Penicilin

Penicilini su grupa beta-laktamskih antibiotika koji se koriste u lečenju infekcija izazvanih bakterijama. Na dejstvo penicilina osetljivi su prevashodno Gram-pozitivni patogeni, dok je jedan broj polusintetskih penicilina efikasan i protiv Gram-negativnih bakterija. Prirodni penicilini su proizvod metabolizma gljivica iz roda Penicillium. Njihovo antibakterijsko dejstvo prepoznao je Aleksandar Fleming 1928. godine, ali su prvi penicilini u široku kliničku primenu ušli tek tokom i nakon završetka Drugog svetskog rata. I danas se široko upotrebljavaju, ali njihov terapijski značaj polako opada, dobrim delom usled rastuće učestalosti pojave rezistentnih sojeva.

Otkriće penicilina konvencionalno pripisuje Flemingu i opisuje kao jedna od najvećih slučajnosti u istoriji nauke, lekoviti učinak pojedinih gljivica bio je poznat i veoma starim kulturama gde su biljke i pojedine plesni korišćene u empirijskoj terapiji, odnosno najčešće za previjanje rana u sprečavanju razvitka infekcije.

Sa razvojem mikrobiologije počela je da se učvršćuje i veza između pojedinih gljivica i njihovog antibakterijskog učinka. Niz britanskih istraživača objavilo je nalaze po kojima prisustvo plesni u bakterijskim kulturama efektivno inhibira rast bakterija. Među prvima je bio Džon Skot Burdon-Senderson čiji su nalazi iz 1870. postali osnova za dalje istraživanje Listera i Tindala. Tindal je 1875. pred Kraljevskim društvom objavio nalaze o baktericidnom učinku izvesne vrste roda Penicillium, koja je, po njemu, činila da bakterije pucaju. Paster je u Francuskoj dve godine kasnije objavio slične nalaze o antibakterijskom učinku gljivica iz roda Penicillium na bacile antraksa.

U periodu nakon otkrića penicilina posebno je u Francuskoj došlo do izražaja prepoznavanje ranijeg rada Ernesta Dišena na potencijalnoj terapijskoj primeni spomenutih plesni. Dišen je 1897. završio doktorsku disertaciju koja se bavila proučavanjem evolutivne kompeticije i antagonizma između bakterija i gljivica. Dišen je u njoj opisao baktericidan učinak vrste Penicillium glaucum na E. coli in vitro, a zatim i dao rezultate in vivo ispitivanja antibakterijskog učinka ove gljivice. Dišen je dao nizu eksperimentalnih životinja potencijalno smrtonosnu dozu kulture bacila tifusa, a zatim im je inokulisao neprečišćenu kulturu spomenute gljivice, što bi dovodilo do izlečenja životinja.

Dišen, međutim, nije tvrdio postojanje specifične antibakterijske supstance koju produkuje gljivica, već je samo zabeležio njen antagonizam prema bakterijama. U ovo vreme, on je imao samo 23 godine i bio je nepoznat u naučnim krugovima što je doprinelo da Institut Paster zanemari njegovu tezu. Dišen je u poslednjem pasusu svoje teze naznačio da dodatno istraživanje ove pojave može dovesti do otkrića drugih osobina plesni od značaja za njihovu profilaktičku i terapijsku primenu, ali ova istraživanja nikada nije sproveo jer je postao angažovan kao vojni lekar, da bi 1904. zadobio izvesno plućno oboljenje (neki izvori kažu da je reč o tuberkulozi), od posledica koga je preminuo 1912, u 37. godini života. Mada relevantan, Dišenov rad nikada nije predvideo postojanje samih penicilina, a kako je kasnije i konstatovano da prirodni penicilini ne pokazuju aktivnost protiv izazivača tifusa, ostaje pitanje prirode same supstance koja je u Dišenovom radu dovela do izlečenja zamoraca.

Struktura molekula penicilin


Slika 1. Molekularna struktura penicilina

Penicilini se često posmatraju i kao N-acil derivati 6-aminopenicilanske kiseline (6-APA). Struktura bočnog lanca u velikoj meri određuje stabilnost i osobine penicilina. 6-APA sadrži tri stereogena centra koji odgovaraju položajima 2, 5 i 6 i za koje je određena apsolutna konfiguracija. Tako se svi penicilini hemijski mogu označavati kao derivati (2S,5R,6R)-3,3-dimetil-6-amino-7-okso-4-tia-1-azabiciklo[3.2.0]heptan-2-karboksilne kiseline. U upotrebi je i nešto drugačiji sistem numeracije, ali su sistemski nazivi često preglomazni, pa se primarno koriste generički. Očuvanje naznačene stereohemije predstavlja uslov za dejstvo.

SAR studijama dodatno je utvrđeno da je za dejstvo neophodno prisustvo slobodne karboksilne grupe u položaju 2 (estarske prolek forme ne pokazuju aktivnost dok ne dođe do hidrolize), amida u položaju 6, kao i postojanje opisanog bicikličnog sistema, mada su moguće izosterne zamene sumpora, ali su ovakve modifikacije retke.

Najnestabilniji deo strukture penicilina je ß-laktamski prsten. Ovaj amid se nalazi pod velikim ugaonim i torzionim naponom jer je u četvoročlanom ciklusu, a dodatno je i karbonilni ugljenik, kao elektron deficitaran, aktiviran za napad nukleofila. Ovo je i posledica nemogućnosti učestvovanja slobodnog elektronskog para azota u rezonantnoj stabilizaciji strukture, jer bi rezultujući uglovi veza bili neodrživi.Vodeni rastvori su, pri sobnoj temperaturi, stabilni ali u alkalnoj sredini kao i u prisustvu jakih nukleofila (alkohola, amina) veoma lako dolazi do otvaranja prstena.

U alkalnoj sredini nastaje peniciloinska kiselina (odnosno njeni acil derivati), koja može podleći daljoj metaboličkoj dekarboksilaciji. Ovi proizvodi ne pokazuju antimikrobnu aktivnost. Sa alkoholima ili aminima nastaju odgovarajući estri/amidi. Ove reakcije su od značaja za objašnjenje nastanka preosetljivosti na peniciline. Aktiviranost β-laktama kod penicilina za nukleofilni napad predstavlja i osnov osetljivosti na β-laktamaze koje reaguju kao jaki nukleofili. Uvođenje rezidua koje sterno ometaju pristup enzimu povećava stabilnost takvih penicilina na dejstvo beta-laktamaza.