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Analisi dei Farmaci III (1° e 2° modulo)/DRUG ANALYSIS III (I PART) - CTF

Oggetto:

Drug analysis III

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Anno accademico 2017/2018

Codice dell'attività didattica
FAR0034
Docenti
Prof. Donatella BOSCHI (Titolare del corso)
Dott. Katia MARTINA (Titolare del corso)
Prof. Francesca SPYRAKIS (Titolare del corso)
Corso di studi
[f003-c504] laurea magistrale in chimica e tecnologia farmaceutiche - a torino
Anno
4° anno
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
12
SSD dell'attività didattica
CHIM/08 - chimica farmaceutica
Modalità di erogazione
Doppia
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
In parte obbligatoria
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Conoscenze di chimica organica, chimica farmaceutica e analisi farmaceutica quali e quantitativa, nonchè chimica pratica in laboratorio.
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Il corso si propone di insegnare, sia dal punto di vista teorico che pratico, le moderne tecniche di progettazione, sintesi, caratterizzazione strutturale ed analitica di composti ad interesse chimico-farmaceutico. Verranno introdotte ed applicate sia tecniche di sintesi chimica in laboratorio, che di progettazione ed ottimizzazione computazionale.

Didactic goals of this course

This course is focused on the design, synthesis, analitical and structural characterization of drugs. Practical laboratory sessions will have the purpose of applying topics of class lectures. Both synthetic and computational techniques will be applied.

 


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Risultati dell'apprendimento attesi

Al termine del corso gli studenti sapranno ottenere in laboratorio un composto organico di interesse farmaceutico. Inoltre saranno in grado di interpretare i risultati delle analisi chimiche necessarie per confermarne la struttura e la purezza e di applicare le moderne tecniche computazionali per la progettazione, l'identificazione e l'ottimizzazione di farmaci, con particolare attenzione alle studio ed all'analisi delle interazioni farmaco-recettore.

Students will be able to understand how drugs are designed. They will be able to  correctly execute some fundamental laboratory techniques use to obtain a drug and to identify its structure and to control its purity. Also they will be able to apply state of the art computational techniques for the identification, design and optimization of drugs, paying particular attention to the  interaction with the biological target.

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Modalità di insegnamento

tradizionale  interamente replicato in modalità telematica per quanto riguarda la parte teorica

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Per sostenere l'esame, gli studenti del nuovo ordinamento (iscritti a partire dall'a.a. 2009-10) devono aver superato gli esami di Analisi dei Farmaci II e di Chimica Organica II. Gli studenti iscritti fino all'a.a. 2008-09 devono aver superato tutti gli esami del primo e secondo anno, nonché almeno sei esami del terzo anno, come previsto dal regolamento previgente. E’ possibile sostenere l’esame del Corso di analisi dei Farmaci III primo e secondo modulo (12 cfu totali) in due momenti distinti dividendo il programma in due parti. La prima parte comprende il programma affrontato nel primo modulo e le esercitazioni di laboratorio. La seconda parte comprende il programma delle lezioni frontali del secondo modulo. PRIMA PARTE L’esame si divide in una relazione scritta e in una discussione orale. 1. Relazione scritta Verrà consegnata allo studente, il giorno dell’appello ufficiale, la struttura di un farmaco o di un potenziale farmaco. Lo studente dovrà risalire, usando tutti gli strumenti a sua disposizione compresi quelli forniti dalla Biblioteca Icilio Guareschi e dall’Ateneo, ad una fonte originale che riporta le ricette dello schema sintetico della molecola stessa. Quindi, lavorando per quattro interi giorni, dovrà stilare una relazione che riporti ed illustri per ogni passaggio: • Schema di reazione • Caratteristiche dei reagenti e solventi necessari (fonte, tossicità, grado di purezza, tipo di prelievo e misura). • Tabella dei reagenti con PM, Bp, densità, quantità (peso o volume), moli, rapporti molari. • Tipo di apparecchiatura da usare (descrizione con disegno, montaggio, pericolosità, speciali provvedimenti da attuare, accorgimenti richiesti). • Dettagliata descrizione del procedimento fino all’isolamento del prodotto (flusso di purificazione) e alla sua caratterizzazione chimico-fisica. • Riferimenti delle fonti bibliografiche che supportano le affermazioni riportate nella relazione. La valutazione della relazione terrà conto del fatto che, la reazione effettuata come descritto, non metta a rischio la salute dell’operatore, il laboratorio e inoltre che possa effettivamente portare all’ottenimento del prodotto senza mancate reazioni, perdite nell’isolamento del prodotto, decomposizioni varie. 2. Colloquio orale Lo studente presenterà in dieci minuti (con l’ausilio di power point) la ricerca bibliografica che ha portato all’ottenimento delle fonti nonché la relazione e dopo discuterà la stessa con la commissione. Infine verrà interrogato sugli argomenti del programma del primo modulo e sulle sintesi effettuate in laboratorio. Il giudizio verrà formulato in base alla capacità del candidato di esporre la relazione nei tempi assegnati, in modo chiaro e con il supporto elettronico adeguato e corretto. Peso importante nella valutazione sarà dato alla capacità del candidato di argomentare le tecniche scelte nonchè alla verifica delle conoscenze acquisite. SECONDA PARTE In un colloquio orale lo studente verrà interrogato sul programma del secondo modulo. VOTO FINALE La valutazione della prima parte corrispondente a 9 cfu, verrà mediata con quella della seconda parte corrispondente a 3 cfu, in modo ponderale.

