Struttura ed attività biologica

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1 Struttura ed attività biologica Somministrazione Attraversamento di membrane Prima di verificare una relazione struttura-attività, bisogna indagare se già non esistano importanti differenze nelle proprietà fisiche. Accesso a sedi d azione Effetto farmacologioco Quando la stereochimica sia la sola causa delle differenze nel grado di attività farmacologica di isomeri possiamo trarre conclusione in merito alla topografia recettoriale.

2 Struttura ed attività 2 Interazioni steriche tra farmaco e recettore. Questi tipi di interazioni possono essere classificati come: Intermolecolari dovuti all ingombro sterico del farmaco (in parte od in toto) nell interazione con il recettore; Intramolecolari dovuti ad effetti sterici di sottostrutture del farmaco che ne influenzano le proprietà nell interazione. Esempi di interazioni Intermolecolari: Coloranti acridinici (antisettici e disinfettanti) essi intercalano il DNA grazie allo spessore del nucleo acridinico di 3,36 Å uguale alla distanza tra due coppie di basi puriniche e pirimidiiche. L idrogenazione di uno dei due anelli aromatici comporta aumento dello spessore e perdita di attività. NH 2 N 9-Amminoacridina NH 2 N

3 Struttura ed attività 3 Attività muscarinica dell acetilcolina ed ingombro sterico della testa cationica. All aumentare delle dimensioni della testa ammonica diminuisce drasticamente l attività. Se ne deduce che la cavità abbia dimensioni tali da accomodare bene solo due gruppi metilici. Anche le dimensioni dell eteroatomo sono tali da pregiudicare l interazione ottimale. H 3 C O O X +

4 Noradrenalina e suoi omologhi: Struttura ed attività 4 l effetto ipertensivo è mediato dai recettori alfa L effetto ipotensivo è mediato dai recettori beta. La risposta ipertensiva (α) risente dell ingombro sterico all azoto (Isoprenalina inattiva) mentre il recettore β sarebbe privo di impedimenti sterici e nelle vicinanze del sito attivo esisterebbe una zona in grado di dare interazioni di van der Waals con gruppi alchilici di rilevanti proporzioni. HO OH H N R HO

5 Struttura ed attività 5 Schematica rappresentazione topografica dei recettori α e β adrenergici. Recettore Alfa con ingombro sterico Recettore Beta

6 Struttura ed attività 6 Le stesse β-lattamasi risultano sensibili all ingombro sterico presente sulla catena laterale delle penicilline e cefalosporine. Meticillina Dicloxacillina Metadone - Normetadone attivo sul recettore morfinico - Metadone con un R = Metile e configurazione (D) è molto attivo. - Il derivato dimetilico è inattivo. O R R N H 3 C CH 3 CH 3

7 Struttura ed attività 7 Isomeria ottica Isomeria geometrica Isomeria conformazionale Isosteria Stereoisomeria ottica Quando l immagine speculare di una molecola non è sovrapponibile alla stessa si parla di molecola asimmetrica o dissimetrica. Un atomo di carbonio (o altro atomo) asimmetrico prende il nome di centro chirale. Per caratterizzare l orientazione dei gruppi o atomi attorno al centro chirale si utilizzano dei descrittori Stereochimici

8 Struttura ed attività 8 Come descrittori si possono usare i termini: D ed L basati sulla disposizione verticale della catena e laterale sopra il piano dei sostituenti. R e S basata sulla regola di Cahn-Ingold- Prelog. HO CHO H CH 2 OH H CHO OH CH 2 OH D B C A B D C A L D Enantiomeri, antipodi ottici o Enantiomorfi. Gli enantiomeri hanno le stesse proprietà chimiche e fisiche uguali ad eccezione del potere rotatorio S R

9 Struttura ed attività 9 Miscele equimolecolari di enantiomeri (antipodi ottici) sono dette miscele racemiche. Si definiscono diastereoisomeri due stereoisomeri ottici che non sono enantiomeri. Epimeri sono diastereoisomeri che differiscono solo per la configurazione di un centro chirale. Una mesoforma è un diastereoisomero che è otticamente inattivo a causa della presenza di un centro di simmetria. HO COOH (R) (R) OH COOH HO COOH (S) (S) OH COOH HO COOH (R) (S) OH COOH Meso

10 Struttura ed attività 9 Separazione di isomeri ottici mediante: Risoluzione classica ; Separazione cromatografica chirale; Sintesi enantioselettiva; Eutomero - enantiomero più attivo. Distomero - enantiomero meno attivo. Rapporto eudismico è il rapporto tra l attività dell eutomero e quella del distomero Rapporto Eudismico = Att Eu Att Dis

11 Struttura ed attività 10 Indice eudismico (EI) e il Log del rapporto eudismico. Indice Eudismico = -Log Att Eu Att Dis Rapporti Eudismici di derivati della Difenifdrammina C O N C R 1 R 2 R 1 R 2 Attività Isomero anticolinergica R.E. Attività antiistaminica R.E. C H C H H t-but H t-but

12 Struttura ed attività 11 In una serie di stereoisomeri l Indice Eudismico è correlabile all attività attraverso la formula: EI = a + b logatt Eu a e b sono due costanti: in particolare b viene definito il quoziente di affinità eudismica. E.I. Rappresenta l affinità recettoriale per uno dei due isomeri. Derivati fenossi- ( ) e β- naftossicarbossilici ( ) ad attività Auxinica in funzione del log ED 50. -log ED 50

13 Struttura ed attività 12 Già nel 1858 Pasteur isolò per primo gli enantiomeri dell acido tartarico rivelandone la diversa attività inibitoria della crescita della muffa Penicillum glaucum. COOH COOH COOH H OH HO H HO H HO H OH HO H COOH COOH COOH (R,R) (S,S) mesoforma Nel caso di isomeri ottici bisogna capire quali possono essere le cause della differente attività biologica. Tali differenze dipendono dalla loro capacità di interagire con un centro asimmetrico del sistema biologico.

14 Struttura ed attività 13 D D A B D C C B A Farmaco Selettività di membrana Metabolismo selettivo Risposta attesa Recettori Recettori non specifici. Zone di perdita

15 Struttura ed attività 14 Selettività di membrana La membrana spesso condiziona, per la presenza su di essa di centri chirali, il passaggio di farmaci. Il passaggio attraverso una membrana potrebbe essere favorito per un enantiomero (in grado di legarsi ai centri chirali ivi presenti) ed impedito per l altro. Ciò venne messo in evidenza con un colorante della lana. L acido α-naftilglicolico è un ottimo colorante (rosso) della lana in quanto si fissa alle proteine che la compongono. Immergendo la lana in una soluzione del racemo si è potuto osservare che: - Solo l enantiomero destrogiro S si lega di preferenza; - Le acque diventano levogire perché arricchite nell isomero (R). HO COOH

16 Struttura ed attività 15 Enzimi quali le permeasi permettono il trasferimento selettivo di un farmaco attraverso una membrana. Es. solo gli isomeri L degli amminoacidi Valina, Leucina ed Isoleucina riescono a passare la parete cellulare dei batteri come l Escherichia Coli. Non vi sono ancora esempi di stereoselettività nel trasporto dei farmaci. Analogamente è stata osservata una scarsa selettività nel legame dei farmaci al plasma ed ai tessuti. Metabolismo selettivo Può operare tramite sistemi enzimatici stereoselettivi come le amminoacido ossidasi, le decarbossilasi, le idrolasi, le deidratasi e le idrogenasi.

