PHARMACOCHIMIE


PHARMACOCHIMIE
PHARMACOCHIMIE

La pharmacochimie, version moderne de la chimie thérapeutique (medicinal chemistry ), a pour objet la conception et la synthèse de molécules à visées thérapeutiques. Elle utilise donc essentiellement la chimie organique pour ses réalisations et la pharmacologie pour déterminer, ou préciser selon les cas, les propriétés biologiques des molécules préparées. Elle s’appuie aussi, chaque fois que cela est possible, sur les mécanismes d’action physiologiques et biochimiques pour élaborer ses hypothèses.

Dans l’ancienne médecine, la notion de molécule active était inconnue; tous les médicaments étaient des préparations empiriques (fragments, poudres, teintures ou extraits divers) d’origine minérale, animale ou végétale. Peu à peu, on a pu relier l’effet bénéfique de ces préparations à la présence de principes actifs, que les progrès de la chimie ont permis d’isoler et de caractériser, puis de reconstituer par synthèse. Le nombre de molécules synthétisées, en s’inspirant ou non de modèles naturels, a augmenté rapidement. Devant cet afflux, on a eu recours à une certaine méthodologie pour déterminer leur activité. On a alors cherché à évaluer systématiquement, in vivo et in vitro, à l’aide de «batteries» de tests pharmacologiques, les éventuelles propriétés des substances naturelles isolées et des nombreuses molécules produites par synthèse. Cette méthode, appelée criblage ou screening (qui ne sera pas développée ici), est encore largement utilisée malgré son caractère aléatoire et son faible rendement, car elle est un moyen non négligeable de découvrir de nouvelles têtes de série (fig. 1). Ces dernières sont des molécules ayant une activité biologique intéressante mais à améliorer obligatoirement par modulation moléculaire pour avoir une chance qu’elles deviennent des médicaments. Par ailleurs, des observations fortuites, par exemple cliniques, constituent parfois un point de départ: on a remarqué, lors de l’emploi de sulfamides antibactériens, que ces molécules possédaient en outre une activité diurétique intéressante.

La recherche de molécules actives peut aussi se faire par drug design : elle s’appuie alors sur des bases aussi rationnelles que possible, pouvant même impliquer l’utilisation de calculs théoriques et d’ordinateurs lors de la conception des molécules. Elle repose, pour l’essentiel, sur l’établissement de relations entre les structures de molécules ayant des activités biologiques comparables. On cherche soit à optimiser, par modulation chimique , des molécules dont on connaît déjà l’activité, soit à concevoir, a priori, la structure qu’une molécule devrait avoir pour exercer un effet thérapeutique déterminé.

Le développement par optimisation et plus particulièrement l’approche par conception a priori ne peuvent se contenter d’utiliser les seules ressources de la chimie organique ou des substances naturelles, qui suffiraient, par contre, pour le criblage. La pharmacochimie dépend de la chimie organique pour la réalisation et l’isolement des molécules mais, dans ses conceptions, elle doit aussi conjuguer entre elles des connaissances appartenant à la chimie biologique, la physico-chimie, la pharmacologie générale et moléculaire, la physiopathologie, la thérapeutique et la pharmacie, pour la compréhension des mécanismes d’action et l’établissement des relations structure-activité. La compréhension des mécanismes et l’établissement de ces relations s’appuient de plus en plus sur des considérations théoriques comme les modèles allostériques de récepteurs ou d’enzymes (cf. infra ) et l’existence d’états de transition. Leur mise en modèle mathématique permet en outre de démythifier en partie, sinon de résoudre partiellement, des phénomènes biologiques complexes.

