Chimica farmaceutica - le penicilline

Studio conformazionale sulle penicilline

Storia

Nel 1928, Alexander Fleming (1881-1955), medico e microbiologo scozzese, osservò, mentre era intento a studiare dei ceppi di stafilococco nei laboratori del Saint Mary’s Hospital di Londra, che una muffa, il Penicillium notatum, la quale aveva contaminato accidentalmente una delle sue piastre di coltura, provocava un alone di inibizione dei batteri situati nelle vicinanze di essa. L’appartenenza della muffa al genere Penicillium, suggerì a Fleming di chiamare questo composto antibatterico “penicillina”. Per tale scoperta, fu insignito del premio Nobel per la medicina nel 1945 (con H. W. Florey ed E. B. Chain).

Biosintesi del peptidoglicano (mureina o mucopeptide batterico)

Una delle più importanti caratteristiche della cellula batterica (ad eccezione dei micoplasmi, privi di parete esterna) è quella di essere racchiusa in un contenitore rigido denominato sacculo o parete cellulare (cell-wall), responsabile, inoltre, della differente colorazione assunta con il metodo del patologo danese Gram. Essa ha la funzione di fornire una barriera semipermeabile tra l’interno e l’ambiente esterno e di proteggere la cellula contro le variazioni di pressione osmotica; inoltre, previene la digestione da parte degli enzimi dell’ospite e conferisce al batterio una morfologia ben precisa.

Il peptidoglicano è un componente eteropolimerico spongiforme che conferisce una rigida stabilità meccanica alla cellula batterica in virtù della sua struttura a graticcio dai molteplici legami crociati. È denominato “peptidoglicano”, giacché composto da catene di glicani, filamenti lineari costituiti da due carboidrati azotati, gli amminozuccheri N-acetil-glucosamina e acido N-acetil-muramico, che si β-(1,4) alternano e che sono uniti tra loro da legami peptidici (legame scisso dall'isosima o muramidasi).

La sua biosintesi può essere suddivisa in tre stadi: il primo stadio, che avviene nel citoplasma, serve alla sintesi dei precursori uridil-difosfato (UDP) acetil-muramil-1-pentapeptide con racemizzazione della L-alanina in D-alanina; nel secondo stadio, si ha l’unione della UDP-acetil-muramil-pentapeptide con la UDP-acetil-glucosamina, distacco dei nucleotidi uridinici e formazione di un lungo polimero; nel terzo stadio, si ha il completamento dei legami crociati all’esterno della membrana cellulare tramite una reazione di transpeptidazione, con l’enzima legato direttamente alla membrana.

In particolare: una molecola di N-acetil-glucosamina-1-fosfato (NAG-1-P) si lega ad una molecola di uridina-difosfato (UDP) e successivamente ad una molecola di fosfoenolpiruvato (PEP) con formazione del lactil etere della N-acetil-glucosamina (o acido muramico); esso funziona da accettore per alcuni aminoacidi (cinque, L-ala-D-glu-L-lis-D-ala-D-ala, per Escherichia coli; dieci non lineari per Staphylococcus aureus), attraverso i carbossili liberi in 3 dell’acido lattico; è da notare la stereochimica D del glutammato e dell’alanina terminale in E. coli, caratteristica importante per proteggere il peptidoglicano dall’idrolisi ad opera delle peptidasi dell’ospite.

Il prodotto di questa serie di reazioni è il cosiddetto “nucleotide di Park” (acido muramico + pentapeptide); esso viene trasportato sulla parete in accrescimento da un vettore lipidico fosforilato denominato bactoprenolo (BP), con liberazione di una molecola di uridina-mono-fosfato (UMP), che fosforilata a livello citoplasmatico, riprende il ciclo di reazioni iniziali. A questo punto, si ha l’attacco da parte di una molecola di N-acetil-glucosamina (NAG) e l’aggiunta di cinque molecole di glicina, con formazione di un ponte pentaglicinico, responsabile dei legami crociati trasversali della struttura del peptidoglicano. Il complesso neoformato, si libera del vettore e reagisce con un accettore di membrana, cioè una estremità in accrescimento di una delle catene polisaccaridiche del peptidoglicano.

La reazione finale consiste nella formazione di un legame ammidico (peptidico) tra l’estremo del ponte pentaglicinico e l’estremo del pentapeptide del polimero adiacente, previa rottura del legame tra le due molecole terminali di D-alanina di quest’ultimo, con eliminazione di una molecola di D-alanina e la produzione dell’energia necessaria alla reazione di transpeptidazione e di formazione del legame crociato; l’alanina terminale si legherà all’unità lisinica del tetrapeptide adiacente attraverso il residuo pentaglicinico.

Inattivazione di una PBP transpeptidasica ad opera di una beta-lattamina con formazione di penicilloil-enzima inattivo

Quest’ultimo passaggio della biosintesi è una transammidazione (o transpeptidazione, termine più “biochimico”) in cui il gruppo amminico terminale dell’ultima glicina della catena A spiazza l’unità terminale di D-ala sulla catena B vicina. Il passaggio è catalizzato da una transammidasi (o transpeptidasi) situata sul versante esterno della membrana citoplasmatica batterica; essa forma un legame covalente transitorio con un suo ossidrile serinico; il completamento del ciclo catalitico rigenera la funzionalità dell’enzima.

La transpeptidasi viene acilata sul residuo serinico dalla penicillina, con formazione di penicilloil-enzima inattivo e β-lattamico. La relativa scissione del legame –CO-NH- dell’anello transpeptidasi costituisce, quindi, uno dei bersagli delle penicilline (e delle altre beta-lattamine), in virtù del fatto che sono analoghi strutturali dal dipeptide D-alanina-D-alanina; essa viene indicata come PBP (Penicillins Binding Proteins o proteine leganti le penicilline), di cui sono noti diversi tipi. La lisi dei batteri che solitamente segue l’esposizione ad antibiotici beta-lattamici dipende, in ultima analisi, non solo dall’arresto della sintesi e dal conseguente indebolimento del peptidoglicano, ma anche dall’attività degli enzimi autolitici della parete cellulare, le “autolisine”.