Kategórie
Psychologický slovník

Penicilíny

Jadrová štruktúra penicilínu. „R“ je variabilná skupina.

Penicilín (niekedy označovaný skratkou PCN alebo pen) je skupina antibiotík pochádzajúcich z húb rodu Penicillium. Penicilínové antibiotiká sú historicky významné, pretože sú prvými liekmi, ktoré boli účinné proti mnohým predtým závažným ochoreniam, ako je syfilis a stafylokokové infekcie. Penicilíny sa dodnes široko používajú, hoci mnohé druhy baktérií sú v súčasnosti rezistentné. Všetky penicilíny sú beta-laktámové antibiotiká a používajú sa pri liečbe bakteriálnych infekcií spôsobených citlivými, zvyčajne grampozitívnymi organizmami.

Termín „penicilín“ sa môže vzťahovať aj na zmes látok, ktoré sa prirodzene a organicky vyrábajú.

Štruktúra jadra penicilínu v 3D. Fialová je variabilná skupina.

Termín „penam“ sa používa na označenie jadrového skeletu člena penicilínového antibiotika. Tento skelet má molekulový vzorec R-C9H11N2O4S, kde R je variabilný bočný reťazec.

Normálny penicilín má molekulovú hmotnosť 313 až 334 g/mol (posledná pre penicilín G). Typy penicilínov s pripojenými ďalšími molekulovými skupinami môžu mať molárnu hmotnosť okolo 500 g/mol. Napríklad kloxacilín má molárnu hmotnosť 476 g/mol a dikloxacilín má molárnu hmotnosť 492 g/mol.

Celkovo existujú tri hlavné a dôležité kroky biosyntézy penicilínu G (benzylpenicilínu). Prvým krokom biosyntézy penicilínu G je kondenzácia troch aminokyselín – kyseliny L-α-aminoadipovej, L-cysteínu a L-valínu na tripeptid. Pred kondenzáciou na tripeptid sa aminokyselina L-valín podrobí epimerizácii a stane sa D-valínom. Po kondenzácii sa tripeptid nazýva δ-(L-α-aminoadipyl)-L-cysteín-D-valín, ktorý je známy aj ako ACV. Pri tejto reakcii musíme pridať potrebný katalytický enzým ACVS, ktorý je známy aj ako δ-(L-α-aminoadipyl)-L-cysteín-D-valín syntetáza. Tento katalytický enzým ACVs je potrebný na aktiváciu troch aminokyselín pred kondenzáciou a epimerizáciu transformácie L-valínu na D-valín. Druhým krokom biosyntézy penicilínu G je použitie enzýmu na zmenu ACV na izopenicilín N. Enzým izopenicilín N syntáza s uzavretým génom pcbC. Tripeptid na ACV potom prejde oxidáciou, ktorá potom umožní uzavretie kruhu, takže vznikne bicyklický kruh. Izopenicilín N je veľmi slabý medziprodukt, pretože nevykazuje veľkú antibiotickú aktivitu. Posledným krokom biosyntézy penicilínu G je výmena skupiny bočného reťazca, takže z izopenicilínu N sa stane penicilín G. Prostredníctvom katalytického koenzýmu izopenicilín N acyltransferázy (IAT) sa odstráni alfa-aminoadipylová bočná skupina izopenicilínu N a vymení sa za fenylacetylovú bočnú skupinu. Táto reakcia je kódovaná génom penDE, ktorý je jedinečný v procese získavania penicilínov.

Objavenie penicilínu sa pripisuje škótskemu vedcovi a nositeľovi Nobelovej ceny Alexandrovi Flemingovi v roku 1928. Ukázal, že ak sa Penicillium notatum pestuje vo vhodnom substráte, vylučuje látku s antibiotickými vlastnosťami, ktorú nazval penicilín. Týmto náhodným pozorovaním sa začala moderná éra objavovania antibiotík. Vývoj penicilínu na použitie ako lieku sa pripisuje austrálskemu nositeľovi Nobelovej ceny Howardovi Walterovi Floreymu spolu s nemeckým nositeľom Nobelovej ceny Ernstom Chainom a anglickým biochemikom Normanom Heatleym.

Viacerí iní však zaznamenali bakteriostatické účinky Penicillium skôr ako Fleming. Používanie chleba s modrou plesňou (pravdepodobne peniciliom) ako prostriedku na ošetrenie hnisajúcich rán bolo základom ľudovej medicíny v Európe od stredoveku. Prvá publikovaná zmienka sa objavuje v publikácii Kráľovskej spoločnosti z roku 1875, ktorej autorom je John Tyndall. Ernest Duchesne to zdokumentoval v práci z roku 1897, ktorú Pasteurov inštitút neprijal kvôli jeho mladosti. V marci 2000 lekári z nemocnice San Juan de Dios v kostarickom San José zverejnili rukopisy kostarického vedca a lekára Clodomira (Clorita) Picada Twighta (1887 – 1944). Uvádzajú Picadove pozorovania inhibičných účinkov húb rodu Penicillium z rokov 1915 až 1927. Picado svoj objav oznámil Parížskej akadémii vied, napriek tomu si ho nenechal patentovať, hoci jeho výskumy sa začali roky pred Flemingom.

