Antibioticos Betalactamicos QF

Universidade Federal do Paraná Setor de Ciências da Saúde Curso de Farmácia Disciplina de Química Medicinal Farmacêutica

Antibióticos

Introdução

Conceito: São substâncias químicas específicas derivadas de, ou produzidas por organismos vivos, bem como seus análogos estruturais obtidos por síntese, capazes de inibir, em baixas concentrações, processos vitais de uma ou mais espécies de microrganismos.

Fontes: Naturais: bactérias (67,1%: Pseudomonales: 1,2%; Eubacteriales (Baccili): 7,7%; Actynomycetales: 58,2%), fungos (18,1%), plantas superiores (12,1%), animais (1,8%) e algas e liquens (0,9%).

Síntese química.

Usos: Profilaxia e tratamento de infecções, bem como para fins de diagnóstico (antibiograma).

Seu uso e, sobretudo, seu abuso acarreta porém o risco de mutações genéticas nas bactérias, resultando na resistência destas ou sua insensibilidade às substâncias antibióticas usadas e, porventura, a outras que sejam quimicamente semelhantes.

Além desses inconvenientes, praticamente todos os doentes que usam antibióticos vêm a sofrer modificações mais ou menos significativas na população microbiana normal existente no intestino e nas vias respiratórias e genitourinária. Tal circunstância, aliás freqüente, é perigosa pela possível exaltação e desenvolvimento de Proteus, Pseudomonas, Candida albicans e diversos fungos e bactérias, que podem ser difíceis de eliminar.

Antibióticos β-lactâmicos

Histórico

1929 – Alexander Fleming descobre acidentalmente a propriedade antibacteriana da penicilina (Penicillium notatum).

1939 – Florey, Chain e Abraham isolaram e identificaram a penicilina G (benzilpenicilina).

1945 – Brotzu observou a ação inibitória do Cephalosporidium acremonium no crescimento de bactérias Gram-positivas e Gram-negativas.

1946 – du Vigneaud e cols. sintetizaram pela primeira vez a penicilina G, com um rendimento de 0,008%.

1953 – Newton e Abraham isolaram a cefalosporina C a partir de culturas de Cephalosporidium sp.

1957 – Sheehan e Hénery-Logan realizaram a síntese da penicilina G (0,3%), da penicilina V (fenoximetilpenicilina, 10%) e do ácido 6-aminopenicilânico (6-APA).

1959 – Batchelor e colaboradores isolaram o 6-APA a partir de culturas de Penicillium chrysogenum deficientes de precursores da cadeia lateral.

____________________________________________________________________________________________ UFPR – Química Medicinal Farmacêutica

1

Anos 70 em diante: - Modificações moleculares de antibióticos β-lactâmicos: - novas penicilinas; - cefalosporinas de 2ª, 3ª e 4ª geração. Obtenção do primeiro membro dos antibióticos β-lactâmicos não clássicos: amdinocilina (Lund, 1971). Triagem para descobrimento de novos antibióticos β-lactâmicos naturais.

Estrutura

NO

R

R= função ácida (COOH, SO3H etc) Grupo farmacofórico: anel β-lactâmico ligado a uma função ácida.

Mecanismo de ação

Impedem a biossíntese da parede celular bacteriana pela inibição irreversível da enzima transpeptidase

Transpeptidase: enzima responsável pela formação do peptideoglicano, estrutura que confere rigidez e forma (cocos, bacilos, vibriões) à parede celular bacteriana.

Parede celular de bactérias Gram-positivas. Parede celular de bactérias Gram-negativas.


2

Estrutura da parede celular bacteriana. Formação da ligação cruzada entre as

cadeias do peptideoglicano.

X Y

L-ala

D-glu

L-lys

NH

(gly)5

O NH

OH

O

NH2OH

O

D-ala

D-ala

D-ala

TPHXX

X Y

L-ala

D-glu

L-lys

NH

(gly)5

O

X Y

L-ala

D-glu

L-lys

NH

(gly)4

O NH

OH

O

O

NH2

HX

X Y

L-ala

D-glu

L-lys

NH

(gly)5

O

X Y

L-ala

D-glu

L-lys

NH

(gly)4

O NH

OH

O

O

NH

TP

TP

Reação para formação do peptideoglicano, ao nível molecular.

