betalactamicos (capítulo traduzido do Medicinal Chemistry)

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Bases Moleculares da Ação dos Fármacos
Alvo: Parede Celular Bacteriana:
Antimicrobianos β-lactâmicos e Glicopetídeos
Conjunto de apostilas de Química Farmacêutica II - UFRN
Sumário
1 Descobrimento da penicilina 1
2 Mecanismo de ação das penicilinas 3
2.1 Elergia as penicilinas . . . . . . . . . . . . . . . 3
3 Espectro de ação das penicilinas 3
4 Resistência as penicilinas 5
4.1 As β-lactamases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.2 Produção maior de transpeptidase . . . . . . . 5
4.3 Redução da afinidade por transpeptidase . . 5
4.4 Efluxo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.5 Mutações e transferências genéticas . . . . . . 5
5 Métodos de síntese de penicilinas e análogos 6
5.1 Procedimento semissintético . . . . . . . . . . 6
6 REA das penicilinas 6
7 Análogos da penicilina 6
7.1 Susceptibilidade a acidez . . . . . . . . . . . . 6
7.1.1 1 - Tensão anelar . . . . . . . . . . . . . 6
7.1.2 2 - Grupo carbonila β-lactâmico al-
tamente reativo . . . . . . . . . . . . . . 6
7.1.3 3 - Influência do grupo lateral acila . 7
7.2 Penicilinas mais resistêntes à acidez . . . . . . 7
7.3 Penicilinas resistente às β-lactamases . . . . . 7
7.4 Penicilinas de amplo espectro de ação . . . . 8
7.4.1 Aminopenicilinas . . . . . . . . . . . . . 9
7.4.2 Carboxipenicilinas . . . . . . . . . . . . 9
7.4.3 Ureidopenicilinas . . . . . . . . . . . . . 10
8 Sinergismo das penicilinas com outros fármacos 10
9 Cefalosporinas 11
10 REA das cefalosporinas 11
10.1 Criação de análogos com substituintes na
posição 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
10.2 Cefalosporinas de primeira geração . . . . . . 11
10.3 Cefalosporinas de segunda geração . . . . . . 12
10.3.1 Cefamicinas . . . . . . . . . . . . . . . . 12
10.3.2 Oximinocefalosporinas . . . . . . . . . 12
10.4 Cefalosporinas de terceira geração . . . . . . . 12
10.5 Cefalosporinas de quarta geração . . . . . . . 12
10.6 Cefalosporinas de quinta geração . . . . . . . 13
11 Resistências às cefalosporinas 13
12 Outros antibióticos β-lactâmicos 14
12.1 Carbapenêmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
12.2 Monobactâmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
13 Inibidores de β-lactamase 16
13.1 Ácido clavulânico . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
13.2 Sulbactam e tazobactam . . . . . . . . . . . . . 16
13.3 Avibactam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
14 Glicopeptídeos 16
15 Referências 19
1 Descobrimento da penicilina
São muitos os antimicrobianos, todos com sua importante
história. Porém, o descobrimento da penicilina é um exem-
plo muito relevante para a Química Farmacêutica, sendo
este digno de destaque.
A história começou em 1921. Alexander Fleming (Figura
1), um bacteriologista escocês, que estava com um resfri-
ado comum, inoculou placas de ágar com sua própria se-
creção nasal para determinar a alteração da sua flora bacte-
riana nasal. Por vários dias não apareceram colônias. Isto
sugeriu a Fleming a presença de uma substância difundida
na secreção nasal que afetou o crescimento das bactérias.
Fleming deu o nome de lisozima a está substância. A liso-
zima era uma enzima potente capaz de dissolver a parede
celular e causar lise de bactérias Gram-positivas. A desco-
berta de lisozima pavimentou o caminho para a descoberta
acidental da penicilina.
Figura 1: Grandes nomes na descoberta da penicilina
No início de 1928, Fleming estava estudando a relação
1
entre a morfologia das colónias de Staphylococcus e sua vi-
rulência. Antes de partir para as férias, ele inoculou colô-
nias com Staphylococcus em placas de cultura e as empi-
lhou no canto da sua bancada. Quando ele voltou, en-
controu várias culturas contaminadas com mofo. Fleming
descartou as placas contaminadas em uma bacia de Lysol.
Porém, algumas placas de cultura ficaram acima do nível
do líquido antisséptico, escapando do desinfetante. No dia
seguinte, no processo de descrever suas experiências para
um colega, Fleming desenterrou algumas placas de cultura
anteriormente descartadas. Ao reexaminar uma delas no-
tou a presença de mofo que influenciava a morfologia de
colônias de Staphylococcus circundantes. Na proximidade
do mofo havia um halo transparente similar ao visto an-
teriormente com lisozima. O mofo continha propriedade
antimicrobiana.
Fleming, juntamente com seus assistentes Dr. Stuart
Craddock e Sr. Frederick Ridley, tentaram purificar o
agente de lítico, o qual apelidaram de "penicilina". Dilui-
ções em série de extratos inibiam o crescimento dos Estafi-
lococos, Streptococcus pyrogenes e culturas de Pneumococo.
O extrato também foi aplicado diretamente aos tecidos ani-
mais, especificamente nas feridas e nos olhos de humanos
e não era tóxico nem irritante. Estas experiências lendárias
formaram a base para a purificação subsequente de peni-
cilina e para a criação do teste antibiograma. No entanto,
Fleming não estendeu seu trabalho para o estudo clínico,
pois não foi capaz de purificar a penicilina suficiente para
os experimentos.
Em 1939, 12 anos após a descoberta aterradora do Fle-
ming, Howard Walter Florey (Figura 1), da Universidade
de Oxford na Inglaterra, recrutou Ernst Chain para desen-
volver as metodologias bioquímicas para estudar as propri-
edades antimicrobianas dos fungos de Fleming (Figura 1).
Entre vários mofos, eles selecionaram a cepa de Fleming,
o Penicillium notatum, para um estudo mais aprofundados
por causa da sua potente atividade antimicrobiana. Florey,
Chain e oito colegas, tornaram-se lendários por causa dos
progressos alcançados na penicilina em um período surpre-
endentemente curto. Em agosto de 1940, eles relataram
o uso bem-sucedido de penicilina para curar infecções em
camundongos, ratos e gatos. Um ano depois, foi descrito
extensivamente o primeiro uso clínico da penicilina em 10
seres humanos que infectados por S. aureus.
Com o sucesso inicial, o grupo de Oxford estava pre-
parado para entrar a próxima fase, um ensaio clínico em
grande escala envolvendo 100 pacientes. Estes estudo fo-
ram realizados nos Estados Unidos em 1941 no Northern
Regional Research Laboratory em Peoria, Illinois. O forte
investimento monetário permitiu a produção em massa da
penicilina. Após os ensaios clínicos em larga escala na In-
glaterra e nos Estados Unidos, em 1946 a penicilina estava
finalmente disponível no mercado.
Antes que a síntese total da penicilina podesse ser ten-
tada restava a tarefa não trivial de elucidar a estrutura mo-
lecular da penicilina. Na época se iniciou um fervoroso de-
bate entre renomados químicos da época sobre duas pos-
síveis estruturas para a penicilina. De um lado havia uma
proposta que esta era uma oxazolona-tiazolidina proposta
por Sir Robert Robinson (Prêmio Nobel de química, 1947)
e ferozmente defendida por ele, e por químicos notáveis
como Sir John Cornforth (Prêmio Nobel de química, 1975).
A rival estrutural era a presença de uma anel β-lactâmico
defendida pelos cientistas da Merck e por Ridley e Chain
de Oxford. Apesar da evidência experimental para a exis-
tência de um motivo estrutural β-lactâmico, na época era
inconcebível a presença de uma estrutura tão tensa e rea-
tiva em um produto natural. Foi somente após o brilhante
trabalho da cristalógrafa Dorothy Crowfoot Hodgkin (Fi-
gura 2) que a disputa foi finalmente a favor da estrutura de
β-lactâmica em 1945, agradando seus entusiastas e dando
fama para Dorothy e seus colegas de Oxford.
Figura 2: Dorothy Hodgkin 1910-1994, determinou a es-
trutura química da penicilina. Modelo 3D da penicilina em
plástico e madeira.
O trabalho feito na Northern Regional Research Labora-
tory revelou também que diferentes cepas e condições dos
meio de cultura resultam na produção de penicilinas di-
ferentes. Florey e colaboradores demonstraram que suas
cepas produziam principalmente 2-pentenilpenicilina (pe-
nicilina F ou I) enquanto nos EstadosUnidos era principal-
mente produzida a benzilpenicilina (penicilina G ou peni-
cilina II)(Figura 3).
