Chimica Farmaceutica e Tossicologica I: meccanismo d'azione dei sulfamidici

CHIMICA FARMACEUTICA E TOSSICOLOGICA I

Prof. Valeria Pittalà - A.A. 2023-2024 II MODULO - SULFAMIDICIBOX 36.1 | La scoperta dei sulfamidici Sintetizzata da Gelmo nel 1908, per anni la sulfanilam- mide fu utilizzata esclusivamente come intermedio da sottoporre a reazione di copulazione per ottenere colo- ranti azoici a livello industriale (IG Farbenindustrie). La sua attività antibatterica fu messa in evidenza soltanto un quarto di secolo più tardi grazie alle ricerche intra- prese da un patologo della Bayer, Gerard Domagk. Nel 1927 egli avviò uno screening sistematico di numerosi azocoloranti sulfonammidici sintetizzati dai laborato- ri Bayer partendo dall'ipotesi, già formulata da Ehrlich (1891), che i coloranti, così come si fissano alle proteine della lana e della seta, potessero fissarsi saldamente e selettivamente alle proteine batteriche, danneggiando- le. Il risultato di queste ricerche portò all'introduzione in terapia, nel 1935, del primo derivato sulfonammidi- co, la sulfacrisoidina, un azocolorante rosso brillante e per questo denominato Prontosil rubrum. Per il suo la- voro pioneristico Domagk fu insignito del Premio Nobel per la Medicina nel 1939. Il Prontosil aveva la singolare caratteristica di essere molto attivo contro le infezioni in vivo, mentre in vitro era praticamente inattivo. Il di- lemma fu risolto poco dopo da un gruppo di ricercatori dell'Istituto Pasteur di Parigi (Trefouël, Nitti e Bovet), i quali dimostrarono che il legame azoico del Prontosil veniva scisso in vivo ad opera di azoreduttasi, rilasciando il 2,3,4-triamminobenzene (metabolita inattivo) e la sul- fanilammide (metabolita attivo), il prodotto sintetizzato da Gelmo molti anni prima. La sulfanilammide fu quindi introdotta in terapia nel 1937 con il nome di Prontosil album. Tutte queste scoperte inaugurarono l'era moder- na della chemioterapia e sono state fondamentali per stabilire i concetti di bioattivazione e di profarmaco. Un'altra tappa importante nella storia della chemiote- rapia venne compiuta nel 1940, quando Woods e Fildes, indipendentemente, evidenziarono come l'azione della sulfanilammide fosse completamente e competitivamen- te annullata dall'acido p-amminobenzoico (PABA). I sul- famidici vennero quindi visti come analoghi strutturali di questo metabolita endogeno e a ciò venne attribuita la loro attività antibatterica. Da qui il concetto di anta- gonismo metabolico (e di antimetabolita), che è stato estremamente utile in chimica farmaceutica per spiegare il meccanismo d'azione di molti farmaci e per il disegno razionale di nuovi agenti terapeutici.

NH2 O H2N N=N S-NH2 O Prontosil rubrum

NH2 O H2N NH2 + H2N S-NH2 0 Triamminobenzene (metabolita inattivo) Sulfanilammide (metabolita attivo)

SULFAMIDICI

Gasco A. Chimica Farmaceutica Cap. 36SULFAMIDICI Sono derivati della sulfanilamide, composto sintetizzato per la prima volta nel 1908 e successivamente utilizzato quale intermedio da sottoporre a reazioni di diazocopulazione per ottenere coloranti azoici. I sulfamidici si ottengono per monosostituzione sull'N sulfonammidico (N4). Il sostituente influenza le caratteristiche chimico-fisiche e farmacocinetiche Sono polveri bianche, poco solubili in acqua ma solubili in acidi ed alcali con formazione di sali sulla funzione amminica o solfonammidica Attualmente solo pochi i derivati sono utilizzati come antibatterici

NH2 SO2NH2 4-aminobenzenesulfonamide sulfanilamide

O Condizioni acide (N4) Condizioni basiche O H H3N S-N-R H2N === 0 H2N S-N-R O O R = H o eterociclo aromatico Figura 36.1 Equilibrio acido-base dei sulfamidici. Gasco A. Chimica Farmaceutica Cap. 36 O (N) H S-N-R

