FARMACI
NICOTINICI
ACETILCOLINA E
RECETTORI COLINERGICI
L'acetilcolina è il neurotrasmettitore più diffuso. Si trova nel
S.N.C. (principalmente nella corteccia cerebrale e nel nucleo
caudato), nel sistema nervoso autonomo e nel sistema volontario.
L'acetilcolina è il neuromediatore di:
- tutti i gangli
- della giunzione neuromuscolare
- delle sinapsi postgangliari del sistema parasimpatico
BIOSINTESI, RILASCIO E BIODEGRADAZIONE
- Sintesi della colina nel fegato
HO
NH2
- CO2
HO
NH2
N-metiltrasferasi
decarbossilasi
COOH
+
N
HO
- Nel citoplasma delle cellule delle terminazioni nervose
O
Colina
+ SCoA
O
Colina
acetiltrasferasi
CH3 (CAT)
O
assorbita dal
fluido extracellulare
sintetizzato nei
mitocondri
acetilcolinesterasi
Colina
CH3
CH3
CH3
Acetilcolina
(ACh)
- Nella fessura sinaptica
AcetilColina
+
N
H3C
AcetilCoA
CH3
CH3
Colina
Serina
CH3
O
+
NMe3
H3C
O
ACETILCOLINA
Sir H.Dale, 1914
H
HO
3
4
5
1
O
2
MUSCARINA
Amanita muscaria
2S,4R,5S
S
+
NMe3
N
CH3
N
NICOTINA
Nicotiana tabacum
(S)-(-)
PROPRIETA' CONFORMAZIONALI
La molecola dell'acetilcolina è molto flessibile. Le varie
conformazioni possono essere descritte dai valori dei quattro
angoli di torsione: 0 1 2 3
CH3
O
H
N
C
+
CH3
O
0
H
2
1
H
3
CH3
La conformazione biologicamente attiva è probabilmente:
trans-trans ( 1 = 2 = 180°)
Deduzione ottenuta dalla diversa attività di analoghi rigidi:
- selettivo
muscarinico
- lieve attività
nicotinica
OCOCH3
H
+
NMe3
OCOCH3
S
2
1
H
3
2
NMe3
+
TRANS: attiva
1S,2S - (+) >100 + di 1R,2R - (-)
1
H
H
3
CIS: inattiva
I recettori nicotinici sono selettivamente stimolati (agonisti) oltre che
dalla S(-)-nicotina anche da:
Me
+
N
Me
Me
+N
N
Me
Me
DMPP
1,1-Dimetil-4-fenil-piperazinio
(Agonista dei gangli)
PTMA
Feniltrimetilammonio
(Agonista della Placca motrice)
e bloccati (antagonisti) da:
+
+
Me3N (CH2)6 NMe3
+
+
Me3N (CH2)10 NMe3
ESAMETONIO
(Antagonista gangliare)
DECAMETONIO
(Antagonista muscolatura scheletrica)
- I recettori muscarinici sono attivati (agonista) selettivamente dalla
muscarina e bloccati (antagonista) selettivamente da:
N
CH3
CH2OH
OCO
CH
C6H5
ATROPINA
Atropa Belladonna
I recettori nicotinici e muscarinici differiscono oltre che per
l’affinità verso differenti agonisti e antagonisti anche per molti altri
aspetti:
localizzazione
funzione
architettura molecolare
meccanismi biochimici connessi con la loro attivazione
RECETTORI NICOTINICI
I recettori nicotinici sono recettori a canale ionico (quattro domini
transmembranali e cinque subunità) e la loro attivazione provoca il
flusso degli ioni Na+, K+, Ca++ attraverso la membrana cellulare
secondo il gradiente di concentrazione.