H
N
NO O
O
HO
S
H H
CH2
CH2
O CH2
R
F
G
V
6-APA
Figura 3: Estruturas das penicilinas naturais.
O núcleo β-lactâmico, o ácido 6-aminopenicilânico (6-
APA, Figura 4) provou ser a chave na síntese e modifica-
ção de penicilina. Sheehan produziu a penicilina V (Fi-
gura 3) pela acilação de 6-APA. Este importante trabalho
abriu as comportas para a produção β-lactâmicos com ca-
2
deias laterais incomuns. Daí em diante, os compostos β-
lactâmicos semissintéticos foram desenvolvidos sistemati-
camente e continuamente.
Figura 4: Estrutura 3D do núcleo ácido 6-
aminopenicilânico (6-APA).
2 Mecanismo de ação das penicilinas
As células bacterianas estão rodeadas por um envelope pro-
tetor chamado parede celular (Figura 5). Dentre os princi-
pais componentes da parede celular bacteriana está o pep-
tidoglicano, uma macromolécula estrutural com uma dis-
posição em rede. Esta fornece rigidez e suporte para pa-
rede exterior da célula. A parede celular é formada pela
reticulação de uma cadeia de peptidoglicano a outras ca-
deias através da ação da enzima transpeptidase conhecida
também como D-Ala-D-Ala carboxipeptidase ou proteína
ligadora de penicilinas.
Figura 5: Esquema simplificado da parede celular bacte-
riana. Hexagonos representam o ácido N-acetilmurâmico
(NAM) e a N-Acetilglicosamina (NAG). A penicilina evita a
formação das cadeias cruzadas de pentaglicina.
A penicilina mata as bactérias através da ligação cova-
lente do anel β-lactâmico com a transpeptidase, inibindo
a formação da ligação cruzada entre as cadeias de pepti-
doglicano, impedindo assim a criação de parede celular
intacta. Sem a parede celular, a célula bacteriana é vul-
nerável a pressão da água no meio externa e morre rapi-
damente. Como as células humanas não contêm parede
celular, o tratamento com penicilina é muito pouco tóxico.
A enzima transpeptidase está vinculada à superfície ex-
terna da membrana celular e é semelhante a uma classe
de enzimas chamadas de serinoproteinases, porque con-
têm um resíduo de serina no sítio ativo e catalisa a hidró-
lise de ligações peptídicas. No mecanismo normal (Figura
6), a serina atua como um nucleófilo para dividir a ligação
peptídica entre as duas unidades de D-alanina incomuns
em uma cadeia peptídica comum. A D-alanina terminal se
afasta do site ativo, deixando a cadeia peptídica ligada ao
sítio ativo. A fração pentaglicina de outra cadeia peptídica
agora entra o sítio ativo fazendo a ligação entre a glicina
terminal e o grupo de D-alanina, a serina é liberada para
reiniciar o processo.
A penicilina tem uma conformação semelhante a confor-
mação do estado de transição da fração D-Ala-D-Ala du-
rante a reação de formação da ligação cruzada. A trans-
peptidase erroneamente reconhece a penicilina ao invés do
D-Ala-D-Ala no sítio ativo. Uma vez acoplada, a penicilina
está sujeita ao ataque nucleofílico pela serina (Figura 6). A
enzima pode atacar o anel β-lactâmico da penicilina e o cli-
var da mesma forma como fez com a ligação peptídica. No
entanto, a penicilina é cíclica e a molécula não é dividida
em duas, ficando presa ao sítio ativo. A hidrólise do grupo
éster ligando a penicilina no sítio ativo não ocorre, pois a
penicilina bloqueia o acesso da cadeia de pentaglicina e da
água.
Não há nenhum aminoácidos-D ou segmentos de D-Ala-
D-Ala em qualquer proteína humana. Como a penicilina
imita o agrupamento de D-Ala-D-Ala, isto fornece uma ex-
plicação baixíssima toxicidade deste fármaco. É imprová-
vel que qualquer serinoproteinase do corpo reconheça o
segmento penicilina em si. A penicilina é seletiva para a
enzima transpeptidase bacteriana e é ignorada por outras
serinoproteases.
Muitas bactérias, particularmente cocos Gram-positivos,
produzem enzimas degradativas chamadas autolisinas que
participam da remodelação normal da parede celular bac-
teriana. Na presença de uma penicilina, a ação degradativa
das autolisinas prossegue na ausência da síntese de parede
celular. Assim, o efeito antibacteriano de uma penicilina é
o resultado de ambos, a inibição da síntese da parede celu-
lar e destruição da parede celular existente por autolisinas.
2.1 Elergia as penicilinas
O anel β-lactama é um alvo para ataque nucleofílico por
grupos amino de aminoácidos livres em proteínas, levando
a abertura do anel formação de ligação covalente amida
do grupo peniciloil (Figura 7). A configuração de penici-
loil ligada covalentemente a grupos ε-amino dos resíduos
de lisina constitui com mais de 90% dos hapetenos. As
reações alérgicas mediadas por IgE causam as reações de
hipersensibilidade, incluindo hipersensibilidade tardia.
3 Espectro de ação das penicilinas
O espectro antibacteriano das várias penicilinas é determi-
nado, em parte, pela sua capacidade de atravessar a pa-
3
Figura 6: (a) Mecanismo geral normal de ação da trasnpepetidase e (b) Inibição deste por meio das penicilinas.
Figura 7: Mecanismo de formação do principal determi-
nate alergênico peniciloil.
rede celular com peptidoglicano bacteriano para alcançar
as transpeptidases no espaço periplasmático. Fatores que
determinam a susceptibilidade das transpeptidases a estes
antibióticos incluem o tamanho, carga e hidrofobicidade
do antibiótico β-lactâmico particular. Em geral, microor-
ganismos têm paredes celulares que são facilmente atra-
vessadas por penicilinas e, portanto, são suscetíveis a es-
tes fármacos. Microrganismos Gram-negativos têm uma
membrana externa, constituída por lipopolissacarídeo (en-
velope) ao redor da parede celular que representando uma
barreira para as penicilinas solúvel em água. No entanto,
bactérias Gram-negativas têm proteínas inseridas na ca-
mada de lipopolissacarídeo que atuam como canais cheios
de água, chamadas porinas (Figura 8), para permitir o
acesso ao interior da célula. Nota: Pseudomonas aerugi-
nosa tem porinas restritivas, tornando este organismo in-
trinsecamente resistente a muitos agentes antimicrobianos.
Figura 8: Estrutura de superfície de uma bactéria Gram-
negativa
As porinas agem como poros através dos quais a água
e nutrientes essenciais podem passar para atingir a célula.
Pequenos fármacos como a penicilina também podem pas-
sar por este canal, dependendo, contudo, da estrutura da
porina, e das características da penicilina (ou seja, seu ta-
manho, estrutura e a carga). Em geral, os fármacos que
têm menos chance de passar através de porinas, são gran-
des, têm uma carga negativa ou são hidrofóbicos. Em con-
4
traste, um fármaco hidrofílico e pequeno ou que pode exis-
tim como um zwitterion passam. Portanto, as porinas de-
sempenham um papel crucial controlando a quantidade de
penicilina capaz de alcançar o espaço periplasmático entre
a membrana externa e membranas celulares. Se o acesso
é lento, a concentração de penicilina na enzima transpep-
tidase pode ser insuficiente para inibi-la efetivamente.
As penicilininas naturais (antistafilococcais), são obtidas
da fermentações com o fungo Penicillium chrysogenum. A
Penicilina G (benzilpenicilina) é a pedra angular da te-
rapia para infecções causadas por um número de espiro-
quetas, bacilos Gram-positivos e cocos Gram-negativos. A
penicilina V tem um espectro semelhante da penicilina G,
mas não é usado para tratamento de bacteremia por causa
de sua má absorção. A penicilina V é mais estável que a
penicilina G e é frequentemente usada por via oral no tra-
tamento de infecções.
4 Resistência as penicilinas
Cepas bacterianas variam em sua suscetibilidade à penici-
lina. Algumas espécies, tais como estreptococos, são bas-
tante vulneráveis, enquanto que uma bactéria como Pseu-
domonas aeruginosa é particularmente resistente. Outras
espécies, como S. aureus são inicialmente vulneráveis, mas
adquirem resistênciaquando eles são expostos à penicilina
durante um período de tempo. Existem várias razões para
esta susceptibilidade variada.