17 Struttura ed attività 16 Tra gli esempi del metabolismo troviamo quello del sale sodico del Esobarbitale e della Lactoilcolina: Esobarbitale sale sodico è stato dimostrato che l isomero R possiede, nei ratti maschi, un emivita e livelli ematici superiori a quelli dell isomero S. Il metabolismo di questo farmaco avviene per: Ossidazione allilica che fornisce il derivato 3-idrossi e 3- chetoesobarbitale; Epossidazione che porta ad acido barbiturico.

18 Struttura ed attività 17 Acetilcolinaesterasi eritrocitaria - un enzima idrolitico che scinde la lactoilcolina nei suoi costituenti (acido lattico e colina). L idrolisi dell isomero L-(+) è molto più rapida di quella del corrispondente D-(-). La configurazione al centro chirale assicura, nel caso dell isomero (L) la corretta orientazione della catena sulla superficie recettoriale che non può essere ottenuta nel caso del (D). Sito esterasico Sito anionico

19 Recettori non specifici Struttura ed attività 18 La Chinina come antimalarico agisce su tutti gli animali fatta eccezione per i polli. Venne postulata l esistenza di un recettore aspecifico in grado di bloccare la sostanza impedendogli di arrivare al sito d azione. Si pensò di bloccare questo recettore aspecifico utilizzando una sostanza avente configurazione simile a quella della chinina. Così facendo si constatò che la somministrazione della chinina associata a sostanze simili dava come risultato il potenziamento dell attività antimalarica.

20 Recettori specifici Struttura ed attività 19 Valutare la differenza di attività di enantiomeri in vivo è particolarmente difficile in quanto entrano in gioco tutti quei processi descritti precedentemente. Beckett nel 1959 ipotizzò la differenza di attività tra enantiomeri. La curva dose azione della (R)-noradrenalina cade a [ ] minori rispetto ad (S) circa 1/100. NH 2 NH 2 Per dimostrare l esattezza HO HO OH dell ipotesi la differenza di HO HO attività fosse dovuta alla chiralità della molecola si analizzò la curva dose risposta della Dopamina. Questa risultò sovrapponibile a quella del distomero.

21 Struttura ed attività 20 Da ciò si dedusse che la (R)-adrenalina, protonata a ph fisiologico, interagisce col recettore con un legame ionico, con un legame idrogeno dell ossidrile alcolico, con un legame di trasferimento di carica (anello aromatico) rinforzato da legami idrogeno con gli OH fenolici. Come possiamo vedere, soltanto nell isomero (-) il gruppo OH è orientato in modo da consentire la corretta interazione e il maggior effetto pressorio. Epinefrina o Noradrenalina

22 Struttura ed attività 21 Le differenze di attività tra gli isomeri ottici della muscarina sono ottimi esempi di selettività a livello recettoriale.. Tra i vari stereoisomeri, la muscarina è la più attiva anche in forma racema. L isomero (+) della muscarina è più attivo del (-) di circa volte come contratturante su vari tipi di tessuto muscolare. Il muscarone è il prodotto di ossidazione della muscarina e possiede solo due centri chirali e la differnza di attività fra i suoi due enantiomeri si CH 3 CH 3 riduce. N + HO CH 3 N + CH 3 H 3 C HO muscarina H 3 C O Allo-muscarina CH 3 CH 3 HO O N + CH 3 CH 3 H3 C HO H 3 C O CH 3 Epi-muscarina CH 3 O N + CH 3 CH 3 Epi allo-muscarina O H 3 C CH 3 O N + CH 3 CH 3 muscarone

23 Struttura ed attività 22 Inversione di configurazione del Ibuprofene nell uomo dimostrata analizzando il farmaco escreto nelle urine. CH 3 CH 3 COOH H 3 C Isomero Rapporto S/R Escreto S/R S 95/5 95/5 R 6/94 80/20 racemo 50/50 70/30 Nell uomo, l R-(-)-Ibuprofene (isomero meno attivo) viene escreto prevalentemente come isomro S-(+) quale risultato dell azione di una isomerasi.

24 Struttura ed attività 23 Efedrina e i suoi quattro isomeri ottici (4 diastereoisomeri). Due racemati, treo ed eritro. Isomero più attivo il D-(-)-eritro. La stereospecificità del sito d azione deve essere critica per l interazione visto che solo l isomero β(r), α(s) risulta attivo. In numerosi altri derivati delle feniletilammine si osservano differenze marcate tra stereoisomeri.

25 Struttura ed attività 24 Stereoselettività si osserva anche per farmaci dopaminergici e antidopaminergici sebbene la Dopamina non presenti centri chirali. Molecola flessibile in grado di assumere quella conformazione che consente di interagire con i propri recettori. Tra tutte le possibili conformazioni, la trans β- Dopamina sembra la preferita. Gli antagonisti dopaminergici sono stereoselettivi.

26 Struttura ed attività 25 Altro esempio è dato da un analgesico narcotico l Isometadolo che presenta due centri chirali e il cui eutomero è l isomero β(+) 3S,5S. Se si acetila l ossidrile presente su uno dei due centri chirali risultano più attivi gli isomeri β( ) e α(+). Si ipotizzano due diversi tipi di interazione del centro chirale: 1) legame idrogeno del OH; 2) dipolo proton donatore lega l acetile. α-isometadolo β-isometadolo Potenza analgesica

27 Isomeria geometrica Struttura ed attività 26 Termine isomeria geometrica (o isomeria cis-trans) è un particolare tipo di isomeria dovuta ad una mancata o limitata rotazione attorno ad un legame. Non conferisce necessariamente attività ottica alla molecola. 2-Butene 1,2-dimetilcicloesano H 3 C CH 3 H 3 C H H cis H H trans CH 3 cis trans trans L eventuale differenza di attività può variare a causa delle notevoli differenze di proprietà fisiche degli isomeri.

