Chemia leków i proleków - ebook

PRZEDMOWA

Niniejszy podręcznik jest przeznaczony dla studentów wydziałów chemicznych jako materiał uzupełniający do kursu chemii organicznej, biochemii, chemii farmaceutycznej. Pozycja może również zainteresować studentów wydziałów farmaceutycznych, mających podstawowe wiadomości z zakresu chemii ogólnej i organicznej.

Dla osób zainteresowanych chemią leków książki Chemia organiczna w projektowaniu leków” oraz Chemia medyczna (poz. 1 i 2 w rozdziale Zalecana literatura) stanowią wyjątkowe źródło informacji na temat mechanizmów działania leków w organizmie. Jako nauczyciel akademicki zawsze polecam te pozycje i staram się dodatkowo zachęcać studentów do szczegółowej analizy struktury chemicznej leków poprzez rozwiązywanie dodatkowych problemów. Najlepiej uczymy się na przykładach do samodzielnego rozwiązania i dlatego postanowiłam napisać ten krótki podręcznik, w którym zadania dotyczące chemii leków widziane są oczami chemika. Zamiast systematycznego opisu zagadnień położono nacisk na wyjaśnienie kluczowych aspektów związanych ze strukturą i wybranymi właściwościami związków o znaczeniu farmakologicznym. W rozdziałach 1.1–1.4 zostały przedstawione właściwości związków chemicznych, które mają wpływ na wchłanianie. Każdy z rozdziałów zaczyna się krótkim wstępem teoretycznym, a następnie są przedstawione przykłady ilustrujące związki struktury leków z określonymi właściwościami. W rozdziale 2 omówiono oddziaływania leków w organizmie. Kolejne rozdziały 3.1––3.2 obejmują podstawowe zagadnienia dotyczące proleków. Informacje ogólne na temat zasady działania proleków zostały poparte przykładami zastosowania w farmakoterapii.

Każdy rozdział zakończony jest problemami do przemyślenia, pozycja zawiera blisko 100 problemów do rozwiązania. W rozdziale 4 przedstawiono ich rozwiązania, w których Czytelnik znajdzie również dodatkowe wyjaśnienia omawianych kwestii. Niektóre problemy oznaczone * pozostawiono bez odpowiedzi i tym samym stanowią one punkt wyjścia do dalszych dyskusji z nauczycielem.

Ilona Wandzik1. STRUKTURA I FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI LEKÓW DECYDUJĄCE O WCHŁANIANIU

Struktura chemiczna każdego leku ma duży wpływ zarówno na jego właściwości farmakodynamiczne, jak i farmakokinetyczne. Mówiąc o właściwościach farmakodynamicznych, mamy na myśli oddziaływanie leku na organizm na poziomie komórkowym poprzez interakcje z enzymami, receptorami i innymi obiektami znajdującymi się w komórce lub płynie zewnątrzkomórkowym. Z kolei farmakokinetyka opisuje „jak organizm działa na lek” i obejmuje sposób, w jaki lek dostaje się do organizmu (wchłanianie), w jaki przemieszcza się w organizmie (dystrybucja), jak jest chemicznie modyfikowany w organizmie (metabolizm) i ostatecznie – jak organizm wydala lek (eliminacja). O aktywności biologicznej związku chemicznego decydują oba aspekty: farmakodynamiczny i farmakokinetyczny. Z kolei te efekty zależą od właściwości strukturalnych i fizykochemicznych związku. Stereochemia, struktura krystaliczna, rozmiar cząsteczki, właściwości kwasowo-zasadowe, profil jonizacyjny, współczynnik podziału – wszystkie te parametry mają wpływ na skuteczność w dotarciu leku do miejsca działania, a następnie na oddziaływanie z celem biologicznym. Takie oddziaływania zachodzą pomiędzy grupami funkcyjnymi w cząsteczce leku a odpowiednimi grupami funkcyjnymi w obiekcie biologicznym, jakim może być enzym, receptor, kwas nukleinowy lub błona komórkowa. Odpowiedź biologiczna jest miarą dopasowania leku do obiektu biologicznego. W kolejnych rozdziałach zostaną omówione właściwości związków biologicznie aktywnych, które mają wpływ na wchłanianie.