1. Rôle du récepteur

Quelle que soit la voie de recherche empruntée en pharmacochimie, la réussite dépend le plus souvent d’une interaction de la molécule préparée avec des sites récepteurs de l’organisme. La formation du couple molécule-récepteur provoque, en effet, une modification qui est le point de départ de l’effet biologique. Cette interaction implique non seulement certains impératifs géométriques et électroniques pour que la molécule considérée, ou ligand , puisse se lier au récepteur, comme le font les molécules endogènes (hormones, etc.), mais aussi des propriétés physico-chimiques qui lui permettent de parvenir à son site d’action, à partir de la voie d’administration choisie (orale, parentérale, rectale, etc.).

Récepteurs et mécanismes physiologiques

La notion de récepteur, d’abord intuitive, s’est peu à peu affirmée pour les substances endogènes, puis pour des produits exogènes tels que les médicaments. Elle peut être assez large et recouvrir l’ensemble des macromolécules biologiques sur lesquelles viennent agir, de façon plus ou moins spécifique, des ligands (substrats d’enzymes, hormones, médicaments, toxiques, etc.). Le récepteur proprement dit (R), membranaire ou intracellulaire, correspond à une entité plus précise puisqu’il représente une sorte d’empreinte moléculaire sur laquelle le ligand doit s’adapter aussi parfaitement que possible. Ces récepteurs (R), qui participent au fonctionnement harmonieux de l’organisme en rendant possibles les communications entre ses différents systèmes, ont pu être isolés, avec une pureté plus ou moins grande dans certains cas (acétylcholine, par exemple), par différentes techniques (chromatographie d’affinité, ultracentrifugation, etc.). Leur caractérisation repose, en général, sur leur propriété d’accepter électivement certaines substances endogènes qui sont, par exemple, soit des neurotransmetteurs, intermédiaires chimiques de l’activité nerveuse, tels que l’acétylcholine, les amines biogènes (catécholamines, sérotonine, histamine) ou les acides aminés (acide 塚-aminobutyrique, glycine, etc.), soit des hormones stéroïdes (hormones sexuelles, glucocorticoïdes, minéralocorticoïdes) ou protéiniques (insuline, somatotropine, etc.). Parfois, le récepteur (R) a pu au contraire être identifié grâce à des produits exogènes. C’est le cas du récepteur de la morphine dont on a découvert que les ligands naturels étaient des polypeptides, les endorphines, doués des mêmes propriétés analgésiques que cet alcaloïde. Enfin, ce type d’études bénéficie, maintenant, de l’apport des techniques de génie génétique, qui permet la production des récepteurs par clonage.

L’interaction momentanée entre le récepteur et le ligand entraîne, suivant le cas, la modulation d’une chaîne métabolique ou des modifications dans l’activité d’une cellule spécialisée (par exemple, décharge d’un neurotransmetteur par un neurone ou libération d’une hormone par une cellule sécrétrice). Ces événements, qui ont des conséquences directes sur le fonctionnement des organes, résultent de mécanismes qui dépendent de la nature du ligand:

– les neurotransmetteurs et certaines hormones agissent sur un récepteur de la membrane cellulaire, soit en activant un système enzymatique qui entraîne la synthèse d’un messager produisant lui-même des réactions en chaîne à l’origine de l’effet biologique (cf. HORMONES, fig. 2 a), soit en provoquant l’ouverture ou la fermeture de pores dans la membrane cellulaire, ce qui permet des mouvements ioniques;

– les hormones stéroïdes (S) forment, par contre, avec un récepteur endocellulaire, un couple (SR) qui déclenche, en se fixant sur la chromatine, la synthèse d’un ARN messager qui, à son tour, enclenche une synthèse protéique à l’origine de l’activité biologique (cf. HORMONES, fig. 2 b).

Récepteurs et mécanismes d’action des médicaments

Un produit qui interagit avec un récepteur donné se caractérise par son affinité (aptitude à se fixer au récepteur) et par son activité intrinsèque (aptitude à engendrer une réponse quantifiable). Par rapport au ligand naturel du récepteur, un produit peut être soit agoniste, soit antagoniste, soit mixte, selon son activité intrinsèque. Un agoniste, ou un antagoniste, est considéré comme compétitif s’il occupe le même site que celui d’un ligand physiologique, ou non compétitif s’il se fixe sur un site différent du récepteur mais en déformant ce dernier: c’est le phénomène d’allostérie (cf. PHARMACOLOGIE, fig. 2).

