RELAZIONI QUANTITATIVE STRUTTURA ATTIVITA (QSAR) Fino ad ora abbiamo analizzato le strategie che possono essere messe in atto al fine di

RELAZIONI QUANTITATIVE STRUTTURA ATTIVITA’ (QSAR)

Fino ad ora abbiamo analizzato le strategie che possono essere messe in atto al fine di incrementarne l’attività delle molecole sia rendendole più affini al recettore sia

modificandone il metabolismo. Alcune di queste strategie prevedono una

modificazione della forma delle molecole (shape) in modo da renderle più adatte alla tasca recettoriale (fit). Altre strategie comportano una modifica delle proprietà chimico- fisiche variandone gruppi funzionali cicli ecc. Ci si rende subito conto che queste

modificazioni sono infinite.

Allora risulta vantaggioso l’approccio alle relazioni quantitative struttura attività (QSAR).

Il QSAR mira ad identificare e quantificare le proprietà chimico-fisiche di un farmaco e a vedere se una o più di queste proprietà hanno un effetto sulla attività biologica.

Se questa relazione esiste allora è possibile derivare una equazione che quantifica la relazione e permette al chimico farmaceutico di affermare con una certa confidenza che quella o quelle proprietà hanno una certa importanza sulla farmacocinetica o nel meccanismo d’azione di un farmaco.

Inoltre dovrebbe essere possibile predire in anticipo l’attività biologica di un nuovo analogo quantificando le proprietà chimico-fisiche.

Questo offre certamente un indubbio vantaggio quello cioè di ridurre il numero degli analoghi che un chimico farmaceutico deve produrre per ottimizzare l’attività biologica.

Le proprietà chimico fisiche che possono essere quantificate sono generalmente proprietà strutturali, fisiche e chimiche. Logicamente quantificare ciascuna delle possibili proprietà sarebbe un lavoro quasi impossibile. Allora vengono scelte solo poche di queste proprietà cercando di lasciare invariate le altre.

GRAFICI ED EQUAZIONI

Sintesi di una serie di composti per variare una sola proprietà e verificare come questa influenzi l’attività biologica.

Tracciare la migliore curva possibile. “analisi di regressione lineare” con il metodo dei

“minimi quadrati”. La retta migliore è quella la cui somma delle distanze al quadrato è minima. Y=aX+b. La bontà è data dal coefficiente di regressione r

PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE UTILIZZATE

Le proprietà che si possono utilizzare sono diverse ma in pratica quelle più frequenti sono:

Proprietà idrofobobiche, steriche ed elettroniche.

Quelle più facilmente calcolabili sia per l’intera molecola che per singoli sostituenti sono le idrofobiche mentre le proprietà steriche ed elettroniche, più difficili da calcolare, sono attendibili solo per sostituzioni singole e non per sostituzioni multiple.

Infatti sono rari studi QSAR su serie di molecole differenti e limitati esclusivamente a all’idrofobicità. Sono abbastanza frequenti studi su molecole di uguale struttura generale nelle quali vengono variati sostituenti su anelli aromatici o gruppi funzionali.

Idrofobicità

Abbiamo visto quanto è importante il carattere idrofobico di una molecola in particolare per l’attraversamento delle membrane. Inoltre molto spesso il sito di binding è una regione idrofoba della proteina recettoriale quindi l’idrofobicità del farmaco influenza l’interazione col recettore.

Anche solo una piccola variazione di un sostituente può influenzare notevolmente il carattere idrofobico di conseguenza è necessario disporre di un sistema per predire questa proprietà quantitativamente.

Coefficiente di ripartizione P

P= concentrazione del farmaco in ottanolo____________

concentrazione del farmaco nella soluzione acquosa

Quando un farmaco viene posto a contatto con due fasi immiscibili tra loro in

particolare l’ottanolo e l’acqua, si distribuirà tra le due fasi a seconda del suo carattere idrobofico. I farmaci idrofili preferiscono l’acqua, quelli lipofili l’ottanolo.

All’equilibrio si avrà una certa concentrazione nella fase acquosa e una nella fase ottanolica. Il rapporto tra le due concentrazioni è detto COEFFICIENTE DI

RIPARTIZIONE ed è indicato con P.

