Chimica farmaceutica I - Appunti completi

PENICILLINE BIOSINETICHE ACIDO RESISTENTI:

La prima penicillina acido resistente fu la fenossimetilpenicillina che fu poi ulteriormente modificata in

feneticillina e propicillina e fenbenicillina.

• F a cui viene aggiunto un gruppo metilico.

ENETICILLINA

• P viene aggiunto un gruppo propilico.

ROPICILLINA

In queste due penicilline rispetto alla fenossimetilpenicillina viene modificato il profilo di lipofilia ovvero esse

hanno un maggiore logP e di conseguenza attraversano meglio le membrane.

La fenbenicillina invece presenta un secondo fenile e In questo caso vengono modificate sia le proprietà

elettroniche sia il profilo di lipofilia.

DEGRADAZIONE DELLE PENICILLINE AD OPERA DELLA Β-LATTAMASI

Chi produce la β-lattamasi?

Le β-lattamasi sono enzimi che vengono prodotti dagli stessi microorganismi che producono la penicillina essa

viene prodotta anche da alcuni ceppi di batteri in seguito alla “pressione” sul batterio di ingenti quantità di

antibiotici β-lattamici.

La sconsiderata somministrazione di farmaci β-lattamici ha quindi portato alla selezione di ceppi batterici in

grado di sintetizzare β-lattamasi e di conseguenza di risultare insensibili alla penicillina.

A β- - :

NALOGIE LATTAMASI E TRANS PEPTIDASI

1. La β-lattamasi e la trans-peptidasi appartengono alla stessa classe enzimatica ovvero alla classe delle

serina idrolasi

2. Sono in grado di legarsi all’anello beta lattamico agendo così sull’elemento farmacoforico à entrambe sono

delle pennicillin-binding protein. 55

D β- - :

IFFERENZE LATTAMASI E TRANS PEPTIDASI

1. La β -lattamasi NON è acilata dalla coda D-ala, D-ala a differenza della trans-peptidasi.

2. La penicillina per la trans-peptidasi funge da substrato suicida, si formando un legame covalente con

l’enzima che viene acilato.

Il legame estereo dell’enzima NON viene poi idrolizzato pertanto la penicillina rimane legata al residuo

di serina dell’enzima.

Anche la serina della β-lattamasi attacca il carbonio carbonilico del β-lattame, formando l’intermedio ed

infine si forma l’enzima acilato in maniera covalente.

Ma nel caso della β-lattamasi, a differenza della trans-peptidasi, grazie alla partecipazione di una catalisi

basica e la partecipazione di una molecola di H 0 si riesce a scindere il legame covalente tra penicillina e

2

residuo di serina della β-lattamasi.

Di conseguenza si ha la formazione nuovamente di una serina libera e tornando libera e si riottiene

l’enzima funzionante.

In questo caso quindi la penicillina non funge da enzima suicida

Come risolvere il problema della β-lattamasi?

Iniziamo analizzando, attraverso la struttura cristallografica, l’interazione penicillina target (trans-peptidasi).

È possibile vedere il legame covalente tra il residuo di serina dell’enzima e il carbonio carbonilico del beta

lattame poi sono presente numerosi altri legami come:

1. COOH legato al C2 della tiazolidina che fa dei legami ad H

2. l’NH in posizione C6 che forma dei legami ad H con la serina 420

3. il carbonile della catena laterale che fa interazione con l’asparagina

Esistono numerosi legami coinvolti tra penicillina e il sito attivo dell’enzima trans-peptidasi.

Per fare in modo che la penicillina si leghi esclusivamente alla trans-peptidasi e non alla β-lattamasi si è pensato

di aumentare l’ingombro sterico andando ad agire sulla catena laterale (R) in posizione sei.

Fu aggiunto pertanto un gruppo Bulky (ingombrante), che non deve risultare però eccessivamente

ingombrante in quanto si rischierebbe di perdere anche il riconoscimento da parte della trans-peptidasi.

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La prima molecola con queste caratteristiche

fu la che ha come sostituente R

METICILLINA

un fenile sostituito in posizione sei con due

metossi.

La meticillina non appare su carta molto più

ingombrata rispetto alla benzilpenicillina ma

il fatto di avere due sostituenti in orto porta

ad assumere una conformazione della

molecola molto estesa e con rotazione

impedita quindi con elevato grado di rigidità.

Ancora più ingombrata della meticillina c’è la

N che presenta un derivato

AFICILLINA

naftalenico.

Inoltre, oltre a derivati aromatici furono

inseriti anche dei gruppi eteroaromatici.

Ad esempio, nella terza molecola è presente come gruppo R un idrossazolo che porta legato un anello aromatico

sostituito in due e sei.

I nomi delle penicilline contenenti cloro hanno come prefisso il nome -cloxa, se R è fosse un H si parla di

C , se R fosse un altro Cl si parla di D se R fosse un F si parla di F .

LOXACILLINA ICLOXACILLINA LOCLOXACILLINA

EFFICACIA DELLE PENNICILLINE SU GRAM+ E GRAM-:

Le penicilline NON hanno la stessa efficacia su Gram + e su Gram-.

Ciò è dovuto alla diversa parete cellulare delle due classi batteriche:

→ i Gram – hanno uno strato di peptidoglicano molto meno spesso ma possiedono una membrana esterna

ed una interna.

→ i Gram + invece possiedono uno strato più spesso di peptidoglicano

Le penicilline risultavano più attive nei confronti dei Gram+.