Le conoscenze apprese durante i laboratori computazionali verranno verificate tramite lo svolgimento di un compito che verrá affidato agli studenti al termine del laboratorio. Gli studenti verranno successivamente interrogato sul programma durante un colloquio orale.

 

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Attività di supporto

esercitazioni in laboratorio

Laboratory practicals.

 

 
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Programma

Programma primo modulo:

 

1)      Attrezzatura di un laboratorio di sintesi organica

2)      Tecniche di riscaldamento: Bunsen, Lampada Meker, Piastre riscaldanti con o senza termostato, Bagni, Mantelli riscaldanti, Phon, Stufe.

3)      Tecniche di raffreddamento: bagni refrigeranti, criostati, frigoriferi, apparecchi per condensazione di vapori.

4)      Tecniche di agitazione: agitatori meccanici, agitatori magnetici, sonicatori.

5)      Sistemi di produzione e misura del vuoto.  Pompe: a fluido motore, meccaniche, a condensazione, ad adsorbimento. Vacuometri: a misura diretta (manometro Bourdon, manometro a Hg), a misura indiretta: a resistenza, a termocoppia, a ionizzazione.

6)      Purificazione ed essiccamento dei solventi. Agenti essicanti. Distillazione in continuo. Sotto pressione per filtrazione su allumina ad opera di gas inerti. Essiccamento si solventi di uso comune.

7)      Purificazione, essiccamento e manipolazione di reagenti. Reagenti stabili non tossici. Reagenti stabili ma tossici o con odore sgradevole. Reagenti che si decompongono a contatto con l’umidità o l’aria. Reagenti che decompongono in modo esplosivo o piroforico a contatto con l’umidità o l’aria. Tecniche per anidrificare e purificare i reagenti (liquidi e solidi). Tecniche di manipolazione e misura reagenti in atm inerte. Stoccaggio e trasferimento di un liquido o di un solido in atm inerte.

8)      Gas: trasporto, immagazzinamento, prelievo, preparazione in laboratorio (H2S, CO2, HCl), misura.

9)      Conduzione della reazione.

10)  Monitoraggio della reazione TLC, HPLC, GS, UV, NMR.

11)  Procedure sintetiche particolari. Controllo di parametri fisici che possono influenzare la reazione: uso di equilibri sfavoriti (Dean Stark). Reazioni sotto pressione (idrogenazioni). Reazioni fotochimiche. Reazioni sensibili all’aria.

12)  Spegnimento della reazione.

13)  Elaborazione ed isolamento del prodotto grezzo (work up). Filtrazione. Estrazione (normale ed in continuo). Liofilizzazione.

14)  Purificazione del prodotto: Cristallizzazione.

15)  Purificazione del prodotto: Distillazione. Distillazione semplice a pressione atmosferica. Distillazione frazionata. Distillazione azeotropa. Distillazione a pressione ridotta. Distillazione in corrente di vapore.

16)  Purificazione del prodotto: Tecniche cromatografiche a fini preparativi (flash cromatografia, MPLC, HPLC preparativo).

17)  Caratterizzazione del composto grezzo attraverso le principali tecniche spettroscopiche e di analisi elementare

18)  La letteratura chimica e la ricerca bibliografica.

19)  La registrazione dei dati di un esperimento.

Esercitazioni pratiche:

Sintesi e caratterizzazione chimico-analitica di una serie di farmaci e loro precursori (benzidrolo, benzoino, benzile, 5,5-difenilidantoina, p-nitroacetanilide, p-nitroanilina, adipato dietilico, ciclopentanoncarbossilato di etile, aspirina, estrazione della caffeine dal the, cicloesanone, modafinil e suoi precursori).

