Chimica Farmaceutica (Medicinal Chemistry) PDF

Chimica farmaceutica Chimica Farmaceutica (Medicinal Chemistry) SCOPO: Progettazione e/o scoperta e preparazione di sostanze che possano essere utilizzate in medicina per la prevenzione, il trattamento e la cura d...

Chimica farmaceutica Chimica Farmaceutica (Medicinal Chemistry) SCOPO: Progettazione e/o scoperta e preparazione di sostanze che possano essere utilizzate in medicina per la prevenzione, il trattamento e la cura di malattie umane e animali La Chimica Farmaceutica è una disciplina chimica, che coinvolge aspetti delle scienze biologiche, mediche e farmaceutiche. Essa riguarda l'invenzione, scoperta, disegno, identificazione e la preparazione di composti biologicamente attivi, lo studio del loro metabolismo, l'interpretazione della loro modalità di azione a livello molecolare e la costruzione di relazioni struttura-attività (SAR), il rapporto tra struttura chimica e attività farmacologica per una serie di composti. IUPAC Definition (International Union of Pure and Applied Chemistry) Introduzione  Chimica farmaceutica Chimica Farmaceutica (Medicinal Chemistry) MedChemComm, 2017 What is medicinal chemistry? – Demystifying a rapidly evolving discipline! By Selina Y. L. Holbrook and Sylvie Garneau-Tsodikova DOI: 10.1039/c7md90030a Introduzione  Chimica farmaceutica Farmaco sostanza sintetica o naturale con effetti benefici nella cura delle malattie, mediante un’azione chimica o fisica; sostanza, anche tossica, in grado di provocare determinate reazioni nell’organismo. Generalmente si intende una sostanza in grado di interagire in modo specifico con una macromolecola (bersaglio o target) avente una determinata funzione biologica in un organismo vivente. La macromolecola bersaglio è finalizzata al riconoscimento di determinati substrati naturali e il farmaco è in grado di determinare una modulazione (potenziamento o inibizione) delle usuali funzioni di tale componente macromolecolare. Farmaco interazioni chimico-fisiche con uno specifico bersaglio macromolecolare Effetto Modulazione di funzioni già esistenti Introduzione  Chimica farmaceutica Farmaco sostanza sintetica o naturale con effetti benefici nella cura delle malattie, mediante un’azione chimica o fisica; sostanza, anche tossica, in grado di provocare determinate reazioni nell’organismo. Generalmente si intende una sostanza in grado di interagire in modo specifico con una macromolecola (bersaglio o target) avente una determinata funzione biologica in un organismo vivente. Definizione di farmaco è molto utile, ma esclude di fatto quelle sostanze che non devono la loro attività farmacologica a una interazione specifica con un sistema macromolecolare. Esempio: associazione magnesio idrossido/alluminio idrossido, utilizzabile in tutte le forme di iperacidità gastrica, pirosi, gastralgie, ecc., per le sue proprietà basiche. Introduzione  Chimica farmaceutica Attività di un farmaco o Fase farmaceutica Disintegrazione della preparazione farmaceutica e successivo assorbimento del principio attivo o Fase farmacocinetica Assorbimento, distribuzione, metabolismo, escrezione o Fase farmacodinamica Interazioni farmaco/bersaglio o Effetto farmacologico Introduzione  Chimica farmaceutica Classificazione dei farmaci Origine: regno animale, vegetale, minerale, sintesi chimica, ingegneria genetica. Modalità d’azione: i) farmaci EZIOLOGICI, veri medicamenti (chemioterapici). Efficacia basata sulla TOSSICITÁ selettiva. Si possono includere in tale categoria anche le sostanze utilizzate a scopo preventivo (vaccinoterapia, anticoagulanti, antiossidanti). ii) farmaci SOSTITUTIVI che rimpiazzano una sostanza mancante (dieta à vitamine; disturbi fisiologici à insulina, estrogeni) iii) trattamenti SINTOMATICI (stati febbrili, dolore o sintomatologie più specifiche). Non CURANO la causa della malattia ma mitigano i sintomi e possono PROLUNGARE e/o MIGLIORARE la qualità della vita del paziente. Natura dell’infermità: malattie infettive, neoplasmi, malattie endocrine, malattie del sangue, disturbi mentali, malattie del sistema nervoso, del sistema circolatorio... Struttura chimica Introduzione  Chimica farmaceutica Tre fasi principali nella nascita di un farmaco Scoperta – ricerca e preparazione di nuovi composti attivi, generalmente indicati come lead compounds (origine naturale, sintesi organica, risorse biotecnologiche). Ottimizzazione – modifiche strutturali del lead compound per aumentare l’attività e la selettività, e di ridurre la tossicità. Le relazioni struttura-attività (SARs) vengono chiarite e analizzate. Sviluppo – processo di ottimizzazione sintetica per la produzione industriale della molecola attiva, modulazione delle proprietà farmacocinetiche e farmaceutiche per rendere adatto il prodotto all’uso clinico (formulazione). Introduzione  Chimica farmaceutica Identificazione di un lead compound Sostanze di origine naturale – spesso eredità del passato (infusi, sciroppi – digitale, cincona, ipecacuana; salice piangente) Scoperta casuale: SERENDIPITY Amplificazione degli effetti secondari Sintesi razionale Libraries combinatoriali Screening casuale o focalizzato Introduzione  Chimica farmaceutica “Storia” Sino agli anni ’60 Composti naturali (Digitale, chinina, morfina) Osservazioni cliniche (proniazide, warfarina) Serendipity (Penicillina, clordiazepossido) 1960 Relazioni struttura-attività (molti farmaci) Random screening (taxolo, camptotecina) 1980 Design razionale: N ligand based (cimetidine, enalapril) N H N protein based (HIV-1 PR inhibitors) N N HN 1995 N O ! High throughput screening – HTS (Gleevec) CombiChem Introduzione  Chimica farmaceutica Identificazione di un lead compound Sostanze di origine naturale – spesso eredità del passato (infusi, sciroppi – digitale, cincona, ipecacuana; salice piangente) Scoperta casuale: SERENDIPITY Amplificazione degli effetti secondari Sintesi razionale Libraries combinatoriali Screening casuale o focalizzato Introduzione  Chimica farmaceutica Sostanze di origine naturale Atropina, chinine, morfine, efedrina, digitossina, taxolo, digossina, artemisinina… O CH3 Origine vegetale H3C N H3CO N Animale NHCOCH3 Veleni, tossine O N N H3CO Microorganismi CH3 OCH3 Caffeina Colchicina O HO H OH OCH3 H N CH3 O H H N H HO CH3 N CH3 H3CO Efedrina HO Morfina Chinina PRO: strutture originali, già selezionate N CONTRO: necessità di identificare il composto attivo, struttura molto complessa, difficoltà sintetiche e di produzione Introduzione  Chimica farmaceutica Sostanze di origine naturale A second ascent of chemistry's Mt. Everest Journal of the American Chemical Society 2012 Danishefsky et al. PRO: strutture originali, già selezionate CONTRO: necessità di identificare il composto attivo, struttura molto complessa, difficoltà sintetiche e di produzione Introduzione  Chimica farmaceutica Identificazione di un lead compound Sostanze di origine naturale – spesso eredità del passato (infusi, sciroppi – digitale, cincona, ipecacuana; salice piangente) Scoperta casuale: SERENDIPITY Amplificazione degli effetti secondari Sintesi razionale Libraries combinatoriali Screening casuale o focalizzato Introduzione  Chimica farmaceutica Scoperta casuale Il caso favorisce la mente preparata (L. Pasteur) Capacità di notare, e sfruttare, l’inaspettato R H N S O N O COOH Penicillina: Pasteur 1878 /Fleming 1928 Introduzione  Chimica farmaceutica Scoperta casuale Antabuse: Bis(dietiltiocarbamoil) disulfuro usato come antiossidante nella produzione industriale della gomma. Contaminazione del cibo, inibizione della completa ossidazione dell’etanolo a livello epatico, con surplus di acetaldeide S S N N S Cl S N Clonidina: in origine agente vasocostrittore, è un Cl importante antiipertensivo HN NH Introduzione  Chimica farmaceutica Scoperta casuale H N CH3 N N Clordiazepossido: prima Cl benzodiazepina introdotta N CH3NH2 N Cl O Cl come ansiolitico, ottenuto da O un riarrangiamento chimico inaspettato CH3 Naftifina: antifungino che N CH3 N presenta attività con un meccanismo d’azione HO H completamente differente dai composti già noti Introduzione  Chimica farmaceutica Identificazione di un lead compound Sostanze di origine naturale – spesso eredità del passato (infusi, sciroppi – digitale, cincona, ipecacuana; salice piangente) Scoperta casuale: SERENDIPITY Amplificazione degli effetti secondari Sintesi razionale Libraries combinatoriali Screening casuale o focalizzato Introduzione  Chimica farmaceutica Amplificazione degli effetti secondari Interessanti effetti secondari à base delle osservazioni cliniche Prototipi di nuovi composti i cui effetti collaterali vengono sviluppati e dissociati dall’originale effetto farmacologico. Prometazina Clorpromazina (antiistaminico) (neurolettico) S S N Cl N N N Introduzione  Chimica