Chimica farmaceutica - le cefalosporine

Cefalosporine di 4 generazione

HO CH3S N N H CefoperazoneH NH O N NOO N N CH3SH N2 H CeftibutenHN COOHSH N2 H CefetametCHN 3N OCH 3S H CefdinirH N CH22 N N OH aCefalosporine di 4 generazioneR1 R3 R4S N OH N2 H CefclidinaN NH 2+N NOCH3 Continua… 5H C H Cefepima3 +NSH N2 N H CefpironeN +NOCH 3 +N H CefoselisNH 2N OH

MECCANISMO D'AZIONE

2.1. INIBIZIONE TRANPEPTIDAZIONE

Il meccanismo d'azione delle Cefalosporine consiste in un'inibizione della sintesi della parete cellulare batterica per interferenza sul processo enzimatico di transpeptidazione, che catalizza la formazione delle reticolazioni polimeriche peptidoglicaniche (Fig. 3).

Fig. 3 Struttura del Peptidoglicano.

La biosintesi del peptidoglicano può essere schematizzata in 3 stadi:

Il I° stadio, consiste nella produzione di unità base UDP-acetilglucosamina e UDP-muramil-pentapeptide, dentro il citoplasma.

Il II° stadio, procede con la condensazione delle unità base e il loro trasferimento sulla

strutturapeptidoglicanica in fase di formazione, a livello della membrana cellulare batterica. Il III° stadio, coinvolge la formazione di legami trasversali (cross-linking) fra le catene peptidoglicaniche neoformate (Fig. 4).

Quest’ultimo stadio, che si compie al di fuori della membrana citoplasmatica, è catalizzato da una transpeptidasi, enzima che usa un ossidrile serinico per attaccare la penultima unità di alanina formando un legame covalente, mentre l’alanina terminale è allontanata. Il complesso enzima-peptidoglicano è attaccato dal gruppo amminico terminale dell’unità pentaglicinica adiacente, che genera il sito attivo della transpeptidasi rendendolo disponibile per l’ulteriore azione catalitica e produce un nuovo legame ammidico che lega fra loro le due catene adiacenti (Fig. 5).

Continua… 7β-lattamici

Gli antibiotici

funzionano da inibitori irreversibili delle transpeptidasi batteriche. Modelli stereochimici dimostrano che la loro struttura mima il frammento Acetil-D-Ala-D-Ala del substrato (Fig. 6).^[1]

Dalle immagini stereochimiche riportate vediamo che i gruppi funzionali importanti per il binding con la transpeptidasi sono:

1. Gruppo carbonilico corrispondente al CO-NH interno di D-Ala-D-Ala.
2. Gruppo carbossilato, per l'interazione con una carica positiva della transpeptidasi.
3. Gruppi acetossimetilenici della Cefalosporina (metile D-Ala terminale).
4. Catena acilaminica in 7 della cefalosporina (R-CO della D-Ala interna).

Gli antibiotici vengono quindi riconosciuti come se fossero il substrato e formano un addotto reversibile. All'interno dell'addotto reversibile operano

un’efficace acilazione della serinaβ-lattamico (Fig. 7).[1]catalitica, con apertura dell’anello 8β-lattamico

L’anello in forte tensione è molto più reattivo di un’ammide normale, specialmente sefuso con un opportuno eterociclo per dare un sistema biciclico. La perdita della tensione dell’anelloche si ottiene è così pronunciata che la reazione non può procedere in senso inverso. Il residuoeterociclico, legato covalentemente all’enzima, costituisce un ostacolo all’avvicinamento da partedell’unità pentaglicinica, in questo modo il sito attivo non è rigenerato e non si forma il legamecrociato. Ne risulta una parete difettosa, con enzima inattivato. [2]

Acilazionedellatranspeptidasi.[1]

2.2. RELAZIONI STRUTTURA-ATTIVITA’ DELLE CEFALOSPORINE

Le relazioni struttura - attività (SAR) effettuate sulle Cefalosporine hanno chiarito i seguenti punti:β-lattamico1.

L'anello è essenziale per l'attività antimicrobica delle cefalosporine.² I gruppi R₁, R₂, R₃ e R₄ influiscono sulle proprietà farmacodinamiche e farmacocinetiche^1,2,3,4 delle cefalosporine (Fig. 2).