Toute molécule exogène susceptible de former un couple avec un récepteur d’une cellule ou d’un neurone, ou avec une enzyme d’une chaîne métabolique, ou toute molécule capable de se substituer à un substrat naturel dans les réactions biochimiques de l’organisme (métabolisme intermédiaire) pourra, au moins en théorie, entraîner une réponse biologique (médicamenteuse ou toxique). Le mécanisme d’action d’une molécule dépend finalement de la stimulation ou de l’inhibition qu’elle exerce sur les récepteurs (au sens large) qui commandent à leur tour, selon le cas, la stimulation ou l’inhibition des processus physiologiques.

En thérapeutique, l’activité des molécules est appréciée globalement: c’est, en quelque sorte, la résultante de toutes les interactions entre la molécule active et les différents récepteurs auxquels elle se lie. Ces derniers sont répartis non seulement sur les structures biologiques responsables de l’action médicamenteuse recherchée, mais aussi sur toutes celles qui sont commandées par les mêmes neurotransmetteurs, hormones, enzymes, etc. Cette situation est à l’origine de certains effets «secondaires» (par exemple, effet tachycardisant des bronchodilatateurs, effet cardiotoxique des antidépresseurs, réactions extrapyramidales sous neuroleptiques, etc.).

Conditions de l’interaction molécule-récepteur

L’activité d’une molécule endogène, ou exogène, ne dépend pas seulement de son aptitude intrinsèque à interagir avec un récepteur, mais également de son cheminement vers celui-ci, qui conditionne sa distribution.

L’interaction molécule-récepteur dépend de la complémentarité des deux partenaires illustrée par le couple clé-serrure. Elle résulte de la formation d’interactions de différents types: liaisons hydrogènes, interactions ioniques et hydrophobes (tabl. 1) qui dépendent non seulement de la nature des fonctions chimiques en présence, mais également de leur situation spatiale respective, autrement dit de la géométrie des entités moléculaires [cf. STÉRÉOCHIMIE]. La géométrie tridimensionnelle (3D) du ligand peut être connue avec précision, en particulier par l’étude énergétique de ses différentes conformations (cf. CONFORMATIONS - Chimie). Reste à déterminer celle des macromolécules (récepteurs, enzymes...) qui le fixent, ce qui est possible dans un nombre croissant de cas. Les liaisons des molécules endogènes et de la plupart des médicaments avec leur récepteur sont en général assez faibles (non covalentes): ainsi, les effets produits sont-ils facilement réversibles.

L’équilibre ligand-récepteur est régi par la loi d’action de masse. Le déplacement de cet équilibre se produit, par exemple, par dilution des molécules de ligand dans les liquides aux alentours du récepteur. Ce déplacement ne correspond pas toujours à la cessation de l’activité moléculaire: lorsque la molécule de réserpine «frappe son récepteur et s’en va» (hit and run ), elle provoque la libération des catécholamines qui entraîne des effets qui durent longtemps après son élimination. Si ces liaisons sont fortes (covalentes), il peut en résulter un effet toxique qui est du reste recherché en chimiothérapie antiparasitaire ou anticancéreuse (médicaments cytotoxiques).

Le cheminement vers le récepteur est plus ou moins long, et plus ou moins semé de pièges. Pour les molécules endogènes, la distance qui sépare le site d’action du lieu de production peut être très petite (décharge d’un neurotransmetteur dans une synapse, jonction entre deux neurones) ou beaucoup plus grande (hormone déversée dans le torrent circulatoire, à partir duquel elle gagnera sa cible). De ces deux possibilités, la première représente presque le cas idéal, la seconde correspond à une situation dans laquelle la molécule doit déjà déjouer le piège de la biodégradation enzymatique et celui des émonctoires.

