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Introduzione alla Chimica Farmaceutica
Introduzione alla Chimica Farmaceutica Introduzione alla Chimica Farmaceutica SECONDA EDIZIONE Graham L. Patrick Per il capitolo SINTESI COMBINATORIALE E SINTESI IN PARALLELO, coautore John Spencer Titolo originale: An Introduction to MEDICINAL CHEMISTRY, 4th ed. Copyright © 2009, Graham L. Patrick Edizione italiana Introduzione alla Chimica Farmaceutica – II edizione © 2010, EdiSES srl – Napoli 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2015 2014 2013 2012 2011 2010 Le cifre sulla destra indicano il numero e l’anno dell’ultima ristampa effettuata. STOP A norma di legge, le pagine di questo volume non possono essere fotocopiate o ciclostilate o comunque riprodotte con alcun mezzo meccanico. La Casa Editrice sarebbe particolarmente spiacente di dover promuovere, a sua tutela, azioni legali verso coloro che arbitrariamente non si adeguano a tale norma. L’Editore Fotocomposizione: EdiSES srl – Napoli Stampato presso: Tipolitografia Petruzzi Corrado & Co. s.n.c. Zona Ind. Regnano – Città di Castello (PG) per conto della EdiSES – Napoli http://www.edises.it ISBN 978 88 7959 663 3 e-mail: [email protected] Hanno collaborato all’edizione italiana Paola Conti Istituto di Chimica Farmaceutica e Tossicologia Università degli Studi di Milano Giovanni Greco Dipartimento di Chimica Farmaceutica e Tossicologica Università degli studi di Napoli, Federico II Giovanni Lentini Dipartimento Farmaco-Chimico Università degli Studi di Bari Marco Macchia Dipartimento di Scienze Farmaceutiche Università degli Studi di Pisa Antonio Macchiarulo Dipartimento Chimica e Tecnologia Del Farmaco Università degli Studi di Perugia Antonello Mai Dipartimento di Chimica e Tecnologia del Farmaco Università degli Studi di Roma, Sapienza Marco Mor Dipartimento Farmaceutico Università degli Studi di Parma Maurizio Recanatini Dipartimento di Scienze Farmaceutiche Università degli Studi di Bologna Paolo Tortorella Dipartimento Farmaco-Chimico Università degli studi di Bari Revisione a cura di: Gabriele Costantino Dipartimento Farmaceutico Università degli Studi di Parma Prefazione alla Quarta Edizione Inglese Questo libro è diretto a studenti, di laurea o dottorato, che già posseggono basi di chimica e che intendono sostenere gli esami di chimica farmaceutica. Questo libro prova a trasmettere, attraverso uno stile leggibile ed accattivante, la comprensione delle fasi della progettazione dei farmaci e del meccanismo molecolare attraverso cui un farmaco esplica la sua azione in un organismo. In questo percorso il libro sottolineerà sovente l’ importanza della chimica farmaceutica nelle nostre vite, ed il fascino di una disciplina che abbraccia la chimica, la biochimica, la fisiologia, la microbiologia, la biologia cellulare e la farmacologia. Il libro sarà perciò di interesse per tutti quegli studenti cui piacerebbe una carriera futura nell’ industria farmaceutica. Sulla base del successo delle prime tre edizioni, ma anche dei suggerimenti e delle opinioni dei lettori, abbiamo introdotto una riorganizzazione ed un aggiornamento dei capitoli. Alcuni esempi applicativi che prima erano compresi nei capitoli, ora costituiscono parti a sé stanti. Sono stati aggiunti due nuovi esempi, sulle statine e sulla artemisinina come agente antimalarico. Dopo l’ introduzione, il libro è diviso in cinque parti: • La parte A contiene sei capitoli che trattano la struttura e la funzione di importanti bersagli per farmaci, quali recettori, enzimi e acidi nucleici. Quegli studenti che hanno già familiarità con la biochimica troveranno questi capitoli un utile ripasso. • La parte B copre la farmacodinamica nei capitoli 7-10 e la farmacocinetica nel capitolo 11. La farmacodinamica è lo studio di come un farmaco interagisce con il suo bersaglio molecolare e delle conseguenze di questa interazione. La farmacocinetica studia i fenomeni che consentono al farmaco di raggiungere il suo sito d’azione. • La parte C tratta i principi generali e le strategie adottate nella scoperta e nella progettazione di nuovi farmaci e nel loro sviluppo fino alla clinica. • La parte D si occupa dei cosiddetti “ferri del mestiere” del chimico farmaceutico, la QSAR, la chimica combinatoriale e la progettazione assistita da calcolatore. • La parte E tratta una selezione di argomenti specifici di chimica farmaceutica: antibatterici, antivirali ed anticancro; agenti colinergici e anticolinesterasici; adrenergici, analgesici oppiodi e farmaci antiulcera. In un certo senso, questi capitoli riflettono il cambio di interesse nella chimica farmaceutica. Agenti antibatterici, colinergici, adrenergici ed oppiacei hanno una lunga storia, e gran parte del loro sviluppo è stato basato su variazioni casuali della loro struttura, attraverso un approccio “prova e sbaglia”. Questo approccio, lungi dall’essere ottimale, ha portato comunque all’ individuazione e alla definizione di varie strategie che potrebbero essere usate in maniera più razionale nella progettazione e nello sviluppo di farmaci. Lo sviluppo della cimetidina, un farmaco antiulcera (capitolo 25), rappresenta uno dei primi esempi di approccio razionale alla progettazione dei farmaci. Tuttavia, la vera rivoluzione nella chimica farmaceutica è consistita negli enormi progressi nella biologia molecolare e nella genetica, che hanno consentito di apprezzare in maniera dettagliata la struttura ed il funzionamento delle macromolecole bersaglio di farmaci. Questo, affiancato dal sempre più frequente uso della modellistica molecolare e della cristallografia a raggi X, ha rivoluzionato la chimica farmaceutica. Lo sviluppo di inibitori delle proteasi di HIV (capitolo 20) è un esempio brillante di questo approccio moderno. G. L. P. Dicembre 2008 Prefazione alla Seconda Edizione Italiana Con questa seconda edizione italiana, curata sulla quarta edizione inglese, la EdiSES propone un testo che, profondamente modificato ed arricchito rispetto alla prima edizione italiana, riflette appieno i cambiamenti che la chimica farmaceutica ha vissuto nell’ ultimo decennio. La chimica farmaceutica tende a caratterizzarsi sempre più per i suoi connotati transdisciplinari, che richiedono una preparazione, ed anche un vocabolario, sempre più trasversali e dinamici. Per questo motivo il lettore italiano troverà molti capitoli che richiamano, a volte anche in dettaglio, concetti di farmacologia, biologia molecolare e biochimica. Lungi dal costituire un appesantimento alla lettura, questi capitoli possono costituire un valido strumento di ripasso per gli studenti, soprattutto di CTF e Farmacia, al terzo e quarto anno di corso, ma anche una rapida guida di riferimento per coloro che si avvicinano alla chimica farmaceutica da altre discipline, soprattutto durante i corsi di Dottorato di Ricerca. Grande spazio è dato ai cosidetti “ferri del mestiere”, agli strumenti di lavoro del chimico farmaceutico. Sono trattati in dettaglio molti aspetti della chimica computazionale, delle relazioni quantitative struttura-attività e della chimica combinatoriale, riflettendo anche questo un’ impostazione oramai acquisita nella formazione del chimico farmaceutico italiano. Nella seconda parte del libro vengono proposti argomenti selezionati di chimica farmaceutica. La varietà degli argomenti scelti è molto ampia, e copre, con uniformità di trattazione, aspetti storici, chimico-sintetici, progettuali e biologici. Lo studente troverà grande beneficio nel seguire le varie tappe che portano al farmaco, dall’ idea originale allo sviluppo e all’ottimizzazione farmacocinetica. In questo, molto utile è l’ uso dei “Riquadri”, che di volta in volta approfondiscono punti particolarmente rilevanti, senza far perdere fluidità alla lettura del