R₁: sostituenti in C₇ corrispondenti alla posizione R₁ (legame amidico) sono responsabili della suscettibilità all'ambiente acido, delle proprietà farmacocinetiche, delle proprietà antibatteriche e β-lattamasi della resistenza alle β-lattamasi. La catena formata da un anello 2-aminotiazolico e da un gruppo diaO-alchil-ossima, tipico delle cefalosporine di 3ª generazione, conferisce, infatti, a tali antibiotici una maggiore affinità per le transpeptidasi delle enterobacteriacee, una maggiore capacità di superare la membrana esterna dei Gram- e una maggiore stabilità alle β-lattamasi dei Gram-.^[1]

R₂: in C₇, la sostituzione sul nucleo delle Cefamicine, aumenta la resistenza β-lattamasi.

ripristinare le proprietà antimicrobiche.^[1]Tutte le sostituzioni esercitano influenze diverse e l'inserimento di diversi gruppi R₁ e R₃, ha portato alla formazione di composti dotati di buona attività e bassa tossicità. Al tempo stesso, alcuni sostituenti sono responsabili, in alcuni individui, di intolleranza o di difetti dell'emostasi. Essendo ancora poche le informazioni riguardanti la struttura topografica recettoriale, essendo essa stessa variabile e specie-specifica, i metodi di "drug design" sono basati principalmente sull'aspetto farmacoforico ("pharmacophore-based"), approccio classico in cui si modificano strutture preesistenti, già attive, al fine di trovare la conformazione bioattiva, quella responsabile dell'effetto biologico. Tutti gli sforzi attuali sono diretti ad ottenere delle cefalosporine che abbiano una buona attività su cocchi Gram+, enterobatteri, Pseudomonas, Acinetobacter, anaerobi.

[2]2.3. I TARGETS MOLECOLARI: PBPsβ-lattamiche

I targets per le droghe sono le Penicillin Binding Proteins PBPs. I batteri hanno diverse PBPs individuali, ognuna con una funzione separata, che convenzionalmente vengono numerate in base alla dimensione, con PBP-1 come la proteina più grande. Le PBP fanno parte della famiglia delle proteine serin-trasferasi, come gruppo di proteine specializzate nell'assemblaggio e metabolismo della parete cellulare batterica. Questa famiglia può catalizzare il trasferimento di un gruppo R -CO di un estere, tioestere o ammide carbonil donatore R -CO-X-R ad un accettore, HY,1 1 2 attraverso la formazione di un legame intermedio serin-estere acil (R -CO-). Le PBP possono essere classificate come lmw (basso peso molecolare) o come hmw (alto peso molecolare). Le hmw possono ancora essere suddivise in quelle di classe A e classe B. Questi due gruppi combinano in una singola catena polipeptidica i domini di transglicolazione e il dominio

transpeptidasico. Troviamo inoltre un segnale che non viene tagliato (verde in fig. 8), la cui funzione è quella di ancorare il peptide alla membrana plasmatica. Questo dominio si trova fuso alla porzione N-ter del modulo di transglicosilazione (arancione in fig. 8), che è ancora fuso al modulo di acyl-serintransferasi (blu in fig. 8). In contrasto alle hmw, che sono enzimi mutlifunzionali, ed essenziali per la sopravvivenza del batterio stesso, le lmw sono proteine monofunzionali e non essenziali per la cellula batterica. [3-4]

Struttura della PBP2a* del batterio Stafilococcus aureus. [6]

α-eliche La struttura tridimensionale (Fig. 9, 10, 11) di molte PBP evidenzia che racchiudono β-sheet un core formato da 5 antiparalleli, supportati da due eliche da un lato e una singola elica α-elica dall'altro con un dominio centrale. (Fig. 12, 13, 14, 15). [4]

Struttura di una forma solubile di PBP1b di Streptococcus

pneumoniae+PBP1b di Streptococcus pneumoniae.[3] nitrocefin.[3] 11Fig. 11 Struttura di una forma solubile di Fig. 12[4]PBP1b di Streptococcus pneumoniae+ceftisossima.[3]Fig. 13[4] Fig. 14[4] Fig. 15[4]Fondamentalmente troviamo tre motivi dominanti in tutte le PBPs, che costituiscono i sitiattivi di queste proteine (Fig. 16). Il primo è dato da una sequenza amminoacidica costituita daSXXK N-ter della catena 2α, ed assume una posizione centrale nel sito attivo. Nel sito attivomostrato in figura, relativo all’enzima R6 PBP2x di streptococcus pneumoniae, la serina e la lisinaassumono la posizione 337/340. Il secondo dominio S/YxN/C è un loop che connette due elichedell’α dominio (Ser 452 e Asn 464 in figura) e definisce un lato del dominio catalitico. L’ultimomotivo è dato da TGS che si trova nel 3β sheet e definisce l’altro lato del centro catalitico.[6-4]Fig. 16 Sito attivo nellastruttura Nitrocefin-acil-SauPBP2a. Il

Nitrocefin è mostrato in viola. [6]

La caratterizzazione del sito attivo permette di individuare i siti di interazione e di legame tra enzima e inibitore e questo potrebbe rappresentare un primo passo verso la sintesi di nuove molecole altamente specifiche e selettive perché complementari al proprio bersaglio.

3. RESISTENZA BATTERICA

Un altro aspetto importante per questa classe di antibiotici è la resistenza. Quando un antibiotico è ampiamente usato si sviluppano inevitabilmente sistemi batterici resistenti. I batteri possono sviluppare resistenza ai β-lattamici mediante tre meccanismi:

1. prevenzione dell'