Lorsqu’il s’agit d’un médicament, par définition exogène, dans lequel le principe actif est le plus souvent associé à des excipients, le problème est complexe. En effet, au cours de son trajet vers la macromolécule cible, le principe actif doit se séparer de ses excipients, franchir plus ou moins de membranes selon sa voie d’administration, se distribuer entre différents compartiments biologiques, éviter en partie l’élimination et la biodégradation en se liant aux protéines plasmatiques selon un équilibre réversible relevant également de la loi d’action de masse (cf. MÉDICAMENTS, fig. 2).

La diffusion du principe actif dans l’organisme nécessite la traversée de différentes membranes de nature lipoprotéique et s’effectue selon plusieurs types de mécanismes: filtration à travers des pores (de 0,7 à 4 nm) pour les petites molécules; diffusion passive pour les substances non ionisées; transport par paire d’ions formant un complexe neutre; transport actif orienté dans un sens; pinocytose des molécules par la membrane.

L’étude du devenir des médicaments absorbés est la pharmacocinétique . Cette dernière dépend aussi de données pharmaceutiques (voie et forme d’administration, nature des excipients, mode de préparation).

2. Relations structure-activité et drug design

L’étude des relations existant entre les structures moléculaires ayant la même activité permet, par approches successives, soit d’optimiser des molécules, soit d’essayer de déduire a priori les caractéristiques qu’elles devraient avoir pour présenter un intérêt thérapeutique. Le rôle du récepteur, on l’a vu, paraît primordial dans les mécanismes d’action des molécules endogènes et exogènes: on pourrait en conclure qu’il est alors possible de déterminer la topographie tridimensionnelle du récepteur puis de déduire directement les structures moléculaires qu’il peut accepter. Cependant, bien que de nombreuses structures 3D de grosses molécules soient connues (cf. supra ), en particulier celles d’enzymes et d’anticorps, celles des récepteurs restent plus difficiles à déterminer en raison de leur localisation très souvent membranaire. Lorsqu’on ne peut accéder à la connaissance 3D du récepteur, on peut toutefois sélectionner les molécules qui interagissent avec ce récepteur (autre aspect du criblage ) en utilisant les méthodes de la pharmacologie moléculaire (cytochimie, culture cellulaire, produits radioactifs, autoradiographie, etc.) et la géométrie moléculaire. À partir de là, il est possible de comparer la structure des molécules sélectionnées pour établir des relations structure-activité.

Établissement des relations structure-activité

Les liens entre structure et activité peuvent être établis en dressant un inventaire systématique des analogies entre les structures chimiques des molécules ayant la même activité biologique. Cette activité s’apprécie au niveau de l’organisme entier – c’est le cas de l’effet thérapeutique –, au niveau d’un organe (ou d’une de ses structures) ou d’un récepteur. Il en résulte plusieurs manières de procéder qui ont leurs avantages et leurs inconvénients; leur utilisation séparée ou conjuguée est une question d’opportunité.

Les molécules ayant la même activité thérapeutique ont des relations entre elles faciles à établir, et le problème de l’accès à leur récepteur est résolu de facto, mais les produits retenus peuvent être divers. Ainsi les molécules hypotensives sont-elles des sulfamides, des organomercuriels, la réserpine, des phényléthylamines, etc.; elles agissent à des niveaux et par des mécanismes très différents, ce qui constitue des conditions peu favorables à l’établissement de relations structure-activité utilisables.

Les liens issus de comparaison entre molécules ayant la même activité sur un organe ou sur une structure physiologique sont déjà plus significatifs; en exemple, les molécules hypotensives par effet vasodilatateur. L’inconvénient de cette méthode peut alors provenir d’une différence de mécanisme d’action: les molécules vasodilatatrices peuvent agir en bloquant (ou en stimulant) les récepteurs 見-(ou 廓-) adrénergiques. De plus, les effets considérés sur des organes ou des structures isolés font abstraction de l’accès des molécules à ces niveaux.

