Penisilin (Penicillin)

Penisilinler (P, PCN veya PEN), başlangıçta Penicillium küflerinden, ağırlıklı olarak P. chrysogenum ve P. rubens. Şu anda klinik olarak kullanılan penisilinlerin çoğunluğu P. chrysogenum'u derin tank fermantasyonu ve ardından saflaştırma yoluyla. Çok sayıda doğal penisilin tanımlanmış olmasına rağmen klinik uygulamada yalnızca iki saflaştırılmış bileşik kullanılmaktadır: penisilin G (kas içi veya damar içi uygulama için) ve penisilin V (oral uygulama için). Penisilinler, stafilokok ve streptokokların neden olduğu enfeksiyonlar da dahil olmak üzere geniş bir yelpazedeki bakteriyel enfeksiyonlara karşı etkinlik gösteren ilk terapötik ajanlar arasındaydı. Yaygın kullanım nedeniyle bakteriyel direncin yaygın şekilde gelişmesine rağmen, günümüzde çeşitli bakteriyel enfeksiyonlar için yaygın olarak reçete edilmeye devam edilmektedir.

Amerika Birleşik Devletleri'nde nüfusun %10'u penisilin alerjisi bildirmektedir; ancak, pozitif cilt testi sonuçlarının sıklığı her yıl kaçınıldığında %10 azaldığından, bu hastaların %90'ı sonunda penisilini tolere edebilir. Ayrıca penisilin alerjisi olan kişiler, yalnızca %3'lük düşük immünoglobulin E (IgE) çapraz reaktivite oranı nedeniyle sefalosporinleri (başka bir beta-laktam antibiyotik grubu) tolere ederler.

Penisilin, 1928'de İskoçyalı doktor Alexander Fleming tarafından P. rubens. 1930'da Fleming'in öğrencisi Cecil George Paine, bir göz enfeksiyonunu (yenidoğan konjonktiviti) tedavi etmek için penisilinin ilk başarılı terapötik uygulamasını gerçekleştirdi. Saflaştırılmış bileşik penisilin F, 1940 yılında Oxford Üniversitesi'nden Howard Florey ve Ernst Boris Chain liderliğindeki bir araştırma ekibi tarafından izole edildi. Fleming, saflaştırılmış penisilini ilk kez 1942'de streptokok menenjitini tedavi etmek için kullandı. 1945 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü, Chain, Fleming ve Florey'e ortaklaşa verildi.

Birkaç yarı sentetik penisilin, antistafilokokal penisilinler, aminopenisilinler ve antipsödomonaller de dahil olmak üzere daha geniş bir bakteri yelpazesine karşı etkinlik göstermektedir. penisilinler.

Adlandırma

"Penisilin" terimi, Penicillium küfünün antimikrobiyal aktiviteye sahip doğal bir ürünü olarak tanımlanır. Alexander Fleming bu terimi 7 Mart 1929'da Penicillium rubens'in antibakteriyel özelliklerini keşfetmesi üzerine icat etti. 1929'da British Journal of Experimental Pathology'de yayınlanan makalesinde Fleming, "oldukça hantal 'Küf suyu filtratı' ifadesinin tekrarından kaçınmak için 'penisilin' adının kullanılacağını" açıkladı. Bu nedenle isim, Fleming'in 1945 Nobel konferansında daha ayrıntılı olarak açıkladığı gibi, kalıbın bilimsel sınıflandırmasına atıfta bulunmaktadır:

Bana sık sık "Penisilin" adını neden icat ettiğim soruluyor. Tamamen geleneksel çizgileri takip ettim ve penisilin maddesinin Penicillium cinsi bir bitkiden türetildiğini açıklayan bir kelime icat ettim, tıpkı yıllar önce "Digitalin" kelimesinin Digitalis bitkisinden türetilen bir madde için icat edildiği gibi.

Çağdaş kullanımda penisilin, doğal bir ürün olup olmadığına bakılmaksızın, β-laktam çekirdeğine kaynaşmış bir tiyazolidin halkası içeren herhangi bir β-laktam antimikrobiyal maddeyi kapsayacak şekilde daha geniş bir şekilde tanımlanır. Çoğu doğal ürüne benzer şekilde penisilin, Penicillium küflerinin içinde aktif bileşenlerin bir karışımı olarak bulunur (gentamisin, iyi tanımlanmamış bir aktif bileşen karışımı içeren doğal bir ürünün başka bir örneğini sağlar). Penicillium'dan türetilen başlıca aktif bileşenler aşağıdaki tabloda sıralanmıştır:

Penicillium'da tanımlanan diğer küçük aktif bileşenler arasında penisilin O, penisilin U1 ve penisilin U6 bulunur. Bunun aksine, penisilin A gibi doğal Penicillium'un diğer adlandırılmış bileşenlerinin daha sonra antibiyotik aktiviteye sahip olmadığı ve antibiyotik penisilinlerle kimyasal olarak ilişkili olmadığı belirlendi.

Ekstre edilen penisilinin kesin yapısı, hem kullanılan Penicillium küfünün spesifik türüne hem de ekimi için kullanılan besin ortamına bağlıdır. Fleming'in orijinal Penicillium rubens türü öncelikle onun onuruna verilen penisilin F'yi üretiyordu. Bununla birlikte, penisilin F'nin kararsız olduğu, izole edilmesinin zor olduğu ve küf tarafından sınırlı miktarlarda üretildiği kanıtlanmıştır.

Penicillium chrysogenum'un (Peoria suşu) baskın ticari türü, kültür ortamı olarak mısır ıslatma likörü kullanıldığında birincil bileşeni olarak penisilin G'yi sentezler. Tersine, kültür ortamına fenoksietanol veya fenoksiasetik asit eklenmesi, küfün ana penisilin olarak penisilin V üretmesini sağlar.

6-Aminopenisilanik asit (6-APA), penisilin G'den türetilmiş bir bileşiktir. Bu bileşik, penisilin G'nin beta-laktam çekirdeğini korur ancak yan zincirlerinden yoksundur, dolayısıyla diğer penisilinlerin sentezinde çok önemli bir öncü görevi görür. Çok sayıda yarı sentetik penisilin, 6-APA'dan kaynaklanır ve üç ana gruba ayrılır: antistafilokokal penisilinler, geniş spektrumlu penisilinler ve antipsödomonal penisilinler. Bu yarı sentetik penisilinler, nihai olarak penisilin G'den türetildikleri için topluca penisilin olarak adlandırılır.

Penisilin Üniteleri

• Bir birim penisilin G sodyum 0,600 mikrogram olarak tespit edilmiştir. Sonuç olarak 2 milyon ünite (2 megabirim) penisilin G, 1,2 grama karşılık geliyor.
• Bir birim penisilin V potasyum 0,625 mikrogram olarak belirlenmiştir. Böylece 400.000 ünite penisilin V, 250 miligrama denk geliyor.

