Farmacologia das infecções bacterianas: síntese da parede celular

Farmacologia das infecções bacterianas: síntese da parede celular

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Farmacologia das Infecções Bacterianas: Síntese da Parede Celular

Anne G. Kasmar e David Hooper

Introdução Caso Bioquímica da Síntese da Parede Celular Bacteriana

Estrutura e Função da Parede Celular Biossíntese da Parede Celular

Síntese dos Monômeros de Mureína Polimerização Ligação Cruzada

Parede Celular das Micobactérias Autolisinas e Degradação da Parede Celular

Classes e Agentes Farmacológicos Inibidores da Síntese de Monômeros de Mureína

Fosfomicina e Fosmidomicina Ciclosserina Bacitracina

Inibidores da Síntese de Polímeros de Mureína

Vancomicina e Teicoplanina

Inibidores da Ligação Cruzada de Polímeros

Antibióticos Beta-Lactâmicos: Considerações Gerais Antibióticos Beta-Lactâmicos: Agentes Específicos

Agentes Antimicobacterianos

Etambutol, Pirazinamida e Isoniazida

Conclusão e Perspectivas Futuras Leituras Sugeridas

Em 1928, Alexander Fleming fez uma descoberta casual que iria revolucionar o tratamento das infecções bacterianas. Essa descoberta foi a penicilina, o primeiro de uma longa lista de antibióticos que atuam através da inibição da síntese da parede celular bacteriana. As propriedades químicas e estruturais peculiares da parede celular fizeram dela um alvo atraente e proeminente da quimioterapia antibacteriana. Entretanto, o aparecimento e a disseminação da resistência a antibióticos complicam cada vez mais o uso clínico de inibidores da síntese da parede celular. Este capítulo procede a uma revisão da química da síntese da parede celular bacteriana e descreve os mecanismos de ação, os usos e as limitações (que incluem resistência, toxicidade e interações medicamentosas) dos antibióticos que interferem nesse processo.

n Caso

Abril de 1953. A Guerra da Coréia atingiu um momento crítico. No hospital geral em Tóquio, a enfermaria do Dr. Alan Pierce acabou de receber uma nova baixa do front. Três dias antes, o soldado Morgan H, de 2 anos, foi atingido acima do joelho esquerdo por um atirador quando estava em reconhecimento. Na unidade MASH, a ferida foi desbridada, e foi feito um curativo. O soldado H começou imediatamente um curso de penicilina em altas doses.

Entretanto, ao chegar em Tóquio, o soldado H apresentava um quadro de fraqueza, delírio e febre de 39,4ºC. No exame inicial, o Dr. Pierce percebe um odor doce e enjoativo da perna do soldado H. Ao remover o curativo, constata que a perna está inchada abaixo do joelho, e o ferimento pútrido e coberto de pus sanguinolento. O diagnóstico é de gangrena, uma infecção causada pela bactéria Gram-positiva Clostridium perfringens. O Dr. Pierce ordena a realização imediata de amputação na esperança de salvar a vida do paciente.

O Dr. Pierce fica perturbado com o caso. No ano passado, viu inúmeros ferimentos mais graves que o do soldado H, mas todos sempre responderam bem ao tratamento agressivo com penicilina. Enquanto refletia sobre o caso, recebe um comunicado da chegada de mais pacientes — oito homens supostamente acometidos de tuberculose, que acabaram de ser liberados como parte da Operação Little Switch para troca de prisioneiros. O Dr. Pierce sabe que ele dispõe de estreptomicina, mas decide verificar se pode adquirir dos Estados Unidos um suprimento de seis meses do novo agente antituberculose, a isoniazida.

n 1. O que é a penicilina, e qual o mecanismo de sua ação? n 2. Por que a penicilina não teve efeito para o soldado H, quando funcionou para outros antes dele? n 3. Por que o Dr. Pierce solicitou um suprimento de isoniazida dos Estados Unidos?

