Chimica farmaceutica - penicilline

Università degli studi "Magna Græcia" di Catanzaro

Facoltà di farmacia

Scuola di Specializzazione in Farmacia Ospedaliera

Tesina di chimica farmaceutica 1

Penicillin-binding-proteins

Miriam Ciriaco

Matr. 90589

Anno accademico 2005-2006

Indice

• Capitolo 1:
  • 1.1. Introduzione pag. 3
  • 1.2. Differenze nella parete batterica di Gram + e Gram - pag. 5
  • 1.3. Sintesi di peptidoglicano pag. 6
• Capitolo 2:
  • 2.1. PBPs pag. 10
  • 2.2. Alcuni studi pag. 11
• Capitolo 3:
  • 3.1. Penicilline pag. 14
  • 3.2. Meccanismo d'azione pag. 15
  • 3.3. Uno studio pag. 16
  • 3.4. Spettro d'azione delle penicilline pag. 17
• Capitolo 4:
  • 4.1. Resistenza batterica pag. 19
  • 4.2. Studi conformazionali pag. 20
  • 4.3. Inibitori delle beta lattamasi pag. 22
• Capitolo 5:
  • 5.1. Infezioni nosocomiali per antibiotico resistenza pag. 25
• Capitolo 6:
  • 6.1. Conclusioni pag. 26
• Capitolo 7:
  • Bibliografia e Webgrafia pag. 27

Capitolo 1

1.1. Introduzione

Un chemioterapico ideale è, riprendendo il concetto espresso da Paul Ehrlich padre della moderna chemioterapia, una sorta di “magico proiettile”, capace di distruggere l’agente invasivo senza ledere l’ospite. Questo concetto di tossicità selettiva si adatta bene agli antibiotici beta-lattamici [1].

Gli agenti chemioterapici diretti contro qualsiasi stadio della sintesi, del trasporto, dell’assemblaggio e della formazione dei ponti trasversali del peptidoglicano provocano un’inibizione della crescita batterica e, nella maggior parte dei casi, la morte cellulare.

Gli antibiotici lattamici (penicilline, cefalosporine, carbapenemi e monobattami), caratterizzati dalla presenza di un anello lattamico a quattro atomi, impediscono la formazione dei legami crociati dello scheletro glicolipidico (transpeptidazione). La transpeptidasi ed altri enzimi simili coinvolti in questa reazione vengono chiamati proteine leganti la penicillina (penicillin-binding-proteins, PBP) poiché contengono siti attivi in grado di legare gli antibiotici beta lattamici [2].

La parete protegge i batteri dalla rottura cellulare legata alla differenza di osmolarità tra l’interno della cellula, fortemente iperosmolare (fino a 20 atm) e i tessuti dell’ospite, generalmente isosmolari o iposmolari. La struttura che conferisce alla parete rigidità e resistenza alla lisi osmotica è il peptidoglicano, che forma attorno al batterio un involucro contenente legami covalenti. Il peptidoglicano è composto da uno scheletro di due aminozuccheri che si alternano: N-acetilglucosamina (NAG) e acido N-acetilmuramico (NAM) uniti, mediante legame glucosidico, ad una catena di quattro aminoacidi, inoltre, un peptide a ponte collega le catene peptidiche (Fig. 1).

Figura 1: Peptidoglicano

Le subunità che aggregate formano il peptidoglicano (uno zucchero legato a cinque aminoacidi) vengono assemblate nel citoplasma e poi trasportate, attraverso la membrana citoplasmatica, verso la superficie cellulare. Il successivo legame tra le subunità si realizza attraverso il clivaggio dell’aminoacido terminale del ramo peptidico (Fig. 2).

Disaccaride + peptide Ponti di pentaglicina

Figura 2: Legami tra le diverse catene

1.2. Differenze nella parete batterica

Tramite la colorazione di Gram è stato possibile distinguere le due tipologie batteriche in funzione delle differenze di composizione propria della membrana esterna: nei batteri Gram positivi il peptidoglicano è l’unico strato esterno alla membrana cellulare e il suo spessore va dai 20 agli 80 nm, inoltre sono presenti proteine ed acidi tecoici (glicerina e ribitolo alternati con acido fosforico); nei batteri Gram negativi è presente una membrana esterna di lipopolisaccaride (LPS) che ricopre uno strato molto sottile (1 nm) di peptidoglicano [3] (Fig. 3).

