METODOLOGÍA SINTÉTICA
APLICADA A LA SÍNTESIS DE
FÁRMACOS
Tema 6
Enfermedades víricas: síntesis de
antivirales
Tema 6. Enfermedades víricas: síntesis de antivirales
6.1. Los virus 1
6.2. Ácidos nucleicos virales 1
6.2.1. Virus con ADN bicatenario 2
6.2.2. Virus con ADN monocatenario 2
6.2.3. Virus con ARN 2
6.2.3.a Virus con ARN bicatenario 3
6.2.3.b. Virus con ARN monocatenario positivo 3
6.2.3.c. Virus con ARN monocatenario negativo 3
6.2.3.d. Virus con ARN monocatenario y bicatenario retrotranscrito 3
6.3. Morfologia de los virus 4
6.4. Transmisión 6
6.5. Origen evolutivo 7
6.6. Propiedades de vida 7
6.7. Genoma 7
6.8. Ciclo de replicación de los virus 9
6.8.1. Fijación o adsorción 9
6.8.2. Penetración 9
6.8.3. Eclipse 10
6.8.4. Multiplicación 11
6.8.5. Ensamblaje 11
6.8.6. Liberación de los nuevos virus 12
6.8.6.a. Infección persistente 12
6.9. Efectos en la célula huésped 13
6.10. Virus y enfermedades humanas 13
6.11. Epidemiología 13
6.11.1. Epidemias y pandemias 14
6.12. Virus y cáncer 15
6.13. Respuesta inmune del huésped 16
6.14. Vacunas 17
6.15. El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) 18
6.15.1. Proteínas reguladoras 22
6.15.1.a. Rev 22
6.15.1.b. Tat y Rev: acción conjunta 22
6.15.2. Proteínas accesorias 22
6.15.2.1. Vif: incremento en infectividad y protección del genoma viral 22
6.15.2.2. Vpu 22
6.15.2.2.c. Desprendimiento de viriones de la membrana celular 23
6.15.3. Ciclo de replicación 23
6.16. Fármacos antivirales 26
6.16.1. Inhibidores de la Transcriptasa Reversa Análogos
de los Nucleósidos (ITRN) 28
6.16.2. Inhibidores de la Transcriptasa Reversa NO Análogos
de los Nucleósidos (ITRNN) 28
6.17. Síntesis de antivirales 31
6.17.1. Aciclovir 31
6.17.1.a. Análisis retrosintético 32
6.17.1.b. Síntesis 33
6.17.1.c. Cuestiones 32
6.17.2. Azidotimidina (Zidovudina, AZT) 33
6.17.2.a. Análisis retrosintético 35
6.17.2.b. Síntesis 35
6.17.2.c. Cuestiones 36
6.17.3. Ribavirina 37
6.17.3.a. Análisis retrosintético 37
6.17.3.b. Síntesis 37
6.17.3.c. Cuestiones 38
6.17.4. Síntesis de adefovir dipivoxilo 37
6.17.4.a. Síntesis 38
6.17.4.b. Síntesis 38
6.17.4.c. Cuestiones 39
6.17.5. Síntesis de telbivudina 40
6.17.5.a. Análisis retrosintético 40
6.17.5.b. Síntesis 40
6.17.5.c. Cuestiones 41
6.17.6. Síntesis de clevudina 42
6.17.6.a. Análisis retrosintético 42
6.17.6.b. Síntesis 42
6.17.6.c. Cuestiones 43
6.17.7. Nevirapina 44
6.17.7.a. Análisis retrosintético 48
6.17.7.b. Síntesis 49
6.17.7.c. Cuestiones 49
6.17.8. Síntesis de efavirenz 49
6.17.8.a. Análisis retrosintético 50
6.17.8.c. Cuestiones 53
6.17.9. Síntesis de delavirdina (Rescriptor®) 54
6.17.9.a. Análisis retrosintético 54
6.17.9.b. Síntesis 55
6.17.9.c. Cuestiones 56
6.17.10. Síntesis de raltegravir (Isentress®) 58
6.17.10.a. Análisis retrosintético 62
6.17.10.b. Síntesis 63
6.17.10.c. Cuestiones 64
6.17.11. Síntesis de vicriviroc 65
6.17.11.a. Análisis retrosintético 68
6.17.11.b. Síntesis 69
6.17.11.c. Cuestiones 70
6.17.12. Síntesis de plecoranil 71
6.17.12.a. Análisis retrosintético 73
6.17.12.b. Síntesis 74
6.17.12.c. Cuestiones 75
6.17.13. Síntesis de arbidol 75
6.17.12.a. Análisis retrosintético 75
6.17.12.b. Síntesis 76
6.1. Los virus
En biología, un virus, del latín virus (toxina o veneno), es una entidad infecciosa microscópica que sólo puede multiplicarse dentro de las células de otros organismos. Los virus son fragmentos de ácido nucleico (ADN o ARN), capaces de multiplicarse en una célula y pasar a otras para iniciar un nuevo ciclo de replicación. Los ácidos nucleicos son muy vulnerables en el medio extracelular y, antes de abandonar la célula que han infectado, se rodean de una cubierta de estructura proteica denominada cápside. Algunos virus rodean a la cápside con una envoltura lipídica denominada peplo.
Los virus infectan todos los tipos de organismos, desde animales y plantas hasta bacterias y arqueas. El primer virus conocido, el virus del mosaico del tabaco, fue descubierto por Martinus Beijerinck en 1899. Actualmente se han descrito más de 5.000, si bien algunos autores opinan que podrían existir millones de tipos diferentes. Los virus se hallan en casi todos los ecosistemas de la Tierra y son el tipo de entidad biológica más abundante.
Figura 6.1. Virus del mosaico del tabaco
6.2. Ácidos nucleicos virales
Los ácidos nucleicos de los virus contienen la información específica y el potencial para llevar a cabo reacciones biológicas en el seno de la célula infectada. Existen cuatro tipos de ácidos nucleicos virales:
1) ADN de cadena sencilla o ssADN (del inglés single stranded DNA). 2) ADN de cadena doble o dsADN (del inglés double stranded DNA). 3) ARN de cadena sencilla o ssARN (del inglés single stranded RNA). 4) ARN de cadena doble dsARN (del inglés double stranded RNA).
La replicación del genoma de la mayoría de los virus ADN se produce en el núcleo de la célula infectada. Si la célula tiene el receptor adecuado en su superficie el virus accede a ella por fusión con la membrana celular o por endocitosis. La mayoría de virus ADN son completamente dependientes de la maquinaria de síntesis de ADN y ARN de la célula hospedadora.
6.2.1. Virus con ADN bicatenario
Este tipo de virus se replica usando una ADN polimerasa de la célula hospedadora y, por lo tanto, son altamente dependientes del ciclo celular. Para que pueda realizarse la infección, y la producción de progenie del virus, se requiere que la célula esté en la fase de replicación, que es cuando las polimerasas de la célula están activas. En la figura 6.2 se indica esquemáticamente la estructura de un virus con ADN bicatenario.
Figura 6.2. Virus con ADN bicatenario
6.2.2. Virus con ADN monocatenario
Este tipo de virus posee en su material genético ADN de cadena sencilla y se replica usando una ADN polimerasa dependiente del ADN, al igual que los virus con ADN bicatenario.Para que exista la replicación de esta clase de virus, es necesario que el ADN de cadena simple se convierta en ADN de cadena doble en las células infectadas.
6.2.3. Virus con ARN
Los virus que contienen ARN se replican en el citoplasma y no el núcleo de la célula infectada. Los virus ARN se pueden clasificar en cuatro grupos según su modo de replicación.