 

 

Programma secondo modulo:

 

1) Stuttura delle proteine: Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Strutture supersecondarie e domini. Relazione fra struttura ed attività delle proteine. Interazioni di legame e di non-legame. Ponti saini, legami idrogeno ed interazioni di van der Waals. Il folding e l’effetto idrofobico. Il ruolo strutturale ed energetico delle molecole d’acqua. Metodi sperimentali per la determinazione della struttura tridimensionale delle proteine: diffrazione a raggi X e NMR. Parametri per la valutazione della qualità delle strutture cristallografiche: risoluzione, R factor e B factor. Protein Data Bank ed Electron Density Server.

2) Meccanica Molecolare & Force Fields: Differenze fra la meccanica molecolare e gli approcci quantomeccanici. Force fields, energia potenziale delle molecole biologiche e minimizzazione dell’energia. Calcolo dell’energia potenziale: contributi di legame (stretching bending e torsionale) e di non-legame (interazioni elettrostatiche e di van der Waals). Esempi di alcuni noti force fields: MM2, Amber, CHARMm, OPLS. Atom types e atom names. Esempi di programmi di grafica molecolare: PyMOL, VMD.

3) Predizione della struttura tridimensionale delle proteine: Modelli semplici, stepwise e globali. Predizione dell’architettura delle catene laterali, dei loop e comparative protein modeling. Software di homology modeling (MODELLER, SwissModel) ed esempi di modellazione. Metodi threading e calcoli ab initio.

4) Dinamica e flessibilitá delle proteine: Proteine come sistemi biologici flessibili ed in costante movimento. Scala temporale degli eventi biologici. Approcci di dinamica molecolare classica e force fields. Costruzione di un file di topologia, minimizzazione, equilibrazione e dinamica molecolare. Analisi delle traiettorie risultanti.  Dinamica essenziale, autovalori ed auto vettori. Tecniche di “accelerated Molecular Dynamics”: modified potential (umbrella sampling), modified sampling (LES, REMD), modified dynamics (SHAKE algorithm, coarse-grained models). Binding kinetics in dinamica. 

5) Le interazioni biologiche: Le interazioni biologiche e l’energia d’interazione, complessi proteina-ligando, proteina-DNA, proteina-proteina e proteina-acqua.

6) Proteine, acqua e stato di ionizzazione: Differenti ruoli delle molecole d’acqua, acqua di solvatazione, acque in cavità e nei siti di legame. Molecole d’acqua catalitiche ed acque a ponte in grado di mediare il riconoscimento fra proteine e ligandi. Programmi per calcolare il contibuto energetico del solvente. Importanza di riprodurre accuratamente lo stato di ionizzazione di ligandi e residui del sito attivo. Il caso dell’HIV-1 proteasi.

7) Drug Design: Ligand-based drug design. Descrittori e proprietà molecolari. Idrofobicitá, polarizzabilitá, fattori elettronici e sterici. Modelli QSAR. Predizione dell’attivitá di nuovi composti tramite modelli QSAR: PCA e PLS. 3D-QSAR. Similaritá tridimensionale. Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA).Structure-based drug design. Chemoinformatica. Chimica combinatoriale. Classificazione degli algoritmi di docking. Point complementarity methods,  systematic search, fragment-based methods, Monte Carlo, genetic algorithms, MD approaches, Tabú searches. Algoritmi di scoring: metodi basati su force field, funzioni empiriche e metodi knowledge-based. Il force field HINT. Problemi e limiti delle funzioni di scoring.

8) Virtual Screening: Librerie di composti. Il database ZINC. Creazione di un database di composti per analisi di virtual screening. Ligand-based e structure-based virtual screening. Creazione di un modello farmacoforico. Screening, docking e consensus scoring. Introduzione al software FLAP, successivamente utilizzato nelle esercitazioni di laboratorio.

Esercitazioni pratiche computazionali:

Costruzione di un database di piccole molecole. Ligand-based e structure-based virtual screening. Costruzione di un farmacoforo, pharmacophore-based virtual screening. Simulazioni di dinamica molecolare e dinamica molecolare accelerata. Integrazione di dinamica molecolare e virtual screening: selezione ed identificazione delle conformazioni proteiche piú rappresentative. 3D-QSAR.

1) Equipping the laboratory and the bench

2) Solvents

3) Reagents

4) Gases

5) Vacuum systems

6) Temperature control

7) Reactions on a small scale: 1 to 25 mmol

8) Carrying out the reaction

9) Reaction monitoring

10) Working up the reactions

11) Purification of the products

12) Special synthetic procedures

13) Characterization of the Obtained Products

14) Keeping records of laboratory work

15) The Chemical Literature

16) New Synthetic Methods in Medicinal Chemistry: Combinatorial Chemistry, Parallel Synthesis, Solid-Phase Supported Synthesis, Multicomponents Reactions.