Figura 3: Caratteristiche differenti nella parete batterica

Nei Gram negativi, tra le membrane esterna e quella citoplasmatica, si trova lo spazio periplasmico che è sede sia della parete del peptidoglicano sia degli enzimi lattamasici, come penicillasi e cefalosporinasi, capaci di idrolizzare l’anello beta lattamico degli antibiotici. L’organizzazione strutturale dei Gram negativi rende difficile l’attacco da parte degli antibiotici beta lattamici poiché questi devono diffondere attraverso porine presenti sulla membrana esterna per poter raggiungere le maglie di peptidoglicano e, quindi, la membrana citoplasmatica ove si trovano i siti bersaglio: serinoproteasi, transpeptidasi, transglicolasi ecc., enzimi necessari alla sintesi della parete batterica e proteine leganti le penicilline, le PBPs; qui le beta lattamine devono avere la capacità di resistere alle beta lattamasi costitutive dei Gram negativi per poter esplicare la loro azione.

1.3. Sintesi di peptidoglicano

Nella sintesi di peptidoglicano si distinguono tre stadi:

• Il ciclo dell’UDP avvia il processo biosintetico portando alla produzione, nel citoplasma, di UDP-acetilglucosamina e UDP-muramil-pentapeptide.
• Il ciclo del fosfolipide permette di ottenere l’unione ripetuta delle due unità base in modo da formare un polimero lineare.
• Completa lo sviluppo di parete batterica il cross-linking fra le catene neoformate (Fig. 4).

La formazione di ponti crociati, legami trasversali, si ha mediante un legame peptidico tra il carbossile dell’alanina in posizione 4 di uno dei pentapeptidi ed il gruppo amminico libero della lisina in posizione 3 di un’altra catena pantapeptidica con perdita di una D-alanina terminale. L’energia per il legame di un ponte peptidico da un ramo di una subunità ad un’altra deriva dal clivaggio di un residuo terminale di D-alanina dal ramo peptidico stesso. L’aminoacido a ponte viene legato alla penultima D-alanina dall’enzima transpeptidasi.

Figura 4: Fase di cross-linking

McDonough e coll. [4] hanno ottenuto le prime strutture cristallografiche di intermedi cinetici coinvolgendo una PBP, la D-alanil-D-alanina carbossipeptidasi/transpeptidasi del batterio Streptomyces R61 ed un suo substrato specifico, un tetrapeptide che corrisponde ad una porzione di peptidoglicano. È stato estrapolato il complesso enzima-substrato unito non covalentemente (ES) e poi il complesso enzima-prodotti (EPs) (Fig. 5).

Nella figura E è l’enzima libero, S è il substrato, ES è il complesso non covalente, ES* è il complesso covalente, EP è il complesso non covalente tra l’enzima e il peptide idrolizzato, e Pr rappresenta il peptide libero prodotto.

Figura 5: Reazione carbossipeptidasica di R61 DD-peptidasi

Nel complesso ES (Fig. 6A) si può vedere l’ossigeno catalitico della Serina attiva S62 posizionato a 2.8 A° dal carbonio del carbonile del peptide legato. Numerose interazioni non covalenti, tra il tetrapeptide substrato e l’enzima, dimostrano la straordinaria specificità di tale substrato.

Figura 6A. Complesso ES. I residui del sito attivo sono in giallo, il tetrapeptide substrato è arancione. I legami idrogeno sono raffigurati come linee tratteggiate grigie, le interazioni idrofobiche gialle, e i cross-links come linee piene rosse.

Figura 6B. Il complesso EPs. Sia il tripeptide prodotto sia la D-alanina libera sono in arancione.

Capitolo 2

2.1. PBPs

Le Penicillin-Binding-Proteins sono enzimi con ruoli diversi ed essenziali all’interno della cellula batterica e la cui mancanza o inibizione ha effetto battericida. Le PBP – 1 sono transpeptidasi, come le serinotransferasi, necessarie all’integrità strutturale e la cui inibizione determina un'azione battericida.