capitolo. La scelta degli argomenti trattati naturalmente riflette le preferenze e la sensibilità dell’autore, e non è, di per sè, sufficiente a coprire tutta la parte sistematica che viene di norma svolta nei corsi di Chimica Farmaceutica I e II nei corsi di Laurea in CTF e Farmacia. Sarà senz’altro cura del docente che vorrà adottare questo testo completare la trattazione con appunti di lezione. Questa seconda edizione italiana dell’ Introduzione alla Chimica Farmaceutica è stata curata con grande competenza e professionalità da un team di docenti italiani (Paola Conti, Giovanni Greco, Giovanni Lentini, Marco Macchia, Antonio Macchiarulo, Antonello Mai, Marco Mor, Maurizio Recanatini e Paolo Tortorella) cui va il merito della riuscita dell’opera. Parma, Gennaio 2010 Gabriele Costantino Informazioni sul libro La nuova edizione di Introduzione alla Chimica Farmaceutica offre allo studente molti strumenti didattici. Questa sezione ne illustra i contenuti e spiega come possono essere convenientemente utilizzati per comprendere meglio questa affascinante disciplina. Parole chiave in grassetto La terminologia specifica è stampata in grassetto e definita in un Glossario, in fondo al libro. Il Glossario aiuterà ad acquisire familiarità con il linguaggio della chimica farmaceutica. Riquadri I Riquadri sono usati per presentare in dettaglio alcuni argomenti selezionati, e per mostrare come concetti di chimica farmaceutica sono applicati realmente. I riquadri sono classificati in tre tematiche: Interesse generale, Sintesi e Correlazioni cliniche. Vedi a pagina XXI per una lista completa. Concetti chiave Alla fine dei paragrafi principali, dei rapidi sommari sottolineano i concetti più importanti e forniscono una utile base per lo studio. Domande Alla fine di ogni capitolo, una serie di domande aiuterà a valutare il grado di comprensione e di apprendimento dei concetti presentati in quel capitolo. mente alla macromolecola, con una forza di legame circa 200-400 kJ mol-1. La gran parte di essi, però, interagisce attraverso legami non covalenti, più deboli. Queste forme di interazioni sono solitamente descritte come legami intermolecolari e comprendono legami elettrostatici (o ionici), legami ad idrogeno, interazioni dipolo-dipolo e interazioni idrofobiche. (Occorre osservare che lo stesso tipo di interazioni possono stabilirsi all’ interno della stessa molecola, ed in questo caso sono definite interazioni intramolecolari; vedi ad esempio la loro importanza nella struttura delle proteine, paragrafi 2.2 e 2.3). Nessu- Una lista di letture consigliate aiuterà ad approfondire argomenti di particolare interesse. 1.3 Forze di legame intermolecolari Esistono diversi tipo di interazioni di legame intermolecolari che si differenziano per la forza di legame. Il nu- RIQUADRO 12.8 La “click chemistry” in situ Dall’assemblaggio di frammenti all’interno del sito attivo dell’enzima acetilcolinesterasi è stato ottenuto un inibitore femtomolare dell’enzima stesso. Uno dei due frammenti contiene un gruppo azidico, mentre l’altro un gruppo acetilenico terminale. H2N In presenza dell’enzima, entrambi i frammenti si legano al sito attivo in posizione opportuna per dar luogo ad una cicloaddizione 1,3 dipolare irreversibile, formando in tal modo in situ l’inibitore. Tale reazione è stata indicata come “click chemistry in situ”. NH2 H2N cicloaddizione N (CH2)4 alchino NH2 N (CH2)5 • Le strategie volte al direzionamento dei farmaci verso determinati tessuti o cellule portano, con buona probabilità, a farmaci più sicuri perché caratterizzati da minori effetti collaterali. che essi siano efficacemente convertiti nelle corrispondenti forme attive dopo l’assorbimento nel torrente circolatorio ed è anche importante assicurarsi che tutti i prodotti derivanti dall’attivazione non siano tossici. • I farmaci possono essere legati ad amminoacidi o alle basi degli acidi nucleici per essere direzionati verso le cellule in stato di rapida riproduzione e crescita. 14.6.1 I profarmaci come mezzo per migliorare la permeabilità di membrana CONCETTI CHIAVE • L’azione dei farmaci può essere confinata al tratto gastrointestinale progettandone varianti completamente ionizzate o altamente polari; in questa forma non riescono ad attraver- 14.6.1.1 Esteri come profarmaci I profarmaci si sono dimostrati utilissimi per mascherare DOMANDE 1. La proflavina è un agente antibatterico topico che si intercala nel DNA batterico e fu usata per trattare soldati feriti in Estremo Oriente durante la Seconda Guerra Mondiale. Quale è il ruolo (se ce n’è uno) dell’anello triciclico e dei gruppi amminici primari? Il farmaco non può essere usato per via sistemica. Suggerisci perché. H N Letture consigliate di legame. Lo studio di come i farmaci interagiscono con i loro bersagli macromolecolari attraverso le interazioni di legame viene definito farmacodinamica. Consideriamo ora un po’ più in dettaglio i vari tipi di interazioni intermolecolari. N NH nell’evoluzione della vita, quando l’atmosfera della Terra consisteva di gas quali acido cianidrico e metano. È anche stato possibile sintetizzare l’adenina dall’acido cianidrico. Considera la struttura dell’adenina e identifica in che modo molecole di acido cianidrico possono fungere da blocchi costitutivi di questa molecola 4. Il codice genetico implica che tre basi codifichino per un singolo amminoacido (il codice a triplette). Perciò, una Proflavina LETTURE CONSIGLIATE Berg, C., Neumeyer, K., and Kirkpatrick, P. (2003) Teriparatide. Nature Reviews Drug Discovery, 2, 257–258. Burke, M. (2002) Pharmas market. Chemistry in Britain, June, 30–32 (antibodies). Duncan, R. (2003) The dawning era of polymer therapeutics. Nature Reviews Drug Discovery, 2, 347–360. Matthews, T., et al. (2004) Enfuvirtide: the first therapy to inhibit the entry of HIV-1 into host CD4 lymphocytes. Nature Reviews Drug Discovery, 3, 215–225. Moreland, L., Bate, G., and Kirkpatrick, P. (2006) Abatacept Nature Reviews Drug Discovery, 5, 185–186. Ezzell, C. (2001) Magic bullets fly again. Scientific American, October, 28–35 (antibodies). Opalinska, J. B., and Gewirtz, A. M. (2002) Nucleic-acid therapeutics: basic principles and recent applications. Nature Reviews Drug Discovery, 1, 503–514. G Pardridge W M (2002) Drug and gene targeting to the lli C R dR b t S M ( d ) (1994) Fl l Appendici Appendice 3 Alla fine del testo sono presenti una serie di appendici ed un ricco glossario per una rapida consultazione. Trattamenti statistici impiegati nelle QSAR Per illustrare come alcuni parametri statistici quali r, s e F sono derivati ed impiegati, faremo uso del seguente esempio numerico. Lo studio comprende 6 composti (n = 6). Yexp è il logaritmo dell’attività biologica osservata per ciascun composto e X è un parametro chimico-fisico. L’equazione QSAR che può esser derivata dai dati potrebbe è Yexp -Ycalc (Fig. A3.1). Questa differenza è elevata al quadrato per ciascun composto e i valori così ottenuti sono sommati a dare la “somma dei quadrati” (sum of squares, SScalc) SSmean è una misura di quanto l’attività sperimentale differisce dalla media di tutte le attività sperimentali, e rappresenta la situazione in cui non si definisce nessuna correlazione con Informazioni sul centro di riferimento online Il centro di riferimento online fornisce una raccolta di materiale didattico e di approfondimento di rapido uso e consultazione. Il materiale in lingua inglese è consultabile gratuitamente, ed è pensato come un utile complemento al testo. Il materiale è consultabile e scaricabile all’ indirizzo www.oxfordtextbooks.co.uk/orc/patrick4e/ Supporti didattici per gli studenti Strutture 3D ruotabili Domande on-line Modelli 3D interattivi di molecole selezionate nel testo. Tutti i modelli sono stati gentilmente