Se P>1 il farmaco sarà idrofobo Se P<1 il farmaco sarà idrofilo

Sostituenti diversi su un prototipo porteranno a valori diversi di P. Un grafico permette di vedere se esiste una correlazione tra attività biologica e P. Ma come costruirlo?

L’attività biologica può essere quantificata con 1/C intendendo per C la

concentrazione del farmaco richiesta per ottenere un certo livello di attività biologica. Si porta 1/C perché farmaci più attivi avranno valori più alti di 1/C.

Poi visto che le C e i P possono avre ordini di grandezza molto diversi allora si riportano i ln in mododa utilizzare numeri più adatti.

Per intervalli di lnP piccoli (1-4) si possono ottenere grafici lineari con l’equazione del tipo ln(1/C)=k1lnP+k2

Un esempio è la correlazione lineare effettuata su 40 composti tra il loro legame con le proteine seriche (1/C) e i valori di P che hanno fornito una relazione lineare.

ln(1/C)=0.75lnP+2.30

Il legame all’albumina serica aumenta in funzione del lnP, più sono idrofobi più si legano.

Questa relazione è importante per stimare i livelli di dose effettiva del farmaco in quanto solo quello libero si legherà al recettore e quindi nel calcolo dei livelli plasmatici

necessari per una certa azione bisognerà tener conto del legame con l’albumina.

Nonostante questo aspetto negativo dell’idrofobicità di un farmaco (aumento del

carattere idrofobico = minore disponibilità ad interagire col recettore) generalmente si osserva un aumento di attività biologica all’incrementare di P. Questo è principalmente dovuto al fatto che un farmaco deve essere idrofobo per attraversare le membrane

cellulari e raggiungere il sito d’azione ed inoltre una facilità di interazione con il recettore per il carattere idrofobo della maggior parte delle tasche recettoriali di binding.

Da quanto detto ci si potrebbe aspettare che aumentando all’infinito il P aumenti proporzionalmente l’attività biologica. Questo ovviamente non accade, perché?

Quando il farmaco è troppo lipofilo non si solubilizzerà più in ambiente acquoso e di conseguenza verrà scarsamente assorbito nel tratto GI oppure può essere sottratto dai tessuti grassi o ancora più facilmente soggetto agli attacchi metabolici.

Molto spesso si trovano relazioni lineari tra attività biologica e idrofobicità perché spesso gli studi sono condotti su composti aventi valori di P entro intervalli molto piccoli.

Riprendendo in esame la relazione precedente tra legame serico e idrofobicità la relazione lineare era stata ottenuta per composti aventi lnP compresi tra 0.78-3.82.

Se fosse stata effettuata con composti aventi lnP più alto allora si sarebbe ottenuta una curva a campana descritta da una equazione di tipo parabolico.

L’equazione allora sarebbe stata del tipo ln(1/C)=-k1(lnP)²+k2lnP+k3

Dove si vede che l’attività biologica

sarebbe incrementata all’aumentare di P fino ad un certo valore per poi diminuire.

Il valore di lnP al massimo di attività biologica lnP° rappresenta il valore

ottimale del coefficiente di ripartizione per quella attività biologica. Prima e dopo l’attività diminuisce

Prendendo in esame l’equazione a valori bassi di lnP assume importanza il termine lnP perche il termine elevato al quadrato ha un segno negativo davanti e quindi

all’aumentare del lnP aumenta l’attività, a valori alti di lnP la curva è influenzata

maggiormente da -(lnP)² e quindi all’aumentare di P si avrà una diminuzione di attività.

Farmaci la cui attività biologica è influenzata esclusivamente dal lnP sono molto pochi.

Tra questi sono gli anestetici generali. Questi composti agiscono a livello del SNC e localizzandosi all’interno delle membrane cellulari influenzando sia la struttura che la stessa funzione nervosa. Visto che non agiscono su un particolare recettore ma la loro attività è dovuta alla loro capacità di attraversare la membrana cellulare si potrà

ipotizzare una importante relazione tra P e attività biologica.

In effetti una curva parabolica descrive l’attività anestetica di una serie di eteri:

ln(1/C)= -0.22(lnP)²+1.04(lnP)+2.16.