28 Struttura ed attività 27 Le differenze di attività di isomeri geometrici possono essere attribuite, almeno in parte, a differenze di distanze interatomiche tra i gruppi essenziali per l attività. Tra gli Estrogeni non steroidei abbiamo il dietilstilbestrolo. Esso esiste nelle forme isomeriche cis e trans. L attività dell isomero trans deriva dalla sua planarità e dalla distanza tra i due idrossili (10.9 Å) OH Estradiolo HO 10.9 Å OH HO trans HO Dietilstilbestroloo OH cis

29 Struttura ed attività 28 Inoltre, negli steroidi l isomeria geometrica ha notevole importanza nella struttura del gonano: le giunzioni degli anelli B/C e C/D sono sempre trans mentre quella A/B può essere trans (5α) oppure cis (5β). Eventuale cambio di giunzione degli anelli B/C e C/D porta a scomparsa dell attività nel caso degli ormoni sessuali. I sostituenti in 10, 13 e 17 sono sempre β per la conservazione dell attività biologica.

30 Struttura ed attività 29 L acido cinnamico è attivo come stimolatore della crescita vegetale nella forma cis e non nella trans. Nel derivato 2-fenilciclopropancarbossilico l attività auxinica è ancora limitata all isomero cis. COOH COOH COOH COOH Ac. Cinnamico Ac. 2-fenilciclopropancarbossilico Il derivato 1,4-dimetansolfonilossi-2-butene è attivo coma antitumorale solo come isomero trans. H 3 C O 2 S O O S O 2 CH 3 H 3 C SO 2 O O O 2 S CH 3 Triprolidina derivato ad attivito H 1 -antagonista è attivo nella forma trans. H 3 C H 3 C N N Trans N N Cis

31 O Derivati diossolanici ad attività muscarinica. Struttura ed attività 30 Si è visto che quelli con un sostituente piccolo sono muscarino-mimetici (agonisti) mentre quelli ingombranti rendono le sostanze antagoniste. Con il calo di affinità perde d importanza la stereoselettività. O R R 1 N + I - I R=CH 3, R 1 =H Cis I R=H, R 1 = CH 3 trans II R=C 2 H 5, R 1 =H Cis II R=H, R 1 = C 2 H 5 trans Grandi III R=C 3 H 7, R 1 =H Cis III R=H, R 1 = C 3 H 7 trans IV R=C 4 H 9, R 1 =H Cis IV R=H, R 1 = C 4 H 9 trans Piccoli

32 Struttura ed attività 31 Venne osservato che nei derivati muscarinici si ha affinità maggiori se la molecola è composta da 5 atomi (regola di Ing). Passando quindi dal metile all etile e così via si perde di affinità. Sempre tra composti muscarini abbiamo i derivati del 2-acetossiciclopropiltrimetilammonio ioduro. (+) Trans Attivo H 3 C H 3 C CH 3 N + O O CH 3 H 3 C H 3 C N + CH 3 O CH 3 O (-) Trans (+) Cis Inattivo H 3 C H 3 C N + CH 3 O O CH 3 H 3 C H 3 C N + CH 3 O O CH 3 (-) Cis Inattivo

33 Isomeria conformazionale Struttura ed attività 32 E stata definita per la prima volta da Eliel nel Rappresenta la disposizione spaziale, non identica, che gli atomi di una molecola possono assumere per rotazione attorno ad uno o più legami. Deriva dalle caratteristiche del legame sigma che permette la rotazione dei due atomi fra cui esso si sviluppa. Le differenti disposizioni degli atomi nello spazio sono definite Conformeri. L analisi conformazionale rappresenta lo studio delle variazioni di energia corrispondenti a queste rotazioni.

34 Struttura ed attività 33 Considerando la struttura dell etano possiamo definire le posizioni dei vari idrogeni di un metile rispetto a quelle degli altri. Per far ciò si utilizzano le proiezioni di Newman nelle quali possiamo notare due strutture limite (sfalsata e eclissata) e una numero infinito di strutture intermedie. Proiezioni di Newman etano H H H H H H Sfalsata (Θ = 60) Eclissata (Θ = 0) Sgemba (0<Θ<60)

35 Struttura ed attività 34 La differenza di energia potenziale fra le due strutture limite è di circa 2,8 Kcal/mole. Questa energia torsionale rappresenta un impedimento alla libera rotazione attorno al legame C-C. Butano I/III = 2 I/IV = 1000 H H CH 3 H CH 3 H

36 Struttura ed attività 35 Nella conformazione eclissata gli atomi si fronteggiano, sono cioè più ravvicinati e pertanto esercitano forze di repulsione di van der Waals (è la conformazione meno stabile). Normalmente le conformazioni anti sono più stabili di circa 0,8 Kcal/mole di quelle sfalsate. Legame ad idrogeno Eccezione: quando atomi o gruppi di atomi che si fronteggiano si instaurano forze di attrazione anziché di repulsione. La rotazione non è libera ma la si può considerare tale in conseguenza delle minime differenza di energia tra una conformero e l altro.

37 Struttura ed attività 36 La temperatura ambiente è tale da consentire una rapida interconversione di un conformero nell altro. Si ammette la possibilità di libera rotazione quando le barriere potenziali sono < 10 Kcal/mole. Ciò rende difficile poter parametrizzare molecole che sono flessibili in quanto costituite da atomi legati fra di loro da legami sigma. Soprattutto diventa difficoltoso determinare le interazioni che si possono instaurare con il recettore in virtù del fatto che nell interazione con il substrato biologico si può liberare energia in quantità più che sufficiente a favorire la conversione di un conformero (favorito energeticamente) in un altro (sfavorito).

38 Struttura ed attività 37 Esempio classico è l acetilcolina e la acetil-β-metacolina. Esperimenti NMR hanno evidenziato in acqua che l acetile si trova in gauche all atomo di N. Da studi condotti sulla struttura cristallina della acetilβ-metacolina si è visto che solo l isomero (S) può assumere una conformazione gauche. Nel caso dell isomero (R) si crea una repulsione tra N e il metile. Solo l enantiomero (S) mostra attività muscarinica.

39 Struttura ed attività 38 Anche nelle β-feniletilammine sono favorite la trans e le due gauche. Qualora sul carbonio in α sia presente anche solo un metile è quest ultimo che si posiziona in trans con il fenile. In questa forma anti, la più favorita, viene ridotta la distanza tra fenile e azoto con ripercussioni sull attività biologica delle molecole. H 2 N X X = H NH 2 Ph NH 2 Ph NH Ph 2 X = Me H 2 N Me Ph Ph Me H 2 N H 2 N Me Ph

40 Struttura ed attività 39 Lo studio della conformazione delle molecole trova la sua giustificazione nel fatto che i siti attivi degli enzimi e di altre superfici recettoriali con i quali interagiscono hanno carattere stereoselettivo o stereospecifico.

