GUC - Ceutical 1 - lecture 1

Pharmaceutical Chemistry I – GUC Ceutical I

Lecturer: Dr. Mahmoud Mohy

This Pharmaceutical Chemistry I lecture provides a structured introduction to the fundamental concepts that connect the chemical structure and physicochemical properties of drug molecules with their behavior in the body. Presented by Dr. Mahmoud Mohy, the lecture covers essential topics in pharmaceutical chemistry, medicinal chemistry, drug design, drug discovery, and drug development, making it an important foundation for students studying pharmaceutical and biomedical sciences.

1. Drug Substance and Active Pharmaceutical Ingredients (API)

The lecture begins with the concept of the drug substance and Active Pharmaceutical Ingredients (APIs), focusing on the physicochemical characteristics that influence the behavior of drug molecules. For a drug molecule to be effective, it needs to have an appropriate balance between properties that allow it to dissolve in the bloodstream and properties that allow it to cross biological barriers.

The lecture discusses the importance of molecular size, hydrophilicity, hydrophobicity, and lipophilicity, explaining how these properties affect drug transport and distribution within the body.

2. Lipinski’s Rule of Five

A major topic is Lipinski’s Rule of Five, an important concept in evaluating drug-like molecules and oral drug candidates. The lecture explains the main parameters associated with this rule:

– Molecular Weight (MW) < 500

– Hydrogen Bond Donors (HBD) < 5

– Hydrogen Bond Acceptors (HBA) < 10

– LogP < 5

These parameters provide a useful framework for understanding the relationship between molecular properties and the potential of a compound to behave as an orally active drug.

3. Lipophilicity, LogP and LogD

The lecture then explores lipophilicity, one of the key physicochemical properties in pharmaceutical chemistry. Students learn about the partition coefficient (P) and the octanol/water system used to model the distribution of molecules between lipid-like and aqueous environments.

The concept of LogP is introduced as the logarithm of the partition coefficient. The lecture explains that increasing LogP is associated with increasing lipophilicity and decreasing hydrophilicity. Students are also introduced to Distribution Coefficient (D) and LogD, particularly for ionizable compounds, where distribution depends on pH.

4. Acid-Base Properties and pKa

Another essential section focuses on the acid-base properties of drugs. The lecture introduces pKa and the relationship between acid strength and pKa, followed by the Henderson-Hasselbalch equation and its application in understanding drug ionization.

Students examine the relationship between pH, pKa, ionized form, and unionized form, including an example involving phenylpropanolamine. This section is particularly important for understanding how ionization can influence the physicochemical behavior of drug molecules.

5. Drug Discovery and Development

The lecture also introduces the major stages of Drug Discovery and Development, from identifying potential lead compounds to developing drug candidates and progressing through clinical trials.

Topics include:

– Lead Compound Identification

– Lead Compound and Lead Optimization

– Serendipity

– Endogenous Compounds

– Natural Products

– Random Screening

– High-Throughput Screening (HTS)

– Computer-Aided Drug Design (CADD)

– Pharmacological Testing

– New Chemical Entities (NCE)

– Clinical Trials Phase I, II and III

– New Drug Application (NDA)

The lecture also discusses sources of lead compounds, including endogenous substances, plants, animals, microorganisms, and natural products, with examples such as insulin, L-DOPA, melatonin/ramelteon, penicillin, and compounds derived from natural biological sources.

6. Random Screening and High-Throughput Screening

Students are introduced to Random Screening and HTS, including the use of in vitro bioassays, compound libraries, miniaturization, robotics, and the identification of active compounds or hits. Examples discussed in the lecture demonstrate how screening approaches have contributed to the discovery of therapeutically important compounds.

Overall, this lecture with Dr. Mahmoud Mohy provides students with a comprehensive foundation in Pharmaceutical Chemistry I, covering drug physicochemical properties, Lipinski’s Rule of Five, LogP, LogD, pKa, drug ionization, lead compounds, drug discovery, HTS, CADD, and the drug development process.

Pharmaceutical Chemistry I – GUC Ceutical I

المحاضر: دكتور محمود محيي

تقدم هذه المحاضرة في Pharmaceutical Chemistry I مع دكتور محمود محيي شرحًا منظمًا لعدد من المفاهيم الأساسية في Pharmaceutical Chemistry وMedicinal Chemistry وDrug Discovery وDrug Development، مع التركيز على العلاقة بين التركيب الكيميائي للدواء والخواص Physicochemical Properties التي تؤثر على سلوك الدواء وقدرته على الوصول إلى المكان المطلوب داخل الجسم.

