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FARMACOQUÍMICA I Mgr. Alonso Alcázar Rojas (tema 2) PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS DE LOS FARMACOS Y ACTIVIDAD BIOLOGICA INTRODUCCIÓN Fármaco interactúan con estructuras biológicas ↓ Efecto • lipoproteínas/enzimas • membranas • ácidos nucleicos EFECTO DEL FARMACO • Efecto del FÁRMACO ocurre por el transporte del Fármaco del sitio de aplicación al sitio de acción y este depende de: • Las propiedades fisicoquímicas del sitio de acción y de la naturaleza del fármaco Naturaleza de la Membrana Biológica • Desde el punto de vista químico • Las membranas biológicas están constituidas por fosfolípidos (esteres del glicerol en los que los grupos –OH están esterificados con ácidos grasos y el grupo restante con un H3PO4 que contiene un aminoalcohol (colina, etanolamina) COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MEMBRANA Desde un punto de vista termodinámico: La asociación más entre las moléculas de fosfoglicéridos en las membranas biológicas es la de una doble capa en la que las zonas polares quedas orientadas hacia el exterior y el interior de dicha bicapa, mientras que las colas hidrófobas ocupan la parte central. Esquema de la Fosfatidilcolina: micela lipidica • una bicapa fosfolipídica actúa como una barrera selectivamente permeable Efectos del pH sobre absorción de un ácido o base débil protonadas no protonadaslog =pKa -pH ácidos débiles (HA) donan un protón(H+) para formar aniones (A-), mientras que las bases débiles (B) aceptan protones para formar cationes (HB+) solo la forma no ionizada penetra la membranas celulares El pKa de un ácido o base débil es el pH en el cual hay igual cantidad de formas protonadas y no protonadas, Para determinar la tasa de las 2 formas se puede usar la ecuación de Henderson- Hasselbalch: Ej: Los aminoácidos son un ácido débil (HA) con un pKa de 3: log[HA]/[A-]= 3- pH. A un pH de 2: log[HA]/[A-]= 3-2=1 10/1 Así la absorción de ácidos y bases depende de su constante de disociación (pKa) y del pH del medio, los cuales están relacionados según la ecuación de Henderson – Hasselbach pH = pKa + log (RCOO-) (RCOOH) MECANISMOS DE TRANSPORTE QUE INCIDEN EN LOS PROCESOS FARMACOCINÉTICOS Moléculas pequeñas: Difusión pasiva Difusión facilitada Transporte activo Moléculas grandes: Pinocitosis Exocitosis MECANISMOS DE TRANSPORTE QUE INCIDEN EN LOS PROCESOS FARMACOCINÉTICOS Factores que inciden en la velocidad de difusión: Tamaño Liposolubilidad Grado de ionización Membrana celular Transporte pasivo Transporte mediado en la membrana Efecto del pH y electrolitos Factores físicoquímicos en el transporte de las drogas a través de membrana biológica Modelos Fisicoquímicos que explican el transporte a través de membranas La Filtración: Proceso de transporte de moléculas pequeñas. Ejemplos: agua, iones, moléculas hidrosolubles de pequeño volumen. Función: regula el paso de sustancias a través de los poros de la membrana: Fármacos de PM = 250 y 500 UMA son filtrados. Fármacos de PM ≥ 1000 UMA son condicionados Fármacos de PM ≥ 1000 UMA son de carácter macromolecular Qué tipo de disolución origina en los fluidos biológicos Disoluciones Coloidales Ejemplos: expansores del plasma: polivinilpirrolidona (PM aprox. 