estudo descritivo da viabilidade da substituiÇÃo da
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – EEL/USP
FERNANDA SÁ FREIRE NASCIMENTO LOFIEGO
ESTUDO DESCRITIVO DA VIABILIDADE DA
SUBSTITUIÇÃO DA PRODUÇÃO DE AMPICILINA VIA
ROTA QUÍMICA POR ROTA ENZIMÁTICA
LORENA
2019
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FERNANDA SÁ FREIRE NASCIMENTO LOFIEGO
Estudo descritivo da viabilidade da substituição da produção de ampicilina via
rota química por rota enzimática
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como requisito parcial para a
obtenção de título de Engenheiro Industrial
Químico da Escola de Engenharia de Lorena
- Universidade de São Paulo.
Área de concentração: Processos
Bioquímicos
Orientadora: Profa. Dra. Rita de Cássia
Lacerda Brambilla Rodrigues.
Lorena
2019
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Lofiego, Fernanda Sá Freire Nascimento Estudo descritivo da viabilidade de substituiçãoda produção de ampicilina via rota química por rotaenzimática / Fernanda Sá Freire Nascimento Lofiego;orientadora Rita de Cássia Lacerda BrambillaRodrigues. - Lorena, 2019. 35 p.
Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaIndustrial Química - Escola de Engenharia de Lorenada Universidade de São Paulo. 2019
1. Penicilina. 2. Ampicilina. 3. Fermentação. 4.Antibiótico. I. Título. II. Rodrigues, Rita de CássiaLacerda Brambilla, orient.
4
À minha mãe Eliana que sempre apoiou
minhas decisões, à minha irmã Aline que
sempre esteve ao meu lado e ao meu
namorado Leandro, pelo incentivo
constante.
5
AGRADECIMENTOS
À minha mãe, Eliana, pelo amor, carinho, dedicação e apoio durante toda a minha graduação.
À minha avó Oneida, que acreditou em todos os sonhos e incentivou de todas as maneiras
possíveis os estudos, e agora zela por mim de outro plano.
À Aline Lofiego, pelo companheirismo e cumplicidade de irmã, sempre me apoiando com
uma palavra amiga de estímulo durante este período de minha graduação.
Aos meus familiares que souberam compreender a minha ausência para realização deste
trabalho de conclusão de curso.
Ao Leandro Lopes, namorado e melhor amigo, por toda a paciência, amor e compressão,
principalmente nos momentos mais difíceis, e por todos os momentos maravilhosos
proporcionados.
À Professora Rita, por dedicar parte do seu tempo ao auxílio da realização deste trabalho,
Aos meus amigos que torceram por mim para que eu concluísse com êxito minha graduação.
Muito obrigada!
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RESUMO
LOFIEGO, F. S. F. N. Estudo descritivo da viabilidade da substituição da produção de
ampicilina via rota química por rota enzimática. 2019. 35f. Monografia – Escola de
Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
Os antibióticos β-lactâmicos estão entre os fármacos mais consumidos por humanos
atualmente. Estes fármacos apresentam um grupamento químico denominado anel β-
lactâmico responsável pela atividade antimicrobiana desses antibióticos. Dentre os
antibióticos β-lactâmicos mais comuns está a ampicilina, um dos primeiros antibióticos β-
lactâmicos semissintéticos derivados da penicilina G, que é do grupo de penicilina natural.
Os solventes empregados na produção de antibióticos semissintéticos apresentam riscos para
quem os manipula, bem como elevado impacto ambiental gerado por resíduos provenientes
de processos convencionais que empregam as rotas químicas de síntese. A síntese enzimática
de antibióticos β – lactâmicos tornou-se uma alternativa bastante promissora para
substituição do processo de síntese química. A Penicilina G Acilase (PGA) é um exemplo
de substituição progressiva de processo químico por enzimático, sendo a segunda enzima
mais usada industrialmente no mundo na forma imobilizada. Esta enzima hidrolisa a
penicilina G para a produção do ácido 6-aminopenicilâmico (6-APA). Neste contexto, este
trabalho visou através do estudo exploratório-descritivo dissertar sobre os processos de
produção do antibiótico ampicilina por rota de síntese química e enzimática, verificando a
viabilidade de substituição da produção de ampicilina via rota química por rota enzimática.