Perché?

La penicillina è in grado di passare agevolmente attraverso lo strato di peptidoglicano che, grazie alla sua

struttura reticolata, risulta porosa; al contrario la membrana cellulare NON è porosa ma è una struttura

lipopolisaccaridica.

Soprattutto sulla membrana esterna dei Gram - sono presenti (oltre alla struttura lipopolisaccaridica) delle

porine (proteine che fungono da canali che permettono il passaggio attraverso lo strato fosfolipidico di

molecole NON lipofile).

Le penicilline non sono in grado di attraversare la struttura lipopolisaccaridica ma possono penetrare

all’interno della parete grazie alle porine.

Conseguenze: alcune penicilline sono attive sui Gram- e Gram+ perché utilizzano, per entrare all’interno del

microrganismo, determinati trasportatori che sono le porine. Il riconoscimento per le porine diventa quindi un

determinante per l’attività. Di contro, le porine, mediano anche la resistenza, perché se ci dovesse essere una

mutazione alle porine, il farmaco non potrebbe più entrare dentro il batterio e quindi la molecola non sarebbe

più attiva → quindi a seconda della possibilità delle molecole di essere riconosciute dalle porine esse riescono

ad entrare, ma se il microrganismo mette in atto la resistenza modificando le porine, le molecole che utilizziamo

non sono più attive.

Cosa influenza la penetrazione del farmaco attraverso le porine?

Le caratteristiche molecolari della penicillina che favoriscono il passaggio delle penicilline attraverso le porine

sono:

1. La molecola è piuttosto piccola à la penicillina è piccola

2. Molecola idrofilaà la penicillina è idrofila.

3. Esiste come zwitterione à la penicillina è uno ione a pH fisiologico. 57

Come fare allora?

Possiamo derivatizzare la penicillina con una

base ovvero mettere in Cα un gruppo

amminico che a pH fisiologico risulterà

protonato, in questo modo otteniamo uno

zwitterione.

Ad esempio, l’Ampicillina è una

benzilpenicillina che porta in Cα un gruppo

amminico, inizialmente si sintetizzerebbero sia

quello R sia quello S e in seguito si andrebbe a testare quale dei due enantiomeri possieda l’attività biologica, in

questo caso l’enantiomero più attivo è l’R.

In questo caso sorge però un problema, io devo costruire una molecola che sia somministrabile per via orale,

l’NH è teoricamente un gruppo elettron-donatore ma in realtà in un contesto fisiologico esso risulta protonato

2

e di conseguenza non funge da elettron-attrattore.

PENICILLINE AD AMPIO SPETTRO

• AMPICILLINA

Rispetto alle penicilline di prima generazione è stato aggiunto un gruppo amminico

nell’ampicillina→ l’aggiunta di un secondo gruppo ionizzabile porta la molecola a

diventare uno zwitterione (ampicillina) il che le permette di passare attraverso le

membrane cellulari sfruttando le porine.

• CARBENECILLINA

In questo caso è stato aggiunto un gruppo carbossilico.

Nel caso della carbenecillina aggiungendo un -COOH e non diventa uno zwitterione

ma si forma una molecola dianionica che riesce lo stesso a passare attraverso la membrana.

Questo perché passano dalle porine sia gli zwitterioni che i dianioni, però passano solo quelli che hanno gruppi

non troppo grandi.

Ampicillina e carbenecillina sono state modificate facendo sì che passassero attraverso le porine perché era

necessario ampliare lo spettro di azione.

Le porine sono dei canali ancora relativamente sconosciuti,

infatti, non si sa ancora cosa passa e cosa no attraverso

questi canali. Conosciamo però la struttura e che

appartengono alla famiglia degli OMP → sono trasportatori

estremamente permissivi, dove però due molecole diverse

si andranno a legare in due posizioni diverse e quindi,

attraverseranno la membrana con due meccanismi di

riconoscimento completamente diversi, infatti, è per

questo che riescono a passare sia gli zwitterioni che i

dianioni.

Le porine sono molto studiate perché sono presenti in

molti dei batteri resistenti e la resistenza si esplica proprio

attraverso di esse.

➢ DERIVATI DI AMPICILLINA

Queste molecole sono attive contro alcuni patogeni come l’Haemophilus influenzae che è un batterio che oggi si

fa fatica a curare; infatti, è necessario il day hospital e servono alcuni antibiotici specifici.

Le molecole di derivazione sono state sviluppate con l’intento di aumentare lo spettro d’azione.

Più andiamo avanti e più emergerà la resistenza dei batteri, più si dovrà ricercare nuovi antibiotici/farmaci.

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Cefalosporine e penicilline hanno funzionato per molti anni e la ricerca era rallentata, poi ci si è ritrovati

davanti al problema della resistenza.

• A :

MOXICILLINA

È un farmaco estremamente comune, molto simile all’ampicillina che però

presenta un gruppo fenolico nell’anello benzenico, che aumenta la polarità

della molecola, ma soprattutto ha una relazione farmacocinetica con

l’ampicillina perché potrebbe essere assimilabile a un suo metabolita

ottenuto tramite ossidrilazione aromatica, che porta alla formazione di

ampicillina ossidrilata in para.

Nota bene: Le penicilline non sono tutte stabili per via orale, a causa della

loro labilità a pH acido → però per migliorare il profilo farmacocinetico delle penicilline si può andare a

modificare un’altra funzione (oltre quella amminica) che è la funzione carbossilica → si applica, quindi, l