3000), dextranos, polisacáridos (procedentes de la hidrólisis parcial del almidón) ¿Cómo atraviesan los fármacos las membranas biológicas? Difusión pasiva o simple Difusión facilitada Transporte activo DIFUSION PASIVA • Proceso por el que una sustancia se difunde en función de su diferente concentración a ambos lados de la membrana. El proceso cesa cuando las concentraciones a ambos lados de la membrana se igualan. • Ejemplo: el paracetamol. DIFUSION PASIVA • La velocidad de este proceso de difusión pasiva viene gobernada por la ley de FicK, según la cual dicha velocidad es directamente proporcional a la diferencia de concentración a ambos lados de la membrana. • -dC/dt = velocidad de difusión a través de la membrana. • K = constante de difusión. • A = Área de difusión. • C1 y C2 = concentraciones a uno y otro lado de la membrana. • D = espesor de la membrana. DIFUSION PASIVA K depende de una serie de propiedades físicoquímicas: solubilidad del fármaco en agua, constante de ionización del fármaco, solubilidad en lípidos, magnitud molecular, sus características estéreas, así como las características propias de la membrana. DIFUSION FACILITADA • Las sustancias se absorben a favor de una gradiente de concentración. La característica fundamental del proceso es la existencia de moléculas transportadoras que se combinan con el sustrato mediante la formación de enlaces o interacciones específicas permitiendo el paso del mismo a través de la membrana. • Ejemplo: Glucosa, no atraviesa por libre difusión porque es un compuesto muy polar y necesita de un transportador. TRANSPORTE ACTIVO • Común con la difusión facilitada utiliza moléculas transportadoras. • Diferencia del proceso anterior, el paso de solutos tiene lugar en contra de un gradiente de concentración o de potencial; es, por lo tanto un proceso que lleva asociados un gasto de energía. • Ejemplo: Yodo en la glándula tiroidea. • Tanto la difusión facilitada como el transporte activo son procesos saturables, es decir se alcanza una velocidad máxima que es independiente de la concentración del sustrato. SOLUBILIDAD DEL FARMACO EN EL ORGANISMO Droga en solución interactuar con receptores Droga grado de solubilidad en ambos compartimentos acuosos y lipídicos. Solubilidad esta en función de: • Ionización • Estructura molecular • Peso molecular • Estereoquímica • Estructura electrónica Solubilidad en Lípidos: Coeficiente de Reparto Sistema semejante al sistema biológico: COEFICIENTE DE PARTICIÓN (P) P es generalmente expresado como “log P” para compuestos, y en términos “π” para grupos de substituyentes de un compuesto. π es obtenido a través de log P. π= log Px – log PH Px = P para el compuesto sustituido. PH = P para el compuesto original. VALORES REPRESENTATIVOS DE π SIGNIFICADO DE P • VALORES DE P>1: compuesto es más soluble en lípidos que en agua (lipófilo o hidrófilo). • Valores de P<1: compuesto de mayor solubilidad en agua que lípido (hidrosoluble). A tener en cuenta el grado de ionización (α) para efectuar la corrección de P de acuerdo a la ecuación: En los compuestos que se ionizan: HIDROSOLUBILIDAD • Características del agua: • Tercer compuesto más abundante en el universo (después de H2 y CO). • La sustancia más abundante en la tierra y en el cuerpo humano. • Se han planteado diferentes modelos para explicar las características del agua. El más discutido fue la estructura icosaedrica. • Explica muchas de las características «anómalas» del agua, incluyendo su Temperatura, densidad, presión y viscosidad • Esta estructura icosahedrica acomoda la presencia de pentámeros y octámeros cíclicos, explicaría: • Las características de solvatación y de hidratación de iones, de moléculas hidrófobas, de carbohidratos y macromoléculas • Ejemplo: la testosterona: insoluble en agua pero soluble en alcohol, éter u otros solventes orgánicos. • Inyectado en el cuerpo, los compuestos insolubles como la testosterona son diluidos por el volumen grande del cuerpo que permite que la testosterona entre en solución. Testosterona • La solubilidad de una droga / solvente esta dado por la cantidad de soluto disuelto en un volumen específico o