Enfin, les relations établies entre les structures exerçant des effets identiques, en agissant sur le même récepteur, entraînent des comparaisons hautement significatives, mais cette façon de procéder ne tient pas compte, également, des problèmes de pharmacocinétique. Les molécules les plus actives dans ce système peuvent se révéler inactives par administration générale.

Examen des structures de molécules ayant la même activité

Finalement, l’augmentation de la précision dans l’établissement des analogies entre la structure des molécules et leur activité, apportée par des essais in vitro, risque de se faire au détriment de l’aptitude des molécules à cheminer vers leur site d’action quand elles sont utilisées in vivo et vice versa. Malgré cette réserve, une connaissance aussi complète que possible des mécanismes d’action des molécules présente un grand intérêt pour que celles-ci puissent être comparées valablement. Bien qu’une molécule soit un tout, l’expérience montre que son activité intrinsèque semble plus directement reliée à certains de ses atomes (ou groupements d’atomes), fragments moléculaires actifs, alors que son aptitude à atteindre sa cible serait dans un certain nombre de cas reliée à d’autres fragments en relation plus immédiate avec des facteurs physico-chimiques; cette dichotomie est loin d’être absolue. Ainsi le radical méthyle CH3– agit-il souvent sur la lipophilie des molécules porteuses, mais il peut aussi intervenir dans l’activité: lorsqu’il remplace un atome d’hydrogène sur l’atome d’azote de la noradrénaline, on obtient l’adrénaline avec certaines propriétés différentes, tandis qu’une fraction active comme le noyau des stéroïdes (tabl. 2) est, en lui-même, lipophile.

Les pharmacophores, fragments moléculaires actifs

L’activité biologique d’une molécule procède de son interaction ou plus précisément de celle de certains de ses fragments avec un récepteur, en général selon un mode non covalent. Parmi ces fragments, les fonctions chimiques sont les plus simples à identifier; cependant, elles ne suffisent pas toujours à provoquer cette interaction. Il faut souvent un fragment moléculaire plus important pour la rendre possible. Ainsi l’activité conférée aux molécules par une fonction amidine 漣C(= NR) 漣NR R sera en général de type cardiovasculaire ou inhibitrice d’enzyme (tabl. 2), alors que celle qui est induite par les fonctions acide 漣COOH et amine 漣NRR dépendra de la façon dont elles s’insèrent dans la molécule, pour former un enchaînement: la phényléthylamine C6H5 漣CH2 漣CH2 漣NH2 a des propriétés différentes de la phénoxyéthylamine C6H5 漣O 漣CH2 漣CH2 漣NH2.

Les pharmacophores sont donc des parties plus ou moins complexes d’une molécule, déterminantes pour son activité pharmacodynamique. Ils doivent lui permettre de s’adapter de façon précise au site, en fonction de la disposition spatiale plus ou moins rigide conférée par leurs atomes, afin d’établir des liaisons, en général non covalentes, selon leur distribution électronique. Ils comportent donc des fonctions, des enchaînements comportant eux-mêmes des fonctions et/ou des cycles (tabl. 2). Plusieurs situations peuvent se présenter.

Le pharmacophore constitue l’essentiel de la structure et induit en général le même type d’action, quels que soient les autres substituants qui modifient, le plus souvent, seulement l’intensité de cette dernière (à moins qu’il ne la fassent disparaître): par exemple, les aminoalcoylphénothiazines sont en général neuroleptiques, antihistaminiques, antitussives, antiémétiques ou hypnotiques (tabl. 2).

