Penicilina

Las penicilinas son un grupo de antibióticos obtenidos originalmente de mohos Penicillium, principalmente P. chrysogenum y P. rubens. La mayoría de las penicilinas de uso clínico se sintetizan químicamente a partir de penicilinas producidas naturalmente. Se han descubierto varias penicilinas naturales, pero solo dos compuestos purificados están en uso clínico: la penicilina G (uso intramuscular o intravenoso) y la penicilina V (administrada por vía oral). Las penicilinas estuvieron entre los primeros medicamentos efectivos contra muchas infecciones bacterianas causadas por estafilococos y estreptococos. Son miembros de los antibióticos β-lactámicos.Todavía se usan ampliamente hoy en día para diferentes infecciones bacterianas, aunque muchos tipos de bacterias han desarrollado resistencia después de un uso extensivo.

Alrededor del 10% de las personas informan que son alérgicas a la penicilina; sin embargo, es posible que hasta el 90 % de este grupo en realidad no sea alérgico. Las alergias graves solo ocurren en alrededor del 0,03%. Las personas que son alérgicas a la penicilina suelen recibir cefalosporina C (otro antibiótico betalactámico) porque solo hay un 10% de cruce en la alergia entre las penicilinas y las cefalosporinas.

La penicilina fue descubierta en 1928 por el científico escocés Alexander Fleming como un extracto crudo de P. rubens. El alumno de Fleming, Cecil George Paine, fue el primero en utilizar con éxito la penicilina para tratar la infección ocular (oftalmía neonatorum) en 1930. El compuesto purificado (penicilina F) fue aislado en 1940 por un equipo de investigación dirigido por Howard Florey y Ernst Boris Chain en la Universidad de Oxford. Fleming utilizó por primera vez la penicilina purificada para tratar la meningitis estreptocócica en 1942. Por el descubrimiento, Fleming compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1945 con Florey y Chain.

Varias penicilinas semisintéticas son eficaces contra un espectro más amplio de bacterias: estas incluyen las penicilinas antiestafilocócicas, las aminopenicilinas y las penicilinas antipseudomonas.

Nomenclatura

El término "penicilina" se define como el producto natural del moho Penicillium con actividad antimicrobiana. Fue acuñado por Alexander Fleming el 7 de marzo de 1929 cuando descubrió la propiedad antibacteriana de Penicillium rubens. Fleming explicó en su artículo de 1929 en el British Journal of Experimental Pathology que "para evitar la repetición de la frase bastante engorrosa 'Filtrado de caldo de moho', se usará el nombre 'penicilina'". Por lo tanto, el nombre se refiere al nombre científico del moho, como lo describe Fleming en su conferencia Nobel en 1945:

Me han preguntado con frecuencia por qué inventé el nombre "Penicilina". Simplemente seguí líneas perfectamente ortodoxas y acuñé una palabra que explicaba que la sustancia penicilina se derivaba de una planta del género Penicillium al igual que hace muchos años se inventó la palabra "Digitalin" para una sustancia derivada de la planta Digitalis.

En el uso moderno, el término penicilina se usa de manera más amplia para referirse a cualquier antimicrobiano β-lactámico que contiene un anillo de tiazolidina fusionado con el núcleo de β-lactámico, y puede ser o no un producto natural. Como la mayoría de los productos naturales, la penicilina está presente en los hongos Penicillium como una mezcla de componentes activos (la gentamicina es otro ejemplo de un producto natural que es una mezcla mal definida de componentes activos). Los principales componentes activos de Penicillium se enumeran en la siguiente tabla:

Nombre químico	nomenclatura del Reino Unido	nomenclatura estadounidense	Potencia relativaa la penicilina G
2-pentenilpenicilina	penicilina yo	Penicilina F	70–82%
bencilpenicilina	Penicilina II	Penicilina G	100%
p -Hidroxibencilpenicilina	Penicilina III	Penicilina X	130–140%
n -heptilpenicilina	Penicilina IV	penicilina k	110-120%

Otros componentes activos menores de Penicillium incluyen penicilina O, penicilina U1 y penicilina U6. Posteriormente se descubrió que otros constituyentes mencionados del Penicillium natural, como la penicilina A, no tienen actividad antibiótica y no están relacionados químicamente con las penicilinas antibióticas.

La constitución precisa de la penicilina extraída depende de la especie de moho Penicillium utilizada y del medio nutritivo utilizado para cultivar el moho. La cepa original de Penicillium rubens de Fleming produce principalmente penicilina F, llamada así por Fleming. Pero la penicilina F es inestable, difícil de aislar y producida por el moho en pequeñas cantidades.

La principal cepa comercial de Penicillium chrysogenum (la cepa Peoria) produce penicilina G como componente principal cuando se usa licor de maceración de maíz como medio de cultivo. Cuando se agrega fenoxietanol o ácido fenoxiacético al medio de cultivo, el moho produce penicilina V como penicilina principal en su lugar.

El ácido 6-aminopenicilánico (6-APA) es un compuesto derivado de la penicilina G. El 6-APA contiene el núcleo betalactámico de la penicilina G, pero sin las cadenas laterales; El 6-APA es un precursor útil para fabricar otras penicilinas. Hay muchas penicilinas semisintéticas derivadas del 6-APA y se dividen en tres grupos: penicilinas antiestafilocócicas, penicilinas de amplio espectro y penicilinas antipseudomonas. Las penicilinas semisintéticas se conocen como penicilinas porque todas se derivan en última instancia de la penicilina G.

Unidades de penicilina

• Una unidad de penicilina G sódica se define como 0,600 microgramos. Por lo tanto, 2 millones de unidades (2 megaunidades) de penicilina G son 1,2 g.
• Una unidad de penicilina V potásica se define como 0,625 microgramos. Por tanto, 400.000 unidades de penicilina V son 250 mg.