1.1. Aspekty stereochemiczne

Związki chemiczne, które mają ten sam wzór sumaryczny, ale różne wzory strukturalne, są izomerami konstytucyjnymi. Takie izomery różnią się sekwencją wiązań, ich atomy są połączone ze sobą na różne sposoby. Z kolei stereoizomery to izomery, w których atomy połączone są w tych samych sekwencjach, a różnią się jedynie ułożeniem przestrzennym. Stereoizomery można dalej podzielić na izomery optyczne, izomery E/Z, cis/trans oraz konformery. Zależności między różnymi typami izomerii pokazano na rysunku 1.1.

Jednymi z najważniejszych typów izomerów z punktu widzenia chemii farmaceutycznej są stereoizomery, które są względem siebie lustrzanym odbiciem i stanowią zestaw nienakładalnych na siebie obiektów. Te dwa izomery nazywane są enancjomerami. O związkach, które nie nakładają się ze swoim lustrzanym odbiciem, mówimy, że są chiralne i wykazują aktywność optyczną, czyli zdolność do skręcania o ścisle określony kąt płaszczyzny światła spolaryzowanego liniowo. Związek chiralny występuje w postaci dwóch enancjomerów, podczas gdy związek achiralny jest jeden, ponieważ pokrywa się ze swoim lustrzanym odbiciem. Cząsteczka jest chiralna wtedy i tylko wtedy, gdy nie ma inwersyjnej osi symetrii (Cni). Szczególnymi przypadkami inwersyjnej osi symetrii są środek symetrii (n = 2) i płaszczyzna symetrii (n = 1). Stąd cząsteczki mające środek symetrii bądź płaszczyznę symetrii na pewno nie będą chiralne.

Powodem chiralności jest najczęściej atom węgla o hybrydyzacji sp³ z przyłączonymi do niego czterema różnymi podstawnikami, nazywany węglem asymetrycznym lub centrum chiralnym. Niekiedy powodem chiralności są inne niż węgiel atomy chiralne, np. siarka, fosfor, azot, krzem czy german. Przykładami stabilnych enancjomerów mogą być niesymetrycznie podstawione sulfotlenki, w których wolna para elektronów przy tetraedrycznym atomie siarki stanowi jej czwarty podstawnik. Z kolei w przypadku amin trzeciorzędowych atom azotu wprawdzie posiada cztery podstawniki łącznie z wolną parą elektronów przy atomie azotu, ale następuje szybka przemiana jednej konfiguracji w drugą i dlatego aminy nie tworzą stabilnych enancjomerów.

Najczęściej związki biologicznie aktywne pochodzenia naturalnego zawierają wiele centrów stereogenicznych. Choć pojęcia centrum chiralne i centrum stereogeniczne są często utożsamiane, to jednak istnieje między tymi pojęciami różnica. Polega ona na tym, że centrum chiralnym jest miejsce, które generuje możliwość występowania stereoizomerów optycznych, natomiast centrum stereogeniczne to miejsce generujące możliwość występowania każdego rodzaju stereoizomerów. Zatem wszystkie centra chiralne są centrami stereogenicznymi, jednak nie wszystkie centra stereogeniczne są centrami chiralnymi. I tak, centrum chiralnym jest chiralny atom, a także oś chiralności, płaszczyzna chiralności i struktura helikalna. Centrum stereogenicznym jest każde centrum chiralne, ale i wiązanie podwójne oraz pierścień, które generują izomery geometryczne typu cis/trans lub E/Z. Ogólnie struktura zawierająca n centrów stereogenicznych będzie miała maksymalnie 2n różnych stereoizomerów, z czego 2n\ – 1 par enancjomerów, a pozostałe izomery, które nie są względem siebie odbiciami lustrzanymi, nazwiemy diastereoizomerami.