SULFAMIDICI - MECCANISMO D'AZIONE

Sono inibitori competitivi della diidropteroatosintetasi (DHPS) un enzima batterico necessario per la biosintesi dell'acido folico. Ne consegue il blocco della biosintesi dei cofattori folici ed indirettamente degli acidi nucleici con conseguente arresto della crescita batterica e divisione cellulare La sulfanilamide (antimetabolita) compete con l'acido p-aminobenzoico (PABA) legandosi al sito attivo della DHPS e bloccando la sintesi dell'acido folico, precursore degli acidi nucleici La DHPS è un target ideale per una terapia antibatterica selettiva perché assente nell'uomo. L'uomo infatti si procura l'acido folico attraverso la dieta grazie ad un meccanismo di trasporto assente nella maggioranza dei batteri.

O 0 S -NH2 HẠN C-OH 0 Solfonilammide Acido p-amminobenzoico

OH O COOH N - N CH- N C-N- CH H H CH2 HẸN N N - CH2 - COOH Acido folico Gasco A. Chimica Farmaceutica Cap. 36

SULFAMIDICI - MECCANISMO D'AZIONE

L'acido folico necessari per la crescita della maggior parte degli organismi viventi. I batteri sintetizzano l'acido folico a partire dal GTP per formare, attraverso numerose tappe metaboliche, la 6- idrossimetil-7,8- diidropterina difosfato, che viene poi condensata ad opera dell'enzima di DHPS con il PABA ed una molecola di acido glutammico ottenendo l'acido 7,8- diidrofolico (FH2)

O OH OH OH H2 N N OH N N OPP PABA ZI H2N N N Diidropteroato sintetasi (DHPS) H2N N N Diidropterina difosfato Acido diidropteroico

O OH OH H2N L-Glu 0 O NHR S OH OH ZI N N N N ZI H2N N N H2N N N Acido diidrofolico (FH2) H Falso metabolita SOLO NEI BATTERI Gasco A. Chimica Farmaceutica Cap. 36 Batteri Incorporazione fraudolenta Sulfamidici O OH 11 OH O O ZI N GTP

SULFAMIDICI - MECCANISMO D'AZIONE

L'FH2 prodotto dai batteri, così come l'acido folico introdotto con la dieta dall'uomo, viene poi ridotto dall'enzima diidrofolato reduttasi (DHFR) ad acido 5,(65),7,8 tetraidrofolico (FH4). Forme ridotte di FH4 sono importanti cofattori enzimatici che funzionano da trasportatori di un'unità monocarboniosa nella biosintesi delle basi puriniche e pirimidiniche, e di alcuni aminoacidi essenziali

Acido folico (dieta) NADPH Diidrofolato reduttasi (DHFR) NADP+

O OH 0 HN OH N 1 Formimino trasferasi ZI N N H H H2N N N Acido tetraidrofolico (FH4) Batteri e uomo

O H N N N N ZI N ZI ZI H O ZI N N5-formil-FH4 N10-formil-FH4 Nº,N10-metenil-FH4 N5,N10-metilene-FH4 Trasferimento unità monocarboniosa Timidilato - DNA - Basi puriniche - DNA, RNA * Amminoacidi - Proteine NEI BATTERI E NELL'UOMO Gasco A. Chimica Farmaceutica Cap. 36 Trimetoprim OH ZI H O ZI N5-formiminotetraidrofolato IZ Precursori

SULFAMIDICI - MECCANISMO D'AZIONE

H2N. < C H2N NR van der Waals interactions lonic bond ........... Active site Active site · Diidropteroato sintetasi - enzima batterico · No in cellule umane · Importante nella biosintesi del cofattore tetraidrofolato · Cofattore fondamentale per pirimidina e la biosintesi del DNA · Fondamentale per la crescita e divisione cellulare H-Bond -

SULFAMIDICI - MECCANISMO D'AZIONE

H2N- C 5 H2N 2 NR O 1 Active site Active site · Inibitori competitivi · Inibizione reversibile · Agenti batteriostatici · Non ideale per i pazienti con sistema immunitario indebolito · Lega il sito attivo e blocca l'accesso a PABA · Ceppi resistenti producono più PABA O

