DROGAS QUE INTERACTÚAN CON EL DNA

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DROGAS QUE INTERACTÚAN CON EL DNA

Otro receptor con el que las drogas interactúan es el DNA.

DNA: polinucleótido que transporta la información genética en las células.

Este receptor es vital para el funcionamiento de los organismos vivos

 las drogas que interactúan con DNA sin muy tóxicas para las células normales.

DROGAS ANTICANCER

ANTIVIRALES

CÉLULAS CANCEROSAS Adiferencia de las células normales sufren una rápida, anormal y descontrolada división celular o mitosis

==> necesitan DNA o precursores. Ej.:

Leucemia, Linfoma

Tumores sólidos : son los más comunes, tienen una pequeña proporción de células de división rápida ==> las drogas que interactúan con DNA son menos eficaces

TOXICIDAD: es observada en aquellas partes del cuerpo donde hay una rápida división celular: tracto gastrointestinal, mucosa, médula ósea (MO) y cabello.

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ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DEL DNA

El modelo de Watson y Crack (1953) fue la culminación del trabajo de varios científicos a lo largo de años.

Chargaff (1952):

Todd (1953) : 4-desoxirribonucleótidos conteniendo dos bases púricas (Adenina y Guanina) y dos bases

pirimidínicas (Citosina y Timina) se unen por enlaces del grupo 5’

fosfato de un nucleótido al 3’ OH del nucleótido adyacente para formar enlaces fosfodiéster 3’,5’ .

A

T y G

C = 1 SIEMPRE, SIN IMPORTAR LA COMPOSICIÓN DE BASES DEL DNA

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Los primeros Rayos X del DNA fibroso mostraron una fuerte reflexión meridional a 3.4 Å de distancia sugiriendo que las bases están apiladas unas sobre otras (1947).

Gulland (1947) concluyó por métodos electrotitrimétricos que las bases de nucleótidos están unidas por puentes de H.

Wilkins concluyó por Rayos X que el DNA es una molécula helicoidal capaz de adoptar una variedad de conformaciones.

Watson y Crick recolectaron estos datos y propusieron que hay pares de bases unidos específicamente por puentes H:

A…T y G…C que explican los resultados anteriormente observados.

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Estos pares de bases están apilados a 3.4 Å de distancia.

Además, la rotación a la derecha de estos pares de bases adyacentes a aproximadamente 36 º forma una doble hélice con 10 pares de

bases por turno.

En la doble hélice, las bases están dispuestas a lo largo del eje de la hélice, con los esqueletos azúcar-fosfato serpenteando en una

orientación antiparalela hacia la periferia.

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Los dos enlaces glicosídicos que conectan los pares de bases a los anillos azúcar, no están directamente opuestos unos a otros, por lo que los enlaces azúcar-fosfato de la doble hélice no están

idénticamente espaciados a lo largo del eje de la hélice.

Como resultado de esto, los surcos que se forman entre los esqueletos no son de la misma medida.

 Mayor Groove: es el surco más grande

 Minor Groove: es el más pequeño

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TAUTOMERIZACIÓN

La tautomerización de las bases depende de la constante dieléctrica del medio y del pKa de los respectivos heteroátomos .

Un cambio en la tautomerización podría tener consecuencias desastrosas debido a que los puentes H se ven afectados.

Formas más estables:

AyC  forma amino GyC forma ceto

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FORMAS DEL DNA

El DNA existe en una gran variedad de tamaños y formas.

Tamaño: de micrometros a varios centímetros.

En células somáticas humanas, cada uno de los 46 cromosomas tiene una sola molécula de DNA doble hélice de 4 cm de largo. ¡Entonces si ponemos en fila los 46 cromosomas medirían alrededor de 2 metros de largo!

¿Cómo pueden empaquetarse en el núcleo que mide sólo 0.5 m de diámetro?

Con la ayuda de Histonas: proteínas pequeñas y básicas que por

interacciones electrostáticas pliegan al DNA en una forma compacta y ordenada llamada Cromatina.

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DNA Monocatenario Bicatenario

Tricatenario

Las moléculas de DNA se retuercen alrededor de sí mismas y se enrollan.

DNA Superenrollado: > energía Desenrollado: < energía

Si se corta una de las cadenas del DNA superenrollado éste se convierte en “relajado.”

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TOPOSIOMERASAS

Son Enzimas nucleares que catalizan la conversión de la forma superenrrollado de DNA en la forma “relajada.”

Estas enzimas resuelven los problemas topológicos del DNA como:

plegamiento, desplegamiento, encadenado, desencadenado, anudado y desanudado que normalmente se producen durante la: replicación, transcripción, recombinación y otros procesos .

TOPOLOGÍA: estudio de las propiedades de las figuras con independencia del tamaño y forma. Las distintas formas de una figura dibujada en una superficie elástica estirada y comprimida son

equivalentes en Topología.

DNA TOPOISOMERASA I

Cataliza la ruptura transitoria de DNA bicatenario y permite que la cadena sana pase a través de la cadena unida a la enzima, resultando así en la relajación del DNA.

DNA TOPOISOMERASA II

(en el caso de las bacterias se llama DNA girasa) cataliza la ruptura de ambas cadenas de DNA y luego la unión de los extremos

separados.

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El mecanismo de ruptura de la cadena de DNA es similar para Topoisomerasa I y Topoisomerasa II

Interviene un grupo tirosilo de la enzima.

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CONFORMACIONES DEL DNA DNA: Tiene 3 conformaciones helicoidales

 A: giro a la derecha

 B: giro a la izquierda

 Z: giro a la izquierda

Cada conformación involucra una doble hélice formada por dos cadenas de polinucleótidos antiparalelas con sus bases apareadas por puentes de H de Watson y Crack, pero las formas de las hélices son diferentes.

Las formas A y B difieren en las distancias requeridas para hacer un giro completo, de manera que los azúcares se tuercen o inclinan en el ángulo de inclinación de los pares de bases respecto del eje de la hélice y difieren del espacio entre los surcos.

La forma predominante es la B, pero en algunos ambientes ricos en agua predomina la A.

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DNA A: Nucleótidos confinados mas apretadamente, 11 nucleótidos por vuelta ( mas corto que B).

DNA B: 10 nucleótidos por vuelta

DNA Z: 12 pares de bases por vuelta y giro a la izquierda.

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CLASES DE DROGAS QUE INTERACCÚAN CON EL DNA

En general, hay tres clases de drogas que tienen importancia clínica:

- INTERCALADORES: se insertan entre los pares de bases de la doble hélice.

- ALQUILANTES: reaccionan covalentemente con las bases del DNA - STRAND BREAKERS (drogas que rompen el DNA): generan

radicales reactivos que producen la ruptura de las cadenas de polinucleótidos.

La droga ideal, para interactuar con DNA sería una molécula no- peptídica (que pueda difundir a través de las membranas sin ser degradadas por peptidasas) que está dirigida a una determinada secuencia y tamaño del sitio del DNA.

Sin embargo, las proteínas son las únicas drogas capaces de reconocer sin ambigüedades, una secuencia de DNA.

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INTERCALADORES:

Mecanismo de Acción

Moléculas planas, aromáticas o heteroaromáticas se unen al DNA insertándose (intercalándose) y apilándose entre los pares de bases de la doble hélice.

Intercalación: interacción no-covalente en la cual la droga es

sostenida rígida y perpendicularmente al eje de la hélice haciendo que los pares de bases se separen verticalmente distorsionando el esqueleto azúcar-fosfato.

La intercalación es un proceso energéticamente favorable.

Fuerzas que intevienen:

Van der Waals Hidrofóbicas Preferencia:

Entre pirimidinas-3’-5’-purinas mas que entre 3’ purinas-5’- pirimidinas.

La intercalación interfiere fundamentalmente con la acción de las DNA-topoisomerasas que alteran el grado de enrollamiento del DNA y de las DNA polimerasas que catalizan la elongación del DNA y

corrigen errores.

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DNA-Topoisomerasa I

Es el blanco para el agente antitumoral Camptotecina

DNA-Topoisomerasa II

Es el blanco para una variada clase de drogas antitumorales:

antraciclinas, antracenodionas, acridinas, actinomicinas y elipticinas.

Hasta ahora el mecanismo postulado implica que la droga que causa daño en el DNA inducido por Toposiomerasa interfiere con la reacción de ruptura –unión.

Es el blanco para una variada clase de drogas antitumorales:

antraciclinas, antracenodionas, acridinas, actinomicinas y elipticinas.

Hasta ahora el mecanismo postulado implica que la droga que causa daño en el DNA inducido por Toposiomerasa interfiere con la reacción de ruptura –unión.

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Ejemplos de Intercaladores de DNA

Acridinas Actinomicinas Antraciclinas

A) Acridinas: AMSACRINA

Acridinas, productos secundarios de los colorantes de anilina;

usados en el siglo XIX contra Malaria.

En los años 60-70 se prepararon varios análogos de la 9- anilinoacridina para probar su actividad antitumoral.

Se pensó que era necesario colocar un grupo dador de electrones en el anillo anilino. Se seleccionó un grupo sulfonamido, que sería parcialmente aniónico a pH fisiológico, en el que R=H y R’= NHSO2Me

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Mecanismo de acción:

Se intercala entre las bases del DNA, el anillo anilino se dispone en ángulo recto al plano de la Acridina en el surco menor e interactúa con una proteína reguladora del DNA.