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A parede celular das bactérias é uma rede tridimensional de polímeros de açúcares, com ligação cruzada peptídica, que circunda a célula no lado externo de sua membrana citoplasmática (Fig. 3.1). Na sua estrutura química, a parede celular também é conhecida como peptidoglicano, um termo derivado de sua composição constituída de peptídios e açúcares, ou como mureína, do latim murus, que significa “parede”. A parede celular constitui uma característica de quase todas as bactérias clinicamente importantes. As principais exceções são o Mycoplasma pneumoniae, que pode causar pneumonia atípica, e a forma intracelular (ou “corpúsculo reticulado”) de Chlamydia trachomatis, que pode provocar doença sexualmente transmitida. A parede celular possui importância crítica para as bactérias, em virtude de sua resistência à tração. Essa resistência permite que a célula mantenha a sua pressão osmótica intracelular em ambientes de tonicidade variável. A resistência da parede celular bacteriana à tensão reside nas ligações cruzadas peptídicas, tornando a inibição dessas ligações cruzadas um alvo atraente para a terapia antibacteriana. Com efeito, a classe maior e mais amplamente utilizada de inibidores da síntese bacteriana da parede celular, os antibióticos beta-lactâmicos ( -lactâmicos), atua através da inibição das enzimas transpeptidases, que medeiam a ligação cruzada peptídica.

As bactérias são convencionalmente divididas em dois grupos — as bactérias Gram-positivas e as bactérias Gramnegativas — com base na sua capacidade relativa de reter a cor púrpura do componente violeta de genciana da coloração de Gram após lavagem com um solvente orgânico, como a acetona. As bactérias Gram-positivas retêm o corante e adquirem uma cor púrpura, enquanto as bactérias Gram-negativas perdem o corante e assumem uma cor rosada com a aplicação subseqüente de safranina. A coloração de Gram é freqüente- mente utilizada para ajudar a identificar as bactérias presentes em uma amostra de líquido orgânico, como urina, escarro ou pus. A coloração pelo método de Gram foi uma maneira pela qual o Dr. Pierce confirmou o diagnóstico de C. perfringens em 1953, e essa técnica continua sendo uma prática padrão nos dias atuais. A capacidade de retenção do corante de Gram resulta de duas características diferenciais da arquitetura da parede celular (Fig. 3.1). Em primeiro lugar, a parede celular das bactérias Gram-positivas consiste simplesmente em uma camada de mureína, enquanto as bactérias Gram-negativas possuem uma segunda camada dupla de lipídios, denominada membrana externa, do lado externo da camada de mureína. A segunda diferença é que a camada de mureína das bactérias Gram-positivas é, em geral, muito mais espessa que a das bactérias Gram-negativas.

Em virtude de sua composição lipídica, a membrana externa das bactérias Gram-negativas impede o transporte de substâncias hidrofílicas, como nutrientes e produtos de degradação. (Em contrapartida, a camada de mureína é porosa o suficiente para permitir a difusão de numerosas moléculas hidrofílicas.) Para aumentar a captação de nutrientes e a excreção de produtos de degradação hidrofílicos, as bactérias Gram-negativas possuem poros — constituídos por proteínas denominadas porinas — que atravessam a membrana externa (ver Fig. 3.1). As porinas são importantes do ponto de vista farmacológico, visto que a maioria dos antibióticos hidrofílicos tem acesso à camada de mureína e às estruturas abaixo dessa camada através desses poros. Os lipopolissacarídios no folheto externo da membrana externa das bactérias Gram-negativas também são importantes farmacologicamente; com efeito, essas moléculas anfipáticas protegem as bactérias da ruptura por moléculas hidrofílicas do hospedeiro, como sais biliares, e também são importantes para a aderência das bactérias às células do hospedeiro e sua evasão da resposta imune do hospedeiro. Por conseguinte, a relativa hidrofilicidade e hidrofobicidade das várias classes de agentes antibacterianos ajudam a determinar a arquitetura da parede celular contra a qual esses antibióticos são mais efetivos, conforme discutido adiante.