NEURONALI N1 o NN
1 - Gangli del sistema simpatico e parasimpatico
2 - CNS
MUSCOLARI N2 o NM
Giunzione neuromuscolare
Azione diretta
(Agonisti)
Nicotino-mimetici
Azione indiretta
(Anticolinesterasici)
Farmaci Nicotinici
Antinicotinici
Involvement of neuronal nicotinic receptors
Physiology
various complex cognitive functions
arousal
alertness
food intake
pain perception
control of locomotor activity
control of autonomous nervous system
body temperature regulation
nAChRs are particularly important in two periods
of brain life:
• early pre- and perinatal circuit formation
• age-related cell degeneration
neuronal survival
nicotine exposure in cultures protects neurones
from drug-induced neurotoxicity
Potential Therapeutic Targets
Alzheimer’s
disease
Parkinson’s
disease
Dyskinesias
nAChRs
ADHD
Anxiety
and pain
Schizophrenia
Tourette’s
syndrome
Preterminal nAChRs
Ca2+
Presynaptic
nAChRs
Na+
ACh
or
Nicoti
ne
Postsynaptic
nAChRs
K+
Ligand-gated ion channels
Ligand Gated Channels
Family 1 – GABAA 5HT3, nAChR
Drug site
Conformations of nAChRs
Antagonists
(APO-state)
Partial
Agonists
Full
Agonists
Y. Bourne et al.,
The Embo J.
2005, 24, 3635.
Nicotinic
Receptors
Subty
pes
Homom
eric
neuron
al
Heterom
eric
muscle
pCa/pN
a
BgTx
block
++
20
++
~
0.2
1
-
2
Heterome
ric
neuronal
11.5
2
2
Ad oggi sono state clonate 17 subunitàche sono state
divise in tipo muscolare [α1, β1, δ, γe ε(nel feto)] e in
tipo neuronale(α2-α10 e β2-β4)
Heteropentameric receptors
C
P
C
P
Homopentameric receptors
C
P
Competitivi
AGONISTI NICOTINICI
Non Competitivi
Alcuni composti come TMA, DMPP e -Lobelina sono stati
utilizzati come tools farmacologici senza alcun impiego terapeutico.
C6H5
CH3
H3C
+
N
N
H CH3
N
Cl
+
O
OH
CH3
CH3
H3C
TMA
N
+
CH3
-Lobelina
DMPP
Recentemente è stata studiata la possibilità di utilizzare agonisti
nicotinici nel trattamento del morbo di Alzheimer. I composti sotto
riportati sono stati utilizzati come tools farmacologici o come
modelli per successive elaborazioni strutturali
O
H3C
H
N
O
C2H5
S N
CH3
N
(S)-ABT-418
selettivo per ( 4)2(
CH3
ARECOLONE
H
N
HN
N
Cl
N
EPIBATIDINA
Epipedobates tricolor
O
CITISINA
(-)-Epibatidine
(1R,2R,4S)
Cl
H
N
N
Ki: ( )- Epibatidine: 0.058 nM
(+)-Epibatidine: 0.045 nM
Ki: endo-Epibatidine: 7.6 nM
Ki: ( )-Nicotine: 1 nM
(+)-Nicotine: 38 nM
Epipedobates tricolor
> Potent analgesic (Daly: 1974; structure: early 1990’s)
> Antagonized by mecamylamine, but not by naloxone
> Minimal tolerance to the analgesic effect
> Limited therapeutic index
> Side effects: respiratory paralysis, seizures and death
CONOTOXINS
G-E-- -L-Q- -N-Q--L-I-R--K-S-N*
Conantokins: NMDA
Antagonists
G-CC-S-N-P-V-C-H-L-E-H-S-N-L-C*
-Conopeptides: nAChRs
Antagonists
C-K-G-K-G-A-K-C-S-R-L-M-Y-D-CC-T-G-S-C-R-S-G-K-C*
Conus
-Conopeptides: Calcium Channel Blockers
Marketed drug: ZICONOTIDE (Prialt)
R-D-CC-T-O-O-K-K-C-K-D-R-Q-C-K-O-Q-R-CC-A*
-Conopeptides: Sodium Channel Blockers
The primary structures of more than 100 conotoxins have been
determined and classified into gene superfamilies.
-Conotoxin subfamilies
4/7-conotoxins
G-CC-S-N-P-V-C-H-L-E-H-S-N-L-C* block neuronal
nAChRs
MII
E-CC-N-P-A-C-G-R-H-Y-S-C*
3/5-conotoxins
block muscular
nAChRs
-GI
The primary structures of more than 100
conotoxins have been determined and classified
into gene superfamilies.
The -conotoxins are competitive antagonists of
nAChRs.