La Amsacrina carece de un amplio espectro de acción debido a su baja solubilidad en agua.

Se pensó que el pKa relativamente alto del compuesto (8.02 para el nitrógeno de la Acridina) era importante para limitar su distribución “in vivo” por lo que se diseñaron análogos con mejor solubilidad y mayor capacidad de unión al DNA pero con pKa mas bajo.

Este compuesto tiene una actividad antileucémica superior a la Amsacrina y un mayor espectro de acción.

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B) Actinomycin D o Dactinomycin: es un derivado de Actinomycin Actinomycin D

Actinomycin D (Dactinomycin) fue el 1º antibiótico cromopéptido aislado de una cepa de Streptomyces.

Actinomycin

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Mecanismo de Acción

Se une al DNA bicatenario y, dependiendo de la concentración, inhibe la síntesis del DNA-dirigida por RNA. La iniciación de la cadena de RNA no está impedida, pero sí la elongación.

El cromóforo Fenoxazona se intercala entre las bases del DNA.

Y el sustituyente peptídico cíclico establece enlaces de H e interacciones hidrofóbicas fuertes con el DNA.

La unión depende de la presencia de Guanina, el grupo 2-amino de la Guanina es importante en la formación de un complejo Droga-DNA.

Las fuerzas de stacking son las responsables primarias del reconocimiento y unión de una base Guanina a la Actinomycin.

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Los sustituyentes peptídicos que se ubican en el surco menor bloquean la progresión de la RNA polimerasa a lo largo del DNA.

C) DoxorubIcin y DaunorubyIcin: Antraciclinas.

Los ATB antitumorales DoxorubIcin y DaunorubIcin se aislan de diferentes especies de Streptomyces.

A pesar de que sólo difieren estructuralmente en un OH, tienen grandes diferencias en su actividad antitumoral.

DOXORUBICIN: Activo contra leucemia y amplia variedad de tumores sólidos.

DAUNORUBICINA: sólo activo contra leucemia.

Mecanismo de acción: actinomicina

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Hay una controversia sobre si el mecanismo de acción de estas drogas actinomicines intercalación o rotura de las cadenas de DNA. La mayoría de la droga se encuentra en el núcleo donde se intercala con el DNA doble hélice y forma un complejo ternario DROGA-DNA-Topoisomerasa II inhibiendo la replicación-transcripción.

ALQUILANTES DEL DNA

La diferencia entre los alquilantes e intercaladores del DNA es que; los intercaladores se unen al DNA por interacciones no covalentes (reversibles) y los alquilantes por interacciones covalentes (irreversibles).

Un agente alquilante biológico es según Ross, un compuesto que puede reemplazar un hidrógeno por un grupo alquilo en condiciones fisiológicas (pH 7.4, 37ºC, medio acuoso). Estas alquilaciones son descriptas en términos de reacciones de sustitución de N,O y S de nucleófilos heteroatómicos con agentes alquilantes electrofílicos.

Las dos formas de sustitución electrofílica mas común son:

-SN1 cursa en dos etapas con formación un ión carbenio intermediario.

-SN2 reacción concertada.

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Las cinco clases de Agentes Alquilantes mas usados en quimioterapias anticáncer son:

Mostazas Nitrogenadas

Etileniminas

Ésteres de Ácidos metanosulfónicos

Nitrosoureas

Triazenos

1.- Mostazas Nitrogenadas:

La mostaza de azufre, se usó como gas tóxico en las dos guerras mundiales. Los soldados muertos tenían leucopenia, disolución del tejido linfoide y ulceración del tracto gastrointestinal, por lo que se pensó que actuaba sobre las células de división rápida.

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Como las mostazas de azufre eran muy tóxicas, se examinaron las mostazas de N, menos reactivas como agentes alquilantes.

Para el DNA, los sitios nucleofílicos más reactivos son:

N-7 de Guanina > N-3 de Adenina > N-1 Adenina> N-1 Citosina

Numeración :

Purinas (A y G) Pirimidinas (CyT))

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Las mostazas Nitrogenadas tienen un nucleófilo capaz de asistir la reacción “asistencia anquimérica”

En el caso de las mostazas nitrogenadas, que son agentes alquilantes bifuncionales, el DNA sufre cross linking inter e intracatenario.

Los compuestos capaces de generar cross link con el DNA son muchos mas efectivos que los alquilantes simples.

El prototipo de mostaza nitrogenada es la Mechloretamina

Usado en el tratamiento de Linfoma de Hodgkin.