Penisilini üniteler halinde reçete etme uygulaması Amerika Birleşik Devletleri dışında esasen geçerliliğini yitirmiş durumda. Tarihsel olarak, orijinal penisilin, amorf sarı bir toz halinde görünen, aktif bileşiklerin zayıf bir şekilde karakterize edilmiş bir karışımını oluşturmaktaydı ve bu, etki gücünde partiden partiye değişkenliğe yol açmaktaydı. Bu nedenle, 1 gram penisilinin aktivitesi partiler arasında farklılık göstereceğinden dozajın kütleye göre belirlenmesi pratik değildi. Dozajı standartlaştırmak için, her bir penisilin partisi, üretim sonrası tanımlanmış bir birime göre kalibre edildi ve daha sonra cam şişeler, gerekli sayıda birim ile dolduruldu. 1940'larda 5.000 Oxford birimi içeren bir şişe standarttı, ancak içeriği partiye bağlı olarak 15 mg ila 20 mg penisilin arasında değişiyordu. Daha sonra, 2,5 g ila 3 g doğal penisilin (doğal safsızlıkların yanı sıra penisilin I, II, III ve IV'ün bir karışımı) içerebilen 1.000.000 uluslararası ünitelik bir şişe standart hale geldi. Beyaz kristal toz olarak karakterize edilen saf penisilin G preparatlarının ortaya çıkışı, penisilinin birimler halinde reçete edilmesinin mantığını azaltmıştır, ancak Amerika Birleşik Devletleri'nde benzatin benzilpenisilin için birim bazlı reçeteleme devam etmektedir.

Penisilinin "birimi" daha önce üç tanımsal revizyondan geçmiştir ve sonraki her tanım bir öncekine yaklaşık eşdeğerliği için seçilmiştir.

• Oxford veya Florey Birimi (1941). Bu birim başlangıçta, standart bir Staphylococcus aureus (Oxford Staphylococcus) türünün çoğalmasını engelleyebilen, 50 ml et ekstraktında çözünmüş minimum miktarda penisilin olarak kuruldu. Referans standardı, Oxford'da muhafaza edilen önemli miktarda saf olmayan penisilinden oluşuyordu. Florey'nin araştırma ekibi daha sonra tahlili daha tekrarlanabilir bir "kap tahlili" yöntemine dönüştürdü. Bu analizde, katı bir agar plakası üzerindeki bir "bardak"a uygulanan 339 mikrolitre, Oxford Staphylococcus'a karşı 24 milimetrelik bir inhibisyon bölgesi oluşturduğunda, bir penisilin çözeltisinin ml başına bir ünite içermesi şart koşuldu.
• Birinci Uluslararası Standart (1944). 8 gramlık tek bir saf kristal penisilin G sodyum partisi, Uluslararası Standart olarak hizmet vermek üzere Mill Hill, Londra'daki Ulusal Tıbbi Araştırma Enstitüsü'ne bırakıldı. Bir penisilin ünitesi bu Uluslararası Standardın 0,6 mikrogramı olarak oluşturulmuştur. Saf olmayan bir "çalışma standardı" da tanımlandı ve dünya çapında önemli ölçüde daha büyük miktarlarda yayıldı; çalışma standardının bir birimi 2,7 mikrogramdı ve birim başına daha yüksek kütle, safsızlıklara atfedilebilirdi. Eş zamanlı olarak kap tahlilinde de iyileştirmeler yapıldı; Sabit bir 24 mm zon çapı belirlemek yerine, potensi belirlemek için zon boyutları bir referans eğrisine göre çizildi.
• İkinci Uluslararası Standart (1953). 30 gramlık tek bir parti saf kristal penisilin G sodyum tedarik edildi ve ardından Mill Hill'de biriktirildi. Bir penisilin ünitesi, İkinci Uluslararası Standartta 0,5988 mikrogram olarak tanımlandı.

Penisilin V için, çağdaş penisilin V birimiyle orantılı olmayan daha eski bir birim tanımı mevcuttur. Bu tutarsızlık, ABD FDA'nın hatalı bir şekilde penisilin V'in molar etkisinin penisilin G ile aynı olduğunu varsayması nedeniyle ortaya çıktı. Ancak penisilin V, penisilin G'den daha düşük bir etki sergiliyor; bu, mevcut penisilin V ünitesine de yansıyan bir gerçektir.

• İlk Uluslararası Penisilin V Birimi (1959). Bir birim penisilin V, Londra'daki Mill Hill'de tutulan bir referans standardın 0,590 mikrogramı olarak belirlendi. Bu birimin şu anda eski olduğu düşünülüyor.

Eş zamanlı olarak penisilin K için de benzer bir standart oluşturuldu.

Türler

Penisilinler benzersiz bir dört üyeli beta-laktam halkası, bir tiyazolidin halkası ve bir R yan zinciri ile karakterize edilir. Bu aile içindeki varyantları farklılaştıran temel karakteristik, R ikame edicisidir.

Bu yan zincir, 6-aminopenisilanik asit kalıntısına bağlanır ve her penisilin tipinin antimikrobiyal spektrumunda, stabilitesinde ve beta-laktamazlara duyarlılığında varyasyonlara yol açar.

Doğal Penisilinler

Penisilin G (benzilpenisilin) başlangıçta doğal olarak oluşan bir Penicillium mantarından türetilmiştir. Penisilin G'nin çağdaş üretiminde, üretim verimini artırmak için genetiği değiştirilmiş bir mantar türü kullanılıyor. Şu anda diğer doğal penisilinler (F, K, N, X, O, U1 veya U6) klinik uygulamada kullanılmamaktadır.

Yarı-sentetik Penisilinler

Penisilin V (fenoksimetilpenisilin), öncü fenoksiasetik asidin genetiği değiştirilmiş bir Penicillium mantar suşunun kültür ortamına eklenmesiyle sentezlenir.

6-APA'dan Türetilen Antibiyotikler

Yapısal olarak penisilinlerle ilişkili üç ana yarı sentetik antibiyotik kategorisi mevcuttur. Bu ajanlar, penisilin G'den izole edilen 6-APA öncüsüne çeşitli yan zincirlerin eklenmesiyle sentezlenir. Bu kategoriler arasında antistafilokokal, geniş spektrumlu ve antipsödomonal antibiyotikler yer alır.

Antistaphylococcal Antibiyotikler

• Kloksasilin (oral veya enjekte edilebilir uygulama)
• Dikloksasilin (oral veya enjekte edilebilir uygulama)
• Flukloksasilin (oral veya enjekte edilebilir uygulama)
• Metisilin (yalnızca enjekte edilebilir uygulama)
• Nafcillin (yalnızca enjekte edilebilir uygulama)
• Oksasilin (oral veya enjekte edilebilir uygulama)

Antistafilokokal antibiyotikler, stafilokokal penisilinaz tarafından parçalanmaya karşı dirençleri nedeniyle bu şekilde tanımlanır. Bu nedenle penisilineza dirençli antibiyotikler olarak da bilinirler.

Geniş Spektrumlu Antibiyotikler

Bu antibiyotik sınıfı, penisilinin etkisiz olduğu Escherichia coli ve Salmonella typhi dahil olmak üzere çok çeşitli Gram-negatif bakterilere karşı etkili olması nedeniyle "geniş spektrumlu" olarak adlandırılır. Ancak yine de bu mikroorganizmalar arasındaki direnç yaygınlaştı.