Targeting the
4 2 nAChR subtype
H
H
N
Cl
H
N
O
N
N
N
N
N
EPIBATIDINE
CYTISINE
(Tabex)
VARENICLINE
(Chantix, Champix)
Targeting the 4 2 nAChR subtype
H
N
O N
ON
ON
N
CH3
Epiboxidine
Ki 4 2: 0.3 nM
CH3
N
ABT 418
Ki 4 2: 20 nM
Ki
(Z)-(S)
4 2: 330 nM
Cl
H
Cl
H
N
N
N
Ki
UB-165
4 2: 0.27 nM
H
N
H
N
Anatoxin-a
Ki 4 2: 1.1 nM
H3C
N
N
Epibatidine
Ki 4 2: 0.026 nM
O
Cl
N
Ki 4 2: 1.6 nM
O
Ferruginine
Ki 4 2: 120 nM
H
N
N
N
H
= o > attività della Nicotina
per recettori centrali
N
3'
4
1'
5'
N
2
H
N
H
N
N
N
N
H
3'
4
1'
N
5'
N
N
H
2
N
= o > attività della Nicotina
per recettori centrali
H
H3C
H
O
N
Ferruginina
affinità per recettori
nicotinici centrali
R
N
O
Anatossina-a
Anabaena flos-agnae
più potente di Ach e Nicotina
sia per recettori centrali che periferici
H3C
H3C
H3C
N
N
O
O
R
Isoarecolone
Arecolone
attività comparabile alla Nicotina
per recettori centrali
H
H
2'
N
N
5'
N
2
Cl
N
1
4
MODIFICHE STRUTTURALI EFFETTUATE
SULL'ANELLO PIRROLIDINICO DELLA NICOTINA
(CH2)n
+
N
N
N
CH3
n = 1-4
n = 1 10>
n = 3,4 10-30<
(R = H, C2H5, n-C3H7)
diminuzione
3'
CH3
H3C
R
= perif.
4'
CH3
5'
2'
N
R
CH3
R = H , CH3
5'
N
N
CH3
CH3
N
trans > cis
attività nicotinica
R = C3H7
ottimo
3'
R
CH3
N
N
N
H
CH3
CH3
R
R = H , CH3
attività nicotinica
(CH2)n
O
O
CH3
N
N
H
N
(CH2)n
H
n=1,2
-2
n = 1 5x10 nM
n = 2 15x10-2 nM
L'anello piridinico, che si ripete inalterato in tutti i derivati, non è indicato.
nAchR modulators
neuronal nAChR ligands,
Abbott
Preclinical dev.
RJR-2429R,
J Reynolds Tobacco Co
(S)-nicotine, Endovasc
Stanford University
ABT-089,
Abbott Laboratories
Phase 2 Clinical
SIB-1553A,
SIBIA Neurosciences Inc
DERIVATI SOTTOPOSTI A SPERIMENTAZIONE
CLINICA
O
NH
N
O
N
CH3
N
Cl
ABT-418
TEBANICLINA
Sviluppato come analgesico per
il dolore neuropatico. Lo sviluppo clinico
è stato arrestato da effetti collaterali a livello
della muscolatura gastrointestinale
E' stato sottoposto a saggi clinici
per migliorare la sintomatologia di
AD. Recentemente la
sperimentazione clinica è stata
sospesa.
O
N
R
N
N
Me2N
O
N
R = H, Me
alta selettività per il sottotipo
affinità nel range nM
N
HN
H
N
Ar
N
VARENICLINA (CHANTIX)
O
selettivi per
N
Approvato dal FDA nel 2006 per disassuefazione da
nicotina
Agonista parziale
e agonista pieno
FARMACOFORO NICOTINICO
c
N
+
a
O
CH3
Distanza a-b: 7.3-8.0 Å
Distanza a-c: 6.5-7.4 Å
bâc: 30.4-35.8°
N
b
• Interazione tra un sito anionico del recettore (a) ed un atomo
di azoto protonato del ligando.
• Un legame a idrogeno fra un donatore di legame a idrogeno
localizzato sul recettore (b) e un accettore di legame a idrogeno
sul ligando.
• Un’interazione fra un sistema
(anello eteroaromatico o
gruppo carbonilico) del ligando (c) e un sistema di elettroni o
un residuo carico positivamente localizzati nel ‘binding site’ del
recettore.
• Un’interazione -catione fra un residuo aromatico (Trp-149)
del ‘binding site’ del recettore e l’atomo di azoto protonato del
ligando.
• Interazioni steriche positive e negative localizzate sulla parte
alifatica ed eteroaromatica del ligando.