6.2.3.a Virus con ARN bicatenario
Los virus con ARN bicatenario se replican en el citoplasma y no dependen de las polimerasas de la célula hospedadora como lo hacen los virus ADN, pues incluyen estas enzimas en el virión. La traducción suele ser monocistrónica, lo que significa que cada uno de los segmentos codifica una sola proteína, a diferencia de otros virus que exhiben una traducción más compleja. Una característica particular de estos virus es su capacidad para llevar a cabo la transcripción de los segmentos de ARN bicatenarios bajo las condiciones apropiadas dentro de la cápside.
6.2.3.b. Virus con ARN monocatenario positivo
En virología un ARN viral de sentido positivo es el que puede ser directamente traducido a las proteínas virales deseadas. Así, el genoma ARN viral es idéntico al ARNm viral y puede ser inmediatamente traducido usando la maquinaria de traducción de la célula huésped. La replicación tiene lugar principalmente en el citoplasma. Una de las proteínas codificadas por los ARN positivos es la ARN replicasa, que es una ARN polimerasa que copia el ARN viral sin necesidad de pasar por una cadena de ADN intermedia.
6.2.3.c. Virus con ARN monocatenario negativo
El ARN de sentido negativo no puede ser traducido directamente a una proteína, por lo que tiene que ser convertido en un ARNm de sentido positivo. Los virus ARN de sentido negativo utilizan una ARN polimerasa o transcriptasa para formar ARN de sentido positivo. Esto significa que el virus debe aportar la enzima ARN polimerasa puesto que ésta es dependiente del ARN. Una vez fabricada la molécula de ARN de sentido positivo ésta actúa como un ARNm viral traduciéndose en proteínas por los ribosomas del huésped. Las proteínas resultantes se dedican directamente a la producción de los elementos de los nuevos viriones, tales como las proteínas de la cápside y la ARN replicasa, que se encarga de la producción de nuevas moléculas de ARN de sentido negativo.
6.2.3.d. Virus con ARN monocatenario y bicatenario retrotranscrito
Figura 6.4. Virus VIH
6.3. Morfologia de los virus
Los virus presentan una amplia diversidad de formas y tamaños llamadas «morfologías». Son unas 100 veces más pequeños que las bacterias. La mayoría de los virus estudiados tienen un diámetro de entre 10 y 300 nanómetros. Algunos filovirus tienen un tamaño total de hasta 1.400 nm, sin embargo, sólo miden unos 80 nm de diámetro.
La mayoría de los virus no pueden ser observados con un microscopio óptico, de manera que se utilizan microscopios electrónicos de barrido y de transmisión para visualizarlos. Para aumentar el contraste entre los virus y el trasfondo se utilizan tinciones densas en electrones, que son soluciones de sales de metales pesados, como wolframio, que dispersan los electrones en las regiones cubiertas por la tinción.
Una partícula vírica completa, conocida como virión, consiste en un ácido nucleico rodeado por una capa de protección proteica llamada cápside que encierra y protege al genoma viral de la acción de nucleasas y otros factores adversos del medio exterior. Además, en los virus desnudos carentes de envoltura, la cápside es la encargada de establecer, a través de alguna de sus proteínas, la unión con la célula que será parasitada por el virus. Asimismo, las proteínas de la cápside contienen los determinantes antigénicos contra los que el sistema inmune del huésped elaborará la respuesta de anticuerpos en defensa del organismo. Las cápsides virales pueden presentar dos tipos básicos de estructura:
a) Cápside icosaédrica, en la que los capsómeros, que suelen ser de varios tipos, se ajustan formando un icosaedro regular (es decir, 20 caras triangulares y 12 vértices), dejando un hueco central donde se sitúa el ácido nucleico fuertemente apelotonado. Cuando este tipo de virus se observan al microscopio se aprecian de forma aproximadamente esférica.
Figura 6.5. Representaciones de virus icosaédricos
b) Cápside helicoidal, que se compone de un único tipo de capsómero apilado alrededor de un eje central formando una estructura helicoidal que puede tener una cavidad central o un tubo hueco. Esta formación produce viriones en forma de barra o de hilo, que pueden ser cortos y muy rígidos, o largos y muy flexibles. El material genético es normalmente ARN monocatenario, pero a veces también puede ser ADN monocatenario. El ácido nucleico queda unido a la hélice proteica por interacciones entre la carga negativa de aquél con la carga positiva de las proteínas. En general, la longitud de una cápside helicoidal está en relación con la longitud del ácido nucleico que contiene. El diámetro de la cápside depende del tamaño y de la distribución de los capsómeros. El conocido virus del mosaico del tabaco es un ejemplo de virus helicoidal (figura 6.6).
Figura 6.6. Representaciones de virus helicoidales
Figura 6.7. Representaciones de bacteriófagos
6.4. Transmisión
Los virus se diseminan de muchas maneras diferentes y cada tipo de virus tiene un método distinto de transmisión. Entre estos se encuentran los vectores de transmisión, que son otros organismos que los transmiten entre portadores. Los virus vegetales se propagan frecuentemente por insectos que se alimentan de su savia, como los áfidos, mientras que los virus animales se suelen propagar por medio de insectos hematófagos. Otros virus, como el virus de la gripe (rinovirus), no precisan de vectores propagándose por el aire a través de los estornudos y la tos. Los norovirus tampoco necesitan de vectores de propagación y se transmiten por vía fecal-oral, o a través de las manos, alimentos y agua contaminados. Los rotavirus se diseminan, muy a menudo, por contacto directo con niños infectados. El VIH es uno de los muchos virus que se transmiten por contacto sexual o por exposición con sangre infectada.
No todos los virus provocan enfermedades, ya que muchos virus se reproducen sin causar ningún daño al organismo infectado. Algunos virus, como el VIH pueden producir infecciones permanentes o crónicas porque el virus continúa replicándose en el cuerpo, evadiendo los mecanismos de defensa del huésped. En los animales, sin embargo, es frecuente que las infecciones víricas produzcan una respuesta inmunitaria que confiere una inmunidad permanente a la infección. Los microorganismos como las bacterias también tienen defensas contra las infecciones víricas, conocidas como sistemas de restricción-modificación. Los antibióticos no tienen efecto sobre los virus, pero se han desarrollado medicamentos antivirales para tratar infecciones potencialmente mortales.
6.5. Origen evolutivo
El origen evolutivo de los virus aún es incierto. Se piensa que algunos podrían haber evolucionado a partir de plásmidos (fragmentos de ADN que se mueven entre las células), mientras que otros podrían haberse originado desde bacterias. Desde el punto de vista de la evolución de otras especies, los virus son un medio importante de transferencia horizontal de genes, la cual incrementa la diversidad genética.
Los virus son organismos parásitos que infectan células y producen viriones para difundir sus genes. La mayoría de las proteínas virales no tienen homólogos en las células modernas, en contradicción con la visión tradicional de los virus como los «ladrones de genes celulares». Esto sugiere que los genes virales básicamente tienen su origen durante la replicación de los genomas virales y/o fueron reclutados de linajes celulares ahora extintos. Algunas proteínas virales específicas están presentes en virus que infectan a los miembros de los tres dominios de la vida, lo que sugiere que los virus son en realidad muy antiguos. En particular, los análisis estructurales de proteínas de la cápside han revelado que al menos dos tipos de viriones se originaron de manera independiente antes que el último antepasado universal celular, conocido con el acrónimo LUCA (del inglés Last Universal Common Ancestor).
Se pueden encontrar virus dondequiera que haya organismos vivos, y probablemente existen desde la aparición de las primeras células. Su origen es incierto, puesto que no fosilizan, de manera que sólo se puede especular a partir de diferentes técnicas y ensayos de biología molecular. Estas técnicas dependen de la disponibilidad de ADN o ARN vírico antiguo, pero desgraciadamente la mayoría de virus que han sido preservados y almacenados en laboratorios tienen menos de 90 años.
