background image

AMINOGLYCOSIDES 


background image

Among the many antibiotics isolated from that 
actinomycetes genus Streptomyces, several are 
compounds closely related in structure to 
streptomycin 

All aminoglycoside antibiotics are absorbed very 
poorly (less than 1% under normal circumstances) 
following oral administration, and some of them 
(kanamycin, neomycin, and paromomycin) are 
administered by that route for the treatment of GI 
infections 


background image

Because of their potent broadspectrum antimicrobial 
activity, they are also used for the treatment of 
systemic infections. 

Their undesirable side effects, particularly 
ototoxicity and nephrotoxicity, have restricted their 
systemic use to serious infections or infections  
caused by bacterial strains resistant to other agents 


background image

Chemistry 

Aminoglycosides are so named because their 
structures consist of amino sugars linked 
glycosidically 

All have at least one aminohexose, and some have a 
pentose lacking an amino group (e.g., streptomycin, 
neomycin, and paromomycin). 

Additionally, each of the clinically useful 
aminoglycosides contains a highly substituted 1,3-
diaminocyclohexane central ring; in kanamycin, 
neomycin, gentamicin, and tobramycin 


background image

Microbial Resistance against 

Aminoglycosides 

Resistant strains have emerged against 

streptomycin, kanamycin and gentamycin in 

clinic. 

R factor is resposible for the production of 

aminoglycoside deactivating enzymes: 

1)

Acetyl transferases (AAC) 

2)

Phosphotransferases (APH),  

3)

Nucleotidyl transferases (ANT)  

These enzymes transfer to hydroxyl and 

amino groups of the drug.  

REVOLUTIOPHARMD.COM 


background image

They distribute well into most body fluids but not 
into the central nervous system, bone, or fatty or 
connective tissues.  

They tend to concentrate in the kidneys and are 
excreted by glomerular filtration.  

Aminoglycosides are apparently not metabolized in 
vivo 


background image

Streptomycin is the most effective of the group for the 

chemotherapy of TB, brucellosis, tularemia, and Yersinia 

infections.  

Paromomycin is used primarily in the chemotherapy of 

amebic dysentery 

Under certain circumstances, aminoglycoside and B-

lactam antibiotics exert a synergistic action in vivo 

against some bacterial strains when the two are 

administered jointly 

Damage to the cell wall caused by the B -lactam 

antibiotic is believed to increase penetration of the 

aminoglycoside into the bacterial cell. 


background image

 
Mechanism of Chemical incompatility of 
Aminoglycosides with β-lactams 

Acylation of 
aminocyclitol 
portion by the β-
lactam molecule. 

Begins with 
nucleophilic addition 
of the amino group 
to the carbonyl 
group of β-lactam 
ring. 

N

O

NHCOR

HOOC

O

NHCOR

HN

HO

O

O

SUGAR

NH

2

N

SUGAR

HOOC

H

2

N

HO

O

O

SUGAR

NH

2

SUGAR


background image

The aminoglycosides act directly on the bacterial 

ribosome to inhibit the initiation of protein synthesis 

and to interfere with the fidelity of translation of the 

genetic message.  

They bind to the 30S ribosomal subunit to form a 

complex that cannot initiate proper amino acid 

polymerization 

All of the commercially available aminoglycoside 

antibiotics are bactericidal, except spectinomycin. 

The mechanism for the bactericidal action of the 

aminoglycosides is not known. 


background image

 


background image

Aminoglycoside-inactivating enzymes include  

(a) aminoacetyltransferases (designated AAC), which 
acetylate the 6-NH2 of ring I, the 3-NH2 of ring II, 
or the 2-NH2 of ring I; 

 (b) phosphotransferases (designated APH), which 
phosphorylate the 3-OH of ring I or the 2-OH of ring 
III; and  

(c) nucleotidyltransferases (ANT), which adenylate 
the 2-OH of ring III, the 4-OH of ring I, or the 4-OH 
of ring III. 


background image

Aminoglycoside Deactivating Enzymes 

AAC acetylates 3-NH

of the ring II, and 2`, 6`- NH

2

 of the ring I. 

APH phosphorylates 3`-OH

 

of the ring I and 2``-OH of the ring III. 

ANT adenylates 2``,4``-OH of the ring III and 4`-OH of the ring I. 

 

O

O

O

O

OH

NH

2

OH

H

2

N

OH

NH

2

H

2

N

HO

H

2

N

HO

OH

1

2

3

4

5

6

1

'

2

'

4'

1''

3'

2''

5'

3''

5''

4''

6''

6'

I

II

III

ANT-4

'

ANT-4

''

ANT-2

''

, APH-2

''

AAC- 6

'

AAC- 2

'

APH- 3

'

AAC- 3

Kanamycin B

12 


background image

Kanamycin and Deactivatig Enzymes 

O

O

O

O

R

1

H

2

C

HO

HO

R

2

H

2

N

OH

NH

2

HOH

2

C

HO

NH

2

HO

1''

2''

3''

4''

5''

6''

1

'

2

'

3'

4'

6'

5'

1

2

3

4

5

6

Kanosamine

2-Deoxystreptamine

Kanamycin A: R

1

= NH

2

 ; R

= OH

Kanamycin B: R

= NH

2

 ; R

2

 = NH

2

Kanamycin C: R

1

= OH; R

= NH

2

III

II

I

3`-deoxy derivative
APH Resistant

4`-deoxy derivative
ANT Resistant

 

13 

REVOLUTIOPHARMD.COM 


background image

Kanamycin and Deactivatig Enzymes 

O

O

O

O

R

1

H

2

C

HO

HO

R

2

H

2

N

OH

NH

2

HOH

2

C

HO

NH

2

HO

1''

2''

3''

4''

5''

6''

1

'

2

'

3'

4'

6'

5'

1

2

3

4

5

6

Kanosamine

2-Deoxystreptamine

Kanamycin A: R

1

= NH

2

 ; R

= OH

Kanamycin B: R

= NH

2

 ; R

2

 = NH

2

Kanamycin C: R

1

= OH; R

= NH

2

III

II

I

3`-deoxy derivative
APH Resistant

4`-deoxy derivative
ANT Resistant

 

14 

REVOLUTIOPHARMD.COM 


background image

Amikacin and Dactivating Enzymes 

1-N-L-(-)-amino-α-hydroxybutyric acid derivative of 

kanamycin A. Susceptible only against the action of 

AAC 6`-amino and ANT 4`-OH, resistant against all 

other deactivating enzymes. 

O

O

O

O

H

2

NH

2

C

HO

HO

OH

H

2

N

OH

NH

2

HOH

2

C

HO

NH

HO

1''

2''

3''

4''

5''

6''

1

'

2

'

3'

4'

6'

5'

1

2

3

4

5

6

Amikacin, L-AHBA derivative of 

Kanamycin A

C

C

O

CH

2

CH

2

NH

2

OH

H

2

2-Deoxystreptamine

Kanosamine

15 


background image

The most significant breakthrough yet achieved in the 
search for aminoglycosides resistant to bacterial enzymes 
has been the development of amikacin, the 1-N-L-(-)-
amino-alfa-hydroxybutyric acid (L-AHBA) derivative of 
kanamycin A. 

This remarkable compound retains most of the intrinsic 
potency of kanamycin A and is resistant to virtually all 
aminoglycoside-inactivating enzymes known, except the 
aminoacetyltransferase that acetylates the 6-amino 
group and the nucleotidyltransferase that adenylylates 
the 4- hydroxyl group of ring I. 


background image

 one study prove that amikacin was effective against 
91% of the isolates that resistance to other 
aminoglycosides 


background image

The Minor Mechanism for 

Microbial Resistance 

Decreased uptake of the drug in some strains of     

p. aeroginosa in hospital infections because of 

blockade in the active transport of aminoglycosides. 

Aminoglycoside molecules attach through their 

cationic groups to anionic portions of membrane 

phospholipids of bacteria. Upon this attachment 

the the ATP-dependent uptake occurs.  

Bivalent cations such as Ca

2+

 and Mg

2+

 compete 

with the drug in this process and antagonise them. 

Anaerobic bacteria lack the ATP-dependent uptake 

process, so they are resistant to aminoglycosides. 

18 


background image

SAR of ring I continued 

Methylation of C-6` or 6`- NH

2

 doesn’t alter 

the antibacterial activity, but increases the 

resistance against AAC. 

O

O

O

O

HC

NH

2

H

2

N

OH

NH

H

3

C

NH

2

HO

1''

2''

3''

4''

5''

1

'

2

'

3'

4'

6'

5'

1

2

3

4

5

6

Garosamine

2-Deoxystreptamine

Gentamicin C

1

: R

1

=R

= CH

3

Gentamicin C

2

: R

= CH

3

 ; R

2

 = H

Gentamicin C

1a

: R

1

=R

= H

OH

CH

3

NHR

2

R

1

Lack 3`-OH
APH Resistant

Axial and tertiary 4``-OH instead of 
equatorial secondary 4``-OH in Kanamycin  
ANT Resistant

Secondary amino group at 6`-NH

2

 in 

Gentamycin C1, spacial hynderance
AAC Resisistant

I

II

III

19 

REVOLUTIOPHARMD.COM 


background image

SAR of ring I continued 

Omitting the 3`-OH and/or 4`-OH in kanamycin 

doesn’t decrease the antibacterial activity but increases 

the resistance against AAC: 3`,4`-dideoxykanamycin 

B: Dibekacin. 

    The same is true for gentamicin.    

O

O

O

O

R

1

H

2

C

HO

HO

R

2

H

2

N

OH

NH

2

HOH

2

C

HO

NH

2

HO

1''

2''

3''

4''

5''

6''

1

'

2

'

3'

4'

6'

5'

1

2

3

4

5

6

Kanosamine

2-Deoxystreptamine

Kanamycin A: R

1

= NH

2

 ; R

= OH

Kanamycin B: R

= NH

2

 ; R

2

 = NH

2

Kanamycin C: R

1

= OH; R

= NH

2

III

II

I

3`-deoxy derivative
APH Resistant

4`-deoxy derivative
ANT Resistant

20 


background image

SAR of ring I continued 

O

OH

H

3

C

NHCH

3

OH

O

NHR

HO

O

O

NH

2

CH

2

OH

H

2

N

1

6

2

4

3

5

1

'

2

'

3'

4'

1

''

2

''

3''

5''

4''

5'

Sisomicin: R=H
Netilmicin: R=C

2

H

5

Omitting the 3`-OH and 4`-OH and the 
addition of a double bond between C-4` and 
C-5`has the same effect. 

21 


background image

SAR of Aminoglycosides continued 

O

O

O

O

H

2

NH

2

C

HO

HO

OH

H

2

N

OH

NH

2

HOH

2

C

HO

NH

HO

1''

2''

3''

4''

5''

6''

1

'

2

'

3'

4'

6'

5'

1

2

3

4

5

6

Amikacin, L-AHBA derivative of 

Kanamycin A

C

C

O

CH

2

CH

2

NH

2

OH

H

2

2-Deoxystreptamine

Kanosamine

Ring II

 is flexible toward changes. 1-NH

2

 in 

kanamycin can be acylated and the antibacterial 
activity remains almost unchanged , but resistance 
against deactivating 

enzymes

 increases: Amikacin 

22 


background image

SAR of ring II continued 

1-NH

ethylation of sisomycin saves the 

antibacterial activity and increases the 
enzymatic resistance: Netilmycin

 

O

OH

H

3

C

NHCH

3

OH

O

NHR

HO

O

O

NH

2

CH

2

OH

H

2

N

1

6

2

4

3

5

1

'

2

'

3'

4'

1

''

2

''

3''

5''

4''

5'

Sisomicin: R=H
Netilmicin: R=C

2

H

5

23 

REVOLUTIOPHARMD.COM 


background image

SAR of Aminoglycosides continued 

O

O

O

O

HC

NH

2

H

2

N

OH

NH

H

3

C

NH

2

HO

1''

2''

3''

4''

5''

1

'

2

'

3'

4'

6'

5'

1

2

3

4

5

6

Garosamine

2-Deoxystreptamine

Gentamicin C

1

: R

1

=R

= CH

3

Gentamicin C

2

: R

= CH

3

 ; R

2

 = H

Gentamicin C

1a

: R

1

=R

= H

OH

CH

3

NHR

2

R

1

I

II

III

Ring III

 functional groups are less sensitive to modifications: 

2``-deoxy gentamicins are less active than 2``-OH ones, but 2``-

NH

2

 derivative (seldomycin) are very active. 

3``- NH

2

 can be primary or secondary. 

4``-OH can be axial or equatorial, the former is resistant against 

the deactivating enzymes (ANT).  


background image

TETRACYCLINES 

Among the most important broad-spectrum 
antibiotics are members of the tetracycline family. 
Nine such compounds—tetracycline, rolitetracycline, 
oxytetracycline, chlortetracycline, demeclocycline, 
meclocycline, methacycline,doxycycline, and 
minocyclinehave been introduced into medical use 

The tetracyclines are obtained by fermentation 
procedures from Streptomyces spp. 


background image

The group name is derived from this tetracyclic 
system.  

The antibiotic spectra and chemical properties of 
these compounds are very similar but not identical 

The stereochemistry of the tetracyclines is very 
complex.  

Carbon atoms 4, 4a, 5, 5a, 6, and 12a are potentially 
chiral, depending on substitution. 


background image

Oxytetracycline and doxycycline, each with a 5-
hydroxyl substituent, have six asymmetric centers; 
the others, lacking chirality at C-5,have only five 
 


background image

Structure of the Tetracyclines 

 


background image

The tetracyclines are amphoteric compounds, 
forming salts with either acids or bases 

In neutral solutions, these substances exist mainly as 
zwitterions 

The hydrochloride salts are used most commonly for 
oral administration and usually are encapsulated 
because they are bitter 

Water-insoluble salts are formed with divalent and 
polyvalent metals 


background image

An interesting property of the tetracyclines is their 
ability to undergo epimerization at C-4 in solutions 
of intermediate pH range 

These isomers are called epitetracyclines 

Under acidic conditions, an equilibrium is 
established in about 1 day and consists of 
approximately equal amounts of the isomers 

The 4-epitetracyclinesexhibit much less activity than 
the ―natural‖ isomers, thus accounting for the 
decreased therapeutic value of aged solutions 


background image

 


background image

Strong acids and strong bases attack tetracyclines 

with a hydroxyl group on C-6, causing a loss in 

activity through modification of the C ring 

Strong acids produce dehydration through a reaction 

involving the 6-hydroxyl group and the 5a-hydrogen 

The double bond thus formed between positions 5a 

and 6 induces a shift in the position of the double 

bond between C-11a and C-12 to a position between 

C-11 and C-11a, forming the more energetically 

favored resonant system of the naphthalene group 

found in the inactive anhydrotetracyclines 


background image

Bases promote a reaction between the 6 -hydroxyl 
group and the ketone group at the 11-
position,causing the bond between the 11 and 11a 
atoms to cleave , forming the lactone ring found in 
the inactive isotetracycline 

These two unfavorable reactions stimulated research 
that led to the development of the more stable and 
longer acting compounds 6-deoxytetracycline, 
methacycline, doxycycline, and minocycline 


background image

Mechanism of Action and Resistance 

The strong binding properties of the tetracyclines with 
metal ions 

The strong binding properties of the tetracyclines with 
metal ions caused  to suggest that their antibacterial 
properties may be because of an ability to remove 
essential metal ions as chelated compounds. 

Tetracyclines are  bind to the 30S ribosomal subunit and, 
thereby, prevent the binding of aminoacyl tRNA to the 
mRNA–ribosome complex. Both the binding of 
aminoacyl tRNA and the binding of tetracyclines at the 
ribosomal binding site require magnesium ions 


background image

Tetracyclines enter bacterial cells by two processes: 

passive diffusion and active transport 

Three biochemically distinct mechanisms of 

resistance to tetracyclines have been described in 

bacteria: (a) efflux mediated by transmembrane-

spanning, active-transport proteins that reduces the 

intracellular tetracycline concentration; 

(b) ribosomal protection, in which the bacterial 

protein synthesis apparatus is rendered resistant to 

the action of tetracyclines by an inducible 

cytoplasmic protein; and (c) enzymatic oxidation. 


background image

Structure–Activity Relationships 

All derivatives containing fewer than four rings are inactive or 

nearly inactive 

The simplest tetracycline derivative that retains the characteristic 

broad-spectrum activity associated with this antibiotic class is 6-

demethyl-6-deoxytetracycline 

A-ring substituents can be modified only slightly without dramatic 

loss of antibacterial potency.  

The enolized tricarbonylmethane system at C-1 to C-3 must be 

intact for good activity. 

 Replacement of the amide at C-2 with other functions (e.g., 

aldehyde or nitrile) reduces or abolishes activity. 

Monoalkylation of the amide nitrogen reduces activity 

proportionately to the size of the alkyl group. 

Additional glycylaminosubstitution at9 position lead to new class of 

antibiotics called glycyclines e.g Tigecycline 


background image

 


background image

The dimethylamino group at the 4-position must 
have the natural orientation: 4-epitetracyclines are 
very much less active than the natural isomers 

Removal of the 4-dimethylamino group reduces 
activity even further. 

Activity is largely retained in the primary and N-
methyl secondary amines but rapidly diminishes in 
the higher alkylamines 


background image

Esters of the C-12a hydroxyl group are inactive, with 
the exception of the formyl ester, which readily 
hydrolyzes in aqueous solutions 

The most fruitful site for semisynthetic modification 
of the tetracyclines has been the 6-position. 

 Neither the 6-methyl nor the 6-hydroxyl group is 
essential for antibacterial activity.  

In fact, doxycycline and methacycline are more 
active in vitro than their parent oxytetracycline 
against most bacterial strains. 


background image

More successful from a clinical stand point, however 
, is 6-demethyl-6-deoxy-7-
dimethylaminotetracycline (minocycline) because of 
its activity against tetracycline resistant bacterial 
strains 

6-Deoxytetracyclines  possess important chemical 
and pharmacokinetic advantages over their 6-oxy 
counter parts because its stable in acidic and basic 
conditions 


background image

Polar substituents (i.e., hydroxyl groups) at C-5 and C-6 
decrease lipid versus water solubility of the tetracyclines. 

The 6-position is, however, considerably more sensitive 
than the 5-position to this effect. Thus, doxycycline (6- 

    deoxy-5-oxytetracycline) has a much higher partition    
coefficient mthan either tetracycline or oxytetracycline. 

The tetracyclines can form stable chelate complexes with 
metal ions such as calcium and magnesium, which retard 
absorption from the GI tract 




رفعت المحاضرة من قبل: Mohammad Alkhalidy
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