El uso de unidades para recetar penicilina es un accidente histórico y en gran parte está obsoleto fuera de los EE. UU. Dado que la penicilina original era una mezcla mal definida de compuestos activos (un polvo amarillo amorfo), la potencia de cada lote de penicilina variaba de un lote a otro. Por lo tanto, era imposible prescribir 1 g de penicilina porque la actividad de 1 g de penicilina de un lote sería diferente de la actividad de otro lote. Después de la fabricación, cada lote de penicilina tenía que estandarizarse frente a una unidad conocida de penicilina: cada vial de vidrio se llenaba con el número de unidades necesario. En la década de 1940, un vial de 5000 unidades Oxford era estándar,pero dependiendo del lote, podría contener desde 15 mg a 20 mg de penicilina. Posteriormente, se convirtió en estándar un vial de 1.000.000 de unidades internacionales, que podía contener de 2,5 a 3 g de penicilina natural (una mezcla de penicilina I, II, III y IV e impurezas naturales). Con el advenimiento de las preparaciones de penicilina G pura (un polvo cristalino blanco), hay pocas razones para recetar penicilina en unidades.

La "unidad" de penicilina ha tenido tres definiciones anteriores, y cada definición se eligió por ser aproximadamente equivalente a la anterior.

• Unidad Oxford o Florey (1941). Esto se definió originalmente como la cantidad mínima de penicilina disuelta en 50 ml de extracto de carne que inhibiría el crecimiento de una cepa estándar de Staphylococcus aureus (el Oxford Staphylococcus). El estándar de referencia fue un gran lote de penicilina impura guardado en Oxford. Posteriormente, el grupo de Florey modificó el ensayo a un "ensayo de taza" más reproducible: en este ensayo, se definió que una solución de penicilina contenía una unidad/ml de penicilina cuando se colocaron 339 microlitros de la solución en una "taza" en un plato de el agar sólido produjo una zona de inhibición del crecimiento de Oxford Staphylococcus de 24 milímetros.
• Primera Norma Internacional (1944). Un solo lote de 8 gramos de penicilina G sódica cristalina pura se almacenó en el Instituto Nacional para la Investigación Médica en Mill Hill en Londres (el estándar internacional). Una unidad de penicilina se definió en 0,6 microgramos del estándar internacional. También se definió un "estándar de trabajo" impuro y estaba disponible en cantidades mucho mayores distribuidas en todo el mundo: una unidad del estándar de trabajo era de 2,7 microgramos (la cantidad por unidad era mucho mayor debido a las impurezas). Al mismo tiempo, se perfeccionó el ensayo de copa, en el que en lugar de especificar un diámetro de zona de 24 mm, el tamaño de la zona se trazó frente a una curva de referencia para proporcionar una lectura de la potencia.
• Segunda Norma Internacional (1953). Se obtuvo un solo lote de 30 gramos de penicilina G sódica cristalina pura: esto también se almacenó en Mill Hill. Una unidad de penicilina se definió como 0,5988 microgramos del Segundo Estándar Internacional.

Hay una unidad más antigua para la penicilina V que no es equivalente a la unidad actual de penicilina V. La razón es que la FDA de EE. UU. asumió incorrectamente que la potencia de la penicilina V es la misma mol por mol que la penicilina G. De hecho, la penicilina V es menos potente que la penicilina G, y la unidad actual de penicilina V refleja ese hecho.

• Primera unidad internacional de penicilina V (1959). Una unidad de penicilina V se definió como 0,590 microgramos de un estándar de referencia mantenido en Mill Hill en Londres. Esta unidad ahora está obsoleta.

También se estableció un estándar similar para la penicilina K.

Tipos

Penicilinas naturales

La penicilina G (bencilpenicilina) se produjo por primera vez a partir de un hongo penicillium que se encuentra en la naturaleza. La cepa de hongo que se usa hoy en día para la fabricación de penicilina G fue creada por ingeniería genética para mejorar el rendimiento en el proceso de fabricación. Ninguna de las otras penicilinas naturales (F, K, N, X, O, U1 o U6) están actualmente en uso clínico.

Penicilina semisintética

La penicilina V (fenoximetilpenicilina) se produce añadiendo el precursor ácido fenoxiacético al medio en el que se cultiva una cepa genéticamente modificada del hongo penicillium.

Antibióticos creados a partir de 6-APA

Hay tres grupos principales de otros antibióticos semisintéticos relacionados con las penicilinas. Se sintetizan añadiendo varias cadenas laterales al precursor 6-APA, que se aísla de la penicilina G. Estos son los antibióticos antiestafilocócicos, los antibióticos de amplio espectro y los antibióticos antipseudomonas.

Antibióticos antiestafilocócicos

• Cloxacilina (por boca o por inyección)
• Dicloxacilina (por boca o por inyección)
• Flucloxacilina (por boca o por inyección)
• Meticilina (solo inyección)
• Nafcilina (solo inyección)
• Oxacilina (por boca o por inyección)

Los antibióticos antiestafilocócicos se llaman así porque son resistentes a ser descompuestos por la penicilinasa estafilocócica. Por lo tanto, también se les conoce como resistentes a la penicilinasa.

Antibióticos de amplio espectro

Este grupo de antibióticos se denomina "de amplio espectro" porque son activos frente a una amplia gama de bacterias Gram negativas, como Escherichia coli y Salmonella typhi, para las que la penicilina no es adecuada. Sin embargo, la resistencia en estos organismos ahora es común.

• ampicilina
• amoxicilina

Hay muchos precursores de ampicilina en existencia. Estos son compuestos inactivos que se descomponen en el intestino para liberar ampicilina. Ninguno de estos profármacos de la ampicilina se usa actualmente:

• Pivampicilina (éster pivaloiloximetílico de ampicilina)
• Bacampicilina
• Metampicilina (formaldehído éster de ampicilina)
• talampicilina
• Hetacilina (ampicilina conjugada con acetona)

La epicillina es una aminopenicilina que nunca ha tenido un uso clínico generalizado.