41 Struttura ed attività 40 Molto più interessante è la conformazione delle molecole cicliche. La conformazione a sedia è quella favorita. Le conformazioni a sedia sono due e, con un apporto di energia di 10 Kcal/mole, possono interconvertire Nei cicloesani sostituiti, la conforma più stabile è quella che presenta il maggior numero dei sostituenti equatoriali

42 Struttura ed attività 41 Le conformazioni a sedia sono favorite qualora i sostituenti possono interagire con forze di attrazione. Gli steroidi costituiscono un importante classe di farmaci che, nella maggioranza dei casi, ha conformazione rigida. La presenza di sostituenti può dar luogo a coppie di diastereoisomeri.

43 Struttura ed attività 42 L acetilcolina agisce su due tipi di recettori (muscarinico e nicotinico) causando determinate risposte e venendo poi idrolizzzata. Studi su modelli rigidi hanno evidenziato che il recettore nicotinico necessita una conformazione cisoide mentre quello muscarinico predilige la transoide.

44 Struttura ed attività 43 Isosteria e bioisosteria Le conoscenze sulle strutture intime degli atomi hanno portato a giustificare determinate analogie chimicofisiche esistenti tra atomi, gruppi di atomi e molecole. Il concetto di isosteria è formulato da Langmuir (1919). Secondo la sua teoria si definiscono isosteri composti o gruppi di atomi con lo stesso numero e la stessa disposizione di elettroni.

45 Struttura ed attività 44 Le proprietà chimico-fisiche del N 2 O sono notevolemnte simili a quelle della CO 2 come lo sono quelle del N 2 con quelle del CO.

46 Struttura ed attività 45 Un interessante ampliamento del concetto di isosteria è dovuto a Grimm ( ). Egli suppose che l unione di un atomo ad un idrogeno generasse un nuovo atomo o meglio pseudoatomo o idruro nel quale la presenza dell idrogeno poteva essere trascurata come conseguenza del suo ridotto ingombro sterico. Questo pseudoatomo viene ad assumere la configurazione elettronica dell atomo che lo segue nel periodo. Legge dello spostamento degli idruri di Grimm C N O F Ne CH NH OH HF CH 2 NH 2 H 2 O CH 4 NH 3 CH 4

47 Struttura ed attività 46 Qualche anno prima Hinsberg osservò che un raggruppamento vinilico del benzene poteva essere sostituito da un atomo di S. Tiofene e benzene hanno proprietà chimico-fisiche analoghe. Venne quindi coniato il termine di equivalente anellare cioè di gruppi interscambiabili in un anello in grado di generare molecole con proprietà simili. Benzene =CH- per =N- Piridina -CH=CH- per -S- O- -NH- N S O NH Benzene Tiofene Furano Pirrolo

48 Struttura ed attività 47 Composto p. e. Isostero p. e. Erlenmeyer (1932) ampliò il concetto di isosteria asserendo che lo strato esterno di elettroni degli isosteri dovesse avere forma, dimensione e polarità quasi identiche. Esempi di isosteri secondo Erlenmeyer

49 Struttura ed attività 48 Quadro riassuntivo dei principali isosteri classici.

50 Struttura ed attività 49 Il criterio principale dell isosteria è che due molecole isosteriche devono presentare volume e forma simile (se non identiche). Idealmente composti isosterici dovrebbero essere isomorfi e co-cristallizzare. Tuttavia qualche proprietà diversa devono averla: Momenti dipolari Polarità Polarizzazione Grandezza Forma. Gli isosteri sono spesso più somiglianti nelle proprietà biologiche che in quelle chimico-fisiche.

51 Struttura ed attività 50 Es illustrativo è dato dagli Ossazolidinoni e le Idantoine che possiedono proprietà chimico-fisiche diverse ma presentano un profilo antiepilettico simile. Ossazolidinoni O R 1 R 2 H N O O Bioisosteria Nel 1951 Friedman coniò la definizione di bioisosteri cioè di composti che hanno lo stesso tipo di attività biologica (agonisti e antagonisti). Successivamente, Thornber definì Bioisosteri gruppi o molecole aventi analogie chimiche e fisiche che producono effetti biologici spiccatamente simili. O R 1 R 2 H N N H O Idantoine

52 Struttura ed attività 51 Esempi di isosteria e bioisosteria. Sostituzione di atomi e gruppi monovalenti. Derivati della famiglia degli amfenicoli

53 Struttura ed attività 52 Derivati Purinici N R 1 N R N N H Derivati dell aminopteridina

54 Struttura ed attività 53 Sostituzione di atomi e gruppi bivalenti. Derivati della meperidina. Attività analgesica (Meperidina = 1) O O N N HO CH3 HO Fisostigmina e carbaisosteri. X X = O 12 X = NH 80 X = CH 2 20 X = S 1.5

55 Interscambio di atomi o gruppi trivalenti Struttura ed attività 54 Derivati antipiretici Derivati antiistaminici Derivati antidepressivi

56 Equivalenti d anello con effetti diversi. Sulfamidici - mantiene attività Struttura ed attività 55 Tiamina - diventa antagonista Agonisti β adrenergici - mantengono attività

57 Struttura ed attività 56 Esempi di bioisosteria

58 Antiinfiammatori Struttura ed attività 57

59 Struttura ed attività 58

60 Struttura ed attività 59 Le più note sostituzioni isosteriche in legami peptidici.

61 Struttura ed attività 60 Antiipertensivi analoghi della Clonidina Ricerche basate su bioisosteria classica di nuovi I 1 R Clonidina Rilmenidine Analoga selettività ma superiore affinità

62 Nuovi inibitori della proteasi del HIV Struttura ed attività 61 La sostituzione CH 2 con S comporta variazioni di dimensione, di distribuzione elettronica, di reattività chimica, di lipofilicità e di capacità di formare legami idrogeno

63 Analoghi attivi sui recettori oppioidi Struttura ed attività 62 Sostituzione del OH fenolico con un metansolfonammide. Naltrexone Composto privo di affinità per i recettori oppioidi

64 Struttura ed attività 63 Farmaci attivi sul recettore β-adrenergico Sostituzione del funzione catecolica e relativi sviluppi. Isoproterenolo Dicloroisproterenolo Propranololo β-bloccante

65 Struttura ed attività 64 Farmaci antiinfiammatori, inibitori della COX2 Modifica delle proprietà chimicofisiche. Celecoxib

66 Bioisosterismo non classico Farmaci antiinfiammatori. Struttura ed attività 65 Indometacina Zomepirac Tolmetin Cetroplac

67 Struttura ed attività 60 Gruppi aptofori e farmacofori In una struttura di un farmaco possiamo distinguere due porzioni: Quella responsabile del legame con il recettore e ne determina l affinità ed è detta Aptofora; La porzione responsabile dell attività biologica e che viene definita Farmacofora. Es la struttura del gonano rappresenta la porzione aptofora delle molecola mentre i gruppi funzionali ivi presenti ne determinano l attività e sono i farmacofori.

68 Struttura ed attività 61 Tra i farmaci che contengono il gruppo solfonammidico si evidenzia una graduale variazione del tipo d attività e dell intensità d azione variando aptofora e farmacofora della molecola.

