87609 - METODI AVANZATI IN CHIMICA FARMACEUTICA (8 CFU)

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, che prevede anche esercitazioni di laboratorio a posto singolo, lo studente conosce alcune metodologie analitiche e bio-analitiche utili per caratterizzare la proteina bersaglio e il complesso farmaco-proteina, e conosce i principali metodi di modellistica e simulazione molecolare che fanno uso di quelle informazioni per progettare nuovi farmaci. In particolare lo studente: - sa determinare le costanti termodinamiche e le costanti cinetiche che regolano la formazione dei complessi ligando-proteina; - è in grado di pianificare indagini sui meccanismi di riconoscimento molecolare mirate alla progettazione e sviluppo di nuovi farmaci; - sa utilizzare alcuni software di modellistica molecolare open source presenti in Internet; - è in grado di costruire modelli al computer di piccole molecole organiche; - è in grado di interpretare un modello 3D di complesso ligando-proteina e di usarlo per proporre semplici modificazioni molecolari del ligando.

Contenuti

Programma/Contenuti

Metodologie analitiche in chimica farmaceutica

1. Cromatografia liquida di affinità ad alte prestazioni (HPALC): immobilizzazione di recettori, enzimi e proteine plasmatiche; screening di nuovi composti per la loro affinità di legame alla proteina bersaglio e la loro attività; Determinazione delle interazioni farmaco - proteina bersaglio mediante cromatografia di affinità; parametri di legame e cromatografia di spiazzamento; modifica reversibile e/o covalente di siti specifici della proteina.

2. Spettroscopia in luce polarizzata: struttura secondaria di peptidi e proteine; meccanismi di riconoscimento molecolare; transizioni conformazionali funzionali; determinazione dei parametri di legame del farmaco alla proteina; caratterizzazione stereochimica del farmaco legato alla proteina target.

3. Biosensori ottici label-free basati sul fenomeno di risonanza di onda plasmonica di superficie (SPR): strumentazione; processi di riconoscimento molecolare; isolamento di nuove proteine bersaglio; screening di nuovi composti per la loro affinità di legame alla proteina bersaglio; studio della cinetica del processo di riconoscimento molecolare.

4. Tecniche accoppiate (HPALC/MS/MS, SPR/MS/MS): applicazioni specifiche a fishing di leganti, modifiche post-traslazionali, screening di inibitori enzimatici, modulazione delle interazioni proteina/proteina.

Le lezioni teoriche saranno accompagnate da esercitazioni riguardanti l'utilizzo della spettrometria di massa per la caratterizzazione strutturale di proteine e sull'uso de biosensore ottico e del dicroismo circolare per studiare i fenomeni di riconoscimento molecolare.

Metodi computazionali in chimica farmaceutica

Il modulo sarà costituito da una parte teorica e una parte di esercitazioni al computer.

Per la parte teorica, il corso intende fornire agli studenti le conoscenze relative alle tecniche computazionali utilizzate nella fase di ideazione e progettazione di molecole biologicamente attive. In particolare, verranno presentate tecniche basate sul ligando (ligand-based drug design) e tecniche basate sulla controparte biologica (target-based drug design).

1. Background teorico.

a) Concetto di modello molecolare tridimensionale (3D) e caratteristiche chimico-fisiche associate ad una molecola. Modelli molecolari 3D di farmaci e di enzimi, recettori e canali di interesse farmaceutico.

b) Metodi computazionali per l'analisi conformazionale. Metodi basati sulle leggi della Meccanica Statistica (il metodo Monte Carlo) e della Dinamica Molecolare Classica.

c) Metodi computazionali per il calcolo dell'energia di una molecola. Minimizzazione energetica mediante tecniche basate sulla Meccanica Classica e Quantistica.

d) Cenni sulla Teoria del Funzionale Densità (DFT).

2. Ligand-based drug design.

a) Costruzione di un modello farmacoforico utilizzando serie di molecole biologicamente attive. Sviluppo di modelli quantitativi di relazioni struttura-attività mediante tecniche QSAR e 3D QSAR.

b) Progettazione razionale di nuove molecole biologicamente attive mediante l'utilizzo di modelli farmacoforici e di analisi statistiche multivariete mediante le tecniche QSAR e 3D QSAR (CoMFA).

3. Target-based drug design.

a) Costruzione del modello tridimensionale di una proteina di interesse farmaceutico mediante la tecnica del Comparative Modeling.

b) Progettazione razionale di nuove molecole biologicamente attive utilizzando informazioni strutturali su target di interesse farmaceutico. Il de novo design e il virtual screening di librerie di molecole.

Per la parte di esercitazioni al computer, l'obiettivo è quello di fornire allo studente le conoscenze relative all'utilizzo di alcuni software di modellistica molecolare e di bioinformatica utilizzati di routine nell'ambito della ricerca chimico-farmaceutica sia industriale sia accademica per indirizzare la progettazione razionale di molecole biologicamente attive (potenziali nuovi farmaci). Inoltre verranno presentate alcune banche dati e strumenti informatici presenti in Internet, utili nella progettazione razionale di farmaci.

Il corso sarà costituito da esercitazioni pratiche (tenute in un'aula informatica) durante le quali verranno approfonditi le conoscenze riguardo i seguenti strumenti informatici.

1. Banche dati di interesse farmaceutico presenti in Internet.

2. Introduzione all'utilizzo di alcuni software di modellistica molecolare di interesse per il Chimico-Farmaceutico: ISIS Draw, RasMol, VMD, ecc.

3. Costruzione del modello molecolare di un farmaco. Analisi conformazionale. Applicazione di metodi basati sulla meccanica classica e semiempirici per l'ottimizzazione della geometria della molecola e per il calcolo delle sue cariche elettrostatiche.

4. Costruzione del modello tridimensionale di una proteina mediante la tecnica del Comparative Modeling.

5. Studio dell'interazione farmaco-recettore mediante l'utilizzo di software di docking.

6. Esempi di utilizzo di tecniche computazionali per la progettazione razionale di molecole biologicamente attive.

7. I metodi basati sulla Meccanica Quantistica in Chimica Farmaceutica. Studio della coordinata di reazione in sistemi biologici di interesse farmaceutico.

Testi/Bibliografia

1. V. Cavrini, V. Andrisano. Principi Analisi farmaceutica. Società editrice Esculapio ed. 2013.

2. Diapositive presentate a lezione e reviews su argomenti specifici.

3. H.D. Hoeltje e G. Folkers, Molecular Modeling, Basic principles and applications, VHC, Second Edition 2003

4. A.R. Leach, Molecular Modelling, Principles and Applications, Person Education Limited, 2001

Metodi didattici

Lezioni frontali, esercitazioni relative alle metodologie analitiche affrontate ed esercitazioni pratiche in laboratorio informatico.

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova di verifica dell'apprendimento è costituita da un colloquio orale sugli argomenti trattati durante il corso. Per quanto riguarda la parte di laboratorio computazionale, verrà richiesta un'analisi dettagliata, mediante strumenti informatici, del modo di legame di alcuni farmaci con le proprie controparti biologiche.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiezioni di presentazioni tipo PowerPoint

Laboratorio di metodi analitici avanzati

Laboratorio di chimica computazionale e informatica

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Manuela Bartolini

Consulta il sito web di Matteo Masetti