Constatou-se que o processo de obtenção de antibióticos derivados da penicilina em larga
escala, como ampicilina (penicilina semissintética), foi possível com a obtenção do 6-APA
pelo grupo farmacêutico Beecham, porém pela rota química. A rota química utiliza solventes
extremamente tóxicos e possui várias etapas e apresenta custos elevados gerando impactos
ambientais. No entanto, com relação ao processo da produção da ampicilina por via
bioquímica como alternativa à via química de produção constatou-se que há a possibilidade
de substituir a rota química pela bioquímica se o processo for por síntese cineticamente
controlada (SCC) da ampicilina. Neste processo não há uso de químicos prejudiciais ao meio
ambiente e apresenta rendimentos aplicáveis à escala industrial.
Palavras-chave: Penicilina, Ampicilina, Fermentação, Antibiótico.
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ABSTRACT
LOFIEGO, F. S. F. N. A descriptive study of the feasibility of replacing production via
chemical route by enzymatic route. 2019. 35f. Monograph – School of Engineering of
Lorena, University of São Paulo, Lorena, 2019.
β -lactam antibiotics are among the drugs most commonly consumed by humans today.
These drugs present a chemical group called the β-lactam ring responsible for the
antimicrobial activity of these antibiotics. Among the most common β-lactam antibiotics is
ampicillin, one of the first semisynthetic β-lactam antibiotics derived from penicillin G,
which is from the natural penicillin group. The solvents used in the production of
semisynthetic antibiotics present risks to those who handle them, as well as high
environmental impact generated by waste from conventional processes that use synthetic
chemical routes. The enzymatic synthesis of β - lactam antibiotics has become a very
promising alternative for replacing the chemical synthesis process. Penicillin G Acylase
(PGA) is an example of the progressive substitution of a chemical process by enzymatic,
being the second most industrially used enzyme in the world in the immobilized form. This
enzyme hydrolyses penicillin G to produce 6-aminopenicillanic acid (6-APA). In this
context, this work aimed to explore the processes of production of the antibiotic ampicillin
by route of chemical and enzymatic synthesis, verifying the feasibility of replacing the
production of ampicillin via chemical route by enzymatic route. It was found that the process
of obtaining antibiotics derived from penicillin on a large scale, such as ampicillin (semi-
synthetic penicillin), was possible with the 6-APA by the pharmaceutical group Beecham,
but by the chemical route. The chemical route uses extremely toxic solvents and has several
steps and presents high costs generating environmental impacts. However, regarding the
process of producing ampicillin by biochemical route as an alternative to the chemical
pathway of production it has been found that there is the possibility of replacing the chemical
pathway by biochemistry if the process is by kinetic controlled synthesis (SCC) of
ampicillin. In this process there is no use of environmentally harmful chemicals and yields
applicable industrial scale.
Key words: Penicillin, Ampicillin, Fermentation, Antibiotic.
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Estrutura química da penilicilina..........................................................................17
Figura 2 – Estrutura molecular da penicilina.........................................................................17
Figura 3 – Mecanismo de ação da penicilina.........................................................................18
Figura 4 – Fórmulas estruturais das penicilinas.....................................................................21
Figura 5 – Estrutura química da ampicilina...........................................................................22
Figura 6 – Dependência da penicilina chinesa.......................................................................25
Figura 7 – Hidrólise enzimática da penicilina G....................................................................26
Figura 8 – Rendimento de síntese de ampicilina em função do tempo e tipo de
síntese aplicada (SCC e STC)...............................................................................................27
Figura 9 – Síntese Termodinamicamente Controlada (STC) da Ampicilina.........................29
Figura 10 – Síntese Cineticamente Controlada (SCC) da ampicilina....................................30
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classificação das penicilinas e suas propriedades antimicrobianas...................20
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
6-APA Ácido 6-Aminopenicilâmico
ABIQUIFI Associação Brasileira da Indústria Farmoquímica e de Insumos
Farmacêuticos
AFA Ácido Fenil Acético
ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária
EFMG Éster Metílico de Fenilglicina
FDA Food and Drug Administration
FG Fenilglicina
PGA Penicilina G Acilase
SCC Síntese Cineticamente Controlada
STC Síntese Termodinamicamente Controlada
TPP Transpeptidases
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 12
1.1- Contextualização e justificativa ................................................................................ 12
2- OBJETIVOS 14...............................................................................................................
Objetivo geral.................................................................................................................. 14
Objetivos específicos....................................................................................................... 14
3. METODOLOGIA 15.......................................................................................................
4. DESENVOLVIMENTO 16..............................................................................................
4.1- Descrição do processo de obtenção de penicilina com enfoque na produção de penicilinas semissintéticas. .............................................................................................. 16
4.1.1- Penicilina 16..............................................................................................................
4.1.1.1- Estrutura química ............................................................................................... 17
4.1.1.2- Mecanismos de ação ........................................................................................... 18
4.1.1.3- Produção de penicilinas ...................................................................................... 18
4.1.1.4- Derivados e suas classificações........................................................................... 20
4.2 Descrição do processo da produção da ampicilina (penicilina semissintética): rota
bioquímica como alternativa à rota química de produção. ................................................ 21
4.2.1- Ampicilina ............................................................................................................ 21
4.2.1.1- Estrutura química ............................................................................................... 22
4.2.1.2- Características físico-químicas............................................................................ 22
4.2.1.3- Mecanismos de ação e uso .................................................................................. 23
4.2.1.4 – Rota de produção de ampicilina: via química .................................................... 23
a) Limitações da obtenção da ampicilina por via química ...................................... 24
4.2.1.5 – Rota de produção de ampicilina: via bioquímica ............................................... 25
a) Síntese Termodinamicamente Controlada (STC) .................................................. 27
b) Síntese Cineticamente Controlada (SCC) ............................................................. 29
c) Limitações da obtenção da ampicilina por via bioquímica .................................... 30
d) Vantagens da via bioquímica em relação à via química ........................................ 31
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS....................................................................................... 32
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 33.............................................................................
12
1. INTRODUÇÃO
1.1- Contextualização e justificativa
O inglês Alexander Fleming, em 1928, acidentalmente fez uma descoberta que, mais
tarde, revolucionou a medicina, a penicilina. Ao sair de férias esqueceu em seu laboratório
placas de petri, onde estudava culturas de bactérias (Staphyloccocus aureus) responsáveis
pelas inflamações em feridas expostas ocasionadas por armas de fogo. Nestas placas
formaram-se fungos, e ao redor destes fungos não se observou crescimento de bactérias,
indicando a produção por estes fungos de uma substância bactericida. Assim, iniciou-se o
estudo desses fungos e constatou-se que era do gênero Penicillium, e a substância por ele
produzida foi denominada Penicilina. (TINER, J. H., 2004).
Em 1938, a penicilina foi efetivamente isolada por Ernst B. Chain e Howard W.
Florey, também ingleses, e testada com sucesso em diferentes tipos de bactérias, sem
oferecer risco às células animais. A aplicação da penicilina em humanos ocorreu somente
em 1941, em um policial com septicemia, que é uma infecção que nas condições da época
levava ao óbito. Ainda na década de 40 a penicilina tornou-se acessível a toda população
com a ampliação da escala de produção, porém ainda com custo elevado (GOODMAN, L.
S.,2003).
Em 1959, o grupo farmacêutico Beecham obteve o ácido 6-aminopenicilâmico (6-
APA) que é o composto chave na produção industrial de uma ampla gama de antibióticos β-
lactâmicos semissintéticos, tais como ampicilina e amoxicilina, possibilitando o aumento da
escala de produção. A ampicilina é o primeiro antibiótico β-lactâmico semissintético
derivado da penicilina G que é do grupo de penicilina natural apresentando-se eficiente no
combate de bacilos gram-negativos (LEITE, G. A., 2008). Antibióticos β-lactâmicos estão
entre os fármacos de maior consumo humano. São substâncias que apresentam um
agrupamento químico denominado anel β-lactâmico responsável pela atividade
antimicrobiana desses antibióticos.
A rota de produção da ampicilina conhecida por “rota química” é usada atualmente,
através dela é possível obter-se a ampicilina com altos rendimentos e elevado grau de pureza,
porém utiliza solventes extremamente tóxicos, provocando grandes impactos ambientais.
Somente países com legislações ambientais precárias (por exemplo Índia, China, México e
Venezuela) permitem a produção da ampicilina desta maneira. Este fato levou o Brasil a
13
importar os princípios ativos para a produção destes fármacos. Consequentemente,
dependência completa da importação desses princípios ativos é também uma insegurança
para o país que no ano de 2017 decretou a impossibilidade de produção no Brasil, segundo
a ABIQUIFI, 2018.