Antibióticos antipseudomonas

La especie Gram-negativa, Pseudomonas aeruginosa, es naturalmente resistente a muchas clases de antibióticos. Hubo muchos esfuerzos en las décadas de 1960 y 1970 para desarrollar antibióticos activos contra especies de Pseudomonas. Hay dos clases químicas dentro del grupo: carboxipenicilinas y ureidopenicilinas. Todos se administran mediante inyección: ninguno se puede administrar por vía oral.

Carboxipenicilinas

• carbenicilina
• ticarcilina
• temocilina

Ureidopenicilinas

• Mezlocilina
• piperacilina
• Azlocilina

Inhibidores de la β-lactamasa

• Ácido clavulanico
• sulbactam
• tazobactam

Uso medico

El término "penicilina", cuando se usa solo, puede referirse a dos compuestos químicos, penicilina G o penicilina V.

Nombre común	Nombre químico	Método deadministración
Penicilina V	fenoximetilpenicilina	oral
Penicilina G	bencilpenicilina	intravenosointramuscular

Penicilina G

La penicilina G es destruida por el ácido del estómago, por lo que no se puede tomar por vía oral, pero se pueden administrar dosis de hasta 2,4 g (mucho más altas que la penicilina V). Se administra por inyección intravenosa o intramuscular. Se puede formular como una sal insoluble, y existen dos formulaciones de este tipo en uso actual: penicilina procaína y bencilpenicilina benzatínica, que se usan solo en el tratamiento de la sífilis. Cuando se debe mantener una alta concentración en la sangre, la penicilina G debe administrarse a intervalos relativamente frecuentes, ya que se elimina con bastante rapidez del torrente sanguíneo por vía renal.

La penicilina G está autorizada para su uso en el tratamiento de la septicemia, el empiema, la neumonía, la pericarditis, la endocarditis y la meningitis causadas por cepas susceptibles de estafilococos y estreptococos. También está autorizado para el tratamiento del ántrax, la actinomicosis, la enfermedad cervicofacial, la enfermedad torácica y abdominal, las infecciones por clostridios, el botulismo, la gangrena gaseosa (con el desbridamiento y/o la cirugía correspondientes, según se indique), el tétanos (como terapia complementaria a la inmunoglobulina antitetánica humana).), difteria (como terapia complementaria a la antitoxina y para la prevención del estado de portador), endocarditis por erisipelothrix, fusoespiroquetosis (infecciones graves de la orofaringe, el tracto respiratorio inferior y el área genital), infecciones por Listeria, meningitis, endocarditis, Pasteurellainfecciones que incluyen bacteriemia y meningitis, fiebre de Haverhill; fiebre por mordedura de rata e infecciones gonocócicas diseminadas, meningitis meningocócica y/o septicemia causada por organismos sensibles a la penicilina y sífilis.

Penicilina V

La penicilina V se puede tomar por vía oral porque es relativamente resistente al ácido estomacal. Las dosis superiores a 500 mg no son totalmente eficaces debido a la mala absorción. Se usa para las mismas infecciones bacterianas que las de la penicilina G y es la forma de penicilina más utilizada. Sin embargo, no se usa para enfermedades, como la endocarditis, donde se requieren altos niveles de penicilina en la sangre.

Susceptibilidad bacteriana

Debido a que la resistencia a la penicilina ahora es tan común, ahora otros antibióticos son la opción preferida para los tratamientos. Por ejemplo, la penicilina solía ser el tratamiento de primera línea para las infecciones por Neisseria gonorrhoeae y Neisseria meningitidis, pero ya no se recomienda para el tratamiento de estas infecciones.

Bacteria	Sensible (S)	intermedio (yo)	Resistente (R)
estafilococo aureus	≤0,12 microgramos/ml	-	≥0,25 mcg/ml
Meningitis por Streptococcus pneumoniae	≤0,06 microgramos/ml	-	≥0,12 mcg/ml
Streptococcus pneumoniae (no meningitis)	≤2 mcg/ml		≥8 mcg/ml
grupo Streptococcus viridans	0,12 microgramos/ml	0,25–2 mcg/ml	4 microgramos/ml
Listeria monocytogenes	≤2 mcg/ml	-	-
Bacillus Anthracis	≤0,12 microgramos/ml	-	≥0,25 mcg/ml

Efectos secundarios

Las reacciones adversas frecuentes (≥ 1% de las personas) asociadas con el uso de las penicilinas incluyen diarrea, hipersensibilidad, náuseas, erupción cutánea, neurotoxicidad, urticaria y superinfección (incluida la candidiasis). Los efectos adversos poco frecuentes (0.1 a 1% de las personas) incluyen fiebre, vómitos, eritema, dermatitis, angioedema, convulsiones (especialmente en personas con epilepsia) y colitis seudomembranosa. La penicilina también puede inducir la enfermedad del suero o una reacción similar a la enfermedad del suero en algunas personas. La enfermedad del suero es una reacción de hipersensibilidad de tipo III que ocurre de una a tres semanas después de la exposición a medicamentos, incluida la penicilina. No es una verdadera alergia a los medicamentos, porque las alergias son reacciones de hipersensibilidad de tipo I, pero la exposición repetida al agente agresor puede provocar una reacción anafiláctica.La alergia ocurrirá en 1-10% de las personas, presentándose como una erupción cutánea después de la exposición. La anafilaxia mediada por IgE ocurrirá en aproximadamente el 0,01% de los pacientes.

El dolor y la inflamación en el lugar de la inyección también son comunes para la bencilpenicilina benzatínica administrada por vía parenteral, la bencilpenicilina y, en menor medida, la bencilpenicilina procaína. La condición se conoce como dermatitis livedoide o síndrome de Nicolau.