Fleming uviedol, že k prelomu došlo v piatok 28. septembra 1928 ráno. Bola to náhoda: Fleming si vo svojom laboratóriu v suteréne nemocnice svätej Márie v Londýne (dnes súčasť Imperial College) všimol Petriho misku s kultúrou stafylokoka, ktorú omylom nechal otvorenú a ktorá bola kontaminovaná modrozelenou plesňou, ktorá vytvorila viditeľný výrastok. Okolo plesne bola aureola inhibovaného bakteriálneho rastu. Fleming usúdil, že pleseň uvoľňuje látku, ktorá potláča rast a likviduje baktérie. Vypestoval čistú kultúru a zistil, že ide o pleseň Penicillium, dnes známu ako Penicillium notatum. Charles Thom, americký odborník pracujúci na americkom ministerstve poľnohospodárstva, bol uznávaným expertom a Fleming mu vec postúpil. Fleming vytvoril termín „penicilín“ na označenie filtrátu z bujónovej kultúry plesne Penicillium. Už v týchto počiatočných štádiách sa zistilo, že penicilín je najúčinnejší proti grampozitívnym baktériám a neúčinný proti gramnegatívnym organizmom a plesniam. Vyjadril počiatočný optimizmus, že penicilín bude užitočným dezinfekčným prostriedkom, pretože je vysoko účinný s minimálnou toxicitou v porovnaní s vtedajšími antiseptikami, a zaznamenal jeho laboratórnu hodnotu pri izolácii „Bacillus influenzae“ (teraz Haemophilus influenzae). Po ďalších pokusoch bol Fleming presvedčený, že penicilín nemôže v ľudskom tele vydržať dostatočne dlho na to, aby zabil patogénne baktérie, a po roku 1931 ho prestal skúmať. Klinické pokusy obnovil v roku 1934 a až do roku 1940 sa snažil niekoho presvedčiť, aby ho purifikoval.

V roku 1939 austrálsky vedec Howard Florey (neskôr barón Florey) a tím výskumníkov (Ernst Boris Chain, A. D. Gardner, Norman Heatley, M. Jennings, J. Orr-Ewing a G. Sanders) zo Školy patológie Sira Williama Dunna na Oxfordskej univerzite dosiahli významný pokrok v preukázaní baktericídneho účinku penicilínu in vivo. Ich pokusy liečiť ľudí zlyhali kvôli nedostatočnému množstvu penicilínu (prvým liečeným pacientom bol konstábl v zálohe Albert Alexander), ale dokázali, že je neškodný a účinný na myšiach.

Chemickú štruktúru penicilínu určila Dorothy Crowfoot Hodgkinová začiatkom 40. rokov 20. storočia. Penicilín sa odvtedy stal doteraz najpoužívanejším antibiotikom a stále sa používa na mnohé grampozitívne bakteriálne infekcie. Tím oxfordských výskumných vedcov pod vedením Austrálčana Howarda Floreyho, ktorého členmi boli aj Ernst Boris Chain a Norman Heatley, navrhol metódu hromadnej výroby lieku. Florey a Chain sa v roku 1945 podelili s Flemingom o Nobelovu cenu za medicínu za svoju prácu. Po druhej svetovej vojne bola Austrália prvou krajinou, ktorá sprístupnila liek na civilné použitie. Chemik John C. Sheehan na MIT začiatkom 50. rokov 20. storočia dokončil prvú úplnú syntézu penicilínu a niektorých jeho analógov, ale jeho metódy neboli účinné na masovú výrobu.

Výzva masovej výroby lieku bola náročná. Dňa 14. marca 1942 bol prvý pacient liečený na streptokokovú septikémiu penicilínom vyrobeným v USA spoločnosťou Merck & Co. Polovica všetkých vtedy vyrobených zásob sa použila na tohto jedného pacienta. V júni 1942 bolo k dispozícii dostatočné množstvo amerického penicilínu na liečbu desiatich pacientov. V roku 1943 sa po celosvetovom pátraní zistilo, že najlepší a najkvalitnejší penicilín obsahuje plesnivý melón na trhu v meste Peoria v štáte Illinois. Objavenie melóna a výsledky výskumu fermentácie kukuričného striedavého moku v Severnom regionálnom výskumnom laboratóriu v Peorii v štáte Illinois umožnili Spojeným štátom vyrobiť 2,3 milióna dávok včas pred inváziou do Normandie na jar 1944. Veľkokapacitná výroba bola výsledkom vývoja fermentácie v hlbokých nádržiach chemickej inžinierky Margaret Hutchinsonovej Rousseauovej.