69 Struttura ed attività 62 Le modifiche apportate a gruppi farmacofori conduce a volte a composti che posseggono attività antagonista o competitiva. Quando ciò accade in sostanze che sono metaboliti essenziali si suole definirli fraudolenti in quanto: Il recettore vede le molecole ed interagisce con esse come se fossero i metaboliti essenziali; Viene a mancare la risposta fisiologica con conseguenze che possono essere letali per l organismo.

70 Struttura ed attività 63 Non sempre è facile differenziare le due parti (aptofora e farmacofora). Sovente modifiche minime ad una delle due parti conduce a variazioni importanti dal punto di vista qualitativo. Es. Prometazina (potente antiistaminico e debole sedativo) e Cloropromazina (potente neurolettico e blando antiistaminico). La parte aptofora è costituita dal nucleo fenotiazinico La catena rappresenta la parte farmacofora fella molecola. S N aptoforo S N Cl H 3 C N CH 3 CH 3 farmacoforo CH N 3 CH 3

71 Struttura ed attività 64 Tra testosterone e metiltestosterone l introduzione di un metile in 17 non altera l azione biologica ma solo il comportamento metabolico. Analoga introduzione del metile in 17 nella struttura del nandrolone (anabolizzante) porta non solo alla modifica del metabolismo ma soprattutto ad una diversa attività (progestativa). Osservando metiltestosterone e metilstrenolone possiamo vedere che la parte farmacoforica è legata al metile in 10. lo stesso metile condiziona l attività della coppia testosterone nandrolone.

72 Struttura ed attività 65 Tutto ciò porta a concludere che diventa difficile distinguere a volte le due parti. Comunque possiamo evidenziare nei farmaci parti che sono essenziali ed altre non essenziali. le parti essenziali sono dotate di grande specificità e non sopportano modifiche alcune se non minime. Le parti non essenziali si prestano a manipolazioni che possono diventare vantaggiose terapeuticamente. Questo comportamento lo troviamo nelle classi di farmaci quali: Sulfamidici; Barbiturici; Penicilline; Cefalosporine; Arilpropionici. H 2 N R O 2 S N H O H N O R N O HN H N O O R 2 R 1 R O H N CH 3 S R COOH R 1 R 1 COOH O N S COOH

73 Profarmaci Struttura ed attività 66 Modificazioni apportate ad una molecola, che non ne cambiano le proprietà biologiche fondamentali, possono portare a: ANALOGHI quando queste modificazioni risultano essere permanenti nella molecola (possono dare cambiamenti quantitativi profondi dell attività), PROFARMACI modificazioni che portano a molecole di per sé non sono attive ma che sono in grado di ripristinare in vivo la struttura originaria responsabile dell attività biologica. I profarmaci vengono studiati per modificare i parametrici cinetici, la biodisponibilità al sito d azione, l accettabilità del farmaco, la sua stabilità ed evitare il metabolismo disattivante.

74 Esempi di biodisponibilità migliorata. Struttura ed attività 67 Carbenicillina (attiva su pseudomonas aeruginosa) non viene assorbita per via orale contrariamente ai suoi esteri che sono assorbiti in misura diversa a seconda della natura del radicale. Livelli ematici nell uomo dopo somministrazione per os O O R H N O N S COOH Carbenicillina R = H R Etile Iso-Butile < Fenile <1 M-tolile >1.5

75 Struttura ed attività 68 La biodisponibilità di un farmaco è definita dall equazione: F=(AUC) os /(AUC) iv F = frazione assorbita Derivati dell Ampicillina Biodisponibilità Ampicillina R=H R 1 =H 50% R NH 2 O H N O N O S OR 1 Analogo Profarmaci Amoxixillina R=OH R 1 =H 89% Pivampicillina R=H R 1 =CH 2 OCOC(CH 3 ) 3 82% Bacampicillina R=H R 1 =CH(CH3)OCOC 2 H 5 70% Talvolta i profarmaci presentano una loro attività propria come nel caso degli esteri ad azione protratta di diversi steroidi.

76 Struttura ed attività 69 Per migliorare la biodisponibilità si può aumentare la solubilità (soprattutto nel caso di somministrazioni parenterali). Ma l introduzione di un gruppo idrofilo permanente può modificare drasticamente le proprietà cinetiche del farmaco con conseguenze sull attività. Questo problema può essere ridotto utilizzando profarmaci recanti gruppi salificabili ed eliminabili in vivo. Eesteri fosforici Emisuccinati Glicinato Base di Mannich Metilenbisolfitici F-OPO(OH)O - F-OCO-CH 2 CH 2 COOH F-O-COCH 2 NH 2 F-CH 2 N(RR ) F-CH 2 O-SO-O - F = Steroidi F = Cloramfenicolo F = Tetracicline F = Sulfamidici

77 HO Struttura ed attività 70 Si può migliorare la biodisponibilità al sito d azione. Si utilizza il profarmaco al fine di ridurre l assorbimento orale e permettere al farmaco di esplicare la sua azione nei segmenti più bassi dell intestino. Esempi: H 2 N H 2 N O N H COOH N COOH O 2 S N H N O 2 S N H N S O 2 S N H N N O 2 S N H S N Sulfatiazolo, rapidamente e totalmente assorbito con azione antibatterica sistemica e urinaria; Ftalilsulfatiazolo non viene assorbito ed agisce da disinfettante intestinale dopo biotrasformazione da parte dei batteri intestinali. Sulfapiridina Sulfasalazina libera acido para amminosalicilico.

78 Accettabilità migliorata. Struttura ed attività 71 Cloramfenicolo (R=H) e Sulfametossipiridazina (R 1 =H) sono due molecole molto amare mentre i loro esteri sono insapori. O 2 N HN Cl 2 HC OH O R=H 2 R 1 =H Metabolismo modificato del farmaco. Esempio Estrone inattivo per via orale perché degradato dalla flora intestinale mentre risulta attivo come estere solforico. Lidocaina ha proprietà antiaritmiche cardiache ma viene inattivata metabolicamente per os. Il suo derivato Tocainide resiste più a lungo ed è usato come antiaritmico. CH 3 H N O O R R 2 R 1 N O R 1 CH 3 R=COR H 2 N Lidocaina Tocainide S N R 1 N N OCH 3 R 1 =COCH3. R 1 = Etile R 2 = H R 1 = H R 2 = Metile

79 Struttura ed attività 72 Coefficiente di ripartizione Rappresenta il rapporto della concentrazione della sostanza nelle due fasi che sono fra loro in equilibrio. Si ritiene che la misura di questo rapporto possa essere rappresentativa delle variazioni dell energia libera implicate nelle interazioni considerate. Sistema artificiale Sistema biologico Fase Fase Fase bio- Fase bio- Lipofila K 1 Idrofila Lipofila K 2 Idrofila Farmaco Farmaco Farmaco Farmaco Confrontando i due processi possiamo scrivere: log K 2 = a logk 1 + b per un sistema ideale a=1 e b=0.