forniti dal Dr. James Keeler dell’ University of Cambridge. Un insieme di domande a risposta multipla, in inglese, è disponibile per ciascun capitolo. Aggiornamenti Aggiornamenti vengono curati ogni sei mesi. Supporti didattici per i docenti I docenti che utilizzano il testo a scopo didattico possono scaricare dal sito www.edises.it, previa registrazione all’area docenti, le immagini del volume in formato PowerPoint. Indice essenziale Lista dei riquadri xxi 1 Farmaci e bersagli per i farmaci: una panoramica 1 PARTE A Bersagli dei farmaci 2 Proteine: struttura e funzione 17 3 Enzimi: struttura e funzione 30 4 Recettori: struttura e funzione 42 5 Recettori e trasduzione del segnale 58 6 Acidi nucleici: struttura e funzione 71 PARTE B Farmacodinamica e farmacocinetica 7 Enzimi come bersagli di farmaci PARTE D Metodi nella chimica farmaceutica 16 Sintesi combinatoriale e sintesi in parallelo 307 17 Il computer nella chimica farmaceutica 332 18 Relazioni quantitative struttura chimica-attività biologica (QSAR) 377 ■ Esempio applicativo 5: Progettazione di un inibitore della timidilato sintasi 403 ■ Esempio applicativo 6: Progettazione di un antagonista serotoninergico come possibile agente ansiolitico 407 PARTE E Argomenti selezionati in chimica farmaceutica 87 8 Recettori come bersagli di farmaci 101 19 Agenti antibatterici 9 Acidi nucleici come bersagli di farmaci 119 20 Agenti antivirali 475 10 Altri bersagli di farmaci 135 21 Agenti anticancro 519 11 Farmacocinetica ed argomenti correlati 152 22 Colinergici, anticolinergici e anticolinesterasici 579 177 23 Farmaci attivi sul sistema nervoso adrenergico 609 ■ Esempio applicativo 1: Le statine PARTE C Scoperta, progettazione e sviluppo dei farmaci 421 24 Gli analgesici oppiodi 632 25 Farmaci antiulcera 653 ■ Esempio applicativo 7: Lo stato attuale della ricerca nell’ambito dei farmaci antidepressivi 683 12 La scoperta dei farmaci: identificazione di un prototipo 187 13 Progettazione dei farmaci: ottimizzazione delle interazioni con il bersaglio 212 14 Progettazione dei farmaci: ottimizzazione dell’accesso al bersaglio 242 15 L’introduzione dei farmaci sul mercato 268 ■ Esempio applicativo 2: La progettazione di ACE-inibitori 285 ■ Esempio applicativo 3: Artemisinina e farmaci antimalarici correlati 292 ■ Esempio applicativo 4: Un caso particolare: l’oxamnichina 298 Appendice 1: Aminoacidi proteinogenici 689 Appendice 2: Il codice genetico standard 690 Appendice 3: Trattamenti statistici impiegati nelle QSAR 691 Appendice 4 : Funzionamento del sistema nervoso 694 Appendice 5: Microrganismi 698 Glossario Titoli per approfondimenti Indice analitico 701 719 721 Indice Lista dei riquadri 1 Farmaci e bersagli per i farmaci: una panoramica xxi 1 1.1 Cos’è un farmaco? 1 1.2 Bersagli per i farmaci 3 3 4 1.2.1 1.2.2 Struttura della cellula Bersagli dei farmaci a livello molecolare 1.3 Forze di legame intermolecolari 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 Legami elettrostatici o ionici Legami a idrogeno Interazioni di van der Waals Interazioni dipolo-dipolo e ione-dipolo Interazioni repulsive Il ruolo dell’acqua ed interazioni idrofobiche 1.4 Problematiche farmacocinetiche e farmaci 6 5 6 8 9 9 10 11 3.3 Il sito attivo di un enzima 31 3.4 Il legame del substrato al sito attivo 32 3.5 Il ruolo catalitico degli enzimi 33 33 34 34 35 36 36 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.5.6 Interazioni di legame Catalisi acido-base Gruppi nucleofili Cofattori Denominazione e classificazione degli enzimi Polimorfismo genetico ed enzimi 3.6 Regolazione degli enzimi Riquadro 3.1 Il controllo esterno di enzimi da parte dell’ossido nitrico 3.7 Isozimi 36 38 39 3.8 Cinetica enzimatica: l’equazione di Michealis- Menten 4 Recettori: struttura e funzione 39 42 1.5 Classificazione dei farmaci 11 4.1 Ruolo dei recettori 1.6 Nomenclatura dei farmaci 12 4.2 Neurotrasmettitori e ormoni 42 4.3 Tipi e sottotipi di recettori 45 PARTE A Bersagli dei farmaci 2 Proteine: struttura e funzione 17 2.1 Struttura primaria delle proteine 17 2.2 Struttura secondaria delle proteine 18 18 18 18 2.2.1 2.2.2 2.2.3 α-eliche Foglietti β Piegamenti β 2.3 Struttura terziaria delle proteine 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 19 Legami covalenti: legami disolfuro 21 Legami ionici o elettrostatici 21 Legami a idrogeno 21 Interazioni di van der Waals ed idrofobiche 22 Importanza relativa delle interazioni di legame 23 Ruolo del legame peptidico planare 23 2.4 Struttura quaternaria delle proteine 23 2.5 Modifiche traduzionali e post-traduzionali 25 2.6 Proteomica 26 2.7 Funzioni delle proteine 26 27 27 27 28 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 Proteine strutturali Proteine di trasporto Enzimi e recettori Proteine varie ed interazioni proteina-proteina 3 Enzimi: struttura e funzione 3.1 Enzimi come catalizzatori 30 30 3.2 In che modo gli enzimi abbassano le energie di attivazione? 31 42 4.4 Attivazione dei recettori 45 4.5 Come cambia forma il sito di legame? 45 4.6 Recettori canale 47 47 48 49 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 Principi generali Struttura Apertura e chiusura Canali ionici operati da ligandi e operati dal voltaggio 4.7 Recettori accoppiati a proteine G 4.7.1 4.7.2 4.7.3 Principi generali Struttura La famiglia rodopsina-simile di recettori accoppiati a proteine G 4.8 Recettori associati a kinasi 4.8.1 4.8.2 4.8.3 4.8.4 Principi generali Struttura dei recettori tirosina kinasici Meccanismo di attivazione dei recettori tirosina kinasici Recettori associati a tirosina kinasi 4.9 Recettori intracellulari 49 50 50 51 52 53 53 54 54 55 56 4.10 Regolazione dell’attività recettoriale 56 4.11 Polimorfismo genetico e recettori 57 5 Recettori e trasduzione del segnale 58 5.1 Vie di trasduzione del segnale per recettori accoppiati a proteine G 5.1.1 Interazione del complesso ligando-recettore con proteine G 5.1.2 Vie di trasduzione del segnale che coinvolgono la subunità α 58 58 59 XII Indice 5.2 Trasduzione del segnale che coinvolge proteine G e adenilato ciclasi 5.2.1 Attivazione dell’adenilato ciclasi da parte della subunità αS 5.2.2 Attivazione della proteina kinasi A 5.2.3 Proteine Gi 5.2.4 Aspetti generali della cascata di segnalazione che coinvolge AMP ciclico 5.2.5 Ruolo del dimero βγ 5.2.6 Fosforilazione Riquadro 7.3 Substrati suicidi 60 60 60 61 62 63 63 5.3 Trasduzione del segnale che coinvolge proteine G e fosfolipasi C 5.3.1 Effetto della proteina G sulla fosfolipasi C 5.3.2 Azione del secondo messaggero diacilglicerolo 5.3.3 Azione del secondo messaggero inositolo trifosfato 5.3.4 Resintesi del fosfatidilinositolo difosfato 64 65 65 66 5.4 Trasduzione del segnale che coinvolge recettori associati a kinasi 5.4.1 Attivazione di proteine di segnalazione ed enzimi 5.4.2 Piccole proteine G 5.4.3 Attivazione di guanilato ciclasi da parte di recettori kinasici 6 Acidi nucleici: struttura e funzione 6.1 Struttura del DNA 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 Struttura primaria del DNA Struttura secondaria del DNA Struttura terziaria del DNA Cromatine Polimorfismo genetico e medicina personalizzata 6.2 Acido ribonucleico e sintesi proteica 6.2.1 6.2.2 6.2.3 Struttura dell’RNA Trascrizione e traduzione Piccoli RNA nucleari 94 Riquadro 7.4 Progettare farmaci selettivi per isozimi 95 7.7 Usi terapeutici di inibitori enzimatici Inibitori enzimatici usati contro microrganismi 7.7.2 Inibitori enzimatici usati contro virus 7.7.3 Inibitori usati contro enzimi del nostro organismo Riquadro 7.5 Azione di tossine su enzimi 67 67 68 69 71 71 71 71 74 76 76 76 76 77 79 95 7.7.1 7.8 Cinetica enzimatica 64 94 7.6 Selettività di isozima degli inibitori 7.8.1 7.8.2 Grafici di Lineweaver-Burk Confronto di inibitori 8 Recettori come bersagli di farmaci 95 96 96 97 