La Penicillina inibisce la sintesi del Peptidoglicano

Nella lotta per la competizione per il cibo e la conquista di una nicchia ecologica a livello microscopico la battaglia è intensa e senza esclusione di colpi. Le armi chimiche sono usate ampiamente. Ed è quello che succede tra batteri e muffe. I batteri entrano spesso in competizione per il cibo con le muffe e così le muffe sintetizzano molecole che ne inibiscono la crescita. Questo fine meccanismo di lotta chimica venne scoperto casualmente dal medico inglese Alexander Flemning nel 1929 quando una sua coltura di batteri venne accidentalmente contaminata da una muffa che in seguito si riuscì ad identificare nel Penicillium notatum. Questa muffa era capace di produrre una sostanza chiamata penicillina che inibisce la crescita dei batteri.
La penicillina è formata da un anello tiazolidinico fuso con un anello B-lattamico, al quale è legato per mezzo di un legame peptidico un gruppo R che varia da un tipo all'altro di Penicillina.
Nella penicillina G o Benzilpenicillina è un gruppo benzilico.
L'anello B-lattamico della penicillina conferisce a tutta quanta la molecola una grande instabilità. Ed è proprio anello B-lattamico il bersaglio dell'arma di difesa dei batteri nella lotta per la competizione. Infatti, essi sono capaci di sintetizzare un enzima capace di rompere questo anello. Questi enzimi sono le b-lattamasi, che conferiscono alle cellule batteriche resistenza nei confronti delle penicilline e di tutti gli antibiotici dotati d'anello B-lattamico.
Nel 1957 Ledeberg riuscì a capire quale fosse il bersaglio delle penicilline usando dei batteri fatti crescere in un medium ipertonico. Gli organismi ottenuti in questo modo, che prendono il nome di protoplasti, sono privi di parete cellulare e di conseguenza si lisano se la concentrazione salina del medium varia ad una concentrazione normale. Ma così fatti crescere su di essi le penicilline non avevano effetto. Era, quindi, evidente che la penicillina interagiva con la sintesi della parete cellulare dei batteri. In seguito si scoprì che la pencillina blocca l'ultima fase della Biosintesi della parete cellulare batterica, cioè la reazione che forma i legami trasversali.
Ora, si sa che la Penicillina inibisce la transpeptidazione che lega fra loro le catene di Peptidoglicano.
In condizioni normali la Transpeptidasi forma un intermedio acilico (R-CO) con il penultimo residuo di D-Alanina del peptide. Questo composto intermedio acile-enzima reagisce quindi con il gruppo aminico della gliciina terminale di un altro peptide.
E' probabile che la penicillina inibisca la transpeptidasi formando un legame covalente con un residuo amminoacidico del sito attivo dell'enzima. In effetti, la penicillina forma un intermedio acile-enzima. Questo legame penicillinoilenzima è irreversibile, in quanto non può essere deacilato.
La penicillina agisce in modo altamente specifico a causa della sua stretta somiglianza strutturale con il terminale D-Ala D-Ala, delle catene nascenti di peptidoglicano.
La bassa tossicità della Penicillina, che è essenziale per la sua efficacia terapeutica, è una conseguenza della sua altissima specificità. Non si conosce infatti nessun enzima umano che riconosca la D-Ala D-Ala, e così la Penicillina non interferisce con i meccanismi enzimatici del corpo umano.

La Parete Cellulare e il Peptidoglicano nei Batteri

Come in tutte le cellule anche in quelle batteriche le concentrazioni dei sali all'interno del citoplasma creano una pressione osmotica elevata (in E. coli può raggiungere anche le 20 atmosfere) che deve essere contrastata meccanicamente con una struttura rigida che ha il compito di mantenere la continuità della cellula. Questa struttura è la parete cellulare che ha anche, tra le altre, la funzione di protezione e di conferimento della forma e della rigidità cellulare.

Le pareti cellulari batteriche hanno un importantissimo ruolo dal punto di vista medico, in quanto su di esse si trovano associati i diversi sierogruppi e sierotipi che sono in gran parte la causa della virulenza dei Batteri. Infatti, è possibile riprodurre i sintomi di molte malattie iniettando pareti batteriche isolate in animali da laboratorio. Inoltre, gli antigeni specifici dei batteri sono localizzati sulle superfici della cellula.
Visto l'importantissimo ruolo che le pareti cellulari svolgono nei batteri è possibile ucciderli impedendo loro di sintetizzare questa importantissima struttura. Ed è in questo modo che agiscono la Penicillina ed altri antibiotici.
Lo strato responsabile della rigidità della cellula, prende il nome di Peptidoglicano (o Mureina). Si tratta di una molecola costituita da unità peptidiche e da zuccheri; da qui deriva anche il suo nome.
La struttura del peptidoglicano nei Gram positivi e nei Gram negativi è molto simile. la molecola di peptidoglicano è formato da tre unità ripetute: un dissacaride formato da N-acetilglucosamina (NAG) e Acido N-Acetilmuramico (NAM) uniti insieme da un legame B-1,4-glicosidico ed infine una piccola coda tetrapeptidica formata da L-Alanina, Acido D-glutammico, L-Lisina (od in alternativa si può trovare l'acido diaminopimelico) e da D-Alanina; ed infine da un pentapeptide formato da cinque unità dell'amminoacido glicina, che ha la funzione di ponte.
Il tetrapeptide si distingue per due caratteristiche interessanti. La prima è la presenza di amminoacidi in configurazione D, che non si riscontra mai nelle proteine degli eucarioti , in quanto in quest'ultimi gli amminoacidi sono sempre in configurazione L. Inoltre, il residuo di D -glutaminico forma un legame peptidico con il suo gruppo carbossilico della catena laterale in posizione gamma.
I legami glicosidici che legano tra loro gli zuccheri nelle catene glicaniche sono molto forti, ma non sono sufficienti a conferire la rigidità tipica della cellula batterica in tutte le direzioni. Tale robustezza, propria della struttura peptidoglicanica, la si ottiene solo quando le catene vengono unite tra loro dagli amminoacidi attraverso legami crociati. Come si può vedere nell'immagine seguente.



Caratteristiche del Peptidoglicano.

All'interno del peptidoglicano esistono diverse caratteristiche di rilievo che rendono questa grossa molecola interessante. Innanzitutto l'acido N-acetilmuramico e l'acido diamino pimelico (DAP) sono assenti nella parete degli eucarioti. Il DAP, presente in tutti i Batteri Gram (-) ed in alcune specie di Gram (+), può venir sostituito nella gran parte dei cocchi Gram + dalla lisina ed in qualche altro Gram + vi possono essere anche altri amminoacidi.
L'altra caratteristica, di cui abbiamo già parlato, è la presenza dei due amminoacidi in configurazione D. I D amminoacidi derivano dai loro isomeri L ad opera dell'azione di un enzima racemasi che usa come cofattore il Piridossalfosfato (PLP), che è la forma attiva della vitamina B6.
Questi enzimi batterici, come l'alanina -racemasi, rappresentano il principale bersaglio di antibatterici. Uno di questi è la 3-fluoroalanina. Un altro farmaco è la cicloserina, che è un antibiotico ad ampio spettro e cosa più interessante un antitubercolare di seconda scelta.
Si conoscono almeno un centinaio di forme di peptidoglicano e la regione più variabile è proprio il ponte peptidico.