MODIFICHE STRUTTURALI APPORTATE
ALLA STRUTTURA DELL'ACh
modifica del
ponte etilenico
modifica della
funzione acetossilica
modifica della
testa cationica
O
+
N
H3C
O
CH3
CH3
CH3
5.9 A°
O
CH3
+
H
N
C
CH3
O
CH3
H
H
CH3
CH3
N+ CH3
P+ CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
+
S
As+ CH3
CH3
CH3
Attività nicotinica decrescente
CH3
N
CH3
CH3
CH3
N
H
CH3
NH2
NH3
CH3
C2H5
CH3
CH3
N
CH3
CH3
CH3
N
CH3
C2H5
N
C2 H 5
C2H5
N
C2H5
C2H5
O
CH3
R1
H
N
C
CH3
O
CH3
H
R2
H
Ach
+
R2
R1
EPMR
(retto di rana)
H
H
1
H
CH3
CH3
H
180
2
O
CH3
H
N
C
+
CH3
O
CH3
H
H
Eliminando o sostituendo il ponte
etereo non si hanno importanti
variazioni di attività
Aumentando la lunghezza della catena
si ha diminuzione di attività
CH3
N
R
+
CH3
O
CH3
I composti con R = C2H5 , nC3H7 , nC4H9 , CH2=CH hanno la
stessa attività dell'acetilcolina
(CH2)n
+
NMe3
Acetilcolina
n=1
n=2
n=3
n=4
EPMR
(retto di rana)
1
9.3
1.1
0.38
Antagonista
ANTAGONISTI DEI
RECETTORI NICOTINICI
neuronali
GANGLIOPLEGICI
placca motrice
CURAROSIMILI
PACHICURARI
LEPTOCURARI
ANTAGONISTI DEI RECETTORI NICOTINICI NEURONALI
GANGLIOPLEGICI
Bloccano la trasmissione dell'impulso nervoso sia della via simpatica
che della via parasimpatica. Gli effetti sul sistema simpatico sono più
marcati.
Per tale ragione i gangloplegici venivano usati come antiipertensivi.
Effetti collaterali:
- riduzione generalizzata del tono simpatico e parasimpatico
- secchezza delle fauci
- inibizione motilità intestinale
- ritenzione urinaria
Composti con attività ganglioplegica
- I sali bis-ammonici quaternari danno inibizione competitiva
C2H5
C2H5
+
N
CH3 H3C
C2H5
N+
+N
(CH2)5
C2H5
TEA
Tetraetilammonio
Pentolinio
+
+
Me3N
(CH2)6
NMe3
Esametonio
- Le ammine terziarie danno inibizione non competitiva
NHCH3
H3C
H3C
CH3
N
CH3
CH3
CH3
Pempidina
CH3
CH3
Mecamilammina
RELAZIONE STRUTTURA-ATTIVITA' E
MECCANISMO D'AZIONE
+
+
Me3N
(CH2)n
NMe3
- Variando n si può modulare la selettività verso i recettori
nicotinici gangliari o muscolari.
- L'attività nicotinica a livello della placca neuromuscolare
raggiunge il valore massimo per n = 5 o 6.
- La distanza fra i due gruppi ammonici quaternari è di 5-6 A°.
- Solo uno dei due gruppi ammonici occupa il sito anionico
dell'ACh..
- L'altro gruppo ammonico va ad occupare un sito accessorio.
RECETTORE DEI GANGLI
5.3 A°
+
Me3N
-
O
CH3
O
sito anionico
Me3N
+
sito anionico
secondario
NMe3
+
PENTAMETONIO
RECETTORE DEI GANGLI
5.3 A°
+
Me3N
-
CH3
O
sito anionico
secondario
O
-
sito anionico
Me3N
+
NMe3
+
PENTAMETONIO
RECETTORE PLACCA MOTRICE
10.6 A°
+
Me3N
sito anionico
-
O
CH3
sito anionico
secondario
O
NMe3
+
Me3N
+
DECAMETONIO
O
O
Me3N
+
O
O
SUCCINILCOLINA = SUXAMETONIO
NMe3
+
PACHICURARI
(non depolarizzanti)
competitivi
BLOCCANTI NEUROMUSCOLARI
CURAROSIMILI
LEPTOCURARI
(depolarizzanti)
non competitivi
PACHICURARI
H3CO
+N
CH3
CH3
HO
Cl-
O
OH
O
Cl-
H
N+
OCH3
H3C
d-tubocurarina cloruro
20-40 volte più potente dell'enantiomero l
Chondodendron tormentosum
CH3
+N
R
OCOCH3
N+
CH3
H3C
+
OCH2CH2NEt3
3I-
+
OCH2CH2NEt
3
+
OCH2CH2NEt3
H3COCO
R = CH3 Pancuronio
R=H
Vecuronio
Gallamina
O
CH3
O
CH3
N
CH3
O
N+
H
H
Br-
H
CH2
H
O
CH3
Rapacuronium Br
1999
- Bloccante neuromuscolare non depolarizzante
- Utilizzato come coadiuvante di anestetici generali
LEPTOCURARI
Sono molecole a catena lunga e lineare. Si ha un massimo di attività
quando i due gruppi onio sono separati da una catena metilenica
compresa nell'intervallo fra C-10 e C-16. La distanza fra le due
teste cationiche varia nell'intervallo 10.8 A° - 18.2 A°.