98 98 99 101 8.1 Introduzione 101 8.2 La progettazione di agonisti 101 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 I gruppi di legame Posizione dei gruppi di legame Dimensione e forma Farmacodinamica e farmacocinetica Esempi di agonisti Modulatori allosterici 8.3 La progettazione di antagonisti 8.3.1 Antagonisti che agiscono al sito di legame Riquadro 8.1 Antagonisti come marcatori molecolari Riquadro 8.2 L’estradiolo ed il recettore per gli estrogeni 8.3.2 Antagonisti che agiscono fuori dal sito di legame 101 102 104 104 104 105 105 105 107 108 110 8.4 Agonisti parziali 110 8.5 Agonisti inversi 111 8.6 Desensibilizzazione e sensibilizzazione 111 8.7 Tolleranza e dipendenza 113 6.3 Malattie genetiche 80 8.8 Tipi e sottotipi recettoriali 113 6.4 Biologia molecolare e ingegneria genetica 81 8.9 Affinità, efficacia e potenza 115 9 Acidi nucleici come bersagli di farmaci PARTE B Farmacodinamica e farmacocinetica 7 Enzimi come bersagli di farmaci 7.1 Inibitori che agiscono al sito attivo di un enzima 7.1.1 Inibitori reversibili Riquadro 7.1 Una cura per l’avvelenamento da antigelo 7.1.2 Inibitori irreversibili 7.2 Inibitori che agiscono a siti di legame allosterici 87 87 87 88 89 89 119 9.1 Farmaci intercalanti che agiscono sul DNA 119 9.2 “Veleni” della topoisomerasi: non intercalanti 121 9.3 Agenti alchilanti e metallanti 123 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.6 Mostarde azotate Nitrosouree Busulfan Cisplatino Decarbazina e procarbazina Mitomicina C 123 124 125 125 126 127 Riquadro 7.2 Inibizione irreversibile per il trattamento dell’obesità 9.4 Tagliatori di catena 128 90 9.5 Terminatori di catena 129 7.3 Inibitori incompetitivi e non-competitivi 90 9.6 Controllo della trascrizione genica 130 9.7 Agenti che agiscono sull’RNA 131 131 131 7.4 Analoghi dello stato di transizione: inibitori della renina 91 7.5 Substrati suicidi 92 9.7.1 9.7.2 Agenti che legano i ribosomi Terapia antisenso Indice XIII 10 Altri bersagli di farmaci 10.1 Proteine di trasporto come bersagli di farmaci 135 135 10.2 Proteine strutturali come bersagli di farmaci 135 10.2.1 Proteine strutturali virali come bersagli di farmaci 135 10.2.2 La tubulina come bersaglio di farmaci 135 Riquadro 10.1 Farmaci antidepressivi che agiscono sulle proteine di trasporto 136 10.3 Unità biosintetiche di costruzione come bersagli di farmaci 138 10.4 Processi biosintetici come bersagli di farmaci: terminatori di catena 10.5 Interazioni proteina-proteina Riquadro 10.2 Modulazione delle interazioni fattore di trascrizione-coattivatore 10.6 Lipidi come bersagli di farmaci 10.6.1 Molecole ad “effetto tunnel” 10.6.2 Trasportatori di ioni 10.7 Carboidrati come bersagli di farmaci 10.7.1 Glicomica 10.7.2 Antigeni e anticorpi Riquadro 10.3 Glicosfingolipidi 11 Farmacocinetica ed argomenti correlati 139 139 140 143 144 146 147 147 148 149 152 11.1 Farmacodinamica e farmacocinetica 152 11.2 Assorbimento di farmaci 152 11.3 Distribuzione dei farmaci 154 154 154 155 155 155 155 156 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.3.5 11.3.6 11.3.7 Distribuzione nel circolo sanguigno Distribuzione ai tessuti Distribuzione alle cellule Altri fattori di distribuzione La barriera emato-encefalica La barriera placentare Interazioni tra farmaci 11.4 Metabolismo dei farmaci 11.4.1 Metabolismo di fase I e fase II 11.4.2 Trasformazioni di fase I catalizzate da enzimi citocromo P450 11.4.3 Trasformazioni di fase I catalizzate da monoossigenasi flavina-dipendenti 11.4.4 Trasformazioni di fase I catalizzate da altri enzimi 11.4.5 Trasformazioni di fase II 11.4.6 Stabilità metabolica Riquadro 11.1 Metabolismo di un agente antivirale 11.4.7 L’ffetto di primo passaggio 11.5 Eliminazione dei farmaci 156 156 157 160 160 160 163 164 166 166 11.6 Somministrazione dei farmaci 11.6.1 11.6.2 11.6.3 11.6.4 11.6.5 11.6.6 11.6.7 167 Somministrazione orale 167 Assorbimento attraverso le membrane mucose 168 Somministrazione rettale 168 Somministrazione topica 168 Inalazione 168 Iniezione 169 Impianti 169 11.7 Dosaggio dei farmaci 11.7.1 Emivita di un farmaco 170 171 11.7.2 Concentrazione allo stato stazionario 11.7.3 Tolleranza al farmaco 11.7.4 Biodisponibilità 171 171 172 11.8 Formulazione 172 11.9 Veicolazione dei farmaci 172 ■ Esempio applicativo 1: Le statine 177 PARTE C Scoperta, progettazione e sviluppo dei farmaci 12 La scoperta dei farmaci: identificazione di un prototipo 187 12.1 La scelta della malattia 187 12.2 La scelta del bersaglio 187 187 187 12.2.1 I bersagli dei farmaci 12.2.2 La scoperta dei bersagli dei farmaci Riquadro 12.1 Bersagli scoperti negli ultimi anni: le caspasi 12.2.3 Specificità verso il bersaglio e selettività tra le specie 12.2.4 Specificità verso il bersaglio e selettività nell’organismo umano 12.2.5 Selettività dei farmaci nei confronti di organi e tessuti specifici 12.2.6 Le insidie Riquadro 12.2 Le insidie connesse con la scelta di determinati bersagli 12.2.7 Farmaci multibersaglio Riquadro 12.3 Indagini iniziali per valutare la potenziale tossicità 12.3 La scelta del saggio biologico 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.3.6 12.3.7 12.3.8 12.3.9 12.3.10 12.3.11 La scelta del saggio Saggi in vitro Saggi in vivo Validità dei saggi Saggi ad alta produttività Saggi basati sulla risonanza magnetica nucleare (NMR) Saggi di affinità Risonanza plasmonica di superficie Test di scintillazione per prossimità Calorimetria isotermica di titolazione Screening virtuale 12.4 L’identificazione del prototipo 12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.4.4 12.4.5 Screening di sostanze di origine naturale Medicina popolare Screening di “librerie” di prodotti di sintesi Farmaci già esistenti Progettazione di farmaci a partire da ligandi o modulatori naturali Riquadro 12.4 Ottimizzazione selettiva degli effetti collaterali (SOSA) Riquadro 12.5 Prototipi da ligandi naturali 12.4.6 Sintesi combinatoriale e sintesi in parallelo 12.4.7 Progettazione assistita dal computer 12.4.8 Il caso e la preparazione per sfruttarne i suggerimenti Riquadro 12.6 Esempi di casi fortuiti 188 189 189 190 190 190 191 191 192 192 193 193 194 194 194 195 196 196 196 196 197 197 199 200 200 202 202 204 204 204 205 205 XIV Indice 12.4.9 Ricerca assistita da computer su banche dati molecolari 12.4.10 La scoperta di prototipi attraverso l’ uso di frammenti molecolari Riquadro 12.7 Utilizzazione della spettroscopia NMR per la ricerca di prototipi Riquadro 12.8 La “click chemistry” in situ 12.4.11 Proprietà dei prototipi 206 206 207 208 209 12.5 Isolamento e purificazione 209 12.6 Determinazione della struttura 209 12.7 Medicamenti di origine vegetale 210 13 Progettazione dei farmaci: ottimizzazione delle interazioni con il bersaglio 13.1 Relazioni struttura-attività 13.1.1 Ruolo dei gruppi alcolici e fenolici nell’ interazione con il bersaglio 13.1.2 Ruolo degli anelli aromatici nell’ interazione con il bersaglio 13.1.3 Ruolo degli alcheni nell’ interazione con il bersaglio 13.1.4 Ruolo dei chetoni e delle aldeidi nell’ interazione con il bersaglio 13.1.5 Ruolo dei gruppi amminici nell’ interazione con il bersaglio 13.1.6 Ruolo dei gruppi ammidici nell’ interazione con il bersaglio 13.1.7 Ruolo dei gruppi ammonici quaternari nell’ interazione con il bersaglio 13.1.8 Ruolo dei gruppi carbossilici nell’ interazione con il bersaglio 13.1.9 Ruolo dei gruppi esterei nell’ interazione con il bersaglio 13.1.10 Ruolo degli alogenuri alchilici e arilici nell’ interazione con il bersaglio 13.1.11 Ruolo dei gruppi tiolici ed eterei nell’ interazione con il bersaglio 13.1.12 Ruolo di altri gruppi funzionali nell’ interazione con il bersaglio 13.1.13 Ruolo dei gruppi alchilici e dello scheletro carbonioso nell’ interazione con il bersaglio 13.1.14 Ruolo degli eterocicli nell’ interazione