Semelhança dos antibióticos β-lactâmicos com a porção D-alanil-D-alanina da cadeia peptídica do peptideoglicano:


3

Propostas para inibição da enzima transpeptidase pelas penicilinas (alta reatividade do anel β-lactâmico):

N

S CH3

CH3

COOH

NC

O

H

O

RH H

N

S CH3

CH3

COOH

NC

O

H

O

RH H

X

H

XH

transpeptidase transpeptidase KOROLKOVAS, A. Essentials of medicinal chemistry, 2nd ed, New York: Wiley, 1988. 1204 p.

N

SCH3

CH3

CO

OOH

NHR

O

HX N

H

H

ENZIMA

NHC

SCH3

CH3

CO

OOHH

X NH

ENZIMA

NHR

O

NOGRADY, T. Medicinal chemistry, a biochemistry approach. New York: Oxford University Press, 1985. 449 p.

Efeito nas bactérias: ruptura da membrana e da parede celular bacteriana e extravasamento do citoplasma, com conseqüente morte do microrganismo.

Pressão interna: G+: ~ 20 atm

G -: ~ 5 atm

Efeito bactericida.

Toxicidade seletiva: as células de mamíferos não apresentam parede celular.

Classes

Antibióticos β-lactâmicos clássicos o Penicilinas o Cefalosporinas

Antibióticos β-lactâmicos não clássicos


4

Antibióticos β-lactâmicos clássicos Apresentam a seguinte estrutura geral:

- anel β-lactâmico, condensado com um anel contendo um heteroátomo;

- cadeia lateral amídica na posição α à carbonila.

NHO

NHCR

O

X

Penicilinas

NO

NHCR

O

S

CH3

CH3

HCOOR'

H H

16

3

5

Estrutura básica:

Anel β-lactâmico fundido a um anel tiazolidínico.

Grupo carboxílico na posição 3.

Cadeia lateral amídica adequadamente substituída.

Três centros quirais (oito formas opticamente ativas): somente o estereoisômero 3S:5R:6R apresenta atividade biológica.

Ressonância normal da amida do anel é suprimida pelo sistema de anéis fundidos (não coplanar).

Anel β-lactâmico altamente reativo: extremamente susceptível ao ataque nucleofílico ou eletrofílico.

Grupo ácido carboxílico: pKa ~ 2,65; se tiver grupo básico na cadeia lateral, pode existir como zwitterions (ex. ampicilina).

Protótipo: penicilina G (benzilpenicilina).

NO

NHCO

S

CH3

CH3

COOH Penicilina G = benzilpenicilina


5

Limitações da penicilina G

1 - Inativação em meio ácido:

NO

NHCR

O

S

CH3

CH3

COOH

NO

NHCR S

CH3

CH3

COOH

OH+

NHO

N+

CR S

CH3

CH3

COOH

O

H

N

S

CH3

CH3

COOH

N

HOOC

R

Ácido penílico

- H+

Por esta razão, a penicilina G não é usada por via oral.

2 - Inativação pelas β-lactamases (ou penicilinases: enzimas responsáveis pela resistência bacteriana a esta classe de compostos):

NO

NHCR

O

S

CH3

CH3

COOHXH

NHO

NHCR

O

S

CH3

CH3

COOHX

H--OH

NH

NHCR

O

S

CH3

CH3

COOH

HOOC

XH

+

Ácido penicilóico

- CO2

NH

NHCR

O

S

CH3

CH3

COOH

Ácido penilóico

Por esta razão, deve-se evitar usar a penicilina G em cepas resistentes; necessidade de identificação da bactéria e determinar sua resistência.


6

3 - Inativação em meio aquoso:

NO

NHCR

O

SCH3

CH3

COOH

H--OH

NH

NHCR

O

SCH3

CH3

COOH

HOOC

Ácido penicilóico

- CO2

NH

NHCR

O

SCH3

CH3

COOHÁcido penilóico

Por esta razão a maioria das preparações aquosas da penicilina G é preparada no momento da administração.

4 - Baixo espectro de ação: atua sobre a maioria das bactérias G +. Não atravessa a membrana externa das bactérias G -, para atuar sobre a parede celular.