• Ampisilin
• Amoksisilin

Çok sayıda ampisilin öncüsü mevcuttur; these are inactive compounds that undergo metabolic cleavage in the gastrointestinal tract to liberate ampicillin. Currently, none of these ampicillin prodrugs are in clinical use:

• Pivampicillin (pivaloyloxymethyl ester of ampicillin)
• Bakampisilin
• Metampicillin (formaldehyde ester of ampicillin)
• Talampisilin
• Hetacillin (ampicillin conjugated to acetone)

Bir aminopenisilin olan episilin, klinikte yaygın bir şekilde benimsenmemiştir.

Antipseudomonal Antibiyotikler

Pseudomonas aeruginosa Gram negatif türler çok sayıda antibiyotik sınıfına karşı doğal direnç gösterir. 1960'lı ve 1970'li yıllarda önemli araştırmalar Pseudomonas türlerine karşı etkili antibiyotiklerin geliştirilmesine odaklandı. Bu grup iki kimyasal sınıftan oluşur: karboksipenisilinler ve üreidopenisilinler. All members of this group are administered via injection, as oral administration is not feasible.

Karboksipenisilinler

• Karbenisilin
• Tikarsilin
• Temosilin

Üreidopenisilinler

• Mezlosilin
• Piperasilin
• Azlosilin

Beta-laktamaz İnhibitörleri

• Klavulanik Asit
• Sulbaktam
• Tazobaktam

Tıbbi Uygulamalar

Genel olarak kullanıldığında, "penisilin" terimi iki spesifik kimyasal bileşikten birini ifade edebilir: penisilin G veya penisilin V.

Penisilin G

Penisilin G, mide asidi tarafından bozunmaya karşı hassastır, bu da oral uygulamayı engeller; ancak penisilin V'inkini önemli ölçüde aşan 2,4 g'a kadar dozlar uygulanabilir. Tipik olarak intravenöz veya intramüsküler enjeksiyon yoluyla verilir. Bu bileşik, şu anda kullanılan iki preparasyon olan prokain penisilin ve benzatin benzilpenisilin ile çözünmeyen bir tuz halinde formüle edilebilir. Yüksek kan konsantrasyonlarını sürdürmek için penisilin G'nin kan dolaşımından renal olarak hızlı bir şekilde elimine edilmesi nedeniyle nispeten sık uygulanması gerekir.

Penisilin G çok sayıda bakteriyel enfeksiyonun terapötik yönetimi için onaylanmıştır. Spesifik olarak, duyarlı stafilokok ve streptokok suşlarının neden olduğu septisemi, ampiyem, zatürre, perikardit, endokardit ve menenjiti hedefler. Onaylanmış ek endikasyonlar arasında şarbon, aktinomikoz, servikofasiyal, torasik ve abdominal hastalıkların yanı sıra botulizm ve gazlı kangren (eşzamanlı debridman veya cerrahi gerektirebilecek) gibi klostridial enfeksiyonlar yer alır. Aynı zamanda tetanoz (insan tetanoz immün globülini ile birlikte) ve difteri (antitoksin ile birlikte taşıyıcı durumu da önleyen) için yardımcı tedavi olarak da işlev görür. Diğer uygulamalar arasında erizipelothrix endokardit, fusospirochetosis (orofarinks, alt solunum yolu ve genital bölgeyi etkileyen ciddi enfeksiyonlar), Listeria enfeksiyonları, Pasteurella enfeksiyonları (bakteremi ve menenjit dahil), Haverhill ateşi, sıçan ısırığı ateşi, yaygın gonokok enfeksiyonları, meningokokal menenjit ve/veya septisemi yer alır. penisiline duyarlı organizmalar ve frengi.

Penisilin V

Penisilin V, mide asidine karşı göreceli stabilitesi nedeniyle oral uygulamaya uygundur. Bununla birlikte, 500 mg'ı aşan dozlar, optimumun altındaki emilim nedeniyle azalmış etkinlik sergiler. Terapötik spektrumu penisilin G'ninkini yansıtır ve bu da onu en sık reçete edilen penisilin türevi haline getirir. Ancak endokardit gibi sistemik penisilin konsantrasyonlarının yükselmesini gerektiren durumlarda kontrendikedir.

Bakteriyel Duyarlılık

Penisilin direncinin yaygınlığı göz önüne alındığında, tedavi amaçlı müdahalelerde artık genellikle alternatif antibiyotikler tercih ediliyor. Örneğin, penisilin geçmişte Neisseria gonorrhoeae ve Neisseria meningitidis'i içeren enfeksiyonların birincil tedavisi olarak kullanılmış olsa da, bu patojenler için kullanımı artık önerilmemektedir. Ayrıca Staphylococcus aureus'ta penisilin direnci oldukça yaygındır ve bu da S. aureus için penisilinin kullanımını engellemektedir. Spesifik enfeksiyona neden olan suşun duyarlılığı doğrulanmadığı sürece aureus enfeksiyonları.

Yan Etkiler

Penisilin alan hastaların ≥%1'inde gözlenen yaygın advers ilaç reaksiyonları (ADR'ler), ishal, aşırı duyarlılık reaksiyonları, bulantı, döküntü, nörotoksisite, ürtiker ve kandidiyaz gibi süperenfeksiyonları kapsar. Daha az sıklıkta görülen ADR'ler (bireylerin %0,1-1'inde meydana gelen) ateş, kusma, eritem, dermatit, anjiyoödem, nöbetler (özellikle epileptik hastalarda) ve psödomembranöz koliti içerir. Ayrıca penisilin uygulaması bazı bireylerde serum hastalığını veya serum hastalığına benzer bir reaksiyonu hızlandırabilir. Bu durum, tipik olarak penisilin de dahil olmak üzere çeşitli ilaçlara maruz kaldıktan bir ila üç hafta sonra ortaya çıkan bir tip III aşırı duyarlılık reaksiyonu oluşturur. Gerçek bir ilaç alerjisi olarak sınıflandırılmamasına rağmen (bunlar tip I aşırı duyarlılık reaksiyonlarıdır), neden olan maddeye tekrarlayan maruz kalma, potansiyel olarak anafilaktik bir tepkiye yol açabilir. Hastaların %1-10'unda maruziyet sonrasında öncelikle deri döküntüsü olarak ortaya çıkan alerjik reaksiyonlar rapor edilmiştir. Daha şiddetli bir reaksiyon olan IgE aracılı anafilaksi hastaların yaklaşık %0,01'ini etkiler.

Benzatin benzilpenisilin ve benzilpenisilin ve daha az derecede prokain benzilpenisilin parenteral uygulamasını takiben enjeksiyon bölgesinde lokal ağrı ve inflamasyon sıklıkla gözlenir. Bu lokalize reaksiyon klinik olarak liveoid dermatit veya Nicolau sendromu olarak tanınır.