con il bersaglio 13.1.15 Isosteri 13.1.16 Saggi biologici 13.2 Identificazione del farmacoforo 13.3 Ottimizzazione dei farmaci: strategie adottate nella progettazione 13.3.1 Variazione dei sostituenti 13.3.2 Estensione della struttura 13.3.3 Allungamento/accorciamento di catene Riquadro 13.1 Uso della tattica dell’estensione 13.3.4 Espansione/contrazione di cicli 13.3.5 Variazione della natura dei cicli 13.3.6 Fusione di cicli 13.3.7 Isosteri e bioisosteri 13.3.8 Semplificazioni strutturali Riquadro 13.2 Semplificazione 13.3.9 Irrigidimento della struttura 212 212 213 214 215 215 215 216 218 218 219 219 220 220 220 220 222 222 223 225 225 227 227 228 228 229 229 230 232 233 234 Riquadro 13.3 Tattiche di irrigidimento nella progettazione dei farmaci 236 13.3.10 Gruppi in grado di operare un blocco conformazionale (“conformational blockers”) 237 13.3.11 Progettazione dei farmaci basata sulla struttura del sito d’ interazione (“structure-based drug design”) e modellistica molecolare 237 13.3.12 Progettazione dei farmaci mediante NMR 238 13.3.13 Il contributo di fortuna e intuito 238 Riquadro 13.4 Un colpo di fortuna 239 14 Progettazione dei farmaci: ottimizzazione dell’accesso al bersaglio 14.1 Ottimizzazione delle proprietà idrofile/lipofile 242 242 14.1.1 Variazione dei sostituenti alchilici ed acilici come strategia per modificare la polarità 14.1.2 Variazione dei gruppi funzionali polari come strategia per modificare la polarità 14.1.3 Variazione dei sostituenti N-alchilici come strategia per modificare il pKa 14.1.4 Variazione dei sostituenti aromatici come strategia per modificare il pKa 14.1.5 Bioisosteri dei gruppi polari Riquadro 14.1 Uso dei bioisosteri per favorire l’assorbimento 243 243 244 244 244 245 14.2 Modifiche del farmaco finalizzate al miglioramento della resistenza nei confronti della degradazione chimica ed enzimatica 245 14.2.1 Protezioni steriche 245 14.2.2 Bioisosteri ed effetti elettronici 246 14.2.3 Modificazioni stereoelettroniche 246 14.2.4 Sostituenti che bloccano il metabolismo (“metabolic blockers”) 246 14.2.5 Rimozione o sostituzione di gruppi sensibili al metabolismo 247 14.2.6 Spostamento di gruppi 247 14.2.7 Variazione di anelli e di sostituenti sugli anelli 249 14.3 Progettazione del farmaco finalizzata alla diminuzione della stabilità metabolica 14.3.1 Introduzione di gruppi suscettibili di metabolismo 14.3.2 Farmaci che si autodistruggono Riquadro 14.2 Riduzione del tempo di vita di un farmaco 249 249 249 250 14.4 Progettazione del farmaco finalizzata al suo direzionamento 251 14.4.1 Direzionamento verso le cellule tumorali: farmaci “cerca e distruggi” 251 14.4.2 Direzionamento verso il tratto gastroenterico 251 14.4.3 Direzionamento verso regioni che risultano periferiche rispetto al sistema nervoso centrale 251 14.5 Progettazione del farmaco finalizzata alla riduzione della tossicità 14.6 Profarmaci 14.6.1 I profarmaci come mezzo per migliorare la permeabilità di membrana Riquadro 14.3 Variazione dei gruppi esterei nei profarmaci 251 252 252 253 Indice XV 14.6.2 I profarmaci come mezzo per prolungare la durata d’azione 254 Riquadro 14.4 Profarmaci come mezzo per mascherare tossicità ed effetti collaterali 255 14.6.3 I profarmaci come mezzo per mascherare la tossicità e gli effetti collaterali dei farmaci 256 14.6.4 I profarmaci come mezzo per ridurre la solubilità in acqua 256 Riquadro 14.5 Profarmaci come mezzo per migliorare la solubilità in acqua 256 14.6.5 I profarmaci come mezzo per migliorare la solubilità in acqua 257 14.6.6 Profarmaci usati per il direzionamento dei farmaci 257 14.6.7 Profarmaci come mezzo per migliorare la stabilità chimica 257 14.6.8 Profarmaci attivati da fattori esterni (farmaci dormienti) 258 14.7 Associazioni di farmaci 258 258 14.7.1 Farmaci “sentinella” 14.7.2 Confinamento dell’attività di un farmaco in un’area specifica 14.7.3 Potenziamento dell’assorbimento 259 259 14.8 Composti endogeni 259 259 14.8.1 I neurotrasmettitori 14.8.2 Ormoni naturali, peptidi e proteine come farmaci 14.8.3 Anticorpi come farmaci 260 261 14.9 Peptidi e peptidomimetici nella progettazione dei farmaci 14.9.1 Peptidomimetici 14.9.2 Farmaci peptidici 262 262 264 14.10 Oligonucleotidi come farmaci 264 15 L’introduzione dei farmaci sul mercato 268 15.1 Saggi preclinici e clinici 15.1.1 Saggi di tossicità 15.1.2 Studi sul metabolismo dei farmaci Riquadro 15.1 Studi del metabolismo nella progettazione dei farmaci 15.1.3 Farmacologia, saggi di formulazione e di stabilità 15.1.4 Saggi clinici 15.2 La brevettazione e le norme regolatorie 15.2.1 I brevetti 15.2.2 Norme regolatorie 15.3 Lo sviluppo chimico e di processo 15.3.1 Lo sviluppo chimico Riquadro 15.2 La sintesi dell’ebalzotano 15.3.2 Lo sviluppo di processo Riquadro 15.3 Sintesi dell’ ICI D7114 15.3.3 La scelta del farmaco candidato per l’ immissione sul mercato 15.3.4 I prodotti naturali 268 268 270 270 271 271 274 274 276 278 278 279 280 280 281 282 ■ Esempio applicativo 2: La progettazione di ACE-inibitori 285 ■ Esempio applicativo 3: Artemisinina e farmaci antimalarici correlati 292 ■ Esempio applicativo 4: Un caso particolare: l’oxamnichina 298 PARTE D Metodi nella chimica farmaceutica 16 Sintesi combinatoriale e sintesi in parallelo 307 16.1 La sintesi combinatoriale e la sintesi in parallelo nella chimica farmaceutica 307 16.2 Tecniche di sintesi combinatoriale in fase solida 308 16.2.1 Il supporto solido 16.2.2 Il gruppo di ancoraggio (“linker”) 16.2.3 Gruppi protettori e strategia sintetica 309 310 311 16.3 Il metodo “combina e suddividi” (“mix and split”) nella sintesi combinatoriale 312 16.4 Determinazione della struttura dei composti attivi 313 16.4.1 Etichettatura 16.4.2 Fotolitografia 313 315 16.5 Esempi di chimica combinatoriale 316 16.6 Sintesi combinatoriale dinamica 318 Riquadro 16.1 Sintesi combinatoriale dinamica di dimeri della vancomicina 319 16.7 Pianificazione di una sintesi combinatoriale 320 16.7.1. “Nuclei centrali” (“scaffold”) a forma di ragno 320 16.7.2. Progettazione di molecole farmaco-simili (“drug-like”) 321 16.7.3 I “nuclei centrali” (“scaffold”) 321 16.7.4 Variazione dei sostituenti 321 Riquadro 16.2 Esempi di “nuclei centrali” (“scaffold”) 322 16.7.5 Progettazione di librerie di composti per l’ottimizzazione del composto guida 323 16.7.6 Librerie progettate al computer 323 16.8 Valutazione dell’attività 16.8.1 Screening ad alta efficienza 16.8.2 Saggio “su pallina” o “fuori dalla pallina” di resina 16.9 Sintesi in parallelo 323 323 324 324 326 16.9.1 Estrazione in fase solida 16.9.2 Uso di resine nella sintesi organica in fase di soluzione (“solution phase organic synthesis”, SPOS) 326 16.9.3 Reagenti su supporto solido: l’approccio “cattura e rilascia” (“catch and release”) 327 16.9.4 Tecnologia basata sull’ impiego di microonde 328 16.9.5 I microfluidi nella sintesi in parallelo 329 17 Il computer nella chimica farmaceutica 332 17.1 Meccanica molecolare e quanto-meccanica 332 332 332 333 17.1.1 Meccanica molecolare 17.1.2 Quanto-meccanica 17.1.3 Scelta del metodo 17.2 Disegno di formule di struttura 333 17.3 Strutture tridimensionali 333 17.4 Minimizzazione dell’energia 334 Riquadro 17.1 Minimizzazione dell’energia di un modello dell’apomorfina 334 17.5 Visualizzazione di molecole tridimensionali 335 17.6 Dimensioni molecolari 335 17.7 Proprietà molecolari 336 336 17.7.1 Cariche parziali XVI Indice 17.7.2 Potenziali elettrostatici molecolari 17.7.3 Orbitali molecolari Riquadro 17.2 Studio degli orbitali HOMO e LUMO 17.7.4 Transizioni spettroscopiche 17.7.5 Uso di griglie tridimensionali per misurare proprietà molecolari 337 338 339 339 339 17.8 Analisi conformazionale 341 17.8.1 Minimi locali e globali di energia 341 17.8.2 Dinamica molecolare 341 17.8.3 Rotazione graduale (“step-wise”) dei legami 342 