5 - Meia vida curta: A penicilina G tem um t1/2 de 30 minutos, após administração IM, devido à rápida eliminação através dos rins, por secreção tubular ativa. Para aumentar o t1/2 da penicilina G, pode-se associar à probenecida ou preparar formas latentes.

Obtenção

Penicilina G: culturas de Penicilllium notatum e P. chrysogenum.

Penicilinas biossintéticas: adição de precursores da cadeia lateral ao meio de fermentação. Aplicação limitada, devido à capacidade biossintética do fungo.

Exemplos:

Penicilina Precursor

Penicilina V (fenoximetilpenicilina) Ácido fenoxiacético

Penicilina O (aliltiometilpenicilina) Ácido aliltioacético

NO

NHCCH2

O

SCH3

CH3

COOH

O

Penicilina V

Penicilina O

NO

NH

O

SCH3

CH3

COOH

S

Penicilinas semi-sintéticas: a partir do ácido 6-aminopenicilânico (6-APA), produto da hidrólise da

benzilpenicilina.

Hidrólise: enzimática e química.


7

Hidrólise enzimática:

NO

NHCCH2

O

SCH3

CH3

COOH

amidase, H O2

NO

NH2 SCH3

CH3

COOH

6-APA

CH2COOH

Ácido fenilacético

+

Hidrólise química: desvantajosa em relação à hidrólise enzimática (muitas etapas, baixo rendimento).

Acilação do 6-APA:

NO

NH SCH3

CH3

COOH

R

ONO

NH2 SCH3

CH3

COOH

6-APA

N C N

R OH

O

R Cl

O

(C H ) N, solv. org.2 5 3

solv. org., aceptor de H+

O

O

O

R

R

A partir da acilação do 6-APA (ou a partir da adição de precursores da cadeia lateral ao meio de fermentação) foi possível obter:

1) Penicilinas resistentes à inativação em meio ácido. 2) Penicilinas resistentes à inativação pela β-lactamase. 3) Penicilinas de amplo espectro. 4) Penicilinas latentes.

Penicilinas sintéticas: pouco valor comercial (baixos rendimentos).

Tipos de penicilinas:

1) Penicilinas resistentes à inativação em meio ácido: Possuem grupos retiradores de elétrons na cadeia lateral, prevenindo o rearranjo.

NO

NHCCH2

O

SCH3

CH3

COOH

O

Penicilina V

NO

NHCCH

O

SCH3

CH3

COOH

O

CH3

Feneticilina


8

NO

NHCCH

O

SCH3

CH3

COOH

NH2

Ampicilina

NO

NHCCH

O

SCH3

CH3

COOH

NH2

HO

Amoxicilina

2) Penicilinas resistentes à inativação pela β-lactamase: Possuem grupos volumosos (anéis aromático orto-dissubstituídos) ligados diretamente à carbonila amídica da cadeia lateral, o que causa impedimento estérico na interação com a β-lactamase.

NO

NHC

O

SCH3

CH3

COOH

OMe

OMe

Meticilina

NO

NHC

O

SCH3

CH3

COOH

OEt

Naficilina

NO

NHC

O

SCH3

CH3

COOH

O

N

Me

Ph

Oxacilina

CIM (μg/ml) Microrganismo Penicilina G Meticilina Oxacilina

S. aureus 0,02 1,25 0,1-1,6 S. pyogenes 0,01 0,25 - S. fecalis 2,5 25 -

3) Penicilinas de amplo espectro: Possuem grupos de caráter hidrofílico na cadeia lateral, alterando a hidrofilia das penicilinas e permitindo a passagem destas através dos canais de porina da membrana externa das bactérias G -.

NO

NHCCH

O

SCH3

CH3

COOH

NH2

Ampicilina

NO

NHCCH

O

SCH3

CH3

COOH

NH2

HO

Amoxicilina

NO

NHCCH

O

SCH3

CH3

COOH

COOH

Carbenicilina

4) Penicilinas latentes:

Sais de alto peso molecular, pouco hidrossolúveis:

NO

NHCCH2

O

SCH3

CH3

COO

CH3 C

O

OCH2CH2N+

H

CH2

CH2CH3

CH3

Penicilina G Procaína

NO

NHCCH2

O

SCH3

CH3

COO

CH2N+CH2CH2 N

+CH2

H

HH

H

2

Penicilina G benzatina

Ésteres que lentamente são hidrolisados no organismo, gerando as penicilinas:

