Penicilinski antibiotikiPenicilinski antibiotikiPenicilinski antibiotikiPenicilinski antibiotikiInhibitorji Inhibitorji --laktamazlaktamazjj

Izr. prof. drIzr. prof. dr. Marko Anderluh. Marko Anderluh

33 januarjanuar 201320133. 3. januar januar 20132013

Selektivna toksičnostČ ŠCelične

komponentePROKARIONTI ČLOVEŠKE

CELICEJedro Ni membrane,

cirkularni kromosom,Membrana,kromosomi, stabiliziranicirkularni kromosom,

ni proteinovkromosomi, stabilizirani z bazičnimi proteini (spermini)

Ekstra-kromosomska

Plasmidi V organelih (mitohondriji)

DNA( j )

Organeli v citoplazmi

/ Mitohondriji, kloroplasti ER, ...

Citoplazemska Sinteza & SelektivnaCitoplazemska membrana

Sinteza & Dihanje

Selektivna absorpcija/sekrecija

Celična stena Obstaja /

Biosinteza Sinteza esencialnih vitaminov

/

Steroli /, izjema: Mycoplasma

Prisotni

Ribosomi 70S (50S/30S) 80S (60S/40S)

G+ bakterijeG+ bakterije

Do 100 plasti peptidoglikana

G bakterijeG- bakterije

Enojna ali dvojna plast peptidoglikana

Peptidoglikan = mureinPeptidoglikan = mureinMed seboj povezani

aminosladkorji:• N-acetilmuraminska

kislina (NAMA)• N-acetilglukozamin (NAG)Na NAMA pripet tetrapeptid:Na NAMA pripet tetrapeptid:

L-Ala-D-Glu-DAPA(L-Lys)-D-Ala

Tetrapeptidi prečnoTetrapeptidi prečno premreženi s pentaglicinom.

Peptidoglikan je ena samaPeptidoglikan je ena sama velikanska molekula.

Z db b k ij k liZgradba bakterijske celice –celična stenacelična stena

• Semi-permeabilna barierabariera

• Trdnost bakterije –osmotski tlakosmotski tlak (hipotonično okolje)

• Oblika bakterije• Oblika bakterije• Preprečuje razgradnjo

celice z encimi gostiteljacelice z encimi gostitelja

Sinteza peptidoglikana – tarča

• Evkariontske celice nimajo (enake) celične t tid lik i i d jistene oz. peptidoglikana: pri izgradnji

sodelujejo encimi, ki jih ne srečamo pri k i tihevkariontih

• Učinkovine, ki zavirajo sintezo peptidoglikana: odlična selektivna toksičnost

http://www youtube com/watch?v=qBdYnRhdWcQhttp://www.youtube.com/watch?v=qBdYnRhdWcQhttp://www.wellesley.edu/Chemistry/chem227/sugars/polysa

c htmc.htm

Transpeptidaza - tarča

SAHARIDNOOGRODJE

NAM

L-Ala

NAG NAG

L-Ala

NAM

D-Glu

L-Lys

D Ala

Gly Gly Gly Gly Gly Gly GlyGlyGlyGlyL-Lys

D Ala

D-Glu

D-Ala

D-Ala

D-Ala

D-Ala

D-AlaninTRANSPEPTIDAZA

PENICILIN

SAHARIDNOOGRODJE

NAM

L Al

NAGNAG

L Ala

NAM

L-Lys Gly Gly

L-Ala

D-Glu

L-Lys Gly Gly Gly Gly GlyGlyGlyGly

D-Glu

L-Ala

D-AlaD-AlaPremreženjePremreženje

Transpeptidaza tarčaTranspeptidaza - tarča

S di d PBP t i i ki ž j i ili• Sodi med PBP – proteini, ki vežejo peniciline

PBP (E. Coli) Funkcija Baktericidnost?( ) j1A Podaljševanje PG Da1B Podaljševanje PG Da2 Vzdrževanje oblike Da3 Tvorba septumov Ne4 Prečna povezava Ne4 Prečna povezava Ne5 Prečna povezava Ne6 Prečna povezava Ne

