02/03/2008 Antonino Polimeno 1

Chimica Chimica FisicaFisica -- ChimicaChimica e e TecnologiaTecnologia FarmaceuticheFarmaceuticheLezioneLezione n. 1n. 1

−− Chimica fisicaChimica fisica−− MicroMicro --macromacro & & descrizionidescrizioni multiscalamultiscala

−− GliGli strumentistrumenti delladella chimicachimica fisicafisica

−− EsempiEsempio 1: o 1: metodi spettroscopicimetodi spettroscopici –– interazione radiazione / materiainterazione radiazione / materia

−− Esempio 2: Esempio 2: pprogettazionerogettazione razionale dei farmacirazionale dei farmaci−− Esempio Esempio 33: : ffoldingolding delle proteinedelle proteine

Antonino Polimeno 2

ChimicaChimica fisicafisica

- La chimicachimica è quella branca delle scienze naturali che si occupa dello studio, della costituzione e delle proprietà della materia e delle sue trasformazioni (wikipedia!) a livello atomico e molecolare

- La chimica fisicachimica fisica è l’area della chimica che misura, interpreta e prevede le proprietàdella materia a livello atomico e molecolare impiegando gli strumenti della fisica e della fisica-matematica - Termodinamica- Chimica quantistica- Meccanica statistica- Chimica computazionale- Dinamica molecolare- Elettrochimica- Fotochimica- NMR, EPR- Chimica dello stato solido e delle superfici- Chimica delle interfasi- Chimica delle soluzioni e dei colloidi

Antonino Polimeno 3

Robert Boyle (1627Robert Boyle (1627--1691)1691)

XVII XVII secolosecolo

Antonino Polimeno 4

XVIII XVIII secolosecolo

Antoine Antoine LavoisierLavoisier(1743(1743--1794)1794)

Antonino Polimeno 5

StanislaoStanislaoCannizzaroCannizzaro(1826(1826––1910)1910)

XIX XIX secolosecolo

Antonino Polimeno 6LinusLinus PaulingPauling(1901(1901--1994)1994)

XX XX secolosecolo

Antonino Polimeno 7

XXI XXI secolosecolo

Antonino Polimeno 8Blue Gene: Blue Gene: 70.72 70.72 TeraflopsTeraflops (2004)(2004)

PrevisionePrevisione abab initioinitio didi proprietpropriet àà molecolarimolecolari ??

Antonino Polimeno 9

MicroMicro --macromacro

Antonino Polimeno 10

Clorofilla A

LATEXLATEX

Antonino Polimeno 11

ChimicaChimica fisicafisica : : strumentistrumenti

- Termodinamica & termochimica: la materia (o una sua parte, un sistema) èdescritta prescindendo dalla sua struttura molecolare

- Meccanica statistica: la materia è descritta a livello molecolare / l’accento è sulladescrizione di proprietà macroscopiche dedotte dalle proprietà di grandi (numero diAvogadro) insiemi di molecole descritte a livello classico o quantistico

- Meccanica quantistica: le molecole sono descritte a livello quantistico- Chimica computazionale: le varie proprietà della materia (molecole) sono calcolate

da modelli teorici- Dinamica molecolare e cinetica chimica: lo studio della variazione delle proprietà

molecolari nel tempo in assenza od in presenza di reazioni chimiche

- Elettrochimica: studio delle reazioni che comportano scambio / sviluppo di energia elettrica

- Spettroscopie ottiche: studio dei fenomeni di inter azion radiazione – materia (UV/Visibile, IR etc.)

- Spettroscopie magnetiche: studio dei fenomeni di in terazione campi magnetici – materia (e.g. NMR, EPR)

- Chimica fisica dello stato solido- Chimica fisica delle soluzioni e dei colloidi- Chimica fisica delle interfasi

Antonino Polimeno 12

EsempioEsempio 1 1 –– MetodiMetodi spettroscopicispettroscopici (UV/(UV/visibilevisibile ))

Antonino Polimeno 13

EsempioEsempio 1 1 –– MetodiMetodi spettroscopicispettroscopici ((spettroscopiespettroscopie magnetichemagnetiche ))

Antonino Polimeno 14

EsempioEsempio n. 2 n. 2 –– ProgettazioneProgettazione razionalerazionale deidei farmacifarmaci

- Metodi storico di individuazione di un farmaco:- test di sostanze su animali / cellule- Problema: grande numero di possibili sostanze

attive

- La chimica fisica permette di combinare diverse tecnologie per favorire una progettazione razionale dei farmaci- Esempio: impiego di informazioni sulla struttura

tridimensionale di biomolecole (e.g. cristallografia a raggi X, NMR) � structure-based drug design. (dorzolamide1995; vedi Kubinyi H (1999). "Chance favors the prepared mind--from serendipity to rational drug design". J ReceptSignal Transduct Res 19 (1-4): 15-39 )

- Determinazione di relazioni proprietà / strutturacon i metodi della chimica computazionale; es. descrizione del sito attivo di enzimi - impiego di metodi della termochimica- meccanica statistica- meccanica quantistica

DorzolamideDorzolamide: : agenteagente antianti--glaucoma (COglaucoma (CO22 �� bicarbonatobicarbonato))

Antonino Polimeno 15

EsempioEsempio 3 3 –– Folding Folding delledelle proteineproteine

- Christian Anfinsen et al.(1960): ribonucleasi isolata dal pancreas bovino / 124 aminoacidi / elimina RNA danneggiato (lega l’RNA danneggiato in un sito attivo mediante legami zolfo, dati da cisteine); i ponti disolfuro mantengono la struttura e la funzione dell’enzima

- La ribonucleasi viene denaturata da agenti chimici o dal calore, i ponti disolfuro si rompono e la ribonucleasi diventa inattiva

- Anfinsen dimostra che l’eliminazione degli agenti chimici o il raffreddamento riporta laribonucleasi ad uno stato attivo: la struttura secondaria determina le proprietà della proteina (Nobel per la chimica del 1972).

- Come fa la proteina a trovare la sua giusta conformazione / struttura ? Impossibile per tentativi: per una proteina con 100 aminoacidi sono possibili 1030 conformazioni! Se la proteina ‘provasse’ 100 miliardi di conformazioni al secondo, servirebbero 100 miliardi di anni per esplorarle tutte …

- Metodi computazionali- ricerca delle conformazioni a minore energia

- ricerca dei cammini di ripiegamento - folding pathways)

Antonino Polimeno 16

EsempioEsempio 3 3 –– Folding Folding delledelle proteineproteine