Riquadro 17.3 La dinamica molecolare per identificare conformazioni di strutture cicliche 343 17.8.4 Metodo Monte Carlo e algoritmo di Metropolis 343 17.8.5 Algoritmi genetici ed evoluzionistici 345 17.9 Confronto e sovrapposizione di strutture 346 17.10 Identificazione della conformazione attiva 347 17.10.1 Cristallografia ai raggi X 348 17.10.2 Confronto di ligandi rigidi e non rigidi 348 Riquadro 17.4 Identificazione di una conformazione attiva 348 17.11 Identificazione di un farmacoforo tridimensionale 17.11.1 Cristallografia ai raggi X 17.11.2 Confronto strutturale di composti attivi 17.11.3 Identificazione automatica di farmacofori 17.12 Procedure di “docking” 17.12.1 Docking manuale 17.12.2 Docking automatico 17.12.3 Definizione della superficie molecolare del sito di legame 17.12.4 Docking rigido sulla base della complementarietà sterica 17.12.5 Uso di griglie tridimensionali nei programmi di docking 17.12.6 Docking rigido mediante appaiamento di gruppi di legame a idrogeno 17.12.7 Docking rigido di ligandi flessibili: il programma FLOG 17.12.8 Docking di ligandi flessibili: programmi di ricostruzione del ligando a partire da gruppi “àncora” 17.12.9 Docking di ligandi flessibili: “simulated annealing” ed algoritmi genetici 350 350 350 350 352 352 352 352 353 356 377 18.1 Grafici ed equazioni 377 18.2 Proprietà chimico–fisiche 378 379 18.2.1 Idrofobicità Riquadro 18.1 Alterazione di log P per rimuovere effetti collaterali a carico del SNC 381 18.2.2 Effetti elettronici 382 Riquadro 18.2 Attività insetticida di dietil fenilfosfati 384 18.2.3 Fattori sterici 384 18.2.4 Altri parametri chimico–fisici 385 18.3 Equazione di Hansch 385 Riquadro 18.3 Equazione di Hansch per una serie di composti antimalarici 386 18.4 Il grafico di Craig 387 18.5 Lo schema di Topliss 388 18.6 Bioisosteri 390 18.7 Approccio di Free-Wilson 390 18.8 Pianificazione di uno studio QSAR 391 18.9 Un caso particolare 391 18.10 3D QSAR 394 18.10.1 Definizione dei campi sterici ed elettrostatici 394 18.10.2 Relazione tra forma e distribuzione elettronica ed attività biologica di un composto 395 18.10.3 Vantaggi della CoMFA rispetto alla QSAR tradizionale 397 18.10.4 Potenziali problemi della CoMFA 397 18.10.5 Altri metodi 3D QSAR 398 18.10.6 Un caso particolare: gli inibitori della polimerizzazione della tubulina 400 ■ Esempio applicativo 5: Progettazione di un inibitore della timidilato sintasi 403 ■ Esempio applicativo 6: Progettazione di un antagonista serotoninergico come possibile agente ansiolitico 407 356 357 357 361 17.13 Ricerca automatica di composti guida mediante screening virtuale di banche dati 18 Relazioni quantitative struttura chimica-attività biologica (QSAR) 362 17.14 Mappatura dei siti di legame nelle proteine 362 17.14.1 Costruzione del modello di una proteina: modellamento per omologia 362 17.14.2. Costruzione di un modello del sito di legame: pseudorecettori 364 Riquadro 17.5 Costruzione di una mappa di un recettore 364 17.15 Progettazione de novo 365 17.15.1 Principi generali della progettazione de novo 365 17.15.2 Progettazione de novo automatica 366 17.16 Pianificazione di una sintesi combinatoriale 373 17.17 Gestione di banche dati 374 PARTE E Argomenti selezionati in chimica farmaceutica 19 Agenti antibatterici 421 19.1 La storia degli agenti antibatterici 421 19.2 La cellula batterica 423 19.3 Meccanismi dell’azione antibatterica 423 19.4 Agenti antibatterici che agiscono nei confronti del metabolismo cellulare (antimetaboliti) 424 19.4.1 Sulfamidici 424 Riquadro 19.1 Analoghi sulfamidici con ridotta tossicità 425 Riquadro 19.2 Trattamento di infezioni intestinali 426 19.4.2 Esempi di altri antimetaboliti 428 19.5 Agenti antibatterici che inibiscono la sintesi della parete cellulare 429 19.5.1 Penicilline 429 Riquadro 19.3 Proprietà cliniche di benzilpenicillina e fenossimetilpenicillina 431 Riquadro 19.4 Pseudomonas aeruginosa 434 Indice XVII Riquadro 19.5 Le isossazolil-penicilline 440 Riquadro 19.6 Aspetti clinici delle penicilline β-lattamasi-resistenti 440 Riquadro 19.7 Profarmaci dell’ampicillina 442 Riquadro 19.8 Aspetti clinici delle penicilline ad ampio spettro 444 19.5.2 Cefalosporine 444 Riquadro 19.9 Sintesi delle cefalosporine con un gruppo metilico in posizione C3 448 Riquadro 19.10 Aspetti clinici delle cefalosporine 450 19.5.3 Altri antibiotici β-lattamici 450 19.5.4 Inibitori delle β-lattamasi 451 Riquadro 19.11 Aspetti clinici dei vari antibiotici β-lattamici 452 19.5.5 Altri farmaci che agiscono sulla biosintesi della parete cellulare batterica 454 Riquadro 19.12 Aspetti clinici di cicloserina, bacitracina e vancomicina 458 19.6 Agenti antibatterici che agiscono sulla struttura della membrana plasmatica 19.6.1 Valinomicina e gramicidina A 19.6.2 Polimixina B 19.6.3 Nanotubi killer 19.6.4 Lipopeptidi ciclici 459 459 459 459 459 19.7 Agenti antibatterici che inibiscono la sintesi proteica: traduzione 459 Riquadro 19.13 Aspetti clinici degli antibiotici agenti sulla membrana plasmatica 460 19.7.1 Amminoglicosidi 460 19.7.2 Tetracicline 461 Riquadro 19.14 Aspetti clinici degli amminoglicosidi 462 19.7.3 Cloramfenicolo 462 19.7.4 Macrolidi 462 Riquadro 19.15 Aspetti clinici di tetracicline e cloramfenicolo 463 19.7.5 Lincosamidi 464 19.7.6 Streptogramine 464 19.7.7 Ossazolidinoni 465 Riquadro 19.16 Aspetti clinici di macrolidi, lincosamidi, streptogramine e ossazolidinoni 465 19.8 Farmaci che agiscono sulla trascrizione e sulla replicazione degli acidi nucleici 19.8.1 Chinoloni e fluorochinoloni 19.8.2 Amminoacridine Riquadro 19.17 Sintesi della ciprofloxacina Riquadro 19.18 Aspetti clinici di chinoloni e fluorochinoloni 19.8.3 Rifamicine 19.8.4 Nitroimidazoli e nitrofurantoina 465 465 466 467 468 Riquadro 19.19 Aspetti clinici di rifamicine ed agenti antibatterici vari 469 19.10.1 Resistenza al farmaco mediante mutazione 19.10.2 Resistenza al farmaco mediante trasmissione genetica 19.10.3 Altri fattori che influenzano la farmaco-resistenza 19.10.4 La strada futura Organoarsenicali come farmaci 469 470 470 470 471 473 20 Farmaci antivirali 475 20.1 Virus e malattie virali 475 20.2 Struttura dei virus 475 20.3 Il ciclo replicativo dei virus 476 20.4 La vaccinazione 477 20.5 Farmaci antivirali: principi generali 478 20.6 Farmaci antivirali contro virus a DNA 479 479 20.6.1 Inibitori della DNA polimerasi virale Riquadro 20.1 Aspetti clinici degli inibitori della DNA polimerasi virale 20.6.2 Inibitori della polimerizzazione della tubulina 20.6.3 Terapia antisenso 482 482 482 20.7 Farmaci antivirali contro virus a RNA: HIV 483 20.7.1 Struttura e ciclo replicativo dell’ HIV 483 20.7.2 Terapia antivirale contro l’ HIV 484 Riquadro 20.2 Aspetti clinici dei farmaci antivirali usati contro l’ HIV 485 20.7.3 Inibitori della trascrittasi inversa 485 20.7.4 Inibitori della proteasi 487 Riquadro 20.3 Aspetti clinici degli inibitori della trascrittasi inversa 488 20.7.5 Inibitori di altri bersagli 500 Riquadro 20.4 Aspetti clinici degli inibitori della proteasi 501 20.8 Farmaci antivirali agenti contro i virus a RNA: virus dell’influenza 20.8.1 Struttura e ciclo replicativo del virus dell’ influenza 20.8.2 Bloccanti del canale ionico: adamantani 20.8.3 Inibitori della neuramminidasi 503 503 505 506 20.9 Farmaci antivirali contro virus a RNA: virus del raffreddore 20.10 Agenti antivirali ad ampio spettro 20.10.1 Agenti contro la sintetasi della citidina trifosfato 20.10.2 Agenti contro l’ idrolasi della Sadenosilomocisteina 20.10.3 Ribavirina (o virazolo) 20.10.4 Interferoni 20.10.5 Anticorpi e ribozimi 20.11 Bioterrorismo e vaiolo 467 468 468 19.9 Agenti vari 19.10 Resistenza ai farmaci Riquadro 19.20 antiparassitari 21 Agenti anticancro 21.1 Il cancro: introduzione 514 515 515 516 516 516 516 517 519 519 21.1.1 Definizioni 519 21.1.2 