Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир - Джей Берресон, Пенни Лекутер (2003)

Полицейскому, страдавшему одновременно от стрептококковой и стафилококковой инфекций, внутривенно ввели препарат пенициллина. Через двадцать четыре часа наступило улучшение, а спустя пять дней жар спал и инфекция начала угасать. Однако к этому времени весь запас лекарства (примерно чайная ложка неочищенного препарата) был исчерпан. Инфекция вновь набрала силу, и пациент вскоре умер. Погиб и второй пациент. К началу третьих испытаний было получено достаточно пенициллина, чтобы полностью вылечить от стрептококковой инфекции 15-летнего подростка. После этого с помощью пенициллина удалось вылечить еще одного ребенка, кровь которого была заражена стафилококком, и ученые из Оксфорда поняли, что одержали победу. Пенициллин оказался активным ингибитором роста многих видов бактерий и не оказывал такого серьезного побочного действия, как нарушение функции почек, наблюдавшееся при лечении сульфаниламидными препаратами. Позднее в некоторых исследованиях было показано, что отдельные пенициллины ингибируют рост стрептококков даже в таком сильном разведении, как одна часть на пятьдесят миллионов.

В то время структура пенициллина еще не была известна, поэтому не было возможности получить это вещество синтетическим путем. Пенициллин по-прежнему получали из плесени, и выделение больших количеств препарата было скорее проблемой микробиологов и бактериологов, чем химиков. Центром исследований в этой сфере стала лаборатория Министерства сельского хозяйства США в Пеории, штат Иллинойс. К июлю 1943 года американские фармацевтические компании произвели около восьмисот миллионов единиц нового антибиотика. Через год ежемесячный выпуск достиг 130 миллиардов единиц.

Согласно некоторым оценкам, во время Второй мировой войны над определением структуры пенициллина и поиском путей его синтеза трудилась тысяча ученых-химиков из тридцати девяти лабораторий в США и Великобритании. Наконец в 1946 году структура этого вещества была определена[15], однако успешный синтез был осуществлен только в 1957 году.

Структура молекулы пенициллина кажется не такой сложной, как структура некоторых уже рассмотренных нами веществ. Однако это соединение необычно тем, что содержит четырехчленное кольцо — так называемое β-лактамное кольцо.

Структура молекулы пенициллина G. Стрелкой показано β-лактамное кольцо.

Молекулы с четырехчленными кольцами встречаются в природе довольно-таки редко. И синтезировать подобную молекулу химическим путем непросто. Причина в том, что углы между связями в таком кольце составляют 90°, тогда как обычно углы между простыми связями у атомов углерода и азота составляют 109°. А предпочтительный угол между связями углерода, имеющего двойную связь, составляет около 120°.

Углерод с четырьмя одинарными связями и азот с тремя одинарными связями имеют трехмерную пространственную структуру, тогда как две одинарные связи углерода и его двойная связь с кислородом лежат в одной плоскости

Четырехчленные кольца в органических соединениях не являются плоскими — они слегка выгнуты, но даже это обстоятельство не позволяет молекуле избавиться от так называемого углового напряжения, которое возникает из-за того, что связи между атомами вынуждены отклоняться от предпочтительного положения. Именно это напряжение структуры является причиной антимикробного действия пенициллинов.

Для синтеза клеточных стенок бактерии используют специальные ферменты. В присутствии этих ферментов β-лактамное кольцо пенициллина раскрывается, и напряжение в молекуле снимается. При этом OH-группа бактериального фермента ацилируется (это тот же самый тип реакций, в результате которого салициловая кислота превращается в аспирин), и раскрытое кольцо пенициллина присоединяется к молекуле бактериального фермента. Обратите внимание: в результате пятичленное кольцо пенициллина сохраняется.