Chimica farmaceutica e tossicologica I - Appunti completi e integrati

Produzione biotecnologica delle penicilline

(IPNS).• L’isopenicillina N èl’intermedio comune pertutti gli organismi cheproducono composti β-lattamici, compreso quindiper le penicilline e per lecefalosporine.Nel meccanismo quiriportato abbiamo laproduzione della penicillinaG, della cefalosporina C edella cefamicina C (chevedremo tutte).Chimica farmaceutica e tossicologica I: Farmaci che agiscono sulla biosintesi della parete cellularePer quanto riguarda la produzione biotecnologica delle penicilline siprocede per fermentazione, dove si aggiungono al mezzo di colturaprecursori della catena laterale idrofobica che possono essere incorporaticome gruppi acilici.Ad esempio:• Acido fenilacetico → benzilpenicillina (penicillina G)• Acido fenossiacetico → fenossimetilpenicillinaIn questo modo vennero prodotte le prime penicilline modificate. La mancata purificazione corretta dei prodotti untempo portò allo sviluppo degli effetti collaterali delle penicilline.In particolare, lafenossimetilpenicillina divenne il precursore delle penicilline acido resistenti e venne scoperta appunto provando a creare penicilline modificate aggiungendo e provando diversi precursori della catena laterale idrofobica.

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Penicilline biosintetiche: Penicillina G o benzilpenicillina, penicillina N, penicillina F e penicillina K

Vediamo ora le penicilline biosintetiche. Esse sono tutte naturali, con assunzione intramuscolare, e sono prodotte da un processo biosintetico naturale o che riproduce quello naturale (come abbiamo citato precedentemente):

• Penicillina G o benzilpenicillina

Questa è l'antenato comune delle penicilline, non manipolata e assolutamente naturale. Come detto precedentemente, la benzilpenicillina veniva iniettata via intramuscolare e questo era il primo difetto della benzilpenicillina. Il secondo era che per via acida la benzilpenicillina veniva

degradata facilmente e per questo motivo non poteva essere assunta per via orale (vedremo in seguito la degradazione acida delle penicilline ad acido penillico, dove la molecola si riarrangia completamente perdendo il suo effetto terapeutico).

La catena laterale idrofobica è dall'acido fenilacetico.

• Penicillina N: La catena laterale idrofobica è l'originale dall'acido α-amminoadipico. Derivato e quasi analoga alla isopenicillina N, la differenza sta nella configurazione del carbonio α rispetto al carbossile terminale della catena (che nella isopenicillina N ha la configurazione L mentre nella penicillina N ha la configurazione D).
• Penicillina F e penicillina K: La catena laterale è, rispettivamente:
  • Dall'acido 3-esenoico per la penicillina F.
  • Dall'acido ottanoico per la penicillina K.

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La degradazione acida delle

Abbiamo detto precedentemente che l'impossibilità dell'assunzione orale delle penicilline biosintetiche era dovuta al processo di degradazione acida di queste molecole ad acido penillico.

Abbiamo quindi la trasformazione ad acido penillico a partire dalle penicilline, vediamo ora nel dettaglio questo processo. Questa riportata qui sotto è un'ipotesi fatta dai chimici organici:

1. Per azione del pH acido dello stomaco, l'H apre l'anello β-lattamico. Allo stesso momento si deprotona l'idrogeno dell'ammina che per spostamento di elettroni il carbonile attacca il carbonio carbonilico del β-lattame aperto.
2. Si viene a formare il ciclo ossazonilonico, molto instabile in ambiente acido. Il carbonile viene protonato e l'ossigeno adiacente ad esso diventa carbonilico formando un acido carbossilico e un carbocatione.
3. La lacuna elettronica elettrofila dovuta al carbocatione poi reagisce con il doppietto dell'azoto del

tiazolo saturo(tiazolidina) che una volta che questo attacca la carica positiva si viene a formare l'anello imidazolicoparzialmente insaturo visualizzabile come prodotto finale. Appunto un derivato dell'acido penilico.

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Penicilline acido-resistenti: Fenossimetilpenicillina o penicillina V, fenecillina, propicillina e fenbencillina

La generazione delle penicilline acido-resistenti cominciò con la fenossimetilpenicillina, che, come già citato, venne scoperta molto probabilmente a tentativi durante la produzione biotecnologica provando a creare penicilline modificate aggiungendo e provando diversi precursori della catena laterale idrofobica.

Fenossimetilpenicillina o penicillina V

È il precursore delle penicilline acido-resistenti. La catena laterale proviene dall'acido fenossiacetico.

Si scoprì che la fenossimetilpenicillina era resistente

all'azione acida dello stomaco e che quindi poteva essere somministrata per via orale. Perché un ossigeno in più resiste all'azione acida? Probabilmente perché il sostituente fenossimetile è più elettronattrattore nei confronti del carbocatione che si viene a formare durante la degradazione acida ed elettrondonatore nei confronti del benzene e sposta gli elettroni verso l'anello aromatico (in sintesi il carbocatione viene reso meno stabile per effetto induttivo, rendendo sfavorevole la degradazione acida). - Fenecillina, propicillina e fenbencillina Per quanto riguarda la fenecillina, la propicillina e la fenbencillina, i sostituenti metile, etile e fenile aggiunti in α rispetto al gruppo ammidico rendono ancora più lipofila la molecola in modo da favorire la farmacocinetica (in modo tale da non essere eliminata troppo facilmente), senza rinunciare all'effetto induttivo visto per la fenossimetilpenicillina che caratterizza.la formattazione del testo fornito utilizzando tag html:

la suddetta generazione.