• http://www youtube com/watch?v=4uliYqX4j6

6 Prečna povezava Ne

http://www.youtube.com/watch?v 4uliYqX4j6M

PeniciliniPenicilini

• Penicillium chrysogenum (notatum)

Penicilini strukturaPenicilini - struktura

R =R =

CH2HN

H HC

O

AcAciillnana stranska stranska

66--AminopenicilAminopenicilanskaanskakislinakislina

(6(6--APA)APA)

BenzBenziil penicilin (Pen G)l penicilin (Pen G)

R =R = N

S Me

Me

N

O

C

R

verigaveriga(( ))

--LaLakktamtamskiskiobročobroč

TiazolidinTiazolidinskiskiobročobroč

FenoksimetilFenoksimetil penicilin (Pen V)penicilin (Pen V)

O CH2 CO2HO

StransStranskka veriga odvisna od kisline v fermentacijski brozgia veriga odvisna od kisline v fermentacijski brozgi

obročobroč

Penicilin GCH2 CO2H

Penicilin V(prvi Per os uporabni penicilin)

OCH2 CO2H

Penicilini inhibicija transpeptidazePenicilini – inhibicija transpeptidaze

• Inhibicija transpeptidaze-laktamski antibiotiki kovalentna vezava v aktivno mesto

i i ibil i hibi ij t tidin ireverzibilna inhibicija transpeptidaze

N lN l i h ii h iNormalNormalni mehanizemni mehanizem

peptidnaveriga

peptidnaveriga

peptidnaveriga peptidna

veriga

peptidnaveriga

veriga

D-Ala Gly

OH H

D-Ala D-Ala CO2H

O

D-AlaGly

OH

Penicilini inhibicija transpeptidazePenicilini – inhibicija transpeptidaze

MehaniMehanizemzem inhibicije s peniciliniinhibicije s penicilini

Blokirano H2OBlokirano

peptidnaveriga

HCR

O

NH

Me

Me

N

S

S MeNHC

O

R H S MeNHC

O

R H

H2O

Gly

OH

H

Blocked Irreversibly blocked

CO2HO Me

HN

O

OMe

CO2H

HN

O

OMe

CO2H

PeniciliniPenicilini

• Mimetiki acil D-Ala-D-AlaHHH

NC

R

MeHNC

RHHN

Me

Me

N

SC

O

MeN

HN

HH

C

O

PenicilinPenicilin AcAciill--DD--AlaAla--DD--AlaAlaCO2H

O Me

CO2HO CH3

PenicilinPenicilin AcAciill--DD--AlaAla--DD--AlaAla

PeniciliniPenicilini

• Mimetiki acil D-Ala-D-Ala

Od kod reaktivnost penicilinov?Od kod reaktivnost penicilinov?

• Napetost obročaS

H2N

N

S83°

89°

88°

93°

105°

115°

92°

101°

106°N

OCOOH

106

Penicilin G labilnost v kislemPenicilin G – labilnost v kislem• Hidroliza v kislem; mehanizem s pomočjo p j

sosednjega amida

Penicilin G labilnost v kislemPenicilin G – labilnost v kislem

Strategija novih analogov• SAR – možne menjave samo R• Dodajanje elektron-privlačnih skupin zmanjša

