Osnovna struktura penicilinov. Na mestu "R" se nahajajo različne strukture.
Penicilini so skupinaantibiotikov, ki so naravni produkti nekaterihgliv (izrodučopičastih plesni (Penicillium)) ali pa so polsintetičnega izvora. Delujejo predvsem nagrampozitivne bakterije. Protibakterijski učinek je posledica zaviranja prečnega povezovanjapeptidoglikanov vceličnih stenah rastočih bakterij.[1][2]. Gre za prveučinkovine, za katere so ugotovili učinkovitost proti večini prej življenjsko ogrožajočih bakterijskih bolezni (sifilis,stafilokokne okužbe ...). Tudi v sedanjosti so pogosto uporabljene učinkovine, vendar pa so se pojavile številne bakterije, ki so razvileodpornost proti penicilinom. Penicilini spadajo medbetalaktamske antibiotike.
Trirazsežnostni prikaz osnovne strukture penicilinov. Vijolično obarvana struktura se med različnimi penicilini razlikuje.
Molekulska formula penicilinov je R-C9H11N2O4S, kjer je R spremenljiva stranska veriga.
Penicilini imajo običajnomolsko maso med 313[3] in 334[4][5] g/mol (slednja vrednost velja zapenicilin G). Pri penicilinskih antibiotikih z večjo stransko verigo pa je lahko molekulska masa tudi okrog 500. Na primer,kloksacilin ima molsko maso 476 g/mol indikloksacilin 492 g/mol.[6]
Pri biosintezipenicilina G (benzilpenicilina) so tri poglavitne stopnje:
1. V prvi stopnji pride do kondenzacije trehaminokislinL-α-aminoadipinske kisline,L-cisteina inL-valina, pri čemer nastanetripeptid.[7][8][9] Pred nastankom tripeptida seL-valin pretvori vD-valin.[10][11] Nastali tripeptid se imenuje δ-(L-α-aminoadipil)-L-cistein-D-valin, okrajšano kot ACV. Za reakcijo je potrebna prisotnostencima ACVS (δ-(L-α-aminoadipil)-L-cistein-D-valin sintetaza), ki omogoči aktivacijo aminokislin inepimerizacijoL-valina vD-izoobliko.
2. V naslednji stopnji poteče reakcija, s katero se ACV pretvori v izopenicilin N, pri tem pa sodeluje encim izopenicilin N sintetaza. Tripeptid se oksidira in pride do tvorbe obročnega sistema.[12][8] Izopenicilin N ne izkazuje antibiotičnega učinka.[10]
3. V zadnjem koraku pride do zamenjave stranske verige in iz izopenicilina N naposled nastrane penicilin G.Koencim izopenicilin N aciltransferaza katalizira odstranitev α-aminoadipilne stranske verige iz molekule izopenicilina N; na to mesto se pripne fenilacetilna skupina. Omenjeni encim je zapisan nagenu penDE.[7]
Penicilin je odkril leta1928 škotski znanstvenik in dobitnikNobelove nagradeAlexander Fleming.[13] Dokazal je, da glivaPenicillium notatum v ustreznem gojišču proizvaja protibakterijsko snov, ki jo je poimenoval penicilin. Šlo je za slučajno odkritje, ki pa je bilo povod za moderno dobo odkritij antibiotikov. Za razvoj penicilina za uporabo pri ljudeh so zaslužni avstralski Nobelov nagrajenecHoward Walter Florey, nemški Nobelov nagrajenecErnst Chain in angleškibiokemikNorman Heatley.
Že pred Flemingovim odkritjem so drugi poročali obakteriostatičnem učinku čopičaste plesni. Že odsrednjega veka so v Evropi vtradicionalni medicini uporabljali kruh z modro plesnijo (domnevno čopičasta plesen) za zdravljenje zagnojenih ran. Prvi objavljen vir se je leta 1875 pojavil vrevijiPhilosophical Transactions of the Royal Society angleškeKraljeve družbe, avtorjaJohna Tyndalla.[14]Ernest Duchesne je o tem pisal leta 1897, vendar Pasteurjev inštitut zaradi njegove mladosti članka ni sprejel. Marca 2000 so doktorji bolnišnice v kostariškem San Josu objavili dva rokopisa kostariškega zdravnika in znanstvenikaClodomira Picada Twighta (1887–1944). Poročali so o njegovih opazovanjih zaviralnega učinka gliv iz rodu čopičastih plesni med letoma 1915 in 1927. Svoje odkritje je sporočil tudi pariški akademiji znanosti, vendar ga nipatentiral. Njegove raziskave so se začele več let pred Flemingovim odkritjem.