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Es un agente alquilante bifuncional que reacciona con el N-7 de dos Guaninas diferentes en el DNA por el mecanismo antes por el

mecanismo antes mencionado.

La formación del ión amonio en N-7 hace a la Guanina mas acídica y desplaza el equilibrio a su forma tautómera que impide el apareamiento normal con Citosina.

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Además de la formación del cross link entre cadenas, es posible que el segundo cloroetilo de la mostaza nitrogenada reaccione con un amino tiol de una proteína resultando un cross link: DNA-Proteína.

Ambas reacciones explicarían los efectos citotóxicos y mutagénicos.

La Mechloretamina es inestable a la hidrólisis por lo que se buscó un análogo más estable.

Sustituyendo el grupo metilo por un grupo atractor de electrones como un sustituyente arilo, hace al nitrógeno menos reactivo.

Los sustituyentes arilo simples no eran suficientemente solubles en agua por lo que se les agregó un carboxilato:

Pero este compuesto es demasiado estable y no muy activo.

Se trató entonces de atenuar el efecto atractor de electrones del carboxilato separándolo del fenilo con metilenos:

Es un buen antitumoral.

Es un buen antitumoral.

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Como la L-fenillalanina es precursor de la Melanina, haciendo una mostaza nitrogenada que tuviera L-fenilalanina probablemente se acumularía en los melanomas. Desafortunadamente no resultó activo para melanomas pero si para Mielomas.

2.- Etileniminas:

Son una extensión de las Mostazas Nitrogenadas.

Las Etileniminas protonadas son muy reactivas (son iones aziridinio) y no serían drogas efectivas, cuando se le agregan grupos atractores de electrones, el pKa del nitrógeno baja hasta un punto en el que la

aziridina no está protonada a pH fisiológico y son mucho menos reactivas.

Se requieren dos grupos etilenimino por molécula para que haya actividad antitumoral.

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3- Metanosulfonatos:

El grupo metanosulfonato es un excelente grupo saliente. El mas importante de los compuestos de esta clase de de drogas anticáncer es el bifuncional: Busulfan (n=4).

Compuestos con n=1 a 8 tienen actividad, pero la máxima es con n=4.

Alquila la posición N-7 de la Guanina y forma cross-links.

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4.- N-Nitrosoureas:

Son compuestos lipofílicos, atraviesan la barrera Hemato-Encefálica por lo que se usan para tumores cerebrales.

Mecanismo de acción:

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El compuesto 6.39 es un ión metildiazonio que es un metilante poderoso, mientras que 6.40 es ácido isociánico que es un agente carbamoilante. Se demostró que los productos alquilantes, no los carbamoilantes son los responsables de la actividad anticáncer.

Para demostrar que el agente metilante es el metildiazonio y no el diazometano, se realizó un estudio que demuestra que, en condiciones fisiológicas, 1-deuteriotrimetil-3-nitro-1-nitrosoguanidina 6.41 alquila nucleófilos con el grupo trideuteriometilo intacto, y si el diazometano hubiera sido el agente alquilante, hubieran resultado grupos dideuteriometilo .

Los análogos 2-cloroetil sustituídos reaccionan con el DNA para formar un cross link entre cadenas (Guanina de una cadena y Citosina de otra)

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STRAND BREAKERS (drogas que rompen el DNA) Este tipo de drogas se intercalan primero con el DNA bajo ciertas

condiciones y luego reaccionan para generar radicales que reaccionan y cortan el DNA.

1-Antraciclinas: Doxo y Daunorubicina

Son intercaladotes y también causan ruptura del DNA dependiente de oxígeno:

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6.67 es un radical SEMIQUINONA.

Si X=H :DAUNORUBICINA Si X=OH: DOXORUBICINA

Ambos, el Hidroxirradical (OH

·

) y el radical 6.67 pueden romper el DNA.

Hay otro mecanismo, que depende de Fe +++

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2.- Bleomycin (BLM)

Bleomicina es una mezcla de varios antibióticos glipcopeptídicos asilados de Streptomyces verticillus cuyo mayor componente es la Bleomycin A2 (6.71).

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La porción pirimidina, B-aminoalanina y B hidroxi imidazol forman un complejo estable con Fe II que interactúa con oxígeno para dar el

complejo ternario 6.72 que es el responsable de la ruptura del DNA por formación de radicales.

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3.- Antibióticos Enediyno

Tienen un rasgo estructural común: anillo macrocíclico que contiene al menos un doble enlace y dos triples enlaces.

En un primer momento se intercalan en el DNA y luego generan radicales y rompen el DNA.

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Especies activas:

Para Calichemicinas y Esperamicinas:

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Para Dinemicina A por RSH , NADPH o nucleófilo

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Para Neocarzinostatina por RSH:

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