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1.1 – STRUTTURA GENERALE

I fluorochinoloni sono i primi antibiotici interamente di sintesi; la loro

struttura è costituita da un nucleo centrale altamente conservato, legato a

gruppi laterali variabili nei vari derivati (fig.1). O

R5 O

R6 OH

X

R7 N

8 R1

Fig. 1: Rappresentazione generale della struttura chinolonica

Come già visto, studi sulla clorochina hanno portato alla sintesi del

primo farmaco di questa classe, usato un tempo come antisettico urinario(fig.2).

N CH

3 O O

CH

N 3 O

N

H C N

Cl N 3 C H

2 5

CLOROCHINA ACIDO NALIDISSICO

Fig. 2: Conversione della clorochina in acido nalidissico

Attualmente l’unica specialità a base di acido nalidissico presente in

commercio è BETAXINA. 7

1.2 FLUOROCHINOLONI DI PRIMA GENERAZIONE

Dall’acido nalidissico sono stati ottenuti altri derivati:

l’ACIDO PIPEMIDICO (fig.3) e la NORFLOXACINA, dalla quale si sono

ottenuti a loro volta:

CIPROFLOXACINA – OFLOXACINA – PEFLOXACINA -

LOMEFLOXACINA.

Queste ultime cinque molecole appartengono alla classe dei

fluorochinoloni di (fig.4).

PRIMA GENERAZIONE

O O O O

F F

O- O-

N N N N N N

H N C H N C H

2 5 2 5

H C

3 METILE

PIPERAZINA

NORFLOXACINA PEFLOXACINA

O O

O O F

F O-

O- N N N

N N

N H N

O

H C CH

3 3

MORFOLINA CICLOPROPILE

CIPROFLOXACINA

OFLOXACINA O O

F O-

H C

3 N N

H N C H

F 2 5

LOMEFLOXACINA

Fig.4: Struttura dei fluorochinoloni di prima generazione

8 O O O-

N

N N N

H N C H

2 5

ACIDO PIPEMIDICO

Fig.3: Struttura dell’acido pipemidico

I chinoloni di tale classe sono attivi prevalentemente sui batteri gram (-).

Le specialità più vendute a base di sono

ACIDO PIPEMIDICO

PIPEMID e UROTRACTIN, utilizzati soltanto come antisettici e antimicrobici

urinari.

Molto più ampio è, invece, l’uso ed il successo commerciale dei

successivi fluorochinoloni (soprattutto della ciprofloxacina).

Le specialità più importanti a base di sono:

NORFLOXACINA

NOROXIN (anche in collirio) – SEBERCIM – UTINOR – NORFLOX.

-

Le specialità contenenti sono PEFLACIN e PEFLOX.

PEFLOXACINA

La è presente sul mercato anche come collirio col nome

OFLOXACINA

commerciale di EXOCIN (fascia C a totale carico dell’assistito) nonché come

classico disinfettante urinario (FLOBACIN e OFLOCIN). Tale principio attivo è

una miscela racemica il cui enantiomero attivo (eutomero) è la forma S, anche

denominata (fig.5).

LEVOFLOXACINA O O

F O-

N N

N O

H C CH

3 3

Fig.5: Struttura della levofloxacina

Le specialità a base di tale principio attivo sono:

- LEVOXACIN – PRIXAR – TAVANIC

Sono principalmente usate per bronchiti, sinusiti, polmoniti e infezioni

della pelle e dei tessuti molli. 9

Le specialità a base di sono:

CIPROFLOXACINA

CIPROXIN – FLOCIPRIN – OFTACILOX (collirio)

-

Come già visto, il ciproxin è utilizzato, soprattutto in ambito ospedaliero,

per la cura di moltissimi tipi di infezioni: respiratorie, oculari, urinarie, ossee e

articolari, genitali (gonorrea), di cavità addominale, pelle e tessuti molli e infine

anche per la prevenzione da infezioni e la sepsi di pazienti con scarse difese

immunitarie.