Questa relazione dimostra che l’attività anestetica aumenta all’aumentare di lnP fino a un certo valore ottimale per poi diminuire. Questa relazione vale però solo per i derivati eterei e non per altre strutture. Questo è quello che accade per quasi tutti gli studi

QSAR che sono validi solo per composti aventi analoga struttura (CONGENERI).

Altre curve paraboloche sono state ottenute per anestetici di struttura generale diversa ed è importante notare che nonostante le costanti delle diverse equazioni fossero

diverse i valori di lnP° erano molto simili ed intorno a 2.3. Questo stava ad indicare che tutti gli anestetici indipendentemente dalla struttura agiscono con un meccanismo

d’azione simile che dipende dalla idrofobicità.

Poiché anestetici differenti hanno simile valore di lnP° il valore di lnP di ogni composto può dare una idea della sua potenza come anestetico. Infatti prendendo in esame

l’etere etilico, il cloroformio e l’alotano il più potente è l’alotano in quanti i lnP sono rispettivamente 0.98, 1.97 e 2.3.

Da quanto detto si capisce anche l’importanza del lnP non solo per gli anestetici ma anche per tutti i farmaci che devono agire sul SNC. Infatti è stato visto che lnP circa uguale a 2 vuol dire facilità d’accesso al SNC.

Questo è vero per i barbiturici più potenti che hanno un valore di lnP vicino al 2.

Farmaci che devono agire a livello periferico senza dare effetti collaterali a carico del SNC devono avere valori di lnP molto diversi da 2.

Esempio il cardiotonico in figura causava in alcuni pazienti un’anomala luminosità del campo visivo dovuta ad un effetto collaterale a carico del SNC. Il farmaco aveva

lnP=2.53. Per evitare questo effetto è stato introdotto al posto del metossile in 4 un gruppo metilsulfonil. Il nuovo farmaco il SULMAZOLO ha valore di lnP=1.17 e non causa effetti collaterali.

Sulmazole

Drug Nomenclature Synonyms: AR-L-115-BS rINN: Sulmazole

Chemical name: 2-(2-Methoxy-4-methylsulphinylphenyl)-1H-imidazo[4,5- b]pyridine

Molecular formula: C14H13N3O2S =287.3 CAS: 73384-60-8

Date of monograph revision: 00-Jul-1993; 00-Apr-1996;

Drug Profile

Sulmazole is reported to have positive inotropic effects on the heart.

NOTE. The reader is cautioned that information about this substance is maintained in Martindale purely for archival purposes, and is no longer subject to revision and update.

La costante idrofobica del sostituente π

Il valore di P permette di valutare l’idrofobicità di un composto. Ma per calcolarlo

sperimentalmente bisognerebbe sintetizzarlo. Sarebbe utile disporre di un metodo per poter calcolare il P in modo teorico senza la necessità di disporre del composto in

modo da poter valutare se sia il caso di sintentizzarlo o meno. Per esempio volendo preparare una serie di barbiturici sarebbe conveniente conoscere a priori i loro valori di lnP in modo da valutare se sia il caso di sintetizzarli o meno.

I coefficienti di ripartizione P possono essere calcolati teoricamente conoscendo il contributo che i vari sostituenti danno all’idrofobicità. Questi contributi sono noti come costanti idrofobiche dei sostituenti π .

La costante idrofobica del sostituente è una misura di quanto idrofobo è un sostituente relativamente all’idrogeno. Il suo valore si misura calcolando sperimentalmente il P di un composto standard con o senza un sostituente X. Il valore di π del sostituente X si calcola π_x=lnP_x-lnP_H. Un valore positivo di π indica che il sostituente Xè più idrofobo dell’idrogeno, un valore negativo il contrario.

I valori di π sono caratteristici del sostituente e possono essere utilizzati per valutare come cambi il valore di P di un composto sostituendolo con i diversi sostituenti.

Logicamente per avere dei valori attendibili è necessario calcolare sperimentalmente il valore di P del composto base. Esempio per il benzene sostituito:

Il valore di lnP del benzene è 2.13, i valori di π per il Cl è 0.71 mentre per il CONH₂ è (-1.49). Di conseguenza il valore di lnP per la meta-clorobenzamide è 1.35.

Il valore calcolato sperimentalmente per la meta-clorobenzamide è 1.51 abbastanza vicino al valore di 1.31 calcolato teoricamente.

