{{위키데이터 속성 추적}}
[[파일:Beta-lactam.svg|섬네일|120px|오른쪽|가장 단순한 β-락탐인 2-아제티딘온]]
'''베타-락탐'''({{llang|en|beta-lactam, β-lactam}})은 3개의 [[탄소]] 원자와 1개의 [[질소]] 원자로 이루어진 이종원자 4원자 고리 [[락탐]]이다.<ref>{{서적 인용| vauthors = Gilchrist T | title = Heterocyclic Chemistry | publisher = Longman Scientific | location = Harlow | year = 1987 | isbn = 978-0-582-01421-3}}</ref> 락탐은 고리형 [[아마이드]]이며, β-락탐은 질소 원자가 카보닐기와 관련된 β-탄소 원자와 결합하고 있기 때문에 그렇게 명명되었다. 가장 단순한 β-락탐은 2-아제티딘온이다. β-락탐은 의약품의 중요한 구조 단위이다.<ref>{{저널 인용
 | last1 = Fisher | first1 = J. F.
 | last2 = Meroueh | first2 = S. O.
 | last3 = Mobashery | first3 = S.
 | title = Bacterial resistance to β-lactam antibiotics: compelling opportunism, compelling opportunity
 | doi = 10.1021/cr030102i
 | journal = Chemical Reviews
 | volume = 105
 | issue = 2
 | pages = 395–424
 | year = 2005
 | pmid = 15700950
}}</ref> β-락탐 고리는 많은 [[항생물질]]이 공통으로 포함하고 있는 것으로 이런 것들을 [[베타-락탐계열 항생물질]]이라고 부른다. 이 항생물질들은 [[세균]] 세포벽의 합성을 방해하여 항균작용을 나타낸다. 세균들은 이 물질들의 대응으로 [[베타-락타메이스]]를 생성한다.

== 임상적 중요성 ==
[[파일:Penicillin core.svg|섬네일|오른쪽|220px|페니실린의 분자구조식. 베타-락탐 핵은 중앙의 질소원자를 포함하고 있는 사각형 모양이다. 다른 구조식에서도 쉽게 고리를 찾아볼 수 있다.]]
[[파일:Clavulanic acid structure.svg|섬네일|[[클라불란산]]]]
[[파일:Amoxicillin2.svg|섬네일|[[아목시실린]]]]
[[파일:Ampicillin structure.svg|섬네일|[[암피실린]]]]
[[파일:Flucloxacillin structure.svg|섬네일|[[플루클록사실린]]]]
β-락탐 고리는 여러 [[항생제]] 계열의 핵심 구조의 일부이며, [[β-락탐 계열 항생제]]의 예로는 [[페니실린]], [[세팔로스포린]], [[카바페넴]], [[모노박탐]] 등이 있다. 거의 모든 항생제는 [[세균]]의 [[세포벽]] [[생합성]]을 저해함으로써 작용한다. 이는 세균에게 치명적인 영향을 미치지만, 주어진 세균 개체군에는 일반적으로 β-락탐 계열 항생제에 [[항생제 내성|내성]]을 가지고 있는 하위 그룹을 포함하고 있다. 세균의 내성은 β-락탐 고리를 파괴하는 효소의 한 부류인 [[β-락타메이스]]를 생성하는 많은 유전자들 중에 하나가 발현한 결과로 생겨난다. 1,800개 이상의 서로 다른 β-락타메이스가 다양한 종류의 세균에서 문서화되어 있다.<ref name=Brandt>{{저널 인용| vauthors = Brandt C, Braun SD, Stein C, Slickers P, Ehricht R, Pletz MW, Makarewicz O | title = In silico serine β-lactamases analysis reveals a huge potential resistome in environmental and pathogenic species | journal = Scientific Reports | volume = 7 | pages = 43232 | date = February 2017 | pmid = 28233789 | pmc = 5324141 | doi = 10.1038/srep43232 | bibcode = 2017NatSR...743232B }}</ref> 이들 [[효소]]는 화학 구조와 촉매 효율이 매우 다양하다.<ref name=Ehmann>{{저널 인용| vauthors = Ehmann DE, Jahić H, Ross PL, Gu RF, Hu J, Kern G, Walkup GK, Fisher SL | title = Avibactam is a covalent, reversible, non-β-lactam β-lactamase inhibitor | journal = Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America | volume = 109 | issue = 29 | pages = 11663–8 | date = July 2012 | pmid = 22753474 | pmc = 3406822 | doi = 10.1073/pnas.1205073109 | bibcode = 2012PNAS..10911663E }}</ref> 세균 개체군에 이러한 내성을 가지고 있는 하위 그룹이 존재할 때 β-락탐 계열 항생제로 처리하면 내성 균주가 보다 널리 퍼져서 상황을 더 악화시킬 수 있다. β-락탐 계열 항생제는 가장 중요한 항생제 부류 중 하나로 간주되지만, 임상적으로 내성이 생기기 쉽다. β-락탐은 세균의 세포벽의 [[펩티도글리칸]] 부분을 교차결합시키는 기능을 하는 [[페니실린 결합 단백질]](PBP)로 알려져 있는 효소 부류에 대해 자연적으로 생성되는 d-Ala-d-Ala 기질을 모방하여 항생제 특성을 나타낸다.<ref name="pmid5219821">{{저널 인용| vauthors = Tipper DJ, Strominger JL | title = Mechanism of action of penicillins: a proposal based on their structural similarity to acyl-D-alanyl-D-alanine | journal = Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America | volume = 54 | issue = 4 | pages = 1133–41 | date = October 1965 | pmid = 5219821 | pmc = 219812 | doi = 10.1073/pnas.54.4.1133 | bibcode = 1965PNAS...54.1133T }}</ref>