A síntese enzimática de antibióticos β – lactâmicos tornou-se uma alternativa
bastante promissora para substituição do processo de síntese química. A Penicilina G Acilase
(PGA) é um exemplo de substituição progressiva de processo químico por enzimático, sendo
a segunda enzima mais usada industrialmente no mundo na forma imobilizada (Franco,
2004). Esta enzima hidrolisa a penicilina G para a produção do ácido 6-aminopenicilâmico
(6-APA). Essa rota de produção utilizando a PGA é conhecida como rota verde (MENEZES,
ALVES e CARDOSO, 2000).
Neste contexto, este trabalho fez uma descrição das rotas de síntese química e
enzimática de produção de antibióticos β-lactâmicos semissintéticos, através de um estudo
exploratório-descritivo no sentido de verificar a possível substituição da produção de
ampicilina por rota de síntese química pela enzimática.
14
2- OBJETIVOS
Objetivo geral
Contribuir para o entendimento da viabilidade da substituição da etapa de fabricação da
ampicilina produzida via rota química pela rota enzimática, sendo esta última mais
sustentável.
Objetivos específicos
• Descrever o processo de obtenção de penicilina com enfoque na produção de
penicilinas semissintéticas.
• Descrever o processo da produção da ampicilina (penicilina semissintética) por via
bioquímica como alternativa à via química de produção.
15
3. METODOLOGIA
Foi realizado um estudo exploratório-descritivo através de pesquisa bibliográfica em
bancos de dados acadêmicos disponibilizados na internet e utilização de dados secundários
oriundos de publicações e resultados de pesquisas específicas sobre a produção do
antibiótico ampicilina, bem como sobre a substituição da produção via rota química pela
produção via rota enzimática.
16
4. DESENVOLVIMENTO
4.1- Descrição do processo de obtenção de penicilina com enfoque na produção de
penicilinas semissintéticas.
4.1.1- Penicilina
Atualmente é possível identificar uma série de avanços na ciência que foram cruciais
para a sociedade (ANVISA, 2018). No século XX a descoberta dos antibióticos foi
fundamental para tratar infecções e doenças frequentes na época (COHEN, WOOD, 2000,
p. 73). Os antibióticos na época da guerra auxiliaram no tratamento de soldados, porém
também ocasionaram efeitos indesejáveis que induziram a realização de pesquisas
fundamentais para seu desenvolvimento que ainda era precário.
Moreira destaca sobre a origem dos antibióticos:
Essas substâncias estão presentes em nosso dia a dia desde que o pesquisador
Alexander Fleming no final da década de 20 descobriu o primeiro antibiótico, a
penicilina. Estas substâncias são de grande importância no tratamento pós-
operatório ou também no caso de infecções (DIEGO MARQUES MOREIRA,
2016).
O primeiro antibiótico descoberto foi a penicilina, pelo pesquisador Alexander
Fleming e sua comercialização foi a partir da década de 1940 (HELITO, KAUFFMAN,
2006, p. 418). A descoberta da penicilina e o conhecimento de seus efeitos positivos e
indesejáveis ao ser humano foi primordial para despertar o interesse da comunidade
científica em desenvolver novas pesquisas para o desenvolvimento da produção de
antibióticos.
A descoberta da penicilina representou uma imensa evolução na área da medicina e
farmacêutica, e ainda hoje, seus derivados estão entre os antibióticos mais utilizados
mundialmente, o que demonstra sua fundamental importância (FERREIRA, PAES e
LICHTENSTEIN, 2008).
17
4.1.1.1- Estrutura química
A estrutura química geral da penicilina contém um núcleo formador, o 6-APA, que
é composto por um anel β-lactâmico, um anel tiazolidínico e uma cadeia lateral, que
determina o subtipo (LAZO, PARKER e LAURENCE L. BRUNTON, 2006) (Figura 1). A
Figura 2 mostra a estrutura molecular da penicilina.
Figura 1 – Estrutura geral da penicilina.
Fonte: Arquivo pessoal.
Figura 2 – Estrutura molecular da penicilina
Fonte: arquivo pessoal.
18
4.1.1.2- Mecanismos de ação
A penicilina tem ação bactericida porque age de forma a impedir a síntese da parede
celular bacteriana, por ser um antibiótico β-Lactâmico. Possui como centro ativo da
molécula um anel β-Lactâmico que se liga as transpeptidases (TPP), impedindo a
transpeptidação (ligação cruzadas entre as cadeias de peptideoglicano), e consequentemente
a formação da parede celular, o que provoca a lise osmótica (Figura 3).
Figura 3 - Mecanismo de Ação da Penicilina
Fonte: Universidade Federal Fluminense, 2018.