farmaceutica Amplificazione degli effetti secondari O O Sulfanilamide H2N S Composti antibatterici con NHR effetti secondari di tipo diuretico e ipoglicemico O O Composto Tolbutamide S O HN ipoglicemizzante orale HN con struttura sulfanilamidica NH2 O S Diuretico tiadiazinico Clorotiazide O O O Cl S NH N Introduzione  Chimica farmaceutica Amplificazione degli effetti secondari O O Sulfanilamide H2N S NHR O O S O O NH Tolbutamide S O HN HN O HN NH2 O S NH2 O O O O O S O Clorotiazide O O Cl S S O NH Cl NH S N NH HN N O Introduzione  Chimica farmaceutica Identificazione di un lead compound Sostanze di origine naturale – spesso eredità del passato (infusi, sciroppi – digitale, cincona, ipecacuana; salice piangente) Scoperta casuale: SERENDIPITY Amplificazione degli effetti secondari Sintesi razionale Libraries combinatoriali Screening casuale o focalizzato Introduzione  Chimica farmaceutica Sintesi razionale Conoscenze fisiologiche, fisiopatolotiche, biochimiche, chimiche, e farmacologiche per ideare i lead compounds. i) Ligandi o modulatori naturali ii) Computer assisted design Ligando + Recettore LR EFFETTO i) Ligandi o modulatori naturali Struttura nota del ligando naturale del recettore (o del substrato naturale dell’enzima) Þ Composti con potenziale attività agonista o antagonista verso il recettore (o inibizione enzimatica). ii) Computer assisted design Introduzione  Chimica farmaceutica Computer assisted design STRUCTURE-BASED DRUG DESIGN Struttura del ligando: nota Struttura recettoriale 3D: nota Necessità di avere la struttura cristallografica della proteina. Questa viene utilizzata per inserire idealmente (computazionalmente) il ligando al fine di valutare le interazioni del complesso che si forma e stimare, sulla base della stabilità del complesso virtuale, quali composti possano presentare maggiore affinità per il target. Introduzione  Chimica farmaceutica Computer assisted design HOMOLOGY MODELING Struttura del ligando: nota Struttura recettoriale primaria: nota Basato sulla struttura primaria, la struttura terziaria del recettore viene ipotizzata, usando quali possibili riferimenti strutture di folding di proteine simili (OMOLOGIA DI STRUTTURA). Introduzione  Chimica farmaceutica Computer assisted design LIGAND-BASED DRUG DESIGN Struttura del ligando: nota Struttura recettoriale: sconosciuta Il modello del sito di binding è sviluppato usato come modello (stampo) la struttura nota dei ligandi. Introduzione  Chimica farmaceutica Identificazione di un lead compound Sostanze di origine naturale – spesso eredità del passato (infusi, sciroppi – digitale, cincona, ipecacuana; salice piangente) Scoperta casuale: SERENDIPITY Amplificazione degli effetti secondari Sintesi razionale Libraries combinatoriali Screening casuale o focalizzato (spesso basato su libraries) Introduzione  Chimica farmaceutica High-throughput screening - screening focalizzato Approccio conveniente con il perfezionamento e l’automatizzazione delle metodologie di screening Due modalità: Un composto molti saggi biologici Molti composti un saggio biologico Collezioni di prodotti Tecnica facile e veloce Es.: inibitori non nucleosidici della trascrittasi inversa 2-piridoni (Merk) TIBO (Janssen) Dipiridodiazepinoni (Boerhinger) Introduzione  Chimica farmaceutica Tre fasi principali nella nascita di un farmaco Scoperta – ricerca e preparazione di nuovi composti attivi, generalmente indicati come lead compounds (origine naturale, sintesi organica, risorse biotecnologiche). Ottimizzazione – modifiche strutturali del lead compound per aumentare l’attività e la selettività, e di ridurre la tossicità. Le relazioni struttura-attività (SARs) vengono chiarite e analizzate. Sviluppo – processo di ottimizzazione sintetica per la produzione industriale della molecola attiva, modulazione delle proprietà farmacocinetiche e farmaceutiche per rendere adatto il prodotto all’uso clinico (formulazione). Introduzione  Chimica farmaceutica Tre fasi principali nella nascita di un farmaco Scoperta – ricerca e preparazione di nuovi composti attivi, generalmente indicati come lead compounds (origine naturale, sintesi organica, risorse biotecnologiche). Ottimizzazione – modifiche strutturali del lead compound per aumentare l’attività e la selettività, e di ridurre la tossicità. Le relazioni struttura-attività (SARs) vengono chiarite e analizzate. Sviluppo – processo di