Yapı

"Penam" terimi, tüm penisilin türevlerinin paylaştığı temel çekirdek iskeletini belirtir. Bu çekirdek, R-C₉H₁₁N§4_{5§O§67§S moleküler formülüne sahiptir; 'R', farklı penisilinler arasında özgüllük sağlayan değişken yan zinciri temsil eder. Penam çekirdeği 243 g/mol'lük bir molar kütle sergilerken kloksasilin (436 g/mol) gibi daha büyük penisilin bileşikleri tipik olarak 450 g/mol'e yaklaşan molar kütlelere sahiptir. 6-Aminopenisilanik asit (6-APA), C8H12N§1213§O§1415§S formülüyle penisilinlerin temel yapısını oluşturur. Bu yapı, L-sistein ve D-valin'in yoğunlaşması yoluyla oluşan molekül içi bir dipeptitten türetilir. Bu yoğunlaşma reaksiyonu, hem bir β-laktam halkasının hem de bir tiyazolidin halkasının oluşumuna yol açar.}

Penisilinlerin tanımlayıcı yapısal özelliği, antibakteriyel etkinlikleri için vazgeçilmez bir parça olan dört üyeli β-laktam halkasıdır. Bu β-laktam halkası, beş üyeli bir tiyazolidin halkasına kovalent olarak kaynaşmıştır. Bu halka füzyonu, monosiklik β-laktamlarla karşılaştırıldığında β-laktam halkasının reaktivitesini arttırır, çünkü kaynaşmış halkalar β-laktam amid bağının bozulmasına neden olur, böylece bu tür kimyasal bağlantıların doğasında bulunan tipik rezonans stabilizasyonunu azaltır. Bir asil yan zinciri, β-laktam halkasına kovalent olarak bağlıdır.

Çok sayıda β-laktam antibiyotik, 6-aminopenisilanik asit (6-APA) yapısının kimyasal modifikasyonları yoluyla, esas olarak asil yan zincirindeki ikameleri içeren şekilde sentezlenmiştir. Örneğin, ilk kimyasal olarak değiştirilmiş penisilin olan metisilin, 6-APA benzen halkasının 2' ve 6' pozisyonlarında penisilin G'den farklı olarak metoksi grubu ikameleri içeriyordu. Bu yapısal değişiklik, çok sayıda bakteriyi doğası gereği diğer penisilinlere karşı dirençli hale getiren bir enzim olan β-laktamaz'a karşı metisiline direnç kazandırır.

Farmakoloji

Bakterilere Giriş

Penisilin, Gram-pozitif bakteri türlerinin hücresel yapılarına kolaylıkla nüfuz eder. Bu geçirgenlik, Gram pozitif bakterilerde bir dış hücre zarının bulunmamasına atfedilir, bunun yerine sağlam bir hücre duvarı ile sarılır. Penisilinin moleküler boyutları, hücre duvarı içindeki glikoprotein aralıklarından geçişine izin verir. Sonuç olarak Gram-pozitif bakteriler, ilk olarak antibiyotiğin 1928'deki keşfi sırasında gözlemlenen bir özellik olan penisiline karşı yüksek duyarlılık sergiler.

Penisilin ve diğer moleküllerin Gram-negatif bakterilere giriş mekanizması önemli ölçüde farklılık gösterir. Gram-negatif bakteriler daha ince hücre duvarlarına sahip olmalarına rağmen dış yüzeyleri, dış zar adı verilen ek bir hücre zarıyla sarılır. Lipit çift katmanından (özellikle lipopolisakkarit zincirinden) oluşan bu dış zar, penisilin gibi hidrofilik moleküllerin geçişini engeller. Sonuç olarak, toksik maddelere karşı birincil savunma bariyeri olarak işlev görür ve Gram negatif türlerin antibiyotiklere karşı Gram pozitif bakterilere göre karşılaştırmalı direncini açıklar. Bununla birlikte penisilin, lipid matris içine serpiştirilmiş dış zar proteinleri olan porinler olarak bilinen sulu kanallar yoluyla difüzyon yoluyla Gram-negatif bakterilere nüfuz edebilir ve besinlerin ve antibiyotiklerin bakteri hücresine taşınmasını kolaylaştırır. Porinler çoğu penisilinin difüzyonuna izin verecek kadar büyük olmasına rağmen geçiş hızı ilacın spesifik moleküler boyutuna bağlıdır. Örneğin, daha büyük olan penisilin G, porinler yoluyla yavaş bir difüzyon sergilerken, ampisilin ve amoksisilin gibi daha küçük bileşikler oldukça hızlı bir şekilde difüzyona uğrar. Tersine, vankomisinin önemli boyutu porinlerden geçişini engelleyerek onu Gram-negatif bakterilere karşı etkisiz hale getirir. Porinlerin boyutları ve miktarı farklı bakteri türlerine göre değişir. Bu nedenle penisilinin moleküler büyüklüğü ile porin özellikleri arasındaki etkileşim, Gram negatif bakterilerin belirli penisilinlere karşı duyarlılığını veya değişen derecelerdeki direncini belirler.

Eylem Mekanizması

Penisilin bakteri öldürücü etkisini, bakteriyel hücre duvarının kritik bir yapısal bileşeni olan peptidoglikan sentezinin son aşamalarını engelleyerek gösterir. Spesifik olarak, hücre duvarı biyosentezinin terminal fazı sırasında peptidoglikanların çapraz bağlanması için gerekli olan enzimatik aktiviteyi hedefler ve inhibe eder. Bu inhibisyon, penisilinin β-laktam halkasının penisilin bağlayıcı proteinlere (PBP'ler) bağlanması yoluyla gerçekleşir. Peptidoglikan çapraz bağlarında ortaya çıkan azalma, hücre duvarı bütünlüğünü tehlikeye atarak, ozmotik dengenin sürdürülememesi nedeniyle hücrenin içine kontrolsüz su akışına yol açar. Sonuçta bu ozmotik dengesizlik, hücre lizizi ve bakteriyel ölümle sonuçlanır.

Bakteri hücreleri, peptidoglikan hücre duvarlarını sürekli olarak yeniden şekillendirir, büyüme ve bölünme sırasında eş zamanlı olarak sentezler ve parçalanır. Peptidoglikan biyosentezinin terminal aşamalarında, hem dördüncü hem de beşinci amino asit kalıntıları olarak D-alanil-D-alanin içeren üridin difosfat-N-asetilmuramik asit pentapeptid (UDP-MurNAc) üretilir. D-alanin'in enzimatik transferi, penisilin bağlayıcı proteinleri içeren bir enzim sınıfı olan DD-transpeptidaz tarafından katalize edilir. Bakteriyel hücre duvarının yapısal bütünlüğü, UDP-MurNAc ve N-asetil glukozamin arasındaki çapraz bağlanmaya dayanır. Yapısal benzerlikler nedeniyle penisilin ve diğer β-laktam antibiyotikler, UDP-MurNAc içindeki D-alanin-D-alanin dipeptitinin yapısal analogları olarak işlev görür. Sonuç olarak, DD-transpeptidaz, doğal substratı UDP-MurNAc yerine tercihen penisilinin dört üyeli β-laktam halkasına bağlanır. Bu bağlanma DD-transpeptidazı etkisiz hale getirir, böylece UDP-MurNAc ve N-asetil glukozamin arasında gerekli çapraz bağların oluşumunu engeller. Bu bozulma, hücre duvarı sentezi ve bozulması arasında dengesizliğe yol açarak sonuçta hızlı bakteriyel hücre ölümüyle sonuçlanır.