4.1 As β-lactamases
A presença de enzimas β-lactamase é o mecanismo mais
importante pelo qual as bactérias ganham resistência à pe-
nicilina. As β-lactamases são enzimas que sofreram mu-
tação de transpeptidases sendo bastante semelhantes por
natureza. Por exemplo, elas têm um resíduo de serina no
sítio ativo e podem abrir o anel β-lactâmico da penicilina
para formar uma ligação éster na estrutura. Ao contrário a
enzima transpeptidase, β-lactamases são capazes de hidro-
lisar a ligação éster e destruir o anel (Figura 9). Eles fazem
isso tão eficazmente que 1000 moléculas de penicilina são
hidrolisadas por segundo.
Figura 9: Mecanismo de abertura do anel β-lactâmico.
Algumas cepas bacterianas Gram-positivas são resisten-
tes à penicilina porque eles podem lançar β-lactamases no
ambiente circundante, tal que a penicilina é interceptada
antes de chegar à membrana celular. A enzima eventual-
mente dissipa através da parede celular e é perdida, então
a bactéria tem que continuar gerando a enzima para man-
ter a sua proteção. O Staphylococcus aureus é uma bactéria
Gram-positiva que costumava ser suscetíveis à penicilina,
mas 95% das cepas de S. aureus agora liberam β-lactamase
que hidrolisa penicilina G.
A maioria, se não todas, as bactérias Gram-negativas
produzem β-lactamases que as tornam mais resistentes
às penicilinas. Além disso, a β-lactamase lançada está
presa no espaço periplasmático entre a membrana celu-
lar e a membrana externa, porque ele não pode passar
pela membrana externa. Como resultado, qualquer penici-
lina, conseguindo penetrar a membrana exterior encontra
uma maior concentração de β-lactamases do que haveria
em bactérias Gram-positivas. Isto poderia sugerir, nova-
mente, que todas as bactérias Gram-negativas devem ser
resistentes à penicilina. No entanto, existem vários tipos
de enzima β-lactamases produzidas por bactérias Gram-
positivas e Gram-negativas que variam em sua seletividade
ao substrato. Algumas são seletivas para penicilinas (peni-
cilinases), algumas para cefalosporinas (cefalosporinases)
e alguns para penicilinas e cefalosporinas. Os diferentes ní-
veis da enzima e suas afinidades diferentes para diferentes
β-lactamas explica as diferentes suscetibilidades das bac-
térias Gram-negativas.
4.2 Produção maior de transpeptidase
Algumas bactérias Gram-negativas, produzem quantidades
absurdas de transpeptidase e penicilina é incapaz de inati-
var todas as moléculas de enzima presentes.
4.3 Redução da afinidade por transpeptidase
Existem várias formas da enzima transpeptidase presen-
tes em qualquer célula bacteriana e estas variam na sua
afinidade para diferentes β-lactamas. Diferenças nas pro-
porções relativas destas enzimas entre espécies bacterianas
geram, em parte, a variável suscetibilidade destas bacté-
rias às diferentes penicilinas. Por exemplo, as primeiras
cepas de S. aureus continham enzimas transpeptidase que
tinham uma afinidade elevada para penicilina as inibindo
eficazmente. As cepas resistentes à penicilina de S. au-
reus adquiriram uma enzima transpeptidase chamada de
proteína de ligação de penicilina 2a (PBP2a), que tem
uma afinidade muito inferior às penicilinas. A presença de
transpeptidases de baixa afinidade é também um problema
com enterococos e pneumococos.
4.4 Efluxo
Existem proteínas na membrana exterior de algumas bac-
térias Gram-negativas que são capazes de bombear peni-
cilina fora do espaço periplasmático, diminuindo assim a
sua concentração e eficácia. A extensão do fenômeno va-
ria de espécie para espécie e também depende da estrutura
da penicilina. Esse fato é conhecido como um processo de
efluxo.
4.5 Mutações e transferências genéticas
Podem ocorrer mutações que afetarão quaisquer ou todos
os mecanismos acima citados. Pequenas porções de DNA
carregando os genes necessários para a resistência também
5
podem ser transferidas de uma célula para outra através de
veículos genéticos chamados plasmídeos. Estes são peque-
nos pedaços de DNA cromossômico circulantes extra bacte-
rianos. Se o DNA transferido contém um gene que codifica
para uma enzima β-lactamase ou algum outro método de
resistência melhorada, então a célula destinatária adquire
resistência. O material genético também pode ser transfe-
rido entre células bacterianas por vírus ou pela utilização
de DNA livre lançado pela bactérias lisadas.
5 Métodos de síntese de penicilinas
e análogos
Tendo estudado o mecanismo de ação da penicilina G e os
vários problemas que causam a resistência, agora nós ire-
mos olhar como análogos de penicilina G que podem ser
sintetizados para melhorar a estabilidade e atividade. A
síntese total da penicilina por Sheehan é muito longa e de
baixo rendimento (1%) para ser prático. Os análogos são
obtidos quase que exclusivamente por métodos de fermen-
tação ou processos semissintéticos.
Originalmente, a única maneira de preparar diferentes
penicilinas era variar as condições de fermentação (Figura
3). Ao adicionar diferentes ácidos carboxílicos ao meio
de fermentação se obtiam penicilinas com cadeias laterais
acil diferentes (por exemplo, fenoximetilpenicilina). Infe-
lizmente, há uma limitação para o tipo de ácido carboxílico
que é aceita pela via biossintética (ou seja, somente ácidos,
de fórmula geral RCH2CO2H. Estes, por sua vez, restritos
a uma variedade de análogos aproveitáveis na via biossin-
tética. A outra grande desvantagem era a natureza tediosa
e demorada do método.
5.1 Procedimento semissintético
Em 1959, Beechams isolou um intermediário biossintético
de penicilina do Penicillium chrysogenum cultivada em um
meio de fermentação que era deficiente em um ácido car-
boxílico. O intermediário (ácido 6-aminopenicilânico; 6-
APA) provou ser um dos intermediários sintéticos que She-
ehan havia utilizado na síntese total, e então foi possível
usá-lo para sintetizar um número enorme de análogos por
um método semissintético. Assim, a fermentação rendeu 6-
APA, que poderia ser tratado com uma gama de cloretos de
ácido (Figura 10). A porçao 6-APA é agora produzido mais
eficientemente por hidrólise penicilina G ou penicilina V ou
com uma enzima (penicilina acilase). Também existe um
método químico que permite a hidrólise da cadeia lateral
na presença do anel β-lactâmico altamente tenso.
6 REA das penicilinas
Devido ao grande número de análogos de penicilina exis-
tentes podemos traçar a seguinte relação entre a estrutura
e atividade biológica (Figura 11):
• O anel β-lactâmico tensionado é essencial
• O ácido carboxílico livre é essencial. Este geralmente
está ionizado permitindo que as penicilinas são admi-
nistradas como sais de sódio ou potássio. O íon carbo-
xilato liga-se ao nitrogênio carregado de um resíduo
de lisina no sítio de ligação (Figura 11);
• O sistema bicíclico é importante. Este confere ainda
mais pressão sobre o anel β-lactâmico, quanto maior
for a tensão, maior a atividade, mas maior a instabili-
dade da molécula a outros factores;
• A cadeia lateral acilamino é essencial. O enxofre é
usual, mas não essencial;
• A estereoquímica do anel bicíclico no que diz respeito
a cadeia lateral acilamino é importante.
Resultados desta análise levam à conclusão inevitável de
que é possível somente poucas variações no núcleo da pe-
nicilina e que quaisquer variações são restritas à cadeia la-
teral acilamino.
7 Análogos da penicilina
Nesta seção consideramos os análogos de penicilina que
provaram ser bem sucedidos na luta contra os problemas
de instabilidade ácida, sensibilidade a β-lactamases e es-
pectro de ação limitado.
7.1 Susceptibilidade a acidez
Existem três motivos para a instabilidade frente ao meio
ácido por parte das penicilinas.
7.1.1 1 - Tensão anelar
O sistema bicíclico da penicilina consistede um anel de
quatro membros fundido a um anel de cinco membros.
Como resultado, a penicilina sofre grande tensão angular
e torcional. A abertura do anel catalisada por ácido alivia
destas tensões pela ruptura do anel β-lactâmico (Figura
12).
7.1.2 2 - Grupo carbonila β-lactâmico altamente rea-
tivo
O grupo carbonila no anel β-lactâmico é altamente sus-
cetível a nucleófilos e não se comporta como uma amida
terciária normal. O último é resistente ao ataque nucleo-
fílico porque o grupo carbonila é estabilizado pelo átomo
de nitrogênio vizinho, como mostrado na Figura 12. O ni-
trogênio pode doar seu par de elétrons livre no grupo car-
bonila para formar uma estrutura de ressonância dipolar
com ângulos de 120◦. Esta estabilização de ressonância
é impossível para o anel β-lactâmico devido ao aumento
de tensão de ângulo que resultaria em ter uma ligação du-
pla dentro de um anel β-lactâmico de quatro membros. Os
ângulos de ligação preferencial para uma ligação dupla são
120◦, mas os ângulos do anel β-lactâmicos são limitados a
90◦. Como resultado, o par solitário é localizado no átomo
de nitrogênio e o grupo carbonila é mais eletrofílico do que
seria esperado para uma amida terciária.
6
Figura 10: Síntese de análogos semissintéticos da penicilina a partir do 6-APA isolado naturalmento.
Figura 11: REA das penicilinas
7.1.3 3 - Influência do grupo lateral acila
A figura 13 demonstra como o grupo acila vizinhos pode
participar ativamente em um mecanismo para abrir o anel
β-lactâmico. Assim, a penicilina G tem um mecanismo de
autodestruição embutido em sua estrutura.
7.2 Penicilinas mais resistêntes à acidez
Pode ser visto que combater a sensibilidade a acidez é uma
tarefa difícil. Nada pode ser feito sobre os dois primeiros
fatores, como o anel β-lactâmico é vital para a atividade
antibacteriana. Portanto, apenas o terceiro fator pode ser
combatido. A tarefa é reduzir a participação do grupo vi-
zinho na degradação do anel β-lactâmico. Isto foi conse-
guido colocando-se um grupo de retirador de elétrons na
cadeia lateral para atrair os elétrons do oxigênio da carbo-
nila e reduzir a sua tendência em agir como um nucleófilo
(Figura 14).
A fenoximetilpenicilina (penicilina V) tem um oxigênio
eletronegativo da cadeia lateral acila com o efeito de reti-
rador de elétrons necessário. A molécula tem melhor esta-
bilidade ácida do que a penicilina G e é estável o suficiente
para sobreviver o ácido no estômago, então este fármaco
pode ser administrado por via oral.
Outros análogos de penicilina com um substituinte re-
tirador de elétrons sobre o carbono α da cadeia lateral
Figura 12: Tensão do núcleo β-lactâmico
(Figura 14) também se mostraram resistentes à hidrólise
ácida e podem ser administrados por via oral (por exem-
plo, ampicilina).
7.3 Penicilinas resistente às β-lactamases
O problema das β-lactamases (ou penicilinases) tornou-se
crítico em 1960, quando o uso generalizado de penicilina G
levou a um aumento alarmante da resistência à penicilina
em infecções por S. aureus. A certa altura, 80% de todas
infecções por S. aureus em hospitais foram devidas à cepas
virulentas, resistente à penicilina. Alarmantemente, estas
cepas também foram resistentes a todos os outros antibióti-
cos disponíveis. Felizmente, uma solução para o problema
estava bem próxima - o desenho das penicilinas resistentes
às β-lactamases.
A estratégia dos escudos estéricos (QFI) foi usada com
sucesso para bloquear o acesso da penicilina ao sítio ativo
7
Figura 13: Mecanismo de auto-destruição do anel β-
lactâmico que ocorre quando o fármaco encontra a acidez
estomacal.
Figura 14: Estratégia para redução do efeito da cadeia la-
teral na destruição do anel β-lactâmico.
da β-lactamase, colocando um grupo volumoso na cadeia
lateral (Figura 15). No entanto, houve um problema. Se o
escudo estérico era muito volumoso este também impede
que a penicilina acesse o alvo a enzima transpeptidase. Por-
tanto, levou muito trabalho para encontrar o escudo ideal
— um grande o suficiente para afastar a enzima lactamase,
mas suficientemente pequeno para permitir que a penici-
lina ligar à enzima alvo. O fato de que o anel β-lactâmico
interage com as duas enzimas da mesma forma destaca a
dificuldade em conseguir esse objetivo.
Felizmente, os escudos que poderiam fazer esta discrimi-
nação foram encontrados. A meticilina (Figura 16) foi a
primeira penicilina semissintética eficaz contra o S. aureus
que produzia a enzima β-lactamases e alcançou a clínica
a tempo de enfrentar o crescente problema do S. aureus
resistente.
Figura 15: Estratégia para redução da afinidade pela β-
lactamase.
CH3
CH3
H
N
NO O
O
HO
S
H HO
O
H3C
H3C
CH3
CH3
H
N
NO O
O
HO
S
H HO
H3C
Meticilina
Nafcilina
Figura 16: Estruturas de penicilinas resistentes à β-
lactamase
A meticilina não é um fármaco ideal. Com nenhum
grupo retirador de elétrons na cadeia lateral, é sensível a
ácido e tem de ser injetado. Ela também mostra atividade
ruim contra muitas outras cepas de bactérias. A meticilina
não é mais usada clinicamente. Diante disto, foram desen-
volvidos outros agentes resistentes à β-lactamases melho-
res. A nafcilina (Figura 16) é uma penicilina que é resis-
tente às enzimas β-lactamase e contém um anel de nafta-
leno que age como seu escudo estérico.
A incorporação de um anel de isoxazolil a cadeia late-
ral de penicilina levou a compostos oralmente ativos que
eram estáveis para à β-lactamase de S. aureus. O anel iso-
xazolil age como o escudo estérico, mas também é retira-
dor de elétrons, dando a estabilidade ácida de estrutura. A
oxacilina, a cloxacilina, a flucloxacilina e a dicloxacilina
(Figira 17) são muito úteis contra infecções de S. aureus.
A única diferença entre eles é o tipo de halogênio no anel
aromático. Estes substituintes afetam propriedades farma-
cocinéticas, tais como a absorção e a ligação às proteínas
plasmáticas.
Em geral, penicilinas resistentes à β-lactamase são man-
tidas como ’reservas terapêuticas’. Eles só são introduzidos
na briga se é provada uma infecção por microrganismo re-
sistente, por exemplo, S. aureus ou Staphylococcus epider-
midis resistentes à penicilina.
Infelizmente, 95% das cepas de S. aureus detectadas em
hospitais se tornaram resistentes a meticilina e também, às
outras penicilinas resistentes à β-lactamase, como resul-
tado de mutações na enzima transpeptidase. Estas bacté-
rias são referidas como MRSA. Abreviatura que quer dizer
S. aureus resistente à meticilina, mas o termo se aplica a
todas as bactérias que não são afetadas por penicilinas re-
sistentes à β-lactamase, não apenas à meticilina.
7.4 Penicilinas de amplo espectro de ação
Há uma variedade de fatores que determinam se uma cepa
bacteriana será suscetível a uma penicilina. O espectro
de ação mostrada pelas penicilinas depende (i) da estru-
8
Figura 17: Estruturas de isoxazolil penicilinas resistentes à
β-lactamase com atividade via oral.
tura, (ii) da capacidade de atravessar a membrana celular
de bactérias Gram-negativas, (iii) da susceptibilidade à β-
lactamases, (iv) da afinidade com a enzima transpeptidase
alvo e (v) da taxa na qual é bombeado para fora as cé-
lulas por organismos Gram-negativos. Todos esses fatores
variam em importância em diferentes espécies bacterianas
e então não existem táticas bem definidas, que podem ser
usadas para melhorar o espectro de atividade. Consequen-
temente, a busca por antibióticos de amplo espectro era
feita por tentativa e erro, que envolveu fazer uma varie-
dade enorme de análogos. Estas mudanças foram nova-
mente confinadas às variações da cadeia lateral e deram os
seguintes resultados:
• A atividade contra bactérias Gram-positivas é favore-
cida por grupos hidrofóbicos na cadeia lateral (por
exemplo, penicilina G), mas é ruim para a atividade
contra bactériasGram-negativas;
• Se o caráter hidrofóbico é aumentado, há pouco efeito
na atividade Gram-positiva, mas faz cair a atividade
ainda mais contra bactérias Gram-negativas;
• Grupos hidrofílicos na cadeia lateral têm pouco efeito
sobre a atividade de Gram-positiva (por exemplo, a
penicilina T) ou causam uma redução da atividade
(por exemplo, a penicilina N) (Figura 18); no entanto,
levam a um aumento na atividade contra bactérias
Gram-negativas;
• O aprimoramento da atividade contra bactérias Gram-
negativa é maior se o grupo hidrofílico (por exemplo,
−NH2, −OH, −CO2H) está ligado ao carbono que é α
ao grupo carbonila na cadeia lateral.
As penicilinas com atividade contra bactérias Gram-
positivas e Gram-negativas são conhecidas como antibió-
ticos de amplo espectro. Existem três classes de antimi-
crobianos de amplo espectro, os quais têm um grupo hi-
drofilico no carbono α da cadeia lateral (Figura 19). Este
grupo auxilia a passagem destas penicilinas através das po-
rinas da membrana externa da bacterias Gram-negativas.