Rysunek 1.1. Rodzaje izomerii

Dla zobrazowania takiej sytuacji na rysunku 1.2 przedstawiono strukturę pyretryny I, naturalnego związku o silnym działaniu owadobójczym, izolowanego z kwiatów Chrysanthemum cinerariifolium.

Rysunek 1.2. Pyretryna I

Zastanówmy się, ile stereoizomerów może mieć taka konstytucja. Pyretryna I ma trzy atomy chiralne i trzy wiązania podwójne C=C. Czwarte wiązanie podwójne jest usztywnione w pierścieniu i nie jest powodem izomerii geometrycznej, gdyż zmiana geometrii wiązałaby się z otwarciem pierścienia, a to byłaby już inna konstytucja. Tylko zaznaczone linią przerywaną wiązanie podwójne jest powodem izomerii E/Z. Pozostałe dwa wiązania podwójne nie spełniają warunku centrum stereogenicznego, gdyż dwie identyczne grupy (dwa atomy H lub dwie grupy CH₃) znajdują się przy jednym z atomów węgla tworzących wiązanie podwójne. A zatem cztery centra stereogeniczne: trzy atomy chiralne i jedno wiązanie podwójne dają 2⁴ = 16 możliwych stereoizomerów.

Struktury posiadające jedno centrum chiralne są zawsze chiralne, natomiast jeśli w danej strukturze są dwa lub więcej centrów chiralnych, to zazwyczaj są chiralne, ale w szczególnych przypadkach mogą być achiralne. Związek zawierający kilka centrów chiralnych, a niewykazujący aktywności optycznej, nazywamy związkiem mezo. Związek taki posiada płaszczyznę symetrii, co oznacza, że nie może być chiralny. Występowanie związków mezo (związki z chiralnymi atomami i z płaszczyzną symetrii) powoduje, że liczba możliwych stereoizomerów dla związków o n centrach stereogenicznych nie może osiągnąć wartości 2n. Taka sytuacja ma miejsce np. w przypadku 1,3-dichlorocykloheksanu. Związek ten ma dwa chiralne atomy węgla, ale tylko trzy możliwe stereoizomery (rysunek 1.3). Przy cis ułożeniu atomów chloru związek posiada płaszczyznę symetrii, niezależnie od tego, czy występuje w konformacji krzesłowej eq-eq, czy ax-ax. Taka struktura jest więc optycznie nieczynną formą mezo, która na pewno pokrywa się ze swoim lustrzanym odbiciem. Przy trans ułożeniu atomów chloru związek nie ma płaszczyzny symetrii, niezależnie od tego, czy występuje w konformacji krzesłowej eq-ax, czy ax-eq, i na pewno jest optycznie czynny. Dlatego istnieją dwa stereoizomery typu trans, będące nienakładającymi się odbiciami lustrzanymi, odpowiednio 1R,3R i 1S,3S.

System oznaczeń R/S, wprowadzony przez Cahna, Ingolda i Preloga, służy do jednoznacznego opisu konfiguracji centrum chiralnego. Znaki R (łac. rectus – zgodnie z ruchem wskazówek zegara) i S (łac. sinister – przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) oznaczają kolejność występowania podstawników w przestrzeni zgodnie z zasadą pierwszeństwa, o której decyduje liczba atomowa pierwiastka związanego z atomem chiralnym. Nie ma związku między konfiguracją absolutną R lub S a znakiem (+)

Rysunek 1.3. Stereoizomery 1,3-dichlorocykloheksanu

lub (–) kąta skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego liniowo. Nie możemy przewidzieć kierunku i kąta, pod jakim enancjomer R obróci płaszczyznę światła spolaryzowanego, ale jeśli zmierzymy polarymetrem i zdefiniujemy kąt dla enancjomeru R, będziemy wiedzieć, że enancjomer S będzie skręcał o tę samą wartość kąta, ale z przeciwnym znakiem.

Skręcalność właściwa () wyrażona poniższym wzorem jest wielkością charakterystyczną dla związku optycznie aktywnego i może być wykorzystana do oznaczenia jego czystości.

gdzie oznacza skręcalność właściwą, α – wartość kąta skręcenia odczytaną z polarymetru, c – stężenie w , l – długość rurki polarymetrycznej w .

