background image

Sunday 1 / 3 / 2015

 

©Ali Kareem 2014-2015

 

Name

:

______________________________                                                                

Class

:

_______________________________ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مكتب اشور لالستنساخ

 

ANTI-MICROBIAL DRUGS

     

Lecture 8 

 

Total lectures NO. 40 

 

Dr. Haidar Al-Shakarchi

 


background image

Pharmacology 

Anti-Microbial Drugs 2 

 

Dr. Haidar Al-Shakarchi 

Lec. 8 

 

Inhibitors of Cell wall synthesis: 
    Some antimicrobial drugs interfere with synthesis of bacterial cell wall. The cell 
wall is a polymer called peptidoglycan that consists of glycan units joined to each 
other by peptide cross-links.  
To  be  maximally  effective,  inhibitors  of  cell  wall  synthesis  require  actively 
proliferating microorganisms. 

 

 (1) Penicillins 

  The penicillins are among the most widely effective antibiotics & also the least 

toxic drugs known, but increased resistance has limited their use.  
Members  differ  from  one  another  in  the  R  substituent  attached  to  the  6-
aminopenicillanic acid residue.  
The  nature  of  this  side  chain  affects 

1

the  antimicrobial  spectrum, 

2

stability  to 

stomach  acid,  & 

3

susceptibility  to  bacterial  degradative  enzymes  (β-

lactamases). 
 

  Mechanism of action:  

The  penicillins  interfere  with  last  step  of  bacterial  cell  wall  synthesis 
(transpeptidation or cross linkage), resulting in exposure of the osmotically less 
stable membrane. Cell lysis can then occur, either through osmotic pressure or 
through  the  activation  of  autolysis.  These  drugs  are  thus  bactericidal. 
Penicillins are only effective against rapidly growing organisms that synthesize 
a peptidoglycan. 


background image

Pharmacology 

Anti-Microbial Drugs 2 

 

Dr. Haidar Al-Shakarchi 

Lec. 8 

 

1. Penicillin  binding  proteins  (PBP

s

):  penicillins  inactivate  numerous  proteins 

on the bacterial cell membrane. These PBP

s

 are bacterial enzymes involved in 

the  synthesis  of  the  cell  wall  and  in  the  maintenance  of  the  morphologic 
features of the bacterium. Alterations in some of these target molecules provide 
the  organism  with  resistance  to  the  penicillins  e.g.  methicillin  resistant 
staphylococcus aureus (MRSA). 

 
2. Inhibition  of  transpeptidase:  some  PBP

s

  catalyse  formation  of  the  cross-

linkages between peptidoglycan chains. Penicillins inhibit this transpeptidase-
catalyzed reaction, thus hindering the formation of cross links essential for cell 
wall integrity. 

 
3. Production  of  autolysins:  many  bacteria  particularly  the  gram  +ve  cocci 

produce  degradative  enzymes  (autolysins)  that  participate  in  the  normal 
remodeling  of  the  bacterial  cell  wall.  In  the  presence  of  penicillin,  the 
degradative  action  of  the  autolysins  proceeds  in  the  absence  of  cell  wall 
synthesis. 

 

Antibacterial Spectrum 

In general, gram +ve microorganisms have peptidoglycan cell walls that are easily 
traversed by penicillins to reach the PBP

s

 in the periplasmic space.  

Gram  –ve  microorganisms  have  an  outer  lipoploysaccharide  membrane 
surrounding  the  cell  wall  that  presents  a  barrier  to  the  water  soluble  penicillins. 
However, they've proteins inserted in the lipopolysaccharide layer that act as water 
filled channels (called porins) that permit transmembrane entry.  
(Note: Pseudomonas aeruginosa lacks porins). 

1. 

Natural penicillins: 

Penicillin  G  (benzyl  penicillin)  is  the  cornerstone  of  therapy  for  infections 
caused by a number of  
Gram +ve cocci (Streptococcus pyogenes, Streptococcus viridans),  
Gram +ve bacilli (Bacillus anthracis, Corynebacterium diphetheriae),  
Gram –ve cocci (Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis), 
Anaerobic  organisms  (Clostridium  perfringens),  &  Spirochetes  (Treponema 
pallidum). 


background image

Pharmacology 

Anti-Microbial Drugs 2 

 

Dr. Haidar Al-Shakarchi 

Lec. 8 

 

 

Penicillin G is susceptible to inactivation by β-lactamase (penicillinases). 

 Penicillin V has a spectrum similar to that of penicillin G, but it's not used 

for treatment of bacteremia because of its higher MBC. It is more acid stable 
than  penicillin  G.  It  is  often  employed  for  the  treatment  of  oral  infections, 
where it is effective against some anaerobic organisms. 