6.6. Propiedades de vida
Existen opiniones dispares sobre si los virus son una forma de vida o estructuras orgánicas que interactúan con los seres vivos. Por ello algunos autores se refieren a ellos como organismos al límite de la vida, ya que los virus se asemejan a los organismos que tienen genes y evolucionan por selección natural, y se reproducen creando múltiples copias de sí mismos para autoensamblarse. Sin embargo, carecen de estructura celular, lo que es considerado como la unidad básica de la vida. Además, los virus no tienen un metabolismo propio, y necesitan una célula hospedadora para crear nuevos metabolitos. Por tanto, no se pueden reproducir en el exterior de una célula hospedadora, aunque bacterias como Rickettsia y Chlamydia son considerados organismos vivos a pesar de tener la misma limitación.
6.7. Genoma
Las distintas especies de virus contienen una diversidad genómica superior a la de los reinos de plantas, animales o bacterias. Hay millones de diferentes tipos de virus y únicamente alrededor de 5.000 de ellos han sido descritos detalladamente. Un virus tiene un genoma compuesto de ADN o de ARN, y recibe respectivamente el nombre de «virus ADN» y «virus ARN». La gran mayoría de virus utilizan el ARN. Los virus de las plantas tienden a tener ARN monocatenario y los bacteriófagos tienden a tener ADN bicatenario.
ARN, el genoma está a menudo dividido en partes separadas dentro del virión y se le califica de «segmentado». Cada segmento suele codificar una proteína y los segmentos suelen estar reunidos en una cápside.
En los virus ARN o en los virus ADN monocatenarios, las cadenas pueden ser o bien positivas (cadenas plus) o negativas (cadenas minus), que son complementarias con el ARN mensajero (ARNm) vírico.
El ARN viral positivo es idéntico al ARNm viral y por tanto puede ser traducido inmediatamente por la célula huésped.
El ARN viral negativo es complementario del ARNm y por tanto debe ser convertido en ARN positivo por una ARN polimerasa antes de ser traducido, siendo la nomenclatura del ADN similar a la del ARN viral negativo.
El tamaño del genoma varía mucho entre especies. Los genomas víricos más pequeños sólo codifican cuatro proteínas y pesan unos 106 daltons. Los más grandes pesan unos 108 daltons y codifican más de un centenar de proteínas. Los virus ARN suelen tener genomas más pequeños que los virus ADN debido a una tasa de error más alta a la hora de replicarse. Así, los virus ARN tienen un límite superior de tamaño por encima del cual los errores en la replicación del genoma hacen que el virus sea inofensivo o, incluso, incompetente. Para compensar esto, los virus ARN a menudo inician un proceso de segmentación que escinde el genoma en moléculas más pequeñas, reduciendo así las posibilidades de error. En cambio, los virus ADN tienen genomas mayores gracias a la elevada fidelidad de sus enzimas de replicación.
Los virus sufren cambios genéticos por diversos mecanismos como:
a) El proceso de deriva genética. Este mecanismo provoca la mutación de bases individuales del ADN o del ARN. La mayoría de estas mutaciones puntuales son imperceptibles pues la proteína codificada por el gen no cambia, pero aún así, puede conferir ventajas evolutivas como la resistencia a los medicamentos antivíricos.
b) El cambio antigénico, que se produce cuando hay un cambio significativo en el genoma del virus como consecuencia de una recombinación genética. Cuando esto se produce, por ejemplo en los virus de la gripe, pueden resultar pandemias. Los virus ARN suelen existir como quasiespecies o en enjambres de virus de la misma especie pero con secuencias de nucleósidos del genoma ligeramente diferentes. Estos grupos son un objetivo destacado por la selección natural.
6.8. Ciclo de replicación de los virus
El ciclo reproductivo de los virus consta generalmente de las siguientes fases: 1) Fijación
2) Penetración en la célula 3) Eclipse
4) Multiplicación 5) Ensamblaje 6) Liberación
6.8.1. Fijación o adsorción
El primer paso en la infección viral es la fijación del virus sobre la membrana de la célula. Este proceso tiene lugar mediante adhesión a receptores superficiales de la célula diana de los ligandos virales, que son proteínas de la cápside o glucoproteínas de las espículas. Algunos bacteriófagos también son capaces de adherirse a los flagelos, a las vellosidades (pili) o a las cápsulas presentes en la superficie de la bacteria hospedadora. Para que esto suceda la bacteria debe contener el factor sexual "F" o ciertas colicinas (factores de resistencia contra agentes antimicrobianos). Los bacteriófagos filamentosos con ADN de cadena sencilla se adhieren a las puntas de estos pili, mientras que los bacteriófagos esféricos de ARN se adhieren a los costados de éstos.
La especificidad de unión proteína-cápside se determina por la variedad de hospedadores de los virus. Por ejemplo, el VIH sólo infecta linfocitos T humanos, pues su proteína de superficie, gp120, solo puede interactuar con la CD4 y con receptores de la superficie del linfocito T.
El mecanismo de fijación ha evolucionado para favorecer a los virus que sólo pueden infectar células en las que se pueden replicar.
6.8.2. Penetración
Después de la adhesión del virus se produce la penetración, introduciéndose el virión en la célula huésped por endocitosis mediada por receptores, o por fusión de membrana.
Figura 6.8. Penetración de ADN en una célula de E. coli infectada por un macrófago
Otros virus sin envoltura lipídica se introducen en la célula con cápside, lo cual puede realizarse de dos maneras:
a) Por penetración directa después de la fijación. En este caso se produce la apertura de una brecha en la membrana celular que va seguida de la introducción del material vírico en el citoplasma de la célula huésped.
b) Por endocitosis. En esta forma de penetración la membrana celular forma una invaginación en torno al virus, llegando éste a formar una vesícula que penetra en la célula. Una vez formada la vesícula, el virus abre una brecha en la membrana de la misma con ayuda de algunas enzimas hidrolíticas que él mismo transporta, difundiéndose así en el citoplasma.
Los virus con envoltura lipídica burlan la barrera de la membrana celular porque su cubierta lipídica se funde con la membrana, ya que son de la misma naturaleza. Esta fusión de membranas puede realizarse en dos lugares distintos:
c) Fusión en la superficie celular, con penetración directa del virión en el citoplasma. d) Fusión con un lisosoma, mediante formación de una vesícula por endocitosis a la que se une un lisosoma para digerir la partícula introducida. A continuación, la cubierta lipídica del virus se funde con la membrana del lisosoma y el virión se difunde dentro del citoplasma.
6.8.3. Eclipse
Según la duración de la fase de eclipse, se suelen distinguir dos modalidades de ciclo infeccioso de un virus:
a) Ciclo ordinario o lítico, en el cual el ácido nucleico vírico inicia inmediatamente la transcripción de su mensaje genético en los ARN necesarios para su multiplicación. Este tipo de ciclo es el más extendido en la naturaleza.
bacteriano se duplica también lo hace el ADN vírico, de manera que el genoma del virus pasa a las dos bacterias hijas. La multiplicación bacteriana puede seguir durante generaciones sin que el virus se manifieste. Pero ante una alteración de las condiciones ambientales, el ADN vírico se separa del ADN bacteriano y prosigue entonces las restantes fases de ciclo infeccioso, produciendo la muerte de la bacteria y nuevos ejemplares del virus
Algunos virus que infectan células animales siguen también el ciclo lisogénico, como los papilomavirus de las verrugas y algunos retrovirus que producen algunos tipos de cáncer.
En el caso de los retrovirus conviene recordar que el ácido nucleico es ARN monocatenario, por lo que la transcriptasa reversa ha de copiar el genoma vírico en forma de ADN antes de que pueda insertarse en el ADN celular.
6.8.4. Multiplicación
La multiplicación del virus consta de: a) La replicación de su material genético.
b) La transcripción de su mensaje en una molécula de ARN.
c) La traducción del mensaje para producir proteínas víricas, tanto las que formarán parte de la cápside, como las proteínas enzimáticas necesarias para el ensamblaje de las piezas del virión y para algunas de las funciones anteriores. Los ribosomas y la mayor parte de las enzimas que los ácidos nucleicos víricos utilizan en estos procesos son los de la célula infectada.
Los virus con ADN realizan la replicación del material genético de la misma manera que las células.
Los virus con ADN monocatenario, previamente a la replicación, sintetizan una cadena de ADN complementario para formar la doble hélice.
Los virus con ARN replican el material genético sin necesidad de pasar por ADN, actuando cada cadena de ARN como molde para la síntesis de su complementaria.
Los retrovirus constituyen una excepción a lo dicho anteriormente, ya que su ARN sintetiza un ADN bicatenario, que será el que posteriormente realice la síntesis de nuevos ejemplares de ARN vírico.
6.8.5. Ensamblaje
Posteriormente a la multiplicación tiene lugar el ensamblaje de las piezas para construir nuevos viriones. En muchos virus, como el del mosaico del tabaco, el ensamblaje es automático y depende de la concentración salina del medio. En otros virus, el ensamblaje necesita de la intervención de enzimas codificadas en el ácido nucleico del virus.
Los virus pueden autoensamblarse en un proceso similar a la cristalización, ya que las partículas virales, al igual que los cristales, constituyen estructuras que se encuentran en un estado de mínima energía libre. Sin embargo, el genoma viral también puede especificar ciertos factores morfogenéticos que no contribuyen directamente a formar la estructura del virión, pero son necesarios para el proceso de ensamblaje.
llamada maduración, se produce después de que el virus haya sido liberado de la célula huésped.
6.8.6. Liberación de los nuevos virus
Después de la multiplicación del virus tiene lugar la salida de los nuevos viriones, que saldrán con capacidad de infectar nuevas células. Las principales modalidades de liberación dan nombre a nuevas variantes del ciclo vital de los virus, que se explican a continuación.
6.8.6.a. Infección persistente
En el proceso de infección persistente los nuevos virus no esperan a la muerte de la célula hospedadora para abandonarla, sino que van saliendo de la célula al mismo tiempo que se van produciendo, de manera que la célula puede seguir viva produciendo nuevas partículas víricas. La liberación puede hacerse de dos maneras:
a) Los virus sin envoltura lipoproteica salen directamente, sin arrastrar ningún resto de la membrana plasmática abriendo una brecha en la membrana o aprovechando los mecanismos de exocitosis o de salida de sustancias al exterior de la célula.
b) Los virus con envoltura lipoproteica salen por gemación, rodeándose de una porción de membrana plasmática que acaba separándose de la célula y constituye la cubierta.
En la figura 6.9 se indican esquemáticamente las fases del ciclo de replicación de un bacteriófago.
1. Adsorción viral
2. Penetración y liberación del ácido nucleico
3. Integración del ácido nucleico viral
4. Producción de ARNm viral
5. Producción de proteinas virales de la cápside 7. Lisis celular y
liberación de nuevos viriones
6. Autoensamblaje de las cápsides
6.9. Efectos en la célula hospedadora
La mayoría de infecciones víricas acaban provocando la muerte de la célula hospedadora, entre cuyas causas están la lisis de la célula, las alteraciones de la membrana superficial de la célula y la apoptosis. A menudo, la muerte de la célula es causada por el paro de sus actividades normales debido a la acción de proteínas específicas del virus.
Algunos virus no causan cambios aparentes en la célula infectada. Este es el caso de los virus del herpes simple, incluyendo el virus de Epstein-Barr (que causa mononucleosis infecciosa) y el virus de la varicela zoster (que causa la varicela), que pueden existir de manera relativamente inofensiva en un organismo, permaneciendo en un estado durmiente dentro del cuerpo humano. Las infecciones latentes de varicela pueden provocar en la etapa adulta del ser humano la enfermedad del herpes zóster. Sin embargo, otros virus son altamente dañinos para el organismo hospedador, como los papilomavirus, que son una causa demostrada de cáncer.
6.10. Virus y enfermedades humanas
Las enfermedades humanas provocadas por virus incluyen, entre otras, el resfriado, la gripe, la varicela, el herpes simple, el ébola, el VIH, la hepatitis B, la gripe aviar y el SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome).
La capacidad relativa de los virus de provocar enfermedades se describe en términos de «virulencia». Los virus tienen diferentes mecanismos mediante los cuales causan enfermedades a un organismo, que dependen en gran medida en la especie de virus. Los mecanismos a nivel celular incluyen principalmente la lisis de la célula, es decir, la ruptura y posterior muerte de la célula.
Algunos virus pueden causar infecciones permanentes o crónicas, en las cuales los virus continúan replicándose en el cuerpo a pesar de los mecanismos de defensa del hospedador. Este es el proceso habitual en las infecciones provocadas por el virus de la hepatitis B y de la hepatitis C. Los enfermos crónicos son conocidos como portadores, pues sirven de reservorio de los virus infecciosos. En poblaciones con una proporción elevada de portadores, se dice que la enfermedad es endémica. Algunos virus pueden mutar dentro de las células hospedadoras, reforzando sus defensas contra diversos antivirales, proceso conocido como mutación.
6.11. Epidemiología
La epidemiología viral es la rama de la ciencia médica que estudia la transmisión y el control de infecciones víricas en los humanos. La transmisión de virus puede ser vertical (de madre a hijo) u horizontal (de una persona a otra). Ejemplos de transmisión vertical incluyen el virus de la hepatitis B o el VIH, en cual el bebé ya nace infectado con el virus. Otro ejemplo más raro es el virus de la varicela zóster que, normalmente, causa infecciones relativamente leves en los humanos, pero puede resultar fatal para los fetos y los bebés recién nacidos.
La tasa y la velocidad de la transmisión de infecciones víricas dependen de factores como la densidad de población, el número de individuos susceptibles (los que no son inmunes), la calidad del sistema sanitario y el tiempo.
La epidemiología se utiliza para romper la cadena de infecciones en poblaciones durante brotes de enfermedades víricas, utilizándose medidas de control basadas en el conocimiento del modo de transmisión del virus.
Una vez identificado el virus se puede romper la cadena de infecciones por medio de vacunas. Cuando no se puede contar con vacunas pueden resultar eficientes el saneamiento y la desinfección. A menudo se aíslan las personas o animales infectados del resto de la comunidad y los que han estado expuestos al virus son puestos en cuarentena. Para controlar el brote de fiebre aftosa en bovinos británicos en 2001, se sacrificaron miles de cabezas de ganado.
La mayoría de infecciones víricas de los humanos y otros animales tienen un periodo de incubación durante el cual la infección no causa ningún síntoma. Los períodos de incubación de las enfermedades víricas van desde unos días hasta semanas. Tras el periodo de incubación hay un «periodo de comunicabilidad», un tiempo durante el cual el individuo o animal infectado es contagioso y puede infectar a otra persona o animal. Este periodo también es conocido en muchas infecciones, y el conocimiento de la longitud de ambos periodos es importante en el control de brotes. Cuando un brote causa una proporción inusualmente elevada de infecciones en una población, comunidad o región, se le llama epidemia. Si un brote se extiende en todo el mundo se le llama pandemia.
6.11.1. Epidemias y pandemias
Una pandemia es una epidemia global. Las poblaciones amerindias fueron devastadas por enfermedades contagiosas, especialmente la viruela, llevada a América por los colonos europeos. La pandemia de gripe de 1918, a menudo llamada gripe española, fue una pandemia de gripe de categoría 5 provocada por un virus de la gripe A inusualmente grave y mortal. Las víctimas a menudo eran adultos jóvenes sanos, en contraste con la mayoría de brotes de gripe, que afectan predominantemente niños, ancianos o pacientes débiles. La pandemia de gripe española duró de 1918 a 1919. Las estimaciones más recientes sugieren que podrían haber muerto hasta 100 millones de personas, un 5% de la población mundial en 1918.