Estructura

El término "penam" se usa para describir el esqueleto central común de un miembro de las penicilinas. Este núcleo tiene la fórmula molecular RC ₉ H ₁₁ N ₂ O ₄ S, donde R es la cadena lateral variable que diferencia las penicilinas entre sí. El núcleo de penam tiene una masa molar de 243 g/mol, y las penicilinas más grandes tienen una masa molar cercana a 450; por ejemplo, la cloxacilina tiene una masa molar de 436 g/mol. 6-APA (C ₈ H ₁₂ N ₂ O ₃ S) forma la estructura básica de las penicilinas. Está compuesto por un dipéptido encerrado formado por la condensación de L-cisteína y D-valina. Esto da como resultado la formación de β-lactámicos y anillos tiazolidínicos.

La característica estructural clave de las penicilinas es el anillo β-lactámico de cuatro miembros; este resto estructural es esencial para la actividad antibacteriana de la penicilina. El anillo de β-lactámico está fusionado a un anillo de tiazolidina de cinco miembros. La fusión de estos dos anillos hace que el anillo de β-lactámico sea más reactivo que los β-lactámicos monocíclicos porque los dos anillos fusionados distorsionan el enlace amida de β-lactámico y, por lo tanto, eliminan la estabilización de resonancia que normalmente se encuentra en estos enlaces químicos. Una cadena lateral lateral de acilo unida al anillo β-lactámico.

Se ha producido una variedad de antibióticos β-lactámicos después de la modificación química de la estructura 6-APA durante la síntesis, específicamente al hacer sustituciones químicas en la cadena lateral de acilo. Por ejemplo, la primera penicilina alterada químicamente, la meticilina, tenía sustituciones por grupos metoxi en las posiciones 2' y 6' del anillo de benceno 6-APA de la penicilina G. Esta diferencia hace que la meticilina sea resistente a la actividad de la β-lactamasa, una enzima por que muchas bacterias son naturalmente insensibles a las penicilinas.

Farmacología

Entrada en bacterias

La penicilina puede ingresar fácilmente a la célula bacteriana en el caso de especies Gram-positivas. Esto se debe a que las bacterias Gram-positivas no tienen una membrana celular externa y simplemente están encerradas en una pared celular gruesa. Las moléculas de penicilina son lo suficientemente pequeñas para atravesar los espacios de las glicoproteínas en la pared celular. Por esta razón, las bacterias Gram-positivas son muy susceptibles a la penicilina (como lo demuestra por primera vez el descubrimiento de la penicilina en 1928).

La penicilina, o cualquier otra molécula, ingresa a las bacterias Gram-negativas de manera diferente. Las bacterias tienen paredes celulares más delgadas pero la superficie externa está recubierta con una membrana celular adicional, llamada membrana externa. La membrana externa es una capa lipídica (cadena de lipopolisacárido) que bloquea el paso de moléculas solubles en agua (hidrofílicas) como la penicilina. Por lo tanto, actúa como la primera línea de defensa contra cualquier sustancia tóxica, que es la razón de la resistencia relativa a los antibióticos en comparación con las especies Gram-positivas. Pero la penicilina aún puede ingresar a las especies Gram-negativas al difundirse a través de canales acuosos llamados porinas (proteínas de la membrana externa), que se dispersan entre las moléculas grasas y pueden transportar nutrientes y antibióticos a las bacterias.Las porinas son lo suficientemente grandes como para permitir la difusión de la mayoría de las penicilinas, pero la velocidad de difusión a través de ellas está determinada por el tamaño específico de las moléculas del fármaco. Por ejemplo, la penicilina G es grande y entra lentamente a través de las porinas; mientras que la ampicilina y la amoxicilina más pequeñas se difunden mucho más rápido. Por el contrario, la vancomicina grande no puede atravesar las porinas y, por lo tanto, es ineficaz para las bacterias gramnegativas. El tamaño y el número de porinas son diferentes en diferentes bacterias. Como resultado de los dos factores, el tamaño de la penicilina y la porina, las bacterias gramnegativas pueden ser insensibles o tener un grado variable de susceptibilidad a la penicilina específica.

Mecanismo de acción

La estructura química de la penicilina se activa con un mecanismo dirigido dependiente del pH muy preciso, afectado por un conjunto espacial único de componentes moleculares, que pueden activarse por protonación. Puede viajar a través de los fluidos corporales, apuntando e inactivando las enzimas responsables de la síntesis de la pared celular en las bacterias grampositivas, mientras evita los no objetivos circundantes. La penicilina puede protegerse de la hidrólisis espontánea en el cuerpo en su forma aniónica mientras almacena su potencial como un fuerte agente acilante, activado solo al acercarse a la enzima transpeptidasa objetivo y protonada en el centro activo. Esta protonación dirigida neutraliza la fracción de ácido carboxílico, que debilita el enlace N–C(=O) del anillo β-lactámico, lo que da como resultado una autoactivación.

La penicilina mata las bacterias al inhibir la finalización de la síntesis de peptidoglicanos, el componente estructural de la pared celular bacteriana. Inhibe específicamente la actividad de las enzimas que se necesitan para el entrecruzamiento de los peptidoglicanos durante el paso final en la biosíntesis de la pared celular. Lo hace uniéndose a las proteínas de unión a la penicilina con el anillo β-lactámico, una estructura que se encuentra en las moléculas de penicilina. Esto hace que la pared celular se debilite debido a la menor cantidad de enlaces cruzados y significa que el agua fluye sin control hacia la célula porque no puede mantener el gradiente osmótico correcto. Esto da como resultado la lisis celular y la muerte.