Peptoglikan çapraz bağlarını hidrolize eden enzimlerin devam eden aktivitesi, çapraz bağ oluşumunun inhibisyonu ile birleştiğinde bakteri hücre duvarını tehlikeye atar. Bu, ozmotik basınçta artan bir dengesizliğe yol açar ve sonuçta sitoliz yoluyla hücre ölümüyle sonuçlanır. Ayrıca, peptidoglikan öncüllerinin birikmesi bakteriyel hücre duvarı hidrolazlarını ve otolizinlerini aktive eder ve bunlar hücre duvarı içindeki peptidoglikanları daha da bozar. Penisilinin küçük boyutu, hücre duvarına tamamen nüfuz etmesini sağlayarak etkinliğini artırır; bu özellik, vankomisin ve teikoplanin gibi oldukça büyük glikopeptid antibiyotiklerin paylaşmadığı bir özelliktir.

Hücre duvarlarını kaybetmiş gram pozitif bakterilere protoplast adı verilir. Bunun tersine, Gram-negatif bakteriler, penisilin tedavisinden sonra hücre duvarlarını tamamen değiştirmezler ve dolayısıyla sferoplastlar olarak anılırlar.

Penisilin, aminoglikozitlerle birlikte uygulandığında sinerjistik bir etki gösterir. Bu sinerji, penisilinin peptidoglikan sentezini inhibe etmesi, aminoglikozitlerin bakteriyel hücre duvarına daha kolay nüfuz etmesini kolaylaştırdığı ve böylece hücre içi bakteriyel protein sentezinin bozulmasına olanak sağladığı için ortaya çıkar. Sonuç olarak, bu kombinasyon duyarlı mikroorganizmalar için minimum bakterisit konsantrasyonunun (MBC) azalmasına yol açar.

Penisilinler, diğer β-laktam antibiyotiklerle birlikte bakteriler (siyanobakteriler gibi), siyaneller (glokofitlerin fotosentetik organelleri) ve briyofitlerin kloroplastları dahil olmak üzere çeşitli organizmaların bölünmesini engeller. Bu antibiyotiklerin oldukça gelişmiş damarlı bitkilerin plastidlerini etkilememesi dikkat çekicidir. Bu farklı etki, karasal bitkilerde plastid bölünmesinin evrimiyle ilgili endosimbiyotik teoriyi destekleyen kanıtlar sağlar.

Bazı bakteriler, β-laktam halkasını hidrolize eden enzimler olan β-laktamazları sentezleyerek penisiline direnç kazandırır. Sonuç olarak, bazı penisilin formülasyonları, antibiyotiğe dirençli bakterilerle savaşmak veya bağışıklık sistemi baskılanmış hastaları tedavi etmek için kimyasal olarak modifiye edilir veya diğer maddelerle birlikte uygulanır. Penisilinin, klavulanik asit veya tazobaktam gibi β-laktamaz inhibitörleriyle birlikte uygulanması, penisilinin β-laktamaz üreten suşlara karşı etkinliğini geri kazandırır. Bu inhibitörler β-laktamaza geri dönüşümsüz şekilde bağlanarak enzimin antibiyotik molekülünün β-laktam halkalarını parçalamasını önler. Alternatif bir yaklaşım, β-laktam halkasını enzimatik bozulmadan koruyan bir asil yan zinciri nedeniyle β-laktamaz üreten bakterilere karşı aktiviteye sahip olan flukloksasilin gibi modifiye edilmiş penisilinleri içerir.

Farmakokinetik

Penisilin, plazma proteinlerine düşük bağlanma özelliği gösterir. Biyoyararlanımı türe göre değişir: Penisilin G, tipik olarak %30'un altında düşük biyoyararlanım gösterirken, penisilin V %60 ila %70 arasında değişen daha yüksek biyoyararlanım sağlar.

Penisilin kısa bir yarı ömre sahiptir ve böbreklerden atılır. Sonuç olarak, terapötik kan konsantrasyonlarını sürdürmek için günde en az dört kez uygulama gereklidir. Penisilinin kullanımına ilişkin tarihsel kılavuzlar, enjeksiyonların üç saatte bir sıklıkta yapılmasını savunuyordu; dozaj rejimi metaforik olarak bir küveti tıpa olmadan doldurma girişimine benzetiliyordu. Daha büyük, daha uygun fiyatlı penisilin dozlarının yaygın olarak bulunması nedeniyle bu sık dozlama artık daha az kritiktir; yine de bazı tıp otoriteleri optimal terapötik etki için sürekli penisilin infüzyonunu hala desteklemektedir.

Direnç

Alexander Fleming'in 1928'de ham penisilini keşfetmesi üzerine, çok sayıda bakteri türünün penisilinin etkilerine karşı doğal direnci olduğu önemli bir gözlem oldu. Ernst Chain and Edward Abraham subsequently elucidated this phenomenon while investigating penicillin's precise mechanism of action. 1940 yılında, Escherichia coli gibi dirençli bakterilerin penisilin moleküllerini parçalayabilen spesifik enzimler ürettiğini ve dolayısıyla antibiyotik direnci kazandırdığını belirlediler. They designated this enzyme penicillinase, which is now categorized within the broader class of β-lactamases. Bu β-laktamazlar birçok bakteri türünde endojen olarak mevcuttur ve diğerlerinde sürekli antibiyotik maruziyetinin ardından bunların üretimi indüklenebilir. Bakteriyel direnç tipik olarak üç ana mekanizma yoluyla kendini gösterir: bakteriyel geçirgenliğin azalması, penisilin bağlayıcı proteinlerin (PBP'ler) bağlanma afinitesinin azalması veya antibiyotiğin β-laktamaz ekspresyonu yoluyla enzimatik bozunması. Through any of these pathways, bacteria frequently develop resistance to multiple antibiotics, a phenomenon known as multi-drug resistance.

The mechanisms of resistance can be highly intricate. When bacteria exhibit reduced permeability, the specific resistance mechanisms diverge between Gram-positive and Gram-negative bacteria. In Gram-positive organisms, penicillin blockage typically results from alterations in the cell wall. Örneğin S'de vankomisin direnci. aureus, hücre duvarını önemli ölçüde kalınlaştıran ve dolayısıyla etkili penisilin penetrasyonunu engelleyen artırılmış peptidoglikan sentezinden kaynaklanır. Conversely, resistance in Gram-negative bacteria is attributed to mutational variations affecting the structure and quantity of porins. In species such as Pseudomonas aeruginosa, a diminished number of porins is observed. Buna karşılık, Enterobacter türleri, Escherichia coli ve Klebsiella pneumoniae gibi bakteriler, penisilini taşıma yeteneği olmayan spesifik olmayan türler (ör. OmpC ve OmpF grupları) dahil olmak üzere değiştirilmiş porinlere sahiptir.

Penisilin bağlayan proteinlerdeki (PBP'ler) değişikliklerden kaynaklanan direnç, hatırı sayılır bir çeşitlilik. Yaygın bir örnek Streptococcus pneumoniae'de görülür; burada PBP genlerindeki mutasyonlar, penisilinlere bağlanma afinitesi azalmış mutant PBP'lere yol açar. Özellikle S. pneumoniae possesses six mutant PBPs, with PBP1a, PBP2b, PBP2x, and occasionally PBP2a being implicated in this diminished affinity. S. aureus'un şifreli bir geni aktive etmesi, farklı bir PBP olan PBD2'nin üretilmesiyle sonuçlanır; bu da penisilinler için düşük bağlanma afinitesi gösterir. Dikkate değer bir varyant metisiline dirençli S'dir. aureus (MRSA), a strain resistant not only to penicillin and other β-lactams but also to the majority of antibiotics. Bu bakteri türü, 1959'da metisilinin piyasaya sürülmesinin ardından ortaya çıktı. MRSA'da, PBP genleri (mec sisteminin bir parçası) içindeki mutasyonlar, dört normal PBP'nin yanı sıra PBP2a (PBP2' olarak da bilinir) adlı bir varyant protein üretir. PBP2a, penisiline zayıf bağlanma afinitesi gösterir ve dört normal PBP tarafından gerçekleştirilen bir fonksiyon olan, tam peptidoglikan sentezi için gerekli olan glikosiltransferaz aktivitesinden yoksundur. In Helicobacter cinaedi, multiple mutations across various genes contribute to the formation of diverse PBP variants.