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. 

Anti-staphylococcal penicillins: Methicillin, nafcillin, oxacillin, cloxacillin 

& dicloxacillin are penicillinase-resistant penicillins.  
Their  use  is  restricted  to  the  treatment  of  infections  caused  by  penicillinase-
producing staphylococci.  
Because of its toxicity, methicillin is not used.  
A serious source of hospital-acquired infection, MRSA are usually susceptible 
to vancomycin and rarely to ciprofloxacin or rifampin. 
 
 

 

Typical therapeutic applications of penicillin G 


background image

Pharmacology 

Anti-Microbial Drugs 2 

 

Dr. Haidar Al-Shakarchi 

Lec. 8 

 

3. 

Extended spectrum penicillins: 

 Ampicillin  and  amoxicillin  have  an  antimicrobial  spectrum  similar  to  that 

penicillin G, but are more effective against gram –ve bacilli.  
They  are  therefore  referred  to  as  extended  spectrum  penicillins.  The 
antimicrobial  spectrum  of  ampicillin  includes  gram  +ve  bacilli  (listeria 
monocytogenes)  and  gram  –ve  rods  (Proteus  mirabilis  &  Salmonella  typhi 
while Escherichia coli and Haemophilus influenzae are frequently resistant). 
 

 Amoxicillin  is  employed  prophytically  by  dentists  for  patients  with 

abnormal heart values who are to undergo extensive oral surgery.  
Resistance  to  these  antibiotics  is  now  a  major  clinical  problem  because  of 
inactivation by plasmid-mediated penicillinase. Formulation with a β lactamase 
inhibitor,  such  as  clavulanic  acid  or  sulbactam,  protects  amoxicillin  or 
ampicillin,  respectively  from  enzymatic  hydrolysis  &  extends  their 
antimicrobial spectrum. 

 

4. Anti-pseudomonal penicillins: Carbenicillin,ticarcillin,and piperacillin  are 
called  antipseudomonal  penicillin  because  of  their  activity  against 
Pseudomonas  aeruginosa.  Piperacillin  is  the  most  potent  of  these  antibiotics. 
They're  effective  against  many  gram  –ve  bacilli  including  Enterobacter, 
Escherichia coli, Proteus, Haemophilus influenzae & Pseudomonas aeruginosa, 
but not against Klebsiella, because of its constitutive penicillinase. 
 
 Formulation  of  ticarcillin  or  piperacillin  with  clavulanic  acid  or  tazobactam, 
respectively,  extends  their  antimicrobial  spectrum  to  include  penicillinase 
producing organisms. 
Penicillins  &  aminoglycosides:  The  antibacterial  effects  of  all  β-lactam 
antibiotics  are  synergistic  with  the  aminoglycosides.  Because  cell  wall 
synthesis  inhibitors  alter  the  permeability  of  bacterial  cells,  these  drugs  can 
facilitate the entry of aminoglycosides that might not ordinarily gain access to 
intracellular target sites. 

 
 
 


background image

Pharmacology 

Anti-Microbial Drugs 2 

 

Dr. Haidar Al-Shakarchi 

Lec. 8 

 

Resistance 

Natural  resistance  to  the  penicillins  occurs  in  organisms  that  either  lack  a 
peptidoglycan cell wall e.g. mycoplasma or have cell wall that are impermeable to 
the drugs. 
Acquired resistance to the penicillins by plasmid transfer has become a significant 
clinical problem because an organism may become resistant to several antibiotics 
at the same time. 

1. 

β-lactamase  activity:  this  family  of  enzymes  hydrolyzes  the  cyclic  amide 
bond of the β-lactam ring, which results in loss of bactericidal activity.  
Β-lactamases are either constitutive, or more commonly, are acquired by the 
transfer of plasmids. Some of the β-lactam antibiotics are poor substrates for 
β  lactamases  &  resist  cleavage.  Gram  +ve  organisms  secrete  β  lactamases 
extracellularly,  whereas  gram  –ve  bacteria  have  the  enzymes  in  the 
periplasmic space between the inner & outer membranes. 

2. 

Decreased permeability to the drug: decreased penetration of the antibiotic 
through the outer cell membrane prevents the drug from reaching the target 
PBP

s

..The  presence  of  an  efflux  pump  can  also  reduce  the  amount  of 

intracellular drug. 
 

3. 

Altered  PBP

s

:  modified  PBP  have  lower  affinity  for  β-lactam  antibiotics, 

requiring  clinically  unattainable  concentrations  of  the  drug  to  effect 
inhibition of bacterial growth. This mechanism may explain MRSA. 
 