Fleming je kasneje preračunal, da naj bi do odkritja prišel petkovega jutra28. septembra1928.[15] Šlo je za srečno naključje, ko je v laboratoriju v londonski bolnišnici St. Mary's Hospital vpetrijevki gojil stafilokoke. Ker je petrijevko pustil po nesreči odprto, se je gojišče okužilo tudi s plesnijo iz rodu čopičastih plesni in ta je tvorila s prostim očesom vidno kolonijo. Okoli plesni se je pojavil kolobar zaradi zaviraja rasti stafilokokov. Fleming je predpostavil, da plesen izloča snov, ki zavira rast bakterij in povzroča njihovo lizo. Plesen je nacepil na drugo gojišče in iz čiste kulture je ugotovil, da gre za čopičasto plesen. Danes to vrsto plesni poznamo pod imenomPenicillium notatum. Fleming je vzorec poslalCharlesu Thomu, v tistih časih priznanemu ameriškemu strokovnjaku. Fleming je tudi skoval izraz penicilin, s čimer je poimenovalfiltrat, pridobljen iz čopičaste plesni. Že kmalu so ugotovili, da je penicilin učinkovit zoper grampozitivne bakterije, a neučinkovit proti gramnegativnim bakterijam inglivicam. Fleming je predpostavljal, da se lahko penicilin uporablja kot učinkovitorazkužilo, ki je zelo učinkovito in v primerjavi z drugimiantiseptiki tistega časa minimalno toksično. Zapisal je tudi njegovo laboratorijsko uporabnost pri osamitvi bakterijeBacillus influenzae (danes poimenovanaHaemophilus influenzae).[16] Po nadaljnjih raziskavah je bil prepričan, da je penicilin premalo obstojen v človeškem organizmu, da bi lahko bil učinkovit proti patogenim bakterijam. Leta1931 je prekinil raziskovanje. Skliničnimi raziskavami je nadaljeval leta1934 ter do leta1940 iskal nekoga, ki bi znal penicilin ustrezno prečistiti.[17]
Leta1930 je Cecil George Paine,patolog v bolnišnici vSheffildu, poskusil uporabiti penicilin pri zdravljenju stafilokokne okužbelasnih mešičkov na bradi (sycosis barbae), vendar neuspešno. Vzrok neučinkovitega zdravljenja je bil verjetno ta, da penicilin ne prodre dovolj globoko v kožo. Prvo uspešno zdravljenje je dosegel prioftalmiji novorojenčkov (gonokokna okužbaveznice pri novorojenčkih) novembra 1930. Nato je s penicilinom pozdravil še 4 bolnike (1 odraslega in 3 dojenčke) z okužbami oči; pri petem pa zdravljenje ni bilo učinkovito.[18]
Leta1939 je avstralski znanstvenikHoward Florey z ekipo razikovalcev (Ernst Boris Chain,A. D. Gardner,Norman Heatley, M. Jennings, J. Orr-Ewing in G. Sanders) naoksfordski univerzi dosegel znaten napredek pri dokazovanjubaktericidnega učinka penicilinain vivo. Sicer so bili poskusi zdravljenja bolnikov zaradi premajhnih količin penicilina neuspešni, vendar so dokazali neškodljivost in učinkovitost primiših.[19]
Nekatere od prvih raziskav penicilina so potekale v oksfordski bolnišniciRadcliffe Infirmary; nekateri viri navajajo te raziskave kot prve, ki so ugotavljale uspešnost zdravljenja s penicilinom, vendar so Painove raziskave potekale prej.[18] 14. marca 1942 sta John Bumstead inOrvan Hess rešila življenje umirajočemi bolniku, tako da sta mu dala penicilin.[20][21]
Kemijsko zgradbo penicilina je v začetku 40-ih let določilaDorothy Hodgkin. Penicilin je postal najbolj pogosto uporabljan antibiotik in še danes se uporablja za številne okužbe z grampozitivnimi bakterijami. Delovna skupina oksfordskih raziskovalcev, na čelu z AvstralcemHowardom Floreyjem (sodelovala sta tudiErnst Boris Chain inNorman Heatley), je razvila postopek za množično proizvodnjo zdravila. Florey in Chain sta za svoje delo leta 1945 prejelaNobelovo nagrado za medicino (skupaj s Flemingom). Podrugi svetovni vojni jeAvstralija postala prva država, ki je dala penicilin tudi na razpolago civilnem prebivalstvu. KemikJohn C. Sheehan je na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu v zgodnjih 50-ih prvi razvil celoten sintezni postopek za pridobivanje penicilina G in nekaterih njegovih analogov, ampak postopek ni bil dovolj učinkovit za množično proizvodnjo.
