Penicillin

Penicillin là một loại kháng sinh được chiết xuất từ nấm Penicillium hoặc chế tạo nhân tạo. Vào năm 1928, trong quá trình quan sát các đĩa Petri chứa vi khuẩn Staphylococcus, Alexander Fleming phát hiện ra một hiện tượng lạ: các cụm vi khuẩn không mọc ở vùng có sự hiện diện của nấm mốc. Nấm mốc này sau đó được xác định là Penicillium notatum (hoặc Penicillium chrysogenum). Mười năm sau, penicillin được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi các nhà khoa học như Ernst Boris Chain và Howard Florey, và bắt đầu được sử dụng để điều trị nhiễm trùng từ năm 1942. Nếu không có phát hiện tình cờ của Fleming, penicillin có thể không được sản xuất hàng loạt như một kháng sinh cho con người trong Thế chiến thứ hai.

Có nhiều loại penicillin có khả năng chống lại các vi khuẩn khác nhau, bao gồm penicillin chống tụ cầu khuẩn, aminopenicillin và penicillin kháng giả khuẩn. Những loại penicillin này có nguồn gốc từ nấm Penicillium. Alexander Fleming được trao giải Nobel Sinh lý và Y khoa năm 1945 cho khám phá của mình, cùng với các nhà nghiên cứu Howard Florey và Ernst Boris Chain của Đại học Oxford, người đã phát triển các phương pháp cải tiến để sản xuất và tinh chế thuốc cũng như chứng minh tác dụng kháng khuẩn của nó. Penicillin hoạt động bằng cách tiêu diệt vi khuẩn và ức chế sự phát triển của chúng.

Khoảng 10% người dùng penicillin báo cáo bị dị ứng với thuốc, tuy nhiên, 90% trong số đó có thể không thực sự bị dị ứng. Dị ứng nghiêm trọng chỉ xảy ra ở khoảng 0,03% trường hợp. Những người bị dị ứng với penicillin thường được chuyển sang dùng cephalosporin C do các nhóm chức năng của nó. Tất cả các loại penicillin đều là kháng sinh β-lactam, là một trong những thành tựu nổi bật và thành công nhất trong khoa học hiện đại.

Dùng trong y học

Thuật ngữ 'Penicillin' thường chỉ đến các loại như benzylpenicillin (penicillin G), procaine benzylpenicillin (procaine penicillin), benzathine benzylpenicillin (benzathine penicillin), và phenoxymethylpenicillin (penicillin V).

Procaine penicillin và benzathine penicillin có khả năng kháng khuẩn tương tự như benzylpenicillin nhưng kéo dài hơn. Trong khi đó, phenoxymethylpenicillin có ít hiệu quả hơn đối với vi khuẩn gram âm so với benzylpenicillin. Benzylpenicillin, procaine penicillin và benzathine penicillin thường được tiêm, còn phenoxymethylpenicillin được sử dụng qua đường uống.

Cấu trúc

Khái niệm 'penam' miêu tả khung cơ bản của một loại penicillin. Công thức phân tử của khung này là R-C₉H₁₁N₂O₄S, với R là chuỗi có sự khác biệt giữa các loại penicillin. Lõi penam có khối lượng phân tử là 243 g/mol, trong khi các penicillin lớn hơn có khối lượng phân tử gần 450, chẳng hạn như cloxacillin với khối lượng phân tử 436 g/mol. Cấu trúc chính của penicillin bao gồm vòng β-lactam với 4 nhóm, yếu tố cần thiết để có hiệu quả kháng khuẩn. Vòng β-lactam kết hợp với vòng thiazolidine có 5 nhóm khác, và sự kết hợp này làm cho β-lactam hoạt động hiệu quả hơn nhờ làm biến dạng liên kết amide của β-lactam, từ đó loại bỏ tính ổn định cộng hưởng của liên kết hóa học thường thấy trong các liên kết này.

Sinh tổng hợp

Tóm lại, quy trình tổng hợp penicillin G (benzylpenicillin) bao gồm ba bước chính và quan trọng.

• Bước đầu tiên là trùng hợp ba amino acid—L-α-aminoadipic axit, L-cysteine, và L-valine để tạo thành tripeptit. Trước khi trùng hợp, amino acid L-valine cần trải qua quá trình epimer hóa để chuyển thành D-valine. Tripeptit thu được có tên δ-(L-α-aminoadipyl)-L-cysteine-D-valine (ACV). Quá trình trùng hợp và epimer hóa được xúc tác bởi enzym δ-(L-α-aminoadipyl)-L-cysteine-D-valine synthetase (ACVS).
• Bước thứ hai là oxy hóa ACV mạch thẳng thành isopenicillin N, một chất trung gian có hai vòng, nhờ enzym isopenicillin N synthase (IPNS) được mã hóa bởi gen pcbC. Isopenicillin N là một chất trung gian khá yếu, không có khả năng kháng khuẩn mạnh.
• Bước cuối cùng là chuyển hóa amin bởi enzym isopenicillin N N-acyltransferase, trong đó gốc α-aminoadipyl bên cạnh chuỗi của isopenicillin N bị loại bỏ và thay thế bằng chuỗi phenylacetyl. Quá trình này được điều khiển bởi gen penDE, đặc biệt quan trọng trong quá trình tạo ra penicillin.

Quá trình phát hiện penicillin một cách ngẫu nhiên

Nhà sinh học người Scotland, Alexander Fleming, nổi tiếng với sự tận tâm trong nghiên cứu và sự cẩn trọng khi xem xét lại các thí nghiệm của mình. Ông luôn rất do dự khi vứt bỏ những mẫu cấy vi khuẩn cũ, cho đến khi hoàn toàn chắc chắn rằng không còn gì có thể khai thác từ chúng.