Bisogna tener presente che i valori π per sostituenti aromatici sono diversi da quelli dei sostituenti alifatici e sono sempre approssimati essendo validi soltanto per la struttura base per la quale sono stati calcolati anche se possono essere usati con buona approssimazione anche per altre strutture.

Invece di correlare P con l’attività biologica è possibile correlare anche π di un particolare sostituente.

Le due equazioni che si ottengono avranno delle costanti diverse e sarà anche diverso il significato delle due equazioni.

Quella che correla l’attività con P tiene conto della idrofobicità totale delle molecole importante per il loro attraversamento le membrane mentre l’equazione che correla

solo π tiene conto del contributo del solo sostituente. Quest’ultima equazione può essere più utile quando il sostituente è coinvolto in un legame idrofobico con il sito recettoriale e quindi è più importante l’idrofobicità del sostituente rispetto a quella dell’intera molecola.

Esistono anche dei farmaci in cui il contributo dell’idrofobicità all’attività

biologica è minimo. Esempio sono i farmaci antimalarici per i quali studi precedenti avevano dimostrato che il loro passaggio attraverso le membrane eritrocitarie non è influenzato dal loro carattere idrofobico.

Effetti elettronici

Abbiamo visto che le proprietà elettroniche dei sostituenti avranno una certa influenza sulla ionizzazione e sulla polarità delle molecole e di conseguenza sulla capacità di attraversamento le membrane e sulla interazione col recettore.

E’ importante quindi avere a disposizione un parametro per misurare quantitativamente le proprietà elettroniche dei sostituenti.

Per quelli presenti su un anello aromatico tale parametro è noto come costante elettronica di Hammett del sostituente e viene rappresentata con σ.

σ è una misura delle capacità ellettronattrattrici e elettrondonatrici del sostituente ed è stata determinata misurando le COSTANTI DI DISSOCIAZIONE DI UNA SERIE DI ACIDI BENZOICI SOSTITUITI E PARAGONANDOLE A QUELLE DELL’ACIDO BENZOICO STESSO.

L’ac. Benzoico è un acido debole solo parzialmente ionizzato in acqua:

In acqua il rapporto tra le concentrazioni della forma ionizzata e non è la COSTANTE DI DISSOCIAZIONE ed è indicata come K_H dove H indica l’acido benzoico non

sostituito: K_H= [PhCO₂^-]/[PhCOOH].

L’equilibrio verrà influenzato dalla presenza di sostituenti sull’anello. Gruppi elettronattratori come il nitrogruppo stabilizzerano maggiormente la forma ionizzata (costante di dissociazione più alta) mentre gruppi ellettrondatori quella indissociata (costante di dissociazione più bassa).

Se il sostituente X è elettronattrattore allora la Kx sarà più alta della KH. Il contrario se X è elettrondatore.

La costante di Hammett del sostituente x si calcolerà con la seguente equazione:

σx = ln Kx/KH = lnKX - lnKH

Acidi benzoici con sostituenti elettronattrattori come Cl, CN e CF3

avranno valori di σx positivi, mentre sostituenti elettrondatori come Me, Et e t-Bu hanno valori di σx negativi. L’H è 0.

La costante di Hammett tiene conto sia degli effetti induttivi che di risonanza e di

conseguenza il suo valore cambierà a seconda della posizione del sostituente in meta o para σm o σp.

Per esempio il sostituente nitro ha σm=0.71 e σp=0.78. Nella posizione meta il potere elettronattratore è dovuto all’effetto induttivo del sostituente mentre in para assume un ruolo anche l’effetto di risonanza.

La differenza si fa sentire per l’OH così il σm=0.12 e σp=-0.37. Nella posizione meta l’effetto è induttivo ed elletronattratore, mentre in para l’effetto di risonanza prevale su quello induttivo ed è elettrondatore.

Molti studi QSAR partono considerando la costante di Hammett e se ci sono più sostituenti allora i contributi dei singoli sostituenti vengono sommati Σσ.

E possibile mediante studi dettagliati SEPARARE gli effetti induttivi da quelli di

risonanza. Infatti sono disponibili tabelle di costanti elettroniche dove i valori degli effetti induttivi F e di quelli di risonanza R sono riportati separatamente.

Inoltre ci sono delle limitazioni nelle costanti elettroniche di Hammett come per es. esse non possono essere misurate per i sostituenti in orto perché in questa posizione i sostituenti esercitano sia effetti elettronici che sterici.