Las bacterias constantemente remodelan sus paredes celulares de peptidoglicano, construyendo y descomponiendo simultáneamente porciones de la pared celular a medida que crecen y se dividen. Durante las últimas etapas de la biosíntesis de peptidoglicanos, se forma el pentapéptido del ácido uridina difosfato - N -acetilmurámico (UDP-MurNAc) en el que los aminoácidos cuarto y quinto son ambos D -alanil- D - alanina. La transferencia de D-alanina se realiza (catalizada) por la enzima DD-transpeptidasa (las proteínas de unión a penicilina son de este tipo). La integridad estructural de la pared celular bacteriana depende del entrecruzamiento de UDP-MurNAc y N - acetil glucosamina. La penicilina y otros antibióticos β-lactámicos actúan como un análogo de la D -alanina- D-alanina (el dipéptido) en UDP-MurNAc debido a similitudes conformacionales. La DD-transpeptidasa luego se une al anillo β-lactámico de cuatro miembros de la penicilina en lugar de UDP-MurNAc. Como consecuencia, se inactiva la DD-transpeptidasa, se bloquea la formación de enlaces cruzados entre UDP-MurNAc y N - acetil glucosamina, de modo que se desarrolla un desequilibrio entre la producción y la degradación de la pared celular, lo que hace que la célula muera rápidamente.

Las enzimas que hidrolizan los enlaces cruzados de peptidoglucano continúan funcionando, incluso mientras que las que forman dichos enlaces cruzados no lo hacen. Esto debilita la pared celular de la bacteria y la presión osmótica se vuelve cada vez más descompensada, causando finalmente la muerte celular (citólisis). Además, la acumulación de precursores de peptidoglicanos desencadena la activación de hidrolasas y autolisinas de la pared celular bacteriana, que digieren aún más los peptidoglicanos de la pared celular. El pequeño tamaño de las penicilinas aumenta su potencia, al permitirles penetrar en toda la profundidad de la pared celular. Esto contrasta con los antibióticos glicopéptidos vancomicina y teicoplanina, que son mucho más grandes que las penicilinas.

Las bacterias grampositivas se denominan protoplastos cuando pierden sus paredes celulares. Las bacterias gramnegativas no pierden por completo sus paredes celulares y se denominan esferoplastos después del tratamiento con penicilina.

La penicilina muestra un efecto sinérgico con los aminoglucósidos, ya que la inhibición de la síntesis de peptidoglucano permite que los aminoglucósidos penetren más fácilmente en la pared celular bacteriana, lo que permite la interrupción de la síntesis de proteínas bacterianas dentro de la célula. Esto da como resultado un MBC reducido para los organismos susceptibles.

Las penicilinas, al igual que otros antibióticos betalactámicos, bloquean no sólo la división de las bacterias, incluidas las cianobacterias, sino también la división de las cianelas, los orgánulos fotosintéticos de las glaucofitas y la división de los cloroplastos de las briófitas. Por el contrario, no tienen efecto sobre los plástidos de las plantas vasculares altamente desarrolladas. Esto apoya la teoría endosimbiótica de la evolución de la división de plástidos en plantas terrestres.

Algunas bacterias producen enzimas que descomponen el anillo β-lactámico, llamadas β-lactamasas, que hacen que las bacterias sean resistentes a la penicilina. Por lo tanto, algunas penicilinas se modifican o se administran con otros medicamentos para su uso contra bacterias resistentes a los antibióticos o en pacientes inmunocomprometidos. El uso de ácido clavulánico o tazobactam, inhibidores de la β-lactamasa, junto con la penicilina otorga actividad a la penicilina contra las bacterias productoras de β-lactamasa. Los inhibidores de la β-lactamasa se unen irreversiblemente a la β-lactamasa evitando que rompa los anillos de beta-lactama en la molécula antibiótica. Alternativamente, la flucloxacilina es una penicilina modificada que tiene actividad contra las bacterias productoras de β-lactamasa debido a una cadena lateral de acilo que protege el anillo betalactámico de la β-lactamasa.

Farmacocinética

La penicilina tiene baja unión a proteínas en el plasma. La biodisponibilidad de la penicilina depende del tipo: la penicilina G tiene una biodisponibilidad baja, por debajo del 30%, mientras que la penicilina V tiene una biodisponibilidad más alta, entre el 60 y el 70%.

La penicilina tiene una vida media corta y se excreta por vía renal. Esto significa que debe dosificarse al menos cuatro veces al día para mantener niveles adecuados de penicilina en la sangre. Los primeros manuales sobre el uso de la penicilina, por lo tanto, recomendaban inyecciones de penicilina con una frecuencia de cada tres horas, y se ha descrito que la dosificación de penicilina es similar a tratar de llenar un baño sin el tapón. Esto ya no es necesario, ya que las dosis mucho mayores de penicilina están disponibles fácilmente y a bajo costo; sin embargo, algunas autoridades recomiendan el uso de infusiones continuas de penicilina por este motivo.

Resistencia

Cuando Alexander Fleming descubrió la penicilina cruda en 1928, una observación importante que hizo fue que la penicilina no afectaba a muchas bacterias. Este fenómeno fue realizado por Ernst Chain y Edward Abraham al tratar de identificar la penicilina exacta. En 1940, descubrieron que bacterias insensibles como Escherichia coli producían enzimas específicas que pueden descomponer las moléculas de penicilina, haciéndolas así resistentes al antibiótico. Llamaron a la enzima penicilinasa.La penicilinasa ahora se clasifica como miembro de enzimas llamadas β-lactamasas. Estas β-lactamasas están naturalmente presentes en muchas otras bacterias, y muchas bacterias las producen tras la exposición constante a los antibióticos. En la mayoría de las bacterias, la resistencia puede ser a través de tres mecanismos diferentes: permeabilidad reducida en las bacterias, afinidad de unión reducida de las proteínas de unión a penicilina (PBP) o destrucción del antibiótico a través de la expresión de β-lactamasa. Usando cualquiera de estos, las bacterias comúnmente desarrollan resistencia a diferentes antibióticos, un fenómeno llamado resistencia a múltiples fármacos.