nukleofilnost karbonilnega kisika

E.W.G.HN S

H

C

OO

S

N

ZmanjšanjeZmanjšanjeZmanjšanjeZmanjšanjenukleofilnostinukleofilnosti

P l i t i i ili iPolsintezni peniciliniH

CHN

S

O

Penicilin G

CO HO Me

Me

N

SCH2

PenicilinPenicilin acaciilalazazaali kemijska hidrolizaali kemijska hidroliza

HH

CO2H

FermentacijaHH

H2N

Me

MeS

N

OC

6-APA

OCO2H

Me

CClR

P l i t i i ili iP l i t i i ili iS Me

HN

H HC

O

R Polsintezni peniciliniPolsintezni peniciliniN Me

CO2HO

R

Penicilini uporabni per osPenicilini uporabni per os

• PrimeriX

SHN

CCH2PhO

H

CHC

HN S

X

R

H

NO

O

PenicilinPenicilin VV

Elektron-privlačenkisik X NH Cl PhOCONH

OO

N

PenicilinPenicilin VVkisik

•• PolsintezniPolsintezni penicilinipenicilini•• BoljšaBoljša stabilnoststabilnost vv kislemkislem

X = NH2, Cl, PhOCONH,Heterocikli, CO 2H

o s teo s te pe cpe cjj•• ObčObčuutljivtljiv nana --lalakktamatamazeze•• MaMannjj močanmočan učinekučinek kotkot ppenicilinenicilin GG

AcidorezistentnostR

SNH

HH

OR

N

SR τ0,5 = 3,5 minute

Benzilpenicilin

COOHO

p

τ0,5 = 160 minutFenoksimetilpenicilin

CH

NH2

τ = 600 minut

p

minτ0,5 = 600 minut

Ampicilin

Širokospektralni peniciliniŠirokospektralni peniciliniRR hidrofobna skupina povzroči močan učinek zoperhidrofobna skupina povzroči močan učinek zoper•• R= R= hidrofobna skupina povzroči močan učinek zoper hidrofobna skupina povzroči močan učinek zoper G+, obratno velja za GG+, obratno velja za G-- bakterijebakterije

•• Dodatno povečanje hidrofobnosti nima velikega vpliva Dodatno povečanje hidrofobnosti nima velikega vpliva p j g pp j g pna G+, zmanjša učinek na Gna G+, zmanjša učinek na G--

•• Povečanje hidrofilnosti Povečanje hidrofilnosti –– manj vpliva na G+, bistveno manj vpliva na G+, bistveno močnejši učinek zoper Gmočnejši učinek zoper G--močnejši učinek zoper Gmočnejši učinek zoper G

•• Hidrofilne skupine na Hidrofilne skupine na --položajupoložaju ((--NHNH22, , --OH, OH, --COCOOOH) H) povečajo učinkovitost zoper Gpovečajo učinkovitost zoper G--

Širokospektralni peniciliniŠirokospektralni penicilini

AminopeniciliniH NH2NHH

H

C

H

HNC

NH2

HO

O

C

NH2

CHN

H

H

O

AmpicilinAmpicilin A k i ili

O

O

O

O

AmpicilinAmpicilin Amoksicilin• Povečana polarnost zaradi –NH2• Učinkoviti zoper G+ in G- bakterije, ki ne proizvajajo -laktamazUčinkoviti zoper G in G bakterije, ki ne proizvajajo laktamaz• Neučinkoviti zoper seve Pseudomonas• Acidorezistentni – peroralno uporabni• Slaba absorpcija (ampicilin)• Slaba absorpcija (ampicilin)

Fiz kem lastnosti penicilinovFiz-kem. lastnosti penicilinov

• Ampicilin: pKa1= 2,55, pKa2= 7,14• Amoksicilin: pKa1= 2 60 pKa2= 7 31 pKa3=Amoksicilin: pKa1 2,60, pKa2 7,31, pKa3

9,53

Širokospektralni peniciliniŠirokospektralni penicilini

• Predzdravila ampicilina

C

NH2H

C

O

HNC

C

S Me

H H

O

PIVAMPICILINR = CH2O CMe3

C

O

ON Me

CO2R BAKAMPICILIN

R = CH

Me

OC

O CH2Me

Širokospektralni peniciliniŠirokospektralni penicilini

KarboksipeniciliniCO2R

R = H KARBENICILINR = Ph KARFECILINH H

HNC

CH

S MeO

ON Me

CO2H

• Povečana polarnost zaradi –COOH• Učinkoviti zoper G+ in G- bakterije, bolj širokospektralni od

ampicilina• Učinkoviti zoper seve Pseudomonas• Odporni na številne -laktamaze• AcidolabilniAcidolabilni

Širokospektralni peniciliniŠirokospektralni penicilini

• UreidopeniciliniOO

Azlocilin

Mezlocilin S M

HHHN

NH

O

R2N

HN N

N N

OMeO2S

Mezlocilin

PiperacilinN

Me

MeO

CO2H

O

N

N N

OO

Et

• Acidolabilni

• Spekter delovanja razširjen zoper G

CO2HOO

• Spekter delovanja razširjen zoper G-

Primarni SAR penicilinovPrimarni SAR penicilinovAmid nujen Cis stereokemija nujna

SHNC H H

O

j Cis stereokemija nujna

N

S Me

Me

C

R

N Me

CO2H

O

Laktam ključenKarboksilna kislina nujna

Zaključki• Aktivnost pripisana napetosti laktamskega obroča

Biciklični sistem nujen

• Aktivnost pripisana napetosti -laktamskega obroča• Biciklični sistem poveča napetost• Modifikacije: variacija stranske verige (R)od ac je a ac ja s a s e e ge ( )

SAR i i ili ih 1SAR pri penicilinih - 1

-NH2, -NHCOR1, -COOH, itd.

-O-, vmesni obroč

NH2, NHCOR , COOH, itd.

H

R -OCH3 v α legiobroč

S

HN

ON

O

OHBioizosterna zamenjava obroča

OOH

SOLI

Fenil → tiofenSubstitucije na obroču:4-hidroksi skupina

ESTERIFIKACIJEp

Antibiotičnaaktivnost

SAR i i ili ih 2SAR pri penicilinih - 2Acidorezistetnost, spekter delovanja

Sterično oviranje

HN

R hidrolize beta laktama

N

SN

ON

O

OHPolarnost,

PatentibilnostO

LipofilnostHidrofilnost

Patentibilnost

HidrofilnostTopnostKemična

reaktivnost

Rezistenca na penicilineG b k ijG+ bakterije• Debela celična stena

Ni j b• Ni zunanje membrane• Neodporne na -laktame

Debela porozna celična stena

Citosol

Membrana

Rezistenca na penicilineG b k ijG- bakterije• Tanka celična stena

Hid f b j b• Hidrofobna zunanja membrana• Bolj rezistentne na -laktame

Zunanja Hidrofobna bariera

L-Laktamaze!

Zunanjamembrana Porin

LL

Tanka celična stenaPeriplazmatskiprostor

L

L

CitosolCeličnamembrana

Rezistenca na penicilineRezistenca na peniciline

G-• porini – prehajanje majhnih polarnih molekul

k l kt i l k t i j i k• konc. -laktamaz v periplazemskem prostoru izjemno visoka• efluks črpalke črpajo peniciline iz periplazemskega prostora

G+ in G-• visoke konc. transpeptidaze• transpeptidaze imajo lahko nizko afiniteto do penicilinov (PBP• transpeptidaze imajo lahko nizko afiniteto do penicilinov (PBP

2a za S. aureus)• mutacije• transfer genov za -laktamaze med bakterijami/vrstami• transfer genov za -laktamaze med bakterijami/vrstami

-laktamazeE i i hid li i j l kt ki b č• Encimi, hidrolizirajo -laktamski obroč

•• Infekcije sInfekcije s Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus•• 80%80% StaphStaph Infekcij rezistentnih na peniciline do 1960Infekcij rezistentnih na peniciline do 1960•• 80% 80% StaphStaph. . Infekcij rezistentnih na peniciline do 1960 Infekcij rezistentnih na peniciline do 1960 •• Mehanizem delovanja Mehanizem delovanja --laktamaz je podoben laktamaz je podoben

transpeptidazi, na koncu hidrolizitranspeptidazi, na koncu hidrolizirra acilna skupinaa acilna skupinatranspeptidazi, na koncu hidrolizitranspeptidazi, na koncu hidrolizirra acilna skupinaa acilna skupina

S Me

HNC H

O

CHN

MeSH

O

-LaktamazaN Me

CO2HO

R

CO2H

MeHNHO2C

R

CO2H CO2H

Rešitev cepitve z laktamazami?Rešitev cepitve z -laktamazami?