Lorsque différents pharmacophores se trouvent réunis sur une même molécule, il peut s’établir une hiérarchie, et la molécule conserve alors l’activité d’un seul pharmacophore (le noyau stéroïdien perd ses propriétés hormonales et devient ganglioplégique lorsqu’il porte des ammoniums quaternaires); il peut en résulter des modulations de l’activité (la fonction sulfonamide apparaît antibactérienne dans le p -aminophénylsulfonamide et certains de ses dérivés, alors qu’elle se révèle diurétique sous forme de phénylsulfonamide, associée à une autre fonction sulfonamide ou acide carboxylique, en meta et à un atome d’halogène; ou encore hypoglycémiante quand elle est incluse dans une arylsulfonylurée (tabl. 2).

Le même pharmacophore peut entraîner des effets différents lorsqu’il agit sur un même type de récepteur appartenant à des systèmes physiologiques fonctionnellement différents (la clonidine est d’abord hypertensive par action périphérique, puis elle devient hypotensive, notamment en se concentrant dans le cerveau. Dans les deux cas son action s’exerce sur des récepteurs 見-adrénergiques).

En fait, cette notion de pharmacophore, qui a été très utilisée dans la recherche des molécules actives, s’est considérablement clarifiée. Elle peut se ramener à l’identification de quelques groupes d’atomes déterminants pour l’interaction avec les récepteurs (groupes donneurs ou accepteurs de liaisons hydrogènes, groupes ioniques, groupes hydrophobes volumineux, etc.). Cela permet de mieux comprendre que des molécules xénobiotiques, comme la plupart de médicaments de synthèse ou des alcaloïdes, se lient en lieu et place de molécules endogènes très différentes structurellement. C’est par exemple le cas entre l’alcaloïde morphine et les peptides enképhalines.

Fragments moléculaires et facteurs physico-chimiques

On constate que l’introduction de certains fragments sur les molécules affecte plus le cheminement de ces dernières que la nature de leur action; leur effet est principalement dû à un caractère lipophile ou lipophobe. On tire parti en optimisation moléculaire d’une telle constatation: ainsi l’adjonction d’un substituant trifluorométhyle C3, fluoro F, chloro Cl, méthyle CH3... augmente la lipophilie des molécules, alors que l’accumulation des radicaux hydroxyle OH, carboxyle 漣C, etc. rend les molécules plutôt lipophobes, étant bien entendu que le reste de la structure participe aussi aux caractères physico-chimiques globaux.

Bio-isostérie

Certains groupes ou certains fragments moléculaires présentent entre eux des similitudes électroniques ou physico-chimiques (liaisons H donneuses d’électrons, par exemple) ou encore géométriques, etc. Ces analogies sont probablement à l’origine de l’observation selon laquelle on peut, dans un certain nombre de cas, les changer entre elles sans modifier profondément l’activité de la molécule. On désigne cette propriété par le terme de bio-isostérie . Une illustration en est donnée dans le tableau 3.

Application au drug design

La connaissance plus ou moins grande des mécanismes d’action des molécules implique toujours, mais souvent de façon non explicite, le concept de récepteur et elle conditionne l’établissement de relations structure-activité sans lesquelles le drug design ne serait pas possible. Ce dernier fait appel à des méthodes relativement simples lorsqu’il s’agit d’optimisation moléculaire ou à des méthodes plus sophistiquées lorsqu’il a recours à la conception, par le calcul, des molécules (modélisation moléculaire par le calcul) qu’il convient de synthétiser dans l’espoir d’avoir une activité donnée.

Modulation chimique «simple»

On synthétise des dérivés proches d’une molécule active d’origine naturelle ou synthétique. On observe parallèlement les variations de l’activité et/ou de la toxicité qui résultent de ces modulations. Cette première mise en rapport constitue la forme la plus qualitative des relations structure-activité.