Figura 18: Estruturas de penicilinas com grupos polares na
cadeia lateral
7.4.1 Aminopenicilinas
Figura 19: Estruturas das aminopenicilinas
A ampicilina (Figura 19) e a amoxicilina são compostos
oralmente ativos que tem uma estrutura muito semelhante
e são comumente usados como uma primeira linha de de-
fesa contra infecções. Ambos os compostos são resistentes
a ácido devido à presença do grupo amino retirador de elé-
trons. Não há nenhum escudo estérico presente e então es-
ses agentes são sensíveis às enzimas β-lactamases. Ambas
as estruturas são mal absorvidas através da parede do in-
testino, uma vez que o grupo amino e o grupo carboxílico
são ionizados (Zwitterion). Este problema pode ser alivi-
ado usando um grupo carreador lipofílico (pró-fármaco).
Os grupos polares são mascarados, mas podem ser removi-
dos metabolicamente. A pivampicilina e a bacampicilina
e a talampicilina são exemplos destes pró-fármacos (Fi-
gura 20).
7.4.2 Carboxipenicilinas
A carbenicilina (Figura 21) foi o primeiro exemplo dessa
classe de compostos. Mostra um amplo espectro de ativi-
9
H
N
NO O
O
O
S
H HH2N H
O
O
O
O
O
O
O
R
PivampicilinaBacampicilinaTalampicilina
Figura 20: Estruturas dos pró-fármacos da ampicilina
dade devido ao grupo hidrofílico ácido carboxílico da ca-
deia lateral estar ionizado em pH 7. A estereoquímica deste
grupo é importante e somente um dos dois enantiômeros
é ativo.
Figura 21: Estruturas das carboxipenicilinas
A carfecilina e a carbenicilina indanil (Figura 21) são
pró-fármacos da carbenicilina e mostram uma absorção
melhorada através da parede do intestino. Os ésteres de
arila são melhores que os ésteres alquílicos. Os primeiros
são quimicamente mais suscetíveis à hidrólise, por causa
do efeito indutivo retirador de elétrons do anel arila. A ti-
carcilina (Figura 21) tem estrutura similar a carbenicilina,
mas tem um anel tiofeno no lugar do grupo fenil.
7.4.3 Ureidopenicilinas
As ureidopenicilinas (Figura 22) são a classe mais recente
de penicilinas de amplo espectro e tem um grupo funcional
de uréia na posição α. Geralmente, elas têm propriedades
melhores que as carboxipenicilinas e as substituíram em
grande parte na clínica.
Figura 22: Estruturas das ureidopenicilinas
8 Sinergismo das penicilinas com
outros fármacos
Existem vários exemplos em química medicinal, onde a
presença de um fármaco aumenta a atividade do outro.
Em muitos casos, isso pode ser perigoso, levando a uma
overdose do fármaco reforçado. Em alguns casos, porém,
pode ser útil. Há dois exemplos interessantes onde a ati-
vidade da penicilina foi aprimorada pela presença de um
outro fármaco.
Um exemplo é o efeito do ácido clavulânico, (a ser des-
crito). O outro exemplo é a administração de penicilinas
com um composto chamado probenecida. A probenecida
é um ácido carboxílico moderadamente lipofílico que pode
bloquear o transporte facilitado de penicilina através dos
túbulos renais. Em outras palavras, a probenecida retarda
a taxa em que a penicilina é excretada, competindo com
ela no mecanismo de excreção. A probenecida compete
também com penicilina pelos sítio de ligação na albumina.
Como resultado, os níveis de penicilina na corrente sanguí-
nea são reforçados e aumenta a atividade antibacteriana —
uma tática útil ao se deparar com uma bactéria particular-
mente resistente.
Os efeitos antibacterianos de todos os antibióticos β-
lactâmicos são sinérgicos aos aminoglicosídeos (i.e. Gen-
tamicina, Tobramicina, etc.). Os inibidores de síntese de
parede celular alteram a permeabilidade das células bacte-
rianas. Estes fármacos podem facilitar a entrada de outros
antibióticos (por exemplo, aminoglicosídeos) que não pode
normalmente obter acesso aos sítios de destino intracelu-
lar. Isso pode resultar em maior atividade antimicrobiana.
« Embora a combinação de uma penicilina e um aminogli-
cosídeo ser usada clinicamente, estes fármacos nunca de-
vem ser colocados no mesmo fluido de infusão porque em
contato prolongado a carga positiva dos aminoglicosídeos
formam um complexo inativo com as penicilinas carrega-
10
das negativamente ».
9 Cefalosporinas
O segundo maior grupo de antibióticos β-lactâmicos a ser
descoberto foram as cefalosporinas. A primeira cefalospo-
rina (cefalosporina C) foi derivada de um fungo obtido em
meados da década de 1940, de águas de esgoto na ilha da
Sardenha. Um professor italiano Giuseppe Brotzu obser-
vou que as águas em torno da saída do esgoto periodica-
mente ficavam limpas de microrganismos. Ele raciocinou
que algum organismo poderia estar produzindo uma subs-
tância antibacteriana e assim coletou amostras e conseguiu
isolar um fungo denominado Cephalosporium acremonium
(agora chamado de Acremonium chrysogenum). O extrato
bruto deste organismo mostrou ter propriedades antibacte-
rianas e, em 1948, na Universidade de Oxford, foi isolada
a cefalosporina C, mas não foi até 1961 que a estrutura foi
elucidada por cristalografia X-ray.
A estrutura da cefalosporina C (Figura 23) tem seme-
lhanças com as penicilinas por ter um sistema bicíclico con-
tendo um anel β-lactâmico de quatro membros, mas desta
vez o anel β-lactâmico está fundido a um anel de seis mem-
bros diidrotiazina. Não obstante, as cefalosporinas são de-
rivadas dos mesmos precursores biossintéticos da penici-
lina, ou seja, cisteína e valina.
Figura 23: Estrutura da cefalosporina C.
A Cefalosporina C não é tão potente quanto as penici-
linas (1/1000 da atividade de penicilina G), mas a ativi-
dade antibacteriana é mais uniformemente dirigida contra
bactérias Gram-positivas e bactérias Gram-negativas. Ou-
tra vantagem intrínseca da cefalosporina C é sua maior re-
sistência à hidrólise ácida e às enzimas β-lactamases. Ela
também causa menos reações alérgicas. Portanto, a cefa-
losporina C foi vista como uma pista útil para o desenvol-
vimento de mais antibióticos de amplo espectro.
10 REA das cefalosporinas
Muitos análogos de cefalosporina C foram feitos para de-
monstrar a importância do anel β-lactâmico no sistema bi-
cíclico, do grupo carboxilato ionizado na posição 4 e da
cadeia lateral acilamino na posição 7. Estes resultados se
enquadram estreitamente com os dados obtidos para as pe-
nicilinas. O efeito de tensão do anel de 6 membros fundido
com um anel de 4 membros é inferior quanto comparada
ao da penicilina, mas isto é parcialmente compensado pelo
efeito do grupo acetiloxi na posição 3. O grupo funciona
como um bom grupo abandonador após o ataque da serina
da transpeptidase (Figura 24).
Há um número limitado de posições onde modificações
podem ser feitas (Fig 25), mas há mais possibilidades do
que com as penicilinas. Estas são como segue (Figura 25):
• Variações na cadeia lateral 7-acilamino;
• Variações da cadeia lateral 3-acetoximetil;
• Substituiçãoextra no carbono 7.
10.1 Criação de análogos com substituintes
na posição 7
O acesso a análogos com cadeia diferentes na posição 7
inicialmente eram difíceis de obter. Ao contrário das pe-
nicilinas, provou-se impossível a obtenção de análogos de
cefalosporina por fermentação. Da mesma forma, não foi
possível obter 7-ACA (ácido 7-aminocefalosporínico) por
hidrólise enzimática da cefalosporina C, evitando a aborda-
gem semissintética análoga à preparação das penicilinas a
partir do 6-APA.
Portanto, deve-se encontrar uma maneira de obter 7-
ACA de cefalosporina C por hidrólise química. Isto não é
tarefa fácil, como uma amida secundária tem que ser hi-
drolisada na presença de um anel β-lactâmico altamente
reativo. Procedimentos hidrolíticos normais não são ade-
quados, e então um método especial teve que ser desenvol-
vido (Figura 26).
10.2 Cefalosporinas de primeira geração
A Cefalotina, a cefaloridina, a cefalexina e a cefazolina
(Figura 27) são exemplos de cefalosporinas de primeira ge-
ração. Em geral, eles têm uma menor atividade que as pe-
nicilinas, mas um espectro de ação maior. A maioria é mal
absorvida através da parede do intestino e tem que ser in-
jetada. Tal como acontece com as penicilinas, o apareci-
mento de organismos resistentes tem apresentado um pro-
blema, particularmente com organismos Gram-negativos.