80 Struttura ed attività 73 Se i sistemi si differenziano la reazione lineare rimane valida variano però i coefficienti a e b. Per valutare il coefficiente di ripartizione si può usare un qualsiasi sistema liquido binario di solventi insolubili. Il solvente più utilizzato per la determinazione del coefficiente di ripartizione è l ottanolo. Caratteristiche dell Ottanolo: Testa polare e catena idrofobica che ricorda le strutture lipidiche delle membrane; Mostra una buona capacità di solubilizzare le sostanze (farmaci); Scioglie circa il 26% in moli di acqua (~4,6% p/p); Questa capacità di sciogliere una certa quantità d acqua facilita il passaggio del farmaco come idrato. H 3 C OH

81 Struttura ed attività 74 I coefficienti di ripartizione misurati (P) sono molto sensibili alle variazioni di temperatura del sistema. Hansch ha evidenziato la correlazione tra i logp del sistema acqua/ottanolo con quello di altri sistemi bifasici. log K 2 =a logk 1 +b A = soluto acido B = soluto basico C = equazione unica n = n composti r = coeffic. di correlazione. s = deviazione standard

82 Struttura ed attività 75 Come soluzione acquosa si possono usare soluzioni tampone. Hansch negli anno 60 osservò che il coefficiente di ripartizione possiede carattere additivo e che nell ambito di una serie di derivati aromatici si può determinare la costante idrofobica del sostituente. log(p X /P H ) = ρπ X Dove P X rappresenta il coefficiente della sostanza che porta il sostituente X e P H quello della stessa sostanza priva di X. ρ = costante della coppia di solventi usati π = costante idrofobica del sostituente. Considerando il sistema ottanolo/acqua che presenta una ρ = 1, si può concludere che: log(p X /P H ) = logp X logp H = π X

83 Struttura ed attività 76 La costante idrofobica (π) varia in funzione del sistema bifasico preso come riferimento. π positivo indica che il sostituente aumenta la lipofilia favorendo il trasporto attivo; π negativo significa che il sostituente aumenta l idrofilicità della struttura

84 Struttura ed attività 77 Questa tabella prevede che il valore di π sia indipendente dalla struttura base presa in considerazione. Quando due sostituenti sono presenti sullo stesso anello aromatico il valore di π può essere il risultato del contributo di ciascun sostituente. Spesso esistono sostituenti dominanti rispetto agli altri e si può considerare come struttura di riferimento il derivato monosostituito dominante. logp X,Y = logp H +π X + π Y I valori sperimentali di derivati orto-disostituiti deviano dai teorici. Venne evidenziato da Rekker che ponendo per definizione π H =0 veniva trascurato il contributo idrofobico dell idrogeno per cui π CH2 = π CH3

85 Si arrivò alla seguente definizione: n LogP = Σ a n f n 1 Struttura ed attività 78 a = numero di volte che il frammento (f) di tipo n si ripete nella struttura. è interessante osservare che tra le costanti frammentali introdotte da Rekker troviamo quella del H che in sistemi alifatici è f H = 0.21 è molto simile a quella sperimentale

86 Costante σ di Hammett Struttura ed attività 79 Per condurre uno studio QSAR in una serie di farmaci bisogna poter disporre anche di descrittori molecolari che consentano di valutare il G e. Il più importante descrittore è rappresentato dalla costante elettronica del sostituente. Consideriamo due derivati benzenici caratterizzati dall avere: O OH due diversi centri reazionali Y o Y ; un medesimo sostituente in posizione para o meta. X O OH Hammett ha indagato come varia la costante di dissociazione di derivati acidi benzoici ed arilacetici variamente sostituiti. X

87 Struttura ed attività 80 Diagrammando i valori di logk delle costanti di dissociazione degli acidi arilacetici rispetto ai corrispondenti valori dei derivati benzoici (K) si ottiene la relazione lineare (1): (1) logk = ρ logk + c ρ = la pendenza della retta e dipende dal tipo di reazione, dalle condizioni operative, dalla natura del fenomeno e misura la sensibilità della reazione alla natura elettronica del sostituente O OH X O OH X Log Ka degli acidi fenilacetici Log Ka degli acidi benzoici

88 Struttura ed attività 81 Indicando con K 0 e K 0 le costanti di dissociazione dei rispettivi derivati non sostituiti possiamo scrivere l equazione (2): (2) logk 0 = ρ logk 0 + c Sottraendo le due equazioni possiamo scrivere che: (1-2) log(k /K 0 ) = ρ log(k/k 0 ) Il secondo termine si riferisce alla dissociazione degli acidi benzoici sostituiti in m o p. Ponendo log(k/k 0 )= σ associando ad ogni sostituente un valore di σ m e σ p. Si ottiene così l equazione di Hammett: log(k /K 0 ) = ρ σ σ è detta costante del sostituente e rappresenta la misura del sostituente X sulla densità elettronica del centro reazionale rispetto all idrogeno.

89 Struttura ed attività 82 σ riflette solo gli effetti elettronici (modifica della densità elettronica al centro di reazione) perché quelli sterici, in questo tipo di reazione, sono praticamente nulli. Questi ultimi si riscontrano solo nei derivati o- sostituiti che non sono per ora presi in considerazione. Gruppi in grado di modificare la carica sul centro reazionale per effetti induttivi o di risonanza posseggono un: σ positivo se elettronattrattori; σ negativo se elettrondonatori.

90 Struttura ed attività 83 In un equilibrio si può dire che: G = G e + G s e = effetto elettronico s = ingombro sterico Possiamo concludere che: G = ρ σ + costante

91 Struttura ed attività 85 Presupposti alla base della σ di Hammett: Il sostituente influenza la densità elettronica solo mediante effetti induttivi (I) dovuti all effetto campo e alla polarizzazione degli elettroni lungo i legami σ e π. +I sostituente elettron attrattore -I sostituente elettron donatore Il sostituente non ha interazioni diretta di risonanza con il centro di reazione (R) (coniugazione del sostituente con l anello aromatico). +R sostituente elettron attrattore -R sostituente elettron donatore

92 Struttura ed attività 84 Quando in para al gruppo acido vi sono sostituenti dotati di doppietto elettronico di tipo n (-R) vi possono essere effetti di accoppiamento con il centro reazionale soprattutto per gli acidi benzoici. O OH - O OH O O - - O O - X + : X : X La σ di Hammett è perciò applicabile a tutte le reazioni in cui non sono presenti effetti di accoppiamento. Esistono però moltissime reazioni che presentano interazioni soprattutto quando i centri reattivi hanno caratteristiche R e +R ed i sostituenti, in posizione para, hanno caratteristiche opposte +R e R. X +

93 Struttura ed attività 85 Sono state pertanto sviluppate due nouve serie di costanti definite σ + σ -. Per evidenziare effetto σ + è stata presa in considerazione la reazione di solvolisi di derivati clorocumenici sostituiti in m e p. Cl H 3 C + CH 3 H 3 C CH 3 H 3 C CH 3 Questa reazione avviene via carbocatione (S N1 ) e la stabilità è influenzata da sostituenti R in para. In questo tipo di reazione ρ = -4,54. L equazione di Hammet diventa X : X X + log(k/k 0 ) = ρ σ + Quando il sostituente ha caratteristiche elettron attrattici (+R e +I) i valori di σ p = σ + p.

