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Farmacologia generale - aminoglicosidi Appunti scolastici Premium

Appunti di Farmacologia generale del professor Tomaino sugli aminoglicosidi con analisi dei seguenti argomenti: antibiotici, struttura chimica, desossistreptamina, derivati, disostituiti, inibitori della sintesi proteica batterica, metalli mimetici, modelling, studi di relazione struttura attività, studi di... Vedi di più

Esame di Farmacologia generale docente Prof. A. Tomaino

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ESTRATTO DOCUMENTO

OH

R''H C O

2 R=R'OH; R''=NH 6-Glucosamina

2

R=R''OH; R'=NH 2-Glucosamina

2

R=R''OH; R'=NH 3-Glucosamina

HO R 2

R=NH ; R'=OH; R''= NH Neosamina B

'

R 2 2

figura 1

Tra gli aminoglicosidi di maggiore utilizzo clinico, vi sono quelli che

presentano come aminiciclitolo la 2-desossistreptamina, mentre la streptidina è

presente nella streptomicina e nella diidrostreptomicina e la fortimamina nella

fortimicina e derivati (Figura2 e 3). OH

OH

H N NH

2 H N NH

2 2 2

NH NH

HN NH HO OH

HO OH OH

OH STREPTAMINA

STREPTIDINA

H N NH

2 2

HO OH

OH

2 DEOSSI-STREPTAMINA

figura 2 2

A B

NH

2 CH 3

HCNH

HN C 2 O NH 2

NH NH

OH 2

HO O

OH OH

H N C NH

2 O HO

O

NH R OCH 3

N

H C

3 OH H C

3

O CO

CH NHR

2

HOH C O

2 NH

HO HO CH

3 R=

R= H

Fortimicina A

Streptomicina CHO

Diidrostreptomicina NH-CH=NH

CH2OH Dactimicina

C

CH OH

2

O

H N OH

2 HO NHCH

HO 3

O O

O H N

2

HO O

HO NH

2

H N

2

Apramicina

figura 3 3

Gli aminoglicosidi che presentano l’aminociclitolo 2-desossistreptamina,

possono essere ulteriormente divisi, in base al tipo di zucchero presente ed alla

posizione del suo legame con l’aminociclitolo, in due grandi gruppi:

• Derivati 4,6-disostituiti della desossistreptamina:

Aminoglicosidi che hanno una desossistreptamina sostituita su due atomi di

carbonio non adiacenti (posizioni 4 e 6): Kanamicina e Gentamicina, ecc.;

• Derivati 4,5-disostituiti della desossistreptamina:

Aminoglicosidi che hanno una desossistraptamina sostituita su due atomi di

carbonio adiacenti (posizioni 4 e 5) ed un ribosio come zucchero: Neomicina,

Paramomicina (figura 4).

DERIVATI DELLA DESOSSISTREPTAMINA 4,6-DISOSTITUITI

R 2'

9 R 2

R R

R H 1 3

7 O O R

6'

R 4 4'

8 2' O

R HN 6

H H N

4

10 3'' 2

OH HO NH

R 2

5

O 5'

O NH

2

R HN 1

6 3 (a)