Estes contêm β-lactamases, que são mais eficazes que as
β-lactamases de organismos Gram-positivos. Escudos es-
téricos são bem sucedidos na proteção das cefalosporinas
às β-lactamases, sem que impedir a inibição do alvo trans-
peptidase.
Dentre as cefalosporinas de primeira geração mais co-
mumente usadas está a cefalotina (Figura 27). Uma des-
vantagem da cefalotina está no fato de que o grupo de ace-
tiloxi na posição 3 é prontamente hidrolisado por enzimas
esterases para dar um álcool menos ativo. O grupo ace-
tiloxi é importante para o mecanismo de inibição e atua
como um bom grupo de saída (Figura 24). Considerando
que o álcool é um grupo de saída muito ruim. Por conse-
guinte, seria útil se este metabolismo pudesse ser bloque-
ado para prolongar a atividade. Substituindo o éster com
11
Figura 24: Mecanismo pelo qual a cefalosporina inibi a atividade da transpepitidase.
Figura 25: Posições destacadas podem ser modificadas
para a produção de análogos da cefaloporina C.
um grupo de piridínio metabolicamente estável temos a ce-
faloridina (Figura 27). A piridina ainda pode atuar como
um bom grupo de saída para o mecanismo de inibição, mas
não é clivada por esterases. A cefaloridina existe como um
zwitterion e é solúvel em água, mas, como a maioria cefa-
losporinas de primeira geração, é mal absorvido através da
parede do intestino e tem de ser injetado.
A cefalexina (Figura 27) tem um substituinte metil na
posição 3 que aparece para ajudar a absorção oral. Um
grupo metila normalmente seria ruim para a atividade já
que não é um bom grupo de saída. No entanto, a presença
de um grupo amino hidrofílico no carbono α da cadeia la-
teral 7-acilamino na cefalexina ajuda a restaurar a ativi-
dade. A cefalexina é uma das poucas cefalosporinas so-
mente ativa por via oral. O mecanismo de absorção atra-
vés da parede do intestino é mal compreendido e não está
claro por que o grupo de 3-metil é tão vantajoso para a ab-
sorção. A cefazolina (Figura 27) é outro exemplo de uma
cefalosporina de primeira geração.
10.3 Cefalosporinas de segunda geração
10.3.1 Cefamicinas
As cefamicinas que contêm um metoxi substituinte na po-
sição 7 tem se revelado vantajosas. O composto padrão Ce-
famicina C (Figura 28) foi isolada de uma cultura de Strep-
tomyces clavuligerus e foi a primeira β-lactama ser isolado
de uma origem bacteriana. Uma modificação da cadeia la-
teral deu origem à cefoxitina (Figura 28), que mostrou
ter espectro de atividade mais amplo que as cefalosporinas
mais de primeira geração. Isto é devido à maior resistên-
cia às enzimas β-lactamase, que pode ser devido ao escudo
estérico fornecido pelo grupo metoxi. A cefoxitina apre-
sentou boa estabilidade metabólica às esterases devido a
presença do grupo uretano na posição 3, ao invés de um
éster.
10.3.2 Oximinocefalosporinas
O desenvolvimento de oximinocefalosporinas foi um
grande avanço na pesquisa de cefalosporinas. Essas es-
truturas contêm um grupo iminometoxi na posição α da
cadeia lateral acila, que significativamente aumenta a esta-
bilidade das cefalosporinas contra o β-lactamases produzi-
das por alguns organismos (por exemplo, Haemophilus in-
fluenza). O primeiro agente útil desta classe de compostos
foi cefuroxima (Figura 29), que, como a cefoxitina, tem
uma maior resistência à β-lactamases e esterases. Ao con-
trário de cefoxitina, cefuroxima mantém atividade contra
estreptococos e, em menor medida, aos estafilococos.
10.4 Cefalosporinas de terceira geração
Substituindo o anel furano das oximinocephalosporinas
por um anel de aminotiazol se consegue um aumento da
penetração das cefalosporinas através da membrana exte-
rior de bactérias Gram-negativas e também pode aumentar
a afinidade pela enzima transpeptidase. Como resultado,
as cefalosporinas de terceira geração, que contém este anel
tem um aumento na atividade contra estas bactérias. Di-
versas destas estruturas foram preparadas, tais como a cef-
tazidima, cefotaxima, ceftriaxona e ceftizoxima (Figura
30), com diferentes substituintes na posição 3 para variar
as propriedades farmacocinéticas. Estas têm um papel im-
portante na terapia antimicrobiana por causa de sua ati-
vidade contra bactérias Gram-negativas, muitas das quais
são resistentes a outros β-lactâmicos. Como tais infecções
são incomuns fora de hospitais, médicos são desencoraja-
dos a prescrição destes fármacos rotineiramente. São vistos
assim como "reservas terapêuticas"para serem usadas para
infecções problemáticas que não respondem aos antibióti-
cos mais prescritos.
10.5 Cefalosporinas de quarta geração
A cefepima e a cefpiroma (Figura 30) são oximinocefa-
losporinas classificadas como cefalosporinas de quarta ge-
ração. Eles são compostos zwitteriônicos tendo um subs-
tituinte de carga positiva na posição 3 e um grupo carbo-
xilato carregado negativamente na posição 4. Esta propri-
12
Figura 26: Síntese do 7-ACA e análogos da cefalosporina C.
R1
H
N
NO O
OHO
SH H
R2
CH2S OAc
N+
Me
CH2S
CH2
H2N H
NN
N
N
CH2
S
N N
S
Cefalotina
Cefaloridina
Cefalexina
Cefazolina
Figura 27: Estruturas de cefalosporinas de primeira gera-
ção.
edade parece aumentar radicalmente a capacidade destes
compostos em penetrar a membrana exterior de bactérias
Gram-negativas. Elas também são conhecidas pela grande
afinidade pela enzima transpeptidase e uma baixa afini-
dade para uma variedade de β-lactamases.
10.6 Cefalosporinas de quinta geração
A ceftarolina fosamil (Figura 31) é uma cefalosporina
de quinta geração que tem atividade contra várias ce-
pas de MRSA e Streptococcus pneumonia multi-resistente
(MDRSP). Ela atua como um pró-fármaco para ceftarolina.
O 1,3-tiazol (Figura 31) é pensado para manter atividade
contra MRSA.
O ceftolozane (Figura 32) é uma cefalosporina de
quinta geração que vem associado com inibidor de β-
lactamases (tazobactam). O ceftolozane tem demonstrado
estabilidade aumentada a β-lactamases AmpC e é menos
Figura 28: Estruturas das cefamicinas
afetado por mudanças nas bombas efluxo devido à ligação
reforçada na transpeptidase. Tem ação em enterobacteria-
ceae que produzem β-lactamases de espectro ampliado. A
estrutura química do ceftolozane é semelhante ao da cefta-
zidima, com exceção de uma cadeia lateral modificada na
posição do núcleo cefema, que confere atividade antipseu-
domonal potente.
11 Resistências às cefalosporinas
Mecanismos de resistência bacteriana às cefalosporinas,
são essencialmente os mesmos que os descritos paraas pe-
nicilinas. Embora não sejam suscetíveis à hidrólise pela pe-
nicilinase estafilocócica, as cefalosporinas podem ser sus-
cetíveis a β-lactamases de espectro ampliado.
Dentre as β-lactamases, destacam-se as β-lactamases
de espectro ampliado (Extended-Spectrum β-lactamase -
13
Figura 29: Estrutura de uma Oximinocefalosporinas
Figura 30: Estruturas da cefalosporinas de terceira e quarta
gerações
ESBL). A produção da ESBL é mediada por plasmídeos que
conferem ampla resistência aos antimicrobianos que con-
tém o anel β-lactâmico em sua estrutura e agem neste anel
o rompendo. A Escherichia coli e a Klebsiella pneumoniae
são as espécies bacterianas mais comumente encontradas
produzindo ESBL, a detecção destas enzimas já foi obser-
vada em diversas outras espécies de Enterobacteriaceae e
Pseudomonadaceae. Pacientes com infecções por entero-
bactérias produtoras de ESBL não devem ser medicados
com antibióticos betalactâmicos, o que acarretaria em falha
terapêutica e agravamento do quadro infeccioso. A detec-
ção presuntiva de ESBL não acarreta custos adicionais ao
laboratório, visto que os antimicrobianos necessários para
tal detecção podem compor o conjunto de discos utiliza-
dos na rotina laboratorial em antibiogramas. O trabalho
do laboratório de microbiologia é imprescindível na detec-
ção das enterobactérias produtoras de ESBL. A detecção
precoce destas bactérias multirresistentes é de suma impor-
tância para se instaurar o tratamento adequado e as medi-
das de isolamento dos pacientes, necessárias para se evitar
a disseminação destes patógenos.