Primer meticilinortoorto skupineskupinepomembne!pomembne! S

HNMeO

H HC

OPrimer - meticilin

pomembne!pomembne!

N

S Me

MeO

MeO

OMe

• Metoksi skupini - sterična ovira za laktamaze, ne za

CO2HO

p ,transpeptidazo

• zoper seve rezistentne na penicilin G (Staphylococcus)• Acidolabilen - IV aplikacijap j• Ožji spekter delovanja: neučinkovit zoper G-• Per os učinkoviti: oksacilin, kloksacilin, dikloksacilin

Tudi meticilin kdaj odpove – MRSA!!!

MeticilinMeticilin

Rešitev cepitve z laktamazami?Rešitev cepitve z -laktamazami?

Primer – oksacilin & Co.

kk iliili R R' HR R' HO

R'

oksoksacilinacilin R = R' = HR = R' = Hkkloloksksacilinacilin R = R = ClCl, R' = , R' = HHdikloksacilin dikloksacilin R R = R' = = R' = ClCl

N

CHN

MeS

NR

H H

fflulukkloloksksacilinacilin R = R = ClCl, R' = F, R' = FNO O

CO2H

MeNMe

Steričnoe- privlačno

• Učinkovit zoper seve rezistentne na penicilin G (Staphylococcus)

• Niso acidolabilni - učinkoviti per os• Ožji spekter delovanja: neučinkoviti zoper G-• R R’ skupini odgovorni za vezavo na plazemske• R, R skupini odgovorni za vezavo na plazemske

proteine in t1/2

Inhibitorji laktamazInhibitorji laktamaz

• Klavulanska kislina (Beechams 1976) izStreptomyces clavuligerus

Žveplo zamenjano s kisikom

94

O OH

HNi stranskeverige

Žveplo zamenjano s kisikom

2

53

4

176

HCO H

N

O H

•• Šibko protibakterijsko delovanjeŠibko protibakterijsko delovanje

CO2HH

-Laktam

Oksazolidinski obroč•• Šibko protibakterijsko delovanjeŠibko protibakterijsko delovanje•• Močan ireverzibilni inhibitor Močan ireverzibilni inhibitor --lalakktamatamazz ––

“samomorilski substrat”“samomorilski substrat”• Souporaba z amoksicilinom

Klavulanska kislina mehanizemKlavulanska kislina - mehanizem21

N H 2NH 2

CH2OHO

CH2OHO

HN

O

O

CO2H

BaseH

OH

H

CH2OH

CO2H

ON

5

NH

4

CH2OHO

H2N

NH

3

NH NH

CHHC

O

H

CO2H

O

NH

CH2OH

O

O

HN

NH

O

Irreversibly blocked

OCO2HOH

Inhibitorji laktamazInhibitorji laktamaz

• Sulbaktam S

OO

• Širok spekter, šibkejše delovanje od klavulanske kisline

N

OCOOH

• + ampicilin

• Tazobaktam• Širok spekter, ekvipotentno delovanje S

OO

NŠirok spekter, ekvipotentno delovanje klavulanski kislini

• + piperacilinN

OCOOH

NN

N

p p

Literatura predavanjLiteratura predavanjG L P t i k A i t d ti t di i lG. L. Patrick: An introduction to medicinal

chemistry, Oxford University press, 4. izdaja:• 19. poglavjeFoye’s Principles of Medicinal Chemistry, 6 izdaja: • 39. poglavje