β-laktamazlar tarafından enzimatik bozunma, penisilin direncinin en kritik mekanizmasını oluşturur ve sıklıkla "[penisilin] kullanımına yönelik en büyük tehdit" olarak tanımlanır. Bu mekanizma aynı zamanda tanımlanan ilk mekanizmadır. 1940 yılında yapılan penisilin saflaştırma ve biyolojik aktivite testleri sırasında E. coli'ye duyarsızlık sergiledi. Altta yatan nedenin daha sonra E. coli'de bir enzim (ve dolayısıyla bilinen ilk β-laktamaz) olan penisilinaz üretimi olduğu belirlendi. coli penisilini kolaylıkla parçalayabilmektedir. Şu anda, her biri benzersiz bir amino asit dizisine ve karşılık gelen enzimatik aktiviteye sahip olan 2000'den fazla β-laktamaz türü tanımlanmıştır. Tüm β-laktamazlar β-laktam halkalarını hidrolize edebilirken, kesin hedef bölgeleri farklılık gösterir. Bu enzimler, Gram-pozitif bakteriler tarafından bakteri yüzeyine önemli miktarlarda, ancak Gram-negatif türler tarafından daha az miktarda salgılanır. Sonuç olarak, polimikrobiyal enfeksiyonlarda Gram pozitif bakteriler, penisiline duyarlı Gram negatif hücrelere koruma sağlayabilir.

P. aeruginosa'ya göre ayırt edici direnç mekanizmaları arasında biyofilm aracılı direnç ve çoklu ilaca toleranslı kalıcı hücrelerin oluşumu yer alır.

Geçmiş

Keşif

Penicillium küfünün antibakteriyel özelliklerine ilişkin raporlar 19. yüzyılın sonlarında ortaya çıktı; ancak araştırmacılar başlangıçta altta yatan mekanizmayı belirleyemediler. Londra'daki St. Mary's Hastanesi'nde (şu anda Imperial College'a bağlı) çalışan İskoç doktor Alexander Fleming, Penicillium rubens'in antibakteriyel etkinliğini gösteren ilk kişi oldu. 3 Eylül 1928'de tesadüfen, Staphylococcus aureus bakteri kültüründeki mantar kontaminasyonunun bakterileri yok ettiğini gözlemledi. Daha sonra bu bulguyu 28 Eylül 1928'de gerçekleştirilen yeni bir deneyle doğruladı. Deney sonuçları 1929'da yayınlandı ve burada antibakteriyel maddeyi (mantar özü) penisilin olarak tanımladı.

C. J. La Touche mantar türlerini Penicillium rubrum olarak sınıflandırdı (daha sonra Charles Thom tarafından P. notatum ve P. chrysogenum olarak yeniden sınıflandırıldı, ardından kesin olarak P. rubens olarak adlandırıldı). Fleming başlangıçta penisilinin bir antiseptik olarak faydasını öngördü ve bu potansiyeli çağdaş antiseptiklere göre önemli bir güce ve düşük toksisiteye bağladı ve aynı zamanda Bacillus influenzae'nin (artık Haemophilus influenzae olarak tanımlanıyor) izole edilmesinde laboratuvarda uygulandığını fark etti.

Fleming, bilim camiasını keşfinin önemi konusunda ikna etmeye çalıştı. Bu zorluk öncelikle penisilinin izole edilmesiyle ilgili zorlu zorluklardan kaynaklanıyordu ve bu da onun farmasötik gelişimini görünüşte uygulanamaz hale getiriyordu. Spekülasyonlar, Fleming'in daha etkili savunuculuğuyla potansiyel olarak desteklenen daha geniş bilimsel topluluğun erken katılımının penisilinin gelişimini birkaç yıl hızlandırabileceğini öne sürüyor.

Katkılarının derin önemi, 19 Kasım 1999'da Londra'daki Alexander Fleming Laboratuvar Müzesi'nde Uluslararası Tarihi Kimyasal Dönüm Noktası olarak belirlenmesiyle resmen kabul edildi.

Geliştirme ve Klinik Uygulama

1930'da, Sheffield Kraliyet Hastanesi'ne bağlı bir patolog olan Cecil George Paine, 25 Kasım 1930'da penisilin (bir mantar ekstraktından türetilmiş) kullanarak bebekleri etkileyen bir gonokok enfeksiyonu olan ophthalmia neonatorum'u başarılı bir şekilde tedavi etmeyi başardı.

1940'a gelindiğinde, Avustralyalı bilim adamı Howard Florey (daha sonra Baron Florey) ve Oxford Üniversitesi Sir William Dunn Patoloji Okulu'ndaki Ernst Chain, Edward Abraham, Arthur Duncan Gardner, Norman Heatley, Margaret Jennings, Jean Orr-Ewing ve Arthur Gordon Sanders'tan oluşan araştırma ekibi, mantar kültürü et suyundan konsantre penisilin üretimini geliştirdi. Bu konsantre form hem in vitro hem de in vivo bakterisidal etkinlik göstermiştir. 1941'de ciddi bir yüz enfeksiyonu geçiren bir polis memuru olan Albert Alexander'a tedavi amaçlı uygulamaları başlangıçta iyileşme sağladı; ancak penisilin kaynaklarının tükenmesi ne yazık ki ölümüne yol açtı. Bunu takiben diğer birçok hastanın tedavisinde başarılı sonuçlar elde edildi. Özellikle Aralık 1942'de Amerika Birleşik Devletleri'nin Boston kentindeki Cocoanut Grove yangınından sağ kurtulanlar, başarılı penisilin tedavisi gören ilk yanık hastaları grubunu temsil ediyordu.

Saflaştırılmış penisilinin ilk başarılı uygulaması 1942'de Fleming'in bunu Harry Lambert'e vermesi ve aksi takdirde ölümcül olduğu kanıtlanacak bir sinir sistemi enfeksiyonunu (streptokokal menenjit) etkili bir şekilde iyileştirmesiyle gerçekleşti. Bu noktada Oxford araştırma grubu, maddenin yalnızca sınırlı bir miktarına sahipti. Florey cömertçe Fleming'e kalan stokların tamamını sağladı. Lambert, tedavinin başlamasından sonraki 24 saat içinde önemli bir iyileşme gösterdi ve bir hafta içinde tamamen iyileşme sağladı. Fleming daha sonra bu klinik deneyi 1943'te The Lancet'te belgeledi. Bu önemli tıbbi ilerlemeye yanıt olarak İngiliz Savaş Kabinesi 5 Nisan 1943'te Penisilin Komitesi'ni kurdu ve büyük ölçekli üretimi hedefleyen projeler başlattı.

