Carbamates with Differential Mechanism of Inhibition
Toward Acetylcholinesterase and
Butyrylcholinesterase
Presentado por:
Karla Aguilar Hernández
Karina Salazar Valerio
Acetilcolina
En términos neuroquímicos, todas las fibras preganglionares
simpáticas y parasimpáticas poseen como neurotransmisor específico
o primario la acetilcolina, que ejecuta la transmisión por interacción
con receptores colinérgicos nicotínicos.
La zona de actividad de la acetilcolina en las neuronas es en la
unión neuromuscular, terminaciones autónomas, ganglios autónomos,
glándulas sudoríparas, encéfalo, retina, aparato gastrointestinal.
Eliminación
Tipos de Colinesterasas
En los vertebrados se encuentran presentes dos tipos de
colinesterasas: la acetilcolinesterasa y la butirilcolinesterasa.
Estructural y funcionalmente, las colinesterasas pertenecen al grupo
de las serinhidrolasas.
Inhibidores de la colinesterasa
Prolongan la vida de la acetilcolina.
Incrementan su concentración en los receptores correspondientes
Producen efectos farmacológicos similares a los observados cuando
se administra acetilcolina o sus agonistas
Aplicación Clínica de los Inhibidores de
colinesterasas
Donepezil y Galantamina
Organofosfatos
Carbamatos, han ganado mucha atención, ya que se han utilizado
con éxito en el tratamiento de una serie de enfermedades que
implican disfunción colinérgica.
–
–
–
–
Fisostigmina
Piridostigmina se utiliza en miastenia gravis.
Rivastigmina y Fenserina: mejora la cognición en las
demencias.
Etopropazina: mejora la función cognitiva.
Sitio Activo de Acetilcolinesterasa y
Butirilcolinesterasa
Acetilcolinesterasa
Butirilcolinesterasa
Carbamatos
Son generalmente conocidos por inhibir la acetilcolinesterasa y
butirilcolinesterasa por un mecanismo común que involucra la
formación de enlace covalente en el sitio activo serina.
Los carbamatos fenotiazínicos muestra inhibición:
- reversible de butirilcolinesterasa
- pseudoirreversible de la acetilcolinesterasa.
Se ha sugerido que los
derivados de la fenotiazina
inhiben la butirilcolinesterasa
por su unión a F329 y Y332.
Objetivo
Explorar la relación actividad-estructura de la inhibición de las
colinesterasas por los derivados de carbamatos fenotiazínicos.
Hipótesis
Los carbamatos fenotiazínicos exhiben una inhibición reversible de
la butirilcolinesterasa debida a la interacción entre F329 y Y332 de
butirilcolinesterasa con los anillos de benceno de la fenotiazina
tricíclica.
Identificación del problema
Los Carbamatos fenotiazínicos muestran distintos mecanismos de
inhibición de la acetilcolinesterasa y butirilcolinesterasa.
Estrategias para la resolución del problema
1. Síntesis de derivados de carbamatos fenotiazínicos y evaluación
por sus propiedades inhibitorias de las colinesterasas humanas.
2. Una serie de Butirilcolinesterasa mutantes se examinó que tenían
alteraciones en E-hélice
Figura 2. Esquema para la síntesis de derivados N-(10)- fenotiazina
sustituida.
Estudios de cinética de enzimas
Todos los ensayos se llevaron a cabo utilizando el Método de Ellman
modificado.
Para
cada
carbamato
fenotiazínico
se puso a prueba su capacidad en función del tiempo para llevar a
cabo la desactivación de butirilcolinesterasa y la acetilcolinesterasa.
Resultados Obtenidos
Ninguno de los derivados mostró inhibición pseudoirreversible de
Butirilcolinesterasa salvaje obtenida de plasma humano purificado.
Por el contrario, todos los carbamatos fenotiazínicos aquí descritos
muestran
una
desactivación
tiempo
dependiente
de
acetilcolinesterasa humana recombinante purificada.