O
N
S
N
N+
S
S
H
N
O
N
O
H3C
N
S
N
HN
P OHO
HO O-O
H
Grupo carreador
Fosamil
Anel 1,3 
tiazol
Figura 31: Estrutura da ceftarolina fosamil (pró-fármaco)
da ceftarolina.
O
O
ON
N
S N
H2N
O
H
N
N
O
S
N
N
NH2
NH
O
NH
NH3
O O
HH
Figura 32: Estrutura do ceftolozane.
12 Outros antibióticos β-lactâmicos
12.1 Carbapenêmicos
Os carbapenêmicos (Figura 34) são fármacos mais recen-
tes. Eles possuem estrutura química semelhante a das peni-
cilinas em cujo núcleo ativo, o ácido 6-aminopenicilânico,
onde o enxofre do anel tiazolidínico está substituído por
carbono. Há também um dupla ligação entre as posições 2
e 3 do anel pentacíclico, conferindo maior afinidade pelas
β-lactamases, maior potência e um espectro antibacteriano
mais amplo.
A tienamicina (Figura 34) foi o primeiro exemplo dessa
classe de compostos, isolada do Streptomyces cattleya em
1976. É potente, com um espectro de ação extraordi-
nariamente amplo com atividade contra bactérias Gram-
positivos Gram-negativas, incluindo P. aeruginosa. Tem
baixa toxicidade e mostra uma alta resistência as β-
lactamases. Suas resistência tem sido atribuída à presença
da cadeia lateral hidroxietil. Infelizmente, a tienamicina
mostra baixa estabilidade metabólica e química e não é ab-
sorvida pelo trato gastrointestinal. As características sur-
preendentes da tienamicina é a falta do átomo de enxofre
e cadeia lateral acilamino, ambos ditos essenciais para a
atividade antibacteriana. A estereoquímica da cadeia la-
teral no substituinte 6 é o oposto da estereoquímica usual
em penicilinas — outro fator que contribui para a resistên-
cia deste agente às β-lactamases. O Imipenem e mero-
penem são análogos clinicamente úteis da tienamicina. O
ertapenem (Figura 33) foi aprovado em 2002 e tem es-
trutura similar ao meropenem. Tem um substituinte ex-
14
S
N
O
O
O
H HHO
H3C
R
Tienamicina R = NH3+
Imipenem R = HN
NH
S
N
O
O
O
H HHO
H3C
CH3
H
N
O
N
R2
R1
Meropenem; R1 = R2 = CH3
Ertapenem; R1 = H, R2 =
COO-
Resistente a 
Deidropeptidase-I
Ligação proteína plasmática
Maior t1/2
NH2
S
HN O
O
OHO
OH
Cilastatina
O
S
O
NH2
N
H
H
N
SN
O
H3C
HO
O O
H H
Doripemen
Figura 33: Estruturas de alguns antimicrobianos carbapenêmicos e a estrutura da cilastatina que vem sempre assossiada
com Imipenem
Figura 34: Estrutura geral dos carbapenêmicos
tra no anel carbapenêmico que fornece mais estabilidade
metabólica, enquanto o ácido benzóico ionizado contribui
para a alta ligação em proteína plasmática prolongando o
tempo de meia vida, tal que a dosagem é de uma vez por
dia. Seguindo o mesmo raciocínio, foi aprovado em 2007
o Doripenem. O doripenem é usado apenas para tratar in-
fecções que são comprovadas ou fortemente suspeitas de
serem causadas por bactérias sensíveis a este fármaco. Em
geral, as carbapenemas tem o mais amplo espectro de ação
de todos os antibióticos β-lactâmicos.
O imipenem e o meropenem são administrado IV e pe-
netram bem em tecidos de corpo e fluidos, incluindo o das
meninges quando estão inflamadas. Eles são excretados
por filtração glomerular. O imipenem sofre clivagem pela
dehidropeptidase I encontrada no túbulo renal proximal.
Esta enzima forma um metabólito inativo que é potenci-
almente nefrotóxico. Combinando o imipenem com cilas-
tatina (Figura 33) há a proteção do fármaco, evitando a
formação de um metabólito tóxico. O meropenem, ertape-
nem não exigem coadministração de cilistatina. O merope-
nem e ertapenem são mais resistentes devido aos diferentes
substituintes indicados na Figura 34.
A carbapenemase é uma enzima encontrada pela pri-
meira vez em 1996 nos Estados Unidos em isolados de
Klebsiella pneumoniae,dando origem ao nome KPC (Kleb-
siella pneumoniae produtora Carbapenemase), no entanto,
esta enzima pode ser produzida por várias enterobactérias
(bactérias da microbiota intestinal) incluindo Enterobacter
sp., Escherichia coli, Salmonella sp, Proteus mirabilis e ou-
tras. Assim a KPC é uma enzima produzida por várias ente-
robactérias e não somente pela Klebsiella pneumoniae, en-
tretanto, nos últimos cinco anos a quantidade de bactérias
produtoras de KPC configurou um problema significativo
para a saúde pública, pois essa enzima torna a bactéria re-
sistente a vários antibióticos de alta potência, sendo um
desafio a sua eliminação.
12.2 Monobactâmicos
As Monobactamas também interrompem a síntese da pa-
rede celular bacteriana, mas são únicas porque o anel β-
lactâmico não é fundido ao outro anel (Figura 35). O az-
treonam, que a única monobactama disponível comerci-
15
almente. Esta tem atividade antimicrobiana dirigida prin-
cipalmente contra a Enterobacteriaceae, incluindo P. aeru-
ginosa. O aztreonam não tem atividade contra organis-
mos Gram-positivos e anaeróbios. Este estreito espectro
antimicrobiano impede seu uso sozinho na terapia empí-
rica. O aztreonam é resistente à ação da maioria dos β-
lactamases, com excepção da β-lactamases de espectro am-
pliado (BLEAs). É administrado IV ou IM e pode acumular-
se em pacientes com insuficiência renal. É pouco tóxico,
mas pode causar flebite, erupção cutânea. Este fármaco
tem um baixo potencial imunogênico e mostra pouca rea-
tividade cruzada com anticorpos induzidos por outros β-
lactâmicos. Assim, este fármaco pode oferecer uma alter-
nativa segura para o tratamento de pacientes que são alér-
gicos e incapacitados de tolerar a penicilinas ou cefalospo-
rinas.
Figura 35: Estrutura da monobactama aztreonam.
13 Inibidores de β-lactamase
13.1 Ácido clavulânico
O ácido clavulânico (Figura 37) foi isolado de S. clavuli-
gerus por Beecharns em 1976. Tem atividade antibiótica
fraca e sem importância, mas é um inibidor potente e irre-
versível da maioria das β-lactamases. O Ácido clavulânico
é usado como um fármaco sentinela em combinação com
penicilinas tradicionais, i.e. amoxicilina. Isto permite di-
minuir os níveis da dose de amoxicilina e aumenta o espec-
tro de ação. No entanto, deve notar-se que existem vários
tipos de β-lactamases. Embora o ácido clavulânico ser efi-
caz contra a maioria destas. O ácido clavulânico também
é administradopor via intravenosa com ticarcilina.
A estrutura do ácido clavulânico foi o primeiro exemplo
de um composto natural, onde o anel β-lactama não es-
tava fundido a um anel contendo enxofre; em vez disso,
está fundido a um anel de oxazolidina. A estrutura tam-
bém é incomum, pois que não possui uma cadeia lateral de
acilamino.
O ácido clavulânico é um inibidor irreversível de lacta-
mases e pode ser classificado como um substrato suicida.
Este se encaixa no sítio ativo da β-lactamase e o anel β-
lactâmico é aberto pelo resíduo de serina da mesma ma-
neira que ocorre com a penicilina. No entanto, o interme-
diário acil-enzima reage mais uma vez com outro grupo nu-
cleofílico enzimático (possivelmente −NH2) para vincular
o fármaco irreversivelmente à β-lactamase. O mecanismo
de inibição é mostrado na Figura 36.
13.2 Sulbactam e tazobactam
Os agentes sulbactam e tazobactama também foram de-
senvolvidas como inibidores de β-lactamase e são usados
clinicamente (Figura 38). Eles também agem como subs-
tratos suicidas contra as enzimas β-lactamases e tem pro-
priedades semelhantes entre si. O Sulbactam, tem um am-
plo espectro de atividade contra β-lactamases, maior que
o ácido clavulânico, mas é menos potente. É combinado
com a ampicilina para administração intravenosa. O ta-
zobactama é semelhante ao sulbactam e tem um espectro
de ação semelhante contra β-lactamases. No entanto, sua
potência é mais parecida com ácido clavulânico. É comum-
mente administrado por via intravenosa com piperacilina.
