Medicinal Chemistry & Molecular DesignPrograma de doctorado: “Mechmod”

Universitat de Girona

Dr. Antonio DelgadoProfesor Titular de la Universidad de BarcelonaFacultad de FarmaciaUnidad de Química Farmacéutica (Unidad Asociada al CSIC) (Abril-Mayo 2009)

UNIVERSITAT DE BARCELONA

MC04: Physico-chemical properties and biological activity

¿Qué es un fármaco?

Compuesto químico de estructura bien definida con utilidad terapéutica o de diagnóstico.Su asociación con los componentes necesarios para proporcionar una forma de dosificación adecuada da lugar al medicamento.

El fármaco es es el principio activo de un medicamento

¿Qué es una droga?

Materia prima de origen animal o vegetal que contiene uno o varios principios activos y que no ha sufrido manipulación, salvo la necesaria para su conservación

Hit: Substance that produces a significant response in a screen (usually isolated enzymes or cell extracts) designed to reveal promising substances.

Lead: A molecular modification of a hit that produces promising activity in a whole cell, intact organ system or whole animal, confirming the relevance of the activity found in the initial screen.

Candidate drug: A lead that shows promising properties in more than one relevant animal species suffering from a model disease.

Clinical candidate: Selected molecule for further development and biological evaluation in humans.

Drug: Molecule that has passed successfully through all the above stages and advances into human use.

Some basic concepts

Stages in new drug discovery and development process

HitCompound

STAGES IN DRUG ACTION

PHARMACEUTICALPHASE

PHARMACOKINETICPHASE

PHARMACODINAMICPHASE

AdministrationLiberation

AbsortionDistributionMetabolismElimination

Drug-receptorinteraction

BIOAVAILABILITY

POTENCY

BIOLOGICALRESPONSE

Estructura de la membrana lipídica

O

P O-O

O

CH2

+N

MeMe

Me

CH CH2

O OO O

O

P O-O

O

NH3+

P O-O

O

CH2 CH CH2

O OO O

CH2 CH CH2

O OO O

OHOH

HO

HO

O

OH

cabeza polar

cola hidrófoba

fosfatidil colina fosfatidil etanolamina fosfatidil inositol

P O-O

O

CH2 CH CH2

O OO O

O

fosfatidil serina

NH3+

COO-

Estructura de algunos de los glicerofosfolípidos más representativos

ADMET

CYP2D6

Distribution BIOAVAILABILITY

HSA

DistributionAlbumin acidic / neutral compoundsAcid 1-glycoprotein basic compounds

N

HN

Cl

O

OH

oxazepam

O O

OH CH3

Owarfarin

• Fixation to plasmatic proteins

• Blood-Brain Barrier (BBB)

• Placenta

• Localization in tumours

Metabolism and Toxicity• Cytochrome P450 enzymes

• First pass effect

• Metabolic polymorphisms

• Activation / deactivation

• Drug interactions

Excretion

N

S CH3

CH3

O

H

COOH

HHN

O

penicillin G

• Lungs: general anaesthetics• Bile• Sweat• kidneys: drug interactions

Procesos que determinan la biodisponibilidad de un fármaco según su vía de administración

La biodisponibilidad es el porcentaje de la dosis de un fármaco que llega hasta el órgano o tejido en el que lleva a cabo su acción.

Circulaciónfármacoligado

absorción

membranalipídica

membranalipídica

interacción con elcentro receptor del órgano diana

RESPUESTA BIOLOGICA

pulmón riñón intestino

metabolismo hepático:activación metabólica

degradación metabólica

almacenamientoen tejido adiposo

administraciónintravenosa

aire espirado orina heces

ruta enteral:oralrectalsublingualespray nasalparche dérmicoaerosol o inhalador

ruta parenteral:inyecciónintramuscular (i. m.)inyecciónsubcutánea (s. c.)

fármacono ligado

PHYSICOCHEMICAL MODELS FOR DRUG TRANSPORT THROUGH MEMBRANES

• Passive Diffusionfrom high to low concentrationdirectly dependent on concentrationno saturation

