Modi d’azione del farmaco Farmacoforo “Un farmacoforo è definito come l’insieme dei requisiti sterici e elettronici, in una classe di composti biologicamente attivi, necessari per assicurare l’attività biologica; in generale il farmacoforo può essere considerato l’insieme di requisiti sterici ed elettronici necssari per assicurare interazioni positive tra una molecola biologicamente attiva e il suo target. L’assunzione, in uno studio del farmacoforo, è che tutti i composti di un training set condividono lo stesso meccanismo d’azione e interagiscono con lo stesso target biologico”.

Modi d’azione del farmaco Poiché non sono ancora disponibili dati sperimentali sulla struttura tridimensionale dei recettori della maggior parte dei farmaci di uso terapeutico, modelli farmacoforici ipotetici sono una risorsa importante per cercare di comprendere le interazioni farmaco-recettore a livello molecolare. Analisi conformazionale (determinazione delle conformazioni favorite) Determinazione della disposizione tridimensionale dei gruppi funzionali (procedura di sovrapposizione) Identificazione di un modello farmacoforico “preliminare” e sterico Controllo e consolidamento del modello attraverso calcoli di densità elettronica e definizione dei potenziali elettrostatici molecolari

Modi d’azione del farmaco Parametri chimico-fisici ed attività biologica Ricerca di una correlazione matematica (1870, Crum-Brown and Fraser) Parametri di Solubilità (lipofilicità): Solubilità Coefficiente di ripartizione Attività superficiale (surfactanti) Parametri elettronici (empirici): pKa Ionizzazione Parametri elettronici (non empirici): Energia HOMO/LUMO; Energia di localizzazione elettrofilica e nucleofilica; Carica netta elettronica, momenti di dipolo, etc.

Modi d’azione del farmaco Complementarità farmaco-recettore Si immagina che una classe di farmaci strutturalmente specifici condivida un sito di azione probabilmente localizzato in una porzione di una macromolecola (proteina). Modello “Lock and Key” Interazione reversibile: Interazione irreversibile: Formazione di un complesso Modifica irreversibile altamente specifico farmaco-indotta della macromolecola Il Medicinal Chemist studia la “chiave” cercando di estrarre tutte le informazioni sulla “serratura”. Gli studi relazioni struttura-attività forniscono indirettamente informazioni sulla natura del recettore.

Modi d’azione del farmaco

Modi d’azione del farmaco Fattori che influenzano un’interazione specifica con un recettore A Stereochimica della molecola Configurazione assoluta/preferita Gli studi conformazionali forniscono informazioni sulla struttura più stabile (minimi energetici); non c’è una relazione diretta tra configurazione più stabile e quella responsabile dell’attività biologica. Acetilcolina

Modi d’azione del farmaco Studi conformazionali Conformazione preferita vs attiva Utilità degli analoghi rigidi La ridotta libertà conformazionale fornisce informazioni sulla conformazione attiva

Modi d’azione del farmaco Formazione di un complesso altamente specifico B Distanze interatomiche La distanza tra atomi/gruppi dipende dalla conformazione e da questa distanza può dipendere, in parte, l’attività biologica.

Modi d’azione del farmaco C Distribuzione elettronica “Space-Filling” (CPK) Modello della Dopamina Potenziale Molecolare Elettrostatico della Dopamina

Modi d’azione del farmaco Potenziale Elettrostatico Molecolare Il potenziale elettrostatico è l’energia potenziale di un protone (carica puntiforme) su una particolare posizione vicina ad una molecola. Negativo/attrattivo rosso Positivo/repulsivo blu Maggiori sono le differenze rosso/blu, maggiore è la polarità della molecola. Se la superficie è bianca o di colori chiari, la molecola è fondamentalmente idrofobica.

“Colour-Coded Surface“ Modello della Dopamina Modi d’azione del farmaco C Distribuzione elettronica “Colour-Coded Surface“ Modello della Dopamina Il potenziale elettrostatico correla con il momento di dipolo, l’elettronegatività e le cariche parziali. Fornisce un metodo visivo per comprendere la polarità relativa di una molecola.

Modi d’azione del farmaco C Distribuzione elettronica Dopamina Potenziali HOMO/LUMO

Modi d’azione del farmaco C Potenziali HOMO/LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) Energy – L’energia del più basso orbitale molecolare (LUMO) vuoto è ottenuta da calcoli sugli orbitali molecolari e rappresenta l’affinità elettronica di una molecola o la sua reattività come elettrofilo. Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) Energy – L’energia del più alto orbitale molecolare (HOMO) pieno è ottenuta da calcoli sugli orbitali molecolari ed è correlata al potenziale di ionizzazione di una molecola e alla sua reattività come nucleofilo.