14. marca1942 je prvi bolnik (imel je streptokoknoseptikemijo) prejel penicilin ameriškega podjetjaMerck & Co.[22] Polovica celotne količine proizvedenega penicilina v tistem času je bila porabljena za tega bolnika. Junija 1942 je količina pridobljenega penicilina zadoščala že za 10 bolnikov.[23] Leta1943 so v svetovni raziskavi ugotovili, da plesnivamelona izIllinoisa vsebuje najboljši in najkakovostnejši penicilin.[24] To odkritje in rezultati raziskav fermentacijekoruzne omakalne vodice (angl.corn steep liquor) prav tako v Illinoisu so omogočili, da so v ZDA spomladi 1944, v časunapada na Normandijo, lahko proizvedli 2,3 milijona odmerkov penicilina. Zares množično proizvodnjo je omogočila kemičarkaMargaret Hutchinson Rousseau, ki je razvila fermentacijo v globokih rezervoarjih.[25]
Množična proizvodnja penicilina se je začela v letu 1944.
G. Raymond Rettew je s tehnologijo proizvodnje komercialnih količin penicilina prispeval znaten delež k ameriškim vojaškim trudom tistega časa.[26]Med drugo svetovno vojno je penicilin pomembno vplival na številosmrti inamputacij zaradi okuženih ran med vojakizavezniških držav. Zaradi težav pri proizvodnji velikih količin in potrebi po pogostem odmerjanju penicilina, ker se hitro izloča iz telesa, je bila razpoložljivost zdravila zelo omejena. Penicilin se iz telesa aktivno izloča in okoli 80 % odmerka se izloči že po 3 do 4 urah poaplikaciji. Na začetku uporabe penicilina so zaradi nezadostnih količin, ki so bile na voljo, celo zbiraliseč bolnikov, ki so prejemali penicilin, ter ga iz njega izolirali in ponovno uporabili.[27]
Ker na obzorju še vedno ni bilo zadovoljive rešitve, so znanstveniki pričeli z iskanjem načina, da bi upočasnili izločanje penicilina iz telesa. Iskali so molekulo, ki bi se vezala naprenašalno beljakovino, ki je odgovorna za aktivno izločanje penicilina v seč, in bi zasedla te prenašalne beljakovine in s tem preprečila, da bi se sam penicilin izločal tako hitro. Kot primerna se je izkazalaurikozurična učinkovinaprobenecid. Pri sočasni uporabi probenecida in penicilina je prvikompetitivno zavrl izločanje penicilina in koncentracija penicilina v krvi ter čas njegovega delovanja sta se podaljšala. Uporaba probenecida je upadla, ko so razvili zmogljivejše tehnike za množično proizvodnjo penicilina ter odkrili polsintetske penicilinske učinkovine.[27] Vendar je probenecid še vedno uporabljan, in sicer pri določenih okužbah, ki zahtevajo posebej visoke krvne koncentracije penicilina.[28]
Ker je bil obseg okužb, ki jih je bilo možno zdraviti s prvotnimi naravnimi penicilini (zlasti penicilinom G), in zaradi sorazmerno slabega delovanja peroralno učinkovitegafenoksimetilpenicilina (penicilina V) so raziskovalci iskali derivate penicilina, ki bi delovali na širši spekter okužb. Izolacija6-aminopenicilanske kisline (6-APA), ki predstalja osrednjo strukturo penicilinov, je omogočila razvoj polsinteznih penicilinov, ki so izkazovali boljše lastnosti kot naravni penicilin G (benzilpenicilin); tako so izboljšalibiorazpoložljivost, spekter delovanja, obstojnost in prenašanje penicilinov.