Ces modulations chimiques se limitent à des transformations (alcoylation, éthérification, etc.) où l’essentiel de la structure de départ est conservé, ou à des associations d’éléments divers (tabl. 4), ou encore à des simplifications de molécules dont on connaît de très nombreux exemples. Les premières modulations de ce dernier type ont été réalisées par Schering en 1898 dans la série des anesthésiques locaux, en s’inspirant de la cocaïne pour préparer les eucaïnes A et B. D’une façon plus audacieuse, E. Fourneau réussit, en 1904, à rassembler dans une molécule simple les fonctions chimiques principales de cet alcaloïde pour arriver notamment à la Stovaïne (tabl. 4).

Enfin, on peut réaliser des prodrogues – molécules en principe inactives qui doivent obligatoirement subir une biodégradation avant d’agir – soit pour protéger une molécule peu stable et augmenter ainsi son activité, soit pour la doter d’une certaine sélectivité d’action et en réduire la toxicité ou encore pour lui conférer une activité prolongée (effet retard) ou pour masquer une odeur ou une saveur désagréable.

Indépendamment du type de démarche précédent, débouchant de proche en proche sur des analogues simples ou non d’une molécule de départ connue, la modulation chimique peut utiliser des moyens plus complexes pour parvenir à des modèles structuraux théoriques voisins, ou éventuellement très différents, ayant une certaine probabilité de présenter l’activité souhaitée.

Modulation chimique et Q.S.A.R.

Une approche plus quantitative pour guider la modulation moléculaire consiste à chercher une relation mathématique simple (ou Q.S.A.R., quantitative structure activity relationship ) entre les activités des molécules et des paramètres physico-chimiques. On peut ainsi améliorer l’activité d’une molécule en jouant sur les propriétés physico-chimiques de certains de ses fragments: il est possible, dans un certain nombre de cas, de relier mathématiquement l’activité pharmacologique d’une famille de molécules à des paramètres physico-chimiques (effets de liaison hydrophobe, effet électronique, effet stérique), selon l’une des méthodes les plus utilisées, celle de Hansch ou celles de Topliss et de Darwas qui en dérivent; l’intérêt est de réussir à optimiser des résultats, à l’intérieur de séries chimiques homogènes. Lorsque la corrélation est démontrée à partir d’un nombre suffisant de composés, on peut choisir le substituant ou la modification devant théoriquement conduire à l’activité optimale. On a, de cette façon, amélioré l’activité hypnotique des barbituriques ainsi que l’activité anesthésique des anesthésiques locaux.

Modélisation moléculaire et calcul

La finalité de cette méthode est de se représenter et de prévoir par le calcul la structure 3D qu’une molécule doit avoir pour interagir avec un récepteur donné. Cette méthode peut donc s’appliquer soit pour optimiser des molécules connues, soit pour concevoir, ab initio , de nouvelles molécules. La technique de base de cette approche est la mécanique moléculaire par laquelle on accède de façon semi-empirique mais rapide à la connaissance de l’énergie des conformations moléculaires, qui dépend de la forme spatiale 3D des molécules. En effet, dans un organisme vivant, les molécules agissent, en général, sous la forme qui correspond à leur niveau de plus basse énergie. Ce calcul conformationnel est théoriquement applicable à toutes les molécules; cependant, dans le cas des grosses molécules on est limité par l’accumulation des petites incertitudes. Ces techniques de calculs sont complétées par des représentations des molécules sur écran d’ordinateur qui donnent des représentations des molécules plus proches de la réalité que celles qui sont fournies par la formule chimique développée. Le programme conversationnel Script donne accès, à partir du seul tracé de la formule chimique (fig. 2 a) sur l’écran d’un terminal graphique, aux géométries moléculaires tridimensionnelles (fig. 2 b) et aux énergies relatives des différents conformères. Ce programme, dans les tout premiers à avoir été réalisé pour ce type d’étude, est maintenant remplacé de plus en plus par de nouveaux programmes plus performants.

Ce design, ab initio , est encore tributaire de la détermination expérimentale des structures des grosses molécules (récepteurs, enzymes...) par radiocristallographie et par résonance magnétique nucléaire (R.M.N.).