NO

NHCCH2

O

SCH3

CH3

O CH2 O CO

CH3

OPenamecilina

NO

NHCCH

O

SCH3

CH3

O CH O CO

CH2

O

NH2

CH3

CH3

Bacampicilina


9

Cefalosporinas

NO

NHC

O

X

R'

COOH

R''R H

67

Cefalosporinas clássicas: X = S

R" = H

Cefamicinas: X = S

R" = OCH

Oxacefemas: X = O

R" = OCH

3

3

Estrutura básica:

Cefalosporinas clássicas: anel β-lactâmico fundido a um anel di-hidrotiazínico, levando a menor tensão que as penicilinas.

Grupo carboxílico na posição 4.

Ramificação em C-3, relacionada com as propriedades farmacocinéticas (R’).

Ramificação em C-7, relacionada com o espectro antibacteriano (R”).

o CH3O- em C-7: aumenta a resistência à β-lactamase (cefamicinas).

Cadeia lateral amídica adequadamente substituída.

Dois centros quirais (quatro formas opticamente ativas): somente o estereoisômero 6R:7R apresenta atividade biológica.

Possibilidade de ressonância da enamina no anel di-hidrotiazínico, se R’ tiver grupo retirador de elétrons ou grupo abandonador, aumentando a potência e a reatividade.

CIM (μg/ml) Microrganismo Penicilina G Cefalotina Cefalexina

S. aureus 0,02 0,1-1,6 0,5-5

Obtenção:

Cefalosporina C: culturas de Cephalosporium sp.

NO

NHC S

COOH

HOOC

NH2 O O

O

H H

Cefalosporina C

Cefalosporinas semi-sintéticas: a partir do ácido 7-aminocefalosporânico (7-ACA), produto da hidrólise da cefalosporina C.

Hidrólise química:

NO

NHC S

COOH

HOOC

NH2 O O

O

NOCl

HCOOH

H H

NO

N S

COOH

O

O

O

HOOC

H H

NO

NH2 S

COOH

O

O

H H

H2O


10

1) Cefalosporinas de 1ª geração. 2) Cefalosporinas de 2ª geração. 3) Cefalosporinas de 3ª geração. 4) Cefalosporinas de 4ª geração.

Cefalosporinas sintéticas: Oxacefemas

Classificação:

1) Cefalosporinas de 1ª geração:

Introduzidas nos anos 1960-70.

Espectro de atividade mais estreito que as cefalosporinas de outras gerações.

Resistentes a algumas β-lactamases.

t1/2 relativamente curto.

Pobre penetração no fluido cérebro-espinhal.

H H

N

S

CH3

COOHO

N

HNH2

O

Cefalexina

H H

N

S

CH3

COOHO

N

HNH2

O

Cefradina

H H

N

S

COOHO

N

H

O

S

O

OCefalotina

Cefalosporina Via de

administração Resistência a

ácido Resistência a β-lactamase

Espectro de atividade

Atividade anti-Pseudomonas

Cefalexina Cefradina Cefalotina

Oral Oral/Parenteral

Parenteral

Sim Sim Não

Baixa Baixa Baixa

Intermediário Intermediário Intermediário

Não Não Não

Inativação em meio ácido das cefalosporinas:

N

S

COOHO

N

H

R

O O

O

N

S

COOHO

N

H

R

O O

OH+

N

S

COOHO

N

H

R

O O

OH

OH

N

S

O

N

H

R

O OH

CO OH

N

S

O

N

H

R

O

OOINATIVO

H+ H2O

- H+

- H2O


11


Introduzidas nos meados dos anos 70 até o presente.

Espectro de atividade semelhante ao das cefalosporinas de 1ª geração, porém mais ativas contra bactérias entéricas G -.

Cefamicinas: mais resistentes à β-lactamases.

t1/2 semelhante a 1ª geração.

Penetra melhor no fluido cérebro-espinhal.

