Chimica farmaceutica - le penicilline

Figura II

Parete cellulare dei gram-positivi.

Figura III

Il peptidoglicano dei gram-positivi (Figura III), ha due caratteristiche principali, tali da

distinguerlo da quello dei gram-negativi: ha uno spessore maggiore (da 200 a 800 Å)

e confina direttamente con l’ambiente esterno. La parte esterna è costituita da un

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sottile strato di proteine, responsabile dell’antigenicità del batterio e delle sue

caratteristiche tropiche; vi sono, inoltre, le porine, canali a permeabilità selettiva. La

barriera successiva è rappresentata dal peptidoglicano, il quale è attraversato da

molecole di acido teicoico e teicuronico, altamente immunogene, le quali hanno la

funzione di ancorarlo alla sottostante membrana citoplasmatica; questi acidi, inoltre,

costituiscono un polimero che rende la superficie cellulare altamente polarizzata e

con carica negativa, tale da favorire l’ingresso nella cellula di molecole ionizzate con

carica positiva (es. streptomicina, antibiotico aminoglicosidico). Sulla membrana

fluttuano numerose molecole proteiche, tra le quali i “recettori” delle beta-lattamine,

detti PBP, importanti sia per la sintesi che per il riparo della parete cellulare. Gli

enzimi inattivanti le beta-lattamine, le famigerate beta-lattamasi (idrolasi dette

“penicillinasi” o “cefalosporinasi” nel caso in cui reagiscano rispettivamente con

penicilline o cefalosporine), sono secreti all’esterno della parete cellulare.

Parete cellulare dei gram-negativi.

Figura IV

Nei batteri gram-negativi, la parete cellulare è più complessa ed ha caratteristiche più

lipoidee (Figura IV). E’ presente, infatti, una membrana esterna, contenente varie

proteine, porine e soprattutto i lipopolisaccaridi (LPS). Essi costituiscono le

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endotossine batteriche e determinano risposte antigeniche, infiammatorie e gli shock

settici. Al di sotto è presente uno strato sottile di peptidoglicano (da 20 a 30 Å),

ancorato alla membrana soprastante dalle cosidette “lipoproteine di Braun”. Vi è poi

uno spazio intercellulare detto “periplasmico” e la sottostante membrana

citoplasmatica, in cui fluttuano varie proteine, tra cui le PBP. A differenza dei gram-

positivi, i batteri produttori di beta-lattamasi appartenenti ai gram-negativi, secernono

tali enzimi nello spazio periplasmico, realizzando una situazione più conservativa

(economizzazione biosintetica).

Tipologie di PBP (Penicillins Binding Proteins).

S

Sono note diverse classi di PBP , le quali rappresentano i “recettori” delle beta-

S

lattamine. In Escherichia coli (un gram-negativo), per esempio, sono state messe in

evidenza sette diverse PBP (Tabella 1). Negli altri batteri gram-negativi è presente

simile a quello di E. coli, con funzioni analoghe, ma

uno spettro di PBP

S

caratterizzate da pesi molecolari diversi.

Tabella 1 - Proteine batteriche leganti le penicilline (PBP ) in Escherichia coli

S

PBP Peso Copie Funzione enzimatica Funzione Risultato

molecolare per fisiologica della

(daltons) cellula inibizione

1 a 91-92.000 230 transpeptidasi (parete) Integrità Estensione

strutturale della

delle cellule parete, lisi

1 b 81-86.000 // // // //

2 66.000 20 endopeptidasi Mantenimento Forme

della forma a ovali

bacillo

3 60.000 50 transpeptidasi (setti) Divisione Filamenti

cellulare

4 49.000 110 endopeptidasi/carbossipeptidasi Nessuno

6

5 420.000 1.800 carbossipeptidasi //

6 40.000 570 // Nessuno

Il legame delle beta-lattamine alle PBP-1, le serin-transferasi per antonomasia di E.

coli e di altri batteri, porta a lisi cellulare; quello alle PBP-2, porta a cellule ovali prive

di rigidità e incapaci di riprodursi; quello alle PBP-3, genera batteri di forma allungata,

filamentosa, a causa dalla mancanza di un setto; il legame alle PBP-4, -5, -6 non ha,

invece, effetti letali. Chiarita l’importanza delle transpeptidasi nella biosintesi del

appartengono a tale categoria. Nei batteri

peptidoglicano, si evince che tre PBP

S

gram-positivi il numero di PBP pare sia variabile, in rapporto alla morfologia

S

cellulare; ad esempio, nei bacilli il numero di PBP è maggiore rispetto ai cocchi ed

hanno funzioni più complesse. Le beta-lattamine hanno, inoltre, un’affinità diversa

per le diverse forme di PBP (Tabella 2).