Prawoskrętne i lewoskrętne enancjomery związku chiralnego skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w przeciwnym kierunku. Zjawisko to jest unikalne dla cząsteczek chiralnych i zostało nazwane aktywnością optyczną. W parze enancjomerów każdy jest optycznie aktywny i ma równą, ale przeciwną co do znaku skręcalność właściwą, np. dla prawoskrętnego (+)-karwonu = +61°, dla lewoskrętnego (–)-karwonu = –61°. Mieszanina enancjomerów w proporcji 1:1 nie wykazuje aktywności optycznej. Takie mieszaniny nazywane są racematami i są oznaczane (±). Z kolei każda nieracemiczna mieszanina enancjomerów będzie posiadała wypadkową, niezerową skręcalność optyczną.

Czystość optyczną enancjomeru można opisać za pomocą nadmiaru enancjomerycznego. Nadmiar enancjomeryczny (ang. enantiomeric excess, ee) definiuje się jako stosunek różnicy zawartości poszczególnych enancjomerów do sumy ich zawartości w określonej mieszaninie i jest wyrażony w procentach. Po raz pierwszy termin ten został zastosowany w 1971 roku przez Morrisona i Moshera. Poniższy wzór przedstawia wartość ee, gdy w przewadze występuje enancjomer R:

gdzie , – stężenie enancjomerów R i S.

Przykładowo eeR = 80% oznacza, że w mieszaninie znajduje się 80% enancjomeru R, a pozostałe 20% stanowi mieszaninę racemiczną, czyli sumarycznie zawartość enancjomeru R wynosi 90%, a enancjomeru S 10%.

Skręcalność właściwa jest wielkością addytywną, stąd znając skręcalność właściwą mieszaniny enancjomerów miesz i skręcalność właściwą czystego enancjomeru będącego w przewadze, np. enancjomeru R ( R), można obliczyć jego czystość optyczną. Czystość optyczna jest równoważna z nadmiarem enancjomerycznym.

W reakcjach chemicznych, w których mogą powstawać enancjomery, nadmiar enancjomeryczny ee może przyjąć wartość od 0 – gdy w wyniku reakcji otrzymujemy racemat, do 100%, jeśli powstaje jeden czysty enancjomer. Nadmiar enancjomeryczny jest wskaźnikiem sukcesu w syntezie asymetrycznej. Pokrewnym określeniem dotyczącym diastereoizomerów jest nadmiar diastereoizomeryczny (ang. diastereomeric excess, de), który obliczamy analogicznie, wstawiając do wzoru stężenia dwóch diastereoizomerów.

Enzymy, receptory i inne cele działania leków jako obiekty biologiczne są zbudowane z chiralnych jednostek budulcowych. Nic więc dziwnego, że chiralność odgrywa ważną rolę w odpowiedzi biologicznej. W przypadku leków, które są mieszaninami racemicznymi, za pożądany efekt farmakologiczny zazwyczaj odpowiada jeden enancjomer. Drugi jest farmakologicznie nieaktywny lub ma inne działanie. Enancjomery związku chiralnego mają takie same właściwości fizykochemiczne w środowisku achiralnym, poza znakiem skręcalności właściwej. Za to w chiralnym środowisku enancjomery mogą zachowywać się odmiennie. Organizmy żywe zbudowane są z chiralnych cząsteczek, w związku z tym każdy z enancjomerów w kontakcie np. z enzymem lub receptorem może przejawiać inne właściwości.