masa de solución o solvente. • Las unidades comúnmente usadas son: – Solubilidad: Nº de g de soluto disuelto en 100g de solvente (% w/w). La masa (% w/v) y volumen (% v/v) de soluto en 1000ml de solución. – Molaridad – Molalidad PREDICCION DE LA SOLUBILIDAD EN AGUA Método empírico Método analítico Solubilidad en agua ↓ Compuestos iónicos Compuestos polares Solubilidad en agua Polaridad & solubilidad • Iónico (Na+/Cl-): másiónico o polar, más soluble COO-, NH4+, Cl-(CH3)N+HCOO-, -OOCCH2CH2COO-, Na2O3P- (ácidos débiles / bases) Ejemplos de aniones y cationes usados para formar sales de drogas • Aniones: – Etanoato – Citrato – Lactato – Tartrato – Cloruros – Sulfatos • Cationes: – Ión Sodio – Ión Calcio – Ión Zinc – Ión dietanolamina – N-metilglucamina – Aminoetanol Solubilidad en Agua • Polaridad y Solubilidad • Iónico (Na+ /Cl-): más iónico, más soluble. • A mayor tamaño molecular, menor solubilidad Solubilidad en Agua • Los ácidos y bases que forman puente de H2 con el H2O deberían formar sales que son más solubles en agua que las sales de ácidos y bases que no forman puente de H2; sin embargo estas drogas demasiado soluble no se disuelve en lípidos, resulta que su actividad podría ser reducida o en algunos casos incrementada. • Ejemplo: el estearato de eritromicina se disocia en el intestino para liberar el antibiótico eritromicina, el cuál es absorbido como base libre. • Sales con baja solubilidad en agua pueden ser usados como drogas de deposito (“depot”). Ejemplo: la penicilina G procaina tiene una solubilidad de 0,5g en 100g de agua, cuando esta sal es administrada en suspensión IM ésta actúa como deposito debido a la baja liberación de la penicilina. • La formación de sales es usado también para cambiar el sabor de las drogas, por ejemplo: el hidrocloruro de clorpromacina (antipsicótico) es soluble en agua pero tiene un sabor amargo, (no es aceptable por le paciente) sin embargo la sal de embonato que es insoluble en agua es casi insípido ( alternativa útil, permite administrarlo oralmente). Método Empírico • Propiedades de Solubilidad de sales Na de ácidos orgánicos Método Empírico • Propiedades de Solubilidad de sales Na de ácidos orgánicos RCOO-Na+ Solubilidad(g/100g H2O) C6H5 55,5 CH3 125,0 CH3CH2 100,0 CH3(CH2)16 10,0 Método Empírico • Propiedades de Solubilidad de sales Na de ácidos orgánicos Método Empírico • Propiedades de Solubilidad de alcoholes comunes. Método Empírico • Propiedades de Solubilidad de aminas. Método Empírico • Propiedades de Solubilidad de Fenoles ArOH Solubilidad(g/100g H2O) Ciclohexano l 3,6 Fenol 9,3 p-Cresol 2,3 m- Clorofenol 2,6 Catecol 45,0 Bases del Método Empírico • Para compuestos monofuncionales (un solo GF) de 5 o 7 C (capaz de formar un pte de H), podrá ocasionar en solución el aumento de la solubilidad en 1%. • Pero los fármacos no son monofuncionales • Una simple suma de «solubilidad-agua» potenciaría pero no podría dar exactas predicciones. Método Empírico: Potencial disolvente de algunos GF Grupo Funcional (GF) Fórmula Disuelve amonio (=N+=) 6 carbonos carboxilato -COO- 6 carbonos alcohol, fenol -OH 3-4 carbonos aminas -NH2 3 carbonos acidos carboxílicos -COOH 3 carbonos ésteres -COOR 3 carbonos amida -CO-NH- 2-3 carbonos éter R-O-R' 2 carbonos aldehído -CHO 2 carbonos cetona R-CO-R' 2 carbonos úrea =N-CO-N= 2 carbonos carbamato RO-CO-N= 2 carbonos Método Empírico • Predicción de la solubilidad en agua en base al «potencial disolvente» de los grupos funcionales Morfina (C17H19NO3) 2 grupos OH 6 – 8 carbonos 1 grupo NH2 3 carbonos 1 grupo éter 2 carbonos Disueltos 11 – 13 carbonos (insoluble en agua en su forma no protonada) Método Empírico Ouabaína (C29H44O12) 8 grupos OH 24 – 32 carbonos 2 grupos éter 4 carbonos 1 grupo éster 3 carbonos Disueltos 31 – 39 carbonos (soluble en agua) Método Empírico • Sin embargo estas reglas empíricas deben aplicarse con precaución. Un ejemplo de ello lo encontramos en las propiedades de solubilidad del aminoácido tirosina (C9H11NO3) • Predicción: 17-20 C debería ser soluble en solución. • Solo 9 C presentes, debería ser >1% soluble. • Resultados Experimentales: 0,045% solubilidad TIROSINA COOH 5-6 C OH 6-7 C NH2 6-7 C • Fuerza en los enlaces intramoleculares entre los grupos carboxilato y amina, ambos ionizados. • La gran estabilidad de la estructura cristalina iónica. • Modificando el pH incrementa la solubilidad Grupos polifuncionales que forman enlaces intra- e inter-molecular compensan GRUPO Mono Poli ROH 5-6 C 3-4 C ArOH 6-7 C 3-4 C Estructura de la tirosina en función del pH del medio • Bloquear uno de los dos grupos iónicos, por protonación (en medio H+) o desprotonación (en medio –OH), para que se observe la solubilidad esperada. NH3 COOH HO pH<7 soluble NH3 COO HO insoluble pH>7 NH2 COO HO soluble Miembro representativo de la clase de “tiazidas” diuréticos. Muestra la estructura del núcleo Se usa como terapia en edemas asociado con fallas cardiacas congestivas, cirrosis hepática y terapia esteroidal. También es útil en edemas debido a problemas renales como síndrome nefrítico, glomérulo nefritis aguda y falla renal crónica. (droga muy potente como antihipertensivo) ¿Cómo se puede incrementar la duración de acción? (¿incrementando o disminuyendo solubilidad?) Nombre Genérico (Nombre de Marca) Estructura Química Potencia Oral Relativa Natriuretica en Humanos 50% inhib de anhidrasa carbonica in vivo Duración de la acción (horas) 3,4-dihidro-1,2,4- benzotiadiazinas Hidroclorotiazida (Diuril, Oretic) 1,4 2 x 10-5 8-12 Método Analítico • El log P es una medida de la solubilidad de la totalidad de la droga y se mide por: • Si log P es >1 el compuesto es insoluble. • Si log P es <1 el compuesto es soluble en agua. • π es el log P de los fragmentos Método Analítico • Valor de π para fragmentos orgánicos Fragmento Valor π C (alifático) +0,5 fenil +2,0 Cl +0,5 O2NO (nitrato) +0,2 S 0,0 OCO, OCN −0,7 O, N −1,0 O2N (alifático) −0,85 O2N (aromático) −0,28 Método Analítico • Tabla es solo una breve compilación. • Valores π son aproximaciones. • Valores π depende de los fragmentos aromáticos o alifáticos. • Valores π son obtenidos bajo condiciones no ionizantes. • Puentes de H2 intramolecular debería ser considerado. • Valores para heterociclos puede ser estimado. Método Analítico 6 CARBONOS +0,5 +3,0 1 FENIL +2,0 +2,0 2 N -1,0 -2,0 1 O=C-O -0,7 -0,7 +2,3 Método Analítico 5 CARBONOS +0,5 +2,5 2 FENIL +2,0 +4,0 1 CLORO +0,5 +0,5 2 N -1,0 -2,0 1 S 0,0 0,0 +5,0 Método Analítico 9 CARBONOS +0,5 +4,5 1 O -1,0 -1,0 2 OCN -0,7 -1,4 +2,1 Método Analítico 7 CARBONOS +0,5 +3,5 1 FENIL +2,0 +2,0 1 O -1,0 -1,0 3 OCN, OCO -0,7 -2,1 1 S 0,0 0,0 +2,4 Método Analítico 3 CARBONOS +0,5 +1,5 3 O -1,0 -3,0 -1,5 Importancia de la Hidrosolubilidad • En un fármaco: la solubilidad en medio acuoso y las membranas lipídicas juegan un rol importante: – En la absorción – Transporte a los sitios de acción. Puentes de H2 e interacciones hidrofóbicas del agua influencian en las conformaciones de las macromoléculas biológicas las cuales afectan el comportamiento biológico. Importancia de la Hidrosolubilidad • En la materia viviente el agua actúa: – Solvente inerte. – Medio dispersante para soluciones coloidales. – Reactivo :Nu– en numerosas reacciones biológicas. • La actividad metabólica solamente puede ocurrir cuando al menos el 65% de la célula tiene agua. Importancia de la Hidrosolubilidad • A efectos prácticos se considera