Le cause del cancro 519 21.1.3 I difetti genetici che causano il cancro: i proto-oncogeni e gli oncogeni 519 21.1.4 Vie di trasduzione del segnale alterate 520 21.1.5 Insensibilità ai segnali inibitori della crescita 521 21.1.6 Alterazioni nella regolazione del ciclo cellulare 521 21.1.7 Apoptosi e proteina p53 522 21.1.8 I telomeri 524 21.1.9 Angiogenesi 524 XVIII Indice 21.1.10 Invasione di tessuti e metastasi 21.1.11 Trattamento del cancro 21.1.12 La resistenza 526 526 528 21.2 Farmaci che agiscono direttamente sugli acidi 21.8 Vari agenti anticancro nucleici 529 21.2.1 Agenti intercalanti 529 Riquadro 21.1 Aspetti clinici degli agenti intercalanti 530 21.2.2 Agenti non intercalanti che inibiscono l’azione degli enzimi topoisomerasi sul DNA 531 Riquadro 21.2 Aspetti clinici degli agenti non intercalanti che inibiscono l’azione delle topoisomerasi sul DNA 531 21.2.3 Agenti alchilanti e metallanti 532 Riquadro 21.3 Aspetti clinici degli agenti alchilanti e metallanti 534 21.2.4 I tagliatori della catena 535 21.2.5 La terapia antisenso 535 21.3 Farmaci che agiscono su enzimi: gli antimetaboliti 21.3.1 Inibitori della diidrofolato reduttasi 21.3.2 Inibitori della timidilato sintetasi Riquadro 21.4 Aspetti clinici degli antimetaboliti 21.3.3 Inibitori della ribonucleotide redattasi 21.3.4 Inibitori dell’adenosina deaminasi 21.3.5 Inibitori della DNA polimerasi 21.3.6 Antagonisti purinici 21.4 Terapie a base di ormoni 21.4.1 Glucocorticoidi, estrogeni, progestinici ed androgeni 21.4.2 Agonisti LHRH 21.4.3 Antiestrogeni 21.4.4 Antiandrogeni 21.4.5 Inibitori dell’aromatasi 21.5 Farmaci che agiscono sulle proteine strutturali Riquadro 21.5 Aspetti clinici delle terapie a base di ormoni 21.5.1 Agenti inibitori della polimerizzazione della tubulina 21.5.2 Agenti che inibiscono la depolimerizzazione della tubulina Riquadro 21.6 Aspetti clinici dei farmaci che agiscono sulle proteine strutturali 21.6 Inibitori delle vie di trasduzione del segnale 21.6.1 Inibizione della farnesil transferasi e della proteina Ras Riquadro 21.7 Sviluppo di un inibitore non peptidico della farnesil trasferasi 21.6.2 Inibitori delle protein chinasi Riquadro 21.8 Metodo generale per la sintesi del gefitinib e dei suoi analoghi Riquadro 21.9 Sintesi generale dell’ imatinib e di suoi analoghi Riquadro 21.10 Progettazione del sorafenib Riquadro 21.11 Aspetti clinici degli inibitori delle chinasi 21.7 Inibitori enzimatici di vario tipo 21.7.1 Inibitori delle metalloproteasi di matrice 21.7.2 Inibitori delle ciclossigenasi 2 21.7.3 Inibitori del proteasoma 21.7.4 Inibitori dell’ istone deacetilasi 21.7.5 Altri bersagli enzimatici 535 535 536 538 538 539 539 540 540 540 541 541 542 542 543 21.8.1 21.8.2 21.8.3 21.8.4 Agenti sintetici Composti di origine naturale Terapia con proteine Modulazione di interazioni tra fattore di trascrizione e coattivatore 21.9 Anticorpi, anticorpi coniugati e terapia genica 21.9.1 Anticorpi monoclonali Riquadro 21.12 Proprietà cliniche degli anticorpi e dei coniugati farmaco-anticorpo 21.9.2 Coniugati farmaco-anticorpo 21.9.3 Terapia con complessi anticorpo-enzima attivatori di profarmaci (“Antibody-Directed Enzyme Prodrug Therapy”, ADEPT Riquadro 21.13 Gemtuzumab: un coniugato farmaco-anticorpo 21.9.4 Terapia con complessi anticorpo-abzima attivatori di profarmaci (“Antibody-Directed Enzyme Prodrug Therapy”, ADAPT) 21.9.5 Terapia con complessi gene-enzima attivatori di profarmaci (“Gene-Directed Enzyme Prodrug Therapy”, GDEPT) 21.9.6 Altre forme di terapia genica 21.10 Terapia fotodinamica 22 Colinergici, anticolinergici e anticolinesterasici 22.1 Il sistema nervoso periferico 565 566 566 567 567 568 569 569 570 570 570 571 572 573 574 574 575 575 579 579 22.2 Fibre nervose motorie del sistema nervoso periferico 22.2.1 Il sistema nervoso motorio somatico 22.2.2 Il sistema nervoso motorio autonomo 22.2.3 Il sistema enterico 580 580 581 581 544 22.3 I neurotrasmettitori 581 544 22.4 Azioni del sistema nervoso periferico 582 22.5 Il sistema colinergico 582 546 547 547 22.5.1 La trasmissione del segnale nel sistema colinergico 22.5.2 Sistemi di controllo presinaptico 22.5.3 Cotrasmettitori 22.6 Agonisti del recettore colinergico 547 551 551 582 583 583 584 22.7 Acetilcolina: struttura, relazioni struttura-attività e legame al recettore 22.8 L’instabilità dell’acetilcolina 585 587 22.9 Progettazione di analoghi dell’acetilcolina 554 556 561 562 563 563 565 587 22.9.1 Impedimento sterico 587 22.9.2 Effetti elettronici 588 22.9.3 Combinazione di effetti sterici ed elettronici 589 22.10 Uso clinico di agonisti colinergici 22.10.1 Agonisti muscarinici 22.10.2 Agonisti nicotinici 589 589 589 22.11 Antagonisti del recettore colinergico muscarinico 590 Indice XIX 22.11.1 Azioni e uso clinico degli antagonisti muscarinici 22.11.2 Antagonisti muscarinici Riquadro 22.1 Marcatura per fotoaffinità 590 590 593 22.12 Antagonisti del recettore colinergico nicotinico 594 22.12.1 Applicazioni degli antagonisti nicotinici 22.12.2 Antagonisti nicotinici 594 594 22.13 Struttura dei recettori 598 22.14 Acetilcolinesterasi ed anticolinesterasici 599 599 599 599 22.14.1 Effetto degli anticolinesterasici 22.14.2 Struttura dell’enzima acetilcolinesterasi 22.14.3 Il sito attivo dell’acetilcolinesterasi 22.15 Farmaci anticolinesterasici 22.15.1 I carbammati 22.15.2 Composti organofosforici 601 601 603 605 22.17 Gli anticolinesterasici come farmaci nootropi (“smart drugs”) Riquadro 22.2 Il licopodio la sa lunga... 23 Farmaci attivi sul sistema nervoso adrenergico 23.1 Il sistema nervoso adrenergico 23.1.1 Il sistema nervoso periferico 23.1.2 Il sistema nervoso centrale 606 607 609 609 609 609 23.2.1 Tipi di recettore adrenergico 609 23.2.2 Distribuzione dei recettori 610 Riquadro 23.1 Aspetti clinici degli agenti adrenergici 611 23.3 Agonisti endogeni dei recettori adrenergici 611 23.4 Biosintesi delle catecolammine 611 23.5 Metabolismo delle catecolammine 612 23.6 Neurotrasmissione 612 612 612 613 23.7 Bersagli molecolari dei farmaci adrenergici 614 23.8 Il sito di legame del recettore adrenergico 614 23.9 Relazioni struttura-attività 615 23.9.1 Gruppi di legame importanti delle catecolammine 23.9.2 Selettività per i recettori α- rispetto ai β-adrenergici 23.10 Agonisti adrenergici 23.10.1 Agonisti adrenergici generali 23.10.2 Agonisti α1-, α2-, β1- e β3-adrenergici 23.10.3 Agonisti β2-adrenergici e trattamento dell’asma Riquadro 23.2 Sintesi del salbutamolo 23.11 Antagonisti del recettore adrenergico 23.11.1 α/ β-bloccanti generali 23.11.2 α-bloccanti adrenergica 626 23.12.1 Farmaci che influenzano la biosintesi 626 23.12.2 Farmaci che inibiscono la ricaptazione della noradrenalina nelle vescicole di deposito 627 23.12.3 Rilascio di noradrenalina dalle vescicole di deposito 627 23.12.4 Inibitori della ricaptazione di noradrenalina nelle terminazioni nervose presinaptiche 627 23.12.5 Inibizione degli enzimi metabolici 629 630 23.12.6 Antagonisti dei recettori α2-adrenergici 632 24.1 Storia dell’oppio 632 24.2 Il principio attivo: la morfina 633 633 633 634 24.2.1 Isolamento della morfina 24.2.2 Struttura e proprietà Riquadro 24.1 Aspetti clinici della morfina 24.3 Relazioni struttura-attività 609 23.2 Recettori adrenergici 23.6.1 Il processo della neurotrasmissione 23.6.2 Cotrasmettitori 23.6.3 Recettori presinaptici e controllo della neurotrasmissione 23.12 Altri farmaci che influenzano la trasmissione 24 Gli analgesici oppioidi 22.16 Pralidossima: un antidoto per gli avvelenamenti da organofosforici 23.11.3 β-bloccanti come farmaci del sistema cardiovascolare 621 Riquadro 23.3 Sintesi delle arilossipropanolammine 623 Riquadro 23.4 Aspetti clinici dei β-bloccanti 623 634 24.4 Bersagli molecolari della morfina: i recettori oppioidi 636 24.5 La morfina: farmacodinamica e