N

S

COO-

O

N

H

O

O

H

S N

N

N

N

CH3

H H

Nafato de cefamandol

Na+

N

S

COOHO

N

H

O O

S

NH2

O

O H

Cefoxitina

Cefalosporina Via de administração

Resistência a ácido

Resistência a β-lactamase



Cefamandol

Cefoxitina

Parenteral

Parenteral

Não

Não

Média

Alta

Amplo

Amplo

Não

Não


Iniciou nos anos 80.

Espectro de atividade mais amplo (ativos contra G -).

Boa estabilidade à β-lactamases.

Alguns com atividade anti-Pseudomonas.

Menos ativos contra bactérias G +.

N

O

COO-

O

N

HCOO-

O S N

N

N

N

CH3

OH

O H

Moxalactama dissódica

Na+

Na+

N

S

O

N

H

O O

N

S

O

NH2

NO

H H

COO-

Cefotaxima sódica

Na+

Cefalosporina Via de administração

Resistência a ácido

Resistência a β-lactamase



Moxalactama

Cefotaxima

Parenteral

Parenteral

Não

Não

Alta

Alta

Amplo

Amplo

Sim

Sim


12


Espectro comparável às cefalosporinas de 3ª geração, porém mais resistentes a algumas β-lactamases.

Via parenteral.

N

S

O

N

H

O

N

S

NH2

NO

N+

CH3COO

-

H H

Cefepima

Outras cefalosporinas de 1ª, 2ª e 3ª geração:


13

Antibióticos β-lactâmicos não clássicos

1 - Carbapenens

Originários de Streptomyces sp. (tienamicina).

Dupla em C-2-C-3 e CH2 no lugar do S.

Potente atividade antibacteriana, de amplo espectro.

Resistente à inativação de muitas β-lactamases.

Usado em hospitais.

Usado em associação com a cilastatina, um inibidor sintético da desidropeptidase renal, que hidrolisa o imipenem no túbulo proximal.

NO

OH

CH3 SNH2

COOH

HH

Tienamicina

S R

NO

OH

CH3 SN NH

HCOOH

HH

Imipenem

SCOOH

NH2COOH

NO

H

Cilastatina

2 - Monobactamas

Aztreonam: obtido por síntese total.

Contém somente o anel β-lactâmico.

Alta estabilidade a muitas β-lactamases.

Boa atividade contra bactérias G -.

Baixa atividade contra cocos G +.

S

N

CH2 N

CH3

SO3-O

OC

COOH

CH3

CH3

H3N+ 2 1

43

Aztreonam

Posição 3 com –O-CH3 : ↑ resistência a β-lactamase

↓ potência antibacteriana

Posição 4 com –CH3: ↑ resistência a β-lactamase

↑ potência contra Gram negativas

↓ potência contra Gram positivas


14

3 - Oxapenens

Possuem O no lugar do S (anel oxazolidínico).

Ácido clavulânico: produzido por Stretomyces clavuligerus (1976)

Baixo espectro de atividade antibacteriana.

Inibidor de β-lactamases (substratos suicidas).

Usado em associação com amoxicilina ou ampicilina (penicilinas de amplo espectro susceptíveis à β-lactamase).

NO

O OH

COOH

Ácido clavulânico

HX---NuNH

O

O OH

X

H

COOH

Nu

NH

X COOH

OH OH

O

Nu

H

NH

X COOH

OH OH

O

Nu

4 - Sulbactama

Derivado originado pela manipulação química do 6-APA (English e cols, 1978).

Sulfona do ácido penicilânico.

Fraca atividade antibacteriana.

Potente inibidor de β-lactamase.

Usado via parenteral, pois é pobremente absorvido.

Usado em associação com ampicilina.

N

S

OOH

OO

O

Sulbactama

Bibliografia MARTIN, A. R. Antibacterial antibiotics. In: DELGADO, J. N.; REMERS, W. A (ed.) Wilson and Gisvold’s

textbook of organic medicinal and pharmaceutical chemistry. 10th ed. Philadelphia: Lippincott Willians & Wilkins, 1998. Cap. 10, p. 253.

MITSCHER, L. A. Antibiotics and antimicrobial agents. In: FOYE, W. O. et al. Principles of medicinal chemistry. 4th ed. Media: Williams e Wilkins, 1995. Cap. 34, p. 759.


15

KOROLKOVAS, A.; BURCKHALTER, J. H. Química Farmacêutica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1988. Cap. 33, p. 575.

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