ottimizzazione sintetica per la produzione industriale della molecola attiva, modulazione delle proprietà farmacocinetiche e farmaceutiche per rendere adatto il prodotto all’uso clinico (formulazione). Introduzione  Chimica farmaceutica Meccanismo d’azione dei farmaci (Attività relativa all’interazione con i sistemi macromolecolari) Farmaco à Interazione con macromolecole funzionali à Trasferimento delle informazioni dalla macromolecola alla cellula à Cascata di eventi biochimici à Risposta cellulare (Rilascio Ca2+ e contrazione delle miofibrille) Somma delle risposte cellulari nel tessuto funzionale à Risposta fisiologica (contrazione muscolare) Introduzione  Chimica farmaceutica Meccanismo d’azione dei farmaci Farmaco Farmaco/Bersaglio Introduzione  Chimica farmaceutica Caratteristiche generali dei farmaci Molecola Drug-like: Basso peso molecolare (più o meno) Opportuno rapporto idrofobico/idrofilico Gruppi funzionali Regola di Lipinski o del cinque Una molecola, per avere le caratteristiche di un farmaco (molecola drug-like), “deve” avere: MW < 500 Da logP < 5 < 5 donatori di legami H < 10 accettori di legami H Introduzione  Chimica farmaceutica Caratteristiche generali dei farmaci Rapporto idrofobicità/idrofilia adatto FARMACO Presenza di gruppi funzionali < 5 gruppi donatori di legami H < 10 gruppi accettori di legami H Scheletro, porzioni molecolari in grado di interagire con il bersaglio, caratteristiche di solubilità ottimali (porzioni che conferiscono la solubilità)…. Introduzione  Chimica farmaceutica Caratteristiche generali dei farmaci FARMACOFORO Arrangiamento 3D degli atomi, che permette le interazioni di binding il bersaglio desiderato TOSSICOFORO Arrangiamento 3D degli atomi, responsabile delle interazioni che possono portare a tossicità Introduzione  Chimica farmaceutica Caratteristiche generali dei farmaci METABOFORO Arrangiamento 3D degli atomi, responsabile delle proprietà metaboliche Tutte le altre parti della molecola sono BAGAGLIO MOLECOLARE Introduzione  Chimica farmaceutica Caratteristiche generali dei farmaci Introduzione  Chimica farmaceutica Target di farmaci Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Struttura cellulare Doppio strato fosfolipidico Cellule eucariote Nucleo: DNA I contenuti fluidi della cellula sono noti come citoplasma Citoplasma Le strutture sono dette organelli Nucleo I Mitocondri sono la “centrale energetica” delle cellule I Ribosomi sono i centri di produzione proteica Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci Lipidi Lipidi della membrana cellulare Carboidrati Carboidrati della superficie cellulare Antigeni e molecole di riconoscimento Acidi Nucleici DNA RNA Proteine Enzimi Proteine di trasporto Proteine strutturali (tubulina) Recettori Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci Bersagli farmacologici: macromolecole Farmaci: molecole generalmente molto più piccole dei loro bersagli Farmaci: interazione con il target mediante legame ai siti di legame del target stesso Siti di legame: tipicamente cavità idrofobiche o fessure sulla superficie di macromolecole Interazioni di legame: tipicamente legami intermolecolari In genere in equilibrio tra forma legata e non Gruppi funzionali del farmaco coinvolti nelle interazioni di legame (binding groups) Regioni specifiche all'interno del sito di legame coinvolte nelle interazioni di legame (regioni di binding) Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci Binding regions Farmaco Binding groups Intermolecular bonds Binding site Farmaco Binding site Farmaco Induced fit Macromolecular target Macromolecular target Unbound drug Bound drug Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci “Lock and Key”: complementarità Binding “rigida” tra target e substrato a esso regions complementare Farmaco Binding “Induced fit”: gradi di flessibilità groups della struttura. Adattamento del Intermolecular target alla conformazione del bonds substrato quando le due parti interagiscono Binding site Farmaco Binding site Farmaco Induced fit Macromolecular target Macromolecular target Unbound drug Bound drug Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci Binding regions Drug Binding groups Intermolecular bonds Binding site Drug Binding site Drug Induced fit Macromolecular Macromolecular target target Unbound drug Bound drug Le interazioni di legame generalmente portano a un “induced fit” in cui il