• Facilitated Diffusionfrom high to low concentrationsaturation

• Active Transportfrom low to high concentrationrequires energysaturation

PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES AFFECTING DRUG DIFFUSION THROUGH MEMBRANES

• Size

• Solubility in water

• Ionization degree (pKa/pH)

• Lipophilicity: partition coefficient

Absorption

dCdt

-K · A (C1 - C2)

d= Ley de Fick

N COO– )

OH )

N COORCOOH

CO NH

R O R' CHO R CO R'

N CO N RO CO N

), carboxilato (amonio (

alcohol, fenol (

amina ( ), ácido carboxílico ( ), éster (

amida ( )

)

éter ( ), aldehído ( ), cetona ( )

urea ( ), carbamato ( )

> 6 carbonos

3 - 4 carbonos

3 carbonos

2 - 3 carbonos

2 carbonos

cada grupo: disuelve:

+

HO

+NH3

COO-

HONH2

COO-

insoluble

HO

+NH3

COOHpH > 7pH < 7

solublesoluble

Solubilidad en agua. Potencial disolvente de algunos grupos funcionales

Grado de ionización

COO-

COOH COOH COO-

NH3 NH2 NH2 NH3

membrana interiorexterior

F

F

F

F

F

F

F

F

+ +

Representación esquemática de la difusión pasiva de un fármaco con un grupo ionizable

(3.2)

Ka

+

Ka = [ RCOO

-] [H

+]

[ RCOOH ]

[ RCOOH ]

[ RCOO-]

[H+] = Ka

[ RCOO-]

[ RCOOH ]-log [H

+] = -log Ka + log

pH = pKa + log[ RCOO

-]

[ RCOOH ]

RCOOH RCOO-

H+

(3.4)

pH = pKa + log[ RCOO

-]

[ RCOOH ]

[ RCOO-]

[ RCOO-] + [ RCOOH ]

% ionización = x 100

% ionización = 100

1 + antilog (pKa - pH)

= grado de ionización = % de ionización

100

1

1 + antilog (pKa - pH) =

Grado de ionización

Ecuación de Henderson-Hasselbach para ácidos

pH = pKa + log[ RNH2

]

[ RNH3+]

[ RNH3+]

[ RNH3+] + [ RNH2 ]

% ionización = x 100

% ionización = 100

1 + antilog (pH - pKa)

(3.5)

= grado de ionización = % de ionización

100

1

1 + antilog (pH- pKa) = (3.3)

Ka+

Ka = [ RNH2

] [H+]

[ RNH3+]

[ RNH3+]

[ RNH2 ]

[H+] = Ka

[ RNH2 ]

[ RNH3+]

- log [H+] = - log Ka + log

pH = pKa + log[ RNH2

]

[ RNH3+]

R-NH3+

R-NH2 H+

Grado de ionización

Ecuación de Henderson-Hasselbach para bases

Solubilidad en lípidos: coeficiente de reparto

=solubilidad en tampón fosfato (pH = 7,4)

solubilidad en n-octanolP

Pexperimental=

1 - P

1 - =

D

Corrección de P en función del grado de ionización

Predicción de la absorción oral a partir de las propiedades físico-químicas: Reglas de Lipinski

Solubilidad en lípidos clog P 5 (log P calculado según Hansch) mlogP 4,15 (log P calculado según Moriguchi)Peso molecular 500Grupos dadores de enlace de hidrógeno 5Grupos aceptores de enlace de hidrógeno 10

nº de enlaces de H dadores

nº d

e e

nla

ces

de

H a

cep

tore

s

peso molecular

log

P (

Mo

rigu

chi)

5

4.15

2

0

-2

200 350 500

12

10

8

6

4

2

0 2 4

• Molecular weight < 500• Lipophilicity, octanol/water partition coefficient

Log P <5• Number of hydrogen bond donors

OH + NH < 5• Number of hydrogen bond acceptors

N + O <10

C. A. Lipinski, F. Lombardo, B. W. Dominy, P. J. Feeney, Adv. Drug Delivery Rev. 23 (1997) 3-25

Metabolismo

•Proceso de destoxificación por el que cualquier fármaco o molécula extraña al organismo (xenobiótico) experimenta diversas transformaciones químicas que tienden a incrementar su solubilidad en agua con objeto de facilitar su eliminación.