== 베타-락탐계열 항생물질에 대한 저항성 ==
[[베타-락탐계열 항생제]]는 인기있는 [[항생제]]였기 때문에 세균들은 쉽게 이들 항생제에 대한 대응책을 마련할 수 있었다. 그것이 바로 베타-락타메이스(베타-락탐 분해효소)이다. 이것은 베타-락탐 고리를 분해하며 항생제의 항균능력을 거의 무력화시킨다. 이것의 생성능은 [[돌연변이]]로 쉽게 획득할 수 있으며 이렇게 된 균주는 단일 성분의 기존 항생제로는 거의 제거가 불가능하다.

페니실린만을 무력화시키는 베타-락타메이스를 페니실리네이스(Penicillinase)라고 부르기도 한다.

=== 대처 ===
베타-락타메이스 생성 균주의 치료 방법으로서 사용되는 것은 대표적으로 [[오구멘틴]](augmentin)이 있다. 오구멘틴은 [[아목시실린]]과 [[클라불란산]]의 조합으로, 베타-락탐계열 항생제로 분류되지만 클라불란산이 베타-락타메이스와 결합하여 베타-락타메이스를 소모시켜 궁극적으로 아목시실린의 베타-락탐은 베타-락타메이스에 영향을 받지 않고 그대로 항균효과를 나타낼 수 있다.

== 역사 ==
최초의 합성 β-락탐은 1907년 [[헤르만 슈타우딩거]]가 [[아닐린]]과 [[벤즈알데하이드]]의 [[시프 염기]]를 [[다이페닐케텐]]<ref>{{저널 인용| vauthors = Tidwell TT | title = Hugo (Ugo) Schiff, Schiff bases, and a century of beta-lactam synthesis | journal = Angewandte Chemie | volume = 47 | issue = 6 | pages = 1016–20 | year = 2008 | pmid = 18022986 | doi = 10.1002/anie.200702965 }}</ref><ref>{{저널 인용| vauthors = Staudinger H | journal = Justus Liebigs Ann. Chem. | title = Zur Kenntniss der Ketene. Diphenylketen | date = 1907 | volume = 356 | issue = 1–2 | pages = 51–123 | doi=10.1002/jlac.19073560106| url = https://zenodo.org/record/1427571 }}</ref>과 [2+2] 고리화 첨가(Ph는 페닐기를 나타냄) 반응으로 제조했다.
{|
|[[파일:StaudingerLactam.svg|섬네일|왼쪽|500px|슈타우딩거의 락탐 제조 반응]]
|}

