Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato
Antibiotici Amminoglicosidici

Molecola del Mese di Febbraio 2012
Parole chiave: Resistenza ai farmaci, resistenza agli antibiotici, streptomicina, tubercolosi, ribosomi

Introduzione
La scoperta della streptomicina nel 1944 ha fornito la prima vera cura della tubercolosi. Da quel momento è cominciata una vera e propria battaglia senza esclusione di colpi tra batteri e ricercatori. I chimici hanno scoperto molti aminoglicosidi naturali sintetizzati dai batteri e hanno sintetizzato nuovi antibiotici basati su queste efficaci difese naturali. A loro volta, i batteri hanno sviluppato diverse strategie per proteggersi dall'attacco di questa classe di antibiotici. Queste includono metodi molecolari per controllare l'ingresso dei farmaci nelle cellule, pompe che espellono i farmaci dalle cellule (mdm 11-2007 trasportatori multifarmaco), ed enzimi che modificano la molecola bersaglio dell'antibiotico o addirittura che modificano lo stesso antibiotico.

Modificare il bersaglio
Il metodo principale con cui i batteri della tubercolosi sono diventati resistenti alla streptomicina è stato quello di modificare il bersaglio del farmaco. Gli amminoglicosidi attaccano i ribosomi come è mostrato più sotto in dettaglio. Il farmaco si lega in una stretta tasca della subunità minore del ribosoma, e così compromette il corretto appaiamento di codoni e anticodoni. I batteri resistenti hanno sviluppato enzimi che aggiungono gruppi metilici a specifiche basi dei loro ribosomi, rendendo questa tasca un pò troppo piccola per il legame con l'antibiotico. Qui a fianco ne sono illustrati due esempi: quello sulla sinistra aggiunge un gruppo metilico alla guanina1405 del ribosoma (file PDB 3frh), mentre quello a destra modifica l'adenina 1408 (file PDB 3pb3).

Attaccare gli Antibiotici
Mentre i chimici hanno sviluppato tutta una serie di nuovi amminoglicosidi, compresi alcuni in grado di legarsi anche ai ribosomi metilati, i batteri hanno sviluppato metodi per attaccare direttamente il farmaco. Sono state scoperte decine di enzimi di questo tipo in diverse classi di batteri, e inoltre i batteri possono scambiarsi questi enzimi perchè si scambiano plasmidi in continuazione. Questi enzimi sono di tre categorie, alcuni legano un fosfato al farmaco, altri aggiungono un acetile, altri, infine aggiungono AMP. Le strutture di questi enzimi sono diverse tra loro come sono diverse le loro reazioni. Qui ne sono mostrati quattro:
una fosfotrasferasi (file PDB 1l8t),
una nucleotidil-trasferasi (file PDB 1kny),
una acetil-trasferasi (file PDB 1bo4),
e infine una insolita e voluminosa acetil-trasferasi che può modificare il farmaco in quattro punti diversi (file PDB 3r1k).













Esplorare la Struttura

Una interessante serie di strutture (file PDB 1j5e, 1ibm, 1ibk, 1ibl) ha rivelato i dettagli molecolari del modo in cui agiscono gli amminoglicosidi. Il trattamento con amminoglicosidi costringe il batterio a compiere molti errori nella sintesi delle sue proteine e queste proteine difettose alla fine lo uccidono. Confrontando la struttura di ribosomi normali con quella di ribosomi legati all'antibiotico, i ricercatori hanno scoperto che l'antibiotico compromette la capacità di correzione degli errori di lettura del ribosoma, consentendo a tRNA errati di legarsi ai codoni dell'mRNA.



Nella prima immagine si vede la struttura complessiva della subunità minore 30S del ribosoma. L'RNA è colorato di beige e le proteine in blu. Un particolare avvolgimento dell'RNA è rosa e due importanti nucleotidi (adenina 1492 e 1493) sono rossi. Questi si vedono più in dettaglio nella seconda immagine qui sopra a destra, notate la posizione di riposo assunta dalle due adenine rosse.



Nella terza immagine, qui sopra a sinistra, si vede un piccolo pezzo di tRNA (giallo) e di mRNA (magenta, un po' nascosto) che stanno interagendo all'interno del ribosoma. Notate che le due adenine rosse si sono spostate in fuori per interagire col complesso tRNA-mRNA, e questa torsione richiede una certa energia che solo un forte accoppiamento codone-anticodone può garantire. Se l'accoppiamento tra le triplette dei due RNA non è quello ideale, il tRNA non avrà la forza di restare legato e contemporaneamente mantenere in torsione le due adenine.
Nella quarta immagine, qui sopra a destra, si vede il ribosoma legato alla paromomycina (verde), un antibiotico amminoglicosidico. Notate che si è legato nella piccola tasca normalmente occupata dalle due adenine nel ribosoma libero. Questo costringe le adenine a rimanere sempre nella posizione ruotata verso l'alto.



Nella quinta immagine si vede il complesso tRNA-mRNA legato nel ribosoma in presenza dell'antibiotico (verde). Dato che le due adenine sono costrette sempre in posizione ruotata, il tRNA si può legare al mRNA anche con legami deboli, con accoppiamenti codone-anticodone non esatti, questo consente di utilizzare anche tRNA errati nella sintesi delle proteine e di produrre quindi proteine difettose

Bibliografia
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Codici PDB Correlati
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