SULFAMIDICI - MECCANISMO D'AZIONE

OH OH CH2OH CHO-P-O-P-OH HN HN 6-Idrossimetil-diidropterina pirofosfato-chinasi 0 0 HON 6-Idrossimetil-diidropterina 6-Idrossimetil-diidropterina pirofosfato Nei batteri e nell'uomo HN I N CH2 HN HON Diidrofolato NADH + H ofolato reduttasi (DHFR) COOP HN CZ HN HON Tetraidrofolato Bactrim® Sulfamethowarole .Trimethoprim 400/80 mg 25 x 10 tablets Trimetroprim Sulfamidici HN COO H2N- H-Glu-OH CH2 HN Diidro sintetasi Diidrofolato sintetasi (DHFS) H Diidropteroato Solo nei batteri H COO COOP Roche

SULFAMIDICI - PROPRIETA' CHIMICO FISICHE

Centro basico pKb = 11.6 4 HON- O H S-N 1 R O Centro acido R = H pKa = 10.4 R = eterociclo e-attrattore pka =5-7 Il sostituente all'N1 determina un effetto elettronattrattore che conferisce all'H solfonamidico un debole carattere acido. A pH fisiologico: Donano legami H con I'NH2 in 4 Accettano legami H con I'SO2 " Sono in equilibrio fra specie neutra e forma anionica, con prevalenza della prima

SULFAMIDICI - PROPRIETA' CHIMICO FISICHE

Nella forma neutra penetrano meglio nel citoplasma batterico, ma è nella forma anionica che meglio interagiscono con la DHPS Sulfamidici più potenti: miglior COMPROMESSO fra forma neutra e forma ionizzata, per poter raggiungere il bersaglio (f. neutra) ed interagire con esso (f. anionica). > Ionizzati = più difficile raggiungere il bersaglio < ionizzati = più difficile interagire con il bersaglio " Ben assorbiti nella forma non ionizzata, principalmente nell'intestino tenue, proporzionalmente alla lipofilia raggiungono il bersaglio batterico " Il pH dell'intestino e il pKa del sulfamidico, influenzando la frazione ionizzata, influiscono sull'assorbimento

SULFAMIDICI - RELAZIONI STRUTTURA-ATTIVITA'

· In para al gruppo solfonamidico · Libero o sostituito con acili facilmente rimuovibili in vivo · Direttamente legato al benzene · No gruppi isosterici · Non rimpiazzabile con altri cicli · Né fuso con altri anelli aromatici · Né ulteriormente sostituito Gruppo sulfonamidico bioisostero del gruppo carbossilico (PABA) 4 O H H2N 2 S-N 1 R O · Direttamente legato al benzene · La sostituzione con gruppi stericamente simili (CONH2, CONHR, COC,HAR) spesso riduce notevolmente l'attività · L'attività è mantenuta solo con gruppi come p-solfonanilina -SO2-C6H4-NH2 (vinilogia) o p-solfossianilina -SO-C6H4-NH2 · La monosostituzione , specie con nuclei eteroaromatici, favorisce l'attività · La disostituzione l'annulla quando il secondo sostituente non è rimuovibile in vivo · L'attività è legata alla costante di dissociazione acida, che dipende dal sostituente R

BOX 36.2

Metodi generali per la sintesi dei sulfamidici

Uno dei metodi industriali per sintetizzare i sulfamidici pre- vede la sostituzione nucleofila del p-acetilamminobenzen- solfonil cloruro con l'appropriata ammina eteroaromatica, seguita da idrolisi, generalmente basica, del sulfamidico NA-acetilato così ottenuto. Il p-acetilamminobenzensolfonil cloruro si ottiene a sua volta mediante clorosolfonazione dall'acetanilide. Il gruppo acetilico nel prodotto di parten- za è utilizzato come gruppo protettore per prevenire rea- zioni secondarie a carico del gruppo amminico (anilinico). Come esempio esplicativo, nella Scheda 36.2 è riportata la preparazione del sulfametossazolo.

Sostituzione nucleofila O O CISO3H NH2R HN HN S-CI HN S-NHR NH4OH dil. 0 C O O O CH3 Clorosolfonazione CH3 dell'acetanilide CH3 O R = H o eterociclo aromatico H2N S-NHR O Idrolisi generalmente basica