El proceso real del mecanismo de resistencia puede ser muy complejo. En caso de permeabilidad reducida en bacterias, los mecanismos son diferentes entre bacterias Gram-positivas y Gram-negativas. En bacterias Gram-positivas, el bloqueo de la penicilina se debe a cambios en la pared celular. Por ejemplo, la resistencia a la vancomicina en S. aureus se debe a la síntesis adicional de peptidoglucano que hace que la pared celular sea mucho más gruesa y evite la entrada eficaz de la penicilina. La resistencia en bacterias Gram negativas se debe a variaciones mutacionales en la estructura y el número de porinas. En bacterias como Pseudomonas aeruginosa, hay un número reducido de porinas; mientras que en bacterias como las especies de Enterobacter, Escherichia coli yKlebsiella pneumoniae, existen porinas modificadas como porinas no específicas (como los grupos OmpC y OmpF) que no pueden transportar penicilina.

La resistencia por alteraciones de la PBP es muy variada. Un caso común se encuentra en Streptococcus pneumoniae, donde existe una mutación en el gen de la PBP, y las PBP mutantes tienen una menor afinidad de unión por las penicilinas. Hay seis PBP mutantes en S. pneumoniae, de las cuales PBP1a, PBP2b, PBP2x y, en ocasiones, PBP2a son responsables de la reducción de la afinidad de unión. S. aureus puede activar un gen oculto que produce una PBP diferente, PBD2, que tiene baja afinidad de unión con las penicilinas. Existe una cepa diferente de S. aureus llamada S. aureus resistente a la meticilina (MRSA) que es resistente no solo a la penicilina y otros betalactámicos, sino también a la mayoría de los antibióticos. La cepa bacteriana se desarrolló después de la introducción de la meticilina en 1959. En MRSA, las mutaciones en los genes (sistema mec) para PBP producen una proteína variante llamada PBP2a (también denominada PBP2'), mientras que producen cuatro PBP normales. PBP2a tiene poca afinidad de unión por la penicilina y también carece de la actividad de glicosiltransferasa necesaria para la síntesis completa de peptidoglucano (que es llevada a cabo por las cuatro PBP normales). En Helicobacter cinaedi, existen múltiples mutaciones en diferentes genes que hacen variantes de PBP.

La destrucción enzimática por las β-lactamasas es el mecanismo más importante de resistencia a la penicilina y se describe como "la mayor amenaza para el uso [de las penicilinas]". Fue el primer mecanismo descubierto de resistencia a la penicilina. Durante los experimentos en los que se realizaron pruebas de purificación y actividad biológica de la penicilina en 1940, se descubrió que E. coli no era susceptible. La razón se descubrió como la producción de una enzima penicilinasa (por lo tanto, la primera β-lactamasa conocida) en E. coli que degradaba fácilmente la penicilina. Hay más de 2000 tipos de β-lactamasas, cada una de las cuales tiene una secuencia de aminoácidos única y, por lo tanto, actividad enzimática.Todos ellos son capaces de hidrolizar anillos β-lactámicos, pero sus sitios de destino exactos son diferentes. Se secretan en la superficie bacteriana en grandes cantidades en bacterias Gram-positivas pero menos en especies Gram-negativas. Por lo tanto, en una infección bacteriana mixta, las bacterias grampositivas pueden proteger a las células gramnegativas, que de otro modo serían sensibles a la penicilina.

Hay mecanismos inusuales en P. aeruginosa, en los que puede haber resistencia mediada por biopelículas y formación de células persistentes tolerantes a múltiples fármacos.

Historia

Descubrimiento

Desde finales del siglo XIX, hubo informes sobre las propiedades antibacterianas del moho Penicillium, pero los científicos no pudieron discernir qué proceso estaba causando el efecto. El médico escocés Alexander Fleming del St Mary's Hospital de Londres (ahora parte del Imperial College) fue el primero en demostrar que Penicillium rubens tenía propiedades antibacterianas. El 3 de septiembre de 1928 observó que la contaminación fúngica de un cultivo bacteriano (Staphylococcus aureus) parecía matar a la bacteria. Confirmó esta observación con un nuevo experimento el 28 de septiembre de 1928. Publicó su experimento en 1929 y llamó a la sustancia antibacteriana (el extracto fúngico) penicilina.

CJ La Touche identificó el hongo como Penicillium rubrum (más tarde reclasificado por Charles Thom como P. notatum y P. chrysogenum, pero luego corregido como P. rubens). Fleming expresó optimismo inicial de que la penicilina sería un antiséptico útil, debido a su alta potencia y toxicidad mínima en comparación con otros antisépticos del día, y señaló su valor de laboratorio en el aislamiento de Bacillus influenzae (ahora llamado Haemophilus influenzae).

Fleming no convenció a nadie de que su descubrimiento fuera importante. Esto se debió en gran parte a que la penicilina era tan difícil de aislar que su desarrollo como fármaco parecía imposible. Se especula que si Fleming hubiera tenido más éxito en hacer que otros científicos se interesaran en su trabajo, la penicilina posiblemente se habría desarrollado años antes.

La importancia de su trabajo ha sido reconocida por la colocación de un Hito Químico Histórico Internacional en el Museo del Laboratorio Alexander Fleming en Londres el 19 de noviembre de 1999.

Aplicación médica

En 1930, Cecil George Paine, patólogo de la Royal Infirmary de Sheffield, trató con éxito la oftalmía neonatal, una infección gonocócica en bebés, con penicilina (extracto fúngico) el 25 de noviembre de 1930.

