Metaboliti secondari I METABOLITI SECONDARI rappresentano il differenziamento chimico di alcuni microrganismi, spesso coincidente con il loro differenziamento morfologico. Sono molecole insolite prodotte dal metabolismo secondario (tipico della fase stazionaria o idiofase) e non sono indispensabili, al punto che solo un numero limitato di classi di microrganismi sono in grado di produrli. Nel microrganismo produttore possono svolgere diversi ruoli quali: Protezione da agenti fisici, Mediatori del quorum sensing, Mediatori nel differenziamento cellulare, e… funzione antagonista rispetto ad altri organismi competitori!

Le vie biosintetiche Metaboliti secondari ed antibiotici possono essere molecole molto complesse, per la sintesi è spesso richiesto l’intervento ordinato e sequenziale di numerosi enzimi. Cluster genici molto grandi (da 15 a 150 Kb), spesso associati a geni regolativi che controllano l’onset della produzione Sintesi di monomeri specializzati (reazioni di modificazione di metaboliti primari che possono fornire il prodotto finale o più spesso una unità che entra a far parte di una molecola più complessa) Reazioni di oligomerizzazione Reazioni di decorazione

Diverse tipologie di monomeri specializzati (alcuni esempi) Precursori di antibiotici polichetidici (condensazione di acidi carbossilici) Precursori di antibiotici peptidici (condensazione di aminoacidi, spesso non proteici)

Le vie biosintetiche Metaboliti secondari ed antibiotici possono essere molecole molto complesse, per la sintesi è spesso richiesto l’intervento ordinato e sequenziale di numerosi enzimi. Cluster genici molto grandi (da 15 a 150 Kb), spesso associati a geni regolativi che controllano l’onset della produzione Sintesi di monomeri specializzati (reazioni di modificazione di metaboliti primari che possono fornire il prodotto finale o più spesso una unità che entra a far parte di una molecola più complessa) Reazioni di oligomerizzazione (reazioni di assemblaggiodi metaboliti primari e secondari. Quattro classi di metaboliti secondari ottenibili: polichetidi, peptidi, oligosaccaridi e isoprenoidi) Reazioni di decorazione (reazioni che aggiungono una serie di gruppi funzionali alla molecola.Sono spesso determinanti per l’attività biologica del prodotto maturo)

Facciamo qualche esempio di metabolita secondario…

Facciamo qualche esempio di metabolita secondario…

Antibiotici

DEFINIZIONE DI ANTIBIOTICO Per antibiotico si intende una molecola naturale, metabolita secondario di Eubatteri, Actinomiceti e Funghi inferiori Differiscono da altri composti ad azione antimicrobica (es. tossine) per le loro proprietà di bassa tossicità per l’uomo e per gli animali

Discovery of penicillin 1928 Picture of Penicillium notatum Alexander Fleming 6 August 1881 – 11 March 1955

Discovery of terapeutic effects of penicillin Howard Walter Florey (1898-1968) Ernst Boris Chain (1906-1979) Discovery of terapeutic effects of penicillin 1945 - Nobel Prize in Physiology or Medicine “for the discovery of penicillin and its therapeutic effects” Sir Alexander Fleming Sir Ernst Boris Chain Baron Howard Walter Florey penicillin production at the Sir William Dunn School of Pathology Oxford, England, 1940

A poster from World War Two

INDICE TERAPEUTICO = dose tossica/dose terapeutica ANTIBIOTICI ALTA TOSSICITA’ SELETTIVA tossicità selettiva per i batteri battericidi (uccidono i batteri) batteriostatici (inibizione della crescita) BASSA TOSSICITA’ RESIDUA tossicità nulla o scarsa per il paziente INDICE TERAPEUTICO = dose tossica/dose terapeutica

Bersagli degli antibiotici 1 Bersagli degli antibiotici 2 5 3 Figure: 20-13 Caption: Mode of action of major antimicrobial chemotherapeutic agents. THF, Tetrahydrofolate; DHF, dihydrofolate; mRNA, messenger RNA; tRNA, transfer RNA. 4

Meccanismo d’azione Beta-lattamici: BLOCCO DELLA SINTESI PEPTIDOGLICANO Glicopeptidi: “ “ Tetracicline: INIBIZIONE DELLA SINTESI PROTEICA Aminoglicosidici: “ “ “ “ Macrolidi: “ “ “ “ Fluorochinolonici: INTERFERENZA CON LA FUNZIONE DEGLI ACIDI NUCLEICI Rifampicine: “ “ “ “ Sulfamidici: ANTIMETABOLITI

Beta-lattamici Glicopeptidi Aminoglicoside

Macrolide Peptide Ansamicine Macrolide polienico

Produzione mondiale di antibiotici Figure: 20-14 Caption: Annual worldwide production and use of antibiotics. Each year more than 500 metric tons of chemotherapeutic agents are manufactured.

Spettro d’azione degli antibiotici

Antibiotici Beta-Lattamici Penicilline e Cefalosporine

Anello Tiazolidinico PENICILLINA NATURALE Benzilpenicillina o PenG Attiva su Gram+, sensibile alle -lattamasi PENICILLINE SEMISINTETICHE Meticillina Stabile in ambiente acido, resistente alle -lattamasi Figure: 20-19 Caption: The structures of some important penicillins. The red arrow (top panel) is the site of action for most b-lactamases. Oxacillina Stabile in ambiente acido, resistente alle -lattamasi Ampicillina Ampio spettro di attività (specialmente contro batteri Gram-), stabile in ambiente acido, resistente alle -lattamasi Carbenicillina Ampio spettro di attività (specialmente contro Pseudomonas aeruginosa), stabile in ambiente acido ma inefficiente per via orale, sensibile alle -lattamasi

CEFALOSPORINE Gram + Gram - P. aeruginosa Anaerobi

Biosintesi, geni ed enzimi coinvolti nella produzione dei -lattami

Citoplasma Sintesi del Peptidoglicano Membrana citoplasmatica Parete

Il monomero del Peptidoglicano NAM= N-Acetil muramico NAG= N-Acetil glucosoammina,

Struttura del peptidoglicano Staphylococcus aureus GRAM+ Staphylococcus aureus GRAM- E. coli

Meccanismo d’azione dei beta-lattamici Bersaglio molecolare: Transpeptidasi, enzima che interviene nella formazione dei legami crociati del PEPTIDOGLICANO