PoroMureína

Membrana citoplasmática

Bactérias Gram-positivas Bactérias Gram-negativas Micobactérias

Mureína Lipoproteína

Membrana externa

Lipopolissacarídio Poro

Membrana citoplasmática Membrana citoplasmática

Mureína Arabinogalactano

Ácidos micólicos

Fosfolipídios extraíveis

Fig. 3.1 Arquitetura da parede celular bacteriana. Nas bactérias Gram-positivas (à esquerda) a parede celular é composta de uma camada espessa de mureína, através da qual os nutrientes, os produtos de degradação e os antibióticos podem difundir-se. Os ácidos lipoteicóicos no folheto externo da membrana citoplasmática intercalam-se através da parede celular para a superfície externa das bactérias Gram-positivas (não-ilustrado); as cadeias laterais hidrofílicas dessas moléculas estão envolvidas na aderência, alimentação e evasão das bactérias do sistema imunológico do hospedeiro. Nas bactérias Gram-negativas (no centro), a camada de mureína é mais delgada e está circundada por uma segunda membrana externa constituída por uma dupla camada de lipídios. As moléculas hidrofílicas atravessam essa membrana externa através de canais, que são formados por um arranjo cilíndrico de proteínas dos poros (porinas). As bactérias Gram-negativas também possuem lipopolissacarídios (LPS) na membrana externa; o LPS é um importante antígeno para a resposta imune contra os microrganismos Gram-negativos. A parede celular das micobactérias (à direita), que incluem os agentes etiológicos da tuberculose (M. tuberculosis) e da hanseníase (M. leprae), é análoga àquelas das bactérias Gram-negativas. A principal diferença entre a arquitetura de superfície das micobactérias e a das bactérias Gram-negativas é que, nas micobactérias, os dois folhetos da membrana externa são assimétricos quanto a seu tamanho e composição; o folheto interno da membrana externa é constituído de arabinogalactano e de ácidos micólicos, enquanto o folheto externo consiste em fosfolipídios extraíveis.

564 | Capítulo Trinta e Três

A biossíntese da parede celular ocorre em três fases principais. A primeira delas consiste na síntese de monômeros de mureína a partir de aminoácidos e de unidades de açúcares; a segunda fase consiste na polimerização dos monômeros de mureína em polímeros de peptidoglicano lineares; e, por fim, a terceira consiste na ligação cruzada dos polímeros em redes bidimensionais e redes tridimensionais (Fig. 3.2). A primeira fase, que é intracelular, ocorre no citoplasma; a segunda fase é mediada por lipídios e ocorre na membrana citoplasmática, e a terceira, que é extracelular, ocorre no espaço periplasmático entre a membrana citoplasmática e a camada de mureína. (Se a bactéria não tivesse parede celular, não existiria o espaço periplasmático. Na prática, a maior parte da síntese da parede celular bacteriana consiste em remodelagem, isto é, as bactérias acrescentam novos componentes de parede celular a uma parede celular previamente existente.) Em princípio, qualquer uma das etapas bioquímicas das três fases na síntese da parede celular bacteriana poderia servir de alvo para inibição por fármacos antibacterianos; todavia, apenas algumas das etapas bioquímicas são bloqueadas pelos fármacos disponíveis (ver discussão adiante). Os detalhes da síntese da parede celular das bactérias podem ser desanimadores; por conseguinte, é importante ter em mente essas três fases — síntese de monômeros, polimerização dos monômeros e ligação cruzada dos polímeros — durante a discussão que se segue.

Síntese dos Monômeros de Mureína

A mureína (peptidoglicano) é sintetizada a partir de aminoácidos e açúcares. A síntese dos monômeros de mureína começa com a conversão da glicose em dois derivados, a N-acetilglicosamina (N-acetil- -D-glicosamina [NAG]) e o ácido N- acetilmurâmico (NAM; ver Fig. 3.2). A NAG é sintetizada a partir da glicose de cadeia fechada, a -D-glicopiranose, por amidação e fosforilação a glicosamina-1-fosfato, que, a seguir, é acetilada e ativada pela adição de uridina difosfato (UDP) para formar UDP–NAG. O próprio NAM é um derivado da NAG, formado a partir da UDP–NAG em duas reações. Em primeiro lugar, ocorre adição de fosfoenolpiruvato à UDP–NAG para formar o éter enol piruvato UDP–NAG, uma etapa catalisada pela enzima MurA (também conhecida como enol piruvato transferase; Boxe 3.1); em segundo lugar, a MurB (também conhecida como UDP–NAG-enol piruvato redutase) reduz esta molécula a UDP–NAM completando a síntese dos componentes de açúcar.