Dans le meilleur des cas, lorsqu’on dispose de la structure 3D du site actif, on recherche quelles sont les structures qui s’adaptent le mieux à ce site. On détermine ainsi un site actif à l’intérieur duquel on simule ensuite la présence d’une petite molécule (programmes de docking ).

Sinon, on modélise le site actif en utilisant des techniques d’alignement et d’homologie de séquences, et des techniques de simulation dynamique ou de Monte-Carlo, etc., qui conduisent parfois à un modèle 3D plausible de récepteur ou d’enzyme et on se trouve ramené au cas précédent.

Si l’on ignore tout du récepteur, on peut cependant comparer par superposition des molécules (dont on sait qu’elles interagissent avec le même site actif) afin de déterminer leurs parties communes acceptées par ce site, et les positions de substitutions interdites. Cette méthode, dite de matching , qui prend en compte les aspects 3D et énergétiques des molécules, est une rationalisation de la méthode classique de modulation moléculaire. On peut aussi, plus simplement, chercher à imiter un ligand endogène, par exemple en mimant un peptide par une molécule non peptidique. On a alors recours à diverses techniques pour évaluer la similitude: comparaison de volumes, de surfaces hydrophiles ou lipophiles, de potentiels électriques, etc. Il est ainsi possible de faire apparaître sur écran graphique le site actif d’une enzyme dont la structure tridimensionnelle a été obtenue par rayons X et d’étudier des interactions avec son substrat ou différents inhibiteurs. Il est aussi théoriquement possible de prévoir de nouvelles structures d’inhibiteurs occupant au mieux le site actif. Plus généralement, en fait, on déduit à partir du substrat ou d’un inhibiteur les conformations actives qui pourront être chimiquement «fixées» pour conduire à de nouvelles structures présentant plus d’affinité pour l’enzyme. Il est également possible de regarder l’influence sur cette affinité de l’introduction d’un substituant donné en une position particulière. Par de telles opérations, on peut obtenir des analogues améliorés d’un inhibiteur issu, par exemple, du criblage orienté. Leur constante d’inhibition (Ki) pour l’enzyme pourra être ainsi améliorée d’un facteur 1 000 ou plus. Ces études sont évidemment réalisées avant que ne soient entreprises les synthèses parfois longues et fastidieuses des différents analogues possibles. Parmi un nombre important de molécules initialement envisagées, cela permet donc de sélectionner a priori quelques molécules dont la synthèse sera entreprise. L’efficacité s’en trouve améliorée d’autant. De nombreux complexes enzyme-inhibiteur ont été étudiés par ce moyen: élastase, dihydrofolate réductase, enzyme de conversion de l’angiotensine I, chymotrypsine, etc. Mais ce sont probablement les recherches effectuées, par plusieurs groupes, sur la rénine et ses inhibiteurs qui illustrent le mieux les possibilités offertes par ces techniques.
En conclusion, dans l’état actuel des connaissances, on constate que si le criblage et le drug design peuvent conduire au succès, aucun ne peut le garantir à lui seul. Ce caractère aléatoire est dû au grand nombre de paramètres qui interviennent dans l’activité d’une molécule. Ainsi les structures moléculaires retenues par criblage nécessitent-elles souvent une optimisation, et celles qui sont obtenues par drug design ne correspondent pas toujours à l’activité attendue.

Bien qu’on ait tendance à considérer que criblage, optimisation et démarche a priori représentent respectivement le passé, le présent et l’avenir, on observe en pratique que ces méthodes ne s’excluent pas l’une l’autre et qu’elles sont toutes trois utilisées soit isolément, soit de façon complémentaire (fig. 1).

La tâche de la pharmacochimie s’arrête à l’obtention d’une molécule active, mais il reste encore de nombreuses étapes à franchir avant que celle-ci soit transformée en médicament utilisable.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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