binding site cambia forma per accomodare il farmaco (substrato) L’induced fit può portare anche a variazioni della struttura complessiva del target Importante per l’effetto farmacologico del farmaco Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legami – Forze coinvolte Legami ionici o forze elettrostatiche Legami intermolecolari Il più forte dei legami intermolecolari (20-40 kJ mol-1) Si instaura tra gruppi con cariche opposte La forza dell’interazione è inversamente proporzionale alla distanza tra le due cariche Interazioni più forti in ambienti idrofobici La forza dell’interazione diminuisce meno rapidamente all’aumento della distanza tra le due porzioni rispetto alle altre interazioni intermolecolari Interazioni iniziali più importanti quando un farmaco entra nel sito di binding O Drug Drug NH3 O O H3N Target Target O Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legami – Forze coinvolte Legami idrogeno Legami intermolecolari Di forza varia Più deboli delle interazioni elettrostatiche, ma più forti di quelle di van der Waals Un legame idrogeno ha luogo tra un idrogeno elettron-deficiente e un eteroatomo ricco di elettroni (N o O) L’atomo di idrogeno è generalmente legato a un eteroatomo (O o N) Donatore di legami idrogeno Accettore di legami idrogeno δ- δ+ δ- δ- δ+ δ- Drug Y H X X H Y Target Target Drug HBD HBA HBA HBD Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legami – Forze coinvolte Legami idrogeno Legami intermolecolari L’interazione coinvolge orbitali ed è direzionale Orientazione ottimale: il legame H-X punta direttamente verso il doppietto elettronico di Y, in modo che l’angolo tra X, H e Y sia di 180° X H Y X H Y Hybridised 1s Hybridised orbital orbital orbital HBD HBA Forti accettori di legami idrogeno - carbossilati, fosfati, ammine terziarie Moderate accettori di legami idrogeno - acidi carbossilici, ossigeno ammidico, chetone, estere, etere, alcool Scarsi accettori di legami idrogeno - solfuri, fluoruri, cloruri, anelli aromatici, azoto ammidico, ammine aromatiche Buoni donatori di legami idrogeno - ioni alchilammonici Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legami – Forze coinvolte Interazioni di Van der Waals Legami intermolecolari Interazioni molto deboli (2-4 kJ mol-1) Hanno luogo tra le regioni idrofobiche del farmaco e del target Aree transitorie di alta e bassa densità elettronica che causano dipoli temporanei L’interazione diminuisce rapidamente con la distanza Il farmaco deve essere vicino alla regione di legame affinché si verifichino le interazioni Il contributo complessivo delle interazioni di van der Waals può essere cruciale per il binding DRUG Hydrophobic regions d+ d- d+ d- Transient dipole on drug van der Waals interaction d- d+ Binding site Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legami – Forze coinvolte Legami intermolecolari Interazioni dipolo-dipolo d- O Dipole moment d+ C R R Localised dipole moment R O C R Binding site Binding site Interazioni dipolo indotto Ha luogo quando la carica di una molecola induce il dipolo di un’altra d+ Ione ammonio e anello aromatico + R NR 3 d- Binding site Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legami – Forze coinvolte Legami intermolecolari Interazioni ione-dipolo Hanno luogo quando la carica di una molecola interagisce con il momento dipolare di un’altra Più forti delle interazioni dipolo-dipolo La forza del legame diminuisce meno velocemente all’aumentare della distanza rispetto a quanto succede per le interazioni dipolo-dipolo R O d- C d+ R R O d- C d+ O H3N O C R Binding site Binding site Target dal fatrick  Chimica farmaceutica Legami – Forze coinvolte Desolvatazione Regioni polari di un farmaco e del suo target: solvatate prima dell’interazione Desolvatazione: necessaria e richiede energia L'energia ottenuta dall’interazione farmaco-target deve essere maggiore dell'energia richiesta per la desolvatazione H O H O H H H O O O C H C R R H R R O H O H O O H O H C R R Binding site Binding site Binding site Desolvation - Energy penalty Binding - Energy gain Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legami – Forze coinvolte Interazioni idrofobiche Le regioni idrofobiche del farmaco e del suo target non sono solvatate Le molecole d'acqua interagiscono tra loro e formano uno strato ordinato vicino alle regioni idrofobiche - entropia negativa Le interazioni tra le regioni idrofobiche