6*

Aminoglicoside R R R R R R R R R R

1 2 3 4 5 7 8 9 10

Kanamicina A OH OH OH H NH H CH OH OH H H

2 2

Kanamicina B NH OH OH H NH H CH OH OH H H

2 2 2

Kanamicina C NH OH OH H OH H CH OH OH H H

2 2

Amikacina OH OH OH H NH COR’ CH OH OH H H

2 2

Tobramicina NH H OH H NH H CH OH OH H H

2 2 2

Dibekacina NH H H H NH H CH OH OH H H

2 2 2

Arbekacina NH H H H NH COR’ CH OH OH H H

2 2 2

Gentamicina C NH H H CH NHCH H H CH OH CH

1 2 3 3 3 3

Gentamicina C NH H H H NH H H CH OH CH

1a 2 2 3 3

Gentamicina C NH H H CH NH H H CH OH CH

2 2 3 2 3 3

Gentamicina C NH H H H NHCH H H CH OH CH

2b 2 3 3 3

Gentamicina B OH OH OH H NH H H CH OH CH

2 3 3

Isepamicina OH OH OH H NH COR H CH OH CH

2 3 3

Sisomicina - - - - - H H CH OH CH

3 3

Netilmicina - - - - - CR’’ H CH OH CH

3 3

R*= CHOHCH NH ; R’= CHOH(CH )NH ; R’’= CH CH (a) = zucchero principale per Sisomicina e Netilmicina

2 2 2 2 2 3 4

DERIVATI DELLA DESOSSISTREPTAMINA 4,5-DISOSTITUITI

HO 5''

OR

4 2' R 3 OH

O H N 6'

2 O R

2

HO 4

O 5 O

HO NH

2

R HN 1

1 3

Aminoglicoside R R R R R

1 2 3 4 5

Neomicina B H NH OH X H

2

Paramomicina I H OH OH X H

Lividomicina A H OH H X Mannosio

Ribostamicina H NH OH H -

2

Butirosina B Y NH OH H -

2 Y=

X= OH

NH

2

O NH

2

H N OR

2 5 O

OH

Gli aminoglicosidi sono inibitori della sintesi proteica batterica a livello della

subunità ribosomiale 30S. Il passaggio di queste molecole polari attraverso la

membrana dei batteri gram- è un processo autoindotto, che implica la distruzione dei

2+

ponti di Mg presenti tra le molecole di lipopolisaccaride adiacenti e che non può

avvenire tramite le porine data la loro dimensione elevata (da 1 a 1,8 nm). Il

successivo trasporto degli aminoglicosidi attraverso la membrana citoplasmatica è

dipendente dal trasporto elettronico e dall’energia termica della fase I (EDP-I). 5

È facile intuire che questa è la tappa limitante il trasporto degli aminoglicosidi,

bloccata o inibita da cationi bivalenti, dall’iperosmolarità, da bassi valori di pH e

dall’anaerobiosi.

Giunti nel citosol, gli aminoglicosidi si legano alla subunità ribosomiale 30S,

attraverso un meccanismo energia dipendente (energia di fase II EDP-II).

Il legame aminoglicoside-ribosoma causa tre effetti:

• Previene la formazione del complesso di inizio della sintesi proteica (legame

m-RNA-t-RNA e associazione della subunità 50S);

• Blocca l’elongazione della catena nascente interrompendo il processo di

controllo traduzionale (lettura errata o terminazione precoce);

• La nativa proteina aberrante può essere inserita nella membrana cellulare, di

cui altera la permeabilità ed al tempo stesso incrementa il trasporto e

l’accumulo dell’aminoglicoside.

L’esatto meccanismo d’azione dei vari complessi aminoglicoside-subunità 30S è

stato rivelato dagli studi di cristallografia.

Quattro basi: A 1408, A1492, A 1493, A 1494, presenti nel sito A, sono

responsabili dell’interazione del r-RNA con il t-RNA.

Durante la decodificazione, il sito A cambia dalla conformazione “off” (A

1492 e A 1493 sono ripiegati nel solco del sito A) alla conformazione “on” (A 1492 e

A 1493 protrudono dal sito A).

Questo cambiamento conformazionale è necessario affinché avvenga

un’interazione specifica e direzionata tra A 1492 e A 1493 con due delle tre coppie di

basi formate dall’interazione codone-anticodone complementari e provoca la

transizione del ribosoma dallo stato aperto a quello chiuso e la sua stabilizzazione per

via del legame che si stabilisce tra t-RNA e ribosoma. Gli aminoglicosidi bloccano il

sito A nella conformazione aperta e utilizzano una parte dell’energia necessaria per la

chiusura ribosomiale t-RNA dipendente (figura 5). 6

figura 5

Di conseguenza il ribosoma perde la capacità di discriminare il t-RNA e il m-RNA

complementari da quelli non complementari.

Vicens et al. hanno studiato la struttura cristallina di una molecola di RNA a

doppia elica contenente due siti A, in un complesso di Paramomicina, Tobramicina e

Geneticina:

l’anello I (zucchero) ripiegato appare inserito nel sito A, bloccato da un residuo

di guanina appartenente all’A 1408 (sito Watson-Crick), con il quale forma due

legami idrogeno (figura 6). figura 6

È stato osservato che questa particolare interazione aiuta a mantenere i residui

A 1492 e A 1493 sul versante esterno e ciò induce all’erronea lettura della sequenza. 7

L’anello della 2-desossistreptamina (anello II) forma gli stessi legami H nei tre

aminoglicosidi, resi possibili dalla flessibilità della coppia aminoacidica U 1406: U

1495. Gli altri anelli legano in modo blando diversi nucleotidi del sito A in base al

tipo di sostituente presente, ma non risultano essenziali per l’attività.

Ulteriori informazioni sono state ottenute dallo studio dell’interazione tra

quattro aminoglicosidi (Neomicina, Paramomicina, Gentamicina e Kanamicina) e il r-

RNA di E. coli (figura 7).

figura 7: Complesso t-Rna –Paramomicina I; in bianco sito A, in giallo l’aminoacil t-RNA,in

viola il loop, P ed E (siti del ribosoma).La freccia bianca mostra il legame Paramomicina-tRNA.

L’interazione della Paramomicina si attua tramite il legame con 27 nucleotidi

del RNA stampo, che è omologo al sito A del r-RNA di E. coli.

L’RNA stampo è stato ottenuto considerando che le coppie di basi essenziali

perché la Paramomicina stabilisca un legame ad alta affinità sono: C 1407•C 1494, A

1408, A 1493 e U 1495 (figura 8). Per un’interazione ottimale, è essenziale anche la

tasca formata, nel loop interno, dalla base A 1492 e dalla coppia C 1409•G 1491. 8

figura 8

Dopo il legame della Paramomicina all’RNA, la struttura formata da A 1408,

A 1492 e A 1493 si stabilizza poiché le basi A 1408 e A 1493 formano una coppia

non canonica. Il nucleotide A 1492, che non dovrebbe avere interazione con coppie di

basi, crea un ripiegamento nella struttura dell’RNA e gli effetti combinati di A 1492 e

della coppia A 1408 A 1493 creano un rigonfiamento nel sito A proprio dove è

legata la Paramomicina, ciò determina un ‘estensione dell’angolo di ripiegamento

(figura 9).

figura 9: Rappresentazione schematica Paramomicina I-tRNA. In blu il potenziale elettronegativo, in rosso quello elettropositivo; la

freccia bianca mostra il ripiegamento generato da A 1492,che non dovrebbe legare alcuna base. La freccia gialla mostra la tasca generata dalla coppia

A 1408•A1493 e da A 1492. La freccia rossa mostra l’amino gruppo in 3 dell’anello II, sito di acetilazione enzimatica. 9

I gruppi funzionali essenziali sono l’ossidrile e l’aminogruppo. L’anello I lega

• •

le coppie U 1406 U 1495 e C 1407 G 1494, essenziali quindi per un’iterazione

efficace. •

La tasca creata da A 1492 e dalla coppia A 1408 A 1493 si lega all’anello II

della Paramomicina, questo legame fa shiftare G 1491 al di sopra della sua naturale

posizione.

Gli anelli III e IV rafforzano le interazioni principali, legando il solco maggiore

.

dell’r-RNA tramite i propri gruppi –OH ed –NH

2

La coppia C 1409 G 1491 accomoda il legame dell’aminoglicoside nella

tasca, perciò la presenza di una base errata in questa posizione impedisce la

formazione del legame.

Questo tipo di interazione è comune a tutti gli aminoglicosidi che hanno

analogie strutturali con la Paramomicina.

Dagli studi di cristallografia appare evidente che diversi aminoglicosidi

interagiscono con lo stesso sito in diverse conformazioni.

La conformazione assunta deve soddisfare le costrizioni steriche ed

elettrostatiche del sito di legame.

In effetti l’entità della forza di legame degli aminoglicosidi carichi

positivamente alle molecole di RNA cariche negativamente, è dominata dalle

interazioni elettrostatiche e dallo piazzamento dei cationi dall’RNA.

È stato dimostrato che alcuni gruppi amminici caricati positivamente spiazzano

lo ione magnesio. 2+ (che mimano

Diversi lavori suggeriscono che il cleavage indotto da ioni Pb

2+

Mg ) nel sito A dell’r-RNA è inibito dagli aminoglicosidi (Neomicina).

Nella figura 10 è rappresentata l’interazione tra t-RNA di lievito e Neomicina

2+

B. In particolare in a) è evidenziato il sito di cleavage indotto da Pb ; in b) (ball and

stick) sono evidenziati i possibili legami H che intercorrono tra t-RNA e l’-NH della

3

Neomicina (OP1 e A23, O6 e G45) e la posizione della Neomicina rispetto agli ioni

bivalenti. 10

figura 10

Per quanto detto gli aminoglicosidi possono essere considerati “ metal

mimics”, dato che competono con gli ioni bivalenti nel legame all’RNA.

Perché fungano da metalli mimetici si devono realizzare delle condizioni

strutturali favorevoli nel sito di legame aminoglicoside/ ione bivalente, quali

l’accessibilità e l’esposizione dei gruppi chimici in grado di interagire con le amine

protonate degli aminoglicosidi.

Gli studi di modelling e di cristallografia hanno inoltre dimostrato che in tutte

) è totalmente deidratato e forma tre legami H

le strutture un gruppo ammonico (N

3

con l’RNA. è 5.7 in soluzione, il più basso valore di tutti i

Il valore di pKa del gruppo N

3

gruppi ammonici presenti nella struttura. Il legame dell’aminoglicoside all’RNA

aumenta il pKa da 6.1 a 6.4, valore che favorisce la disidratazione del gruppo

amminico. 11

In tutto questo sistema non vanno trascurate le molecole di solvente, che

giocano un ruolo fondamentale nel riconoscimento molecolare e nel legame degli

aminoglicosidi al sito A.

Come mostra la figura 11,il legame H intra-molecolare tra il gruppo ammonico

dell’anello I e l’O 4’’ dell’anello III della Paramomicina è rimpiazzato, nella

N

2

Tobramicina e nella Geneticina da un ponte H tra acqua, ammonio N dell’anello I e

2

O 5 dell’anello II, il che suggerisce che le molecole di acqua aiutano a mantenere il

corretto orientamento degli anelli I e II.

L’utilizzo dell’acqua d’idratazione dell’RNA riduce il grado di deidratazione

che ogni sostituente subisce al fine interagire in modo forte e specifico col proprio

target. figura 11

Inoltre, le differenti strutture chimiche dei vari aminoglicosidi sono

compensate dai ponti H che le molecole di acqua stabiliscono tra aminoglicoside e

RNA (figura 11). figura 12: (in giallo: complesso t-RNA di lievito-Neomicina; in

fucsia: complesso sito A E. coli-Paramomicina; in turchese: complesso

RNA-Neomicina B; in verde: complesso esoni- Neomicina B; in viola:

complesso RNA- Neomicina B). 12


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26

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AUTORE

Moses

PUBBLICATO

+1 anno fa


DESCRIZIONE APPUNTO

Appunti di Farmacologia generale del professor Tomaino sugli aminoglicosidi con analisi dei seguenti argomenti: antibiotici, struttura chimica, desossistreptamina, derivati, disostituiti, inibitori della sintesi proteica batterica, metalli mimetici, modelling, studi di relazione struttura attività, studi di Drug Targeting.


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 Moses di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Farmacologia generale 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 Tomaino Antonio.

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