Giovanni Greco » 11.Effetti dei sostituenti sull'attività dei farmaci

Il nucleo centrale o “scaffold”

Nella lezione precedente ci siamo occupati degli approcci alla progettazione di derivati ed analoghi di un composto guida nella ricerca di candidati alla sperimentazione pre-clinica.

Quale che sia l’approccio seguito, le molecole sintetizzate saranno strutturalmente simili al composto di riferimento… a meno che non si cambi il composto guida.

Il tipico scenario delle progettazione è quella di un composto guida costituito da un nucleo centrale o scaffold (es. un sistema eterociclico) sul quale è possibile inserire uno o più sostituenti variabili (es. R₁, R₂, etc.) attraverso uno schema generale di sintesi applicabile alla maggior parte delle molecole progettate.

A lato sono riportati alcuni scaffold già impiegati nelle chimica farmaceutica.

Il nucleo centrale o “scaffold” (segue)

Anche quando il composto guida è una molecola complessa di origine naturale e il chimico farmaceutico ha provveduto a sintetizzare un suo analogo strutturalmente “semplificato”, il problema è quello di realizzare una serie di derivati che condividono uno stesso scaffold e differiscono nella natura dei sostituenti.

A lato è riportata la struttura della chinina e di uno scaffold che rappresenta la sua versione “semplificata” con sostituenti R₁, R₂ legati al sistema chinolinico ed un sostituente R₃ legato all’azoto piperidinico.

In figura: uno scaffold, come versione “semplificata” della chinina, sul quale può essere variata la natura di tre sostituenti.

Effetti dei sostituenti

Nella progettazione di composti simili, che condividono lo stesso scaffold, anche piccole differenze strutturali come, ad esempio, la presenza di un metile al posto di un atomo di idrogeno, possono avere un notevole impatto sulle proprietà fisiche, chimiche e biologiche della molecola.

Se il criterio della fattibilità sintetica deve rimanere la stella polare del chimico farmaceutico (“l’arte del possibile”) occorre stimare gli effetti di un sostituente in una data posizione dello scaffold su proprietà quali la solubilità, la lipofilia, l’ingombro sterico, la libertà conformazionale, la stabilità metabolica, etc. In altre parole, è importante conoscere in anticipo quali proprietà saranno conferite alla nuova molecola attraverso l’introduzione di un particolare sostituente (es. CH₃, Cl, NO₂, OH, NH₂, COOH).

Vale la pena sottolineare che qualsiasi sostituente influenza inevitabilmente tutte le proprietà di una molecola! L’obiettivo è comprendere quali proprietà saranno influenzate in misura prevalente e in che direzione.

In figura: la natura dei sostituenti inseriti su uno scaffold modifica una serie di proprietà fisiche, chimiche e, quindi, farmacologiche.

Effetti dei sostituenti (segue)

In termini qualitativi è possibile classificare i vari sostituenti sulla base alla loro capacità di influenzare alcune proprietà fisiche della molecola (lipofilia, solubilità, comportamento acido-base, profilo conformazionale) o di interagire direttamente con il recettore esercitando i seguenti effetti:

• effetto lipofilo
• effetto elettronico
• effetto sterico

Ad esempio, un gruppo NO₂ esercita un effetto sfavorevole sulla lipofilia (tende ad abbassare il logP della molecola di cui fa parte e a interagire con regioni idrofile piuttosto che idrofobiche del recettore).
Questo stesso gruppo esercita un effetto elettron-attrattore e crea un ingombro sterico relativamente contenuto rispetto ad altri gruppi (es. alchili ramificati).

In figura: ciascun sostituente può essere classificato in base agli effetti lipofili, elettronici e sterici che esercita sulla molecola. In un diagramma in cui ciascuno di questi tre effetti corrisponde ad un asse cartesiano, ciascun sostituente occupa una precisa posizione nello spazio parametrico.

Effetto lipofilo

I sostituenti che contribuiscono ad incrementare la lipofilia della molecola, misurata attraverso il logP, sono privi di atomi che formano legami a idrogeno:

CH₃, C₂H₅, n-C₃H₇, Ph, Cl, Br, I CCl₃, CF₃, SCH₃.