Wiele leków o znaczeniu klinicznym to mieszaniny enancjomerów. W przemyśle farmaceutycznym rośnie tendencja do opracowywania i wprowadzania na rynek produktów leczniczych zawierających tylko jeden enancjomer. Korzyści wynikające ze stosowania optycznie czystych substancji to m.in.: zmniejszenie dawki terapeutycznej, uproszczenie zależności między dawką a odpowiedzią na leczenie, zmniejszenie toksyczności i skutków ubocznych dzięki większej specyficzności działania enancjomeru w miejscu docelowym oraz uproszczona farmakokinetyka. Ponadto farmakologicznie nieaktywny enancjomer może zmniejszać skuteczność aktywnego izomeru przez zmniejszanie jego aktywności w miejscu jego działania lub przez zakłócanie jego metabolizmu. Dlatego rozdzielenie mieszaniny racemicznej na enancjomery i ocena indywidualnych właściwości izomerów jest rozsądnym podejściem w celu poprawy profilu klinicznego wielu leków.

1.1. Problemy do rozwiązania

Problem 1.1.1

Które z poniższych par związków są izomerami? Dla każdej pary izomerów odpowiedz, czy są to izomery konstytucyjne, konfiguracyjne czy konformacyjne?

a) L-Fenyloalanina, β-metylofenyloalanina

b) L-Fenyloalanina, D-fenyloalanina

c) (ax-ax)-1,3-Dichlorocykloheksan, (eq-eq)-1,3-dichlorocykloheksan

d) trans-1,3-Dichlorocykloheksan, cis-1,3-dichlorocykloheksan

e) Kwas α-aminomasłowy, kwas γ-aminomasłowy

Problem 1.1.2

Dla każdej z poniższych par izomerów odpowiedz, czy są to enancjomery, czy diastereoizomery?

a) α-D-Glukopiranozyd metylu, β-D-glukopiranozyd metylu

b) α-D-Glukopiranozyd metylu, α-L-glukopiranozyd metylu

c) (E)-1,2-Dichlorobuten, (Z)-1,2-dichlorobuten

d) (R)-Propranolol, (S)-propranolol

e) (+)-(R,R)-Kwas winowy, (–)-(S,S)-kwas winowy

f) (+)-(R,R)-Kwas winowy, mezo-kwas winowy

Problem 1.1.3

Zaznacz stereogeniczne atomy w poniższych strukturach witamin.

Problem 1.1.4

Które ze struktur przedstawionych na poniższym schemacie są chiralne?

Problem 1.1.5

Które ze struktur przedstawionych na poniższym schemacie są achiralnymi stereoizomerami mezo?

Problem 1.1.6

Wskaż, które z poniższych związków występują w postaci stabilnych enancjomerów?

Problem 1.1.7

Opisz relację stereochemiczną pomiędzy strukturą A i każdą z pozostałych: B, C, D i E. Które ze związków są optycznie aktywne?

Problem 1.1.8

Lindan to jeden z izomerów heksachlorocykloheksanu, stosowany w rolnictwie i leśnictwie jako pestycyd do zwalczania szkodników oraz jako substancja owadobójcza. Czy lindan jest optycznie aktywny? Narysuj konformery krzesłowe lindanu.

Problem 1.1.9

Adrenalina, zwana też epinefryną, jest chiralną katecholaminą, hormonem aktywującym receptory adrenergiczne. Która z poniższych struktur przedstawia jej endogenny enancjomer – (R)-adrenalinę?

Problem 1.1.10

Pod koniec XVI wieku zauważono, że owoce cytrusowe zapobiegają szkorbutowi. Dzisiaj wiemy, że dzieje się to za sprawą witaminy C, substancji niezbędnej do prawidłowego funkcjonowania człowieka. Witaminę C wyizolował w 1928 roku węgierski biochemik Albert Szent-Györgyi, z kolei w 1933 roku brytyjski chemik Walter Norman Haworth przyczynił się do ustalenia jej struktury. W 1937 obu naukowcom za badania nad witaminą C przyznano Nagrody Nobla – Szent-Györgyi otrzymał ją w dziedzinie fizjologii lub medycyny, a Haworth w dziedzinie chemii. Witamina C występuje naturalnie jako związek o konfiguracji S węgla w łańcuchu bocznym i konfiguracji R węgla przy pierścieniu furanowym. Która z poniższych struktur przedstawia witaminę C? Pozostałe izomery to kwas D-askorbinowy oraz kwasy D- i L-izoaskorbinowe, które nie mają znaczenia biologicznego, gdyż nie są witaminami.