4.1.1.3- Produção de penicilinas
A fabricação comercial da penicilina ocorre por fermentação aeróbia, num reator de
aço inox em regime descontínuo alimentado, no qual o fungo Penicillium chrysogenum
cresce na presença de um meio orgânico bem complexo. A fase inicial da fermentação
consiste no crescimento acelerado do microrganismo, seguido pela produção da penicilina
19
propriamente dita, já que ela provém do metabolismo secundário do fungo (FERREIRA,
2004).
A fermentação pode ocorrer sem a presença de precursores de cadeia lateral (os
ácidos), gerando as penicilinas naturais, ou com a presença destes precursores, gerando as
penicilinas G (usando como precursor o ácido fenilacético) e penicilinas V (usando como
precursor o ácido fenoxiacético) (RODRIGUES, 2009).
Penicilinas semissintéticas
As penicilinas semissintéticas são assim chamadas por possuírem parte da molécula
natural, ou seja, produzida via fermentação convencional como o ácido 6-aminopenicilâmico
(6-APA). O 6-APA é obtido por hidrólise enzimática de antibióticos, geralmente da
penicilina G, produzidos via rota bioquímica adicionado de uma cadeia lateral modificada
(produzida sinteticamente) (VIEIRA, 2003). Este processo permitiu o desenvolvimento de
diversos antibióticos derivados da penicilina (NATHWANI e WOOD, 1993), formando
assim antibióticos, que não são, portanto, naturais e sim semissintéticos.
Penicilina G Acilase
Para a produção de penicilinas semissintéticas é necessário primariamente obter o 6-
APA, produto da hidrólise de penicilina G, catalisada por uma enzima específica, a
Penicilina G Acilase (PGA) (MENEZES, ALVES e CARDOSO, 2000). A PGA pode ser
obtida de alguns microrganismos (principalmente bactérias) e sua atividade depende
diretamente de qual microrganismo foi extraída. A PGA mais usada e estudada atualmente
provém da Escherichia coli (FERREIRA, 2004). O problema da utilização de enzimas ao
aplicá-las em escala industrial está em seu elevado custo. Uma das soluções encontradas foi
a imobilização dessas enzimas, que se realizada adequadamente permite manter uma carga
de enzimas ativas satisfatória no reator, e uma separação eficiente do produto desejado
(RODRIGUES, 2009).
20
4.1.1.4- Derivados e suas classificações
Segundo ANVISA (Agência Nacional de Vigilância Sanitária), as penicilinas podem
ser classificadas de acordo com suas farmacocinéticas nos seguintes grupos:
• Benzilpenicilinas ou penicilinas naturais: penicilina V e penicilina G.
• Aminopenicilinas: penicilinas semissintéticas com maior espectro de ação que as
Benzilpenicilinas, são elas a ampicilina e a amoxicilina.
• Penicilinas resistentes às penicilinases: oxacilina.
• Penicilinas de amplo espectro: carboxipenicilinas (carbenicilina e ticarcilina) e
ureído-penicilinas (mezlocilina, piperacilina, azlocilina).
Também, tem-se a classificação conveniente das penicilinas de acordo com o
espectro de atividade microbiana (LAZO, PARKER e LAURENCE L. BRUNTON, 2006)
como apresentado na Tabela 1.
Tabela 1 – Classificação das penicilinas e suas propriedades antimicrobianas
Fonte: (LAZO, PARKER e LAURENCE L. BRUNTON, 2006).
21
As fórmulas estruturais dos diferentes tipos de penicilinas diferem no que diz respeito
somente à cadeia lateral (Figura 4).
Figura 4 - Fórmulas Estruturais das Penicilinas
Fonte: (MADIGAN, MARTINKO e PARKER, 2004)
4.2 Descrição do processo da produção da ampicilina (penicilina semissintética): rota
bioquímica como alternativa à rota química de produção.
4.2.1- Ampicilina
Primeira penicilina semissintética foi desenvolvida entre os anos de 1959 e 1961 no
laboratório Beecham, pelos pesquisadores F. P. Doyle, J. H. C. Nayler e Harry Smith, que
previam a necessidade de antibióticos com maior espectro de aplicação (P. HOU e W.
POOLE, 1969), já que as penicilinas naturais eram eficientes somente às cepas sensíveis de
bactérias gram-positivas (LEITE, 2009).