1970년까지 대부분의 β-락탐 연구는 [[페니실린]] 및 [[세팔로스포린]] 그룹과 관련이 있었지만, 그 후로 다양한 구조가 설명되었다.<ref>{{서적 인용| vauthors = Flynn EH |title=Cephalosporins and Penicillins : Chemistry and Biology| url = https://archive.org/details/cephalosporinspe0000flyn |year=1972|publisher=Academic Press|location=New York and London}}</ref><ref name="pmid30209477">{{저널 인용| vauthors = Hosseyni S, Jarrahpour A | title = Recent advances in β-lactam synthesis | journal = Organic & Biomolecular Chemistry | volume = 16 | issue = 38 | pages = 6840–6852 | date = October 2018 | pmid = 30209477 | doi = 10.1039/c8ob01833b }}</ref>

== 합성 및 반응성 ==
β-락탐의 합성을 위해 많은 방법이 개발되었다.<ref>{{저널 인용|doi=10.1021/cr0307300|title=Β-Lactams: Versatile Building Blocks for the Stereoselective Synthesis of Non-β-Lactam Products|year=2007|last1=Alcaide|first1=Benito|last2=Almendros|first2=Pedro|last3=Aragoncillo|first3=Cristina|journal=Chemical Reviews|volume=107|issue=11|pages=4437–4492|pmid=17649981}}</ref>

브렉포트 합성(Breckpot synthesis) : [[그리냐르 시약]]을 사용하여 베타 아미노산 에스터의 고리화로부터 치환된 β-락탐의 합성이다.<ref>{{웹 인용 |url=http://www.pmf.ukim.edu.mk/PMF/Chemistry/reactions/breckpot.htm |title=Breckpot Synthesis |vauthors=Bogdanov B, Zdravkovski Z, Hristovski K |website=Institute of Chemistry Skopje |확인날짜=2021-04-29 |archive-date=2015-11-06 |archive-url=https://web.archive.org/web/20151106234526/http://www.pmf.ukim.edu.mk/PMF/Chemistry/reactions/breckpot.htm |url-status=dead }}</ref>
{|
|[[파일:Breckpot synthesis.jpg|섬네일|왼쪽|500px|브렉포트 합성]]
|}