Esistono pochi farmaci la cui attività biologica dipende esclusivamente da effetti elettronici e riguarda solo quelli il cui meccanismo d’azione non prevede

l’attraversamento delle membrane e quindi l’idrofobicità influenza in maniera minima l’attività.

Un esempio è l’attività degli insetticidi dietilfenil fosfati che agiscono sull’enzima acetilcolinesterasi che è situato al di fuori della membrana cellulare e di conseguenza l’idrofobicità conta poco.

ln (1/C)= 2.282σ-0.348

Questa equ. Indica che sostituenti elettronattratori con σ positivi incrementano l’attività. Il fatto che il parametro di idrobicità non influenza l’attività indica che questi farmaci non devono attraversare la membrana per esplicare la loro azione.

Le costanti elettroniche viste σ, F e R possono essere usate solo per sostituenti aromatici e quindi per farmaci che contengono anelli aromatici sostituiti. Per i

sostituenti alifatici le costanti elettroniche disponibili sono state calcolate misurando la velocità di idrolisi di una serie di esteri alifatici.

L’acetato di metile è stato preso come composto di riferimento ed è stato visto che la velocità di idrolisi dipende dagli effetti elettronici del sostituente X. In questo caso l’effetto elettronico è solo induttivo ed indicato con σI.

GRUPPI ELETTRONDATORI RIDUCONO LA VELOCITA’ DI IDROLISI E PERCIO’ σ i ha un valore negativo. Per esempio i valori di σI di metile, etile e propile sono

rispettivamente -0.04,-0.07 e -0.36.

GRUPPI ELETTRONATTRATTORI HANNO INVECE VALORI POSITIVI COSI’

+NMe3 e CN hanno σI rispettivamente di 0.93 e o.53.

Deve essere tenuto presente che il sostituente non ha solo effetto induttivo ma anche sterico sulla velocità di idrolisi.

Un sostituente ingombrante può mascherare l’estere dall’attacco dell’acqua e abbassarne la velocità.

I due effetti si possono separare misurando la velocità di idrolisi sia in ambiente acido che basico.

In condizioni basiche sono importanti sia gli effetti sterici che elettronici mentre in condizioni acide sono importanti solo gli effetti sterici.

Paragonando le due velocità di idrolisi si possono calcolare sia gli effetti elettronici (σ i ) Che gli effetti sterici Es

Effetti sterici

Per poter interagire con un recettore o un enzima il farmaco deve avere una forma ben definita.

Se presenta sostituenti troppo ingombranti allora o questi possono impedire il

legame oppure posizionare il farmaco con la giusta orientazione incrementandone l’affinità.

E’ molto più difficile quantificare le proprietà steriche rispetto a quelle idrofobe ed elettroniche ma non mancano studi QSAR basati anche su queste proprietà anche se da sole è difficile che riescano a spiegare l’attività di un farmaco.

FATTORE STERICO DI TAFT Es

Questo si calcola dalla velocità di idrolisi dell’acetato di metile in ambiente acido. Il numero dei sostituenti che può essere studiato con questo metodo è alquanto ristretto.

RIFRATTIVITA’ MOLARE

La RM è una misura del volume occupato da un atomo o da un gruppo di atomi e si calcola dalla seguente equ.

MR=[(n2-1)/(n2+2)][MW/d]

Dove n è l’indice di rifrazione MW è il peso molecolare

D la densità.

Il termine MW/d definisce un volume mentre il termine [(n2-1)/(n2+2)] fornisce un

fattore di correzione che dipende da quanto facilmente il sostituente possa essere polarizzato.

Questo fattore è particolarmente importante per quei gruppi con sistemi pgreco delocalizzati.

PARAMETRI STERICI DI VERLOOP

Esiste un software denominato sterimol che calcola gli effetti sterici dei sostituenti in base ad angoli di legame, raggi di Van der Waals, lunghezze di legame e

possibili conformazioni dei sostituenti. Questi parametri rispetto a quelli di Tafts possono essere calcolati per qualsiasi sostituente.

In figura sono riportati come esempio i parametri sterici di Verloop: L, B1-4.

EQUAZIONE DI HANSCH

Fino ad ora abbiamo visto come quantificare le proprietà chimico-fisiche principali.