94 Struttura ed attività 86 Quando il sostituente ha caratteristiche elettron donatrici (-R) i valori di σ p = σ + p hanno una forte differenza. I valori di σ + m sono generalmente uguali a σ m per qualsiasi tipo di sostituente.

95 Struttura ed attività 87 Per valutare la costante σ - si è fatto ricorso alla determinazione della dissociazione acida di fenoli e di ioni anilinio in acqua. OH O - NH 3 + NH 2 X X In questi casi i gruppi elettron-attrattori (+R) hanno una forte interazione con i centri reazionali (OH e NH 2 ). X X

96 Struttura ed attività 88 Per ultimo si è cercato di valutare una costante σ del sostituente priva di effetti di accoppiamento. Si è preso nuovamente in considerazione un centro di reazione che fosse separato dal fenile da un gruppo definito interruttore di coniugazione. Classico è l acido fenilacetico variamente sostituito. Si è visto che: ~ σ m = σ m ~ σ p = σ p per (+R) σ p > σ p per (-R)

97 Il valore σ di ogni singolo sostituente è dato da: una componente induttiva σ I una componente di risonanza σ R. Struttura ed attività 89 Taft ha affrontato questo problema ed ha proposto le seguenti equazioni: σ m = σ Im + σ Rm = σ I σ p = σ Ip + σ Rp = σ I + ασ R + σ R Queste equazioni si basano su due assunzioni: Y Y X: X - + Y Y X+ - X l effetto induttivo è costante in quanto non risente della posizione meta o para,; L effetto di risonanza esercitato dallo stesso sostiutente sulla posizione meta è pari ad 1/3 (α) dell effetto sulla posizione para in virtù di della delocalizzazione dell effetto sulla posizione orto che a sua volta influenzerebbe per effetto induttivo il centro reazionale.

98 È ovvio che in valore assoluto σ Rp» σ Rm. Struttura ed attività 90 Possiamo calcolare l effetto σ I dalle due equazioni precedenti nel seguente modo: σ I = σ m - ασ R ma σ R = σ p - σ I sostituendo avremo: σ I = σ m -ασ p 1-α Da questa formula si può ricavare la componente induttiva di qualsiasi sostituente del quale si conoscano le σ m e σ p. In alternativa si può determinare l effetto σ I utilizzando sistemi nei quali il sostituente non può esercitare effetti di risonanza.

99 Struttura ed attività 91 X COOH Determinazione della Ka di dissociazione, in soluzione etanolica 50%, di acidi biciclo[2.2.2] ottano-1-carbossilici sostituiti in 4 con X. 1 σ = σ I = log 1,464 K K 0 In questa formula il valore 1,464 è una costante che serve a rapportare i valori di σ sulle scale di valori di σ.

100 Struttura ed attività 92 Parametri sterici utilizzati nel QSAR Per uno studio quantitativo di Relazione Struttura- Attività in una serie di farmaci bisogna poter disporre di opportuni descrittori molecolari che permettano di valutare le variazioni di energia libera G s dovute alle interazioni steriche specifiche farmaco-recettore. Queste interazioni sono parametrizzate utilizzando diverse grandezze molecolari: Costanti steriche di Taft E s Raggi di van der Waals r s Costanti steriche di Charton ν Costanti steriche multidimensionali L, B 1 -B 4 Rifrazione Molare MR Volume molare Mv Paracoro [P] Connettività molare χ

101 Struttura ed attività 93 Costante sterica di Taft (E s ) determinata confrontando le velocità di idrolisi di esteri etilici. Tali idrolisi sarebbero influenzate solo dall ingombro sterico dell estere. E s = log(k/k 0 ) A R 2 Sostituenti più ingombranti del metile hanno valori di E s negativi quelli meno ingombranti (H) valori di E s positivi. Secondo alcuni autori i sostituenti influenzerebbero la velocità d idrolisi anche tramite effetti iperconiugativi. Raggio di van der Waals (r s ) COOEt Un singolo atomo viene considerato a top sferico e dotato quindi di un solo raggio di van der Waals. R 1 R

102 Struttura ed attività 94 Sostituenti con simmetria diversa posseggono più raggi di van der Waals uno per ciascun atomo. Parametri di van der Waals per sostituenti sferici

103 Struttura ed attività 95 Questi sostituenti non ci consentono di descrivere interazioni steriche complesse. Verloop ha sviluppato pertanto una serie di parametri sterici (Sterimol) che permettono di caratterizzare l ingombro sterico di un sostituente qualunque in cinque direzioni. Si prende la conformazione più probabile in soluzione acquosa e si definiscono i cinque raggi come segue: L lunghezza del sostituente presa nella direzione del legame che lo unisce al resto della molecola; B1-B4 sono quattro dimensioni del sostituente misurate perpendicolarmente a L e rappresentano raggi crescenti B 1 <B 2 <B 3 <B 4.

104 Struttura ed attività 96 Volume molare (M v ) rappresenta il volume occupato da una mole di liquido. M w M v = d Il volume molare di una sostanza, misurato alla temperatura di ebollizione, è una grandezza additiva e rappresenta la somma dei volumi equivalenti degli elementi. Il Paracoro [P] è una grandezza fisica strettamente legata al volume molecolare. M w [P] = γ 1/4 d = densità del vapore γ = tensione superficiale d-d Rappresenta il volume molare di un liquido misurato in condizioni di tensione superficiale unitaria.

105 Struttura ed attività 97 Sia il Paracoro che il volume molare vengono usati per quantificare effetti sterici di tipo intermolecolare nell interazione farmaco-recettore. Si può però ricorrere alla rifrazione molecolare (MR) che è strettamente legata a loro. Può essere utilizzata per valutare le forze di dispersione di London ed in particolare le interazioni idrofobiche tra gruppi che interagiscono senza perdere le molecole d acqua d isratazione. n 2-1 MR = M v n 2 +2 Per molte sostanze liquide 0.21 < (n 2-1)/(n 2 +2) < 0.34 Poiché alla MR concorrono effetti elettronici, sterici e idrofobici diventa difficile valutarne il contributo nella relazione struttura-attività.