Estudios Moleculares Computacionales
Métodos computacionales se utilizaron para examinar las
características moleculares que podrían influir en la inhibición de
colinesterasas por carbamatos fenotiazínicos.
1.
2.
3.
Parámetros
Volumen molecular total
Ángulo de mariposa
Valor log P
Resultados Obtenidos
Ángulo de mariposa
Para todos los compuestos, esta fue siempre 146 ± 0,1º.
La conformación mariposa de la fenotiazina tricíclica provee una
forma adecuada π-π de apilamiento de los anillos de benceno de
esta fracción con el F329 y Y332 dentro del sitio activo de la
Butirilcolinesterasa como se sugiere anteriormente.
Valor log P
Se calculó para cada uno de los derivados, con el fin de predecir la
capacidad de cruzar la barrera hematoencefálica
Todos los derivados de la fenotiazina examinados aquí tuvieron
valores calculados de log P de 3 a menos de 7.
Estos valores son comparables a los calculados anteriormente para
drogas que se utilizan para el tratamiento de Alzheimer actualmente.
Relación Estructura Actividad
Comúnmente los carbamatos conocidos desactivan la colinesterasa
formando un enlace covalente tiempo dependiente.
Todos los carbamatos fenotiazínicos mostraron la carbamilación
pseudoirreversible esperada de la acetilcolinesterasa,
En marcado contraste, la inhibición de butirilcolinesterasa resultó
ser del tipo reversible, lo que indica la ausencia de formación de
enlace covalente con esta enzima
La inhibición de la acetilcolinesterasa por
Carbamatos fenotiazínicos
Valor de ka
ka constante de segundo orden para la pérdida de la actividad
enzimática.
La mayoría de los carbamatos alquil fenotiazínicos, exhiben valores
de ka relativamente pequeños, que van de 135 a 492 M-1 min-1 e
indicando baja potencia como inhibidores de la acetilcolinesterasa.
La única excepción fue el derivado isopropílico, que tiene un valor de
ka 1800 M-1 min1, comparable a la de rivastigmina 1130 M-1 min-1.
Carbamatos Alquilfenotiazínicos
La rivastigmina genera un anión fenóxido estabilizado por
resonancia como un grupo saliente en el paso de la carbamilación
de la enzima.
Por el contrario, los alquil carbamatos deben producir un ion alcóxido
muy básico en el mismo paso, que los hace ser inhibidores menos
potentes.
Para el compuesto 4 , esto hace que su relativamente alta potencia
inhibitoria sea difícil de explicar a menos que la naturaleza compacta
del sustituyente isopropílico facilite la interacción de los carbamatos
con el sitio rico en grupos arílicos de la acetilcolinesterasa.
Volumen molecular
El volumen molecular de los derivados alquil fenotiazínicos era
comparable a la estimación del volumen del sitio activo de
acetilcolinesterasa 302 Å por lo tanto el tamaño por sí solo no haría
estos carbamatos pobres inhibidores de la acetilcolinesterasa.
Carbamatos Alquilamínicos
Débiles inhibidores de la acetilcolinesterasa.
La inestabilidad del grupo saliente alcóxido proveniente de la
carbamilación de estos derivados puede ser una vez más
un factor dominante en la baja potencia inhibitoria.
Carbamatos Alquilamínicos
Carbamatos arílicos
La mayoría de aril carbamatos fenotiazínicos fueron
significativamente mejores en inactivar la acetilcolinesterasa que
rivastigimine.
Para determinar si los efectos sobre la estabilidad electrónica del
fenóxido, podría estar contribuyendo a una mayor potencia de la
carbamatos fenotiazínicos, varios fenil carbamatos sustituidos fueron
examinados
De todos los carbamatos fenotiazínicos sintetizados, el mejor
inhibidor de acetilcolinesterasa fue 3- (N, N-dimetilamino) fenil (24)
(ka=19,2 × 106 M-1 min-1).