Prvi večji dosežek je pomenila sintezaampicilina, ki ima širši spekter delovanja od naravnih penicilinov (penicilina G in V). Z nadaljnjjimi raziskavami so odkrili peniciline, odporne nabetalaktamazo (flukloksacilin,dikloksacilin,meticilin). To je bilo bistvenega pomena za zdravljenje okužb z bakterijami, ki proizvajajo betalaktamazo, niso pa učinkoviti protina meticilin odpornemuS. aureusu, ki se je kasneje pojavil.
Naslednji dosežek je bil razvoj penicilinskih antibiotikov, učinkovitih protipsevdomonasu (karbenicilin,tikarcilin,piperacilin). Z njimi so spekter delovanja razširili tudi na gramnegativne bakterije.
Betalaktamski antibiotiki zavrejo prečno povezovanje peptidoglikana v bakterijskicelični steni. Del molekule penicilina se veže v aktivno mestoencimaDD-transpeptidaza, ki katalizira tvorbo prečnih povezav med peptidoglikanskimi molekulami. Posledično postane celična stena prepustna in zaradiosmotskega tlaka bakterijska celica umre. Nadalje pa se zaradi kopičenja predhodniških molekul peptidoglikana aktivirajohidrolaze inavtolizini v celični steni, ki povzročijo propad peptidoglikana.
Sočasna uporaba penicilinskih inaminoglikozidnih antibiotikov izkazujesinergistični učinek. Penicilinski antibiotik namreč zavre tvorbo peptidoglikana in tako lahko aminoglikozid lažje prodre skozi celično steno v celico, kjer deluje tako, da zavre sintezo bakterijskihbeljakovin.
Priparenteralni uporabi (vžilo) se pogosto na mestu injiciranja pojavita tudibolečina invnetje (zlasti pri benzilpenicilinu in benzatinbenzilpenicilinu, v manjšem obsegu pri prokainpenicilinu).
Čeprav še vedno poročajo o preobčutljivostni reakciji na peniciline kot o najpogostejši alergijski reakciji, ima le 20 % ljudi, ki verjamejo, da so preobčutljivi na peniciline, zares alergijo nanje.[31] Še vedno pa so penicilini najpogostejše zdravilo, ki povzroči hude alergijske reakcije.
Alergijska reakcija na kateri koli betalaktamski antibiotik se pojavi pri 10 % bolnikov, ki prejmejo to zdravilo.[32] Gre za preobčutljivostno reakcijo tipa I.Anafilaksija (huda preobčutljivostna reakcija, ki lahko ogrozi življenje) se pojavi pri 0,01 % bolnikov.[28] V preteklosti je veljalo, da je navzkrižna občutljivost na penicilinske derivate,cefalosporine inkarbapeneme 10-odstotna; razlog je v tem, da vse te učinkovine vsebujejo betalaktamski obroč.[33][34] Novejša dognanja so pokazala, da pri cefalosporinih druge generacije in pri novejših cefalosporinih tveganje za navzkrižno občutljivost ni povečano.[35][36] Za navzkrižno občutljivost pri cefalosporinih prve generacije in penicilinih naj bi bila odgovorna podobna struktura stranskih verig in ne betalaktamski obroč.[37]
Penicilin je sekundarnipresnovek čopičastih plesni, ki se tvori, če je rast glive zavrta zaradi stresnih dejavnikov. Med aktivno rastjo se ne tvori. Proizvodnja je omejena tudi z negativno povratno zanko v sintezni poti penicilina:
Stranski produkt L-lizin namreč zavre tvorbo homocitrata, zato se je pri proizvodnji treba tudi izogibati prisotnosti eksogenega lizina.