La mayoría de investigadores creen que el VIH se originó en el África subsahariana durante el siglo XX. Actualmente es una pandemia, con un número estimado de 38,6 millones de enfermos en todo el mundo. El Programa Conjunto de las Naciones Unidas sobre el VIH/SIDA (UNAIDS) y la Organización Mundial de la Salud (OMS) estiman que el sida ha matado a más de 25 millones de personas desde que la enfermedad fue reconocida por primera vez el 5 de junio de 1981, siendo una de las epidemias más destructivas de la historia. En 2007 hubo 2,7 millones de infecciones con VIH.
En 2009 surgió en México una supuesta pandemia de Influenzavirus A (H1N1), conocida como Virus H1N1/09 Pandémico. El origen de la infección es una variante de la cepa H1N1, con material genético proveniente de una cepa aviaria, dos cepas porcinas y una humana que sufrió una mutación y dio un salto entre especies (o heterocontagio) de los cerdos a los humanos, contagiándose posteriormente de persona a persona. La pandemia fue clasificada, según la OMS, de Nivel 6. Aproximadamente, unas 14.000 personas han muerto en todo el mundo a causa de esta enfermedad.
6.12. Virus y cáncer
Los virus son una causa establecida de cáncer en los humanos y otras especies. Los virus que producen cáncer pueden provenir de muchas familias, tanto de virus ADN como de virus ARN, y no únicamente del oncovirus, un término obsoleto para referirse a los retrovirus. El desarrollo del cáncer puede deberse a gran cantidad de factores como la debilidad inmunitaria del huésped y mutaciones en éste. Los virus más importantes asociados con cánceres humanos son el papilomavirus humano, el virus de la hepatitis B, el virus de Epstein-Barr, y el virus T-linfotrópico humano. El más reciente descubrimiento de un virus que causa cáncer es el poliomavirus (Merkel cell polyomavirus) que es la causa de un raro cáncer de piel denominado carcinoma de células de Merkel. Los virus de la hepatitis pueden causar una infección crónica que provoca cáncer de hígado. La infección con virus T-linfotrópico humano puede causar paraparesia espástica tropical y leucemia de linfocitos T del adulto. Los papilomavirus humanos son una causa establecida de cáncer de cérvix, piel, ano y pene. Dentro de los Herpesviridae, el human herpesvirus 8 causa sarcoma de Kaposi y linfoma de las cavidades corporales, y el virus de Epstein-Barr causa linfoma de Burkitt, enfermedad de Hodgkin, trastorno linfoproliferativo de los linfocitos B y carcinoma nasofaríngeo. El Merkel cell polyomavirus está estrechamente relacionado con el SV40 y con los poliomavirus del ratón que han sido usados como modelos de animales para los virus del cáncer desde hace 50 años.
6.13. Respuesta inmune del hospedador
La primera línea de defensa del organismo contra los virus es el sistema inmunitario innato, que incluye a las células y a los mecanismos que defienden al organismo de la infección de una forma no específica. Así, las células del sistema innato reconocen y responden a los agentes patógenos de una manera genérica, pero, a diferencia del sistema inmune adaptativo, no confieren protección de larga duración o inmunidad.
Muchos virus tienen una estrategia de replicación que implica ARN bicatenario (dsARN). Cuando tales virus infectan a una célula y liberan sus moléculas de ARN, inmediatamente una proteína compleja denominada DICER se une al ARN y lo corta en pedazos más pequeños.1 La
protección celular se pone en marcha mediante la activación de una vía bioquímica denominada complejo RISC que degrada el ARNm viral. Los rotavirus inhiben este mecanismo evitando desnudarse completamente dentro de la célula de manera que el dsARN genómico continúa protegido en el interior del núcleo del virión, liberando los nuevos ARNm producidos a través de los poros de la cápside.
Figura 6.11. Imagen de dos rotavirus: el derecho está cubierto por anticuerpos que impiden la adhesión a la célula huésped
Cuando el sistema inmunitario adaptativo de un vertebrado encuentra un virus, produce anticuerpos específicos que se unen al virus y lo hacen no infeccioso, lo que se denomina inmunidad humoral.
Existen dos tipos de anticuerpos antivirales. El primero se denomina IgM (Inmunoglobulina M) y es altamente eficaz para neutralizar los virus, pero sólo es producido por las células del sistema inmune durante unas pocas semanas. El segundo, denominado IgG (Inmunoglobulina G), se produce indefinidamente.
La presencia de IgM en la sangre del huésped se utiliza para determinar una infección aguda, mientras que el IgG indica una infección en el pasado. Los dos tipos de anticuerpos se analizan cuando se llevan a cabo las pruebas de inmunidad.
Una segunda línea de defensa de los vertebrados frente a los virus se denomina inmunidad celular. Las células del organismo muestran cortos fragmentos de sus proteínas en la superficie celular. Si un linfocito T reconoce en una célula un fragmento sospechoso de ser viral, destruye
1 Para una visualización animada del modo de actuación de DICER véase:
dicha célula y, a continuación, se produce una proliferación de los linfocitos T específicos para ese virus.
Los interferones, que son glicoproteínas, impiden la replicación de una amplia variedad de virus de tipo ssARN y ssADN. Los interferones son secretados por las células infectadas estimulando, en las células no infectadas, la producción de proteínas que inhiben la replicación de diferentes tipos de virus.
Figura 6.12. Interferon beta-05
No todas las infecciones por virus producen una respuesta inmune protectora como la que se acaba de comentar. El VIH evade al sistema inmunológico por el cambio constante de la secuencia de aminoácidos de las proteínas en la superficie del virión. Estos persistentes virus eluden el control mediante el secuestro y bloqueo de la presentación antigénica, resistencia a las citoquinas, evasión a las actividades de los linfocitos T, inactivación de la apoptosis y mediante el cambio antigénico. Otros virus, denominados virus neurotróficos, se propagan en el sistema neural, donde el sistema inmunológico es incapaz de llegar a ellos.
6.14. Vacunas
La vacunación es una forma barata y eficaz en la prevención de las infecciones causadas por los virus. Las vacunas se han utilizado para prevenir las enfermedades virales desde mucho antes del descubrimiento de los virus. Su uso ha dado lugar a una espectacular disminución de la morbilidad (enfermedad) y mortalidad (muerte) asociada a infecciones virales como poliomielitis, sarampión, paperas y rubeola.
En la actualidad se dispone de vacunas para prevenir más de trece infecciones virales en los seres humanos y algunas otras se utilizan para prevenir infecciones virales en animales. La vacunación provoca la infección en condiciones controladas, estimulando el sistema inmune del individuo vacunado para que produzca un arsenal de anticuerpos y células inmunes con capacidad para destruir o neutralizar cualquiera otra invasión por parte del mismo agente infeccioso.
Las vacunas vivas contienen formas debilitadas del virus que causa la enfermedad. Las vacunas vivas pueden ser peligrosas cuando se administran a las personas inmunodeficientes, puesto que en estas personas incluso el virus debilitado puede causar la enfermedad original. Sin embargo, la vacuna contra el virus de la fiebre amarilla, obtenida de una cepa atenuada denominada 17D, es posiblemente una de las vacunas más seguras y eficaces fabricadas hasta la fecha.
La biotecnología y las técnicas de ingeniería genética se utilizan para producir vacunas de subunidades. Estas vacunas usan sólo la cápside de proteínas del virus. La vacuna de la hepatitis B es un ejemplo de este tipo de vacuna. Las vacunas de subunidades son seguras para pacientes inmunodeficientes, ya que no pueden causar la enfermedad.