Endüstriyel Ölçekte Üretim

Terapötik fayda doğrulandıktan sonra Oxford ekibi, laboratuvar ortamlarında yeterli miktarları üretme konusunda sınırlamalarla karşılaştı. Majestelerinin Hükümeti'nden yeterli desteği alamayan Florey ve Heatley, ABD federal hükümetini büyük ölçekli üretim çabalarına dahil etmek amacıyla Haziran 1941'de kalıp örneklerini taşıyarak Amerika Birleşik Devletleri'ne gittiler. Yardımları onları, kapsamlı fermantasyon süreçleri için donatılmış bir alan olan Peoria, Illinois'deki ABD Tarım Bakanlığı'nın Kuzey Bölgesel Araştırma Laboratuvarı'na (NRRL, şu anda Ulusal Tarımsal Kullanım Araştırma Merkezi olarak biliniyor) götürdü. Bu işbirliği, küfün kitlesel olarak yetiştirilmesini ve daha verimli türler için sistematik bir arayışı derhal başlattı.

Penisilinin ilk terapötik uygulaması, 14 Mart 1942'de, streptokokal sepsis hastası bir hastanın Merck & Şti. Dikkat çekici bir şekilde, o zaman mevcut olan penisilin tedarikinin yarısı bu tek hastaya, Anne Miller'a ayrılmıştı. Haziran 1942'ye gelindiğinde Amerika Birleşik Devletleri yalnızca on kişiyi tedavi etmeye yetecek kadar penisiline sahipti. Temmuz 1943'te Savaş Üretim Kurulu tarafından Avrupa'da görev yapan Müttefik kuvvetlerine penisilin dağıtımına yönelik stratejik bir plan formüle edildi. NRRL'de mısır likörünü içeren fermantasyon araştırmalarındaki atılımlar, Amerika Birleşik Devletleri'nin 1944 baharındaki Normandiya işgali için hazır olan 2,3 milyon doz üretmesini sağladı. 1943'te küresel bir araştırma, Peoria, Illinois pazarındaki küflü bir kavunun en uygun küf türünü içerdiğini tespit etti. mısır demleme likörü yöntemiyle penisilin üretimi. Bu yeni tür, Fleming'in orijinal küfüne kıyasla penisilin veriminde altı kat artışa olanak sağladı. Bir Pfizer bilim adamı olan Jasper H. Kane, önemli miktarlarda farmasötik kalitede penisilin üretmek için derin tanklı bir fermantasyon tekniği önerdi. Daha sonraki büyük ölçekli üretim, kimya mühendisi Margaret Hutchinson Rousseau tarafından derin tanklı bir fermantasyon tesisinin geliştirilmesiyle gerçekleştirildi. Sonuç olarak, savaş ve Savaş Yapım Kurulu'nun çabaları sayesinde Haziran 1945 itibarıyla yıllık üretim 646 milyar adedi aştı.

G. Raymond Rettew, ticari penisilin üretimine yönelik yenilikçi teknikleriyle Amerika'nın savaş çabalarını önemli ölçüde ilerletti. Mantar üretimi konusundaki uzmanlığını Sharples Krema Ayırıcının çalışma prensipleriyle birleştirdi. 1943'e gelindiğinde Rettew'in laboratuvarı küresel penisilin tedarikinin çoğunluğunu üretmekten sorumluydu. İkinci Dünya Savaşı sırasında penisilin, Müttefik kuvvetler arasında enfeksiyon kapmış yaralardan kaynaklanan ölüm oranlarını ve amputasyonları önemli ölçüde azalttı ve hayatların tahminen %12-15'ini korudu. Bununla birlikte, ilacın bulunabilirliği, büyük ölçekli üretimin zorlukları ve sık uygulamayı zorunlu kılan hızlı renal klerensi nedeniyle ciddi şekilde kısıtlanıyordu. Andrew Jackson Moyer, 1945'te penisilinin seri üretimine yönelik yöntemlerin patentini aldı. Bunun aksine, Florey, Sir Henry Dale tarafından böyle bir eylemin etik açıdan sorgulanabilir olacağı tavsiyesi üzerine penisilinin patentini almamayı seçti.

Penisilin aktif olarak atılır ve uygulanan dozun yaklaşık %80'i üç ila dört saat içinde vücuttan atılır. Penisilin kullanımının yeni ortaya çıktığı dönemde, ilacın az bulunması ve yüksek değeri, atılan penisilinin izole edilmesi ve yeniden kullanılması için tedavi edilen hastalardan idrar toplanması uygulamasına yol açtı. Bunun yetersiz bir çözüm olduğunu fark eden araştırmacılar, penisilin atılımını yavaşlatacak yöntemler aradılar. Amaçları, penisilin eliminasyonundan sorumlu olan organik asit taşıyıcısı için penisilin ile rekabet edebilen bir molekül tanımlamaktı, böylece taşıyıcının tercihen rakip maddeyi salgılamasına ve penisilini tutmasına olanak sağlamaktı. Uricosuric ajan probenesid etkili bir bileşik olarak tanımlandı. Probenesid ve penisilinin birlikte uygulanması, probenesidin penisilin atılımını rekabetçi bir şekilde inhibe etmesiyle sonuçlanır, sonuç olarak penisilinin sistemik konsantrasyonunu yükseltir ve terapötik süresini uzatır. Sonuçta, seri üretim metodolojilerinin ve yarı sentetik penisilinlerin geliştirilmesi, tedarik kısıtlamalarını hafifleterek probenesidin bu amaç için kullanımının azalmasına yol açtı. Bununla birlikte probenesid, olağanüstü derecede yüksek penisilin konsantrasyonları gerektiren belirli enfeksiyonlarda fayda sağlamaya devam ediyor.

İkinci Dünya Savaşı'nın sona ermesinin ardından Avustralya, penisilinin sivil uygulama için onay veren ilk ülke oldu. Amerika Birleşik Devletleri'nde penisilin, 15 Mart 1945'te genel halkın kullanımına sunuldu.

Fleming, Florey ve Chain, penisilinin geliştirilmesine yaptıkları katkılardan dolayı 1945 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü ortaklaşa aldılar.

Yapı Belirleme ve Toplam Sentez

Edward Abraham ilk olarak 1942'de penisilinin kimyasal yapısını öne sürdü. Bu yapı daha sonra 1945'te yine Oxford'la bağlantılı olan Dorothy Crowfoot Hodgkin tarafından X-ışını kristalografisi aracılığıyla doğrulandı. Hodgkin daha sonra bu ve diğer önemli yapısal açıklamalar nedeniyle 1964'te Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü.

1957'de Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) kimyager John C. Sheehan, penisilinin ilk kimyasal sentezini gerçekleştirdi. Sheehan, penisilin sentezi üzerine araştırmasına 1948'de başlamıştı; bu sırada peptit sentezi için yeni metodolojilere öncülük etti ve spesifik fonksiyonel grupların reaktivitesini maskelemeye hizmet eden yenilikçi koruma gruplarını tanıttı. Sheehan'ın başlangıçtaki sentetik yolunun büyük ölçekli penisilin üretimi için uygun olmadığı kanıtlansa da, önemli bir ara madde olarak penisilinin temel çekirdeği olan 6-aminopenisilanik asit (6-APA) elde edildi.

