Appunti di Microbiologia

Struttura e funzione dei farmaci per la sintesi del peptidoglicano

I farmaci per la sintesi del peptidoglicano sono estremamente validi e sono molto utilizzati, hanno unospettro di azione molto ampio poiché sono attivi sia su parete batterica nei Gram-negativi sia nella paretebatterica dei Gram-positivi.

Eccezione: non funzionano sui micoplasti perché non hanno parete batterica.

Composizione peptidoglicano

Il peptidoglicano, noto come mureina, è un polimero costituito da zuccheri e amminoacidi che forma unostrato simile alla rete al di fuori della membrana plasmatica della maggior parte dei batteri, formando laparete cellulare.

È composto da due strutture fondamentali:

1. COMPONENTE GLICANICA: è composta da due amino-zuccheri che si alternano, ovvero NAM (acidoN-acetil muramico) e NAG (N-acetil glucosamina) uniti mediante legame ß1 -> glucosidico, ad una catenadi 4 amminoacidi, e un peptide a ponte collega le catene

TRANS-PEPTIDICO= che si forma tra il gruppo amminico dell'amminoacido terminale del ramoscello tetra-peptidico e il gruppo carbossilico dell'amminoacido del dimeri acido N-acetil muramico. 3. COMPONENTE LIPIDICA= presente solo nei batteri Gram-negativi, è costituita da lipopolisaccaridi (LPS) che formano la membrana esterna della parete batterica. Gli LPS sono composti da tre parti principali: il lipide A, il core oligosaccaridico e l'antigene O. Il lipide A è responsabile delle proprietà endotossiche dei batteri Gram-negativi. 4. STRATO SOTTILE DI PEPTIDOGLICANO= presente solo nei batteri Gram-positivi, è costituito da un unico strato di peptidoglicano che conferisce rigidità alla parete batterica. La parete batterica svolge diverse funzioni, tra cui la protezione del batterio dagli agenti esterni, la resistenza alla pressione osmotica e la determinazione della forma batterica. Inoltre, la parete batterica è il bersaglio di molti antibiotici che agiscono interferendo con la sua sintesi o con la sua struttura.N-acetilmuramico. Questi due amino-zuccheri si legano tra di loro formando una catena lineare che viene poi cross-linkata per formare la struttura tridimensionale del peptidoglicano. Il cross-linking avviene grazie all'azione di enzimi chiamati transpeptidasi, che catalizzano la formazione di legami peptidici tra i ramoscelli tetrapeptidici. Inoltre, il ponte di 5xL-glicina può essere formato tra i ramoscelli tetrapeptidici quando si legano tra di loro. Le tappe biosintetiche per la formazione dei costituenti della parete batterica si dividono in diverse fasi a seconda della loro localizzazione. All'interno del citoplasma si svolgono le prime due tappe, mentre al di fuori della membrana plasmatica si svolgono le tappe successive. Le tappe sono le seguenti: I. Sintesi del Nam (N-acetilmuramico) II. Sintesi del Pentapeptide III. Legame UP (Uridina difosfato) con il precursore IV. Complemento del monomero (NAM-NAG-pentapeptide) V. Assemblaggio del monomero VI. Cross-link delle catene Durante la fase di assemblaggio del monomero, il precursore del peptidoglicano viene prodotto all'interno del citoplasma e poi trasferito al di fuori della membrana plasmatica. Successivamente, avviene il cross-linking delle catene per formare la struttura tridimensionale del peptidoglicano. In conclusione, il peptidoglicano della parete batterica viene prodotto attraverso una serie di tappe biosintetiche che coinvolgono la sintesi dei costituenti e il loro assemblaggio.

acido N-acetil muramico. N-acetil glucosamina è uno dei principali precursori della sintesi delle proteine e dei lipidi, "già pronta", mentre l'acido N-acetil muramico va realizzato. La creazione dell'acido N-acetil muramico avviene dopo una serie di reazioni chimiche avendo una struttura chimica simile al NAG, è prevista una trasformazione enzimatica della N-acetil glucosamina in acido N-acetil muramico. In particolare viene attivata N-acetil glucosamina coniugandola con una molecola di UDP (uridina difosfato) che forma un substrato di un enzima che si chiama trasferasi. La trasferasi catalizza e favorisce l'unione tra UDP e una molecola di fosforo-enolpiruvato (PEP).