6.15. El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH)
El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) fue descubierto por Luc Montagnier en Francia en 1983. La estructura del virus es esférica, con un diámetro de aproximadamente 100 nanómetros (véase la figura 6.13). Su parte exterior contiene una membrana, que originalmente pertenecía a la célula de donde el virus emergió, en la que se encuentra una proteína del virus, la gp41, o glicoproteína transmembrana. Conectada a la gp41 está la gp120. Estos antígenos proteicos de la envoltura exterior se acoplan de forma específica con proteínas de la membrana de las células infectables, especialmente de los linfocitos T4.
Figura 6.13. Virus VIH
En el núcleo del virus se encuentra la cápside, compuesta por la proteína p24. En su interior está el ARN que contiene varios genes, cada uno de los cuales codifica las diversas proteínas que el VIH necesita para reproducirse. Dentro de la cápside también se encuentran las transcriptasas reversas (TR, también denominas transcriptasas inversas) y las integrasas.
El proceso de conversión de ARN en ADN es la principal característica de los retrovirus y se lleva a cabo mediante acciones enzimáticas de la transcriptasa reversa (TR).
Cuando el virus VIH entra en la célula hospedadora, la cadena simple de ARN viral comienza su transformación en una doble cadena de ADN por acción de la enzima viral transcriptasa reversa (TI). La integrasa y otros cofactores actúan para que el ADN del virus se fusione con el ADN de la célula huésped a través de la transcripción en el genoma de la célula que aloja al virus. De esta manera, la célula queda infectada por el virus. Después de este proceso, puede ocurrir que el virus entre en latencia mientras la célula infectada continúa sus funciones, o bien que el virus comience a replicarse activamente y libere viriones capaces de infectar otras células.
Existen dos tipos del VIH, llamados VIH-1 y VIH-2. El primero de ellos corresponde al virus descubierto originalmente. Es más virulento e infeccioso que el VIH-2 y es el causante de la mayoría de infecciones por VIH en el mundo. El VIH-2 es menos contagioso y se encuentra confinado casi exclusivamente en los países de África occidental.
Los genomas del VIH-1 y VIH-2 son muy similares. Ambos están compuestos por los tres genes básicos de la familia de los retrovirus (genes gag, pol y env), codificando cada uno de éstos proteínas que ayudan a la reproducción del virus. El genoma del VIH posee otros seis genes adicionales: tat, rev, vpu (vpx en el caso del VIH-2), vif y nef.
Figura 6.14. Estructura del virus VIH-2
Las proteínas estructurales son codificadas por los genes gag, pol y env, y su secuencia cubre la mayor parte del genoma viral, quedando sólo una parte menor para el resto de los genes.
El gen gag es traducido a una proteína precursora, la p55, que luego, durante la gemación, se asocia a dos copias del ARN viral.
El gen pol codifica una proteasa que se encarga de cortar a la proteína p55, durante la maduración del virión, en otras cuatro proteínas que son:
2) La proteína p17, que constituye la matriz, situada bajo la envoltura, a la que estabiliza. 3) Las proteínas p6 y p7 (ó p9), que son las que forman la nucleocápside. La región de la p55 correspondiente al polipéptido p6 es responsable de la incorporación de la proteína accesoria Vpr (producto de la traducción del gen vpr) al virión en formación y de la interacción con la membrana de la célula que hace posible la gemación. La p7 (ó p9) es responsable del reconocimiento y la incorporación del ARN al virión y además interviene en la transcripción inversa.
Dentro de la cápside coexisten dos copias idénticas del ARN viral junto con las enzimas necesarias para la multiplicación del virus: una transcriptasa reversa, una integrasa, una proteasa y una ARNasa. Todos estos enzimas se producen a partir de la proteína Pol.
a) La transcriptasa reversa (p50), que es una ADN-polimerasa y tiene como función la síntesis del ADN de doble cadena del provirus, usando como patrón la cadena singular del ARN viral. Así, una vez formada la primera cadena de ADN, complementaria del ARN viral, la ARNasa lo separa de él, lo que permite a la transcriptasa inversa ejecutar la síntesis de la segunda cadena de ADN tomando como molde la primera que se formó. Así pues, en la síntesis de la primera cadena la actividad de la transcriptasa reversa es ARN-dependiente, pero en la síntesis de la segunda cadena es ADN-dependiente.
Existen múltiples fármacos que ejercen su acción inhibiendo la actividad de la transcriptasa reversa.
b) La integrasa (p31), que realiza la inserción del ADN proviral en el genoma de la célula hospedadora. No se requiere ATP para su actividad y debe cumplir sucesivamente tres funciones:
.- Actividad exonucleasa, cortando dos núcleótidos del extremo 3' de cada una de las dos cadenas del ADN proviral.
.- Actividad endonucleasa (de doble cadena), cortando el ADN de la célula huésped en el punto de integración.
.- Actividad ligasa, uniendo el ADN proviral en el ADN celular mediante un sólo enlace covalente en cada extremo.
En la actualidad existe un fármaco comercializado contra la actividad de la integrasa denominado raltegravir.
c) La proteasa (p10), que es una aspartil-proteasa que actúa cortando las piezas de las proteínas Gag, Pol y Gag-Pol. Una parte de los fármacos empleados contra el VIH son inhibidores de su función.
d) La ARNasa (p15), que separa la cadena de ARN de la de ADN durante el proceso de la transcripción inversa.
La envoltura del VIH consta de una bicapa lipídica, lo mismo que cualquier membrana biológica, y sus componentes estructurales básicos proceden de la membrana plasmática de la célula parasitada. La envoltura del VIH porta regularmente espaciadas 72 espículas, que son complejos proteicos integrados en la membrana formados por proteínas virales codificadas por el gen env. Cada espícula está formada por una pieza de la proteína gp41, integrada en la membrana, y una cabeza externa formada por la proteína gp120, esencial para el acoplamiento con el exterior de las células que van a ser infectadas por el VIH.
Cuando no se produce la interacción con receptores de la superficie celular, la gp41 está cubierta por la gp120, lo que la hace indetectable por el sistema inmunológico. Una vez que la gp120 se ha unido con receptores CD4 y otros correceptores de la célula hospedador, la gp120 cambia su conformación y permite la exposición de la gp41, que asiste en la fusión del virus con la célula hospedadora.
Glicoproteína gp120
Glicoproteína gp41
Membrana viral
ARN
Transcriptasa reversa
Figura 6.16. Virus VIH mostrando las proteínas transmembrana gp120 y gp41
antes de que sea cortada por una proteasa de la célula. La proteína Env existe como trímero en la superficie de los viriones y las células infectadas.
Los fármacos inhibidores de la fusión funcionan contra la proteína gp41, para evitar su unión a los linfocitos.
6.15.1. Proteínas reguladoras
La proteína Tat existe en dos formas, una larga, de 101 aminoácidos de longitud, y otra más corta, de sólo 72. La segunda se produce cuando en fase temprana se produce una edición completa del ARNm viral, la primera cuando en una fase más tardía sólo se realiza una edición parcial. La proteína Tat (por transactivator) promueve activamente la producción de nuevos viriones. Así, se une a una región de 59 nucleótidos situada en el extremo 5' del ARN viral llamada TAR (Transactivator Active Region) y actúa como un transactivador, algo excepcional, puesto que éstos suelen unirse al ADN, no al ARN. En cuanto este extremo inicial del genoma viral ha sido transcrito desde el ADN proviral, la proteína Tat se une a él y promueve su elongación favoreciendo la transcripción del resto de la cadena.
6.15.1.a. Rev
La proteína Rev regula la expresión del ARN viral controlando el ritmo de exportación del ARNm.