del farmaco e del suo target ’rilasciano' le molecole d'acqua impaccate Aumento di entropia Vantaggioso per energia di legame DRUG Binding DRUG Hydrophobic Drug regions Binding site Binding site Water Structured water layer Unstructured water round hydrophobic regions Increase in entropy Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci TUNNEL Lipidi HO2C OH OH CO2H Sugar Lipidi della membrana cellulare Sugar OH HO Carboidrati OH HO Carboidrati della superficie cellulare OH OH HO HO Antigeni e molecole di riconoscimento OH HO OH HO OH HO Acidi Nucleici DNA CELL MEMBRANE RNA OH HO Proteine OH OH HO Enzimi HO OH HO Proteine di trasporto OH HO OH HO Proteine strutturali (tubulina) OH HO Recettori Sugar Sugar HO2C OH CO2H OH Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci Antibodies Lipidi Lipidi della membrana cellulare Carboidrati Carboidrati della superficie cellulare Antigen Antigeni e molecole di riconoscimento Foreign cell Antibody Acidi Nucleici binding Invasion DNA warning! RNA Proteine Enzimi Proteine di trasporto Proteine strutturali (tubulina) Recettori Cell destruction Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci Lipidi Lipidi della membrana cellulare Carboidrati Agenti intercalanti Carboidrati della superficie cellulare Antigeni e molecole di riconoscimento (Veleni delle Topoisomerasi) Agenti alchilanti Acidi Nucleici DNA Agenti metallanti RNA Chain cutters Proteine Chain terminators Enzimi Proteine di trasporto Controllo della trascrizione genetica Proteine strutturali (tubulina) Recettori Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci Lipidi Lipidi della membrana cellulare Carboidrati Carboidrati della superficie cellulare Antigeni e molecole di riconoscimento Acidi Nucleici DNA RNA Proteine Proteine di trasporto Proteine strutturali (tubulina) Enzimi Recettori Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci – Proteine di trasporto Molti farmaci attraversano le membrane biologiche mediante diffusione passiva: le molecole si muovono spontaneamente da una zona di maggiore concentrazione a una con concentrazione inferiore, con una velocità che dipende dal gradiente di concentrazione attraverso la membrana. Alcune sostanze endogene invece utilizzano i sistemi di trasporto e il processo è definito come attivo. Per questo tipo di trasporto, le membrane hanno sistemi proteici specifici che "riconoscono" il prodotto da trasportare. Il trasporto attivo differisce dalla diffusione passiva poiché può avvenire contro gradiente di concentrazione; tuttavia, il sistema di trasporto presenta limite di carico e specifica affinità strutturale per le sostanze da trasportare: sostanze esogene, strutturalmente simili a quelle endogene, possono legarsi al trasportatore, causando fenomeni di competizione che possono ridurre la sua efficacia. Sfruttando questa competizione, un farmaco può esercitare la sua azione influenzando il trasporto di molecole endogene attraverso la membrana cellulare. La proteina di trasporto diventa allora il bersaglio farmacologico. Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci – Proteine di trasporto Polar molecule Molti farmaci attraversano le membrane biologiche mediante diffusione passiva: le molecole si muovono spontaneamente da una zona di maggiore concentrazione a una con concentrazione inferiore, con una velocità che dipende dal gradiente di concentrazione attraverso la membrana. Alcune Transport sostanze endogene invece utilizzano i sistemi di trasporto e il processoprotein è definito come attivo. Per questo tipo di trasporto, le membrane hanno sistemi proteici specifici che "riconoscono" il prodotto da trasportare. Il trasporto attivo differisce dalla diffusione passiva poiché può avvenire contro gradiente di concentrazione; tuttavia, il sistema di trasporto presenta limite di carico e specifica affinità strutturale per le sostanze da trasportare: sostanze esogene, strutturalmente simili a quelle endogene, possono legarsi al trasportatore, causando fenomeni di competizione che possono ridurre la sua efficacia. Sfruttando questa competizione, un farmaco può esercitare la sua azione influenzando il trasporto di molecole endogene attraverso la membrana cellulare. La proteina di trasporto diventa allora il bersaglio farmacologico. Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci – Proteine strutturali Proteine strutturali virali Ingresso dell’HIV nella cellula Virus Virus Fusion gp41 Host cell Host cell Blocco della fusione Virus Virus gp41 Fusion blocked Enfuvirtide Host cell Host cell Enfuvirtide: polipeptide di 36 amminoacidi Usato vs. HIV dal 2003 Agisce come inibitore della fusione Interagisce con parte della proteina virale (gp41) Lega la gp41 e impedisce il processo di fusione Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci – Proteine strutturali Polymerization Depolymerization Tubulin Microtubule Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci – Enzimi Struttura e funzione Proteine globulari che fungono da catalizzatori Più veloce raggiungimento dell’equilibrio della reazione Minore energia di attivazione O HO H O LDH O C C NADH2 + H3C C H3C C + NAD+ OH OH Pyruvic acid Lactic acid LDH = Lactate dehydrogenase (enzyme) NADH2 = Nicotinamide adenosine dinucleotide (reducing agent & cofactor) Pyruvic acid = Substrate Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci – Enzimi Struttura e funzione Diminuzione dell’energia di attivazione di una reazione Energy Energy Transition state New transition Act. state Act. energy energy Starting Starting ∆G ∆G material material Product Product Senza intervento enzimatico Catalisi enzimatica Enzimi: abbassano l’energia di attivazione della reazione ma il DG resta uguale Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Target di farmaci – Enzimi Caratteristiche Presentano una superficie “di reazione” (il sito attivo) Forniscono un ambiente idoneo (idrofobico) Posizionano i reagenti correttamente affinché possa avvenire la reazione Indeboliscono i legami nei reagenti Portano a catalisi acida / basica Forniscono gruppi nucleofili Sito attivo Cavità o fessura idrofobica sulla superficie dell'enzima Accetta reagenti (substrati e cofattori) Contiene amminoacidi che - legano i reagenti (substrati e cofattori) - catalizzano la reazione Active site Active site ENZYME Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legame substrato - enzima Induced fit Substrate S Induced fit Il sito attivo presenta una forma adatta per interagire con il substrato Il binding altera la forma dell'enzima (induced fit) Il binding varia la lunghezza dei legami del substrato Il binding coinvolge legami intermolecolari tra gruppi funzionali del substrato e del sito attivo vdw Forze di legame interaction S Ioniche H-bond Legami H Active site van der Waals O H ionic Phe Ser bondCO2 Asp Enzyme Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legame substrato - enzima Induced fit – Il sito attivo altera la struttura per massimizzare le interazioni intermolecolari Phe Phe S S H O H O Ser Ser CO2 CO2 Induced Asp fit Asp Legami intermolecolari di lunghezza Lunghezze di legame intermolecolare non ottimale per il legame ottimizzate Variazione della lunghezza dei legami nel substrato, che possono essere facilmente scissi Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legame substrato - enzima Acido piruvico nella LDH O H O C O H3C C H3N O Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Legame substrato - enzima Acido piruvico nella LDH O Legame π indebolito H O C O H3C C H3N O Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Processo di catalisi S P S P EE E E E E+S ES EP E+P Interazioni di legame abbastanza forti per legare il substrato sufficientemente a lungo affinché la reazione avvenga Interazioni sufficientemente deboli da consentire al prodotto di staccarsi Delicato equilibrio La progettazione di molecole con forti interazioni di legame risulta nella preparazione di inibitori enzimatici che bloccano il sito attivo Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Regolazione enzimatica Molti enzimi sono regolati da agenti presenti nella cellula La regolazione può incrementare o inibire l’attività dell’enzima I prodotti di alcuni enzimi possono agire quali inibitori Questi in genere si legano a un sito detto sito allosterico NH2 N N O N N O P O O AMP O H H H H OH OH H OH H OH H O H O HO H Glycogen O HO H H OH O HO H OH Phosphorylase a H O P H OH HO OH n Glucose-1-phosphate Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Regolazione enzimatica Active site Active site unrecognisable Induced ACTIVE SITE fit (open) Enzyme ENZYME (open) Enzyme ENZYME Allosteric binding site Allosteric inhibitor Inibitore allosterico: si lega reversibilmente a un sito di legame allosterico Si formano legami intermolecolari