tollerabilità e la farmacocinetica e ha lo scopo di trovare la dose appropriata per uno terapeutico.
• Fasi II e III: si testa l’efficacia su soggetti che manifestano la patologia; si effettuano test randomizzati, in doppio cieco e con placebo. In generale, nella fase III si effettuano test multicentrici.
• Fase IV: si attua dopo la messa in vendita del farmaco e ha il compito di osservare la sicurezza del farmaco. Effetti pericolosi scoperti nella fase IV possono comportare il ritiro dal commercio del farmaco o la restrizione dell’utilizzo (es. rofecoxib).

Quindi, si parte da circa 50 mila composti possibili, si arriva a una 20ina di lead ed infine avremo circa una 10ina di candidati per poi arrivare al nostro farmaco. La spesa supera i 2 miliardi.

N.B.: è fondamentale capire la differenza tra in vitro e in vivo. In vitro si valuta l’interazione recettoriale e l’effetto del farmaco sul recettore e queste dipenderanno esclusivamente dalla farmacodinamica. In vivo l’interazione e l’effetto dipenderanno anche dalla farmacocinetica (ADME). Ad esempio, una sostanza può risultare inattiva in vitro ma risultare efficace in vivo in seguito a biotrasformazione, come accade per i profarmaci.

Principali target molecolari e attività dei farmaci

Abbiamo due tipologie di farmaci:

• Farmaci ad azione specifica: l’attività del farmaco deriva da interazioni specifiche tra farmaco e un particolare bersaglio biologico. I farmaci ad azione specifica inducono degli effetti reversibili e la durata dell’effetto dipenderà dalla tipologia dell’interazione tra il farmaco e il bersaglio. Quando si parla di azione specifica del farmaco s’intende, generalmente, che si lega a sistemi effettori (recettori, enzimi) ma esistono anche siti recettoriali non accoppiati a sistemi effettori, come le proteine plasmatiche.
• Farmaci ad azione aspecifica: svolge l’azione terapeutica senza interagire con specifici recettori. Esempi: antiacidi, gastroprotettori, antisettici e antidoti ai metalli pesanti.

I farmaci ad azione specifica potranno legarsi a diverse tipologie di target. I principali sono i recettori cellulari (nucleari) o di membrana (prot. G, canali ionici, etc), gli enzimi, trasportatori, DNA e RNA; esistono anche dei farmaci, come il paracetamolo, che presentano un meccanismo sconosciuto e quindi non si sa esattamente quale sia il suo target.

Recettori

I recettori sono proteine transmembrana o intracellulari le quali, in seguito all’interazione con un ligando, inducono o inibiscono delle risposte cellulari. Essendo proteine, presentano isoforme strutturali (somiglianze nella sequenza amminoacidica). Le diverse isoforme potranno essere attivate da uno stesso ligando, esogeno o endogeno; ad esempio, l’acetilcolina interagisce sia con i recettori muscarinici M₁ che M₂. Comunque sia, ciascun sottotipo recettoriale, a seconda della distribuzione tissutale, potrà mediare risposte fisiologiche diverse.

I farmaci, nel momento in cui interagiscono con i recettori, possono comportarsi da agonisti (aumentando l’attività del recettore), da antagonisti (mantenendo l’attività basale, senza aumentarla o diminuirla) o da agonisti inversi (abbassando parzialmente o totalmente l’attività del recettore). Si può modificare l’attività del recettore anche in maniera indiretta, andando ad agire non tanto sul recettore stesso ma sul suo ligando endogeno. Ad esempio, per aumentare la trasmissione dopaminergica possiamo agire in diversi modi: aumentando la sintesi del ligando endogeno (dopamina), aumentando il rilascio, diminuendo il reuptake, bloccando il metabolismo o utilizzando degli agonisti dopaminergici.

I recettori vengono suddivisi in 4 famiglie:

• Recettori accoppiati a proteine G (GPCRs);
• Canali ionici, ligando dipendenti o voltaggio dipendenti;
• Recettori tirosina chinasici o catalitici (insulina, fattori di crescita), recettori accoppiati ad enzimi (interferone, epo);
• Recettori nucleari o fattori di trascrizione.

I recettori accoppiati a proteine G e i recettori canale mediano delle risposte rapide, mentre i recettori nucleari/fattori di trascrizione mediano delle risposte lente. Capiamo quindi che, se utilizziamo un farmaco attivo su un recettore nucleare, tra la sospensione del trattamento farmacologico e il ritorno dell’attività basale passerà un po’ di tempo.

I GPCRs sono costituiti da vari domini idrofobici costituiti da 7 α-eliche idrofobiche che attraversano la membrana. La regione extracellulare della proteina è composta da un dominio N-terminale e 3 anse che contengono il sito di legame; il dominio C-terminale è localizzato nell'ambiente intracellulare con 3 anse intracellulari. I domini intracellulari includono il sito di riconoscimento per la proteina G, la quale si lega solitamente alla terza ansa, ovvero quella che connette la quinta e la sesta elica.

Le proteine G presentano una struttura eterotrimerica le cui subunità sono denominate α, β e γ. L'attivazione del recettore porta ad una variazione conformazionale della proteina G che innesca il rilascio di guanosina difosfato (GDP) dalla subunità α, la quale viene rimpiazzata da una molecola di guanosina trifosfato (GTP). Il complesso α-GTP si dissocia dalle subunità β-γ e si lega ad un enzima effettore bersaglio, provocando l'attivazione o l’inibizione di ulteriori proteine. In un breve periodo di tempo, la subunità α catalizza la defosforilazione del GTP in GDP, che comporta quindi la riassociazione delle tre subunità e il ripristino della proteina G al suo stato inattivo.