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Chimica farmaceutica - penicilline Appunti scolastici Premium

Appunti di Chimica farmaceutica del professor Alcaro sulla penicillina con analisi dei seguenti argomenti: differenze nella parete batterica di Gram + e Gram -, sintesi di peptidoglicano, PBPs, penicilline, meccanismo d’azione, spettro d’azione delle penicilline, resistenza... Vedi di più

Esame di Chimica farmaceutica docente Prof. S. Alcaro

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Figura 8. 2EX6: PBP-4 e ampicillina [6]

Figura 9. 2EX8: PBP-4 e penicillina G [6] 13

CAPITOLO 3

3.1. Penicilline

Le penicilline sono composti caratterizzati da un nucleo tiazolidinico o beta lattamico ed è

questo che rappresenta il requisito per l’attività battericida ed è quindi gruppo farmacoforo. Tale

requisito è condizionato, però, dalla presenza in posizione alfa dell’anello di un gruppo

amminico sostituito da un radicale acilico (Fig. 10).

Le penicilline sono N- acilderivati dell’acido 6- aminopenicillanico (6- APA), composto

biciclico ottenuto per fusione di un anello a quattro termini beta lattamico con un anello

tiazolidinico a cinque termini.

Si distinguono penicilline naturali, ottenute da colture di Penicillium notatum o chrysogenum, e

semisintetiche, ottenute dall’acilazione del 6- APA.

Figura 10.Classificazione delle penicilline

14

3.2. Meccanismo d’azione

Le beta lattamine si comportano da “substrati suicidi” in quanto acilano irreversibilmente gli

enzimi bersaglio all’altezza dei siti attivi, rendendoli inattivi, e contemporaneamente perdono

l’integrità della propria struttura beta lattamica.

La transpeptidasi viene acilata dalla penicillina sull’ossidrile del residuo di Serina con

conseguente formazione di penicilloil-enzima inattivo e relativa scissione del legame –CO-NH-

β-lattamico.

dell’anello Figura 11. Acilazione

β-lattamico

L’anello dell’antibiotico forma con l’enzima transpeptidasi un legame acilico

covalente ed irreversibile probabilmente per l’analogia sterica tra l’antibiotico ed il bersaglio

dell’enzima, costituito dalle due D-alanine. A livello molecolare il meccanismo delle penicilline

consiste in un attacco nucleofilo del gruppo ossidrilico della Serina presente nell’enzima

transpeptidasi al carbonio del carbonile dell’anello betalattamico (Fig. 11). 15

3.3. Uno studio

La struttura co-cristallizzata del complesso PBP-penicillina G è stata determinata con una

risoluzione di 1.3 A° (Fig. 12) per studiarne gli aspetti del substrato specifico ed il meccanismo

catalitico. Per l’analisi è stata generata una proteina inattiva, usata per produrre complessi

enzima-substrato, provocando la mutazione di un residuo implicato nella stabilizzazione

dell’intermedio tetraedrico che si forma durante la catalisi così da inattivare l’enzima senza

prevenire il processo autocatalico o l’abilità di legare il substrato.

Il residuo dell’enzima mutato in Ala sull’-OH è Asn B241 ed ha un ruolo importante nel

mantenere la geometria del sito attivo e nel legare del substrato, Le analisi di questa struttura

mostrano una reazione che procede in maniera diretta attraverso un attacco nucleofilo della Ser

B1 sull’amide [7]. Figura 12. 1GM7: PBP-penicillina G [7] 16

3.4. Spettro d’azione delle penicilline.

Tutte le penicilline (ad eccezione degli agenti antistafilococcici semisintetici penicillasi-

resistenti) vengono idrolizzate dalle beta lattamasi e sono quindi inefficaci contro ceppi che

producono questi enzimi. La penicillina G ha uno spettro che comprende le spirochete

(Treponema pallidum, Borrelia e Leptospira), gli streptococchi (di gruppo A e B, viridanti e

Streptococcus pneumoniae), gli enterococchi, la maggior parte delle neisserie e pochi

stafilococchi, molti batteri del cavo orale di difficile coltura (Porphyromonas e Prevotella spp.,

streptococchi, Actinomices e Fusobacterium), Clostridium spp. (eccetto C. difficile). Tuttavia la

resistenza alla penicillina G è molto diffusa tra gli stafilococchi, sta aumentando tra i

gonococchi, gli enterococchi, i pneumococchi e sta emergendo tra i meningococchi. La

penicillina G è un farmaco di scelta per la sifilide, la framboesia, la leptospirosi, le infezioni da

stafilococchi di gruppo A e B, l’actinomicosi, le infezioni orali e periodontali, la meningite

meningococcica, l’endocardite da streptococco viridante, il tetano, il carbonchio, la febbre da

morso di ratto.