Modi d’azione del farmaco Farmacoforo Principali forze che determinano l’interazione farmaco-sito target (enzima, recettore, etc..). Le interazioni di tipo ionico dipendono dallo stato di protonazione dei gruppi coinvolti. Importanza di pKa e pKb

Modi d’azione del farmaco Energie d’interazione Legame covalente - (170-460) kJ/mol Legame idrogeno - (4-30) kJ/mol Legame ionico - 20 kJ/mol Interazioni idrofobiche - 4 kJ/mol Van der Waals - (2-4) kJ/mol

Modi d’azione del farmaco Il farmacoforo prescinde dalla struttura chimica della molecola. I punti farmacoforici sono rappresentativi delle interazioni chiave che si instaurano tra farmaco e recettore. Accettore di legame Idrogeno Un atomo scelto tra azoto, ossigeno o zolfo (non ipervalente) che presenta un “lone pair” accessibile e una carica netta uguale a zero o negativa. Legame altamente direzionale; il donatore coinvolto nell’interazione deve essere allineato con il doppietto dell’accettore. Anche atomi di alogeni possono essere considerati accettori di legame idrogeno (F, Cl). Donatore di legame Idrogeno Un atomo di idrogeno legato ad un atomo altamente elettronegativo come ossigeno, zolfo e azoto (in alcuni casi si sono osservati legami idrogeno che coinvolgono idrogeni legati ad anelli aromatici).

Modi d’azione del farmaco

Modi d’azione del farmaco Farmacoforo I punti farmacoforici (definizioni) Gruppo idrofobico alifatico (Van der Waals) Un set contiguo di atomi che non sono in prossimità di atomi carichi e/o elettronegativi in una conformazione che ne garantisce l’accessibilità superficiale (metile, etile, isobutile etc.) Gli alogeni (Cl, Br) possono essere considerati idrofobici se legati a gruppi alchilici, arilici, alchenilici. Gruppo idrofobico aromatico (stacking, interazioni p-p) Definizione analoga alla precedente con la restrizione che il set di atomi deve far parte di un nucleo aromatico.

Modi d’azione del farmaco Farmacoforo I punti farmacoforici (definizioni) Gruppo carico (+) Un gruppo con una carica netta positiva in grado di partecipare ad interazioni ioniche (Sali quaternari, ammonio o solfonio). Gruppi basici, importanza degli equilibri, pKb. Gruppo carico (-) Un gruppo con una carica netta negativa in grado di partecipare ad interazioni ioniche. Gruppi acidi, importanza degli equilibri, pKa.

Modi d’azione del farmaco Modello farmacoforico a 4 punti Pharmacophore hypotesis generated by Catalyst®

Modi d’azione del farmaco Farmacoforo Una volta scelto un set di molecole attive ed individuate le possibili “features comuni”, la ricerca di un farmacoforo consiste nella ricerca delle conformazioni per ogni singola molecola che consentono il migliore allineamento dei punti farmacoforici. Al termine della ricerca si genera un’ipotesi: le conformazioni che “mappano” l’ipotesi non devono essere troppo lontane dal minimo energetico. Un set di molecole inattive deve essere utilizzato per controllare l’attendibilità dell’ipotesi.

Modi d’azione del farmaco Farmacoforo Complessità della ricerca farmacoforica Uno stesso gruppo può essere ricondotto, in base alle sue proprietà, a più di un punto farmacoforico (feature). Cl (idrofobico, accettore di legame idrogeno); COOH (donatore, accettore di legame idrogeno, gruppo carico negativo); arile (idrofobico aromatico, idrofobico alifatico); etc...

Modi d’azione del farmaco Farmacoforo Vantaggi della ricerca farmacoforica Gruppi molto diversi possono svolgere un ruolo simile in termini di interazione con il recettore; Emergono analogie che altrimenti non risulterebbero evidenti dall’esame della molecola. BIOISOSTERIA

Modi d’azione del farmaco La ricerca del farmacoforo Sequenza logica delle attività a) studi conformazionali b) analisi delle features c) scelta delle features d) ipotesi di sovrapposizione.

Farmacoforo Requisiti di base per lo studio farmacoforico: Tutti gli analoghi condividono lo stesso meccanismo di azione. Tutti gli analoghi legano il sito in modo comparabile. L’affinità di binding correla con le energie di interazione. L’attività biologica correla con l’affinità di binding.

Farmacoforo Farmacoforo

Farmacoforo ACE Inibitori Analisi delle features

Ipotesi di Farmacoforo - Istamina

Ipotesi di Farmacoforo - Dopamina ? Libertà conformazionale; 2) Ambiguità nell’identificazione delle features

Farmacoforo Ipotesi di Farmacoforo - Dopamina La ciclizzazione irrigidisce la struttura e limita la libertà conformazionale

Ipotesi di Farmacoforo - Dopamina (D/A)??? Distanza tra i punti farmacoforici

Farmacoforo per i ligandi di 5-HT1A Ipotesi di farmacoforo a due punti

Farmacoforo Farmacoforo per gli antagonisti recettoriali ETA Distanza tra i due punti farmacoforici aromatico/ gruppo carico (-)

Farmacoforo per gli antagonisti recettoriali ETA Un’unica ipotesi di farmacoforo per diverse classi di antagonisti