En 1940, el científico australiano Howard Florey (más tarde Baron Florey) y un equipo de investigadores (Ernst Chain, Edward Abraham, Arthur Duncan Gardner, Norman Heatley, Margaret Jennings, Jean Orr-Ewing y Arthur Gordon Sanders) en la Escuela Sir William Dunn de Pathology, la Universidad de Oxford avanzó en la fabricación de penicilina concentrada a partir de caldo de cultivo de hongos que mostró acción bactericida tanto in vitro como in vivo. En 1941, trataron a un policía, Albert Alexander, con una grave infección en la cara; su condición mejoró, pero luego se agotaron los suministros de penicilina y murió. Posteriormente, varios otros pacientes fueron tratados con éxito.En diciembre de 1942, los sobrevivientes del incendio de Cocoanut Grove en Boston fueron los primeros pacientes quemados en ser tratados exitosamente con penicilina.

El primer uso exitoso de penicilina pura fue cuando Fleming trató a Harry Lambert de una infección fatal del sistema nervioso (meningitis estreptocócica) en 1942. En ese momento, el equipo de Oxford solo podía producir una pequeña cantidad. Florey le dio voluntariamente la única muestra disponible a Fleming. Lambert mostró una mejoría desde el día siguiente del tratamiento y se curó por completo en una semana. Fleming publicó su ensayo clínico en The Lancet en 1943. Tras el avance médico, el Gabinete de Guerra Británico estableció el Comité de Penicilina el 5 de abril de 1943 que condujo a proyectos de producción en masa.

Producción en masa

Cuando se estableció la aplicación médica, el equipo de Oxford descubrió que era imposible producir cantidades utilizables en su laboratorio. Al no poder persuadir al gobierno británico, Florey y Heatley viajaron a los EE. UU. en junio de 1941 con sus muestras de moho para interesar al gobierno de los EE. UU. en la producción a gran escala. Se acercaron al Laboratorio de Investigación Regional del Norte del USDA (NRRL, ahora el Centro Nacional para la Investigación de Utilización Agrícola) en Peoria, Illinois, donde se establecieron instalaciones para fermentaciones a gran escala. Inmediatamente siguió el cultivo masivo del molde y la búsqueda de mejores moldes.

El 14 de marzo de 1942, el primer paciente fue tratado por sepsis estreptocócica con penicilina fabricada en EE. UU. producida por Merck & Co. La mitad del suministro total producido en ese momento se usó en esa paciente, Anne Miller. En junio de 1942, se disponía de suficiente penicilina estadounidense para tratar a diez pacientes. En julio de 1943, la War Production Board elaboró ​​un plan para la distribución masiva de existencias de penicilina a las tropas aliadas que luchaban en Europa. Los resultados de la investigación de la fermentación del licor macerado de maíz en el NRRL permitieron que los Estados Unidos produjeran 2,3 millones de dosis a tiempo para la invasión de Normandía en la primavera de 1944. Después de una búsqueda mundial en 1943, un melón mohoso en un mercado de Peoria, Illinois se encontró que contenía la mejor cepa de moho para la producción utilizando el proceso de licor de maceración de maíz.El científico de Pfizer, Jasper H. Kane, sugirió usar un método de fermentación en tanque profundo para producir grandes cantidades de penicilina de grado farmacéutico. La producción a gran escala fue el resultado del desarrollo de una planta de fermentación de tanque profundo por parte de la ingeniera química Margaret Hutchinson Rousseau. Como resultado directo de la guerra y la War Production Board, en junio de 1945 se producían más de 646 mil millones de unidades por año.

G. Raymond Rettew hizo una contribución significativa al esfuerzo de guerra estadounidense con sus técnicas para producir cantidades comerciales de penicilina, en las que combinó su conocimiento de la semilla de hongos con la función del separador de crema Sharples. En 1943, el laboratorio de Rettew producía la mayor parte de la penicilina del mundo. Durante la Segunda Guerra Mundial, la penicilina marcó una gran diferencia en el número de muertes y amputaciones causadas por heridas infectadas entre las fuerzas aliadas, salvando entre un 12 % y un 15 % de vidas. Sin embargo, la disponibilidad estaba gravemente limitada por la dificultad de fabricar grandes cantidades de penicilina y por la rápida eliminación renal del fármaco, lo que requería una dosificación frecuente. Los métodos para la producción masiva de penicilina fueron patentados por Andrew Jackson Moyer en 1945.Florey no había patentado la penicilina, ya que Sir Henry Dale le advirtió que hacerlo no sería ético.

La penicilina se excreta activamente y aproximadamente el 80% de una dosis de penicilina se elimina del cuerpo dentro de las tres o cuatro horas posteriores a la administración. De hecho, a principios de la era de la penicilina, la droga era tan escasa y tan valorada que se hizo común recolectar la orina de los pacientes tratados, de modo que la penicilina en la orina pudiera aislarse y reutilizarse.Esta no fue una solución satisfactoria, por lo que los investigadores buscaron una forma de retardar la excreción de penicilina. Esperaban encontrar una molécula que pudiera competir con la penicilina por el transportador de ácidos orgánicos responsable de la excreción, de modo que el transportador excretara preferentemente la molécula competidora y la penicilina se mantuviera. El agente uricosúrico probenecid demostró ser adecuado. Cuando probenecid y penicilina se administran juntos, probenecid inhibe competitivamente la excreción de penicilina, aumentando la concentración de penicilina y prolongando su actividad. Eventualmente, el advenimiento de las técnicas de producción en masa y las penicilinas semisintéticas resolvieron los problemas de suministro, por lo que disminuyó el uso de probenecid.Sin embargo, el probenecid sigue siendo útil para ciertas infecciones que requieren concentraciones particularmente altas de penicilinas.

Después de la Segunda Guerra Mundial, Australia fue el primer país en hacer que la droga estuviera disponible para uso civil. En los Estados Unidos, la penicilina se puso a disposición del público en general el 15 de marzo de 1945.