[[고리 변형]]으로 인해 β-락탐은 선형 아마이드 또는 더 큰 락탐보다 보다 쉽게 [[가수분해]]된다. 이러한 변형은 대부분의 β-락탐 계열 항생제에서 발견되는 것처럼 두 번째 고리에 대한 융합에 의해 더욱 더 증가한다. 이러한 경향은 β-락탐의 아마이드 특성이 시스템의 비평 탄성(aplanarity)에 의해 감소하기 때문이다. 이상적인 아마이드 질소 원자는 [[공명 (화학)|공명]]으로 인해 [[혼성 궤도|sp<sup>2</sup>-혼성화]]되고 sp<sup>2</sup>-혼성화된 원자는 [[평면삼각형 분자기하]]를 갖는다. [[각뿔|피라미드]] 결합 기하학이 고리 평면에 의해 질소 원자에 가해지면 아마이드 결합의 공명이 감소하고 카보닐이 보다 더 [[케톤]]과 비슷해진다. [[노벨 화학상]] 수상자인 [[로버트 번스 우드워드]]는 매개변수 ''h''를 질소([[꼭대기 (기하학)|꼭대기]]로서)와 인접한 3개의 원자로 정의된 삼각 피라미드의 높이 측정값으로 설명했다. 매개변수 ''h''는 β-락탐 결합의 강도에 해당하며 낮은 수(보다 평면적이고, 이상적인 아마이드와 유사함)가 더 강하고 반응성이 작다.<ref>{{저널 인용| vauthors = Woodward RB | title = Penems and related substances | journal = Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences | volume = 289 | issue = 1036 | pages = 239–50 | date = May 1980 | pmid = 6109320 | doi = 10.1098/rstb.1980.0042 | bibcode = 1980RSPTB.289..239W | doi-access = free }}</ref> 모노박탐은 0.05~0.10 사이의 [[옹스트롬]](Å)의 ''h''값을 갖는다. 세팔로스포린 계열의 ''h''값은 0.20~0.25 Å이다. 페니실린 계열의 ''h''값은 0.40~0.50 Å인 반면 카바페넴 계열 및 클라밤 계열의 ''h''값은 0.50~0.60 Å이며, 가수분해에 대한 β-락탐의 반응성이 가장 높다.<ref name = "Nangia_1996">{{저널 인용| vauthors = Nangia A, Biradha K, Desiraju GR | year = 1996 | title = Correlation of biological activity in β-lactam antibiotics with Woodward and Cohen structural parameters: A Cambridge database study | journal = J. Chem. Soc. Perkin Trans. | volume = 2 | issue = 5| pages = 943–53 | doi=10.1039/p29960000943}}</ref>

== 기타 활용 ==
새로운 연구에 따르면 β-락탐은 개환 [[중합]]을 거쳐 아마이드 결합을 형성하여 나일론-3 중합체가 될 수 있다. 이러한 중합체의 골격은 생체 기능에 사용되는 펩타이드와 동일하다. 나일론-3 중합체는 [[항균 펩타이드|숙주 방어 펩타이드]]를 모방하거나 3T3 [[줄기세포]] 기능을 자극하는 신호 역할을 할 수 있다.<ref name = "Nangia_1996" />

구조에 β-락탐이 있는 튜불린을 표적으로 하는 항증식제도 보고되었다.<ref>{{저널 인용| vauthors = O'Boyle NM, Carr M, Greene LM, Bergin O, Nathwani SM, McCabe T, Lloyd DG, Zisterer DM, Meegan MJ | title = Synthesis and evaluation of azetidinone analogues of combretastatin A-4 as tubulin targeting agents | journal = Journal of Medicinal Chemistry | volume = 53 | issue = 24 | pages = 8569–84 | date = December 2010 | pmid = 21080725 | doi = 10.1021/jm101115u | url = http://arrow.dit.ie/scschcpsart/62 | hdl = 2262/81779 | hdl-access = free }}</ref><ref>{{저널 인용| vauthors = O'Boyle NM, Greene LM, Bergin O, Fichet JB, McCabe T, Lloyd DG, Zisterer DM, Meegan MJ | title = Synthesis, evaluation and structural studies of antiproliferative tubulin-targeting azetidin-2-ones | journal = Bioorganic & Medicinal Chemistry | volume = 19 | issue = 7 | pages = 2306–25 | date = April 2011 | pmid = 21397510 | doi = 10.1016/j.bmc.2011.02.022 | url = http://www.tara.tcd.ie/bitstream/2262/54923/1/Synthesis%2c%20evaluation%20and%20structural%20studies%20of%20antiproliferative%20tubulin-targeting%20azetidin-2-ones.pdf | hdl = 2262/54923 }}</ref>

== 같이 보기 ==
* [[항생제]]
* [[β-락탐 계열 항생제]]
* [[아제티딘]]
* [[락톤]]

== 각주 ==
{{각주}}

== 외부 링크 ==
* [https://www.organic-chemistry.org/synthesis/heterocycles/lactams/beta-lactams.shtm β-락탐의 합성 (영문)]

[[분류:베타-락탐| ]]
[[분류:락탐]]
[[분류:사원자 고리]]
[[분류:항생물질]]
[[분류:작용기]]