13.3 Avibactam
O avibactam (Figura 39), aprovado em 2015 pelo FDA, é
um novo inibidor não-β-lactâmico de β-lactamases. Esse
fármaco proporciona proteção contra uma grande vari-
edade de mecanismos de resistência mediadas por β-
lactamase. Este fármaco suicida está associado com a cef-
tazidima e é indicado para infecção intra-abdominal com-
plicada em combinação com metronidazol ou infecções do
trato urinário, incluindo pielonefrite. O avibactam é estru-
turalmente diferente dos inibidores de β-lactamases clini-
camente por não conter um núcleo de β-lactâmico.
O mecanismo de ação do avibactam (Figura 40) é bas-
tante notável. Este mecanismo é muito diferente dos ini-
bidores de β-lactamases mencionados anteriormente. De
início a enzima é acilada sendo praticamente irreversível o
conjugado avibactam/β-lactamases. Contudo, a possibili-
dade da enzima se recompor as custa da formação (recicli-
zação) do avibactam original, este pode obviamente reagir
novamente. Não ocorre, contudo, a hidrólise do fármaco
para fora do sítio, o que faria a β-lactamase voltar a ser
ativa.
14 Glicopeptídeos
A vancomicina (Figura 41) é um antimicrobiano de es-
treito espectro de ação produzido por um microrganismo
chamado Streptomyces orientalis, encontrado em Bornéu e
Índia. A vancomicina foi introduzida em 1956 para o trata-
mento de infecções causadas por S. aureus resistente a pe-
nicilina, mas foi interrompida quando à meticilina tornou-
se disponível. Desde que foi reintroduzida, este é o fár-
maco principal para o tratamento de MRSA. A vancomi-
cina e outros glicopeptídeos relacionados são frequente-
mente o último recurso no tratamento de pacientes com
infecções resistentes. Como tal, elas se tornaram extrema-
mente importantes. Uma grande quantidade de pesquisas
atualmente estão sendo realizadas nesta área.
A conformação fixa da cadeia hexapeptídica é impor-
tante para o mecanismo de ação exclusivo da vancomicina
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Figura 36: Mecanismo de inativação irreversível das β-lactamases pelo ácido clavulânico.
Figura 37: Estrutura do ácido clavulânico.
que tem como alvo os blocos de construção da parede celu-
lar ao invés de uma proteína ou um ácido nucleico. Para ser
mais específico, há um bolso na estrutura de vancomicina,
no qual o bloco de construção pentapeptídeo pode caber.
O pentapeptídeo é mantido lá pela formação de cinco liga-
ções de hidrogênio entre este e a cadeia de hexapeptídeo
de vancomicina (Fig 42). Sendo a vancomicina uma molé-
cula grande, esta bloqueia as caudas e age como um escudo
estérico, impedindo o acesso para às enzimas transglicosi-
dase e transpeptidase (Figura 42).
É possivel ocorrer a dimerização da vancomicina da ca-
beça para cauda, tal que as cadeias de heptapeptídeo de
cada molécula de vancomicina interagem através de quatro
ligações de hidrogênio (Figura 42). O açúcar e os grupos
cloro também desempenham um papel importante na di-
merização e atividade biológica cai se quaisquer um destes
Figura 38: Estruturas do sulbactam e tazobactam.
Figura 39: Estrutura do avibactam.
grupos está ausente.
A vancomicina é uma molécula muito grande, ela é inca-
paz de atravessar a membrana celular externa das bactérias
Gram-negativas e, consequentemente, não possui ativi-
dade contra estes organismos. Também é incapaz de atra-
vessar a membrana interna da célula das bactérias Gram-
positivas, mas isto não é necessário, como a construção da
parede celular ocorre fora da membrana celular.
A resistência bacteriana à vancomicina tem se desenvol-
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Figura 40: Mecanismo de ação do avibactam.
Figura 41: Estrutura da vancomicina.
vido lentamente, embora algumas cepas hospitalares de
S. aureus foram identificado em 1996 resistência (VRSA).
Uma preocupação particular foi a aparição de Enterococos
resistentes à vancomicina (VRE) em 1989. Estes são os or-
ganismos que podem causar infecções fatais do intestino
em pacientes cujo sistema imunológico está enfraquecido.
A resistência nos organismos VRE surgiu de uma modifi-
cação dos precursores de parede celular onde o grupo D-
alanina terminal da cadeia pentapeptídeo foi substituído
pelo ácido D-láctico, resultando em uma ligação éster ter-
minal ao invés de uma ligação amida (Figura 43). Isto re-
move um dos grupos −NH que doa ligação de hidrogênio
para a vancomicina. Pode não parecer muito, mas é sufici-
ente para enfraquecer a interação e incapacitar o antibió-
tico. O bloco de construção modificado ainda é aceitável
para as enzimas transglicosilase e transpeptidase. Neste
último caso, o lactato age como grupo de saída ao invés da
D-alanina.
A teicoplanina (Figura 44), dentre outra cinco estrutu-
ras muito semelhantes que foram isoladas a partir de um
microorganismo do solo chamado Actinoplanes teichomyce-
ticus, se diferenciavam apenas na natureza de uma alquila
Figura 42: Mecanismo de ação da vancomicina.
substituinte longa. As teicoplaninas pertencem à família da
vancomicina, mas não dimerizam. A cadeia alquila longa
desempenha um papel importante para ancorar o antibió-
tico na superfície externa da membrana celular, onde é per-
feitamente colocado para interagir com os blocos de cons-
trução para a síntese de parede celular. A Teicoplanina
é usada clinicamente para o tratamento de infecções com
Gram-positivas e é menos tóxica do que a vancomicina.
A propagação da resistência à vancomicina em enteroco-
cos desde 1988 e o surgimento de resistência em isolados
clínicos de MRSA desde 2002 tem solicitado a procura de
novos fármacos de segunda geração pertencentes à classe
dos glicopeptídeos.
A telavancina (Figura 44), aprovada em 2009, é um de-
rivado da vancomicina que difere desta pela adição de um
grupo hidrofóbico e um grupo hidrofílico a estrutura de
vancomicina (Figura 44). As propriedades hidrofílicas do
grupo fosfonato melhoram o perfil de absorção, distribui-
ção, metabolismo e excreção do composto. Estudos farma-
cológicos sugerem que a atividade reforçada da telavan-
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Figura 43: Mecanismo da resistência a vancomicina apre-
sentada pelos Enterococos VRE.
cina versus vancomicina sobre Streptococcus pneumoniae,
Staphylococcus aureus (em menor grau) e enterococos (in-
cluindo VRE). Esta propriedade resulta de um complexo
mecanismo de ação, que envolve a perturbação da síntese
de lipídios e, possivelmente, ruptura de membrana.
A oritavancina(Figura 44) é o derivado N-alquil-p-
clorofenil-benzílico da cloroeremomicina produzido pelo
actinomiceto Amycolatopsis orientalis. A cloroeremomicina
difere da vancomicina pelo padrão de glicosilação nos re-
síduos de aminoácidos, 4 e 6. Embora oritavancina apre-
sente um espectro geral de atividade comparável de van-
comicina, esta oferece vantagens consideráveis em termos
de atividade intrínseca (especialmente contra estreptoco-
cos) e permanece insensível aos mecanismos de resistência
desenvolvidos por estafilococos e enterococos; também é
ativa contra Clostridium difficile. A atividade superior con-
tra patógenos Gram-positivos, inclui aqueles resistentes à
vancomicina. Possui mecanismo de ação dupla, inibindo a
biossíntese da parede celular afeta a integridade da mem-
brana.
A dalbavancina (Figura 44), aprovada em 2014 pelo
FDA, é um derivado semissintético de uma molécula pa-
recida com a teicoplanina, que foi isolada do actinomi-
ceto Nonomuraea sp. coletados no solo indiano em me-
ados da década de 1980. A dalbavancina mostra uma
maior atividade in vitro, em comparação com a vancomi-
cina, para a maioria das bactérias Gram-positivas, possui
também meia-vida extremamente longa, permitindo a do-
sagem intravenosa de uma vez por semana.
15 Referências
• An Introduction to Medicinal Chemistry, Graham L.
Patrick, OUP Oxford.
• Lippincott’s Illustrated Reviews: Pharmacology, Ri-
chard Finkel (PharmD.), Michelle Alexia Clark, Luigi
X. Cubeddu, Lippincott Williams Wilkins.
Figura 44: Estruturas de glicopeptídeos semissintéticos.
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