Pharmacokinetics 

1.  Administration:  the  route  of  administration  of  a  β-lactam  antibiotic  is 

determined by the stability of the drug to gastric acid and by the severity of the 
infection.  Ticarcillin,  piperacillin,  ampicillin  +  sulbactam,  ticarcillin  + 
clavulanic acid and piperacillin + tazobactam must be administrated IV or IM.  
Penicillin V, amoxicillin and amoxicillin + clavulanic acid are  available as oral 
preprations.  
Others  are  effective  by  the  oral,  IV  or  IM  routes.  Procaine  penicillin  G  & 
benzathine penicillin G are administrated IM and serve as depot forms. They're 
slowly absorbed into the circulation and persist at low levels over a long period 
of time. 


background image

Pharmacology 

Anti-Microbial Drugs 2 

 

Dr. Haidar Al-Shakarchi 

Lec. 8 

 

2.  Absorption:  most  of  the  penicillins  are  incompletely  absorbed  after  oral 

administration  &  they  reach  the  intestine  in  sufficient  amount  to  affect  the 
composition of the intestinal flora. However,  amoxicillin is almost completely 
absorbed. Consequently is not appropriate therapy for the treatment of shigella 
&  salmonella  derived  enteritis,  because  therapeutically  effective  levels  don't 
reach  the  organisms  in  the  intestinal  crypts.  Oral  penicillins,  except  for 
amoxicillin,  shouldn't  be  given  at  meal  times,  to  minimize  binding  to  food 
proteins & acid inactivation. 

3.  Distribution:  distribution  of  the  β-lactam  antibiotics  throughout  the  body  is 

good. All the penicillins cross the placental barrier, but none has been shown to 
be teratogenic. However, penetration into certain sites, such as bone or CSF, is 
insufficient in therapy unless these sites are inflamed. 

4.  Excretion: the primary route of excretion is through the organic acid (tubular) 

secretory system of the kidney as well as by glomerular filtration. Patients with 
impaired  renal  function  must  have  dosage  regimens  adjusted.  Probenecid 
inhibits the secretion of penicillins and thus, can increase blood levels. 

 

Adverse Reactions 

1.  Hypersensitivity:  This  is  most  important  adverse  effect.  The  major  antigenic 

determinants  of  penicillin  hypersensitivity  are  its  metabolite,  penicilloic  acid, 
which reacts with proteins and serve as a hapten to cause an immune reaction. 
Approximately  5%  of  patients  have  some  kinds  of  reactions,  ranging  from 
maculo-papular  rash  (the  most  common  rash  seen  with  ampicilllin 
hypersensitivity)  to  angioedema  (marked  swelling  of  the  lips,  tongue  and 
periorbital  area)  and  anaphylaxis.  Among  patients  with  infectious 
mononucleosis  who  are  treated  with  ampicillins,  the  incidence  of 
maculopapular rash approaches 100%. Cross allergic reactions do occur among 
the β-lactam antibiotics. 
 

2.  Diarrhoea: this effect which is caused by  disruption of the normal balance of 

intestinal  microorganisms  is  a  common  problem.  It  occurs  to  a  greater  extent 
with  those  agents  that  are  incompletely  absorbed  &  have  an  extended 
antibacterial  spectrum.  Diarrhea  appears  to  be  less  frequent  with  amoxicillin 


background image

Pharmacology 

Anti-Microbial Drugs 2 

 

Dr. Haidar Al-Shakarchi 

Lec. 8 

 

than ampicillin. As with some other antibiotics, pseudomembranous colitis may 
occur. 
 

3.  Nephritis:  all  penicillins,  but  particularly  methicillin,  have  the  potential  to 

cause acute interstitial nephritis.  

 
4.  Neurotoxicity:  the  penicillins  are  irritating  to  neuronal  tissue,  &  they  can 

provoke  seizures  if  injected  intrathecally  or  if  very  high  blood  levels  are 
reached. Epileptic patients are particularly at risk. 

 
5.  Hematologic  toxicities:  decreased  agglutination  maybe  observed  with  the 

antipseudomonal penicillins (ticarcillin & carbenicillin) &, to some extent, with 
penicillin G. Additional toxicities include eosinophilia. 

 
6.  Cation  toxicity:    Penicillins  are  generally  administered  as  the  sodium  or 

potassium  salts. Toxicities  maybe  caused  by  the  large  quantities  of  sodium  or 
potassium that accompany the penicillin.  

 
 
 

 

Done by 

Ali Kareem 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 31 عضواً و 325 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل