estudo descritivo da viabilidade da substituiÇÃo da

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1 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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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

2

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!

6

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.

7

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

9

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Classificação das penicilinas e suas propriedades antimicrobianas...................20

10

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

11

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.

30

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).

31

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).

32

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.

33

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