•Los procesos de metabolización tienen lugar principalmente en el hígado, aunque también pueden producirse biotransformaciones metabólicas en la mucosa intestinal, pulmones, riñones o plasma.

Metabolismo

En general, se distinguen dos fases en los procesos metabólicos:

Fase I: En la que se crean grupos polares a través de reacciones enzimáticas de oxidación, reducción o hidrólisis.

Fase II: En la que los grupos polares existentes en los xenobióticos o en sus metabolitos de Fase I experimentan procesos de conjugación con moléculas endógenas de elevada polaridad. De este modo se forman especies hidrosolubles que pueden eliminarse por vía renal.

Metabolismo

Procesos metabólicos de Fase I

Oxidaciones

Desalquilaciones(N-, O-, S-)

Reducciones

Procesos metabólicos de Fase I

Hidrólisis

Procesos metabólicos de Fase II: Conjugaciones Glucurónidos, Sulfatos, Conjugación con glutation,

Conjugación con aminoácidos

O NH–COCH3

OHOHO

OH

HOOC

O-glucurónido delparacetamol

HOOC

NH2

O

HN

SH

NH

O

COOH

HN

S

COOH

RO

CH3

glutatión (Glu-Cys-Gly)

1) glutatión-S-transferasa2) cisteil-glicinasa3) acetilasa

ácido mercaptúrico

R-X

OCH2

O OHP

OH

HO

O

OP

OH

O

OS

O

HO

O N

NN

N

NH2

HN CH3HOCH2

HO

OH

CH3 CH3

HN CH3HOCH2

O

OH

CH3 CH3SHO

O

Osalbutamol

(PAPS)

Consecuencias de los procesos metabólicos

Desactivación

Activación

Cambio de actividad

Metabolitos tóxicos

Metabolitos tóxicosFormación de quinonas

HO

HN

O

CH3

O

N

O

CH3

HO

HN

O

CH3

S-Glut

HO

HN

O

CH3

S-Prot.

O

O

HO

OH

O

HN

O

CH3

paracetamol

cit P450 HS-Glut

HS-Prot

alquilaciónirreversible

Hb-Fe2+

metahemoglobinemiaHb-Fe3+

citotoxicidad

R-SH

R-S-S-R

A

radical libre

Toxicidad metabólica del paracetamol

Metabolitos tóxicos“Alertas estructurales”

Structural Alert Reactive metabolite

Aliphatic amines Iminium ion

Alkylhalides Acylhalides

Alkynes Ketene, oxirene

Anilines/anilides Quinone-imine, nitroso metabolite

Arenes, bromoarenes Arene oxide

Benzylamines Nitroso, oxime

Carboxylic acids Acyl glucoronides

Cyclic secondary amines N- Hydroxy or nitroxide metabolite

Cyclopropylamines -Unsaturated carbonyl metabolite

Dibenzazepines Nitrenum ion

Formamides I socyanate

Furans -Unsaturated dicarbonyl

Hydantoins Free radical

Structural Alert Reactive metabolite

Hydrazine, hydrazide Diazene or diazonium ion

Hydroquinones p -Benzoquinone

Methylenedioxyphenyl o- Quinone

3-Methyleneindoles Imine-methide

Michael acceptors I ntrinsic electrophilicity

Nitrobenzenes Nitroso derivativeo- or p -Alkylphenols o- or p- Quinone methide

Sulfonylureas I socyanate

Thiazoles Thioamide, glyoxal

Thiazolidinediones -Ketoisocyanate

Thiols Disulfides

Thiophenes -Unsaturated dicarbonyl

Thioureas S- oxide, isocyanate

A.S.Kalgutkar and J.R. Soglia, Exper.Opin.Drug.Metab.Toxicol. 2005, 1(1), 91-142A.S.Kalgutkar et al., Curr.Drug.Metab. 2005, 6, 161-225

CHEMICAL NATURE OF THE BIOLOGICAL TARGET

Membrane lipids

Proteins enzymesmembrane receptors

1) ion channels2) G-protein-coupled receptors3) kinase-linked receptors 4) intracellular receptors

Nucleic acids

Saccharides (involved in cell signalling)

Lipids: non-specific action on the cellular membrane

• Polyenpolyolic antibiotics

O

O

OH OH

OH

OH OH O

OH

CH3

CH3HOOC

HO

OHOH

O

HO OH

NH2

anfotericina B

• Ionophore antibiotics

Lipids as specific target receptors(lipid rafts)

• Cytoplasmatic membrane microdomains. Aggregates of SLs, cholesterol and proteins that modify the physicochemical properties of the membrane.

• Responsible for antigen presentation, pathogen infections or intracellular trafficking and sorting, among other functions

Dianas biológicas: ProteínasEnzimas

Reactivo

Producto

Estado de transición

Energía de activación

G

sin catalizador

Reactivo

Producto

Nuevo estado de transición

con catalizador

Energía

G

Energía de activación

Energía

tiempo tiempo

Diagrama comparativo del perfil de energía de una reacción química en ausencia y en presencia de un catalizador

E + SES

E + P

ES‡

EP

G°

t

(A) : Inhibidores análogos del sustrato(B) : Inhibidores análogos del producto final(C) : Inhibidores análogos del estado de transición

(A)

(C)

(B)

Aproximaciones generales al diseño de inhibidores enzimáticos

Aproximaciones generales al diseño de inhibidores enzimáticos: Estructura 3D e interacciones ligando-proteína

Rayos XModelización

Conocimiento del centro activo

CHEMICAL NATURE OF THE BIOLOGICAL TARGET

• Membrane lipids

• Proteins enzymesmembrane receptors

1) ion channels2) G-protein-coupled receptors3) kinase-linked receptors 4) intracellular receptors

• Nucleic acids

• Saccharides (involved in cell signalling)

Receptors: 1) ionic channels; 2) G-protein-coupled receptors3) kinase-linked receptors ; 4) intracellular receptors

Secondary messengers: cAMP

Signal amplification: kinase cascade

Intracellular receptors (steroid hormones)

enzimaAB

enzimaBC inhibidorBC

Receptor

Agonista

AntagonistainhibidorAB

AUMENTO DE LA RESPUESTA

BIOLÓGICA

DISMINUCIÓN DE LA RESPUESTA BIOLÓGICA

respuesta biológica

A B

C

Complementariedad entre la inhibición enzimática y la acción directa sobre un receptor específico

Interacción de los fármacos con sus dianas biológicas

G = H – TS (4.9)

Biofase FármacoH<0

S>0

H2O

Interacción de los fármacos con sus dianas biológicasTipos de enlaces

Interacción de los fármacos con sus dianas biológicasEnlace covalente

N

S

O

NH CH3

CH3

O

O

O

R

OHN

H

HH

HN

SNH CH3

CH3

O

O

O

R

N

H

HH

Transpeptidasa

O

CO

Transpeptidasainactivada

Mecanismo de inactivación del enzima transpeptidasa por la acción de un antibiótico ‑lactámico

Interacción de los fármacos con sus dianas biológicasEnlace covalente

XN

X

R

GN

G

R

N

HN

NN

N N

HN

NN

H2N OR

O NH2

O OOP

O

O P

O

R N

Cl

Cl

R N

Cl

R N

Nu

Cl

R N

Nu

Nu

DNADNA con alteraciones

en la secuencia

Nu

Nu

hidrólisis separaciónde purinas

DNA con alteracionesen la secuencia

_

+

_

T A

G C

C G

C G

A T

T A

G C

C G

C G

A T

T A

C

C

+

+

C G

A T

H2O

H2O H2O

Q1 · Q2

K · r2F =

Orientación de la molécula

Efectivos a distancias cortas

Importantes por su abundancia

Enlace iónico

Dipolo: F 1/r4

vdW: F A/r 12-C/r6

ISÓMEROScompuestos con la misma

fórmula empírica

ISÓMEROS ESTRUCTURALEScompuestos que difieren en laconectividad de sus atómos

ESTEREOISÓMEROScompuestos con la misma constitución que

difieren en la disposición espacial de sus átomos

DIASTEREÓMEROSestereoisómeros con distintas distancias

entre átomos o grupos de átomos

ENANTIÓMEROSestereoisómeros con distinta configuración

en todos sus elementos estereogénicos

ISOMERIA

Interacción de los fármacos con sus dianas biológicasTopología molecular: quiralidad

Propiedad de un objeto de ser diferente, y por tantono superponible, con su imagen especular

cheir (griego)= mano La quiralidad es la consecuencia de la presenciade elementos estereogénicos en la molécula

Interacción de los fármacos con sus dianas biológicasTopología molecular: configuración y actividad

Modelo de la interacción por tres puntos

OHN

OH

CH3

CH3

(S)-propanololbloqueante -adrenérgico ER:130

Eutómero: Enantiómero más activo Distómero: Enantiómero menos activo

Cociente Eudísmico (Eudismic Ratio, ER): relación de actividadesde ambos enantiómeros

HN

NH

O

OCH2CF3

CF3CH2O

flecainidaantiarrítmico

*

HO

HO

COOH

NH2H3C

L--metildopaantihipertensivo

Diferencias farmacodinámicas entre enantiómeros

Diferencias farmacocinéticas entre enantiómeros

O O

OH

CH3

O

(S)

Absorción

Unión a proteinas plasmáticas

terbutalina

warfarina

El distómero, (S)-terbutalina, promuevela permeabilidad del eutómero a travésde la membrana intestinal.

in vivo ER: 2-5in vitro ER: 6-8

El eutómero, (S)-warfarina, se encuentramás extensamente unido a proteinasplasmáticas que el distómero.

NHtBu

OH

HO

OH

(R)

Agroquímica

Aditivos alimentarios

CH3

H2C CH3

limoneno(R) olor de limón

(S) olor de naranja

*

HOOC

NH2

NH

O

COOCH3

aspartamo(S,S) dulce

(R,R) amargo

O

Cl

ClO

CH3

O

H3CO

(R)-diclofop-metilherbicida

(inhibidor del ácido indolil-3-acético, hormona de crecimiento vegetal)

NN

N

OH

CH3

H3CCH3

Cl

23

placobutrazol(2R,3R) fungicida

(2S,3S) regulador delcrecimiento vegetal

Diferencias no farmacéuticas entre enantiómeros

H3C

N

O

CH3

CH3

CH3

O

H

32

propoxifeno(2S,3R) (+) analgésico(2R,3S) (-) antitusivo

Cl

Cl

OHOOC

O

CH3*

indacrinona(R) diurético

(S) uricosúrico

NH

HNO2

CH3H3C

H3COOC

CF3

R(+) Bay K 8644antagonista de los canales de calcioS(-) agonista de los canales de calcio

Enantiómeros con efectos duales

Toxicidad diferencial entre enantiómeros

NH

O O

N

O

O

talidomida(R) sedante

(S) teratógeno

Toxicidad diferencial entre enantiómeros

Reducción de la dosis que se administra.

Reducción de la variabilidad de efecto entre pacientes.

Reducción de la toxicidad.

Ventajas del empleo del eutómero

La actividad terapéutica reside principalmente en un enantiómero.

Fármaco con un bajo índice terapéutico (IT=DL50/DE50).

Toxicidad asociada al distómero.

Siempre y cuando no exista inversión o racemización metabólicas.

Eutómero vs. racémico