Le specialità a base di sono utilizzate per infezioni

LOMEFLOXACINA

respiratorie e urinarie:

- LOMEBACT – OKACIN – CHIMONO – MAXAQUIN – UNIQUIN

1.3 FLUOROCHINOLONI DI SECONDA GENERAZIONE

Questi derivati agiscono anche sui batteri gram (+), ma nessuno di questi

è in commercio (fig.6). NH O O

2

CH O O F

3 O-

F O- H C

3 N N

H C

3 N N F

H N

H N CH 3

GREPAFLOXACINA SPARFLOXACINA

CH O O

3

F O-

H C

3 N N F

H N F

Fig.6: Struttura dei fluorochinoloni di seconda generazione

10

La temafloxacina, fu autorizzata nel 1992, a gennaio, ma già ad aprile

erano stati segnalati casi di anemia emolitica insorta dopo assunzione del

farmaco; la “sindrome da temafloxacina” iniziava dopo alcuni giorni dal

trattamento e si caratterizzava per la presenza di urine scure, dolore al fianco,

brividi e una caratteristica caduta dell’ emoglobina. Nei due terzi si sviluppava

anche un’ insufficienza renale acuta che obbligava ad emodialisi; nella metà si

verificò epatopatia moderata e coagulopatia. Si dimostrò che l’ emolisi era

anticorpo mediata. Nel giugno del 1992, sei mesi soli dopo la

commercializzazione, la casa produttrice ritirava il farmaco dal commercio (2).

Le altre due molecole di questa classe, invece, non sono disponibili in

Italia e comunque sono molto cardiotossiche. La sparfloxacina determina anche

induzione di resistenza e fotosensibilizzazione.

1.4 FLUOROCHINOLONI DI TERZA GENERAZIONE

Otre che sui batteri gram (+) e (-), tali derivati allargano il loro spettro

d’azione anche ai batteri anaerobi. L’unico in commercio è la

(fig.7), le cui specialità sono OCTEGRA e AVALOX. I

MOXIFLOXACINA

distretti su cui agiscono sono gli stessi della levofloxacina, ad eccezione di pelle

e tessuti molli. O O

F O-

N N

N OCH 3

MOXIFLOXACINA

Fig.7: Struttura della moxifloxacina

Appartiene a questa classe anche la che è stata

TROVAFLOXACINA

ritirata dal commercio a causa dei suoi effetti collaterali epatici (3).

11

CAPITOLO 2

MECCANISMO D’AZIONE

12

2.1 – GENERALITA’

Come già visto, i chinoloni svolgono la loro azione antibatterica inibendo

la DNA girasi e la DNA topoisomerasi II. Tali enzimi sono entrambi due

gyrB parC parE

tetrameri composti da due subunità (gyrA e nella girasi e e nella

topoisomerasi II). Tagliano una porzione di doppia elica di DNA (chiamata G o

“gate-segment”), fanno passare un segmento di DNA intatto attraverso la

rottura (T o “Transported-segment”) ed infine riagganciano le estremità

tagliate, usando come fonte di energia l’ATP, che facilita i cambiamenti

conformazionali dell’enzima. Infine entrambi i segmenti T e G vengono

rilasciati dal complesso enzimatico. Si pensa che i fluorochinoloni siano in

grado di inibire il passaggio del segmento di DNA intatto, formando un

complesso molto stabile con i frammenti di DNA tagliato e la girasi.

13

2.2 MODIFICHE STRUTTURALI DELLA MOLECOLA

Fig.8: Struttura della molecola chinolonica in cui R indica i siti di possibili modifiche

strutturali (3)

2.2.1 POSIZIONE 1

Questa posizione fa parte del complesso di legame con l’enzima ed il

ed è coinvolta nell’assemblaggio di due o più molecole di farmaco nella

DNA

tasca recettoriale. La più importante modifica è l’inserimento di un gruppo

seguito dal gruppo

ciclopropilico, 2,4-difluorofenilico.