Problem 1.1.11

Penicylina to pierwszy w historii antybiotyk, którego działanie polega na hamowaniu procesu tworzenia ściany komórkowej bakterii. Za jej odkrywcę uznaje się szkockiego bakteriologa i lekarza, Aleksandra Fleminga, który w 1928 roku podczas porządkowania laboratorium przez przypadek zauważył na pojemnikach z koloniami bakterii niebieskawą narośl. Ta przypominająca pleśń narośl zabiła bakterie znajdujące się w pobliżu. Czynną substancję, penicylinę G, udało się wyizolować w 1938 roku Howardowi Floreyowi i Ernstowi Chainowi. Ci trzej naukowcy w 1945 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny.

Opisz konfigurację centrów stereogenicznych w penicylinie, wiedząc, że:

• za aktywność przeciwbakteryjną penicyliny odpowiada struktura, w której usytuowanie podstawników w pierścieniu β-laktamowym jest cis;

• oba podstawniki pierścienia β-laktamowego leżą po przeciwnej stronie płaszczyzny w stosunku do grupy karboksylowej.

Problem 1.1.12

Fozynopril jest prolekiem stosowanym w terapii nadciśnienia tętniczego. Jakie centra stereogeniczne zawiera ta struktura?

Problem 1.1.13

L-Asparagina jest przykładem endogennego α-aminokwasu, który organizmy żywe wykorzystują do biosyntezy białek. Znany jest również drugi enancjomer tego aminokwasu, D-asparagina. Które z poniższych własności mogą być użyte do identyfikacji enancjomerów asparaginy?

a) Rozpuszczalność w dichlorometanie

b) Temperatura topnienia

c) Smak

d) Współczynnik załamania światła

e) Skręcalność właściwa

f) Widmo UV

g) Dwuwymiarowe widmo NMR typu COSY

Problem 1.1.14

Niekiedy w przypadku enancjomerów związku chiralnego mamy do czynienia z sytuacją, kiedy jeden z enancjomerów jest zdecydowanie aktywniejszy, a drugi nie powoduje znaczącej aktywności, ale i nie wykazuje efektów ubocznych. Takie leki najczęściej są sprzedawane jako mieszaniny racemiczne. Przykładami może być propranolol i ibuprofen. (R)-Propranolol jako lek z grupy β-adrenolityków (β-blokerów) powoduje obniżenie ciśnienia tętniczego i jest ponad 100-krotnie aktywniejszy od enancjomeru S. W parze enancjomerów ibuprofenu za aktywność przeciwbólową, przeciwgorączkową i przeciwzapalną odpowiada enancjomer (S)-ibuprofenu. Co ciekawe, pozbawiony aktywności enancjomer R jest w organizmie metabolizowany do aktywnej formy S. Wskaż struktury aktywnych enancjomerów (R)-propranololu i (S)-ibuprofenu.

Problem 1.1.15

Trichostatyna A to antybiotyk przeciwgrzybiczy, który w badaniach biologicznych może być wykorzystany do modulowania ekspresji genów. Odpowiedz, do jakiej klasy związków organicznych zaliczymy trichostatynę A? Ile stereoizomerów może mieć taka konstytucja?

Problem 1.1.16

(–)-Hioscyjamina jest alkaloidem i występuje naturalnie w roślinach z rodziny psiankowatych, w pokrzyku wilczej jagodzie (Atropa belladonna) czy w bieluniu dziędzierzawie (Datura stramonium). Podczas ekstrakcji z materiału roślinnego ulega stosunkowo szybkiej racemizacji do (±)-hioscyjaminy znanej pod nazwą atropina. Atropina jest zatem racematem pozbawionym aktywności optycznej.

Wiedząc, że skręcalność właściwa optycznie czystej (–)-hioscyjaminy wynosi –25°, odpowiedz, który enancjomer hioscyjaminy przeważa w mieszaninie o skręcalności właściwej –20°? Jaka jest zawartość procentowa enancjomeru będącego w przewadze?