106 Struttura ed attività 98 Possiamo concludere che, in una serie di composti strutturalmente correlati, la relazione tra la [C] necessaria per avere un certo effetto biologico e i vari parametri visti prima viene espressa dall equazione: log(1/c i ) = a 1 P 1(i) + a 2 P 2(i) + a 3 P 3(i) +.. a m P m(i) + b. dove P sono i vari parametri chimico-fisici indipendenti che possono caratterizzare la dipendenza del farmaco (i) dai contributi di energia libera. n maggiore di m affinché si possano calcolare le costanti a 1, a 2 a m e b con l analisi di regressione. Hansch e Fujita hanno proposto un metodo per descrivere quantitativamente le relazioni tra l attività biologica e i descrittori molecolari che prende il nome di relazioni lineari tra energia libera (LFER)

107 Struttura ed attività 99 È anche definito approccio extratermodinamico in quanto si basa su descrittori ricavati, come abbiamo visto, da velocità di reazione o da costanti di equilibrio. Il metodo più semplice prevede l uso della regressione multipla linare (MLR). Per ottenere relazioni statisticamente significative bisogna applicare semplici regole empiriche quali: Il rapporto tra composti e descrittori molecolari utilizzati deve essere >5; I descrittori utilizzati non devono essere intercorrelati. Qualora i valori dei descrittori non siano disponibili, si possono utilizzare delle variabili indicatrici che denotano la presenza o l assenza di un certo aspetto strutturale.

108 Struttura ed attività 100 Esempi: ottimizzazione degli inibitori della Cicloossigenasi. R 2 R 3 N S R 1 COOH Per i soli derivati sostituiti al benzene si ottiene un equazione dalla quali si deduce che la sostituzione con un gruppo elettron-attrattore favorisce l interazione (coefficiente positivo di σ IR1 ). Me N S Cl COOH Successivamente gli autori applicano la regressione lineare a tutti i sostituenti utilizzati. Sebbene usino sei variabili l equazione risulta statisticamente rilevante.

109 Struttura ed attività 101 R 2 N R 1 Me N Cl R 3 S COOH S COOH Dall equazione si evince che i valori di π indipendenti dalla posizione. sono Oltre a fattori idrofobici entrano in gioco anche l ingombro sterico ( L) ed una variabile indicatrice I iso assegnata ai composti che in R 2 hanno un gruppo isopropilico Inoltre si ricava che i sostitutenti devono essere: lipofili (coefficiente positivo di π); Piccoli (valore negativo del coefficiente L relativo alla lunghezza del sostituente).

110 Struttura ed attività 102 Analoghi sostituiti dell amminotetralina come inibitori del uptake della noradrenalina usati come antidepressivi. R 6 OMe R 7 R 4 R 8 R 9 N R 2 R 3 N Et π R3 e π R9 sono le costanti lipofile dei relativi sostituenti; logp rappresenta la lipofilia complessiva della molecola;

111 Struttura ed attività 103 (π R9 ) 2 indica un valore ottimale di lipofilia per tale sostituente. Inoltre il coefficiente positivo del termine logp significa che un incremento di lipofilia della molecola ha un effetto positivo sull affinità. Compaiono poi delle variabili indicatrici I che prendono valore 1 o 0. R 6 OMe R 7 R 4 R 8 R 9 N R 2 R 3 N Et

112 Struttura ed attività 104 Progettazione di farmaci Individuata una struttura base che abbia buone potenzialità farmacologiche si inizia l indagine relativa alle variazioni strutturali condotte al fine di implementare l attività. Bisogna selezionare i sostituenti che, presi nel minor numero, possano dare il massimo delle informazioni. Un primo approccio consiste nel scegliere sostituenti caratterizzati da una opportuna varianza nei valori di di σ e di π trascurando gli altri parametri. Per essere certi di rispettare i requisiti di varianza e non collinearità si fa ricorso al diagramma di Craig.

113 Struttura ed attività 105 Si riportano in un sistema cartesiano i valori parametrici di σ e di π relativi ad una serie di sostituenti che coprano l intervallo di variabilità delle costanti desiderate. +σ; -π +σ; +π -σ; -π -σ; +π

114 Struttura ed attività 106 Si dovranno scegliere almeno dieci sostituenti che cadano nei quattro quadranti del diagramma. Bisogna far sì che essi comunque cadano in tutto le zone dei quadranti e non in sole aree limitate. Questo per evitare di avere dati inattendibili. Es per composti la cui attività è fortemente influenzata dalla lipofilia, scegliendo i sostituenti qui di seguito riportati si può creare una distribuzione che non ci consente di valutare il tipo di correlazione. log(1/c) idrofili CONH2, NHSO2CH3, CH3SO2, NHOH tutti attorno ad un valore di π = -1,2 π lipofili C(CH3)3 E SF5 etc tutti con valori di π = +1,8.

115 Struttura ed attività 106

116 Struttura ed attività 107 Metodo di Topliss Topliss ha ideato un metodo empirico secondo il quale un composto può essere immediatamente saggiato per guidare la sintesi dei prodotti successivi. Procedendo per fasi successive è possibile identificare le interazioni che svolgono un ruolo determinate nell azione biologica. Questo metodo di indagine non richiede l utilizzo di programmi statistici particolari. Può essere applicato sia a composto aromatici che a derivati alifatici.

117 Aromatici Struttura ed attività 108 Composto dotato di discreta attività e recante un anello aromatico non sostituito. Poiché spesso i sistemi sono influenzati positivamente dall aumento della lipofilia, introduciamo in para un atomo di Cl (π=+0.70 e σ=0.23) e se ne valuta l attività.

118 Struttura ed attività 109

119 Struttura ed attività 110 Se è più attivo ciò può dipendere sia dalla lipofilia che dall aumentato effetto elettron-attrattore. Si introduce in meta un Cl (π=+0.76 e σ=0.37). Si valuta l attività. + m-cf 3, (π=+1,21 e σ=0.43). Per verificare effetto elettronico si introduce nel m- CF 3 il p-no2 (π=+0.24 e σ=0.78). = Lipofilia troppo elevata (π = +1,6) o ingombro sterico? p-cf3, (π=+1,07 e σ=0.54) senza sostituente in meta. - Br (π=+1,19 e σ=0.23) o I (π=+1,43 e σ=0.28). Si aumenta π ma non σ. 2,4 dicloro

120 Struttura ed attività 111 Se è equi attivo si può pensare che la lipofilia debba essere bilanciata con un effetto elettron donatore. Si introduce in para un CH 3 (π=+0.60 e σ=-0,17). Si valuta l attività. + p-c(ch 3 ) 3 (π=+1,68 e σ=- 0,20). Se meno o equi attivo effetto sterico? 3,4-CH 3. = o - Ciò è dovuto ad ingombro sterico o alla lipofilia? m-cl (π=+0,76 e σ=0.37)