Celice čopičaste plesni gojijo s pomočjo tehnike, imenovanedohranjevalna šarža (angl.fed-batch), pri čemer so celice neprestano podvržene stresu in zato proizvajajo velike količine penicilina. Pomembni so tudi ogljikovi viri:glukoza zavira tvorbo penicilina, laktoza pa na primer ne. Samodejno morajo biti nadzorovani tudipH, ravendušika, lizina,fosfata inkisika v šaržah.
Proizvodnja penicilina se je začela kot neposreden rezultat druge svetovne vojne. Proizvajali so ga v ogromnih količinah in industrija je cvetela. Leta1945 so proizvedli že 425 milijonov odmerkov letno.[38]
V zadnjem času je razvojbiotehnologije omogočil, da so s pomočjousmerjene evolucije proizvedli številnemutirane sevePenicilliuma. Take tehnike usmerjene evolucije so npr. PCR, podvržena napakam (angl.error-prone PCR), premeščanje DNK (angl.DNA shuffling), ITCHY in PCR s prekrivanjem verig (angl.strand overlap PCR).
↑Barbosa, S.; in sod. (2003). »Complexes of penicillins and human serum albumin studied by static light scattering«.Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.224 (1–3): 251–256.doi:10.1016/S0927-7757(03)00322-4.
↑7,07,1Al-Abdallah, Q.; in sod. (2004). »Regulation of Penicillin Biosynthesis in Filamentous Fungi«.Adv. Biochem Eng Biot.88: 45–90.doi:10.1007/b99257.ISBN 3-540-22032-1
↑Baldwin, J.E.; in sod. (1997). »Proteins of the Penicillin Biosynthesis Pathway«.Curr. Opin. Struct. Biol.7: 857–864.
↑10,010,1Fernandez, F.J.; in sod. (1994). »Expression of Genes and Processing of Enzymes for the Biosynthesis of Penicillins and Cephalosporms«.Anton Van Lee.65: 227–243.
↑Baker, W.L.; Lonergan, G.T. (2002). »Chemistry of Some Fluorescamine-Amine Derivatives with Relevance to the Biosynthesis of Benzylpenicillin by Fermentation«.J. Chem. Technol. Biot.77: 1283–1288.
↑Al-Abdallah, Q.; in sod. (2004). »Regulation of Penicillin Biosynthesis in Filamentous Fungi«.Adv. Biochem Eng Biot.88: 45–90.doi:10.1007/b99257.
↑»Alexander Fleming – Time 100 People of the Century«.Time Magazine. Arhivirano izprvotnega spletišča dne 26. maja 2009.It was a discovery that would change the course of history. The active ingredient in that mold, which Fleming named penicillin, turned out to be an infection-fighting agent of enormous potency. When it was finally recognized for what it was — the most efficacious life-saving drug in the world — penicillin would alter forever the treatment of bacterial infections.
↑Fleming, A. (1929). »On the antibacterial action of cultures of a penicillium, with special reference to their use in the isolation ofB. influenzæ«.Br. J. Exp. Pathol.10 (31): 226–36.
↑Salkind A.R.; Cuddy P.G.; Foxworth J.W. (2001). »Is this patient allergic to penicillin? An evidence-based analysis of the likelihood of penicillin allergy«.JAMA.285 (19): 2498–505.doi:10.1001/jama.285.19.2498.PMID11368703.
↑Solensky, R. (2003). »Hypersensitivity reactions to beta-lactam antibiotics«.Clinical reviews in allergy & immunology.24 (3): 201–20.doi:10.1385/CRIAI:24:3:201.PMID12721392.
↑Dash, C.H. (1975). »Penicillin allergy and the cephalosporins«.J. Antimicrob. Chemother.1 (3 Suppl): 107–18.PMID1201975.
↑Gruchalla, R.S.; Pirmohamed, M. (2006). »Clinical practice. Antibiotic allergy«.N. Engl. J. Med.354 (6): 601–9.doi:10.1056/NEJMcp043986.PMID16467547.
.jpg)