La potencia de este derivado no se explica fácilmente en términos
electrónicos o estéricos.
Es posible que, para este compuesto, el grupo nitrógeno o el anillo
fenilo puedan mejorar la unión del compuesto a acetilcolinesterasa.
La alta potencia inhibidora para la acetilcolinesterasa vista para
derivados, tales como 24, 27, y 28, a pesar del gran volumen
molecular total de estos compuestos, en comparación al volumen de
acetilcolinesterasa 302 Å.
Esto implica que sólo la porción de la molécula que contiene la
fracción carbamato necesita ser mostrada a S203 para que se
produzca la formación del enlace covalente.
Inhibición de butirilcolinesterasa por
carbamatos fenotiazinicos
Todos los derivados de carbamatos fenotiazínicos inhiben la BuChE
de forma reversible.
Excepto
Log P 6.81
Log P 6.90
En todos los casos la inhibición fue reversible debido a la interacción
π-π entre la fenotiazina y los residuos aromáticos F329 y Y332
en el sitio activo de la
butirilcolinesterasa.
Carbamatos alquilfenotiazínicos
Inhibidores pobres
Grupos alquilo laterales son
pequeños y tienen una habilidad
limitada para bloquear el acceso de
los sustratos a la triada catalítica
O
O
N
S
Carbamatos aminoalquilfenotiazínicos
Buenos inhibidores
Interacción adicional del nitrógeno protonado de los grupos laterales
con el W82 en el sitio π-catiónico
de la enzima
Carbamatos fenotiazínicos arílicos
Buenos inhibidores
Sustitución en los grupos arílicos aromáticos no genera un cambio
significativo en la extensión de la inhibición.
Naturaleza planar de los grupos arilícos en estos derivados puede
constituir un factor importante en el bloqueo del acceso del sustrato
a la triada catalítica.
Y337 vrs A328
Y337 en acetilcolinesterasa tiene una prominente cadena de 4hidroxifenil que interfiere con la unión de la fenotiazina y esta enzima
A328 en la butirilcolinesterasa es pequeño y no interfiere con la
interacción π-π de los anillos aromáticos de la enzima y el inhibidor.
Butirilcolinesterasa mutadas
Alteración de los residuos A328,F329 y Y332 en el sitio activo de la
butirilcolinesterasa altera el tipo de inhibición producida por los
carbamatos fenotiazínicos.
Butirilcolinesterasa humana
Butirilcolinesterasas mutadas
inhibición reversible típica
inhibición pseudoirreversible.
Reemplazando A328 en butirilcolinesterasa con un residuo
aminoácido aromático hace que esta se asemeje a la
acetilcolinesterasa (impedida con la Y337).
Exponiendo el S198 a la carbamilación.
Conclusiones
Derivados de los carbamatos fenotiazínicos inhiben reversiblemente a la
butirilcolinesteresa, por una unión π-π entre la fenotiazina y los residuos F329 y
Y332.
Derivados de los carbamatos fenotiazínicos inhiben en forma pseudoirreversible a
la acetilcolinesterasa.
El impedimento del Y337 en la acetilcolinesterasa hace que estos derivados
interaccionen con S203.
La alteración de los residuos 328,329 y 332 en el sitio activo de la
butirilcolinesterasa altera el tipo de inhibición producida por los
carbamatos fenotiazínicos.
Carbamatos fenotiazínicos con grupos salientes estabilizados por
resonancia son inhibidores potentes de la acetilcolinesterasa.
Su interacción no covalente y capacidad de atravesar barrera hematoencefalica
sugiere que estos carbamatos fenotiazínicos hidrofóbicos podrían utilizarse como
tratamiento en demencia.
Dominios dentro del sitio activo como el sitio catiónico y aniónico periférico podrían
ser blancos para desarrollar inhibidores de colinesterasas para tratamiento de
demencias.
Muchas Gracias por su Atención
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Carbamates with Differential Mechanism of Inhibition