A seguir, ocorre adição do componente peptídico. Essa adição é efetuada através de uma série de peptídios transferases (MurC, MurD e MurE, que adicionam de modo seqüencial os aminoácidos L-alanina, D-glutamato e um diaminoácido — L-lisina ou ácido diamino pimélico (DAP) — ao UDP–NAM. O DAP só difere da lisina pela presença de um grupo carboxila adicional. As bactérias Gram-positivas utilizam, em sua maioria, a L-lisina, enquanto uma minoria das bactérias Grampositivas e todas as bactérias Gram-negativas utilizam o DAP. Esse aspecto é notável, visto que o DAP não é encontrado nos seres humanos e, portanto, proporciona um alvo singular para o futuro desenvolvimento de fármacos.

A formação do peptídio prossegue com a adição de um dipeptídio D-alanil-D-alanina (D-Ala-D-Ala) ao ácido diamino. O dipeptídio é sintetizado a partir de duas moléculas de L-alanina em duas reações. Como os aminoácidos no meio ambiente estão habitualmente disponíveis na conformação-L — que é aquela encontrada na maioria das proteínas dos mamíferos — a primeira reação requer a transformação de duas moléculas de L-alanina em D-alanina. Essa reação é catalisada pela enzima alanina racemase. Na segunda reação, uma enzima denominada D-Ala-D-Ala sintetase (ou D-Ala-D-Ala ligase) une as duas D-alaninas; essa reação exige a presença de ATP. O dipeptídio D-Ala-D-Ala resultante é adicionado pela enzima MurF ao UDP–NAM peptídio-substituído para formar UDP–NAML-Ala-D-Glu-L-Lys-(ou DAP-) D-Ala-D-Ala, uma molécula designada como peptídio de Park (Fig. 32.2A).

São necessárias mais duas reações para completar a síntese de um monômero de mureína. Essas reações ocorrem na superfície interna da membrana citoplasmática, em associação a uma molécula carreadora de lipídio, o bactoprenol. O bactoprenol também é utilizado para transportar o monômero completo até a superfície externa da membrana citoplasmática, onde ocorre polimerização (Fig. 3.2B). Essas reações começam com a transferência do peptídio de Park para o bactoprenol fosforilado, um processo mediado por MraY. Essa transferência libera UMP, resultando em uma ligação pirofosfato entre o bactoprenol e o peptídio de Park. Em uma reação catalisada pela enzima MurG, essa nova molécula reage então com uma molécula de UDP–NAG, liberando UDP e resultando na formação de uma ligação entre o NAM e o peptídio de Park e NAG. Por fim, nas bactérias Gram-positivas, um polipeptídio ligador, tipicamente constituído por cinco resíduos de glicina, é habitualmente acrescentado na posição da lisina (ou DAP); conforme discutido adiante, essa interponte permite a ligação cruzada dos polímeros nas bactérias Gram-positivas. Nas bactérias Gram-negativas, os monômeros de mureína estão, em geral, ligados diretamente uns aos outros por ligações cruzadas, sem o uso de um polipeptídio ligador. Essas etapas completam a síntese de um monômero de mureína.

Polimerização

As últimas duas fases no processo de biossíntese da parede celular — polimerização (transglicosilação) e ligação cruzada (transpeptidação) — ocorrem fora do citoplasma, no espaço periplasmático. Para que os monômeros de mureína alcancem o espaço periplasmático, devem atravessar a dupla camada lipídica da membrana citoplasmática. Conforme assinalado anteriormente, esse “transporte” exige o bactoprenol. Acredita-se que o bactoprenol, uma longa molécula lipofílica, se enrole ao redor do monômero de mureína, tornando-o lipofílico o suficiente para atravessar a dupla camada. Uma vez no espaço periplasmático, o monômero fixa-se a uma cadeia de mureína em crescimento por ligações entre o NAM do monômero de mureína e a NAG do polímero de peptidoglicano em crescimento. Essa transferência, que é catalisada por transglicosilases, libera o pirofosfato de bactoprenol. A seguir, o pirofosfato de bactoprenol retorna à superfície interna da membrana citoplasmática, onde perde um grupo fosfato para formar o fosfato de bactoprenol. Esta última etapa é catalisada por uma desfosforilase. Nesse estágio, o fosfato de bactoprenol está pronto para aceitar outro peptídio de Park (Fig. 3.2B).

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