Trước kỳ nghỉ hè dài 2 tuần vào năm 1928, phòng thí nghiệm của Alexander Fleming thường được dọn dẹp kỹ lưỡng. Tuy nhiên, lần đó ông đã quên làm sạch. Khi trở lại vào sáng thứ sáu ngày 28 tháng 9 năm 1928, ông phát hiện một số đĩa nuôi cấy vi khuẩn bị mốc. Trước khi quyết định vứt bỏ, ông nhận thấy một đĩa bị mốc đã tiêu diệt hoàn toàn mẻ vi khuẩn nuôi cấy trên đó. Mốc này là một loại nấm, Penicillium chrysogenum, phát triển trên bánh mì. Fleming viết báo cáo về phát hiện của mình nhưng chưa thực sự khai thác tiềm năng của nó. Dù là người đầu tiên phát hiện ra tính năng của penicillin, Fleming không có công nghệ cần thiết để sản xuất hàng loạt.

Việc nghiên cứu và ứng dụng penicillin được các nhà khoa học Anh và Úc tiếp tục phát triển trong Chiến tranh thế giới II, dẫn đến việc sản xuất hàng loạt. Năm 1938, Fleming nhận được lời mời hợp tác từ hai nhà khoa học của Đại học Oxford, Ernst Boris Chain và Howard Walter Florey, để tiếp tục nghiên cứu penicillin. Sự hợp tác này đã thành công và vào tháng 8 năm 1940, kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Lancet. Fleming được trao giải Nobel cho thành tựu này và bình luận rằng: 'Đôi khi, người ta tìm ra những thứ mình không hề tìm kiếm'.

Ứng dụng penicillin trong thực tiễn và sản xuất hàng loạt

Trong Chiến tranh thế giới II, nhóm các nhà khoa học tìm cách chữa trị các vết thương nhiễm trùng của binh sĩ đã tình cờ phát hiện ra phát hiện của Fleming và thử nghiệm với loại nấm mốc này. Kết quả rất ấn tượng và ngay lập tức, penicillin được sản xuất với quy mô lớn và đưa đến mặt trận.

Hơn 50 năm sau, penicillin vẫn giữ vị trí hàng đầu trong các loại kháng sinh được sử dụng trên toàn thế giới. Sự phổ biến này có được là nhờ vào phát hiện tình cờ của một nhà khoa học vốn không thích dọn dẹp. Trong suốt Chiến tranh thế giới II, hơn 21 công ty hóa chất đã cùng nhau tham gia vào việc sản xuất penicillin cấp tốc. Đến khi cuộc chiến kết thúc, họ đã sản xuất tới 650 tỷ đơn vị mỗi tháng.

Chức năng của penicillin

Penicillin hoạt động bằng cách tiêu diệt vi khuẩn và ngăn chặn sự phát triển của chúng. Chất này không ảnh hưởng đến các vi khuẩn đang ở trạng thái nghỉ mà chỉ tiêu diệt những vi khuẩn đang sinh trưởng và sinh sản. Penicillin có khả năng tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn gây bệnh như pneumococci, streptococci, gonococci, meningococci, clostridium và syphilis spirochete. Nó được sử dụng để điều trị các bệnh nguy hiểm như viêm nội tâm mạc, nhiễm trùng máu, gangrene khí, lậu mủ, sốt vàng da, giang mai và viêm loét lưỡi cấp.

Những tác dụng phụ

Penicillin có thể gây ra phản ứng dị ứng như phát ban hoặc tiêu chảy. Người đã dị ứng với một loại penicillin thường sẽ không được phép sử dụng bất kỳ loại penicillin nào khác. Penicillin cũng có thể làm thay đổi mức histamine trong cơ thể, dẫn đến chứng dị ứng với nước (Aquagenic Urticaria).

Ghi chú

Tham khảo tài liệu

• Nicolaou, K.C. (1996). Các Kiệt Tác Trong Tổng Hợp: Mục Tiêu, Chiến Lược, Phương Pháp. Sorensen, E.J.; với lời giới thiệu của E.J. Corey. Weinheim: VCH. ISBN 3-527-29284-5.
• Dürckheimer, Walter (ngày 1 tháng 3 năm 1985). Blumbach, Jürgen; Lattrell, Rudolf; Scheunemann, Karl Heinz. “Những Tiến Bộ Mới Trong Lĩnh Vực Kháng Sinh β-Lactam”. Angewandte Chemie International Edition in English. 24 (3): 180–202. doi:10.1002/anie.198501801.
• Hamed, Refaat B. (ngày 1 tháng 1 năm 2013). Gomez-Castellanos, J. Ruben; Henry, Luc; Ducho, Christian; McDonough, Michael A.; Schofield, Christopher J. “Các Enzyme Trong Quá Trình Tổng Hợp β-lactam”. Báo Cáo Các Sản Phẩm Tự Nhiên. 30 (1): 21–107. doi:10.1039/c2np20065a. PMID 23135477.

Các liên kết ngoài

• Mô hình cấu trúc của Penicillin, bởi Dorothy Hodgkin và cộng sự, Bảo tàng Lịch sử Khoa học, Oxford Lưu trữ 2009-03-27 tại Wayback Machine
• Khám Phá Penicillin, một bộ phim do chính phủ sản xuất về sự phát hiện Penicillin bởi Sir Alexander Fleming và sự phát triển liên tục của nó như một loại kháng sinh bởi Howard Florey và Ernst Boris Chain.
• Penicillin tại Bảng Tuần Hoàn Các Video (Đại học Nottingham)
• Penicillin Được Phát Hành Cho Dân Sự Có Giá 35 Đô La Mỗi Bệnh Nhân Popular Science, tháng 8 năm 1944, bài viết ở cuối trang

Mẫuáng sinh