I sostituenti che contribuiscono a ridurre la lipofilia della molecola sono i gruppi che formano legami a idrogeno, sia con l’acqua che con il recettore, e sono ionizzabili al pH fisiologico:

OH, NO₂, COCH₃, SO₂CH₃, CONH₂, NHCOCH₃, CH₂OH, COOH, NH₂.

Alcuni sostituenti contribuiscono in misura trascurabile alla lipofilia complessiva.

F, OCH₃

Di solito la lipofilia e la solubilità in acqua sono proprietà correlate in maniera inversa (maggiore è la lipofilia minore è la solubilità, e viceversa). Questa regola, tuttavia, presenta non poche eccezioni dovute al ruolo dell’energia reticolare, un fattore difficilmente predicibile.
In figura: un metile incrementa il logP, può ridurre la solubilità S₀ della molecola e dar luogo a favorevoli interazioni idrofobiche con il recettore.

Effetto elettronico

L’effetto elettronico di un sostituente può modificare il grado di acidità/basicità di un composto ionizzabile. In particolare, un gruppo elettron-attrattore (es. Cl, NO₂) riduce il pKa di un acido debole e aumenta il pKb di una base debole. Un gruppo elettron-donatore (es. CH₃, C₂H₅) produce effetti opposti.
In un sistema alifatico in cui il sostituente è separato dalla funzione ionizzabile da atomi di carbonio con ibridazione sp³ l’effetto elettronico è esclusivamente di tipo induttivo. Ciò significa che gli eteroatomi saranno sempre elettron-attrattori.
In un sistema aromatico, come quello del benzene, il sostituente esercita effetti elettronici sia induttivi che mesomerici (mediati da elettroni π di atomi con ibridazione sp²). Tali effetti dipendono dalla posizione del sostituente rispetto alla funzione ionizzabile.
Ad esempio, un OH in posizione para rispetto ad un COOH sarà elettron-donatore per risonanza e aumenterà il pKa mentre lo stesso sostituente in posizione meta sarà elettron-attrattore per effetto induttivo e ridurrà il pKa.
In figura: L’effetto elettronico dei sostituenti sul pKa di un acido benzoico dipende dalla loro posizione sul sistema aromatico.

Effetto elettronico (segue)

Nelle interazioni farmaco-recettore, l’interazione a trasferimento di carica coinvolge due anelli aromatici disposti nell’arrangiamento π-stacking.

I sostituenti a rilascio elettronico (es. CH₃, OH, OCH₃) sull’anello del donatore e i sostituenti a richiamo elettronico sull’anello dell’accettore (es. F, Cl, NO₂) favoriscono questo tipo di interazione.

Effetto sterico

L’effetto sterico di un sostituente è di tipo intramolecolare quando si manifesta sulla molecola di cui fa parte contribuendo a ridurre la sua libertà conformazionale. Ad esempio, l’introduzione di un metile su una catena etilenica tende a limitare la libera rotazione intorno ai legami semplici e quindi a ridurre il numero delle conformazioni energeticamente accessibili. Se tra queste conformazioni è presente quella bioattiva, l’effetto di “irrigidimento” può incrementare l’affinità della molecola per il recettore. (n.b. Tale effetto può manifestarsi solo se il gruppo metilico in questione trova spazio nel sito di legame).

L’effetto sterico di un sostituente è di tipo intermolecolare quando influenza l’interazione con altre molecole (recettore, enzimi di metabolizzazione, molecole d’acqua, etc.). Ad esempio, i due gruppi metossilici della meticillina interferiscono stericamente con il legame alle β-lattamasi e in tal modo proteggono questo antibiotico dalla inattivazione idrolitica.
In figura: I metossili nella struttura della meticillina esercitano un effetto sterico che previene il legame di questo antibiotico alle β-lattamasi.

Approccio quantitativo agli effetti dei sostituenti

Negli anni Sessanta Corwin Hansch propose un approccio quantitativo alle relazioni struttura-attività (quantitative structure-activity relationships o QSAR).

In questa lezione illustreremo il metodo di descrizione delle proprietà dei sostituenti attraverso parametri che consentono di quantificare i loro effetto lipofili, elettronici e sterici.

I parametri più utilizzati sono i seguenti:

• costante idrofobica del sostituente (π)
• costante elettronica del sostituente (σ)
• costanti steriche di Verloop (L₁, B₁ e B₅)

In figura: Corwin Hansch ha avuto il merito di impostare lo studio delle relazioni struttura-attività su basi quantitative.