6-APA, 1957 yılında Surrey'deki Beecham Araştırma Laboratuvarlarındaki (daha sonra Beecham Grubu olarak anılacaktır) araştırmacılar tarafından tespit edildi ve bulgular 1959'da yayınlandı. İşlevselleştirme 6-APA çekirdeğinin geliştirilmesi, gelişmiş çok yönlülük ve iyileştirilmiş farmakolojik aktivite sergileyen yeni penisilin türevlerinin geliştirilmesini mümkün kıldı.

Penisilin Türevlerinin Evrimi

İlk penisilinlerin kısıtlı terapötik kapsamı veya "etkinlik spektrumu", fenoksimetilpenisilin'in optimal olmayan oral etkinliği ile birleştiğinde, daha geniş bir enfeksiyon yelpazesine hitap edebilen penisilin türevleri üzerine kapsamlı araştırmalar yapılmasına yol açtı. Penisilinin temel çekirdeği olan 6-APA'nın başarılı izolasyonu, biyoyararlanım, aktivite spektrumu, kimyasal stabilite ve hasta toleransı açısından benzilpenisiline göre önemli gelişmeler sunan yarı sentetik penisilinlerin sentezini kolaylaştırdı.

1961'de piyasaya sürülen ampisilin, ilk önemli ilerlemeyi temsil ediyordu. Bu bileşik, orijinal penisilin formülasyonlarına kıyasla daha geniş bir antimikrobiyal aktivite spektrumu sergiledi. Daha sonraki araştırmalar flukloksasilin, dikloksasilin ve metisilin gibi β-laktamaza dirençli penisilinlerin keşfedilmesine yol açtı. Bu ajanlar, β-laktamaz enzimleri üreten bakteri türlerine karşı etkinlikleri açısından çok önemliydi; ancak sonradan gelişen metisiline dirençli Staphylococcus aureus (MRSA) türlerine karşı etkisiz oldukları kanıtlandı.

Penisilin sınıfı içindeki diğer gelişmeler arasında, Gram-negatif bakterilere karşı etkinlik gösteren karbenisilin, tikarsilin ve piperasilin gibi antipsödomonal penisilinler yer aldı. Bununla birlikte, β-laktam halkasının temel faydası, mesilinamlar, karbapenemler ve en önemlisi sefalosporinler dahil olmak üzere ilgili antibiyotik sınıflarında merkezi bir yapısal motif olarak varlığını sürdürmesiyle vurgulanmaktadır.

Endüstriyel Üretim

Penisilin, Penicillium rubens mantarı tarafından çeşitli şeker substratlarının fermantasyonu yoluyla sentezlenir. Bu fermantasyon sırasında, özellikle mantar büyümesi engelleyici stres koşullarına maruz kaldığında ikincil bir metabolit olarak penisilin üretilir. Biyosentetik yol, geri bildirim inhibisyonuna tabidir; burada yan ürün l-lizin, homositrat sentaz enzimini inhibe eder.

α-ketoglutarat + AcCoA → homositrat → L-α-aminoadipik asit → L-lizin + β-laktam

Penicillium hücreleri, hücreleri sürekli olarak penisilin biyosentezini tetiklemek için gerekli olan stres koşullarına maruz bırakan beslemeli kesikli kültür tekniği yoluyla yetiştirilir. Her ne kadar glikoz, bir karbon kaynağı olarak kullanıldığında penisilin biyosentezinde yer alan enzimleri baskılasa da, laktoz böyle bir etki göstermez ve alkalin pH seviyeleri bu düzenleyici mekanizmayı etkisiz hale getirebilir. Yüksek fosfat konsantrasyonları, bol oksijen ve nitrojen kaynağı olarak amonyumun dahil edilmesi penisilin üretimini engellerken, metionin uyarıcı etkiler sağlayan özel bir nitrojen/kükürt kaynağı olarak hizmet edebilir.

Yönlendirilmiş evrimin biyoteknolojik stratejisi, çok sayıda mutant Penicillium suşu oluşturmak için kullanılmıştır. Kullanılan spesifik metodolojiler hataya açık PCR, DNA karıştırma, ITCHY ve iplik örtüşmeli PCR'yi kapsar.

Penisilin Biyosentezi

Penisilin biyosentezinden sorumlu gen kümesi ilk olarak 1990 yılında klonlanmış ve dizilenmiştir. Penisilin G'nin (benzilpenisilin) biyosentezi üç temel ve kritik aşamadan geçer.

• İlk aşama, bir tripeptit oluşturmak üzere üç amino asidin (L-α-aminoadipik asit, L-sistein ve L-valin) yoğunlaşmasını içerir. Bu yoğunlaşmadan önce, L-valin amino asidi epimerizasyona uğrayarak D-valine dönüşür. Ortaya çıkan yoğunlaştırılmış tripeptit, δ-(L-α-aminoadipil)-L-sistein-D-valin (ACV) olarak adlandırılır. Hem yoğunlaşma reaksiyonu hem de epimerizasyon süreci, ribozomal olmayan bir peptit sentetaz (NRPS) olarak işlev gören δ-(L-α-aminoadipyl)-L-sistein-D-valin sentetaz (ACVS) enzimi tarafından katalize edilir.
• Penisilin G biyosentezindeki ikinci aşama, izopenisilin N sentaz (IPNS) tarafından katalize edilen bir reaksiyon olan doğrusal ACV'nin bisiklik ara madde izopenisilin N'ye oksidatif dönüşümünü içerir. Bu enzim pcbC geni tarafından kodlanır. İzopenisilin N, nispeten zayıf bir ara ürün olarak işlev görür ve sınırlı antibiyotik etkinliği sergiler.
• Son adım, izopenisilin N N-asiltransferaz tarafından kolaylaştırılan bir transamidasyon reaksiyonunu gerektirir. Bu işlem sırasında izopenisilin N'nin a-aminoadipil yan zinciri kesilip çıkarılır ve ardından bir fenilasetil yan zinciri ile değiştirilir. Bu spesifik reaksiyon, penisilin üretiminin genel yolunda ayırt edici olduğu düşünülen bir genetik element olan penDE geni tarafından yönetilir.

Tıbbi mantarlar

• Şifalı mantarlar
• Beta-laktamaz

Referanslar

• Dorothy Hodgkin ve arkadaşları tarafından geliştirilen Penisilin Yapısı Modeli, Oxford Bilim Tarihi Müzesi'nde bulunmaktadır.
• Penisilinin Keşfi, Sir Alexander Fleming'in penisilin keşfini ve ardından Howard Florey ve Ernst Boris Chain tarafından bir antibiyotik olarak geliştirilmesini belgeleyen, hükümet yapımı bir film.
• Penisilin, Periyodik Video Tablosu'nda (Nottingham Üniversitesi) yer almaktadır.
• “Sivillere Serbest Bırakılan Penisilin Hasta Başına 35 Dolara mal olacak,” Popüler Bilim, Ağustos 1944.
• Bölüm 2 (4'ten): BBC Four ve PBS dizisinden "Tıbbi İlaçlar": Ekstra Yaşam: Daha Uzun Yaşamanın Kısa Tarihi (2021).