22
4.2.1.1- Estrutura química
A ampicilina (ácido(2S,5R,6R)-6-(2-amino2-fenilacetil)amino-3,3-dimetil-7-oxo-4-
tia-1-azabiciclo[3.2.0]heptano-2-carboxílico) é uma amino penicilina em que o grupo amino
é o que garante o seu amplo espectro de ação (ANVISA,2018).
A estrutura química da ampicilina está representada na Figura 5 e sua fórmula
química simplificada é C16H19N3O4S (ANVISA, 2018).
Figura 5 - Estrutura Química da Ampicilina
Fonte: Arquivo pessoal.
A estabilidade e atividade da ampicilina é explicada pela presença do grupo amino
livre (circulado em vermelho) (Figura 5) (LEITE, 2009).
4.2.1.2- Características físico-químicas
A ampicilina apresenta aspecto de pó cristalino branco a levemente amarelado, com
odor inodoro à levemente característico. Seu ponto de fusão se apresenta na faixa de 200 ºC.
Sua solubilidade é alta em soluções ácidas e alcalinas diluídas, e baixa em metanol e água,
sendo insolúvel em acetona, etanol, éter, clorofórmio dentre outros. Deve ser armazenada
em recipientes hermeticamente fechados à temperatura abaixo de 30 ºC (ANVISA, 2018).
23
4.2.1.3- Mecanismos de ação e uso
A ampicilina possui o mesmo mecanismo de ação da penicilina por ser um antibiótico
β-lactâmico, impede a síntese da parece celular bacteriana, explicado no item 4.1.2.2. Possui
tempo de meia vida de 1,2 horas e não deve ser utilizada em intervalos maiores que 6 horas.
(ANVISA, 2018).
A ampicilina é indicada contra bactérias gram-negativas (bactérias que possuem
parede celular mais complexa, composta por: membrana externa, peptideoglicano, espaço
periplásmico e membrana plasmática) como por exemplo Escherichia coli (bactéria presente
no intestino humano), Haemophilus influenzae (causadora de otites, faringites, meningites,
bronquites e pneumonias), Neisseria gonorrhoeae (causadora da gonorreia), Neisseria
meningitides (causadora da meningite meningocócica), Salmonella sp. (causa infecção do
trato intestinal e outros prejuízos para saúde), dentre outras. Mostrou-se eficiente também
contra bactérias gram-positivas (bactérias que possuem parede celular mais simples,
composta por peptideoglicano e membrana plasmática) como por exemplo Streptococcus
pneumoniae (causadora de pneumonia e meningite), Clostridium sp. (responsável por várias
doenças como botulismo e tétano) e a maioria dos enterococos (ANVISA, 2018).
Algumas penicilinas são associadas a inibidores de β-lactamases, o que além de
impedir a ação da β-lactamases (hidrolisam o anel β-lactâmico), potencializa a ação do
antibiótico. A ampicilina, no caso, pode ser associada com o inibidor de β-lactamase
sulbactam, atingindo a mesma gama de bactérias (Escherichia coli, Haemophilus influenzae,
Neisseria gonorrhoeae, Salmonella sp, Streptococcus pneumoniae, Clostridium sp, e a
maioria dos enterococos), porém com maior eficácia (DEAGUERO,2011).
A ampicilina não deve ser usada no caso de as penicilinas naturais serem eficientes,
ou em caso de alergia à penicilina (ANVISA, 2018).
4.2.1.4 – Rota de produção de ampicilina: via química
A rota usada industrialmente na produção de ampicilina é a chamada rota química,
na qual obtêm-se alto rendimento. No entanto, esta rota emprega solventes altamente tóxicos
causando prejuízos ao meio ambiente.
24
A produção de ampicilina inicialmente foi testada por rotas enzimáticas sem sucesso,
até que a empresa holandesa Gist-Brocades desenvolveu um método químico altamente
eficiente e com rendimentos satisfatórios (ARTHUR BARBOSA LIMA et al., 2013). O
método empregado pela empresa holandesa foi disseminado e aplicado por vários produtores
de 6-APA.
a) Limitações da obtenção da ampicilina por via química
O método químico utiliza compostos altamente tóxicos e baixas temperaturas (na
ordem de -40oC). Esses processos químicos usados exigem algumas etapas de proteção e
desproteção de grupos reativos, para que não ocorram hidrólises indesejadas.