Se si aumenta l'ingombro sterico dei gruppi legati agli atomi di azoto
quaternari si pass progressivamente da leptocurari a pachicurari.
+
Me3N
(CH2)10
+
NMe3
+
Et3N
(CH2)10
+
NEt3
Me
+
N
(CH2)10
Me
+
Me3N
DEPOLARIZZANTE
(non competitivo)
più potente, competitivo
Me
+
N
NON
DEPOLARIZZANTE
Me
(CH2)10
+
NMe3
2I-
CH2
COO
CH2CH2
CH2
COO
CH2CH2
+
NMe3
+
NMe3
Decametonio
Suxametonio
Più potente della tubocurarina.
Ha interesse storico, non è più
in commercio
Ha azione brevissima.
Viene idrolizzato rapidamente
da colinesterasi ematiche.
Viene somministrato per
infusione continua.
Dose 10-30 mg.
LEPTOCURARI
+
+
Me3N
NMe3
-
-
sito anionico
sito anionico
secondario
PACHICURARI
+
NEt3
CH2CH2
O
ACh
O
CH2CH2
+
NEt3
O
CH2
X
-
sito anionico
CH2
+
NEt3
-
sito anionico
secondario
Tubocurarina : si ottiene per estrazione dalla corteccia di
Chondrodendron tomentosum. Breve durata d'azione. Non è
assorbita per via orale; si somministra per e.V. o i.m.
Gallamina: azione trascurabile sui gangli; meno potente della
tubocurarina. Si somministra per e.v. alla dose di 1mg/Kg.
Pancuronio: 4 volte più potente della tubocurarina con azione
più rapida. Unico effetto collaterale importante è la
tachicardia. Dose: 0.04-0.08 mg/Kg.
Proprietà farmacologiche, insorgenza, durata d’azione e
metabolismo degli antagonisti nicotinici muscolari riportati
nell’Informatore Farmaceutico Italiano (1996)
Farmaco
(Specialità
medicinale®)
Meccanismo
d’azione
Insorgenza
dell’azione
(minuti)
Durata
d’azione
(minuti)
Metabolismo
Sussametonio
cloruro
(Midarine,
Myotenlis)
depolarizzante
1-1,5
6-8
idrolisi da
colinesterasi
plasmatiche
Atracurio
besilato
(Tracrium )
competitivo
2-4
30-40
degradazione
di Hofmann;
idrolisi da
colinesterasi
plasmatiche
Mivacurio
cloruro
(Mivacron)
competitivo
2-4
12-18
idrolisi da
colinesterasi
plasmatiche
Pancuronio
bromuro
(Pavulon)
competitivo
4-6
120-180
metabolismo
nel fegato e
clearance;
eliminazione
renale
Vecuronio
bromuro
(Norcuron)
competitivo
2-4
30-40
metabolismo
nel fegato e
clearance;
eliminazione
renale
Pipecuronio
bromuro
(Arduan)
competitivo
2-4
80-100
metabolismo
nel fegato
e clearance;
eliminazione
renale
SINTESI PANCURONIO
O
OCOCH3
CH3
CH3COO C CH2
+
HgSO4
O
H3C
CH3
CO3H
Cl
OCOCH3
O
O
N
N
O
HN
HO
NaBH4
COCH3
OH
O
N
N
N
N
Ac2O/Py
HO
CH3OCO
COCH3
O
N
+
2 CH3Br
CH3OCO
N
CH3
+
CH3
2 Br-