Degradazione delle penicilline da parte delle β-lattamasi

Emerse il problema della resistenza batterica alle penicilline (ceppi resistenti) e furono anche individuati batteri che giàdi loro natura lo sono. In entrambi in casi il responsabile è la β-lattamasi, un enzima che rompe l'anello β-lattamico dellepenicilline, inibendo la molecola di farmaco.

• La reazione delle β-lattamasi con lapenicillina è analoga a quella diquest'ultima con la transpeptidasi.
• L'unica differenza, che è la cosa piùimportante, è che l'enzima si rigenera ela penicillina aperta viene liberata(l'estere con la Ser viene liberatomediante idrolisi in questo caso mentrenella transpeptidasi questo nonavviene).

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Penicilline β-lattamasi resistenti: Meticillina, nafcillina e la classe delle oxacilline

risolvere il problema delle β-lattamasi, si cercò di modificare inizialmente le penicilline acido resistenti in modo tale: da fare in modo che non fossero dei buoni substrati dell'enzima β-lattamasi. • Meticillina: Si scoprì questo importante precursore delle penicilline β-lattamasi resistenti. Come mai la meticillina? Notare che con il confronto con la benzilpenicillinasi ha la mancanza di un CH in α all'ammide e l'aggiunta di due gruppi metossili all'anello aromatico in posizione orto. La presenza dei due gruppi metossili (ingombro sterico) e la mancanza del ponte metilenico che fa in modo di bloccare la rotazione del piano dell'anello aromatico sostituito molto probabilmente fanno in modo che la meticillina non riesca ad adattarsi nel sito attivo della β-lattamasi. Tuttavia, essa è priva di un sostituente elettronattrattore che la possa rendere resistente alla degradazione acida, perciò essa non può.

essere somministrata oralmente.

• Nafcillina

Simile alla meticillina, abbiamo in questo caso un benzene fuso con l'anello aromatico che contiene questa volta solo un gruppo metossile. Anche qui la nafcillina mantiene le stesse caratteristiche di rigidità dellameticillina, in quanto anch'essa priva del ponte metilenico.

• Classe delle oxacilline o isossazolilpenicilline

La classe delle oxacilline per un periodo hanno avuto un grande successo ma oggi sono obsolete. Queste penicilline non sono degradate dalle β-lattamasi grazie alle caratteristiche della catena laterale stericamente correlate a quelle della meticillina. Il principio di utilizzare due clori o un cloro e un fluoro generano un ingombro sterico e l'impedimento della rotazione tra il legame tra l'anello benzenico e quello ossazolico. A differenza della meticillina e della nafcillina, le isossazolilpenicilline sono stabili in soluzione acida in virtù dell'effetto elettronattrattore.

esercitato dall'anello eteroaromatico. Esse possono quindi essere somministrate per via orale nel trattamento di infezioni sostenute da produttori di β-lattamasi. Chimica farmaceutica e tossicologica I: Farmaci che agiscono sulla biosintesi della parete cellulare Penicilline ad ampio spettro: Ampicillina e carbenecillina Fu l'ultimo gradino di miglioramento delle penicilline (chiaramente i miglioramenti non sono stati così repentini ma graduali). Queste penicilline sono importanti soprattutto perché efficaci per i batteri gram-. Una volta scoperti ed individuati, si è proceduto a modificarli fino ad arrivare a sviluppare delle varianti. Questi due (ampicillina e carbenecillina) sono infatti i capostipiti degli omonimi derivati, tra i quali, ci sono alcuni dei più importanti antibiotici ancora oggi utilizzati. Confrontandole con la benzilpenicillina, cosa cambia stavolta? Sono stati aggiunti dei gruppi polari che vanno a rendere la molecola più.

polare/idrofila (gruppo amminico sull'ampicillina e il gruppo carbossilico nella carbenecillina) in modo tale che riesca a passare per le porine presenti nella membrana esterna dei gram- (sensibili alle molecole polari). In questo modo queste molecole possono così raggiungere la membrana di peptidoglicano.

Ampicillina

Si usa come enantiomero puro (la configurazione R del carbonio chirale amminico, la D ha bassa attività antibiotica). Essa è dotata di proprietà anfotere per la presenza del gruppo amminico basico (pKb = 6,8) oltre che del carbossile acido (pKa = 2,4), con punto isoelettrico pI = 4,8. Questo composto è poco solubile in acqua. Lo spettro d'azione dell'ampicillina include non solo i batteri sui quali è attiva la penicillina G, ma anche diversi batteri gram-. L'efficacia dell'ampicillina sui batteri gram- è da attribuire al suo gruppo amminico (prevalentemente