carbamates with differential mechanism of inhibition toward acetylcholinesterase and...

Carbamates with Differential Mechanism of Inhibition Toward Acetylcholinesterase and

Butyrylcholinesterase

Presentado por:

Karla Aguilar HernándezKarina 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 GalantaminaOrganofosfatosCarbamatos, 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.

Parámetros

1. Volumen molecular total2. Ángulo de mariposa3. 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 S

N

OO

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 4-hidroxifenil 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 inhibición reversible típica

Butirilcolinesterasas mutadas 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