Nel caso più semplice in cui l’attività biologica è correlata ad una sola di queste proprietà allora l’equazione che si deriva è facile.

Nella maggior parte dei casi invece l’attività biologica è correlata ad una

combinazione delle diverse proprietà. In questo caso equazioni lineari con una sola variabile sono possibili soltanto quando le altre proprietà chimico fisiche

vengono lasciate costanti (molto difficile).

Sono molto diffuse equazioni in cui l’attività biologica è correlata a più di un parametro. Queste equazioni sono note come equazioni di Hansch e

normalmente correlano l’attività biologica alle proprietà chimico-fisiche più comunemente utilizzate (P e/o π, σ e un fattore sterico).

Se i valori di idrofobicità sono limitati ad un piccolo intervallo allora l’equazione sarà lineare:

Ln(1/C) = k₁lnP + k₂ σ + k₃Es + k₄

Se invece viene considerato un intervallo più ampio allora l’equazione diventa parabolica:

ln(1/C)= -k₁(lnP)² + k₂lnP + k₃σ + k₄Es + k₅

LE COSTANTI K VENGONO CALCOLATE AL COMPUTER con software di statistica PER OTTENERE IL MIGLIORE FIT.

Logicamente non tutti i parametri sono significativi.

Es. nel caso delle beta-aloarilamine bloccanti adrenergici è stata correlata a π e σ e non a fattori sterici:

ln(1/C)=1.22 π – 1.59σ + 7.89

Questa equazione suggerisce che l’attività biologica aumenta se i sostituenti hanno un valore positivo di π e un valore negativo di σ. Cioè sia X che Y devono essere idrofobici ed elettrondonatori.

Es. 102 fenantren-aminocarbinolo sono stati testati per la loro attività antimalarica derivando la seguente equazione:

ln(1/C)= -0.015(lnP)² + 0.14lnP + 0.27Σπ_x + 0.40Σπ_y + 0.65Σσ_x+ 0.88Σσ_y + 2.34

Questa equazione indica che l’attività antimalarica:

1. Aumenta poco all’aumentare della idrofobicità della molecola (k=0.14 piccola) 2. La presenza di (lnP)² indica che esiste un valore ottimale di P

3. Aumenta se ci sono sostituenti idrofobici sugli anelli x ed y (più su y; k più alta) Questo potrebbe indicare l’instaurarsi di interazioni di tipo idrofobico 4. Sostituenti elettronattrattori su x ed y incrementano l’attività (più su y)

Bisogna stare attenti quando si pianifica uno studio QSAR in quanto è necessario scegliere sostituenti che apportino variazioni diverse alle diverse proprietà chimico-fisiche.

Es. presenza di un gruppo aminico. La prima cosa che fa il chimico farmaceutico è quella di sostituire l’N con gruppi alchilici sempre più grandi ma questi gruppi hanno idrofobicità ed ingombro sterico che aumenta nello stesso modo.

Il cambiamento di attività sarà dovuto all’idrofobicità o all’ingombro sterico?

Sarebbe più opportuno sostituire il gruppo aminico con H, Me, NHCOCH3, I e CN.

In questa serie di sostituenti π e MR non sono correlati.

IL GRAFICO DI CRAIG

Esistono tabelle e software per calcolare le varie costanti ma è utile avere a

disposizione i grafici di CRAIG. Queste sono costruiti ponendo sull’asse Y i valori di sigma e sull’asse X i valori pgreco.

In figura è riportato quello per i sostituenti aromatici in para.

I vantaggi nell’uso del grafico di Craig sono:

-non esistono relazioni tra le due costanti

-Si puo’ vedere immediatamente quali sostituenti hanno valori positivi, negativi, uno positivo e l’altro negativo

-Si può vedere quali hanno valori uguali di pgreco e sigma per mantenere costante una proprietà e cambiare l’altra

-Il grafico aiuta ad impostare uno studi QSAR che dovrebbe prevedere la sintesi di derivati con sostituenti di ogni quadrante (alogeni idrofobici ed elettronattratori, ossidrili idrofili ed elettrondonatori, ecc.)