FASE II

Per formare il ramoscello tetra-peptidico della componente peptidica, intervengono tutta una serie di enzimi uno dopo l'altro. Gli amminoacidi che formano tetra-peptide, nell'ordine finale in cui li troveremo, terminano sempre con due d-alanine ->

“doppietto d-ala d-ala”. Prima di essere tetra-peptide, il ramoscello, in realtà è pentapeptide ovvero contiene cinque amminoacidi invece di quattro.

FASE III

Al ramoscello composto da acido N-acetil muramico e un pentapeptide bisogna unire N-acetil glucosamina e trasferire tutto fuori dalla cellula batterica. Per fare questo la cellula batterica utilizza un lipide particolare di membrana che sta ancorato alla membrana plasmatica, il bactoprenolo. Questo lipide specializzato di membrana che funziona da vettore lega tramite un gruppo fosfato il precursore che abbiamo costituito. È aggiunta poi l'N-acetil glucosamina e nei batteri dove accade anche il ponte 5 x L-glicina si forma un precursore completo all'interno citoplasma.

FASE IV

Quando il precursore è del tutto completo, il bactoprenolo fa un movimento di traslocazione, cioè “movimento flip-flop” cambia versante, si sposta da versante interno della membrana plasmatica.

sulversante esterno e facendo questo movimento non fa altro che trasportare all'esterno il precursore del peptidoglicano dove si leggerà alla parete batterica in crescita.

FASE V

Legare il precursore alla catena del peptidoglicano che sta crescendo, per farlo devo legare il N-acetilmuramico al residuo, alla N-acetil glucosamina già presente.

Il responsabile di questo legame sono degli enzimi particolari che si chiamano TRANSGLICOSILASI, ancorati alla membrana plasmatica con il dominio catalitico all'esterno della membrana plasmatica, legano il precursore peptidoglicano, e le componenti zuccherine, sono gli enzimi responsabili del legame trans-glicosidico.

FASE VI

Una volta costruite le catene glicaniche per avere struttura definitiva peptidoglicano, bisogna cross-linkare le catene. Bisogna utilizzare le componenti peptidiche per collegare tra di loro le catene glicaniche che è quello che da rigidità alla parete. Il legame trans-peptidico realizzato dagli

legame trans-peptidico responsabili trans-peptidasi;3. Rimodellamento e maturazione del peptidoglicano. Gli enzimi transpeptidasi sono enzimi di membrana con il dominio catalitico all'esterno della membrana e catalizzano le componenti proteiche costituite dagli amminoacidi. I trans-peptidasi realizzano il legame partendo dal distacco dell'ultima D-alanina che faceva parte del Pentapeptide e legano con legame peptidico tra glicina terminale e D-Ala in penultima posizione. L'energia utilizzata per il distacco dell'ultima D-Ala forma il legame trans-peptidico. I punti fondamentali della biosintesi peptidoglicano, nel citoplasma sono tre: 1. Costruzione dell'acido N-acetil muramico; 2. Legame N-acetil muramico/N-acetil glucosamina - componente peptidica; 3. Legame al vettore peptidico, trasporto ramoscello dall'interno all'esterno. I punti fondamentali della biosintesi peptidoglicano all'esterno della membrana sono: 1. Unione componenti glicaniche tramite legame trans-glicosidico responsabili trans-glicosilasi; 2. Legame componenti peptidiche tramite legame trans-peptidico responsabili trans-peptidasi; 3. Rimodellamento e maturazione del peptidoglicano.

legame trans-peptidico, del quale sono responsabili le trans-peptidasi, e realizzano questo legame scindendo il doppietto d-ala d-ala eliminando l'ultima d-alanina, ricavando così l'energia necessaria per il legame trans-peptidico.