Essas reações de proteção e desproteção envolvem várias etapas, algumas com altos
custos, utilizando componentes altamente tóxicos como por exemplo a dimetilanilina
(cancerígena e apresenta toxidade via oral, inalatória e cutânea), piridina (irritante cutâneo,
ocular e respiratório), compostos organoclorados (cancerígenos) dentre outros (FERREIRA,
2004). Na condensação da α-fenilglicina com o ácido-6-aminopenicilâmico (6-APA), a α-
fenilglicina deve ser protegida (sua amina primária), essa proteção é feita com furfural
(altamente tóxico), dentre outros (FERREIRA, 2004).
A regeneração da ampicilina é feita com a remoção dos grupos protetores, isolamento
e purificação, que pode ser por recristalização ácida ou recristalização básica, em ambos
casos é dissolvida na solução (ácida ou básica) e precipitada por ajuste de pH (Deaguero,
2011). Então, pode ser separada de duas maneiras: dissolvendo-se o produto isolado em
cloreto de metileno com trietilamina, filtrando e precipitando com ácido ρ-tolueno sulfônico
ou por filtração com clorofórmio ou cloreto de metileno contendo trietilamina e evaporando
o solvente, purificando finalmente por filtração em gel.
Devido aos riscos oferecidos ao meio ambiente, as legislações ambientais de vários
países não permitem a produção dos princípios ativos da ampicilina, sendo sintetizados
somente em países onde o controle ambiental é precário, como China, Índia e México. O
princípio ativo para produção de ampicilina é então importado pelos países com controle
ambiental rígido para produção do medicamento (PÁDUA, 2008).
25
A Figura 6 mostra a dependência da penicilina importada da China.
Figura 6 – Dependência da penicilina chinesa.
Fonte: (CISCATI, 2017).
4.2.1.5 – Rota de produção de ampicilina: via bioquímica
Rotas de produção ambientalmente segura estão sendo estudadas, são as chamadas
rotas bioquímicas ou rotas enzimáticas (OSPINA et al., 1996).
A via bioquímica de produção da ampicilina é conhecida desde 1969, na qual utiliza-
se penicilina G Acilase (PGA) em meio aquoso, em pH neutro e temperatura ambiente
(LEITE, 2009).
26
A produção enzimática de ampicilina é iniciada com a hidrólise da Penicilina G
catalisada pela PGA, formando o 6-APA (produto de interesse) e o ácido fenilacético (AFA)
(SILVA, 2016), como mostrado na Figura 7.
Figura 7 - Hidrólise Enzimática da Penicilina G
Fonte: (SILVA, 2016).
Os custos do processo de separação e purificação da ampicilina são elevados, mas
devem ser avaliados em casos com altos rendimentos em ampicilina por não utilizarem
substâncias tóxicas que prejudicam o meio ambiente (BEZERRA, 2016).
A obtenção conhecida de ampicilina se dá por métodos enzimáticos para essa
síntese: a Síntese Termodinamicamente Controlada (STC) e a Síntese Cineticamente
Controlada (SCC), que apresentam caminhos diferentes em relação a rendimento de
ampicilina (VIEIRA, 2003).
27
a) Síntese Termodinamicamente Controlada (STC)
A Figura 8 mostra que a síntese termodinamicamente controlada (STC) tende ao
equilíbrio com o passar do tempo. O rendimento depende do equilíbrio termodinâmico do
reagente e produto, por esse motivo é considerado o método mais simples. Consiste na reação
direta da Fenilglicina (FG) (doador acil) como o 6-APA (Figura 8) (VIEIRA, 2003).
Figura 8 – Rendimento de Síntese de Ampicilina em Função do Tempo e Tipo de Síntese
Aplicada (SCC e STC)
Fonte: (WEGMAN et al., 2001).
A síntese termodinamicamente controlada (STC) teoricamente e economicamente é
considerada a opção mais viável para obtenção pela via bioquímica de ampicilina. A reação
ocorre na seguinte maneira: condensação direta da Fenilglicina (FG), (doador acil) e do
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ácido-6-aminopenicilâmico (6-APA), formando a ampicilina, numa reação reversível
controlada termodinamicamente, obtendo assim rendimento máximo (FERNANDÉZ-
LAFUENTE et al., 1996).
As vantagens da síntese termodinamicamente controlada (STC) incluem:
• Rendimentos controladamente estáveis;
• Rendimento de 100% considerando o substrato com maior valor agregado;
• Não há necessidade de ativação da FG (doador acil), reagindo amida e carboxila,
diferente da síntese cineticamente controlada (SCC).