un compuesto “soluble en agua” cuando puede alcanzarse concentraciones del 3 – 5% a pH neutro. Importancia de la Hidrosolubilidad • Una absorción pobre debido a una baja solubilidad en agua; puede ser usado en unas instancias para liberar la droga en el sitio requerido de acción. Ejm Pirantel embonato. OH COOH CH2 OH COOH H3C N N S Importancia de la Hidrosolubilidad • La hidrólisis por agua es una de las principales rutas del metabolismo de las drogas. Por ejemplo Fármacos que contiene grupo éster, amida y otros grupos hidrolizables. • Ejemplo: lidocaína.CH3 H N O C N CH3 CH3 CH3 H2O Hidrólisis CH3 NH2 CH3 Importancia de la Hidrosolubilidad • OJO: la presencia de una alta concentración de Cl- en el estómago reduce la solubilidadde las drogas, que tienen sales de cloruro soluble por el efecto del ión común (presencia de un ión idéntico que proviene de diferente fuente). • Las sales insolubles en agua se disocian en el intestino para liberar el componente acidico o básico, esta propiedad es usada para distribuir la droga. Incorporación de grupos que permitan solubilizar las drogas en agua • El tipo de grupo que se introduce. • Si la incorporación de grupos es reversible o irreversible. • La posición donde ingresa. • Los métodos de introducción de grupos. Tipos de grupo • Incorporación de grupos polares dentro de la estructura de un compuesto, origina una mayor solubilidad en agua. • Compuestos que son iónicos o que son capaces de formar fuerzas intermoleculares de atracción con el agua incrementan su solubilidad, por ejm: la incorporación de una parte polar como un –OH, –NH2, –CONH2, – COOH, –SO3H, –OPO3H, forman hidratos estables con el agua. Tipos de grupo • La introducción de grupos ácidos y básicos es útil ya que puede ser usados para formar sales. • La formación de “zwiteriones” por la incorporación de un grupo ácido de una droga básica o viceversa puede reducir la solubilidad en agua. Tipos de grupo • La incorporación de grupos débilmente polares como –COOR, –ArX, –RX, no tiene significancia en la mejora de la solubilidad en agua pero si aumenta la solubilidad en lípidos. • En todos los casos el grado de solubilidad obtenido por incorporación no puede ser predicho con precisión porque depende de otros factores. Grupos reversibles e irreversibles • El tipo de grupo seleccionado depende del grado de permanencia requerido. • Los grupos que se encuentran directamente unido al esqueleto del carbono son menos reactivos: C–C, C–O y C–N, por ende son grupos irreversibles. • Los grupos éster, amida, fosfato, sulfato y glucósidos son más fáciles de metabolizarse, por ende son transferidos del punto de administración al sitio de acción. Grupos reversibles e irreversibles • Estos tipos de compuestos pueden actuar como pro–drogas. • La velocidad de pérdida de estos grupos solubilizantes dependen de la naturaleza de la ruta transferida y esto podría afectar la actividad de la droga. La posición del grupo solubilizante • La posición de un nuevo grupo depende de la reactividad de las áreas de la estructura. • Por ejemplo: Una estructura que contiene un anillo aromático sufre reacciones de S.E.A., mientras que un grupo –CHO, es susceptible de oxidación, reducción, adición nucleofílica y condensación. La posición del grupo solubilizante • Para preservar el tipo de actividad que tiene la droga, el grupo solubilizante incorporado no debe alterar la interacción droga – receptor. • La incorporación de residuos acidicos conducen a estructuras con cambio en el tipo de actividad, ejm.: podrían exhibir propiedades hemolíticas; la incorporación de grupos acidicos aromáticos origina actividades antiinflamatorias. La posición del grupo solubilizante • La