Fondamenti di chimica farmaceutica

Fondamenti di chimica farmaceutica

Il farmaco e le sue interazioni

Un farmaco è una sostanza che interagisce con un sistema biologico producendo una risposta biologica. Sia la morfina (→ analgesico) che il cianuro (→ morte) sono farmaci perché entrambi danno una risposta biologica, ovviamente le due risposte sono diverse. Il farmaco che intendiamo noi è qualcosa di "utile", ma non è così semplice: la morfina e il curaro, per esempio, hanno due effetti biologici che, in base alla dose, possono essere "utili", sia letali.

Quando si assume un farmaco bisogna considerarne la:

• Tolleranza: quando si prende un farmaco, per avere un effetto terapeutico e per mantenerlo tale si deve continuamente aumentare la dose.
• Dipendenza: ad esempio, una persona ha un certo livello di malattia e ha bisogno di una terapia, infatti per alzare il suo livello di salute dal livello a cui è per portarlo ad uno più alto, questa assume una certa dose di farmaco. Se smette di prendere questo farmaco, non ritorna allo stato in cui era prima di prendere il farmaco, ma torna ad uno stato peggiore.
• Tossicità: si può misurare in termini di "indice terapeutico". Questo è il rapporto tra la dose tossica (determina effetto letale nel 50% degli animali) e la dose benefica (dose che determina l’effetto terapeutico nel 50% dei pazienti). La sicurezza di una sostanza è tanto maggiore quando più alto è questo valore.

- Tossicità acuta: se si assume quella sostanza, il soggetto muore nel giro di poco (a breve termine). L’indice terapeutico riguarda questo tipo di tossicità.

- Tossicità cronica: (a lungo termine).

- Tossicità selettiva: è tossica per un individuo ma non per un altro (es. penicillina è tossica per i batteri ma non per gli uomini, infatti tutti gli antibiotici hanno questo tipo di tossicità).

Interazione del farmaco con il bersaglio

Con che cosa va a interagire il farmaco al fine di esplicare la sua azione terapeutica? Il tipo di bersaglio dipende dalla disciplina che sta studiando questo farmaco (dipende dal tipo di esperimento): a livello biologico il target è la cellula; a livello macromolecolare i target sono le proteine (enzimi, recettori, proteine di trasporto) e gli acidi nucleici (RNA e DNA).

Per spiegare l’interazione farmaco-recettore, ci si avvale dell’ipotesi "chiave-serratura" (selettività): un farmaco è più o meno specifico per un certo bersaglio, esattamente come la chiave è specifica per una certa serratura. Il bersaglio (proteina) ha una struttura molto complessa perché ha un peso molecolare molto elevato, ha un sito di legame in cui si lega il farmaco. Il farmaco, generalmente è una molecola piccola, si lega alla proteina, ma non tutti i gruppi del farmaco prenderanno parte all’interazione (quelli che partecipano vengono detti gruppi di legame).

Ma quest’ipotesi ha un limite: descrive entrambe le molecole (bersaglio e ligando) come molecole rigide. In realtà le proteine possono cambiare la propria struttura e quindi perdere la loro attività biologica (struttura fissa, non rigida). Per questo motivo siamo giunti all’ipotesi dell’“adattamento indotto”, in cui ligando e recettore possono cambiare (nei limiti) la loro conformazione in modo tale da adattarsi.

Progettazione del farmaco

Nella progettazione del farmaco bisogna considerare due aspetti:

• Farmacodinamica: si occupa di studiare l’interazione farmaco-recettore, ovvero cerca di ottimizzare l’interazione in modo tale che questa interazione sia la migliore e più forte possibile.
• Farmacocinetica: studia l’ADME del farmaco, ovvero studia tutti quegli aspetti che determinano l’efficienza in cui quel farmaco arriva sul bersaglio e quanto tempo ci rimane. Questo perché il farmaco viene assunto da un organismo vivente e deve arrivare sul bersaglio attraverso l’Assorbimento dal circolo sanguigno (con tutta una serie di problemi legati a questo), la Distribuzione, il Metabolismo (con le reazioni che trasformano il farmaco, ovvero ad eliminarlo), fino all’Escrezione (attraverso le vie urinarie).

Interazioni ligando-recettore

Generalmente il tipo di interazione è non-covalente, difficilmente il farmaco interagisce con il bersaglio attraverso legami di tipo covalente. Per ottenere questo tipo di interazioni è, ovviamente, necessario che il farmaco arrivi al bersaglio, in modo che il ligando riconosca il suo bersaglio tra tantissimi altri target scegliendone uno. Le forze principali sono:

• Elettrostatica: queste forze agiscono a lunga distanza, sono dominanti e controllano l’approccio preliminare del ligando al sito attivo. Il farmaco va verso il bersaglio.
• Legami a H: queste forze agiscono a media distanza, quando il farmaco si è avvicinato in maniera significativa. Queste forze sono direzionali, ovvero il massimo dell’interazione si ha quando hanno una geometria precisa: il legame ad H è particolarmente forte quando il doppietto è localizzato (ovvero quando si trova in un orbitale ibrido), quindi quando sono sulla stessa linea si ha il massimo di stabilità del legame idrogeno, che tende ad orientare, appunto, gli orbitali. I migliori accettori del legame H sono quelle molecole caricate negativamente (gruppi COOH e fosfati); gli accettori moderati sono ibridizzati in maniera da avere il doppietto in orbitale ibrido (come alcol, eteri, ammine, chetoni, estere o ammide) in cui si sfruttano quelli dell’O; gli accettori deboli sono quelli con doppietti delocalizzati (specie con legami coniugati) o in quelle specie nelle quali non c’è molta differenza di elettronegatività (specie con S, F, Cl).
• Interazioni idrofobiche: sono quelle interazioni che chiamiamo Van der Waals e avvengono a basse distanze. Quando si ha la formazione di legami H, prima che il ligando e recettore si leghino, le molecole sono solvatate e quindi, prima di formare legami H si deve utilizzare l’energia per spezzare i legami che hanno con l’acqua. Quando avviene l’interazione idrofobica si ha la desolvatazione che, stavolta, non richiede granché energia perché l’acqua interagisce poco con una specie non polare: l’acqua che si trova in vicinanza delle zone idrofobiche non ci interagisce tanto, ma reagisce con le altre molecole d’acqua determinando quindi la presenza di acqua strutturata (molecole di acqua legate in modo stabile tra di loro, non con il sito di legame del ligando). Quando si ha il legame, quest’acqua strutturata si destruttura e si libera, guadagnando entropia.

Test farmacologici

I dati principali della chimica farmaceutica sono i test farmacologici, biologici che si fanno, perché ciò che interessa alla molecola è sapere se questa funziona a livello farmacologico.

La suddivisione dei test farmacologici è sostanzialmente quella in vitro e vivo: il dato quantitativo a cui ci si riferisce è la dose (quantità di farmaco che occorre per determinare una risposta).

• Test in vivo: sono test su animali e su organismi viventi. Questi animali sono selezionati e modificati geneticamente simili all’organismo umano, infatti si verifica meglio l’effetto terapeutico del farmaco. La dose in questo caso è la quantità/kg di peso.
• Test in vitro: test in cui il bersaglio è isolato, il farmaco viene fatto interagire con la proteina (recettore) isolata. Sono i più precisi ma i più lontani per quanto riguarda l’effetto dell’organismo intero: ad esempio il test sulla cellula è meno preciso perché, somministrando il farmaco si vede quale effetto ha sulla cellula, ovvero la risposta cellulare (ci si avvicina all’esito del test in vivo) ma diventa difficile sapere su quale parte della cellula va ad agire quel farmaco. Successivamente si fa il test su tessuti/organi (test ex-vivo) isolati, ci si avvicina sempre di più alla verifica dell’efficacia del farmaco sull’intero organismo come in vivo. La dose, in questo caso, è la concentrazione.

Classificazione dei farmaci

Innanzitutto c’è da dire che i farmaci possono essere naturali (di natura minerale, animale e soprattutto vegetale), oppure possono essere sintetizzati in laboratorio.

I farmaci vengono classificati in base a quale sarà la via di somministrazione:

• In base all’effetto farmacologico: è una classificazione al tipo di malattia che vuole essere curata (anestetici, antidepressivi, anti asma etc..). Permettono di avere una panoramica di tutti i farmaci disponibili per una certa patologia e questo è molto utile al medico. Lo svantaggio è che per ottenere un certo effetto farmacologico ci possono essere vari meccanismi di azione, e quindi ci possono essere strutture chimiche totalmente differenti. È poco utile quindi al CTFino che non è interessato allo sviluppo del farmaco clinico, ma si preoccupa di trovare molecole che funzionino e individuare il target.
• In base al meccanismo di azione: ovvero quello che i farmaci determinano a livello biologico (es. inibitori della ricaptazione, della dopamina, della serotonina, il reuptake etc.). Ci sono dei farmaci che possono bloccare il reuptake del neurotrasmettitore che, quindi, resta nel vallo sinaptico per più tempo in modo tale che agisca. Il problema è che lo stesso meccanismo di azione può ottenersi attraverso l’interazione con bersagli differenti (non c’è un solo target). Questo tipo di classificazione serve alle persone che si occupano di fare test a livello cellulare (o addirittura ex-vivo su tessuti) e sono in grado di andare a verificare direttamente l’effetto farmacologico.
• In base al bersaglio molecolare: al CTFino interessa il target disponibile, e quindi utilizza questa classificazione. Il target diventa un sistema molecolare ben preciso e quindi si può parlare delle interazioni farmaco-recettore (poiché si conosce la struttura del farmaco e la struttura del recettore). Non è l’ideale, perché fa perdere di vista l’effetto farmacologico perché attraverso l’azione sullo stesso bersaglio si possono avere differenti effetti farmacologici.
• In base alla struttura chimica: è la più utile classificazione del CTFino sintetico, poiché ci sono sintesi dei farmaci molto complesse. Ma è la più lontana dalla classificazione sulla base dell’effetto farmacologico. Farmaci con la stessa struttura chimica e possono produrre risposte molto diverse (anche se generalmente non è così).
• Fatta dal sistema sanitario internazionale: è quella più utile al farmacista, che è basata sull’effetto farmacologico.

Nomenclatura dei farmaci

Generalmente segue la "storia" della molecola: si parte dal laboratorio di ricerca dove vengono sintetizzano i composti a cui verrà dato il nome IUPAC. Questa molecola viene poi testata e può essere interessante (perché ha una certa attività). A questo punto l’industria la brevetta e ne assegna un certo nome interno che è una sigla composta da alcune lettere e alcuni numeri dove le lettere identificano la ditta che ha fatto il composto (il produttore), e il numero la sequenza del principio attivo. La molecola comincia a diventare un farmaco, superando varie "prove" ovvero si sta testando in fase clinica; è quindi in fase di sviluppo e, a questo punto, gli viene dato un nome generico (ovvero il nome del principio attivo) in base alla struttura o alla classe di farmaci. Infine, se il farmaco viene approvato gli viene dato un nome proprietario, ovvero il nome che troviamo sulla confezione del farmaco. Dopo n anni scade il brevetto, e quindi altre ditte possono vendere quel farmaco, ma lo devono vendere con il nome generico, non con quello proprietario.

• Nome IUPAC: N- (4-idrossifenil) acetammide
• Nome interno: APRD-00252
• Nome generico: Paracetamolo
• Nome proprietario: Tachipirina

Il farmaco ideale

Il farmaco ideale deve essere curativo, non deve avere effetti collaterali (tossici) e deve essere somministrabile nella maniera più semplice possibile (via orale). Deve essere stabile metabolicamente (gli enzimi non devono disattivarlo subito), deve essere poco sensibile ai cambiamenti di pH, deve possedere una buona solubilità (ma non eccessiva), inoltre dovrebbe avere un sapore decente.

Storia del farmaco

È piuttosto lunga, dal momento in cui si inizia a pensare al farmaco fino a quando va in commercio possono passare anche parecchi anni (quasi 10). Questo è importante dal punto di vista economico perché la brevettatura viene fatta la prima possibile e dura 20 anni, questo protegge l’investimento dell’industria che lo ha fatto (perdendo però metà del tempo del brevetto).

Le principali fasi nel cammino del farmaco sono:

• Scoperta: la ricerca della molecola che abbia le caratteristiche necessarie per diventare un farmaco.
• Sviluppo: fase in cui si cerca di sapere se ciò che si è scoperto (arrivando al massimo ai test in vitro) è confermata da esperimenti in vivo e dai test clinici sui pazienti.
• Vendita: la parte "verde" che copre i costi della scoperta e sviluppo in industria. Per questo motivo i farmaci costano, perché è previsto un grosso investimento a cui non è previsto l’inizio del guadagno (ma solo coprire i costi della scoperta e sviluppo).

Un progetto in industria viene abbandonato (perdendo il brevetto) quando c’è una perdita di efficacia (funziona bene in vitro ma in vivo non funziona più; oppure funziona bene sugli animali ma sugli uomini no), tossicità rilevata sugli animali e anche gli effetti collaterali che non erano stati rilevati sugli animali ma rilevati nell’uso clinico su umani. Ci possono anche essere motivi commerciali in cui la ditta si accorge che il "gioco non vale la candela".

Bersagli dei farmaci: le proteine.

I bersagli dei farmaci sono, essenzialmente proteine, acidi nucleici e altre molecole.

Le proteine sono macromolecole più o meno grosse, con un numero di atomi che vanno da centinaia a migliaia. La grande varietà di proprietà funzionali delle proteine è dovuta alle loro strutture 3D: ogni proteina ha una struttura 3D unica che ne determina la funzione. Gli amminoacidi sono i mattoni da costruzione delle proteine. Ogni proteina è costruita da un set di 20 amminoacidi esistenti in natura.

La struttura delle proteine si può ricavare solo sperimentalmente (per lo più tramite cristallografia a raggi X) quelle risolte sono state archiviate e descritte in coordinate cartesiane degli amminoacidi.

Al carbonio si lega una catena R che varia per ogni amminoacido: se R è un H allora si ha la glicina. Per gli altri amminoacidi che hanno un R diverso si ha a che vedere con una chiralità ben precisa perché il carbonio sarà chirale.

In base alle loro proprietà chimiche e fisiche si possono distinguere in:

• Non polari (Glicina, Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Metionina)
• Polari non carichi (Serina, Prolina, Treonina, Cisteina, Asparagina, Glutammina)
• Aromatici (Fenilalanina, Tirosina, Triptofano)
• Carichi positivamente (Lisina, Istidina, Arginina)
• Carichi negativamente (Acido aspartico, Acido glutammico)

Quando diversi amminoacidi si legano per formare proteine, formano un legame peptidico: è un legame tra l’ammide del gruppo amminico con il carbonio del gruppo carbossilico di un altro amminoacido. Hanno un certo ammontare di delocalizzazione, si può rappresentare il legame con due strutture di risonanza di cui la prima è la più importante (ma non si può trascurare la seconda). L’azoto ha ibridazione sp², quindi il legame ha una struttura planare e non c’è totale libera rotazione (si ha rotazione solo nei legami colorati).

Il fatto che sia planare non ci dà indicazioni precise su come sia orientata, ma ci sono strutture cis (con ingombro sterico) e strutture trans (quasi sempre favorita perché presenta meno repulsioni). La forma trans è favorita energicamente a causa della minor repulsione tra gli atomi R non legati. Per la Prolina la situazione è diversa perché la differenza sterica tra cis e trans è minima, infatti esistono entrambe le forme, inoltre l’ammina della prolina è secondaria, rimane con un solo H che si libera quando si forma il legame peptidico e quindi non può dare legami H. Per questi motivi la forma favorita della prolina è la forma cis.

Strutture delle proteine

• Struttura primaria: è data dalla sequenza degli amminoacidi che la compongono. Per rappresentare una proteina si utilizzano delle abbreviazioni di ogni singolo amminoacido. Proprietà fondamentale del legame peptidico è di essere rigido e planare, i soli gradi di libertà dell’unità peptidica rigida sono la rotazione intorno al legame N-C (angolo ϕ) e la rotazione intorno al legame C-C (angolo ψ). A ciascun amminoacido viene associata una coppia di angoli diedri (ϕ, ψ) che determina in modo univoco la conformazione della catena principale. Molte combinazioni di angoli (ϕ, ψ) per gli amminoacidi non sono permesse, a causa delle collisioni steriche fra atomi della catena principale, ma quelle permesse per gli amminoacidi sono riportate in un diagramma chiamato plot di Ramachandran: le zone blu sono quelle permesse (allowed), le zone celesti indicano le conformazioni comunque possibili (semi-allowed) mentre le zone bianche sono le conformazioni proibite (no allowed). Unica eccezione è la glicina che, essendo l’unico amminoacido simmetrico, può occupare più spazio.