S

Tabella 2 - Legame delle beta-lattamine alle varie PBP .

S

Beta-lattamina Tipo di PBP coinvolta ( legame % )

benzilpenicillina benzatina PBP-1 ( 8 % )

PBP-2 ( 0,7 %)

PBP-3 ( 2 % )

PBP-4 ( 4 % )

PBP-5 ( 65 % )

PBP-6 ( 21 % )

amoxicillina, varie cefalosporine PBP-1

mecillinam, cefotaxima PBP-2

mezlocillina, cefuroxima PBP-3

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Figura V

Rappresentazione schematica della struttura di

una PBP ad attività transpeptidasica (struttura

tridimensionale ottenuta mediante diffrazione ai

raggi X di colture di pneumococco)

Caratteristiche chimico-fisiche delle penicilline.

Tutte le penicilline, studiate con metodi cristallografici ai raggi X, possono essere

considerate dei derivati dall’acido 6-amminopenicillanico (6-APA), il quale è costituito

β-lattamico

da un anello tiazolidinico (A) condensato ad uno (B); quest’ultimo porta

un gruppo amminico secondario (R-NH-), al quale si unisce una catena acilica

laterale (R-CO-), responsabile delle caratteristiche antibatteriche e farmacologiche

delle varie penicilline (Figura VI). Il termine “β-lattame” indica un’ammide ciclica a

quattro termini; il suo nome sistematico è azetidinone. Esso costituisce il gruppo

“farmacoforo” di tali molecole, ovvero quello che determina l’attività biologica del

farmaco. I sali di sodio e potassio delle penicilline sono cristallini e solubili in acqua e

possono essere impiegati per via orale e parenterale. Al contrario, i sali di procaina e

benzatina della benzilpenicillina sono molto poco solubili: questa proprietà è stata

opportunamente sfruttata per creare delle molecole deposito (penicilline ritardo), che

iniettate per via intramuscolare rilasciano lentamente la penicillina G, permettendo di

mantenere costanti i livelli ematici del farmaco per lunghi periodi.

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Figura VI

Nella forma cristallina anidra, i sali di penicillina sono stabili per lungo tempo (per

anni a 4°C); le soluzioni, invece, perdono la loro attività rapidamente e devono

essere preparate al momento della somministrazione. Le molecole sono non planari

ed otticamente attive e, nel caso più semplice della penicillina G, presentano tre

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centri di asimmetria (C , C e C ), con una configurazione assoluta di tipo 2S - 5R -

6R.

Figura VII β-lattamico,

L’anello dunque, non è planare e si trova in una conformazione assai

β-lattamico,

tesa, essendo i due anelli perpendicolari tra loro (Figura VII). L’azoto

fortemente in tensione, ha caratteristiche più spiccatamente elettrofile rispetto

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all’azoto esociclico della catena laterale e pertanto tenderà a reagire assai

rapidamente con vari nucleofili; in acqua, esso tende a rompersi molto lentamente,

ma, in ambiente alcalino, l’idrolisi è molto rapida e porta alla formazione dell’acido

penicilloico (sprovvisto dell’attività antibatterica), che decarbossila irreversibilmente

per dare l’acido penilloico (Figura VIII). Questa è la stessa reazione catalizzata dalle

beta-lattamasi batteriche. Tale reazione è data anche dagli alcoli e dalle ammine. In

β-lattamico

ambiente acido, invece, l’idrolisi del legame prevede la partecipazione

della catena laterale R. Se la catena R ha un gruppo elettron-donatore, il quale viene

protonato in vivo divenendo elettron-attrattore, la densità elettronica sul carbonile

della catena laterale diminuisce: di conseguenza, vi è una certa protezione delle

penicilline dalla degradazione acida. La degradazione può essere ritardata

tamponando il pH a 6,0 - 6,8 e mantenendo la preparazione a bassa temperatura.

Occorre, inoltre, evitare contaminazioni con zinco e rame che catalizzano l’idrolisi. La

catena laterale è quindi responsabile delle caratteristiche “aptofore” delle penicilline,

conferendo gastroresistenza e determinando il grado di legame alle PBP ed alle

S

proteine sieriche; infatti, più lipofila è la tale catena, più saranno pronunciate le

caratteristiche di legame alle proteine plasmatiche.

Schema della degradazione delle penicilline in funzione del pH.

Figura VIII 10

Appunti di Chimica farmaceutica della professoressa Grasso sulla penicillina con analisi dei seguenti argomenti: biosintesi del peptidoglicano, parete cellulare dei gram-positivi e gram-negativi, tipologie di PBPS, caratteristiche chimico-fisiche, classificazione delle penicilline, conformazione attiva delle penicilline.