incorporación de grupos básicos solubilizantes ocasiona una tendencia a cambiar el modo de acción porque las bases (aminas) frecuentemente interfieren con neurotransmisores y procesos biológicos. • La incorporación de grupos básicos con drogas que tiene grupos ácidos da origen a la formación de un “zwitterion” en solución con una posible reducción en la solubilidad. Los métodos de introducción de grupos • Los grupos que permiten solubilizar en agua pueden ser introducidos en cualquier paso de la síntesis de la droga. • Muchos métodos implica el uso de grupos protectores que permite que las drogas sean solubles en agua. • N–alquilación, N–acilaciones, O– alquilaciones y O–acilaciones de ROH, ArOH y RNH2 son frecuentemente usadas para introducir todo tipo de grupos solubilizantes en la estructura. Incorporación de – COOH por alquilación Incorporación de – COOH por alquilación Incorporación de – SO3H por alquilación Incorporación de – SO3H por alquilación Incorporación de grupos básicos: N–alquilación Número de diapositiva 1 INTRODUCCIÓN EFECTO DEL FARMACO Naturaleza de la Membrana Biológica Número de diapositiva 5 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MEMBRANA Número de diapositiva 7 Número de diapositiva 8 Número de diapositiva 9 Efectos del pH sobre absorción de un ácido o base débil Número de diapositiva 11 Número de diapositiva 12 Número de diapositiva 13 Número de diapositiva 14 Número de diapositiva 15 Número de diapositiva 16 ¿Cómo atraviesan los fármacos las membranas biológicas? Número de diapositiva 18 DIFUSION PASIVA DIFUSION PASIVA DIFUSION PASIVA DIFUSION FACILITADA TRANSPORTE ACTIVO Número de diapositiva 24 SOLUBILIDAD DEL FARMACO EN EL ORGANISMO Solubilidad en Lípidos: �Coeficiente de Reparto Sistema semejante al sistema biológico: COEFICIENTE DE PARTICIÓN (P) VALORES REPRESENTATIVOS DE SIGNIFICADO DE P A tener en cuenta el grado de ionización (α) para efectuar la corrección de P de acuerdo a la ecuación: HIDROSOLUBILIDAD Número de diapositiva 33 Número de diapositiva 34 Número de diapositiva 35 Número de diapositiva 36 Número de diapositiva 37 PREDICCION DE LA SOLUBILIDAD EN AGUA Solubilidad en agua�Polaridad & solubilidad Ejemplos de aniones y cationes usados para formar sales de drogas Solubilidad en Agua Solubilidad en Agua Número de diapositiva 43 Número de diapositiva 44 Método Empírico Método Empírico Método Empírico Método Empírico Método Empírico Método Empírico Bases del Método Empírico Método Empírico: Potencial disolvente de algunos GF Método Empírico Método Empírico Método Empírico Número de diapositiva 56 Número de diapositiva 57 Estructura de la tirosina en función del pH del medio Número de diapositiva 59 Número de diapositiva 60 Método Analítico Método Analítico Método Analítico Método Analítico Método Analítico Método Analítico Método Analítico Método Analítico Importancia de la Hidrosolubilidad Importancia de la Hidrosolubilidad Importancia de la Hidrosolubilidad Importancia de la Hidrosolubilidad Importancia de la Hidrosolubilidad Importancia de la Hidrosolubilidad Incorporación de grupos que permitan solubilizar las drogas en agua Tipos de grupo Tipos de grupo Tipos de grupo Grupos reversibles e irreversibles Grupos reversibles e irreversibles La posición del grupo solubilizante La posición del grupo solubilizante La posición del grupo solubilizante Los métodos de introducción de grupos Incorporación de – COOH por alquilación Número de diapositiva 86 Incorporación de – COOH por alquilación Incorporación de – SO3H por alquilación Incorporación de – SO3H por alquilación Incorporación de grupos básicos: �N–alquilación Número de diapositiva 91
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