Lo spettro dell’ampicillina si estende ad alcuni batteri Gram negativi; è attiva contro alcuni

ceppi di Escherichia coli, Proteus mirabilis, Salmonella, Shigella, H. influenzae ed è uno dei

farmaci di scelta per i microrganismi sensibili ai beta lattamici che causano infezioni urinarie,

per la salmonellosi, la meningite e la laringite da H. influenzae e per la meningite da Listeria

monocytogenes. Il frequente sviluppo di una resistenza a questo antibiotico ne ha ridotto il

valore terapeutico in alcune situazioni. Per esempio più dell’80% dei ceppi di E. coli e P.

mirabilis risulta resistente in alcuni ospedali, così come dal 10 al 30% dei ceppi di H. influenzae.

Le penicilline penicillasi-resistenti vengono usate solamente per il trattamento delle infezioni

stafilococciche e sono farmaci di scelta nelle infezioni sistemiche o profonde da germi sensibili.

Sfortunatamente, in media circa il 30% dei ceppi di S.aureus e più del 60% degli isolati di

stafilococchi coagulasi negativi acquisiti negli ospedali statunitensi sono resistenti a questi

agenti (cioè meticillino-resistenti). Lo spettro antibatterico di questi farmaci comprende anche la

maggior parte dei batteri Gram positivi sensibili alla penicillina G.

Lo spettro delle penicilline anti-Pseudomonas comprende i batteri sensibili all’ampicillina e

altri bacilli Gram negativi enterici diversi da Pseudomonas. Per esempio, la piperacillina è attiva

contro molti Proteus indolo positivi, Enterobacter, Providencia, Klebsiella e Serratia spp.

Tuttavia, la sensibilità di queste penicilline alle beta lattamasi limita notevolmente la loro utilità

come terapia empirica di fronte al sospetto di infezioni causate da microrganismi Gram negativi

enterici. Il ruolo principale di questi composti è nel trattamento di infezioni, dimostrate o

17

sospette, da P.aeruginosa e Acinetobacter, per i quali sono tra i farmaci di scelta. La loro attività

relativa nei confronti di Pseudomonas è la seguente: piperacillina>mezlocillina>carbenicillina

[8-9]. PENICILLINE SENSIBILI ALLE BETA LATTAMASI

Penicillina G

SPETTRO LIMITATO Penicillina V

Ampicillina

ATTIVE SUI BACILLI ENTERICI Amoxicillina

Carbenicillina, ticarcillina,

ATTIVE SUI BACILLI ENTERICI E mazlocillina, azlocillina,

PSEUDOMONAS piperacillina, Indanil-

carbenicillina

PENICILLINE RESISTENTI ALLE BETA LATTAMASI

Meticillina, oxacillina,

ANTISTAFILOCOCCIHCE nafcillina,

Cloxacillina, dicloxacillina

Ticarcillina e acido

clavulanico,

ASSOCIAZIONI CON INIBITORI ampicillina e sulbactam,

DELLE BETA LATTAMASI piperacillina e tazobactam

Amoxicillina e acido

clavulanico 18

CAPITOLO 4

4.1. Resistenza batterica

Batteri che sono normalmente suscettibili a certi agenti antibatterici possono acquisire resistenza.

La resistenza acquisita rappresenta una della principali limitazioni a un’efficace chemioterapia

antibatterica.