-Quando si è ottenuta l’equ. di Hansch allora si saprà se occorrono sostituenti idrofobi o meno oppure ellettronattratori o elettrondatori l’attenzione si

rivolgerà ai sostituenti che cadono in quel quadrante. Es. I quadrante dopo il Cl si proverà il CF3

LO SCHEMA DI TOPLISS

L’equazione di Hansch prevede la sintesi di un gran numero di strutture e quindi potrebbe essere conveniente utilizzare lo schema di TOPLISS.

Questo è un diagramma di flusso uno fatto per i sostituenti aromatici l’altro per i sostituenti alifatici.

Questo schema tracciato considerando l’idrofobicità e i fattori elettronici servono per trovare il sostituente ottimale con la sintesi del minor numero di strutture possibili.

Una volta sintetizzato il primo si esegue subito il saggio per l’attività biologica e in base allo schema si vede quale sintetizzare.

Prendiamo in considerazione lo schema per i sostituenti aromatici.

L’assunto è che il composto contenga un anello aromatico monosostituito.

Il primo derivato da sintetizzare è il 4-cloro (idrofobico ed elettronattrattore).

Una volta sintetizzato allora si saggia l’attività biologica e si vede se rispetto al capostipite è uguale, più o meno attivo.

Se l’attività aumenta allora si segue il ramo M e il successivo analogo da sintetizzare è il 3,4- dicloro.

Se l’attività è uguale viene seguito il ramo E e seguirà l’analogo 4-metile.

Se l’attività è minore, il ramo L e l’anologo sarà il 4-metossi

Vediamo il perché dello schema di Topliss?

Si consideri la situazione in cui il 4-cloro determini un aumento di attività.

Il cloro ha valori positivi di sigma e pgreco ciò vuol dire che entrambe queste proprietà sono importanti per l’attività. Allora l’introduzione di un secondo Cl dovrebbe

ulteriormente aumentare l’attività. Se questo accade allora i sostituenti dovrebbero essere variati con lo scopo di aumentare ulteriormente sigma e pgreco.

Se questo non è vero allora si potrebbe ascrivere la colpa ad un ‘interazione sterica sfavorevole, oppure eccessiva idrobicità ecc.

Le stesse considerazioni potrebbero essere fatte per gli altri rami dello schema di Topliss.

La validità è stata confermata da numerosi casi studiati.

Es. attività antiinfiammatoria di 28 composti a struttura di acidi

ARILTETRAZOLILALCANOICI. Se fosse stato seguito lo schema di Topliss si sarebbero sintetizzati i composti più attivi tra i primi otto.

BIOISOSTERI

Avendo a disposizione le costanti chimico-fisiche per i diversi sostituenti si può valutare quali di questi sostituenti possa essere un potenziale bioisostero.

Es. CN, NO2 e COMe hanno proprietà idrofobiche, elettroniche e steriche simili quindi sono gruppi intercambiali. In effetti nella sintesi della cimetidina questi gruppi sono stati intercambiati senza influenzare di molto l’attività.

Un gruppo può essere un bioisostero di un altro soltanto in determinate situazioni.

Il gruppo COCH3 sarà bioisostero di SOCH3 soltanto se il sigma para sarà la proprietà che influenza principalmente l’attività biologica.

ATTIVITA’ ANTIALLERGICA DELLE PIRANENAMINE

3

2 4

O

1 5

O 6

O

1

O

C H₃

2

OH

1

OH

2 NH

1 6

2

5

3 4

(3E)-5-acetyl-3-(2-anilino-1-hydroxyethylidene)-4-hydroxy-2H-pyran-2,6(3H)-dione

In questo studio condotto dalla Smith Kline & French sono stati variati i sostutuenti sull’anello ed è stata lasciata inalterata il resto della struttura. Sono stati sintetizzati inizialmente 19 derivati ottenendo l’equazione:

ln(1/C)= -0.14Σπ – 1.35(Σσ)² – 0.72

Il coefficiente – per pgreco indica che l’attività è inversamente proporzionale all’idrofobicità

Il termine sigma² è stato scelto perché l’attività si abbassava in presenza di un sostituente elettronattratore che elettrondonatore. Il migliore era un sostituente neutro. Al quadrato perché anche i sigma negativi diventano positivi. Il coefficiente negativo indica che se sigma è diverso da 0 l’attività diminuisce.