farmacocinetica 636 24.6 Analoghi della morfina 638 24.6.1 Variazione dei sostituenti 638 Riquadro 24.2 Sintesi degli analoghi della morfina N-alchilati 639 24.6.2 Omologazione 639 24.6.3 Semplificazione o scomposizione del farmaco 640 24.6.4 Rigidificazione 644 Riquadro 24.3 Gli oppioidi come agenti antidiarroici 644 Riquadro 24.4 Sintesi delle oripavine 645 24.7 Agonisti e antagonisti 647 24.8 Peptidi oppioidi e oppioidi endogeni 648 648 24.8.1 Peptidi oppioidi endogeni Riquadro 24.5 Confronto tra gli effetti dei diversi oppioidi sui loro recettori 24.8.2 Analoghi delle encefaline 24.8.3 Inibitori delle peptidasi 24.8.4 Morfina endogena 24.9 Sviluppi futuri 649 649 650 650 651 615 616 617 617 617 618 619 620 620 620 25 Farmaci antiulcera 25.1 L’ulcera peptica 25.1.1 25.1.2 25.1.3 25.1.4 Definizione Cause Terapia La secrezione acida gastrica 25.2 Gli antagonisti H2 653 653 653 653 653 653 654 25.2.1 L’ istamina ed i recettori istaminergici 655 25.2.2 La ricerca di un “lead” 656 25.2.3 Sviluppo di un prototipo: teoria della chelazione 659 XX Indice 25.2.4 Dagli agonisti parziali agli antagonisti: la scoperta della burimamide 25.2.5 La scoperta della metiamide 25.2.6 La scoperta della cimetidina 25.2.7 Cimetidina Riquadro 25.1 Sintesi della cimetidina 25.2.8 Scoperta di analoghi della cimetidina 25.2.9 Altri antagonisti H2 25.2.10 Confronto tra antagonisti H1 e H2 25.2.11 Gli antagonisti H2 ed i recettori H2 25.3 Inibitori della pompa protonica 25.3.1 25.3.2 25.3.3 25.3.4 25.3.6 Altri inibitori della pompa protonica 660 661 664 665 666 667 670 672 673 673 673 674 675 Le cellule parietali e la pompa protonica Gli inibitori della pompa protonica Meccanismo dell’ inibizione Metabolismo degli inibitori della pompa protonica 676 25.3.5 Progettazione di omeprazolo ed esomeprazolo 676 Riquadro 25.2 Sintesi di omeprazolo ed esomeprazolo 679 679 25.4 L’Helicobacter pylori e l’uso di agenti antibatterici 680 25.4.1 Trattamento 25.5 Farmaci tradizionali e fitoterapici 680 681 ■ Esempio applicativo 7: Lo stato attuale della ricerca nell’ambito dei farmaci antidepressivi 683 Appendice 1: Aminoacidi proteinogenici 689 Appendice 2: Il codice genetico standard 690 Appendice 3: Trattamenti statistici impiegati nelle QSAR 691 Appendice 4: Funzionamento del sistema nervoso 694 Appendice 5: Microrganismi 698 Glossario 707 Titoli per approfondimenti 719 Indice analitico 721 Lista dei riquadri Interesse generale 3.1 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 8.1 8.2 10.1 10.2 10.3 11.1 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 13.1 13.2 13.3 13.4 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 15.1 16.2 17.1 17.2 17.3 17.4 Il controllo esterno di enzimi da parte dell’ossido nitrico 38 Una cura per l’avvelenamento da antigelo 88 Inibizione irreversibile per il trattamento dell’obesità 90 Substrati suicidi 94 Progettare farmaci selettivi per isozimi 95 Azione di tossine su enzimi 97 Antagonisti come marcatori molecolari 107 L’estradiolo ed il recettore degli estrogeni 108 Farmaci antidepressivi che agiscono sulle proteine di trasporto 136 Modulazione delle interazioni fattore di trascrizione-coattivatore 140 Glicosfingolipidi 149 Metabolismo di un agente antivirale 164 Bersagli scoperti negli ultimi anni: le caspasi 188 Le insidie connesse con la scelta di determinati bersagli 190 Indagini iniziali per valutare la potenziale tossicità 191 Ottimizzazione selettiva degli effetti collaterali (SOSA) 202 Prototipi da ligandi naturali 204 Esempi di casi fortuiti 205 Utilizzazione della spettroscopia NMR per la ricerca di prototipi 207 La “click chemistry” in situ 208 Uso della tattica dell’estensione 228 Semplificazione 233 Tattiche di irrigidimento nella progettazione dei farmaci 236 Un colpo di fortuna 239 Uso dei bioisosteri per favorire l’assorbimento 245 Riduzione del tempo di vita di un farmaco 250 Variazione dei gruppi esterei nei profarmaci 253 Profarmaci come mezzo per mascherare tossicità ed effetti collaterali 255 Profarmaci come mezzo per migliorare la solubilità in acqua 256 Studi del metabolismo nella progettazione dei farmaci 270 Esempi di “nuclei centrali” (scaffold) 322 Minimizzazione dell’energia di un modello dell’apomorfina 334 Studio degli orbitali HOMO e LUMO 339 La dinamica molecolare per identificare conformazioni di strutture cicliche 343 Identificazione di una conformazione attiva 348 17.5 18.1 Costruzione di una mappa di un recettore 364 Alterazione di log P per rimuovere effetti collaterali a carico del SNC 381 18.2 Attività insetticida di dietil fenilfosfati 384 18.3 Equazione di Hansch per una serie di composti antimalarici 386 19.1 Analoghi sulfamidici con ridotta tossicità 425 19.2 Trattamento di infezioni intestinali 426 19.5 Le isossazolil-penicilline 440 19.7 Profarmaci dell’ampicillina 442 19.20 Organoarsenicali come farmaci antiparassitari 473 21.7 Sviluppo di un inibitore non peptidico della farnesil transferasi 551 21.10 Progettazione del sorafenib 561 21.13 Gemtuzumab: un coniugato farmaco-anticorpo 573 22.1 Marcatura per fotoaffinità 593 22.2 Il licopodio la sa lunga... 607 24.3 Gli oppioidi come agenti antidiarroici 644 Sintesi 15.2 15.3 16.1 La sintesi dell’ebalzotano Sintesi dell’ICI D7114 Sintesi combinatoriale dinamica di dimeri della vancomicina 19.9 Sintesi delle cefalosporine con un gruppo metilico in posizione C3 19.17 Sintesi della ciprofloxacina 21.8 Metodo generale per la sintesi del gefitinib e dei suoi analoghi 21.9 Sintesi generale dell’imatinib e di suoi analoghi 23.2 Sintesi del salbutamolo 23.3 Sintesi delle arilossipropanolammine 24.2 Sintesi di analoghi della morfina N-alchilati 24.4 Sintesi delle oripavine 25.1 Sintesi della cimetidina 25.2 Sintesi di omeprazolo ed esomeprazolo EA2.1 Sintesi del captopril e dell’enalaprilato EA4.1 Sintesi della oxamnichina 279 280 319 448 467 554 556 619 623 639 645 666 679 290 302 Correlazioni cliniche 19.3 Proprietà cliniche della benzilpenicillina e fenossimetilpenicillina 19.4 Pseudomonas aeruginosa 19.6 Aspetti clinici delle penicilline β-lattamasiresistenti 19.8 Aspetti clinici delle penicilline ad ampio spettro 19.10 Aspetti clinici delle cefalosporine 431 434 440 444 450 XXII Lista dei riquadri 19.11 Aspetti clinici dei vari antibiotici β-lattamici 19.12 Aspetti clinici di cicloserina, bacitracina e vancomicina 19.13 Aspetti clinici degli antibiotici agenti sulla membrana plasmatica 19.14 Aspetti clinici degli amminoglicosidi 19.15 Aspetti clinici di tetracicline e cloramfenicolo 19.16 Aspetti clinici di macrolidi, lincosamidi, streptogramine e ossazolidinoni 19.18 Aspetti clinici di chinoloni e fluorochinoloni 19.19 Aspetti clinici di rifamicine ed agenti antibatterici vari 20.1 Aspetti clinici degli inibitori della DNA polimerasi virale 20.2 Aspetti clinici dei farmaci antivirali usati contro l’HIV 20.3 Aspetti clinici degli inibitori della trascrittasi inversa 20.4 Aspetti clinici degli inibitori della proteasi 452 458 460 462 463 465 468 469 482 485 488 501 21.1 21.2 Aspetti clinici degli agenti intercalanti Aspetti clinici degli agenti non intercalanti che inibiscono l’azione delle topoisomerasi sul DNA 21.3 Aspetti clinici degli agenti alchilanti e metallanti 21.4 Aspetti clinici degli antimetaboliti 21.5 Aspetti clinici delle terapie a base di ormoni 21.6 Aspetti clinici dei farmaci che agiscono sulle proteine strutturali 21.11 Aspetti clinici degli inibitori delle chinasi 21.12 Proprietà cliniche degli anticorpi e dei coniugati farmaco-anticorpo 23.1 Aspetti clinici degli agenti adrenergici 23.4 Aspetti clinici dei β-bloccanti 24.1 Aspetti clinici della morfina 24.5 Confronto tra gli effetti dei diversi oppioidi sui loro recettori EA3.1 Proprietà cliniche di artemisinina e analoghi 530 531 534 537 544 547 562 570 611 623 634 649 296