I batteri sviluppano resistenza agli antibiotici beta lattamici con vari meccanismi. Il più comune è

la distruzione del farmaco da parte di beta lattamasi. Le beta lattamasi dei Gram negativi sono

confinate nel periplasma, tra la membrana più interna ed esterna; i batteri Gram positivi liberano

le loro beta lattamasi nello spazio circostante. Questi enzimi hanno un’affinità maggiore per il

farmaco di quanta non ne abbia quest’ultimo per il suo bersaglio. Il legame comporta l’idrolisi

dell’anello beta lattamico. Geni che codificano per beta lattamasi sono stati identificati sia in

sede cromosomica che extracromosomica e sia nei batteri Gram positivi che in quelli Gram

negativi; questi geni si trovano spesso in elementi genetici mobili (plasmidi, trasposoni e

batteriofagi). Per superare la resistenza mediata dalle beta lattamasi è stata attuata una strategia

che consiste nel somministrare il beta lattamico in associazione con un inibitore enzimatico che

si lega avidamente all’enzima inattivante prevenendo il suo attacco all’antibiotico.

Sfortunatamente questi inibitori (per esempio acido clavulanico, sulbactam, tazobactam) non

legano tutte le classi di beta lattamasi e quindi non si ha la certezza che possano sempre

prevenire l’inattivazione di un antibiotico beta lattamico.

Non sono disponibili allo stato attuale antibiotici beta lattamici o inibitori che possano resistere a

tutte le beta lattamasi che sono state identificate.

Un secondo meccanismo di resistenza batterica ai beta lattamici è un’alterazione delle strutture

bersaglio PBP (penicillin-binding-proteins), in modo tale che esse abbiano un’affinità

marcatamente ridotta per il farmaco. Anche se questa alterazione può avvenire per mutazione di

un gene già esistente, è molto più importante l’acquisizione di nuovi geni PBP (come nella

resistenza alla meticillina degli stafilococchi) o di nuovi segmenti dei geni PBP (come nella

resistenza alla penicillina di streptococchi, gonococchi e meningococchi) [2]. 19

4.2. Studi conformazionali

È stata descritta la struttura della PBP 2x estratta da Streptococcus pneumonie e determinata con

una risoluzione di 2.4 A° (Fig. 13); la struttura mette in luce alcuni residui aminoacidici, Thr338,

Thr550 e Gln552, a relazione diretta con il fenomeno della resistenza [10].

Figura 13. 1QMF: PBP 2x [10]

Nei batteri Gram negativi la resistenza è mediata da una ridotta permeabilità della membrana

esterna associata a un rapido efflusso dell’antibiotico dallo spazio periplasmico verso la parte più

esterna della cellula. Mutazioni di geni che codificano le proteine della membrana esterna, le

porine, riducono l’ingresso dei beta lattamici all’interno delle cellule, mentre altre proteine

formano dei canali che pompano attivamente i beta lattamici fuori dalla cellula [2].

Penicilline provviste di radicali acidi costituiti da raggruppamenti voluminosi, in grado di

produrre elevati ingombri sterici, sono resistenti alle penicillasi poichè l’attacco dell’enzima

all’altezza dell’anello beta lattamico è impedito. Nelle beta lattamine penicillasi-resistenti il

gruppo acilico ingombrante è direttamente unito al carbonile, mentre in tutte le altre tra i due

gruppi è sempre interposto un metilene sostituito che, creando una maggiore distanza tra arile e

anello beta lattamico, annulla in parte l’effetto negativo prodotto dall’ingombro sterico. Inoltre

nella catena laterale, in posizione 6, le penicilline acido stabili e resistenti alle beta lattamasi

possiedono un gruppo elettron-attrattore che conferisce maggiore stabilità all’anello. 20

L’Enterocuccus faecium risulta resistente alla penicillina attraverso la sovrapproduzione di PBP-

5 a bassa affinità per la penicillina (Fig. 14). Soltanto una struttura di penicillina sensibile alla

PBP è stata svelata (PBP 2x da Streptococcus pneumoniae) [11].

Figura 14. PBP-5 a bassa affinità

La PBP5 resistente alla penicillina è composta da due domini: il dominio N-terminale, di cui

non è ancora nota la funzione biologica, ed il dominio C-terminale, che richiama il dominio

transpeptidasico della PBP 2x e, in maniera più generale, gli enzimi che riconoscono le

penicilline (DD-peptidasi, DD-carbossipeptidasi, beta lattamasi di classe A, C o D). Il sito attivo

è delimitato dai classici motivi costanti per queste proteine [12].