Fleming, Florey y Chain compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1945 por el desarrollo de la penicilina.

• Un técnico preparando penicilina en 1943.
• La penicilina se estaba produciendo en masa en 1944.
• Cartel de la Segunda Guerra Mundial que exalta el uso de la penicilina
• Dorothy Hodgkin determinó la estructura química de la penicilina.

Determinación de estructura y síntesis total.

La estructura química de la penicilina fue propuesta por primera vez por Edward Abraham en 1942 y luego fue confirmada en 1945 usando cristalografía de rayos X por Dorothy Crowfoot Hodgkin, quien también trabajaba en Oxford. Más tarde, en 1964, recibió el Premio Nobel de Química por esta y otras determinaciones estructurales.

El químico John C. Sheehan del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) completó la primera síntesis química de penicilina en 1957. Sheehan había comenzado sus estudios sobre la síntesis de penicilina en 1948, y durante estas investigaciones desarrolló nuevos métodos para la síntesis de péptidos, así como como nuevos grupos protectores, grupos que enmascaran la reactividad de ciertos grupos funcionales. Aunque la síntesis inicial desarrollada por Sheehan no era apropiada para la producción masiva de penicilinas, uno de los compuestos intermedios en la síntesis de Sheehan fue el ácido 6-aminopenicilánico (6-APA), el núcleo de la penicilina.

6-APA fue descubierto por investigadores de Beecham Research Laboratories (más tarde Beecham Group) en Surrey en 1957 (publicado en 1959). La unión de diferentes grupos al 'núcleo' 6-APA de la penicilina permitió la creación de nuevas formas de penicilina que son más versátiles y de mejor actividad.

Desarrollos de la penicilina

La estrecha gama de enfermedades tratables o "espectro de actividad" de las penicilinas, junto con la escasa actividad de la fenoximetilpenicilina activa por vía oral, condujo a la búsqueda de derivados de la penicilina que pudieran tratar una gama más amplia de infecciones. El aislamiento de 6-APA, el núcleo de la penicilina, permitió la preparación de penicilinas semisintéticas, con varias mejoras sobre la bencilpenicilina (biodisponibilidad, espectro, estabilidad, tolerancia).

El primer desarrollo importante fue la ampicilina en 1961. Ofrecía un espectro de actividad más amplio que cualquiera de las penicilinas originales. El desarrollo posterior produjo penicilinas resistentes a la β-lactamasa, incluidas la flucloxacilina, la dicloxacilina y la meticilina. Estos fueron significativos por su actividad contra las especies bacterianas productoras de β-lactamasa, pero fueron ineficaces contra las cepas de Staphylococcus aureus resistentes a la meticilina (MRSA) que surgieron posteriormente.

Otro desarrollo de la línea de penicilinas verdaderas fueron las penicilinas antipseudomonas, tales como carbenicilina, ticarcilina y piperacilina, útiles por su actividad contra bacterias Gram negativas. Sin embargo, la utilidad del anillo β-lactámico fue tal que los antibióticos relacionados, incluidos los mecilinams, los carbapenémicos y, lo que es más importante, las cefalosporinas, aún lo retienen en el centro de sus estructuras.

Producción

La penicilina es un metabolito secundario de ciertas especies de Penicillium y se produce cuando el estrés inhibe el crecimiento del hongo. No se produce durante el crecimiento activo. La producción también está limitada por la retroalimentación en la vía de síntesis de la penicilina.α-cetoglutarato + AcCoA → homocitrato → ácido L -α-aminoadípico → L -lisina + β-lactámico

El subproducto, l -lisina, inhibe la producción de homocitrato, por lo que debe evitarse la presencia de lisina exógena en la producción de penicilina.

Las células de Penicillium se cultivan utilizando una técnica llamada cultivo por lotes alimentados, en la que las células están constantemente sujetas a estrés, lo que se requiere para la inducción de la producción de penicilina. Las fuentes de carbono disponibles también son importantes: la glucosa inhibe la producción de penicilina, mientras que la lactosa no. El pH y los niveles de nitrógeno, lisina, fosfato y oxígeno de los lotes también deben controlarse cuidadosamente.

El método biotecnológico de evolución dirigida se ha aplicado para producir por mutación un gran número de cepas de Penicillium. Estas técnicas incluyen PCR propensa a errores, mezcla de ADN, ITCHY y PCR de superposición de cadenas.

Las penicilinas semisintéticas se preparan a partir del núcleo de penicilina 6-APA.

Biosíntesis

En general, hay tres pasos principales e importantes para la biosíntesis de la penicilina G (bencilpenicilina).

• El primer paso es la condensación de tres aminoácidos: ácido L -α-aminoadípico, L -cisteína, L -valina en un tripéptido. Antes de condensarse en el tripéptido, el aminoácido L -valina debe experimentar epimerización para convertirse en D -valina. El tripéptido condensado se denomina δ-(L -α-aminoadipilo)- L -cisteína- D -valina (ACV). Tanto la reacción de condensación como la epimerización son catalizadas por la enzima δ-(L -α-aminoadipil)- L -cisteína- D -valina sintetasa (ACVS), una péptido sintetasa no ribosómico o NRPS.
• El segundo paso en la biosíntesis de la penicilina G es la conversión oxidativa del ACV lineal en el intermedio bicíclico isopenicilina N mediante la isopenicilina N sintasa (IPNS), que está codificada por el gen pcbC. La isopenicilina N es un intermediario muy débil, porque no muestra una fuerte actividad antibiótica.
• El paso final es una transamidación por isopenicilina N N-aciltransferasa, en la que la cadena lateral α-aminoadipilo de isopenicilina N se elimina y se intercambia por una cadena lateral de fenilacetilo. Esta reacción está codificada por el gen penDE, que es único en el proceso de obtención de las penicilinas.