Costante idrofobica del sostituente

La costante idrofobica (π) di Hansch e Fujita esprime il contributo di un sostituente alla lipofilia della molecola. Per una determinata struttura di riferimento, il valore di π del sostituente R (π_R) è uguale alla differenza tra il logP del composto sostituito ed il logP del composto di riferimento, ossia:

π_R = logP_R – logP_H

Nel sistema di riferimento del benzene le costanti idrofobiche del metile e dell’ossidrile sono pari, rispettivamente, a 0,60 e –0,66 (vedi esempi a lato).

La costante idrofobica dell’idrogeno è uguale a zero.

I sostituenti contraddistinti da valori positivi di π sono lipofili e quelli con valori negativi di π sono idrofili.

Costante elettronica del sostituente

I valori della costante elettronica (σ) di Hammett descrive l’effetto elettronico di un sostituente. Questo parametro si misura usando un composto di riferimento ionizzabile.
L’acido benzoico è il composto di riferimento standard per valutare gli effetti elettronici in un sistema aromatico. Il valore di sigma del sostituente R nella posizione para dell’acido benzoico è pari alla differenza tra il pKa dell’acido benzoico ed il pKa dell’acido p-R-benzoico, cioè:

σ_R = pKa_H – pKa_R

In questo sistema di riferimento, la costante elettronica del m-cloro e del p-metossi sono pari, rispettivamente, a 0,47 e a –0,27.
La costante elettronica dell’idrogeno è uguale a zero.

I sostituenti contraddistinti da valori positivi di σ sono elettron-attrattori e quelli con valori negativi di σ sono elettron-donatori.

Costante elettronica del sostituente (segue)

La costante elettronica (σ) di Hammett si applica male ai sostituenti nella posizione orto.
La vicinanza del sostituente al gruppo carbossilico crea una repulsione sterica intramolecolare che forza questo gruppo fuori dal piano dell’anello benzenico.
Tale deviazione comporta una riduzione dell’acidità perché si riduce la coniugazione tra gli elettroni π del carbossile e del benzene.
In pratica, la costante elettronica degli orto-sostituenti risulta dalla somma di effetti sterici oltre che di effetti elettronici.
In figura: la costante elettronica degli orto-sostituenti risente di fattori sterici oltre che elettronici.

Costanti steriche di Verloop

Le costanti steriche di Verloop L, B₁ e B₅ descrivono le dimensioni dei sostituenti modellati al computer usando valori standard per le distanze di legame, gli angoli di valenza ed i raggi di van der Waals.

Il significato geometrico delle costanti steriche di Verloop, espresse in Å, è illustrato nella figura a lato, nella loro applicazione al sostituente CH₂CH₂Cl legato al benzene.
La costante L indica la massima lunghezza del sostituente lungo la direzione del suo legame al benzene; le costanti B₁ e B₅ indicano, rispettivamente, la dimensione minima e quella massima dello stesso sostituente lungo direzioni ortogonali a quella della lunghezza L.

In figura: le costanti steriche di Verloop L, B₁ e B₅ applicate al sostituente CH₂CH₂Cl.

Esercizi

Scegli cinque sostituenti, incluso l’idrogeno, che possano dare informazioni riguardo ad una loro eventuale interazione idrofobica col recettore.

La struttura tridimensionale di un complesso farmaco-recettore suggerisce che il sostituente ideale R dovrebbe accettare un legame a idrogeno e, nello stesso tempo, migliorare un interazione a trasferimento di carica in cui l’anello benzenico al quale è legato funge da donatore (vedi schema a lato).
Suggerisci due sostituenti che soddisfino tali requisiti.

Studi di metabolizzazione condotti su un composto in fase di sperimentazione pre-clinica indicano che un gruppo metilico su un anello piridinico viene massicciamente metabolizzato a gruppo carbossilico (vedi schema a lato). Questa biotrasformazione limita significativamente l’emivita del composto in esame. Suggerisci un paio di modifiche strutturali che potrebbero risolvere questo problema.

Studi di modellistica molecolare suggeriscono che un gruppo amidico dello scaffold potrebbe donare un legame a idrogeno ad un ossigeno del recettore (vedi struttura a lato). Quale sostituente R potrebbe potenziare questa interazione?