Gli studi computazionali sono stati utili per capire le differenze tra due proteine ritenute

evoluzionalmente correlate (Fig. 15): le beta lattamasi e le PBP. Si pensa che le prime derivino

dalle PBP ancestrali, anche se le due proteine mantengono la stessa struttura tridimensionale ed i

residui del sito attivo. Entrambi sono enzimi del tipo serino-proteasi. Le PBPs sono inattivate dai

beta lattami, mentre le beta lattamasi le inattivano poiché sono scarsi catalizzatori dell’idrolisi

21

per il complesso acil-enzima. Sembra che la Tyr sia essenziale per l’interazione e la

stabilizzazione del complesso tramite ponti idrogeno [13].

Figura 15. Beta lattamasi e PBPs sono evoluzionalmente correlate

4.3. Inibitori delle beta lattamasi

L’aggiunta di inibitori delle beta lattamasi (acido clavulanico, sulbactam o tazobactam)

all’ampicillina, all’amoxicillina, alla ticarcillina o alla piperacillina, allarga lo spettro

antibatterico di questi agenti a molti microrganismi che sono resistenti in virtù della produzione

di beta lattamasi. Queste specie comprendono E.coli, Klebsiella spp., tutte le specie di Proteus,

H. influenzae, Moraxella catarrhalis, Providencia spp e Bacteroides spp. Tali combinazioni

sono attive anche nei confronti degli stafilococchi che producono beta lattamasi, ma che non

sono meticillino resistenti. Tuttavia, l’efficacia di queste combinazioni nelle infezioni

stafilococciche gravi non è ancora stata adeguatamente dimostrata. Inoltre, Enterobacter,

Pseudomonas, Acinetobacter e vari ceppi Gram negativi enterici producono beta lattamasi non

inibite da questi composti o sviluppano una resistenza attribuibile a meccanismi mediati da beta

lattamasi.

L’acido clavulanico è potente inibitore irreversibile di beta lattamasi e pertanto usato spesso in

associazione con ampicillina e amoxicillina (Augumentin, Clavulin), penicilline altrimenti

sensibili all’idrolisi da beta lattamasi [2].

Sono state determinate le strutture cristalline di acido clavulanico e sulbactam legati ad una

variante di beta lattamasi SHV-1 E166A che difetta nella deacilazione (Fig. 16-17). Le strutture

22

raggi X, ottenute ad elevata risoluzione, mostrano un intermedio carbossilato in cui l’unione

covalente è al sito attivo del residuo di Ser 70. Si pensa che questo intermedio abbia un ruolo

chiave nell’inibizione transitoria delle beta lattamasi di classe A [14].

Figura 16. 2A49 Acido clavulanico e SHV-1 E166A [14]

Figura 17. 2A3U Sulbactam e SHV-1 E166A [14] 23

Una risposta batterica all’uso di inibitori di beta lattamasi di classe A come tazobactam e acido

clavulanico è indice di beta lattamasi con debole affinità di legame per questi inibitori. Alcune di

queste lattamasi resistenti agli inibitori contengono la mutazione G130S. La struttura

cristallografica del complesso tazobactam-lattamasi SHV-1 di classe A con mutazione G130S è

stata determinata con una risoluzione di 1.8 A° (Fig. 18) [15].

Figura 18. 1TDL: struttura della beta lattamasi SHV-1 [15] 24


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Appunti di Chimica farmaceutica del professor Alcaro sulla penicillina con analisi dei seguenti argomenti: differenze nella parete batterica di Gram + e Gram -, sintesi di peptidoglicano, PBPs, penicilline, meccanismo d’azione, spettro d’azione delle penicilline, resistenza batterica, studi conformazionali, inibitori delle beta lattamasi, infezioni nosocomiali per antibiotico resistenza.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in farmacia
SSD:
A.A.: 2013-2014

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher valeria0186 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Chimica farmaceutica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Magna Graecia - Unicz o del prof Alcaro Stefano.

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