17) Computer-Aided Drug Design

21) Quantitative Structure-Activity Relations

22) Protein structure: primary, secondary, tertiary and quaternary structures of proteins. Supersecondary structures and domain. Relationship between structure and function. Bonding and non-bonding interactions. The most important interactions in biological systems: salt bridges, hydrogen bonds and van der Waals interactions. Folding and hydrophobic effect, the structural and energetic role of water.  Experimental determination of the protein structure: x-ray crystallography and NMR. Parameters to assess the strcuture quality: resolution, R factor and B factor. The Protein Data Bank and the pdb file format. The Electron Density Server. 

23) Molecular Mechanics and Force Fields: Differences between molecular mechanics and quantum mechanics approaches. Force fields, potential energy of biological molecules and energy minimization. Calculation of the potential energy: stretching, bending, torsional, van der Waals and electrostatic contributions. Examples of the most known force fields, MM2, Amber, CHARMm, OPLS. Atom types and atom name. Examples of molecular graphic programs: PyMOL, VMD. 

24) Protein structure prediction: Single and multiple sequence alignment. BLAST e PSIBLAST. Simple models, stepwise models and global models. Side chain prediction, loop prediction, comparative protein modeling. Examples of global modelling softwares (MODELLER, SwissModel) and of  some modelling cases. Threading methods and ad initio calculations.

25) Molecular Dynamics: Proteins as flexible systems. Time scales for protein motions. Classical MD approaches and force fields. Building of a topology file, minimization, equilibration and MD runs. Analyses of MD trajectories. Essential dynamics, eigenvalues and eigenvectors. Accelerated MD variants: modified potential (umbrella sampling), modified sampling (LES, REMD), modified dynamics (SHAKE algorithm, coarse-grained models). Binding kinetics in dynamics.

26) Biological interactions: Protein-ligand, protein-DNA, protein-protein and protein-water recognition. The energetics of biological interactions.

27) Proteins, water and ionization state: The different roles of water molecules, solvation waters, waters buried in cavities and in binding pockets. Catalytic waters and waters mediating the interaction between proteins and substrates or inhibitors. Tools for calculating the solvent contribution. The importace of modelling the ionization state of ligands and binding pocket residues. The HIV-1 protease case.

28) Computational Drug Design: Ligand-based drug design. Molecular descriptors and molecular properties. Hydrophobicity, polarizability, electronic parameters, steric parameters. QSAR models. Prediction of the activity of new compounds using QSAR models: PCA and PLS.  3D-QSAR. 3D similarity. Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA). Structure-based drug design. Chemoinformatics, virtual and real libraries. Combinatorial chemistry. Docking algorithm classification. Point complementarity methods,  systematic search, fragment-based methods, Monte Carlo, genetic algorithms, MD approaches, Tabú searches. Scoring algorithm: force field based methods, knowledge based methods and empirical functions. The HINT force field. Problems and limits of the scoring functions.

29) Virtual Screening: Libraries of compounds. The ZINC website. Creation of a database. Lingand-based virtual screening and structure-based virtual screening. Creation of a pharmacophoric model. Screening, docking and consensus scoring. Introduction to the FLAP software used in the laboratori exercises.

 

 

Testi consigliati e bibliografia

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 Testi consigliati:

  1. I. Vogel. Chimica Organica Pratica. C. Ed. Ambrosiana, Milano.
  2. d. Pavia, G. Lampman, G. Kriz Il Laboratorio di Chimica Organica, Ed. Italiana a cura di P. Grunanger, D. Pocar; Sorbona.
  3. M. D’Ischia La Chimica Organica in Laboratorio, Piccin.
  4. G. L. Patrick, Introduzione alla Chimica Farmaceutica, II edizione, EdiSES, Napoli (2010).
  5. Articoli scientifici forniti durante il corso.

 Testi di consultazione:

  1. J. Leonard, B. Lygo, G. Procter. Advanced practical organic chemistry. second edition Ed. Blackie Academic & Professional, London, 1995.
  2. M. C. Pirrung, The Synthetic Organic Chemist’s Companion, Ed. Wiley, Hoboken,  2007.
  3. R. M. Silverstain, F. X. Webster, D. J. Kiemle, Identificazione spettroscopica di composti organici II edizione C. Ed. Ambrosiana, Milano,2006.
  4. C. G. Wermuth, The Practice of Medicinal Chemistry, 3 edition, Academic Press (2008)

 



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Ultimo aggiornamento: 13/02/2017 12:39

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