تبدأ المحاضرة بالتعرف على مفهوم Drug Substance وActive Pharmaceutical Ingredients (API)، ثم توضح أهم الخواص التي يجب أن تتوافر في جزيئات الدواء حتى تستطيع القيام بوظيفتها. ويتناول المحتوى أهمية أن يكون حجم جزيء الدواء مناسبًا، وأن يمتلك قدرًا من Hydrophilicity يسمح له بالذوبان في مجرى الدم، وفي الوقت نفسه قدرًا من Hydrophobicity أو Lipophilicity يسمح له بالمرور عبر الحواجز الدهنية.

1. Lipinski’s Rule of Five

تتناول المحاضرة بالتفصيل Lipinski’s Rule of Five، وهي من المفاهيم المهمة عند دراسة خصائص الجزيئات التي يمكن أن تكون Drug-like Molecules، وخاصة الأدوية التي يتم تناولها عن طريق الفم.

ويتعرّف الطالب على أهم القواعد المرتبطة بـ:

– Molecular Weight (MW) أقل من 500

– Hydrogen Bond Donors (HBD) أقل من 5

– Hydrogen Bond Acceptors (HBA) أقل من 10

– LogP أقل من 5

ويساعد فهم هذه القواعد على تكوين صورة أوضح عن العلاقة بين الخواص الفيزيائية والكيميائية للجزيء وبين احتمالية امتلاكه للخواص المناسبة ليكون Orally Active Drug.

2. Lipophilicity وLogP وLogD

تنتقل المحاضرة بعد ذلك إلى مفهوم Lipophilicity، وهو من أهم الخواص التي يتم دراستها في Pharmaceutical Chemistry، مع شرح Partition Coefficient (P) واستخدام نظام Octanol/Water لفهم توزيع الجزيئات بين بيئة تشبه الوسط الدهني وبيئة مائية.

كما يشرح دكتور محمود محيي مفهوم LogP وعلاقته بالـ Lipophilicity، حيث يزداد الميل للذوبان في الأوساط الدهنية مع زيادة LogP، بينما تقل Hydrophilicity.

وتتناول المحاضرة أيضًا Distribution Coefficient (D) وLogD، خاصة عند التعامل مع المركبات القابلة للتأين Ionizable Compounds، حيث تتأثر عملية التوزيع بقيمة pH.

3. Acid-Base Properties وpKa

من الموضوعات الأساسية أيضًا Acid-Base Properties of Drugs، حيث يتعرف الطالب على مفهوم pKa وعلاقته بقوة الأحماض، بالإضافة إلى تطبيق Henderson-Hasselbalch Equation في دراسة سلوك الأدوية.

وتوضح المحاضرة العلاقة بين pH وpKa وبين نسبة الدواء الموجودة في الصورة Ionized Form أو Unionized Form، مع تطبيق عملي على Phenylpropanolamine عند pH معين. ويساعد هذا الجزء الطالب على فهم تأثير Drug Ionization على الخواص الكيميائية والفيزيائية لجزيئات الدواء.

4. Drug Discovery and Development

تقدم المحاضرة كذلك مقدمة مهمة عن مراحل Drug Discovery and Development، بداية من البحث عن المركبات المناسبة وحتى الوصول إلى Drug Candidate وإجراء Clinical Trials.

وتشمل الموضوعات:

– Lead Compound Identification

– Lead Compound وLead Optimization

– Serendipity

– Endogenous Compounds

– Natural Products

– Random Screening

– High-Throughput Screening (HTS)

– Computer-Aided Drug Design (CADD)

– Pharmacological Testing

– New Chemical Entity (NCE)

– Clinical Trials – Phase I, II, III

– New Drug Application (NDA)

كما تتناول المحاضرة مصادر مختلفة للـ Lead Compounds، ومنها المواد الموجودة طبيعيًا داخل الجسم، والمركبات المستخلصة من النباتات والحيوانات والكائنات الدقيقة، مع أمثلة مثل Insulin وL-DOPA وMelatonin/Ramelteon وPenicillin.

5. Random Screening وHigh-Throughput Screening

يتعرف الطالب أيضًا على Random Screening وHigh-Throughput Screening (HTS)، وكيف يمكن استخدام In Vitro Bioassays وCompound Libraries وعمليات Miniaturization and Robotics لاختبار أعداد كبيرة من المركبات والوصول إلى المركبات النشطة أو Hits.

وتوضح الأمثلة الموجودة في المحاضرة كيف ساهمت طرق Screening المختلفة في اكتشاف مركبات ذات أهمية علاجية.

في النهاية، تمنح محاضرة Pharmaceutical Chemistry I مع دكتور محمود محيي الطالب أساسًا متكاملًا لفهم مجموعة من أهم موضوعات المادة، بداية من Drug Substance وAPI، مرورًا بـ Lipinski’s Rule of Five وLogP وLogD وpKa وDrug Ionization، وصولًا إلى Lead Compounds وDrug Discovery وHTS وCADD وDrug Development، بما يساعد على بناء أساس قوي لفهم موضوعات Pharmaceutical Chemistry وMedicinal Chemistry.