Nella ofloxacina la posizione 1 è collegata alla 8 tramite la creazione di

una struttura a tre cicli con un metile legato ad un carbonio asimmetrico;

sebbene questa sia stata una valida alternativa al gruppo ciclopropilico,

l’isomero S è molto più attivo di quello R, a causa del maggior numero di

molecole di tale enantiomero che riescono a raccogliersi nella tasca recettoriale

formata dal DNA e dall’enzima. Comunque la potenza di tale eutomero risulta

ancora minore di quella avente il sostituente ciclopropilico.

14

2.2.2 POSIZIONE 2

Tale posizione è molto vicina alla porzione di legame all’enzima, per cui

si pensa che ogni sostituente ingombrante inibisca l’accesso al sito e riduca

quindi l’attività biologica. Soltanto un atomo di zolfo incorporato in un piccolo

anello può sostituire l’idrogeno in tale posizione.

2.2.3 POSIZIONE 3 E 4

Tali posizioni sono considerate critiche per il tagliato o

legame al DNA

perturbato e, a tutt’oggi, non sono state effettuate utili sostituzioni. Sembra che

il gruppo 3-carbossilico e 4-carbonilico siano essenziali per l’attività

biologica.

2.2.4 POSIZIONE 5

Aggiunte di gruppi aumentano l’attività

metilici, amminici, idrossilici

contro batteri gram (+), mentre sostituenti metossilici diminuiscono l’attività.

2.2.5 POSIZIONE 6

L’inserimento di un atomo di in questa posizione ha

fluoro

notevolmente incrementato l’attività biologica rispetto alle molecole originarie.

Sono in corso di studio nuovi sostituiti che sembrano essere

chinoloni 6-H

molto promettenti.

2.2.6 POSIZIONE 7

Questo sito I sostituenti ottimali

interagisce direttamente con l’enzima.

in tale posizione contengono cicli a 5 o 6 membri contenenti un atomo di

Generalmente l’inserimento di

azoto. un’aminopirrolidina o di un gruppo

sull’anello aumenta l’attività gram (+), mentre la aumenta

metilico piperazina

l’attività gram (-). Recenti osservazioni hanno messo in evidenza che gruppi

in tale posizione proteggono dall’azione delle “efflux-

molto ingombranti

protein” batteriche, aumentano l’attività anti-anaerobica e riducono

l’insorgenza di resistenza. 15

2.2.7 POSIZIONE 8

Questa posizione influenza l’intera configurazione sterica molecolare.

Per cui, cambiamenti della struttura possono alterare l’accesso del farmaco

all’enzima o ai siti di legame al DNA. Un atomo di libero può

alogeno

incrementare l’attività contro gli anaerobi. Tali sostituenti assieme ai gruppi

aumentano l’attività contro i cocci gram (+). Un atomo di

metilici e metossilici

(ciprofloxacina) o un (ofloxacina), aumentano l’attività

idrogeno anello fuso

contro la topoisomerasi IV riducendo quella contro la girasi. Il contrario

succede inserendo un Il cambiamento del carbonio con un azoto o

alogeno.

l’inserimento di gruppi metilici o metossilici aumentano la potenza

antimicrobica (fig.9) (4).

R1 NH CH

2

R5 3

N

N

R7 H C N N

3

H C

R8 3 O

Fig.9: Sostituenti risultati utili nell’aumentare l’attività

16

2.3 CARATTERISTICHE MOLECOLARI DELLA DNA

GIRASI

La conoscenza della struttura molecolare di tale enzima, arricchita anche

dall’ottenimento di immagini cristallografiche di alcune sue porzioni, ha aiutato

a capirne meglio l’interazione con tali principi attivi. Si sta cercando, infatti, di

identificare i siti di legame più significativi, anche se la “tasca” recettoriale è

molto più complessa di quanto sembri, in quanto coinvolge anche il DNA.

La DNA girasi catalizza il superavvolgimento negativo del DNA ed è

costituita da due proteine chiamate GyrB e GyrA associate in un oligomero

A B (5).

2 2 La porzione N-terminale di 43kDa del dominio GyrB contiene i siti di

legame e di idrolisi dell’ATP, mentre la porzione N-terminale del dominio

GyrA contiene i siti di legame e di taglio del DNA e una regione con degli

aminoacidi implicati nella resistenza ai chinoloni (da 67 a 106) che formano la

zona QRDR.

2.3.1 CICLO DELLA DNA GIRASI

La DNA girasi altera lo stato topologico del DNA inducendone un

superavvolgimento negativo attraverso un complesso meccanismo che sfrutta

come fonte di energia l’ATP. Tale processo avviene legando due residui di

tirosina ai gruppi fosfato presenti su entrambi i filamenti di DNA. In tal modo,

quindi, ciascun monomero dell’enzima viene covalentemente legato al

terminale 5’ del DNA tagliato, tramite un legame fosfotirosinico. L’enzima, poi,

apre il DNA creando il G-segment e fa passare attraverso il solco creato un

secondo segmento intatto di DNA (T-segment); infine la porzione G è rilegata e

il segmento T è liberato dall’enzima (fig.10).

Fig.10: Ciclo della DNA girasi (6)

2.3.2 RUOLO DELLA SUBUNITA’ GYRB

La maggior parte dei residui che legano l’ATP si trovano nel DOMINIO 1

della porzione N-terminale (da 1 a 220) di GyrB, ma ci sono altri due residui

335 337

(Gln e Lys ) appartenenti al DOMINIO 2 (da 220 a 392) che sono in grado di

contattarlo. Sebbene il ruolo di tali residui altamente conservati sia ancora poco

noto, sembra siano implicati nella trasmissione dei cambi conformazionali

dell’enzima da GyrB a GyrA dopo l’idrolisi dell’ATP. La porzione 98-118 che

lega e idrolizza l’ATP, forma un foglietto-β con il braccio N-terminale dell’altro

monomero, contenente residui essenziali per il processo di dimerizzazione

(fig.11).

E’ stato visto che mutazioni della regione C-terminale di GyrB

426 447

riguardanti gli aminoacidi Asp e Lys determinano variazioni

nell’interazione dell’enzima con i chinoloni. Ciò, quindi, fa pensare che, o

questa porzione è direttamente coinvolta nella formazione della tasca di legame

ai chinoloni, oppure tale subunità fa parte del sito attivo di GyrA. Infatti è stato

18 424

visto che vari residui di tale regione, in particolare Asp , sono necessari per il

taglio ed il legame del DNA (fig.12) (7).

Fig.11: Nella conformazione chiusa

Conformazione aperta e chiusa del sito che lega l’ATP.

(in giallo) la porzione 98-118 è avvolta attorno all’ATP, il cui fosfato è contattato dai due residui

e Lys sono coinvolte nella catalisi come Tyr che lega l’anello

del dominio 2. Lys

103 110 109

dell’adenina. Dopo l’idrolisi, il sito attivo assume la conformazione aperta a cui si lega la

novobiocina bloccandolo (5).

Fig.12: Struttura cristallografica di un frammento di 92Kda della topoisomerasi di lievito.

Sono evidenti, in tale immagine, i siti di resistenza ai chinoloni sulla porzione A’ (QRDR) e B’

e Lys ) sono equivalenti a quelli della girasi e

della topoisomerasi. Questi ultimi siti (Asp 451 477

sono colorati in grigio chiaro e in nero rispettivamente (7).

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DESCRIZIONE APPUNTO

Appunti di Chimica farmaceutica della professoressa Grasso sui chinoloni con analisi dei seguenti argomenti: struttura generale, fluorochinoloni (tre generazioni), generalità, modifiche strutturali della molecola, caratteristiche molecolari della dna girasi, interazione dna-chinoloni, complesso dna-girasi-chinolone.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in chimica e tecnologia farmaceutiche
SSD:
Università: Messina - Unime
A.A.: 2013-2014

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher valeria0186 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Chimica farmaceutica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Messina - Unime o del prof Grasso Silvana.

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