Penicilín sa začal masovo vyrábať v roku 1944

G. Raymond Rettew významne prispel k americkému vojnovému úsiliu svojimi technikami výroby komerčného množstva penicilínu.
Počas druhej svetovej vojny penicilín významne ovplyvnil počet úmrtí a amputácií spôsobených infikovanými ranami v spojeneckých jednotkách, pričom zachránil približne 12 – 15 % životov.[cit ] Dostupnosť však bola značne obmedzená náročnosťou výroby veľkých množstiev penicilínu a rýchlym vylučovaním lieku obličkami, čo si vyžadovalo časté dávkovanie. Penicilín sa aktívne vylučuje a približne 80 % dávky penicilínu sa z tela vylúči do troch až štyroch hodín po podaní. Počas ranej éry penicilínu bol tento liek taký vzácny a tak vysoko cenený, že sa bežne zbieral moč liečených pacientov, aby sa penicilín v moči mohol izolovať a znovu použiť.

Toto riešenie nebolo uspokojivé, preto výskumníci hľadali spôsob, ako spomaliť vylučovanie penicilínu. Dúfali, že sa im podarí nájsť molekulu, ktorá by mohla konkurovať penicilínu v boji s transportérom organických kyselín zodpovedným za vylučovanie tak, že transportér by prednostne vylučoval konkurenčnú molekulu a penicilín by zostal zachovaný. Ako vhodná sa ukázala urikozurická látka probenecid. Keď sa probenecid a penicilín podávajú spoločne, probenecid kompetitívne inhibuje vylučovanie penicilínu, zvyšuje koncentráciu penicilínu a predlžuje jeho aktivitu. Nakoniec sa s príchodom techník hromadnej výroby a polosyntetických penicilínov vyriešili problémy so zásobovaním, takže toto používanie probenecidu pokleslo. Probenecid je však stále užitočný pri niektorých infekciách, ktoré si vyžadujú obzvlášť vysoké koncentrácie penicilínov.

Vývoj od penicilínu

Úzky rozsah liečiteľných ochorení alebo spektrum účinnosti penicilínov spolu so slabou účinnosťou perorálne účinného fenoxymetylpenicilínu viedli k hľadaniu derivátov penicilínu, ktoré by mohli liečiť širšie spektrum infekcií. Izolácia 6-APA, jadra penicilínu, umožnila prípravu semisyntetických penicilínov s rôznymi zlepšeniami oproti benzylpenicilínu (biologická dostupnosť, spektrum, stabilita, tolerancia).

Prvým významným vývojom bol ampicilín, ktorý ponúkal širšie spektrum účinku ako ktorýkoľvek z pôvodných penicilínov. Ďalší vývoj priniesol penicilíny rezistentné voči beta-laktamázam vrátane flukloxacilínu, dikloxacilínu a meticilínu. Tieto boli významné svojou aktivitou proti druhom baktérií produkujúcich beta-laktamázu, ale sú neúčinné proti kmeňom Staphylococcus aureus rezistentným na meticilín, ktoré sa následne objavili.

Ďalším vývojom radu pravých penicilínov boli antipseudomonálne penicilíny, ako karbenicilín, tikarcilín a piperacilín, užitočné pre svoju aktivitu proti gramnegatívnym baktériám. Užitočnosť beta-laktámového kruhu však bola taká, že príbuzné antibiotiká vrátane mecilínov, karbapenémov a, čo je najdôležitejšie, cefalosporínov si ho stále zachovávajú v strede svojej štruktúry.

β-laktámové antibiotiká pôsobia tak, že inhibujú tvorbu peptidoglykánových krížových väzieb v bakteriálnej bunkovej stene. β-laktámová časť (funkčná skupina) penicilínu sa viaže na enzým (DD-transpeptidázu), ktorý spája molekuly peptidoglykánu v baktériách, čím sa oslabí bunková stena baktérie (inými slovami, antibiotikum spôsobí cytolýzu alebo smrť v dôsledku osmotického tlaku). Okrem toho hromadenie peptidoglykánových prekurzorov spúšťa aktiváciu hydroláz bakteriálnej bunkovej steny a autolyzínov, ktoré ďalej štiepia existujúci peptidoglykán baktérie.

Grampozitívne baktérie sa nazývajú protoplasty, keď stratia svoju bunkovú stenu. Gramnegatívne baktérie nestrácajú svoju bunkovú stenu úplne a po ošetrení penicilínom sa nazývajú sféroplasty.