6.15.1.b. Tat y Rev: acción conjunta
La acción sinergística de Tat y Rev incrementa fuertemente la expresión de proteínas virales. Los papeles que Tat y Rev desempeñan en la regulación transcripcional del VIH-1 y en la expresión de proteínas estructurales, respectivamente, hacen que Tat y Rev sean esenciales para el ciclo de vida del VIH. Sus funciones facilitan la expresión de proteínas virales en dos etapas. Después de la integración del ADN proviral y de su transcripción en un nivel basal, solamente los ARNm de 2 KB se transportan al citoplasma, lo que permite la síntesis de Tat, Rev y Nef. Una vez sintetizadas, las proteínas Tat y Rev son transportadas al núcleo, donde actúan aumentando la transcripción del ADN del provirus (Tat) y el transporte de todos los ARNm virales al citoplasma (Rev).
6.15.2. Proteínas accesorias
6.15.2.1. Vif: incremento en infectividad y protección del genoma viral
Vif es una proteína de 193 aminoácidos que está presente en bajos niveles dentro de los viriones donde interactúa con ARN genómico viral. La proteína Vif se emplea en la eliminación del factor ApoBEC3G, una desaminasa de citidinas que convierte la citosina en uracilo, y emplea como sustrato el ADN de cadena sencilla.
6.15.2.2. Vpu
6.15.2.2.a. Degradación de la proteína CD4
En ausencia de la Vpu, la proteína CD4 interactúa con la proteína viral gp160 recién sintetizada para formar un complejo insoluble, el cual retiene gp120 dentro de la célula. La región citoplásmica de la Vpu se puede unir con CD4 y con la proteína β-TrCP lo que induce la ubiquitinizacion de CD4 y su subsiguiente degradación por el proteasoma, incrementando así la expresión de gp120 en la superficie celular.
6.15.2.2.b. Desprendimiento de viriones de la membrana celular
Esta actividad depende de la región transmembranal de la Vpu. En ausencia de Vpu, los viriones se acumulan en la superficie celular en un estado parcialmente desprendido. La expresión de la Vpu tiene como resultado la liberación de viriones de la membrana celular. Este efecto no está restringido solamente al VIH-1, puesto que la Vpu también facilita el desprendimiento de otros virus no relacionados. El mecanismo mediante el que actúa la Vpu no está claro aunque se ha sugerido que la Vpu facilita la fluidez de la membrana celular por medio de un canal de cationes y también que la Vpu causa disrupción de interacciones entre proteínas del VIH y de la superficie celular; lo que previene la endocitosis de viriones recientemente desprendidos de la célula.
6.15.3. Ciclo de replicación
Las células que el VIH invade son esencialmente los linfocitos T CD4+, pero también en menor medida los monocitos/macrófagos, las células dendríticas, las células de Langerhans y las células de microglía del cerebro. La replicación viral tiene lugar en tejidos diversos, como por ejemplo de ganglios linfáticos, intestino, cerebro, timo, etc. Los órganos linfoides, sobre todo los ganglios linfáticos, constituyen la principal sede de su replicación. El virus está presente en numerosos líquidos del organismo, en particular la sangre y las secreciones genitales.
La replicación del virus se desarrolla en las siguientes etapas:
Figura 6.17. Acoplamiento de la proteína gp120 a un receptor CD4 de linfocito
2) Penetración. Una vez reconocido el virión por los receptores de superficie se vacía dentro de la célula, fusionándose la envoltura lipídica del virión con la membrana plasmática de la célula. Los dos ARN mensajeros, que forman el genoma viral, y sus proteínas asociadas pasan al citoplasma de la célula hospedadora protegidos por la cápside y las nucleocápsides.
3) Eliminación. En el tercer paso se produce la eliminación de las cubiertas proteicas: cápside y nucleocápsides. Una vez dentro de la célula hospedadora, el ARN vírico es liberado en el citoplasma y listo para ser procesado.
4) Transcripción inversa. El cuarto paso es el de la transcripción inversa del ARN vírico para formar ADNc (ADN complementario, monocatenario). Cada una de las dos moléculas de ARN llega desde el virión asociada a una molécula de transcriptasa reversa que es la encargada de traducir el ARN en ADNc. Las moléculas de ADNc se asocian para formar una molécula de ADN, que es la forma en la que guarda la información la célula eucariota. El paso siguiente es la integración del genoma vírico en el genoma de la célula huésped. Para ello el ADN viral penetra en el núcleo y se inserta en el ADN celular con ayuda de una integrasa, que procede del virión infectante.
Figura 6.18. Ciclo de replicación del VIH
5) Salida del ARNm. En el quinto paso el ARNm sale, a través de las nucleoporinas, del núcleo de la célula huesped y pasa al citoplasma.
6) Traducción del ARNm. Una vez en el citoplasma el ARNm proporciona la información para su traducción en proteínas. Esta operación se realiza usando el sistema de la célula hospedadora. El resultado de la traducción no consiste inmediatamente en proteínas víricas funcionales, sino en poliproteínas que deben ser cortadas en fragmentos. En este punto entran en acción las proteasas específicas del VIH que cortan las poliproteínas producto de la traducción dando lugar a las proteínas constitutivas del virus. Las proteínas víricas fabricadas se ensamblan, junto con ARN provirales, para formar los componentes internos de la estructura del virión que constituyen la cápside y su contenido.
ensamblan varios miles de nuevos viriones, aunque muchos son incompletos y no pueden infectar.
Figura 6.19. Imágenes de la transcriptasa reversa mostrando la molécula de ARN y de ADN transcrito
El VIH sólo se puede transmitir a través del contacto entre fluidos corporales que poseen una alta concentración viral. El virus no se transmite de manera casual. No se han reportado casos en los que abrazos, besos secos o saludos con las manos hayan sido causantes de infección. El virus ha sido aislado en la saliva, las lágrimas y la orina, el semen, el líquido preseminal, los fluidos vaginales, el líquido amniótico, la leche materna, el líquido cefalorraquídeo y la sangre, entre otros fluidos corporales humanos.
6.16. Fármacos antivirales
El primer agente antiviral verdaderamente eficiente fue el aciclovir, que se empleó como tratamiento profiláctico del herpes genital y cutáneo, y también en el tratamiento de las lesiones causadas por el Herpes zoster.
Durante los últimos veinte años, el desarrollo de fármacos antivirales ha continuado aumentado impulsado por la epidemia del sida. Los medicamentos antivirales son a menudo análogos de nucleósidos (falsos nucleósidos, los bloques de construcción de los ácidos nucleicos) que los virus incorporan a sus genomas durante la replicación. Los análogos de nucleósidos consiguen detener el ciclo de vida del virus porque las nuevas cadenas de ADN sintetizadas son defectuosas debido a que los análogos de nucleósidos carecen de los grupos hidroxilos que, junto con los grupos fosfato, forman los enlaces de la columna vertebral de la molécula de ADN.
hepatitis B. El aciclovir es uno de los fármacos antivirales más antiguos y más frecuentemente prescritos. Aciclovir N N NH2 O O S HO Lamivudina NH N O O HO O N3 H3C
Azidotimidina (AZT) N HO O HO HO N N O NH2 Ribavirina NH N N N O NH2 O HO
Figura 6.20. Estructuras de fármacos antivirales
La hepatitis C es causada por un virus ARN. En el 80% de las personas infectadas, la enfermedad es crónica y sin tratamiento continúan siendo infecciosas para el resto de sus vidas. El tratamiento actual de la hepatitis C emplea el fármaco ribavirina, un análogo de nucleósido, en combinación con interferón. Actualmente se está desarrollando una estrategia similar con lamivudina para el tratamiento de los portadores crónicos de hepatitis B. Otros fármacos antivirales en uso tienen como objetivo diferentes etapas del ciclo replicativo viral.
El VIH depende de una enzima proteolítica denominada proteasa VIH-1 para ser plenamente infeccioso. Existe una clase de medicamentos, denominados inhibidores de la proteasa, que han sido diseñados para inactivar esta enzima.
El sida, provocado por el VIH, tiene un tratamiento antiviral de zidovudina (azidotimidina o AZT). La zidovudina es un potente inhibidor de la transcriptasa reversa (TR), enzima esencial en el proceso de replicación del VIH.
Figura 6.21. Modo de acción de los inhibidores de la transcriptasa reversa
Desgraciadamente, los efectos del AZT no son duraderos y, en algunos casos, son inútiles porque la zidovudina no tiene ningún efecto sobre el ADN vírico (provirus), ya que sólo inhibe la formación de éste pero no su expresión en las células huésped.
6.16.1. Inhibidores de la Transcriptasa Reversa Análogos de Nucleósidos (ITRN)
El tratamiento actual de la infección por VIH se basa en una combinación de fármacos que incluye un inhibidor de la transcriptasa reversa análogo de nucleósido (ITRN), un inhibidor de la transcriptasa reversa no análogo de nucleósido (ITRNN) y un inhibidor de proteasa (IP). De entre los fármacos ITRN destacan la azidotimidina (AZT), la didanosina (Videx®, zalcitabina®), la lamivudina (3TC) y la estavudina (Zerit®).
Al grupo de medicamentos anteriores se le ha añadido la emtricitabina (Emtriba®) y el abacavir (Ziagenavir®). Este compuesto es un análogo de guanosina con una excelente actividad antiviral in vitro. Desafortunadamente el abacavir produce una reacción de hipersensibilidad hasta en el 3% de los casos y no es activo en contra de virus que son resistentes a AZT o 3TC.
Figura 6.22. Inhibidores de la transcriptasa reversa análogos de nucleósidos (ITRN)
6.16.2. Inhibidores de la Transcriptasa Reversa No Análogos de Nucleósidos (ITRNN) Los inhibidores de la transcriptasa reversa no análogos de nucleósidos (ITRNN) también inhiben la mencionada enzima pero, aunque son muy potentes, originan una rápida resistencia, incluso con la aparición de una sola mutación. En el grupo de los ITRNN cabe mencionar la nevirapina (Viramune®), el efavirenz (Stocrin®) y la delavirdina (Rescriptor®).
N H N
N
N
H3C O
Nevirapina
N H
O F3C Cl O Efavirenz N H N N N H N O S
H3C
O O
HN
H3C CH3
Delavirdina
En la figura 6.24 se indica esquemáticamente el modo de acción de los ITRNN (en inglés NNRTI).
Figura 6.24. Modo de acción de los fármacos ITRNN
6.16.3. Inhibidores de Proteasa (IP)
En su proceso de replicación el virus VIH produce largas cadenas de proteínas que necesitan ser fragmentadas en trozos más pequeños para dar lugar a las proteínas y a las enzimas que se empleará el virus en su proceso de reproducción. La fragmentación de las cadenas más largas se lleva a cabo por una proteasa y sus inhibidores impiden dicha fragmentación. De este modo, las proteínas no cortadas originan a copias defectuosas del virus VIH que, si bien pueden destruir la célula que infectaron, ya no pueden infectar más células.
Al producir nuevos virus defectuosos se logra parar la propagación del virus dentro del organismo, consiguiéndose una cronificación de la infección del VIH. Como el organismo del individuo infectado contiene menos virus, son también menos las células CD4 infectadas, con lo que el paciente puede combatir mejor las infecciones y vivir durante más tiempo.
Los inhibidores de la proteasa (IP) no pueden eliminar completamente el VIH del organismo. Sin embargo, con este tipo de medicamentos, se ha observado que pueden reducir la cantidad del VIH hasta en un 99% aunque algunos sigan latentes dentro de las células infectadas.
6.17. Síntesis de antivirales 6.17.1. Aciclovir
El año 1962 la compañia Burroughs Wellcome & Company, actualmente GlaxoSmithKline, inició una línea de investigación en drogas antivirales. En 1974 Howard Schaeffer y Lilia Beauchamp, investigadores de Burroughs Wellcome & Co, descubrieron el aciclovir. Las pruebas clínicas se iniciaron en 1977 y en el año 1982 se comercializó el aciclovir para uso tópico. El aciclovir significó el comienzo de una nueva era en la terapia antiviral ya que es extremadamente selectivo y posee un bajo nivel de citotoxicidad. La farmacóloga Gertrude Belle Elion y George H. Hitchings recibieron el Premio Nobel de Medicina en 1988 debido, en parte, al desarrollo de este compuesto.
El aciclovir es un fármaco antiviral que se usa en el tratamiento de las infecciones producidas por el virus herpes humano (VHH), entre las que se incluyen el herpes genital, el herpes bucal, el herpes zóster, la varicela y la mononucleosis infecciosa. Este fármaco impide la replicación viral disminuyendo la extensión y duración de la enfermedad. El aciclovir es un análogo de la guanosina cuyo anillo de ribosa ha sido reemplazado por una cadena abierta.
Figura 6.26. Estructuras de la guanosina y del aciclovir
El aciclovir se considera una prodroga ya que son sus metabolitos las sustancias antivirales activas. Los virus sensibles al aciclovir lo convierten selectivamente, por intervención de una timidina quinasa, en una forma monofosfatada A continuación, el monofosfato, por acción de quinasas celulares, es convertido, primero en difosfato y luego en trifosfato, que es el metabolito activo capaz de inhibir la síntesis de ADN viral (véase el esquema 6.1).
Esquema 6.1. Fosforilación del aciclovir
6.2). El efecto final es la detención de la replicación del virus. Este efecto es muy selectivo en los virus herpes simple tipos 1 y 2 (VHH 1 y 2), virus varicela-zóster (VZV), virus de Epstein-Barr (VEB) y virus herpes humano 6 (VHH6).
Esquema 6.2
La baja toxicidad del fármaco se explica por su escasa afinidad hacia las polimerasas celulares y a que su fosforilación ocurre sólo en células infectadas.
6.17.1.a. Análisis retrosintético
En el esquema 6.3 se indica el análisis retrosintético para el aciclovir que se inicia con la desconexión, basada en una reacción SN2, de la cadena lateral oxigenada. Esta operación genera
el sintón aniónico nucleofílico 6.1 y el sintón catiónico electrofílico 6.2. El precursor del equivalente sintético del sintón aniónico 6.1 será la guanina protegida 6.3 mientras que el equivalente sintético del sintón catiónico 6.2 será el haloéter 6.4 (X=halógeno).
Esquema 6.3
6.17.1.b. Síntesis
El compuesto de partida para la síntesis del aciclovir es la guanina 6.5 (esquema 6.4).2 La
reacción de este compuesto con bis(trimetilsilil)amina proporciona la guanina protegida 6.3 que reacciona con el 1-benzoiloxi-2-clorometoxietano 6.4 para dar lugar, después de la hidrólisis, al compuesto 6.7. La eliminación del grupo benzoilo, por reacción con una disolución metanólica de amoníaco, permite la obtención del aciclovir.
Esquema 6.4
El compuesto 6.4 se prepara mediante la secuencia de reacciones que se indica a continuación:
CN
HO OH
reflujo, 3 días
O
O OH
O
O O
Cl HCl (g)
CH2O
6.4
Esquema 6.5 6.17.1.c. Cuestiones
1) La reacción SN2 entre la guanina protegida 6.3 sobre el cloroéter 6.4 se produce de forma
regioselectiva, siendo el grupo NH del anillo imidazólico el que provoca el desplazamiento nucleofílico del cloro ¿por qué el grupo NH del anillo imidazólico es más nucleofílico que el grupo NH del anillo de pirimidinona?
Esquema 6.6
2) Explique mecanísticamente las reacciones implicadas en la síntesis del compuesto 6.4 a partir de benzonitrilo.
6.17.2. Azidotimidina (Zidovudina, AZT)