• Extração da ampicilina de forma simples (segregação da ampicilina do substrato em
excesso).
Porém há duas desvantagens no processo, a primeira é que para que a síntese ocorra,
o grupo carboxílico da Fenilglicina (FG) e o grupo amino do ácido-6-aminopenicilâmico (6-
APA) devem estar neutros e o sítio ativo da penicilina G Acilase (PGA) deve estar
disponível. No entanto, a PGA funciona melhor na faixa de pH 5-8, onde a quantidade de
grupos carboxílicos neutros é muito pequena dificultando assim a síntese (LEITE, 2009).
Outra desvantagem é que em meio aquoso o equilíbrio da reação é deslocado no
sentido de hidrólise da ampicilina (FERREIRA, 2004). É possível reverter esta desvantagem
utilizando-se solventes orgânicos, que apresentam um segundo empecilho, podem
influenciar na estabilidade da enzima.
A Figura 9 demonstra a síntese termodinamicamente controlada.
29
Figura 9 – Representação da síntese termodinamicamente controlada (STC) da Ampicilina
Fonte: (FERREIRA, 2004).
b) Síntese Cineticamente Controlada (SCC)
A síntese cineticamente controlada (SCC), diferentemente da síntese
termodinamicamente controlada (STC), utiliza como doador acil um derivado ativo de FG e
não a própria FG, resolvendo o empecilho da necessidade de um grupo carboxílico neutro.
Esses derivados ativos podem ser ésteres ou amidas, mas o que se mostrou mais
eficiente foi o Éster Metílico de Fenilglicina (EMFG), com maiores rendimentos. Os
impasses da reação são o metanol formado como subproduto e a ampicilina também pode
ser hidrolisada. Portanto a síntese deve ser rigorosamente controlada para que seja
interrompida antes que o equilíbrio se desloque no sentido da hidrólise (VIEIRA, 2003). A
Figura 10 representa a síntese cineticamente controlada (SCC), em que o radical R é um
metil.
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Figura 10 – Representação da síntese cineticamente controlada (SCC) da Ampicilina
Fonte: (LEITE, 2009).
O rendimento da reação em relação à ampicilina é, portanto, dependente do balanço
cinético das três reações reversíveis, catalisadas pela mesma enzima, penicilina G acilase
(PGA) (Figura 10). O mecanismo cinético compreende as seguintes etapas: hidrólise 1 (éster
metílico de fenilglicina - EMFG reagindo com ácido-6-aminopenicilâmico - 6-APA
formando metanol e Fenilglicina - FG), hidrólise 2 (ampicilina reagindo com metanol
formando FG e 6-APA) e a síntese propriamente dita (EMFG reagindo com 6-APA
formando ampicilina e metanol). Portanto a formação do produto de interesse é a reação
intermediária, devendo-se controlar cineticamente, para que a reação cesse em condições
onde a síntese da ampicilina esteja na maior concentração possível e a hidrólise 2 tenha
velocidade mínima (LEITE, 2009).
c) Limitações da obtenção da ampicilina por via bioquímica
Em geral, as limitações da via bioquímica para produção de antibióticos β-lactâmicos
estão na viabilidade de implementação industrial, pela dificuldade de obter bons
rendimentos, se comparado a síntese química (LEITE, 2009).
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d) Vantagens da via bioquímica em relação à via química
A via bioquímica não utiliza compostos e solventes altamente tóxicos, o que viabiliza
a produção de ampicilina em diversos países, mesmo os que possuem legislação ambiental
rigorosa. Assim, consequentemente diminui-se a produção de ampicilina por síntese
química, reduzindo-se os impactos ambientais (LEITE,2009).
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5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O processo de obtenção em larga escala de antibióticos como a ampicilina
(penicilina semissintética), derivados da penicilina, com custos mais viáveis foi possível com
a obtenção do 6-APA pelo grupo farmacêutico Beecham, porém pela rota química. Neste
processo tem-se várias etapas utiliza-se solventes extremamente tóxicos gerando impactos
ambientais. Além de ser de elevado custo.
Com relação ao processo de produção da ampicilina por via bioquímica como
alternativa à via química de produção constatou-se que há possibilidade de substituir a rota
química pela bioquímica se for utilizado o método de síntese cineticamente controlada
(SCC). Este método não utiliza químicos prejudiciais ao meio ambiente e apresenta
rendimentos aplicáveis, economicamente, à escala industrial.
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