L'antibiotico è una molecola che ha un'elevata affinità ed è in grado di interagire con un bersaglio molecolare (target) che si trova sulla cellula ospite batterica.

Le caratteristiche del bersaglio molecolare sono:

1. Deve essere una struttura che regola le funzioni che sono necessarie per la vita della cellula batterica;
2. Deve essere assente nelle cellule eucariote oppure sufficientemente diverso tra le cellule procariote e quelle eucariote in modo da garantire la tossicità selettiva.

Quando un antibiotico si lega o interagisce con il bersaglio molecolare bloccando la sua funzionalità è bloccata o alterata.

La funzione può essere:

1. Reversibile: si può avere un blocco

1. Reversibile: l'antibiotico può inibire temporaneamente la crescita batterica senza causare la morte del microrganismo (azione batteriostatica);
2. Irreversibile: l'antibiotico può causare un blocco irreversibile della crescita batterica e quindi portare alla morte del microrganismo (azione battericida).

Antibiotici attivi sulla prima fase della biosintesi del peptidoglicano:

Il peptidoglicano è un ottimo target appunto per l'antibiotico perché è fondamentale per la cellula batterica e perché è presente soltanto nella cellula batterica.

La costruzione e la biosintesi del peptidoglicano non avviene tutta insieme, ma sono presenti varie reazioni che avvengono nel citoplasma della cellula e altre al di fuori di essa.

Ciascuna di queste tappe può essere bersaglio di un antibiotico.

La prima fase è la costruzione dell'acido N-acetil muramico ovvero uno dei due amminozuccheri che sono i costituenti fondamentali del peptidoglicano.

Il N-acetil muramico origina da un N-acetil glucosammina che è attivato con

un legame con uridina difosfato(UDP) e questo complesso UDP-NAG è bersaglio di un enzima definito trasferasi che trasferisce su UDP-NAG una molecola di fosforolpiruvato. Questo complesso è a sua volta bersaglio di una reduttasi che riduce il complesso N-acetil glucosamminafosforolpiruvato in UDP-NAM. Nei batteri questa trasferasi si chiama MurA ed è il primo enzima che comincia a costruire il peptidoglicano. Questo enzima MurA è bersaglio molecolare di un antibiotico che si chiama fosfomicina. Quest'antibiotico ha come bersaglio molecolare la transferasi (MurA) e quindi impedisce la costruzione dell'acido N-acetil muramico subito nelle fase iniziale. La fosfomicina (farmaco: monuril) è un vero antibiotico, è un prodotto naturale ed è prodotto dagli Streptomyces che sono dei batteri Gram-positivi. La fosfomicina da un punto di vista strutturale è molto simile al fosforolpiruvato. Quando entra in gioco la fosfomicina, lami a causa della membrana cellulare che funge da barriera selettiva. Tuttavia, la fosfomicina è in grado di attraversare la membrana cellulare grazie a un sistema di trasporto specifico presente nella cellula batterica. Una volta all'interno del citoplasma, la fosfomicina può interagire con l'enzima MurA e inattivarlo, causando la morte della cellula batterica. Per garantire l'efficacia del trattamento con fosfomicina, è importante assicurarsi che la concentrazione di farmaco nel sangue sia sufficiente per raggiungere il suo target nel citoplasma. Inoltre, è fondamentale seguire correttamente le indicazioni del medico riguardo alla posologia e alla durata del trattamento, al fine di massimizzare l'efficacia del farmaco e prevenire lo sviluppo di resistenza batterica. In conclusione, la fosfomicina è un antibiotico che agisce inibendo l'enzima MurA, causando la morte delle cellule batteriche. Grazie alla sua capacità di attraversare la membrana cellulare, la fosfomicina può raggiungere il suo target nel citoplasma e svolgere la sua azione battericida.