Visto che l’equazione diceva che i sostituenti idrofili erano i migliori allora sono stati sintetizzati altri 42 composti con questo tipo di sostituenti.

L’analisi delle attività ha fornito i seguenti risultati:

1. Sostituenti in 3 quali 3-NHCOMe, 3-NHCOEt e 3-NHCOPr davano la stessa attività al contrario di quanto diceva l’equazione sopra (più idrofobico-attività).

Questo ci porta a pensare che malgrado l’idrofobicità lo stericismo del gruppo aumenta e quindi questa proprietà sia importante (forza il farmaco nella migliore posizione)

2. L’attività aumenta inaspettatamente quando le posizioni 3,4 e 5 sono occupate da sostituenti del tipo OH,SH, NH₂ e NHCOR. Mentre diminuisce per il sostituente NHSO₂R. Guardando i sostituenti che aumentano l’attività sono tutti gruppi che formano legami H e questo ci porta a pensare una importante interazione a

legame H col recettore. L’eccezione del NHSO2R può essere spiegata con effetti sterici o elettronici.

3. I sostituenti meta sostituiti 3,5-(CF₃)₂ e 3,5- (NHCOMe)₂ hanno dato strutture altamente attive. Il fatto che queste sono le uniche strutture disostituite in cui il

sostituente in 5 ha un effetto elettronattrattore è una caratteristica molto importante.

4. Un gruppo acilossi in 4 ha prodotto una attività 5 volte superiore a quella data dall’equazione precedente. Può darsi che in questo modo i composti siano attivi come profarmaci.

L’equazione rivista alla luce delle nuove considerazioni diventa:

ln(1/C)= -0.30Σπ – 1.5(Σσ)² +2(F5) +0.39(345HBD) -0.63(NHSO₂) + 0.78 (MV) +0.72 (4OCO) – 0.75

• F5 rappresenta l’effetto induttivo del sostituente in 5. Un gruppo elettronattratore in 5 incrementa l’attività

• 345HBD significa che sostituenti in grado di dare legH in 345 incrementa l’attività (1 per 1 sostituente, 2 per due ecc. ) ogni sostituente in grado di dare legH incrementa l’attività di 0.39

• NHSO₂ la presenza di questo gruppo riduce l’attività di 0.63

• MV il volume del sostituente in meta, più elevato maggiore è l’attività

• 4OCO può essere 1 o 0 indicando la presenza o l’assenza di acilossi in 4 (incremento di 0.72)

Allo scopo di valutare meglio l’effetto F5, effetti sterici, esplorare altri gruppi in grado di dare legami H e vedere se ci fosse un valore ottimale di idrofilia sono stati sintetizzati altri 37 derivati. I risultati ottenuti hanno portato ad una ulteriore equazione:

ln(1/C)= -0.034(Σπ)² -0.33Σπ – 1.7(Σσ)² +4.3(F5) +0.73(345HBD) -0.69(NHSO2) +0.72 (4OCO) – 0.86(HB INTRA) – 0.59

•È comparso l’idrofobicità al quadrato quindi un valore max che è di Σπ=-5

•Gli effetti elettronici in 5 hanno un effetto notevole

•Sostituenti che danno leg H in posizione orto tra loro hanno un effetto negativo espresso dal parametro HB INTRA. Probabilmente perché formano legH

intramolecolari e non col recettore

•Il parametro sterico MV non risulta più perché poco importante.

Il composto che ha dato la migliore attività è stato quello con i due sostituenti in 3 e 5 NHCOCH(OH)CH₂OH (2,3-diidrossipropanamidil).

Questo composto ha una attività 1000 volte superiore al lead.

Questi gruppi soddisfano tutti i requisiti del QSAR.

Sono gruppi polari che formano legami H, sono meta per evitare legH intra, il gruppo in posizione 5 ha un forte effetto induttivo, hanno un valore di (Σσ)² trascurabile.

A questi due sostituenti difficilmente ci sarebbe riusciti ad arrivare con un approccio classico.

Tutte le evidenze raccolte da questo studio suggeriscono che l’anello aromatico si sistema all’interno di una tasca idrofila del recettore che contiene gruppi polari capaci di fare legami H.

Inoltre è stato proposto che nella tasca di legame possa essere presente un residuo carico positivamente come arginina, lisina o istidina in grado di interagire con un sostituente elettronegativo in 5.