Penicilín vykazuje synergický účinok s aminoglykozidmi, pretože inhibícia syntézy peptidoglykánu umožňuje aminoglykozidom ľahšie preniknúť do bakteriálnej bunkovej steny, čo umožňuje narušiť syntézu bakteriálnych bielkovín v bunke. To má za následok zníženie MBC pre citlivé organizmy.

Penicilíny, podobne ako iné β-laktámové antibiotiká, blokujú nielen delenie baktérií vrátane cyanobaktérií, ale aj delenie cyanel, fotosyntetických organel glaukofytov, a delenie chloroplastov machov. Naopak, nemajú žiadny vplyv na plastidy vysoko vyvinutých cievnatých rastlín. To podporuje endosymbiotickú teóriu evolúcie delenia plastidov u suchozemských rastlín.

Termín „penicilín“ sa často používa vo všeobecnom význame na označenie jedného z úzko spektrálnych penicilínov, najmä benzylpenicilínu (penicilín G).

Medzi časté nežiaduce reakcie na liek (≥ 1 % pacientov) spojené s používaním penicilínov patria hnačka, precitlivenosť, nevoľnosť, vyrážka, neurotoxicita, žihľavka a superinfekcia (vrátane kandidózy). Medzi zriedkavé nežiaduce účinky (0,1 – 1 % pacientov) patria horúčka, vracanie, erytém, dermatitída, angioedém, záchvaty (najmä u epileptikov) a pseudomembranózna kolitída.

Bolesť a zápal v mieste vpichu sú bežné aj pri parenterálne podávanom benzatínovom benzylpenicilíne, benzylpenicilíne a v menšej miere pri prokaínovom benzylpenicilíne.

Hoci je penicilín stále najčastejšie hlásenou alergiou, menej ako 20 % všetkých pacientov, ktorí sa domnievajú, že majú alergiu na penicilín, je skutočne alergických na penicilín; napriek tomu je penicilín stále najčastejšou príčinou závažných alergických reakcií na lieky.

Alergické reakcie na akékoľvek β-laktámové antibiotikum sa môžu vyskytnúť až u 10 % pacientov, ktorí dostávajú tento liek. Alergická reakcia je reakcia z precitlivenosti typu I. Anafylaxia sa vyskytne približne u 0,01 % pacientov. V minulosti sa akceptovalo, že medzi derivátmi penicilínu, cefalosporínmi a karbapenémami existuje až 10 % skrížená citlivosť v dôsledku spoločného β-laktámového kruhu. Nedávne hodnotenia však nepreukázali zvýšené riziko skríženej alergie na cefalosporíny 2. generácie alebo novšie. Nedávne práce ukázali, že hlavným znakom pri určovaní imunologických reakcií je podobnosť bočného reťazca cefalosporínov prvej generácie s penicilínmi, a nie spoločná β-laktámová štruktúra.

Penicilín je sekundárny metabolit huby Penicillium, ktorý sa produkuje, keď je rast huby inhibovaný stresom. Počas aktívneho rastu sa neprodukuje. Produkcia je tiež obmedzená spätnou väzbou v ceste syntézy penicilínu.

Vedľajší produkt L-lyzín inhibuje produkciu homocitrátu, preto by sa pri výrobe penicilínu malo zabrániť prítomnosti exogénneho lyzínu.

Výroba penicilínu vznikla ako priemyselné odvetvie priamo v dôsledku druhej svetovej vojny. Počas vojny bolo na domácom fronte k dispozícii množstvo pracovných miest. Bola založená Rada pre vojnovú výrobu, ktorá monitorovala rozdeľovanie pracovných miest a výrobu. Penicilín sa počas vojny vyrábal v obrovských množstvách a priemysel prosperoval. V júli 1943 vypracovala Rada pre vojnovú výrobu plán na hromadnú distribúciu zásob penicilínu vojakom bojujúcim v Európe. V čase vypracovania tohto plánu sa vyrábalo 425 miliónov kusov ročne. Priamym dôsledkom vojny a Vojenskej výrobnej rady bolo, že do júna 1945 sa vyrábalo viac ako 646 miliárd jednotiek ročne.

V posledných rokoch sa biotechnologická metóda cielenej evolúcie použila na vytvorenie veľkého počtu kmeňov Penicillium mutáciou. Tieto techniky cielenej evolúcie zahŕňajú PCR náchylnú na chyby, miešanie DNA, ITCHY a PCR s prekrývaním vlákien.

Poznámka: Úplný zoznam pozitívnych alosterických modulátorov GABAA nájdete v navigačnom poli PAM receptorov GABAA.