L’induced fit altera la struttura dell'enzima Il sito attivo è distorto e non viene riconosciuto dal substrato Una crescente concentrazione del substrato non elimina l'inibizione La struttura dell’inibitore allosterico non è simile a quella del substrato Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Regolazione enzimatica Biosynthetic pathway S P P’ P’’ P’’’ Enzyme (open) ENZYME Inhibition Feedback control Enzimi con siti allosterici spesso sono i primi nella catena di un processo biosintetico che coinvolge più passaggi (e più enzimi) L’enzima è controllato dal prodotto finale del processo Il prodotto finale lega il sito allosterico dell’enzima, inibendolo ISOenzimi Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Inibitori reversibili competitivi Gli inibitori competitivi si legano al sito attivo dell’enzima mediante legami intermolecolari e il binding è reversibile, permettendo un equilibrio tra il composto legato e quello libero – una specie di effetto 'yoyo’ in cui il composto si lega al sito attivo, viene rilasciato, si rilega. Questo significa che l’inibizione causata dal composto è reversibile. Se la concentrazione del substrato aumenta, quest’ultimo compete per il sito attivo con maggiore efficacia con l’inibitore e l’inibizione del farmaco è meno efficace. Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Inibitori reversibili competitivi Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Inibitori Alcuni inibitori legano il sito attivo, ma non sono in concorrenza con il substrato. Come può accadere? Il sito attivo di qualche enzima può legare, oltre al substrato, un cofattore enzimatico. inibitori competitivi che si legano alla regione del sito attivo occupato dal cofattore e competere con esso, piuttosto che con il substrato. Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Inibitori irreversibili Ci sono alcuni inibitori enzimatici che legano irreversibilmente il sito attivo dell'enzima e lo bloccano permanentemente. Gli inibitori irreversibili più efficaci sono quelli che possono reagire con un amminoacido nel sito attivo formando un legame covalente. Gli inibitori irreversibili non sono competitivi! L’aumento della concentrazione di substrato non porta al ripristino dell’attività, poiché essi non possono essere spiazzati dal sito attivo. X OH OH O Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Inibitori Target da Psicofarmacologia essenziale by S.M. Stahl  Chimica farmaceutica Inibitori suicidi Gli inibitori suicidi sono agenti che vengono convertiti a specie altamente reattive quando subiscono una reazione catalizzata dall’enzima. Essi formano legami covalenti con l'enzima e lo inibiscono irreversibilmente. Tali agenti sono progettati per subire una trasformazione enzimatica catalizzata che li converte in una specie altamente reattiva che forma un legame covalente al sito attivo. Quando questo legame covalente si forma formata il sito attivo non è in grado di legarsi al substrato. Come risultato, l'enzima viene inibito irreversibilmente. X OH OH O Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Inibitori acompetitivi Gli inibitori acompetitivi sono inibitori che possono legarsi solo reversibilmente all’enzima quando il substrato è già legato al sito attivo: si legano al complesso enzima-substrato. L’aumento della concentrazione del substrato non evita l’inibizione come accade nel caso degli inibitori competitivi. Il livello di inibizione dipende dalla presenza di una concentrazione di substrato presente per formare il complesso enzima-substrato. Quindi gli inibitori acompetitivi sono meno efficaci a basse concentrazioni di substrato. Gli inibitori acompetitivi non sono molto comuni. Target  Chimica farmaceutica Inibitori Target  Chimica farmaceutica Inibitori allosterici I farmaci possono essere progettati per mimare il controllo naturale dell'enzima. Se il farmaco si lega attraverso interazioni intermolecolari, l'inibizione è reversibile. Se il farmaco contiene un gruppo reattivo che consente di formare un legame covalente al sito di legame allosterico, l'inibizione è irreversibile. Modulatori Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Inibitori Vmax [S] V= KM + [S] Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Plot dei doppi reciproci (o di Lineweaver-Burk) 1 1 Km = + Vel Velmax Velmax [S] ! Target dal Patrick  Chimica farmaceutica Inibitori Target dal Patrick